JP2022002423A - モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト削減を図りつつ、モータの制御性能を向上させることができるモータ装置を提供する。【解決手段】磁極を有するロータ１１と、複数相のコイルを有するステータ１２と、磁極を検出する磁極センサと、を有するモータ１Ｘと、ロータ１１の位置変化を検出する位置検出器６と、交流電圧によりコイルに通電される通電パターンを切り換えることにより、ロータ１１を回転させるモータ制御部３と、を有し、モータ制御部３は、磁極センサの検出信号の少なくとも１つの第１半周期における信号長に基づき、第１半周期よりも後の第２半周期における通電パターンを切替える単位である単位電気角位置に相当する期間を推定し、推定された期間が経過したときに位置検出器６の検出結果に基づいて次に切替えるべきと推定される通電パターンから変更した通電パターンをコイルに通電させるモータ装置１０Ｘ。【選択図】図４

Description

本発明は、モータ装置に関する。

従来のＤＣブラシレスモータの一例は、特許文献１に開示される。特許文献１のＤＣブラシレスモータは、４極の磁極を有するロータと、３相の励磁コイルを有するステータと、を備える。ステータには、ロータ位置検出手段として１個のホール素子が配置される。ホール素子からのホール素子信号は、インバータへ送られる。インバータは、ホール素子信号を用いてドライブ信号を形成し、各相の励磁コイルの駆動を行う。

ホール素子信号は、１個のホール素子が設置される励磁コイルに対する磁極変化のみを検出しており、ホール素子が設置されないその他の励磁コイルに対する磁極変化は検出されない。そこで、インバータは、ホール素子検出手段と、タイマ手段と、励磁パターン作成手段と、を有する。

ホール素子検出手段は、ホール素子信号を波形処理してホール素子検出信号を形成する。タイマ手段は、ホール素子検出信号の周期間隔を測定し、ロータの各極が検出されている時間間隔を測定する。タイマ手段は、測定された上記時間間隔に基づき、実際には測定していないホール素子検出信号を予測し、擬似信号として形成する。励磁パターン作成手段は、形成された上記擬似信号に基づき、励磁パターンを形成する。

特開平９−１６３７８７号公報

上記特許文献１によれば、ホール素子の個数を削減し、コスト削減を図ることはできる。しかしながら、ロータにかかる負荷によって、ホール素子検出信号の予測精度、すなわち擬似信号の正確性が低下する虞があった。この場合、本来形成すべき励磁パターンと異なるパターンが形成されて励磁コイルが駆動されることで、ロータの正常な回転が継続できない虞があった。

上記状況に鑑み、本発明は、コスト削減を図りつつ、モータの制御性能を向上させることができるモータ装置を提供することを目的とする。

本発明の例示的なモータ装置は、
磁極を有するロータと、
複数相のコイルを有するステータと、
前記磁極を検出する磁極センサと、
を有するモータと、
前記ロータの位置変化を検出する位置検出器と、
交流電圧により前記コイルに通電される通電パターンを切り換えることにより、前記ロータを回転させるモータ制御部と、
を有し、
前記モータ制御部は、前記磁極センサの検出信号の少なくとも１つの第１半周期における信号長に基づき、前記第１半周期よりも後の第２半周期における前記通電パターンを切替える単位である単位電気角位置に相当する期間を推定し、推定された前記期間が経過したときに前記位置検出器の検出結果に基づいて次に切替えるべきと推定される前記通電パターンから変更した前記通電パターンを前記コイルに通電させる。

本発明の例示的なモータ装置によれば、コスト削減を図りつつ、モータの制御性能を向上させることができる。

図１は、第１比較例に係るモータ装置の構成を示す図である。 図２は、図１に示すロータの回転位置を電気角で表した一例を示す概念図である。 図３は、第１比較例に係るモータ装置におけるモータの駆動制御を示すタイミングチャートである。 図４は、第２比較例および本発明の例示的な実施形態に係るモータ装置の構成を示す図である。 図５は、本発明の例示的な実施形態に係るモータ装置におけるモータの駆動制御を説明するためのタイミングチャートである。 図６は、本発明の例示的な実施形態に係るモータ装置におけるモータの駆動制御に関するフローチャートである。 図７は、本発明の例示的な実施形態に係るモータ装置におけるモータの駆動制御に関するフローチャートである。

以下に本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

＜１．第１比較例に関して＞
本発明の例示的な実施形態について述べる前に、まず、本発明に対する比較例に関して説明する。図１は、第１比較例に係るモータ装置１０の構成を示す図である。

図１に示すモータ装置１０は、モータ１と、インバータ２と、モータ制御部３と、減速機４と、出力軸５と、位置検出器６と、を有する。モータ装置１０は、不図示の筐体を更に有する。モータ１、インバータ２、モータ制御部３、減速機４、出力軸５、および位置検出器６は、上記筐体内に収容される。また、モータ１は、Ｕ相端子Ｔｕ、Ｖ相端子Ｔｖ、およびＷ相端子Ｔｗを有する。

モータ１は、ＤＣブラシレスモータとして構成される。ＤＣブラシレスモータは、コイルに流す電流の切替えをインバータ等の駆動回路によって行うことでブラシおよび整流子を不要としたモータである。

モータ１は、ロータ１１と、ステータ１２と、ホール素子Ｈ１〜Ｈ３と、を有する。ロータ１１は、一例として、４極の磁極を有する。具体的には、ロータ１１は、Ｎ極の永久磁石とＳ極の永久磁石が交互に周方向に９０度ずつの範囲で配置される。なお、周方向とは、ロータ１１が回転する回転軸Ｊ周りの方向である。また、本実施形態の例では、図１に示すように、ロータ１１の回転方向は、図１の紙面で左回り（反時計回り）である。

ステータ１２は、ステータコア１２１と、Ｕ相コイル１２ｕと、Ｖ相コイル１２ｖと、Ｗ相コイル１２ｗと、を有する。ステータコア１２１は、コアバック１２１Ａと、３つのティース１２１Ｂと、を有する。コアバック１２１Ａは、ロータ１１の外側を周方向に囲む円筒状である。各ティース１２１Ｂは、周方向に等間隔に配置される。すなわち、隣接するティース１２１Ｂ間の周方向角度は、１２０度である。各ティース１２１Ｂは、コアバック１２１Ａの内周面からロータ１１へ向かって径方向に突出する。なお、径方向とは、回転軸Ｊに対する径方向である。

Ｕ相コイル１２ｕ、Ｖ相コイル１２ｖ、およびＷ相コイル１２ｗは、それぞれ各ティース１２１Ｂに設けられる。Ｕ相コイル１２ｕ、Ｖ相コイル１２ｖ、およびＷ相コイル１２ｗは、各ティース１２１Ｂに導線が巻き回されて構成される。図１に示す例では、Ｕ相コイル１２ｕの一端、Ｖ相コイル１２ｖの一端、およびＷ相コイル１２ｗの一端は、一つの中性点で接続される。Ｕ相コイル１２ｕの他端は、Ｕ相端子Ｔｕに接続される。Ｖ相コイル１２ｖの他端は、Ｖ相端子Ｔｖに接続される。Ｗ相コイル１２ｗの他端は、Ｗ相端子Ｔｗに接続される。すなわち、Ｕ相コイル１２ｕ、Ｖ相コイル１２ｖ、およびＷ相コイル１２ｗは、所謂スター結線により結線される。

図１の紙面で右回りの周方向に、Ｕ相コイル１２ｕ、Ｖ相コイル１２ｖ、およびＷ相コイル１２ｗが順に配置される。

ホール素子Ｈ１〜Ｈ３は、磁力によって出力電圧が変化する半導体センサである。ホール素子Ｈ１〜Ｈ３は、ロータ１１の有する永久磁石のＮ極、Ｓ極が接近することにより、出力を切替える。

図１の紙面で右回りの周方向に、ホール素子Ｈ１、ホール素子Ｈ２、およびホール素子Ｈ３が順に配置される。ホール素子Ｈ１、ホール素子Ｈ２、およびホール素子Ｈ３は、周方向に等間隔に配置される。

ホール素子Ｈ１は、Ｖ相コイル１２ｖとＷ相コイル１２ｗとに周方向に挟まれる位置に配置される。ホール素子Ｈ１は、Ｖ相コイル１２ｖとＷ相コイル１２ｗとのそれぞれの位置から周方向に６０度ずつずれた位置に配置される。ホール素子Ｈ２は、Ｗ相コイル１２ｗとＵ相コイル１２ｕとに周方向に挟まれる位置に配置される。ホール素子Ｈ２は、Ｗ相コイル１２ｗとＵ相コイル１２ｕとのそれぞれの位置から周方向に６０度ずつずれた位置に配置される。ホール素子Ｈ３は、Ｕ相コイル１２ｕとＶ相コイル１２ｖとに周方向に挟まれる位置に配置される。ホール素子Ｈ３は、Ｕ相コイル１２ｕとＶ相コイル１２ｖとのそれぞれの位置から周方向に６０度ずつずれた位置に配置される。

すなわち、モータ１は、磁極を有するロータ１１と、複数相のコイル（１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ）と、磁極を検出する磁極センサ（ホール素子Ｈ１〜Ｈ３）と、を有する。

インバータ２は、Ｕ相ブリッジ２１ｕ、Ｖ相ブリッジ２１ｖ、Ｗ相ブリッジ２１ｗ、およびコンデンサ２２を有する。インバータ２には、直流電源１５による直流電圧Ｖｃｃが印加される。具体的には、直流電圧Ｖｃｃは、コンデンサ２２の一端に印加される。コンデンサ２２の他端には、グランド電位が接続される。すなわち、コンデンサ２２の一端側が高電位側、他端側が低電位側となる。

Ｕ相ブリッジ２１ｕは、高電位側のＵ相上側スイッチング素子ＵＨと、低電位側のＵ相下側スイッチング素子ＵＬと、が直列接続されて構成される。Ｖ相ブリッジ２１ｖは、高電位側のＶ相上側スイッチング素子ＶＨと、低電位側のＶ相下側スイッチング素子ＶＬと、が直列接続されて構成される。Ｗ相ブリッジ２１ｗは、高電位側のＷ相上側スイッチング素子ＷＨと、低電位側のＷ相下側スイッチング素子ＷＬと、が直列接続されて構成される。すなわち、Ｕ相ブリッジ２１ｕ、Ｖ相ブリッジ２１ｖ、およびＷ相ブリッジ２１ｗは、コンデンサ２２に対して並列に接続される。

Ｕ相ブリッジ２１ｕにおけるＵ相上側スイッチング素子ＵＨとＵ相下側スイッチング素子ＵＬとが接続される接続ノードＮｕは、Ｕ相端子Ｔｕに接続される。Ｖ相ブリッジ２１ｖにおけるＶ相上側スイッチング素子ＶＨとＶ相下側スイッチング素子ＶＬとが接続される接続ノードＮｖは、Ｖ相端子Ｔｖに接続される。Ｗ相ブリッジ２１ｗにおけるＷ相上側スイッチング素子ＷＨとＷ相下側スイッチング素子ＷＬとが接続される接続ノードＮｗは、Ｗ相端子Ｔｗに接続される。

モータ制御部３は、例えばマイクロプロセッサ等によって構成される。モータ制御部３は、スイッチング信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗ、Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚをインバータ２に出力して、インバータ２を駆動する。

Ｕ相上側スイッチング素子ＵＨは、スイッチング信号Ｓｕによってオンオフを切替えられる。スイッチング信号ＳｕがＨｉｇｈレベルの場合、Ｕ相上側スイッチング素子ＵＨはオンとなり、スイッチング信号ＳｕがＬｏｗレベルの場合、Ｕ相上側スイッチング素子ＵＨはオフとなる。

Ｕ相下側スイッチング素子ＵＬは、スイッチング信号Ｓｘによってオンオフを切替えられる。スイッチング信号ＳｘがＨｉｇｈレベルの場合、Ｕ相下側スイッチング素子ＵＬはオンとなり、スイッチング信号ＳｘがＬｏｗレベルの場合、Ｕ相下側スイッチング素子ＵＬはオフとなる。

Ｖ相上側スイッチング素子ＶＨは、スイッチング信号Ｓｖによってオンオフを切替えられる。スイッチング信号ＳｖがＨｉｇｈレベルの場合、Ｖ相上側スイッチング素子ＶＨはオンとなり、スイッチング信号ＳｖがＬｏｗレベルの場合、Ｖ相上側スイッチング素子ＶＨはオフとなる。

Ｖ相下側スイッチング素子ＶＬは、スイッチング信号Ｓｙによってオンオフを切替えられる。スイッチング信号ＳｙがＨｉｇｈレベルの場合、Ｖ相下側スイッチング素子ＶＬはオンとなり、スイッチング信号ＳｙがＬｏｗレベルの場合、Ｖ相下側スイッチング素子ＶＬはオフとなる。

Ｗ相上側スイッチング素子ＷＨは、スイッチング信号Ｓｗによってオンオフを切替えられる。スイッチング信号ＳｗがＨｉｇｈレベルの場合、Ｗ相上側スイッチング素子ＷＨはオンとなり、スイッチング信号ＳｗがＬｏｗレベルの場合、Ｗ相上側スイッチング素子ＷＨはオフとなる。

Ｗ相下側スイッチング素子ＷＬは、スイッチング信号Ｓｚによってオンオフを切替えられる。スイッチング信号ＳｚがＨｉｇｈレベルの場合、Ｗ相下側スイッチング素子ＷＬはオンとなり、スイッチング信号ＳｚがＬｏｗレベルの場合、Ｗ相下側スイッチング素子ＷＬはオフとなる。

モータ制御部３によりスイッチング信号ＳｕがＨｉｇｈレベル、スイッチング信号ＳｘがＬｏｗレベルとされた場合、Ｕ相上側スイッチング素子ＵＨがオン、Ｕ相下側スイッチング素子ＵＬがオフとなり、Ｕ相端子Ｔｕには高電位（直流電圧Ｖｃｃ）が印加される。

モータ制御部３によりスイッチング信号ＳｕがＬｏｗレベル、スイッチング信号ＳｘがＬｏｗレベルとされた場合、Ｕ相上側スイッチング素子ＵＨおよびＵ相下側スイッチング素子ＵＬともにオフとなり、Ｕ相端子Ｔｕにはオープン電位が印加される。

モータ制御部３によりスイッチング信号ＳｕがＬｏｗレベル、スイッチング信号ＳｘがＨｉｇｈレベルとされた場合、Ｕ相上側スイッチング素子ＵＨがオフ、Ｕ相下側スイッチング素子ＵＬはオンとなり、Ｕ相端子Ｔｕには低電位（グランド電位）が印加される。

モータ制御部３によるスイッチング信号Ｓｕ，Ｓｘの上記パターンの切替えにより、Ｕ相端子Ｔｕに印加される電位が切替えられ、Ｕ相コイル１２ｕの通電パターンが切替えられる。通電パターンに応じてＵ相コイル１２ｕは励磁される。

上述したＵ相と同様に、モータ制御部３によるスイッチング信号Ｓｖ，Ｓｙのパターンの切替えにより、Ｖ相端子Ｔｖに印加される電位が切替えられ、Ｖ相コイル１２ｖの通電パターンが切替えられる。通電パターンに応じてＶ相コイル１２ｖは励磁される。

上述したＵ相と同様に、モータ制御部３によるスイッチング信号Ｓｗ，Ｓｚのパターンの切替えにより、Ｗ相端子Ｔｗに印加される電位が切替えられ、Ｗ相コイル１２ｗの通電パターンが切替えられる。通電パターンに応じてＷ相コイル１２ｗは励磁される。

ホール素子Ｈ１〜Ｈ３の各出力信号は、モータ制御部３に出力される。モータ制御部３は、不図示の増幅回路およびコンパレータを有する。上記各出力信号は、上記増幅回路により増幅され、上記コンパレータにより２値レベルのホール素子検出信号に変換される。

モータ制御部３は、ホール素子検出信号により検出されるロータ１１の回転位置に応じて、スイッチング信号Ｓｕ〜Ｓｚを制御してＵ相コイル１２ｕ、Ｖ相コイル１２ｖ、およびＷ相コイル１２ｗの通電パターンを切替える。これにより、ロータ１１に回転力を与えて、ロータ１１を回転軸Ｊ周りに回転させる。

なお、モータ１にホール素子の代わりにホールＩＣを備えてもよい。ホールＩＣは、ホール素子、上記増幅回路、および上記コンパレータを１つのチップに集積化したＩＣである。

減速機４は、ロータ１１の回転速度を減速して出力する。減速機４は、複数段のギヤを有する。ロータ１１は、不図示のシャフトを有する。上記シャフトは、減速機４における初段のギヤに接続される。減速機４における最終段のギヤには、出力軸５が接続される。出力軸５は、不図示の被制御体に接続される。

すなわち、モータ装置１０は、ロータ１１の回転を減速して出力する減速機４と、減速機４の出力を被制御体に伝達する出力軸５と、を有する。これにより、例えば被制御体をロボットの腕部とすれば、ロータ１１のトルクを減速機４および出力軸５を介して上記腕部に伝達することができる。

位置検出器６は、出力軸５の回転位置を検出する。モータ制御部３は、外部から入力される制御信号ＣＳと、位置検出器６による検出結果に基づいて、スイッチング信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗを生成し、モータ１を駆動制御する。具体的には、後述するようにスイッチング信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗのデューティを制御する。これにより、出力軸５の位置、速度、加速度などの力学的パラメータを目標値に追従させるサーボ制御を行うことができる。すなわち、モータ制御部３は、位置検出器６の検出結果に基づいてコイル（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ）への通電制御を行うことによりサーボ制御を行う。

なお、位置検出器６は、例えば、レゾルバ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダ、磁気センサ、およびポテンショメータのいずれかである。これにより、位置検出器６として、サーボ制御に適したものを用いることができる。

図２は、図１に示すロータ１１の回転位置を電気角で表した一例を示す概念図である。図２では、図１に示すように実際には４極のロータ１１を２極として示す。図１に示すロータ１１の左回りである回転方向は、図２ではロータ１１の右回りの回転方向に相当する。ロータ１１におけるＮ極とＳ極との境界に沿う矢印ＡＲを判定基準とすると、ホール素子Ｈ１の位置を電気角で０度として、０度の位置から右回りに１２０度だけずれた位置にホール素子Ｈ２が位置し、ホール素子Ｈ２の位置から更に右回りに１２０度だけずれた位置にホール素子Ｈ３が位置する。

そして、０度の位置から３６０度まで右回りに６０度ずつ区切られた各範囲は、単位電気角位置Ｐ１〜Ｐ６である。なお、電気角θ_Eと機械角θ_Mの関係は、θ_E＝（Ｐ／２）×θ_M（Ｐは極数）で表されるので、図１に示す極数が４極の場合は、θ_E＝２×θ_Mとなる。

図３は、図１に示す第１比較例に係るモータ装置１０におけるモータ１の駆動制御を示すタイミングチャートである。図３に示すように、先述した単位電気角位置Ｐ１〜Ｐ６に応じてホール素子Ｈ１〜Ｈ３のホール素子検出信号ＳＨ１〜ＳＨ３のレベルが切替わる。

具体的には、ホール素子検出信号ＳＨ１は、単位電気角位置Ｐ１〜Ｐ３においてＨｉｇｈレベルとなり、単位電気角位置Ｐ４〜Ｐ６においてＬｏｗレベルとなる。ホール素子検出信号ＳＨ２は、単位電気角位置Ｐ３〜Ｐ５においてＨｉｇｈレベルとなり、単位電気角位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ６においてＬｏｗレベルとなる。ホール素子検出信号ＳＨ３は、単位電気角位置Ｐ１，Ｐ５，Ｐ６においてＨｉｇｈレベルとなり、単位電気角位置Ｐ２〜Ｐ４においてＬｏｗレベルとなる。

これにより、ホール素子検出信号ＳＨ１〜ＳＨ３の立上りエッジおよび立下りエッジを検出することで単位電気角位置Ｐ１〜Ｐ６を検出することができる。モータ制御部３は、ホール素子検出信号ＳＨ１〜ＳＨ３に基づき単位電気角位置Ｐ１〜Ｐ６を検出し、検出された単位電気角位置に応じたスイッチング信号Ｓｕ〜Ｓｚを生成する。図３に、スイッチング信号Ｓｕ〜Ｓｚの切替えを示す。これにより、単位電気角位置に応じてロータ１１に適切な回転力を与え、ロータ１１の回転を継続させることができる。

具体的には、Ｕ相のスイッチング信号Ｓｕ，Ｓｘについては、単位電気角位置Ｐ１〜Ｐ２では、スイッチング信号Ｓｕをパルス状、ＳｘをＬｏｗレベルとし、単位電気角位置Ｐ４〜Ｐ５では、スイッチング信号ＳｕをＬｏｗレベル、ＳｘをＨｉｇｈレベルとし、単位電気角位置Ｐ３，Ｐ６では、スイッチング信号Ｓｕ，ＳｘともにＬｏｗレベルとする。

Ｖ相のスイッチング信号Ｓｖ，Ｓｙについては、単位電気角位置Ｐ３〜Ｐ４では、スイッチング信号Ｓｖをパルス状、ＳｙをＬｏｗレベルとし、単位電気角位置Ｐ１，Ｐ６では、スイッチング信号ＳｖをＬｏｗレベル、ＳｙをＨｉｇｈレベルとし、単位電気角位置Ｐ２，Ｐ５では、スイッチング信号Ｓｖ，ＳｙともにＬｏｗレベルとする。

Ｗ相のスイッチング信号Ｓｗ，Ｓｚについては、単位電気角位置Ｐ５〜Ｐ６では、スイッチング信号Ｓｗをパルス状、ＳｚをＬｏｗレベルとし、単位電気角位置Ｐ２〜Ｐ３では、スイッチング信号ＳｗをＬｏｗレベル、ＳｚをＨｉｇｈレベルとし、単位電気角位置Ｐ１，Ｐ４では、スイッチング信号Ｓｗ，ＳｚともにＬｏｗレベルとする。

すなわち、モータ制御部３は、交流電圧によりコイル（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ）に通電される通電パターンを切り換えることにより、ロータ１１を回転させる。

このように、各相とも、１２０度の電気角区間でスイッチング信号をＨｉｇｈレベルとするので、図３に示す駆動方式は１２０度通電方式と称される。なお、スイッチング信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗにおいてパルス状とするときは、先述したサーボ制御によるデューティ制御を反映させる。

＜２．第２比較例に関して＞
図３に示すホール素子Ｈ１〜Ｈ３を用いた駆動方法により、単位電気角位置を逐次検出して適切な駆動信号をモータ１に与え、モータ１を駆動制御することができる。しかしながら、必要なホール素子の個数が多くなるので、コストの面では不利である。

そこで、図４に示す第２比較例に係るモータ装置１０Ｘでは、先述した第１比較例に係るモータ装置１０との構成上の相違点として、モータ１Ｘにおいて、設けるホール素子は１個のホール素子Ｈ１としている。

第２比較例に係るモータ装置１０Ｘにおける駆動制御を図３を用いて説明する。なお、第２比較例において、図３で図示されるホール素子検出信号ＳＨ２，ＳＨ３は、生成されない。モータ制御部３は、ホール素子検出信号ＳＨ１の立上りタイミングから立下りタイミングまでの期間ΔＴ１を計測する。そして、モータ制御部３は、期間ΔＴ１を３等分することにより、単位電気角位置に相当する期間Δｔ２を推定する。

モータ制御部３は、ホール素子検出信号ＳＨ１が立下るタイミングｔａから期間Δｔ２が経過したタイミングｔｂで、次に切替えるべきと推定される単位電気角位置Ｐ５でのスイッチング信号Ｓｕ〜Ｓｚのパターン（通電パターン）を生成してインバータ２へ出力する。さらに、モータ制御部３は、タイミングｔｂから期間Δｔ２が経過したタイミングｔｃで、次に切替えるべきと推定される単位電気角位置Ｐ６でのスイッチング信号Ｓｕ〜Ｓｚのパターンを生成してインバータ２へ出力する。

このようにすれば、必要なホール素子を１個としてコスト削減を図りつつ、モータ１Ｘの駆動制御を行うことができる。しかしながら、出力軸５に接続される負荷の状況によっては推定された期間Δｔ２が実際の値からずれる場合がある。例えば、負荷が急に大きくなって推定された期間Δｔ２よりも実際の値がかなり大きくなる場合、負荷によってロータ１１の回転が停止する場合、負荷によってロータ１１が逆転した場合などである。このような場合に、タイミングｔｂまたはｔｃにおいて、次に切替えるべきと推定される通電パターンによりモータ１Ｘを駆動すると、各相のコイル１２ｕ，１２ｖ，１２Ｗからロータ１１へ適切な回転力を与えることができなくなり、正常なロータ１１の回転の継続が困難となる。

なお、ホール素子検出信号ＳＨ１の立上りタイミングから立下りタイミングまでの期間ΔＴ１と同様に、ホール素子検出信号ＳＨ１の立下りタイミングから立上りタイミングまでの期間ΔＴ２を計測して、期間ΔＴ２を３等分して単位電気角位置に相当する期間を推定することも行われる。

＜３．本発明の例示的な実施形態に関して＞
先述した第１比較例および第２比較例を踏まえて、本発明の例示的な実施形態について説明する。本発明の例示的な実施形態に係るモータ装置の構成は、図４に示すモータ装置１０Ｘと同様である。すなわち、必要なホール素子を１個のホール素子Ｈ１として、コスト削減を図っている。第２比較例と異なるのは、モータ制御部３による制御方法である。より具体的には、本実施形態では、サーボ制御とは別に、モータ１Ｘの駆動制御に位置検出器６を用いる。

モータ１Ｘにおけるロータ１１は、減速機４を介して出力軸６に接続される。これにより、減速機４の減速比をｎとすると、出力軸６が１回転する間にロータ１１はｎ回転する。位置検出器６は、ロータ１１の位置変化を検出する。

本実施形態に係るモータ制御部３による制御方法について、図６および図７に示すフローチャートに沿って説明する。なお、図５に示すタイミングチャートも参照する。図５で示す位置検出器６の検出値ＰＤは、デジタル値を示す。

図６に示すフローチャートが開始されると、ステップＳ１で、モータ制御部３は、ホール素子検出信号ＳＨ１の立上りタイミングから立下りタイミングまでの期間ΔＴ１を計測した場合、計測された期間ΔＴ１を３等分することにより単位電気角位置に相当する期間Δｔを推定し、推定された期間Δｔが経過したかを判定する。未だ期間Δｔが経過していなければ（ステップＳ１のＮ）、判定を継続し、期間Δｔが経過すると（ステップＳ１のＹ）、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２で、モータ制御部３は、位置検出器６の検出値ＰＤは、Δｔ経過前に比べてロータ１１の正転方向に変化しているかを判定する。正転方向は、単位電気角位置がＰ１からＰ６へ向かう方向である。もし正転方向に変化していれば（ステップＳ２のＹ）、ステップＳ３に進み、モータ制御部３は、スイッチング信号Ｓｕ〜Ｓｚのパターン（以下、スイッチパターン）を単位電気角位置Ｐ４用からＰ５用へ切替える。一方、正転方向に変化していなければ（ステップＳ２のＮ）、後述するステップＳ９（図７）へ進む。

ステップＳ３の次にステップＳ４で、モータ制御部３は、期間Δｔが経過したかを判定する。未だ期間Δｔが経過していなければ（ステップＳ４のＮ）、判定を継続し、期間Δｔが経過すると（ステップＳ４のＹ）、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５で、モータ制御部３は、位置検出器６の検出値ＰＤは、Δｔ経過前に比べてロータ１１の正転方向に変化しているかを判定する。もし正転方向に変化していれば（ステップＳ５のＹ）、ステップＳ６に進み、モータ制御部３は、スイッチパターンを単位電気角位置Ｐ５用からＰ６用へ切替える。一方、正転方向に変化していなければ（ステップＳ５のＮ）、後述するステップＳ９へ進む。

ステップＳ６の後、モータ制御部３は、ホール素子検出信号ＳＨ１のレベルに変化があるかを判定する。すなわち、ホール素子検出信号ＳＨ１のレベルが立上がる変化があるかを判定する。もし、変化がある場合は（ステップＳ７のＹ）、ステップＳ８に進み、モータ制御部３は、スイッチパターンを単位電気角位置Ｐ６用からＰ１用へ切替える。ステップＳ８の次は、ステップＳ１へ戻る。

もしホール素子検出信号ＳＨ１のレベルに変化がなかった場合は（ステップＳ７のＮ）、ステップＳ９へ進む。

ステップＳ９で、モータ制御部３は、位置検出器６の検出値ＰＤの変化が所定値以下であって実質的に検出値の変化がないか、または、位置検出器６の検出値ＰＤの変化が所定値以下ではないがロータ１１の逆転を示すかを判定する。逆転は、正転方向とは逆方向の回転である。

もし検出値ＰＤの変化が所定値以下であった場合は、負荷によってロータ１１の正転方向への回転が阻止されている可能性がある。なお、これはロータ１１の回転が停止されている場合も含む。この場合、ステップＳ１０へ進み、モータ制御部３は、スイッチパターンを現状のスイッチパターンで維持する。そして、ステップＳ１１に進み、モータ制御部３は、位置検出器６の検出値ＰＤにロータ１１の正転方向の変化が生じたかを判定する。もし正転方向の変化が生じた場合は（ステップＳ１１のＹ）、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２で、現状のスイッチパターンがＰ６用であるかを判定し、もしそうでない場合は（ステップＳ１２のＮ）、現状の次の単位電気角位置でのスイッチパターンに切替えた上で、ステップＳ４またはＳ７へ進む。一方、現状のスイッチングパターンがＰ６用である場合は（ステップＳ１２のＹ）、ステップＳ７へ進む。

また、ステップＳ１１で、位置検出器６の検出値ＰＤにロータ１１の正転方向の変化が生じない場合は（ステップＳ１１のＮ）、ステップＳ９で検出値ＰＤに変化はないが、ロータ１１は負荷によって逆転している可能性がある。減速機４によって出力軸５の回転角度は、ロータ１１の回転角度よりも小さくなるので、位置検出器６の検出値ＰＤに変化がない場合でも、ロータ１１が逆転している可能性がある。

この場合、ステップＳ１３に進み、モータ制御部３は、現状のスイッチングパターンよりも単位電気角位置が１つ前のスイッチングパターンにスイッチングパターンを戻す。その後、現状の次の単位電気角位置でのスイッチパターンに切替えた上で、ステップＳ１、Ｓ４、またはＳ７へ進む。

また、ステップＳ９で、位置検出器６の検出値ＰＤの変化がロータ１１の逆転を示す場合は、ステップＳ１３に進み、モータ制御部３は、現状のスイッチングパターンよりも単位電気角位置が１つ前のスイッチングパターンにスイッチングパターンを戻す。その後、現状の次の単位電気角位置でのスイッチパターンに切替えた上で、ステップＳ１、Ｓ４、またはＳ７へ進む。

例えば、図５に示す例では、ステップＳ４で期間Δｔが経過したタイミングｔｃにおいて、位置検出器６の検出値ＰＤに変化がない場合を示す。この場合、ステップＳ１０へ進み、スイッチパターンが現状のスイッチパターン（Ｐ５用）に維持される。これにより、検出値ＰＤに正転方向の変化があった場合は（ステップＳ１１のＹ）、スイッチパターンがＰ６用に切替えられてステップＳ７へ進む。一方、検出値ＰＤに正転方向の変化が生じない場合は（ステップＳ１１のＮ）、スイッチパターンが現状より単位電気角位置が１つ前のスイッチパターン（Ｐ４用）に切替えられる（ステップＳ１３）。その後、スイッチパターンがＰ５用に切替えられてステップＳ４へ進む。

なお、ステップＳ１で、モータ制御部３は、ホール素子検出信号ＳＨ１の立下りタイミングから立上りタイミングまでの期間ΔＴ２を計測した場合、計測された期間ΔＴ２を３等分することにより単位電気角位置に相当する期間Δｔを推定し、推定された期間Δｔが経過したかを判定する。この場合、ステップＳ３でスイッチパターンは単位電気角位置Ｐ１用からＰ２用へ切替えられ、ステップＳ６でスイッチパターンは単位電気角位置Ｐ２用からＰ３用へ切替えられ、ステップＳ８でスイッチパターンは単位電気角位置Ｐ３用からＰ４用へ切替えられる。また、ステップＳ１４で、現状のスイッチパターンがＰ３用であるかを判定される。また、ステップＳ７で、ホール素子検出信号ＳＨ１のレベルが立下がる変化があるかを判定する。

すなわち、モータ制御部３は、ホール素子Ｈ１（磁極センサ）の検出信号ＳＨ１の１つの第１半周期における信号長（ΔＴ１またはΔＴ２）に基づき、第１半周期よりも後の第２半周期における通電パターンを切替える単位である単位電気角位置に相当する期間Δｔを推定し、推定された期間Δｔが経過したときに位置検出器６の検出結果に基づいて次に切替えるべきと推定される通電パターンから変更した通電パターンをコイル（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ）に通電させる。

これにより、モータ１Ｘにかかる負荷によって単位電気角位置に相当する期間の推定値Δｔが実際の値からずれた場合でも、適切な通電パターンをコイル（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ）に通電させることにより、ロータ１１の正常な回転を継続し易くすることができる。すなわち、磁極センサ（ホール素子）の個数を削減してコスト削減を図りつつ、モータの制御性能を向上させることができる。

また、上記実施形態では、第１半周期は、第２半周期の直前における１つの半周期（ΔＴ１またはΔＴ２）を含む。これにより、簡易な演算によって第２半周期での単位電気角位置に相当する期間を推定することができる。

また、モータ制御部３は、推定された期間Δｔが経過したときに、位置検出器６の検出値ＰＤの変化が所定値以下であると判定した場合に、現状の通電パターンを維持してコイル（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ）に通電させる（ステップＳ１０）。

これにより、負荷によってロータ１１の回転が妨げられた場合に、コイルの励磁によってロータ１１へ回転力を適切に与えることができる。

また、モータ制御部３は、現状の通電パターンを維持してコイル（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ）に通電させた後、位置検出器６の検出値の変化が前記所定値以下であると判定した場合に、現状の通電パターンよりも単位電気角位置が１つ前の通電パターンをコイル（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ）に通電させる（ステップＳ１３）。

これにより、負荷が大きくかかることによってロータ１１が逆転した場合でも、コイルの励磁によってロータ１１へ回転力を適切に与えることができる。

またこのとき、減速機４による減速比によってロータ１１の回転角度に対して出力軸５の回転角度は小さくなるので、位置検出器６の検出値の変化量が所定値以下である場合でもロータ１１が逆転した状態である可能性があり、ロータ１１の逆転に適した通電パターンを試行することができる。

また、モータ制御部３は、推定された期間Δｔが経過したときに、位置検出器６の検出値ＰＤの変化に基づきロータ１１の逆転を検出した場合に、現状の通電パターンよりも単位電気角位置が１つ前の通電パターンをコイル（１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ）に通電させる（ステップＳ１３）。

これにより、負荷が大きくかかることによってロータ１１が逆転した場合でも、コイルの励磁によってロータ１１へ回転力を適切に与えることができる。

また、本実施形態であれば、出力軸５のサーボ制御に用いる位置検出器６を図６および図７で示した制御に兼用することができる。

＜４．その他＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々の変更が可能である。

例えば、期間Δｔの推定は、１つの第１半周期（ΔＴ１またはΔＴ２）に限らず、複数の第１半周期に基づいて行ってもよい。すなわち、モータ制御部３は、ホール素子Ｈ１（磁極センサ）の検出信号ＳＨ１の少なくとも１つの第１半周期における信号長に基づき、第１半周期よりも後の第２半周期における通電パターンを切替える単位である単位電気角位置に相当する期間Δｔを推定することが可能である。

具体的には、例えば、ΔＴ１およびΔＴ２をそれぞれ少なくとも１つ含む複数の第１半周期における信号長の平均値または変化量に基づき、期間Δｔを推定する。すなわち、モータ制御部３は、複数の第１半周期における信号長の平均値または変化量に基づき、第２半周期における単位電気角位置に相当する期間Δｔを推定する。これにより、より精度良く第２半周期での単位電気角位置に相当する期間Δｔを推定することができる。

また、本発明は、１２０度通電方式に限らず、１５０度通電などのオーバーラップ通電、または正弦波通電などに適用することも可能である。

本発明は、例えば、ロボット用のモータ装置に利用することができる。

１、１Ｘ・・・モータ、１１・・・ロータ、１２・・・ステータ、１２１・・・ステータコア、１２１Ａ・・・コアバック、１２１Ｂ・・・ティース、１２ｕ・・・Ｕ相コイル、１２ｖ・・・Ｖ相コイル、１２ｗ・・・Ｗ相コイル、２・・・インバータ、２１ｕ・・・Ｕ相ブリッジ、２１ｖ・・・Ｖ相ブリッジ、２１ｗ・・・Ｗ相ブリッジ、ＵＨ・・・Ｕ相上側スイッチング素子、ＶＨ・・・Ｖ相上側スイッチング素子、ＷＨ・・・Ｗ相上側スイッチング素子、ＵＬ・・・Ｕ相下側スイッチング素子、ＶＬ・・・Ｖ相下側スイッチング素子、ＷＬ・・・Ｗ相下側スイッチング素子、３・・・モータ制御部、４・・・減速機、５・・・出力軸、６・・・位置検出器、１０、１０Ｘ・・・モータ装置

Claims (9)

1. 磁極を有するロータと、
   複数相のコイルを有するステータと、
   前記磁極を検出する磁極センサと、
   を有するモータと、
   前記ロータの位置変化を検出する位置検出器と、
   交流電圧により前記コイルに通電される通電パターンを切り換えることにより、前記ロータを回転させるモータ制御部と、
   を有し、
   前記モータ制御部は、前記磁極センサの検出信号の少なくとも１つの第１半周期における信号長に基づき、前記第１半周期よりも後の第２半周期における前記通電パターンを切替える単位である単位電気角位置に相当する期間を推定し、推定された前記期間が経過したときに前記位置検出器の検出結果に基づいて次に切替えるべきと推定される前記通電パターンから変更した前記通電パターンを前記コイルに通電させる、
   モータ装置。
2. 前記第１半周期は、前記第２半周期の直前における１つの半周期を含む、請求項１に記載のモータ装置。
3. 前記モータ制御部は、複数の前記第１半周期における信号長の平均値または変化量に基づき、前記第２半周期における前記単位電気角位置に相当する期間を推定する、請求項１または請求項２に記載のモータ装置。
4. 前記モータ制御部は、推定された前記期間が経過したときに、前記位置検出器の検出値の変化が所定値以下であると判定した場合に、現状の前記通電パターンを維持して前記コイルに通電させる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ装置。
5. 前記モータ制御部は、現状の前記通電パターンを維持して前記コイルに通電させた後、前記位置検出器の検出値の変化が前記所定値以下であると判定した場合に、現状の前記通電パターンよりも前記単位電気角位置が１つ前の通電パターンを前記コイルに通電させる、請求項４に記載のモータ装置。
6. 前記ロータの回転を減速して出力する減速機と、前記減速機の出力を被制御体に伝達する出力軸と、をさらに有し、
   前記位置検出器は、前記出力軸の回転位置を検出する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータ装置。
7. 前記モータ制御部は、前記位置検出器の検出結果に基づいて前記コイルへの通電制御を行うことによりサーボ制御を行う、請求項６に記載のモータ装置。
8. 前記位置検出器は、レゾルバ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダ、磁気センサ、およびポテンショメータのいずれかである、請求項７に記載のモータ装置。
9. 前記モータ制御部は、推定された前記期間が経過したときに、前記位置検出器の検出値の変化に基づき前記ロータの逆転を検出した場合に、現状の前記通電パターンよりも前記単位電気角位置が１つ前の通電パターンを前記コイルに通電させる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のモータ装置。

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