(57)【要約】  実施形態に係るモータ駆動システムは、励磁電流により機械的な歪みが生じる歪み部位を有するモータと、モータの駆動を制御するモータ制御装置と、モータの歪み部位に生じる歪みを検出する歪み検出部とを備える。モータ制御装置は、歪み検出部によって検出された歪み部位の歪みに基づき、モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える。
2014147757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁電流により機械的な歪みが生じる歪み部位を有するモータと、
前記モータの駆動を制御するモータ制御装置と、
前記歪み部位に生じる歪みを検出する歪み検出部と
を備え、
前記モータ制御装置は、
前記歪み検出部によって検出された前記歪み部位の歪みに基づき、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える
ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
前記モータ制御装置は、
前記モータへの出力電流に高周波励磁電流を重畳させる高周波電流指令を発生する高周波電流指令器をさらに備え、
前記歪み検出部は、
前記高周波励磁電流によって前記歪み部位に生じる歪みを検出し、
前記推定部は、
前記歪み検出部により検出された前記歪み部位の前記高周波励磁電流による歪みに基づいて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記推定部は、
前記歪み検出部により検出される前記歪み部位の歪みが最大となる速度または位置を前記モータの速度または位置として推定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
前記推定部は、
前記歪み検出部からの歪み検出信号の絶対値を演算する絶対値演算器と、
前記絶対値演算器によって演算された前記歪み検出信号の絶対値の平均値を演算し、歪み率として出力する歪み率演算器と、を備え、
前記歪み率が最大となる速度または位置を前記モータの速度または位置として推定する
ことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
前記推定部は、
前記歪み率を微分する微分器を備え、
前記微分器による微分結果がゼロになるように前記モータの位置を推定する
ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動システム。
【請求項６】
前記モータは、
回転子と、前記回転子と空隙を介して対向配置される固定子と、を備え、
前記固定子に前記歪み部位が形成される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
【請求項７】
前記モータは、
回転子と、前記回転子と間隙を介して対向配置される固定子と、を備え、
前記歪み部位は、前記間隙に配置される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
【請求項８】
モータにトルク電流および励磁電流を供給する電力変換部と、
前記励磁電流により機械的な歪みが生じる前記モータの歪み部位に生じる歪みを検出する歪み検出部からの歪み検出信号を取得する取得部と、
前記取得部によって取得される歪み検出信号に基づき、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部と
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項９】
前記モータへの出力電流に高周波励磁電流を重畳させる高周波電流指令を発生する高周波電流指令器をさらに備え、
前記推定部は、
前記歪み検出部により検出された前記歪み部位の前記高周波励磁電流による歪みに基づいて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。
【請求項１０】
励磁電流により機械的な歪みが生じる所定の歪み部位を有するモータ部
を備えることを特徴とするモータ。
【請求項１１】
前記モータは、前記歪み部位に生じる歪みを検出する歪み検出部をさらに備える
ことを特徴とする請求項１０に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、モータ駆動システム、モータ制御装置およびモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータを備えたシステムにおいて、モータの駆動制御を行う場合、エンコーダなどの位置センサを用いてモータの位置や速度を検出する方法（例えば、特許文献１参照）や、モータの電圧や電流によってモータの位置や速度を求める方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０９５１５４号公報
【特許文献２】特開２０１２−２２８１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エンコーダなどの位置センサを用いる方法は、振動や衝撃といった耐環境性能を向上させることが難しい。また、モータの電圧や電流によってモータの位置や速度を求める方法は、耐環境性能を向上できるが、適用できるモータの種類や速度範囲に制約が多い。【０００５】
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、耐環境性能に優れた新たなモータ駆動システム、モータ制御装置およびモータ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】
実施形態の一態様に係るモータ駆動システムは、モータと、モータ制御装置と、歪み検出部とを備える。前記モータは、励磁電流により機械的な歪みが生じる歪み部位を有する。前記モータ制御装置は、前記モータの駆動を制御する。前記歪み検出部は、前記歪み部位に生じる歪みを検出する。前記モータ制御装置は、前記歪み検出部によって検出された前記歪み部位の歪みに基づき、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える。
【発明の効果】
【０００７】
実施形態の一態様によれば、耐環境性能に優れた新たなモータ駆動システム、モータ制御装置およびモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。
【図２】図２は、図１に示すモータの構成例を示す側面模式図である。
【図３】図３は、図２に示すＡ−Ａ線断面模式図である。
【図４Ａ】図４Ａは、モータに加わる磁気反発力と励磁電流との関係を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、モータに加わる磁気吸引力と励磁電流との関係を示す図である。
【図５】図５は、歪み検出部の構成例を示す図である。
【図６】図６は、図１に示すモータの他の構成を示す断面模式図である。
【図７】図７は、図６に示すモータの部分斜視模式図である。
【図８】図８は、図１に示すモータのさらに他の構成を示す断面模式図である。
【図９】図９は、図１に示すモータ制御装置の構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、ｄ軸電流、歪み検出信号、歪み信号および歪み率の関係を示す図である。
【図１１】図１１は、推定電気角の誤差と高周波電流指令との関係を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、モータの電気角を精度よく推定できている場合の歪み信号および歪み率の状態を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、モータの電気角を精度よく推定できていない場合の歪み信号および歪み率の状態を示す図である。
【図１３】図１３は、歪み率と歪み微分値との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、他の実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本願の開示するモータ駆動システム、モータ制御装置およびモータの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
図１は、実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。図１に示すように、実施形態に係るモータ駆動システム１は、３相交流モータ２（以下、モータ２と記載する）と、モータ制御装置３とを備える。
【００１１】
モータ２は、例えば、ＩＰＭ（Interior  Permanent  Magnet）モータやＳＰＭ（Surface  Permanent  Magnet）モータなどの永久磁石同期電動機である。かかるモータ２の出力軸には機械負荷５が連結される。なお、モータ２は、駆動機能を有するモータだけでなく、発電性能を有するモータジェネレータやジェネレータであってもよい。例えば、モータ２は、風車のロータなどに接続されたジェネレータであってもよい。
【００１２】
モータ制御装置３は、電力変換部１１と、電流検出部１２と、制御部１３とを備える。かかるモータ制御装置３は、直流電源４から供給される直流電力を公知のＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御によって所望の周波数および電圧の３相交流電力へ変換し、モータ２へ出力する。かかるモータ制御装置３は、直流電源４を備えてもよい。
【００１３】
電力変換部１１は、直流電源４とモータ２との間に接続され、制御部１３から供給されるＰＷＭ信号に応じた電圧および電流をモータ２へ供給する。かかる電力変換部１１は、例えば、６個のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されて構成される３相インバータ回路である。
【００１４】
なお、直流電源４は、交流電力を直流電力に変換して出力する構成、例えば、ダイオードによる整流回路および平滑用コンデンサを組み合わせた構成でもよい。この場合、整流回路の入力側には交流電源が接続される。
【００１５】
電流検出部１２は、電力変換部１１からモータ２へ供給される電流（以下、出力電流と記載する）を検出する。具体的には、電流検出部１２は、電力変換部１１とモータ２のＵ相、Ｖ相およびＷ相との間にそれぞれ流れる電流の瞬時値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（以下、出力電流ＩUVWと記載する）を検出する。なお、電流検出部１２は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する電流センサである。
【００１６】
制御部１３は、電力変換部１１を構成するスイッチング素子をオン／オフ制御するＰＷＭ信号を生成し、電力変換部１１へ出力する。かかる制御部１３は、励磁電流によるモータ２の機械的な歪みに基づいて、モータ２の速度および位置を推定する推定部１５を有しており、かかる推定部１５の推定結果に基づいて、電力変換部１１へ出力するＰＷＭ信号を生成する。
【００１７】
モータ２は、励磁電流によって機械的な歪みを生じる歪み部位Ｇを有しており、歪み部位Ｇの機械的な歪みは、歪み検出部６によって検出される。かかる歪み検出部６によって検出されたモータ２の機械的な歪みに応じた情報が歪み検出信号εfbとして制御部１３へ出力される。制御部１３は、歪み部位Ｇの機械的な歪み情報に基づき、モータ２の速度および位置を推定する。
【００１８】
以下、モータ駆動システム１の構成の具体例について詳細に説明する。まず、励磁電流によるモータ２の機械的な歪みについて説明する。
【００１９】
図２は、モータ２の構成例を示す側面模式図であり、図３は、図２に示すＡ−Ａ線断面模式図である。なお、説明の便宜上、図２および図３ではモータ２を模式的に表している。また、モータ２の一例として２極６スロットのモータを図２に示しているが、モータ２は、２極を超える極数（例えば、４極や６極）および適当なスロット数のモータであってもよい。
【００２０】
図３に示すように、モータ２は、シャフト２０と、回転子２１と、固定子２２とを備え、モータ制御装置３から供給される電流によって回転子２１が回転軸Ｂを中心に回転する。回転子２１は、シャフト２０に取り付けられ、固定子２２は、回転子２１の外周面と所定の空隙を介して対向配置される。
【００２１】
回転子２１は、回転子コア３１と、永久磁石３２ａ、３２ｂとを備える。回転子コア３１は、筒状に形成されており、外周面には永久磁石３２ａ、３２ｂが周方向に沿って並べて配設される。永久磁石３２ａと永久磁石３２ｂとは極性が異なり、例えば、永久磁石３２ａがＮ極であり、永久磁石３２ｂがＳ極である。
【００２２】
固定子２２は、ヨーク部３３と、ティース部３４と、コイル３５とを備える。ヨーク部３３は、円筒状に形成され、かかるヨーク部３３の内周面に沿って複数のティース部３４が間隔を空けて配置される。各ティース部３４にはコイル３５が巻装される。ヨーク部３３とティース部３４によって固定子コアが形成され、かかる固定子コアは、例えば、薄板状の電磁鋼板を複数枚積層して形成される。
【００２３】
次に、モータ２に励磁電流を供給した場合に、モータ２に加わる磁気力について説明する。図４Ａは、モータ２に加わる磁気反発力と励磁電流との関係を示す図であり、図４Ｂは、モータ２に加わる磁気吸引力と励磁電流との関係を示す図である。
【００２４】
モータ２に正極性の励磁電流（＋ｄ軸電流）を流した場合（図４Ａの左図参照）、図４Ａの右図に示すように、回転子２１と固定子２２との間で回転軸Ｂと直交する方向（以下、ラジアル方向と記載する）に磁気反発力が生じる。一方、モータ２に負極性の励磁電流（−ｄ軸電流）を流した場合（図４Ｂの左図参照）、図４Ｂの右図に示すように、回転子２１と固定子２２との間でラジアル方向に磁気吸引力が生じる。
【００２５】
このように、モータ２に励磁電流を流した場合、ラジアル方向に作用する力が働く。そこで、本実施形態に係るモータ駆動システム１では、励磁電流によりラジアル方向で機械的な歪みが生じる歪み部位Ｇをモータ２に設け、かかる歪み部位Ｇの機械的な歪みを検出することで、モータ２の速度および位置を推定する。
【００２６】
まず、モータ２において励磁電流によりラジアル方向に機械的な歪みが生じる歪み部位Ｇについて説明する。図２および図３に示すモータ２では、円筒状のヨーク部３３において励磁電流によりラジアル方向に機械的な歪みが生じるようにヨーク部３３の厚みＤａが薄く設定され、ヨーク部３３が薄肉状に形成される。すなわち、ヨーク部３３を歪み部位Ｇとしている。
【００２７】
図２に示すように、ヨーク部３３は、ティース部３４を介して回転子２１に対向する領域のうち、回転軸Ｂ方向の中央部３６を薄肉状の歪み部位Ｇとし、両端部３７を厚肉状としている。両端部３７を厚肉状とすることで、ヨーク部３３の強度を向上させることができる。
【００２８】
回転軸Ｂ方向の中央部３６の長さＬは、歪み検出部６によって検出できる程度の歪みを生じる長さであればよく、図２に示す態様に限定されるものではない。また、図２および図３に示す例では、ヨーク部３３の中央部３６を薄肉状にしているが、両端部３７の一端部または全部を薄肉状に形成することもできる。
【００２９】
ヨーク部３３の中央部３６外周面には、歪み検出部６として歪みゲージ４１〜４４が取り付けられる。かかる歪みゲージ４１〜４４は、ヨーク部３３の外周面に沿って９０度間隔で配置される。
【００３０】
歪み検出部６は、歪みゲージ４１〜４４の変形率に基づき、歪み部位Ｇの歪みを検出する。図５は、歪み検出部６の構成例を示す図である。図５に示す歪み検出部６は、歪みゲージ４１〜４４がブリッジ接続されて構成され、また、電源入力端子Ｔｖ１、Ｔｖ２と信号出力端子Ｔｐ、Ｔｎとを有する。
【００３１】
歪み検出部６は、電源入力端子Ｔｖ１、Ｔｖ２へ電圧Ｖａが印加されることで、信号出力端子Ｔｐ、Ｔｎから歪み部位Ｇの歪みに応じた歪み検出信号εfbを出力する。なお、歪み検出部６は、図５の構成に限られず、モータ２の歪み部位Ｇの歪みが検出できる歪みゲージの数および配置であればよい。また、歪み検出部６は、歪みゲージ以外であってもよく、例えば、ピエゾ抵抗素子などを用いることもできる。
【００３２】
また、固定子２２の外周面を円筒状のフレームの内周面に固定してもよい。例えば、ヨーク部３３およびフレームをそれぞれ薄肉状に形成し、ヨーク部３３およびフレームが励磁電流によりラジアル方向に機械的な歪みが生じるようにする。これにより、ヨーク部３３およびフレームにより歪み部位Ｇを形成することができる。この場合、歪み検出部６は、ヨーク部３３の外周とフレームの内周との間またはフレームの外周に設けることで、励磁電流による歪みを検出することができる。
【００３３】
また、ヨーク部３３およびフレーム以外に歪み部位Ｇを設けるようにしてもよい。図６は、モータ２の他の構成を示す断面模式図であり、図７は、図６に示すＥ領域の部分斜視模式図である。ヨーク部３３やフレームの強度によってはヨーク部３３やフレームに薄肉状の部位を設けることが容易ではない場合があるが、このような場合であっても、モータ２に歪み部位Ｇを配置することができる。
【００３４】
図６に示すモータ２では、回転子２１と固定子２２との間隙に円環部材４５が歪み部位Ｇとして配置される。円環部材４５は、ティース部３４の先端面に当接されて保持される。また、図７に示すように、円環部材４５の外周面とティース部３４の先端面との間には、歪みゲージ４１が配置される。他の歪みゲージ４２〜４４も同様に、円環部材４５の外周面とティース部３４の先端面との間に配置される。これにより、歪みゲージ４１〜４４の固定を安定的に行うことができる。
【００３５】
なお、円環部材４５の歪みを検出できるように歪みゲージ４１〜４４を円環部材４５に取り付けることができればよく、歪みゲージ４１〜４４は、例えば、円環部材４５の内周面に取り付けてもよい。
【００３６】
また、円環部材４５は、例えば、非磁性体によって構成することで、モータ特性への影響を回避できるが、モータ特性への影響が問題にならなければ非磁性体でなくてもよい。また、円環部材４５に代えて、円弧状部材を用いるようにしてもよい。この場合、例えば、隣接するティース部３４の先端面間に円弧状部材を配置し、かかる円弧状部材に歪みゲージを配置する。
【００３７】
なお、図６に示すモータ２は、ティース部３４が配置される構成であるが、コイル３５が巻装されるティース部３４を持たないコアレスモータの場合でも、円環部材４５や円弧状部材を適用することができる。図８は、図１に示すモータ２のさらに他の構成を示す断面模式図である。
【００３８】
図８に示すモータ２は、ティース部３４（図６参照）がないコアレスモータであり、コイル３５の回転子２１側表面に円環部材４５が配置される。また、図示しないが、円環部材４５の外周面または内周面には、歪みゲージ４１〜４４が図６および図７に示すモータ２の場合と同様に配置される。
【００３９】
このように、実施形態に係るモータ２は、励磁電流によりラジアル方向に機械的な歪みが生じる歪み部位Ｇを有しており、かかる歪み部位Ｇに歪み検出部６が設けられる。そして、歪み検出部６から歪み部位Ｇの歪みに応じた歪み検出信号εfbが出力される。
【００４０】
モータ制御装置３からモータ２へ供給される励磁電流は、モータ２へ供給される電流のうち回転子２１の回転に同期したｄｑ軸回転座標系のｄ軸成分の電流（ｄ軸電流）である。モータ制御装置３では、歪み検出部６から出力される歪み検出信号εfbに基づき、モータ２の位置および速度を推定し、ｄｑ軸回転座標系での電流制御を行う。
【００４１】
図９は、モータ制御装置３の構成例を示す図である。図９に示すように、モータ制御装置３は、推定部１５と、位置制御部１６と、速度制御部１７と、高周波電流指令器１８と、電流制御部１９とを備える。なお、図９に示すモータ制御装置３は、モータ２を位置制御する場合の構成例であり、モータ２を速度制御する場合には、位置制御部１６を省くことができる。また、高周波電流指令器１８は、モータ制御装置３とは別の外部装置として設けてもよい。また、図示しないが、モータ制御装置３は、歪み検出部６に対し電圧Ｖａを供給する部位を有し、また、歪み検出部６から出力される歪み検出信号εfbを入力する部位を有する。
【００４２】
推定部１５は、歪み検出部６から出力される歪み検出信号εfbに基づき、モータ２の位置および速度を推定する。推定部１５により推定されるモータ２の位置は、モータ２の回転位置であり、ここでは、電気角θeである。また、推定部１５により推定されるモータ２の速度は、モータ２の機械角速度ωmである。
【００４３】
推定部１５は、推定したモータ２の電気角θeの情報を推定電気角θ＾eとして出力し、また、推定したモータ２の機械角速度ωmの情報を推定機械角速度ω＾mとして出力する。かかる推定部１５については、後で詳述する。
【００４４】
位置制御部１６は、積分器６１と、減算器６２およびＡＰＲ（自動位置調整装置）６３を備え、位置指令Ｐ*と推定機械角速度ω＾mとに基づき、速度制御部１７へ速度指令ω*を出力する。積分器６１は、推定部１５からの推定機械角速度ω＾mを積分して機械角Ｐmの推定値として推定機械角Ｐ＾mを出力する。減算器６２は、位置指令Ｐ*と推定機械角Ｐ＾mとを比較して位置指令Ｐ*と推定機械角Ｐ＾mとの偏差をＡＰＲ６３へ出力する。ＡＰＲ６３は、位置指令Ｐ*と推定機械角Ｐ＾mとの偏差がゼロになるように速度指令ω*を生成して出力する。
【００４５】
速度制御部１７は、減算器６５と、ＡＳＲ（自動速度調整装置）６６とを備え、速度指令ω*と推定機械角速度ω＾mとに基づき、電流制御部１９へｑ軸電流指令Ｉｑ*を出力する。減算器６５は、速度指令ω*と推定機械角速度ω＾mとを比較して速度指令ω*と推定機械角速度ω＾mとの偏差をＡＳＲ６６へ出力する。ＡＳＲ６６は、速度指令ω*と推定機械角速度ω＾mとの偏差がゼロになるようにｑ軸電流指令Ｉｑ*を生成して出力する。
【００４６】
高周波電流指令器１８は、高周波電流指令Ｉｄhfiを生成して電流制御部１９へ出力する。高周波電流指令Ｉｄhfiの周波数は、モータ２を駆動する電圧の周波数や所望の速度制御帯域よりも高く設定され、かつ電流制御周波数と同等以下に設定される。
【００４７】
電流制御部１９は、三相/ｄｑ座標変換器７１と、加算器７２と、ＡＣＲｄ（ｄ軸電流制御器）７３と、ＡＣＲｑ（ｑ軸電流制御器）７４と、加算器７５、７６と、ｄｑ/三相座標変換器７７とを備える。
【００４８】
三相/ｄｑ座標変換器７１は、電流検出部１２によって検出された出力電流ＩUVWを三相／二相変換し、さらに、推定電気角θ＾eに応じて回転する直交座標のｄｑ軸成分へ変換する。これにより、出力電流ＩUVWがｄｑ軸回転座標系のｑ軸成分であるｑ軸電流Ｉｑfb（トルク電流）とｄ軸成分であるｄ軸電流Ｉｄfb（励磁電流）へ変換される。
【００４９】
加算器７２は、ｄ軸電流指令Ｉｄ*に高周波電流指令Ｉｄhfiを加算して生成したｄ軸電流指令Ｉｄ**をＡＣＲｄ７３へ出力する。ｄ軸電流指令Ｉｄ*は、例えば、モータ２を定トルク領域で駆動する場合にはゼロに設定され、定出力領域でモータ２を駆動する場合にはモータ２の機械角速度ωmに応じた値に設定される。
【００５０】
ＡＣＲｄ７３は、ｄ軸電流指令Ｉｄ**とｄ軸電流Ｉｄfbとの偏差がゼロになるようにｄ軸電圧指令Ｖｄ*を生成して加算器７５へ出力する。また、ＡＣＲｑ７４は、ｑ軸電流指令Ｉｑ*とｑ軸電流Ｉｑfbとの偏差がゼロになるようにｑ軸電圧指令Ｖｑ*を生成して加算器７６へ出力する。
【００５１】
加算器７５は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ*にｄ軸補償電圧Ｖｄffを加算してｄ軸電圧指令Ｖｄ**を生成し、加算器７６は、ｑ軸電圧指令Ｖｑ*にｑ軸補償電圧Ｖｑffを加算してｑ軸電圧指令Ｖｑ**を生成する。なお、ｄ軸補償電圧Ｖｄffおよびｑ軸補償電圧Ｖｑffは、ｄ軸とｑ軸間の干渉および誘起電圧を補償するものであり、例えば、ｄ軸電流Ｉｄfb、ｑ軸電流Ｉｑfbおよびモータパラメータなどを用いて、算出される。
【００５２】
ｄｑ/三相座標変換器７７は、推定電気角θ＾eに基づいた座標変換により、ｄ軸電圧指令Ｖｄ**およびｑ軸電圧指令Ｖｑ**を３相電圧指令ＶUVW*へ変換する。３相電圧指令ＶUVW*は図示しないＰＷＭ信号生成部へ入力され、ＰＷＭ信号生成部によって３相電圧指令ＶUVW*に応じたＰＷＭ信号が生成されて電力変換部１１へ出力される。
【００５３】
次に、推定部１５の構成について具体的に説明する。図９に示すように、推定部１５は、減算器８１と、絶対値演算器８２と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）８３と、微分器８４と、減算器８５と、ＰＩ制御器８６と、積分器８７と、機械角演算部８８とを備える。
【００５４】
減算器８１は、歪み検出信号εfbから歪みオフセット値εoffsetを減算する。これにより、歪み検出信号εfbのオフセットがキャンセルされて、絶対値演算器８２へ出力される。オフセット値εoffsetは、例えば、歪み検出部６が図５に示す構成の場合、電圧Ｖａの１／２の電圧Ｖｂ（＝Ｖａ／２）や、歪みゲージ４１〜４４のばらつきなどによって生じる電圧Ｖｃを考慮して設定される。例えば、オフセット値εoffset＝Ｖｂ＋Ｖｃである。
【００５５】
このように歪み検出信号εfbのオフセットをキャンセルすることで、歪み部位Ｇの歪みに応じた信号を抽出できる。なお、ｄ軸電流指令Ｉｄ*がゼロでない場合には、ｄ軸電流指令Ｉｄ*も歪み検出信号εfbのオフセットとして現れるため、推定部１５は、歪みオフセット値εoffsetをｄ軸電流指令Ｉｄ*に応じて調整する。また、歪みオフセット値εoffsetを減算する減算器８１の代わりに、歪み検出信号εfbから高周波電流指令Ｉｄhfiの成分のみを抽出するバンドパスフィルタを用いてもよい。
【００５６】
絶対値演算器８２は、オフセットがキャンセルされた歪み検出信号εfbの絶対値である歪み信号εｒを演算してＬＰＦ８３へ出力する。ＬＰＦ８３（歪み率演算器の一例）は、高周波電流指令Ｉｄhfiの周波数よりも高い周波数をカットオフ周波数とし、歪み信号εｒに平均化処理を施すことで歪み部位Ｇの歪み率を示す情報である歪み率εlpfを求める。
【００５７】
図１０は、ｄ軸電流Ｉｄfb、歪み検出信号εfb、歪み信号εｒおよび歪み率εlpfの関係を示す図である。なお、図１０に示すｄ軸電流Ｉｄfbや歪み検出信号εfbは、説明の便宜上、オフセットがない状態を示している。
【００５８】
上述のように、ｄ軸電流指令Ｉｄ*には高周波電流指令Ｉｄhfiが加算されることから、ｄ軸電流Ｉｄfbには、高調波信号が重畳される。かかるｄ軸電流Ｉｄfbは、モータ２の励磁電流であることから、高調波信号は高調波励磁電流であり、モータ２の歪み部位Ｇに歪みを生じさせる。そのため、歪み検出部６から出力される歪み検出信号εfbは高周波電流指令Ｉｄhfiと同じ周波数で、かつ、高周波電流指令Ｉｄhfiに応じた大きさの信号である。
【００５９】
ここで、歪み率εlpfと推定電気角θ＾eの誤差Δθeとの関係を図１１を参照して説明する。図１１は、推定電気角θ＾eの誤差Δθeと高周波電流指令Ｉｄhfiとの関係を示す図である。
【００６０】
推定電気角θ＾eに誤差Δθe（＝θe−θ＾e）がある場合、図１１に示すように、高周波電流指令Ｉｄhfiは、誤差Δθe分だけ回転したｄ’軸上にある。これは、推定電気角θ＾eによってｄｑ軸回転座標系が設定されるからであり、高周波電流指令Ｉｄhfiによってモータ２に流れるｄ軸電流の成分は、Ｉｄhfi×ｃｏｓ（Δθe）である。
【００６１】
そのため、歪み率εlpfは、推定部１５が推定する推定電気角θ＾eの誤差Δθeが小さいと大きくなり（図１２Ａ参照）、逆に、推定電気角θ＾eの誤差Δθeが大きいと小さくなる（図１２Ｂ参照）。図１２Ａは、モータ２の電気角θeを精度よく推定できている場合の歪み信号εｒおよび歪み率εlpfの状態を示す図であり、図１２Ｂは、モータ２の電気角θeを精度よく推定できていない場合の歪み信号εｒおよび歪み率εlpfの状態を示す図である。なお、図１２Ａおよび図１２Ｂにおいては、高周波電流指令Ｉｄhfiの大きさが同一である。
【００６２】
そこで、推定部１５は、歪み率εlpfが最大となるようにＰＬＬ（Phase  Locked  Loop）を構成して推定電気角θ＾eを調整するようにしており、これにより、モータ２の電気角θeを精度よく推定している。具体的には、推定部１５の微分器８４は、歪み率εlpfを推定電気角θ＾eで１階微分して極性を反転することで、歪み微分値ｄεである−ｄεlpf／ｄθ＾eを求める。極性を反転することで、ＰＬＬをネガティブフィードバックとする。
【００６３】
なお、微分器８４は、歪み率εlpfの時間微分εlpf／ｄｔと、推定電気角θ＾eの時間微分θ＾e／ｄｔとを求め、（εlpf／ｄｔ）／（θ＾e／ｄｔ）とすることで、歪み微分値ｄεとして−ｄεlpf／ｄθ＾eを求めることもできる。この場合、推定電気角θ＾eの時間変化が小さいと、演算誤差が増大する傾向があることから、微分器８４は、推定電気角θ＾eが所定値変化した場合に演算を行う。これにより、演算誤差を抑制することができる。推定電気角θ＾eが所定値変化した場合に演算することに代えて、例えば、適応同定法（例えば、固定トレース法）などの技術を適用することもできる。
【００６４】
減算器８５は、微分器８４から出力される歪み微分値ｄεとゼロとを比較し、歪み微分値ｄεとゼロとの偏差を求める。ＰＩ制御器８６は、歪み微分値ｄεとゼロとの偏差がゼロになるように推定電気角速度ω＾eを求めて出力する。推定電気角速度ω＾eは、モータ２の電気角速度ωeの推定値である。
【００６５】
図１３は、歪み率εlpfと歪み微分値ｄε（＝−ｄεlpf／ｄθ＾e）との関係を示す図であり、縦軸が歪み率εlpfや歪み微分値ｄεの大きさを示し、横軸が電気角θeに対する推定電気角θ＾eの誤差Δθeを示す。図１３に示すように、歪み微分値ｄεがゼロの場合に歪み率εlpfが最大になることが分かる。そこで、推定部１５は、歪み微分値ｄεがゼロになるように推定電気角速度ω＾eを求めるようにしている。これにより、推定電気角速度ω＾eをモータ２の電気角θeに精度よく合わせることができる。
【００６６】
積分器８７は、推定電気角速度ω＾eを積分し、推定電気角θ＾eを求めて出力する。推定電気角θ＾eは、モータ２の電気角速度ωeの推定値である。また、機械角演算部８８は、推定電気角速度ω＾eをモータ２の極数（図３に示す例では２極）で除算することで、推定機械角速度ω＾mを求める。かかる推定機械角速度ω＾mを積分することによって推定機械角Ｐ＾m（図９参照）を得ることができる。
【００６７】
このようにモータ制御装置３は、推定部１５および歪み検出部６を有しており、推定部１５は、モータ２の歪み部位Ｇの歪みに基づき、モータ２の位置および速度を推定する。これにより、エンコーダを用いることなく、モータ２の位置および速度を検出することができる。上述の例では、モータ制御装置３において、モータ２の位置および速度を推定したが、モータ２の位置および速度のうち少なくとも一方を推定するようにしてもよい。
【００６８】
また、モータの誘起電圧に基づきモータの位置や速度を推定する従来のセンサレスでは、モータの速度が低く誘起電圧が生じないような場合には適切な位置推定が難しい。一方、本実施形態のモータ駆動システム１では、モータ２の誘起電圧が生じない場合であっても、モータ２の位置や速度を容易に推定することができる。
【００６９】
また、モータの磁気突極性を利用してモータの位置や速度を推定する従来のセンサレス制御は、磁気突極性を有するモータ（例えば、ＩＰＭモータ）を前提に設計されており、ＳＰＭモータなどのようにパワー密度に優れたモータに適用が難しい。一方、本実施形態のモータ駆動システム１では、励磁電流によるモータ２の歪みを利用することから、ＳＰＭモータなどの位置や速度も容易に推定することができる。
【００７０】
また、従来のセンサレス制御では、一般に、モータ位置（位相）の推定帯域を十分に確保することが難しく、そのため、トルクリプルや速度リプルを十分に補償することができないおそれがある。一方、本実施形態のモータ駆動システム１では、モータ位置（位相）の推定帯域を容易に確保することができ、これにより、動作性能の向上を図ることができる。
【００７１】
なお、推定部１５は、図９に示す構成に限られるものではない。例えば、推定部１５は、歪み信号εｒの振幅や歪み検出信号εfbの振幅が最大となるように推定電気角速度ω＾eを調整する構成でもよい。
【００７２】
また、モータ２の歪み部位Ｇは、上述した構成に限定されるものではなく、モータ制御装置３から供給される励磁電流による磁気反発力および磁気吸引力の少なくともいずれか一方に対して歪みを生じる構成であればよい。
【００７３】
また、高周波電流指令器１８は、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、ゼロを中心として正負に変動する正弦波状の高周波電流指令Ｉｄhfiを出力するものとして説明したが、高周波電流指令Ｉｄhfiは、かかる波形の信号に限られない。例えば、高周波電流指令Ｉｄhfiは、正側または負側にオフセットされた正弦波の信号であってもよい。また、歪み信号εｒと同様に、正弦波の半波波形が連続して正側のみに値を有する波形であってもよい。このような波形とすることで、絶対値演算器８２を省くことができる。
【００７４】
また、図５に示す歪み検出部６では、４つの歪みゲージ４１〜４４をブリッジ構成にすることによって、歪み検出信号εfbを生成したが、上述したように、歪み検出部６の構成はかかる構成に限定されるものではない。例えば、１つの歪みゲージと抵抗値検出器とによって歪み検出部６を構成してもよい。この場合、歪み検出部６は、１つの歪みゲージの抵抗値を抵抗値検出器で検出し、かかる抵抗値に応じた大きさの信号を歪み検出信号εfbとして出力する。
【００７５】
また、モータ駆動システム１では、１つの歪み検出部６によってモータ２の歪み部位Ｇの歪みを検出することとしたが、２つ以上の歪み検出部６によってモータ２の歪み部位Ｇの歪みを検出し、検出した歪みの平均値を歪み検出信号εfbとしてもよい。
【００７６】
（他の実施形態）
ここで、モータ駆動システム１の他の実施形態について説明する。図１４は、他の実施形態に係るモータ駆動システムを示す説明図である。なお、図１４では、図１および図９に示す構成のうち、モータ駆動システム１と異なる要素を主に記載し、モータ駆動システム１と同様の機能を有する構成要素については記載を省略し、または、同一符号を付して説明を省略する。
【００７７】
図１４に示すモータ駆動システム１Ａは、モータ駆動システム１の構成に加え、さらにモータ２の位置を検出するエンコーダ７を備える。また、モータ制御装置３Ａは、判定部１４を備える。
【００７８】
判定部１４は、エンコーダ７からの位置検出信号θfbと、位置制御部１６から出力される推定機械角Ｐ＾mを入力し、位置検出信号θfbと推定機械角Ｐ＾mとの差が所定値以上である場合に、エンコーダ７が異常であると判定する。
【００７９】
制御部１３Ａは、エンコーダ７に異常がない場合は、エンコーダ７からの位置検出信号θfbを位置フィードバック信号としてモータ２を制御する。一方、エンコーダ７の異常を判定した場合、制御部１３Ａは、推定部１５で推定した推定電気角θ＾eや推定機械角速度ω＾mを用いてモータ２を制御する。
【００８０】
かかる構成により、モータ駆動システム１Ａでは、モータ制御に用いられていたエンコーダ７に不具合が生じても、歪み検出部６に基づくモータ制御が可能となり、フェールセーフ機能を低コストで実現することができる。
【００８１】
以上、説明してきたように、実施形態に係るモータ駆動システム１、１Ａは、励磁電流により機械的な歪みが生じる歪み部位Ｇを有するモータ２と、モータ２の駆動を制御するモータ制御装置３、３Ａと、歪み部位Ｇの歪みを検出する歪み検出部６とを備える。そして、モータ制御装置３、３Ａは、歪み検出部６によって検出された歪み部位Ｇの歪みに基づき、モータ２の位置および速度のうち少なくとも一方を推定する推定部１５を備える。
【００８２】
かかるモータ駆動システム１、１Ａによれば、堅牢かつ低コストな歪み検出方式を用いてモータ２の位置および速度のうち少なくとも一方を推定することができ、これにより、耐環境性能の向上やコストの低減を図ることができる。なお、モータ２（モータ本体）および歪み検出部６によってモータを構成することもできる。
【００８３】
また、本実施形態に係るモータ駆動システム１、１Ａは、上述したように、モータ２の永久磁石が埋設型であろうと表面設置型であろうと、特に種類を問わずに適用することができる。そのため、例えば、回転子２１の表面に永久磁石を張り合わせたパワー密度の高いＳＰＭモータの使用も可能となり、モータ２の小型化にも寄与する。
【００８４】
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１、１Ａ  モータ駆動システム
２  モータ（モータ部）
３、３Ａ  モータ制御装置
４  直流電源
５  機械負荷
６  歪み検出部
７  エンコーダ
１１  電力変換部
１２  電流検出部
１３、１３Ａ  制御部
１４  判定部
１５  推定部
１６  位置制御部
１７  速度制御部
１８  高周波電流指令器
１９  電流制御部
２１  回転子
２２  固定子
８２  絶対値演算器
８３  ＬＰＦ（歪み率演算器）
８４  微分器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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