JP2008118842A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転方向が相互に反転する場合の起動を、インバータ回路に余分な電流を流すことなく確実に行うことができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】切替指令信号の出力レベルがモータ１の正転，逆転を指示するレベルに亘って変化すると、オフセット電圧付与回路２４は、ゲイン制御アンプ６によって出力される差電圧信号Ｖｏに、モータ１の出力トルクを増加させるようにして所定のオフセット電圧を付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの可変速制御を行うためのモータ制御装置に関する。

モータの可変速制御を行う場合には、インバータ回路を含んで成るモータ制御装置を利用することが一般的である。図６は、この種のモータ制御装置の一例であり、特許文献１に開示されている構成である。制御対象のモータ１は、三相のブラシレスＤＣモータ（永久磁石同期モータ）により構成されたもので、例えば車両エンジン用バルブカムの開閉タイミングを制御するための電動制御装置の駆動源として設けられる。

このモータ１を可変速駆動するＰＷＭ制御型のインバータ回路２は、電源端子＋Ｖとグランド端子との間に、６個のＮチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６を三相ブリッジ接続して構成され、モータ１のＵ、Ｖ、Ｗ各相用コイルに１２０°通電矩形波駆動方式により給電する。尚、各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６には、それぞれ図示極性の還流ダイオード（符号なし）が接続若しくは一体的に設けられている。また、電源端子＋Ｖ及びグランド端子間には、π型のＬＣフィルタ回路３が接続されている。

モータ１の回転位置（ロータの位置）を検出する３個のホールＩＣ１ｕ、１ｖ、１ｗは、互いに位相が１２０°ずつ異なった状態の位置検出信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを出力する構成となっており、それら位置検出信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを回転数検出回路の機能も備えた制御回路４に与える。制御回路４は、入力された位置検出信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗに基づきモータ１の回転方向を認識すると共に、モータの実回転数に比例した電圧レベルの回転数信号ＶＮを出力する。尚、回転数信号ＶＮは、上記実回転数に応じて得られる周波数信号を、内部のＦ／Ｖ変換部１２（但し、特許文献１の図面では図示されていない）によりＦ／Ｖ変換することで得られている。

また、制御回路４は、モータ１の回転方向の認識結果及び各位置検出信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗの入力タイミングに基づいて、インバータ回路２の上アームを構成するＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ３、Ｑ５、並びに下アームを構成するＭＯＳＦＥＴＱ２、Ｑ４、Ｑ６の通電タイミングを決めるＵ、Ｖ、Ｗ各相用のゲート制御信号群を、所定パターン（モータ１を正回転または逆回転させるためのパターン）で出力する。この場合、上アーム側のゲート端子には各ゲート制御信号が直接与えられ、下アーム側のゲート端子には、各ゲート制御信号がＡＮＤ回路５（実際は各相用に３個）を介して与えられる。

また、制御回路４は、回転方向切替端子Ｔに切替指令信号としてローレベルが入力されると各相用のゲート制御信号の出力パターンをモータ１の正回転用パターン（Ｕ→Ｖ→Ｗ）に設定し、回転方向切替端子Ｔにハイレベルが入力されると、ゲート制御信号の出力パターンを同逆回転用パターン（Ｗ→Ｖ→Ｕ）に設定する。

ゲイン制御アンプ６（増幅回路に相当）は、モータ１の目標回転数を指令するための目標電圧信号ＶＳと制御回路４からの回転数信号ＶＮとの偏差を、所定の利得Ｇで増幅した差電圧信号Ｖｏ（＝ＶＳ＋Ｇ（ＶＳ−ＶＮ））を発生する。尚、上記目標電圧信号ＶＳは、例えば外部に設けられた車両用ＥＣＵ（図示せず）から与えられた周波数信号を、Ｆ／Ｖ変換部１３（但し、特許文献１の図面では図示されていない）によりＦ／Ｖ変換したもので、モータ１の目標回転数に比例した電圧レベルの信号である。

第１コンパレータ７（第１比較回路に相当）は、非反転入力端子（＋）にゲイン制御アンプ６からの差電圧信号Ｖｏを受けると共に、反転入力端子（−）に図示しない発振回路から出力される三角波信号ＶＴ（例えば、振幅範囲４Ｖ〜２．５Ｖ）を受け、その比較に基づいて生成した第１ＰＷＭ信号を信号切替スイッチ８（切替回路に相当）に与える。

信号切替スイッチ８は、第３コンパレータ１０（電圧検知回路に相当）より出力される信号レベルに応じて、ＡＮＤ回路５の一方の入力端子に上記ＰＷＭ信号を与える正転モード位置と、第２コンパレータ９（第２比較回路に相当）からの第２ＰＷＭ信号を与える逆転モード位置との何れかに切り替える。また、ＡＮＤ回路５の他方の入力端子には、ゲート制御信号が入力される。

ヒステリシス特性を備える第３コンパレータ１０は、反転入力端子（−）にゲイン制御アンプ６からの差電圧信号Ｖｏを受けると共に、非反転入力端子（＋）に前記三角波信号ＶＴの下限電圧ＶＴＬ（＝２．５Ｖ）を図示しない電圧信号発生回路（例えばピークホールド回路）から受ける。即ち、信号切替スイッチ８は、Ｖｏ≧ＶＴＬの状態にあればが正転モード位置に切り替わり、Ｖｏ＜ＶＴＬの状態にあれば逆転モード位置に切り替わる。但し、第３コンパレータ１０の出力反転動作には所定のヒステリシス電圧が関与する。また、上記出力信号は制御回路４の回転方向切替端子Ｔにも与えられる。

増幅率が「１」に設定された折り返しアンプ１１（信号発生回路に相当）は、ゲイン制御アンプ６からの差電圧信号Ｖｏを三角波信号ＶＴの下限電圧ＶＴＬ基準で折り返すために設けられ、出力される補正差電圧信号Ｖｏ２は、Ｖｏ２＝５−Ｖｏで得られる。第２コンパレータ９は、非反転入力端子（＋）に折り返しアンプ１１からの補正差電圧信号Ｖｏ２を受けると共に、反転入力端子（−）に三角波信号ＶＴを受けるように接続され、その比較に基づき生成した第２ＰＷＭ信号を信号切替スイッチ８に与える。

上記構成によれば、ゲイン制御アンプ６が出力する差電圧信号Ｖｏが２．５Ｖ（三角波信号ＶＴの下限電圧ＶＴＬ）以上あれば、信号切替スイッチ８は正転モード位置に切り替わり、第１コンパレータ７の出力をＡＮＤ回路５に与える。またこの時、折り返しアンプ１１からの補正差電圧信号Ｖｏ２が２．５Ｖ未満になり、第１コンパレータ７では有効パルス幅を有したＰＷＭ信号が生成され、第２コンパレータ９ではデューティ比が零％の第２ＰＷＭ信号が生成される。更に、第３コンパレータ１０から出力されるローレベル信号により、制御回路４は、各相用のゲート制御信号出力パターンを正回転用パターンに設定する。従って、モータ１は、目標電圧信号ＶＳに応じた回転数となるようにフィードバック制御された状態で正回転される。

斯様な制御状態から目標回転数が急激に低下すると、目標電圧信号ＶＳの急減に伴い回転数信号ＶＮとの間の偏差が過渡的に拡大し、差電圧信号Ｖｏの電圧レベルが２．５Ｖ未満に一時的に低下する。すると、その低下期間に第３コンパレータ１０からハイレベル信号が出力され、信号切替スイッチ８が逆転モード位置に切り替えられ、第２コンパレータ９からの第２ＰＷＭ信号がＡＮＤ回路５に与えられる。

また、補正差電圧信号Ｖｏ２は２．５Ｖ以上になり、第１コンパレータ７ではデューティ比が零％の第１ＰＷＭ信号が生成され、第２コンパレータ９では有効パルス幅を有した第２ＰＷＭ信号が生成される。更に、制御回路４は各相用のゲート制御信号の出力パターンをモータ１の逆回転用パターンに設定する。従って、モータ１に逆転トルク（制動トルク）が生成されて、その実回転数が急激に低下する。

この後、目標回転数とモータ１の実回転数との差が所定値以上に縮小すると、差電圧信号Ｖｏの電圧レベルは三角波信号ＶＴの下限電圧ＶＴＬ以上に復帰する。すると、第３コンパレータ１０の出力がローレベル信号に反転し、信号切替スイッチ８が第１コンパレータ７からの有効パルス幅を有したＰＷＭ信号をＡＮＤ回路５に与える状態に戻り、そのＰＷＭ信号に基づいてモータ１の回転数制御が行われる定常状態に復帰する。その結果、図７に示すように、モータ１の回転数と目標電圧信号ＶＳ及び回転数信号ＶＮとの関係は、モータ１の逆回転領域まで広がることになる。即ち、目標電圧信号ＶＳが２．５Ｖ〜４Ｖの範囲は正転指令、目標電圧信号ＶＳが１Ｖ〜２．５Ｖの範囲は逆転指令となる。
特開２００６−２８００９１号公報

ところで、上記モータ１の回転数と目標電圧信号ＶＳ及び回転数信号ＶＮとの関係は、特許文献１では図２として示されているが、これはあくまでも理想的な特性として示されているもので、実際には、モータ１の回転方向が正転，逆転に相互に切替わる場合、図８に示すようにＰＷＭデューティにオフセット電圧を付与している。
即ち、モータ１の回転数に応じたデューティのＰＷＭ信号を与えるだけでは、モータ１が回転を停止している状態から起動するために必要なトルクを得ることができなくなるからである。そして、上記の処理は、Ｆ／Ｖ変換部１３が、第３コンパレータ１０より出力される切換え指令信号のレベルが変化するタイミングに応じて、内部でオフセット電圧を加算した目標電圧信号ＶＳを出力することで行っている。

しかしながら、上記のように目標電圧信号ＶＳにオフセット電圧を付与すると、回転方向が切替わる際に、ゲイン制御アンプ６に入力される目標電圧信号ＶＳと回転数信号ＶＮとの差が一時的に大きくなるため、ゲイン制御アンプ６で付与されるゲインも作用する結果、インバータ回路２に出力されるＰＷＭデューティが極めて大きくなる。すると、モータ１に流れる電流が増加して、インバータ回路２を構成する各ＦＥＴの発熱量も増加するという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの回転方向が相互に反転する場合の起動を、インバータ回路に余分な電流を流すことなく確実に行うことができるモータ制御装置を提供することにある。

請求項１記載のモータ制御装置によれば、増幅回路は、モータの実回転数に応じた電圧レベルの回転数信号とモータの目標回転数を指令するための目標電圧信号との偏差を増幅した差電圧信号を出力し、第１比較回路は、その差電圧信号とキャリア信号との比較により第１ＰＷＭ信号を生成して制御回路に与え、制御回路は、その第１ＰＷＭ信号を、インバータ回路に対して所定のタイミングで供給してモータを所定方向へ回転させる。

そして、モータを正転させている状態から、目標電圧信号→差電圧信号が逆転を指示するレベルに変化し、電圧検知回路が切替指令信号の出力状態を変化させると、信号発生回路がキャリア信号の下限電圧より高いレベルの補正電圧差信号を発生し、第２比較回路は、その補正電圧差信号とキャリア信号との比較により有効パルス幅を有した第２ＰＷＭ信号を生成する。すると、切替回路は、第１ＰＷＭ信号に替えて第２ＰＷＭ信号を制御回路に与える状態に切り替り、制御回路は、インバータ回路を駆動する際にモータに逆転トルクが発生するように制御する。また、モータが逆転している状態から目標電圧信号→差電圧信号が正転を指示するレベルに変化すれば、上記と逆の作用となる。

このように、切替指令信号の出力レベルがモータの正転，逆転を指示するレベルに亘って変化すると、オフセット電圧付与回路は、増幅回路によって出力される差電圧信号に、モータの出力トルクを増加させるようにして所定のオフセット電圧を付与する。即ち、従来構成とは異なり、増幅回路に入力される目標電圧信号にはオフセット電圧を付加しないため、目標電圧信号自体は、図７に示すようにリニアに変化することになる。
そして、増幅回路が出力する差電圧信号にオフセット電圧を付与すれば、目標電圧信号を増幅した結果にオフセット値が加わるので、ＰＷＭ信号のデューティは、従来構成に比較して大きく変化することはない。従って、インバータ回路を構成するスイッチング素子に電流を過剰に流すことを回避し、発熱を防止することができる。

請求項２記載のモータ制御装置によれば、モータが車両用負荷の動力源として使用されるので、例えばエンジン用バルブカムの開閉のように、回転方向が交互に反転する状態で駆動されることが多いモータの制御に有効に適用することができる。

（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１及び図２を参照して説明する。尚、図６と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。本実施例の車載用モータ制御装置では、図６に示すＦ／Ｖ変換部１３を、Ｆ／Ｖ変換部２１に置き換えている。Ｆ／Ｖ変換部２１は、従来構成とは異なり、目標電圧信号ＶＳに対してオフセット電圧を付与せず、図２（ａ）に示すように、目標電圧信号ＶＳをリニアに出力するように構成されている。

オフセット回路２２は、第３コンパレータ１０が出力する切替指令信号を参照し、その切替指令信号が示すレベルに応じて目標電圧信号ＶＳに所定のオフセット電圧を生成出力するように構成されている。例えば、以下のようにオフセット電圧を生成する。
切替指令信号 オフセット電圧
ロウ（正転） ＋１．０Ｖ
ハイ（逆転） −１．０Ｖ
そして、ゲイン制御アンプ６と第１コンパレータ７との間には加算回路２３が挿入されており、加算回路２３は、ゲイン制御アンプ６より出力される差電圧信号Ｖｏに、オフセット回路２２より出力されたオフセット電圧を加えた信号Ｖｏ’を、第１コンパレータ７及び第３コンパレータ１０に出力する。尚、オフセット回路２２及び加算回路２３は、オフセット電圧付与回路２４を構成している。その他の構成は、図４に示すものと同様である。

次に、本実施例の作用について図２も参照して説明する。図２（ａ）に示すように、Ｆ／Ｖ変換部２１は、目標電圧信号ＶＳを１．０Ｖ〜４．０Ｖの範囲でリニアに出力する。
そして、モータ１の正転指令範囲は２．５Ｖ〜４．０Ｖ，逆転指令範囲は１．０Ｖ〜２．５Ｖとなる。そして、第３コンパレータ１０が出力する切替指令信号は、上記電圧範囲に応じて出力レベルをロウ，ハイに変化させるので、オフセット回路２２は、正転指令時には＋１．０Ｖ，逆転指令時には−１．０Ｖを出力する。

そして、加算回路２３は、ゲイン制御アンプ６より出力される差電圧信号Ｖｏに上記オフセット電圧を加算するので、加算電圧信号Ｖｏ’は、図２（ｂ）に示すようにオフセットが付与された変化を示す。従って、指令回転数が「０」付近となり、目標電圧信号ＶＳ→差電圧信号Ｖｏのレベルが低下する場合でも、オフセット電圧に応じたデューティのＰＷＭ信号がインバータ回路２に与えられるので、モータ１は各回転方向に応じて確実に起動することができる。

以上のように本実施例によれば、切替指令信号の出力レベルがモータ１の正転，逆転を指示するレベルに亘って変化すると、オフセット電圧付与回路２４は、ゲイン制御アンプ６によって出力される差電圧信号Ｖｏに、モータ１の出力トルクを増加させるようにして所定のオフセット電圧を付与する。即ち、従来構成とは異なり、ゲイン制御アンプ６に入力される目標電圧信号ＶＳにはオフセット電圧を付加しないので、目標電圧信号ＶＳ自体はリニアに変化する。そして、ゲイン制御アンプ６が出力する差電圧信号Ｖｏにオフセット電圧を付与すれば、目標電圧信号ＶＳを増幅した結果にオフセット値が加わるので、ＰＷＭ信号のデューティは、従来構成に比較して大きく変化することはない。従って、インバータ回路２を構成するＦＥＴＱ１〜Ｑ６に電流を過剰に流すことを回避し、発熱を防止することができる。
そして、モータ１は車両用負荷の動力源として使用されるので、エンジン用バルブカムの開閉のように、回転方向が交互に反転する状態で駆動されることが多いモータの制御に有効に適用することができる。

（第２実施例）
図３は本発明の第２実施例であり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施例の車載用モータ制御装置では、図１に示すＦ／Ｖ変換部２１を、Ｄｕｔｙ／Ｖ変換部２５に置き換えて構成されている。その他の構成は第１実施例と同様である。

すなわち、第２実施例は。車両用ＥＣＵより与えられるモータ１の駆動指令が、ＰＷＭ信号のデューティを変化させる形式となる場合に対応しており、Ｄｕｔｙ／Ｖ変換部２５は、上記デューティに応じて変換した目標電圧信号ＶＳをリニアに出力するように構成されている。
以上のように構成される第２実施例によれば、モータ１の駆動指令がＰＷＭ信号として与えられる場合にも対応することができる。

（第３実施例）
図４は本発明の第３実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分のみ説明する。第３実施例の車載用モータ制御装置では、図１に示すＦ／Ｖ変換部１２，２１を、Ｄ／Ａ変換部２６，２７に置き換えて構成されており、その他の構成は第１実施例と同様である。すなわち、第３実施例は。車両用ＥＣＵより与えられるモータ１の駆動指令が、バイナリデータ形式となる場合に対応しており、Ｄ／Ａ変換部２７は、そのデータをＤ／Ａ変換することで目標電圧信号ＶＳをリニアに出力するように構成されている。

一方、制御回路４Ａに内蔵されるＤ／Ａ変換部２６の前段には、ホールＩＣ１ｕ、１ｖ、１ｗより出力される位置検出信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗのレベル変化エッジを検出し、そのエッジ間隔をカウントするカウンタなどをそなえたロジック回路（図示せず）が配置されている。尚、エッジ間隔は、立上り，立下り間について位置検出信号の半周期をカウントしても良いし、同一（例えば立上り）エッジ間について位置検出信号の１周期をカウントしても良い。そして、Ｄ／Ａ変換部２６は、上記カウンタにより出力されるカウントデータをＤ／Ａ変換することで、回転数信号ＶＮを出力する。
以上のように構成される第３実施例によれば、モータ１の駆動指令がバイナリデータ形式で与えられる場合にも対応することができる。

その他、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば以下のような変形または拡張が可能である。
制御回路４、ゲイン制御アンプ６、第１コンパレータ７、信号切替スイッチ８、第２コンパレータ９、第３コンパレータ１０、折り返しアンプ１１，Ｆ／Ｖ変換部２１、オフセット電圧付与回路２４などは、モノリシック構造のＩＣ回路として構成することができる。
Ｆ／Ｖ変換部２１により出力する目標電圧信号ＶＳは、必ずしもリニアである必要はなく、例えば、図５（ａ）に示すように２次曲線的に変化させたり、図５（ｂ）に示すような曲線で変化させても良い。また、図５（ｂ）に示す目標電圧信号ＶＳに対して、加算電圧信号Ｖｏ’は、図５（ｃ）に示すように付与すれば良い。
オフセット電圧は必ずしも一定に付与する必要はなく、回転数に応じて変化させても良い。
各電圧等の具体数値は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
モータは、車両用負荷の動力源として使用されるものに限ることなく、駆動対象とする負荷の種類はどのようなものでも良い。

本発明の第１実施例を示す電気的構成図 （ａ）はモータ回転数と目標電圧信号との関係、（ｂ）はモータ回転数と加算電圧信号との関係を示す図 本発明の第２実施例を示す図１相当図 本発明の第３実施例を示す図１相当図 （ａ），（ｂ）は図２（ａ）の特性の変形例、（ｃ）は（ｂ）の特性に対してオフセット電圧を付与した例を示す図 従来構成を示す図１相当図 モータ回転数と目標電圧信号及び回転数信号との関係を示す特性図 実際のモータ回転数と目標電圧信号との関係を示す図

符号の説明

１はモータ、２はインバータ回路、４は制御回路（回転数検出回路）、６はゲイン制御アンプ（増幅回路）、７は第１コンパレータ（第１比較回路）、８は信号切替スイッチ（切替回路）、９は第２コンパレータ（第２比較回路）、１０は第３コンパレータ（電圧検知回路）、１１は折り返しアンプ（信号発生回路）、２４はオフセット電圧付与回路を示す。

Claims (2)

1. モータを駆動するためのＰＷＭ制御型のインバータ回路と、 このインバータ回路に対するＰＷＭ信号の供給タイミングを決定する制御回路と、
   前記モータの実回転数に応じた電圧レベルの回転数信号を発生する回転数検出回路と、
   前記回転数信号と前記モータの目標回転数を指令するための目標電圧信号との偏差を増幅した差電圧信号を出力する増幅回路と、
   前記差電圧信号と所定周波数のキャリア信号との比較により第１ＰＷＭ信号を生成して前記制御回路に与える第１比較回路と、
   前記差電圧信号の電圧レベルが前記キャリア信号の下限電圧未満となったときに切替指令信号を逆転指示レベルに変化させる電圧検知回路と、
   前記差電圧信号の電圧レベルが前記キャリア信号の下限電圧未満となった状態で当該キャリア信号の下限電圧より高い電圧レベルの補正差電圧信号を発生する信号発生回路と、
   前記補正差電圧信号と前記キャリア信号との比較により第２ＰＷＭ信号を生成する第２比較回路と、
   前記切替指令信号のレベル変化に応じて、前記第１ＰＷＭ信号と前記第２ＰＷＭ信号とを切り替えて前記制御回路に与える切替回路とを備え、
   前記制御回路は、前記切替指令信号が逆転指示レベルを示す期間は、前記第２ＰＷＭ信号に応じて前記インバータ回路を駆動する際に前記モータに逆転トルクが発生するように制御し、
   前記切替指令信号が示す正転，逆転の指示レベルに応じて、前記増幅回路によって出力される前記差電圧信号に、所定のオフセット電圧を付与するオフセット電圧付与回路を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記モータは、車両用負荷の動力源として使用されることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。

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