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特開2024-120855ブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法および制御装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024120855
(43)【公開日】2024-09-05
(54)【発明の名称】ブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法および制御装置
(51)【国際特許分類】
H02P 6/17 20160101AFI20240829BHJP
【ＦＩ】
H02P6/17
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024012574
(22)【出願日】2024-01-31
(31)【優先権主張番号】P 2023027357
(32)【優先日】2023-02-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】504180239
【氏名又は名称】国立大学法人信州大学
(71)【出願人】
【識別番号】000106944
【氏名又は名称】シナノケンシ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100199819
【弁理士】
【氏名又は名称】大行 尚哉
(74)【代理人】
【識別番号】100090170
【弁理士】
【氏名又は名称】横沢 志郎
(72)【発明者】
【氏名】千田 有一
(72)【発明者】
【氏名】種村 昌也
(72)【発明者】
【氏名】武藤 直斗
【テーマコード（参考）】
5H560
【Ｆターム（参考）】
5H560BB04
5H560BB12
5H560DA02
5H560DA19
5H560DB00
5H560EB01
5H560GG03
5H560RR06
5H560TT09
5H560TT15
5H560TT18
5H560XA04
5H560XA12
(57)【要約】
【課題】磁気センサで観測した情報からブラシレスＤＣモータの回転速度をより高精度に推定することができるブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法を提供する。
【解決手段】ブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、時変値ｒ［ｋ］となるように、カルマンフィルタ５４を設定するカルマンフィルタ設定ステップＳＴ２と、磁気センサ１３のそれぞれから出力される検出パルス信号を取得する検出パルス信号取得ステップＳＴ３と、取得した検出パルス信号から得られる連続パルスから、ロータの観測回転速度を算出する回転速度算出ステップＳＴ４と、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新ステップＳＴ５と、カルマンフィルタ５４に観測回転速度を入力し観測誤差雑音が除去されたロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップＳＴ６と、を含む。
【選択図】図６
【解決手段】ブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、時変値ｒ［ｋ］となるように、カルマンフィルタ５４を設定するカルマンフィルタ設定ステップＳＴ２と、磁気センサ１３のそれぞれから出力される検出パルス信号を取得する検出パルス信号取得ステップＳＴ３と、取得した検出パルス信号から得られる連続パルスから、ロータの観測回転速度を算出する回転速度算出ステップＳＴ４と、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新ステップＳＴ５と、カルマンフィルタ５４に観測回転速度を入力し観測誤差雑音が除去されたロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップＳＴ６と、を含む。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロータの磁極を検出する複数の磁気センサの出力に基づき前記ロータの回転速度を算出し、算出した前記回転速度をカルマンフィルタに通して、前記ロータの実際の回転速度を推定するブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法であって、
前記カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、次の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように、前記カルマンフィルタを設定するカルマンフィルタ設定ステップと、
前記複数の磁気センサのそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得ステップと、
各サンプリング時刻で取得した前記検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、前記ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出ステップと、
今回のサンプリング時刻において使用する前記カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新ステップと、
前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された前記観測回転速度を入力し、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去された前記ロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップと、
を含むことを特徴とするブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
前記カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、次の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように、前記カルマンフィルタを設定するカルマンフィルタ設定ステップと、
各サンプリング時刻で取得した前記検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、前記ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出ステップと、
今回のサンプリング時刻において使用する前記カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新ステップと、
前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された前記観測回転速度を入力し、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去された前記ロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップと、
を含むことを特徴とするブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項2】
前記係数（ｈω）を、次の式２に示すように、前記ロータを一定回転速度で駆動させて観測される前記ロータ１回転分の前記連続パルスの各エッジ間の回転速度のそれぞれに含まれる前記観測誤差雑音に基づき設定する、請求項１記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項3】
前記ブラシレスＤＣモータは８極の３相モータであり、
前記連続パルスから前記ロータ１回転あたり得られる２４パルスを用いて、前記カルマンゲインの調整パラメータｒ［ｋ］が設計されている、請求項２記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
前記連続パルスから前記ロータ１回転あたり得られる２４パルスを用いて、前記カルマンゲインの調整パラメータｒ［ｋ］が設計されている、請求項２記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項4】
前記カルマンフィルタの事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）に、指令電圧に重畳しているシステム雑音の分散値を設定する、請求項１記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項5】
前記カルマンフィルタ設定ステップでは、
前記カルマンフィルタの前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前記の式１の代わりに、次の式３で表される時変値ｒ［ｋ］を設定し、
カルマンゲイン、共分散行列、および状態推定値の算出式に用いられるＣ行列に、前記観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮したＣ行列（Ｃρ）を用いる、請求項１記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
前記カルマンフィルタの前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前記の式１の代わりに、次の式３で表される時変値ｒ［ｋ］を設定し、
【請求項6】
前記回転速度推定ステップでは、
前記回転速度算出ステップで算出された前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に、前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された前記観測回転速度を入力し、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去された前記ロータの回転速度を推定し、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、前記カルマンフィルタにおける状態推定値の算出式を、前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に用いる式とは別の式を用いて、事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
前記回転速度算出ステップで算出された前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に、前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された前記観測回転速度を入力し、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去された前記ロータの回転速度を推定し、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、前記カルマンフィルタにおける状態推定値の算出式を、前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に用いる式とは別の式を用いて、事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項7】
前記カルマンフィルタには、状態推定値の算出式に、前記観測回転速度をパラメータに含む第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、前記観測回転速度をパラメータに含まない第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、を設定しておき、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合には、前記カルマンフィルタ更新ステップおよび前記回転速度推定ステップにおいて、前記第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用い、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、前記カルマンフィルタ更新ステップおよび前記回転速度推定ステップにおいて、前記第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いる、請求項６記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合には、前記カルマンフィルタ更新ステップおよび前記回転速度推定ステップにおいて、前記第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用い、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、前記カルマンフィルタ更新ステップおよび前記回転速度推定ステップにおいて、前記第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いる、請求項６記載のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法。
【請求項8】
ロータの磁極を検出し出力する複数の磁気センサを有するブラシレスＤＣモータに接続され、前記ブラシレスＤＣモータを駆動制御するよう構成されたブラシレスＤＣモータの制御装置であって、
制御指令に基づき前記ロータを目標回転速度で回転駆動させるよう構成されたモータ駆動部と、
前記複数の磁気センサのそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得部と、
各サンプリング時刻で取得した前記検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、前記ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出部と、
カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、次の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように設計されており、前記回転速度算出部が算出した前記観測回転速度が通されて、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音を除去した前記ロータの回転速度を推定するカルマンフィルタと、
今回のサンプリング時刻において使用する前記カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新部と、
前記目標回転速度に追従させるよう、前記カルマンフィルタ更新部によって前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタにより推定された推定回転速度と前記目標回転速度とに基づき前記制御指令を生成し、前記制御指令を前記モータ駆動部に出力するモータ制御指令部と、を備えているブラシレスＤＣモータの制御装置。
制御指令に基づき前記ロータを目標回転速度で回転駆動させるよう構成されたモータ駆動部と、
前記複数の磁気センサのそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得部と、
各サンプリング時刻で取得した前記検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、前記ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出部と、
カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、次の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように設計されており、前記回転速度算出部が算出した前記観測回転速度が通されて、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音を除去した前記ロータの回転速度を推定するカルマンフィルタと、
前記目標回転速度に追従させるよう、前記カルマンフィルタ更新部によって前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新された前記カルマンフィルタにより推定された推定回転速度と前記目標回転速度とに基づき前記制御指令を生成し、前記制御指令を前記モータ駆動部に出力するモータ制御指令部と、を備えているブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項9】
前記カルマンフィルタは、前記係数（ｈω）が次の式２に示すように、前記ロータを一定回転速度で駆動させて観測される前記ロータ１回転分の前記連続パルスの各エッジ間の回転速度のそれぞれに含まれる前記観測誤差雑音に基づき設定されている、請求項８記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項10】
前記カルマンフィルタは、事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）に、指令電圧に重畳しているシステム雑音の分散値が設定されている、請求項８記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項11】
前記カルマンフィルタは、前記カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、前記の式１の代わりに、次の式３で表される時変値ｒ［ｋ］が設定されており、
カルマンゲイン、共分散行列、および状態推定値の算出式に用いられるＣ行列に、前記観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮したＣ行列（Ｃρ）が用いられている、請求項８記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項12】
前記カルマンフィルタは、
前記回転速度算出部によって、今回のサンプリング時刻において算出した観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に、前記カルマンフィルタ更新部が更新した前記カルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出した前記観測回転速度を入力し、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音を除去した前記ロータの回転速度を推定し、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、状態推定値の算出式を、前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に用いる式とは別の式を用いて、事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とする、請求項８～１１のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
前記回転速度算出部によって、今回のサンプリング時刻において算出した観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に、前記カルマンフィルタ更新部が更新した前記カルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出した前記観測回転速度を入力し、前記観測回転速度に含まれる前記磁気センサの位置誤差および前記ロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音を除去した前記ロータの回転速度を推定し、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、状態推定値の算出式を、前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に用いる式とは別の式を用いて、事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とする、請求項８～１１のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
【請求項13】
前記カルマンフィルタは、状態推定値の算出式に、前記観測回転速度をパラメータに含む第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、前記観測回転速度をパラメータに含まない第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、を有し、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合には、前記ロータの回転速度を前記第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いて推定し、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、前記ロータの回転速度を前記第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いて推定する、請求項１２記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合には、前記ロータの回転速度を前記第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いて推定し、
前記観測回転速度が前記連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、前記ロータの回転速度を前記第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いて推定する、請求項１２記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法、および、この回転速度推定方法を利用したブラシレスＤＣモータの制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ブラシレスＤＣモータは、シンプルかつ制御性が良く、工業製品やコンピュータ周辺機器など様々な分野で多用されている。ブラシレスＤＣモータは、通常、ホールセンサおよびロータリエンコーダを用い回転速度を観測しながら所望の回転速度と一致するよう制御されて使用される。ブラシレスＤＣモータに対しては、より安価にしたいという要求やより軽量化したいという要求がある。そこで、ホールセンサが安価で取り付けが容易であるのに対し、精密部品であるロータリエンコーダが高価で重いことから、ロータリエンコーダを用いずにホールセンサで観測した情報から回転速度を推定してブラシレスＤＣモータを制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【0003】
特許文献１で開示されているブラシレスモータの電気角推定方法では、ブラシレスＤＣモータの回転子を目標回転速度で回転させるＰＷＭ駆動電圧の演算に用いる電気角を、ＰＷＭ駆動電圧における周期を利用して推定する。この周期は、ホールセンサで検出された立ち上がりエッジを基に算出される（特許文献１の段落００４４－００４８参照）。
【0004】
一方で近年、ブラシレスＤＣモータをより高精度で制御して使用したいという要求が高まっている。そこで、カルマンフィルタを用い回転速度を推定してブラシレスＤＣモータを制御する方法が開示されている（例えば、特許文献２）。
【0005】
特許文献２で開示されている方法では、モータ角度検出センサにより検出されたモータ角度を入力とし、カルマンフィルタを用いて、回転速度を推定する。この推定された回転速度は、モータのトルクリップルを推定するために用いられる（特許文献２の段落００２３－００２７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１１－０３０３７１号公報
【特許文献2】特開２０２１－０２７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
より安価にしたいという要求やより軽量化したいという要求に対応すべく、ロータリエンコーダを用いずにホールセンサで観測した情報から回転速度を推定してブラシレスＤＣモータを制御する方法を採用する場合には、ホールセンサの配置誤差やロータの磁極の配置誤差（以降、「位置誤差」と記載する。）が原因で観測誤差が大きく生じてしまう問題がある。それにより、ブラシレスＤＣモータの目標回転速度への追従性を悪化させてしまう虞がある。
【0008】
そこで、観測誤差の影響を抑制するためにカルマンフィルタを用いて回転速度を推定する方法が有効であるものと考える。しかしながら、特許文献２で開示されている方法等の従来知られているカルマンフィルタを用いる方法では、ロータリエンコーダを用いることを前提としており、より安価でより軽量化するためには不利となる。
【0009】
本発明の主目的は、このような点に鑑みて、ロータリエンコーダを用いずにホールセンサといった磁気センサで観測した情報からブラシレスＤＣモータの回転速度をより高精度に推定することができるブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法を提案することにある。併せて、本発明の目的は、この回転速度推定方法を利用し、磁気センサで観測した情報からでもブラシレスＤＣモータを目標回転速度に高精度で追従させて制御することが可能な制御装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
［１］上記課題を解決すべく、ブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、ロータの磁極を検出する複数の磁気センサの出力に基づきロータの回転速度を算出し、算出した回転速度をカルマンフィルタに通して、ロータの実際の回転速度を推定するブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法であって、カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、次の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように、カルマンフィルタを設定するカルマンフィルタ設定ステップと、
複数の磁気センサのそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得ステップと、各サンプリング時刻で取得した検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出ステップと、今回のサンプリング時刻において使用するカルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新ステップと、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新されたカルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された観測回転速度を入力し、観測回転速度に含まれる磁気センサの位置誤差およびロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去されたロータの回転速度を推定する回転速度推定ステップと、を含むことを特徴とする。
【0011】
［２］本発明に係るブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法においては、係数（ｈω）を、次の式２に示すように、ロータを一定回転速度で駆動させて観測されるロータ１回転分の連続パルスの各エッジ間の回転速度のそれぞれに含まれる観測誤差雑音に基づき設定することが好ましい。
【0012】
［３］本発明に係るブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法においては、ブラシレスＤＣモータは８極の３相モータであり、連続パルスからロータ１回転あたり得られる２４パルスを用いて、カルマンゲインの調整パラメータｒ［ｋ］が設計されているものであってもよい。
【0013】
［４］本発明に係るブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法においては、カルマンフィルタの事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）に、指令電圧に重畳しているシステム雑音の分散値を設定することが好ましい。
【0014】
［５］本発明に係るブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法においては、カルマンフィルタ設定ステップでは、カルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前記の式１の代わりに、次の式３で表される時変値ｒ［ｋ］を設定し、
カルマンゲイン、共分散行列、および状態推定値の算出式に用いられるＣ行列に、観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮したＣ行列（Ｃρ）を用いることが好ましい。
【0015】
［６］本発明に係るブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法においては、回転速度推定ステップでは、回転速度算出ステップで算出された観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新されたカルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出された観測回転速度を入力し、観測回転速度に含まれる磁気センサの位置誤差およびロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音が除去されたロータの回転速度を推定し、観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、カルマンフィルタにおける状態推定値の算出式を、観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に用いる式とは別の式を用いて、事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とすることが好ましい。
【0016】
［７］このとき、カルマンフィルタには、状態推定値の算出式に、観測回転速度をパラメータに含む第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、観測回転速度をパラメータに含まない第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、を設定しておき、観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合には、カルマンフィルタ更新ステップおよび回転速度推定ステップにおいて、第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用い、観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、カルマンフィルタ更新ステップおよび回転速度推定ステップにおいて、第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いるようにすればよい。
【0017】
［８］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置は、ロータの磁極を検出し出力する複数の磁気センサを有するブラシレスＤＣモータに接続され、ブラシレスＤＣモータを駆動制御するよう構成されたブラシレスＤＣモータの制御装置であって、制御指令に基づきロータを目標回転速度で回転駆動させるよう構成されたモータ駆動部と、複数の磁気センサのそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得部と、各サンプリング時刻で取得した検出パルス信号の排他的論理和（ＸＯＲ）をとって得られる連続パルスから、ロータの回転速度を、観測回転速度として算出する回転速度算出部と、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、前記の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように設計されており、回転速度算出部が算出した観測回転速度が通されて、観測回転速度に含まれる磁気センサの位置誤差およびロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音を除去したロータの回転速度を推定するカルマンフィルタと、今回のサンプリング時刻において使用するカルマンフィルタのカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度を用いて更新するカルマンフィルタ更新部と、目標回転速度に追従させるよう、カルマンフィルタ更新部によってカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新されたカルマンフィルタにより推定された推定回転速度と目標回転速度とに基づき制御指令を生成し、制御指令をモータ駆動部に出力するモータ制御指令部と、を備えている。
【0018】
［９］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置においては、カルマンフィルタは、係数（ｈω）が前記の式２に示すように、ロータを一定回転速度で駆動させて観測されるロータ１回転分の連続パルスの各エッジ間の回転速度のそれぞれに含まれる観測誤差雑音に基づき設定されていることが好ましい。
【0019】
［１０］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置においては、カルマンフィルタは、事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）に、指令電圧に重畳しているシステム雑音の分散値が設定されていることが好ましい。
【0020】
［１１］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置においては、カルマンフィルタは、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、前記の式１の代わりに、前記の式３で表される時変値ｒ［ｋ］が設定されており、カルマンゲイン、共分散行列、および状態推定値の算出式に用いられるＣ行列に、観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮したＣ行列（Ｃρ）が用いられていることが好ましい。
【0021】
［１２］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置においては、カルマンフィルタは、回転速度算出部によって、今回のサンプリング時刻において算出した観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に、カルマンフィルタ更新部が更新したカルマンフィルタに、今回のサンプリング時刻において算出した観測回転速度を入力し、観測回転速度に含まれる磁気センサの位置誤差およびロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音を除去したロータの回転速度を推定し、観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、状態推定値の算出式を、観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合に用いる式とは別の式を用いて、事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とすることが好ましい。
【0022】
［１３］このとき、カルマンフィルタは、状態推定値の算出式に、観測回転速度をパラメータに含む第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、観測回転速度をパラメータに含まない第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルと、を有し、観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものである場合には、ロータの回転速度を第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いて推定し、観測回転速度が連続パルスのエッジ間の時間経過直後の最初のサンプリングにおいて得られたものでない場合には、ロータの回転速度を第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルを用いて推定すればよい。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、磁気センサで観測した情報からブラシレスＤＣモータの回転速度をより高精度に推定することができ、それにより、磁気センサで観測した情報からでもブラシレスＤＣモータを目標回転速度に高精度で追従させて制御することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムの構成図である。
【図2】実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムにおける信号処理図である。
【図3】実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムにおける磁気センサが検出したパルス信号の処理についての説明図である。
【図4】実施形態１のブラシレスＤＣモータのモデル図である。
【図5】実施形態１のカルマンフィルタによる信号処理図である。
【図6】実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法を示すフローチャートである。
【図7】実施形態２のカルマンフィルタによる信号処理図である。
【図8】低速回転時に観測回転速度をサンプリングしている状態を示す図である。
【図9】実施形態３のカルマンフィルタによる信号処理図である。
【図10】実施形態３のブラシレスＤＣモータの制御方法を示すフローチャートである。
【図11】実施例において実施形態１のカルマンフィルタの効果を確認するためのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図12】実施例において実施形態２のカルマンフィルタの効果を確認するためのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図13】実施例において実施形態３のカルマンフィルタの効果を確認するためのシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した一実施形態としてのブラシレスＤＣモータシステム１を説明する。なお、各図面は必ずしも実際の全ての構成を厳密に反映したものではない。また、本明細書では、ブラシレスＤＣモータのロータの回転に関し、「回転速度」の語を用い説明しているが、この語を「角速度」の語に置き換えて読み替えてもよい。また、本明細書では、ブラシレスＤＣモータの構造、インバータ回路を用いてのブラシレスＤＣモータの駆動原理、ブラシレスＤＣモータを制御するにあっての周辺機器については概ね従来と同様であり、従来と同様の部分については、説明を簡略にする又は省略する。また、本文中では、例えば「ωｈａｔ」のように、「ｈａｔ」の添え字を付した記号の信号は、推定された信号を意味し、式中や図中では添え字を用いずに傘状のアクセントを付加した記号として示している。また、本明細書では、所定の間隔（サンプリング周期）で繰り返し行われる処理のタイミングをサンプリング時刻といい、その行われたタイミングを［ｋ］または［ｋ｜ｋ－１］等の記号を用いて記載する。例えば、［ｋ］と記載している場合には、時刻ｋまでに利用可能なデータを用いた処理による事後推定を意味し、［ｋ｜ｋ－１］と記載している場合には、時刻ｋ－１までに利用可能なデータに基づいた処理による時刻ｋにおける事前推定を意味する。
【0026】
（実施形態１）
（１－１．実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムの構成）
図１は実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１の構成図である。図２は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１における信号処理図である。図３は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１における磁気センサが検出したパルス信号の処理についての説明図である。まず、図１を参照し、必要に応じて図２および図３も参照しながら実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１の構成を説明する。
（１－１．実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムの構成）
図１は実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１の構成図である。図２は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１における信号処理図である。図３は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１における磁気センサが検出したパルス信号の処理についての説明図である。まず、図１を参照し、必要に応じて図２および図３も参照しながら実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１の構成を説明する。
【0027】
ブラシレスＤＣモータシステム１は、図１に示すように、回転動力を出力するブラシレスＤＣモータ１０と、接続されたブラシレスＤＣモータ１０を駆動制御する制御装置２０と、を備えている。また、ブラシレスＤＣモータシステム１は、制御装置２０にデータを設定したり制御装置２０からデータを取得したりできるよう、制御装置２０にデータ授受可能に接続されたコンピュータ機器６０を備えている。以下に、ブラシレスＤＣモータシステム１における各構成について詳述する。
【0028】
ブラシレスＤＣモータ１０は、ステータ（不図示）と、複数の磁極を有しステータに対し回転可能なロータ１１と、ステータに周方向等間隔で固定された複数のコイル１２と、ステータに周方向等間隔で固定された複数の磁気センサ１３とを備えている。ロータ１１は、出力軸と当該出力軸に対し周方向に等間隔で整列するＳ極の磁極の永久磁石とＮ極の磁極の永久磁石とを有し回転子を構成している。複数のコイル１２は、インバータ回路を含む後述のモータ駆動部３０から供給される電流の有無および電流の向きによって、Ｓ極の磁力の発生とＮ極の磁力の発生と無磁力とを切り替え可能である。複数の磁気センサ１３は、一例としてホールセンサであり、対面するロータ１１の磁極を検出する。ステータ、複数のコイル１２、及び複数の磁気センサ１３は、固定子を構成している。ブラシレスＤＣモータ１０は、ロータ１１に配置された磁極の数が８極（４５°で８分割）で、コイル１２の数が３つ（１２０°ピッチ）で、磁気センサ１３の数が３つ（１２０°ピッチ）で構成されたＵ相、Ｖ相、およびＷ相を有する８極の３相モータであり、均等配置された複数の磁気センサ１３でロータ１１の磁極を検出し出力するよう構成されている。
【0029】
制御装置２０は、モータ駆動部３０、モータ駆動用電源４０、およびＤＳＰユニット５０（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ユニット５０）を含み、接続されたブラシレスＤＣモータ１０を駆動制御するよう構成されている。制御装置２０においては、ＡＤコンバータ等その他構成を有するが、その他の構成については既知であり説明を省略する。
【0030】
モータ駆動部３０は、ゲートドライバ３１と、３相ブリッジ３２と、を含むインバータ回路が形成されている。モータ駆動部３０は、３相ブリッジ３２の各相それぞれのラインにブラシレスＤＣモータ１０の各コイル１２が接続され、後述のＤＳＰユニット５０からのＰＩＤ制御指令に基づきゲートドライバ３１で通電相を切り替えて入力電圧（ｕｓ）が制御され、ロータ１１を目標回転速度（ωｒｅｆ）で回転駆動させることができる（図２も併せて参照）。
【0031】
モータ駆動用電源４０は、モータ駆動部３０に電気的に接続されており、モータ駆動部３０の３相ブリッジ３２を介してブラシレスＤＣモータ１０の通電相に駆動電源を供給する。
【0032】
ＤＳＰユニット５０は、制御プログラムおよび一時記憶データを記憶する記憶素子、演算処理を行う演算素子、および外部とデータ入出力をするための入出力インターフェースを有する処理ユニットであり、記憶素子に記憶された制御プログラムに従い、デジタル信号処理およびデジタル信号の入出力処理を実行する。ＤＳＰユニット５０は、目標回転速度設定部５１と、検出パルス信号取得部５２と、回転速度算出部５３と、カルマンフィルタ５４と、カルマンフィルタ更新部５５と、モータ制御指令部５６と含み構成されており、ブラシレスＤＣモータ１０に対する制御処理を司る。
【0033】
目標回転速度設定部５１は、後述のコンピュータ機器６０からブラシレスＤＣモータ１０を駆動させる際の目標回転速度（ωｒｅｆ）の入力を受け付ける。
【0034】
検出パルス信号取得部５２は、複数の磁気センサ１３のそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する（図３も併せて参照）。
【0035】
回転速度算出部５３は、検出パルス信号取得部５２が各サンプリング時刻で取得した３つの検出パルス信号の３端子入力の排他的論理和（以降、「ＸＯＲ」と記載する。）をとって得られる連続パルス（図３も併せて参照）から、観測回転速度（ωｙ）を算出する。具体的には、ブラシレスＤＣモータシステム１においては、ブラシレスＤＣモータ１０が８極の３相モータであるため、回転速度算出部５３は、図３に示すように、それぞれの検出パルス信号取得部５２が取得した３つの検出パルス信号のＸＯＲをとってロータ１回転あたり２４パルスの連続パルスを得ることになる。すなわち、この連続パルスにおける１エッジ間に対応する回転角度（Φ）は、理論上２π／２４となる。次の式５で表されるように、この２π／２４をエッジ間の時間（Δｔｇ）で割ると観測回転速度（ωｙ）を算出できる。
【0036】
カルマンフィルタ５４は、回転速度算出部５３が観測回転速度（ωｙ）を算出するに際して連続パルスにおける１エッジ間に対応する回転角度（Φ）を理論上の２π／２４としていたが、厳密には観測回転速度（ωｙ）には磁気センサ１３の設置誤差又はロータ１１の磁極の配置誤差による位置誤差から生じる観測誤差雑音（ωｎ）が含まれており、通された観測回転速度（ωｙ）から観測誤差雑音（ωｎ）を除去した回転速度を推定するために備えられている。カルマンフィルタ５４は、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が前記の式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように設計されている。カルマンフィルタ５４は、図２に示すように、指令電圧（ｕ）および観測回転速度（ωｙ）が入力され、後述の第１カルマンフィルタ数学モデルに従って観測誤差雑音（ωｎ）を除去するような処理を実行して推定回転速度（ωｈａｔ）を推定し、出力する。カルマンフィルタ５４の設計内容の詳細については、後述する。
【0037】
カルマンフィルタ更新部５５は、今回のサンプリング時刻［ｋ］において使用するカルマンフィルタ５４のカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻［ｋ｜ｋ－１］において推定された前回の推定回転速度（ωｈａｔ［ｋ｜ｋ－１］）を用いて更新する。具体的に、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）は、前記の式１により算出される。
【0038】
モータ制御指令部５６は、目標回転速度（ωｒｅｆ）に追従させるよう、カルマンフィルタ更新部５５によってカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新されたカルマンフィルタ５４により推定された推定回転速度（ωｈａｔ）と目標回転速度（ωｒｅｆ）とに基づき制御指令を生成する。また、モータ制御指令部５６は、生成した制御指令としての指令電圧（ｕ）をモータ駆動部３０に出力する。
【0039】
コンピュータ機器６０は、例えばパーソナルコンピュータ、タブレット端末、携帯端末、制御スイッチ、表示パネルであり、ＤＳＰユニット５０とデータの授受を行い、ＤＳＰユニット５０に実行させる制御内容の指示やＤＳＰユニット５０から取得したデータの表示やそのデータを用いた解析を行う。
【0040】
このように構成されたブラシレスＤＣモータシステム１においては、図２に示すように、まず、目標回転速度（ωｒｅｆ）とカルマンフィルタ５４により推定された推定回転速度（ωｈａｔ）とに基づきＰＩＤ制御用の指令電圧（ｕ）が定められる。この指令電圧（ｕ）がモータ駆動部３０に制御指令として送られるが、実際、モータ駆動部３０には、指令電圧（ｕ）にシステム雑音（ｕｎ）が載った入力電圧（ｕｓ）が入力される。指令電圧（ｕ）の情報は、カルマンフィルタ５４にもフィードバックされカルマンフィルタ５４における次の推定回転速度の推定に用いられる。入力電圧（ｕｓ）が入力されたモータ駆動部３０は、それに従いインバータ回路により通電させるコイル１２を切り替え、ブラシレスＤＣモータ１０を回転駆動させる。ブラシレスＤＣモータ１０が回転駆動すると、複数の磁気センサ１３がロータ１１の磁気を検出し、それぞれの検出パルス信号が通電させるコイル１２の切り替えタイミングを指示するためにモータ駆動部３０に出力されると同時に、検出パルス信号取得部５２に対しても出力される。検出パルス信号取得部５２に出力されたそれぞれの検出パルス信号は、所定のサンプリング周期で回転速度算出部５３に出力され、回転速度算出部５３において各サンプリング時刻で取得した検出パルス信号のＸＯＲをとって得られる連続パルスから観測回転速度（ωｙ）が算出される。この観測回転速度（ωｙ）は、真値の回転速度（ω）に対し、磁気センサ１３の設置誤差やロータ１１の磁極の配置誤差による観測誤差による観測誤差雑音（ωｎ）が載っている。ブラシレスＤＣモータシステム１においては、観測誤差雑音（ωｎ）やシステム雑音（ｕｎ）の影響を低減させるよう設計されたカルマンフィルタ５４により観測回転速度（ωｙ）からこれらの雑音を除去した推定回転速度（ωｈａｔ）として実際の回転速度が推定され、その推定回転速度（ωｈａｔ）がフィードバックされる。なお、カルマンフィルタ５４におけるカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）については、前回のサンプリング時刻において推定された前回の推定回転速度（ωｈａｔ［ｋ｜ｋ－１］）を用いて算出された時変値であり、カルマンフィルタ５４による推定処理が行われる度（サンプリング周期毎）に更新される。具体的には、例えば２５０回／秒の推定処理が行われ、都度カルマンフィルタ５４におけるカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新される。
【0041】
（１－２．実施形態１におけるカルマンフィルタの設計）
図４は、実施形態１のブラシレスＤＣモータ１０のモデル図である。図５は、実施形態１のカルマンフィルタ５４による信号処理図である。カルマンフィルタ５４は、第１カルマンフィルタ数式モデルに基づき、指令電圧（ｕ）および観測回転速度（ωｙ）の入力値からシステム雑音（ｕｎ）および観測誤差雑音（ωｎ）を除去し推定回転速度（ωｈａｔ）を出力することを目的に設計されている。以下にカルマンフィルタ５４の設計について説明する。
図４は、実施形態１のブラシレスＤＣモータ１０のモデル図である。図５は、実施形態１のカルマンフィルタ５４による信号処理図である。カルマンフィルタ５４は、第１カルマンフィルタ数式モデルに基づき、指令電圧（ｕ）および観測回転速度（ωｙ）の入力値からシステム雑音（ｕｎ）および観測誤差雑音（ωｎ）を除去し推定回転速度（ωｈａｔ）を出力することを目的に設計されている。以下にカルマンフィルタ５４の設計について説明する。
【0042】
カルマンフィルタ５４の設計をするに際し、まずは制御対処であるブラシレスＤＣモータ１０の数学モデルを設定する。ブラシレスＤＣモータ１０は、一般的なＤＣサーボモータに基づき図４に示すようなモータモデルとして示される。このモータモデルにおいて、出力される回転速度は、次の式６で表される。
【0043】
【0044】
【0045】
カルマンフィルタ５４においては、図５に示す経路で載ってくるシステム雑音（ｕｎ）および観測誤差雑音（ωｎ）を除去すべく、事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）およびカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）の最適化を行う。具体的には、指令電圧（ｕ）に重畳しているシステム雑音（ｕｎ）が期待値０でシステム雑音（ｕｎ）の分散値（σｕ
２）の正規分布に従う白色雑音で、観測誤差雑音（ωｎ）が期待値０で観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（σω
２）の正規分布に従う白色雑音であるものと考える。そのとき、事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）がシステム雑音（ｕｎ）の分散値（σｕ
２）であり、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（σω
２）であるとき、次の式１６で示される評価関数Ｊｕｄが最小となる。
【0046】
実施形態１では、事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）については指令電圧（ｕ）に重畳するシステム雑音（ｕｎ）が分かっているのでシステム雑音（ｕｎ）の分散値（σｕ
２）を設定する。一方、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）については、磁気センサ１３が出力した検出パルスから得られる回転速度が観測誤差雑音（ωｎ）を含む観測回転速度（ωｙ）で真値の回転速度（ω）が未知であることから、どう設計するかがポイントとなる。
【0047】
そこで、カルマンフィルタ５４においては、磁気センサ１３が出力した検出パルス信号のＸＯＲを取った連続パルスの各エッジ間に対応する回転角度（Φ１～Φｎ）が位置誤差により全て異なり（ロータ１１の回転角２π当たりでｎ通り異なり）、観測時にはどれか１つのエッジ間の回転速度を１／ｎ（ブラシレスＤＣモータ１０では１／２４）の確率で観測回転速度（ωｙ）として算出しているものと考える。そして、回転角度（Φ）のエッジ間の角速度（ω）を一定とすると、エッジ間の時間（Δｔｇ）、観測回転速度（ωｙ）、および観測誤差雑音（ωｎ）は、次の式１７～式１９で表される。
ここで、観測誤差雑音（ωｎ）が期待値０で観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（σω
２）の正規分布に従うこととしていることから、観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（σω
２）は、次の式２０により回転速度（ω）の関数として表すことができる。
そして式２０の回転速度（ω）の係数を置き換えた、前記の式２に示す（観測誤差雑音の測定値のばらつきに基づき設定された）係数（ｈω）が得られる。
この係数（ｈω）については、磁気センサ１３の検出パルス信号のＸＯＲを取った連続パルスの各エッジ間に対応する回転角度（Φ１～Φｎ）によって決まる値である。このため、係数（ｈω）は、あらかじめロータ１１を一定速度ωで回転させて、上記式５に示す計算式ωｙ＝２π／ｎ／Δｔｇ（上記式５ではｎ＝２４の場合を記載している。）を用いて、ロータ１１の回転角２π分（１回転分）における各エッジ間の観測回転速度（ωｙ）および各観測誤差雑音（ωｎ）を取得しておくことで、設定することができる。すなわち、係数（ｈω）が式２に示すように、ロータ１１を一定回転速度で駆動させて観測されるロータ１１の１回転分の連続パルスの各エッジ間の回転速度のそれぞれに含まれる観測誤差雑音（ωｎ）に基づき設定されている。なお、係数（ｈω）については、モータ固有の位置誤差によって決まる値であり、モータ毎に定まる値であるため、モータの製造時等に同定してしまってもよく、同定する際だけロータリエンコーダを繋いでロータリエンコーダが検知する精密な回転角度を用いてもよい。
【0048】
そして、カルマンフィルタ５４は、観測時にはどれか１つのエッジ間の回転速度を１／ｎの確率で観測回転速度（ωｙ）として算出しているものと考えることにより、同定された係数（ｈω）を用い、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を前記の式１で表される時変値（ｒ［ｋ］）とするよう設計される。
【0049】
（１－３．実施形態１におけるブラシレスＤＣモータの制御方法）
図６は、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法を示すフローチャートである。続いて図６を参照し、カルマンフィルタを利用したブラシレスＤＣモータの制御方法を説明する。
図６は、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法を示すフローチャートである。続いて図６を参照し、カルマンフィルタを利用したブラシレスＤＣモータの制御方法を説明する。
【0050】
ブラシレスＤＣモータシステム１におけるブラシレスＤＣモータの制御方法は、複数の磁気センサ１２でロータ１１の磁極を検出するブラシレスＤＣモータ１０において、ロータ１１の磁極を検出する磁気センサ１３の出力に基づきロータ１１の回転速度を算出し、算出した回転速度をカルマンフィルタ５４に通して、ロータ１１の実際の回転速度を推定回転速度（ωｈａｔ）として推定し、その推定回転速度（ωｈａｔ）を用いてＰＩＤ制御によりブラシレスＤＣモータ１０を駆動制御する方法である。このブラシレスＤＣモータの制御方法は、目標回転速度設定ステップＳＴ１、およびカルマンフィルタ設定ステップＳＴ２、並びに、駆動制御を停止するまで一定のサンプリング周期で繰り返される検出パルス信号取得ステップＳＴ３、回転速度算出ステップＳＴ４、カルマンフィルタ更新ステップＳＴ５、回転速度推定ステップＳＴ６、および、モータ制御指令ステップＳＴ７を実行する。
【0051】
目標回転速度設定ステップＳＴ１では、ブラシレスＤＣモータ１０を駆動させる際の目標回転速度（ωｒｅｆ）をコンピュータ機器６０等の入力デバイスから入力し、設定する。
【0052】
カルマンフィルタ設定ステップＳＴ２では、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、上記した式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように、カルマンフィルタ５４を設定する。
【0053】
検出パルス信号取得ステップＳＴ３では、複数の磁気センサ１３のそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する。
【0054】
回転速度算出ステップＳＴ４では、各サンプリング時刻で取得した検出パルス信号のＸＯＲをとって得られる連続パルスから、ロータ１１の回転速度を、観測回転速度（ωｙ）として算出する。具体的には、上記した回転速度算出部５３の説明で記載した内容と同様に算出する。
【0055】
カルマンフィルタ更新ステップＳＴ５では、今回のサンプリング時刻（ｋ）において使用するカルマンフィルタ５４のカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を、前回のサンプリング時刻（ｋ｜ｋ－１）において推定された前回の推定回転速度（ωｈａｔ［ｋ｜ｋ－１］）を用いて更新する。具体的には、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）は、前記の式１（ｒ［ｋ］＝ｈω・ωｈａｔ［ｋ｜ｋ－１］２）により算出し更新する。
【0056】
回転速度推定ステップＳＴ６では、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新されたカルマンフィルタ５４に、今回のサンプリング時刻（ｋ）において算出された観測回転速度（ωｙ）を入力し、観測回転速度（ωｙ）に含まれる磁気センサ１３の位置誤差およびロータ１１の磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音（ωｎ）が除去されたロータ１１の回転速度を推定回転速度（ωｈａｔ）として推定する。具体的なカルマンフィルタ５４による推定回転速度（ωｈａｔ）の推定方法については、上述した通りである。
【0057】
モータ制御指令ステップＳＴ７では、目標回転速度（ωｒｅｆ）に追従させるよう、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が更新されたカルマンフィルタ５４により推定された推定回転速度（ωｈａｔ）と目標回転速度（ωｒｅｆ）とに基づき制御指令を生成し、その制御指令を、ブラシレスＤＣモータ１０の駆動制御信号として出力する。
【0058】
（１－４．実施形態１における作用・効果）
実施形態１のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法では、複数の磁気センサ１３のそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得ステップＳＴ３と、各サンプリング時刻で取得した検出パルス信号のＸＯＲをとって得られる連続パルスから、ロータ１１の回転速度を、観測回転速度（ωｙ）として算出する回転速度算出ステップＳＴ４とを実行する。このため、実施形態１によれば、ロータリエンコーダを用いなくても磁気センサ１３で観測した情報から回転速度を算出することができる。また、実施形態１のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法では、カルマンフィルタ設定ステップＳＴ２において、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、上記した式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように、カルマンフィルタ５４を設定することで、観測誤差雑音（ωｎ）のばらつきを除去すべく最適化されている。このため、実施形態１のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法によれば、磁気センサ１３で観測した情報からブラシレスＤＣモータ１０の回転速度をより高精度に推定することができる。また、実施形態１のブラシレスＤＣモータ１０の制御装置２０によれば、この効果を奏するブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法を利用してブラシレスＤＣモータ１０の制御装置２０が構成されていることから、磁気センサ１３で観測した情報からブラシレスＤＣモータ１０の回転速度をより高精度に推定することができる。
実施形態１のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法では、複数の磁気センサ１３のそれぞれから出力される検出パルス信号を所定のサンプリング周期で取得する検出パルス信号取得ステップＳＴ３と、各サンプリング時刻で取得した検出パルス信号のＸＯＲをとって得られる連続パルスから、ロータ１１の回転速度を、観測回転速度（ωｙ）として算出する回転速度算出ステップＳＴ４とを実行する。このため、実施形態１によれば、ロータリエンコーダを用いなくても磁気センサ１３で観測した情報から回転速度を算出することができる。また、実施形態１のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法では、カルマンフィルタ設定ステップＳＴ２において、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が、上記した式１で表される時変値ｒ［ｋ］となるように、カルマンフィルタ５４を設定することで、観測誤差雑音（ωｎ）のばらつきを除去すべく最適化されている。このため、実施形態１のブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法によれば、磁気センサ１３で観測した情報からブラシレスＤＣモータ１０の回転速度をより高精度に推定することができる。また、実施形態１のブラシレスＤＣモータ１０の制御装置２０によれば、この効果を奏するブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法を利用してブラシレスＤＣモータ１０の制御装置２０が構成されていることから、磁気センサ１３で観測した情報からブラシレスＤＣモータ１０の回転速度をより高精度に推定することができる。
【0059】
（実施形態２）
実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法と基本構成、制御概念、及び制御方法の流れについては同様であるが、設計内容を異ならせ変形させたカルマンフィルタ数学モデルが設定されたカルマンフィルタを用いる。このため、以下の説明においては、カルマンフィルタの設計内容の違いについて説明し、その他の説明を省略する。
実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法と基本構成、制御概念、及び制御方法の流れについては同様であるが、設計内容を異ならせ変形させたカルマンフィルタ数学モデルが設定されたカルマンフィルタを用いる。このため、以下の説明においては、カルマンフィルタの設計内容の違いについて説明し、その他の説明を省略する。
【0060】
図７は、実施形態２のカルマンフィルタ１５４による信号処理図である。実施形態１のカルマンフィルタ５４では推定回転速度（ωｈａｔ）に、真値の回転速度（ω）に対する僅か偏りが見られることから、カルマンフィルタ１５４は、カルマンフィルタ５４と同様に推定回転速度（ωｈａｔ）のばらつきを低減させるだけでなく、更に推定回転速度（ωｈａｔ）の偏りを小さくすることを目的に設計されている。以下にカルマンフィルタ１５４の設計について説明する。
【0061】
カルマンフィルタ１５４を設計するにあたって、まず、実施形態１のカルマンフィルタ５４については、観測誤差雑音（ωｎ）が期待値０で観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（σω
２）の正規分布に従う白色雑音であるものとして設計されているが、厳密には期待値は、完全に０ではないことが原因で、推定回転速度（ωｈａｔ）に偏りが見られているものと考察した。そこで、カルマンフィルタ１５４については、期待値０の通常のカルマンフィルタを変形し新たなモデルを設定して、観測誤差雑音（ωｎ）が、期待値μωで観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（σω
２）の正規分布に従う白色雑音であるものとして設計する。
【0062】
カルマンフィルタ１５４における期待値（μω）は、次の式２１により回転速度（ω）の関数として表すことができる。
そして式２１の回転速度（ω）の係数を置き換えた、次の式２２に示す（観測誤差雑音の測定値の偏りに基づき設定された）係数（ρ）が得られる。
この係数（ρ）は、磁気センサ１３の検出パルス信号のＸＯＲを取った連続パルスの各エッジ間に対応する回転角度（Φ１～Φｎ）によって決まる値である。このため、係数（ρ）は、あらかじめロータ１１を一定速度ωで回転させて、上記式５に示す計算式ωｙ＝２π／ｎ／Δｔｇ（上記式５ではｎ＝２４の場合を記載している。）を用いて、ロータ１１の回転角２π分（１回転分）における各エッジ間の観測回転速度（ωｙ）および各観測誤差雑音（ωｎ）を取得しておくことで、Ｅ［ωｎ］＝ρωより、前記の式４が算出される。
なお、係数（ρ）については、モータ固有の位置誤差によって決まる値であり、モータ毎に定まる値であるため、モータの製造時等に同定してしまってもよく、同定する際だけロータリエンコーダを繋いでロータリエンコーダが検知する精密な回転角度を用いてもよい。
【0063】
また、観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（σω
２）についても、次の式２３で表されるように回転速度（ω）の関数として表すことができる。
【0064】
以上より観測誤差雑音（ωｎ）が、期待値ρωで観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（（ｈω－ρ２）ω２）の正規分布に従うとみなせる。これを以下の式２４で表し、正規分布の線形性より式２５で表されるように分解し、式２６で表される観測方程式が得られる。
この観測方程式のｘの係数［０ １＋ρ］を観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮したＣ行列（Ｃρ）とする。
【0065】
そして、カルマンフィルタ１５４においては、カルマンフィルタ数学モデルとして、図７に示すような前記の式１０～１２と次の式２７～式２９とからなる処理式で表されるとともに、カルマンゲイン、共分散行列、および状態推定値の算出式に用いられるＣ行列に観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮したＣ行列（Ｃρ）を用いた第２カルマンフィルタ数学モデルを設定し、調整パラメータの最適化が行われる。
【0066】
変形モデルのカルマンフィルタ１５４においては、実施形態１のカルマンフィルタ５４のカルマンフィルタ数学モデルに対し、さらに観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮すべく、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を観測誤差雑音（ωｎ）の観測値の偏りに基づき設定された係数（ρ）を用いて前記の式３で表される時変値（ｒ［ｋ］）とするよう設計される。
【0067】
実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法によれば、実施形態１と同様、カルマンフィルタ１５４は、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を観測誤差雑音（ωｎ）に基づき設定される係数（ｈω）を有するとともに時変値（ｒ［ｋ］）とすることで、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を除去すべく最適化されている。このため、実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法によれば、磁気センサ１３で観測した情報からブラシレスＤＣモータ１０の回転速度をより高精度に推定することができる。さらに、実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）に観測誤差雑音（ωｎ）の観測値の偏りを考慮した係数（ρ）を設定されており、カルマンゲイン、共分散行列、および状態推定値の算出式に用いられるＣ行列にも、観測誤差雑音（ωｎ）の観測値の偏りを考慮したＣ行列（Ｃρ）が設定されている。これにより、実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法によれば、さらに、観測誤差雑音（ωｎ）の偏りの影響を低減させてブラシレスＤＣモータ１０の回転速度をより高精度に推定することができる。
【0068】
（実施形態３）
実施形態３のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、実施形態１および実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法と基本構成、制御概念、及び制御方法の流れについては同様であるが、設計内容を異ならせて一部選択的処理を追加し拡張させたカルマンフィルタ数学モデルが設定されたカルマンフィルタを用いる。このため、以下の説明においては、カルマンフィルタの設計内容の違いについて説明し、その他の説明を省略する。なお、実施形態３で拡張させたカルマンフィルタの選択的処理については、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムで用いられるカルマンフィルタにも適用できるが、以下では、実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムで用いられるカルマンフィルタ１５４を基に選択的処理を追加したカルマンフィルタの一例を説明する。
実施形態３のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、実施形態１および実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法と基本構成、制御概念、及び制御方法の流れについては同様であるが、設計内容を異ならせて一部選択的処理を追加し拡張させたカルマンフィルタ数学モデルが設定されたカルマンフィルタを用いる。このため、以下の説明においては、カルマンフィルタの設計内容の違いについて説明し、その他の説明を省略する。なお、実施形態３で拡張させたカルマンフィルタの選択的処理については、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムで用いられるカルマンフィルタにも適用できるが、以下では、実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムで用いられるカルマンフィルタ１５４を基に選択的処理を追加したカルマンフィルタの一例を説明する。
【0069】
図８は低速回転時に観測回転速度をサンプリングしている状態を示す図であり、図９は実施形態３のカルマンフィルタ２５４による信号処理図であり、図１０はカルマンフィルタ２５４を用いたブラシレスＤＣモータの制御方法を示すフローチャートである。実施形態２のカルマンフィルタ１５４については、実施形態１のカルマンフィルタ５４と同様に推定回転速度（ωｈａｔ）のばらつきを低減させるだけでなく、更に推定回転速度（ωｈａｔ）の偏りを小さくすることを目的に設計されているものであるが、実施形態３のカルマンフィルタ２５４は、実施形態２のカルマンフィルタ１５４を基に、更に、低速回転時の観測データの減少による観測精度劣化を防ぐことを目的に設計されたものである。以下にカルマンフィルタ２５４の設計について説明する。
【0070】
カルマンフィルタ２５４を設計するにあたって、まず、実施形態２のカルマンフィルタ１５４については、一般的なカルマンフィルタと同様に、一定周期で観測値（実施形態２では観測回転速度（ωｙ））をサンプリングする。このため、ブラシレスＤＣモータにおけるロータの低速回転時には、図８に示すように、検出パルス信号のＸＯＲを取った連続パルスのエッジ間の時間（Δｔｇ）（図３も参照）よりもサンプリング周期（図８では「Ｔ」の符号を付して示している。）が短くなることがある。このとき、観測回転速度（ωｙ）の更新頻度が下がるため、連続するサンプリング時刻において、同じ観測回転速度（ωｙ）をサンプリングせざるを得ない。すなわち、サンプリング時刻において算出した観測回転速度（ωｙ）は、前回のサンプリング時刻において算出した前回観測回転速度から変化しない。一例として、図８では、検出パルス信号のＸＯＲを取った連続パルスのエッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後の最初のサンプリングにおいて得られる観測回転速度（ωｙ）を二重丸で示し、エッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後以外のサンプリングにおいて得られる観測回転速度（ωｙ）を黒丸で示しているが、エッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後以外の観測回転速度（ωｙ）は、その直前のエッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後の観測回転速度（ωｙ）から変化せず、観測回転速度（ωｙ）が更新されない。実施形態２のカルマンフィルタ１５４では、観測誤差雑音（ωｎ）が、期待値μωで観測誤差雑音（ωｎ）の分散値（σω
２）の正規分布に従う白色雑音であるものとして設計されているが、同じ観測回転速度（ωｙ）をサンプリングしている状態においては、観測誤差雑音（ωｎ）が設計からかけ離れてしまい、推定精度は劣化してしまう。そこで、カルマンフィルタ２５４については、低速回転時の推定精度の劣化を防ぐべく、低速回転時には選択的に異なる推定処理を適用するものとして設計する。
【0071】
カルマンフィルタ２５４は、図９に示すように、実施形態２のカルマンフィルタ１５４で設定されていた第２カルマンフィルタ数学モデルと同じの第１の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ａ、および、第２カルマンフィルタ数学モデルと一部の式が異なる第２の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ｂとが設定されている。また、カルマンフィルタ２５４は、サンプリング時刻毎に推定に用いるカルマンフィルタ数学モデルを第１の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ａおよび第２の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ｂのいずれを選択するかを行うモデル選択処理部２５４ｃを備えている。
【0072】
第１の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ａは、実施形態２のカルマンフィルタ１５４で設定されていた第２カルマンフィルタ数学モデルであり、前述したように式１０～１２と式２７～式２９とからなる次の処理式で表される。
【0073】
第２の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ｂは、実施形態２のカルマンフィルタ１５４で設定されていた第２カルマンフィルタ数学モデルを、状態推定値の算出式（式２９）のみ別の状態推定値の算出式（式３０）に置き換えたものであり、式１０～１２と式２７～式２８と式３０とからなる次の処理式で表される。すなわち、第２の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ｂは、状態推定値の算出式（式３０）に観測回転速度（ωｙ）をパラメータに含まず、ロータ１１の回転速度を式１１において算出された事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とする。
【0074】
モデル選択処理部２５４ｃは、観測回転速度（ωｙ）を受けて、観測回転速度（ωｙ）に応じてサンプリング時刻毎に推定に用いるカルマンフィルタ数学モデルを選択する。より詳しくは、モデル選択処理部２５４ｃは、観測回転速度（ωｙ）がエッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後の場合には、第１の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ａを選択して、カルマンフィルタ更新部５５が更新したカルマンフィルタ２５４に、今回のサンプリング時刻において算出した観測回転速度を入力（ωｙ）し、観測回転速度（ωｙ）に含まれる磁気センサ１３の位置誤差およびロータ磁極の位置誤差に起因する観測誤差雑音（ωｎ）を除去したロータ１１の回転速度を推定する。一方で、モデル選択処理部２５４ｃは、観測回転速度（ωｙ）がエッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後以外の場合には、第２の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ｂを選択して、ロータ１１の回転速度を式１１において算出された事前状態推定値と同じであるものを状態推定値とする。つまり、モデル選択処理部２５４ｃは、低速回転時には、低速回転時用の第２の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ｂも選択的に用いてロータ１１の回転速度を推定し、低速回転時以外のある程度高速回転になったところで、第１の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ａのみを用いて、実施形態２と同様にロータ１１の回転速度を推定する。
【0075】
このように、選択的にカルマンフィルタ数学モデルを切り替えるカルマンフィルタ２５４を用いたブラシレスＤＣモータの制御方法は、図１０に示すように、まず、実施形態１および２と同様に目標回転速度設定ステップＳＴ１、カルマンフィルタ設定ステップＳＴ２、検出パルス信号取得ステップＳＴ３、および、回転速度算出ステップＳＴ４を実行する。続いて、この制御方法では、回転速度算出ステップＳＴ４で算出した観測回転速度（ωｙ）を受けたモデル選択処理部２５４ｃが、前述したように、観測回転速度（ωｙ）がエッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後か否かを判別して、使用するカルマンフィルタ数学モデルを、エッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後の場合（図８の二重丸で示すタイミングの場合）には第１の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ａを選択し、エッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後以外の場合（図８の黒丸で示すタイミングの場合）には第２の処理用カルマンフィルタ数学モデル２５４ｂを選択する処理選択ステップＳＴ１００を実行する。続いて、この制御方法は、処理選択ステップＳＴ１００で選択されたカルマンフィルタ数学モデルを用いて、実施形態１および実施形態２と同様にカルマンフィルタ更新ステップＳＴ５、回転速度推定ステップＳＴ６、および、モータ制御指令ステップＳＴ７を実行すし、駆動制御を継続する場合には、検出パルス信号取得ステップＳＴ３に戻り、検出パルス信号取得ステップＳＴ３～モータ制御指令ステップＳＴ７の流れを繰り返す。
【0076】
実施形態３のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法によれば、実施形態１および実施形態２と同様、カルマンフィルタ２５４は、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）を観測誤差雑音（ωｎ）に基づき設定される係数（ｈω）を有するとともに時変値（ｒ［ｋ］）とすることで、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を除去すべく最適化されている。このため、実施形態３のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法によれば、磁気センサ１３で観測した情報からブラシレスＤＣモータ１０の回転速度をより高精度に推定することができる。更に、実施形態３のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、カルマンフィルタ２５４によって、観測回転速度（ωｙ）がエッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後か否かによって、選択的に状態推定値の算出式を用いる。すなわち、実施形態３のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法においては、実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法では低速回転時に推定精度は劣化してしまうところ、観測回転速度（ωｙ）がエッジ間の時間（Δｔｇ）経過直後以外を含んだ状態となる低速回転時を判別し、用いるカルマンフィルタ数学モデルを低速回転時用に適するように、第２のカルマンフィルタ数学モデル２５４ｂも選択的に用い、ロータ１１の回転速度を推定する。このため、実施形態３のブラシレスＤＣモータシステムおよびブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法によれば、低速回転時においてもロータ１１の回転速度をより精度よく推定できる。
【0077】
［その他の形態］
以上、本発明を上記の実施形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
以上、本発明を上記の実施形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【0078】
（１）上記実施形態において記載した構成要素の数、接続の仕方、カルマンフィルタの設定パラメータ等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
【0079】
（２）上記した実施形態においては、ブラシレスＤＣモータの制御装置について、モータ駆動部、モータ駆動用電源、およびＤＳＰユニットを一体に構成した装置であるものとして説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、一部構成を、制御装置と電気的に接続された別装置として構成してもよい。
【0080】
（３）上記した実施形態においては、ブラシレスＤＣモータは８極の３相モータであるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ロータ１１に配置された磁極の数が２極（１８０°で２分割）の２極の３相モータであってもよい。
【0081】
（４）上記した実施形態においては、式２、式２０において、偏差の２乗の総和（偏差平方和）の値をnで割り、hωについて標本分散を求めたが、偏差の２乗の総和（偏差平方和）の値をn-1で割った不偏分散をhωとして用い計算してもよい。
【0082】
（５）上記した実施形態においては、ＤＳＰユニット５０からの制御指令がＰＩＤ制御であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明については、ＤＳＰユニットからの制御指令がＩ－ＰＤ制御やＰＩ－ＰＤ制御などのフィードバック制御であるものにも適用できる。
【0083】
（６）上記した実施形態においては、一例として、図２に示すような回転速度制御系のブラシレスＤＣモータシステム１を用いて回転速度推定方法の説明をしているが、本発明に係る回転速度推定方法は速度制御されるブラシレスＤＣモータシステムへの適用に限定されるものではない。例えば、位置制御されるブラシレスＤＣモータシステムにも適用できる。
【実施例0084】
図１１は、実施例において実施形態１のカルマンフィルタ５４の効果を確認するためのシミュレーション結果を示すグラフである。図４に示すブラシレスＤＣモータモデルにおいて、回路抵抗等の各パラメータ（前述の式６におけるパラメータ）には次の表１に示す値を用いた。図１１（ａ）は、カルマンフィルタを用いない場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図１１（ｂ）は、カルマンフィルタを用いるがカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）をｒ＝ｈω・１２の一定値にするよう設計した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図１１（ｃ）は、実施形態１のカルマンフィルタ５４を用い、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）をｒ［ｋ］＝ｈω・ωｈａｔ［ｋ｜ｋ－１］２の時変値にするよう設計した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。まずは、図１１を参照し、実施形態１のカルマンフィルタ５４の効果を説明する。なお、カルマンフィルタを用いる場合、事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）にシステム雑音（ｕｎ）の分散値（σｕ
２＝０．０１）を設定しシミュレーションを行っている。
【0085】
【表1】
【0086】
図１１に示すシミュレーション結果を見ると、カルマンフィルタを用いない場合の図１１（ａ）のグラフに対し、カルマンフィルタを用いる場合の図１１（ｂ）および図１１（ｃ）のグラフでは、真値の回転速度（ω）に対し観測回転速度（ωｙ）のばらつきが抑えられていることがわかる。更に、カルマンフィルタを用いた場合においても、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が一定値に設計された図１１（ｂ）のグラフに対し、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が時変値に設計された図１１（ｃ）のグラフでは、真値の回転速度（ω）に対し観測回転速度（ωｙ）のばらつきが抑えられていることがわかる。図１１に示すそれぞれのシミュレーション結果から推定回転速度（ωｈａｔ）の二乗平均平方根誤差｛ＲＭＳＥ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）｝を算出し、表２に示す。
【0087】
【表2】
【0088】
表２に示すように、図１１（ａ）のカルマンフィルタを用いない場合ではＲＭＳＥ＝３．９７００であるのに対し、図１１（ｂ）のカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が一定値に設計されたカルマンフィルタを用いた場合ではＲＭＳＥ＝１．０４８９である。カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が一定値に設計されたカルマンフィルタを用いた場合は、カルマンフィルタを用いない場合に対し、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を７３．５８％除去している。さらに、図１１（ｃ）のカルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が時変値に設計されたカルマンフィルタを用いた場合ではＲＭＳＥ＝０．３４７５である。カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）が時変値に設計された第１カルマンフィルタ数学モデルのカルマンフィルタを用いた場合は、カルマンフィルタを用いない場合に対し、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を９１．２５％除去している。このシミュレーション結果により、カルマンフィルタを用いる場合、特に第１カルマンフィルタ数学モデルのカルマンフィルタを用いる場合の観測誤差雑音（ωｎ）のばらつき抑制効果が確認できた。
【0089】
図１２は、実施例において実施形態２のカルマンフィルタ１５４の効果を確認するためのシミュレーション結果を示すグラフであり、定速回転時の範囲を拡大して表示している。図１２（ａ）は、観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮していない第１カルマンフィルタ数学モデルのカルマンフィルタを用いた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。図１２（ｂ）は、観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮している第２カルマンフィルタ数学モデルのカルマンフィルタを用いた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。次に、図１２を参照し、実施形態２で説明したカルマンフィルタ１５４の効果を説明する。なお、カルマンフィルタの事前共分散行列の調整パラメータ（ｑ）にシステム雑音（ｕｎ）の分散値（σｕ
２＝０．０１）を設定しシミュレーションを行っている。
【0090】
図１２に示すシミュレーション結果を見ると、観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮していないカルマンフィルタ５４を用いた場合の図１２（ａ）のグラフに対し、観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮しているカルマンフィルタ１５４を用いた場合の図１２（ｂ）のグラフでは、真値の回転速度（ω）に対し観測回転速度（ωｙ）が近づいていることがわかる。図１２に示すそれぞれのシミュレーション結果から推定回転速度（ωｈａｔ）の二乗平均平方根誤差｛ＲＭＳＥ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）｝を算出し、表３に示す。
【0091】
【表3】
【0092】
表３に示すように、推定回転速度（ωｈａｔ）の二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）を算出すると、図１２（ａ）のカルマンフィルタ５４を用いた場合ではＲＭＳＥ＝０．３４７５であるのに対し、図１２（ｂ）のカルマンフィルタ１５４を用いた場合ではＲＭＳＥ＝０．３３１２である。観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮しているカルマンフィルタ１５４を用いた場合は、カルマンフィルタを用いない場合に対し、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を９１．６６％除去しており、カルマンフィルタ５４用いた場合よりも良好である。このシミュレーション結果により、観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮しているカルマンフィルタ１５４を用いる場合、観測誤差雑音の観測値の偏りを考慮していないカルマンフィルタ５４を用いる場合よりも観測誤差雑音（ωｎ）の偏り抑制効果が確認できた。
【0093】
更に、ロバスト性の検証として、第１カルマンフィルタ数学モデルのカルマンフィルタ５４を用い、観測誤差雑音（ωｎ）に基づき同定される係数（ｈω）に±５％同定誤差があった場合のシミュレーションを行った。その結果、推定回転速度（ωｈａｔ）の二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）を算出し、表４に示す。
【0094】
【表4】
【0095】
表４に示すように、係数（ｈω）の同定誤差がない場合ではＲＭＳＥ＝０．３４７５でカルマンフィルタを用いない場合に対し、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を９１．２５％除去している。一方で、係数（ｈω）の同定誤差が＋５％ある場合ではＲＭＳＥ＝０．３４６８でカルマンフィルタを用いない場合に対し、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を９１．２７％除去している。また一方で、係数（ｈω）の同定誤差が－５％ある場合ではＲＭＳＥ＝０．３４８３でカルマンフィルタを用いない場合に対し、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を９１．２３％除去している。このことからわかるように、係数（ｈω）に±５％同定誤差があっても第１カルマンフィルタ数学モデルのカルマンフィルタ５４を用いて推定される推定回転速度（ωｈａｔ）にほとんど変化がない。
【0096】
また、更に、ロバスト性の検証として、第１カルマンフィルタ数学モデルのカルマンフィルタ５４を用い、カルマンゲインの調整パラメータ（ｒ）の更新において用いる推定回転速度（ωｈａｔ［ｋ｜ｋ－Ｌ］）（ただし、Ｌ：ステップ遅れ数）に数ステップの遅れが発生してしまった場合のシミュレーションを行った。その結果、推定回転速度（ωｈａｔ）の二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）を算出し、表５に示す。
【0097】
【表5】
【0098】
図１３は、実施例において実施形態３のカルマンフィルタの効果を確認するためのシミュレーション結果を示すグラフであり、ある程度ロータ１１の回転速度を上げた後、低速回転させた状態を示しており、図１３（ａ）に比較例３のカルマンフィルタを用いない従来の手法で観測した場合、図１３（ｂ）に実施形態２のカルマンフィルタ１５４を用いて推定した場合、図１３（ｃ）に実施形態３のカルマンフィルタ２５４を用いて推定した場合を示している。図１４は、図１３のＡ１部およびＡ２部の拡大図である。図１５は、図１３のＢ１部、Ｂ２部、およびＢ３部の拡大図である。これらの図を参照し、実施形態３のカルマンフィルタ２５４の効果を説明する。
【0099】
図１３に示すシミュレーション結果を見ると、カルマンフィルタを用いない場合の図１３（ａ）のグラフに対し、カルマンフィルタを用いる場合の図１３（ｂ）および図１３（ｃ）のグラフでは、真値の回転速度（ω）に対し観測回転速度（ωｙ）のばらつきが抑えられていることがわかる。更に、カルマンフィルタを用いた場合においても、ロータ１１の回転速度が１５－２０ｒａｄ／ｓの低速域で、実施形態２のカルマンフィルタ１５４を用いた図１４（ａ）のグラフに対し、実施形態３のカルマンフィルタ２５４を用いた図１４（ｂ）のバラツキが抑えられていることがわかる。また更に、ロータ１１の回転速度が０－０．５ｒａｄ／ｓの極低速域において、カルマンフィルタを用いない従来の手法を用いた図１５（ａ）および実施形態２のカルマンフィルタ１５４を用いた図１５（ｂ）のグラフでは実際の回転速度と推定回転速度（ωｈａｔ）との差が大きいが、実施形態３のカルマンフィルタ２５４を用いた図１５（ｃ）では、実際の回転速度と推定回転速度（ωｈａｔ）との差が小さいことがわかる。図１３に示すそれぞれのシミュレーション結果から推定回転速度（ωｈａｔ）の二乗平均平方根誤差｛ＲＭＳＥ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）｝を算出し、表６に示す。
【0100】
【表6】
【0101】
表６に示すように、図１３（ａ）に示すカルマンフィルタを用いない場合ではＲＭＳＥ＝４．１８６４であるのに対し、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）に示すカルマンフィルタを用いる場合ではＲＭＳＥが０．５以下であり、カルマンフィルタを用いる場合の観測誤差雑音（ωｎ）のばらつき抑制効果が確認できた。更に、図１３（ｂ）に示す実施形態２のカルマンフィルタ１５４を用いる場合ではＲＭＳＥ＝０．４２９０であるのに対し、図１３（ｃ）に示す実施形態３のカルマンフィルタ２５４を用いる場合ではＲＭＳＥ＝０．２８９４であり、低速回転時でも精度よくロータ１１の回転速度を推定している低速回転時に低速回転時用に適する状態推定値の算出式を用いるカルマンフィルタ２５４の観測誤差雑音（ωｎ）の更なるばらつき抑制効果が確認できた。
【0102】
以上のシミュレーション結果から、本発明を適用したブラシレスＤＣモータの回転速度推定方法は、観測誤差雑音（ωｎ）の影響を大幅に低減できる方法であるとともに、制御誤差をある程度許容できる実用的な方法であることが確認できた。
【符号の説明】
【0103】
１…ブラシレスＤＣモータシステム、１０…ブラシレスＤＣモータ、１１…ロータ、１２…コイル、１３…磁気センサ、２０…制御装置、３０…モータ駆動部、３１…ゲートドライバ、３２…３相ブリッジ、４０…モータ駆動用電源、５０…ＤＳＰユニット、５１…目標回転速度設定部、５２…検出パルス信号取得部、５３…回転速度算出部、５４…（第１カルマンフィルタ数学モデルの）カルマンフィルタ、５５…カルマンフィルタ更新部、５６…モータ速度指令部、６０…コンピュータ機器、１５４…（第２カルマンフィルタ数学モデルの）カルマンフィルタ、２５４…（第１の処理用カルマンフィルタ数学モデルおよび第２の処理用カルマンフィルタ数学モデルの）カルマンフィルタ、２５４ａ…第１の処理用カルマンフィルタ数学モデル、２５４ｂ…第２の処理用カルマンフィルタ数学モデル、２５４ｃ…モデル選択処理部、ＳＴ１…目標回転速度設定ステップ、ＳＴ２…カルマンフィルタ設定ステップ、ＳＴ３…検出パルス信号取得ステップ、ＳＴ４…回転速度算出ステップ、ＳＴ５…カルマンフィルタ更新ステップ、ＳＴ６…回転速度推定ステップ、ＳＴ７…モータ制御指令ステップ、ＳＴ１００…処理選択ステップ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
