JP2018007390A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータのセンサレス制御を行うモータ制御装置において、モータが空転状態から起動する際に、不要なトルク変動が生じたりモータに過大な電流が流れたりすることなく、前記モータのセンサレス制御を行うことができる構成を得る。
【解決手段】モータ制御装置１は、モータ３の磁極位相を推定するとともに、該磁極位相を用いて位置検出信号を生成するセンサレス制御回路１０と、駆動信号を生成する駆動信号生成部２０と、ゲート回路４に対して、モータ３が空転状態で起動する際にはゼロ電圧ベクトル駆動信号を、それ以外のモータ運転時には前記駆動信号を、それぞれ出力する切替回路５０と、前記モータ起動時に、ゼロ電圧ベクトルで制御されたモータ３の出力に基づいて、モータ３の起動時磁極位相を推定して出力する起動時磁極位相推定部４０とを備える。センサレス制御回路１０は、前記モータ起動時には、前記起動時磁極位相を、前記磁極位相とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動源に対して回転可能に接続されたモータを、該モータの推定された磁極位相を用いてスイッチング回路をスイッチング動作させることにより、駆動制御するモータ制御装置に関する。

従来より、モータの推定された磁極位相を用いてスイッチング回路をスイッチング動作させることにより、前記モータの駆動を制御するモータ制御装置が知られている。このようなモータ制御装置として、例えば特許文献１には、モータの制御電圧及び電流情報からＰＭモータの磁極位置を推定する磁極位置推定演算部を有し、モータの磁極位置を検出することなく該モータの駆動制御を行う、いわゆるセンサレス制御を行う構成が開示されている。

また、特許文献１に開示されている構成では、ＰＭモータの空転状態から再始動する際に、該ＰＭモータに対してゼロ電流指令を行うとともに、ゼロ電流指令制御時に磁極位相推定を行う第２の磁極位置推定演算部を有する。さらに、特許文献１には、ＰＭモータの通常運転時には、ＰＭモータの出力電流を電流指令に対してフィードバックするとともに磁極位置推定演算部によってＰＭモータの磁極位置を推定し、ゼロ電流指令制御の際には第２の磁極位置推定演算部によってＰＭモータの磁極位置を推定する構成が開示されている。

特開２００４−４０８３７号公報

ところで、上述の特許文献１に開示されている構成では、モータを空転状態から再始動する際には、該モータに対してゼロ電流指令を行って磁極位置（磁極位相）を推定し、通常運転時にはモータの出力電流を電流指令にフィードバックした状態で磁極位置を推定する。このように、モータをゼロ電流状態で制御した後、モータの出力電流のフィードバック制御を行うと、推定される磁極位相が収束するまでに時間を必要とする。そのため、モータの出力電流の波形が乱れる。

上述のように、推定する磁極位相の値が収束するまで、すなわち実際のモータの磁極位相を推定するまでに時間がかかると、モータに不要なトルクが発生してシステム全体が不安定になったり、モータに過大な電流が流れてシステムが異常として検出したりする可能性がある。

本発明の目的は、モータのセンサレス制御を行うモータ制御装置において、モータが空転状態から起動する際に、不要なトルク変動が生じたりモータに過大な電流が流れたりすることなく、前記モータのセンサレス制御を行うことができる構成を得ることにある。

本発明の一実施形態に係るモータ制御装置は、駆動源に対して該駆動源とともに回転可能に接続されたモータを、該モータの推定された磁極位相を用いてスイッチング回路にスイッチング動作を行わせることにより駆動制御するモータ制御装置である。このモータ制御装置は、前記モータの出力を用いて前記磁極位相を推定するとともに、前記スイッチング回路の駆動信号を生成するために、前記磁極位相を用いて求めた位置検出信号を出力する磁極位相推定部と、指令値、前記モータの出力、及び前記位置検出信号を用いて、前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、前記モータが前記駆動源によって無通電状態で回転している状態で前記モータに通電を行うモータ起動時に、前記モータに対してゼロ電圧ベクトルを出力するように前記スイッチング回路にスイッチング動作させるゼロ電圧ベクトル駆動信号を生成するゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部と、前記モータ起動時には、前記ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部から前記ゼロ電圧ベクトル駆動信号を前記スイッチング回路に対して出力する一方、それ以外のモータ運転時には、前記駆動信号生成部で生成された前記駆動信号を前記スイッチング回路に対して出力する出力切替部と、前記モータ起動時に、ゼロ電圧ベクトルで制御された前記モータの出力に基づいて、前記モータの起動時における起動時磁極位相を推定して出力する起動時磁極位相推定部とを備える。前記磁極位相推定部は、前記モータ起動時には、前記起動時磁極位相推定部から出力された前記起動時磁極位相を、前記磁極位相とする（第１の構成）。

以上の構成により、モータの磁極位相を該モータの出力（出力電流または出力電圧）から推定する、いわゆるセンサレス制御を行うモータ制御装置において、モータが駆動源によって空転していて通電していない状態（無通電状態で回転している状態）で、モータに通電を行って起動する際に、モータの起動時の磁極位相を迅速に且つ精度よく推定することができる。すなわち、モータが空転している状態から該モータを起動する際に、前記モータをゼロ電圧ベクトルで制御して、そのときのモータの出力から磁極位相を推定することにより、モータの起動時磁極位相を迅速に且つ精度良く推定することができる。

これにより、モータが空転状態から起動する際に、不要なトルク変動が生じたりモータに過大な電流が流れたりすることなく、前記モータのセンサレス制御を行うことができる。

前記第１の構成において、前記磁極位相推定部は、前記モータの起動後の所定期間では、前記起動時磁極位相と前記磁極位相とを用いて、前記位置検出信号を求める（第２の構成）。

これにより、モータの起動後の所定期間では、磁極位相推定部は、起動時磁極位相推定部から出力された起動時磁極位相だけでなく、磁極位相推定部でモータの出力を用いて推定された磁極位相も考慮して、位置検出信号を求める。よって、モータの起動後の所定期間において、駆動信号生成部で用いる位置検出信号が、起動時磁極位相からセンサレス制御における磁極位相に急激に切り替わることを防止できる。したがって、前記所定期間において、モータのトルク変動や該モータに流れる電流の変動を抑制することができる。

前記第２の構成において、前記磁極位相推定部は、前記所定期間において、時間の経過とともに、前記位置検出信号における前記起動時磁極位相の重みを減らす一方、前記位置検出信号における前記磁極位相の重みを増やすことにより、前記位置検出信号を求める（第３の構成）。

これにより、モータの起動後の所定期間において、駆動信号生成部で用いる位置検出信号が大きく変化することをより確実に防止できる。すなわち、前記所定期間において、時間の経過とともに、前記位置検出信号における起動時磁極位相の重み（割合）は減る一方、前記位置検出信号において磁極位相推定部で推定する磁極位相の重み（割合）は増えるため、前記位置検出信号を前記起動時磁極位相から前記磁極位相に徐々に変えることができる。これにより、前記所定期間で、モータのトルク変動や該モータに流れる電流の変動をより確実に抑制することができる。

前記第１から第３の構成のうちいずれか一つの構成において、前記起動時磁極位相推定部は、前記モータの出力としての複数の相の電流または電圧を用いて、ゼロクロス点から前記起動時磁極位相を推定する（第４の構成）。

これにより、起動時磁極位相推定部で、起動時磁極位相を迅速且つ精度よく推定することができる。すなわち、起動時磁極位相推定部では、モータから出力される複数の相の電流または電圧のゼロクロス点を検出することにより、１相の電流または電圧のゼロクロス点を検出する場合に比べて、モータの起動時磁極位相を迅速に推定できるとともに、該起動時磁極位相を精度良く推定できる。

前記第１から第４の構成のうちいずれか一つの構成において、前記磁極位相推定部及び前記起動時磁極位相推定部は、それぞれ、前記モータの出力としての電流を用いて、前記磁極位相及び前記起動時磁極位相を推定する（第５の構成）。

これにより、電流指令及びモータの出力電流に基づいて電流制御を行うモータ制御装置において、追加のセンサ等を必要とすることなく、上述の第１から第４の構成を実現することができる。よって、低コストで簡単な構成によって、上述の第１から第４の構成を実現できる。

本発明の一実施形態に係るモータ制御装置によれば、モータを空転状態で起動する際に、スイッチング回路からゼロ電圧ベクトルが出力されたモータの出力を用いて、起動時磁極位相を推定する。この起動時磁極位相を用いて駆動信号を生成し、スイッチング回路に出力する。これにより、モータを空転状態で起動した際のモータの起動時磁極位相を迅速に且つ精度よく推定することができる。したがって、モータを空転状態で起動した際に、トルク変動やモータに流れる電流の変動を抑制しつつ、モータのセンサレス制御を行うことができる。

図１は、実施形態に係るモータ制御装置の概略構成を示す制御ブロック図である。 図２は、ゲート回路の概略構成を示す回路図である。 図３は、ゼロ電圧ベクトルでモータを制御した場合のＵ相の等価回路を示す図である。 図４は、ゼロ電圧ベクトルで制御されたモータに生じる誘起電圧及び還流電流と、モータの磁極位相との関係を示す図である。 図５は、モータ制御装置において、モータを空転状態で起動させた際の制御を示すフローである。 図６は、モータを空転状態で起動させた際に従来の制御を適用した場合において、（ａ）モータの推定速度の変化、（ｂ）モータの出力トルクの変化の一例を示す図である。 図７は、モータを空転状態で起動させた際に本実施形態の制御を適用した場合において、（ａ）モータの推定速度の変化、（ｂ）モータの出力トルクの変化の一例を示す図である。 図８は、位置検出信号において、起動時磁極位相及び推定された磁極位相の各割合を時間とともに変化させた場合を、説明のために模式的に示した図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施形態に係るモータ制御装置１の概略構成を示すブロック図である。このモータ制御装置１は、エンジンなどの駆動源２に対して回転可能に接続されたモータ３を駆動制御するための駆動信号を生成するとともに、該駆動信号を、モータ３を駆動させるゲート回路４に入力する。本実施形態では、モータ３に磁極位相を検出するためのレゾルバやロータリーエンコーダなどの位置センサが設けられていない。そのため、モータ制御装置１は、モータ３の出力（電流や電圧）からモータ３の磁極位相を推定する、いわゆるセンサレス制御を行う。なお、モータ３は、三相交流モータである。

図２に、ゲート回路４の概略構成を示す。ゲート回路４は、三相交流モータであるモータ３を駆動させるように、３相のブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子６１，６２，７１，７２，８１，８２を備えたスイッチング回路である。具体的には、ゲート回路４は、モータ３のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相にそれぞれ接続されたスイッチングアーム６０，７０，８０を有する。スイッチングアーム６０では、一対のスイッチング素子６１，６２が直列に接続されている。同様に、スイッチングアーム７０では、一対のスイッチング素子７１，７２が直列に接続されている。同様に、スイッチングアーム８０では、一対のスイッチング素子８１，８２が直列に接続されている。

なお、スイッチングアーム６０，７０，８０における一方のスイッチング素子６１，７１，８１が、それぞれ、スイッチングアーム６０，７０，８０の上アームに対応する。スイッチングアーム６０，７０，８０における他方のスイッチング素子６２，７２，８２が、それぞれ、スイッチングアーム６０，７０，８０の下アームに対応する。

本実施形態において、スイッチング素子６１，６２，７１，７２，８１，８２は、例えばＩＧＢＴが用いられる。なお、スイッチング素子６１，６２，７１，７２，８１，８２は、ＭＯＳＦＥＴなどの他のスイッチングデバイスであってもよい。

スイッチング素子６１，６２，７１，７２，８１，８２には、それぞれ、ダイオード６１ａ，６２ａ，７１ａ，７２ａ，８１ａ，８２ａが並列に設けられている。ダイオード６１ａ，６２ａ，７１ａ，７２ａ，８１ａ，８２ａは、スイッチング素子６１，６２，７１，７２，８１，８２に流れる電流とは逆方向への電流の流れを許容するように設けられている。ダイオード６１ａ，６２ａ，７１ａ，７２ａ，８１ａ，８２ａは、いわゆる還流ダイオードである。

ゲート回路４のスイッチング素子６１，６２，７１，７２，８１，８２は、それぞれ、モータ制御装置１の後述する切替回路５０から出力された駆動信号Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎに応じて、ＯＮ状態またはＯＦＦ状態になるように構成されている。本実施形態のモータ制御装置１では、ゲート回路４を用いたＰＷＭ制御を行う。ＰＷＭ制御は、従来と同様なので詳しい説明を省略する。

モータ制御装置１は、ゲート回路４と、センサレス制御回路１０（磁極位相推定部）と、駆動信号生成部２０と、ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０と、起動時磁極位相推定部４０と、切替回路５０（出力切替部）とを備える。

センサレス制御回路１０は、モータ３から出力された電流（詳しくは、駆動信号生成部２０の後述する３相２相座標変換部２４によって変換された後の電流値Ｉδ，Ｉγ）と、駆動信号生成部２０の後述する電流制御部２１から出力された電圧指令Ｖδ，Ｖγとを用いて、モータ３の磁極位相を推定する。センサレス制御回路１０は、推定したモータ３の磁極位相を位置検出信号θ＿ｅｓｔとして、駆動信号生成部２０に出力する。

また、センサレス制御回路１０は、モータ３が駆動源２によって無通電状態で回転（空転）している状態から起動（モータ３に通電）した際（以下、単にモータ３の起動時という）に、起動時磁極位相推定部４０によって推定されたモータ３の起動時磁極位相を用いて、前記位置検出信号θ＿ｅｓｔを生成する。

このように、センサレス制御回路１０によって、モータ３の位置検出信号θ＿ｅｓｔを生成することにより、モータ３に位置検出センサが設けられていない構成において、モータ３の駆動制御を行うことが可能になる。

駆動信号生成部２０は、入力された電流指令Ｉｑｒｅｆ，Ｉｄｒｅｆと、モータ３の出力電流と、センサレス制御回路１０から出力されたモータ３の位置検出信号θ＿ｅｓｔとを用いて、ゲート回路４に対する駆動信号を生成する。

具体的には、駆動信号生成部２０は、電流制御部２１と、２相３相座標変換部２２と、三角波比較回路２３と、３相２相座標変換部２４とを有する。

電流制御部２１は、入力された電流指令Ｉｑｒｅｆ,Ｉｄｒｅｆと、３相２相座標変換部２４によってモータ３の出力電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｗが位置検出信号θ＿ｅｓｔを用いて変換されることにより得られたｄ軸電流Ｉδ及びｑ軸電流Ｉγとを用いて、ｄ軸電圧指令Ｖδ及びｑ軸電圧指令Ｖγを生成する。

２相３相座標変換部２２は、電流制御部２１から出力された電圧指令Ｖδ，Ｖγを、３相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。２相３相座標変換部２２には、センサレス制御回路１０から出力された位置検出信号θ＿ｅｓｔが入力される。２相３相座標変換部２２は、位置検出信号θ＿ｅｓｔを用いて、電流制御部２１から出力された電圧指令Ｖδ，Ｖγを、３相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。

三角波比較回路２３は、２相３相座標変換部２２から出力された３相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、図示しない三角波発生部から出力された三角波とを比較して、ＰＷＭ信号を生成する。

三角波比較回路２３は、生成した前記ＰＷＭ信号を、ゲート回路４を駆動させるためのゲート指令Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎとして出力する。具体的には、三角波比較回路２３は、Ｕ相のスイッチングアーム６０における上アームのスイッチング素子６１に対するゲート指令Ｕｐと、下アームのスイッチング素子６２に対するゲート指令Ｕｎと、Ｖ相のスイッチングアーム７０における上アームのスイッチング素子７１に対するゲート指令Ｖｐと、下アームのスイッチング素子７２に対するゲート指令Ｖｎと、Ｗ相のスイッチングアーム８０における上アームのスイッチング素子８１に対するゲート指令Ｗｐと、下アームのスイッチング素子８２に対するゲート指令Ｗｎとを生成して、出力する。

三角波比較回路２３から出力されたゲート指令Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎは、後述する切替回路５０を介して、駆動信号としてゲート回路４に出力される。詳しくは後述するが、切替回路５０は、三角波比較回路２３から出力されるゲート指令と、ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０から出力されるゼロ電圧ベクトル駆動信号とを、選択的に、ゲート回路４に出力する。

３相２相座標変換部２４は、センサレス制御回路１０から出力された位置検出信号θ＿ｅｓｔを用いて、モータ３から出力された電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｗを、それぞれ、ｄ軸電流Ｉδ，Ｉγに変換する。３相２相座標変換部２４は、変換後のｄ軸電流Ｉδ，Ｉγを、電流制御部２１に出力するとともに、センサレス制御回路１０に対しても出力する。

ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０は、モータ３の起動時に、制御装置１よりも上位のコントローラである図示しない制御部から出力される起動信号に応じて、ゲート回路４にゼロ電圧ベクトルを出力させるゼロ電圧ベクトル駆動信号を生成して出力する。具体的には、ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０は、ゲート回路４の６個のスイッチング素子に対して、各相のスイッチングアーム６０，７０，８０における上アームのスイッチング素子６１，７１，８１をすべてＯＮ、または下アームのスイッチング素子６２，７２，８２をすべてＯＮにするゼロ電圧ベクトル駆動信号を出力する。すなわち、ゼロ電圧ベクトル駆動信号は、Ｕｐ,Ｖｐ,Ｗｐが全てＯＮで且つＵｎ,Ｖｎ,Ｗｎが全てＯＦＦの信号、または、Ｕｐ,Ｖｐ,Ｗｐが全てＯＦＦで且つＵｎ,Ｖｎ,Ｗｎが全てＯＮの信号である。

ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０で生成されたゼロ電圧ベクトル駆動信号が、切替回路５０を介してゲート回路４に出力されると、モータ３の各相のコイル（図示省略）には電位差が生じない。この状態で、モータ３がエンジンなどの駆動源２によって回転（空転）すると、モータ３の各相のコイルには逆起電力が発生する。

図２に示すように、スイッチング素子６１，６２，７１，７２，８１，８２には、それぞれ、ダイオード６１ａ，６２ａ，７１ａ，７２ａ，８１ａ，８２ａが並列に設けられているため、上述のような逆起電力がモータ３の各相のコイルに発生した場合、ダイオード６１ａ，６２ａ，７１ａ，７２ａ，８１ａ，８２ａを介して各相のコイルには還流電流が流れる。すなわち、上アームのスイッチング素子６１，７１，８１がすべてＯＮの場合には、前記逆起電力によって、モータ３の各相のコイル及びダイオード６１ａ，７１ａ，８１ａに還流電流が流れる。一方、下アームのスイッチング素子６２，７２，８２がすべてＯＮの場合には、前記逆起電力によって、モータ３の各相のコイル及びダイオード６２ａ，７２ａ，８２ａに還流電流が流れる。

このような還流電流が流れることにより、モータ３の磁極位相を推定することが可能になる。還流電流を用いた磁極位相の推定は、起動時磁極位相推定部４０によって行う。

起動時磁極位相推定部４０は、上述のように、モータ３の起動時においてゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０からゼロ電圧ベクトル駆動信号が出力された場合に、モータ３及びゲート回路４に流れる還流電流を用いて、モータ３の起動時の磁極位相（以下、起動時磁極位相という）を推定する。

具体的には、起動時磁極位相推定部４０は、以下のように、前記還流電流を用いてモータ３の起動時磁極位相を推定する。

モータ３がゲート回路４によってゼロ電圧ベクトルで制御されている場合、モータ３及びゲート回路４によって構成される回路は、図３に示すような等価回路となる。なお、図３は、モータ３のＵ相のコイルを含む回路の等価回路を示す。

図３において、Ｌは、モータ３のＵ相のコイルのリアクタンスであり、Ｒは、回路内の抵抗成分であり、ｅ_ｕは、誘起電圧である。また、ｉ_ｕは、Ｕ相に流れる還流電流である。なお、以下の説明において、ｅ_ｕは、以下のような正弦波の関数によって表されるものとする。

ｅ_ｕ＝−Ａ・ｓｉｎ（ω・ｔ）
ただし、Ａ＝Ｋｅ・ωであり、Ｋｅは誘起電圧係数であり、ωは回転速度である。

図３の回路では、誘起電圧ｅ_ｕと還流電流ｉ_ｕとの関係は、以下の式によって表現される。
０＝Ｌ・ｄｉ_ｕ／ｄｔ＋Ｒ・ｉ_ｕ＋ｅ_ｕ

上式の微分方程式を解くと、以下の式が得られる。
ｉ_ｕ＝（Ａ／Ｌ）／（ω^２＋（Ｒ／Ｌ）^２）・（（Ｒ／Ｌ）・ｓｉｎ（ω・ｔ）−ω・ｃｏｓ（ω・ｔ））

モータ３の回転数が高くて、ωがＲ／Ｌよりも十分に大きい場合には、上式は、
ｉ_ｕ＝−Ａ／（ω・Ｌ）・ｃｏｓ（ω・ｔ）
となる。

よって、
ｉ_ｕ＝−Ｋｅ／Ｌ・ｃｏｓ（ω・ｔ）

上式のように、ｉ_ｕの振幅は、回転速度ωに関係なく、Ｋｅ、Ｌによって一様に決まる。なお、Ｖ相の還流電流ｉ_ｖ及びＷ相の還流電流ｉ_ｗも同様にして求めることができる。ｉ_ｖ及びｉ_ｗは、ｉ_ｕに対して位相がずれるため、図４に示すような波形になる。

起動時磁極位相推定部４０は、図４に示す関係を用いて、以下の方法によってモータ３の起動時磁極位相を求める。

図４において、例えば還流電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗの符号が変わるタイミング（ゼロクロス点）を検出することにより、そのときの磁極位相を推定する。例えば、ｉ_ｕの値が負から正に変わった場合には、そのときの磁極位相はπ／２であり、ｉ_ｕの値が正から負に変わった場合には、そのときの磁極位相は３π／２である。これにより、短時間で、精度良くモータ３の起動時磁極位相を推定することができる。特に、３相分の還流電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを用いることにより、１相分の還流電流を用いる場合に比べて、多くのゼロクロス点を短時間で検出することができるため、より迅速に且つより精度良く起動時磁極位相を推定することができる。

また、上述の方法によって、モータ２の起動時の回転速度ω＿ｅｓｔを推定することもできる。すなわち、ゼロクロスタイミングを検出した時点から次のゼロクロスタイミングを検出した時点までの時間をカウンタ等によって計測し、計測した時間と磁極位相の変化とを用いて、モータ２の起動時の回転速度ω＿ｅｓｔを推定することができる。

なお、図４に示す還流電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗの波形からモータ２の起動時磁極位相を推定する方法は、上述の方法に限らず、以下のような方法であってもよい。

例えば還流電流ｉ_ｕにおける磁極位相と振幅値との関係（図４に示すような余弦関数）に対応するテーブル値と、検出された還流電流ｉ_ｕの電流値とを用いて、他の還流電流ｉ_ｖ，ｉ_ｗの符号を考慮することにより、モータ３の起動時磁極位相を推定する。具体的には、検出された還流電流ｉ_ｕの電流値は、図４に示す還流電流ｉ_ｕの曲線において、振幅に対応するため、前記テーブル値から磁極位相を求めることができる。磁極位相の１周期内において、還流電流ｉ_ｕの振幅が同じ値は２点存在するため、他の相の還流電流ｉ_ｖ，ｉ_ｗの符号の組み合わせを考慮して、起動時磁極位相を特定する。なお、前記テーブル値は、図示しない記憶装置等に記憶されている。

上述のように還流電流ｉ_ｕの振幅は、速度に関係なく同じであるため、記憶装置等に記憶するテーブル値は、速度に関係なく、１つのパターンでよい。これにより、記憶装置等に記憶するデータ量を少なくすることができる。

なお、本実施形態では、Ｕ相の還流電流ｉ_ｕにおける磁極位相と振幅値との関係に対応するテーブル値を用いてモータ３の起動時磁極位相を推定する場合について説明したが、Ｖ相またはＷ相の還流電流ｉ_ｖ，ｉ_ｗにおける磁極位相と振幅値との関係に対応するテーブル値を用いて、モータ３の起動時磁極位相を推定してもよい。

切替回路５０は、三角波比較回路２３から出力されるゲート指令と、ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０から出力されるゼロ電圧ベクトル駆動信号とを、選択的に、ゲート回路４に駆動信号として出力する。すなわち、切替回路５０は、モータ３が空転状態から起動する際には、一定時間、ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０から出力されたゼロ電圧ベクトル駆動信号を駆動信号としてゲート回路４に出力する一方、モータ３の通常運転時（空転状態で起動した時点から一定時間以後）には、三角波比較回路２３から出力されたゲート指令を駆動信号としてゲート回路４に出力する。

切替回路５０は、図示しない制御部から入力される切替信号に応じて、ゲート回路４に駆動信号として出力する信号を切り替える。なお、前記制御部は、モータ３を空転状態で起動させる際には、切替回路５０に対して、ゼロ電圧ベクトル駆動信号を駆動信号としてゲート回路４に出力させる切替信号を出力する一方、モータ３の通常運転時（空転状態で起動した時点から一定時間以外）には、切替回路２４に対して、三角波比較回路２３から出力されたゲート指令を駆動信号としてゲート回路４に出力させる切替信号を出力するように構成されている。

（モータの空転状態からの起動時の制御）
次に、モータ３が通電していない状態で駆動源２によって回転（空転）している際に、モータ３に通電することにより起動した場合のモータ制御装置１の動作を、図５に示すフローを用いて説明する。

図５に示すフローがスタートすると、モータ３が空転状態の場合に、制御装置１よりも上位のコントローラである図示しない制御部が、制御装置１に対して起動信号を出力する。すなわち、制御装置１には起動信号が入力される（ステップＳ１）。

続くステップＳ２では、制御装置１のゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０が、前記起動信号に基づいて、ゼロ電圧ベクトル駆動信号を生成して出力する。

ステップＳ３では、前記制御部が、切替回路２４に対し、前記ゼロ電圧ベクトル駆動信号をゲート回路４に出力するように指示する指示信号を出力する。これにより、切替回路５０は、前記ゼロ電圧ベクトル駆動信号を駆動信号としてゲート回路４に対して出力する。ゲート回路４のスイッチング素子は、切替回路２４から出力された前記ゼロ電圧ベクトル駆動信号によって、ゼロ電圧ベクトルを出力するように動作する。この状態では、モータ３及びゲート回路４内に形成された各相の回路に、還流電流が流れる。

次に、ステップＳ４で、起動時磁極位相推定部４０が、ゼロ電圧ベクトル駆動信号によってゲート回路４がゼロ電圧ベクトルを出力している際にモータ３から出力された電流に基づいて、モータ３の起動時磁極位相を推定する。起動時磁極位相推定部４０は、例えば、図４に示すグラフにおいて、還流電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗの符号が変わるタイミング（ゼロクロス点）を検出することにより、そのときの磁極位相を推定する。図４において、例えば、ｉ_ｕの値が負から正に変わった場合には、そのときの磁極位相はπ／２であり、ｉ_ｕの値が正から負に変わった場合には、そのときの磁極位相は３π／２である。これにより、比較的、短時間で、精度良くモータ３の起動時磁極位相を推定することができる。

なお、起動時磁極位相推定部４０は、図４に示すグラフに対応して予め記憶されているテーブル値を用いて、上述の判定を行うように構成されている。

起動時磁極位相推定部４０で推定されたモータ３の起動時磁極位相は、センサレス制御回路１０に入力される。センサレス制御回路１０では、入力された起動時磁極位相を用いて、モータ３の位置検出信号θ＿ｅｓｔを生成して、駆動信号生成部２０に出力する。駆動信号生成部２０では、入力された位置検出信号θ＿ｅｓｔを用いて、ゲート回路４を駆動させるためのゲート指令Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを生成する。

続くステップＳ５では、図示しない制御部が、切替回路５０によるゼロ電圧ベクトル駆動信号のゲート回路４への出力開始（ステップＳ３）から一定時間が経過したかどうかを判定する。ステップＳ５において、切替回路５０によるゼロ電圧ベクトル駆動信号のゲート回路４への出力開始から一定時間が経過したと判定された場合（ＹＥＳの場合）には、ステップＳ６に進んで、前記制御部が、切替回路５０に対し、駆動信号生成部２０から出力されたゲート指令Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎをゲート回路４に入力するように、指示信号を出力する。

一方、ステップＳ５において、切替回路５０によるゼロ電圧ベクトル駆動信号のゲート回路４への出力開始から一定時間が経過していないと判定された場合（ＮＯの場合）には、一定時間が経過するまでステップＳ５による判定を繰り返す。

ステップＳ６において、図示しない制御部から指示信号が入力された切替回路５０は、駆動信号生成部２０から出力されたゲート指令Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎをゲート回路４に入力する。これにより、センサレス制御回路１０から出力されたモータ３の位置検出信号θ＿ｅｓｔを用いて生成されたゲート指令Ｕｐ，Ｕｎ，Ｖｐ，Ｖｎ，Ｗｐ，Ｗｎを、駆動信号としてゲート回路４０に入力することができる。よって、モータ３の駆動制御を、ゼロ電圧ベクトルでの駆動制御からセンサレス制御に切り替えることができる。

その後、このフローを終了する（エンド）。

次に、上述のような構成を有するモータ制御装置１を、モータ３を空転状態から起動する際の制御に用いた場合の効果について説明する。

図６に、モータ３を空転状態で起動する際に従来の制御（センサレス制御のみ）を適用した場合における、モータ３の出力から推定される推定速度（図６（ａ））及びモータ３に生じるトルクの変化（図６（ｂ））を示す。なお、従来の制御とは、本実施形態のモータ制御装置１において、ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０、起動時磁極位相推定部４０及び切替回路５０を有しておらず、センサレス制御回路１０で常にモータ３の磁極位相を推定する制御を意味する。

図６（ａ）に示すように、従来の制御では、モータ３の起動に伴って、センサレス制御回路にモータ３の出力が入力されるため、センサレス制御回路で推定されるモータ３の推定速度がゼロから実速度に収束するまでに時間を要する。その結果、図６（ｂ）に示すように、モータ３には、モータ３の起動後に大きなトルク変動が生じる。

図７に、モータ３を空転状態で起動する際に本実施形態のモータ制御装置１による制御を適用した場合における、モータ３の推定速度（図７（ａ））及びモータ３で生じるトルクの変化（図７（ｂ））を示す。すなわち、図７は、モータ３を空転状態で起動した際に、ゲート回路４からモータ３にゼロ電圧ベクトルを出力して、そのときに得られたモータ３の出力からモータ３の磁極位相を推定した後、該磁極位相を用いてセンサレス制御を行った場合の推定速度及びトルクの変化を示している。

図７（ａ）に示すように、本実施形態のモータ制御装置１によって制御を行った場合、モータ３の起動によってモータ３の推定速度に多少の変動は生じるものの、ほぼ実速度と同じ推定速度を求めることができる。よって、図７（ｂ）に示すように、モータ３に生じるトルクの変動も、図６（ｂ）に示すトルク変動に比べて小さくすることができる。

本実施形態によれば、モータ３を空転させた状態で起動した際に、切替回路５０によって、ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部３０で生成されたゼロ電圧ベクトル駆動信号を、ゲート回路４に入力する。ゲート回路４からモータ３にゼロ電圧ベクトルを出力した状態におけるモータ３の出力を用いて、起動時磁極位相推定部４０により、モータ３の起動時磁極位相を推定する。そして、推定した起動時磁極位相を用いて、駆動信号生成部２０でゲート回路４の駆動信号を生成する。切替回路５０によって、この駆動信号をゲート回路４に出力する。

これにより、モータ３を空転状態で起動した際に、モータ３の起動時磁極位相をより正確に且つ迅速に推定することができる。よって、前記起動時磁極位相を用いてモータ３を駆動制御することにより、モータ３をセンサレス制御によって駆動制御した際に、モータ３に大きなトルク変動が生じたり過大な電流が流れたりすることを抑制できる。

本実施形態では、モータ３を空転状態で起動した際に、切替回路５０によるゼロ電圧ベクトル駆動信号のゲート回路４への出力開始（ステップＳ３）から一定時間が経過した後に、切替回路５０によって駆動信号生成部２０で生成されたゲート指令を駆動信号としてゲート回路４に出力する。この場合、センサレス制御回路１０では、起動時磁極位相推定部４０から起動時磁極位相が出力されている場合には、該起動時磁極位相を用いて位置検出信号θ＿ｅｓｔを生成し、該位置検出信号θ＿ｅｓｔを駆動信号生成部２０に対して出力する。

しかしながら、センサレス制御回路１０は、以下のように構成されていてもよい。

センサレス制御回路１０は、起動時磁極位相推定部４０から出力された起動時磁極位相が入力されてから所定期間において、前記起動時磁極位相と、モータ３の出力を用いてセンサレス制御回路１０で推定された磁極位相とを用いて、位置検出信号θ＿ｅｓｔを求めてもよい。具体的には、図８に示すように、センサレス制御回路１０は、前記所定期間内では、下式によって、位置検出信号θ＿ｅｓｔを求める。
θ＿ｅｓｔ＝α・θ＿ｉｎｉｔ+（１−α）・θ１
０≦α≦１

ここで、θ＿ｉｎｉｔは、起動時磁極位相推定部４０から出力される起動時磁極位相を示す角度である。さらに、θ１は、センサレス制御回路１０内で、モータ３の出力を用いて推定される磁極位相を示す角度である。

センサレス制御回路１０が、駆動信号生成部２０に対して出力する位置検出信号θ＿ｅｓｔを、上式によって求めることにより、位置検出信号θ＿ｅｓｔにおける起動時磁極位相の割合（重み）は、時間とともに減少する一方、位置検出信号θ＿ｅｓｔにおいてセンサレス制御回路１０内で推定される磁極位相の割合（重み）は、時間とともに増加する。よって、センサレス制御回路１０から出力される位置検出信号θ＿ｅｓｔは、起動時磁極位相からセンサレス制御回路１０で推測される磁極位相に徐々に移行することができる。これにより、駆動信号生成部２０で駆動信号の生成に用いる位置検出信号θ＿ｅｓｔが急に大きく変わることを防止できる。したがって、モータ３に生じるトルク変動やモータ３内に流れる電流の変化をより小さくすることができる。

なお、位置検出信号θ＿ｅｓｔを生成する際における、起動時磁極位相推定部４０から出力される起動時磁極位相とセンサレス制御回路１０内で推定される磁極位相との組み合わせは、図８に示すように時間とともに変化する組み合わせに限定されず、どのような組み合わせであってもよい。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

前記実施形態では、センサレス制御回路１０及び起動時磁極位相推定部４０は、モータ３から出力される電流を用いて、磁極位相を推定している。しかしながら、センサレス制御回路１０及び起動時磁極位相推定部４０は、モータ３から出力される電圧を用いて、磁極位相を推定してもよい。なお、前記実施形態のような電流制御のモータ制御装置では、モータ３の出力電流を用いて磁極位相を推定することにより、新たなセンサや構成が不要になる。よって、モータ３が空転状態から起動する際に、不要なトルク変動が生じたりモータに過大な電流が流れたりすることなく、モータ３のセンサレス制御を行うことができるモータ制御装置１を、低コストで且つ簡単な構成によって実現することができる。

前記実施形態では、３相交流のモータ３の駆動を制御するモータ制御装置１の構成について説明したが、この限りではなく、３相以外の複数相の交流モータの駆動を制御するモータ制御装置に適用してもよい。

本発明は、センサレス制御によって制御されるモータの駆動制御を行うモータ制御装置に利用可能である。

１ モータ制御装置
２ 駆動源
３ モータ
４ ゲート回路（スイッチング回路）
１０ センサレス制御回路（磁極位相推定部）
２０ 駆動信号生成部
２１ 電流制御部
２２ ２相３相座標変換部
２３ 三角波比較回路
２４ ３相２相座標変換部
３０ ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部
４０ 起動時磁極位相推定部
５０ 切替回路（出力切替部）

Claims (5)

1. 駆動源に対して該駆動源とともに回転可能に接続されたモータを、該モータの推定された磁極位相を用いてスイッチング回路にスイッチング動作を行わせることにより、駆動制御するモータ制御装置であって、
   前記モータの出力を用いて前記磁極位相を推定するとともに、前記スイッチング回路を駆動させる駆動信号を生成するために、前記磁極位相を用いて求めた位置検出信号を出力する磁極位相推定部と、
   指令値、前記モータの出力、及び前記位置検出信号を用いて、前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   前記モータが前記駆動源によって無通電状態で回転している状態で前記モータに通電を行うモータ起動時に、前記モータに対してゼロ電圧ベクトルを出力するように前記スイッチング回路にスイッチング動作させるゼロ電圧ベクトル駆動信号を生成するゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部と、
   前記モータ起動時には、前記ゼロ電圧ベクトル駆動信号生成部から前記ゼロ電圧ベクトル駆動信号を前記スイッチング回路に対して出力する一方、それ以外のモータ運転時には、前記駆動信号生成部で生成された前記駆動信号を前記スイッチング回路に対して出力する出力切替部と、
   前記モータ起動時に、ゼロ電圧ベクトルで制御された前記モータの出力に基づいて、前記モータの起動時における起動時磁極位相を推定して出力する起動時磁極位相推定部とを備え、
   前記磁極位相推定部は、前記モータ起動時には、前記起動時磁極位相推定部から出力された前記起動時磁極位相を、前記磁極位相とする、モータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記磁極位相推定部は、前記モータの起動後の所定期間では、前記起動時磁極位相と前記磁極位相とを用いて、前記位置検出信号を求める、モータ制御装置。
3. 請求項２に記載のモータ制御装置において、
   前記磁極位相推定部は、前記所定期間において、時間の経過とともに、前記位置検出信号における前記起動時磁極位相の重みを減らす一方、前記位置検出信号における前記磁極位相の重みを増やすことにより、前記位置検出信号を求める、モータ制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載のモータ制御装置において、
   前記起動時磁極位相推定部は、前記モータの出力としての複数の相の電流または電圧を用いて、ゼロクロス点から前記起動時磁極位相を推定する、モータ制御装置。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載のモータ制御装置において、
   前記磁極位相推定部及び前記起動時磁極位相推定部は、それぞれ、前記モータの出力としての電流を用いて、前記磁極位相及び前記起動時磁極位相を推定する、モータ制御装置。

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