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(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】
(24)【登録日】2022-12-05
(45)【発行日】2022-12-13
(54)【発明の名称】モーター制御装置および画像形成装置
(51)【国際特許分類】
H02P 6/18 20160101AFI20221206BHJP
B65H 3/06 20060101ALI20221206BHJP
【ＦＩ】
H02P6/18
B65H3/06 Z
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2018236409
(22)【出願日】2018-12-18
(65)【公開番号】P2020099134
(43)【公開日】2020-06-25
【審査請求日】2021-11-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000001270
【氏名又は名称】コニカミノルタ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】吉川 博之
(72)【発明者】
【氏名】橘 優太
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 大地
【審査官】三島木 英宏
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０９８８５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１８００９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－３２７１８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２０４１９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１５９３３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０５４４３０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｐ ６／１８
Ｂ６５Ｈ ３／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
センサレス方式のブラシレスＤＣモーターを制御するモーター制御装置であって、前記ブラシレスＤＣモーターのステーター巻線の各相に電圧を印加するための駆動回路と、
前記ステーター巻線に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記駆動回路を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記ブラシレスＤＣモーターのローターの磁極の初期位置を推定するための初期位置推定部を含み、
前記駆動回路は、前記初期位置を推定する際に、複数の通電角度を順次変更しながら前記通電角度ごとに一定の通電時間の間、前記ステーター巻線に連続的または間欠的に定電圧を印加し、
前記駆動回路は、前記複数の通電角度のうちの任意の第１の通電角度の次に第２の通電角度で電圧を印加する場合に、前記第１の通電角度での電圧印加を終了した後、前記ステーター巻線に流れる残留電流が０に戻る前に、前記第２の通電角度で電圧印加を開始し、
前記電流検出回路は、前記通電角度ごとに、電圧印加を開始する直前または電圧印加開始時における残留電流の値と、前記一定の通電時間の間での前記ステーター巻線に流れる電流のピーク値とを検出し、
前記初期位置推定部は、検出された前記残留電流の値によって前記電流のピーク値を補正し、前記複数の通電角度の各々に対して得られた補正後の前記電流のピーク値に基づいて前記ローターの磁極の初期位置を推定する、モーター制御装置。
【請求項2】
前記制御回路は、座標変換部をさらに含み、前記座標変換部は、前記通電角度ごとに、電圧印加を開始する直前または電圧印加開始時における前記ステーター巻線の各相の残留電流からγ軸残留電流を計算し、
前記座標変換部は、前記通電角度ごとに、前記一定の通電時間の間での前記ステーター巻線の各相の電流ピーク値からγ軸電流のピーク値を計算し、
前記初期位置推定部は、前記通電角度ごとに、前記γ軸残留電流の値を用いて前記γ軸電流のピーク値を補正し、前記複数の通電角度の各々に対して得られた補正後の前記γ軸電流のピーク値に基づいて前記ローターの磁極の初期位置を推定する、請求項１に記載のモーター制御装置。
【請求項3】
前記初期位置推定部は、前記通電角度ごとに、前記γ軸残留電流と同符号の補正量を前記γ軸電流のピーク値から減算することによって、前記γ軸電流のピーク値を補正する、請求項２に記載のモーター制御装置。
【請求項4】
前記補正量の絶対値は、前記γ軸残留電流の絶対値よりも小さい、請求項３に記載のモーター制御装置。
【請求項5】
前記補正量の絶対値は、前記γ軸残留電流の絶対値が大きくなるほど大きくなる、請求項４に記載のモーター制御装置。
【請求項6】
前記補正量は、前記γ軸残留電流の値と前記γ軸電流のピーク値の絶対値と正の比例定数との積に等しい、請求項３～５のいずれか１項に記載のモーター制御装置。
【請求項7】
前記補正量は前記γ軸電流に等しい、請求項３に記載のモーター制御装置。
【請求項8】
前記初期位置推定部は、前記γ軸残留電流の値と補正係数との対応関係を表す補正テーブルに基づいて、検出した前記γ軸電流のピーク値に、検出した前記γ軸残留電流に対応した前記補正係数を乗算することによって前記γ軸電流のピーク値を補正する、請求項２に記載のモーター制御装置。
【請求項9】
前記ブラシレスＤＣモーターは、インナーローター型のブラシレスＤＣモーターである、請求項１～８のいずれか１項に記載のモーター制御装置。
【請求項10】
記録媒体を１枚ずつ給送する給送ローラーと、給送した前記記録媒体に画像を形成する画像形成部と、
前記給送ローラーを駆動するためのブラシレスＤＣモーターを制御する、請求項１～９のいずれか１項に記載のモーター制御装置とを備える、画像形成装置。
【請求項11】
前記記録媒体を搬送する搬送ローラーと、前記搬送ローラーを駆動するためのセンサレス方式の第２のブラシレスＤＣモーターを制御する第２のモーター制御装置とをさらに備え、
前記第２のブラシレスＤＣモーターは、第２のローターと第２のステーター巻線とを含み、
前記第２のモーター制御装置は、
前記第２のステーター巻線の各相に電圧を印加するための第２の駆動回路と、
前記第２のステーター巻線に流れる電流を検出する第２の電流検出回路と、
前記第２の駆動回路を制御する第２の制御回路とを備え、
前記第２の制御回路は、前記第２のローターの磁極の初期位置を推定するための第２の初期位置推定部を含み、
前記第２の駆動回路は、前記第２のローターの磁極の初期位置を推定する際に、複数の通電角度を順次変更しながら前記通電角度ごとに一定の通電時間の間、前記第２のステーター巻線に連続的または間欠的に一定の電圧を印加し、
前記第２の駆動回路は、前記複数の通電角度のうちの任意の第１の通電角度の次に第２の通電角度で電圧を印加する場合に、前記第１の通電角度での電圧印加を終了した後、前記第２のステーター巻線に流れる残留電流が零になる時間が経過してから、前記第２の通電角度での電圧印加を開始し、
前記第２の電流検出回路は、前記通電角度ごとに、前記一定の通電時間の間での前記第２のステーター巻線に流れる電流のピーク値を検出し、
前記第２の初期位置推定部は、前記複数の通電角度の各々に対して検出された前記電流のピーク値に基づいて前記第２のローターの磁極の初期位置を推定する、請求項１０に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この開示は、モーター制御装置に関し、さらにローター駆動用のモーターを制御する制御装置としてこのモーター制御装置を備えた画像形成装置に関する。特に、この開示は、センサレスのブラシレスＤＣモーター（永久磁石同期モーターとも称する）を起動させる際のモーター制御に関するものである。
【背景技術】
【0002】
センサレス方式のブラシレスＤＣモーターでは、ステーターの各相コイルに対するローターの永久磁石の磁極位置を検出するセンサーがない。このため、ローターの回転中にステーター巻線に発生する誘起電圧に基づいてローターの磁極位置を推定する方法が一般に用いられる。しかしながら、この方法は、誘起電圧が検出できる程度にローターが回転している必要があるので、モーターの起動前の静止状態にあるローターの磁極の初期位置を推定する方法として用いることができない。
【0003】
そこで、静止状態にあるローターの磁極位置を推定する方法として、インダクティブセンスの方法が知られている（たとえば、特許第２５４７７７８号公報（特許文献１）を参照）。インダクティブセンスによる初期位置推定の方法は、ローターが回転しないレベルの電圧を複数の電気角でステーター巻線に印加したとき、ローターの磁極位置とステーター巻線による電流磁界との位置関係に応じて、実効的なインダクタンスが微妙に変化する性質を利用している。具体的に特許文献１によれば、各電気角においてステーター巻線に電圧を一定の通電時間印加したとき、最も高い電流値を示す通電角度がローターの磁極の位置を示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第２５４７７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
インダクティブセンスの方法では、複数の電気角（以下、通電角度とも称する）でステーター巻線に電圧を印加する必要がある。ある通電角度でステーター巻線にパルス電圧を印加すると巻線電流は増加し始め、一定時間の電圧の印加中に巻線電流は増加を続け、パルス電圧の印加を終了すると巻線電流は徐々に減少する。次の通電角度でステーター巻線への電圧の印加を開始すると、巻線電流は再び増加し始め、以下同様の巻線電流の変化が繰り返される。
【0006】
ここで、ローターの磁極の初期位置を精度良く検出するためには、ある通電角度でのステーター巻線への電圧印加の終了後、次の通電角度でステーター巻線に電圧の印加を開始するまでの間に、巻線電流は０にまで戻る必要がある。なぜなら、ローターの磁極の初期位置推定は、通常、ステーター巻線への電圧印加中における巻線電流のピーク値に基づくので、残留電流があるとピーク電流の値に誤差が生じるからである。
【0007】
一方で、ローターの磁極の初期位置の推定精度を高めるためには、多くの通電角度でステーター巻線に電圧を印加して電圧印加中のピーク電流を検出する必要がある。このため、毎回の電圧印加後にステーター巻線の残留電流が完全に０に戻るのを待っていると、ローターの磁極の初期位置推定に時間がかかることになる。頻繁にモーターのオンオフが必要なアプリケーションでは、ローターの磁極の初期位置推定に時間がかかることは問題となる。しかしながら、インダクティブセンスの際の通電角度の数を減らすことによって初期位置推定の時間を減らそうとすると、磁極の初期位置の推定精度が劣化するために、モーターの起動中に脱調を起こす危険性がある。
【0008】
この開示は、上記の問題点を考慮したものであり、その目的の１つは、インダクティブセンスの方法を用いて、短時間で精度良くローターの磁極の初期位置を推定することが可能なブラスレスＤＣモーターの制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
一実施形態のモーター制御装置は、センサレス方式のブラシレスＤＣモーターを制御するためのものであり、ブラシレスＤＣモーターのステーター巻線の各相に電圧を印加するための駆動回路と、ステーター巻線に流れる電流を検出する電流検出回路と、駆動回路を制御する制御回路とを備える。制御回路は、ブラシレスＤＣモーターのローターの磁極の初期位置を推定するための初期位置推定部を含む。駆動回路は、初期位置を推定する際に、複数の通電角度を順次変更しながら通電角度ごとに一定の通電時間の間、ステーター巻線に連続的または間欠的に定電圧を印加する。駆動回路は、複数の通電角度のうちの任意の第１の通電角度の次に第２の通電角度で電圧を印加する場合に、第１の通電角度での電圧印加を終了した後、ステーター巻線に流れる残留電流が０に戻る前に、第２の通電角度で電圧印加を開始する。電流検出回路は、通電角度ごとに、電圧印加を開始する直前または電圧印加開始時における残留電流の値と、一定の通電時間の間でのステーター巻線に流れる電流のピーク値とを検出する。初期位置推定部は、検出された残留電流の値によって電流のピーク値を補正し、複数の通電角度の各々に対して得られた補正後の電流のピーク値に基づいてローターの磁極の初期位置を推定する。
【0010】
制御回路は、座標変換部をさらに含む。座標変換部は、通電角度ごとに、電圧印加を開始する直前または電圧印加開始時におけるステーター巻線の各相の残留電流からγ軸残留電流を計算する。座標変換部は、通電角度ごとに、一定の通電時間の間でのステーター巻線の各相の電流ピーク値からγ軸電流のピーク値を計算する。初期位置推定部は、通電角度ごとに、γ軸残留電流の値を用いてγ軸電流のピーク値を補正し、複数の通電角度の各々に対して得られた補正後のγ軸電流のピーク値に基づいてローターの磁極の初期位置を推定する。
【0011】
好ましくは、初期位置推定部は、通電角度ごとに、γ軸残留電流と同符号の補正量をγ軸電流のピーク値から減算することによって、γ軸電流のピーク値を補正する。
【0012】
好ましくは、補正量の絶対値は、γ軸残留電流の絶対値よりも小さい。
【0013】
好ましくは、補正量の絶対値は、γ軸残留電流の絶対値が大きくなるほど大きくなる。
【0014】
好ましくは、補正量は、γ軸残留電流の値とγ軸電流のピーク値の絶対値と正の比例定数との積に等しい。
【0015】
他の実施形態において、補正量はγ軸電流に等しくてもよい。
【0016】
さらに他の実施形態において、初期位置推定部は、γ軸残留電流の値と補正係数との対応関係を表す補正テーブルに基づいて、検出したγ軸電流のピーク値に、検出したγ軸残留電流に対応した補正係数を乗算することによって、γ軸電流のピーク値を補正してもよい。
【0017】
上記の各実施形態において、好ましくは、ブラシレスＤＣモーターは、インナーローター型のブラシレスＤＣモーターである。
【0018】
一実施形態の画像形成装置は、記録媒体を１枚ずつ給送する給送ローラーと、給送した記録媒体に画像を形成する画像形成部と、給送ローラーを駆動するためのブラシレスＤＣモーターを制御する上記のモーター制御装置とを備える。
【0019】
好ましくは、画像形成装置は、記録媒体を搬送する搬送ローラーと、搬送ローラーを駆動するためのセンサレス方式の第２のブラシレスＤＣモーターを制御する第２のモーター制御装置とをさらに備える。第２のブラシレスＤＣモーターは、第２のローターと第２のステーター巻線とを含む。第２のモーター制御装置は、第２のステーター巻線の各相に電圧を印加するための第２の駆動回路と、第２のステーター巻線に流れる電流を検出する第２の電流検出回路と、第２の駆動回路を制御する第２の制御回路とを備える。第２の制御回路は、第２のローターの磁極の初期位置を推定するための第２の初期位置推定部を含む。第２の駆動回路は、第２のローターの磁極の初期位置を推定する際に、複数の通電角度を順次変更しながら通電角度ごとに一定の通電時間の間、第２のステーター巻線に連続的または間欠的に一定の電圧を印加する。第２の駆動回路は、複数の通電角度のうちの任意の第１の通電角度の次に第２の通電角度で電圧を印加する場合に、第１の通電角度での電圧印加を終了した後、第２のステーター巻線に流れる残留電流が零になる時間が経過してから、第２の通電角度での電圧印加を開始する。第２の電流検出回路は、通電角度ごとに、一定の通電時間の間での第２のステーター巻線に流れる電流のピーク値を検出する。第２の初期位置推定部は、複数の通電角度の各々に対して検出された電流のピーク値に基づいて第２のローターの磁極の初期位置を推定する。
【発明の効果】
【0020】
上記の実施形態によれば、インダクティブセンスの方法を用いて、短時間で精度良くローターの磁極の初期位置を推定することが可能なブラスレスＤＣモーターの制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】モーター制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図2】定常運転中のモーターを停止させてから再起動するまでのモーター回転速度を示すタイミング図である。
【図3】センサレスベクトル制御における交流電流および磁極位置を表示するための座標軸について説明するための図である。
【図4】モーターの運転中におけるセンサレスベクトル制御回路の動作を示す機能ブロック図である。
【図5】静止状態にあるローターの磁極の初期位置を推定する方法を示す機能ブロック図である。
【図6】Ｕ相電圧指令値、Ｖ相電圧指令値、およびＷ相電圧指令値と電気角との関係を示す図である。
【図7】γ軸電圧指令値と検出されたγ軸電流との関係の一例を模式的に示すタイミング図である。
【図8】ローターの磁極位置と通電角度との相対的位置関係と、γ軸電流のピーク値との関係を示す図である。
【図9】γ軸電流に符号について説明するための図である。
【図10】残留電流が存在する場合におけるγ軸電流の波形の一例を模式的に示すタイミング図である。
【図11】残留電流を考慮した場合のローターの磁極の初期位置推定の手順を示すフローチャートである。
【図12】通電角度ならびに対応する余弦値および正弦値を格納するテーブルの一例を示す図である。
【図13】γ軸残留電流の値とγ軸電流のピーク値との関係の一例を示す模式的なタイミング図である。
【図14】実験的に求めたγ軸ピーク電流の検出値とγ軸残留電流との関係の一例を示す図である。
【図15】γ軸残留電流に応じてγ軸電流変化量を補正するための補正テーブルの一例を示す図である。
【図16】画像形成装置の構成の一例を示す断面図である。
【図17】インナーローター型のブラシレスＤＣモーターの構成とアウターローター型のブラシレスＤＣモーターの構成とを模式的に示す断面図である。
【図18】画像形成装置のローラーの駆動制御に用いられるモーターとその制御装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。
【0023】
＜実施の形態１＞
［モーター制御装置の全体構成］
図１は、モーター制御装置の全体構成を示すブロック図である。モーター制御装置７０は、センサレス方式の３相ブラシレスＤＣモーター（ＢＬＤＣＭ：Brushless DC Motor）３０を駆動制御する。図１に示すように、モーター制御装置７０は、駆動回路４０と、センサレスベクトル制御回路５０と、上位制御回路６０とを含む。センサレス方式であるため、ローターの回転位置を検出するためのホール素子またはエンコーダーは備えられていない。
［モーター制御装置の全体構成］
図１は、モーター制御装置の全体構成を示すブロック図である。モーター制御装置７０は、センサレス方式の３相ブラシレスＤＣモーター（ＢＬＤＣＭ：Brushless DC Motor）３０を駆動制御する。図１に示すように、モーター制御装置７０は、駆動回路４０と、センサレスベクトル制御回路５０と、上位制御回路６０とを含む。センサレス方式であるため、ローターの回転位置を検出するためのホール素子またはエンコーダーは備えられていない。
【0024】
駆動回路４０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式のインバーター回路であり、直流駆動電圧ＤＶを３相交流電圧に変換して出力する。具体的に、駆動回路４０は、センサレスベクトル制御回路５０から受けたＰＷＭ信号であるインバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－に基づいて、ブラシレスＤＣモーター３０にＵ相電圧ＵＭ、Ｖ相電圧ＶＭ、Ｗ相電圧ＷＭを供給する。駆動回路４０は、インバーター回路４１と、Ｕ相電流検出回路４３Ｕと、Ｖ相電流検出回路４３Ｖと、プリドライブ回路４４とを含む。
【0025】
インバーター回路４１は、Ｕ相アーム回路４２Ｕと、Ｖ相アーム回路４２Ｖと、Ｗ相アーム回路４２Ｗとを含む。これらのアーム回路４２Ｕ，４２Ｖ，４２Ｗは、直流駆動電圧ＤＶが与えられたノードと、接地電圧ＧＮＤが与えられたノードとの間に互いに並列に接続される。以下、記載を簡潔にするため、直流駆動電圧ＤＶが与えられたノードを駆動電圧ノードＤＶと記載し、接地電圧ＧＮＤが与えられたノードを接地ノードＧＮＤと記載する。
【0026】
Ｕ相アーム回路４２Ｕは、互いに直列に接続された高電位側のＵ相トランジスタＦＵ＋および低電位側のＵ相トランジスタＦＵ－を含む。Ｕ相トランジスタＦＵ＋およびＦＵ－の接続ノードＮｕは、ブラシレスＤＣモーター３０のＵ相巻線３１Ｕの一端と接続される。Ｕ相巻線３１Ｕの他端は中性点３２に接続される。
【0027】
なお、図１に示すように、ブラシレスＤＣモーター３０のＵ相巻線３１Ｕ、Ｖ相巻線３１Ｖ、およびＷ相巻線３１Ｗの結線はスター結線である。この明細書では、Ｕ相巻線３１Ｕ、Ｖ相巻線３１Ｖ、およびＷ相巻線３１Ｗを総称して、ステーター巻線３１と称する。
【0028】
同様に、Ｖ相アーム回路４２Ｖは、互いに直列に接続された高電位側のＶ相トランジスタＦＶ＋および低電位側のＶ相トランジスタＦＶ－を含む。Ｖ相トランジスタＦＶ＋およびＦＶ－の接続ノードＮｖは、ブラシレスＤＣモーター３０のＶ相巻線３１Ｖの一端と接続される。Ｖ相巻線３１Ｖの他端は中性点３２に接続される。
【0029】
同様に、Ｗ相アーム回路４２Ｗは、互いに直列に接続された高電位側のＷ相トランジスタＦＷ＋および低電位側のＷ相トランジスタＦＷ－を含む。Ｗ相トランジスタＦＷ＋およびＦＷ－の接続ノードＮｗは、ブラシレスＤＣモーター３０のＷ相巻線３１Ｗの一端と接続される。Ｗ相巻線３１Ｗの他端は中性点３２に接続される。
【0030】
Ｕ相電流検出回路４３ＵおよびＶ相電流検出回路４３Ｖは、２シャント方式でモーター電流を検出するための回路である。具体的に、Ｕ相電流検出回路４３Ｕは、低電位側のＵ相トランジスタＦＵ－と接地ノードＧＮＤとの間に接続される。Ｖ相電流検出回路４３Ｖは、低電位側のＶ相トランジスタＦＶ－と接地ノードＧＮＤとの間に接続される。
【0031】
Ｕ相電流検出回路４３ＵおよびＶ相電流検出回路４３Ｖは、それぞれシャント抵抗を含む。シャント抵抗の抵抗値は１／１０Ωオーダーの小さい値である。このため、Ｕ相電流検出回路４３Ｕによって検出されたＵ相電流Ｉｕを表す信号およびＶ相電流検出回路４３Ｖによって検出されたＶ相電流Ｉｖを表す信号は、アンプ（不図示）によって増幅される。その後、Ｕ相電流Ｉｕを表す信号およびＶ相電流Ｉｖを表す信号は、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換器（不図示）によってＡＤ変換されてから、センサレスベクトル制御回路５０に取り込まれる。
【0032】
Ｗ相電流Ｉｗは、Ｕ相電流ＩｕとＶ相電流Ｉｖとからキルヒホッフの電流則、すなわち、Ｉｗ＝－Ｉｕ－Ｉｖから求めることができるので、検出する必要はない。より一般的には、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、およびＷ相電流Ｉｗのうち、いずれか２相の電流を検出すればよく、他の１相の電流値は検出した２相の電流値から計算することができる。
【0033】
プリドライブ回路４４は、センサレスベクトル制御回路５０から受けたＰＷＭ信号であるインバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－を増幅して、トランジスタＦＵ＋，ＦＵ－，ＦＶ＋，ＦＶ－，ＦＷ＋，ＦＷ－のゲートにそれぞれ出力する。
【0034】
トランジスタＦＵ＋，ＦＵ－，ＦＶ＋，ＦＶ－，ＦＷ＋，ＦＷ－の種類は特に限定されない。たとえば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよいし、バイポーラトランジスタであってもよいし、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。
【0035】
センサレスベクトル制御回路５０は、ブラシレスＤＣモーター３０をベクトル制御するための回路であり、インバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－を生成して駆動回路４０に供給する。さらに、センサレスベクトル制御回路５０は、ブラシレスＤＣモーター３０を起動させる際には、静止状態にあるローターの磁極の初期位置をインダクティブセンス方式によって推定する。
【0036】
センサレスベクトル制御回路５０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの専用回路として構成されていてもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）および／またはマイクロコンピュータなどを利用してその機能を実現するように構成されていてもよい。
【0037】
上位制御回路６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリなどを備えたコンピュータをベースに構成される。上位制御回路６０は、センサレスベクトル制御回路５０に起動指令、停止指令、および回転角速度指令値などを出力する。
【0038】
なお、上記と異なり、センサレスベクトル制御回路５０および上位制御回路６０が１つの制御回路としてＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどによって構成されていてもよい。
【0039】
［モーター運転の概要について］
図２は、定常運転中のモーターを停止させてから再起動するまでのモーター回転速度を示すタイミング図である。横軸は時間を示し、縦軸はモーターの回転速度を示す。
図２は、定常運転中のモーターを停止させてから再起動するまでのモーター回転速度を示すタイミング図である。横軸は時間を示し、縦軸はモーターの回転速度を示す。
【0040】
図２を参照して、時刻ｔ１０から時刻ｔ２０までの間でモーターが減速され、時刻ｔ２０でモーターの回転は停止する。時刻ｔ２０から時刻ｔ３０までの間は、ステーターへの励磁電流の供給が停止されている。
【0041】
時刻ｔ４０からのモーターの再起動に先立って、時刻ｔ３０から時刻ｔ４０までの間で、ローターの磁極の初期位置推定が実行される。ローターに回転方向のトルクを与えるためには、ローターの磁極の初期位置に応じた適切な電気角でステーター巻線３１に三相交流電流を供給する必要がある。このために、ローターの磁極の初期位置が推定される。本開示では、ローターの磁極の初期位置推定の方法としてインダクティブセンス方式が用いられる。
【0042】
時刻ｔ４０においてローターの回転が開始されると、以後、センサレスベクトル制御方式によってブラシレスＤＣモーターが制御される。時刻ｔ５０から回転速度が一定の定常運転に入る。
【0043】
［センサレスベクトル制御方式の座標軸について］
図３は、センサレスベクトル制御における交流電流および磁極位置を表示するための座標軸について説明するための図である。
図３は、センサレスベクトル制御における交流電流および磁極位置を表示するための座標軸について説明するための図である。
【0044】
図３を参照して、ベクトル制御では、３相ブラシレスＤＣモーター３０のステーター巻線３１に流れる３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を、ローターの永久磁石と同期して回転する２相の成分に変数変換する。具体的に、ローター３５の磁極の方向をｄ軸としｄ軸から電気角で９０°位相が進んだ方向をｑ軸とする。さらに、Ｕ相座標軸からのｄ軸の角度をθと定義する。
【0045】
ここで、ローターの回転角度を検出する位置センサーを持たない制御方式である、センサレスベクトル制御方式の場合には、ローターの回転角度を表す位置情報を何らかの方法で推定する必要がある。推定された磁極方向をγ軸とし、γ軸から電気角で９０°位相が進んだ方向をδ軸とする。Ｕ相座標軸からのγ軸の角度をθＭとする。θに対するθＭの遅れを、Δθと定義する。
【0046】
モーターを起動させる際に、インダクティブセンス方式で静止状態にあるローターの磁極の初期位置を推定するときにも、図３の座標軸が用いられる。この場合、ローターの磁極の真の位置を電気角θで表す。磁極の初期位置を推定するために、ステーター巻線３１に流す電流の電気角（通電角度または電圧印加角度とも称する）をθＭで表す。
【0047】
［モーター運転中のベクトル制御］
図４は、モーターの運転中におけるセンサレスベクトル制御回路の動作を示す機能ブロック図である。以下、図４を参照して、モーター運転中におけるセンサレスベクトル制御回路５０の動作について簡単に説明する。
図４は、モーターの運転中におけるセンサレスベクトル制御回路の動作を示す機能ブロック図である。以下、図４を参照して、モーター運転中におけるセンサレスベクトル制御回路５０の動作について簡単に説明する。
【0048】
センサレスベクトル制御回路５０は、座標変換部５５と、回転速度制御部５１と、電流制御部５２と、座標変換部５３と、ＰＷＭ変換部５４と、磁極位置推定部５６とを含む。
【0049】
座標変換部５５は、駆動回路４０のＵ相電流検出回路４３Ｕで検出されたＵ相電流Ｉｕと、Ｖ相電流検出回路４３Ｖで検出されたＶ相電流Ｉｖとを表す信号を受け取る。座標変換部５５は、Ｕ相電流ＩｕとＶ相電流ＩｖとからＷ相電流Ｉｗを計算する。そして、座標変換部５５は、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、およびＷ相電流Ｉｗを座標変換することによって、γ軸電流Ｉγとδ軸電流Ｉδとを生成する。具体的には以下の手順による。
【0050】
まず、次式（１）に従って、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電流をα軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβの２相電流に変換する。この変換はClarke変換と呼ばれる。
【0051】
【数1】
【0052】
次に、次式（２）に従って、α軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβを回転座標系であるγ軸電流Ｉγおよびδ軸電流Ｉδに変換する。この変換はPark変換と呼ばれる。次式（２）において、θＭは磁極位置推定部５６によって推定された磁極方向の電気角、すなわち、Ｕ相座標軸からのγ軸の角度である。
【0053】
【数2】
【0054】
回転速度制御部５１は、上位制御回路６０から起動命令、停止命令、目標回転角速度ω*を受け取る。回転速度制御部５１は、目標回転角速度ω*と、磁極位置推定部５６によって推定されたローター３５の回転角速度ωＭとから、たとえば、ＰＩ制御（比例・積分制御）またはＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）などにより、ブラシレスＤＣモーター３０へのγ軸電流指令値Ｉγ*およびδ軸電流指令値Ｉδ*を決定する。
【0055】
電流制御部５２は、回転速度制御部５１から与えられたγ軸電流指令値Ｉγ*およびδ軸電流指令値Ｉδ*と、座標変換部５５から与えられた現時点のγ軸電流Ｉγおよびδ軸電流Ｉδとから、たとえば、ＰＩ制御またはＰＩＤ制御などにより、γ軸電圧指令値Ｖγ*およびδ軸電圧指令値Ｖδ*を決定する。
【0056】
座標変換部５３は、電流制御部５２からγ軸電圧指令値Ｖγ*およびδ軸電圧指令値Ｖδ*を受け取る。座標変換部５３は、γ軸電圧指令値Ｖγ*およびδ軸電圧指令値Ｖδ*を座標変換することにより、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*を生成する。具体的には以下の手順による。
【0057】
まず、次式（３）に従って、γ軸電圧指令値Ｖγ*およびδ軸電圧指令値Ｖδ*を、α軸電圧指令値Ｖα*およびβ軸電圧指令値Ｖβ*に変換する。この変換は、逆Park変換と呼ばれる。次式（３）において、θＭは磁極位置推定部５６によって推定された磁極方向の電気角、すなわち、Ｕ相座標軸からのγ軸の角度である。
【0058】
【数3】
【0059】
次に、次式（４）に従って、α軸電圧指令値Ｖα*およびβ軸電圧指令値Ｖβ*を、３相のＵ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*に変換する。この変換は逆Clarke変換と呼ばれる。なお、α，βの２相からＵ，Ｖ，Ｗの３相への変換は、逆Clarke変換に代えて空間ベクトル変換を用いることもできる。
【0060】
【数4】
【0061】
ＰＷＭ変換部５４は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*に基づいて、トランジスタＦＵ＋，ＦＵ－，ＦＶ＋，ＦＶ－，ＦＷ＋，ＦＷ－のゲートをそれぞれ駆動するためのＰＷＭ信号であるインバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－を生成する。
【0062】
磁極位置推定部５６は、γ軸電流Ｉγおよびδ軸電流Ｉδとγ軸電圧指令値Ｖγ*およびδ軸電圧指令値Ｖδ*とから、ローター３５の現時点の回転角速度ωＭと、磁極位置を表す電気角θＭとを推定する。具体的に、磁極位置推定部５６は、γ軸誘起電圧を０にするような回転角速度ωＭを算出し、回転角速度ωＭから磁極位置を表す電気角θＭを推定する。磁極位置推定部５６は、推定した回転角速度ωＭを上位制御回路６０に出力するとともに回転速度制御部５１に出力する。また、磁極位置推定部５６は、推定した磁極位置を表す電気角θＭの情報を、座標変換部５３，５５に出力する。
【0063】
［静止状態にあるローターの磁極の初期位置推定］
図５は、静止状態にあるローターの磁極の初期位置を推定する方法を示す機能ブロック図である。
図５は、静止状態にあるローターの磁極の初期位置を推定する方法を示す機能ブロック図である。
【0064】
図４の磁極位置推定部５６は、ステーター巻線３１に生じる誘起電圧を利用したものであるので、ローターが静止しているときには使用することができない。このため、図５では、磁極位置推定部５６に代えて、インダクティブセンス方式でローター３５の磁極の初期位置を推定する初期位置推定部５７が設けられている。
【0065】
ここで、インダクティブセンス方式では、複数の通電角度を順次変更しながらステーター巻線３１に連続的またはＰＷＭによって間欠的に定電圧を印加し、通電角度ごとにステーター巻線３１に流れる電流の変化が検出される。ここで、ステーター巻線３１への通電時間および印加電圧の大きさは、ローター３５が回転しないレベルに設定される。ただし、通電時間が短すぎたり、印加電圧の大きさが小さすぎたりすると、磁極の初期位置を検出できなくなるので注意が必要である。
【0066】
前述のように、インダクティブセンスによる初期位置推定方法は、ローターが回転しないレベルの電圧を複数の電気角でステーター巻線に印加したとき、ローターの磁極位置とステーター巻線による電流磁界との位置関係に応じて、実効的なインダクタンスが微妙に変化する性質を利用している。このインダクタンスの変化は、ｄ軸電流の場合に顕著に生じる磁気飽和現象に基づいている。また、永久磁石埋め込み型（ＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）モーターの場合には、ｑ軸方向のインダクタンスがｄ軸方向のインダクタンスよりも大きくなる突極性を有しているので、磁気飽和が生じなくてもインダクタンスの変化を検出できる場合がある。
【0067】
具体的にローターの磁極の方向を検知するために、本開示では、通電角度ごとの通電時間および印加電圧の指令値（具体的にはγ軸電圧の指令値）を一定にして、通電時間内でのγ軸電流のピーク値が検出される。このピーク値は電圧印加の開始時または開始直前のγ軸残留電流によって補正される。そして、補正後のγ軸電流のピーク値が最大となる通電角度（すなわち、実効的なインダクタンスが最小となる通電角度）が磁極の方向にほぼ一致していると判定される。以下、図面を参照して詳しく説明する。
【0068】
図５を参照して、センサレスベクトル制御回路５０は、ローター３５の磁極の初期位置を推定するための機能として、初期位置推定部５７と、座標変換部５３と、ＰＷＭ変換部５４と、座標変換部５５とを含む。このように、ローターの磁極の初期位置推定では、図４で説明したベクトル制御の機能の一部が利用される。以下、各部の機能についてさらに詳しく説明する。
【0069】
（１． 初期位置推定部によるγ軸電圧指令値、通電角度、および通電時間の設定）
初期位置推定部５７は、γ軸電圧指令値Ｖγ*の大きさ、ステーター巻線３１に印加する各相電圧の電気角θＭ（通電角度θＭとも称する）、および通電時間を設定する。初期位置推定部５７は、δ軸電圧指令値Ｖδ*を０に設定する。
初期位置推定部５７は、γ軸電圧指令値Ｖγ*の大きさ、ステーター巻線３１に印加する各相電圧の電気角θＭ（通電角度θＭとも称する）、および通電時間を設定する。初期位置推定部５７は、δ軸電圧指令値Ｖδ*を０に設定する。
【0070】
γ軸電圧指令値Ｖγ*の大きさおよび通電時間は、ローター３５を回転させない範囲で十分なＳＮ比のγ軸電流Ｉγが得られるような大きさに設定される。電気角θＭは、０度から３６０度の範囲で複数の角度に設定される。たとえば、初期位置推定部５７は、電気角θＭを３０度刻みで０度から３６０度まで変化させる。
【0071】
（２． 座標変換部５３）
座標変換部５３は、γ軸電圧指令値Ｖγ*およびδ軸電圧指令値Ｖδ*（＝０）を座標変換することにより、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*を生成する。この座標変換には、たとえば、前述の式（３）によって表される逆Park変換および前述の式（４）によって表される逆Clarke変換が用いられる。
座標変換部５３は、γ軸電圧指令値Ｖγ*およびδ軸電圧指令値Ｖδ*（＝０）を座標変換することにより、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*を生成する。この座標変換には、たとえば、前述の式（３）によって表される逆Park変換および前述の式（４）によって表される逆Clarke変換が用いられる。
【0072】
具体的に、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*は、次式（５）で表される。次式（５）において、電圧指令値の振幅をＶ0としている。
【0073】
【数5】
【0074】
【0075】
図６を参照して、上式（５）で示されるＵ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*は、任意のθＭに対して定めることができる。たとえば、θＭ＝０°のとき、Ｖｕ*＝１、Ｖｖ*＝Ｖｗ*＝－０．５である。θＭ＝３０°のとき、Ｖｕ*＝（√３）／２、Ｖｖ*＝０、Ｖｗ*＝－（√３）／２である。
【0076】
（３． ＰＷＭ変換部５４）
再び図５を参照して、ＰＷＭ変換部５４は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*に基づいて、トランジスタＦＵ＋，ＦＵ－，ＦＶ＋，ＦＶ－，ＦＷ＋，ＦＷ－のゲートをそれぞれ駆動するためのＰＷＭ信号であるインバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－を生成する。
再び図５を参照して、ＰＷＭ変換部５４は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*に基づいて、トランジスタＦＵ＋，ＦＵ－，ＦＶ＋，ＦＶ－，ＦＷ＋，ＦＷ－のゲートをそれぞれ駆動するためのＰＷＭ信号であるインバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－を生成する。
【0077】
生成されたインバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－に従って、駆動回路４０は、ブラシレスＤＣモーター３０のＵ相巻線３１Ｕ、Ｖ相巻線３１Ｖ、およびＷ相巻線３１Ｗに、パルス幅変調されたＵ相電圧ＵＭ、Ｖ相電圧ＶＭ、およびＷ相電圧ＷＭを供給する。インバーター駆動信号のパルス数は、設定された通電時間に対応している。駆動回路４０に設けられたＵ相電流検出回路４３ＵおよびＶ相電流検出回路４３Ｖは、Ｕ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖをそれぞれ検出する。検出されたＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖを表す信号は、座標変換部５５に入力される。
【0078】
（４． 座標変換部５５）
座標変換部５５は、Ｕ相電流ＩｕとＶ相電流ＩｖとからＷ相電流Ｉｗを計算する。そして、座標変換部５５は、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、およびＷ相電流Ｉｗを座標変換することによって、γ軸電流Ｉγとδ軸電流Ｉδとを生成する。この座標変換には、前述の式（１）のClarke変換および式（２）のPark変換が用いられる。
座標変換部５５は、Ｕ相電流ＩｕとＶ相電流ＩｖとからＷ相電流Ｉｗを計算する。そして、座標変換部５５は、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、およびＷ相電流Ｉｗを座標変換することによって、γ軸電流Ｉγとδ軸電流Ｉδとを生成する。この座標変換には、前述の式（１）のClarke変換および式（２）のPark変換が用いられる。
【0079】
なお、仮に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相で電気特性および磁気特性に違いがなく、さらに、ローター３５の永久磁石の影響がなければ、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗの相互の比率は電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*の相互の比率に等しくなるはずである。したがって、この仮想的な場合には、δ軸電流Ｉδは通電角度によらず０になり、γ軸電流Ｉγは通電角度によらず一定値になる。
【0080】
【0081】
図７を参照して、まず、図５の初期位置推定部５７は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、通電角度θＭを０度に設定するとともに、γ軸電圧指令値Ｖγ*を定められた設定値に設定する。これによって、ステーターのＵ相巻線３１Ｕ、Ｖ相巻線３１Ｖ、およびＷ相巻線３１Ｗには、パルス幅変調されたＵ相電圧ＵＭ、Ｖ相電圧ＶＭ、およびＷ相電圧ＷＭがそれぞれ印加される。この結果、γ軸電流Ｉγは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、０Ａから徐々に増加し、時刻ｔ２でピーク値Ｉγｐ１に達する。時刻ｔ２以降、ステーター巻線３１への電圧印加が停止するので、γ軸電流Ｉγは徐々に減少する。ステーター巻線３１に次に電圧が印加される時刻ｔ３までの間に、Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗの値が０に戻る結果、γ軸電流Ｉγの値も０まで戻る。
【0082】
次に、初期位置推定部５７は、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、通電角度θＭを３０度に設定するとともに、γ軸電圧指令値Ｖγ*を前回と同じ設定値に設定する。この結果、γ軸電流Ｉγは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、０Ａから徐々に増加し、時刻ｔ４でピーク値Ｉγｐ２に達する。時刻ｔ４以降、ステーター巻線３１への電圧印加が停止するので、γ軸電流Ｉγは徐々に減少する。
【0083】
以下、同様に、通電角度θＭの設定角度を変更し、変更された通電角度θＭにおいて、パルス幅変調された一定電圧がステーター巻線３１に印加される。γ軸電圧指令値Ｖγ*は各通電角度で同一であり、通電時間時間も各通電角度で同一である。そして、電圧印加の終了時におけるγ軸電流Ｉγのピーク値が検出される。
【0084】
（５． 初期位置推定部によるローターの磁極位置の推定－残留電流がない場合）
再び図５を参照して、初期位置推定部５７は、複数の通電角度θＭに対してそれぞれ得られたγ軸電流Ｉγのピーク値に基づいて、ローター３５の磁極の位置を推定する。上記のように残留電流が０に戻るまで待ってから次の通電角度で通電する場合、理想的には、γ軸電流Ｉγのピーク値の最大値が得られたときの通電角度θＭが、ローター３５の磁極の位置θにほぼ一致する。
再び図５を参照して、初期位置推定部５７は、複数の通電角度θＭに対してそれぞれ得られたγ軸電流Ｉγのピーク値に基づいて、ローター３５の磁極の位置を推定する。上記のように残留電流が０に戻るまで待ってから次の通電角度で通電する場合、理想的には、γ軸電流Ｉγのピーク値の最大値が得られたときの通電角度θＭが、ローター３５の磁極の位置θにほぼ一致する。
【0085】
図８は、ローターの磁極位置と通電角度との相対的位置関係と、γ軸電流のピーク値との関係を示す図である。まず、図８（Ａ）を参照して、ローター３５の磁極位置θと通電角度θＭとの相対的位置関係について説明する。
【0086】
図８（Ａ）の場合、ローター３５の磁極位置θは０°に固定されている。したがって、ｄ軸は電気角０°の方向に定められ、ｑ軸は電気角９０°の方向に定められる。一方、通電角度θＭは０°から３６０°まで３０°刻みで変化する。図８（Ａ）では、通電角度θＭが０°の場合のγ軸とδ軸が示されている。この場合、Δθ＝０°である。
【0087】
次に、図８（Ｂ）を参照して、磁極位置θと通電角度θＭとの角度差Δθとγ軸電流Ｉγのピーク値との関係を説明する。図８（Ｂ）の横軸は角度差Δθを表し、縦軸はγ軸電流Ｉγのピーク値を示す。縦軸の単位は任意単位である。
【0088】
図８（Ｂ）に示すように、理想的には、磁極位置θと通電角度θＭとの角度差Δθが０°のとき、すなわち、磁極位置θと通電角度θＭとが一致するとき（図８（Ａ）では、θ＝θＭ＝０°の場合）、γ軸電流Ｉγのピーク値が最大値を示す。
【0089】
［γ軸電流の正負について］
以下、γ軸電流Ｉγの符号について補足する。次図９を参照して、γ軸電流Ｉγは、通電角度θＭに応じて正の値だけでなく負の値にもなり得ることを説明する。
以下、γ軸電流Ｉγの符号について補足する。次図９を参照して、γ軸電流Ｉγは、通電角度θＭに応じて正の値だけでなく負の値にもなり得ることを説明する。
【0090】
図９は、γ軸電流に符号について説明するための図である。図９（ａ）は数値例を表形式で示したものであり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す数値例をグラフで示したものである。図９（ｂ）の横軸は通電角度θＭを表し、図９（ｂ）の縦軸はＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ、およびγ軸電流Ｉγの各検出値を表す。
【0091】
図９（ａ），（ｂ）を参照して、図１のＵ相電流検出回路４３Ｕで検出されたＵ相電流Ｉｕの検出値を１．０［Ａ］とし、Ｖ相電流検出回路４３Ｖで検出されたＶ相電流Ｉｖの検出値を－０．５［Ａ］とする。この場合、Ｗ相電流Ｉｗの値は－０．５［Ａ］と計算される。
【0092】
図５のセンサレスベクトル制御回路５０に設けられた座標変換部５５は、Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗの検出値に対して座標変換を施すことによって、γ軸電流Ｉγおよびδ軸電流Ｉδを計算する。
【0093】
具体的には、まず、座標変換部５５は、前述の式（１）に示すClarke変換によってα軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβを計算する。図９（ａ）に示すように、α軸電流Ｉαとして１．２２５［Ａ］が得られ、β軸電流Ｉβとして０．０００［Ａ］が得られる。
【0094】
次に、座標変換部５５は、α軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβに対して前述の式（２）に示すPark変換を施すことによって、γ軸電流Ｉγを計算する。図１０（ａ）（ｂ）に示すように、γ軸電流Ｉγの検出値は、通電角度θＭに応じて異なる。図１０に示す数値例では、通電角度θＭが９０°よりも大きく２７０°よりも小さいときに、γ軸電流Ｉγは負になる。
【0095】
このように、γ軸電流Ｉγは、通電角度θＭに応じて正の値だけでなく負の値にもなり得る。したがって、γ軸残留電流Ｉγ０およびγ軸ピーク電流Ｉγｐも、正の値だけでなく負の値にもなり得る。また、γ軸電流Ｉγが負の場合に、γ軸電流Ｉγのピーク値とは、通電期間内でγ軸電流Ｉγが最小になったときの値（負の値）を意味している。
【0096】
［残留電流が存在する場合におけるγ軸電流のピーク値の推定法（その１）］
図７の例では、ステーター巻線３１に通電角度θＭ＝０°での電圧印加が完了した時刻ｔ２の後、次の通電角度θＭ＝３０°でステーター巻線３１に電圧が印加される時刻ｔ３までの間に、γ軸電流Ｉγは完全に０に戻っていた。以下では、次の通電角度θＭでの電圧印加の開始時に残留電流が存在している（すなわち、０に戻っていない）場合について説明する。
図７の例では、ステーター巻線３１に通電角度θＭ＝０°での電圧印加が完了した時刻ｔ２の後、次の通電角度θＭ＝３０°でステーター巻線３１に電圧が印加される時刻ｔ３までの間に、γ軸電流Ｉγは完全に０に戻っていた。以下では、次の通電角度θＭでの電圧印加の開始時に残留電流が存在している（すなわち、０に戻っていない）場合について説明する。
【0097】
【0098】
図１０を参照して、図５の初期位置推定部５７は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、通電角度θＭを０度に設定するとともに、γ軸電圧指令値Ｖγ*を定められた設定値に設定する。これによって、ステーターのＵ相巻線３１Ｕ、Ｖ相巻線３１Ｖ、およびＷ相巻線３１Ｗには、パルス幅変調されたＵ相電圧ＵＭ、Ｖ相電圧ＶＭ、およびＷ相電圧ＷＭがそれぞれ印加される。この結果、γ軸電流Ｉγは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、０Ａから徐々に増加し、時刻ｔ２でピーク値Ｉγｐ１に達する。時刻ｔ２以降、ステーター巻線３１への電圧印加が停止するので、γ軸電流Ｉγは徐々に減少する。図７の場合と異なり図１０の場合には、ステーター巻線３１に次に電圧が印加される時刻ｔ３において、Ｉγ０のγ軸電流が残存している。
【0099】
初期位置推定部５７は、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、通電角度θＭを３０度に設定するとともに、γ軸電圧指令値Ｖγ*を前回と同じ設定値に設定する。この結果、γ軸電流Ｉγは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、Ｉγ０から徐々に増加し、時刻ｔ４でピーク値Ｉγｐ２に達する。時刻ｔ４以降、ステーター巻線３１への電圧印加が停止するので、γ軸電流Ｉγは徐々に減少する。
【0100】
したがって、通電角度θＭが３０度の場合には、γ軸電流の真のピーク値は、γ軸残留電流Ｉγ０を基準にして、測定されたピーク値Ｉγｐ２から残留電流Ｉγ０を減算したγ軸電流変化量ΔＩγとして求めることができる。すなわち、補正前のγ電流のピーク値Ｉγｐ２から、補正量としてγ軸残留電流Ｉγ０を減算することによって、補正後のγ軸電流のピーク値（すなわち、ΔＩγ）を計算することができる。なお、γ軸残留電流Ｉγ０を検出するタイミングは、各通電角度において、ステーター巻線への電圧印加開始と同時またはその直前に設定することができる。
【0101】
以下、同様に、通電角度θＭの設定角度を変更し、変更された通電角度θＭにおいてステーター巻線３１の各相にパルス幅変調された電圧が印加される。γ軸電圧指令値Ｖγ*は各通電角度で同一の値であり、パルス電圧の印加時間も各通電角度で同一である。各通電角度において、電圧印加開始と同時または印加開始の直前のγ軸電流が残留電流Ｉγ０として測定される。さらに、電圧印加終了時におけるγ軸電流のピーク値Ｉγｐが検出される。そして、γ軸電流のピーク値Ｉγｐから残留電流Ｉγ０を減算したγ軸電流変化量ΔＩγが、当該通電角度θＭに対応するγ軸電流の補正後のγ軸電流のピーク値としてメモリに格納される。
【0102】
最終的に、最もγ軸電流変化量ΔＩγが大きい場合の通電角度θＭがローターの磁極の初期位置θに対応している。
【0103】
なお、γ軸電流Ｉγの符号がマイナス場合には、そのピーク値Ｉγｐとは、γ軸電流Ｉγの絶対値が極大となったときの値を意味する。したがって、γ軸電流Ｉγの符号はマイナスの場合があり、残留電流Ｉγ０の符号もマイナスの場合がある。いずれの場合も、検出されたγ軸電流のピーク値から残留電流Ｉγ０を補正量として減算することによって、補正後のγ軸電流のピーク値（すなわち、γ軸電流変化量ΔＩγ）が得られる。そして、補正後のγ軸電流のピーク値の絶対値が最大のときの通電角度θＭが、ローターの磁極の初期位置θに対応している。
【0104】
［ローターの磁極の初期位置の推定手順］
図１１は、残留電流を考慮した場合のローターの磁極の初期位置推定の手順を示すフローチャートである。以下、図５および図１１を主として参照して、これまでの説明を総括する。
図１１は、残留電流を考慮した場合のローターの磁極の初期位置推定の手順を示すフローチャートである。以下、図５および図１１を主として参照して、これまでの説明を総括する。
【0105】
図１１のステップＳ１００において、γ軸電圧指令値Ｖγ*、通電角度θＭごとのステーター巻線３１への電圧印加時間（すなわち、通電時間）、全通電回数ｎが設定される。たとえば、３０度ごとにステーター巻線３１に電圧を印加する場合には全通電回数ｎは１２に設定される。通電回数をカウントするパラメーターをｉとする。ｉの初期値は０である。なお、通電回数ｉに対応する通電角θＭ［ｉ］は、たとえば、テーブルの形でメモリに予め格納されている。
【0106】
図１２は、通電角度ならびに対応する余弦値および正弦値を格納するテーブルの一例を示す図である。図１２に示すように、パラメーターｉに対応する通電角θＭ［ｉ］と、その通電角θＭ［ｉ］での余弦値および正弦値とは予めテーブルの形式でメモリに格納されている。
【0107】
パラメーターｉは、パルス電圧を印加する順番を表す。すなわち、最初に通電角度θＭ＝０°でパルス電圧をステーター巻線３１に印加した後、次に通電角度θＭ＝１８０°でパルス電圧をステーター巻線３１に印加する。そして、その次に通電角度θＭ＝３０°でパルス電圧をステーター巻線３１に印加する。このように、１８０°またはそれに近い角度だけ通電角度を変更する理由は、ローターに対して同一方向のトルクがかからないように、すなわち、ローターが回転しないようにするためである。
【0108】
再び図１１を参照して、次のステップＳ１１０において、初期位置推定部５７は、通電回数を表すパラメーターｉを１だけインクリメントする。
【0109】
その次のステップＳ１１１において、座標変換部５３は、パラメーターｉに対応する通電角θＭ［ｉ］と、その通電角θＭ［ｉ］での余弦値および正弦値とをテーブルから読み出す。座標変換部５３は、読み出した通電角度θＭと予め設定したγ軸電圧指令値Ｖγ*とから、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令値Ｖｗ*を算出する。
【0110】
その次のステップＳ１１２において、図１のＵ相電流検出回路４３ＵおよびＶ相電流検出回路４３Ｖは、Ｕ相残留電流Ｉｕ０およびＶ相残留電流Ｉｖ０を検出する。残留電流を検出するタイミングは、ステップＳ１１３で通電を開始するときまたはその直前である。
【0111】
その次のステップＳ１１３において、ＰＷＭ変換部５４は、予め設定した電圧印加時間の間、ＰＷＭ信号であるインバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－を駆動回路４０に出力する。
【0112】
その次のステップＳ１１４において、駆動回路４０のインバーター回路４１は、上記のインバーター駆動信号Ｕ＋，Ｕ－，Ｖ＋，Ｖ－，Ｗ＋，Ｗ－に基づいてブラシレスＤＣモーター３０のステーター巻線３１の各相に、パルス幅変調されたＵ相電圧ＵＭ、Ｖ相電圧ＶＭ、およびＷ相電圧ＷＭを印加する。
【0113】
その次のステップＳ１１５において、図１のＵ相電流検出回路４３ＵおよびＶ相電流検出回路４３Ｖは、通電期間内でのＵ相ピーク電流ＩｕｐおよびＶ相ピーク電流Ｉｖｐを検出する。たとえば、図１のＵ相電流検出回路４３ＵおよびＶ相電流検出回路４３Ｖは、予め定められたサンプリング周期で通電期間内のＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖを検出し、初期位置推定部５７が、検出されたＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖからピーク値を特定するようにしてもよい。もしくは、通電期間の終了時点におけるＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流Ｉｖの値を、それぞれＵ相ピーク電流ＩｕｐおよびＶ相ピーク電流Ｉｖｐとしてもよい。
【0114】
その次のステップＳ１１６において、座標変換部５５は、Ｕ相残留電流Ｉｕ０およびＶ相残留電流Ｉｖ０からＷ相残留電流Ｉｗ０を、Ｉｗ０＝－Ｉｕ０－Ｉｖ０に従って計算する。座標変換部５５は、ステップＳ１１１で選択した通電角度θＭ［ｉ］に基づいて、各相の残留電流Ｉｕ０，Ｉｖ０，Ｉｗ０から座標変換により、γ軸の残留電流Ｉγ０およびδ軸の残留電流Ｉδ０を計算する。
【0115】
その次のステップＳ１１７において、座標変換部５５は、ステップＳ１１６の場合と同様に、Ｕ相ピーク電流ＩｕｐおよびＶ相ピーク電流ＩｖｐからＷ相ピーク電流Ｉｗｐを、Ｉｗｐ＝－Ｉｕｐ－Ｉｖｐに従って計算する。座標変換部５５は、ステップＳ１１１で選択した通電角度θＭ［ｉ］に基づいて、各相のピーク電流Ｉｕｐ，Ｉｖｐ，Ｉｗｐから座標変換により、γ軸のピーク電流Ｉγｐおよびδ軸のピーク電流Ｉδｐを計算する。なお、ステップＳ１１６とＳ１１７とはどちらを先に実行してもよいし、並行して実行してよい。また、ステップＳ１１６は、ステップＳ１１２の実行後であればどのタイミングで実行してもよい。
【0116】
その次のステップＳ１１８において、初期位置推定部５７は、通電角度ごとに、γ軸残留電流Ｉγ０の値に応じてγ軸電流のピーク値Ｉγｐを補正する。実施の形態１の場合、初期位置推定部５７は、通電角度ごとに、γ軸ピーク電流Ｉγｐからγ軸残留電流Ｉγ０を減算したγ軸電流変化量ΔＩγ［ｉ］を、γ軸電流Ｉγの補正値として算出する。具体的に、γ軸電流変化量ΔＩγ［ｉ］は、
ΔＩγ［ｉ］＝Ｉγｐ－Ｉγ０ …(6)
によって計算される。
ΔＩγ［ｉ］＝Ｉγｐ－Ｉγ０ …(6)
によって計算される。
【0117】
より一般的には、初期位置推定部５７は、通電角度ごとに、検出されたγ軸電流のピーク値Ｉγｐから、γ軸残留電流Ｉγ０と同符号の補正量を減算することによって、γ軸電流のピーク値Ｉγｐを補正すると考えることができる。実施の形態１の場合、この補正量は、γ軸残留電流Ｉγ０等しい。なお、実施の形態２では、さらに精度良く磁極の初期位置を推定するために、γ軸電流のピーク値Ｉγｐおよびγ軸残留電流Ｉγ０の検出値に基づく補正量の計算式が提示される。
【0118】
以上のステップＳ１１０～Ｓ１１８は、全通電回数ｎだけ（すなわち、ステップＳ１１９でｉ≧ｎの判定式がＹＥＳとなるまで）繰り返される。
【0119】
次のステップＳ１２０において、初期位置推定部５７は、上記のステップＳ１１６で計算した通電角度θＭ［ｉ］ごとのγ軸電流変化量ΔＩγ［ｉ］の絶対値の最大値を求める。そして、ステップＳ１３０において、初期位置推定部５７は、γ軸電流変化量ΔＩγ［ｉ］の絶対値が最大となる通電角度θＭ［ｉ］をローターの磁極の初期位置θとして設定する。
【0120】
［実施の形態１の効果］
実施の形態１のモーター制御装置７０によれば、インダクティブセンス方式でローターの磁極の初期位置が推定される。具体的に、センサレスベクトル制御回路５０の初期位置推定部５７の制御に基づいて、駆動回路４０は、複数の通電角度のうちの任意の第１の通電角度の次に第２の通電角度で電圧を印加する場合に、第１の通電角度で交流電圧をステーター巻線３１に印加した後、ステーター巻線３１の残留電流が０に戻る前に第２の通電角度で交流電圧をステーター巻線３１に印加する。この際、初期位置推定部５７は、通電角度ごとに、ステーター巻線３１に電圧を印加する直前または印加開始時の残留電流を基準にして、一定の通電時間の交流電圧の印加によって生じるステーター巻線３１を流れる電流の変化量ΔＩγを、γ軸ピーク電流Ｉγｐの補正値として検出する。初期位置推定部５７は、補正後のγ軸ピーク電流Ｉγｐのピーク値に基づいてローターの磁極の初期位置を推定する。これによって、精度良く短時間でローターの初期位置を推定することが可能になる。
実施の形態１のモーター制御装置７０によれば、インダクティブセンス方式でローターの磁極の初期位置が推定される。具体的に、センサレスベクトル制御回路５０の初期位置推定部５７の制御に基づいて、駆動回路４０は、複数の通電角度のうちの任意の第１の通電角度の次に第２の通電角度で電圧を印加する場合に、第１の通電角度で交流電圧をステーター巻線３１に印加した後、ステーター巻線３１の残留電流が０に戻る前に第２の通電角度で交流電圧をステーター巻線３１に印加する。この際、初期位置推定部５７は、通電角度ごとに、ステーター巻線３１に電圧を印加する直前または印加開始時の残留電流を基準にして、一定の通電時間の交流電圧の印加によって生じるステーター巻線３１を流れる電流の変化量ΔＩγを、γ軸ピーク電流Ｉγｐの補正値として検出する。初期位置推定部５７は、補正後のγ軸ピーク電流Ｉγｐのピーク値に基づいてローターの磁極の初期位置を推定する。これによって、精度良く短時間でローターの初期位置を推定することが可能になる。
【0121】
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、γ軸ピーク電流Ｉγｐとγ軸残留電流Ｉγ０との差分であるγ軸電流変化量ΔＩγを計算すれば、得られたγ軸電流変化量ΔＩγは、γ軸残留電流Ｉγ０が０の場合のγ軸ピーク電流Ｉγｐに等しくなるはずであるという前提にたっていた。しかしながら、本願発明者はさらに詳細な検討を行った結果、γ軸残留電流Ｉγ０の大きさに依存してγ軸電流変化量ΔＩγが変化することを見出した。
実施の形態１では、γ軸ピーク電流Ｉγｐとγ軸残留電流Ｉγ０との差分であるγ軸電流変化量ΔＩγを計算すれば、得られたγ軸電流変化量ΔＩγは、γ軸残留電流Ｉγ０が０の場合のγ軸ピーク電流Ｉγｐに等しくなるはずであるという前提にたっていた。しかしながら、本願発明者はさらに詳細な検討を行った結果、γ軸残留電流Ｉγ０の大きさに依存してγ軸電流変化量ΔＩγが変化することを見出した。
【0122】
実施の形態２では、この点を考慮して、さらに精度の良くローターの磁極の初期位置を検出するために、通電角度ごとに、γ軸電流のピーク値をγ軸残留電流Ｉγ０に応じて補正する補正式および補正テーブルを提示する。したがって、実施の形態２では、図１１のフローチャートのステップＳ１１８において、γ軸電流のピーク値Ｉγｐの具体的な補正方法が変更される。実施の形態２のその他の点は実施の形態１の場合と同様であるので、説明を繰り返さない。
【0123】
［残留電流が存在する場合のγ軸電流のピーク値の推定法（その２）］
図１３は、γ軸残留電流の値とγ軸電流のピーク値との関係の一例を示す模式的なタイミング図である。図１３（ａ）は、γ軸電圧の指令値Ｖγ*の時間変化を示し、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に対応するγ軸電流Ｉγの時間変化を示す。ローターの永久磁石の影響はないものとする。
図１３は、γ軸残留電流の値とγ軸電流のピーク値との関係の一例を示す模式的なタイミング図である。図１３（ａ）は、γ軸電圧の指令値Ｖγ*の時間変化を示し、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に対応するγ軸電流Ｉγの時間変化を示す。ローターの永久磁石の影響はないものとする。
【0124】
図１３（ｂ）において、γ軸電流Ｉγのグラフは、γ軸残留電流の値が異なる場合が重ねて示されている。γ軸電流Ｉａのグラフはγ軸残留電流Ｉγ０が０の場合を示し、γ軸電流Ｉｂのグラフはγ軸残留電流Ｉγ０が正の場合を示し、γ軸電流Ｉｃのグラフはγ軸残留電流Ｉγ０が負の場合を示す。γ軸電流Ｉａのピーク値とγ軸残留電流（＝０）との差分である電流変化量をΔＩａとし、γ軸電流Ｉｂのピーク値とγ軸残留電流（＞０）との差分である電流変化量をΔＩｂとし、γ軸電流Ｉｃのピーク値とγ軸残留電流（＜０）との差分である電流変化量をΔＩｃとする。
【0125】
図１３を参照して、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間で、ブラシレスＤＣモーター３０のステーター巻線３１にパルス幅変調された電圧が印加され、それに応じて、γ軸電流Ｉγは徐々に増加する。γ軸電流Ｉγの変化の様子は基本的には、ステーター巻線３１のインダクタンスと抵抗値とに基づく一次遅れ特性を示している。ただし、ローターが回転しないように、印加電圧と抵抗値とで決まる電流漸近値とγ軸電流Ｉγとがほぼ等しくなるよりかなり前に、通電を終了させる。なお、上記の電流漸近値は、初期値であるγ軸残留電流Ｉγ０によらず一定の値になる。
【0126】
電圧印加時間が短い場合には、実施の形態１で示したように、電流変化量ΔＩａ，ΔＩｂ，ΔＩｃは全て等しいと近似することができる。したがって、電流変化量に基づいて、γ軸電流のピーク値を補正することができる。
しかしながら、より正確には、一次遅れ特性を考慮することにより、
ΔＩｂ＜ΔＩａ＜ΔＩｃ …(7)
の関係が成り立つ。したがって、γ軸残留電流の値に応じて、γ軸電流のピーク値の補正量を変更しなければならない。
しかしながら、より正確には、一次遅れ特性を考慮することにより、
ΔＩｂ＜ΔＩａ＜ΔＩｃ …(7)
の関係が成り立つ。したがって、γ軸残留電流の値に応じて、γ軸電流のピーク値の補正量を変更しなければならない。
【0127】
ここで、γ軸電流のピーク値をＩγｐとし、補正量をＣａとして、補正後のピーク値Ｉγｐ＿ｃを、
Ｉγｐ＿ｃ＝Ｉγｐ－Ｃａ …(8)
のように表すものとする。この場合、補正量Ｃａは、γ軸残留電流と同符号の値であり、γ軸残留電流が０の場合は０である。すなわち、γ軸残留電流が０の場合のγ軸電流のピー値Ｉγｐを真値としている。また、γ軸残留電流が負の場合は、補正量Ｃａは負の値になる。この場合、補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃは、補正前のγ軸電流のピーク値Ｉγｐに補正量Ｃａの絶対値を加算した値になる。
Ｉγｐ＿ｃ＝Ｉγｐ－Ｃａ …(8)
のように表すものとする。この場合、補正量Ｃａは、γ軸残留電流と同符号の値であり、γ軸残留電流が０の場合は０である。すなわち、γ軸残留電流が０の場合のγ軸電流のピー値Ｉγｐを真値としている。また、γ軸残留電流が負の場合は、補正量Ｃａは負の値になる。この場合、補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃは、補正前のγ軸電流のピーク値Ｉγｐに補正量Ｃａの絶対値を加算した値になる。
【0128】
実施の形態１では上式（８）の補正量Ｃａをγ軸残留電流Ｉγ０に等しいとしたが、より正確には、補正量Ｃａの絶対値は、γ軸残留電流の絶対値よりも小さい。言い替えると、γ軸残留電流Ｉγ０とγ軸電流のピーク値Ｉγｐとが同符号の場合には、補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃの絶対値は、電流変化量（ΔＩγ＝Ｉγｐ－Ｉγ０）の絶対値よりも大きい。逆に、γ軸残留電流Ｉγ０とγ軸電流のピーク値Ｉγｐとが異符号の場合には、補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃの絶対値は、電流変化量（ΔＩγ＝Ｉγｐ－Ｉγ０）の絶対値よりも小さい。また、補正量Ｃａの絶対値は、γ軸残留電流の絶対値が大きくなるほど大きくなる。
【0129】
本願発明者は、さらに、詳細な検討を加えた結果、上式（８）の補正量Ｃａは、γ軸残留電流Ｉγ０の値と、検出されたγ軸電流のピーク値Ｉγｐの絶対値と、正の比例係数Ｋ１との積で近似できることを見出した。したがって、補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃは、
Ｉγｐ＿ｃ＝Ｉγｐ－Ｃａ＝Ｉγｐ－Ｋ１・Ｉγ０・｜Ｉγｐ｜ …(9)
で表される。上式の比例定数Ｋ１は、モーターごとに異なり、実験によって求めることができる。
Ｉγｐ＿ｃ＝Ｉγｐ－Ｃａ＝Ｉγｐ－Ｋ１・Ｉγ０・｜Ｉγｐ｜ …(9)
で表される。上式の比例定数Ｋ１は、モーターごとに異なり、実験によって求めることができる。
【0130】
図１４は、実験的に求めたγ軸ピーク電流の検出値とγ軸残留電流との関係の一例を示す図である。図１４（ａ）は実験結果を表形式で示し、図１４（ｂ）は実験結果をグラフで示す。図１４（ｂ）において、検出されたγ軸電流のピーク値Ｉγｐを実線で示し、上式（９）に従って補正した補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃを破線で示す。式（９）の補正係数Ｋ１として、０．３を用いた。また、補正前のγ軸電流のピーク値Ｉγｐとγ軸残留電流Ｉγ０との差分であるγ軸電流変化量ΔＩγを一点鎖線で示す。
【0131】
図１４（ｂ）に示すように、γ軸電流変化量ΔＩγ（すなわち、実施の形態１の場合の補正後のγ軸電流ピーク値）は、γ軸残留電流Ｉγ０の絶対値が大きくなるほど、真値（すなわち、γ軸残留電流Ｉγ０が０の場合のγ軸電流ピーク値）とのずれが大きくなっている。一方、上式（９）の補正式に従って補正したγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃは、γ軸残留電流Ｉγ０の値によらず、ほぼ真値に等しいことがわかる。
【0132】
［残留電流が存在する場合でのγ軸電流のピーク値の推定法（その３）］
上記の図１４では、補正式（９）を用いて、通電角度ごとに、検出されたγ軸電流のピーク値Ｉγｐを補正したが、同様のことを、補正テーブルを用いて行うこともできる。補正テーブルは実験に基づいて作成し、予めメモリに格納される。
上記の図１４では、補正式（９）を用いて、通電角度ごとに、検出されたγ軸電流のピーク値Ｉγｐを補正したが、同様のことを、補正テーブルを用いて行うこともできる。補正テーブルは実験に基づいて作成し、予めメモリに格納される。
【0133】
図１５は、γ軸残留電流に応じてγ軸電流変化量を補正するための補正テーブルの一例を示す図である。図１５の補正テーブルは、図１４で示した測定値の一例に基づくものである。図１５で太い実線で囲まれた部分が補正テーブルに対応する。補正テーブルでは、γ軸残留電流の範囲に対して補正係数が与えられる。図１５では、具体的なγ軸電流のピーク値Ｉγｐの検出値の一例とその補正後の値とが併せて示されている。
【0134】
たとえば、図５の初期位置推定部５７は、γ軸電流のピーク値Ｉγｐの絶対値が０．００３［Ａ］より小さければ、補正係数を１としてγ軸電流のピーク値Ｉγｐの測定値を補正しない。初期位置推定部５７は、γ軸残留電流Ｉγ０が０．０１［Ａ］以上であれば、補正係数０．９７を補正前のγ軸電流のピーク値Ｉγｐに乗算することによって、補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃを計算する。初期位置推定部５７は、γ軸残留電流Ｉγ０が－０．０１［Ａ］以下であれば、補正係数１．００２を補正前のγ軸電流のピーク値Ｉγｐに乗算することによって、補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃを計算する。
【0135】
［実施の形態２の効果］
実施の形態２のモーター制御装置７０によれば、検出されたγ軸電流のピーク値Ｉγｐがγ軸残留電流Ｉγ０に応じて補正される。この補正には、前述の補正式（９）または図１５の補正テーブルが使用される。初期位置推定部５７は、通電角度ごとに得られた補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃに基づいて、ローターの磁極の初期位置を推定する。これによって、さらに精度の良くローターの磁極の初期位置を検出することができる。
実施の形態２のモーター制御装置７０によれば、検出されたγ軸電流のピーク値Ｉγｐがγ軸残留電流Ｉγ０に応じて補正される。この補正には、前述の補正式（９）または図１５の補正テーブルが使用される。初期位置推定部５７は、通電角度ごとに得られた補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃに基づいて、ローターの磁極の初期位置を推定する。これによって、さらに精度の良くローターの磁極の初期位置を検出することができる。
【0136】
＜実施の形態３＞
実施の形態３では、実施の形態１，２で説明したモーター制御装置７０を、画像形成装置の給紙用ローラーを駆動するモーターの制御に用いた例について説明する。給紙ローラーの駆動用モーターは短時間で起動、回転、および停止を繰り返すため、起動前に行うローラーの磁極位置推定に要する時間をできるだけ短縮できたほうが望ましい。以下、図面を参照して説明する。
実施の形態３では、実施の形態１，２で説明したモーター制御装置７０を、画像形成装置の給紙用ローラーを駆動するモーターの制御に用いた例について説明する。給紙ローラーの駆動用モーターは短時間で起動、回転、および停止を繰り返すため、起動前に行うローラーの磁極位置推定に要する時間をできるだけ短縮できたほうが望ましい。以下、図面を参照して説明する。
【0137】
［画像形成装置の構成例］
図１６は、画像形成装置の構成の一例を示す断面図である。図１６の断面図は模式的なものであって、図解を容易にするために一部を拡大して示したり、縦横比を変更したりしている点に注意されたい。
図１６は、画像形成装置の構成の一例を示す断面図である。図１６の断面図は模式的なものであって、図解を容易にするために一部を拡大して示したり、縦横比を変更したりしている点に注意されたい。
【0138】
図１６を参照して、画像形成装置１８０は、タンデムカラープリンターとして構成される作像部１８１と、給紙機構１８２と、原稿読み取り装置１６０とを備える。画像形成装置１８０は、ネットワークに接続されてプリンター、スキャナー、コピー機、ファクシミリなどの機能を兼ね備えた多機能周辺装置（ＭＦＰ：Multifunction Peripheral）として構成されていてもよい。
【0139】
作像部１８１は、４個の感光体カートリッジ１９１，１９２，１９３，１９４と、１次転写ローラー１３１と、転写ベルト１３２と、トナーボトル１２３と、２次転写ローラー１３３と、定着装置１０５とを備える。この開示では、作像部１８１を画像形成部とも称する。
【0140】
感光体カートリッジ１９１，１９２，１９３，１９４は、それぞれ、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）の４色のトナー像を形成する。感光体カートリッジ１９１，１９２，１９３，１９４の各々は、円筒の感光体１１０と、帯電器１１１と、光源を含む画像露光装置１１２と、現像ローラー１２１を含む現像装置１０２とを備える。
【0141】
帯電器１１１は、感光体１１０の表面を一様に所定電位に帯電する。画像露光装置１１２は、感光体１１０の帯電域に、原稿画像に応じた画像を露光する。これによって、感光体１１０上に静電潜像が形成される。現像装置１０２は、現像バイアスが印加された現像ローラー１２１を利用して静電潜像にトナーを付着させることにより、可視トナー像を形成する。
【0142】
なお、感光体カートリッジ１９１，１９２，１９３，１９４にそれぞれ対応して、４個のトナーボトル１２３が設けられる。トナーボトル１２３から対応の感光体カートリッジにトナーが供給される。トナーボトル１２３の内部には、トナーを攪拌するための攪拌羽１２４が設けられる。
【0143】
４個の感光体１１０にそれぞれ対向して４個の１次転写ローラー１３１が設けられている。各感光体１１０と対応する１次転写ローラー１３１とで転写ベルト１３２を圧接する。さらに、１次転写ローラー１３１にはトナーを引き寄せるバイアスが印加されている。これによって、現像後の感光体１１０表面の可視トナー像は転写ベルト１３２に転写される。
【0144】
転写ベルト１３２の上に転写された可視トナー像は、２次転写ローラー１３３の位置まで搬送される。２次転写ローラー１３３にも１次転写ローラーと同様に転写電圧が印加されている。これによって、転写ベルト１３２によって搬送された可視トナー像は、２次転写ローラー１３３と転写ベルト１３２とのニップ部で、記録媒体１８３である用紙に転写される。
【0145】
記録媒体１８３に転写された可視トナー像は、定着装置１０５まで搬送される。定着装置１０５は、定着ローラー１５０を有し、定着ローラー１５０によって記録媒体１８３を加熱および加圧することによって記録媒体１８３上に可視トナー像を定着させる。定着後の記録媒体１８３は、排紙ローラー１５１によって排紙トレー１５２に排出される。
【0146】
給紙機構１８２は、記録媒体１８３としての用紙を給紙カセット１４０，１４２から取り込んで２次転写ローラー１３３まで搬送する。給紙機構１８２は、給紙カセット１４０，１４２と、給紙ローラー１４１，１４３と、搬送ローラー１４４と、タイミングローラー１４５とを含む。この開示では、給紙機構１８２を給送機構とも称する。また、給紙ローラーを、記録媒体を給送するための給送ローラーとも称する。
【0147】
１段目の給紙カセット１４０に収容された記録媒体１８３は、給紙ローラー１４１によって１枚ずつ取り出され、タイミングローラー１４５まで搬送される。２段目の給紙カセット１４２に収容された記録媒体１８３は、給紙ローラー１４３によって１枚ずつ取り出され、搬送ローラー１４４を介してタイミングローラー１４５まで搬送される。
【0148】
タイミングローラー１４５は、供給された記録媒体１８３を一旦停止させる。これによって、転写ベルト１３２上に転写された可視トナー像が２次転写ローラー１３３まで搬送されるタイミングと、記録媒体１８３が２次転写ローラー１３３に供給するタイミングとを調整する。
【0149】
原稿読み取り装置１６０は、原稿用紙１６１上の原稿画像を読み取ることによって、画像データを生成する。図１７に示す例では、原稿読み取り装置１６０は、作像部１８１の上部に設けられる。原稿読み取り装置１６０は、原稿台１６２と、給紙ローラー１７０と、原稿搬送ローラー１６３，１７１と、原稿排出ローラー１７２と、排紙トレー１７３と、光源１６４と、ミラー１６５と、レンズ１６６と、ＣＣＤ（Charged-Coupled Devices）などのイメージセンサー１６７とを備える。
【0150】
原稿台１６２に載置された原稿用紙１６１は、給紙ローラー１７０によって１枚ずつ取り込まれる。原稿用紙１６１は、原稿搬送ローラー１６３，１７１によって搬送されることにより、原稿読み取り位置に到達する。
【0151】
原稿読み取り位置において、原稿用紙１６１上の原稿画像に、光源１６４からの光が照射される。原稿用紙１６１の表面で反射された光は、ミラー１６５で反射された後にレンズ１６６で集光されてイメージセンサー１６７に入射される。この結果、原稿用紙１６１の上の原稿画像がイメージセンサー１６７のセンサー面上に結像し、イメージセンサー１６７によって原稿画像の画像データが生成される。
【0152】
原稿読み取り位置を通過した原稿用紙１６１は、原稿排出ローラー１７２によって排紙トレー１７３に排出される。
【0153】
［ローラーの駆動源へのブラシレスＤＣモーターの適用］
上記の構成の画像形成装置１８０において、各種のローラーの駆動には、従来はステッピングモーターが多く使われていたが、現在ではブラシレスＤＣモーターが多く使われるようになっている。ステッピングモーターはブラシレスＤＣモーターに比べて騒音が大きく、消費電力が大きいために効率が悪いという問題があるからである。
上記の構成の画像形成装置１８０において、各種のローラーの駆動には、従来はステッピングモーターが多く使われていたが、現在ではブラシレスＤＣモーターが多く使われるようになっている。ステッピングモーターはブラシレスＤＣモーターに比べて騒音が大きく、消費電力が大きいために効率が悪いという問題があるからである。
【0154】
ただし、通常のブラシレスＤＣモーターでは、クローズドループ制御を行うために、ローターの回転位置を検出するためのホール素子またはエンコーダーが設けられている。このようなセンサーを設けるためのコストが余分にかかるので、オープンループ制御が可能なステッピングモーターよりも高コストになるという新たな問題が生じる。この問題を解消するために、センサレス方式のブラシレスＤＣモーターを用いることが強く望まれている。
【0155】
ここで、センサレス型のブラシレスＤＣモーターでは、停止状態のモーターを起動する際にローターの磁極の初期位置を推定する必要がある。この初期位置推定の方法として、一般には、所定の通電角度でステーターに通電を行い、通電角度に応じた位置にローターの磁極を引き込んでからモーターの回転を開始させることが行われる。
【0156】
しかしながら、画像形成装置１８０の場合で、特に、給紙ローラー１４１，１４３，１７０およびタイミングローラー１４５を駆動するモーターでは、上述のようなローター引き込みの方法を用いることができない。ローター引き込みによって記録媒体１８３である用紙も一緒に動いてしまうために、給紙ローラー１４１，１４３，１７０の場合にはジャムの原因になり、タイミングローラー１４５の場合には正確なタイミング制御が困難になるからである。このため、既に説明したように、ローターが回転しない程度の電圧をステーター巻線に印加するインダクティブセンス方式によって、ローターの磁極の初期位置推定が行われる。
【0157】
ここで、給紙ローラー１４１，１４３，１７０およびタイミングローラー１４５を駆動するブラシレスＤＣモーターは、具体的には以下の理由から、頻繁に起動および停止を繰り返さなければならないので、モーターを起動させる際には磁極の初期位置推定を短時間で行う必要がある。
【0158】
具体的に、記録媒体１８３としての用紙を供給する給紙ローラー１４１，１４３では、連続する２枚の用紙が重なると（すなわち、重送になると）画像不良になるため、用紙間隔を定められた量だけ確保しなければならない。このため、１枚給紙するごとに、給紙ローラー１４１，１４３を駆動するモーターの起動、回転、および停止を繰り返さなければならず、停止後、次に起動する前にローターの磁極の初期位置を推定する必要がある。よって、複数枚の用紙に連続的に画像形成を行う場合には、短時間でローターの磁極初期位置推定を行う必要がある。
【0159】
上記の点は、原稿画像を読み取るために原稿用紙１６１を取り込むための給紙ローラー１７０についても同様である。さらに、記録媒体１８３としての用紙を２次転写ローラー１３３に供給するタイミングを調整するタイミングローラー１４５についても、用紙１枚ごとに、タイミングローラー１４５を駆動するモーターの起動、回転、および停止を繰り返す必要がある。このため、短時間でローターの磁極の初期位置推定を行う必要がある。
【0160】
また、画像形成装置の性能を評価する指標として、ファーストコピータイム（ＦＣＯＴ：First Copy Output Time）がある。ＦＣＯＴは、通常使用状態で、スタートボタンを押してから、１枚目のコピー用紙が排紙し終わるまでの時間（秒）をいう。ＦＣＯＴには、記録媒体１８３の給紙時間、および原稿用紙１６１の読み取り時間も含まれるため、ＦＣＯＴを短縮するためにも、給紙ローラー１４１，１４３，１７０を駆動するモーターを起動する際のローターの磁極の初期位置を推定する時間を短縮することは重要である。
【0161】
実施の形態１，２で説明したように、本開示のモーター制御装置７０は、インダクティブセンス方式でローターの磁極の初期位置を推定する際に、ある通電角度でステーター巻線に電圧を印加した後、ステーター巻線を流れる残留電流が０に戻る前に次の通電角度でステーター巻線に電圧を印加するように制御する。この結果、通電間隔を短くすることができるので、ローターの磁極の初期位置の推定時間を短縮することができる。
【0162】
ここで、既に説明したように、センサレスベクトル制御回路５０の初期位置推定部５７は、ステーター巻線３１に一定の通電時間の間、定電圧をステーター巻線３１へ印加したときのγ軸電流のピーク値Ｉγｐを、γ軸残留電流Ｉγ０に基づいて補正する。そして、初期位置推定部５７は、通電角度θＭごとに得られた補正後のγ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃに基づいて、γ軸電流のピーク値Ｉγｐ＿ｃが最大となる通電角度θＭ［ｉ］をローターの磁極の初期位置θとして設定する。これによって残留電流がある場合でも、ローターの磁極の初期位置の推定が可能になる。
【0163】
より精度良くローターの磁極の初期位置を推定するために、初期位置推定部５７は、通電角度θＭごとに、検出されたγ軸電流のピーク値Ｉγｐを前述の補正式（９）に従ってまたは図１５に示す補正テーブルに従って補正するのが望ましい。
【0164】
一方で、原稿用紙１６１を原稿読み取り位置に搬送する目的の原稿搬送ローラー１６３，１７１は、原稿用紙１６１上の原稿画像をイメージセンサー１６７で読み取る際に停止する必要はない。イメージセンサー１６７は、原稿用紙１６１を連続搬送した場合でも読取り可能であるからである。したがって、原稿搬送ローラー１６３，１７１を駆動するモーターは、頻繁に起動と停止とを繰り返す必要はない。図１７の他のローラー、たとえば、１次転写ローラー１３１、２次転写ローラー１３３、定着ローラー１５０、排紙ローラー１５１、原稿排出ローラー１７２なども、頻繁に起動と停止とを繰り返す必要はない。
【0165】
このように、頻繁に起動と停止とを繰り返す必要のないモーターでは、ローターの磁極の初期位置を推定するのに要する時間を短縮する必要はない。したがって、図７に一例を示すように、インダクティブセンス方式でローターの磁極の初期位置を推定する際に、ある通電角度でステーター巻線に電圧を印加した後、ステーター巻線を流れる残留電流が０に戻ってから次の通電角度でステーター巻線に電圧を印加しても問題はない。さらに、この場合には、通電角度θＭごとのγ軸ピーク電流Ｉγｐの検出値を補正せずに、ローターの磁極の初期位置を推定することができるので、制御を簡単化することができる。
【0166】
なお、上記のように頻繁に起動、回転、および停止を繰り返す必要がある場合には、慣性が小さいために応答性の優れたインナーローター型のブラシレスＤＣモーターを用いるほうが、アウターローター型のブラシレスＤＣモーターを用いるよりも望ましい。
【0167】
図１７は、インナーローター型のブラシレスＤＣモーターの構成とアウターローター型のブラシレスＤＣモーターの構成とを模式的に示す断面図である。図１７（ａ）に４極６スロットのインナーローター型の３相ブラシレスＤＣモーターの構成が示される。図１７（ｂ）には、４極６スロットのアウターローター型の３相ブラシレスＤＣモーターの構成が示される。
【0168】
図１７（ａ）を参照して、インナーローター型のブラシレスＤＣモーターは、ローター３５の外周にステーター３４が配置される。ステーター３４の鉄心は、環状のヨーク３３と、ヨーク３３から内向きに突出する６本のティースとを含む。２本のＵ相用ティースの周囲にはＵ相巻線３１Ｕが巻回され、２本のＶ相用ティースの周囲にはＶ相巻線３１Ｖが巻回され、２本のＷ相用ティースの周囲にはＷ相巻線３１Ｗが巻回されている。
【0169】
インナーローター型のブラシレスＤＣモーターは、慣性モーメントを小さくできるために、応答性が良いという利点がある。したがって、頻繁に駆動および停止を繰り返さなければならない給紙ローラー１４１，１４３，１７０およびタイミングローラー１４５を駆動するためのモーターに向いている。
【0170】
図１７（ｂ）を参照して、アウターローター型のブラシレスＤＣモーターは、ステーター３４の外周にローター３５が配置される。ステーター３４の鉄心は、ローター３５の回転中心付近に配置されたヨーク３３と、ヨーク３３から外向きに突出する６本のティースとを含む。２本のＵ相用ティースの周囲にはＵ相巻線３１Ｕが巻回され、２本のＶ相用ティースの周囲にはＶ相巻線３１Ｖが巻回され、２本のＷ相用ティースの周囲にはＷ相巻線３１Ｗが巻回されている。
【0171】
アウターローター型のブラシレスＤＣモーターは、慣性モーメントが比較的大きいため、一定の回転速度で安定的に回転させることができるというメリットがある。
【0172】
【0173】
図１８では、頻繁に起動と停止とを繰り返さなければならないローラー９０Ａと、頻繁に起動と停止とを繰り返す必要がなく連続的に回転駆動させるローラー９０Ｂとが代表的に示されている。ローラー９０Ａは、図１６の給紙ローラー１４１，１４３，１７０およびタイミングローラー１４５に対応し、ローラー９０Ｂは、図１６のその他のローラーに対応する。
【0174】
ローラー９０Ａを駆動するブラシレスＤＣモーター３０Ａは、頻繁に起動と停止とを繰り返すので、応答性が良いインナーローター型が望ましい。一方、ローラー９０Ｂを駆動するブラシレスＤＣモーター３０Ｂは、インナーローター型およびアウターローター型のいずれもよい。
【0175】
モーター制御装置７０は、ブラシレスＤＣモーター３０Ａを駆動制御するための駆動回路４０Ａおよびセンサレスベクトル制御回路５０Ａと、ブラシレスＤＣモーター３０Ｂを駆動制御するための駆動回路４０Ｂおよびセンサレスベクトル制御回路５０Ｂと、上位制御回路６０とを含む。
【0176】
駆動回路４０Ａ，４０Ｂの構成は、図１の駆動回路４０の構成と同じであるので、説明を繰り返さない。
【0177】
センサレスベクトル制御回路５０Ａは、実施の形態１，２で説明したセンサレスベクトル制御回路５０の構成および動作と同じである。すなわち、センサレスベクトル制御回路５０Ａは、ブラシレスＤＣモーター３０Ａを起動させる際に、インダクティブセンス方式で静止状態にあるローターの磁極の初期位置を推定する。このとき、センサレスベクトル制御回路５０Ａは、ある通電角度でステーター巻線に電圧を印加した後、ステーター巻線を流れる残留電流が０に戻る前に次の通電角度でステーター巻線に電圧を印加するように、駆動回路４０Ａを制御する。センサレスベクトル制御回路５０Ａは、磁極位置の推定精度を高めるために、通電開始と同時または通電開始の直前に測定したγ軸残留電流Ｉγ０の値に基づいて、γ軸電流のピーク値Ｉγｐの検出値を補正する。この場合、前述の式（９）または図１５のテーブルに従ってγ軸電流のピーク値Ｉγｐの検出値を補正してもよい。センサレスベクトル制御回路５０Ａは、通電角度ごとに得られた補正後のγ軸ピーク電流の補正値Ｉγｐ＿ｃに基づいて、ローターの初期位置を推定する。以上によって、ローターの磁極の初期位置を短時間で精度良く推定することが可能になる。
【0178】
一方、センサレスベクトル制御回路５０Ｂは、実施の形態１で説明したセンサレスベクトル制御回路５０とほぼ同じ動作を行うが、ブラシレスＤＣモーター３０Ｂのローターの磁極の初期位置の推定方法がセンサレスベクトル制御回路５０Ａの場合と異なる。具体的に、センサレスベクトル制御回路５０Ｂは、インダクティブセンス方式でローターの磁極の初期位置を推定する際に、ある通電角度でステーター巻線に電圧を印加した後、ステーター巻線を流れる残留電流が０になる時間が経過してから次の通電角度でステーター巻線に電圧を印加するように、駆動回路４０Ｂを制御する。この場合、γ軸ピーク電流Ｉγｐの検出値を補正することなくローターの磁極の初期位置を推定することができるので、モーター制御を簡単化できる。ローラー９０Ｂは、頻繁に起動と停止とを繰り返す必要がなく連続的に回転するので、上記のような制御を行っても問題にならない。
【0179】
上位制御回路６０は、センサレスベクトル制御回路５０Ａ，５０Ｂに起動指令、停止指令、および回転速度指令値などを出力する。
【0180】
上記のセンサレスベクトル制御回路５０Ａ，５０Ｂの各々は、第１の動作モードと第２の動作モードとを有する同一構成のセンサレスベクトル制御回路５０として構成されていてもよい。この場合、同一構成の各センサレスベクトル制御回路５０は、第１の動作モードにおいて、上記のセンサレスベクトル制御回路５０Ａと同じ制御動作を行い、第２の動作モードにおいて、上記のセンサレスベクトル制御回路５０Ｂと同じ制御動作を行う。
【0181】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0182】
３０ ブラシレスＤＣモーター、３１ ステーター巻線、３３ ヨーク、３４ ステーター、３５，９０Ａ，９０Ｂ ローター、４０ 駆動回路、４１ インバーター回路、４３Ｕ Ｕ相電流検出回路、４３Ｖ Ｖ相電流検出回路、５０ センサレスベクトル制御回路、５１ 回転速度制御部、５２ 電流制御部、５３ 座標変換部、５４ ＰＷＭ変換部、５５ 座標変換部、５６ 磁極位置推定部、５７ 初期位置推定部、６０ 上位制御回路、７０ モーター制御装置、１０２ 現像装置、１０５ 定着装置、１１０ 感光体、１１１ 帯電器、１１２ 画像露光装置、１２１ 現像ローラー、１２３ トナーボトル、１２４ 攪拌羽、１３１ １次転写ローラー、１３２ 転写ベルト、１３３ ２次転写ローラー、１４０，１４２ 給紙カセット、１４１，１４３，１７０ 給紙ローラー、１４４ 搬送ローラー、１４５ タイミングローラー、１５０ 定着ローラー、１５１ 排紙ローラー、１５２，１７３ 排紙トレー、１６０ 原稿読み取り装置、１６１ 原稿用紙、１６２ 原稿台、１６３，１７１ 原稿搬送ローラー、１６４ 光源、１６５ ミラー、１６６ レンズ、１６７ イメージセンサー、１７２ 原稿排出ローラー、１８０ 画像形成装置、１８１ 作像部、１８２ 給紙機構、１８３ 記録媒体、１９１，１９２，１９３，１９４ 感光体カートリッジ。
【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】
【図16】
【図17】
【図18】