JP2007043818A - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ＰＷＭ制御でモータ駆動させた場合に発生するノイズをスペクトラム拡散変調で低減しながら、高い分解能で制御できるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】
モータ電流を検出するための電流検出器３と、電流検出器３により検出されたモータ電流をフィードバックして、モータ電流と目標電流とを比較することによりデューティー比を決定するフィードバック制御部５と、ＰＷＭ駆動周波数を変調するための周波数変調部７とを有するモータ制御装置であって、周波数変調部７は、変調後のＰＷＭ駆動周波数に応じて、デューティー比を補正する補正演算部８を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣモータを制御するモータ制御装置及びモータ制御方法に関し、特に、
ＥＭＩ（電磁波干渉）対策及び制御分解能向上に関連するモータ制御装置及びモータ制御方法に関する。

ＤＣモータの制御方法として、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）がある。ＰＷＭ制御は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の割合を変化させることにより行われる。モータ駆動回路への直接的な印加電圧変化させることなく、スイッチング素子の不要な発熱の抑制・安定した駆動制御を行えるため、ＰＷＭ制御は広く用いられている。

車両においても、ＤＣモータはワイパーやパワーウィンドウ・電子制御スロットル・電動シートベルトなどの動力源として利用されており、今般の車載部品の電動化に伴い、高トルク出力のために大電流を扱うことが必要となってきている。

しかしながら、ＤＣモータをＰＷＭ制御する際には、パルス信号によって、MOSFETや
ＩＧＢＴ等のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを高速に切替えるため、駆動電流は、PWMの駆動周波数を基本波とする高次の周波数成分を持つ。このため、モータへの駆動電流の大電流化に伴い、制御装置及びハーネスから発生するノイズがラジオ周波数帯域等へ及ぼす影響も大きくなり、問題となっている。

このような影響を防止するため、特許文献１（特開平１０−３２７５９５号公報）には、ＰＷＭの駆動周波数を非周期的に変化させる技術が開示されている。

また、ＰＷＭ制御においては、通常、固定された所定の分解能で動作する。ＰＷＭ制御のパルス信号を、例えばマイクロコンピュータで制御する場合、出力信号のデューティー比の分解能は信号生成に使用するタイマのビット数に依存する。特定の用途によっては充分な分解能が得られない場合、特許文献２（特開平９−２６９８０３号公報）には、２つの異なるデューティー比のパルスを用いて、ＰＷＭ制御の分解能を向上させる技術が開示されている。

特開平１０−３２７５９５号公報 特開平９−２６９８０３号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、ＰＷＭの駆動周波数をランダムに変化させるだけの技術であるため、ＰＷＭ制御の精度が劣るという問題がある。

一方、特許文献２の技術は、ＰＷＭの駆動周波数が一定であることが前提となっている。このため、特許文献２の技術は、特許文献１のようなＰＷＭの駆動周波数を変調させる技術に適用することができない。

本発明の目的は、制御装置から発生するノイズを低減させ、安価に分解能を向上させることができる制御方法を提供することである。

本発明のモータ制御方法のうち代表的な一つは、ＰＷＭ制御によりＤＣモータを制御するモータ制御方法であって、電流検出器により検出されたＤＣモータに流れるモータ電流と目標電流とを比較することによりデューティー比を決定し、ＰＷＭ制御の駆動周波数をスペクトラム拡散変調させ、変調された駆動周波数に基づいてデューティー比の補正演算を行うものである。

また、本発明のモータ制御装置のうち代表的な一つは、モータ電流を検出するための電流検出器と、電流検出器により検出されたモータ電流をフィードバックして、モータ電流と目標電流とを比較することによりデューティー比を決定するフィードバック制御部と、ＰＷＭ駆動周波数を変調するための周波数変調部とを有し、周波数変調部は、変調後の
ＰＷＭ駆動周波数に応じて、デューティー比を補正する補正演算部を備えたものである。

本発明によれば、安価で高い制御分解能を実現するモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施例の全体構成図である。１はＤＣモータであり、２はＤＣモータの回転を制御するためのモータドライバである。モータドライバ２には、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子が複数備えられており、これらがＯＮ／ＯＦＦすることにより、ＤＣモータ１へ流れる電流が制御される。

３は、ＤＣモータ１に流れている電流値を検出するための電流検出器である。４は、
ＤＣモータ１に流す目標電流値を制御するための動作制御部である。５は、動作制御部４により求められた目標電流値と電流検出器３により検出された検出電流値（実電流）に基づいて、ＰＩＤ制御により出力デューティー比を計算するフィードバック制御部である。

６は、ＰＷＭ制御の周期（駆動周波数）のパターンを記憶し、周期パターンを発生させる周期パターン発生部である。７は、周期パターン発生部６から出力された周期パターンに基づいて、ＰＷＭの駆動周波数をスペクトラム拡散変調させる周波数変調部である。周波数変調部７は、変調周波数に基づいて、出力デューティー比の補正演算を行う補正演算部８を備えている。補正演算部８は、駆動周波数の変調後における出力デューティー比が適切なものとなるように補正する。周波数変調部７は、補正後のＰＷＭ信号をモータドライバ２へ出力する。

ＤＣモータ１を駆動させる場合には、まず、動作制御部４において、ＤＣモータ１へ通電させる目標電流値を設定し、適当なデューティーで制御パルスをＰＷＭ信号として出力する。ＰＷＭ信号は、モータドライバ２へ送られ、ＤＣモータ１へと通電される。ＤＣモータ１への電流は電流検出器３にて測定される。フィードバック制御部５は、実電流と目標電流との差分をフィードバックして制御パルスのデューティーを増減させ、目標電流値と一致するようにＰＩＤ制御等のフィードバック制御を行う。デューティーの増減は一定周期のタスク内で行われる。

なお、本実施例の構成は、一実施例としてＤＣモータ１の電流を制御するものであるが、特にこれに限定されるものではない。制御するパラメータとして、例えば、モータの回転速度や位置等を用いることもできる。

図２に、本実施例におけるＰＷＭ信号のスペクトラム拡散変調の一例を示す。ＰＷＭパルス信号の周期は、Ｔ₀〜Ｔ_Xの間で変化している。変調後の周波数に応じて、適切なデューティー幅ｔ₀〜ｔ_Xが計算される。周期Ｔ₀〜Ｔ_Xの制御方法としては、順次周期を大きくし、最大周期になったところで、順次周期を小さくしていくことを繰り返す方式が、制御上好ましい。ただし、周期Ｔ₀〜Ｔ_Xの制御方法は、特にこのような方式に限られず、他の方式でもよい。

次に、図３を参照しながら、本実施例の周波数変調を採用した場合に、パワースペクトルのピークレベルが低減する理由を説明する。図３には、比較のために、ＰＷＭ信号の駆動周波数を一定とした場合（ａ）と、周波数変調を行う場合（ｂ）を示している。

ＰＷＭ信号の駆動周波数を一定とした場合（ａ）、そのパワースペクトラムは、駆動周波数ｆを中心にピーク値が現れる。ピーク値が大きい周波数ほど、その周波数におけるラジオノイズが増大する。

一方、ＰＷＭ信号の駆動周波数を変調させた場合（ｂ）、例えば、周波数ｆを中心として駆動周波数を順次大きく、または、順次小さくなるように変調する場合、ＰＷＭ信号のパワースペクトルは、（ａ）の場合と同様に、周波数ｆにおいてピーク値が現れる。しかし、パワーは分散されるため、周波数ｆにおけるピーク値のレベルは低減するため、ラジオノイズのパワーレベルも低減することになる。

このように、本実施例では、ノイズの影響を低減する方法として、モータ駆動周期に対してスペクトラム拡散変調を行っている。モータ駆動周波数を時間的に変化させることにより、ノイズピークを幅を持った周波数帯域に分散させることができる。

ところで、マイクロコンピュータのタイマを用いてモータをＰＷＭ制御するとき、周波数をｆとして、その周期１／ｆをＴとすると通常のＰＷＭ制御における周期はＴ＝αΔｒとおける。また、出力するデューティーによって決まるオン時間をｔとするとｔ＝βΔｒとおける。ここで、Δｒは、タイマのカウントソースの１パルス分の周期であり、α，βは、タイマのビット数をＮとした場合に、１〜２^N−１ の間で選択できる任意の数である（α≧β）。ただし、α，βとして小さい値を選択すると分解能が下がるため、通常は、可能な限り大きい値を選択する。β／αがデューティー比となる。

ここで、パワースペクトルのピークを分散させるための周波数変調方法の一例を示す。周波数変調の場合は、制御パルスの周期をＴ_i＝α_iΔｒ，（０≦α_i≦α）とし、Ｔの値を図２のようにＴ₀〜Ｔ_xと変化させる。制御パルスの周期はＸ＋１個に分散されるため、図３のようにパワースペクトルは分散されてピーク値が下がり、ノイズ等を抑制できる。

ここで、図４に示すように、出力したいデューティー比の目標値をＤとすると、周期
Ｔ₀〜Ｔ_xについてＴ_iに対してβ_i／α_i≦Ｄ＜（β_i＋１）／α_iとなるようにβ₀〜β_xを設定する。各β_i、（β_i＋１）に対応するオン時間をｔ_i ^-＝β_iΔｒ，ｔ_i ⁺＝（β_i＋１）Δｒと置き、出力する制御パルス周期がＴ_iである場合のオン時間をｔ_iとして、(数式１)のように設定して出力する。
（数式１）
ｔ_i＝ｔ_i ⁺ （｜Ｓ_i＋ｔ_i ⁺−ＤＴ_i｜≦｜Ｓ_i＋ｔ_i ^-−ＤＴ_i｜）
ｔ_i＝ｔ_i ^- （｜Ｓ_i＋ｔ_i ⁺−ＤＴ_i｜＞｜Ｓ_i＋ｔ_i ^-−ＤＴ_i｜）
（Ｓ₀＝０，Ｓ_i＝Ｓ_i-1＋ｔ_i-1−ＤＴ_i-1）
このように、ＰＷＭ信号のパルス毎にデューティー比のずれを計算し、制御パルスのオン時間を補正することにより、周波数Ｔ₀〜Ｔ_xの間でのデューティーは平均化され、分解能は制御パルス周波数Ｔ₀〜Ｔ_xの中で分解能が最悪値の時、つまり、最も周波数が低い時のＸ倍の分解能が得られることになる。

次に、本実施例における周波数変調及び補正演算の処理について説明する。本実施例では、周波数変調の処理と同じ割り込み処理内において、分解能向上の手法である制御パルスのオン時間の設定を行う。設定するオン時間の計算を同処理内で行うことが望ましいが、マイコンの処理能力によっては、割り込み処理内では計算できない場合もある。そこで、モータ制御時の計算量を減らすため、制御パルスの周波数変調のパターンとその時に出力するパルスのオン時間を予め計算しておくこともできる。マイコンの記憶部に記憶させておくことにより、割り込み処理時においては、その計算値を読み込む方法を取ることにより、補正処理の速度を向上させることが可能となる。

図５は、周波数変調の処理と同じ割り込み処理内で行うデューティー比補正演算処理のフローチャートの一例である。１０は、（数式１）のようにオン時間を設定するための判断を行うステップである。１１，１２のステップにおいて、出力する制御パルスのオン時間を設定する。１３のステップにおいて、ステップ１０で使用するＳの値を次回の処理のため更新する。１４，１５のステップは、周波数変調のサイクルをカウントするカウンタのインクリメントとオーバーフロー時のクリアである。

制御パルスの周波数変調は、タイマのアンダーフローやオーバーフロー等による割り込み処理内で行い、出力デューティーの増減を行うタスクより短い間隔で周期の変更が行われる。

以上、本実施例では、ノイズの影響を低減するため、モータ駆動周波数を時間的に変化させているが、このとき、目標とするＰＷＭ信号のデューティー比と制御装置の出力可能なデューティー比のずれをＰＷＭ信号のパルス毎に計算し、ずれの分だけ以後のパルスのデューティー比を補正している。

このように、本実施例によれば、モータ駆動時に発生するノイズ低減を制御装置に部品を追加することなく行い、また、例えばマイクロコンピュータのタイマの分解能など制御装置自体の性能を上げることなく、安価に高い制御分解能を実現することが可能となる。本実施例のモータ制御装置は、例えば、自動車に搭載される電子制御スロットル・パワーウィンド・電動シートベルトに適用することができる。

本実施例の全体構成図である。 本実施例の周波数変調を示す図である。 本実施例におけるパワースペクトルのピークレベル低減の説明図である。 デューティー比目標値に対する出力する制御パルスのＯＮ時間の設定方法を示す説明図である。 周波数変調の処理と同じ割り込み処理内で行うデューティー比補正演算処理のフローチャートである。

符号の説明

１…ＤＣモータ、２…モータドライバ、３…電流検出器、４…動作制御部、５…フィードバック制御部、６…周期パターン発生部、７…周波数変調部、８…補正演算部。

Claims (8)

1. ＰＷＭ制御によりＤＣモータを制御するモータ制御方法であって、
   電流検出器により検出された前記ＤＣモータに流れるモータ電流と目標電流とを比較することによりデューティー比を決定し、
   前記ＰＷＭ制御の駆動周波数をスペクトラム拡散変調させ、
   変調された駆動周波数に基づいて前記デューティー比の補正演算を行うことを特徴とするモータ制御方法。
2. 請求項１記載のモータ制御方法において、
   前記スペクトラム拡散変調及び前記デューティー比の補正演算は、マイクロコンピュータにより実行されることを特徴とするモータ制御方法。
3. 請求項２記載のモータ制御方法において、
   前記デューティー比の補正演算は、前記スペクトラム拡散変調と同時に実行されることを特徴とするモータ制御方法。
4. 請求項３記載のモータ制御方法において、
   前記ＰＷＭ制御の駆動周波数は、順次大きくなるように変調させることを特徴とするモータ制御方法。
5. モータ電流を検出するための電流検出器と、
   前記電流検出器により検出された前記モータ電流をフィードバックして、該モータ電流と目標電流とを比較することによりデューティー比を決定するフィードバック制御部と、
   ＰＷＭ駆動周波数を変調するための周波数変調部とを有し、
   前記周波数変調部は、変調後のＰＷＭ駆動周波数に応じて、前記デューティー比を補正する補正演算部を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
6. 請求項５記載のモータ制御装置において、
   前記周波数変調部はマイクロコンピュータを備えており、
   前記マイクロコンピュータは、前記ＰＷＭ駆動周波数を変調させ、前記デューティー比を補正することを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項６記載のモータ制御装置において、
   前記周波数変調部は、複数の周期パターンを有し、該周期パターンに基づいて前記PWM駆動周波数を変調させることを特徴とするモータ制御装置。
8. 請求項６記載のモータ制御装置において、
   前記周波数変調部は、スペクトラム拡散変調により前記ＰＷＭ駆動周波数を変調することを特徴とするモータ制御装置。
   

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