(57)【要約】【課題】速度域による検出精度のばらつきを低減するモータ速度検出方法及び上記モータ速度検出方法を用いたモータ速度制御方法を提供する。【解決手段】モータ速度検出方法は、所定時間の間にホールセンサ４が出力する信号のエッジ数に基づき、所定時間経過毎の回転子１ａの角速度を検出するステップと、所定時間をさらに細かい時間周期に分割し、所定時間内における時間周期経過毎の回転子１ａの角速度を推定するステップとを含む。回転子１ａの角速度を推定するステップでは、推定すべき回転子１ａの角速度と、モータ１の発生トルクと、推定すべき回転子１ａの角速度に対応する時間周期の直前での回転子１ａの角速度に基づいたモータ１におけるロストルクとの関係に基づき、回転子１ａの角速度が推定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子の回転を検知するホールセンサを用いたモータのモータ速度検出方法において、
所定時間の間に前記ホールセンサが出力する信号のエッジ数に基づき、前記所定時間経過毎の前記回転子の角速度を算出するステップ
を含むことを特徴とするモータ速度検出方法。
【請求項２】
前記所定時間をさらに細かい時間周期に分割し、前記所定時間内における前記時間周期経過毎の前記回転子の角速度を推定するステップと
を含み、
前記回転子の角速度を推定するステップでは、
推定すべき前記回転子の角速度と、前記モータの発生トルクと、推定すべき前記回転子の角速度に対応する前記時間周期の直前での前記回転子の角速度に基づいた前記モータにおけるロストルクとの関係に基づき、前記回転子の角速度が推定される
ことを特徴とする請求項１記載のモータ速度検出方法。
【請求項３】
前記モータの発生トルクは、前記モータへの供給電流に比例するものとして算出され、
前記モータにおけるロストルクは、前記回転子の角速度に比例するものとして算出される請求項２に記載のモータ速度検出方法。
【請求項４】
前記回転子の角速度を推定するステップでは、前記モータの発生トルクと前記モータにおけるロストルクとを要素として含む前記モータの回転運動の運動方程式を前記時間周期毎に積分する請求項２または３に記載のモータ速度検出方法。
【請求項５】
請求項１記載のモータ速度検出方法により算出された前記回転子の第１角速度を用いて前記モータの速度を制御する
ことを特徴とするモータ速度制御方法。
【請求項６】
請求項２記載のモータ速度検出方法により推定された前記回転子の第２角速度をさらに用いて前記モータの速度を制御する
ことを特徴とする請求項５記載のモータ速度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モータ速度検出方法及び上記モータ速度検出方法を用いたモータ速度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの回転速度を検出する方法として、位置検出センサであるホールセンサを用いて検出する方法がある。例えば、特許文献１には、三相ブラシレスモータの回転数を、３つのホールセンサを用いて検出する方法が記載されている。ブラシレスモータでは、固定子に三相の巻線が設けられ、回転子に永久磁石が設けられている。３つのホールセンサは、回転子の回転軸を中心とする円周上に電気角１２０度の位相差で配置されている。各ホールセンサで検出される信号変化（エッジ）の計算が、各ホールセンサから出力されるパルス状のホールセンサ信号の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジの両方を用いて行われる。これにより、ホールセンサ信号の立ち上がりエッジ間による回転子１回転の周期うちの半周期の時間間隔が求められ、半周期の時間間隔に基づいてモータの回転数としての角速度が求められる。そして、３つのホールセンサから得られるモータ回転数のうちの最新の回転数に基づき、モータの制御が実施される。これにより、回転数を計算する周期が１／６周期となり、各ホールセンサの取り付け位置のばらつきに起因する回転数の計算誤差を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６４９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されるモータの回転数の検出方法では、ホールセンサ信号のエッジ間の時間からモータの回転数が計算されている。モータの低速域では、エッジ間隔が長くなり、回転数の更新周期が長くなる。一方、モータの高速域では、エッジ間隔が短くなるため、検出される回転数の精度が悪化する。つまり、モータの速度域によって、回転数の検出精度にばらつきが生じる。特許文献１では、各ホールセンサからのホールセンサ信号における半周期の時間間隔でモータの回転数を計算しているため、各ホールセンサから検出される回転数の精度に、モータの速度域に応じてばらつきが生じる。
【０００５】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、速度域による検出精度のばらつきを低減するモータ速度検出方法及び上記モータ速度検出方法を用いたモータ速度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、この発明に係るモータ速度検出方法は、回転子の回転を検知するホールセンサを用いたモータのモータ速度検出方法において、所定時間の間にホールセンサが出力する信号のエッジ数に基づき、所定時間経過毎の回転子の角速度を算出するステップを含む。
【０００７】
また、この発明に係るモータ速度制御方法は、上記モータ速度検出方法により算出された回転子の第１角速度を用いてモータの速度を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係るモータ速度検出方法及び上記モータ速度検出方法を用いたモータ速度制御方法によれば、モータの速度域による速度検出精度のばらつきを低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明を用いたモータの速度を検出しモータを制御する制御部のブロックである。
【図２】ホールセンサによって出力される信号の一例を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態に係るモータ速度検出方法及びモータ速度制御方法について添付図面に基づいて説明する。
図１は本発明を用いたモータの速度を検出しモータを制御する制御部のブロックを示し、図２はホールセンサによって出力される信号の一例を示す波形図である。図１のモータ１は、永久磁石を含む回転子１ａと、三相巻線を含む固定子１ｂとを備える三相交流モータである。モータ１には、インバータ２を介して直流電源３が接続されている。インバータ２は、直流電源３からの直流電力を三相交流電力に変換してモータ１に供給する。
【００１１】
モータ１の固定子１ｂには、位置検出センサであるホールセンサ４が取り付けられている。ホールセンサ４は、回転する回転子１ａの永久磁石の磁界変化を検知して信号として出力する。ホールセンサ４の出力信号は、図２に示すようなパルス波形であり、その周波数は回転子１ａの回転速度に比例している。出力信号は、信号レベルがＬレベルからＨレベルに切り替わる立ち上がりエッジＥ１と、信号レベルがＨレベルからＬレベルに切り替わる立ち下がりエッジＥ２とを含んでいる。ホールセンサ４は、その出力信号をモータ１の制御部５に送る。
【００１２】
制御部５は、ホールセンサ４の出力信号に基づきインバータ２の動作を制御して、モータ１への電力供給を調節する。すなわち、制御部５は、ホールセンサ４の出力信号に基づきモータ１の回転駆動を制御する。
【００１３】
制御部５は、信号検出部５１、タイマ５２、演算部５３、電流検出部５４及び指令部５５を有している。
【００１４】
信号検出部５１は、ホールセンサ４の出力信号を受け取り、その出力信号の立ち上がりエッジＥ１及び立ち下がりエッジＥ２を検出する。また、信号検出部５１は、エッジＥ１，Ｅ２を検出する毎に演算部５３に通知する。なお、本実施の形態では、回転子１ａが１回転する間、立ち上がりエッジＥ１及び立ち下がりエッジＥ２がそれぞれ１２回ずつ検出され、２４回のエッジの検出が信号検出部５１から演算部５３に通知される。
【００１５】
タイマ５２は、時間を計測する。
演算部５３は、所定時間当たりに信号検出部５１が検出するエッジ数をカウントし、カウントしたエッジ数に基づき、回転子１ａの回転数つまり角速度を求める。後に詳しく説明するように、演算部５３が求める角速度には、所定時間当たりのエッジ数から算出される第１角速度と、所定時間をより細かい周期に分割した際にそれらの周期毎に推定される第２角速度とが含まれる。
【００１６】
電流検出部５４は、インバータ４からモータ１に供給される電流値を検出する。
指令部５５は、演算部５３によって求められた角速度と電流検出部５４によって検出された電流値とに基づき、回転子１ａの角速度を目標とする角速度とするようにインバータ４からモータ１への電力供給を調節する。
【００１７】
演算部５３が回転子１ａの角速度を求める方法を以下に説明する。
【００１８】
＜第１角速度について＞
タイマ５２は、回転子１ａの回転中、つまり固定子１ｂへ電力が供給されている間、経過時間を計測し、所定時間ｔｐ経過毎に、演算部５３に通知する。なお、本実施の形態では、所定時間ｔｐを０．１秒として説明する。
【００１９】
演算部５３は、所定時間ｔｐの間に、信号検出部５１から通知されたホールセンサ４の出力信号のエッジ数Ｎｅをカウントする。
また、演算部５３は、カウントしたエッジ数Ｎｅに基づき、回転子１ａの角速度ω（ω＝ｄθ／ｄｔ、θは回転角度；ωの単位：ｒａｄ／ｓｅｃ）を算出する（第１角速度）。回転子１ａの角速度ωは、以下の式に基づき算出される。
ω＝２πＮｅ／（Ｎｅｒ・ｔｐ）＝２πＮｅ／（２４×０．１）＝５πＮｅ／６
なお、Ｎｅｒは、回転子１ａが１回転する間にカウントされるエッジ数であり、本実施の形態では２４である。
【００２０】
上述のようにして、演算部５３は、ホールセンサ４の出力信号のエッジ数に基づき、所定時間ｔｐである０．１秒経過毎に回転子１ａの角速度ωを算出する（第１角速度）。このとき、回転子１ａの角速度が新たに算出される角速度に更新される周期は０．１秒であり、更新頻度は１０Ｈｚである。
【００２１】
＜第２角速度について＞
演算部５３は、角速度の更新周期を短縮するために、０．１秒間をさらに細かい周期Ｔに分割し、分割した各周期経過後の角速度を推定する。本実施の形態では、演算部５３は、０．１秒間を１／２０００毎に分割し、０．５×１０−４秒の更新周期Ｔの角速度を推定することとする。つまり、更新頻度を２０ｋＨｚとして演算部５３が角速度を推定することとする。
【００２２】
演算部５３は、角速度の推定に際し、以下の式１に示されるモータ１の回転運動の運動方程式を用いる。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
式１において、Ｊは、モータ１の回転力であり、ｄ２θ／ｄｔ２は、回転子１ａの角加速度である。ＫＴは、トルク定数であり、Ｉは、インバータ４からモータ１の固定子１ｂに供給される電流値である。そして、ＫＴＩは、モータ１の発生トルクを示す。Ｌは、モータ１のロストルクを示す。モータ１が発生したトルクが全て、回転力に変わるわけでなく、ロストルクが発生する。このため、モータ発生トルクＫＴＩからロストルクＬを減じている。ロストルクＬは、回転子１ａの角速度に比例し、Ｌ＝Ｍ｜ω｜となる。なお、Ｍは、回転子１ａのイナーシャに応じて定められる係数である。
よって、式１は、以下の式２のように変換できる。
【００２５】
【数２】
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【００２６】
そして、演算部５３は、式２に対して、周期Ｔの間、すなわち０．５×１０−４秒間の積分を行うことで、周期Ｔ毎に回転子１ａの角速度を推定する（第２角速度）。
【００２７】
以下、角速度の推定についてより具体的に説明する。
タイマ５２が０．１秒経過毎に示す時刻のうちの時刻ｔ１を計測したとき、時刻ｔ１−０．１から時刻ｔ１までの間におけるホールセンサ４の出力信号のエッジ数に基づき演算部５３が算出した回転子１ａの角速度をω１とする。また、時刻ｔ１でのインバータ４によるモータ１への供給電流値をＩ１とする。この時、演算部５３は、時刻ｔ１から０．１秒経過するまでの間における０．５×１０−４秒経過毎の回転子１ａの角速度を以下のように推定する。
【００２８】
まず、演算部５３は、時刻ｔ１から時刻ｔ１＋０．５×１０−４まで、つまり時刻ｔ１から時刻ｔ１＋Ｔまでの間について、以下の式３に示すような積分を行う。式３は、ω１及びＩ１が代入された式２を時刻ｔ１から時刻ｔ１＋Ｔまで時間積分したものである。
【００２９】
【数３】
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【００３０】
式３において、左辺は、時刻ｔ１＋Ｔにおける角速度の推定値ωＴ（時刻ｔ１＋Ｔにおける第２角速度）である。時刻ｔ１＋Ｔにおける角速度の推定値ωＴは、式３を変形した以下の式４によって表される。
ωＴ＝（ＫＴＩ１−Ｍ｜ω１｜）・Ｔ／Ｊ            （式４）
【００３１】
また、演算部５３は、時刻ｔ１＋Ｔにおける角速度の推定値ωＴを用いて、時刻ｔ１＋Ｔから時刻ｔ１＋２Ｔまでの間について、以下の式５に示すような積分を行う。式５は、先の角速度の推定値ωＴ及びＩ１が代入された式２を時刻ｔ１＋Ｔから時刻ｔ１＋２Ｔまで時間積分したものである。
【００３２】
【数４】
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【００３３】
なお、式５では、インバータ４によるモータ１への供給電流値がＩ１のままとされている。これは、時刻ｔ１＋Ｔについて推定した角速度ωＴに基づき、回転子１ａが目標となる角速度となるようにモータ１への供給電流値が指令部５５によって調節されるが、実際の供給電流値には時間遅れが発生するためである。この供給電流値Ｉ１は、時刻ｔ１から０．１秒経過するまでの間、角速度の推定に使用される。
【００３４】
時刻ｔ１＋２Ｔにおける推定角速度ω２Ｔは、式５を変形した以下の式６によって表される。
ω２Ｔ＝（ＫＴＩ１−Ｍ｜ωＴ｜）・Ｔ／Ｊ            （式６）
【００３５】
よって、時刻ｔ１＋ｎＴと時刻ｔ１＋（ｎ＋１）Ｔとにおける推定角速度の関係は、以下の式７のようになる。式７では、ロストルクの要素Ｍ｜ω｜のうちの変数｜ω｜に、時刻ｔ１＋ｎＴについて推定した推定角速度を適用することによって、時刻ｔ１＋（ｎ＋１）Ｔにおける推定角速度が求まる。
ω（ｎ＋１）Ｔ＝（ＫＴＩ１−Ｍ｜ωｎＴ｜）・Ｔ／Ｊ            （式７）
【００３６】
演算部５３は、式７を繰り返し用いて計算することによって、時刻ｔ１＋３Ｔ、ｔ１＋４Ｔ、ｔ１＋５Ｔ、・・・・、ｔ１＋ｎＴ、・・・・、ｔ１＋０．１における推定角速度ω３Ｔ、ω４Ｔ、ω５Ｔ、・・・・、ωｎＴ、・・・・、ω０．１を算出する。
【００３７】
指令部５５は、ホールセンサ４の出力信号のエッジ数に基づき演算部５３が算出した回転子１ａの角速度ω１と、演算部５３が推定した角速度ωＴ、ω２Ｔ、ω３Ｔ、・・・・、ωｎＴ、・・・・とに基づき、回転子１ａの角速度が目標角速度となるように、インバータ４によるモータ１への供給電流値を調節する。指令部５５は、上記の各時刻に対して推定した推定角速度を速度フィーバックとして使用して、回転子１ａの角速度を制御する。
【００３８】
指令部５５は、角速度ω１、ωＴ、ω２Ｔ、ω３Ｔ、・・・・、ωｎＴを個々に使用してもよいが、所定数の角速度の平均値を使用してもよい。所定数の角速度を使用する場合、所定数の角速度が得られるまでは個々の角速度が使用され、所定数の角速度が得られた後に所定数の角速度の平均値が使用され得る。平均値の算出に使用される所定数の角速度は、最も新しく求められた角速度から求められた順に選定され得る。例えば、最も新しく求められた角速度をωｍｎとし、ωｍｎから１つ及び２つ前に求められた角速度をωｍｎ−１及びωｍｎ−２とし、平均値の算出に使用される角速度の数を３とした場合、ωｍｎ、ωｍｎ−１及びωｍｎ−２の３つの角速度が使用される。すなわち、平均値の算出に使用される角速度が時間の経過とともに順次更新され得る。
【００３９】
このようなモータ速度検出方法及びモータ速度制御方法では、回転子１ａの角速度が、所定時間の間にホールセンサ４の出力信号のエッジ数に基づき算出されている。このため、回転子１ａが低速域で回転されていようと高速域で回転されていようと、ホールセンサ４の検出結果を用いた角速度の更新周期が一様であり、それにより、検出される角速度の精度も一様になる。すなわち、速度域による検出精度のばらつきを低減できる。
【００４０】
また、検出された角速度に基づき、所定時間をさらに細かい時間周期に分割し、所定時間内における時間周期毎に角速度が推定されるため、角速度の更新周期が短縮される。これにより、短周期で更新される角速度に基づいて、回転子１ａの回転が制御されるため、回転子１ａの回転制御の速度応答性が向上する。
【００４１】
さらに、モータの発生トルクがモータへの供給電流に比例するものとして算出され、モータにおけるロストルクが回転子の角速度に比例するものとして算出されるので、より精度良く角速度を推定することができる。
【００４２】
さらにまた、回転子の角速度を推定するステップにおいて、モータの発生トルクと記モータにおけるロストルクとを要素として含むモータの回転運動の運動方程式を時間周期毎に積分するので、より精度良く角速度を推定することができる。
【００４３】
なお、実施の形態では、時刻ｔ１から時刻ｔ１＋０．１までの間の角速度の推定の際、モータ１への供給電流値をＩ１のまま一定としていたが、推定角速度で回転子１ａが回転する際の供給電流値を推定し、推定した電流値を式７に使用するようにしてもよい。
【００４４】
また、実施の形態では、回転子１ａの角速度をパラメータとして使用していたが、回転子１ａの回転数をパラメータとして使用してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  モータ、１ａ  回転子、４  ホールセンサ、５  制御部。
【図１】
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【図２】
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