JP2019208329A - センサレスベクトル制御装置及びセンサレスベクトル制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に速やかに効率の良い運転状態に到達することが可能なセンサレスベクトル制御装置を提供する。【解決手段】オープンループ制御と、推定された角速度を角速度指令値に追従するように制御するクローズドループ制御とを有し、ｑ軸電流値に基づきｄ軸電流指令値を算出し、角速度指令値及び推定された角速度に基づきｑ軸電流指令値を算出する電流指令値算出部５１４と、推定されたブラシレスモータの回転子の角速度を電流指令値算出部に出力するように制御する運転制御切替部５１９とを備え、運転制御切替部は、ブラシレスモータが所定の回転数に到達したことを検知すると、ｄ、ｑ座標系のずれに相当する位相誤差がプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定し、維持していると判定するときは、推定された角速度を電流指令値算出部に出力するように切り替えてクローズドループ制御に切り替える。【選択図】図２

Description

本発明は、センサレスベクトル制御装置及びセンサレスベクトル制御方法に関する。

従来、モータのセンサレスベクトル制御方法として、オープン（開）ループ制御と、クローズド（閉）ループ制御とが広く知られている。ここで、オープンループ制御とは、モータの位置及び速度をフィードバックせずに、所定の指令に従ってモータを制御する制御方法である。一方、クローズドループ制御は、モータの位置及び速度をフィードバックし、モータの位置及び速度が所望の指令値に一致するように、モータを制御する方法である。

センサレスベクトル制御の場合、モータの位置等をセンサにより検出できないため、モータの位置等は、モータに供給された電流などに基づいて推定される。モータの位置及び速度を推定する方法として、モータの駆動により生じる誘起電圧が利用される。しかしながら、この推定方法は、誘起電圧が大きいモータの高速回転時では有効に利用できるが、誘起電圧が小さいモータの低速回転時では利用が困難となる。

そこで、モータの起動時では、オープンループ制御を実行し、モータが所定の高速回転数に到達するとクローズドループ制御を実行するというようにモータの回転速度に応じて制御方法を切り替えることが行われている。

しかしながら、上記方法では、制御方法の切り替え時（遷移時）に、モータの駆動電流の電気角が不連続となり、トルク振動が発生し、モータが脱調して停止するという問題があった。さらに、不安定な状態で切り替えた後に脱調しリトライされる場合には、モータの起動時間（回転開始からモータが目標回転数に到達するまでに必要とする時間）が長くなるという問題があった。

この問題を解消するための対策が従来から検討されてきており、例えば特許文献１（特開２００８−１９９８７１号）には、ローパスフィルタを備え、瞬時電流ベクトルの位相がローパスフィルタ値を追い越した直後に、オープンループ制御からクローズドループ制御に切り替える方法が開示されている。

特開２０１４−１１７１１５号公報

しかしながら、特許文献１記載の切り替え方法では、電流ベクトル位相の瞬時値自体が不安定な値となるため、相変わらずオープンループ制御からクローズドループ制御への遷移期間において位相誤差がプラス領域とマイナス領域とに行き来することとなり、加速トルクと減速トルクとの繰り返しによる不安定な状態での遷移が行われ、トルク振動が発生し、モータが脱調して停止するという問題は解消されなかった。さらに、不安定な状態で切り替えた後に脱調しリトライされる場合には、モータの起動時間が長くなるという問題も解消されなかった。

本発明の目的は上記の問題点を解決し、起動時に速やかに効率の良い運転状態に到達することが可能なセンサレスベクトル制御装置及びセンサレスベクトル制御方法を提供することにある。

本発明に係るセンサレスベクトル制御装置は、ブラシレスモータの回転子の角速度の指令値に基づいて制御するオープンループ制御と、前記ブラシレスモータの回転子の角速度を推定し前記推定された角速度を前記角速度指令値に追従するように制御するクローズドループ制御とを有するセンサレスベクトル制御装置であって、
前記ブラシレスモータの回転子の磁束と同一方向をｄ軸とし、このｄ軸と直交する方向をｑ軸とするｄ、ｑ座標系において、前記ブラシレスモータに流れる相電流の値をｄ、ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値に変換する検出値変換部と、
ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値と、ｄ、ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値とのそれぞれの差分に基づき、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値をそれぞれ算出する指令値演算部と、
ｄ、ｑ軸電流値及びｄ、ｑ軸電圧指令値に基づき、ｄ、ｑ座標系のずれに相当する位相誤差である位相誤差及び前記ブラシレスモータの角速度を推定する角速度推定部と、
前記ｑ軸電流値に基づきｄ軸電流指令値を算出し、前記角速度指令値及び前記推定された角速度に基づきｑ軸電流指令値を算出する電流指令値算出部と、
前記推定されたブラシレスモータの回転子の角速度を前記電流指令値算出部に出力するように制御する運転制御切替部とを備え、
前記運転制御切替部は、前記推定されたブラシレスモータの回転子の角速度に基づき、前記ブラシレスモータが所定の回転数に到達したことを検知すると、推定された位相誤差がプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定し、維持していると判定するときは、前記推定された角速度を前記電流指令値算出部に出力するように切り替えて前記クローズドループ制御に切り替える。

本発明に係るセンサレスベクトル制御装置によれば、ｄ、ｑ座標系のずれに相当する位相誤差をプラス領域もしくはマイナス領域に所定の時間期間維持していると判定した後に、オープンループ制御からクローズドループ制御への遷移期間における位相誤差のプラス領域とマイナス領域への振れを防止することが可能となる。これにより、加速トルクと減速トルクとの繰り返しによる不安定な状態での遷移を防止することが可能となるので、モータの脱調や停止を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係るセンサレスモータ制御装置１００及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１のインバータ制御回路５０の構成要素を示すブロック図である。 （ａ）は図２の電流指令値算出部５１４により算出された、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の時間ｔに対する変化を示す時間軸波形図であり、（ｂ）は（ａ）と経過時間軸を共通にし、図２の電流指令値算出部５１４により算出された、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の時間ｔに対する変化を示す時間軸波形図であり、（ｃ）は（ａ）と経過時間軸を共通にし、図２の角速度推定部５１２により推定された、ブラシレスモータ３０の回転子の推定角速度ω＃の時間ｔに対する変化を示す時間軸波形図であり、（ｄ）は（ａ）と経過時間軸を共通にし、図２の角速度推定部５１２により推定された、ブラシレスモータ３０の回転子の推定角速度ω＃の時間ｔに対する変化を示す時間軸波形図である。 （ａ）は図２の電流指令値算出部５１４により算出された、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の時間ｔに対する変化を示す時間軸波形図であり、（ｂ）は（ａ）と経過時間軸を共通にし、図２の電流指令値算出部５１４により算出された、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の時間ｔに対する変化を示す時間軸波形図であり、（ｃ）は（ａ）と経過時間軸を共通にし、図２の角速度推定部５１２により推定された、ブラシレスモータ３０の回転子の推定角速度ω＃の時間ｔに対する変化を示す時間軸波形図であり、（ｄ）は（ａ）と経過時間軸を共通にし、図２の角速度推定部５１２により推定された、ブラシレスモータ３０の回転子の推定角速度ω＃の時間ｔに対する変化を示す時間軸波形図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係るセンサレスモータ制御装置（同期モータ用インバータ制御回路）１００及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１の相電流検出方式を用いたセンサレスモータ制御装置１００は、電源回路１０と、インバータ回路２０と、３相同期ブラシレスモータ（以下、単にモータと称す）３０と、該モータ３０とインバータ回路２０とを電気的に接続するバスライン上に設けられた電流検出回路４０と、センサレスモータ用インバータ制御回路（以下、制御回路という。）５０とを備えて構成される。また、制御回路５０は、電流検出回路４０に電気的に接続された信号変換部５１とＰＷＭ信号生成部５２とを備えて構成される。さらに、ＰＷＭ信号生成部５２は、インバータ回路２０を構成する第１〜第６の電力用半導体素子Ｔａｕ，Ｔａｖ，Ｔａｗ，Ｔｂｕ，Ｔｂｖ，Ｔｂｗのゲート端子にそれぞれ電気的に接続されている。ここで、センサレスモータ制御装置１００は、電流検出回路４０において検出された電流量に応じたＰＷＭ信号（Ｓｕ＊、Ｓｖ＊、Ｓｗ＊）を生成してインバータ回路２０に出力する。これにより、インバータ回路２０は、電源回路１０の電力を複数の相電流に変換してモータ３０に供給し、モータ３０の回転子３２を角速度指令値に追従するように駆動させる。ここで、モータ３０を駆動制御するセンサレスモータ制御装置１００は、電流検出回路４０から出力される信号に基づいて出力電力を制御する。

なお、制御回路５０は、図示されないＣＰＵ、ＡＤ変換回路、クロック回路、メモリ回路等によって構成され、メモリ回路は制御プログラム及び各種演算処理を実現させるプログラム及び当該演算処理で用いられるパラメータを格納する。そして、これらの回路と所定のプログラムとが協働することにより、後述する機能を実現する。

図１の電源回路１０は、電源部ＥａとコンデンサＣｓとを備えて構成される。ここで、電源部Ｅａとして直流電源が用いられてもよいし交流電源が用いられてもよい。さらに、交流電源を用いる場合には、電源部Ｅａにはダイオードブリッジをさらに備えるのが望ましい。またさらに、リアクトル及びパワートランジスタ及びダイオード素子からなるＰＦＣ回路（力率改善回路）をさらに備えるのが望ましい。また、コンデンサＣｓでは、電源部Ｅａから印加された電圧のリップル成分を平滑化させ、この他、当該印加電圧のノイズ成分を吸収する役割を担う。すなわち、コンデンサＣｓを備えることにより、ノイズが低減された電圧が出力される。

インバータ回路２０は、第１〜第６の電力用半導体素子Ｔａｕ，Ｔａｖ，Ｔａｗ，Ｔｂｕ，Ｔｂｖ，Ｔｂｗと、第１〜第６の電力用半導体素子Ｔａｕ，Ｔａｕ，Ｔａｖ，Ｔｂｕ，Ｔｂｖ，Ｔｂｗに対して逆並列にフリーホイールダイオードとしてそれぞれ接続される高周波用ダイオードとを備えて構成される。

図１において、第１の電力用半導体素子Ｔａｕと第４の電力用半導体素子Ｔｂｕとを直列接続した第１のハーフブリッジ回路と、第２の電力用半導体素子Ｔａｖと第５の電力用半導体素子Ｔｂｖとを直列接続した第２のハーフブリッジ回路と、第３の電力用半導体素子Ｔａｗと第６の電力用半導体素子Ｔｂｗとを直列接続した第３のハーフブリッジ回路とを構成し、第１及び第２のハーフブリッジ回路を並列接続し、第２及び第３のハーフブリッジ回路を並列接続する。ここで、第１〜第６の電力用半導体素子Ｔａｕ，Ｔａｖ，Ｔａｗ，Ｔｂｕ，Ｔｂｖ，ＴｂｗとしてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用し、各第１、第２及び第３の電力用半導体素子Ｔａｕ，Ｔａｖ，Ｔａｗのコレクタ端子がそれぞれ接続される３個の第１〜第３の電力用半導体素子Ｔａｕ，Ｔａｖ，Ｔａｗが上アームを構成し、各第４〜第６の電力用半導体素子Ｔｂｕ，Ｔｂｖ，Ｔｂｗが下アームを構成する。

上アームの第１の電力用半導体素子Ｔａｕのエミッタ端子と下アームの第４の電力用半導体素子Ｔｂｕのコレクタ端子とが接続され、上アームの第２の電力用半導体素子Ｔａｖのエミッタ端子と下アームの第５の電力用半導体素子Ｔｂｖのコレクタ端子とが接続され、上アームの第３の電力用半導体素子Ｔａｗのエミッタ端子と下アームの第６の電力用半導体素子Ｔｂｗのコレクタ端子とが接続され、各接続部はモータ３０にそれぞれ接続される。詳細には、第１の電力用半導体素子Ｔａｕと第４の電力用半導体素子Ｔｂｕとの接続部にＵ相ラインＬｕが接続され、上アーム側の第１の電力用半導体素子Ｔａｕの通過電流がモータ３０に出力される。同様に、第２の電力用半導体素子Ｔａｖと第５の電力用半導体素子Ｔｂｖとの接続部にＶ相ラインＬｖが接続され、第３の電力用半導体素子Ｔａｗと第６の電力用半導体素子Ｔｂｗとの接続部にＷ相ラインＬｗが接続される。

モータ３０は、固定子（図示せず）と回転子３２とから構成され、固定子はモータ３０の筐体に固定される。固定子は、円環状の珪素鋼板の積層体から成り、当該積層体の内環側には複数の極形成体が連続的に形成される。また、固定子の極形成体には、各々にコイル巻線が巻回され、このうちＵ相ラインＬｕに接続されたコイルをＵ相コイル３１ｕ、Ｖ相ラインＬｖに接続されたコイルをＶ相コイル３１ｖ、Ｗ相ラインＬｗに接続されたコイルをＷ相コイル３１ｗとする。ここで、モータ３０を回転させると、各Ｕ相コイル３１ｕ、Ｖ相コイル３１ｖ、Ｗ相コイル３１ｗに誘起電圧が発生する。モータ３０では、固定子に電流が入力され、内部に回転磁界が形成される。一方、回転子３２は、珪素鋼板が円柱状に積層され、２極（Ｓ極、Ｎ極）を有する永久磁石が埋設されている。また、回転子３２は、固定子の内環面に対して同心に配置され、回動自在に軸支される。この構成により、回転子３２は回転磁界によって回動され、回転子３２に固定された駆動軸に回転トルクを与えることが可能となる。

電流検出回路４０は、モータ３０に流れる相電流を検出して検出電流Ｉｉ＄として信号変換部５１に出力する。ここで、電流検出回路４０は抵抗（図示せず）を備え、この抵抗の両端間の電圧差に応じて検出電流Ｉｉ＄を検出する。本実施形態では、Ｕ相ラインＬｕ及びＷ相ラインＬｗのバスラインから２シャント方式を用いてシャント電流を検出しているが、本発明はこれに限定されず、１シャント方式または３シャント方式を用いてシャント電流を検出するように構成されてもよい。さらに、本実施形態では、インバータ回路２０とモータ３０との間に電流検出回路４０を備えたが、本発明はこれに限定されず、ＰＷＭ信号生成部５２とインバータ回路２０との間に電流検出回路４０を備えるように構成されてもよい。

信号変換部５１は、入力された検出電流Ｉｉ＄に基づき、指令電圧（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）を生成してＰＷＭ信号生成部５２に出力する。ＰＷＭ信号生成部５２は、指令電圧（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）に基づき、ＰＷＭ信号（Ｓｕ＊、Ｓｖ＊、Ｓｗ＊）を生成してインバータ回路２０を構成する各第１〜第６の電力用半導体素子Ｔａｕ，Ｔａｖ，Ｔａｗ，Ｔｂｕ，Ｔｂｖ，Ｔｂｗのゲート端子に出力する。これにより、インバータ回路２０は駆動する。なお、ＰＷＭ信号（Ｓｕ＊、Ｓｖ＊、Ｓｗ＊）には、上アーム側の電力用半導体素子Ｔａｕ，Ｔａｖ，Ｔａｗに対するＰＷＭ信号と下アーム側の電力用半導体素子Ｔｂｕ，Ｔｂｖ，Ｔｂｗに対するＰＷＭ信号とを含んでおり、実際には６個のＰＷＭ信号から構成される。

図２は図１のインバータ制御回路５０の構成要素を示すブロック図である。図２の信号変換部５１は、検出値変換部５１１と、角速度推定部５１２と、位置情報演算部５１３と、電流指令値算出部５１４と、指令値演算部５１５と、指令値換算部５１７と、角速度指令値出力部５１８と、運転制御切替部５１９とを備えて構成される。また、検出値変換部５１１は、相電流復元部５１１ａと、ステータ座標変換部５１１ｂと、ローター座標変換部５１１ｃとを備えて構成される。さらに、角速度推定部５１２は、位相誤差推定部５１２ａと、換算部５１２ｂとを備えて構成される。またさらに、指令値換算部５１７は、ローター座標換算部５１７ａと、ステータ座標換算部５１７ｂとを備えて構成される。ここで、指令値換算部５１７は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に基づき、Ｕ相〜Ｗ相に対応した指令電圧（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）を算出して出力する。ここで、指令電圧（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）は、後述する位置情報θ＃を反映させた三角関数で表される値である。

図２の電流検出回路４０は、二相分の電流を検出して二相分の検出電流Ｉｉ＄として相電流復元部５１１ａに出力する。

相電流復元部５１１ａは、二相分の検出電流Ｉｉ＄に基づき、三相分の検出相電流（Ｉｕ＄、Ｉｖ＄、Ｉｗ＄）を算出し、算出された検出相電流（Ｉｕ＄、Ｉｖ＄、Ｉｗ＄）をステータ座標変換部５１１ｂに出力する。

ステータ座標変換部５１１ｂは、三相分の検出相電流（Ｉｕ＄，Ｉｖ＄，Ｉｗ＄）を固定子座標系の二軸検出電流（Ｉα＄、Ｉβ＄）に次式を用いて変換し、当該検出電流の電流値を示す信号として出力する。ここで、固定子座標系とは、モータ３０の固定子の所定位置を観測系とする直交座標系のことをいう。

ローター座標変換部５１１ｃは、固定子座標系の二軸検出電流（Ｉα＄、Ｉβ＄）及び位置情報θ＃に基づいて、回転子座標系のｄ、ｑ軸電流値（Ｉｄ＄、Ｉｑ＄）を算出して、回転子座標系のｄ軸電流値Ｉｄ＄を位相誤差推定部５１２ａ及び指令値演算部５１５に出力し、回転子座標系のｑ軸電流値Ｉｑ＄を位相誤差推定部５１２ａ、指令値演算部５１５、及び電流指令値算出部５１４に出力する。ここで、回転子座標系のｄ、ｑ軸電流値（Ｉｄ＄、Ｉｑ＄）は次式により算出される。なお、回転座標系とは、モータ３０の回転子３２の磁束と同一方向をｄ軸とし、このｄ軸と直交する方向をｑ軸とする直交座標系（ｄ、ｑ座標系）のことをいう。従って、回転座標系は、回転子３２の回転動作と共に回動する。さらに、位置をセンシングするセンサを用いない位置センサレス制御を行う場合には、推定されるｄ軸としてのｄｃ軸、及び、推定されるｑ軸としてのｑｃ軸上で電流制御を行う。なお、ｄ軸及びｑ軸からなる直交座標を「実軸」と称し、誘起電圧のｄ軸成分及びｑ軸成分からなる直交座標、すなわちｄｃ軸及びｑｃ軸からなる直交座標を「制御軸」と称する。

位相誤差推定部５１２ａは、回転子座標系のｄ、ｑ軸電流値Ｉｄ＄，Ｉｑ＄、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、及び推定角速度ω＃に基づき、位相誤差Δθを推定して換算部５１２ｂ及び運転制御切替部５１９に出力する。なお、換算部５１２ｂにて推定された推定角速度ω＃は位相誤差推定部５１２ａに帰還ループされる。ここで、位相誤差Δθは、制御軸と実軸との間に生じる位相差のことをいい、いわゆるｄ、ｑ座標系のずれに相当する。ここで、位相誤差θは、上述したパラメータに基づき、次式により推定される。また、位相誤差推定部５１２ａは、回転子３２のｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑと、モータ３０の抵抗値Ｒｍとを取得できるように構成され、これらの情報を用いて位相誤差Δθを推定する。

換算部５１２ｂは、位相誤差推定部５１２ａから入力された位相誤差Δθに基づき、推定角速度ω＃を推定し、該推定された推定角速度ω＃をスイッチＳＷ及び運転制御切替部５１９に出力する。ここで、モータ３０の回転子３２の角速度の推定値である推定角速度ω＃は、位相誤差Δθに応じた補正値が反映され、位相誤差Δθを零に収束させる値に次式を用いて調整される。

運転制御切替部５１９は、入力された推定角速度ω＃に基づき、モータ３０の回転数を算出し、当該算出されたモータ３０の回転数に応じて、フィードバック制御であるクローズドループ制御をオンするかもしくはオフするための切替信号ＣＤを発生し、当該切替信号ＣＤをスイッチＳＷに出力する。ここで、運転制御切替部５１９は、モータ３０の回転数が所定の回転数（例えば５０００回転数など）に到達すると判定すると、位相誤差推定部５１２ａから入力された位相誤差Δθの値がプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定し、維持していると判定すると、フィードバック制御であるクローズドループ制御をオンするための切替信号ＣＤを発生し、当該切替信号ＣＤをスイッチＳＷに出力する。

なお、モータ起動時では所定の回転数（例えば５０００回転など）に到達するまでオープンループ制御される。すなわち、運転制御切替部５１９は、モータ起動時ではクローズドループ制御をオフする切替信号ＣＤを発生しスイッチＳＷをオフし、電流指令値算出部５１４及び位置情報演算部５１３には角速度指令値ω＊のみが入力されるようにスイッチＳＷのスイッチングを制御する。

一方、運転制御切替部５１９は、位相誤差推定部５１２ａから入力された位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持していると判定すると、クローズドループ制御をオンするための切替信号ＣＤを発生しスイッチＳＷをオンし、電流指令値算出部５１４及び位置情報演算部５１３に推定角速度ω＃が入力されるようにスイッチＳＷのスイッチングを制御する。これにより、電流指令値算出部５１４及び位置情報演算部５１３には角速度指令値ω＊以外の情報として推定角速度ω＃の情報が入力される。ここで、オープンループ制御からクローズドループ制御に切り替わる。すなわち、運転制御切替部５１９は、電流指令値算出部５１４において、推定されたモータ３０の回転子３２の角速度を角速度指令値ω＊に追従させてｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を算出するクローズドループ制御に切り替える。

位置情報演算部５１３は、入力された推定角速度ω＃又は角速度指令値ω＊に基づいて位置情報θ＃を算出し、ローター座標変換部５１１ｃ及びローター座標換算部５１７ａに出力する。ここで、位置情報θ＃は次式により算出される。ここで、モータ３０の起動時には角速度指令値ω＊のみで制御されるオープンループ制御される。すなわち、位置情報演算部５１３には角速度指令値ω＊のみが入力され位置情報θ＃が算出されるように、運転制御切替部５１９によりスイッチＳＷはオフされる。これに対して、クローズドループ制御では、モータ３０の実際の角速度として推定された推定角速度ω＃に基づいて位置情報θ＃が算出されるように、運転制御切替部５１９によりスイッチＳＷはオンされる。なお、位置情報演算部５１３において、角速度指令値ω＊及び推定角速度ω＃が入力される場合には、位置情報演算部５１３では、推定角速度ω＃のみの情報に基づいて位置情報θ＃を算出するように構成される。このように、クローズドループ制御では、位置情報θ＃は、位相誤差Δθを零に収束させるように、補正値を伴う推定角速度ω＃に基づいて算出される。このように、制御軸と実軸とが一致するように制御されることとなる。

ここで、ｔは時間を示し、ωはブラシレスモータの回転子３２の角速度を示す。なお、本実施形態では、ωは推定角速度ω＃かもしくは角速度指令値ω＊のいずれかを示す。

角速度指令値出力部５１８は、モータ３０の回転子３２の角速度の指令値を角速度指令値ω＊として電流指令値算出部５１４に出力する。ここで、角速度指令値出力部５１８は、センサレスモータ制御装置１００に電気的に接続された制御パネル等から入力された速度指令（ｒｐｍ）を角速度に変換して角速度指令値ω＊として出力するように構成される。

電流指令値算出部５１４は、角速度指令値ω＊及び推定角速度ω＃に基づき、次式を用いてｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を算出する。なお、オープンループ制御では運転制御切替部５１９によりスイッチＳＷはオフとなるように制御され、電流指令値算出部５１４には、推定角速度ω＃として零が入力される。

ここで、Ｐは比例定数であり、Ｉは積分定数である。

さらに、電流指令値算出部５１４は、ｑ軸電流値Ｉｑ＄に基づき、次式を用いてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を算出する。ここで、以下の（１）式から（３）式により導き出される値のうち、最小値をｄ軸電流指令値Ｉｄ＊として算出する。

なお、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊は制御軸のｄ軸成分であり、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊は制御軸のｑ軸成分である。すなわち、これらの成分を介して電流ベクトルが制御される。また、ｄ、ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊は、例えばアクセルペダルの開度に相当する値（回転トルク指令値等）とモータ３０の回転子３２の回転速度に基づいて決定される値である。

ここで、Ｋｅは誘起電圧定数であり、Ｌｄは回転子３２のｄ軸インダクタンスであり、Ｌｑは回転子３２のｑ軸インダクタンスであり、Ｖ_ａｍは電圧の制限値であり、Ｉ_ａｍは電流の制限値であり、ｒはモータ３０の抵抗成分である。

また、ＳＩＧＮ（Ｌｄ−Ｌｑ）の意味は以下の通りである。
・Ｌｄ−Ｌｑ＜０の場合：Ｉｄ＊＜０となるためには、（２）式の第１項が正であることから、（２）式の第２項の√の符号は、負を選ぶ。
・Ｌｄ−Ｌｑ＞０の場合：Ｉｄ＊＞０となるためには、（２）式の第１項が負であることから、（２）式の第２項の√の符号は、正を選ぶ。

指令値演算部５１５は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸電流値Ｉｄ＄との差分であるｄ軸電流指令差分値δＩｄ＊を算出するとともに、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｑ軸電流値Ｉｑ＄との差分であるｑ軸電流指令差分値δＩｑ＊を算出する。なお、この差分は例えば減算器を用いて算出するように構成されてもよい。

指令値演算部５１５は、ｄ、ｑ軸電流指令差分値δＩｄ＊、δＩｄ＊に基づいてＰＩ制御又はＰＩＤ制御を実施し、ｄ、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を次式を用いてそれぞれ算出し、ローター座標換算部５１７ａ及び位相誤差推定部５１２ａにそれぞれ出力する。

ここで、Ｐは比例定数であり、Ｉは積分定数である。

さらに、指令値演算部５１５は、ｄ、ｑ軸電流指令差分値δＩｄ＊、δＩｑ＊に基づき、プラス化制御信号ＣＳ１又はマイナス化制御信号ＣＳ２を生成し、電流指令値算出部５１４に出力する。ここで、プラス化制御信号ＣＳ１とは、位相誤差Δθをプラス領域に維持させるための制御信号であり、マイナス化制御信号とは、位相誤差Δθをマイナス領域に維持させるための制御信号である。例えば、ｄ軸電流指令差分値δＩｄ＊が正の値でありかつｑ軸電流指令差分値δＩｑ＊が正の値である場合には、この状態を維持するようにｄ、ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の値をそれぞれ更新させるプラス化制御信号ＣＳ１を生成する。また、ｄ軸電流指令差分値δＩｄ＊が負の値であり、かつｑ軸電流指令差分値δＩｑ＊が負の値である場合には、この状態を維持するようにｄ、ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の値をそれぞれ更新させるプラス化制御信号ＣＳ１を生成する。また、ｄ軸電流指令差分値δＩｄ＊が正の値でありかつｑ軸電流指令差分値δＩｑ＊が負の値である場合には、この状態を維持するようにｄ、ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の値をそれぞれ更新させるマイナス化制御信号ＣＳ２を生成する。さらに、ｄ軸電流指令差分値δＩｄ＊が負の値でありかつｑ軸電流指令差分値δＩｑ＊が正の値である場合には、この状態を維持するようにｄ、ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の値をそれぞれ更新させるマイナス化制御信号ＣＳ２を生成する。

この構成により、ｄ、ｑ軸電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と回転子座標系のｄ、ｑ軸電流値Ｉｄ＄、Ｉｑ＄とのそれぞれの差分であるｄ、ｑ軸電流指令差分値δＩｄ＊、δＩｑ＊を調整することができるので、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を調整することが可能となる。従って、位相誤差Δθをプラス領域もしくはマイナス領域に所定の時間期間維持させることが可能となるので、オープンループ制御からクローズドループ制御への遷移期間における位相誤差Δθのプラス領域とマイナス領域への振れを防止することが可能となる。これにより、加速トルクと減速トルクとの繰り返しによる不安定な状態での遷移を防止することが可能となるので、モータ３０の脱調や停止を抑制することが可能となる。

ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、後段の指令値換算部５１７によって数値換算処理され、Ｕ相〜Ｗ相に対応した電圧指令値（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）としてＰＷＭ信号生成部５２にそれぞれ出力される。

ローター座標換算部５１７ａは、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、及び位置情報θ＃に基づき、固定子座標系の二軸電圧指令値（Ｖα＊、Ｖβ＊）を算出し、ステータ座標換算部５１７ｂにそれぞれ出力する。ここで、指令電圧（Ｖα＊、Ｖβ＊）は、固定子を観測系とする直交座標系に対応する電圧値である。また、指令電圧（Ｖα＊、Ｖβ＊）は、次式により算出される。

その後、ステータ座標換算部５１７ｂでは、固定子座標系の二軸電圧指令値（Ｖα＊、Ｖβ＊）に基づいて、３相交流電圧指令値（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）を算出し、ＰＷＭ信号生成部５２にＵ相〜Ｗ相に対応した複数相の指令電圧としてそれぞれ出力する。ここで、３相交流電圧指令値（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）は、次式により算出される。

インバータ回路２０は、入力されたＰＷＭ信号に応じて、電源回路１０の電力を複数の相電流に変換してモータ３０に供給する。これにより、モータ３０の回転子３２が角速度指令値ω＊に追従するように駆動される。

次に、センサレスベクトル制御装置１００の動作について説明する。

先ず、オープンループ制御が開始される場合、予め規定されたプログラムに基づき、モータ３０の回転子３２を静止状態から所定の角速度まで上昇させる。電流指令値算出部５１４では、モータ３０が所定の回転数（例えば５０００回転など）となるようにプログラムに基づいて制御され、電流ベクトルと磁束ベクトルとの間に位相差を与える。このとき、回転子３２は、当該位相差に基づき回転トルクが与えられ、回転子３２の角速度は、予め規定されたプログラムに応じて増加され、所定時間経過後に角速度ωｓに到達する。

次に、運転制御切替部５１９により、モータ３０が所定の回転数（例えば５０００回転など）に到達したことを検知すると、推定された位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定する。

ここで、運転制御切替部５１９は、推定された位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持していると判定する場合には、スイッチＳＷをオンして推定角速度ω＃を電流指令値算出部５１４に入力されるように切り替える。すなわち、運転制御切替部５１９は、スイッチＳＷをオンしてオープンループ制御からクローズドループ制御へと制御方法を遷移させる。

次に、オープンループ制御からクローズドループ制御への遷移について図３及び図４を用いて具体的に説明する。

図３では位相誤差Δθがマイナス領域に所定の時間期間だけ維持していると判定された後にオープンループ制御からクローズドループ制御へと切り替わった例が示されている。図３に示すように、オープンループ制御では、所定の回転数（角速度ωｓ）になるまでモータの推定角速度ω＃を上昇させる。ここで、所定の回転数（角速度ωｓ）に到達すると、推定された位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間ＴＡだけ維持しているか否かを判定する。図３に示すように、所定の回転数（角速度ωｓ）に到達した時間ｔ１では、位相誤差Δθがマイナスの値となっている。次に、所定の時間期間ＴＡ経過時の時間ｔ２おいてもマイナスの値を維持し続けているので、この時点（時間ｔ２）において運転制御切替部５１９は位相誤差Δθがマイナス領域に所定の時間期間ＴＡだけ維持していると判定し、スイッチＳＷをオンして推定角速度ω＃を電流指令値算出部５１４に入力されるように切り替える。すなわち、制御方法はオープンループ制御からクローズドループ制御へと遷移される。

また、図４では位相誤差Δθがプラス領域に所定の時間期間だけ維持していると判定された後にオープンループ制御からクローズドループ制御へと切り替わった例が示されている。図４に示すように、オープンループ制御では、所定の回転数（角速度ωｓ）になるまでモータの推定角速度ω＃を上昇させる。ここで、所定の回転数（角速度ωｓ）に到達すると、推定された位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間ＴＡだけ維持しているか否かを判定する。図４に示すように、所定の回転数（角速度ωｓ）に到達した時間ｔ３では、位相誤差Δθがプラスの値となっている。次に、所定の時間期間ＴＡ経過時の時間ｔ４においてもプラスの値を維持し続けているので、この時点（時間ｔ４）において運転制御切替部５１９は位相誤差Δθがプラス領域に所定の時間期間ＴＡだけ維持していると判定し、スイッチＳＷをオンして推定角速度ω＃を電流指令値算出部５１４に入力されるように切り替える。すなわち、制御方法はオープンループ制御からクローズドループ制御へと遷移される。

これに対して、運転制御切替部５１９は位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持していないと判定するときは、スイッチＳＷをオフして角速度指令値ω＊のみが電流指令値算出部５１４に入力されるように切り替える。すなわち、運転制御切替部５１９は、スイッチＳＷをオフしてオープンループ制御からクローズドループ制御へと遷移させずにオープンループ制御をそのまま維持させ、再度運転制御切替部５１９は、推定された位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定する（遷移可否判定のリトライ処理）。なお、このリトライ処理は、運転制御切替部５１９により、推定された位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持していると判定されるまで繰り返される。

次に、クローズドループ制御への遷移後では、検出値変換部５１１及び角速度推定部５１２及び位置情報演算部５１３の回路が機能する。そして、制御軸は、電流ベクトルがｑ軸に一致され、ｑ軸と回転子３２の磁束ベクトルとの位相誤差Δθを零に収束させるように制御されかつ角速度指令値ω＊に一致するように制御される。これにより、回転子３２は、角速度指令値ω＊で回転するように同期制御される。

このように、制御回路５０では、ｑ軸及びｄ軸から成る制御軸と電流ベクトルとを制御させる。なお、電流ベクトルは、ｑ軸成分のｑ軸指令電流とｄ軸成分のｄ軸指令電流とから構成され、モータの起動時では、オープンループ制御が実行され、モータが所定の高速回転数に達するとクローズドループ制御が実行され、目標となる回転数（例えば、２５０００回転数）まで到達される。

（変形例１）
本実施形態では、オープンループ制御においてモータ３０が所定の回転数に到達した時点においてオープンループ制御からクローズドループ制御に遷移の可否を判定する処理を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、オープンループ制御によりモータ３０が所定の回転数（例えば５０００回転など）に到達するまでにオープンループ制御からクローズドループ制御に遷移の可否判定を行うように構成されてもよい。

この場合には、運転制御切替部５１９は、複数の所定の回転数にそれぞれ到達したときに、推定された位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定する。ここで、運転制御切替部５１９は位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持していると判定すると、スイッチＳＷをオンして推定角速度ω＃を電流指令値算出部５１４に入力されるように切り替える。すなわち、運転制御切替部５１９は、スイッチＳＷをオンしてオープンループ制御からクローズドループ制御へと遷移させる。

これに対して、運転制御切替部５１９は位相誤差Δθがプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持していないと判定するときは、スイッチＳＷをオフして角速度指令値ω＊のみが電流指令値算出部５１４に入力されるように切り替える。すなわち、運転制御切替部５１９は、スイッチＳＷをオフしてオープンループ制御をクローズドループ制御に遷移させずにオープンループ制御をそのまま維持させる。

なお、オープンループ制御からクローズドループ制御への遷移の可否判定は２回実施されてもよい。ここで、１回目の可否判定はオープンループ制御の中間段階で行い、２回目の可否判定はオープンループ制御からクローズドループ制御への遷移の直前であるモータ３０の回転数に到達したときに行うように構成されてもよい。ここで、オープンループ制御の中間段階に遷移の可否判定を行うとは、例えばモータ３０の回転数がオープンループ制御からクローズドループ制御に遷移させる回転数の略中間の回転数に到達したとき遷移の可否判定を行うように構成されてもよい。

この構成により、１回目のオープンループ制御からクローズドループ制御への遷移の可否判定において、早々にリトライ処理を行うことが可能となる。従って、オープンループ制御により所定の回転数（例えば５０００回転など）に到達するまでにリトライ処理を実施することが可能となるので、本実施形態と比較すると、さらにモータ３０の起動時間（回転開始からモータが目標回転数に到達するまでに必要とする時間）をさらに短縮することが可能となる。

なお、本変形例では、オープンループ制御からクローズドループ制御への遷移の可否判定を２回実施するとしたが、本発明はこれに限定されず、モータの始動後からクローズドループ制御に遷移させるまでの間において３回以上の可否判定を実施するように構成されてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（変形例２）
本実施形態では、指令値演算部５１５において、位相誤差Δθをプラス領域もしくはマイナス領域に維持させるための制御信号ＣＳ１，ＣＳ２を生成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電流指令値算出部５１４において制御信号（本実施形態でおける制御信号ＣＳ１，ＣＳ２に相当する信号）を生成するように構成されてもよい。この場合には、ｄ、ｑ軸電流指令差分値δＩｄ＊、δＩｑ＊は電流指令値算出部５１４において算出されるように構成され、この差分値に基づいて制御信号を生成するとともに、電流指令値算出部５１４はこの差分値を指令値演算部５１５に出力し、指令値演算部５１５では、この差分値に基づいてｄ、ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊が算出されるように構成される。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述の実施形態は例示に過ぎず、この発明の範囲から逸脱することなく種々の変形が可能である。

１００ センサレスモータ制御装置
１０ 電源回路
２０ インバータ回路
３０ ブラシレスモータ
３２ 回転子
４０ 電流検出回路
５０ インバータ制御回路
５１ 信号変換部
５２ ＰＷＭ信号生成部
５１１ 検出値変換部
５１２ 角速度推定部
５１３ 位置情報演算部
５１４ 電流指令値算出部
５１５ 指令値演算部
５１７ 指令値換算部
５１８ 角速度指令値出力部
５１９ 運転制御切替部

Claims (6)

1. ブラシレスモータの回転子の角速度の指令値に基づいて制御するオープンループ制御と、前記ブラシレスモータの回転子の角速度を推定し前記推定された角速度を前記角速度指令値に追従するように制御するクローズドループ制御とを有するセンサレスベクトル制御装置であって、
   前記ブラシレスモータの回転子の磁束と同一方向をｄ軸とし、このｄ軸と直交する方向をｑ軸とするｄ、ｑ座標系において、前記ブラシレスモータに流れる相電流の値をｄ、ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値に変換する検出値変換部と、
   ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値と、ｄ、ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値とのそれぞれの差分に基づき、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値をそれぞれ算出する指令値演算部と、
   ｄ、ｑ軸電流値及びｄ、ｑ軸電圧指令値に基づき、ｄ、ｑ座標系のずれに相当する位相誤差である位相誤差及び前記ブラシレスモータの角速度を推定する角速度推定部と、
   前記ｑ軸電流値に基づきｄ軸電流指令値を算出し、前記角速度指令値及び前記推定された角速度に基づきｑ軸電流指令値を算出する電流指令値算出部と、
   前記推定されたブラシレスモータの回転子の角速度を前記電流指令値算出部に出力するように制御する運転制御切替部とを備え、
   前記運転制御切替部は、前記推定されたブラシレスモータの回転子の角速度に基づき、前記ブラシレスモータが所定の回転数に到達したことを検知すると、推定された位相誤差がプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定し、維持していると判定するときは、前記推定された角速度を前記電流指令値算出部に出力するように切り替えて前記クローズドループ制御に切り替えることを特徴とするセンサレスベクトル制御装置。
2. 前記指令値演算部は、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流値との第１差分値及びｑ軸電流指令値とｑ軸電流値との第２差分値に基づき、前記位相誤差をプラス領域もしくはマイナス領域に維持させるための制御信号を生成して前記電流指令値算出部に出力することを特徴とする請求項１記載のセンサレスベクトル制御装置。
3. 前記指令値演算部は、第１差分値及び第２差分値がそれぞれ正の値であるとき又は第１差分値及び第２差分値がそれぞれ負の値であるときは、この状態が維持されるように前記ｄ、ｑ軸電流指令値をそれぞれ更新させる第１制御信号を生成し、第１差分値が正の値でありかつ第２差分値が負の値であるとき又は第１差分値が負の値でありかつ第２差分値が正の値であるときは、この状態が維持されるように前記ｄ、ｑ軸電流指令値をそれぞれ更新させる第２制御信号を生成して前記電流指令値算出部に出力することを特徴とする請求項２記載のセンサレスベクトル制御装置。
4. 前記運転制御切替部は、前記ブラシレスモータが所定の回転数に到達したことを検知すると、前記位相誤差がプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定し、前記位相誤差がプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持していると判定するまで前記可否判定を繰り返すことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のセンサレスベクトル制御装置。
5. 前記運転制御切替部は、複数の所定の回転数にそれぞれ到達したときに、前記位相誤差がプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載のセンサレスベクトル制御装置。
6. ブラシレスモータの回転子の角速度の指令値に基づいて制御するオープンループ制御と、前記ブラシレスモータの回転子の角速度を推定し前記推定された角速度を前記角速度指令値に追従するように制御するクローズドループ制御とを有するセンサレスベクトル制御装置のためのセンサレスベクトル制御方法であって、
   前記センサレスベクトル制御装置は、
   前記ブラシレスモータの回転子の磁束と同一方向をｄ軸とし、このｄ軸と直交する方向をｑ軸とするｄ、ｑ座標系において、前記ブラシレスモータに流れる相電流の値をｄ、ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値に変換することと、
   前記角速度指令値に基づき、ｄ、ｑ軸電流指令値を算出することと、
   ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値と、ｄ、ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値とのそれぞれの差分に基づき、ｄ、ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値をｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に追従するようにｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値をそれぞれ算出することと、
   ｄ、ｑ軸電流値及びｄ、ｑ軸電圧指令値に基づき、ｄ、ｑ座標系のずれに相当する位相誤差である位相誤差を推定し、該推定された位相誤差から前記ブラシレスモータの角速度を推定することと、
   前記角速度指令値に基づき、ｄ、ｑ軸電流指令値を算出することにおいて、前記推定されたブラシレスモータの回転子の角速度を前記角速度指令値に追従させて前記ｑ軸電流指令値を算出する前記クローズドループ制御に切り替えることを含み、
   前記クローズドループ制御に切り替えることには、前記ブラシレスモータが所定の回転数に到達したことを検知すると、推定された位相誤差がプラス領域かもしくはマイナス領域に所定の時間期間だけ維持しているか否かを判定し、維持していると判定するときは、オープンループ制御からクローズドループ制御に遷移させることとを含むことを特徴とするセンサレスベクトル制御方法。

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