JP6617695B2 - 回転角度推定装置、電動機制御装置および回転角度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の回転子の回転角度の推定とこれを用いた電動機の制御に関する。

三相ブラシレスモータなどの多相モータ（電動機）の運転を制御する場合、ロータ（回転子とも呼ぶ）の回転角度を知る必要がある。最近では、電機子巻線（多相コイルとも呼ぶ）に流れる電流から回転角度を検出して各相の電流を制御する、いわゆるセンサレスのモータ制御装置が種々提案されている。例えば、下記特許文献１に記載されているように、星形（スター）結線された三相コイルの中性点電圧を利用して、ロータの回転角度を推定するものが知られている。

特開２００４−９６８８０号公報 特開２０００−１５２６８７号公報

三相の電動機を例に取ると、位相が１２０度ずつずれた交流電圧を三相コイルに印加して電動機を駆動する場合、回転子の回転角度が１２０度毎に、モータの実際の中性点電圧（以下、実中性点電圧という）と、仮想的な中性点電圧（以下、仮想中性点電圧という）との電位差（以下、中性点電位差という）は、基準値（一般には電位差０）を横切る。中性点電位差が基準値を横切ることを、アップクロスまたはダウンクロスするとも呼び、特に基準値が値０の場合をゼロクロスするとも呼ぶ。中性点電位のゼロクロスは回転子の回転に伴って繰り返し生じるから、ゼロクロスの時間間隔を知れば、回転子の回転角度を、０〜１２０度の範囲内で一意に決定することができる。

しかしながら、電動機の三相コイルに位相が１２０度ずつずれた交流ではなく、擬似的な交流電圧、例えば位相が１２０度ずつずれたパルス電圧を印加すると、中性点電位は正弦波にならず、複雑な挙動を示す場合がある。この結果、ゼロクロスを検出することによっては、回転子の回転角度を検出することができないか、回転角度の検出精度が低下する場合が見い出された。これは、三相の電動機に限らず、多相の電動機に共通の問題である。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様として実現することが可能である。

本発明の一態様として、中性点（Ｍ）を有する多相の電機子巻線（４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗ）を備えた電動機（４０）の回転子（４１）の回転角度を検出する回転角度推定装置（１００）が提供される。この回転角度推定装置は、前記電機子巻線の前記中性点と、前記電機子巻線の等価回路（６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ）として構成された仮想中性点（Ｎ）との間の電位差である中性点電位差を検出する電位差検出部（１０１）と；前記各電機子巻線の電気角のズレに対応した位相差を有するパルス電圧が前記各電機子巻線に順次印加されて前記回転子が回転している状態で、前記検出された中性点電位差と予め定めた閾値との大小が反転するクロス点を検出するクロス点検出部（１０３）と；前記クロス点が検出されたタイミングから次のクロス点が検出されるタイミングまでの間隔に基づき、前記回転子の回転角度を推定する角度推定部（１０７）と；前記回転子の回転角度の推定において、前記クロス点を前記回転角度の推定に用いない不使用範囲を設定する不使用範囲設定部（１０５）と；を備える。

かかる回転角度推定装置によれば、回転子の回転角度の推定において、クロス点を回転角度の推定に用いない不使用範囲を設定するので、電機子巻線へのパルス電圧の印加により生じ得る中性点電位差の変動によるクロス点の誤検出の可能性を低減することができる。このため、中性点電位差に基づく回転角度の検出精度の低下を抑制することができる。

本発明は、こうした回転角度推定装置を用いた電動機制御装置や、回転角度推定方法としても実施可能である。

第１〜第３実施形態に共通する回転角度推定装置の概略構成図。 中性点電位差ΔＶを用いたロータの回転角度の推定の原理を示す説明図。 インバータにより電動機のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線に印加される各バルス電圧が電気角１２０度に亘る場合を示す説明図。 インバータにより電動機のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線に印加される各バルス電圧が電気角９０度に亘る場合を示す説明図。 実施形態における回転角度推定の原理を説明する説明図。 第１実施形態における回転角度推定処理ルーチンの概要を示すフローチャート。 不使用期間設定処理ルーチンを示すフローチャート。 回転角速度演算部の具体的な構成例を示す説明図。 第２実施形態の回転角度推定処理ルーチンを示すフローチャート。 インバータの動作と相電流等との関係を例示する説明図。 第３実施形態のゼロクロス点検出処理ルーチンを示すフローチャート。 ゼロクロス点の検出にヒステリシスを持たせた様子を示す説明図。 第４実施形態に係る電動機制御装置を搭載した車両の全体構成図。 誘起電圧の基本波成分及び３次高調波成分等の推移を示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
本発明の実施形態としての回転角度推定装置１００について説明する。図１は、第１〜第３実施形態としての回転角度推定装置１００に共通する概略構成を示す説明図である。まず、複数の実施形態に共通する動作原理について説明し、その後、各実施形態の構成を説明する。なお、図１における破線Ｓｉ，Ｈｓは、第２，第３実施形態で用いる信号を示している。第１実施形態では、これらの信号は用いてもよいし用いなくてもよい。信号Ｓｉ，Ｈｓについては、第２，第３実施形態において説明する。電気角については、本明細書では、電動機の一回転を電気角２π（ラジアン表記）または３６０度（角度表記）のいずれかで表記する。説明の便宜上、表記は統一していないが、電気角としてはラジアン表記であれ、角度表記であれ、意味するところは同じである。なお、電動機の一回転と電気角の３６０度とは必ずしも一対一の関係にある訳ではない。多相コイルの配置によっては、例えば電動機の一回転が電気角の７２０度に相当する構成なども有り得る。

実施形態の回転角度推定装置１００は、電動機４０の回転子であるロータ４１の回転角度を推定する装置である。電動機４０は、永久磁石が埋め込まれたロータ４１を備えた突極モータであり、その固定子であるステータには、３相のスター（Ｙ字）結線された電機子巻線４３を備える。電機子巻線４３は、電気角で１２０度ずれたＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗから構成されている。電動機４０としては、巻線界磁型の同期機など種々のタイプを用いることができるが、いわゆる突極機であることが望ましい。

Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに対する通電制御は、インバータ５１を介して、電機子制御部５３により実施される。インバータ５１は、図示しないバッテリからの給電を受けて動作する。インバータ５１は、直列接続された二つのスイッチング素子を各相Ｕ，Ｖ，Ｗに対応して３組備える。スイッチング素子のうち、バッテリからの電源ラインＶccに接続された側を、Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐと呼ぶ。また接地ラインＥに接続された側を、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎと呼ぶ。Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐと、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎとの接続点には、バスバー等のＵ，Ｖ，Ｗ相導電部材４４Ｕ，４４Ｖ，４４Ｗを介してＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗの第１端が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗの第２端は、実中性点Ｍで接続されている。なお、各アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｎとして、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを用いればよい。また、各アームスイッチＳＵｐ〜ＳＷｎには、保護用のダイオードが逆並列に接続されている。

電動機４０のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗには、これと並列に、Ｕ，Ｖ，Ｗ相抵抗体６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗが接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相抵抗体６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの第１端は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相導電部材４４Ｕ，４４Ｖ，４４Ｗが接続され、Ｕ，Ｖ，Ｗ相抵抗体６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの第２端は、仮想中性点Ｎで接続されている。従って、インバータ５１からみれば、電動機４０の電機子巻線と、電機子巻線の等価回路として構成された抵抗体とが、並列に接続されていることになる。もとより、電機子巻線には抵抗成分のみならず、Ｌ成分が存在するから、インバータ５１によりＵ，Ｖ，Ｗの各相に電圧を印加すれば、両者に流れる電流の位相は一致せず、実中性点Ｍと仮想中性点Ｎとの電圧も一致しない。本実施形態では、この実中性点Ｍと仮想中性点Ｎとの電位差を利用して、電動機４０のロータ４１の回転角度を検出する。

実中性点Ｍの電圧ＶＭと仮想中性点Ｎの電圧ＶＮとの差である中性点電位差ΔＶは、以下の式に従うことが知られている。
ＶＭ−ＶＮ＝ΔＶ＝Ａ＋Ｂ …（１）
Ａ＝（３／２）ωＩ_m （Ｌ_g −Ｍ_g ）ｓｉｎ（３ωｔ＋β） …（２）
Ｂ＝３ωψ₃ ｓｉｎ（３ωｔ） …（３）
ここで、ωはロータ４１の回転角速度であり、Ｌ_g は電機子巻線の自己インダクタンス、Ｍ_g は同じく相互インダクタンス、Ｉ_m は相電流の振幅（大きさ）、βは印加電圧に対する相電流の位相差、ψ₃ はロータ４１における磁束の３次成分である。ｔは、時間を示す。

中性点電位差ΔＶを決定する式（１）の第１項Ａは、式（２）に示したように、相電流Ｉ_m によりその大きさが決まり、３ωｔを周期として変動する。時間ｔを用いて、回転角度θは、θ＝ωｔと表せるから、上記式（２）は、
Ａ＝（３／２）ωＩ_m （Ｌ_g −Ｍ_g ）ｓｉｎ（３θ＋β） …（２ａ）
と表すことができる。相電流Ｉ_m が流れていれば、第１項Ａが支配的であり、第２項Ｂの影響はほとんど無視することができる。従って、相電流Ｉ_m が流れている状態では、中性点電位差ΔＶから、ロータ４１の回転角度θを求めることができる。他方、相電流Ｉ_m が流れていなければ、第１項Ａは理論上は値０となるから、中性点電位差ΔＶは、第２項Ｂによる。従って、電動機４０が外部の力で回されている状態、つまり無負荷で回転している場合など、相電流Ｉ_m が流れていない状態では、第２項Ｂの関係に基づいて、回転子の位置（回転角度θ）を推定することができる。

上記の原理に基づいて、回転角度θを推定するのが、回転角度推定装置１００である。回転角度推定装置１００は、電位差検出部１０１、ゼロクロス検出部１０３、不使用範囲設定部１０５、角度推定部１０７，回転角速度演算部１０９を備える。これら各部は、実際には、マイクロプロセッサを用い、予め記憶した所定のプログラムを実行することにより実現される。回転角度推定装置１００を構成するマイクロプロセッサは、実中性点Ｍおよび仮想中性点Ｎがそれぞれ接続される二つのアナログ入力ポートを備え、このアナログ入力ポートにより、実中性点Ｍの電圧ＶＭおよび仮想中性点Ｎの電圧ＶＮを読み取り、後述する演算を行なうことで、少なくともロータ４１の回転角度を推定する。推定された回転角度は、マイクロプロセッサに設けられた出力ポートから、デジタル信号として出力される。本実施形態では、更にロータ４１の回転角速度も求める。

マイクロプロセッサにより実現される各部の働きについて説明する。電位差検出部１０１は、実中性点Ｍと仮想中性点Ｎとに接続され、実中性点Ｍの電圧ＶＭと仮想中性点Ｎの電圧ＶＮとの中性点電位差ΔＶを検出する。この中性点電位差ΔＶは、ゼロクロス検出部１０３に出力される。ゼロクロス検出部１０３は、中性点電位差ΔＶを０Ｖと比較することで、中性点電位差ΔＶが０Ｖとクロスするタイミングを検出する。ゼロクロス検出部１０３は、このとき、中性点電位差ΔＶが負電圧から正電圧に向けて増加する途中で０Ｖを横切るタイミング（アップクロス）であるか、逆に中性点電位差ΔＶが正電圧から負電圧に向けて減少する途中で０Ｖを横切るタイミング（ダウンクロス）であるかを識別可能である。

角度推定部１０７は、ゼロクロス検出部１０３により検出されたゼロクロスのタイミングを用いて、ロータ４１の回転角度の推定を行なうが、このとき、一部の範囲については、ゼロクロス検出部１０３によるゼロクロスの検出を行なわないか、あるいはゼロクロスの検出結果を用いない。この範囲（以下、マスク期間とも呼ぶ）を定めているのが、不使用範囲設定部１０５である。不使用範囲設定部１０５と角度推定部１０７との動作については、後で詳しく説明する。

回転角速度演算部１０９は、角度推定部１０７により推定されたロータ４１の回転角度θ＊を用いて、ロータ４１の回転角速度ωと回転角度θとを求める。ここで、符号「＊」は、推定される回転角度が、ロータ４１の一回転（電気角３６０度）のうちの１２０度の範囲で推定された値であることを示す。符号「＊」がない回転角度θは、種々の補正を行なって求めた回転角度であることを示す。

図２に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに、位相がそれぞれ１２０度ずれた正弦波の電圧が印加される場合をまず考える。図２は、Ｕ相４３Ｕに印加される電圧が正弦波になるような位相で描かれている。以下の説明においても同様とする。この場合、中性点電位差ΔＶは、図示するように、０〜１２０度、１２０〜２４０度、２４０〜３６０度のそれぞれで、同じ波形となる。従って、ゼロクロスのタイミングも、各期間で同様に検出される。ダウンクロスからアップクロスまでの時間をｔｂ，アップクロスからダウンクロスまでの時間をｔａとすると、０〜１２０度、１２０〜２４０度２４０〜３６０度の各周期の時間は、ｔｂ＋ｔａとなる。この周期の中での時間経過は、ロータ４１の回転角度に比例しているから、三角波を生成するアンプを設け、その出力を読み取るものとすれば、図２最下段に示したように、これを利用して、ロータ４１の回転角度を推定することができる。なお、上記例では、電動機４０の電機子巻線を３相としているので、中性点電位差ΔＶは、１２０度の範囲で繰り返すものとしたが、ｎ相（ｎは４以上の整数）であれば、２π／ｎの範囲で繰り返すことになる。

もとより、ロータ４１の回転数が増加または減少すると、一周期の時間ｔｂ＋ｔａはこれに反して連続的に減少・増加する。そこで、こうした三角波を生成するアンプとしてＰＬＬ（フェーズロックドループ）アンプを用い、ダウンクロスやアップクロスのタイミングでアンプの増幅度を調整すると、回転数の変化（タイミングの前後）に追従して増幅度が変化し、一周期（ｔｂ＋ｔａ）で、いつも同じ電圧に達する回路を構成することは容易である。この結果、ロータ４１の回転数が変動しても、ロータの電気角が１２０度変化する間の三角波の電圧の変化（増加）は同じになり、この電圧を読み取ることで回転角度を知ることができる。

以上は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加される電圧が正弦波の場合である。本実施形態では、インバータ５１における上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐおよび下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎを所定期間ターンオンすることで、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗにパルス電圧を印加している。この場合、中性点電位差ΔＶは、図２に例示したものとは異なる。以下、この点について説明する。

図３、図４に示すよう、インバータ５１により電動機４０の各Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加されるバルス電圧の電気角としての幅は、電動機４０が発生すべきトルクにより異なる。電機子制御部５３は、電動機４０に大きなトルクを発生させる場合には、例えば図３に示すように、電気角３６０度のうちの半周期（１８０度）内において、１２０度の範囲に亘って、パルス電圧を印加する。この場合、電気角のどのタイミングをとっても少なくとも二つの相に電流が流れていることが分かる。つまり上述した式（２）において、相電流Ｉ_m は、値０とはならない。

他方、電動機４０に発生させようとするトルクが小さくなって、例えば図４に示すように、バルス電圧を印加する幅が、電気角３６０度のうちの半周期（１８０度）内において、９０度となると、特定の電気角の範囲では、相電流Ｉ_m が値０となる。例えば図４において、電気角１５度から４５度の範囲、７５度から１０５度の範囲のように、
電気角α＝（３０＋６０・ｎ）±１５度 ｎは０を含む整数
では、相電流Ｉ_m が値０となっている。更に一般化すれば、印加されるパルス電圧の幅を電気角βとした場合、三相モータであれば、
電気角α＝（３０＋６０・ｎ）±（１２０−β）／２ …（４）
の範囲で相電流Ｉ_m は値０となる（但し、６０度＜β＜１２０度）。バルス電圧の幅が各相で電気角の６０度以下となると、相電流Ｉ_m は常に値０となるため、電気角６０度以下のバルス電圧は用いられない。つまり、電動機４０の各Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加されるバルス電圧の幅は、この実施形態では、６０〜１８０度の範囲で、選択可能である。

上記のように、相電流Ｉ_m が値０となる期間では、中性点電位差ΔＶは、上述した式（１）の第１項Ａは値０となり、中性点電位差ΔＶは、第２項Ｂつまり、式（３）に従う。この様子を、図５に示した。図５に示したＵ，Ｖ，Ｗ各相に印加されるパルス電圧は、それぞれ電気角９０度であり、上記の式（４）に従って、相電流Ｉ_m が値０となる期間が生じる。図５では、この期間をハッチングにより示した。このため、中性点電位差ΔＶは、図５に示したように、相電流Ｉ_m が値０となる範囲で、理想的な中性点電位差から逸脱する。

本実施形態の回転角度推定装置１００におけるゼロクロス検出部１０３、不使用範囲設定部１０５、角度推定部１０７は協働して、中性点電位差ΔＶからロータ４１の回転角度を求めるための正しいゼロクロスの検出を行なう。その基本的な原理は、図５に示したように、相電流Ｉ_m が値０となっている期間をマスク期間とし、このマスク期間におけるゼロクロスの誤検出を防止するのである。以下、この手法について、いくつかの実施形態に分けて説明する。

第１実施形態の回転角度推定装置１００が実行する回転角度推定処理ルーチンについて、図６を用いて説明する。図６に示した処理は、回転角度推定装置１００を構成するマイクロプロセッサにより、電源投入直後の初期化の処理の終了後、繰り返し実行される。回転角度推定装置１００は、まず中性点電位差ΔＶを検出する処理を行なう（ステップＳ２００）。上述したように二つのアナログ入力ポートの電圧ＶＭ，ＶＮを読み取り、その差を中性点電位差ΔＶとして検出する。この処理が、電位差検出部の下位概念に相当する。実施形態の電位差検出部１０１は、かかる処理により実現される。

続いて、現在のタイミングがどのような範囲に相当するかを判断する（ステップＳ２１０）。これは、現在のロータ４１の回転角度θが、図５に示したマスク期間に相当するか否かの判断に相当する。マスク期間は、図６に示した回転角度推定処理ルーチンとは別に所定のインターバルで実施される不使用期間設定処理ルーチン（図７）により設定される。この不使用期間設定処理ルーチンでは、電動機４０のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加されるパルス電圧のパルス幅が電気角で１２０度未満であるかを判断し（ステップＳ３００）、１２０度未満であれば、不使用範囲を設定する処理を行なう（ステップＳ３１０）。不使用範囲は、相電流Ｉ_m が値０となっている期間、即ち、上述した式（４）により求められる期間である。この範囲では、中性点電位差ΔＶがゼロクロスする可能性があるため、これを、中性点電位差ΔＶのゼロクロスの検出に使用しない不使用範囲として求める。なお、相電流Ｉ_m が０になっても直ちに中性点電位差ΔＶがゼロクロスすることはないので、不使用範囲を、式（４）で求める期間よりも、予め定めた期間または割合だけ短く設定しても良い。あるいは、余裕をみて、式（４）で求める期間よりも、予め定めた期間または割合だけ長くしても良い。

その後、不使用範囲を所定量だけシフトする処理を行なう（ステップＳ３２０）。これは中性点電位差ΔＶが相電流Ｉ_m に対して、所定の角度分、位相がずれることがあり、その位相のズレを補償するのである。上記の処理の後、「ＮＥＸＴ」に抜けて、本処理ルーチンを終了する。なお、ステップＳ３００において、電圧パルスのパルス幅が電気角で１２０度未満でなければ、相電流Ｉ_m が値０となる範囲は存在しないから、不使用範囲の設定（ステップＳ３１０）やシフト（ステップＳ３２０）を行なわず、同様に、本処理ルーチンを終了する。この処理が、不使用範囲設定部の下位概念に相当する。第１実施形態の不使用範囲設定部１０５は、かかる処理により実現される。

図６のステップＳ２１０）では、判断のタイミングが、どのようなタイミングか、即ち、上記の様に定められた不使用範囲に相当するか、不使用範囲でない範囲（「使用範囲」という）のいずれであるかの判断を行ない、使用範囲であれば、ゼロクロス点の検出処理を行なう（ステップＳ２２０）。この処理は、中性点電位差ΔＶの極性が反転したか否かの判断することにより行なわれる。具体的には、前回この処理ルーチンが実行された際に検出した中性点電位差ΔＶの極性（符号）が、負から正に、あるいは正から負に反転している場合、ゼロクロス点であると判断するのである。この処理が、クロス点検出部の下位概念に相当する。実施形態のゼロクロス検出部１０３は、かかる処理により実現される。

ステップＳ２２０によりゼロクロス点であるとの検出がなされた場合には、ＰＬＬの同期演算を行なう（ステップＳ２３０）。ＰＬＬ（Phase Locked Loop）の同期演算とは、こうした周期的に生じる事象（ここではゼロクロス）が時間と共に変化する場合、事象の発生のタイミングを元にフィードバック演算を行ない、周期的な信号の位相を同期させる位相同期処理である。本実施形態では、図２に示した回転角度推定値θ＊を読み取るための三角波の信号がゼロクロス点間で、０〜１００％となるようにフィードバック演算を行なう。こうした三角波の信号は、ハードウェアにより構成したアンプにより発生させ、その増幅度をフィードバック演算してアンプに指示するようにしても良いし、三角波に相当する信号をソフトウェアにより作り出し、その増分を演算して調整するようにしてもよい。ゼロクロス点間の時間が伸縮しても、ＰＬＬ同期演算により、図２に示した回転角度推定値θ＊の値を読み取るための信号が、ゼロクロス点間で０〜１００％となれば、この値を読み取ることにより、現在の電気角を知ることができる。なお、ＰＬＬ同期演算は必須の構成ではない。ＰＬＬ同期演算を行なわず、ゼロクロス点間の時間が増減したとき、その増減の割合に応じて、次のサイクルで検出する電気角を補正するようにしてもよい。

本実施形態では、ゼロクロス点の検出（ステップＳ２２０）とＰＬＬ同期演算（ステップＳ２３０）を行なった場合、あるいは不使用範囲であるか（ステップＳ２１０）ゼロクロス点が検出されなかった場合（ステップＳ２２０）には、上記のＰＬＬ同期演算の結果を利用して、回転角度推定値θ＊を演算する処理を行なう（ステップＳ２４０）。ロータ４１の回転角速度が変化しても、中性点電位差ΔＶがダウンクロスしてから次のダウンクロスに至るまでの間に、三角波の信号は、ＰＬＬ同期演算によって、０〜１００％に調整されている。従って、この信号の値を読み取れば、ロータ４１の現在の回転角度θ＊を推定することができる。こうして求めた回転角度推定値θ＊を出力し、（ステップＳ２５０）、その後、ステップＳ２００に戻って上述した処理を繰り返す。この処理が、角度推定部の下位概念に相当する。実施形態の角度推定部１０７は、かかる処理（ステップＳ２４０〜Ｓ２５０）により実現される。

ロータ４１の回転角度は以上の処理により推定できるが、電動機４０のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加するパルス電圧を制御するためには、ロータ４１の回転角速度ωを知る必要がある。このため、実際の回転角度推定装置１００は、図１に示したように、回転角速度演算部１０９を備える。この回転角速度演算部１０９は、角度推定部１０７と一体に構成され、上述した回転角度の推定と回転角速度の演算とを行なう。この処理について、図８を用いて簡単に説明する。

角度推定部１０７および回転角速度演算部１０９は、図８に示したように、速度演算１１１，推定位置演算１１３，推定位置補正１１５、推定３次ゼロクロス演算１１７の演算を行なう処理部を有する。これらの処理は、回転角度推定装置１００を構成するマイクロプロセッサの処理として実現されている。相電流Ｉ_m が流れていない範囲に生じるゼロクロスを除いたゼロクロスの検出結果が、ゼロクロス検出部１０３から角度推定部１０７にもたらされると、まず推定３次ゼロクロス演算１１７により演算されたゼロクロスのタイミングとの偏差が検出される。この偏差が、回転角度偏差Δθである。Δθは、それまでに求めた回転角速度ωから推定されるゼロクロスのタイミングと実際に検出されたゼロクロスのタイミングの時間的な誤差であり、ロータ４１の回転角速度の変化に基づく回転角度の偏差を表している。

そこで、速度演算１１１では、この回転角度偏差Δθから、回転角速度の増減分を求め、従前の回転角速度に加算することで、ロータ４１の現在の回転角速度ωを求め、出力する。更に、推定位置演算１１３は、この演算された回転角速度ωを用いて、ロータ４１の回転角度（位置）を推定する演算を行なう。他方、推定位置補正１１５は、回転角度偏差Δθに基づくフィードバック演算を行ない、回転角度偏差Δθを打ち消す補正量θPLL を演算する。これが上述したＰＬＬ同期演算に相当する。こうして求めた補正量θPLL を、推定位置演算１１３が推定したロータ４１の回転角度の推定値θ＊に加えることにより、回転角度θとして、これを出力する。また、この回転角度θから、推定３次ゼロクロス演算１１７が、次のゼロクロスが生じるタイミングを推定し、上述した回転角度偏差Δθの算出に用いる。なお、図８には示していないが、速度演算１１１により求めた回転角速度ωから推定位置補正マップを参照して、回転角度の補正量Δθを求め、これを推定３次ゼロクロス演算１１７に入力する回転角度の推定値θ＊に加減算して、電流による誤差を補正するようにしてもよい。

以上説明したように、図８の構成を用いて、角度推定部１０７および回転角速度演算部１０９は、回転角度θと回転角速度ωを求め、これを電機子制御部５３に出力する。電機子制御部５３は、こうして得られた回転角度θと回転角速度ωに基づいて、電動機４０のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加するパルス電圧の幅（結果的に相電流Ｉ_m ）やその位相βを制御し、電動機４０を、図示しない外部の制御装置から指示された目標制御量（目標回転数と目標トルク）に向けて駆動する。電動機４０には、電気角０度を検出するホール素子を用いた図示しないセンサが設けられており、電機子制御部５３は、このセンサからの信号を用いて、電気角０度を検出しているので、回転角度推定装置１００から得られる回転角度θが、電気角０〜１２０度、１２０〜２４０度、２４０〜３６０度の範囲での回転角度θを表したものであっても、ロータ４１の回転角度θを、電気角０〜３６０度の範囲で決定することができる。

以上説明した第１実施形態によれば、回転角度推定装置１００は、電動機４０の中性点電位差ΔＶに基づいて、電動機４０のロータ４１の回転角度を、電気角０〜１２０度、１２０〜２４０度、２４０〜３６０度の範囲で推定することができる。このとき、電動機４０のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加される電圧がパルス電圧であり、そのパルス幅が電気角で１２０度未満であると、相電流Ｉ_m が流れない期間を生じる。その場合、中性点電位差ΔＶがゼロクロスを生じることがあるが、この期間を不使用範囲として設定し、ゼロクロスの検出をマスクしているので（図６，ステップＳ２１０）、本来のゼロクロス以外のゼロクロスを検出して回転角度の推定を誤るということがない。従って、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加する電圧を正弦波などでなく、パルス電圧とする簡易な構成を採用しても、中性点電位差ΔＶに基づいて、ロータ４１の回転角度の推定を精度良く行なうことができる。

また、こうした回転角度の推定を、ロータ４１の電気角０〜３６０度での原点検出を行なうセンサの検出結果と組み合わせることで、電動機４０におけるロータ４１の回転角度を電気角０〜３６０度で一意に決定することができ、電動機４０の運転制御に利用することができる。なお、ロータ４１の電気角０〜３６０度での原点検出を行なうホール素子などのセンサに代えて、相電流Ｉ_m を検出する電流センサを設け、起動時の相電流Ｉ_m から、ロータ４１の電気角０度を一意に求める構成と組み合わせても良い。

Ｂ．第２実施形態：
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態の回転角度推定装置１００は、図１に示した第１実施形態の回転角度推定装置１００と同様のハードウェア構成を備え、マイクロプロセッサが実行する処理のみが異なる。この処理を図９Ａに示した。図９Ａに示した回転角度推定処理ルーチンは、図６とほぼ同様なので、同じ内容の処理については、同じステップ番号を付した。なお、第２実施形態では、第１実施形態で説明した不使用範囲設定処理ルーチン（図７）は用いない。

図９Ａに示した回転角度推定処理ルーチンが起動されると、中性点電位差ΔＶの検出（ステップＳ２００）を行なった後、ゼロクロス点を検出したかの判断を行なう（ステップＳ２２０）。ゼロクロス点の検出は、第１実施形態と同様である。ゼロクロス点を検出したタイミングであると判断すると、インバータ５１が停止中であるか否かの判断を行なう（ステップＳ２２５）。インバータ５１が停止中であるとは、インバータ５１における上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐおよび下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎの組合せが一組もオン状態となっていない場合を意味する。この場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗには、インバータ５１からの電流は流れない。回転角度推定装置１００は、電機子制御部５３から、インバータ５１の使用状態を示す信号Ｓｉを受け取ることにより、インバータ５１が停止中か否かを知ることができる。なお、この信号Ｓｉは、インバータ５１から直接受け取るように構成することも可能である。

インバータが停止中か否かを判断する手法について説明する。インバータ５１の使用状態を示す信号Ｓｉは、インバータ５１の各スイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐ，ＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎをオン・オフするゲート信号として受け取ることが可能である。この場合、信号Ｓｉは、インバータ５１の上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐをオンとするゲート信号と、下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎをオンとするゲート信号との組合せとして受け取ることができる。この例を図９Ｂに示した。図９Ｂは、インバータの動作と相電流等との関係を例示する説明図である。

回転角度推定装置１００は、上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐのいずれか一つがオンになっていることを示す上アーム信号Ｓｉｐと下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎのいずれか一つがオンになっていることを示す下アーム信号Ｓｉｎを受け取ることで、上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐの少なくとも一つと下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎの少なくとも一つとが、同時に導通状態となる期間と、それ以外の期間（図９Ｂの期間Ｇoff ）とを判別することができる。上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐの少なくとも一つと下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎの少なくとも一つとが、同時に導通状態となっている期間から、そうでない期間Ｇoff になると、相電流Ｉ_m は過渡的に減少し、いずれ値０となる。このとき、スイッチがオフになったことで、それまでに電動機４０の各Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに蓄えられていたエネルギが還流するため、図９Ｂ最下段に示すように、実中性点Ｍには電圧が誘起される。この結果、中性点電位差ΔＶは、一時的に乱高下し、ゼロクロスを生じる場合がある。そこで、上アーム信号Ｓｉｐと下アーム信号Ｓｉｎを検出し、上下のアーム信号Ｓｉｐ，Ｓｉｎが同時にオンになっている期間を除く期間（図９Ｂの期間Ｇoff ）を検出することで、インバータの停止期間であるか否かを判断する。

インバータ５１の停止中でなければ、つまりゼロクロス点を検出し（ステップＳ２２０：「ＹＥＳ」）、かつインバータ５１の停止中でなければ（ステップＳ２２５：「ＮＯ」）、第１実施形態と同様、ＰＬＬの同期演算の処理（ステップＳ２３０）、同期演算結果から回転角度推定値θ＊の演算処理（ステップＳ２４０）、回転角度推定値θ＊の出力処理（ステップＳ２５０）を行なう。なお、ゼロクロス点を検出しなかった場合（ステップＳ２２０：「ＮＯ」）や、インバータ５１の停止中である場合（ステップＳ２２５：「ＹＥＳ」）に、ＰＬＬ同期演算の処理を行なわない点も、第１実施形態と同様である。

上記の第２実施形態によれば、インバータ５１の動作状態を直接判断することにより、検出されたゼロクロス点を回転角度の推定に用いない範囲であるか否かの判断を行なうことができる。このため、第１実施形態と同様の作用・効果を奏する上、不使用範囲の設定を別途行なう必要がない。

Ｃ．第３実施形態：
次に第３実施形態について説明する。第３実施形態の１００は、第１，第２実施形態と同様のハードウェア構成を備え、回転角度推定装置１００を構成するマイクロプロセッサが実行する回転角度推定処理ルーチンにおけるゼロクロス点検出処理（図６、ステップＳ２２０）が異なる。この処理を図１０に示した。ゼロクロス点の選出処理を異ならせたことにより、図６に示した回転角度推定処理ルーチンにおける判断（ステップＳ２１０）は行なわない。

図１０に示した処理は、中性点電位差ΔＶの検出（ステップＳ２００）に続いて行なわれ、まずゼロクロス点を検出したか否かの判断を行なう（ステップＳ４００）。ゼロクロス点の検出は、第１，第２実施形態では、中性点電位差ΔＶの極性が反転したか否かの判断することにより行なわれたが、第３実施形態では、中性点電位差ΔＶが閾値Ｖthを横切ったか否かにより判定される。具体的には、前回この処理ルーチンが実行された際に検出した中性点電位差ΔＶが閾値Ｖth未満の状態から閾値Ｖthを越える状態になった場合をアップクロスとして検出し、中性点電位差ΔＶが閾値Ｖthを越えている状態から閾値Ｖth未満の状態になった場合をダウンクロスとして検出する。

ゼロクロス点の検出がなされたと判断した場合には（ステップＳ４００：「ＹＥＳ」）、次に、そのゼロクロス点がアップクロスかダウンクロスかを判別する。ダウンクロスであれば、閾値Ｖthに＋３ωψ3 を設定し（ステップＳ４２０）、アップクロスであれば、閾値Ｖthに−３ωψ3 を設定する（ステップＳ４３０）。ここで、ψ3 は、中性点電位差ΔＶの３次成分である。

既述したように、相電流Ｉ_m が流れていない場合の中性点電位差ΔＶは、既述した式（３）に従う。式（３）において、ｓｉｎ（３ωｔ）の最大値は＋１、最小値は−１なので、Ｂ項の最大値は、＋３ωψ3 、最小値は−３ωψ3 となる。これらの値を閾値Ｖthに設定するとによりゼロクロス点の検出には、いわゆるヒステリシスが設けられることになる。この様子を図１１に示した。図１１において、破線ＢＬは、相電流Ｉ_m が流れない期間が存在しない場合の中性点電位差ΔＶの例を、実線ＪＬは、相電流Ｉ_m が流れない期間が存在する場合の中性点電位差ΔＶの例を、それぞれ示している。相電流Ｉ_m が流れない期間が存在する場合には、相電流Ｉ_m が流れない期間（第１実施形態におけるマスク期間に相当する不使用範囲）では、中性点電位差ΔＶが０Ｖを横切る場合が生じ得ることが分かる。

本実施形態では、一旦ダウンクロスが検出されると、閾値Ｖthは、＋３ωψ3 に設定されるので、中性点電位差ΔＶが０Ｖを横切ってもアップクロスやダウンクロスとして検出されることがない。相電流Ｉ_m が流れていない期間では、中性点電位差ΔＶが±３ωψ3 の範囲外となることはないものとして扱えるから、こうすることにより、相電流Ｉ_m が流れていない期間のゼロクロスの検出を、実質的にマスクすることができる。この処理が、ゼロクロス検出部１０３に相当する。ゼロクロス検出部１０３は、回転角速度演算部１０９から３ωψ3 に相当する信号Ｈｓを受け取ることにより、閾値Ｖthにヒステリシスを付与する上記処理を実施する。

閾値Ｖthの設定（ステップＳ４２０またはＳ４３０）の後、既述したＰＬＬの同期演算を行なう（ステップＳ２３０）。その後、あるいはゼロクロス点が検出されなかった場合（ステップＳ４００：「ＮＯ」）の場合には、「ＮＥＸＴ」に抜けて本処理ルーチンを終了する。かかる処理の後、回転角度推定装置１００は、図６に示した同期演算結果から回転角度推定値θ＊を演算する処理（ステップＳ２４０）および回転角度推定値θ＊を出力する処理（ステップＳ２５０）を行なうことは、第１実施形態と同様である。

以上説明した第３実施形態によれば、ゼロクロス点の検出を行なう閾値Ｖthを０Ｖに固定するのではなく、±３ωψ3 のいずれかに設定し、ゼロクロス点の検出にいわゆるヒステリシスを持たせている。またそのヒステリシスの幅を、相電流Ｉ_m が流れていない場合に生じ得る最大幅に合わせて設定できるので、過不足のないヒステリシスとすることができる。もとより、閾値Ｖthの大きさは、±３ωψ3 より所定の幅または割合で大きくしても、あるいは小さくしてもよい。最適な閾値Ｖthの値を±３ωψ3 を基準に実験的に求めて設定するものとしても良い。この結果、第３実施形態において、第１，第２実施形態と同様、非所望のゼロクロスの検出を行なわない不使用範囲を設けることができ、ゼロクロス点の誤検出を抑制することができる。

Ｄ．第４実施形態：
次に、第４実施形態として、回転角度推定装置１００を用いた電動機制御装置５０について説明する。この電動機制御装置５０は、アシスト装置２０を備える車両に搭載されている。

車両（全体は不図示）は、車両動力源としてのエンジン１０と、アシスト装置２０と、直流電源としてのバッテリ３０と、電動機４０Ａと、電動機制御装置５０と、上位制御部７０とを備えている。エンジン１０は、図示しない燃料噴射弁等を備え、燃料噴射弁から噴射されたガソリンや軽油等の燃料の燃焼により動力を発生する。発生した動力は、エンジン１０の出力軸１２から出力され、図示しない車輪の駆動に用いられる。エンジン１０の制御を行なうＥＣＵなどについては、ここでは説明を省略する。上位制御部７０は、こうした他のＥＣＵなどから、運転指示ＳＣを受け取り、この運転指示ＳＣに基づいて、アシスト装置２０か必要とする電動機４０Ａの回転数やトルクの目標値を、電動機制御装置５０に指示する。

アシスト装置２０は、エンジン１０の出力軸１２に対して電動機４０Ａの動力を付加する機構である。アシスト装置２０は、無端ベルト２２により電動機４０Ａと結合された第１プーリ２４を備える。この第１プーリ２４の回転は、ワンウェイクラッチや遊星歯車機構などを介して、出力軸１２の回転をアシストするのに用いられる。電動機４０Ａは、出力軸１２により回転されれば発電機としても利用でき、回生した電力によりバッテリ３０を充電することもできるが、発電機としての利用については、その説明を省略する。もとより、発電機（オルタネータ）を別途設けることも差し支えない。また、電動機４０Ａは、エンジン１０を起動するスタータとしても用いることができるが、本実施形態では、エンジン１０を起動するスタータモータ（図示省略）は別途設けられている。スタータなどを用いるか否かにかかわらず、こうしたスタータ及びオルタネータの機能を統合したアシスト装置２０としての構成を、ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）と呼ぶことがある。

電動機４０Ａは、第１〜第３実施形態で用いたものとは、ロータ４１ａが、永久磁石に代えて、界磁巻線４２を備える点で相違する。ロータ４１ａの回転軸２５には、第２プーリ２６が取り付けられており、アシスト装置２０の第１プーリ２４と、無端ベルト２２によって接続されている。電動機４０Ａが運転されると、ロータ４１ａの回転は、回転軸２５，第２プーリ２６，無端ベルト２２，第１プーリ２４を経て、アシスト装置２０に伝えられ、出力軸１２の回転、または回転のアシストに用いられる。ロータ４１ａの界磁巻線４２は、界磁制御部４５に、図示しないブラシを介して接続されている。界磁制御部４５は、バッテリ３０を電力供給源として、界磁巻線４２に流れる界磁電流をその目標値に制御し、電動機４０Ａの運転に必要な界磁を発生する。もとより永久磁石を備えたロータにより電動機４０Ａを構成することも差し支えない。

また、電動機４０Ａは、第１〜第３実施形態の電動機４０と同様に、ステータを備えており、ステータには、電気角で１２０度ずれたＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗが設けられている。このＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに対する通電制御は、電動機制御装置５０により行なわれる。電動機制御装置５０は、第１〜第３実施形態で説明したインバータ５１、電機子制御部５３、回転角度推定装置１００の他、角度確定部５２、原点検出部５４を備える。インバータ５１、電機子制御部５３、回転角度推定装置１００については、第１〜第３実施形態で説明したので、その詳細な説明は省略する。

第４実施形態における電動機制御装置５０は、回転角度推定装置１００と並列に、原点検出部５４を備える。原点検出部５４には、電動機４０Ａの仮想中性点Ｎの電圧ＶＮと、界磁制御部４５からの信号が入力されている。原点検出部５４は、仮想中性点Ｎの電圧ＶＮと、界磁制御部４５からの信号とを用いて、インバータ５１により駆動されているのではない状態での電動機４０Ａのロータ４１ａの電気角の基準位置（θ１＝０）を検出する。この手法については、後で詳しく説明する。なお、第４実施形態では、符号「＊」がない回転角度θは、電気角３６０度において求められた回転角度であることを示す。

電動機制御装置５０は、原点検出部５４が検出したロータ４１の基準位置と、既述した回転角度推定装置１００が推定したロータ４１の回転角度θ＊とに基づいて、角度確定部５２により、回転角度θｅを確定し、これを電機子制御部５３に出力する。この実施形態では、ロータ４１の回転角速度ωは、回転角度θｅに基づいて、電機子制御部５３により演算される。電機子制御部５３は、回転角速度ωを求め、内蔵している指令部５３ａに出力する。指令部５３ａは、電動機４０ＡのＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに流すべき相電流Ｉ_m を求め、またこの相電流Ｉ_m を流すためにＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに印加するパルス電圧の位相β＊を求め、インバータ５１に指示する。

原点検出部５４について説明する。原点検出部５４は、フィルタ５４ａ、コンパレータ５４ｂ及び非通電時検出部５４ｃを備えている。フィルタ５４ａは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗにインバータ５１により駆動されていない期間における仮想中性点Ｎの電圧ＶＮを検出し、検出した仮想中性点Ｎの電圧ＶＮから、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の誘起電圧ＥＵ，ＥＶ，ＥＷの基本波成分を抽出する。誘起電圧ＥＵ，ＥＶ，ＥＷの基本波成分は、図１３の欄（ａ）に示すように、電動機４０Ａの１電気角周期と同じ周期で変動する。本実施形態では、誘起電圧ＥＵ，ＥＶ，ＥＷの基本波成分が０を中心に変動する。図１３の欄（ａ）は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のうちいずれか１つについての誘起電圧を示している。フィルタ５４ａは、仮想中性点Ｎの電圧ＶＮに含まれる基本波成分のみを抽出するために設けた。フィルタ５４ａとしては、ローパスフィルタ又はバンドパスフィルタを用いればよい。

コンパレータ５４ｂは、フィルタ５４ａにより抽出された誘起電圧の基本波成分が、基準値としての０よりも大きいか小さいかによって出力信号の論理を反転させる。本実施形態では、誘起電圧の基本波成分が０よりも大きい場合に出力信号の論理がＨとされ、誘起電圧の基本波成分が０よりも小さい場合に出力信号の論理がＬとされる。従って、コンパレータ５４ｂの出力信号の論理は、電気角１８０度毎に反転する。論理がＬからＨに反転するところをアップクロス、論理がＨからＬに反転するところをダウンクロスと呼ぶ。

非通電時検出部５４ｃは、コンパレータ５４ｂの出力信号の論理がＬからＨに反転するタイミングを、図１３の欄（ｂ）に示すように、基準タイミングｔ１とする。非通電時検出部５４ｃは、この基準タイミングｔ１における電気角θ１を、ロータ４１の基準回転位置である０度とする。非通電時検出部５４ｃは、基準タイミングｔ１からの経過時間と、電気角速度ωｅとに基づいて、カウンタをカウントアップすることにより、電気角θ１を推定する。非通電時検出部５４ｃは、コンパレータ５４ｂの出力信号の論理が再度ＬからＨに反転したと判定した場合、電気角θ１を０度にリセットする。非通電時検出部５４ｃは、現在のタイミングが電気角θ１＝０度となるタイミングである旨の情報を角度確定部５２に出力する。

上記の処理により、原点検出部５４は、電動機４０Ａがインバータ５１により駆動されてはいない状態、換言すれば、エンジン１０による出力軸１２の回転により回転されている状態での電動機４０Ａの基準回転位置（θ１＝０度）を検出する。原点検出部５４は、電動機４０Ａの基準位置を検出したとき、基準位置検出信号を、角度確定部５２に出力する。

角度確定部５２には、上述した原点検出部５４からの基準位置検出信号と共に、回転角度推定装置１００からの信号も入力されている。本実施形態において、回転角度推定装置１００は、電動機４０Ａがインバータ５１により駆動されている場合のロータ４１ａの回転角度（電気角）の推定値θ＊を出力する。回転角度推定装置１００の動作については、第１〜第３実施形態として詳しく説明した。本実施形態の電動機制御装置５０は、第１〜第３実施形態の回転角度推定装置１００のいずれかを備える。回転角度推定装置１００は、既に説明したように、ロータ４１ａの回転角度を電気角の０〜１２０度、１２０〜２４０度、２４０〜３６０度の範囲で推定することができる。この推定の様子を、図１３の（ｃ）欄に示した。

角度確定部５２は、原点検出部５４から出力された電気角θ１が０度となるタイミングを示す基準位置検出信号と、回転角度推定装置１００から出力された推定値θ＊とに基づいて、ロータ４１ａの回転角度θｅを決定する。

電動機制御装置５０の角度確定部５２は、電動機４０Ａが、エンジン１０によって回転されている間に、原点検出部５４により、その基準位置（θ１＝０度）を検出する。そして、インバータ５１により電動機４０Ａが駆動されるようになると、回転角度推定装置１００が推定したロータ４１ａの回転角度の推定値θ＊を、原点検出部５４が検出した基準位置を元に拡張し、図１３（ｃ）に示すように、ロータ４１ａの回転角度θｅを決定する。インバータ５１によるＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗへの通電が開始されると、誘起電圧の基本波成分を用いた回転角度の検出はできなくなるので、その後は、回転角度推定装置１００を用いた回転角度の推定値θ＊を用いるのである。インバータ５１による通電が開始されると、原点検出部５４による電気角０度の検出はできなくなるが、回転角度推定装置１００による回転角度の推定値θ＊は、繰り返し入力されるので、一旦電気角０度が検出されていれば、その後、ロータ４１ａの回転角度θｅを定めることは可能である。

以上説明した第４実施形態によれば、ロータ４１ａの原点検出を行なうホール素子などのセンサを用いない、いわゆるセンサレスの構成を採用しながら、電動機４０Ａのロータ４１ａの回転角度θｅを、電気角０〜３６０度の範囲で一意に確定することができる。この結果、この回転角度θｅを用いて、インバータ５１を駆動し、電動機４０Ａを上位制御部７０が指示する回転数やトルクで駆動することができる。この実施形態では、電動機４０ＡのＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに流れる電流をパルス電圧の印加により制御しており、インバータ５１を用いた電動機４０Ａの制御を簡易に行なうことができる。しかも、こうしたパルス電圧による駆動にもかかわらず、ゼロクロス点の誤検出の発生を防止もしくは抑制することができる。

上記第４実施形態では、電動機４０Ａがインバータ５１により駆動されていない状態でＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに誘起される電圧を利用して、原点検出部５４によりロータ４１ａの基準位置を検出したが、この構成に代えて、ホール素子などを用いた基準位置検出センサを用いても良い。あるいは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗのうちの１相または２相に流れる相電流を検出して、相電流から基準位置を検出するものとしても良い。この他、電動機４０Ａ、界磁制御部４５や電動機制御装置５０の少なくとも一つと、一体化されていてもよい。界磁制御部４５は、上位制御部７０ではなく、電動機制御装置５０により制御されるものとしても良い。

Ｅ．その他の構成例：
上記実施形態の他、本発明は種々の構成をとることができる。例えば、３相の電動機ではなく、中性点が存在する星形結線の電動機であれば、４相以上の電動機に適用することも可能である。また、車両以外の機器に用いる電動機の回転子の回転角度を検出する装置としてもよい。更に、回転角度を推定した上で、回転角速度や回転数を求める装置としても、実現可能である。

この回転角度推定装置での回転子であるロータの回転角度の推定において、クロス点を回転角度の推定に用いない不使用範囲を設定する場合、不使用範囲を、パルス電圧の印加により電動機が駆動されている場合であって、電動機の電機子巻線に電流が流れていない期間として設定するものとしてよい。こうすることで、不使用範囲を容易に設定することができる。また、不使用範囲は、推定している回転子の回転角度に合わせて予め設定しても良いし、回転周期からもとめた所定の時間（タイミング）として設定しても良い。回転角度推定装置１００が行なう演算上、適切な手法を採用すれば良い。不使用範囲として設定する期間を、回転子の回転角度に合わせて決定するとき、その期間を、所定角度だけ進角または遅角させても良い。こうすることで、より適切は不使用範囲を実現することができる。

不使用範囲は、各電機子巻線の電気角のズレに対応した位相差を有するパルス電圧が各電機子巻線に順次印加されて回転子が回転している状態で、検出された中性点電位差と予め定めた閾値との大小が反転するクロス点の検出を行なわせない範囲として用いても良いし、クロス点の検出を行なった上で、検出したクロス点を、回転角度の推定に用いない範囲として利用しても良い。前者の場合は、クロス点の検出自体を行なわないで済むという利点があり、後者の場合はクロス点の検出の仕組み自体は変更しないので、クロス点の検出を誤ると言う可能性を低減できる。回転角度推定装置１００の構成全体の得失を評価して、いずれかの構成を用いれば良い。

クロス点を検出する際に用いる閾値は、電機子巻線のいずれにも電流が流れていない期間に電機子巻線に誘起される電圧に対応した値としても良い。回転子の回転角度の推定にとって非所望のクロス点は、電機子巻線のいずれにも電流が流れていない期間に生じる。このため、クロス点の検出に用いる閾値を、この期間に電機子巻線に誘起される電圧に応じて定めれば、非所望なクロス点の検出を抑制することができる。この場合、閾値に、所定の幅のヒステリシスを設けるものとしてもよい。ヒステリシスを設けることで不使用範囲を設定すれば、電機子巻線のいずれにも電流が流れていない期間に電機子巻線に誘起される電圧により中性点電位差がばらついても、非所望のクロス点の検出を一層確実に抑制できる。

こうしたヒステリシスの幅は、予め一定の大きさとして与えても良いし、電機子巻線に生じる誘起起電圧の少なくとも三次成分に基づいて設定してもよい。あるいは、電機子巻線に生じる誘起起電圧の少なくとも三次成分および回転子の回転角速度に基づいて設定してもよい。あるいは、シミュレーションや実験的な方法で、ヒステリシスの幅を適切な値に定めることも可能である。

回転角度推定装置１００において、回転子が、電気角の０〜２πの間の所定の回転位置にあることを検出し、検出された所定の回転位置とクロス点間において推定された回転子の回転角度とに基づいて、回転子の回転角度を、電気角の０〜２πの間で確定するものとしてもよ。こうすれば、回転子の回転角度を、電気角の０〜２πの間で推定することができる。もとより、回転子が、電気角の０〜２πの間の所定の回転位置にあることを検出する構成を持たず、電機子巻線の一相分の範囲で回転角度を推定するものとしてもよい。例えば３相電動機の場合、回転子の回転角度を、ｎを０以上の整数として、電気角の２ｎπ／３〜２（ｎ＋１）π／３の範囲で推定するものとしても良い。

本発明は、第４実施形態として示したように、中性点を有する多相の電機子巻線と回転子とを備えた電動機の駆動装置として実施可能であ。こうした電動機駆動装置は、回転子を回転するために、多相の電機子巻線の各々に位相のずれたパルス電圧を印加するパルス電圧印加装置と、上述した各回転角度推定装置のいずれか一つと、回転角度推定装置によって推定された回転子の回転角度から求めた回転子の回転角速度に基づいてパルス電圧印加装置を制御して、電動機の回転を制御する制御装置とを備えればよい。

本発明は、中性点を有する多相の電機子巻線を備えた電動機の回転子の回転推定を検出する回転角度推定方法としても実施可能である。こうした回転角度推定方法は、多相の電機子巻線の各々に位相のずれたパルス電圧を印加することで前記回転子を回転し、電機子巻線の中性点と、電機子巻線の等価回路として構成された仮想中性点との間の電位差である中性点電位差を逐次検出し、各電機子巻線の電気角のズレに対応した位相差を有するパルス電圧が各電機子巻線に順次印加されて回転子が回転している状態で、検出された中性点電位差と予め定めた閾値との大小が反転するクロス点を検出し、クロス点が検出されたタイミングから次のクロス点が検出されるタイミングまでの時間差に基づき、回転子の回転角度を推定し、回転子の回転角度の推定において、クロス点を回転角度の推定に用いない不使用範囲を設定するものとすればよい。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本明細書に記載した課題の少なくとも一部を解決するものであれば、種々なる態様で実施可能である。例えばハードウェアにより実施されている構成の一部または全部は、ソフトウェアによっても実現可能である。あるいは、本発明は、回転角度推定装置の制御方法、回転角度推定装置の制御装置、回転角度推定装置の製造方法などとしても実施可能である。

１０ エンジン、２０ アシスト装置、３０ バッテリ、４０ 電動機
４０Ａ 電動機、４１ ロータ、４１ａ ロータ、４２ 界磁巻線
４３ 電機子巻線、４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗ Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相巻線
４５ 界磁制御部、５０ 電動機制御装置、５１ インバータ
５２ 角度確定部、５３ 電機子制御部、５４ 原点検出部
６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相抵抗体、７０ 上位制御部
１００ 回転角度推定装置、１０１ 電位差検出部
１０３ ゼロクロス検出部、１０５ 不使用範囲設定部
１０７ 角度推定部、１０９ 回転角速度演算部、１１１ 速度演算
１１３ 推定位置演算、１１５ 推定位置補正
１１７ 推定３次ゼロクロス演算

Claims (13)

1. 中性点（Ｍ）を有する多相の電機子巻線（４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗ）を備えた電動機（４０）の回転子（４１）の回転角度を検出する回転角度推定装置（１００）であって、
   前記電機子巻線の前記中性点と、前記電機子巻線の等価回路（６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ）として構成された仮想中性点（Ｎ）との間の電位差である中性点電位差を検出する電位差検出部（１０１）と、
   前記各電機子巻線の電気角のズレに対応した位相差を有するパルス電圧が前記各電機子巻線に順次印加されて前記回転子が回転している状態で、前記検出された中性点電位差と予め定めた閾値との大小が反転するクロス点を検出するクロス点検出部（１０３）と、
   前記クロス点が検出されたタイミングから次のクロス点が検出されるタイミングまでの間隔に基づき、前記回転子の回転角度を推定する角度推定部（１０７）と、
   前記回転子の回転角度の推定において、前記クロス点を前記回転角度の推定に用いない不使用範囲を設定する不使用範囲設定部（１０５）と
   を備える回転角度推定装置。
2. 請求項１記載の回転角度推定装置であって、
   前記不使用範囲設定部は、前記不使用範囲を、前記パルス電圧の印加により前記電動機が駆動されている場合であって、前記電機子巻線に電流が流れていない期間として設定する回転角度推定装置。
3. 請求項２記載の回転角度推定装置であって、
   前記電機子巻線に前記パルス電圧を印加するために設けられ正側および負側のスイッチのペアを前記電動機の相数に応じて設けたインバータ（５１）において前記正側のスイッチ（ＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐ）の少なくとも一つと前記負側のスイッチ（ＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎ）の少なくとも一つとが、同時に導通状態となる期間以外の期間を、前記不使用範囲として設定する回転角度推定装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の回転角度推定装置であって、
   前記不使用範囲設定部は、前記不使用範囲として設定する前記期間を、所定角度だけ進角または遅角させる回転角度推定装置。
5. 前記クロス点検出部は、前記設定された不使用範囲において、前記クロス点の検出を行なわない請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転角度推定装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の回転角度推定装置であって、
   前記クロス点を検出する際に用いる前記閾値は、前記電機子巻線のいずれにも電流が流れていない期間に前記電機子巻線に誘起される電圧に対応した値である回転角度推定装置。
7. 請求項６記載の回転角度推定装置であって、
   前記不使用範囲設定部は、前記クロス点検出部が前記クロス点を検出する際に前記中性点電位差と比較する閾値に、所定の幅のヒステリシスを設けることで、前記不使用範囲を設定する回転角度推定装置。
8. 前記ヒステリシスの所定の幅は、前記電機子巻線に生じる誘起起電圧の少なくとも３次成分に基づいて設定される請求項７記載の回転角度推定装置。
9. 前記ヒステリシスの所定の幅は、前記電機子巻線に生じる誘起起電圧の少なくとも３次成分および前記回転子の回転角速度に基づいて設定される請求項７記載の回転角度推定装置。
10. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転角度推定装置であって、
    前記角度推定部は、前記設定された不使用範囲において、前記クロス点検出部が検出したクロス点を、前記回転角度の推定に用いない回転角度推定装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の回転角度推定装置であって、
    前記回転子が、電気角の０〜２πの間の所定の回転位置にあることを検出する原点検出部（５４）と、
    前記検出された所定の回転位置と前記クロス点間において推定された前記回転子の回転角度とに基づいて、前記回転子の回転角度を、電気角の０〜２πの間で確定する角度確定部（５２）と
    を備えた回転角度推定装置。
12. 電動機（４０Ａ）を駆動する電動機駆動装置（５０）であって、
    中性点を有する多相の電機子巻線（４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗ）と回転子（４１ａ）とを備えた電動機と、
    前記回転子を回転するために、前記多相の電機子巻線の各々に位相のずれたパルス電圧を印加するパルス電圧印加装置（５１）と、
    前記回転子の回転角度を推定する回転角度推定装置（１００）と、
    前記回転角度推定装置によって推定された前記回転子の回転角度から求めた前記回転子の回転角速度に基づいて前記パルス電圧印加装置を制御して、前記電動機の回転を制御する制御装置（５３）と
    を備え、
    前記回転角度推定装置は、
    前記電機子巻線の前記中性点と、前記電機子巻線の等価回路（６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ）として構成された仮想中性点（Ｎ）との間の電位差である中性点電位差を検出する電位差検出部（１０１）と、
    前記各電機子巻線の電気角のズレに対応した位相差を有するパルス電圧が前記各電機子巻線に順次印加されて前記回転子が回転している状態で、前記検出された中性点電位差と予め定めた閾値との大小が反転するクロス点を検出するクロス点検出部（１０３）と、
    前記クロス点が検出されたタイミングから次のクロス点が検出されるタイミングまでの間隔に基づき、前記回転子の回転角度を推定する角度推定部（１０７）と、
    前記回転子の回転角度の推定において、前記クロス点を前記回転角度の推定に用いない不使用範囲を設定する不使用範囲設定部（１０５）と
    を備えた電動機駆動装置。
13. 中性点を有する多相の電機子巻線を備えた電動機の回転子の回転角度を推定する回転角度推定方法であって、
    前記多相の電機子巻線の各々に位相のずれたパルス電圧を印加することで前記回転子を回転し、
    前記電機子巻線の前記中性点と、前記電機子巻線の等価回路として構成された仮想中性点との間の電位差である中性点電位差を逐次検出し（ステップＳ２００）、
    前記各電機子巻線の電気角のズレに対応した位相差を有するパルス電圧が前記各電機子巻線に順次印加されて前記回転子が回転している状態で、前記検出された中性点電位差と予め定めた閾値との大小が反転するクロス点を検出し（ステップＳ２２０）、
    前記クロス点が検出されたタイミングから次のクロス点が検出されるタイミングまでの間隔に基づき、前記回転子の回転角度を推定し（ステップＳ２４０）、
    前記回転子の回転角度の推定において、前記クロス点を前記回転角度の推定に用いない不使用範囲を設定する（ステップＳ３１０）
    回転角度推定方法。

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