JP2004080921A - Speed control device for brush motor - Google Patents

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JP2004080921A JP2002238737A JP2002238737A JP2004080921A JP 2004080921 A JP2004080921 A JP 2004080921A JP 2002238737 A JP2002238737 A JP 2002238737A JP 2002238737 A JP2002238737 A JP 2002238737A JP 2004080921 A JP2004080921 A JP 2004080921A
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Toru Harada
原田　徹
Eiji Takada
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform accurate control which is hardly influenced by variations in temperature and motor, without using external detection means, such as encoder. <P>SOLUTION: This control device for a brush motor comprises a motor 4 equipped with a brush; a motor control means 2a that controls power fed to the motor 4; a current detection means 5a that detects a current flowing to the motor 4; and a speed detection means 7a that analyzes the frequency of the waveform of the detected current, detects the ripple frequency generated from the brush and detects the number of revolutions of the motor 4. The motor control means 2a controls the number of the revolutions detected by the speed detection means 7a so as to reach the target number of revolutions. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ディスク製造装置等に搭載されているブラシモータに流れる電流に発生するリップルを用いて速度制御を行うブラシモータの速度制御装置に関する。
【従来の技術】（１）：速度検出センサを用いる場合の説明
通常、モータの速度制御を行う際には、エンコーダやタコジェネレータ等の速度検出センサが必要となる。
図７は従来例の説明図である。図７において、ブラシモータの速度制御装置には、モータ駆動部３、モータ４、速度設定部８、速度検出部９、加減算器１０が設けてある。モータ駆動部３は、加減算器１０の出力に応じてモータ４を駆動するものである。速度検出部９は、モータ４の速度を検出するものであり、エンコーダやタコジェネレータ等の速度検出センサを有するものである。加減算器１０は、速度設定部８の出力から速度検出部９の出力を減算した値をモータ駆動部３に出力するものである。これにより、モータは、速度設定部８の出力に応じた速度で回転するものである。
（２）：速度検出センサを用いない場合の説明
速度検出センサを用いずに速度制御を行う方法は、比例電流制御法があげられる。これは、モータに直流電流を流す場合、電源電圧をＥ、モータに流れる電流をＩ、モータの抵抗をＲ、モータの逆起電圧をＶｂｅｍｆとすると、電源電圧Ｅは次の式で現される。
Ｅ＝Ｖｂｅｍｆ＋ＲＩ
ここで抵抗Ｒは決まっているため電流Ｉと電源電圧Ｅにより逆起電圧Ｖｂｅｍｆを求めることができる。逆起電圧Ｖｂｅｍｆは、モータの回転速度に比例するので、逆起電圧Ｖｂｅｍｆにより速度検出センサを用いないでモータの回転速度を検出し、モータの速度制御を行うことができる。
【発明が解決しようとする課題】上記従来のものは、次のような課題があった。
（１）：エンコーダやタコジェネレータ等の速度検出センサを利用した設計では、特別な速度検出センサが必要となるためコストアップにつながるものであった。
（２）：比例電流制御法では、モータの温度ドリフト等の影響によりモータの抵抗Ｒの値が変化し回転数が変動してしまうものであった。
本発明はこのような従来の課題を解決し、エンコーダのような外部検出手段なしで、温度やモータのばらつきの影響を受けにくい、精度のよい制御を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明図である。図１において、２ａはモータ制御手段、４はモータ、５ａは電流検出手段、７ａは速度検出手段、８は速度設定部である。
本発明は、上記従来の課題を解決するため次のような手段を有する。
（１）：ブラシを備えるモータ４と、前記モータ４に供給する電力を制御するモータ制御手段２ａと、前記モータ４に流れる電流を検出する電流検出手段５ａと、前記検出した電流波形の周波数分析を行い前記ブラシ部分から発するリップル周波数を検出して前記モータ４の回転数を検出する速度検出手段７ａとを備え、前記モータ制御手段２ａは、前記速度検出手段７ａが検出した回転数が目標回転数になるように制御する。このため、エンコーダのような外部検出手段なしで、温度やモータのばらつきの影響を受けにくい、精度のよい制御を行うことができる。
（２）：前記（１）のブラシモータの速度制御装置において、前記速度検出手段７ａは、前記ブラシ部分から発するリップル周波数の検出ができない場合、前記モータに印加する電圧と電流から逆起電圧を求めて回転数を検出する。このため、起動開始時及び低回転時等の検出レベルが低くてリップル周波数の検出ができない場合でも回転数を検出することができる。
（３）：前記（１）又は（２）のブラシモータの速度制御装置において、前記速度検出手段７ａは、前記モータ４に印加する電圧と電流から逆起電圧を求めて回転数を推定し、該推定した回転数に基づいて、前記周波数分析を行った周波数成分から前記ブラシ部分から発するリップル周波数を選択する。このため、周波数分析結果で複数のリップル周波数が検出された場合でも比例電流制御で推定した回転数により容易にブラシが発するリップル周波数を検出することができる。
（４）：前記（１）〜（３）のブラシモータの速度制御装置において、前記モータ制御手段２ａは、前記速度検出手段７ａが検出した回転数と前記目標回転数とを位相比較器を使用して比較し、この比較値に応じて前記モータ４を制御する。このため、前記速度検出手段７ａが検出した回転数と前記目標回転数とがパルス数（又は周波数）で与えられる場合、制御信号が電圧値で出力される場合と比較して、ノイズ等の影響を受けにくいため正確に比較することができる。
【発明の実施の形態】（１）：速度制御装置の概要の説明
直流（ＤＣ）ブラシモータの場合、ブラシの影響を受け、駆動電流にリップルが発生する。このリップルの周波数は、モータの回転数に比例する。本願の技術は、リップルの周波数から回転速度を推定し、これをもとに速度制御を行うものである。
図２は本発明の実施の形態における速度制御装置の説明図である。図２において、速度制御装置には、モータ制御部２、モータ駆動部３、モータ４、電流検出部５、擬似エンコーダ信号生成回路７、速度設定部８が設けてある。モータ制御部２は、擬似エンコーダ信号生成回路７と速度設定部８の出力信号からモータ駆動信号を作成するものである。モータ駆動部３は、モータ制御部２の出力に応じてモータ４を駆動するものである。モータ４は、磁気ディスク製造装置等に搭載されるＤＣブラシモータである。電流検出部５は、モータ４に流れる電流を検出するものである。擬似エンコーダ信号生成回路７は、ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ；離散フーリエ変換）、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；高速フーリエ変換）、ＢＰＦ（ＢａｎｄＰａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）等を利用して、電流検出部５の検出電流から、リップル（ブラシによる電流切り替え時に発生する）の周波数成分を抽出して、擬似エンコーダ信号を生成するものである。速度設定部８は、モータ４の速度を設定するものである。
（２）：ＰＷＭ駆動方式とＰＬＬ制御方式を用いる説明
ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ　）制御のためには、エンコーダを利用したクロック信号が必要である。この技術では、このクロック信号を擬似的に生成する。起動開始時および低回転時は、比例電流制御方式を用いて擬似クロックを生成する。これは流れる電流が小さく、電流のリップルを検出しにくいためである。リップル電流が検出可能な回転数まで上昇したら、ＦＦＴ等を利用して周波数のピークを抽出し、擬似クロックを発生させる。高いピークを持つ周波数は複数存在するため、どの周波数がリップルの周波数なのかが特定できなくなる。これには、比例電流制御を併用することで対処する。比例電流制御から算出された周波数（＝回転数）に最も近いピーク周波数がブラシによる電流のリップル周波数と断定し、これをもとにクロックの生成を行う。
図３はＰＷＭ駆動方式とＰＬＬ制御方式を用いる速度制御装置の説明図である。図３において、速度制御装置には、位相比較器１、制御器２、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動回路３、モータ４、電流検出ブロック５、擬似クロックジェネレータ７、速度設定部８が設けてある。また、電流検出ブロック５には、演算増幅器（ＯＰアンプ）１１、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）１２、検出抵抗ｒが設けてある。擬似クロックジェネレータ７には、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１３、リップル周波数検出手段１４、比例電流制御部１５が設けてある。
位相比較器１は、速度設定部８からのパルスと擬似クロックジェネレータ７からのパルスの位相を比較するものである。制御器２は、位相比較器１からの出力に基づいてＰＷＭ駆動信号を作成するものである。ＰＷＭ駆動回路３は、制御器２からの信号に応じてパルス幅を変え、モータ４に印加する平均電圧を変更するものである。モータ４は、ＤＣブラシモータである。電流検出ブロック５は、モータ４に直列に接続された検出抵抗ｒの両端の電圧を演算増幅器１１で増幅し、該増幅したアナログ信号をＡＤＣ１２でディジタル信号に変換して出力する電流検出部である。
擬似クロックジェネレータ７は、モータ４の回転数に対応したクロック（パルス）を出力するものである。ＤＳＰ１３は、擬似クロックジェネレータ７内の制御を行うものである。なお、ここではＤＳＰを用いたがＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ　）を使用してもよい。リップル周波数検出手段１４は、電流検出部５からの出力をＦＦＴ等を利用して周波数のピークを抽出し、モータ４のブラシから発生するリップル周波数を検出するものである。比例電流制御部１５は、モータ４への印加電圧とモータ駆動電流（電流検出ブロック５の出力）からモータ４の逆起電圧を検出してモータ４の回転数を求める比例電流制御手段である。なお、擬似クロックジェネレータ７、リップル周波数検出手段１４、比例電流制御部１５等はプログラムで構成できＤＳＰ（又はＣＰＵ）が実行するものである。
（モータの速度制御の説明）
速度設定部８に速度が設定されると、設定に応じたパルス信号が位相比較器１に出力される。位相比較器１では、速度設定部８からのパルスと擬似クロックジェネレータ７からのモータ４の回転数に応じたパルスとの位相を比較し、該比較した位相に応じた値を制御器２に出力する。制御器２では、ＰＷＭ駆動回路３により、位相比較器１からの信号に応じてモータ４に印加する電圧のパルス幅を変える。これにより、速度設定部８からのパルスと擬似クロックジェネレータ７からのパルスの位相が同じになるようにモータが制御される。
モータ４に印加される電圧が擬似クロックジェネレータ７に出力されると共に、モータ４に流れる電流が電流検出ブロック５で検出され擬似クロックジェネレータ７に出力される。
擬似クロックジェネレータ７では、ＤＳＰ１３の制御により、モータ４の起動時及び低回転時は、比例電流制御部１５でモータ４の回転数を検出して、該回転数に応じた擬似クロックを出力する。これは流れる電流が小さく、電流のリップルを検出しにくいためである。
更に、リップル電流が検出可能（一定のレベル以上）な回転数まで上昇したら、ＤＳＰ１３の制御により、リップル周波数検出手段１４でＦＦＴ等を利用して周波数のピークを抽出し、擬似クロックを発生させる。
高いピークを持つ周波数は複数存在するため、どの周波数がリップルの周波数なのかが特定できなくなる場合がある。これには、比例電流制御部１５による比例電流制御を併用することで対処する。即ち、比例電流制御から算出された周波数（＝回転数）に最も近いＦＦＴ等からのピーク周波数がブラシ部分から発する電流のリップル周波数（ブラシの電流切り変わりで発生する）と断定し、これを元にクロックの生成を行うものである。
（３）：モータのリップルを利用した回転数推測の説明
ＤＣブラシモータは、ブラシが整流子を摺接して電機子に電流を供給するものである。このため、複数の整流子導体片（整流子片）の切り変わり時に電流のリップルが発生し、一回転当たり整流子片の数に相当するリップルが発生する。従って、リップル周波数は、モータの回転数と整流子片の数により決まる。整流子片はモータの軸に固定されているため、電流のリップル波形とモータの軸の位置は一致する。また、リップル周波数によりモータの回転数を求めることができる。
スロット数の多い（比較的高価）モータは、電流リップルの周波数ピークが他の周波数成分に埋もれやすく、回転数の検出が困難になる場合がある。これに対し、スロット数の少ないモータ（安価なモータ）であれば、電流リップルの周波数ピークが際立っているため、回転数の予測は比較的容易になる。
（スロット数の少ないモータの説明）
図４はスロット数が少ない場合のリップル電流周波数の説明図であり、図４（ａ）は駆動電圧が３Ｖの電流波形の説明、図４（ｂ）はリップル電流周波数特性の説明である。図４（ａ）において、スロット数の少ないモータ４の駆動電圧として３Ｖを印加した場合の電流波形である。図４（ｂ）において、図４（ａ）電流波形をＦＦＴを利用して周波数特性を求めたものである。周波数のピークは、７００Ｈｚ近くの周波数ピークが際立っているため、この周波数がブラシによるリップル周波数と推測できる。
図５はスロット数が少ない場合のリップル電流周波数の説明図であり、図５（ａ）は駆動電圧が７．２Ｖの電流波形の説明、図５（ｂ）はリップル電流周波数特性の説明である。図５（ａ）において、スロット数の少ないモータ４の駆動電圧として７．２Ｖを印加した場合の電流波形である。図５（ｂ）において、図５（ａ）の電流波形をＦＦＴを利用して周波数特性を求めたものである。周波数のピークは、１７００Ｈｚ近くの周波数ピークが際立っているため、この周波数がブラシによるリップル周波数と推測できる。
（スロット数の多いモータの説明）
図６はスロット数が多い場合のリップル電流周波数特性の説明図であり、図６（ａ）は駆動電圧が４Ｖの説明、図６（ｂ）は駆動電圧が８Ｖの説明である。図６（ａ）において、スロット数の多いモータ４の駆動電圧として４Ｖを印加した場合の電流波形をＦＦＴを利用して周波数特性を求めたものである。この例では周波数のピークは、１０００Ｈｚ、４００Ｈｚ、０Ｈｚ近辺等複数あり、しかも、ピークレベルが低いため、これだけでは回転数の予測は難しい。これには、比例電流制御を使用することで対処することになる。
図６（ｂ）において、スロット数の多いモータ４の駆動電圧として８Ｖを印加した場合の電流波形をＦＦＴを利用して周波数特性を求めたものである。周波数のピークは、２１００Ｈｚ、８００Ｈｚ、２００Ｈｚ、０Ｈｚ近辺等複数あるが、これには、比例電流制御を併用して、比例電流制御で求めた周波数に近い周波数を選択し、２１００Ｈｚの周波数ピークを採用し、この周波数がブラシによるリップル周波数と推測できる。
このように本発明を応用すれば、エンコーダのような外部検出手段なしで速度制御をおこなうことが可能である。また、ブラシから発生するリップル電流の周波数は、温度やモータのばらつきの影響を受けにくいため、比例電流制御よりも精度の良い制御が可能となる。更に、モータの小型化や信頼性向上にも寄与するものである。
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）：速度検出手段で電流波形の周波数分析を行いブラシ部分から発するリップル周波数を検出してモータの回転数を検出し、モータ制御手段で、前記速度検出手段が検出した回転数が目標回転数になるように制御するため、エンコーダのような外部検出手段なしで、温度やモータのばらつきの影響を受けにくい、精度のよい制御を行うことができる。
（２）：速度検出手段で、ブラシ部分から発するリップル周波数の検出ができない場合、モータに印加する電圧と電流から逆起電圧を求めて回転数を検出するため、起動開始時及び低回転時等の検出レベルが低くてリップル周波数の検出ができない場合でも回転数を検出することができる。
（３）：速度検出手段で、モータに印加する電圧と電流から逆起電圧を求めて回転数を推定し、該推定した回転数に基づいて、周波数分析を行った周波数成分からブラシ部分から発するリップル周波数を選択するため、周波数分析結果で複数のリップル周波数が検出された場合でも比例電流制御で推定した回転数により容易にブラシ部分が発するリップル周波数を検出することができる。
（４）：モータ制御手段で、速度検出手段が検出した回転数と目標回転数とを位相比較器を使用して比較し、この比較値に応じてモータを制御するため、ノイズ等の影響を受けにくく、速度検出手段が検出した回転数と目標回転数との差をより正確に比較することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】実施の形態における速度制御装置の説明図である。
【図３】実施の形態におけるＰＷＭ駆動方式とＰＬＬ制御方式を用いる速度制御装置の説明図である。
【図４】実施の形態におけるスロット数が少ない場合のリップル電流周波数の説明図である。
【図５】実施の形態におけるスロット数が少ない場合のリップル電流周波数の説明図である。
【図６】実施の形態におけるスロット数が多い場合のリップル電流周波数特性の説明図である。
【図７】従来例の説明図である。
【符号の説明】
２ａ　モータ制御手段
４　モータ
５ａ　電流検出手段
７ａ　速度検出手段
８　速度設定部BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a speed control device for a brush motor which performs speed control by using a ripple generated in a current flowing through a brush motor mounted on a magnetic disk manufacturing apparatus or the like.
2. Description of the Related Art (1) Description of a case where a speed detection sensor is used Normally, when speed control of a motor is performed, a speed detection sensor such as an encoder or a tachogenerator is required.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a conventional example. 7, the brush motor speed control device includes a motor drive unit 3, a motor 4, a speed setting unit 8, a speed detection unit 9, and an adder / subtractor 10. The motor drive unit 3 drives the motor 4 according to the output of the adder / subtracter 10. The speed detection unit 9 detects the speed of the motor 4 and has a speed detection sensor such as an encoder or a tachogenerator. The adder / subtractor 10 outputs a value obtained by subtracting the output of the speed detector 9 from the output of the speed setting unit 8 to the motor driver 3. As a result, the motor rotates at a speed corresponding to the output of the speed setting unit 8.
(2): Description when no speed detection sensor is used As a method of performing speed control without using the speed detection sensor, there is a proportional current control method. This is because, when a DC current flows through a motor, if the power supply voltage is E, the current flowing through the motor is I, the resistance of the motor is R, and the back electromotive force of the motor is V bemf , the power supply voltage E is expressed by the following equation. You.
E = V bemf + RI
Here, since the resistance R is determined, the back electromotive force V bemf can be obtained from the current I and the power supply voltage E. Since the back electromotive voltage V bemf is proportional to the rotation speed of the motor, the rotation speed of the motor can be detected by using the back electromotive voltage V bemf without using a speed detection sensor, and the motor speed can be controlled.
SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned prior art has the following problems.
(1): In a design using a speed detection sensor such as an encoder or a tachogenerator, a special speed detection sensor is required, which leads to an increase in cost.
(2): In the proportional current control method, the value of the resistance R of the motor changes due to the influence of the temperature drift of the motor and the like, and the rotation speed fluctuates.
An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to perform highly accurate control that is not easily affected by temperature and motor variations without an external detection unit such as an encoder.
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 2a denotes a motor control unit, 4 denotes a motor, 5a denotes a current detection unit, 7a denotes a speed detection unit, and 8 denotes a speed setting unit.
The present invention has the following means to solve the above-mentioned conventional problems.
(1): a motor 4 having a brush, a motor control means 2a for controlling electric power supplied to the motor 4, a current detecting means 5a for detecting a current flowing through the motor 4, and a frequency analysis of the detected current waveform Speed detecting means 7a for detecting the ripple frequency generated from the brush portion to detect the number of rotations of the motor 4, and the motor control means 2a determines that the number of rotations detected by the speed detecting means 7a is equal to the target number of rotations. Control to be a number. For this reason, it is possible to perform high-precision control that is hardly affected by temperature and motor variations without an external detection unit such as an encoder.
(2): In the brush motor speed control device of (1), when the speed detecting means 7a cannot detect a ripple frequency generated from the brush portion, the speed detecting means 7a determines a back electromotive voltage from a voltage and a current applied to the motor. Then, the rotation speed is detected. For this reason, even when the detection level is low at the start of startup and at the time of low rotation and the ripple frequency cannot be detected, the rotation speed can be detected.
(3): In the speed control device for a brush motor according to the above (1) or (2), the speed detecting means 7a obtains a back electromotive voltage from a voltage and a current applied to the motor 4 to estimate a rotation speed, A ripple frequency generated from the brush portion is selected from the frequency components subjected to the frequency analysis based on the estimated rotation speed. Therefore, even when a plurality of ripple frequencies are detected in the frequency analysis result, the ripple frequency generated by the brush can be easily detected based on the rotation speed estimated by the proportional current control.
(4) In the brush motor speed control device according to any one of (1) to (3), the motor control unit 2a uses a phase comparator for comparing the rotation speed detected by the speed detection unit 7a with the target rotation speed. Then, the motor 4 is controlled according to the comparison value. For this reason, when the number of rotations detected by the speed detecting means 7a and the target number of rotations are given by the number of pulses (or frequency), compared with the case where the control signal is output as a voltage value, the influence of noise and the like is reduced. Because it is hard to receive, it can be compared accurately.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (1): Outline of speed control device In the case of a direct current (DC) brush motor, ripples are generated in the drive current due to the influence of the brush. The frequency of this ripple is proportional to the number of rotations of the motor. The technology of the present application is to estimate a rotation speed from a ripple frequency and perform speed control based on the rotation speed.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the speed control device according to the embodiment of the present invention. 2, the speed control device includes a motor control unit 2, a motor drive unit 3, a motor 4, a current detection unit 5, a pseudo encoder signal generation circuit 7, and a speed setting unit 8. The motor control unit 2 creates a motor drive signal from output signals of the pseudo encoder signal generation circuit 7 and the speed setting unit 8. The motor drive unit 3 drives the motor 4 according to the output of the motor control unit 2. The motor 4 is a DC brush motor mounted on a magnetic disk manufacturing device or the like. The current detector 5 detects a current flowing through the motor 4. The pseudo encoder signal generation circuit 7 uses the DFT (Discrete Fourier Transform; Discrete Fourier Transform), FFT (Fast Fourier Transform; Fast Fourier Transform), BPF (BandPass Filter), or the like to extract ripples from the detection current of the current detection unit 5. A frequency component (generated at the time of current switching by a brush) is extracted to generate a pseudo encoder signal. The speed setting section 8 sets the speed of the motor 4.
(2): Description using PWM driving method and PLL control method For PLL (Phase-Locked Loop) control, a clock signal using an encoder is required. In this technique, the clock signal is generated in a pseudo manner. At the start of startup and at the time of low rotation, a pseudo clock is generated using the proportional current control method. This is because the flowing current is small and it is difficult to detect the ripple of the current. When the ripple current rises to a detectable rotation speed, a frequency peak is extracted using FFT or the like, and a pseudo clock is generated. Since there are a plurality of frequencies having high peaks, it becomes impossible to specify which frequency is the frequency of the ripple. This is dealt with by using the proportional current control together. The peak frequency closest to the frequency (= rotational speed) calculated from the proportional current control is determined as the ripple frequency of the current by the brush, and the clock is generated based on this.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a speed control device using a PWM drive system and a PLL control system. In FIG. 3, the speed control device includes a phase comparator 1, a controller 2, a PWM (Pulse Width Modulation) drive circuit 3, a motor 4, a current detection block 5, a pseudo clock generator 7, and a speed setting unit 8. . The current detection block 5 includes an operational amplifier (OP amplifier) 11, an analog / digital converter (ADC) 12, and a detection resistor r. The pseudo clock generator 7 includes a DSP (Digital Signal Processor) 13, a ripple frequency detecting unit 14, and a proportional current control unit 15.
The phase comparator 1 compares the phase of the pulse from the speed setting unit 8 with the phase of the pulse from the pseudo clock generator 7. The controller 2 creates a PWM drive signal based on the output from the phase comparator 1. The PWM drive circuit 3 changes a pulse width according to a signal from the controller 2 and changes an average voltage applied to the motor 4. The motor 4 is a DC brush motor. The current detection block 5 is a current detection unit that amplifies the voltage across the detection resistor r connected in series to the motor 4 with the operational amplifier 11, converts the amplified analog signal into a digital signal with the ADC 12, and outputs the digital signal. .
The pseudo clock generator 7 outputs a clock (pulse) corresponding to the rotation speed of the motor 4. The DSP 13 controls the inside of the pseudo clock generator 7. Although the DSP is used here, a CPU (Central Processing Unit) may be used. The ripple frequency detecting means 14 detects the ripple frequency generated from the brush of the motor 4 by extracting the frequency peak from the output from the current detecting unit 5 using FFT or the like. The proportional current control unit 15 is a proportional current control unit that detects the back electromotive voltage of the motor 4 from the voltage applied to the motor 4 and the motor drive current (the output of the current detection block 5) to determine the rotation speed of the motor 4. The pseudo clock generator 7, the ripple frequency detecting means 14, the proportional current control unit 15, and the like can be configured by a program and executed by a DSP (or CPU).
(Description of motor speed control)
When the speed is set in the speed setting unit 8, a pulse signal corresponding to the setting is output to the phase comparator 1. The phase comparator 1 compares the phase of the pulse from the speed setting unit 8 with the pulse of the pseudo clock generator 7 according to the rotation speed of the motor 4, and outputs a value corresponding to the compared phase to the controller 2. I do. In the controller 2, the PWM drive circuit 3 changes the pulse width of the voltage applied to the motor 4 according to the signal from the phase comparator 1. Thus, the motor is controlled such that the phase of the pulse from the speed setting unit 8 and the phase of the pulse from the pseudo clock generator 7 become the same.
The voltage applied to the motor 4 is output to the pseudo clock generator 7, and the current flowing through the motor 4 is detected by the current detection block 5 and output to the pseudo clock generator 7.
In the pseudo clock generator 7, under the control of the DSP 13, when the motor 4 is started and when the motor 4 is rotating at a low speed, the proportional current control unit 15 detects the rotation speed of the motor 4 and outputs a pseudo clock corresponding to the rotation speed. This is because the flowing current is small and it is difficult to detect the ripple of the current.
Further, when the ripple current rises to a detectable (more than a certain level) rotational speed, under the control of the DSP 13, the ripple frequency detecting means 14 extracts a frequency peak using FFT or the like, and generates a pseudo clock.
Since there are a plurality of frequencies having high peaks, it may not be possible to identify which frequency is the frequency of the ripple. This is dealt with by using the proportional current control by the proportional current control unit 15 together. That is, the peak frequency from the FFT or the like that is closest to the frequency (= rotational speed) calculated from the proportional current control is determined as the ripple frequency of the current generated from the brush portion (generated by switching the brush current), and this is determined as the original value. The clock is generated at the same time.
(3): Description of Estimating Rotational Speed Using Motor Ripple In a DC brush motor, a brush slides on a commutator to supply current to an armature. For this reason, current ripple occurs when a plurality of commutator conductor pieces (commutator pieces) are switched, and ripples corresponding to the number of commutator pieces per rotation are generated. Therefore, the ripple frequency is determined by the number of rotations of the motor and the number of commutator pieces. Since the commutator piece is fixed to the motor shaft, the current ripple waveform matches the position of the motor shaft. Further, the number of rotations of the motor can be obtained from the ripple frequency.
In a motor having a large number of slots (relatively expensive), the frequency peak of the current ripple is likely to be buried in other frequency components, and it may be difficult to detect the rotation speed. On the other hand, in the case of a motor having a small number of slots (an inexpensive motor), the frequency peak of the current ripple is conspicuous, so that the prediction of the number of revolutions is relatively easy.
(Description of motor with a small number of slots)
4A and 4B are explanatory diagrams of a ripple current frequency when the number of slots is small. FIG. 4A illustrates a current waveform when the driving voltage is 3 V, and FIG. 4B illustrates a ripple current frequency characteristic. FIG. 4A is a current waveform when 3 V is applied as a drive voltage of the motor 4 having a small number of slots. In FIG. 4B, the frequency characteristics of the current waveform in FIG. 4A are obtained using FFT. Since the frequency peak is prominent near 700 Hz, this frequency can be estimated as the ripple frequency due to the brush.
5A and 5B are explanatory diagrams of a ripple current frequency when the number of slots is small. FIG. 5A illustrates a current waveform when the drive voltage is 7.2 V, and FIG. 5B illustrates a ripple current frequency characteristic. . FIG. 5A is a current waveform when 7.2 V is applied as a drive voltage of the motor 4 having a small number of slots. In FIG. 5B, the frequency characteristics of the current waveform of FIG. 5A are obtained using FFT. Since a frequency peak near 1700 Hz stands out, this frequency can be estimated as a ripple frequency due to the brush.
(Description of motor with many slots)
6A and 6B are explanatory diagrams of the ripple current frequency characteristics when the number of slots is large. FIG. 6A illustrates the case where the driving voltage is 4V, and FIG. 6B illustrates the case where the driving voltage is 8V. In FIG. 6A, a frequency characteristic of a current waveform when 4 V is applied as a driving voltage of the motor 4 having a large number of slots is obtained by using FFT. In this example, there are a plurality of frequency peaks such as around 1000 Hz, 400 Hz, and 0 Hz, and the peak level is low. This will be addressed by using proportional current control.
In FIG. 6B, the frequency characteristics of the current waveform when 8 V is applied as the drive voltage of the motor 4 having a large number of slots using the FFT are obtained. There are multiple frequency peaks, such as around 2100 Hz, 800 Hz, 200 Hz, and 0 Hz. For this purpose, use the proportional current control together, select a frequency close to the frequency obtained by the proportional current control, and adopt the 2100 Hz frequency peak. However, this frequency can be estimated as the ripple frequency of the brush.
By applying the present invention as described above, it is possible to perform speed control without an external detection means such as an encoder. Further, since the frequency of the ripple current generated from the brush is hardly affected by the temperature and the variation of the motor, more accurate control can be performed than the proportional current control. Further, it also contributes to miniaturization and improvement of reliability of the motor.
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(1) The frequency of the current waveform is analyzed by the speed detecting means, the ripple frequency generated from the brush portion is detected to detect the number of rotations of the motor, and the number of rotations detected by the speed detecting means is set to the target rotation by the motor control means. Since the control is performed so that the number becomes a number, it is possible to perform accurate control that is hardly affected by temperature and motor variations without an external detection unit such as an encoder.
(2): When the speed detecting means cannot detect the ripple frequency generated from the brush portion, the counter electromotive voltage is obtained from the voltage and current applied to the motor to detect the number of rotations. Can be detected even when the ripple frequency cannot be detected due to a low detection level.
(3): The speed detecting means obtains a back electromotive voltage from the voltage and current applied to the motor to estimate the rotation speed, and emits from the brush portion from the frequency component subjected to frequency analysis based on the estimated rotation speed. Since the ripple frequency is selected, even when a plurality of ripple frequencies are detected in the frequency analysis result, the ripple frequency generated by the brush portion can be easily detected based on the rotation speed estimated by the proportional current control.
(4): The motor control means compares the rotation speed detected by the speed detection means with the target rotation speed using a phase comparator, and controls the motor according to the comparison value. The difference between the rotation speed detected by the speed detection means and the target rotation speed can be more accurately compared.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a speed control device according to the embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a speed control device using a PWM drive method and a PLL control method in the embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a ripple current frequency when the number of slots is small in the embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a ripple current frequency when the number of slots is small in the embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a ripple current frequency characteristic when the number of slots is large in the embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a conventional example.
[Explanation of symbols]
2a Motor control means 4 Motor 5a Current detection means 7a Speed detection means 8 Speed setting unit

Claims (4)

ブラシを備えるモータと、
前記モータに供給する電力を制御するモータ制御手段と、
前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記検出した電流波形の周波数分析を行い前記ブラシ部分から発するリップル周波数を検出して前記モータの回転数を検出する速度検出手段とを備え、
前記モータ制御手段は、前記速度検出手段が検出した回転数が目標回転数になるように制御することを特徴としたブラシモータの速度制御装置。A motor with a brush,
Motor control means for controlling electric power supplied to the motor,
Current detection means for detecting a current flowing through the motor,
Speed detecting means for performing frequency analysis of the detected current waveform, detecting a ripple frequency generated from the brush portion, and detecting a rotation speed of the motor,
The motor control means controls the rotation speed detected by the speed detection means so as to become a target rotation speed. 前記速度検出手段は、前記ブラシ部分から発するリップル周波数の検出ができない場合、前記モータに印加する電圧と電流から逆起電圧を求めて回転数を検出することを特徴とした請求項１記載のブラシモータの速度制御装置。2. A brush according to claim 1, wherein said speed detecting means detects a back electromotive voltage from a voltage and a current applied to said motor and detects a rotation speed when a ripple frequency generated from said brush portion cannot be detected. Motor speed control device. 前記速度検出手段は、前記モータに印加する電圧と電流から逆起電圧を求めて回転数を推定し、該推定した回転数に基づいて、前記周波数分析を行った周波数成分から前記ブラシ部分から発するリップル周波数を選択することを特徴とした請求項１又は２記載のブラシモータの速度制御装置。The speed detecting means obtains a back electromotive voltage from a voltage and a current applied to the motor to estimate a rotation speed, and emits from the brush portion from the frequency component subjected to the frequency analysis based on the estimated rotation speed. 3. The speed control device for a brush motor according to claim 1, wherein a ripple frequency is selected. 前記モータ制御手段は、前記速度検出手段が検出した回転数と前記目標回転数とを位相比較器を使用して比較し、この比較値に応じて前記モータを制御することを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載のブラシモータの速度制御装置。The motor control unit compares the rotation speed detected by the speed detection unit with the target rotation speed using a phase comparator, and controls the motor according to the comparison value. The speed controller for a brush motor according to any one of claims 1 to 3.
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