JP2006074928A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 昇圧手段を備えるとともに装置の小型化を図ったブラシ付きＤＣモータ又はブラシレスＤＣモータ用制御装置を提供する。
【解決手段】 このモータ制御装置は、電源電圧を昇圧して該駆動回路に供給する昇圧手段（Ｌ₂、Ｑ₁、Ｄ₁、Ｃ₂）と、モータ起動時においてモータ電流及びモータ回転数が安定する時点である過渡期間終了時点まで昇圧手段の作動を停止させ、過渡期間終了時点以降に昇圧手段の作動を開始させる制御手段１０と、を具備するように構成される。または、このモータ制御装置は、昇圧手段（Ｌ₂、Ｑ₁、Ｄ₁、Ｃ₂）と、モータに流す電流の方向を逆転させるモータ停止時には昇圧手段の作動を停止させる制御手段１０と、を具備するように構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ブラシ付きＤＣモータ又はブラシレスＤＣモータを制御するモータ制御装置に関する。

Ｈブリッジ回路で駆動されるブラシ付きＤＣモータやインバータ回路で駆動されるブラシレスＤＣモータが広く利用されている。図１は、これらのモータに流れる電流とモータの回転による機械的な位置の移動量とがモータの起動から停止に至るまでにどのように変化するかを、いくつかの電源電圧について示すタイムチャートである。

図１に示されるように、モータの起動時には、大きな電流（突入電流）が流れる過渡期間がある。その後、モータ電流は、一定の電流値に落ち着き、モータの回転も安定する。モータ回転が安定しているときには、モータ電流は小さく、回転数はモータ電圧に依存する。すなわち、電圧が高いほど、モータ回転による移動速度（移動量の傾き）が大きくなり、早期に目標移動量に達する。目標移動量に達してモータを停止させるときには、モータを回転させていたときの電流の方向と反対の方向の電流が流れるように制御される。このモータ停止時においても、大きな電流が流れる。

ところで、モータ回転数を上げるために、電源電圧を昇圧する場合がある。図２は、昇圧部を備えた従来のブラシ付きＤＣモータ制御装置の構成例を示す図である。このモータ制御装置は、電源部、雑音防止（平滑）部、昇圧部及びモータ駆動部からなる。このように昇圧部を備えたモータ制御装置において、前述したように大電流が流れるモータ起動時及びモータ停止時にあっても昇圧電圧を維持する場合には、雑音防止（平滑）部のコイルＬ₁及びコンデンサＣ₁、並びに昇圧部のコイルＬ₂、トランジスタＱ₁、ダイオードＤ₁及びコンデンサＣ₂の耐電流性を大きくする必要があり、装置が大きくなるという欠点がある。

なお、昇圧部を備えたモータ制御装置に関する先行技術文献として、下記特許文献１は、起動時に定常回転時に比べて低い電圧を発生させ、回転数が高くなれば定常回転時に比べて高い電圧を発生させるスピンドルモータ制御装置を開示している。また、下記特許文献２は、モータ回転が検出されると所定電流より小さい電流が流れるように昇圧動作を制御し、モータが定常回転に達すると昇圧動作を停止させるスピンドルモータ制御装置を開示している。

特開平５−２８２７７０号公報 特開平５−２８４７６９号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、昇圧手段を備えるとともに装置の小型化を図ったブラシ付きＤＣモータ又はブラシレスＤＣモータ用制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、Ｈブリッジ回路又はインバータ回路からなる駆動回路からの電力によって駆動されるブラシ付きＤＣモータ又はブラシレスＤＣモータを制御するモータ制御装置であって、電源電圧を昇圧して該駆動回路に供給する昇圧手段と、モータ起動時においてモータ電流及びモータ回転数が安定する時点である過渡期間終了時点まで前記昇圧手段の作動を停止させ、該過渡期間終了時点以降に前記昇圧手段の作動を開始させる制御手段と、を具備することを特徴とするモータ制御装置が提供される。

好ましくは、前記制御手段は、該過渡期間終了時点で前記昇圧手段の作動を開始させる。

あるいは、前記制御手段は、該過渡期間終了時点を経過し、かつ、モータの回転力が不足している場合に、前記昇圧手段の作動を開始させる。

好ましくは、該過渡期間終了時点は、モータ起動開始から予め定められた一定時間が経過した時点である。

あるいは、該過渡期間終了時点は、モータ電流の検出値に基づいて判断される。

あるいは、該過渡期間終了時点は、該駆動回路に使用される電界効果トランジスタのドレイン・ソース間電圧が所定電圧以下に低下したと判断される時点である。

あるいは、該過渡期間終了時点は、モータ回転センサの出力に基づいてモータ回転数が安定したと判断される時点である。

あるいは、該過渡期間終了時点は、モータの回転が機械的な位置の移動に変換されている場合に位置センサの出力から求められる移動速度が安定したと判断される時点である。

あるいは、該過渡期間終了時点は、モータの回転が機械的な回転運動に変換されている場合に角度センサの出力から求められる角速度が安定したと判断される時点である。

あるいは、該過渡期間終了時点は、モータの回転力を検出するトルクセンサによる検出値が一定値以下になったと判断される時点である。

あるいは、該過渡期間終了時点は、ブラシレスＤＣモータに設けられたレゾルバによって検出される回転子角度から求められる角速度が安定したと判断される時点である。

また、好ましくは、モータ回転センサによって検出されるモータ回転数が所望回転数未満である場合に、モータの回転力が不足していると判断される。

あるいは、モータの回転が機械的な位置の移動に変換されている場合において位置センサの出力から求められる移動速度が所望移動速度未満であるときに、モータの回転力が不足していると判断される。

あるいは、モータの回転が機械的な回転運動に変換されている場合において角度センサの出力から求められる角速度が所望角速度未満であるときに、モータの回転力が不足していると判断される。

あるいは、駆動回路におけるＰＷＭデューティ比が最大である場合に、モータの回転力が不足していると判断される。

また、本発明によれば、Ｈブリッジ回路又はインバータ回路からなる駆動回路からの電力によって駆動されるブラシ付きＤＣモータ又はブラシレスＤＣモータを制御するモータ制御装置であって、電源電圧を昇圧して該駆動回路に供給する昇圧手段と、モータに流す電流の方向を逆転させるモータ停止時には前記昇圧手段の作動を停止させる制御手段と、を具備することを特徴とするモータ制御装置が提供される。

好ましくは、前記制御手段は、前記昇圧手段の作動を停止させている期間、昇圧経路とは別の経路で電源から該駆動回路へ電流を供給するように制御する。

本発明によるブラシ付きＤＣモータ又はブラシレスＤＣモータ用制御装置によれば、モータ起動時やモータ停止時に昇圧手段の作動が停止せしめられるため、耐電流性を小さくすることができ、結果として装置の小型化が図られる。また、昇圧停止期間中に昇圧経路以外の別経路でモータに電流を供給することで、昇圧系での損失分を削減することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明の一実施形態としてのブラシ付きＤＣモータ制御装置の構成を示す図である。なお、以下の説明では、主としてブラシ付きＤＣモータについて説明するが、ブラシレスＤＣモータにも本発明は適用可能である。

図３において、Ｖ_Bは、バッテリ電源を示す。コイルＬ₁及びコンデンサＣ₁は、雑音防止（平滑）部を構成する。コイルＬ₂、トランジスタＱ₁、ダイオードＤ₁、コンデンサＣ₂及び昇圧制御回路１０は、昇圧部を構成する。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ₃、Ｑ₄、Ｑ₅及びＱ₆からなる駆動回路（Ｈブリッジ回路）並びにＨブリッジ制御回路１２は、モータ１４を駆動するモータ駆動部を構成する。

マイクロコンピュータ１６は、システム全体の制御を実行する。ダイオードＤ₂及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ₂は、昇圧経路とは別の、電源から駆動回路（Ｈブリッジ回路）への電流経路を構成する。抵抗器Ｒ₁及び増幅器１８は、モータ電流を検出するためのものである。モータ１４には、回転センサ２０が設けられている。また、２２は、モータ１４の負荷となる機械であり、この機械２２には、その運動を検出するセンサ２４が取り付けられている。

図４は、図３のモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。まず、ステップ１０２では、マイクロコンピュータ１６からモータ起動命令が発行される。ステップ１０４では、これを受けて、昇圧制御回路１０が、トランジスタＱ₁への信号をインアクティブとすることにより、昇圧動作をオフにする。

次いで、ステップ１０６において、昇圧制御回路１０は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ₂をオンすることにより、昇圧経路とは別の、電源からＨブリッジ回路への電流経路を有効にする。こうすることで、昇圧系におけるコイルやダイオードでの損失を削減させることができる。次いで、ステップ１０８では、Ｈブリッジ制御回路１２の制御によりモータ１４に電流が流されることで、モータ１４が起動される。起動に伴い、ステップ１１０において、突入電流が発生する。

次いで、ステップ１１２において、昇圧制御回路１０は、昇圧開始条件が成立するのを待つ。すなわち、昇圧制御回路１０は、モータ起動時において突入電流が消えてモータ回転数も安定する時点である過渡期間終了時点まで昇圧をオフとし、過渡期間終了時点以降に昇圧をオンとする。昇圧開始条件は、原則として、過渡期間の終了である。ただし、過渡期間終了時点でモータの回転力が不足していないと判断される場合には、昇圧を開始する必要はないため、モータ回転力の不足を条件として加えることもできる。

昇圧制御回路１０は、昇圧開始条件が成立したと判断すると、ステップ１１４でトランジスタＱ₂をオフとし、ステップ１１６においてトランジスタＱ₁への信号をアクティブとすることにより、昇圧動作をオンにする。

過渡期間終了時点を判断するにあたっては、いくつかの方法を採用することができる。まず、過渡期間すなわち突入電流発生期間が予め求められている場合には、タイマーを設けて、モータ起動開始から一定時間が経過した時点で、昇圧を開始させることができる。

また、抵抗器Ｒ₁及び増幅器１８を介して検出されるモータ電流の値に基づいて突入電流の消失を確認したときに、過渡期間終了と判断して、昇圧を開始させることができる。

また、モータ電流がＨブリッジ回路の、例えば、電界効果トランジスタＱ₃及びＱ₆を流れているときには、Ｑ₃又はＱ₆のドレイン・ソース間電圧は、“モータ電流”＊“トランジスタのオン抵抗”で表される。そこで、ドレイン・ソース間電圧を検出し、その検出値が一定電圧以下に低下して突入電流が消失したことを確認したときに、過渡期間終了と判断して、昇圧を開始させることも可能である。

また、モータ回転センサ２０の出力に基づいてモータ回転数が安定したと判断された時点で、過渡期間終了とみなして、昇圧を開始させることができる。

また、機械２２が直線運動をする機械であり、モータ１４の回転が機械的な位置の移動に変換されている場合には、センサ２４として位置センサを設け、その出力から移動速度を求め、移動速度が安定したと判断された時点で、モータ回転数も安定したと判断し、過渡期間終了とみなして、昇圧を開始させることができる。

また、機械２２がカム等の機械であり、モータ１４の回転が機械的な回転運動に変換されている場合には、センサ２４として角度センサを設け、その出力から角速度を求め、角速度が安定したと判断された時点で、モータ回転数も安定したと判断し、過渡期間終了とみなして、昇圧を開始させることができる。

また、モータ１４の回転が機械的な回転運動に変換されている場合には、センサ２４としてトルクセンサを設け、トルクが一定値以下になったと判断された時点で、モータ回転数も安定したと判断し、過渡期間終了とみなして、昇圧を開始させることができる。

なお、ブラシレスＤＣモータの場合には、ブラシ付きＤＣモータの場合のＨブリッジ回路が、図５に示されるようなＦＥＴ６個からなるインバータ回路に置き換えられ、Ｈブリッジ制御回路１２に代えてインバータ制御回路３０が設けられることとなるが、ブラシレスＤＣモータに対しては、回転子の角度を検出するレゾルバ３２が設けられるのが一般的である。そこで、レゾルバ３２によって検出される回転子角度から角速度を求め、角速度が安定したと判断された時点で、モータ回転数も安定したと判断し、過渡期間終了とみなして、昇圧を開始させることができる。

ところで、前述のように、昇圧開始条件としては、過渡期間の終了（モータ電流及びモータ回転数の安定）に加えて、モータ回転力の不足をも条件とするができる。具体的には、まず、過渡期間終了後に、モータ回転センサ２０によって検出されるモータ回転数が所望回転数未満である場合に、モータの回転力が不足していると判断して、昇圧を開始させることができる。

また、モータの回転が機械的な位置の移動に変換されている場合において、過渡期間終了後に、位置センサ２４の出力から求められる移動速度が所望移動速度未満であるときに、モータの回転力が不足していると判断して、昇圧を開始させることができる。

また、モータの回転が機械的な回転運動に変換されている場合において、角度センサ２４の出力から求められる角速度が所望角速度未満であるときに、モータの回転力が不足していると判断して、昇圧を開始させることができる。

また、駆動回路におけるＰＷＭ（パルス幅変調）のデューティ比が最大である場合に、モータの回転力が不足していると判断して、昇圧を開始させるようにしてもよい。

次に、モータ停止時の動作について説明する。図４のステップ１１８において、マイクロコンピュータ１６からモータ停止命令が発行される。ステップ１２０では、これを受けて、昇圧制御回路１０が、トランジスタＱ₁への信号をインアクティブとすることにより、昇圧動作をオフにする。

次いで、ステップ１２２において、昇圧制御回路１０は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ₂をオンすることにより、昇圧経路とは別の、電源からＨブリッジ回路への電流経路を有効にする。こうすることで、モータ起動時と同様に、昇圧系におけるコイルやダイオードでの損失を削減させることができる。次いで、ステップ１２４では、Ｈブリッジ制御回路１２の制御によりモータ１４に今までの回転とは逆方向の回転をさせるための逆方向電流が流されることで、モータ１４が停止せしめられる。

かくして、モータ起動時やモータ停止時に昇圧手段の作動が停止せしめられるため、耐電流性を小さくすることができ、結果として装置の小型化を実現することができる。また、昇圧停止時間中に昇圧経路以外の別経路でモータに電流を供給することで、昇圧系での損失分を削減することができる。

ＤＣモータに流れる電流とモータの回転による機械的な位置の移動量とがモータの起動から停止に至るまでにどのように変化するかを、いくつかの電源電圧について示すタイムチャートである。 昇圧部を備えた従来のブラシ付きＤＣモータ制御装置の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態としてのブラシ付きＤＣモータ制御装置の構成を示す図である。 図３のモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態としてのブラシレスＤＣモータ制御装置におけるモータ駆動部の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 昇圧制御回路
１２ Ｈブリッジ制御回路
１４ モータ
１６ マイクロコンピュータ
１８ 増幅器
２０ 回転センサ
２２ モータの負荷としての機械
２４ 位置、角度、トルク等を検出するセンサ
３０ インバータ制御回路
３２ レゾルバ

Claims (17)

1. Ｈブリッジ回路又はインバータ回路からなる駆動回路からの電力によって駆動されるブラシ付きＤＣモータ又はブラシレスＤＣモータを制御するモータ制御装置であって、
   電源電圧を昇圧して該駆動回路に供給する昇圧手段と、
   モータ起動時においてモータ電流及びモータ回転数が安定する時点である過渡期間終了時点まで前記昇圧手段の作動を停止させ、該過渡期間終了時点以降に前記昇圧手段の作動を開始させる制御手段と、
   を具備することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御手段は、該過渡期間終了時点で前記昇圧手段の作動を開始させる、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記制御手段は、該過渡期間終了時点を経過し、かつ、モータの回転力が不足している場合に、前記昇圧手段の作動を開始させる、請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 該過渡期間終了時点は、モータ起動開始から予め定められた一定時間が経過した時点である、請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 該過渡期間終了時点は、モータ電流の検出値に基づいて判断される、請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
6. 該過渡期間終了時点は、該駆動回路に使用される電界効果トランジスタのドレイン・ソース間電圧が所定電圧以下に低下したと判断される時点である、請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
7. 該過渡期間終了時点は、モータ回転センサの出力に基づいてモータ回転数が安定したと判断される時点である、請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
8. 該過渡期間終了時点は、モータの回転が機械的な位置の移動に変換されている場合に位置センサの出力から求められる移動速度が安定したと判断される時点である、請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
9. 該過渡期間終了時点は、モータの回転が機械的な回転運動に変換されている場合に角度センサの出力から求められる角速度が安定したと判断される時点である、請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
10. 該過渡期間終了時点は、モータの回転力を検出するトルクセンサによる検出値が一定値以下になったと判断される時点である、請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
11. 該過渡期間終了時点は、ブラシレスＤＣモータに設けられたレゾルバによって検出される回転子角度から求められる角速度が安定したと判断される時点である、請求項２又は請求項３に記載のモータ制御装置。
12. モータ回転センサによって検出されるモータ回転数が所望回転数未満である場合に、モータの回転力が不足していると判断される、請求項３に記載のモータ制御装置。
13. モータの回転が機械的な位置の移動に変換されている場合において位置センサの出力から求められる移動速度が所望移動速度未満であるときに、モータの回転力が不足していると判断される、請求項３に記載のモータ制御装置。
14. モータの回転が機械的な回転運動に変換されている場合において角度センサの出力から求められる角速度が所望角速度未満であるときに、モータの回転力が不足していると判断される、請求項３に記載のモータ制御装置。
15. 駆動回路におけるＰＷＭデューティ比が最大である場合に、モータの回転力が不足していると判断される、請求項３に記載のモータ制御装置。
16. Ｈブリッジ回路又はインバータ回路からなる駆動回路からの電力によって駆動されるブラシ付きＤＣモータ又はブラシレスＤＣモータを制御するモータ制御装置であって、
    電源電圧を昇圧して該駆動回路に供給する昇圧手段と、
    モータに流す電流の方向を逆転させるモータ停止時には前記昇圧手段の作動を停止させる制御手段と、
    を具備することを特徴とするモータ制御装置。
17. 前記制御手段は、前記昇圧手段の作動を停止させている期間、昇圧経路とは別の経路で電源から該駆動回路へ電流を供給するように制御する、請求項１又は請求項１６に記載のモータ制御装置。

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