(57)【要約】モータ制御方法は、モータの逆起電力のα軸上の成分ＢＥＭＦαおよびβ軸上の成分ＢＥＭＦβを獲得するステップと、成分ＢＥＭＦαおよび成分ＢＥＭＦβのそれぞれを時間微分するステップと、成分ＢＥＭＦαの微分値を二乗して第１乗算値を求めるとともに、成分ＢＥＭＦβの微分値を二乗して第２乗算値を求めるステップと、第１乗算値と第２乗算値との和の平方根を求めるステップと、成分ＢＥＭＦαおよび成分ＢＥＭＦβに基づいて、逆起電力の絶対値を求めるステップと、平方根の値と逆起電力の絶対値とに基づいて、ロータの回転数の少なくとも一方を求めるステップと、ロータの回転速度および回転数の少なくとも一方に基づいてモータを制御するステップと、を包含する。
2018173587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
αβ固定座標系におけるモータの逆起電力のα軸上の成分ＢＥＭＦαおよびβ軸上の成分ＢＥＭＦβを獲得するステップＡと、
前記α軸上の成分ＢＥＭＦαおよび前記β軸上の成分ＢＥＭＦβのそれぞれを時間微分するステップＢと、
前記α軸上の成分ＢＥＭＦαの微分値を二乗して第１乗算値を求めるとともに、前記β軸上の成分ＢＥＭＦβの微分値を二乗して第２乗算値を求めるステップＣと、
前記第１乗算値と前記第２乗算値との和の平方根を求めるステップＤと、
前記α軸上の成分ＢＥＭＦαおよび前記β軸上の成分ＢＥＭＦβに基づいて、前記αβ固定座標系における前記逆起電力の絶対値を求めるステップＥと、
前記平方根の値と前記逆起電力の絶対値とに基づいて、前記モータのロータの回転速度および回転数の少なくとも一方を求めるステップＦと、
前記ロータの回転速度および回転数の少なくとも一方に基づいて前記モータを制御するステップＧと、
を包含する、モータ制御方法。
【請求項２】
前記ステップＡにおいて、前記α軸上の成分ＢＥＭＦαを式（１）に基づいて演算し、
前記β軸上の成分ＢＥＭＦβを式（２）に基づいて演算し、
ＢＥＭＦα＝Ｖα＊−Ｒ・Ｉα      （１）
ＢＥＭＦβ＝Ｖβ＊−Ｒ・Ｉβ      （２）
ここで、Ｖα＊は前記α軸上のリファレンス電圧を示し、Ｖβ＊は前記β軸上のリファレンス電圧を示し、Ｉαは電機子電流の前記α軸上の成分であり、Ｉβは前記電機子電流の前記β軸上の成分であり、Ｒは電機子抵抗を示す、請求項１に記載のモータ制御方法。
【請求項３】
前記ステップＥにおいて、前記αβ固定座標系における前記モータの逆起電力の絶対値ＢＥＭＦを式（３）に基づいて演算する、
ＢＥＭＦ＝（ＢＥＭＦα２＋ＢＥＭＦβ２）１／２      （３）
請求項１または２に記載のモータ制御方法。
【請求項４】
前記ステップＦにおいて、前記平方根の値を前記逆起電力の絶対値で除して、前記ロータの回転速度を求める、請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御方法。
【請求項５】
前記ステップＦにおいて、前記ロータの回転速度に１／２πを乗じて前記回転数を求める、請求項４に記載のモータ制御方法。
【請求項６】
モータと、
前記モータを制御する制御回路と、
を有し、
前記制御回路は、
αβ固定座標系におけるモータの逆起電力のα軸上の成分ＢＥＭＦαおよびβ軸上の成分ＢＥＭＦβを獲得し、
前記α軸上の成分ＢＥＭＦαおよび前記β軸上の成分ＢＥＭＦβのそれぞれを時間微分し、
前記α軸上の成分ＢＥＭＦαの微分値を二乗して第１乗算値を求めるとともに、前記β軸上の成分ＢＥＭＦβの微分値を二乗して第２乗算値を求め、
前記第１乗算値と前記第２乗算値との和の平方根を求め、
前記α軸上の成分ＢＥＭＦαおよび前記β軸上の成分ＢＥＭＦβに基づいて、前記αβ固定座標系における前記逆起電力の絶対値を求め、
前記平方根の値と前記逆起電力の絶対値とに基づいて、前記モータのロータの回転速度および回転数の少なくとも一方を求め、
前記ロータの回転速度および回転数の少なくとも一方に基づいて前記モータを制御する、モータ制御システム。
【請求項７】
請求項６に記載のモータ制御システムを有する電動パワーステアリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、モータ制御方法、モータ制御システムおよび電動パワーステアリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モータ（以下、「モータ」と表記する。）の制御システムにおいて、一般に、モータ電流および電圧の情報に加え、モータのロータの位置（ロータ角）および回転速度などの情報が必要とされる。例えば、ロータ角および回転速度は、ホールセンサまたはレゾルバなどの位置センサによる検出値に基づいて取得される。回転速度は、ロータ角の時間変化量に基づいて演算することが可能である。  【０００３】
特許文献１および２は、ステアリングシステムに用いられる、舵角速度（モータの回転速度に相当する速度）を検出する方法を開示する。これらの方法において、異方性磁気抵抗素子を舵角センサ（位置センサに相当するセンサ）として用いて舵角速度が検出される。具体的には、舵角センサからの出力信号に基づいて舵角信号が生成され、舵角信号の時間変化量に基づいて舵角速度が検出される。例えば特許文献２による方法では、舵角の変化量を、その変化量に対応する、舵角が変化した時刻から舵角が次に変化する時刻までの所要時間で除算することにより、舵角速度が演算される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３４３８０号公報
【特許文献２】特開２００５−２４１６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の技術は、モータの回転速度を演算する手法としても利用し得る。例えば、位置センサにより検出されるロータ角の時間変化量に基づいてロータの回転速度を演算することが可能である。モータ制御システムにおいて、位置センサが、例えば外部からの何らかの衝撃によって破損した場合、そのセンサの出力に基づいてロータの回転速度を演算することは不可能となる。一方で、位置センサの代わりにオブザーバを用いてロータ角および回転速度を推定する技術が知られている。しかしながら、このような推定は、一般に、より複雑な演算を必要とするため、コンピュータに対する演算負荷が増大するといった課題がある。  【０００６】
本開示の実施形態は、コンピュータの演算負荷を低減することが可能な、ロータの回転速度を推定する手法を用いる、新規なモータ制御方法、モータ制御システムおよび当該モータ制御システムを有する電動パワーステアリング（ＥＰＳ）システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の例示的なモータ制御方法は、αβ固定座標系におけるモータの逆起電力のα軸上の成分ＢＥＭＦαおよびβ軸上の成分ＢＥＭＦβを獲得するステップＡと、前記α軸上の成分ＢＥＭＦαおよび前記β軸上の成分ＢＥＭＦβのそれぞれを時間微分するステップＢと、前記α軸上の成分ＢＥＭＦαの微分値を二乗して第１乗算値を求めるとともに、前記β軸上の成分ＢＥＭＦβの微分値を二乗して第２乗算値を求めるステップＣと、前記第１乗算値と前記第２乗算値との和の平方根を求めるステップＤと、前記α軸上の成分ＢＥＭＦαおよび前記β軸上の成分ＢＥＭＦβに基づいて、前記αβ固定座標系における前記逆起電力の絶対値を求めるステップＥと、前記平方根の値と前記逆起電力の絶対値とに基づいて、前記モータのロータの回転速度および回転数の少なくとも一方を求めるステップＦと、前記ロータの回転速度および回転数の少なくとも一方に基づいて前記モータを制御するステップＧと、を包含する。  【０００８】
本開示の例示的なモータ制御システムは、モータと、前記モータを制御する制御回路と、を有し、前記制御回路は、αβ固定座標系におけるモータの逆起電力のα軸上の成分ＢＥＭＦαおよびβ軸上の成分ＢＥＭＦβを獲得し、前記α軸上の成分ＢＥＭＦαおよび前記β軸上の成分ＢＥＭＦβのそれぞれを時間微分し、前記α軸上の成分ＢＥＭＦαの微分値を二乗して第１乗算値を求めるとともに、前記β軸上の成分ＢＥＭＦβの微分値を二乗して第２乗算値を求め、前記第１乗算値と前記第２乗算値との和の平方根を求め、前記α軸上の成分ＢＥＭＦαおよび前記β軸上の成分ＢＥＭＦβに基づいて、前記αβ固定座標系における前記逆起電力の絶対値を求め、前記平方根の値と前記逆起電力の絶対値とに基づいて、前記モータのロータの回転速度および回転数の少なくとも一方を求め、前記ロータの回転速度および回転数の少なくとも一方に基づいて前記モータを制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の例示的な実施形態によると、コンピュータの演算負荷を低減することが可能な、ロータの回転速度を推定する手法を用いる、モータ制御方法、モータ制御システムおよび当該モータ制御システムを有する電動パワーステアリングシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態１によるモータ制御システム１０００のハードウェアブロックを示すブロック図である。
【図２】図２は、実施形態１によるモータ制御システム１０００の中のインバータ３００のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、実施形態１の変形例によるモータ制御システム１０００のハードウェアブロックを示すブロック図である。
【図４】図４は、コントローラ１００の機能ブロックを示す機能ブロック図である。
【図５】図５は、回転数演算ユニット１１０内の機能ブロックを示す機能ブロック図である。
【図６】図６は、モータが高速で正転方向に回転しているときの、所定期間内の実際の回転数の波形を示すグラフである。
【図７】図７は、所定期間内のロータ角の波形を示すグラフである。
【図８】図８は、所定期間内の、逆起電力ＢＥＭＦαの波形（上）、逆起電力ＢＥＭＦβの波形（中間）、および、逆起電力の大きさＶｍの波形（下）を示すグラフである。
【図９】図９は、モータが高速で正転方向に回転しているときの、所定期間内の推定の回転数の波形を示すグラフである。
【図１０】図１０は、モータが高速で逆転方向に回転しているときの、所定期間内の実際の回転数の波形を示すグラフである。
【図１１】図１１は、所定期間内のロータ角の波形を示すグラフである。
【図１２】図１２は、所定期間内の、逆起電力ＢＥＭＦαの波形（上）、逆起電力ＢＥＭＦβの波形（中間）、および、逆起電力の大きさＶｍの波形（下）を示すグラフである。
【図１３】図１３は、モータが高速で逆転方向に回転しているときの、所定期間内の推定の回転数の波形を示すグラフである。
【図１４】図１４は、モータが低速で正転方向に回転しているときの、所定期間内の実際の回転数の波形を示すグラフである。
【図１５】図１５は、所定期間内のロータ角の波形を示すグラフである。
【図１６】図１６は、所定期間内の、逆起電力ＢＥＭＦαの波形（上）、逆起電力ＢＥＭＦβの波形（中間）、および、逆起電力の大きさＶｍの波形（下）を示すグラフである。
【図１７】図１７は、モータが低速で正転方向に回転しているときの、所定期間内の推定の回転数の波形を示すグラフである。
【図１８】図１８は、モータが低速で逆転方向に回転しているときの、所定期間内の実際の回転数の波形を示すグラフである。
【図１９】図１９は、所定期間内のロータ角の波形を示すグラフである。
【図２０】図２０は、所定期間内の、逆起電力ＢＥＭＦαの波形（上）、逆起電力ＢＥＭＦβの波形（中間）、および、逆起電力の大きさＶｍの波形（下）を示すグラフである。
【図２１】図２１は、モータが低速で逆転方向に回転しているときの、所定期間内の推定の回転数の波形を示すグラフである。
【図２２】図２２は、実施形態２によるＥＰＳシステム２０００の典型的な構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照しながら、本開示のモータ制御方法、モータ制御システム、および当該モータ制御システムを有する電動パワーステアリングシステムの実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。  
【００１２】
（実施形態１）
〔モータ制御システム１０００の構成〕
図１は、本実施形態によるモータ制御システム１０００のハードウェアブロックを模式的に示す。
【００１３】
モータ制御システム１０００は、典型的に、モータＭと、コントローラ（制御回路）１００と、駆動回路２００と、インバータ（「インバータ回路」とも称される。）３００と、複数の電流センサ４００と、アナログデジタル変換回路（以下、「ＡＤコンバータ」と表記する。）５００と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）６００とを有する。モータ制御システム１０００は、例えばモジュール化され、モータ、センサ、ドライバおよびコントローラを有するモータモジュールとして製造および販売され得る。本明細書では、構成要素としてモータＭを有するシステムを例に、モータ制御システム１０００を説明する。ただし、モータ制御システム１０００は、構成要素としてモータＭを有しない、モータＭを駆動するためのシステムであってもよい。  
【００１４】
モータＭは、例えば、表面磁石型同期型モータ（ＳＰＭＳＭ）または埋込磁石型同期型モータ（ＩＰＭＳＭ）などの永久磁石同期モータ、および三相交流モータである。モータＭは、例えば、三相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の巻線（不図示）を有する。三相の巻線は、インバータ３００に電気的に接続される。三相モータに限らず、五相、七相などの多相モータも本開示の範疇である。本明細書では、三相モータを制御するモータ制御システムを例に、本開示の実施形態を説明する。  
【００１５】
コントローラ１００は、例えばマイクロコントロールユニット（ＭＣＵ）である。または、コントローラ１００は、例えば、ＣＰＵコアが組み込まれたフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）によっても実現し得る。  
【００１６】
コントローラ１００は、モータ制御システム１０００の全体を制御し、例えばベクトル制御によってモータＭのトルクおよび回転速度を制御する。モータＭは、ベクトル制御に限らず、他のクローズドループ制御によっても制御され得る。回転速度は、ロータの角速度に相当し、１秒間にロータが回転する角度（ｒａｄ／ｓ）によって表される。また、回転速度は、単位時間（例えば１分間）にロータが回転する回転数（ｒｐｍ）または単位時間（例えば１秒間）にロータが回転する回転数（ｒｐｓ）で表すことができる。本明細書において、回転速度および回転数は区別なく用いられる場合がある。  
【００１７】
ベクトル制御は、モータに流れる電流を、トルクの発生に寄与する電流成分と、磁束の発生に寄与する電流成分とに分解し、互いに直交する各電流成分を独立に制御する方法である。コントローラ１００は、例えば、複数の電流センサ４００によって測定された実電流値、および実電流値に基づいて推定されたロータ角などに従って目標電流値を設定する。コントローラ１００は、その目標電流値に基づいてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成し、駆動回路２００に出力する。  
【００１８】
コントローラ１００は、複数の電流センサ４００によって測定された実電流値に基づいてロータの回転数を演算することができる。コントローラ１００は、その回転数に基づいてモータＭを制御する。  
【００１９】
駆動回路２００は、典型的に、ゲートドライバである。駆動回路２００は、インバータ３００におけるスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号を、コントローラ１００から出力されるＰＷＭ信号に従って生成する。後述するように、駆動回路２００は、コントローラ１００に実装されていてもよい。
【００２０】
インバータ３００は、例えば直流電源（不図示）から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力でモータＭを駆動する。例えば、インバータ３００は、駆動回路２００から出力される制御信号に基づいて、直流電力を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の擬似正弦波である三相交流電力に変換することができる。この変換された三相交流電力でモータＭは駆動される。  
【００２１】
複数の電流センサ４００は、モータＭのＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線に流れる少なくとも２つの電流を検出する少なくとも２つの電流センサを有する。本実施形態では、複数の電流センサ４００は、Ｕ相およびＶ相に流れる電流を検出する２つの電流センサ４００Ａ、４００Ｂ（図２を参照）を有する。当然に、複数の電流センサ４００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の巻線に流れる３つの電流を検出する３つの電流センサを有していてもよいし、例えば、Ｖ相およびＷ相に流れる電流またはＷ相およびＵ相に流れる電流を検出する２つの電流センサを有していてもよい。各電流センサは、例えば、シャント抵抗、およびシャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路（不図示）を有する。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．１Ω程度である。  
【００２２】
ＡＤコンバータ５００は、複数の電流センサ４００から出力されるアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、この変換したデジタル信号をコントローラ１００に出力する。コントローラ１００がＡＤ変換を行ってもよい。その場合、複数の電流センサ４００は、アナログ信号をコントローラ１００に直接出力することができる。  
【００２３】
ＲＯＭ６００は、例えば書き込み可能なメモリ（例えばＰＲＯＭ）、書き換え可能なメモリ（例えばフラッシュメモリ）または読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ６００は、コントローラ１００にモータＭを制御させるための命令群を有する制御プログラムを格納する。例えば、制御プログラムはブート時にＲＡＭ（不図示）に一旦展開される。ＲＯＭ６００は、コントローラ１００に外付けされる必要はなく、コントローラ１００に搭載されていてもよい。ＲＯＭ６００を搭載したコントローラ１００は、例えば上述したＭＣＵであり得る。  
【００２４】
図２を参照して、インバータ３００のハードウェア構成を詳細に説明する。
【００２５】
図２は、本実施形態によるモータ制御システム１０００の中のインバータ３００のハードウェア構成を模式的に示す。  
【００２６】
インバータ３００は、３個のローサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｌ１、ＳＷ＿Ｌ２およびＳＷ＿Ｌ３と、３個のハイサイドスイッチ素子ＳＷ＿Ｈ１、ＳＷ＿Ｈ２およびＳＷ＿Ｈ３と、を有する。スイッチ素子として、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、典型的にはＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体スイッチ素子を用いることができる。スイッチ素子は還流ダイオードを有する。  
【００２７】
図２に、Ｕ相およびＶ相に流れる電流を検出する２つの電流センサ４００Ａ、４００Ｂのシャント抵抗Ｒｓを示す。図示されるように、例えばシャント抵抗Ｒｓは、ローサイドスイッチ素子とグランドとの間に電気的に接続され得る。または、例えばシャント抵抗Ｒｓは、ハイサイドスイッチ素子と電源との間に電気的に接続され得る。  
【００２８】
コントローラ１００は、例えばベクトル制御を用いた三相通電制御を行うことによってモータＭを駆動することができる。例えば、コントローラ１００は、三相通電制御を行うためのＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号を駆動回路２００に出力する。駆動回路２００は、インバータ３００の中の各スイッチ素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）のスイッチング動作を制御するゲート制御信号をＰＷＭ信号に基づいて生成し、各スイッチ素子のゲートに与える。  
【００２９】
図３は、本実施形態の変形例によるモータ制御システム１０００のハードウェアブロックを模式的に示す。  
【００３０】
図示されるように、モータ制御システム１０００は、駆動回路２００を有していなくてもよい。その場合、コントローラ１００は、インバータ３００の各スイッチ素子のスイッチング動作を直接制御するポートを有する。具体的に説明すると、コントローラ１００は、ゲート制御信号をＰＷＭ信号に基づいて生成することが可能である。コントローラ１００は、そのポートを介してゲート制御信号を出力し、そのゲート制御信号を各スイッチ素子のゲートに与えることができる。  
【００３１】
図３に示されるように、モータ制御システム１０００は、位置センサ７００をさらに有していてもよい。位置センサ７００は、モータＭの近傍に配置され、ロータ角を検出する。具体的には、位置センサ７００は、ロータの機械角を検出し、それをコントローラ１００に出力する。位置センサ７００は、例えば、磁気抵抗（ＭＲ）素子を有するＭＲセンサとセンサマグネットとの組み合わせによって実現される。また、位置センサ７００は、例えば、レゾルバまたはホールＩＣであり得る。  
【００３２】
モータ制御システム１０００は、位置センサ７００の代わりに、例えば、速度センサまたは加速度センサを有し得る。コントローラ１００は、位置センサとして速度センサを用いる場合、回転速度信号または角速度信号に積分処理等を行うことによりロータ角を算出することができる。また、コントローラ１００は、位置センサとして加速度センサを用いる場合、角加速度信号に積分処理等を行うことによりロータ角を算出することができる。  
【００３３】
本開示のモータ制御システムは、例えば、図１および２に示されるような、位置センサを有しない、いわゆるセンサレス制御を行うモータ制御システムに利用され得る。また、本開示のモータ制御システムは、例えば図３に示されるような、位置センサを有するモータ制御システムにも利用され得る。  
【００３４】
以下、図４および図５を参照しながら、センサレス制御によるモータ制御を例に、モータ制御システム１０００の制御方法の具体例を説明し、主としてロータの回転数の推定手法を説明する。本開示のモータ制御方法は、回転数の推定が要求される様々なモータ制御システムに利用され得る。  
【００３５】
〔モータ制御システム１０００の制御方法〕
本実施形態によるモータ制御方法、特に、ロータの回転数を推定することを実現するためのアルゴリズムは、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはＦＰＧＡなどのハードウェアのみで実現することもできるし、ハードおよびソフトウェアの組み合わせによっても実現することができる。  
【００３６】
図４は、コントローラ１００の機能ブロックを模式的に示す。図５は、コントローラ１００における回転数演算ユニット１１０の機能ブロックを模式的に示す。本明細書において、機能ブロック図における各ブロックは、ハードウェア単位ではなく機能ブロック単位で示される。ソフトウェアは、例えば、各機能ブロックに対応した特定の処理を実行させるためのコンピュータプログラムを構成するモジュールであり得る。  
【００３７】
図４に示されるように、コントローラ１００は、例えば、回転数演算ユニット１１０およびモータ制御ユニット１２０を有する。本明細書において、説明の便宜上、各機能ブロックをユニットと表記することとする。当然に、この表記は、各機能ブロックを、ハードウェアまたはソフトウェアに限定解釈する意図で用いられない。  
【００３８】
回転数演算ユニット１１０は、リファレンス電圧Ｖα＊、Ｖβ＊、電流（電機子電流）ＩαおよびＩβに基づいてロータの回転速度および回転数の少なくとも一方を推定する。モータ制御ユニット１２０は、回転数演算ユニット１１０によって推定された、ロータの回転速度および回転数の少なくとも一方に基づいてモータＭを制御する。  
【００３９】
回転数演算ユニット１１０は、例えば、逆起電力演算ユニット１１１、２個の時間微分ユニット１１２＿１、１１２＿２、４個の二乗ユニット１１３＿１、１１３＿２、１１３＿３、１１３＿４、２個の加算器１１４＿１、１１４＿２、２個の平方根ユニット１１５＿１、１１５＿２、除算器１１６および回転数演算ユニット１１７を有する。  
【００４０】
各機能ブロックがソフトウェアとしてコントローラ１００に実装される場合、そのソフトウェアの実行主体は、例えばコントローラ１００のコアであり得る。上述したように、コントローラ１００は、ＦＰＧＡによって実現され得る。その場合、全てまたは一部の機能ブロックは、ハードウェアで実現され得る。また、複数のＦＰＧＡを用いて処理を分散させることにより、特定のコンピュータの演算負荷を分散させることができる。その場合、図４または図５に示される機能ブロックの全てまたは一部は、その複数のＦＰＧＡに分散して実装され得る。複数のＦＰＧＡは、例えば車載のコントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）によって互いに通信可能に接続され、データの送受信を行うことができる。  
【００４１】
例えば三相通電制御において、一般的なＹ結線の結線方式のモータでは、電流の向きを考慮した三相の巻線に流れる電流の総和は電気角毎に「０」である。換言すると、電流Ｉａ、ＩｂおよびＩｃの総和はゼロになる関係が満たされる。モータＭのＵ相の巻線に流れる電流をＩａと表記し、モータＭのＶ相の巻線に流れる電流をＩｂと表記し、モータＭのＷ相の巻線に流れる電流をＩｃと表記する。  
【００４２】
コントローラ１００（例えばコア）は、電流Ｉａ、ＩｂおよびＩｃのうちの２つの電流を受け取って残りの１つの電流を演算により求める。本実施形態では、コントローラ１００は、電流センサ４００Ａで測定された電流Ｉａおよび電流センサ４００Ｂで測定された電流Ｉｂを取得する。コントローラ１００は、電流Ｉａ、ＩｂおよびＩｃの総和はゼロになる上記関係を用いて、電流Ｉａ、Ｉｂに基づいて電流Ｉｃを演算する。３つの電流センサを用いて測定された電流Ｉａ、ＩｂおよびＩｃがコントローラ１００に入力されてもよい。  
【００４３】
コントローラ１００は、ベクトル制御などに用いられるいわゆるクラーク変換を用いて、電流Ｉａ、ＩｂおよびＩｃを、αβ固定座標系における、α軸上の電流Ｉαおよびβ軸上の電流Ｉβに変換することができる。ここで、αβ固定座標系は静止座標系である。三相のうちの一相の方向（例えばＵ相方向）がα軸であり、α軸と直交する方向がβ軸である。  
【００４４】
コントローラ１００は、さらに、クラーク変換を用いて、リファレンス電圧Ｖａ＊、Ｖｂ＊およびＶｃ＊を、αβ固定座標系における、α軸上のリファレンス電圧Ｖα＊およびβ軸上のリファレンス電圧Ｖβ＊に変換する。リファレンス電圧Ｖａ＊、Ｖｂ＊およびＶｃ＊は、インバータ３００の各スイッチ素子を制御するための上述したＰＷＭ信号を表す。  
【００４５】
例えば、電流Ｉα、Ｉβ、リファレンス電圧Ｖα＊およびＶβ＊を求める演算は、コントローラ１００のモータ制御ユニット１２０によっても実行され得る。その場合、電流Ｉα、Ｉβ、リファレンス電圧Ｖα＊およびＶβ＊を、回転数演算ユニット１１０に入力するようにしてもよい。  
【００４６】
逆起電力演算ユニット１１１は、電流Ｉα、Ｉβ、リファレンス電圧Ｖα＊およびＶβ＊に基づくα軸上の逆起電力成分ＢＥＭＦαおよびβ軸上の逆起電力成分ＢＥＭＦβを、下記の式（１）および（２）に基づいて演算する。これにより、逆起電力成分ＢＥＭＦαおよびＢＥＭＦβが獲得される。
ＢＥＭＦα＝Ｖα＊−Ｒ・Ｉα                  式（１）
ＢＥＭＦβ＝Ｖβ＊−Ｒ・Ｉβ                  式（２）
ここで、Ｒは電機子抵抗である。電機子抵抗Ｒは、例えばコントローラ１００のコアによって逆起電力演算ユニット１１１に設定される。  
【００４７】
上記の式（１）および（２）に基づいて演算される逆起電力成分ＢＥＭＦαおよびＢＥＭＦβは、本来、基本波および高調波を用いて表される。ここで、高調波を除去する目的で、例えばコントローラ１００が有する汎用ローパスフィルタを用いて、逆起電力成分ＢＥＭＦαおよびＢＥＭＦβは、一般にフィルタ処理される。この処理により、逆起電力成分ＢＥＭＦαおよびＢＥＭＦβは、式（３）および（４）に示されるように基本波のみによって表すことができる。
ＢＥＭＦα＝Ｖｍ・ｃｏｓ（ρ）        式（３）
ＢＥＭＦβ＝Ｖｍ・ｓｉｎ（ρ）        式（４）
Ｖｍ＝（ＢＥＭＦα２＋ＢＥＭＦβ２）１／２      式（５）
ここで、Ｖｍ（「ＢＥＭＦ」と表記する場合がある）は、逆起電力の大きさ（絶対値）であり、式（５）によって表される。また、ρは位相角であり、例えば式（６）に示される時間ｔの関数として表される。ωは、回転速度を示し、ρ（０）は初期位相を示す。
ρ（ｔ）＝ω・ｔ＋ρ（０）        式（６）
【００４８】
本明細書において、初期位相をゼロとする。その場合、逆起電力成分ＢＥＭＦαおよびＢＥＭＦβは、式（７）および（８）によって表すことができる。    ＢＥＭＦα＝Ｖｍ・ｃｏｓ（ω・ｔ）        式（７）
ＢＥＭＦβ＝Ｖｍ・ｓｉｎ（ω・ｔ）        式（８）
【００４９】
逆起電力演算ユニット１１１は、逆起電力成分ＢＥＭＦαを、時間微分ユニット１１２＿１および二乗ユニット１１３＿３に出力する。逆起電力演算ユニット１１１は、逆起電力成分ＢＥＭＦβを、時間微分ユニット１１２＿２および二乗ユニット１１３＿４に出力する。  
【００５０】
時間微分ユニット１１２＿１は、式（７）によって表される逆起電力成分ＢＥＭＦαを時間微分する。式（７）のＢＥＭＦαを時間微分すると、式（９）が得られる。ここで、「’」は時間微分の演算子を表す。
ＢＥＭＦα’＝−ω・Ｖｍ・ｓｉｎ（ω・ｔ）        式（９）
【００５１】
時間微分ユニット１１２＿２は、式（８）によって表される逆起電力成分ＢＥＭＦβを時間微分する。式（８）のＢＥＭＦβを時間微分すると、式（１０）が得られる。
ＢＥＭＦβ’＝ω・Ｖｍ・ｃｏｓ（ω・ｔ）        式（１０）
【００５２】
二乗ユニット１１３＿１は、逆起電力成分ＢＥＭＦαの時間微分値ＢＥＭＦα’を二乗して第１乗算値を求める。第１乗算値は式（１１）によって表される。二乗ユニット１１３＿２は、逆起電力成分ＢＥＭＦβの時間微分値ＢＥＭＦβ’を二乗して第２乗算値を求める。第２乗算値は式（１２）によって表される。加算器１１４＿１は、第１乗算値と第２乗算値とを加算する。
（ＢＥＭＦα’）２＝ω２・Ｖｍ２・ｓｉｎ２（ω・ｔ）        式（１１）
（ＢＥＭＦβ’）２＝ω２・Ｖｍ２・ｃｏｓ２（ω・ｔ）        式（１２）
【００５３】
平方根ユニット１１５＿１は、加算器１１４＿１の加算値の平方根を演算する。平方根の値は、式（１３）によって表される。
〔（ＢＥＭＦα’）２＋（ＢＥＭＦβ’）２〕１／２＝ω・Ｖｍ    式（１３）
【００５４】
二乗ユニット１１３＿３は、逆起電力成分ＢＥＭＦαを二乗する。二乗した値は式（１４）で表される。二乗ユニット１１３＿４は、逆起電力成分ＢＥＭＦβを二乗する。二乗した値は式（１５）によって表される。
（ＢＥＭＦα）２＝Ｖｍ２・ｃｏｓ２（ω・ｔ）        式（１４）
（ＢＥＭＦβ）２＝Ｖｍ２・ｓｉｎ２（ω・ｔ）        式（１５）
【００５５】
加算器１１４＿２は、逆起電力成分ＢＥＭＦαを二乗した値と、逆起電力成分ＢＥＭＦβを二乗した値とを加算する。平方根ユニット１１５＿２は、加算器１１４＿２の加算値の平方根を演算する。平方根の値は、式（１６）によって表される。逆起電力成分ＢＥＭＦαおよび逆起電力成分ＢＥＭＦβに基づいて、αβ固定座標系における逆起電力の絶対値が求まる。
（ＢＥＭＦα２＋ＢＥＭＦβ２）１／２＝Ｖｍ        式（１６）
【００５６】
回転数演算ユニット１１０は、平方根ユニット１１５＿１の平方根の値と逆起電力の絶対値とに基づいて、モータＭのロータの回転速度および回転数の少なくとも一方を求めることができる。  
【００５７】
除算器１１６は、平方根ユニット１１５＿１の出力を、平方根ユニット１１５＿２の出力（逆起電力の絶対値）で除算する。除算値は、式（１７）に示される回転速度を表す。
ω・Ｖｍ／Ｖｍ＝ω        式（１７）
【００５８】
回転数演算ユニット１１７は、除算器１１６から出力される回転速度ωからロータの回転数ｆ（ｒｐｓ）を演算する。回転速度ωおよび回転数ｆの関係は式（１８）に示されるとおりである。
ｆ＝ω／２π        式（１８）
【００５９】
回転数演算ユニット１１０は、回転速度および回転数の少なくとも一方をモータ電流に基づいて推定することが可能であり、それらをモータ制御ユニット１２０に出力する。例えば、モータ制御システムにおいて回転数の情報が不要な場合、回転数演算ユニット１１７は必須ではない。回転速度および回転数の情報は、例えば、ベクトル制御における各種のフィルタ処理などにも利用される。  
【００６０】
モータ制御ユニット１２０は、回転数演算ユニット１１０により推定された回転速度および回転数の少なくとも一方に基づいてモータを制御する。例えば、モータ制御ユニット１２０は、回転数を用いてセンサレス制御によってモータＭを制御することができる。モータ制御ユニット１２０は、例えば一般的なベクトル制御に必要な演算を行う。なお、ベクトル制御は周知の技術であるので、その制御についての詳細な説明は省略する。  
【００６１】
本実施形態によると、モータ電流に基づいてロータの回転速度および回転数を推定することができる。位置センサを利用しないセンサレス制御が可能となるので、位置センサの故障、およびハードウェアの追加によるシステムコストの増大などを抑制することが可能となる。また、ロータの回転速度および回転数を推定するための演算が簡素化されるため、メモリコストを低減することができる。  
【００６２】
位置センサを用いるモータ制御（「センサ制御」と表記する。）のシステムにおいて、位置センサが、例えば外部からの何らかの衝撃によって破損した場合、そのセンサの出力に基づいてロータの回転速度を取得することは不可能となる。一方で、位置センサが故障した場合、モータ制御を、センサ制御からセンサレス制御に切替えることが可能である。そのセンサレス制御に、本開示によるロータの回転数の推定手法を適用することにより、位置センサが故障した場合でも、モータ制御を継続することが可能となる。  
【００６３】
以下に、本開示によるロータの回転数の推定に用いられるアルゴリズムの妥当性を、ｄＳＰＡＣＥ社の”ラピッドコントロールプロトタイピング（ＲＣＰ）システム”およびＭａｔｈＷｏｒｋｓ社のＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋを用いて検証した結果を示す。この検証には、ベクトル制御により制御を受ける表面磁石型（ＳＰＭ）モータのモデルが用いられた。表１には、検証時の各種システムパラメータの値が示される。  
【００６４】
【表１】
2018173587.tif 000003
【００６５】
ロータの回転方向は、一般に正転方向および逆転方向である。本明細書では、負荷側から見て、ロータがシャフトの軸回りを反時計回りに回転する方向を「正転方向」と呼び、ロータがシャフトの軸回りを時計回りに回転する方向を「逆転方向」と呼ぶこととする。当然に、正転および逆転方向は、製品仕様毎に異なって定義され得る。  
【００６６】
先ず、ロータが正転方向に高速で回転しているときに取得されたシミュレーション結果を説明する。例えばＥＰＳシステムを想定した場合、正転方向への回転に対し、高速度の範囲は、例えば２６．２ｒｐｓ以上であり得る。  
【００６７】
図６は、所定期間（０秒から０．２５秒）内のモータの実際の回転数（ｒｐｓ）の波形を示す。図７は、所定期間内のロータ角の波形を示す。図８は、所定期間内の、逆起電力ＢＥＭＦαの波形（上）、逆起電力ＢＥＭＦβの波形（中間）、および、逆起電力の大きさＶｍの波形（下）を示す。図９は、本開示による回転数の推定手法により推定された、所定期間内のモータの回転数（ｒｐｓ）の波形を示す。図６から図９の横軸は時間（秒）を示す。図６および図９の縦軸は、回転数（ｒｐｓ）を示す。図７の縦軸は、ロータ角（度）を示す。図８の縦軸は、電圧（Ｖ）を示す。  
【００６８】
図６から図９は、ロータが正転方向に高速（３０ｒｐｓ）で回転しているときに取得された各種の波形を示す。  
【００６９】
図９の結果は、回転数演算ユニット１１０が、ロータの回転数（３０ｒｐｓ）を取得したことを意味する。図６および図９を比較すると、ロータが正転方向に高速で回転しているとき、ロータの実際の回転数に近い値を正しく推定できていることが分かる。なお、図６に示される実際の回転数の波形には、ノイズが重畳されている。  
【００７０】
次に、ロータが逆転方向に高速で回転しているときに取得されたシミュレーション結果を説明する。例えばＥＰＳシステムを想定した場合、逆転方向への回転に対し、高速度の範囲は、例えば−２６．２ｒｐｓ以下であり得る。
【００７１】
図１０は、所定期間（０秒から０．２５秒）内のモータの実際の回転数（ｒｐｓ）の波形を示す。図１１は、所定期間内のロータ角の波形を示す。図１２は、所定期間内の、逆起電力ＢＥＭＦαの波形（上）、逆起電力ＢＥＭＦβの波形（中間）、および、逆起電力の大きさＶｍの波形（下）を示す。図１３は、本開示による回転数の推定手法により推定された、所定期間内のモータの回転数（ｒｐｓ）の波形を示す。図１０から図１３の横軸は時間（秒）を示す。図１０および図１３の縦軸は、回転数（ｒｐｓ）を示す。図１１の縦軸は、ロータ角（度）を示す。図１２の縦軸は、電圧（Ｖ）を示す。  
【００７２】
図１０から図１３は、ロータが逆転方向に高速（−３０ｒｐｓ）で回転しているときに取得された各種の波形を示す。図１０および図１３には、モータの回転数の絶対値が示される。  
【００７３】
図１３の結果は、回転数演算ユニット１１０が、ロータの回転数（−３０ｒｐｓ）を取得したことを意味する。図１０および図１３を比較すると、ロータが逆転方向に高速で回転しているとき、ロータの実際の回転数に近い値を正しく推定できていることが分かる。  
【００７４】
次に、ロータが正転方向に低速で回転しているときに取得されたシミュレーション結果を説明する。例えばＥＰＳシステムを想定した場合、正転方向への回転に対し、低速度の範囲は、例えば０．０ｒｐｓ超２６．２ｒｐｓ未満であり得る。  
【００７５】
図１４は、所定期間（０秒から０．２５秒）内のモータの実際の回転数（ｒｐｓ）の波形を示す。図１５は、所定期間内のロータ角の波形を示す。図１６は、所定期間内の、逆起電力ＢＥＭＦαの波形（上）、逆起電力ＢＥＭＦβの波形（中間）、および、逆起電力の大きさＶｍの波形（下）を示す。図１７は、本開示による回転数の推定手法により推定された、所定期間内のモータの回転数（ｒｐｓ）の波形を示す。図１４から図１７の横軸は時間（秒）を示す。図１４および図１７の縦軸は、回転数（ｒｐｓ）を示す。図１５の縦軸は、ロータ角（度）を示す。図１６の縦軸は、電圧（Ｖ）を示す。  
【００７６】
図１４から図１７は、ロータが正転方向に低速（１６ｒｐｓ）で回転しているときに取得された各種の波形を示す。  
【００７７】
図１７の結果は、回転数演算ユニット１１０が、ロータの回転数（１６ｒｐｓ）を取得したことを意味する。図１４および図１７を比較すると、ロータが正転方向に低速で回転しているとき、ロータの実際の回転数に近い値を正しく推定できていることが分かる。  
【００７８】
最後に、ロータが逆転方向に低速で回転しているときに取得されたシミュレーション結果を説明する。例えばＥＰＳシステムを想定した場合、逆転方向への回転に対し、低速度の範囲は、例えば−２６．２ｒｐｓ超０．０ｒｐｓ未満であり得る。  
【００７９】
図１８は、所定期間（０秒から０．２５秒）内のモータの実際の回転数（ｒｐｓ）の波形を示す。図１９は、所定期間内のロータ角の波形を示す。図２０は、所定期間内の、逆起電力ＢＥＭＦαの波形（上）、逆起電力ＢＥＭＦβの波形（中間）、および、逆起電力の大きさＶｍの波形（下）を示す。図２１は、本開示による回転数の推定手法により推定された、所定期間内のモータの回転数（ｒｐｓ）の波形を示す。図１８から図２１の横軸は時間（秒）を示す。図１８および図２１の縦軸は、回転数（ｒｐｓ）を示す。図１９の縦軸は、ロータ角（度）を示す。図２０の縦軸は、電圧（Ｖ）を示す。  
【００８０】
図１８から図２１は、ロータが逆転方向に低速（−１６ｒｐｓ）で回転しているときに取得された各種の波形を示す。図１８および図２１には、モータの回転数の絶対値が示される。  
【００８１】
図２１の結果は、回転数演算ユニット１１０が、ロータの回転数（−１６ｒｐｓ）を取得したことを意味する。図１８および図２１を比較すると、ロータが逆転方向に低速で回転しているとき、ロータの実際の回転数に近い値を正しく推定できていることが分かる。  
【００８２】
以上のシミュレーション結果から、本開示のロータの回転数の推定手法によれば、起動時を含む低速駆動から高速駆動までの広範囲にわたって、ロータの回転数を正しく推定できることが分かる。  
【００８３】
（実施形態２）
図２２は、本実施形態によるＥＰＳシステム２０００の典型的な構成を模式的に示す。
【００８４】
自動車等の車両は一般に、ＥＰＳシステムを有する。本実施形態によるＥＰＳシステム２０００は、ステアリングシステム５２０、および補助トルクを生成する補助トルク機構５４０を有する。ＥＰＳシステム２０００は、運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリングシステムの操舵トルクを補助する補助トルクを生成する。補助トルクにより、運転者の操作の負担は軽減される。  
【００８５】
ステアリングシステム５２０は、例えば、ステアリングハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、回転軸５２４、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを有する。  
【００８６】
補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、自動車用電子制御ユニット（ＥＣＵ）５４２、モータ５４３および減速機構５４４を有する。操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングシステム５２０における操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は、操舵トルクセンサ５４１の検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータ５４３は、駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成する。モータ５４３は、減速機構５４４を介してステアリングシステム５２０に、生成した補助トルクを伝達する。  
【００８７】
ＥＣＵ５４２は、例えば、実施形態１によるコントローラ１００および駆動回路２００などを有する。自動車ではＥＣＵを核とした電子制御システムが構築される。ＥＰＳシステム２０００では、例えば、ＥＣＵ５４２、モータ５４３およびインバータ５４５によって、モータ制御システムが構築される。そのモータ制御システムとして、実施形態１によるモータ制御システム１０００を好適に用いることができる。  
【００８８】
本開示の実施形態は、ロータの回転数の検出能力が求められる、シフトバイワイヤ、ステアリングバイワイヤ、ブレーキバイワイヤなどのエックスバイワイヤおよびトラクションモータなどのモータ制御システムにも好適に用いられる。  
【００８９】
例えば、本開示の実施形態によるモータ制御システムは、日本政府および米国運輸省道路交通安全局（ＮＨＴＳＡ）によって定められたレベル０から４（自動化の基準）に対応した自動運転車に搭載され得る。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本開示の実施形態は、掃除機、ドライヤ、シーリングファン、洗濯機、冷蔵庫および電動パワーステアリングシステムなどの、各種モータを有する多様な機器に幅広く利用され得る。
【符号の説明】
【００９１】
１００：コントローラ、  １１０：回転数演算ユニット、１２０：モータ制御ユニット、２００：駆動回路、３００：インバータ、４００、４００Ａ、４００Ｂ：電流センサ、５００：ＡＤコンバータ、６００：ＲＯＭ、７００：位置センサ、１０００：モータ制御システム、２０００：ＥＰＳシステム
【図１】
2018173587.tif 000004
【図２】
2018173587.tif 000005
【図３】
2018173587.tif 000006
【図４】
2018173587.tif 000007
【図５】
2018173587.tif 000008
【図６】
2018173587.tif 000009
【図７】
2018173587.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2018173587.tif 000016
【図１４】
2018173587.tif 000017
【図１５】
2018173587.tif 000018
【図１６】
2018173587.tif 000019
【図１７】
2018173587.tif 000020
【図１８】
2018173587.tif 000021
【図１９】
2018173587.tif 000022
【図２０】
2018173587.tif 000023
【図２１】
2018173587.tif 000024
【図２２】
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【国際調査報告】
2018173587.tif 000026
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