JP5091535B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータを駆動制御するモータ制御装置及びモータ駆動システムに関し、特に、回転子の角度検出に対する補正技術に関する。

永久磁石同期モータを駆動するモータ駆動システムにおいて、モータの回転子の角度を検出するための角度センサが用いられることがある。回転子の角度は、回転子の位置又は磁極位置とも呼ばれる。モータ駆動システムに内在するモータ制御装置は、検出角度に基づいてベクトル制御を実施する。

ところが、モータに対する角度センサの取り付けには、取り付け誤差が存在し、また、経時変化等の影響により誤差の程度も変化しうる。取り付け誤差は、検出角度に誤差を含ませることになる。また、大きなトルクを発生可能なモータの極対数は比較的大きいが、ベクトル制御において、モータの極対数が大きいほど検出誤差の影響は大きくなる（モータの極対数が大きいほど電気角における誤差が大きくなるため）。検出角度に誤差があると、意図しないトルク発生や回生充電が起こり、意図しない加速や過充電等が生じる惧れがある。また、モータの効率も低下してしまう。

このような問題を解決するべく、検出角度を補正する技術が既に多数提案されている。

例えば、下記特許文献１には、モータを外部から駆動した時に発生する逆起電圧を測定し、その逆起電圧に基づいて検出角度を補正する手法が開示されている。しかしながら、この手法では逆起電圧を測定するためのハードウェアを追加する必要があり、構成が複雑となる。

また、下記特許文献２に記載の手法では、回転子が回転している状態で、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値の双方をゼロに保持してベクトル制御を実行し、そのベクトル制御実行時におけるｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とから検出角度補正量（磁極位置補正量）を求めている。この手法によれば、電圧測定のためのハードウェアを追加する必要はない。しかしながら、電圧指令値は、モータパラメータ（Ｌ_d、Ｌ_q、Φ_aなど）を用いて電機子電流の検出電流値から算出されるため、モータパラメータの誤差（理想値に対する誤差）が検出角度補正に影響してしまい、結果、精度良く検出角度補正を行うことができなくなる。例えば、ベクトル制御において、ｄ軸とｑ軸との間の干渉を排除するための非干渉制御が一般的に用いられるが、その非干渉制御用に設定されたモータパラメータの誤差が検出角度補正に影響してしまう。また、モータの発熱などに由来するモータの温度変化により最適なパラメータ値が変化することもあるため、検出角度補正が不安定となる。

また、下記特許文献３に記載の手法では、電力変換器の入力電圧と電流との積である入力電力と、全損失、トルク指令及び速度から算出した目標出力と、が等しくなるように検出角度を補正する。しかしながら、この手法では、負荷の重い乗算処理が必要となるし、損失マップも必要となる。また、損失マップの誤差も、補正に影響を与えてしまう。

この他、負荷トルクが一定の時において、電機子電流が最小値をとるようにｄ軸電流指令を制御し、電機子電流が最小値をとるときのｄ軸電流指令から誤差角を算出して検出角度（磁極の回転位置）を補正する手法もある（例えば、下記特許文献４参照）。しかしながら、実稼動時において負荷トルクを制御することは通常できず、負荷トルクが一定となることは少ない。従って、この手法は、実用的であるとはいえない。また、モータの回転停止時に直流通電することにより角度補正値を算出する手法もある（例えば、下記特許文献５及び６参照）。しかしながら、この手法では、モータの回転時に補正を行うことができない。また、角度センサがホール素子から形成されている場合、ホール素子では回転停止時に正確な角度検出を行うことができない。

特許第３７２４０６０号公報 特許第３６８８６７３号公報 特許第３５４２７４１号公報 特開２００１−８４８６号公報 特開２００１−８３０７号公報 特開２００１−１２８４８４号公報

上述したように、角度センサを用いてベクトル制御を行う場合、回転子の検出角度を補正する技術が必要となるが、従来の補正手法では構成又は処理が複雑化してしまう（或いは実用性に欠ける）。また、モータの効率向上のためにも、モータパラメータなどの誤差影響を受けない、精度の良い検出角度補正が求められる。

また、角度センサの取り付け誤差が異常に大きいような場合は、意図しない比較的大きなトルクがモータに発生したり、回生電力による過充電が発生したりする惧れが高くなる。従って、そのような異常を検出する技術も肝要である。

そこで本発明は、簡素な構成又は処理にて精度よく回転子の検出角度補正を実現することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。また本発明は、角度検出の異常を良好に検出することが可能なモータ制御装置を提供することも目的とする。

本発明に係る第１のモータ制御装置は、永久磁石を回転子に設けたモータの駆動を制御するモータ制御装置において、角度センサを用いて前記回転子の角度を検出する角度検出手段と、前記モータの駆動源としての直流電源の流出電流或いは流入電流を検出電流として検出する電流検出手段と、前記検出電流に基づいて、検出された前記角度を補正する角度補正手段と、を備え、前記角度補正手段の補正によって得られた補正角度を用いて、前記モータの駆動を制御することを特徴とする。

これにより、直流電源の電流を検出して、その検出結果を利用するという簡素な構成及び／又は処理にて検出角度補正を実現できる。また、検出角度の補正に対するモータパラメータ誤差の影響を排除（或いは抑制する）ことが可能であり、結果、精度の良い補正を実現可能となる。

具体的には例えば、第１のモータ制御装置において、前記永久磁石が作る磁束の向きに平行な軸をｄ軸とし、且つ、前記ｄ軸に対応する制御上の軸をγ軸とし、且つ、前記γ軸に直交する軸をδ軸とした場合、当該モータ制御装置は、前記モータの供給電流のγ軸成分及びδ軸成分の目標となる目標γ軸電流及び目標δ軸電流を生成する電流指令値生成手段を、更に備え、前記角度補正手段は、前記目標δ軸電流がゼロであって且つ前記目標γ軸電流が負であるときにおける前記検出電流に基づいて角度補正値を求め、前記角度補正値と前記角度検出手段によって検出された前記角度から前記補正角度を求める。

より具体的には例えば、第１のモータ制御装置において、前記角度補正手段は、前記目標δ軸電流がゼロであって且つ前記目標γ軸電流が負であるときにおける前記検出電流が所定値となるように又は該所定値を含む所定範囲内に収まるように、前記角度補正値を求める。

また例えば、第１のモータ制御装置は、前記検出電流に基づいて、前記角度検出手段による検出が異常であるか否かを判別する異常判別手段を更に備えている。

これにより、角度検出の異常を良好に検出することが可能となる。

より具体的には例えば、第１のモータ制御装置において、前記永久磁石が作る磁束の向きに平行な軸をｄ軸とし、且つ、前記ｄ軸に対応する制御上の軸をγ軸とし、且つ、前記γ軸に直交する軸をδ軸とした場合、当該モータ制御装置は、前記モータの供給電流のδ軸成分の目標となる目標δ軸電流を生成する電流指令値生成手段と、前記目標δ軸電流がゼロであるときにおける前記検出電流に基づいて、前記角度検出手段による検出が異常であるか否かを判別する異常判別手段と、を更に備えている。

本発明に係る第２のモータ制御装置は、永久磁石を回転子に設けたモータの駆動を制御するモータ制御装置において、角度センサを用いて前記回転子の角度を検出する角度検出手段と、前記モータの駆動源としての直流電源の流出電流或いは流入電流を検出電流として検出する電流検出手段と、を備えて、検出された前記角度を用いて前記モータの駆動を制御し、前記検出電流に基づいて前記角度検出手段による検出が異常であるか否かを判別する異常判別手段を更に備えたことを特徴とする。

これにより、角度検出の異常を良好に検出することが可能となる。

具体的には例えば、第２のモータ制御装置において、前記永久磁石が作る磁束の向きに平行な軸をｄ軸とし、且つ、前記ｄ軸に対応する制御上の軸をγ軸とし、且つ、前記γ軸に直交する軸をδ軸とした場合、当該モータ制御装置は、前記モータの供給電流のδ軸成分の目標となる目標δ軸電流を生成する電流指令値生成手段を更に備え、前記異常判別手段は、前記目標δ軸電流がゼロであるときにおける前記検出電流に基づいて、前記角度検出手段による検出が異常であるか否かを判別する。

より具体的には例えば、第２のモータ制御装置（或いは第１のモータ制御装置）において、前記異常判別手段は、前記目標δ軸電流がゼロであるときにおける前記検出電流が所定の正常電流範囲外にある場合に、前記角度検出手段による検出が異常であると判別する。

本発明に係るモータ駆動システムは、モータと、前記モータを駆動するインバータと、前記インバータを制御することにより前記モータの駆動を制御する上記の何れかに記載のモータ制御装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構成又は処理にて精度よく回転子の検出角度補正を実現することができるモータ制御装置を提供することができる。また、角度検出の異常を良好に検出することが可能なモータ制御装置を提供することができる。

本発明の意義ないし効果は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。

以下、本発明の実施形態につき、詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの概略ブロック図である。図１のモータ駆動システムは、モータ１と、インバータ回路２と、モータ制御装置３と、を備える。

モータ１は、三相永久磁石同期モータであり、永久磁石を備えた回転子（不図示）と３相分の電機子巻線を備えた固定子（不図示）とを有している。

インバータ回路２は、モータ制御装置３から与えられるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に従って、モータ１にＵ相、Ｖ相及びＷ相から成る三相交流電圧を供給する。このモータ１に供給される全体の電圧をモータ電圧（電機子電圧）Ｖ_aとし、インバータ回路２からモータ１に供給される全体の電流をモータ電流（電機子電流）Ｉ_aとする。

モータ制御装置３は、検出されたモータ電流Ｉ_aなどを参照しつつ、所望のベクトル制御を実現するためのＰＷＭ信号をインバータ回路２に与える。

図２は、モータ１の解析モデル図である。以下の説明において、電機子巻線とはモータ１に設けられているものを指す。図２には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子巻線固定軸が示されている。１ａは、モータ１の回転子に設けられた永久磁石である。永久磁石１ａが作る磁束の回転速度と同じ速度で回転する回転座標系において、永久磁石１ａが作る磁束の方向をｄ軸にとり、ｄ軸に対応する制御上の回転軸をγ軸とする。また、図示していないが、ｄ軸から電気角で９０度進んだ位相にｑ軸をとり、γ軸から電気角で９０度進んだ位相にδ軸をとる。実軸に対応する回転座標系はｄ軸とｑ軸を座標軸に選んだ座標系であり、その座標軸をｄｑ軸と呼ぶ。制御上の回転座標系はγ軸とδ軸を座標軸に選んだ座標系であり、その座標軸をγδ軸と呼ぶ。

ｄｑ軸は回転しており、その回転速度をωで表す。γδ軸も回転しており、その回転速度をω_eで表す。また、ある瞬間の回転しているｄｑ軸において、Ｕ相の電機子巻線固定軸から見たｄ軸の角度（位相）をθにより表す。同様に、ある瞬間の回転しているγδ軸において、Ｕ相の電機子巻線固定軸から見たγ軸の角度（位相）をθ_eにより表す。θ又はθ_eにて表される角度は、電気角における角度であり、それらは一般的に回転子位置又は磁極位置とも呼ばれる。ω又はω_eにて表される回転速度は、電気角における角速度である。

モータ制御装置３は、基本的に、角度θと角度θ_eとが一致するようにベクトル制御を行う。但し、角度θと角度θ_eとを、意図的に若干ずらすこともある。角度θと角度θ_eとが一致しているとき、ｄ軸及びｑ軸は夫々γ軸及びδ軸と一致する。

以下の記述において、モータ電圧Ｖ_aのγ軸成分及びδ軸成分を、それぞれγ軸電圧ｖγ及びδ軸電圧ｖδで表し、モータ電流Ｉ_aのγ軸成分、δ軸成分、ｄ軸成分及びｑ軸成分を、それぞれγ軸電流ｉγ、δ軸電流ｉδ、ｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qで表す。

γ軸電圧ｖγ及びδ軸電圧ｖδの目標値を表す電圧指令値を、それぞれγ軸電圧指令値ｖγ^*及びδ軸電圧指令値ｖδ^*により表す。γ軸電流ｉγ及びδ軸電流ｉδの目標値を表す電流指令値を、それぞれγ軸電流指令値ｉγ^*及びδ軸電流指令値ｉδ^*により表す。ｖγ^*はｖγの目標となる目標γ軸電圧とも呼べ、ｖδ^*はｖδの目標となる目標δ軸電圧とも呼べる。ｉγ^*はｉγの目標となる目標γ軸電流とも呼べ、ｉδ^*はｉδの目標となる目標δ軸電流とも呼べる。

モータ制御装置３は、γ軸電圧ｖγ及びδ軸電圧ｖδの値が夫々γ軸電圧指令値ｖγ^*及びδ軸電圧指令値ｖδ^*に追従するように、且つ、γ軸電流ｉγ及びδ軸電流ｉδの値が夫々γ軸電流指令値ｉγ^*及びδ軸電流指令値ｉδ^*に追従するように、ベクトル制御を行う。

モータ電圧Ｖ_aのＵ相成分、Ｖ相成分及びＷ相成分は、Ｕ相電圧指令値ｖ_u ^*、Ｖ相電圧指令値ｖ_v ^*及びＷ相電圧指令値ｖ_w ^*から成る３相電圧指令値にて表される。

また、以下の記述において、Ｒ_aは、モータ抵抗（モータ１の電機子巻線の抵抗値）であり、Ｌ_d、Ｌ_qは、夫々ｄ軸インダクタンス（モータ１の電機子巻線のインダクタンスのｄ軸成分）、ｑ軸インダクタンス（モータ１の電機子巻線のインダクタンスのｑ軸成分）であり、Φ_aは、永久磁石１ａによる電機子鎖交磁束である。尚、Ｌ_d、Ｌ_q、Ｒ_a及びΦ_aは、モータ駆動システムの製造時に定まる値であり、それらの値はモータ制御装置３の演算にて使用される。

尚、本明細書では、記述の簡略化上、記号（ｉγなど）のみの表記によって、その記号に対応する状態量などを表現している場合もある。即ち、本明細書では、例えば、「ｉγ」と「γ軸電流ｉγ」は同じものを指す。

図３は、図１のモータ駆動システムの詳細ブロック図である。図３に示す如く、モータ駆動システムには、モータ１、インバータ回路２及びモータ制御装置３の他、相電流センサ１１、角度センサ１２、直流電源３１、電流センサ３２及びスイッチ３３が備えられている。モータ制御装置３は、符号１３〜２２で参照される各部位を含んで構成される。モータ制御装置３内に、相電流センサ１１、角度センサ１２、電流センサ３２及びスイッチ３３の内の任意の１以上の部位が含まれている、と考えることもできる。モータ制御装置３内の各部位は、モータ制御装置３内で生成された各値を自由に利用可能となっている。

相電流センサ１１は、インバータ回路２からモータ１に供給されるモータ電流Ｉ_aの固定軸成分であるＵ相電流ｉ_u及びＶ相電流ｉ_vを検出する。尚、Ｗ相電流ｉ_wに関しては、関係式「ｉ_w＝−ｉ_u−ｉ_v」から算出される。ｉ_u、ｉ_v及びｉ_wは、モータ１の固定子における、Ｕ相の電機子巻線の電流、Ｖ相の電機子巻線の電流及びＷ相の電機子巻線の電流である。

３相／２相座標変換器１３（以下、単に座標変換器１３という）は、角度補正部１５から与えられる角度θ_eを用いて、Ｕ相電流ｉ_u及びＶ相電流ｉ_vをγ軸電流ｉγ及びδ軸電流ｉδに変換し、変換によって得られたｉγ及びｉδを電流制御部１７に出力する。

電流制御部１７には、図示されないδ軸電流指令値発生部からδ軸電流指令値ｉδ^*が与えられ、磁束制御部２０からγ軸電流指令値ｉγ^*が与えられる。δ軸電流指令値発生部は、モータ１に所望のトルクが発生するようにｉδ^*を作成する。また例えば、図示されないＣＰＵ（中央処理装置；Central Processing Unit）等から与えられたモータ速度指令値ω^*と速度演算部１６によって算出された回転速度ω_eとから、ｉδ^*を作成することも可能である。この場合、δ軸電流指令値発生部は、比例積分制御などを用いて速度誤差（ω^*−ω_e）がゼロとなるようにｉδ^*を作成する。

電流制御部１７は、与えられたｉγ^*、ｉδ^*、ｉγ及びｉδを参照し、（ｉγ^*−ｉγ）及び（ｉδ^*−ｉδ）が共にゼロに収束するように、比例積分制御などを用いた電流フィードバック制御を行う。この際、γ軸とδ軸との間の干渉を排除するための非干渉制御を利用し、（ｉγ^*−ｉγ）及び（ｉδ^*−ｉδ）が共にゼロに収束するようにγ軸電圧指令値ｖγ^*及びδ軸電圧指令値ｖδ^*を算出する。尚、ｖγ^*及びｖδ^*を算出するに当たり、速度演算部１６にて算出されたω_eも参照される。

２相／３相座標変換器１８（以下、単に座標変換器１８という）は、角度補正部１５から与えられる角度θ_eを用いて、γδ軸上の電圧指令値ｖγ^*及びｖδ^*を、３相電圧指令値（ｖ_u ^*、ｖ_v ^*及びｖ_w ^*）に変換する。

ＰＷＭ変換部１９は、座標変換器１８からの３相電圧指令値（ｖ_u ^*、ｖ_v ^*及びｖ_w ^*）に従ってパルス幅変調されたＰＷＭ信号を作成し、このＰＷＭ信号をインバータ回路２に与える。インバータ回路２は、与えられたＰＷＭ信号に応じたモータ電流Ｉ_aをモータ１に供給してモータ１を駆動する。より具体的には、インバータ回路２は、３相分のハーフブリッジ回路とドライバとを備えており（不図示）、ドライバがＰＷＭ信号に従って各ハーフブリッジ回路におけるスイッチング素子をオン／オフ制御することにより、３相電圧指令値に従ったモータ電流Ｉ_aがモータ１に供給される。

角度センサ１２は、例えばホール素子またはレゾルバから成り、永久磁石１ａの磁極位置を特定するための信号（即ち、角度θを特定するための信号）を出力する。

回転子角度検出部１４は、角度センサ１２の出力信号から、Ｕ相の電機子巻線固定軸から見たｄ軸の角度（位相）を検出する。検出された角度は、理想的には、図２のθと完全に一致する。しかしながら、通常、角度センサ１２の取り付け誤差や経時変化の影響により、検出された角度は、θからずれることが多い。そこで、回転子角度検出部１４にて検出される角度を、角度θと区別して検出角度θ'にて表すことにする。

角度補正部１５は、検出角度θ'を補正することにより、図２の角度θ_eを算出する。従って、角度θ_eを補正角度と呼ぶこともできる。検出角度θ'の補正手法については後述する。算出された角度θ_eは、座標変換器１３及び１８並びに速度演算部１６に与えらえる。

速度演算部１６は、角度θ_eを積分することにより回転速度ω_eを算出する（換言すれば、単位時間当たりの角度θ_eの変化量から回転速度ω_eを算出する）。算出した回転速度ω_eは、電流制御部１７及び磁束制御部２０に与えられる。

磁束制御部２０は、回転速度ω_eと電流制御部１７からのγ軸電圧指令値ｖγ^*とに基づいてγ軸電流指令値ｉγ^*を設定し、設定したｉγ^*を角度補正部１５及び電流制御部１７に与える。モータ制御装置３は、モータ１に対して複数種類のベクトル制御を実行することができ、複数種類のベクトル制御には、例えば最大トルク制御、弱め磁束制御が含まれる。仮に、モータ１が表面磁石型同期モータに代表される非突極機である場合、最大トルク制御の実行時においてｉγ^*はゼロとされ、弱め磁束制御の実行時においてｉγ^*は負とされる。負のｄ軸電流（γ軸電流）は、ｄ軸方向の磁束を減少させるように作用する。弱め磁束制御は、通常、回転速度ω（又はω_e）が大きくなった時にモータ電圧Ｖ_aを所定の制限電圧以下に抑えるために実施される。

弱め磁束制御の実行時において、磁束制御部２０は、例えば、下記式（１ａ）又は（１ｂ）に従ってｉγ^*を設定する。式（１ａ）及び（１ｂ）は、特開２００６−２０４０５４号公報に開示されている弱め磁束制御用の電流指令値の算出式である。式（１ａ）を利用する場合は、座標変換器１３にて算出されたｉγをも用いてｉγ^*を設定する。ここで、Ｖ_omは、直流電源３１の出力電圧に基づいて設定される制限電圧である。尚、一般的な弱め磁束制御用の電流指令値の算出式である下記式（１ｃ）に従ってｉγ^*を設定することも可能である。

直流電源３１は、二次電池（例えば、リチウムイオン電池）などからなり、放電だけなく充電も可能となっている。直流電源３１が放電するとき、その放電電力はインバータ回路２を介してモータ１に供給され、モータ１にて該放電電力が運動エネルギに変換されて回転子が回転駆動される。他方、回生時には、モータ１の発電電力が回生電力としてインバータ回路２を介して直流電源３１に戻され、直流電源３１が充電される。

電流センサ３２は、直流電源３１の出力電流の電流値に応じたアナログの信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２２は、電流センサ３２からのアナログの出力信号をＡ／Ｄ変換することにより、直流電源３１の出力電流（出力電流の電流値）を表す検出電流Ｉ_Bを出力する。電流センサ３２は、例えば、直流電源３１の出力電流が流れる線路に直列に介在するシャント抵抗である。直流電源３１の放電時において、直流電源３１から放電電流が流出し、その時における検出電流Ｉ_Bの極性を負とする。直流電源３１の充電時において、直流電源３１に充電電流が流入し、その時における検出電流Ｉ_Bの極性を正とする。

スイッチ３３は、電界効果トランジスタ又はリレー等のスイッチング素子から成り、直流電源３１の出力電流が流れる線路に直列に介在する。詳細は後述するが、異常検出部２１がスイッチ３３のオン／オフ状態を制御する。通常、スイッチ３３はオンとされ、これによって、直流電源３１の放電電力がモータ１に供給される或いはモータ１からの回生電力が直流電源３１に供給される。スイッチ３３がオフとなると、直流電源３１とインバータ回路２との接続が遮断され、モータ１の電機子巻線に電流は流れなくなる。

［角度補正部の説明］
本実施形態に係るモータ駆動システムの特徴的な機能である、検出角度θ'の補正の手法について説明する。

まず、電流ベクトル図を表す図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、この補正の原理について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）において、半時計回り方向が位相の進み方向である。説明の便宜上、θ'＝θ_eであるものと仮定して原理説明を行う。今、ｉδ^*がゼロであって且つｉγ^*が負である場合を想定する。この場合、モータ制御装置３の電流フィードバック制御により、ｉδがゼロとなり且つｉγが負となる。

そして、この場合において、検出角度θ'が真に検出されるべき角度θと完全に一致する時、電流ベクトル図は図４（ｂ）のようになり、モータ１にｑ軸電流ｉ_qは流れないことになる。一方、検出角度θ'が真に検出されるべき角度θから遅れている場合、電流ベクトル図は図４（ａ）のようになり、実際には正のｑ軸電流ｉ_qが流れる。正のｑ軸電流ｉ_qが流れるとモータ１にトルクが発生することになる。逆に、検出角度θ'が真に検出されるべき角度θから進んでいる場合、電流ベクトル図は図４（ｃ）のようになり、実際には負のｑ軸電流ｉ_qが流れる。負のｑ軸電流ｉ_qが流れる状態は、回生が行われている状態に対応する。

正のｑ軸電流ｉ_qをモータ１に流してモータ１にトルクを発生させるためには、直流電源３１が放電を行う必要がある。即ち、この場合、検出電流Ｉ_Bは負となる。一方、負のｑ軸電流ｉ_qが流れて回生が行われている時には、直流電源３１に充電電流が供給されることになる。即ち、この場合、検出電流Ｉ_Bは正となる。従って、検出電流Ｉ_Bに基づけば、検出角度θ'と真に検出されるべき角度θとの間の関係を特定可能である。

角度補正部１５は、このような関係を考慮し、ｉγ^*及びｉδ^*を参照しつつ検出電流Ｉ_Bに基づいて検出角度θ'に対する角度補正値θ_Cを設定し、検出角度θ'と角度補正値θ_Cから角度θ_eを算出する。

図５を参照して、検出角度θ'の補正処理を含む、角度補正部１５の動作について説明する。図５は、この動作の流れを表すフローチャートである。ステップＳ１０〜Ｓ１７における各処理は、角度補正部１５にて実行される。モータ制御装置３のベクトル制御に必要な各値（Ｉ_B、ｉγ^*、ｉδ^*、θ'、 θ_C、θ_e等を含む）は、所定の周期にて逐次最新の値に更新されており、ステップＳ１０〜Ｓ１７の各処理は、最新の値を用いて行われる。

まず、ステップＳ１０において、角度補正値θ_Cが初期化される。例えば、角度補正値θ_Cに初期値としての０°を代入する。続いてステップＳ１１において、（θ'＋θ_C）がθ_eに代入され、この代入によって得られたθ_eが角度補正部１５から出力される。

続いてステップＳ１２において、ｉδ^*がゼロであるかが判断される。ｉδ^*がゼロである場合はステップＳ１３に移行し、ｉδ^*がゼロでない場合はステップＳ１１に戻る。ステップＳ１３では、ｉγ^*が負であるかが判断される。ｉγ^*が負である場合はステップＳ１４に移行し、ｉγ^*が負でない場合はステップＳ１１に戻る。例えば、モータ１の回転子が惰性にて回転していてモータ制御装置３が弱め磁束制御を実行している時、或いは、モータ１の回転子が外部から与えられる力によって回転させられていてモータ制御装置３が弱め磁束制御を実行している時に、ｉδ^*＝０且つｉγ^*＜０となってステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４では、検出電流Ｉ_Bに基づいて、角度（補正角度）θ_eのずれ判定を行う。ステップＳ１２及びＳ１３の分岐処理から分かるように、ステップＳ１４のずれ判定に用いられる検出電流Ｉ_Bは、ｉδ^*＝０且つｉγ^*＜０である時における検出電流Ｉ_Bである。

具体的には、検出電流Ｉ_B（即ち、Ｉ_Bによって表される電流値）が、所定値Ｉ_REFと一致しているか或いは該所定値Ｉ_REFを含む所定範囲内に収まっている場合、角度θに対して角度θ_eがずれていないと判断してステップＳ１４からステップＳ１１に戻り、そうでない場合、角度θに対して角度θ_eがずれていると判断してステップＳ１４からステップＳ１５に移行する。

所定値Ｉ_REFは、典型的には例えばゼロであるが、ゼロと異なるゼロ近傍の値であってもよい。所定値Ｉ_REFを含む所定範囲とは、Ｉ_REF1とＩ_REF2の間の範囲を意味する（但し、Ｉ_REF1＜Ｉ_REF＜Ｉ_REF2）。

ステップＳ１５では、Ｉ_B＜０、が成立するか、即ち、検出電流Ｉ_Bが負であるかが判定される。検出電流Ｉ_Bが負である場合、正のｑ軸電流ｉ_qが流れていると推測されるため（図４（ａ）参照）、補正角度としての角度θ_eの位相を進めるべく、ステップＳ１６にて現在の角度補正値θ_Cに１°を加えてからステップＳ１１に戻る。一方、検出電流Ｉ_Bが正である場合、負のｑ軸電流ｉ_qが流れていると推測されるため（図４（ｃ）参照）、ステップＳ１７にて現在の角度補正値θ_Cより１°を差し引いてからステップＳ１１に戻る。

上記のステップＳ１１〜Ｓ１７から成るループ処理を繰り返すことにより、ｉδ^*＝０且つｉγ^*＜０である時における検出電流Ｉ_Bが所定値Ｉ_REFとなるように或いは所定値Ｉ_REFを含む所定範囲内に収まるように、角度補正値θ_Cが調整される。モータ制御装置３内に備えられた記憶部（不図示）は、設定した角度補正値θ_Cを記憶する。

図６（ａ）〜（ｃ）に、図３のモータ駆動システムに対する１つの実験結果を示す。図６（ａ）〜（ｃ）において、横軸は時間を表し、符号１０１〜１０３は直流電源３１の出力電圧波形を表し、符合１１１〜１１３は検出電流Ｉ_Bの電流波形を表す。図６（ａ）は角度補正値θ_Cが１０°である時のそれらを表し、図６（ｂ）は角度補正値θ_Cが１５°である時のそれらを表し、図６（ｃ）は角度補正値θ_Cが２０°である時のそれらを表している。符号１１０が付された破線は、電流波形の基準線である。符合１１１〜１１３で表される電流波形が該基準線１１０と重なるとき、検出電流Ｉ_Bの電流値はゼロであり、基準線１１０の上側が検出電流Ｉ_Bの正側（即ち、充電側）に対応し、基準線１１０の下側が検出電流Ｉ_Bの負側（即ち、放電側）に対応している。

図６（ａ）〜（ｃ）の夫々は、モータ１の回転速度が比較的遅く、弱め磁束制御が実行されていない状態を始点としてモータ１の回転速度を増加させてゆき、弱め磁束領域に至らせた時の実験結果を表している。弱め磁束領域とは、弱め磁束制御が実行される速度領域を意味しており、弱め磁束領域ではｉδ^*はゼロとされ且つｉγ^*は負に設定される。

図６（ａ）〜（ｃ）は、角度センサ１２の取り付け誤差等に由来して、設定されるべき角度補正値θ_Cが１５°となっている状態に対応している。

従って、角度補正値θ_Cが１０°に設定されている時、回転速度ω（又はω_e）が増加して弱め磁束領域に到達すると、図６（ａ）の電流波形１１１の如く、検出電流Ｉ_Bの極性は負となる。そうすると、図５のステップＳ１２〜Ｓ１５の分岐処理を介してステップＳ１６にて角度補正値θ_Cが増加せしめられる。そして、最終的に、角度補正値θ_Cが１５°に至った時点（図６（ｂ）に対応）で角度θに対して角度θ_eがずれていないと判断される。

一方、角度補正値θ_Cが２０°に設定されている時、回転速度ω（又はω_e）が増加して弱め磁束領域に到達すると、図６（ｃ）の電流波形１１３の如く、検出電流Ｉ_Bの極性は正となる。そうすると、図５のステップＳ１２〜Ｓ１５の分岐処理を介してステップＳ１７にて角度補正値θ_Cが減少せしめられる。そして、最終的に、角度補正値θ_Cが１５°に至った時点（図６（ｂ）に対応）で角度θに対して角度θ_eがずれていないと判断される。

尚、電流波形１１１〜１１３からも分かるように、検出電流Ｉ_Bの値は比較的大きな幅にて振動することもあるので、実際の検出電流Ｉ_Bの値を平滑化した値に基づいて、ステップＳ１４及びＳ１５（及び後述する図７のＳ２２）の分岐判断を実行するようにしてもよい。

このように、角度補正部１５を用いることにより、モータ１の回転時において、簡素な構成及び処理にて検出角度を自動的に補正することが可能となる。角度補正は、モータ駆動システムの実稼動時に適宜実行可能であるため、経時変化などにも対応することができる。また、上記特許文献１の手法では必要となる、逆起電圧測定のための煩雑なハードウェアも不要である。また、角度補正値θ_Cの調整を行うために、余計な電流を流したりする必要がなく、通常の運転状態にて該調整を行うことができる。

また、モータパラメータ（Ｌ_d、Ｌ_q、Φ_aなど）等の誤差に由来する補正精度劣化もないため、高精度な補正が可能である。加えて、ｉδ^*がゼロの時におけるｉγ^*の絶対値を増やすようにすれば、角度θ_eとθとの間の一定誤差に対する、検出電流Ｉ_Bの大きさは増加する。即ち、ｉδ^*がゼロの時におけるｉγ^*の絶対値を増やすことにより、誤差の検出感度を増加させる（誤差検出に関するＳ／Ｎ比を向上させる）ことが可能であり、補正の更なる高精度化を図ることも可能である。

モータ１に求められるトルク性能又は速度性能が高くなるほどモータ１に大電流を供給する必要があり、モータ１に大電流を流すシステムでは、微小な角度ずれも比較的大きな問題を引き起こす。また、高速回転領域における軸ずれ（θ_e−θ間誤差）は、特に顕著な問題を招きがちである。本実施形態に係る補正手法では、高精度に検出角度補正を実行することができるため、モータ１に大電流を流すシステムや弱め磁束領域における動作に特に有益である。

尚、補正後の角度θ_eがｄ軸の角度θと完全に一致している場合において、ｉδ^*がゼロであるならば、トルクに関与する電流はモータ１に流れないため、検出電流Ｉ_Bは略ゼロとなる。しかし、この場合において、ｉγ^*＜０である時は、ｄ軸電流ｉ_dを流すが故に直流電源３１は消費方向に若干の電流を出力する（つまり、Ｉ_Bは小さな負の値をとる）。このことからすると、図５のステップＳ１４のずれ判定で用いられる所定値Ｉ_REFは、ゼロ近傍の負の値とするべきである。しかし、上述したように、所定値Ｉ_REFは、典型的には例えばゼロとされる。Ｉ_REFをゼロとすれば、ｉδ^*＝０且つｉγ^*＜０である時に若干の回生充電が行われるように角度補正値θ_Cが調整されることになる。直流電源３１の過充電も望ましくないわけであるが、意図しないトルク発生は重大な事故を招きかねない。Ｉ_REFをゼロとすることは、意図しないトルク発生をより抑制する方向に作用する（即ち、モータ駆動システムの安全性を高める方向に作用する）。従って、Ｉ_REFを負の値とするよりもゼロ（或いはゼロ近傍の正の値）とする方が望ましい。

［異常検出部の説明］
次に、図７を参照して、図３の異常検出部２１の機能について説明する。図７は、異常検出部２１の動作手順を表すフローチャートである。異常検出部２１は、δ軸電流指令値ｉδ^*及び検出電流Ｉ_Bを参照して、図７のステップＳ２１〜Ｓ２３の各処理を実行する。

まず、異常検出部２１は、ステップＳ２１にて、ｉδ^*がゼロであるか否かを確認する。そして、ｉδ^*がゼロでない場合はステップＳ２１の処理を繰り返す一方、ｉδ^*がゼロである場合はステップＳ２２に移行し、検出電流Ｉ_Bが所定の正常電流範囲内に収まっているか否かを判断する。具体的には、Ｉ_Bで表される電流値が、所定の下限電流値Ｉ_LIM1以上であって且つ所定の上限電流値Ｉ_LIM2以下であるかを判断する。ここで、下限電流値Ｉ_LIM1は予め定められた負の値であり、上限電流値Ｉ_LIM2は予め定められた正の値である。また、上述のＩ_REF1及びＩ_REF2との関係において、Ｉ_LIM1＜Ｉ_REF1＜Ｉ_REF2＜Ｉ_LIM2、が成立する。

そして、Ｉ_LIM1≦Ｉ_B≦Ｉ_LIM2、が成立する場合は、角度センサ１２及び回転子角度検出部１４による角度検出は正常であると判断してステップＳ２１に戻る。一方、Ｉ_LIM1≦Ｉ_B≦Ｉ_LIM2、が成立しない場合は、角度センサ１２及び回転子角度検出部１４による角度検出が異常であると判断してステップＳ２３に移行し、異常対応処理を行う。異常対応処理には、モータ１（回転子）の回転を停止させるべくスイッチ３３をオフとする処理や、角度検出が異常であることを外部に報知する処理などが含まれる。尚、ステップＳ２３に至る前においては、勿論、スイッチ３３はオンとされている。

検出角度θ'における多少のずれは角度補正部１５による角度補正処理にて吸収可能であるが、大き過ぎるずれに対しては補正が有効に働かない可能性も高い。また、検出角度θ'における大きなずれによって、意図しない比較的大きなトルクがモータ１に発生したり、直流電源３１の過充電が発生したりする惧れがある。一方において、角度センサ１２の出力信号に基づく検出角度θ'に大きなずれがない場合、ｉδ^*がゼロであれば直流電源３１の出力電流は大きな値とならず、検出角度θ'に大きなずれがある場合、ｉδ^*がゼロでも大きな電流が直流電源３１に流れうる。このような関係を考慮し、上述の如く、ｉδ^*＝０の時における検出電流Ｉ_Bに基づいて異常判定を行い、必要に応じて異常対応処理を実施する。

これにより、モータ１の回転時において角度検出の異常を検出することが可能となり、異常時には、安全にモータ１を停止させることができる。また、角度検出の異常の検出を行うために、余計な電流を流したりする必要がなく、通常の運転状態にて異常検出を行うことができる。

尚、ｉδ^*がゼロである時に「Ｉ_LIM1≦Ｉ_B≦Ｉ_LIM2」が不成立となる状態は、ｉγ^*の値に関係なく何らかの異常が発生している状態に対応している。従って、図７に示す動作手順にて異常検出部２１を動作させても問題はない。しかし、ｉδ^*とｉγ^*の双方がゼロであるならば、検出角度θ'に大きなずれがあったとしても、通常「Ｉ_LIM1≦Ｉ_B≦Ｉ_LIM2」は成立する。従って、検出角度θ'に大きなずれがあるか否かを確実に区別して検出するために、ステップＳ２１において「ｉδ^*＝０且つｉγ^*＜０」が成立するか否かを判断するようにしてもよい。この場合、「ｉδ^*＝０且つｉγ^*＜０」が成立する時にはステップＳ２２に移行し、「ｉδ^*＝０且つｉγ^*＜０」が成立しない時にはステップＳ２１の処理を繰り返すようにする。

［車両への適用について］
上述の如く、角度補正部１５による角度補正処理及び異常検出部２１による異常検出処理が行われるが、これらの処理は、図３のモータ駆動システムを搭載した車両（不図示）の運転中に実行することも可能である。この車両は、モータ１の回転によって走行する。

例えば、車両のアクセルをオンとし、弱め磁束領域に至るまでモータ１の回転速度が加速された後に車両のアクセルをオフにすると、ｉδ^*がゼロとされる一方で、暫くの期間、弱め磁束領域にて車両が惰性で走行するが故にｉγ^*が負とされる。この期間において、検出電流Ｉ_Bを参照することにより角度補正値θ_Cを調整することができると共に異常検出処理を行うことができる。また例えば、車両がアクセルをオフとした状態で下り坂を下ることで弱め磁束領域に至った場合も、同様に、角度補正値θ_Cに対する調整及び異常検出処理を行うことができる。尚、アクセルのオンとは、モータ１の駆動による車両の加速実行を指示するための、車両に対する操作を意味し、アクセルのオフとは、モータ１の駆動による車両の加速禁止を指示するための、車両に対する操作（即ち、モータ１の駆動停止を指示する操作）を意味する。アクセルがオフとされモータ１が駆動されていなくても、下り坂を下る場合などにおいては車両が加速する場合もある。

＜＜変形等＞＞
上述の実施形態の変形例または注釈事項として、以下に、注釈１〜注釈５を記す。各注釈に記載した内容は、矛盾なき限り、任意に組み合わせることが可能である。

［注釈１］
上述の各種の指令値（ｉγ^*、ｉδ^*、ｖγ^*及びｖδ^*など）や状態量（ｉγ、ｉδなど）を含む、導出されるべき全ての値の導出手法は任意である。即ち、例えば、それらを、モータ制御装置３内での演算によって導出するようにしてもよいし、予め設定しておいたテーブルデータから導出するようにしてもよい。

［注釈２］
上述の実施形態では、相電流センサ１１を用いてＵ相電流ｉ_u及びＶ相電流ｉ_vを直接検出するようにしているが、検出電流Ｉ_BからＵ相電流ｉ_u、Ｖ相電流ｉ_v及びＷ相電流ｉ_wを再現し、再現したそれらからｉγ及びｉδを算出するようにしてもよい。

［注釈３］
モータ制御装置３の機能の一部または全部は、例えば汎用マイクロコンピュータ等に組み込まれたソフトウェア（プログラム）を用いて実現される。ソフトウェアを用いてモータ制御装置３を実現する場合、モータ制御装置３の各部の構成を示すブロック図は機能ブロック図を表すこととなる。勿論、ソフトウェア（プログラム）ではなく、ハードウェアのみによって、或いは、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせによって、モータ制御装置３を形成することも可能である。

［注釈４］
上述の実施形態において、モータ１の回転子の角度を検出する角度検出手段は、回転子角度検出部１４を含む（図３参照）。この角度検出手段に、更に角度センサ１２が含まれていると考えても構わない。上述の実施形態において、直流電源３１の流出電流或いは流入電流を検出電流Ｉ_Bとして検出する電流検出手段は、Ａ／Ｄ変換器２２を含む（図３参照）。この電流検出手段に、更に電流センサ３２が含まれていると考えても構わない。

［注釈５］
本明細書及び図面において下記の点に留意すべきである。上記の数１と表記した墨付きかっこ内の式（式（１ａ）等）の記述又は図面において、所謂下付き文字として表現されているγ及びδは、それらの墨付きかっこ外において、下付き文字でない標準文字として表記されうる。このγ及びδの下付き文字と標準文字との相違は無視されるべきである。

本発明は、モータを用いるあらゆる電気機器に好適である。例えば、モータの回転によって駆動する電気自動車や、空気調和機等に用いられる圧縮機等に好適である。

本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの概略ブロック図である。 本発明の実施形態に係るモータの解析モデル図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動システムの詳細ブロック図である。 図３の角度補正部による角度補正手法の原理を説明するための電流ベクトル図である。 図３の角度補正部の動作の流れを表すフローチャートである。 角度補正値と検出電流波形との関係を示す図である。 図３の異常検出部の動作の流れを表すフローチャートである。

符号の説明

１ モータ
２ インバータ回路
３ モータ制御装置
１１ 相電流センサ
１２ 角度センサ
１４ 回転子角度検出部
１５ 角度補正部
２１ 異常検出部
３１ 直流電源
３２ 電流センサ
３３ スイッチ

Claims (7)

1. 永久磁石を回転子に設けたモータの駆動を制御するモータ制御装置において、
   角度センサを用いて前記回転子の角度を検出する角度検出手段と、
   前記モータの駆動源としての直流電源の流出電流或いは流入電流を検出電流として検出
   する電流検出手段と、
   前記検出電流に基づいて、検出された前記角度を補正する角度補正手段と、を備え、
   前記角度補正手段の補正によって得られた補正角度を用いて、前記モータの駆動を制御
   し、
   前記永久磁石が作る磁束の向きに平行な軸をｄ軸とし、且つ、前記ｄ軸に対応する制御
   上の軸をγ軸とし、且つ、前記γ軸に直交する軸をδ軸とした場合、
   当該モータ制御装置は、前記モータの供給電流のγ軸成分及びδ軸成分の目標となる目
   標γ軸電流及び目標δ軸電流を生成する電流指令値生成手段を、更に備え、
   前記角度補正手段は、前記目標δ軸電流がゼロであって且つ前記目標γ軸電流が負であ
   るときにおける前記検出電流に基づいて角度補正値を求め、前記角度補正値と前記角度検
   出手段によって検出された前記角度から前記補正角度を求める
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記角度補正手段は、前記目標δ軸電流がゼロであって且つ前記目標γ軸電流が負であ
   るときにおける前記検出電流が所定値となるように又は該所定値を含む所定範囲内に収ま
   るように、前記角度補正値を求める
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記検出電流に基づいて、前記角度検出手段による検出が異常であるか否かを判別する
   異常判別手段を更に備えた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 永久磁石を回転子に設けたモータの駆動を制御するモータ制御装置において、
   角度センサを用いて前記回転子の角度を検出する角度検出手段と、
   前記モータの駆動源としての直流電源の流出電流或いは流入電流を検出電流として検出
   する電流検出手段と、
   前記検出電流に基づいて、検出された前記角度を補正する角度補正手段と、を備え、
   前記角度補正手段の補正によって得られた補正角度を用いて、前記モータの駆動を制御
   し、
   前記永久磁石が作る磁束の向きに平行な軸をｄ軸とし、且つ、前記ｄ軸に対応する制御
   上の軸をγ軸とし、且つ、前記γ軸に直交する軸をδ軸とした場合、
   当該モータ制御装置は、
   前記モータの供給電流のδ軸成分の目標となる目標δ軸電流を生成する電流指令値生成
   手段と、
   前記目標δ軸電流がゼロであるときにおける前記検出電流に基づいて、前記角度検出手
   段による検出が異常であるか否かを判別する異常判別手段と、を更に備えた
   ことを特徴とするモータ制御装置。
5. 永久磁石を回転子に設けたモータの駆動を制御するモータ制御装置において、
   角度センサを用いて前記回転子の角度を検出する角度検出手段と、
   前記モータの駆動源としての直流電源の流出電流或いは流入電流を検出電流として検出
   する電流検出手段と、
   を備えて、検出された前記角度を用いて前記モータの駆動を制御し、
   前記検出電流に基づいて前記角度検出手段による検出が異常であるか否かを判別する異
   常判別手段を更に備え、
   前記永久磁石が作る磁束の向きに平行な軸をｄ軸とし、且つ、前記ｄ軸に対応する制御
   上の軸をγ軸とし、且つ、前記γ軸に直交する軸をδ軸とした場合、
   当該モータ制御装置は、
   前記モータの供給電流のδ軸成分の目標となる目標δ軸電流を生成する電流指令値生成
   手段を更に備え、
   前記異常判別手段は、前記目標δ軸電流がゼロであるときにおける前記検出電流に基づ
   いて、前記角度検出手段による検出が異常であるか否かを判別する
   ことを特徴とするモータ制御装置。
6. 前記異常判別手段は、前記目標δ軸電流がゼロであるときにおける前記検出電流が所定
   の正常電流範囲外にある場合に、前記角度検出手段による検出が異常であると判別する
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のモータ制御装置。
7. モータと、
   前記モータを駆動するインバータと、
   前記インバータを制御することにより前記モータの駆動を制御する請求項１〜請求項６
   の何れかに記載のモータ制御装置と、を備えた
   ことを特徴とするモータ駆動システム。