JP2004289929A

JP2004289929A - モータ駆動回路

Info

Publication number: JP2004289929A
Application number: JP2003078244A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Shiotani; 敏昭塩谷
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】モータの駆動制御において指令値に対するモータの応答遅れが生じないようにする。
【解決手段】ＰＩ制御回路において指令信号ｉｓを３つに分岐し、その１つを第１増幅器２に通してＰ成分を作り、他の１つを積分器３及び第２増幅器４に通してＩ成分を作り、残りの１つをデッドタイム補償回路８に通して補償値を作り、３つの和を電圧指令値Ｖｕとして、ＰＷＭ制御にてデッドタイムを設けた駆動回路６への出力する。指令信号の入力と同時にＰＷＭ制御信号がデッドタイムを超えることができ、小さな指令信号に対してもモータをＰＷＭ制御し得る。特に、ＰＩ制御でフィードバック制御を行う場合に、回転速度によらず補償値を含めた制御信号に応じてＰＷＭ制御信号を出力するため、デッドタイムによる印加電圧に対する電流の誤差を解消でき、電流応答のばらつきを無くすことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の例えばブラシレスモータの駆動回路にあってはＰＷＭ制御で行われる場合がある。そのＰＷＭ制御を行う駆動回路の一例を図４に示す。図おいて、モータ７にはＵ・Ｖ・Ｗ相の各駆動制御回路６・９・１０の出力線が接続されており、各Ｕ・Ｖ・Ｗ相駆動制御回路６・９・１０には、トルク軸電流（ｉｑ）についてそれぞれＰＩ制御演算により得られたトルク軸電圧指令（Ｖｑ）および界磁軸電圧指令（Ｖｄ）を座標変換により３相交流に変換した各電圧指令値Ｖｕ・Ｖｖ・Ｖｗがそれぞれ入力するようになっている。なお、モータ７には３相ブラシレスモータを用いており、各相の制御にあっては同一構成のため、以下、Ｕ相についてのみ示し、他の図示及び詳細な説明を省略する。また、トルク軸電流制御と界磁軸電流制御とにあっては、同一構成のため、以下、トルク軸電流制御のみ示し、界磁軸電流制御の図およびその詳細な説明を省略する。
【０００３】
Ｕ相駆動制御回路内６には、電圧指令値Ｖｕの入力に基づいてＰＷＭ信号Ｐｕを出力するＰＷＭ発生回路１１と、ＰＷＭ発生回路１１から出力されるＰＷＭ信号Ｐｕの入力に基づいてハイ側駆動信号ＰｕＨとロー側駆動信号ＰｕＬとを出力するデッドタイム発生回路１２と、ハイ側駆動信号ＰｕＨの入力に応じてハイ側スイッチング素子Ｑ１を駆動するハイ側駆動回路１３と、ロー側駆動信号ＰｕＬの入力に応じてロー側スイッチング素子Ｑ２を駆動するロー側駆動回路１４とが設けられている。なお、ハイ側スイッチング素子Ｑ１は電源に接続され、ロー側スイッチング素子Ｑ２は接地され、両スイッチング素子Ｑ１・Ｑ２間のノードがモータ７のＵ相に接続されている。
【０００４】
このようにして構成されたＵ相駆動制御回路内６（ＰＷＭ制御回路）にあっては、ハイ・ローのアームとしての各スイッチング素子Ｑ１・Ｑ２が同時にオンしてショートすることを防ぐため、両スイッチング素子Ｑ１・Ｑ２のオン状態を切り換える時に、一方のスイッチング素子が完全にオフしてから他方のスイッチング素子がオンするようにタイムラグを設ける。このタイムラグをデッドタイムと呼び、上記デッドタイム発生回路により一定時間両スイッチング素子Ｑ１・Ｑ２がオフ状態になる時間として設けている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
Ｕ相についての電圧指令値Ｖｕが図５の上段に示されるように入力する場合には、その電圧指令値Ｖｕの立ち上がり時にロー側駆動信号ＰｕＬをオフして、その後デッドタイムＴｄを経過した時にハイ側駆動信号ＰｕＨをオンにする。電圧指令値Ｖｕの立ち下がり時には、そのタイミングでハイ側駆動信号ＰｕＨをオフにし、その後デッドタイムＴｄを経過した時にロー側駆動信号ＰｕＬをオンする。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−０９５２６２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記デッドタイムの存在により、出力電圧Ｖｅｕ（モータに印加される電圧）が電圧指令値Ｖｕに対して不感帯を有し、電圧指令値Ｖｕに対する誤差を生じることになる。モータに印加される電圧と電圧指令値Ｖｕとの関係を、モータの静止状態において誘起電圧の影響がない状態を例に、図６に示す。なお、モータには正負の電圧を印加している。図に示されるように、印加電圧の０Ｖを挟んだ所定の範囲（不感帯Ｖｎ）を除いて、モータの印加電圧と電流との関係は比例の関係にある。図から分かるように、想像線に示される理想線に対して不感帯Ｖｎの幅の半分の誤差が生じる。
【０００８】
また、上記電圧指令値Ｖｕは、トルク軸電圧指令（Ｖｑ）および界磁軸電圧指令（Ｖｄ）を２相−３相変換した結果であるが、これらＶｑおよびＶｄは、例えばサーボモータにおけるＰＩ制御の場合には図７に示されるようなＰＩ制御回路の出力を２相−３相変換したものとなる。図の回路では、図示されない例えばＣＰＵからの電流指令値ｉｓと図示されない電流センサからのフィードバック値ｉｂとを比較器１に入力し、その比較器１から出力される指令信号偏差としての電流偏差ｉｅを分岐し、その一方を第１増幅器２に入力して電流偏差ｉｅと比例ゲイン（Ｋｐ）との積を求め、他方を積分器３を介して第２増幅器４に入力して電流偏差ｉｅの積分値と積分ゲイン（Ｋｉ）との積を求め、各積の和を加算器５を介して電圧指令値Ｖｑとして出力している。この電圧指令値Ｖｑを２相−３相変換回路を介して上記ＰＷＭ制御回路６に入力し、その出力Ｖｅｕによりモータ７を駆動制御する。
【０００９】
上記したようなＰＩ制御による電流指令値ｉｓのステップ入力に応じた電圧指令値Ｖｑとフィードバック値ｉｂとの状態を図８に示す。その図に示されるように、電流指令値ｉｓが入力すると、モータに電流が流れ始めるまでの間は、電流偏差ｉｅは電流指令値ｉｓであり、電圧指令値Ｖｑは、Ｐ成分としてのＫｐ×ｉｅなる一定値となる。時間の経過により、Ｉ成分としてのＫｉ×ｉｅ・ｔ（ｔは時間）なる一定の傾きで上昇する値がＰ成分に加算されて、両成分の和が出力される。そして、フィードバック値ｉｂが現れてくると、フィードバック値ｉｂの上昇に伴って電流偏差Ｉｅが小さくなり、電圧指令値Ｖｑの傾きが小さくなる通常のフィードバック制御が行われる。
【００１０】
このようにして、フィードバック制御によるＰＩ制御を行うことができるが、上記不感帯Ｖｎによる誤差により、ＰＩ制御により電流制御されるサーボモータでは電流の応答時間に遅れが生じる。これは、図８に示されるように比例ゲインＫｐによる電圧分と積分ゲインＫｉによる電圧分との和となる電圧指令値Ｖｑが出力され、その和が増大してデッドタイムによる不感帯Ｖｎ（＝ＶＤ−ＶＬ）を超えた時Ｔ１からモータに電流が流れ始めるためである。
【００１１】
上記応答時間の遅れによる電圧指令値Ｖｑに対する電流値の誤差（図６のＶｎ／２）を補償するために、電圧指令値の正負を判定し、正の時には補償値を加え、負の時には補償値を減らすという方法が考えられる。しかしながら、その方法にあっては、モータの回転速度が低く、誘起電圧が小さい時には効果が得られるが、モータの回転速度が上昇して誘起電圧が大きくなると、不感帯が補償されないため電流の応答が遅れてしまうという問題がある。
【００１２】
上記問題を回避するために、流れる電流の方向を電流センサにより検出して補償を行う方法が考えられるが、その場合でも、電流が少ない時に電流センサのノイズなどにより不安定になってしまうという問題がある。また、モータ回転速度を検出し、その回転速度検出値から誘起電圧を推定する方法が考えられるが、その場合には回転速度検出の遅れが問題となるばかりでなく、速度と誘起電圧との関係を事前に調べる必要があるなど、制御が複雑化するという問題がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決して、モータの駆動制御において指令値に対するモータの応答遅れが生じないようにし得ることを実現するために、本発明に於いては、電源に直列に接続されたハイ側及びロー側スイッチング素子の両者間のノードをモータコイルに接続し、前記両スイッチング素子を交互にオン／オフして前記モータコイルに電流を流すようにしたモータ駆動回路において、前記コイルを通電状態にするための指令信号の入力に応じて制御信号を出力する制御信号出力回路と、前記制御信号の大きさに応じたＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ発生回路と、前記ＰＷＭ制御信号の発生時に前記両スイッチング素子の一方をオフにしかつ所定のデッドタイム経過後に他方をオンにする各信号を出力するデッドタイム発生回路とを有し、前記制御信号出力回路が、前記モータコイルにおける印加電圧値に対する通電電流値の誤差に相当する補償値を発生する補償値発生回路を有し、前記指令信号の入力に応じて出力する前記制御信号に前記補償値を含めるものとした。
【００１４】
これによれば電源に直列に接続された両スイッチング素子を同時にオンにしてショートさせないためのデッドタイムを設けた駆動回路において、指令信号が小さい場合（低速回転時）にはＰＷＭ制御信号も小さく、その小さなＰＷＭ制御信号ではデッドタイム内に入ってしまう場合でも、補償値発生回路による補償値を制御信号に含めることから、指令信号が小さくても補償値を含めた大きな制御信号が出力される。それにより、指令信号の入力と同時にＰＷＭ制御信号がデッドタイムを超えることができ、小さな指令信号に対してもモータをＰＷＭ制御し得る。特に、ＰＩ制御でフィードバック制御を行う場合に、高速回転時にはＩ成分による誘起電圧分が発生するが、その場合であっても、補償値を含めた制御信号に応じてＰＷＭ制御信号を出力することから、デッドタイムによる印加電圧に対する電流の誤差を解消し得るため、電流応答のばらつきを無くすことができる。
【００１５】
また、前記補償値発生回路が、前記指令信号偏差が正の場合には正の補償値を発生し、前記指令信号偏差が負の場合には負の補償値を発生することによれば、指令信号の増減に応じて指令信号偏差が正負に切り換わるため、指令信号の増減を指令信号偏差の正負で判別でき、その正負に対応した補償値を発生することができるため、タイムラグのない応答性の良いモータの駆動制御を行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明が適用されたモータ駆動回路のＰＩ制御を示すブロック図である。なお、従来例で示した図７と同様の部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。図に示されるように、電流指令値ｉｑｓとフィードバック値ｉｑとを比較器１に入力して得られる指令信号偏差としての電流偏差ｉｅを３つに分岐する。第１の分岐信号（ｉｅ）は第１増幅器２に入力し、第２の分岐信号（ｉｅ）は積分器３を介して第２増幅器４に入力する。第１増幅器２の出力Ｖｐと第２増幅器４の出力Ｖｉとを加算器５に入力し、加算器５からの出力を電圧指令値Ｖｑ´とし、その電圧指令値Ｖｑ´を第２加算器１５に入力する。
【００１８】
本発明によれば、電流偏差ｉｅの３つに分岐した１つである第３の分岐信号（ｉｅ）を補償値発生回路としてのデッドタイム補償回路８を介して第２加算器１５に入力している。第２加算器１５では上記加算器５からの出力（Ｖｑ´）とデッドタイム補償回路８からの出力（Ｖｃ）とを加算し、第２加算器１５の出力をモータ７に対する電圧指令値Ｖｑとする。その電圧指令値Ｖｑを２相−３相変換回路１６に入力し、そこで２相−３相変換して得られる電圧指令値Ｖｕを従来例で示したＵ相駆動制御回路６に入力する。そのＵ相駆動制御回路６からの出力によりモータ７を駆動制御することは、従来例で示したものと同様である。なお、他のＶ相・Ｗ相については同様であるため、その説明を省略する。
【００１９】
また、Ｕ相駆動制御回路６及びＶ相駆動制御回路の出力線からモータ駆動電流を検出し、それらＵ相電流検出値ｉｕ及びＶ相電流検出値ｉｖを３相−２相変換回路１７に入力している。３相−２相変換回路１７により、トルク軸電流と界磁軸電流とが得られ、そのトルク軸電流を上記したようにフィードバック値ｉｑとして比較器１に入力している。
【００２０】
上記界磁軸電流は、界磁軸電流指令値ｉｑｄが入力する比較器１８にフィードバック値として入力するようになっている。この界磁軸電流指令値ｉｑｄにおける制御においても、図に示されるように上記と同様の回路を構成し、界磁軸電流指令値ｉｑｄに基づいた電圧指令値Ｖｄを求めて良い。それを２相−３相変換回路１６に入力し、上記電圧指令値Ｖｑと合わせた結果を電圧指令値Ｖｕとすることができる。なお、この界磁軸電流制御系におけるデッドタイム補償回路は省略しても良い。また、通常は、界磁軸電流指令値ｉｑｄを０として良い。
【００２１】
上記デッドタイム補償回路８にあっては、従来例で示した不感帯Ｖｎの例えば半分の値となる補償値Ｖｃ（＝Ｖｎ／２）を設定しておき、入力信号（ｉｅ）の正負に合わせて補償値Ｖｃを正または負の値として出力するようになっている。このデッドタイム補償回路８を用いた制御要領について図２のフロー図を参照して示す。
【００２２】
図において、ステップＳＴ１で電流偏差ｉｅの正負を判別し、正の場合（回転速度上昇時）にはステップＳＴ２に進み、負の場合（回転速度低下時）にはステップＳＴ３に進む。ステップＳＴ２では、デッドタイム補償回路８から電流偏差ｉｅの正の場合における補償値Ｖｃを出力し、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では、両加算器５・１５での処理を行う。すなわち、加算器５により第１増幅器２の出力値Ｖｐ（＝Ｋｐ×ｉｅ）と第２増幅器４の出力値Ｖｉとを加算し、第２加算器１５により、加算器５の出力Ｖｑ´と補償値Ｖｃとを加算する（Ｖｑ）。次のステップＳＴ５では、第２加算器１５の出力Ｖｑを２相−３相変換した電圧指令値Ｖｕに基づいてＵ相駆動制御回路６内でＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号に応じてモータ７を駆動制御する。上記ステップＳＴ４では３値を加算するが、電流偏差ｉｅが変化した瞬間では、Ｐ成分の出力値Ｖｐに補償値Ｖｃを加算しただけで、図３に示されるようにデッドタイムによる不感帯Ｖｎを正側に超えた電圧指令値Ｖｕが得られる。
【００２３】
上記したように補償値Ｖｃを加算することにより、図３に示されるように電流指令値ｉｅの入力と同時（Ｔ１）に電圧指令値Ｖｕが不感帯Ｖｎを正側に超えることができる。このため、Ｉ成分の値や変化に関係なく不感帯Ｖｎを超えた電圧指令値Ｖｕが出力され、それに応じたモータ電流が流れ得るため、従来例で示したタイムラグが無く、すなわちデッドタイムによる影響を受けることのない速やかなフィードバック制御を行うことができる。その後は、第２増幅器４からの出力値Ｖｉ（＝Ｋｉ×ｉｅ）も加味されたＰＩ制御を行うことができる。
【００２４】
また、ステップＳＴ３では、デッドタイム補償回路８から電流偏差ｉｅの負の場合における補償値−Ｖｃを出力し、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では不感帯Ｖｎを負側に超えた電圧指令値Ｖｕが得られ、次のステップＳＴ４で生成されるＰＷＭ信号に応じて、減速制御指令に対してもデッドタイムによる影響を受けることのない速やかなフィードバック制御を行うことができる。また、ＰＩ制御についても上記と同様である。
【００２５】
このように電流指令値ｉｅ（電流偏差）の正負の違いにより、基準電圧Ｖｑ´に対して補償値Ｖｃを加算するか減算するかを選択することにより、高速回転時において電流指令値ｉｅの正負が変化する制御を行うものとして、例えばサーボモータに対して電流応答のばらつきの無い好適な制御を行うことができる。
【００２６】
すなわち、サーボモータの制御などに用いられるＰＩ制御では、主にＰ（比例）成分が電流指令値の変動に対する電圧を出力し、Ｉ（積分）成分が、誘起電圧や、コイルに発生する起電圧等の外乱に対する電圧を出力している。したがって、電流指令値ｉｅ（電流偏差）の正負により補償値の正負を決めることによれば、電圧指令値ＶｕのうちＰ成分のみが反映されることになり、Ｉ成分すなわち誘起電圧分がキャンセルされた電圧指令値Ｖｕによって、補償値が求められる。この補償値を設けることにより、電圧指令値が反転する時、一気に不感帯を脱出し、電流の応答遅れが無くなる。
【００２７】
なお、補償値は原理的にデッドタイムによる不感帯幅の半分の電圧であって良いが、調整することもできる。また、上記図示例では基準電圧Ｖｑ´に補償値Ｖｃを加算（減算）して不感帯Ｖｄを脱出し得る電圧ＶＤよりも少し大きな値になるように補償値Ｖｃの大きさを設定しているが、電圧ＶＤと一致させるようにしても良い。負側も同様である。
【００２８】
また、本発明によれば、電流センサの検出値のみで補償値を設定するのではなく、電流指令値ｉｓｑに基づいてデッドタイムに対する補償値を設定するため、負荷が小さくモータ電流が小さくても正確な補償を行うことができる。すなわち、図示例のように、電流指令値ｉｓｑのステップ入力のみで電圧指令値Ｖｕが不感帯Ｖｎを脱出し得るように補償値Ｖｃが設定されていれば、Ｐ成分の電圧値Ｖｐが０に近いものであっても電圧指令値Ｖｕを出力することができる。
【００２９】
さらに、ブラシレスサーボモータにおいては、固定された直交座標系あるいは回転する直交座標系へ変換するｄ−ｑ変換で、ｑ軸電流が特に応答性能に大きく影響するため、３相−２相変換後のｄ−ｑ座標系においてｑ軸指令電圧に補償値を加えるだけで、ｄ軸については省略しても効果が得られる。これにより、ｑ軸１相分の計算だけ行えば済むことになり、その結果演算時間が短くなり、高価な高性能のＣＰＵを使わなくても良くなり、装置を低コスト化し得る。
【００３０】
【発明の効果】
このように本発明によれば、指令信号の入力と同時にＰＷＭ制御信号がデッドタイムを超えることができ、小さな指令信号に対してもモータをＰＷＭ制御し得る。特に、ＰＩ制御でフィードバック制御を行う場合に、高速回転時にはＩ成分による誘起電圧分によりデッドタイムの影響を受けなくなるが、その場合であっても、補償値を含めた制御信号に応じてＰＷＭ制御信号を出力することから、デッドタイムによる印加電圧に対する電流の誤差を解消し得るため、電流応答のばらつきを無くすことができる。
【００３１】
また、指令信号の増減に応じて指令信号偏差が正負に切り換わるため、指令信号の増減を指令信号偏差の正負で判別でき、その正負に対応した補償値を発生することにより、タイムラグのない応答性の良いモータの駆動制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたモータ駆動回路のＰＩ制御を示すブロック図。
【図２】本発明に基づく制御フローを示す図。
【図３】本発明に基づく電圧指令値の変化を示す図。
【図４】ＰＷＭ制御を行うモータ駆動回路を示す図。
【図５】ＰＷＭ制御による波形を示す図。
【図６】図４の回路におけるモータ印加電圧と電流との関係を示す図。
【図７】従来のモータ駆動回路におけるＰＩ制御を示すブロック図。
【図８】従来の指令信号に対する電圧指令値の変化を示す図。
【符号の説明】
１比較器
２第１増幅器
３積分器
４第２増幅器
５加算器
６Ｕ相駆動制御回路
７モータ
８デッドタイム補償回路
９Ｖ相駆動制御回路
１０Ｗ相駆動制御回路
１１ＰＷＭ発生回路
１２デッドタイム発生回路
１３ハイ側駆動回路
１４ロー側駆動回路

Claims

電源に直列に接続されたハイ側及びロー側スイッチング素子の両者間のノードをモータコイルに接続し、前記両スイッチング素子を交互にオン／オフして前記モータコイルに電流を流すようにしたモータ駆動回路において、
前記コイルを通電状態にするための指令信号に前記モータコイルの電流をフィードバックした指令信号偏差に応じて制御信号を出力する制御信号出力回路と、前記制御信号の大きさに応じたＰＷＭ制御信号を出力するＰＷＭ発生回路と、前記ＰＷＭ制御信号の発生時に前記両スイッチング素子の一方をオフにしかつ所定のデッドタイム経過後に他方をオンにする各信号を出力するデッドタイム発生回路とを有し、
前記制御信号出力回路が、前記モータコイルにおける印加電圧値に対する通電電流値の誤差に相当する補償値を発生する補償値発生回路を有し、前記制御信号に前記補償値を含めることを特徴とするモータ駆動回路。
前記補償値発生回路が、前記指令信号偏差が正の場合には正の補償値を発生し、前記指令信号偏差が負の場合には負の補償値を発生することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。