特許 6967040 電気角算出装置、電気角算出方法およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6967040

(24)【登録日】2021年10月26日

(45)【発行日】2021年11月17日

(54)【発明の名称】電気角算出装置、電気角算出方法およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/16 20160101AFI20211108BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/16

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2019-136828(P2019-136828)

(22)【出願日】2019年7月25日

(65)【公開番号】特開2021-22974(P2021-22974A)

(43)【公開日】2021年2月18日

【審査請求日】2020年7月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】310021766

【氏名又は名称】株式会社ソニー・インタラクティブエンタテインメント

(74)【代理人】

【識別番号】110000637

【氏名又は名称】特許業務法人樹之下知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】洪 瑟基

【審査官】 島倉 理

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１２１５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３３７０７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−２０１２９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ６／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータの固定子に組み込まれた複数のホールセンサの出力信号値の最大値および最小値を取得する最大／最小値取得部と、
前記最大値と前記最小値との差分である振幅と、前記最小値に等しいオフセット量とを用いて前記出力信号値を正規化する信号正規化部と、
前記正規化された出力信号値から、前記モータの電気角に対して単調増加または単調減少する信号値を抽出する信号値抽出部と、
前記抽出された信号値から電気角を算出する電気角算出部と、
正規化前の前記出力信号値に含まれる３つ以上の信号値の大小関係を位相区間ごとに示す予備位相インデックスを決定する予備位相インデックス決定部と
を備え、
前記最大／最小値取得部は、前記予備位相インデックスによって前記３つ以上の信号値のうち最大であることが示される信号値の最大値と、前記予備位相インデックスによって前記３つ以上の信号値のうち最小であることが示される信号値の最小値を探索する電気角算出装置。

【請求項2】

前記信号値抽出部は、位相区間ごとに、前記出力信号値に含まれる３つ以上の信号値のうち最大でも最小でもない信号値を抽出する、請求項１に記載の電気角算出装置。

【請求項3】

前記３つ以上の信号値の大小関係を位相区間ごとに示す位相インデックスを特定する位相インデックス特定部をさらに備え、
前記信号値抽出部は、前記位相インデックスを参照して前記信号値を抽出する、請求項２に記載の電気角算出装置。

【請求項4】

モータの固定子に組み込まれた複数のホールセンサの出力信号値の最大値および最小値を取得するステップと、
前記最大値と前記最小値との差分である振幅と、前記最小値に等しいオフセット量とを用いて前記出力信号値を正規化するステップと、
前記正規化された出力信号値から、前記モータの電気角に対して単調増加または単調減少する信号値を抽出するステップと、
前記抽出された信号値から電気角を算出するステップと、
正規化前の前記出力信号値に含まれる３つ以上の信号値の大小関係を位相区間ごとに示す予備位相インデックスを決定するステップと
を含み、
前記最大値および最小値を取得するステップでは、前記予備位相インデックスによって前記３つ以上の信号値のうち最大であることが示される信号値の最大値と、前記予備位相インデックスによって前記３つ以上の信号値のうち最小であることが示される信号値の最小値を探索する、電気角算出方法。

【請求項5】

モータの固定子に組み込まれた複数のホールセンサの出力信号値の最大値および最小値を取得する機能と、
前記最大値と前記最小値との差分である振幅と、前記最小値に等しいオフセット量とを用いて前記出力信号値を正規化する機能と、
前記正規化された出力信号値から、前記モータの電気角に対して単調増加または単調減少する信号値を抽出する機能と、
前記抽出された信号値から電気角を算出する機能と、
正規化前の前記出力信号値に含まれる３つ以上の信号値の大小関係を位相区間ごとに示す予備位相インデックスを決定する機能と
をコンピュータに実現させ、
前記最大値および最小値を取得する機能は、前記予備位相インデックスによって前記３つ以上の信号値のうち最大であることが示される信号値の最大値と、前記予備位相インデックスによって前記３つ以上の信号値のうち最小であることが示される信号値の最小値を探索するプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気角算出装置、電気角算出方法およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

ブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣ）でベクトル制御を行う場合、ロータのコイルに対する位置（電気角）の情報が必要である。ロータが動いていない状態で電気角を取得するためには、例えば特許文献１に記載されているように外付けの回転エンコーダが用いられることが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８−１１７４１４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、特許文献１に記載された技術のように外付けの回転エンコーダを用いる方法は、装置の小型化、およびコストの低減の観点からは必ずしも有利とはいえない。

【0005】

そこで、本発明は、モータに組み込まれているホールセンサの出力を利用して電気角を算出することが可能な電気角算出装置、電気角算出方法およびプログラム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】

（１）モータの固定子に組み込まれた複数のホールセンサの出力信号値から、モータの電気角に対して単調増加または単調減少する信号値を抽出する信号値抽出部と、抽出された信号値から電気角を算出する電気角算出部とを備える電気角算出装置。
（２）信号値抽出部は、位相区間ごとに、出力信号値に含まれる３つ以上の信号値のうち最大でも最小でもない信号値を抽出する、上記（１）に記載の電気角算出装置。
（３）３つ以上の信号値の大小関係を位相区間ごとに示す位相インデックスを特定する位相インデックス特定部をさらに備え、信号値抽出部は、位相インデックスを参照して信号値を抽出する、上記（２）に記載の電気角算出装置。
（４）出力信号値を正規化する信号正規化部をさらに備える、上記（１）から上記（３）のいずれか１項に記載の電気角算出装置。
（５）出力信号値の最大値および最小値を取得する最大／最小値取得部をさらに備え、信号正規化部は最大値と最小値との差分である振幅と、最小値に等しいオフセット量とを用いて出力信号値を正規化する、上記（４）に記載の電気角算出装置。
（６）正規化前の出力信号値に含まれる３つ以上の信号値の大小関係を位相区間ごとに示す予備位相インデックスを決定する予備位相インデックス決定部をさらに備え、最大／最小値取得部は、予備位相インデックスによって３つ以上の信号値のうち最大であることが示される信号値の最大値と、予備位相インデックスによって３つ以上の信号値のうち最小であることが示される信号値の最小値を探索する、上記（５）に記載の電気角算出装置。
（７）モータの固定子に組み込まれた複数のホールセンサの出力信号値から、モータの電気角に対して単調増加または単調減少する信号値を抽出するステップと、抽出された信号値から電気角を算出するステップとを含む電気角算出方法。
（８）モータの固定子に組み込まれた複数のホールセンサの出力信号値から、モータの電気角に対して単調増加または単調減少する信号値を抽出する機能と、抽出された信号値から電気角を算出する機能とをコンピュータに実現させるためのプログラム。

【発明の効果】

【0007】

上記の構成によれば、モータに組み込まれているホールセンサの出力を利用して電気角を算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係る電気角の算出が実行される制御装置の概略的な構成を示すブロック図である。

【図2】図１に示された例におけるアナログホールセンサの出力を模式的に示す図である。

【図3】図１に示された電気角算出装置の機能構成を示す図である。

【図4】本発明の一実施形態における予備位相インデックスの決定について説明するための図である。

【図5】本発明の一実施形態における信号値の最大値および最小値の取得について説明するための図である。

【図6】本発明の一実施形態における信号値の正規化について説明するための図である。

【図7】本発明の一実施形態における位相インデックスの特定について説明するための図である。

【図8】本発明の一実施形態における信号値の抽出および電気角の算出について説明するための図である。

【図9】本発明の一実施形態に係る電気角の算出処理の例を示すフローチャートである。

【図10】本発明の一実施形態における電気角の算出精度について検証した結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0010】

図１は、本発明の一実施形態に係る電気角の算出が実行される制御装置の概略的な構成を示すブロック図である。制御装置１０は、ＰＩ制御１１、逆Ｐａｒｋ変換１２、逆Ｃｌａｒｋｅ変換１３、ドライバ１４、Ｃｌａｒｋｅ変換１５、およびＰａｒｋ変換１６を含み、三相のブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣ）２０を制御する。制御装置１０は、さらに、電気角算出装置１００を含む。電気角算出装置１００は、ＢＬＤＣ２０の固定子に組み込まれたアナログホールセンサの出力から電気角を算出し、算出された電気角は逆Ｐａｒｋ変換１２およびＰａｒｋ変換１６で利用される。

【0011】

図２は、図１に示された例におけるアナログホールセンサの出力を模式的に示す図である。図示された例では、ＢＬＤＣ２０のＵ相、Ｖ相、およびＷ相のそれぞれのコイルに対応する位置にアナログホールセンサ２１（２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗ）が配置される。図示されているように、アナログホールセンサ２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗのそれぞれが出力する信号値Ｕ，Ｖ，Ｗはロータ極の磁気強度に応じて変動し、正弦波状になる。本実施形態では、３つの信号値のそれぞれが最大値および最小値にならない部分で位相に対してほぼ線形で推移することに着目し、１回転ごとに６つの線形部分を内挿することによって電気角を算出する。

【0012】

図３は、図１に示された電気角算出装置１００の機能構成を示す図である。電気角算出装置１００は、例えば通信インターフェース、プロセッサ、およびメモリを有するコンピュータによって実装される。プロセッサがメモリに格納された、または通信インターフェースを介して受信されたプログラムに従って動作することによって、予備位相インデックス決定部１１０、最大／最小値取得部１２０、信号正規化部１３０、位相インデックス特定部１４０、および信号値抽出部１５０の機能がソフトウェア的に実現される。以下、各部の機能について説明する。

【0013】

予備位相インデックス決定部１１０は、アナログホールセンサ２１の信号値Ｕ，Ｖ，Ｗ（正規化前のraw data）の大小関係を位相区間ごとに示す予備位相インデックスを決定する。図４に示された例では、ある期間にわたって取得された信号値Ｕ，Ｖ，Ｗについて、Ｉｎｄｅｘ０〜Ｉｎｄｅｘ５が以下のように定義される。ただし、この時点では、信号値Ｕ，Ｖ，Ｗの振幅およびオフセットがそれぞれ異なるため、決定されるインデックスに対応する位相区間の長さは均等ではない。
Ｉｎｄｅｘ０：Ｖ≧Ｕ，Ｕ＞Ｗ
Ｉｎｄｅｘ１：Ｖ＞Ｗ，Ｗ≧Ｕ
Ｉｎｄｅｘ２：Ｗ≧Ｖ，Ｖ＞Ｕ
Ｉｎｄｅｘ３：Ｗ＞Ｕ，Ｕ≧Ｖ
Ｉｎｄｅｘ４：Ｕ≧Ｗ，Ｗ＞Ｖ
Ｉｎｄｅｘ５：Ｕ＞Ｖ，Ｖ≧Ｗ

【0014】

最大／最小値取得部１２０は、アナログホールセンサ２１の信号値を正規化するために必要な各信号値の最大値および最小値を取得する。具体的には、最大／最小値取得部１２０は、予備位相インデックス決定部１１０が決定した予備位相インデックスによって信号値Ｕ，Ｖ，Ｗのうち最大であることが示される信号値の最大値と、最小であることが示される信号値の最小値を探索する。図５に示される例において、最大／最小値取得部１２０は、Ｉｎｄｅｘ５およびＩｎｄｅｘ０で信号値Ｗの最小値Ｗ_ｍｉｎを探索し、Ｉｎｄｅｘ０およびＩｎｄｅｘ１で信号値Ｖの最大値Ｖ_ｍａｘを探索し、Ｉｎｄｅｘ１およびＩｎｄｅｘ２で信号値Ｕの最小値Ｕ_ｍｉｎを探索し、以降同様にして信号値Ｗの最大値Ｗ_ｍａｘ、信号値Ｖの最小値Ｖ_ｍｉｎ、および信号値Ｕの最大値Ｕ_ｍａｘを探索する。

【0015】

信号正規化部１３０は、最大／最小値取得部１２０が取得した最大値および最小値に基づいてアナログホールセンサ２１の信号値を正規化する。具体的には、信号正規化部１３０は、最大／最小値取得部１２０が取得した最大値Ｕ_ｍａｘ，Ｖ_ｍａｘ，Ｗ_ｍａｘおよび最小値Ｕ_ｍｉｎ，Ｖ_ｍｉｎ，Ｗ_ｍｉｎの差分である振幅（peak to peak）Ｕ_ｐｐ，Ｖ_ｐｐ，Ｗ_ｐｐと、最小値Ｕ_ｍｉｎ，Ｖ_ｍｉｎ，Ｗ_ｍｉｎに等しいオフセット量Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}，Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}，Ｗ_{ｏｆｆｓｅｔ}とを用いて、信号値Ｕ，Ｖ，Ｗを正規化して図６に示されるような正規化された信号値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎを得る。なお、P2P_NORMは振幅（peak to peak）に対応するサンプル数であり、以下では一例としてP2P_NORM＝１０２４とする。
Ｕ_ｐｐ＝Ｕ_ｍａｘ−Ｕ_ｍｉｎ，Ｖ_ｐｐ＝Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_ｍｉｎ，Ｗ_ｐｐ＝Ｗ_ｍａｘ−Ｗ_ｍｉｎ
Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}＝Ｕ_ｍｉｎ，Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}＝Ｖ_ｍｉｎ，Ｗ_{ｏｆｆｓｅｔ}＝Ｗ_ｍｉｎ
Ｕ_ｎ＝（Ｕ−Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}）＊P2P_NORM／Ｕ_ｐｐ，
Ｖ_ｎ＝（Ｖ−Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}）＊P2P_NORM／Ｖ_ｐｐ，
Ｗ_ｎ＝（Ｗ−Ｗ_{ｏｆｆｓｅｔ}）＊P2P_NORM／Ｗ_ｐｐ

【0016】

位相インデックス特定部１４０は、信号正規化部１３０によって正規化された信号値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎの大小関係を位相区間ごとに示す位相インデックスを特定する。予備位相インデックス決定部１１０が正規化のためにある期間にわたって取得された信号値について位相インデックスを決定するのに対して、位相インデックス特定部１４０は電気角算出の対象になる現時点での位相インデックスを特定する。図７に示された例において、Ｉｎｄｅｘ０〜Ｉｎｄｅｘ５は以下のように定義される。図７に矢印で示す時点では、Ｖ_ｎ＞Ｗ_ｎ，Ｗ_ｎ≧Ｕ_ｎであるためＩｎｄｅｘ１が特定される。位相のインデックスを特定することによって、続く信号値抽出部１５０で抽出する信号を決定することが容易になる。
Ｉｎｄｅｘ０：Ｖ_ｎ≧Ｕ_ｎ，Ｕ_ｎ＞Ｗ_ｎ
Ｉｎｄｅｘ１：Ｖ_ｎ＞Ｗ_ｎ，Ｗ_ｎ≧Ｕ_ｎ
Ｉｎｄｅｘ２：Ｗ_ｎ≧Ｖ_ｎ，Ｖ_ｎ＞Ｕ_ｎ
Ｉｎｄｅｘ３：Ｗ_ｎ＞Ｕ_ｎ，Ｕ_ｎ≧Ｖ_ｎ
Ｉｎｄｅｘ４：Ｕ_ｎ≧Ｗ_ｎ，Ｗ_ｎ＞Ｖ_ｎ
Ｉｎｄｅｘ５：Ｕ_ｎ＞Ｖ_ｎ，Ｖ_ｎ≧Ｗ_ｎ

【0017】

信号値抽出部１５０は、信号値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎから、電気角に対して単調増加または単調減少する信号値を抽出する。具体的には、図８（ａ）に示された例において、信号値抽出部１５０は、位相インデックス特定部１４０によって決定された位相インデックスを参照して、位相区間ごとに信号値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎのうち最大でも最小でもない信号値を抽出する。図示された例では、インデックス０およびインデックス３では信号値Ｕ_ｎが、インデックス１およびインデックス４では信号値Ｗ_ｎが、インデックス２およびインデックス５では信号値Ｖ_ｎが、それぞれ抽出される。上述のように、これらの区間では抽出された信号値が電気角に対してほぼ線形で単調減少、または単調増加する。

【0018】

電気角算出部１６０は、信号値抽出部１５０によって抽出された信号値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎから電気角を算出する。図８（ｂ）に示された例では、抽出された信号値Ｕ_ｎ，Ｖ_ｎ，Ｗ_ｎが１／６周期に対応する区間ごとに単調減少および単調増加を繰り返すので、信号値を２５６（振幅の１／４）だけマイナス方向にシフトして、さらに偶数インデックス（Ｉｎｄｅｘ０，Ｉｎｄｅｘ２，Ｉｎｄｅｘ４）の区間で符号を反転させることによって、１／６周期（インデックス１つ分）ごとに０から５１２（振幅の１／２）まで単調増加する信号値Ｓに変換している。この場合、電気角θは、信号値Ｓおよびインデックス数ｎを用いてθ＝ｎ＊５１２＋Ｓとして算出することができる。なお、信号値抽出部１５０によって抽出された区間の信号値は電気角に対して単調減少または単調増加するため、上記の例に限らず様々な方法で電気角を算出することができる。

【0019】

図９は、本発明の一実施形態に係る電気角の算出処理の例を示すフローチャートである。図示された例において、電気角の算出処理は、上記で説明した予備位相インデックス決定部１１０、最大／最小値取得部１２０、信号正規化部１３０、位相インデックス特定部１４０、信号値抽出部１５０、および電気角算出部１６０の処理にそれぞれ対応する、予備位相インデックス決定ステップ（Ｓ１１０）、最大／最小値取得ステップ（Ｓ１２０）、信号正規化ステップ（Ｓ１３０）、位相インデックス特定ステップ（Ｓ１４０）、信号値抽出ステップ（Ｓ１５０）、および電気角算出ステップ（Ｓ１６０）を含む。

【0020】

ここで、ＢＬＤＣ２０の運転中にも温度変化などによってアナログホールセンサ２１の出力信号値の振幅およびオフセットが変動するため、所定の時間が経過した場合、予備位相インデックス決定ステップ（Ｓ１１０）、最大／最小値取得ステップ（Ｓ１２０）を繰り返して実行してもよい（Ｓ１７０）。所定の時間が経過するまでは、信号正規化ステップ（Ｓ１３０）、位相インデックス決定ステップ（Ｓ１４０）、区間抽出ステップ（Ｓ１５０）、および電気角算出ステップ（Ｓ１６０）を繰り返す（Ｓ１８０）。これによって、信号値を正規化する振幅およびオフセットを適切な値に維持しながら電気角の算出を継続することができる。

【0021】

図１０は、本発明の一実施形態における電気角の算出精度について検証した結果を示すグラフである。ＢＬＤＣ２０の駆動軸にＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）角度センサを取り付け、図１０のグラフは、ＢＬＤＣ２０を回転駆動させて電気角算出装置１００が算出した電気角θと角度センサの測定値とを比較した結果を示す。アナログホールセンサ２１が出力する信号値は正弦波状ではあるが必ずしも完全な正弦波ではないため、電気角θの算出値に最大で５°程度の誤差が生じるが、両者の間には線形の相関関係がみられた。この結果に示されるように、本実施形態では実用的な精度で電気角を算出することができる。

【0022】

上記で説明した本発明の実施形態では、モータに組み込まれているアナログホールセンサの出力に対して必要に応じて適切な手順で正規化を実施し、信号値と位相とが線形に推移する部分を抽出することによって、例えば外付けの回転エンコーダを用いることなく実用的な精度で電気角を算出することができ、装置の小型化、およびコストの低減の観点で有利である。

【0023】

なお、上記の実施形態の例ではＢＬＤＣ２０の固定子に組み込まれた３つのアナログホールセンサから出力される三相の信号値を用いて電気角を算出したが、他の例では４つ以上、例えば６つのアナログホールセンサから出力される信号値を用いて電気角を算出してもよい。より多くのアナログホールセンサの出力を利用する場合、例えば信号値と位相との関係がより直線に近い部分を抽出することによって、電気角の算出精度を向上させることができる。

【0024】

また、上記の実施形態の例では予備位相インデックス決定部１１０、最大／最小値取得部１２０、および信号正規化部１３０によってアナログホールセンサ２１の信号値Ｕ，Ｖ，Ｗが正規化されたが、例えば別途の手段によって正規化された信号値が提供される場合、電気角算出装置は必ずしもこれらの構成要素を含まなくてもよい。また、位相インデックス特定部１４０は、信号値抽出部１５０が抽出する信号を決定することを容易にするために設けられるが、例えば信号値抽出部１５０が直接的に信号値の大小関係を判定して信号値を抽出する場合、位相インデックス特定部１４０は必ずしも設けられなくてもよい。

【0025】

以上、添付図面を参照しながら本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0026】

１０…制御装置、２０…ブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣ）、２１，２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗ…アナログホールセンサ、１００…電気角算出装置、１１０…予備位相インデックス決定部、１２０…最大／最小値取得部、１３０…信号正規化部、１４０…位相インデックス特定部、１５０…信号値抽出部、１６０…電気角算出部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】