JP2006121774A - モータ制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 どの速度域においても実回転速度を指令回転速度に合わせ込み易く、かつ、モータの発振が発生することのないモータ制御回路を実現する。
【解決手段】 オペアンプＡ１の出力側と、抵抗Ｒ６の出力側との間には、帰還抵抗として抵抗Ｒ１〜Ｒ５が直列接続されており、抵抗Ｒ１〜Ｒ４には、それぞれスイッチＳＷ１〜ＳＷ４が並列接続されている。ＥＣＵ５が指令回転速度に対応した切替信号をロジックＩＣ２１へ出力すると、ロジックＩＣ２１は、切替信号に対応するスイッチをオンまたはオフし、オペアンプＡ１のゲインが切り替わる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、フィードバック制御を行うことにより、モータを指令回転速度に制御するモータ制御回路に関する。

従来、この種のモータ制御回路として図８および図９に示すものが知られている。図８は、従来のモータ制御回路が備えられたドライバおよびモータの主要構成を示す説明図であり、図９は、図８に示すモータ制御回路の一部を示す回路図である。
ＶＶＴモータ３は、エンジンの可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）を駆動するための三相ＤＣブラシレスモータであり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相を構成するロータの回転角を検出するための回転センサ４を備える。ドライバ１は、ＶＶＴモータ３を駆動するための装置であり、寄生ダイオードが接続された６個のｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴ６と、下段の３個の各パワーＭＯＳＦＥＴ６へ駆動信号（ＰＷＭ信号）を出力する制御回路２とを備える。各パワーＭＯＳＦＥＴ６には、車両に備えられたバッテリ（＋Ｂ）の電圧が印加される。
モータ制御回路２は、図９に示す回路を備える。回転センサ４により検出された各ロータの回転角を示す信号は、図示しない変換回路により、ＶＶＴモータ３の回転速度を示す信号（以下、実回転速度信号という）に変換され、抵抗Ｒ１０を通ってオペアンプＡ１の反転入力端子に入力される。また、車両に備えられたＥＣＵ（電子制御装置）５（図８）からは、ＶＶＴモータ３を指令回転速度で回転させるための信号（以下、指令回転速度信号という）がオペアンプＡ１の非反転入力端子に入力される。オペアンプＡ１は、指令回転速度信号と実回転速度信号との差分を増幅して出力し、その出力はオペアンプＡ２の反転入力端子Ａ２に入力される。オペアンプＡ１の出力は、抵抗Ｒ１１を通して反転入力端子にフィードバックされており、抵抗Ｒ１０およびＲ１１の比（Ｒ１１／Ｒ１０）がオペアンプＡ１０のゲインとして設定されている。オペアンプＡ２の非反転入力端子には三角波が入力され、その三角波と、オペアンプＡ１の出力との差分に対応したデューティの駆動信号（ＰＷＭ信号）がオペアンプＡ２から下段の各パワーＭＯＳＦＥＴ６へ出力される。
そして、モータ制御回路２は、指令回転速度と実回転速度との差の大きさに応じて駆動信号のデューティ比を変化させ、指令回転速度と実回転速度との差がなくなるようにフィードバック制御を行う。

特開２００３−３２４９８６号公報（第２１〜２９段落、図１）

ところで、上記従来のモータ制御回路は、オペアンプＡ１のゲインが小さい場合、高速域において実回転速度を指令回転速度に合わせ込むことができないという問題があった。しかし、オペアンプＡ１のゲインを上げると、実回転速度を指令回転速度に合わせ込み易くなるが、低速域においてモータが発振し易くなるという問題が起こる。
特に、ＶＶＣモータにおいて実回転速度が指令回転速度に追従できなくなると、エンジンの燃費が悪くなるという問題がある。

そこでこの発明は、どの速度域においても実回転速度を指令回転速度に合わせ込み易く、かつ、モータの発振が発生することのないモータ制御回路を実現することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、上位の装置（５）から指令された回転速度と、モータ（３）の実際の回転速度との差がなくなるようにフィードバック制御するモータ制御回路において、前記上位の装置から指令された回転速度を示す指令回転速度信号と、前記モータの実際の回転速度を示す実回転速度信号とを入力し、その入力された前記指令回転速度信号および前記実回転速度信号の差分を増幅して出力するオペアンプ（Ａ１）と、前記オペアンプの入力側に接続された第１の抵抗（Ｒ６）と、前記オペアンプの出力側と前記第１の抵抗の出力側との間に接続された第２の抵抗（Ｒ１〜Ｒ５）と、前記第１の抵抗および前記第２の抵抗の少なくともいずれかの抵抗値を切替えるための抵抗値切替手段（ＳＷ１〜ＳＷ４）と、前記指令された回転速度の増加に従って前記第１の抵抗の抵抗値に対する前記第２の抵抗の抵抗値の比が大きくなるように前記抵抗値切替手段を制御することにより前記オペアンプのゲインが大きくなるように制御するゲイン制御手段（ｔ１，ステップ１〜４）とを備えたという技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のモータ制御回路において、前記第２の抵抗は、複数の抵抗（Ｒ１〜Ｒ４，Ｒ７）を直列に接続して構成されており、前記抵抗値切替手段は、前記第２の抵抗の抵抗値を切替えるための第１のスイッチ（ＳＷ１〜ＳＷ４）であり、前記ゲイン制御手段は、前記指令された回転速度に対応して前記第１のスイッチをオンまたはオフするという技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載のモータ制御回路において、前記第２の抵抗は、複数の抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）を並列に接続して構成されており、前記抵抗値切替手段は、前記第２の抵抗の抵抗値を切替えるための第１のスイッチ（ＳＷ１〜ＳＷ３）であり、前記ゲイン制御手段は、前記指令された回転速度に対応して前記第１のスイッチをオンまたはオフするという技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のモータ制御回路において、前記第１の抵抗は、複数の抵抗（Ｒ６，Ｒ７）を組み合わせて抵抗値可変に構成されており、前記抵抗値切替手段は、前記第１の抵抗の抵抗値を切替えるための第２のスイッチ（ＳＷ５）を備えており、 前記ゲイン制御手段は、前記指令された回転速度に対応して前記第２のスイッチをオンまたはオフするという技術的手段を用いる。
なお、上記括弧内の符号は、後述する実施形態において使用する符号に対応するものである。

上位の装置から指令された回転速度が増加するに従って、第１の抵抗および第２の抵抗の少なくともいずれかの抵抗値を切替えることにより、オペアンプのゲインが大きくなるように制御することができる。
従って、従来のようにゲインが小さいことに起因して高速域において実回転速度を指令回転速度に合わせ込むことができなかったり、ゲインが大きいことに起因して低速域においてモータが発振したりすることがない。
つまり、どの速度域においても実回転速度を指令回転速度に合わせ込み易く、かつ、モータの発振が発生することのないモータ制御回路を実現することができる。

この発明の実施形態について図を参照して説明する。図１は、この実施形態に係るモータ制御回路の主要構成を示す回路図である。なお、この実施形態に係るモータ制御回路は、図８に示したドライバ１に備えられいるものとする。
モータ制御回路２は、図１に示す電気回路２０を備える。オペアンプＡ１の非反転入力端子には、ＥＣＵ５から出力された指令回転速度信号が入力され、反転入力端子には、実回転速度信号が入力される。反転入力端子には抵抗Ｒ６が直列接続されている。オペアンプＡ１の出力側と、抵抗Ｒ６の出力側との間には、帰還抵抗として抵抗Ｒ１〜Ｒ５が直列接続されている。抵抗Ｒ１〜Ｒ４には、それぞれスイッチＳＷ１〜ＳＷ４が並列接続されている。つまり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を選択的にオンまたはオフすることにより、帰還抵抗を増減させることができる。オペアンプＡ１のゲイン（増幅率）は、上記入力抵抗に対する帰還抵抗の比で表されるから、ＳＷ１〜ＳＷ４を選択的にオンまたはオフすることにより、ゲインを変化させることができる。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、ロジックＩＣ２１に接続されており、ロジックＩＣ２１はＥＣＵ５と接続されている。ＥＣＵ５に備えられたＣＰＵ（図示せず）は、ＶＶＴ（可変バルブタイミング）機構においてバルブの開閉を行うカムの回転速度などに基づいて所定の指令回転速度を演算する。
図２は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン・オフを制御するためのスイッチ制御テーブルｔ１の説明図である。スイッチ制御テーブルｔ１は、指令回転速度（単位ｒｐｍ）とスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオン・オフさせるためのデータとを対応付けて構成される。図中「１」はスイッチのオンを指示することを示し、「０」はスイッチのオフを指示することを示す。この実施形態では、ＶＶＴモータ３の回転速度は、０〜８０００回転を５００回転刻みの計１６段階に分けて設定されており、各段階毎にスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン・オフを制御するためのデータ「１」または「０」が対応付けられている。スイッチ制御テーブルｔ１は、ＥＣＵ５に備えられており、ＣＰＵは上記演算された指令回転速度に対応する各スイッチのデータをスイッチ制御テーブルｔ１から読出し、それを切替信号としてロジックＩＣ２１へ出力する。

例えば、指令回転速度が５００回転未満である場合は、「１１１１」を示す切替信号がＣＰＵからロジックＩＣ２１へ出力され、ロジックＩＣ２１は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４へそれぞれオン信号を出力し、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を全部オンさせる。このときのオペアンプＡ１のゲインは、抵抗Ｒ１〜Ｒ６の各抵抗値をそれぞれｒ１〜ｒ６とすると、ｒ５／ｒ６となり、５００回転の指令回転速度に適合した最小のゲインに制御される。
また、指令回転速度が２５００回転以上３０００回転未満である場合は、「０１０１」を示す切替信号がＣＰＵからロジックＩＣ２１へ出力され、ロジックＩＣ２１は、スイッチＳＷ１，ＳＷ３へそれぞれオフ信号を出力してスイッチＳＷ１，ＳＷ３をそれぞれオフにし、スイッチＳＷ２，ＳＷ４へそれぞれオン信号を出力してスイッチＳＷ２，ＳＷ４をそれぞれオンさせる。このときのオペアンプＡ１のゲインは、ｒ５／（ｒ１＋ｒ３）となり、２５００回転以上３０００回転未満の指令回転速度に適合したゲインに制御される。
さらに、指令回転速度が７５００回転以上８０００回転以下である場合は、「００００」を示す切替信号がＣＰＵからロジックＩＣ２１へ出力され、ロジックＩＣ２１は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４へそれぞれオフ信号を出力し、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を全部オフさせる。このときのオペアンプＡ１のゲインは、（ｒ１＋ｒ２＋ｒ３＋ｒ４＋ｒ５）／ｒ６となり、７５００回転以上８０００回転以下の指令回転速度に適合した最大のゲインに制御される。

図３は、ＥＣＵ５に備えられたＣＰＵが実行するゲイン切替処理の流れを示すフローチャートである。
ＣＰＵは、指令回転速度を演算すると（ステップ（以下、Ｓと略す）１）、スイッチ制御テーブルｔ１（図２）を参照し（Ｓ２）、Ｓ１において演算した指令回転速度に対応するデータをスイッチ制御テーブルｔ１から読出し（Ｓ３）、その読出したデータに基づいて切替信号を作成、それをロジックＩＣ２１へ出力する（Ｓ４）。

図１に示すように、オペアンプＡ２の非反転入力端子には三角波が入力され、その三角波と、オペアンプＡ１の出力との差分に対応したデューティの駆動信号（ＰＷＭ信号）がオペアンプＡ２から下段の各パワーＭＯＳＦＥＴ６へ出力される。そして、モータ制御回路２は、指令回転数と実回転数との差の大きさに応じて駆動信号のデューティを変化させ、指令回転数と実回転数との差がなくなるようにフィードバック制御を行う。

図４は、駆動信号のデューティおよび指令回転速度の関係とゲインとの関係を示すグラフである。オペアンプＡ１のゲインを小さい値（ゲイン小）に固定すると、指令回転速度が５００回転未満の場合は、実際のモータ特性に対して駆動信号のデューティと指令回転速度とが略比例関係にあるが、指令回転速度が５００回転を超え、高回転になるほど実際のモータ特性からかけ離れた特性になっている。また、ゲインを中程度の値（ゲイン中）に固定すると、指令回転速度が１０００回転未満の場合は、実際のモータ特性に対して駆動信号のデューティと指令回転速度とが略比例関係にあるが、指令回転速度が１０００回転を超え、高回転になるほど実際のモータ特性からかけ離れた特性になっている。さらに、ゲインを大きい値（ゲイン大）に固定すると、指令回転速度が１０００回転未満の場合は、実際のモータ特性に対して駆動信号のデューティと指令回転速度とが比例関係にないが、指令回転速度が１０００回転を超え、高回転になるほど実際のモータ特性に近づく特性になっている。

つまり、図中、ゲイン大・中・小の各グラフにおいて太線で示すように、指令回転速度が低速の場合はゲインを小さくし、中速の場合はゲインを中程度にし、高速の場合はゲインを大きくすれば、デューティと指令回転速度との関係を実際のモータ特性に近づかせることができる。図３では、ゲインを大中小の三段階に切替える場合を代表に示すが、前述のように、この実施形態ではゲインを指令回転速度の５００回転刻みで１６段階に切り替えることができるため、デューティと指令回転速度との関係を、各回転速度域において実際のモータ特性に近いものにすることができる。
図５は、指令回転速度および実回転速度の関係とゲインとの関係を示すグラフである。従来のようにゲインの切替を行わないと、図示のように指令回転速度が１０００回転を超えたあたりから実回転速度が指令回転速度よりも遅くなるため、燃費が悪くなってしまう。
しかし、この実施形態のモータ制御回路によれば、指令回転速度の５００回転刻みでゲインを切替えることにより、ゲイン切替あり（理想）に近づけることができる。つまり、どの指令回転速度域においても、指令回転速度と同じか、それにかなり近い実回転速度でＶＶＴモータ３を回転させることができる。従って、燃費が悪くなるおそれがない。

［第１実施形態の効果］
上述したように、第１実施形態のモータ制御回路を使用すれば、指令回転速度が増加するに従ってオペアンプＡ１のゲインを大きくすることができる。
従って、従来のようにゲインが小さいことに起因して高速域において実回転速度を指令回転速度に合わせ込むことができなかったり、ゲインが大きいことに起因して低速域においてモータが発振したりすることがない。
つまり、どの速度域においても実回転速度を指令回転速度に合わせ込み易く、かつ、モータの発振が発生することのないモータ制御回路を実現することができる。また、エンジンの燃費が悪くなるおそれがない。

＜他の実施形態＞
（１）図６は、この発明の他の実施形態に係るモータ制御回路の主要構成を示す回路図である。オペアンプＡ１の帰還抵抗Ｒ１には、抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４がそれぞれ並列接続されており、抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４にはスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３がそれぞれ直列接続されている。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、それぞれロジックＩＣ２１からの切替信号により、オンまたはオフする。つまり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオン・オフを切替えることにより、オペアンプＡ１の帰還抵抗の抵抗値を切替え、ゲインを切替えることができる。なお、この電気回路２０を備えたモータ制御回路が、請求項３に係る発明に対応し、前述の実施形態と同じ効果を奏することができる。

（２）図７は、この発明の他の実施形態に係るモータ制御回路の主要構成を示す回路図である。オペアンプＡ１の反転入力端子に直列接続された抵抗Ｒ６には、抵抗Ｒ７が並列接続されており、抵抗Ｒ７にはスイッチＳＷ５が接続されている。スイッチＷ５は、ロジックＩＣ２１からの切替信号により、オンまたはオフする。つまり、反転入力端子の入力抵抗は、スイッチＳＷ５がオフのときに大きくなり、スイッチＳＷ５がオンのときに小さくなる。
このように、ゲインを決定するための入力側の抵抗値を切替えることができるため、ゲインを大きく変化させることができる。また、ＳＷ５のオン・オフと、帰還抵抗Ｒ１〜Ｒ４にそれぞれ接続されたスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン・オフとを組み合わせることにより、図１に示した電気回路２０よりも切替可能なゲインの組合せを増やすことができる。
なお、この電気回路２０を備えたモータ制御回路が請求項４に係る発明に対応し、前述の実施形態と同じ効果を奏することができる。

（３）また、図５において抵抗Ｒ５に対して抵抗Ｒ６を並列接続し、その抵抗Ｒ６にスイッチＳＷ５を接続することにより、ロジックＩＣ２１からの切替信号によりＳＷ５をオンまたはオフさせることもできる。なお、この電気回路２０を備えたモータ制御回路が請求項４に係る発明に対応し、前述の実施形態と同じ効果を奏することができる。
（４）この発明に係るモータ制御回路は、ＶＶＴモータ以外のモータを制御することもできる。
（５）オペアンプＡ１のゲインを切替えるための入力抵抗および帰還抵抗の接続構成は、前述の各実施形態に示したものに限定されるものではなく、直列接続および並列接続を組み合わせて構成することができる。

この発明の実施形態に係るモータ制御回路の主要構成を示す回路図である。 スイッチ制御テーブルｔ１の説明図である。 ＥＣＵ５に備えられたＣＰＵが実行するゲイン切替処理の流れを示すフローチャートである。 駆動信号のデューティおよび指令回転速度の関係とゲインとの関係を示すグラフである。 指令回転速度および実回転速度の関係とゲインとの関係を示すグラフである。 他の実施形態に係るモータ制御回路の主要構成を示す回路図である。 他の実施形態に係るモータ制御回路の主要構成を示す回路図である。 従来のモータ制御回路が備えられたドライバおよびモータの主要構成を示す説明図である。 図８に示すモータ制御回路の一部を示す回路図である。

符号の説明

１・・ドライバ、２・・モータ制御回路、３・・ＶＶＴモータ、４・・回転センサ、５・・ＥＣＵ、６・・パワーＭＯＳＦＥＴ、Ａ１，Ａ２・・オペアンプ、Ｒ１〜Ｒ５・・第２の抵抗、Ｒ６・・第１の抵抗。

Claims (4)

1. 上位の装置から指令された回転速度と、モータの実際の回転速度との差がなくなるようにフィードバック制御するモータ制御回路において、
   前記上位の装置から指令された回転速度を示す指令回転速度信号と、前記モータの実際の回転速度を示す実回転速度信号とを入力し、その入力された前記指令回転速度信号および前記実回転速度信号の差分を増幅して出力するオペアンプと、
   前記オペアンプの入力側に接続された第１の抵抗と、
   前記オペアンプの出力側と前記第１の抵抗の出力側との間に接続された第２の抵抗と、
   前記第１の抵抗および前記第２の抵抗の少なくともいずれかの抵抗値を切替えるための抵抗値切替手段と、
   前記指令された回転速度の増加に従って前記第１の抵抗の抵抗値に対する前記第２の抵抗の抵抗値の比が大きくなるように前記抵抗値切替手段を制御することにより前記オペアンプのゲインが大きくなるように制御するゲイン制御手段と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御回路。
2. 前記第２の抵抗は、複数の抵抗を直列に接続して構成されており、
   前記抵抗値切替手段は、前記第２の抵抗の抵抗値を切替えるための第１のスイッチであり、
   前記ゲイン制御手段は、前記指令された回転速度に対応して前記第１のスイッチをオンまたはオフすることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御回路。
3. 前記第２の抵抗は、複数の抵抗を並列に接続して構成されており、
   前記抵抗値切替手段は、前記第２の抵抗の抵抗値を切替えるための第１のスイッチであり、
   前記ゲイン制御手段は、前記指令された回転速度に対応して前記第１のスイッチをオンまたはオフすることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御回路。
4. 前記第１の抵抗は、複数の抵抗を組み合わせて抵抗値可変に構成されており、
   前記抵抗値切替手段は、前記第１の抵抗の抵抗値を切替えるための第２のスイッチを備えており、
   前記ゲイン制御手段は、前記指令された回転速度に対応して前記第２のスイッチをオンまたはオフすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のモータ制御回路。

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