(57)【要約】【課題】簡素な構成でトルク及び回転速度を安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法を提供する。【解決手段】電動機の駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置であって、電動機の回転子と共に回転し、第１の磁界を形成するセンサマグネットと、第１の磁界及び駆動電流が形成する第２の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、合成磁界の測定値から第１の磁界を分離し、分離された第１の磁界から回転子の回転角を算出する回転角算出部と、合成磁界の測定値から第２の磁界を分離し、分離された第２の磁界から駆動電流を算出する電流算出部と、回転角算出部によって算出された回転角、電流算出部によって算出された駆動電流、及び電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御部と、を備える。【選択図】図３
2019198148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置であって、
電動機の回転子と共に回転し、第１の磁界を形成するセンサマグネットと、
前記第１の磁界及び前記駆動電流が形成する第２の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、
前記合成磁界の測定値から前記第１の磁界を分離し、分離された前記第１の磁界から前記回転子の回転角を算出する回転角算出部と、
前記合成磁界の測定値から前記第２の磁界を分離し、分離された前記第２の磁界から前記駆動電流を算出する電流算出部と、
前記回転角算出部によって算出された前記回転角、前記電流算出部によって算出された前記駆動電流、及び前記電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御部と、
を備える電動機の制御装置。
【請求項２】
前記回転角算出部及び前記電流算出部は、前記第１の磁界の周波数と前記第２の磁界の周波数の差異に基づいて、前記合成磁界の測定値から前記第１の磁界と前記第２の磁界を分離する、
請求項１に記載の電動機の制御装置。
【請求項３】
前記回転子の極対数は前記センサマグネットの極対数よりも大きく、
前記回転角算出部は、前記合成磁界の測定値から前記第１の磁界を分離するローパスフィルタを有し、
前記電流算出部は、前記合成磁界の測定値から前記第２の磁界を分離するハイパスフィルタを有し、
前記ローパスフィルタのカットオフ周波数及び前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、前記第１の磁界の周波数よりも大きく、かつ前記第２の磁界の周波数よりも小さい、
請求項２に記載の電動機の制御装置。
【請求項４】
前記磁気センサは、固定子に設定された直交座標系で表わされた前記合成磁界の互いに直交する第１の軸方向の成分及び第２の軸方向の成分をそれぞれ測定し、
前記回転角算出部は、前記第１の磁界の前記第１の軸方向の成分と前記第２の軸方向の成分の比に基づいて前記回転子の前記回転角を算出し、
前記電流算出部は、前記第２の磁界の前記第１の軸方向の成分に基づいて固定子に設定された第１の座標系で表わされた前記駆動電流の第１の軸方向の成分を算出し、前記第２の磁界の前記第２の軸方向の成分に基づいて前記第１の座標系で表わされた前記駆動電流の第２の軸方向の成分を算出し、
前記電流制御部は、前記第１の座標系に対して前記回転角で回転する第２の座標系で表わされた前記駆動電流と前記電流指令値の偏差が小さくなるように、電動機を制御する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。
【請求項５】
前記磁気センサは、前記センサマグネットと前記回転子の間に配置される、
請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機の制御装置。
【請求項６】
電動機の回転子と共に回転し、第１の磁界を形成するセンサマグネットと、
前記第１の磁界及び電動機の駆動電流が形成する第２の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、
を備え、前記駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置において、
前記合成磁界の測定値から前記第１の磁界を分離し、分離された前記第１の磁界から前記回転子の回転角を算出する回転角算出ステップと、
前記合成磁界の測定値から前記第２の磁界を分離し、分離された前記第２の磁界から前記駆動電流を算出する電流算出ステップと、
前記回転角算出ステップにおいて算出された前記回転角、前記電流算出ステップにおいて算出された前記駆動電流、及び前記電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御ステップと、
を有する電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の制御装置及び電動機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にインバータを用いた電動機は、外乱の影響を補償するためにフィードバック制御される。そのために、電動機には、駆動電流を測定するためのシャント抵抗等の電流計、及び回転子の回転角を測定するためのリゾルバ等の角度センサが設置される。
【０００３】
特許文献１には、駆動電流を測定するための電流計を省略して低コスト化した電流センサレスの電動機のフィードバック制御方法が記載されている。特許文献１に記載の電流センサレスの電動機は、電流計を省略する代わりに、インバータの電圧指令値に基づいて駆動電流の値を演算によって推定する演算装置を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の電流センサレスの電動機では、外乱が大きい場合や、電動機のトルクの変動又は回転速度の変動が大きい運転条件においては、駆動電流の推定値が実際の電流値と乖離して電動機にトルクリップルが生じたり電動機の電力効率が低下したりする。また、駆動電流を高精度に推定しようとすると演算装置の演算量が大きくなり、高性能な演算装置が必要となって電動機の制御装置が高コスト化してしまうという課題があった。
【０００６】
そこで本発明は、簡素な構成でトルク及び回転速度を安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の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】
【０００７】
本発明の一観点によれば、電動機の駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置であって、電動機の回転子と共に回転し、第１の磁界を形成するセンサマグネットと、第１の磁界及び駆動電流が形成する第２の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、合成磁界の測定値から第１の磁界を分離し、分離された第１の磁界から回転子の回転角を算出する回転角算出部と、合成磁界の測定値から第２の磁界を分離し、分離された第２の磁界から駆動電流を算出する電流算出部と、回転角算出部によって算出された回転角、電流算出部によって算出された駆動電流、及び電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御部と、を備える電動機の制御装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の別観点によれば、電動機の回転子と共に回転し、第１の磁界を形成するセンサマグネットと、第１の磁界及び電動機の駆動電流が形成する第２の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサと、を備え、駆動電流が電流指令値に追従するように電動機を制御する電動機の制御装置において、合成磁界の測定値から第１の磁界を分離し、分離された第１の磁界から回転子の回転角を算出する回転角算出ステップと、合成磁界の測定値から第２の磁界を分離し、分離された第２の磁界から駆動電流を算出する電流算出ステップと、回転角算出ステップにおいて算出された回転角、電流算出ステップにおいて算出された駆動電流、及び電流指令値に基づいて、電動機を制御する電流制御ステップと、を有する電動機の制御方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡素な構成でトルク及び回転速度を安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る電動機の制御装置によって制御される電動機の構造を模式的に示す図である。
【図２】電動機の極対数が２である場合の、回転子の回転角の一周期における駆動電流の時間変化の波形を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る電動機の制御装置の構成を、電動機と共に示す図である。
【図４】第１実施形態に係る電動機の制御装置における磁気センサの配置例を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る電動機の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態に係る電動機の制御装置における磁気センサの配置例を示す図である。
【図７】第３実施形態に係る電動機の制御装置における磁気センサの配置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、各図において同一、又は相当する機能を有するものは、同一符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。
【００１２】
本発明では、電動機の制御装置の構成を簡素化して低コスト化するために、電動機を流れる駆動電流を測定するための電流計と、電動機の回転子の回転角を測定するための角度センサとが、一つの磁気センサに統合される。この磁気センサは、電動機の回転子と共に回転するセンサマグネットが形成する第１の磁界と、電動機の駆動電流が形成する第２の磁界とを含む合成磁界を測定する。そして、本発明の電動機の制御装置は、測定された合成磁界から第１の磁界と第２の磁界を分離した後、分離された第１の磁界から回転子の回転角を算出し、分離された第２の磁界から駆動電流を算出する。
【００１３】
このような本発明の電動機の制御装置によれば、駆動電流を測定するための電流計及びその配線を省略して電動機の制御装置の構成を簡素化することができる。また、電流センサレスの電動機とは異なり、電動機の駆動電流と回転子の回転角の両方がフィードバックされるため、電動機のトルク及び回転速度が安定する。
【００１４】
［第１実施形態］
図１（ａ）は、極対数が１である場合の電動機１の構造の例を模式的に示す図である。また、図１（ｂ）は、極対数が２である場合の電動機１の構造の例を模式的に示す図である。電動機１は、固定子１１、及び回転子１２を備える。
【００１５】
固定子１１は、電動機１の固定された回転しない部分であって、典型的には内部に空間を有した円筒形状をしている。固定子１１の内壁には、三相交流の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが流される巻線１３が複数固定されている。
【００１６】
電動機１には、固定子１１に固定されたαβ座標系が第１の座標系として設定されている。α軸及びβ軸は固定子１１の中心軸と直交する面上に設定され、αβ座標系の原点は円筒形状の固定子１１の中心軸上に設定されている。図１（ａ）に示された極対数が１の電動機１では、α軸及びβ軸は互いに直交するように設定され、図１（ｂ）に示された極対数が２の電動機１では、α軸とβ軸は互いに角度４５°（＝９０°／極対数）で交差するように設定されている。αβ座標系のα軸は、駆動電流ｉｕが流れる巻線１３が配置された方向に設定される。換言すると、駆動電流ｉｕが流れる巻線１３は、αβ座標系のα軸上に配置されている。また、駆動電流ｉｖ、ｉｗが流れる巻線１３は、α軸に対してそれぞれ＋１２０°、−１２０°回転した方向に配置されている。
【００１７】
巻線１３に流される三相交流の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間変化の波形は、下式（１）で表される。ここで、ｉ０は、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの振幅の絶対値であり、θは、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの角速度ωを時間ｔで乗算して算出される位相角である。
ｉｕ＝ｉ０×ｓｉｎθ、
ｉｖ＝ｉ０×ｓｉｎ（θ−（２／３）π）、
ｉｗ＝ｉ０×ｓｉｎ（θ＋（２／３）π）    （１）
【００１８】
三相交流の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０を満たす。従って、上式（１）の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのうちの一相は、他の二相から導出することが可能である。上式（１）で表わされる駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが巻線１３に流されると、固定子１１の内部には、αβ座標系における原点を回転中心として時間的に回転する磁界Ｂ２が形成される。
【００１９】
一方、回転子１２は、典型的には円柱形状をしており、固定子１１の内部において回転自在に支持される。円柱形状の回転子１２の回転軸は、円筒形状の固定子１１の中心軸と一致している。回転子１２は永久磁石を有しており、回転子１２は固定子１１の内部において磁界Ｂ２の変化に応じて回転する。この結果、固定子１１には、トルクＴが発生する。
【００２０】
この際、回転子１２の永久磁石のＮ極とＳ極を結ぶ方向が、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの形成する磁界Ｂ２の方向と直交するように制御される場合に、固定子１１に発生するトルクＴは最大となる。回転子１２の回転軸には、固定子１１に対する回転子１２の回転角θｍを測定するためのセンサマグネット１４が固定されている。
【００２１】
また、電動機１には、回転子１２と共に回転するｄｑ座標系が第２の座標系として設定されている。ｄ軸及びｑ軸は回転子１２の回転軸と直交する面上に設定され、ｄｑ座標系の原点は回転子１２の回転軸上に設定されている。図１（ａ）に示された極対数が１の電動機１では、ｄ軸及びｑ軸は互いに直交するように設定され、図１（ｂ）に示された極対数が２の電動機１では、ｄ軸とｑ軸は互いに角度４５°（＝９０°／極対数）で交差するように設定されている。ｄｑ座標系は、αβ座標系に対して回転子１２の回転角θｍだけ回転した座標系である。ｄｑ座標系のｄ軸は、例えば、回転子１２が有する永久磁石の一つのＮ極と一つのＳ極を結ぶ方向に垂直な方向に設定される。αβ座標（ｘα、ｘβ）からｄｑ座標（ｘｄ、ｘｑ）への座標変換は、回転子１２の回転角θｍを用いて、下式（２）で表される。
ｘｄ＝  ｘα×ｃｏｓθｍ＋ｘβ×ｓｉｎθｍ、
ｘｑ＝−ｘα×ｓｉｎθｍ＋ｘβ×ｃｏｓθｍ    （２）
【００２２】
ここで、図１（ｂ）に示された極対数が２の電動機１の回転子１２は、永久磁石のＮ極とＳ極の対を二対有しており、また、固定子１１は、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが流れる巻線１３の組を二対有している。このため、図１（ｂ）に示された電動機１では、回転子１２の回転角θｍが一回転する間に、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θは二周期変化する。このように、極対数が２以上の電動機１においては、回転子１２の回転角θｍと駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θは一致しない。
【００２３】
図２は、電動機１の極対数が２である場合の、回転子１２の回転角θｍの一周期における駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間変化の波形を示す図である。図２に示された波形２０１、２０２、２０３は、それぞれ、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間変化を示している。図２の横軸は、回転子１２の回転角θｍを示しており、図２の縦軸は、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの大きさを示している。図２に示されるように、極対数が２である電動機１では、回転子１２の回転角θｍが一回転する間に、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θは二周期変化する。
【００２４】
より一般的には、極対数がＮ２である電動機１では、回転子１２の回転角θｍが一回転する間に、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θはＮ２周期変化する。回転子１２の回転角θｍは機械角と呼ばれ、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θは電気角と呼ばれる。電動機１の回転子１２の回転角θｍ（機械角）と駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θ（電気角）の関係は、下式（３）で表わされる。
駆動電流の位相角θ  ＝  極対数Ｎ２  ×  回転子の回転角θｍ    （３）
【００２５】
図３は、第１実施形態に係る電動機１の制御装置の構成を、電動機１と共に示す図である。電動機１は、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊に追従するように、本実施形態の電動機１の制御装置によってフィードバック制御される。
【００２６】
本実施形態の電動機１の制御装置は、電流指令値算出部２、電流制御部３、電動機駆動部４、及び電流測定部５を備える。なお、以下で集積回路として実現される構成要素については、一又は複数の集積回路に統合されてもよいし、一又は複数のプロセッサが予め記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって実現されてもよい。
【００２７】
電流指令値算出部２は、集積回路として実現され、外部から入力されたトルク指令値Ｔ＊に従って、トルク指令値Ｔ＊に相当するトルクＴを電動機１に発生させるために必要な電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊を算出して出力する。ここで、電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊の記号「＊」は、指令値であることを示している。具体的には、電流指令値算出部２は、例えば、予め記憶部に記憶されたトルク指令値Ｔ＊と電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊の関係を規定したテーブルを参照して、トルク指令値Ｔ＊に対応する電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊を設定する。
【００２８】
一般に、指令値である電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊は、演算負荷を軽減するために、交流を扱う必要があるｕｖｗ座標系ではなく、交流を扱う必要がないｄｑ座標系で表わされる。この際、電動機１のトルクＴは、基本的には電流指令値ｉｑ＊で制御される。電流指令値ｉｄ＊はゼロに固定される場合もあれば、高効率化又は高回転化のために非ゼロとされる場合もある。ただし、電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊は、任意の座標系で表わされることが可能であり、ｄｑ座標系だけに限定されるものではない。
【００２９】
電流制御部３は、集積回路として実現され、電流指令値算出部２から出力される電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と、後述の電流測定部５から出力される電流測定値ｉｄ、ｉｑとの偏差が小さくなるように、後段の電動機駆動部４を介して、電動機１を制御する。そのために、電流制御部３は、電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊に相当する駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを電動機１に流すために必要な電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を算出する。
【００３０】
電動機駆動部４は、電流制御部３から出力される電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊に相当する三相交流電圧を発生させ、その三相交流電圧を電動機１に印加して電動機１を駆動する。図３には、直流電圧Ｅをパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）して得られる三相交流電圧によって電動機１を駆動する場合の電動機駆動部４の例が示されている。図３に示された電動機駆動部４は、ｄｑ／ｕｖｗ変換部４１、変調部４２、及びインバータ４３を備える。
【００３１】
ｄｑ／ｕｖｗ変換部４１は、集積回路として実現され、後述の電流測定部５の回転角算出部５３から回転子１２の回転角θｍを受信し、上式（３）に従って駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θを算出する。或いは、ｄｑ／ｕｖｗ変換部４１は、回転角算出部５３から駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θを受信してもよい。そして、ｄｑ／ｕｖｗ変換部４１は、ｄｑ座標系で表わされた電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を、下式（４）に従って、ｕｖｗ座標系で表わされる三相交流電圧の指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊へ変換する。なお、下式（４）では、指令値であることを示す記号「＊」を省略している。
ｖｕ＝√（２／３）｛ｖｄ×ｃｏｓθ−ｖｑ×ｓｉｎθ｝、
ｖｖ＝√（２／３）｛ｖｄ×ｃｏｓ（θ−２π／３）−ｖｑ×ｓｉｎ（θ−２π／３）｝、
ｖｗ＝√（２／３）｛ｖｄ×ｃｏｓ（θ＋２π／３）−ｖｑ×ｓｉｎ（θ＋２π／３）｝    （４）
【００３２】
変調部４２は、集積回路として実現され、後段のインバータ４３に供給される直流電圧Ｅをスイッチング制御して、三相交流電圧の指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に応じたデューティ比を有する三相のパルス電圧をそれぞれ生成する。インバータ４３は、三相交流電圧の指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に応じたデューティ比を有する三相のパルス電圧を、電動機１に出力する。この結果、電動機１には駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが流れ、電動機１にはトルクＴが発生する。
【００３３】
電流測定部５は、電動機１の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、及び回転子１２の回転角θｍを測定する。そして、電流測定部５は、上式（３）に従って駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θを算出し、これらの値に基づいて、αβ座標系に対して回転角θｍだけ回転したｄｑ座標系で表わされた電流測定値ｉｄ、ｉｑを算出して電流制御部３に出力する。図３に示された本実施形態の電流測定部５は、磁気センサ５１、電流算出部５２、回転角算出部５３、及びαβ／ｄｑ変換部５４を備える。以下、図３及び図４を参照しながら、本実施形態の電流測定部５について詳細に説明する。
【００３４】
図４は、第１実施形態に係る電動機１の制御装置における磁気センサ５１の配置例を示す図である。前述のとおり、回転子１２の回転軸には、固定子１１に対する回転子１２の回転角θｍを測定するためのセンサマグネット１４が固定されている。図４に示された回転子１２の極対数Ｎ２は２であり、センサマグネット１４の極対数Ｎ１は１である。本実施形態では、回転子１２の極対数Ｎ２はセンサマグネット１４の極対数Ｎ１よりも大きくされる。
【００３５】
本実施形態の磁気センサ５１は、電動機１の回転子１２の回転軸の延長上において、センサマグネット１４と相対するように、電動機１の固定子１１に固定されている。磁気センサ５１が配置された位置には、センサマグネット１４が形成する第１の磁界Ｂ１と、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが形成する第２の磁界Ｂ２が重ね合わされて存在する。磁気センサ５１は、第１の磁界Ｂ１と第２の磁界Ｂ２を含む合成磁界Ｂを測定する。磁気センサ５１としては、例えばホールセンサが用いられ得る。なお、磁気センサ５１が測定する合成磁界Ｂには、第１の磁界Ｂ１及び第２の磁界Ｂ２の他にも、例えば、回転子１２の永久磁石が形成する磁界等が含まれる。
【００３６】
磁気センサ５１は、固定子１１の中心軸と直交する面上に設定されたｘｙ直交座標系において、合成磁界Ｂのｘ成分及びｙ成分を測定する。このような磁気センサ５１は、例えば、ｘ軸方向の磁界成分を測定可能な第１の磁気センサと、ｙ軸方向の磁界成分を測定可能な第２の磁気センサを、互いに重ね合わせて配置することによって実現される。或いは、磁気センサ５１として二軸測定が可能な単一の磁気センサが用いられてもよい。
【００３７】
前述のように、極対数がＮ２である電動機１においては、回転子１２の回転角θｍが一回転する間に、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θはＮ２周期変化する。従って、第２の磁界Ｂ２の周波数ｆ２は、第１の磁界Ｂ１の周波数ｆ１のＮ２倍となる。そこで、本実施形態の電流測定部５は、このような第１の磁界Ｂ１の周波数ｆ１と第２の磁界Ｂ２の周波数ｆ２の差異を利用して、合成磁界Ｂから第１の磁界Ｂ１と第２の磁界Ｂ２を分離する。
【００３８】
具体的には、電流算出部５２は、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが形成する第２の磁界Ｂ２を、合成磁界Ｂの測定値から分離するためのハイパスフィルタを有している。ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃは、下式（５）を満たすように設定される。
ｆ１＜ｆｃ＜ｆ２    （５）
【００３９】
ハイパスフィルタは、合成磁界Ｂの測定値のカットオフ周波数ｆｃ以上の信号成分を通過させるアナログフィルタであってもよく、合成磁界Ｂの測定値のカットオフ周波数ｆｃ以上の信号成分をデジタル的に分離するデジタルフィルタであってもよい。
【００４０】
ただし、電動機１の回転速度の変化に合わせて、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃを可変させるためには、ハイパスフィルタはデジタルフィルタであることが好ましい。デジタルフィルタは、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）によって実現される。この場合、電流算出部５２は、デジタルフィルタの他に、合成磁界Ｂの測定値をデジタル化するためのアナログデジタル変換部を有する。
【００４１】
具体的には、電流算出部５２は、まず、合成磁界Ｂの測定値に対してアナログデジタル変換を行う。次に、電流算出部５２は、デジタル化された合成磁界Ｂの測定値に対して高速フーリエ変換を行い、合成磁界Ｂのカットオフ周波数ｆｃ以下の周波数成分を除去した後、逆高速フーリエ変換を行う。これにより、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが形成する第２の磁界Ｂ２が、合成磁界Ｂの測定値から分離される。
【００４２】
電流算出部５２は、集積回路として実現され、ハイパスフィルタによって分離された第２の磁界Ｂ２の値から、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのαβ座標系における測定値ｉα、ｉβを、下式（６）に従って算出する。ここで、Ｂ２ｘ、Ｂ２ｙは、それぞれ、ｘｙ直交座標系で表わされた第２の磁界Ｂ２のｘ成分、ｙ成分である。また、係数Ｋαｘ、Ｋαｙ、Ｋβｘ、Ｋβｙは、巻線１３の形状、及び巻線１３と磁気センサ５１の相対配置等から決定される比例定数であって、事前に測定によって決定される。例えば、後述の第３実施形態のように、三相交流の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを測定するための専用の巻線を有する構成では、α軸の方向及びβ軸の方向をそれぞれｘ軸の方向及びｙ軸の方向に一致させることもできる。その場合、これらの係数は、係数Ｋを磁気センサ５１のゲインとして、Ｋαｘ＝Ｋβｙ＝Ｋ、Ｋαｙ＝Ｋβｘ＝０となる。
ｉα＝Ｋαｘ・Ｂ２ｘ  ＋  Ｋαｙ・Ｂ２ｙ
ｉβ＝Ｋβｘ・Ｂ２ｘ  ＋  Ｋβｙ・Ｂ２ｙ    （６）
【００４３】
同様に、回転角算出部５３は、センサマグネット１４が形成する第１の磁界Ｂ１を、合成磁界Ｂの測定値から分離するためのローパスフィルタを有している。ローパスフィルタは、合成磁界Ｂの測定値のカットオフ周波数ｆｃ以下の信号成分を通過させ、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃは、上式（５）を満たすように設定される。なお、電流算出部５２が有するハイパスフィルタの周波数と、回転角算出部５３が有するローパスフィルタのカットオフ周波数とは異なってもよい。回転角算出部５３のローパスフィルタは、電流算出部５２のハイパスフィルタと同様にして実現される。これにより、センサマグネット１４が形成する第１の磁界Ｂ１が、合成磁界Ｂの測定値から分離される。
【００４４】
回転角算出部５３は、集積回路として実現され、ローパスフィルタによって分離された第１の磁界Ｂ１の値から、回転子１２の回転角θｍを、下式（７）に従って算出し、ｄｑ／ｕｖｗ変換部４１、及び後述のαβ／ｄｑ変換部５４に出力する。ここで、Ｂ１ｘ、Ｂ１ｙは、それぞれ、第１の磁界Ｂ１のｘ成分、ｙ成分である。なお、回転角算出部５３は、回転子１２の回転角θｍを出力する代わりに、回転子１２の回転角θｍから、上式（３）に従って駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θを算出して位相角θを出力してもよい。
ｔａｎθｍ＝Ｂ１ｙ／Ｂ１ｘ    （７）
【００４５】
αβ／ｄｑ変換部５４は、集積回路として実現され、電流測定部５の回転角算出部５３から回転子１２の回転角θｍを受信し、上式（３）に従って駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θを算出する。或いは、αβ／ｄｑ変換部５４は、回転角算出部５３から駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θを受信してもよい。そして、αβ／ｄｑ変換部５４は、電流算出部５２によって算出された駆動電流の測定値ｉα、ｉβ、及び駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの位相角θに基づいて、ｄｑ座標系で表わされた電流測定値ｉｄ、ｉｑを下式（８）に従って算出する。
ｉｄ＝  ｉα×ｃｏｓθ＋ｉβ×ｓｉｎθ
ｉｑ＝−ｉα×ｓｉｎθ＋ｉβ×ｃｏｓθ    （８）
【００４６】
このような本発明の電動機１の制御装置によれば、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを測定するための電流計及びその配線を省略して電動機１の制御装置の構成を簡素化することができる。また、電流センサレスの電動機とは異なり、電動機１の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと回転子１２の回転角θｍの両方がフィードバックされるため、電動機１のトルク及び回転速度が安定する。
【００４７】
図５は、第１実施形態に係る電動機１の制御方法を示すフローチャートである。本実施形態の電動機１の制御装置は、電動機１の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊に追従するように、下記のステップＳ１〜ステップＳ６の処理を、所定の制御周期で繰り返してフィードバック制御する。このフィードバック制御は、本実施形態の電動機１の制御装置が有する上述の集積回路又はプロセッサによって処理される。
【００４８】
ステップＳ１において、磁気センサ５１は、センサマグネット１４が形成する第１の磁界Ｂ１と、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが形成する第２の磁界Ｂ２を含む合成磁界Ｂを測定する。
【００４９】
ステップＳ２において、電流算出部５２は、磁気センサ５１によって測定された合成磁界Ｂから第２の磁界Ｂ２を分離し、分離された第２の磁界Ｂ２の値から駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのαβ座標系における測定値ｉα、ｉβを算出する。ステップＳ３において、回転角算出部５３は、磁気センサ５１によって測定された合成磁界Ｂから第１の磁界Ｂ１を分離し、分離された第１の磁界Ｂ１の値から回転子１２の回転角θｍを算出する。
【００５０】
ステップＳ４において、αβ／ｄｑ変換部５４は、電流算出部５２によって算出された駆動電流の測定値ｉα、ｉβ、及び回転角算出部５３によって算出された回転角θｍの値に基づいて、ｄｑ座標系で表わされた電流測定値ｉｄ、ｉｑを算出する。
【００５１】
ステップＳ５において、電流制御部３は、電流指令値算出部２から出力される電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と、電流測定部５から出力される電流測定値ｉｄ、ｉｑの偏差が小さくなるように、電動機駆動部４を介して、電動機１を制御する。そのために、電流制御部３は、電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊に相当する駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを電動機１に流すために必要な電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を算出する。
【００５２】
ステップＳ６において、電動機駆動部４は、電流制御部３によって算出された電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊に相当する三相交流電圧を電動機１に印加して電動機１を駆動する。この結果、電動機１には駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが流れ、電動機１にはトルクＴが発生する。
【００５３】
以上のように、本実施形態の電動機の制御装置は、センサマグネットが形成する第１の磁界と駆動電流が形成する第２の磁界を含む合成磁界を測定する磁気センサを備える。そして、本実施形態の電動機の制御装置は、合成磁界の測定値から第１の磁界と第２の磁界を分離した後、分離された第１の磁界から回転子の回転角を算出し、分離された第２の磁界から駆動電流を算出する。
【００５４】
このような構成によれば、簡素な構成でトルク及び回転速度を安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法が提供される。
【００５５】
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係る電動機１の制御装置における磁気センサ５１の配置例を示す図である。本実施形態の磁気センサ５１は、図６に示されるように、センサマグネット１４と回転子１２の間に配置されている。その他については第１実施形態と同じであるため、以下では第１実施形態と異なる点について説明する。
【００５６】
本発明の磁気センサ５１は、電動機１を流れる駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを測定するための電流計としての機能と、電動機１の回転子１２の回転角θｍを測定するための角度センサとしての機能の両方を有している。従って、磁気センサ５１は、センサマグネット１４が形成する第１の磁界Ｂ１の強さと駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが形成する第２の磁界Ｂ２の強さが、共に大きくなる位置に配置されることが好ましい。
【００５７】
そこで、本実施形態の磁気センサ５１は、図６に示されるように、センサマグネット１４と回転子１２の間に配置される。このように配置された磁気センサ５１は、第１の磁界Ｂ１を形成するセンサマグネット１４に近く、第２の磁界Ｂ２を形成する巻線１３にも近いため、第１の磁界Ｂ１と第２の磁界Ｂ２の両方を精度よく測定することができる。
【００５８】
また、本実施形態の磁気センサ５１は、図６に示されるように、回転子１２の回転軸上から離れた位置に配置される。電動機１の極対数Ｎ２が２以上の場合、複数の巻線１３が形成する第２の磁界Ｂ２は、回転子１２の回転軸付近では互いに打ち消し合って弱くなっている。従って、磁気センサ５１を回転子１２の回転軸上から離して配置することで、磁気センサ５１が配置された位置における第２の磁界Ｂ２の強さは大きくなる。
【００５９】
以上のように、本実施形態の磁気センサ５１は、センサマグネット１４と回転子１２の間に配置される。これにより、簡素な構成でトルク及び回転速度をより安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法が提供される。
【００６０】
［第３実施形態］
図７は、第３実施形態に係る電動機１の制御装置における磁気センサ５１の配置例を示す図である。本実施形態の電流測定部５は、回転子１２を回転駆動させるための電動機１の巻線１３とは別に、三相交流の駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを測定するための専用の巻線１５を有している。その他については第１実施形態と同じであるため、以下では第１実施形態と異なる点について説明する。
【００６１】
図７に示された巻線１５に流される駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、巻線１３に流される駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと同じもの、或いは駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを分流して取り出したものである。巻線１５の巻き数は、巻線１３の巻き数よりも少なくして、巻線１５による電動機１の動作への影響がないようにしている。一方で、センサマグネット１４の近くに巻線１５を配置することで、磁気センサ５１が配置された位置における第１の磁界Ｂ１の強さと第２の磁界Ｂ２の強さが共に大きくなるようにしている。このような電流測定部５の構成によっても、磁気センサ５１は、第１の磁界Ｂ１と第２の磁界Ｂ２の両方を精度よく測定することができる。
【００６２】
以上のように、本実施形態の電流測定部５は、駆動電流を測定するための巻線を有している。これにより、簡素な構成でトルク及び回転速度をより安定して制御することが可能な電動機の制御装置及び電動機の制御方法が提供される。
【００６３】
［その他の実施形態］
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【００６４】
また、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００６５】
上述の実施形態では、第１の磁界Ｂ１の周波数ｆ１と第２の磁界Ｂ２の周波数ｆ２の差異を利用して、合成磁界Ｂから第１の磁界Ｂ１と第２の磁界Ｂ２を分離する方法について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されない。
【００６６】
例えば、本発明では、センサマグネット１４が形成する第１の磁界Ｂ１の強さは、電動機１のトルクＴによらず一定である。従って、電動機１のトルクＴを変化させたときに強さが変化する磁界成分を第２の磁界Ｂ２として分離し、電動機１のトルクＴを変化させても強さが変化しない磁界成分を第１の磁界Ｂ１として分離することも可能である。
【００６７】
また、本発明では、第１の磁界Ｂ１の周波数ｆ１と第２の磁界Ｂ２の周波数ｆ２の比ｆ１／ｆ２は、センサマグネット１４の極対数Ｎ１と電動機１の極対数Ｎ２の比Ｎ１／Ｎ２と等しい。このような特徴も、合成磁界Ｂから第１の磁界Ｂ１及び第２の磁界Ｂ２を分離するために利用することができる。
【００６８】
本発明では、第１の磁界Ｂ１の周波数ｆ１と第２の磁界Ｂ２の周波数ｆ２の差が大きいほど、合成磁界Ｂから第１の磁界Ｂ１と第２の磁界Ｂ２を分離することが容易となる。従って、本発明は、電動機１の極対数Ｎ２と、センサマグネット１４の極対数Ｎ１の差が大きい電動機１に適用されることが好ましい。
【００６９】
また、本発明では、第１の磁界Ｂ１の周波数ｆ１及び第２の磁界Ｂ２の周波数ｆ２の時間的な変化が少ないほど、合成磁界Ｂから第１の磁界Ｂ１と第２の磁界Ｂ２を分離することが容易となる。従って、本発明は、回転子１２の慣性モーメントが大きい等、駆動電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの変化と比較して回転子１２の回転速度の時間的な変化が小さい電動機１に適用されることが好ましい。
【符号の説明】
【００７０】
１    電動機
２    電流指令値算出部
３    電流制御部
４    電動機駆動部
５    電流測定部
１１    固定子
１２    回転子
１３    巻線
１４    センサマグネット
１５    巻線
４１    ｕｖｗ変換部
４２    変調部
４３    インバータ
５１    磁気センサ
５２    電流算出部
５３    回転角算出部
５４    ｄｑ変換部
Ｂ    合成磁界
Ｂ１    第１の磁界
Ｂ２    第２の磁界
【図１】
2019198148.tif 000003
【図２】
2019198148.tif 000004
【図３】
2019198148.tif 000005
【図４】
2019198148.tif 000006
【図５】
2019198148.tif 000007
【図６】
2019198148.tif 000008
【図７】
2019198148.tif 000009