JP2007068260A - Ｐｗｍ駆動制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭ制御における小さなデューティ制御を行う場合の正確な電流検出を行う。
【解決手段】ＰＷＭ制御の駆動信号Ｖｂを、指令値に基づくデューティに応じた出力時間ｔ１に所定の時間ｔ４を加算して増大させた時間（ｔ１＋ｔ４）で出力し、逆駆動信号（−Ｖｂ）を加算時間ｔ４で出力することにより駆動信号の増大分を相殺する。駆動信号を増大させた時間で出力することにより、電流波形の初期に生じる乱れが収まるようにある程度時間が経過した安定した波形に対して電流検出を行うことができるため、それにより正確な電流検出を行うことができ、本来の指令値に基づいたデューティによる応答性の良いＰＷＭ制御を行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータなどの電動負荷をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ駆動制御装置及びその制御方法に関するものである。

従来、電動負荷として例えば電動モータを駆動制御するためにＰＷＭ制御するようにした制御装置がある。そのようなＰＷＭ制御装置にあって、指令値に応じた高精度なＰＷＭ制御を行うために、モータ電流を検出してＰＷＭ信号のデューティを制御するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−１９９７７３号公報

上記ＰＷＭ駆動制御装置における電流検出回路は、電源（バッテリ）の負側端子とモータの接地端子とを接続する電源ラインにシャント抵抗を接続し、そのシャント抵抗の両端に生じる電圧を検出して電流を検出するようにしている。そのシャント抵抗の両端に生じる電圧から電流を読み取ることができる。

上記電圧波形にあっては、シャント抵抗の形状などの影響を受けるインダクタンスによりＰＷＭ信号の駆動信号の立ち上がり近傍において波形が乱れることが知られている。その波形が乱れる範囲は立ち上がり後の僅かな時間であるため、その波形が乱れる時間以上駆動信号が出力されるデューティによる制御にあっては波形が安定する部分の電圧値を検出することにより、正確な電流検出を行うことができる。

しかしながら、上記波形の乱れる範囲でＰＷＭ信号の駆動信号が終わってしまうような小さなデューティによる制御を行う場合には、波形の乱れすなわち電圧値の変動により正確な電流検出を行うことができないという問題があった。

このような課題を解決して、ＰＷＭ制御における小さなデューティ制御を行う場合でも何ら問題なく正確な電流検出を行うことができることを実現するために本発明の請求項１に於いては、電源と電動負荷とを接続するためのスイッチング素子と、外部からの指令値に基づいて前記スイッチング素子にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ信号の発生時に前記電源及び前記電動負荷間の電源ラインに流れる電流を検出する電流検出手段とを有し、前記ＰＷＭ制御回路が、前記電流検出手段により検出された電流に応じて前記ＰＷＭ信号のデューティを制御するようにしたモータ駆動装置であって、前記ＰＷＭ制御回路は、前記電流検出手段により前記電流を検出する前記ＰＷＭ信号の１周期において、前記ＰＷＭ信号のデューティとなる駆動信号の出力時間を前記指令値に基づく時間よりも増大させて当該駆動信号を出力し、かつ前記駆動信号が前記増大させた時間で出力されることによる前記デューティの増加分を相殺するべく、前記ＰＷＭ信号の１周期の幅を変えることなく当該増加分となる時間だけ、前記電動負荷を逆駆動する逆駆動信号を出力し、前記電流検出手段が、前記駆動信号の出力中であって出力開始から所定時間経過後に電流を検出するものとした。

あるいは、電源と電動負荷とを接続するためのスイッチング素子と、外部からの指令値に基づいて前記スイッチング素子にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ信号の発生時に前記電源及び前記電動負荷間の電源ラインに流れる電流を検出する電流検出手段とを有し、前記ＰＷＭ制御回路により、前記電流検出手段により検出された電流に応じて前記ＰＷＭ信号のデューティを制御するＰＷＭ駆動制御装置の制御方法であって、少なくとも前記電流検出手段により前記電流を検出する前記ＰＷＭ信号の１周期において、前記ＰＷＭ信号のデューティとなる駆動信号の出力時間を前記指令値に基づく時間よりも増大させて当該駆動信号を出力する過程と、前記駆動信号の出力中であって出力開始から所定時間経過後に電流を検出する過程と、前記駆動信号が前記増大させた時間で出力されることによる前記デューティの増加分を相殺するべく、前記ＰＷＭ信号の１周期の幅を変えることなく当該増加分となる時間だけ、前記電動負荷を逆駆動する逆駆動信号を出力する過程とを有するものとした。

特に、前記駆動信号を前記増大させた時間で出力しかつ前記逆駆動信号を前記相殺となる時間で出力することを全周期で行うと良く、さらに、前記ＰＷＭ信号の１周期において前記駆動信号の前記増大させた時間と前記逆駆動信号の前記相殺となる時間とを前記指令値に基づいて設定して前記駆動信号及び前記逆駆動信号を出力するものとした。

このように本発明によれば、ＰＷＭ信号のデューティとなる駆動信号の出力時間を、そのデューティに応じた時間よりも増大させた長い時間設定としたことにより、ＰＷＭ制御の駆動信号による電流検出波形の乱れが収まり切らないような短い駆動時間となる小さなデューティによるＰＷＭ制御時であっても、電流検出手段における検出波形が安定するのに要する時間以上に駆動信号を増大させる時間を設定することができる。電流検出手段に例えばシャント抵抗を用いた場合にはシャント抵抗の形状に影響されるインダクタンスにより検出電圧波形の初期に乱れが生じるのに対して、ある程度の時間経過後に検出することにより電圧波形の安定した部分で電圧を検出することができ、それにより正確な電流検出を行うことができる。そして、駆動信号を増大させた時間で出力したことによる余分なデューティの増加分を相殺することになる時間で逆駆動信号を出力することにより、駆動信号の増大によるデューティの増加を打ち消すことができ、本来の指令値に基づいたデューティによる応答性の良いＰＷＭ制御を行うことができる。

特に、駆動信号の出力時間の増大とそれを相殺するために逆駆動信号を出力する信号出力制御をＰＷＭ制御の全周期において行うことにより、電流検出のタイミングに合わせた周期のみ増大及び相殺時間の設定をするものに対して制御の煩雑さを解消することができる。さらに、ＰＷＭ信号の１周期において、増大時間と相殺時間とを調整してデューティに対応させることができ、そのようにすることによりＰＷＭ制御信号における休止状態がなくなることから、プログラムを簡素化することができる。

なお、駆動信号の出力時間を増大させることは全デューティに対して行う必要はなく、従来電流検出を正確に行うことができなかった小さいデューティの範囲に対して行い、検出電圧波形に立ち上がり近傍の乱れた部分を過ぎて安定した波形が得られるようになる長い時間で駆動信号が出力される場合には上記処理を行わないようにすると良い。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用されたＰＷＭ駆動制御装置としてのモータ駆動装置１の回路例を示す図である。図示例では、例えば自動車に搭載される装置であり、電源としてバッテリ２が設けられている。また、駆動制御対象となる電動負荷として三相ブラシレスモータ３が設けられている。

図のモータ駆動装置１にあっては、バッテリ２の正端子と負端子との間に、スイッチング素子としてトランジスタ４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄ・４ｅ・４ｆが設けられている。バッテリ２の正端子に３つのトランジスタ４ａ・４ｂ・４ｃの各コレクタが互いに並列に接続され、それらの各エミッタに他の３つのトランジスタ４ｄ・４ｅ・４ｆのコレクタがそれぞれ接続され、それら３つのトランジスタ４ｄ・４ｅ・４ｆのエミッタがバッテリの負端子に接続されている。バッテリ２の正端子及び負端子間でそれぞれ対をなすトランジスタ４ａ・４ｃ及びトランジスタ４ｂ・４ｅ及びトランジスタ４ｃ・４ｆの各ノードが、モータ接続端子Ｕ・Ｖ・Ｗを介して上記した三相のモータ３の各相コイルの外部接続端子とそれぞれ接続されている。

各トランジスタ４ａ〜４ｆのベースがＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御回路５と接続されている。ＰＷＭ制御回路５には外部からの回転速度指令などの指令値が入力し、その指令値に対応するデューティによるＰＷＭ信号を各トランジスタ４ａ〜４ｆに出力する。ＰＷＭ信号は、図示されないモータ位置検出手段（ホール素子など）によるモータ３の回転位置に応じて各トランジスタ４ａ〜４ｆに対してそれぞれ独立して出力される。

バッテリ２とモータ３とを接続する電源ライン６ａ・６ｂにおけるバッテリ２の負端子に接続された電源ライン６ｂには、バッテリ２の負端子とトランジスタ４ｄ・４ｅ・４ｆとの間に電流検出手段としてのシャント抵抗７が設けられている。そのシャント抵抗７の両端には、シャント抵抗７の両端間に生じる電圧を検出するためのＡ／Ｄ変換器８が接続されている。図示例では、ＰＷＭ制御回路５にＣＰＵ及びそれに付随するメモリなどが設けられており、ＰＷＭ制御をプログラム処理で行うためにＡ／Ｄ変換を行っている。

次に、本発明に基づくＰＷＭ制御回路５における制御要領について示す。図２は従来のＰＷＭ信号を示す波形図である。図において、ｔはＰＷＭ信号の１周期であり、ｔ１はモータ３を例えば正転させる駆動信号の出力時間であり、ｔ２は休止時間（駆動信号出力停止時間）である。ＰＷＭ制御回路５に入力される指令値に応じてｔ１とｔ２との比が変化する。また、図の上段は任意の相に対するＰＷＭ信号によるモータ３に印加される電圧（例えばモータ接続端子Ｕ・Ｖ・Ｗにおける電圧）波形であり、下段はその相に流れる相電流波形（シャント抵抗７による検出電圧波形）である。

例えば図２において、周期ｔが５０μｓであって、駆動信号出力時間ｔ１が１０μｓの場合には、駆動信号が出力されている時間が短いため、図の下段に示されるように相電流の波形が立ち上がりからその近傍において乱れたまま終わっている。シャント抵抗を用いた場合に検出電圧波形の立ち上がり初期において波形が乱れることは公知である。したがって、従来の問題点で述べたように、波形が乱れる状態が収まり切る前に駆動信号出力時間が終わってしまうような図２のような場合には、その駆動信号出力時間ｔ１の中ではどのタイミングで検出しても正確な電流検出値であるとすることができない。

それに対して、本願発明では図３に示されるように処理する。なお、図３の波形図は図２に対応するものであり、ＰＷＭ信号の周期及びデューティにあっては同じである。まず、指令値に基づいてデューティを算出し、そのデューティに応じた駆動信号出力時間ｔ１と休止時間ｔ２とを設定する。その駆動信号出力時間ｔ１が所定の波形安定時間ｔ３以下か否かを判別し、波形安定時間ｔ３以下であると判別された場合には所定の付加駆動時間ｔ４を本来の駆動信号出力時間ｔ１に加算する。そして、図３に示されるように、デューティに応じた駆動信号出力時間ｔ１に付加駆動時間ｔ４を加算した時間（ｔ１＋ｔ４）の間駆動信号を出力し続ける。

これにより、駆動信号（Ｖｂ）が出力される時間が付加駆動時間ｔ４加算されて増大するため、小さいデューティに応じた駆動信号出力時間ｔ１内では相電流の波形が乱れても、その後の付加駆動時間ｔ４では波形が安定し得る。その安定した時間帯に電流検出を行うように、例えば駆動信号（Ｖｂ）の出力開始から所定時間ｔ５（＜（ｔ１＋ｔ４））経過後に電流検出を行うようにプログラムを組むことにより、正確な電流値を検出することができる。正確な電流検出を行うことにより、応答性の良い駆動制御を行うことができる。

そして、本来のデューティにとっては余分な駆動を行うことになる付加駆動時間ｔ４による駆動力分を相殺するために、ＰＷＭ信号の１周期ｔの中で（ＰＷＭ信号の１周期の幅を変えることなく）逆駆動信号（−Ｖｂ）を、増加分となる付加駆動時間ｔ４に相当する時間となる逆駆動時間ｔ４だけ出力する。図示例では駆動信号（Ｖｂ）の付加駆動時間ｔ４の終了時に続けて逆駆動信号（−Ｖｂ）を出力するようにしているが、１周期ｔ内であれば駆動信号（Ｖｂ）と逆駆動信号（−Ｖｂ）との間に休止時間を入れても良い。なお、休止時間は、図示例の場合には（ｔ２−２×ｔ４）となり、ＰＷＭ信号の１周期の中で（２×ｔ４＜ｔ２）という関係になる。

なお、図３の逆駆動信号（−Ｖｂ）を出力する制御は、図１において各トランジスタ４ａ〜４ｆのオンオフの組み合わせをモータ３の逆転側に切り換えることにより可能である。また、相電流を示す下段の波形では、逆駆動信号（−Ｖｂ）の出力時に負側に電流が流れる波形が示されているが、図示例のように電源ライン６ｂに１つのシャント抵抗７を設けたものではシャント抵抗７による検出波形は正側に出るため、図の相電流波形は、シャント抵抗７での実際の検出波形ではなく説明上示したものである。具体的には、電流が流れている相コイルのラインにおける電流として考えることができる。

また、上記した例では、指令値に基づくデューティに応じた駆動信号出力時間ｔ１が所定の波形安定時間ｔ３以下か否かを判別し、ｔ１がｔ３以下の場合には付加駆動時間ｔ４を加算するものであり、ｔ１がｔ３を超えるような長い時間出力されるものである場合には、その長い駆動出力時間内に安定した波形となる長い時間が存在し得るため、付加駆動時間ｔ４を加算しない処理を行うものであって良い。また、全ＰＷＭ信号に対してすなわち周期毎に上記処理を行う必要は無く、プログラムで設定された任意の時間毎や運転の変化に合わせるべく指令値の変化時に電流検出と共に行うなどするものであって良い。

それに対して、図４に示されるように、周期毎すなわち常時、付加駆動時間ｔ４を加算した時間で駆動信号（Ｖｂ）を出力すると共にデューティに応じた駆動信号出力時間ｔ１で逆駆動信号（−Ｖｂ）を出力するようにしても良い。このようにすることにより、電流検出タイミングを特定の周期に合わせる必要がないため、プログラム処理が簡単になる。

また、図５に示されるように、常時、駆動信号（Ｖｂ）と逆駆動信号（−Ｖｂ）とを出力するようにしても良い。このようにすることにより、休止時間ｔ２の処理を必要とせず、プログラムが簡単に設計することができる。なお、この場合には駆動信号（Ｖｂ）の出力時間の割合は常に５０％以上となる。

なお、上記各図示例では指令値に基づくデューティに応じた駆動信号（Ｖｂ）の出力時間ｔ１に所定の時間ｔ４を加算して増大させた駆動信号出力時間としたが、加算量は一定値にする必要はなく、例えば指令値に基づくデューティに応じた駆動信号（Ｖｂ）の出力時間ｔ１に対してその出力時間ｔ１が短いほど大きくなる増加率を設定して算出するようにしても良い。この場合、出力時間ｔ１が０に近付くほど加算時間が長くなってしまい、また出力時間ｔ１が１００％デューティの場合には加算する必要がないのに加算時間を設定してしまうことが考えられるため、出力時間ｔ１の上下限を設定して、それを超えた場合の加算時間を上記不都合が起きないように設定すると良い。

本発明にかかるＰＷＭ駆動制御装置及びその制御方法は、駆動信号出力時間を増大させて電流波形が安定した部分で電流検出を行うことができるため、ＰＷＭ駆動制御において応答性の良い制御を行うことができ、モータに限らず種々の電動負荷に対するＰＷＭ駆動制御を行うものとして有用である。

発明が適用されたＰＷＭ駆動制御装置としてのモータ駆動装置１の回路例を示す図である。 従来のモータ電圧及び相電流の波形を示す図である。 本発明に基づくモータ電圧及び相電流の波形を示す図である。 第２の例を示す図３に対応する図である。 第３の例を示す図３に対応する図である。

符号の説明

１ モータ駆動装置
２ バッテリ
３ モータ
４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄ・４ｅ・４ｆ トランジスタ
５ ＰＷＭ制御回路
６ｂ 電源ライン
７ シャント抵抗
８ Ａ／Ｄ変換器

Claims (6)

1. 電源と電動負荷とを接続するためのスイッチング素子と、外部からの指令値に基づいて前記スイッチング素子にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ信号の発生時に前記電源及び前記電動負荷間の電源ラインに流れる電流を検出する電流検出手段とを有し、
   前記ＰＷＭ制御回路が、前記電流検出手段により検出された電流に応じて前記ＰＷＭ信号のデューティを制御するようにしたモータ駆動装置であって、
   前記ＰＷＭ制御回路は、前記電流検出手段により前記電流を検出する前記ＰＷＭ信号の１周期において、前記ＰＷＭ信号のデューティとなる駆動信号の出力時間を前記指令値に基づく時間よりも増大させて当該駆動信号を出力し、かつ前記駆動信号が前記増大させた時間で出力されることによる前記デューティの増加分を相殺するべく、前記ＰＷＭ信号の１周期の幅を変えることなく当該増加分となる時間だけ、前記電動負荷を逆駆動する逆駆動信号を出力し、
   前記電流検出手段が、前記駆動信号の出力中であって出力開始から所定時間経過後に電流を検出することを特徴とするＰＷＭ駆動制御装置。
2. 前記駆動信号を前記増大させた時間で出力しかつ前記逆駆動信号を前記相殺となる時間で出力することを全周期で行うことを特徴とする請求項１に記載のＰＷＭ駆動制御装置。
3. 前記ＰＷＭ信号の１周期において前記駆動信号の前記増大させた時間と前記逆駆動信号の前記相殺となる時間とを前記指令値に基づいて設定して、前記駆動信号及び前記逆駆動信号を出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＰＷＭ駆動制御装置。
4. 電源と電動負荷とを接続するためのスイッチング素子と、外部からの指令値に基づいて前記スイッチング素子にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ信号の発生時に前記電源及び前記電動負荷間の電源ラインに流れる電流を検出する電流検出手段とを有し、
   前記ＰＷＭ制御回路により、前記電流検出手段により検出された電流に応じて前記ＰＷＭ信号のデューティを制御するＰＷＭ駆動制御装置の制御方法であって、
   少なくとも前記電流検出手段により前記電流を検出する前記ＰＷＭ信号の１周期において、前記ＰＷＭ信号のデューティとなる駆動信号の出力時間を前記指令値に基づく時間よりも増大させて当該駆動信号を出力する過程と、前記駆動信号の出力中であって出力開始から所定時間経過後に電流を検出する過程と、前記駆動信号が前記増大させた時間で出力されることによる前記デューティの増加分を相殺するべく、前記ＰＷＭ信号の１周期の幅を変えることなく当該増加分となる時間だけ、前記電動負荷を逆駆動する逆駆動信号を出力する過程とを有することを特徴とするＰＷＭ駆動制御装置の制御方法。
5. 前記駆動信号を前記増大させた時間で出力しかつ前記逆駆動信号を前記相殺となる時間で出力することを全周期で行うことを特徴とする請求項４に記載のＰＷＭ駆動制御装置の制御方法。
6. 前記ＰＷＭ信号の１周期において前記駆動信号の前記増大させた時間と前記逆駆動信号の前記相殺となる時間とを前記指令値に基づいて設定して、前記駆動信号及び前記逆駆動信号を出力することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のＰＷＭ駆動制御装置の制御方法。

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