JP5303297B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置及びモータ制御方法に係り、特に、各巻線に順に電流が流れることによって発生する回転磁界により磁石回転子が回転するモータの制御装置及びモータの制御方法に関する。

ブラシレスモータはブラシと整流子とが無いモータとして知られている。このブラシレスモータでは、ブラシ付きモータがブラシと整流子とが接触しているのに対し、摩擦消耗が発生しないため長期間の駆動に適している。このため、使用頻度が激しく、かつメンテナンスを定期的にされないような環境での駆動用モータとして幅広く用いられている。

このブラシレスモータは、複数相の巻線を有する電機子の各巻線に順に電圧が印加されて各巻線に順に電流が流れることによって発生する回転磁界により永久磁石を含んで構成された磁石回転子が回転する。

理想的なブラシレスモータは、磁石回転子の回転によって各巻線に発生する誘起電圧が正弦波となる。このため、当該誘起電圧の正弦波に応じて各巻線に正弦波通電を行うことにより低振動・低騒音を実現できるとされている。

しかし、実際のブラシレスモータは、負荷をかけて電流が流れると磁気飽和により各巻線に発生する誘起電圧の波形に歪みが生じる場合や、ロータ内部に磁石を埋め込んだ埋込型モータでは誘起電圧の高調波成分が重畳して波形に歪みが生じる場合、モータの負荷の変動等によっても誘起電圧の波形に歪みが生じる場合がある。このため、ブラシレスモータでは、誘起電圧に基づいて各巻線に通電を行なうと、誘起電圧のひずみ成分に応じてトルクリップル、コギング、負荷変動により周期的な振動が発生する場合がある。

このコギングやトルクリプルの発生を低減するモータ制御装置として、特許文献１には、各巻線に発生する誘起電圧の正弦波をｄｑ座標系に座標変換し、座標変換後の正弦波に含まれる高調波成分に起因するトルクリプルやコギングを演算し、演算されたトルクリプルやコギングと逆位相のトルクを生じさせる高調波電流指令値を演算により求めて、当該高調波電流指令値に基づいて各巻線に印加する電圧を制御することによりトルクリプルを低減する技術が開示されている。

国際公開ＷＯ２００５／０３５３３３

ところで、モータは、構造的な理由などにより、特定の周波数で共振が発生する場合があり、特許文献１の技術を適用しても、特定の周波数でモータに共振が発生して振動や騒音が発生する、という問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、モータに共振が発生することを抑制することができるモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係るモータ制御装置は、永久磁石を含んだ磁石回転子及び複数相の巻線が巻回されるティースを備えたステータコアを含んで構成されたモータの前記複数相の巻線に順に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段により前記複数相の巻線のうち少なくとも１相以上の巻線に流れる電流の電流値を検出する電流検出手段と、前記電圧印加手段により前記電圧が印加されて各巻線に順に電流が流れることによって発生する回転磁界により回転する前記磁石回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段により検出された回転速度で前記モータに発生する周期的な振動の振動周波数を導出する導出手段と、前記導出手段により導出された振動周波数が所定の共振周波数である否かを判定する判定手段と、前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値未満の場合は、コギングトルクにより発生する振動が低減するように、前記磁石回転子の回転角度に応じて前記電圧を補正し、前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値以上の場合で、且つ、前記判定手段により前記振動周波数が前記共振周波数である場合は、共振を低減させるように前記電圧を補正する補正手段と、を備えている。

本発明は、電圧印加手段により、永久磁石を含んだ磁石回転子及び複数相の巻線が巻回されるティースを備えたステータコアを含んで構成されたモータの複数相の巻線に順に電圧が印加され、電流検知手段により、電圧印加手段により前記複数相の巻線のうち少なくとも１相以上の巻線に流れる電流の電流値が検出され、回転速度検出手段により、電圧印加手段により電圧が印加されて各巻線に順に電流が流れることによって発生する回転磁界により回転する前記磁石回転子の回転速度が検出される。

そして、本発明は、導出手段により、回転速度検出手段により検出された回転速度でモータに発生する周期的な振動の振動周波数が導出され、判定手段により、導出手段により導出された振動周波数が所定の共振周波数である否かが判定され、電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値未満の場合は、補正手段により、コギングトルクにより発生する振動が低減するように、前記磁石回転子の回転角度に応じて前記電圧を補正し、前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値以上の場合で、且つ、判定手段により振動周波数が前記共振周波数である場合、補正手段により、共振を低減させるように電圧印加手段より複数相の巻線に印加される電圧が補正される。

このように、本発明では、永久磁石を含んだ磁石回転子及び複数相の巻線を含んで構成されたモータの磁石回転子の回転速度を検出し、検出された回転速度でモータに発生する周期的な振動の振動周波数を導出し、導出された振動周波数が所定の共振周波数である否かを判定し、振動周波数が共振周波数である場合、共振を低減させるように複数相の巻線に印加される電圧を補正するので、モータに共振が発生することを抑制することができる。

なお、請求項１記載の発明は、請求項２記載のように、前記複数相の巻線に流れる電流を、励磁電流に対応するｄ軸電流とトルク発生電流に対応するｑ軸電流に分けて前記電圧を制御する電圧制御手段をさらに備え、前記補正手段は、前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値以上の場合で、且つ、前記判定手段により前記振動周波数が前記共振周波数である場合に、共振を低減させるようにｑ軸電流を補正してもよい。

この請求項２記載の発明によれば、ｑ軸電流は回転子を回転させる成分であるため、ｑ軸電流を補正することにより、モータでのトルクリプルの発生を低減することができる。。

また、請求項１記載の発明は、請求項３記載のように、前記複数相の巻線に流れる電流を、励磁電流に対応するｄ軸電流とトルク発生電流に対応するｑ軸電流に分けて前記電圧を制御する電圧制御手段をさらに備え、前記補正手段は、前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値未満の場合に、前記磁石回転子の回転角度に応じてｑ軸電流を補正してもよい。

この請求項３記載の発明によれば、モータ２０が無通電状態や微小電流を供給している状態で発生するコギングを低減することができる。

また、請求項２又は請求項３記載の発明は、請求項４記載のように、前記補正手段が、前記磁石回転子の径方向に対するステータコアの振動を低減させるようにｄ軸電流をさらに補正してもよい。

この請求項４記載の発明によれば、前記磁石回転子の径方向に対するステータコアの加振力の発生を低減することで、モータの振動の発生を抑制することができる。

また、本発明は、請求項５記載のように、前記磁石回転子は、磁極数をＰ極とした場合に、略径方向に延びる径方向収容孔と、径方向外側に凸となる略Ｖ字形状のＶ字収容孔とが、周方向に交互にそれぞれＰ／２個形成され、磁石が前記径方向収容孔内に配設されるとともに、前記Ｖ字収容孔のＶ字を形成する各直線に対応した各磁石収容部内にそれぞれ配設されてもよい。

この請求項５記載の発明によれば、回転子が回転する際に発生する高調波のうち１１次、１３次の高調波を低減することができる。

また、本発明は、請求項６記載のように、前記回転速度検出手段が、前記磁石回転子が所定角度回転する毎に出力されるパルス信号に基づいて前記磁石回転子の回転速度を検出しており、前記磁石回転子の回転速度の加速度を求めて前記パルス信号が出力される間の前記磁石回転子の回転角度を推定する推定手段をさらに備えた。

この請求項６記載の発明によれば、低コスト、低分解能な回転センサにより磁石回転子の回転角度を検出した場合でも、磁石回転子の回転角度や回転速度を精度良く推定することができる。

また、本発明は、請求項７記載のように、前記導出手段が、前記モータにトルクリップル、コギング、負荷変動の少なくとも１つにより周期的な振動が発生する周波数を前記振動周波数として導出する。

この請求項７記載の発明によれば、トルクリップル、コギング、負荷変動の少なくとも１つによりモータに共振が発生することを抑制することができる。

さらに、本発明は、請求項８記載のように、前記共振周波数を、前記モータに共振が発生する周波数、前記モータが取り付けられた装置に共振が発生する周波数の少なくとも１つとしてもよい。

この請求項８記載の発明によれば、モータ自体の共振、モータが取り付けられた装置との共振を抑制することができる。

一方、請求項９に記載の発明のモータ制御方法は、永久磁石を含んだ磁石回転子及び複数相の巻線が巻回されるティースを備えたステータコアを含んで構成されたモータの前記複数相の巻線に順に電圧を印加して各巻線に順に電流が流れることによって発生する回転磁界により回転する前記磁石回転子の回転速度、及び前記複数相の巻線のうち少なくとも１相以上の巻線に流れる電流の電流値を検出し、前記電流値が微小電流として予め定めた電流値未満の場合は、コギングトルクにより発生する振動が低減するように、前記磁石回転子の回転角度に応じて前記電圧を補正し、前記電流値が微小電流として予め定めた電流値以上の場合は、検出された回転速度で前記モータに発生する周期的な振動の振動周波数を導出し、導出された振動周波数が所定の共振周波数である否かを判定し、判定の結果、前記振動周波数が前記共振周波数である場合、共振を低減させるように前記電圧を補正する。

よって、請求項８に記載の発明は、請求項１記載の発明と同様に作用するので、モータに共振が発生することを抑制することができる。

実施の形態に係る埋込磁石型モータのステータ及びロータの平面図である。 実施の形態に係る巻線の結線図である。 実施の形態に係るモータ制御装置の機能構成を示すブロック図である。 実施の形態に係るモータの回転速度に応じて変化する振動周波数と共振周波数の関係を示すグラフである。 実施の形態に係る補正処理の流れを示すフローチャートである。 モータでの周波数毎のトルクリプルの発生状況を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。

図１、及び図２には、本実施の形態に係るモータ２０が示されている。

図１に示すように、モータ２０は、ステータ１とロータ２とを備える。

ステータ１は、全体的に略円筒状に形成され、外形を形成する円筒部３の内周面から周方向等角度間隔で軸中心に向かって（径方向内側に）延びるように形成された複数のティース４を有したステータコア５と、各ティース４にインシュレータ（図示略）を介して集中巻にて巻回された巻線６（図１中、一部のみ２点鎖線で図示）とを備える。なお、本実施の形態では、ティース４は、１２個形成されている。そして、各ティース４の巻線６は、周方向に２つおきの４つずつが、図２に示すように、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に分類されて直列に接続されるとともに、それらの一端が共通の中性点Ｚに接続され、各相における他端に位相差１２０度の交流電流が供給されることになる。

ロータ２は、回転軸７と、回転軸７に対して固定されるロータコア８と、ロータコア８に形成された収容孔（径方向収容孔８ａ及びＶ字収容孔８ｂ）内に配設される磁石９，１０とを備える。なお、ロータ２における磁極数はＰ極であって本実施の形態では８極に設定されている。

ロータコア８は、コアシートが軸方向に積層されることで略円筒状に形成され、その中心孔に回転軸７が嵌着され、ステータ１の内側に回転可能に支持される。また、ロータコア８において磁石９，１０を内部に収容すべく軸方向に貫通する収容孔は、径方向に延びる径方向収容孔８ａと、径方向外側に凸となる略Ｖ字形状のＶ字収容孔８ｂとが、それぞれＰ／２個であって本実施の形態では（８／２＝）４個ずつ形成されてなるとともにそれらが周方向に交互であって等角度間隔に形成されてなる。

径方向収容孔８ａの径方向外側端部には、軸方向から見た（径方向の直交方向の）幅が他の部分より大きく設定された大幅部８ｃが形成されている（図１中、左の部分拡大図参照）。本実施の形態の大幅部８ｃは、ロータコア８の軸方向全体に（貫通するように）形成されている。また、径方向収容孔８ａの径方向外側において大幅部８ｃの径方向内側には、磁石９の径方向外側への移動を規制すべく軸方向から見た（径方向の直交方向の）幅が他の部分より小さくなるように径方向の直交方向に突出した突出部８ｄが形成されている。この突出部８ｄは、周方向両側から一対、同じ量だけ突出して形成されている。また、一対の突出部８ｄ同士の（径方向の直交方向の）間隔Ｘは、大幅部８ｃの径方向幅Ｙより大きく設定されている。

Ｖ字収容孔８ｂは、そのＶ字を形成する２つの直線に対応した一対の磁石収容部８ｅと、それら磁石収容部８ｅの径方向外側同士を連通する頂部８ｆとからなる。磁石収容部８ｅの径方向外側には、磁石１０の径方向外側への移動を規制すべく軸方向から見た幅が他の部分より小さくなるように突出した突出部８ｇが形成されている。また、本実施の形態の磁石収容部８ｅは、軸方向から見て直線状であってその幅が径方向に一定とされている。なお、本実施の形態のＶ字収容孔８ｂの一対の磁石収容部８ｅ（Ｖ字）がなす角度は、約５０度に設定されている。また、周方向に隣り合う、径方向収容孔８ａの径方向外側端部（即ち大幅部８ｃ）とＶ字収容孔８ｂの径方向外側端部（即ち頂部８ｆ）との間の角度幅θ１は、ティース４の径方向内側端部の角度幅θ２より大きく設定されている。また、径方向収容孔８ａの径方向外側端部（即ち大幅部８ｃ）の角度幅θ３は、Ｖ字収容孔８ｂの径方向外側端部（即ち頂部８ｆ）の角度幅θ４と同じに設定されている。また、径方向収容孔８ａの径方向外側端部（即ち大幅部８ｃ）の角度幅θ３は、ティース４の径方向内側端部の角度幅θ２より小さく設定されている。

また、本実施の形態における磁石収容部８ｅの径方向内側端部は、軸方向から見て、径方向収容孔８ａの側部、詳しくは径方向収容孔８ａの径方向内側において径方向の直交方向を向いた辺（内壁面）と対向するように形成されている（図１中、右の部分拡大図参照）。そして、磁石収容部８ｅの径方向内側と径方向収容孔８ａとの間に形成される内側ブリッジ部８ｈの軸方向から見た幅は径方向に沿って一定となるように形成されている。なお、これは、磁石収容部８ｅの径方向内側端部に軸方向から見て略三角形状の延設部８ｉが延設されることで実現されている。また、本実施の形態における磁石収容部８ｅの長手方向は、径方向収容孔８ａの長手方向に対して約７０度に傾斜している。また、上記形状のロータコア８には、径方向収容孔８ａの径方向外側（大幅部８ｃ）とロータコア８の外周面との間に外側ブリッジ部８ｊが形成され、磁石収容部８ｅ（詳しくは頂部８ｆ）の径方向外側とロータコア８の外周面との間に外側ブリッジ部８ｋが形成されることになる。また、外側ブリッジ部８ｊ，８ｋの径方向厚さは、それぞれ（周方向に）一定に設定されるとともに、それらが同じに設定されている。また、外側ブリッジ部８ｊ，８ｋの周方向長さは、前記角度幅θ３，θ４が同じであることから、同じに設定されている。そして、前記径方向収容孔８ａ内と前記磁石収容部８ｅ内には、それぞれ磁石９，１０が配設される。

磁石９，１０は、軸方向から見て短手方向に着磁された略直方体形状に形成されている。そして、径方向収容孔８ａ内に配設される磁石９と、その周方向の一方に隣り合う磁石収容部８ｅ内に配設される磁石１０とで１つの磁極（例えばＳ極）を構成するとともに、径方向収容孔８ａ内に配設される磁石９と、その周方向の他方に隣り合う磁石収容部８ｅ内に配設される磁石１０とで異なる１つの磁極（例えばＮ極）を構成している。なお、本実施の形態の磁石９，１０の軸方向長さは、前記ロータコア８の軸方向長さと同じに設定されている。

このように、本実施の形態に係るモータ２０は、径方向収容孔８ａ内に配設される磁石９は、周方向の一方に形成される磁極（ロータ２における一方の磁極であって例えばＳ極）の一部を構成するとともに、周方向の他方に形成される磁極（ロータ２における他方の磁極であって例えばＮ極）の一部をも構成しているため、径方向収容孔８ａ内に配設される磁石９は、２つの磁極に対して共用のものとなる。よって、磁極数がＰ極の場合、前記磁石９，１０は全体で（３／２）Ｐ個となるため、従来（全体で２Ｐ個）に比べて磁石の数を低減することができる。なお、本実施の形態では、８極で磁石９，１０が１２個となっている。

このモータ２０は、ロータ２の回転速度を制御するためのモータ制御装置４０を備えている。

図３には、本実施の形態に係るモータ制御装置４０の構成が示されている。

モータ制御装置４０は、ロータ２の回転速度を検出するための回転センサ４２と、回転センサ４２の出力に基づいてロータ２の回転速度を制御するためのコントローラ５０と、コントローラ５０からの制御に応じて３相に分類された各巻線６に交流電流を供給することによりモータ２０を回転駆動させるインバータ４４と、インバータ４４からモータ２０のＵ相とＶ相の各巻線６に実際に流れる実電流ｉｕ，ｉｖを検出する電流センサ４６Ａ，４６Ｂと、を主要構成要素として構成されている。

インバータ４４は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの電力変換素子により、コントローラ５０より入力されるＵ、Ｖ、Ｗの各相の電流指定値にしたがって、バッテリなどの直流電源（不図示）の直流電圧をスイッチングして、３相に分類された各巻線６に３相交流電圧Ｕ、Ｖ、Ｗを印加する。

回転センサ４２は、モータ２０に設けられおり、ホールＩＣによりロータ２の磁極を検出する毎にパルス信号をコントローラ５０へ出力する。

電流センサ４６Ａ，４６Ｂは、モータ２０のＵ相とＶ相の相電流ｉｕ，ｉｖを検出し、相電流ｉｕ，ｉｖを示す信号を各々コントローラ５０へ出力する。

コントローラ５０は、回転センサ４２、電流センサ４６Ａ，４６Ｂ及び外部装置とそれぞれ電気的に接続されており、回転センサ４２からパルス信号、電流センサ４６Ａ，４６Ｂから相電流ｉｕ，ｉｖを示す信号、及び外部装置から目標回転速度を示す回転数指令信号がそれぞれ入力されるようになっている。コントローラ５０は、演算装置であるＣＰＵや記憶装置であるＲＡＭ、ＲＯＭ等を含んで構成されており、回転センサ４２から入力するパルス信号、電流センサ４６Ａ，４６Ｂから入力する信号及び外部から入力する回転数指令信号に基づいてインバータ４４を介して各巻線６への給電の有無、供給電流の大きさを制御するようになっている。

すなわち、コントローラ５０は、回転センサ４２から入力するパルス信号のパルス数をカウントすることによりロータ２の回転角度θを検出すると共に、当該パルス信号のパルス幅または単位時間当りのパルス数を検出することによりロータ２の回転速度を検出しており、当該検出した回転速度を回転数指令信号により示される目標回転速度と比較してこれらの差がなくなるように、インバータ４４による各巻線６へ供給する電流を制御する構成とされている。

図３には、コントローラ５０による回転速度の制御の流れを機能的に示した機能ブロック図が示されている。

同図に示すように、コントローラ５０は、位置補完部５２と、速度検出部５４と、減算部５６と、ＰＩ制御部５８と、進角値記憶部６０と、進角値導出部６２と、乗算部６４Ａ，６４Ｂと、減算部６６Ａ，６６Ｂと、三相二相変換部７０と、トルク導出部７２と、高調波補正部７４と、加算部７８と、ｄ軸ＰＩ制御部８０Ａと、ｑ軸ＰＩ制御部８０Ｂと、二相三相変換部８２と、を備えている。

回転センサ４２から入力されるパルス信号は、位置補完部５２に入力される。

ところで、上述したように、回転センサ４２は、ホールＩＣによりロータ２の磁極を検出してパルス信号を出力するため、ロータ２の極数が例えば４極の場合、ロータ２が１回転する間に、２つのパルスしか出力されない。このため、ロータ２が一定速度で回転しているものとしてロータ２の回転角度を導出した場合は、ロータ２の回転速度が加速又は減速している場合に、ロータ２の回転角度に誤差が発生する。

そこで、本実施の形態に係る位置補完部５２は、パルス信号が入力する毎に１回前のパルス信号が入力してからの経過時間を計測して当該経過時間からロータ２の回転速度を求める。そして、位置補完部５２は、最新のロータ２の回転速度を以前（本実施の形態では１回前）に求められた回転速度と比較して回転速度の加速度を求め、次のパルスが入力するまで、求めた加速度でロータ２が加速しているものとしてロータ２の回転角度θを推定する。これにより、ロータ２の回転角度θの誤差を小さく抑えている。位置補完部５２は、導出したロータ２の回転角度を速度検出部５４及び高調波補正部７４へ出力する。

速度検出部５４は、位置補完部５２により推定されたロータ２の回転角度θの変化に基づいてロータ２の回転速度を検出し、検出した回転速度を減算部５６、進角値導出部６２、及び高調波補正部７４へ出力する。

減算部５６には、速度検出部５４により検出されたロータ２の回転速度と共に、外部装置からの回転数指令信号も入力している。

減算部５６は、回転数指令信号により示される目標回転速度からロータ２の回転速度を減算して、目標回転速度に対するロータ２の回転速度の偏差を求め、求めた回転速度の偏差をＰＩ制御部５８へ出力する。

ＰＩ制御部５８は、減算部５６により求められたロータ２の回転速度の偏差の比例計算（Ｐ制御）、及び偏差を時間積分する積分計算（Ｉ制御）を行い、この比例計算及び積分計算により求められる比例値と積分値とを加算して得られる値に対して所定のゲイン係数を乗算し、当該乗算により得られた値を電流指定値として乗算部６４Ａ，６４Ｂにそれぞれ出力する。

一方、進角値記憶部６０は、ロータ２の回転速度に応じた、ロータ２を最も高効率的に回転させることができる進角値φを示す進角値情報を記憶している。なお、この進角値情報は、ロータ２の回転速度に応じた進角値をテーブルとして記憶したものでもよく、また、回転速度を入力パラメータとし、進角値を出力パラメータとする関数であってもよい。

進角値導出部６２は、進角値記憶部６０に記憶された進角値情報に基づき、ロータ２の回転速度に応じた進角値φを導出する。進角値導出部６２は、導出した進角値φの三角関数ｓｉｎφ及びｃｏｓφを求め、ｓｉｎφを乗算部６４Ａへ出力し、ｃｏｓφを乗算部６４Ｂへ出力する。

乗算部６４Ａは、入力された電流指定値にｓｉｎφを乗算して得られた値をｄ軸電流指定値ｉｄ＿ｒｅｆとして減算部６６Ａへ出力し、乗算部６４Ｂは、電流指定値にｃｏｓφを乗算して得られた値をｑ軸電流指定値ｉｑ＿ｒｅｆとして減算部６６Ｂへ出力する。

一方、電流センサ４６Ａ，４６Ｂから入力される信号は、三相二相変換部７０及びトルク導出部７２に入力される。また、電流センサ４６Ａ，４６Ｂから入力される信号の少なくとも一方（ここでは、電流センサ４６Ａから入力される信号）は、高調波補正部７４に入力される。

三相二相変換部７０は、電流センサ４６Ａ，４６Ｂにより検出されたモータ２０のＵ相とＶ相の相電流ｉｕ，ｉｖの三相二相座標変換を行って、励磁電流に対応するｄ軸電流とトルク発生電流に対応するｑ軸電流に分け、ｄ軸電流を減算部６６Ａへ出力し、ｑ軸電流を減算部６６Ｂへ出力する。

トルク導出部７２は、電流センサ４６Ａ，４６Ｂにより検出されたモータ２０のＵ相とＶ相の相電流ｉｕ，ｉｖとモータ２０のトルク定数よりロータ２が回転するトルクを算出し、算出したトルクを高調波補正部７４へ出力する。

ここで、図４に示すように、モータ２０は、ロータ２のトルク及び回転速度に応じてトルクリップルやコギング、負荷変動による発生する振動の振動周波数が変化する。

本実施の形態に係るモータ２０では、高調波による誘起電圧の歪みによる振動は、三相二相変換後の高調波の次数×（ロータの極数Ｐ／２）×回転速度ωで発生し、トルクリップルによる振動は、３×ロータの極数Ｐ×回転速度ωで発生する。

モータ２０は、５次、７次、１１次、１３次の高調波が発生するが、本実施の形態のようにロータ２に、磁極数をＰ極とした場合に、略径方向に延びる径方向収容孔８ａと、径方向外側に凸となる略Ｖ字形状のＶ字収容孔８ｂとを周方向に交互にそれぞれＰ／２個形成し、磁石９，１０を径方向収容孔８ａに配設するとともに、Ｖ字収容孔８ｂのＶ字を形成する各直線に対応した各磁石収容部８ｅ内にそれぞれ配設した構成とすることにより、ロータ２が１回転する周期の整数倍の周期で発生する高調波のうち１１次、１３次の高調波が低減される。よって、５次、７次の高調波を低減させれば共振を抑制することができる。この５次、７次の高調波は、三相二相変換を行なうと６次の高調波となる。この結果、６次の高調波による振動及びトルクリップルによる振動は、３×ロータの極数Ｐ×回転速度ωで発生する。

また、コギングトルクによる振動は、ロータの極数Ｐとステータ１のスロット数Ｓの最小公倍数×回転速度ωで発生する。

さらに、モータ２０の負荷変動による振動は、１回転当りの負荷変動周波数Ｌ×回転速度ωで発生する。この１回転当りの負荷変動周波数Ｌは、実機による実験や設計仕様に基づくコンピュータ・シミュレーション等によって予め定めることができる。

また、モータ２０は、モータ２０の構造的な理由やモータ２０が取り付けられた装置の構造的な理由により特定の周波数の振動で共振が発生する場合がある。共振が発生する共振周波数α、βは、実機による実験や設計仕様に基づくコンピュータ・シミュレーション等によって求めることができる。

高調波補正部７４は、速度検出部５４で算出された回転速度でトルクリップルやコギング、負荷変動等によりモータ２０に発生する周期的な振動の振動周波数を導出する。

高調波補正部７４では、導出された振動周波数がモータ２０に共振が発生する共振周波数α又はモータ２０が取り付けられた装置に共振が発生する共振周波数βのいずれかである否かを判定し、判定の結果、振動周波数が共振周波数α、βの何れかである場合、共振を低減させるようにｑ軸電流を補正する補正値を求め、求めた補正値を加算部７８へ出力する。

また、高調波補正部７４では、モータ２０が無通電状態や微小電流を供給している状態でもコギングが発生するため、電流センサ４６Ａから入力される信号に基づくモータ２０のＵ相の巻線６に流れる相電流ｉｕがモータ２０が無通電状態や微小電流状態であるものとして定めた所定値よりも小さい場合に、ロータ２の回転角度に応じてｑ軸電流を補正する補正値を求め、求めた補正値を加算部７８へ出力する。

減算部６６Ａは、ｄ軸電流指定値ｉｄ＿ｒｅｆからｄ軸電流を減算してｄ軸電流指定値ｉｄ＿ｒｅｆに対する実際のｄ軸電流の偏差を求め、求めたｄ軸電流の偏差をｄ軸ＰＩ制御部８０Ａへ出力する。

ｄ軸ＰＩ制御部８０Ａは、減算部６６Ａにより求められたｄ軸電流の偏差の比例計算、及び偏差を時間積分する積分計算を行い、この比例計算、及び積分計算により求められる比例値と積分値とを加算して得られる値に対して所定のゲイン係数を乗算し、当該乗算により得られた値をｄ軸電流指定値として二相三相変換部８２に出力する。

一方、減算部６６Ｂは、ｑ軸電流指定値ｉｑ＿ｒｅｆからｑ軸電流を減算してｑ軸電流指定値ｉｑ＿ｒｅｆに対する実際のｑ軸電流の偏差を求め、求めたｑ軸電流の偏差を加算部７８へ出力する。

加算部７８は、高調波補正部７４から出力された補正値をｑ軸電流の偏差に加算することにより補正し、補正した偏差をｑ軸ＰＩ制御部８０Ｂへ出力する。

ｑ軸ＰＩ制御部８０Ｂは、加算部７８により補正されたｑ軸電流の偏差の比例計算、及び偏差を時間積分する積分計算を行い、この比例計算、及び積分計算により求められる比例値と積分値とを加算して得られる値に対して所定のゲイン係数を乗算し、当該乗算により得られた値をｑ軸電流指定値として二相三相変換部８２に出力する。

二相三相変換部８２は、ｄ軸ＰＩ制御部８０Ａにより求められたｄ軸電流指定値とｑ軸ＰＩ制御部８０Ｂにより求められたｑ軸電流指定値の二相三相座標変換を行って、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電流指定値をインバータ４４へ出力する。

次に本実施の形態に係るモータ制御装置４０の作用について説明する。

上記構成のモータ２０は、コントローラ５０が作動してインバータ４４から３相に分類された各巻線６に３相交流電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが印加されて各巻線６に順に電流が流れることによって発生する回転磁界により、ロータ２が回転する。

ロータ２が回転すると、回転センサ４２は、ロータ２の磁極を検出する毎にロータ２の回転速度に応じた周期でパルス信号を出力する。出力されたパルス信号はコントローラ５０の位置補完部５２に入力する。

位置補完部５２は、回転センサ４２からパルス信号が入力する毎に１回前のパルス信号が入力してからの経過時間を計測して当該経過時間からロータ２の回転速度を求め、最新のロータ２の回転速度を１回前に求められた回転速度と比較して回転速度の加速度を求めて、次のパルスが入力するまで、求めた加速度でロータ２が加速しているものとしてロータ２の回転角度θを推定する。そして、速度検出部５４は、推定した回転角度θの変化に基づいて回転速度を検出する。

また、トルク導出部７２は、電流センサ４６Ａ，４６Ｂにより検出されたモータ２０のＵ相とＶ相の相電流ｉｕ，ｉｖとモータ２０のトルク定数より、ロータ２が回転するトルクを算出すると共に、Ｕ相とＶ相の相電流ｉｕ，ｉｖの三相二相座標変換を行ってｄ軸電流とｑ軸電流を検出する。

減算部５６は、外部装置から入力される回転数指令信号により示される目標回転速度からロータ２の回転速度を減算することにより回転速度の偏差を求め、ＰＩ制御部５８は、当該回転速度の偏差のＰＩ制御を行うことにより電流指定値を求める。そして、進角値導出部６２は、当該電流指定値にロータ２の回転速度に応じた進角値φを導出し、乗算部６４Ａ，６４Ｂで電流指定値に対して三角関数ｓｉｎφ及びｃｏｓφを各々乗算することにより、ｄ軸電流指定値ｉｄ＿ｒｅｆ及びｑ軸電流指定値ｉｑ＿ｒｅｆを求める。

また、三相二相変換部７０は、電流センサ４６Ａ，４６Ｂにより検出されたモータ２０のＵ相とＶ相の相電流ｉｕ，ｉｖを三相二相座標変換して実際に流れているｄ軸電流及びｑ軸電流を求める。

そして、減算部６６Ａは、実際に流れているｄ軸電流をｄ軸電流指定値ｉｄ＿ｒｅｆと比較し、また、減算部６６Ｂは、実際に流れているｑ軸電流をｑ軸電流指定値ｉｑ＿ｒｅｆと比較してｄ軸電流の偏差及びｑ軸電流の偏差を求める。

この際、高調波補正部７４は、後述する補正処理を行ってｑ軸電流を補正する補正値を求める。

図５には本実施の形態に係る高調波補正部７４による補正処理の流れを示すフローチャートが示されている。

同図のステップ１００では、電流センサ４６Ａから入力される信号に基づくモータ２０のＵ相の巻線６に流れる相電流ｉｕが上記所定値よりも小さいか否かを判定し、肯定判定となった場合はステップ１０２へ移行し、否定判定となった場合はステップ１０４へ移行する。

ステップ１０２では、振動を打ち消すためのｑ軸電流の補正値をＡ_ｇ×ｓｉｎ（６×θ）から求めて処理終了となる。このＡ_ｇは、モータ２０が無通電状態や微小電流状態である場合に発生するコギングに応じて定めた定数である。Ａ_ｇは、実機による実験や設計仕様に基づくコンピュータ・シミュレーション等によって予め定めている。

ステップ１０４では、３×ロータの極数Ｐ×回転速度ωした値（＝３・Ｐ・ω）を求め、求めた値が共振周波数α、βの何れかであるか否かを判定し、肯定判定となった場合はステップ１０６へ移行し、否定判定となった場合はステップ１０８へ移行する。

ステップ１０６では、振動を打ち消すためのｑ軸電流の補正値をＡ_１（Ｔ）×ｓｉｎ（６×θ）から求めて処理終了となる。このＡ_１（Ｔ）は、トルクＴに応じて係数を定める関数である。Ａ_１（Ｔ）は、実機による実験や設計仕様に基づくコンピュータ・シミュレーション等によって予め定めている。

一方、ステップ１０８では、ロータの極数Ｐとステータ１のスロット数Ｓの最小公倍数に回転速度ωを乗算した値（＝〔ＰとＳの最小公倍数〕×ω））を求め、求めた値が共振周波数α、βの何れかであるか否かを判定し、肯定判定となった場合はステップ１１０へ移行し、否定判定となった場合はステップ１１２へ移行する。

ステップ１１０では、振動を打ち消すためのｑ軸電流の補正値をＡ_２（Ｔ）×ｓｉｎ（〔ＰとＳの最小公倍数〕÷〔極数Ｐ／２〕×θ）から求めて処理終了となる。このＡ_２（Ｔ）もトルクＴに応じて係数を定める関数である。Ａ_２（Ｔ）も実機による実験や設計仕様に基づくコンピュータ・シミュレーション等によって予め定めている。

一方、ステップ１１２では、１回転当りの負荷変動周波数Ｌと回転速度ωを乗算した値（＝Ｌ×ω））を求め、求めた値が共振周波数α、βの何れかであるか否かを判定し、肯定判定となった場合はステップ１１４へ移行し、否定判定となった場合はステップ１１６へ移行する。

ステップ１１４では、振動を打ち消すためのｑ軸電流の補正値をＡ_３（Ｔ）×ｓｉｎ（Ｌ×θ）から求めて処理終了となる。このＡ_３（Ｔ）もトルクＴに応じて係数を定める関数である。Ａ_３（Ｔ）も実機による実験や設計仕様に基づくコンピュータ・シミュレーション等によって予め定めている。

一方、ステップ１１６では、補正なし（補正値を０）として処理終了となる。

高調波補正部７４は、上記補正処理により求めた補正値を加算部７８へ出力する。

加算部７８は、ｑ軸電流の偏差に高調波補正部７４から入力した補正値を加算することにより偏差を補正し、補正した偏差をｑ軸ＰＩ制御部８０Ｂへ出力する。

ｄ軸ＰＩ制御部８０Ａ及びｑ軸ＰＩ制御部８０Ｂは、ｄ軸、ｑ軸毎に偏差のＰＩ制御を各々行うことによりｄ軸電流指定値、及びｑ軸電流指定値を求め、二相三相変換部８２は、求めたｄ軸電流指定値、及びｑ軸電流指定値の二相三相座標変換を行って、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電流指定値をインバータ４４に出力する。

インバータ４４は、二相三相変換部８２より入力されるＵ、Ｖ、Ｗの各相の電流指定値にしたがって、バッテリなどの直流電源（不図示）の直流電圧をスイッチングして、３相に分類された各巻線６に３相交流電圧Ｕ、Ｖ、Ｗを印加して各巻線６に順に電流を流すことによって回転磁界を発生させてロータ２を回転させる。

以上のように本実施の形態によれば、モータ２０には、回転速度に応じて共振が発生する場合があるが、本実施の形態のように、モータ２０のロータ２の回転速度を検出し、検出された回転速度でモータ２０に発生する周期的な振動の振動周波数を導出し、導出された振動周波数が所定の共振周波数である否かを判定し、振動周波数が共振周波数である場合、共振を低減させるように複数相の巻線６に印加される電圧を補正するので、モータ２０に共振が発生することを抑制することができる。

図６には、２０００ｒｐｍでモータ２０を回転させる際に、補正を行わない場合（「従来」と記載。）と本実施の形態の構成を用いて補正（「本制御」と記載。）を行った場合に振動の発生状況を振動の周波数毎に示している。

同図に示すように、本実施の形態のような構成にすることにより、モータ２０での共振による振動の発生が低減されている。

また、本実施の形態のように、コントローラ５０が各巻線６に流れる電流を、ｄ軸電流とｑ軸電流に分けて各巻線６に印加する電圧をベクトル制御する場合、ｑ軸電流はロータ２を回転させる成分である。このため、ｑ軸電流の偏差を補正することにより、モータ２０でのトルクリプルの発生を低減させることができる。なお、ｄ軸電流はステータ１を径方向に加振させる成分であり、ステータ１の径方向の剛性が低いとステータ１が径方向に撓むため、ロータ２の回転にともない、ステータ１の撓みが周方向に移り変わっていくことでステータ１を振動させてしまう。このため、ｄ軸電流の偏差をさらに補正するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、ロータ２に、磁極数をＰ極とした場合に、略径方向に延びる径方向収容孔８ａと、径方向外側に凸となる略Ｖ字形状のＶ字収容孔８ｂとを周方向に交互にそれぞれＰ／２個形成し、磁石９，１０を径方向収容孔８ａに配設するとともに、Ｖ字収容孔８ｂのＶ字を形成する各直線に対応した各磁石収容部８ｅ内にそれぞれ配設している。モータ２０は、５次、７次、１１次、１３次の高調波が発生するが、本実施の形態のような構成とすることにより、ロータ２が１回転する周期の整数倍の周期で発生する高調波のうち１１次、１３次の高調波が低減される。よって、実施の形態の補正処理により５次、７次の高調波の共振を抑制することによりモータ２０の振動の発生することを抑制することができる。

また、本実施の形態では、高調波の電流を次数毎にｄｑ座標系に座標変換して制御する必要がなく、また、共振が発生する次数のみで補正を行なえばよいので演算量が少なくてすみ、コントローラ５０を安価な演算装置を用いて構成することができる。

なお、本実施の形態では、補正値を求める際の係数をトルクＴに応じた関数（Ａ_１（Ｔ）、Ａ_２（Ｔ）、Ａ_３（Ｔ））とした場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、トルクＴ毎の係数を係数情報として記憶しておき、係数情報からトルクＴに応じた係数を読み出すようにしてもよい。

また、本実施の形態では、回転センサ４２をホールＩＣによりロータ２の磁極を検出する毎にパルス信号するものとした場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、光を透過可能なスリットを有するコードホイールと、透過型フォトインタラプタである各回転センサとで構成された回転センサとしても良く、その他電磁式、磁気抵抗式等の各種エンコーダを採用することができる。

また、本実施の形態では、位置補完部５２が最新のロータ２の回転速度を以前に求められた回転速度と比較して回転速度の加速度を求める場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ＰＩ制御部５８により求められる電流指定値の変化や、ｑ軸ＰＩ制御部８０Ｂにより求められるｑ軸電流指定値の変化に基づいて、回転速度の加速度を求めるようにしてもよい。

その他、上記各実施の形態で説明したモータ２０の構成（図１、図２参照。）、モータ制御装置４０及びコントローラ５０の構成（図３参照。）は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能であることは言うまでもない。

また、本実施の形態で説明した補正処理（図５参照。）の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能であることは言うまでもない。

２…ロータ（磁石回転子）、５…ステータコア、６…巻線、８ａ…径方向収容孔、８ｂ…Ｖ字収容孔、８ｅ…磁石収容部、９，１０…磁石、４０…モータ制御装置、４２…回転センサ、４４…インバータ（電圧印加手段）、５０…コントローラ、５２…位置補完部（推定手段）、５４…速度検出部、５８…ＰＩ制御部（電圧制御手段）、６４Ａ，６４Ｂ…乗算部（電圧制御手段）、７０…三相二相変換部（電圧制御手段）、７４…高調波補正部、７８…加算部（補正手段）、８０Ａ…ｄ軸ＰＩ制御部（電圧制御手段）、８０Ｂ…ｑ軸ＰＩ制御部（電圧制御手段）、８２…二相三相変換部（電圧制御手段）、

Claims (9)

1. 永久磁石を含んだ磁石回転子及び複数相の巻線が巻回されるティースを備えたステータコアを含んで構成されたモータの前記複数相の巻線に順に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記電圧印加手段により前記複数相の巻線のうち少なくとも１相以上の巻線に流れる電流の電流値を検出する電流検出手段と、
   前記電圧印加手段により前記電圧が印加されて各巻線に順に電流が流れることによって発生する回転磁界により回転する前記磁石回転子の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段により検出された回転速度で前記モータに発生する周期的な振動の振動周波数を導出する導出手段と、
   前記導出手段により導出された振動周波数が所定の共振周波数である否かを判定する判定手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値未満の場合は、コギングトルクにより発生する振動が低減するように、前記磁石回転子の回転角度に応じて前記電圧を補正し、前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値以上の場合で、且つ、前記判定手段により前記振動周波数が前記共振周波数である場合は、共振を低減させるように前記電圧を補正する補正手段と、
   を備えたモータ制御装置。
2. 前記複数相の巻線に流れる電流を、励磁電流に対応するｄ軸電流とトルク発生電流に対応するｑ軸電流に分けて前記電圧を制御する電圧制御手段をさらに備え、
   前記補正手段は、前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値以上の場合で、且つ、前記判定手段により前記振動周波数が前記共振周波数である場合に、共振を低減させるようにｑ軸電流を補正する
   請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記複数相の巻線に流れる電流を、励磁電流に対応するｄ軸電流とトルク発生電流に対応するｑ軸電流に分けて前記電圧を制御する電圧制御手段をさらに備え、
   前記補正手段は、前記電流検出手段により検出された電流値が微小電流として予め定めた電流値未満の場合に、前記磁石回転子の回転角度に応じてｑ軸電流を補正する
   請求項１記載のモータ制御装置。
4. 前記補正手段は、前記磁石回転子の径方向に対するステータコアの振動を低減させるようにｄ軸電流をさらに補正する
   請求項２又は請求項３記載のモータ制御装置。
5. 前記磁石回転子は、磁極数をＰ極とした場合に、略径方向に延びる径方向収容孔と、径方向外側に凸となる略Ｖ字形状のＶ字収容孔とが、周方向に交互にそれぞれＰ／２個形成され、磁石が前記径方向収容孔内に配設されるとともに、前記Ｖ字収容孔のＶ字を形成する各直線に対応した各磁石収容部内にそれぞれ配設されている
   請求項１〜請求項４の何れか１項記載のモータ制御装置。
6. 前記回転速度検出手段は、前記磁石回転子が所定角度回転する毎に出力されるパルス信号に基づいて前記磁石回転子の回転速度を検出しており、
   前記磁石回転子の回転速度の加速度を求めて前記パルス信号が出力される間の前記磁石回転子の回転角度を推定する推定手段をさらに備えた
   請求項１〜請求項５の何れか１項記載のモータ制御装置。
7. 前記導出手段は、前記モータにトルクリップル、コギング、負荷変動の少なくとも１つにより周期的な振動が発生する周波数を前記振動周波数として導出する
   請求項１〜請求項６の何れか１項記載のモータ制御装置。
8. 前記共振周波数を、前記モータに共振が発生する周波数、前記モータが取り付けられた装置に共振が発生する周波数の少なくとも１つとした
   請求項１〜請求項７の何れか１項記載のモータ制御装置。
9. 永久磁石を含んだ磁石回転子及び複数相の巻線が巻回されるティースを備えたステータコアを含んで構成されたモータの前記複数相の巻線に順に電圧を印加して各巻線に順に電流が流れることによって発生する回転磁界により回転する前記磁石回転子の回転速度、及び前記複数相の巻線のうち少なくとも１相以上の巻線に流れる電流の電流値を検出し、
   前記電流値が微小電流として予め定めた電流値未満の場合は、コギングトルクにより発生する振動が低減するように、前記磁石回転子の回転角度に応じて前記電圧を補正し、
   前記電流値が微小電流として予め定めた電流値以上の場合は、検出された回転速度で前記モータに発生する周期的な振動の振動周波数を導出し、
   導出された振動周波数が所定の共振周波数である否かを判定し、
   判定の結果、前記振動周波数が前記共振周波数である場合、共振を低減させるように前記電圧を補正する
   モータ制御方法。

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