JP2008182832A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭキャリア信号の半周期を電流制御周期よりも短くする場合の電流サンプリング方法を提供することを目的とする。
【解決手段】このモータ駆動装置の制御部１０は、三角波のＰＷＭキャリア信号を出力するＰＷＭキャリア信号発生器１と、電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力するタイミング発生器２と、モータ電流を検出して電流検出値を出力する電流検出器３と、予め設定された電流指令と電流検出値を比較して電圧指令を出力する電流制御器４と、ＰＷＭキャリア信号と電圧指令を比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御器５とを備える。タイミング発生器２はＰＷＭキャリア信号周期の（２ｎ＋１）／２倍の周期で電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流フィードバック制御機能を有するモータ駆動装置に関する。

モータ駆動装置を用いた電流制御は、サーボモータの高速・高応答制御のためにアナログ回路の時代から一般的に行われてきた。近年では、マイクロコンピュータやＬＳＩ技術の進歩により電流制御もディジタル化が進み、アナログ制御では設計上もコスト上も実現困難であった複雑な制御が可能となり、サーボモータを用いる機器の高性能・高機能化に大きく貢献している。

一般に電流制御では、モータの３相電流を検出し、それを電流指令値に追従させるように３相の電圧指令を作成し、複数個の半導体スイッチからなるインバータに出力し、インバータでは供給される直流電圧を複数個の半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせにより所望の３相交流電圧をモータに印加している。

複数個の半導体スイッチにより直流電圧から３相交流電圧を生み出す方式であるＰＷＭ制御は、キャリア周波数と電圧指令値により半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号を出力し、モータの線間にパルス状の電圧を印加するものである。そのパルス幅を半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦで制御することでモータに印加する実行電圧値を正弦波状にすることができる。

このＰＷＭ方式を用いた電流制御では、半導体スイッチのスイッチングノイズが電流に重畳し、電流制御に悪影響を与えることが課題である。そのスイッチングノイズの影響を避けるために、モータに最大トルクを印加する場合以外にはスイッチングが行われていないＰＷＭキャリア信号の頂点、または頂点の一定時間前、または頂点の一定時間後に電流検出を行う方法が提案されている。(例えば、特許文献１参照。) これはＰＷＭキャリア信号の半周期に１回という頻度である。 図９に従来例における電流検出タイミング図を示す。図中のΔｔを変更することでＰＷＭキャリア信号の山、谷、およびその間のタイミングで電流検出を行うことができる。

また、電流検出精度の向上のためにＰＷＭキャリア信号の半周期に複数回電流サンプリングを行い、その平均値を電流検出値とする方法も提案されている。(例えば、特許文献２参照。)
特開平１１−１３６９５０号公報 特開平９−２３６５８号公報

しかしながら、上述した技術では、ＰＷＭキャリア信号の周波数を高くすると電流サンプリング周期が短くなり電流制御周期も短くなる。その結果、高性能な演算装置に変更しないと演算時間が不足することになる。

図１０に従来例におけるＰＷＭキャリア信号の頂点で電流検出を行った際の実電流と平均電流、および電流検出値の関係を示す。この図より、ＰＷＭキャリア信号の山と谷での電流検出値は平均電流に対して＋および−の電流検出誤差を持つことが分かる。この場合、電流検出誤差が＋、−と交互に切り替わるため、時間的に長い視点で見ると平均電流を検出できていることになる。しかし、ＰＷＭキャリア信号の山のみ、または谷のみで電流
検出を行った場合、図７、図８に示すように、電流検出値は平均電流に対して常に＋または−の電流検出誤差を持つことになり、これは定速時のトルクリプルや定トルク時の速度リプルの原因となる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、ＰＷＭキャリア信号の半周期を電流制御周期よりも短くする場合の電流サンプリング方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ＰＷＭ制御を用いた電流フィードバック制御機能を有するモータ駆動装置において、三角波のＰＷＭキャリア信号を出力するＰＷＭキャリア信号発生器と、前記ＰＷＭキャリア信号のタイミングに合わせて電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力するタイミング発生器と、モータ電流を検出して電流検出値を出力する電流検出器と、電流指令と前記電流検出値を比較して電圧指令を出力する電流制御器と、前記ＰＷＭキャリア信号と前記電圧指令を比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御器とを備え、前記電流制御器は前記ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、前記ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングで電流制御を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記タイミング発生器は、ＰＷＭキャリア信号周期の（２ｎ＋１）／２（ｎは正の整数）倍の周期で電流検出トリガ信号及び電流制御トリガ信号を発生することにより、前記ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、前記ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングでモータ電流の制御を行う。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記電流制御器は前記電流制御トリガ信号をカウントするカウンタをさらに備え、前記タイミング発生器は、ＰＷＭキャリア信号周期の１／２倍の周期で電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力し、前記電流制御器は、前記カウンタのカウント値がＭ（Ｍ＝２ｍ＋１（ｍは正の整数））と等しくなった場合にカウント値を０にリセットするとともに、モータ電流の制御を行うことにより、前記ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を開けて、前記ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングでモータ電流の制御を行う。

請求項１に記載の発明によれば、ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングで電流制御を行うことから、ＰＷＭキャリア信号の周波数を高くした際にも適切なタイミングで電流検出を行うことができ、電流検出誤差の影響を最小限に抑えて静音性を向上することができる。また、演算装置の性能を低下させて電流制御周期を長くすることでモータ駆動装置を安く構成した際にも適切なタイミングで電流検出を行うことができ、電流検出誤差の影響を最小限に抑えることができる。

請求項２に記載の発明によれば、タイミング発生器は、ＰＷＭキャリア信号周期の（２ｎ＋１）／２（ｎは正の整数）倍の周期で電流検出トリガ信号及び電流制御トリガ信号を発生することから、簡易な構成でありながら、ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングで電流制御を行うことができる。これにより、ＰＷＭキャリア信号の周波数を高くした際にも適切なタイミングで電流検出を行うことができ、電流検出誤差の影響を最小限に抑えて静音性を向上することができる。また、演算装置の性能を低下させて電流制御周期を長くすることでモータ駆動装置を安く構成した際にも適切なタイミングで電流検出を行うことができ、電流検出誤差の影響を最小限に抑えることができる。

請求項３に記載の発明によれば、電流制御器は前記電流制御トリガ信号をカウントするカウンタをさらに備え、タイミング発生器は、ＰＷＭキャリア信号周期の１／２倍の周期で電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力し、前記電流制御器は、前記カウンタのカウント値がＭ（Ｍ＝２ｍ＋１（ｍは正の整数））と等しくなった場合にカウント値を０にリセットするとともに、モータ電流の制御を行うことから、汎用のタイミング発生器を利用して、ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングで電流制御を行うことができる。これにより、ＰＷＭキャリア信号の周波数を高くした際にも適切なタイミングで電流検出を行うことができ、電流検出誤差の影響を最小限に抑えて静音性を向上することができる。また、演算装置の性能を低下させて電流制御周期を長くすることでモータ駆動装置を安く構成した際にも適切なタイミングで電流検出を行うことができ、電流検出誤差の影響を最小限に抑えることができる。

以下、本発明の第１実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置の制御部１０を示すブロック図である。

このモータ駆動装置は、ＰＷＭ制御を用いた電流フィードバック制御機能を有する。このモータ駆動装置の制御部１０は、三角波のＰＷＭキャリア信号を出力するＰＷＭキャリア信号発生器１と、ＰＷＭキャリア信号のタイミングに合わせて電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力するタイミング発生器２と、モータ電流を検出して電流検出値を出力する電流検出器３と、予め設定された電流指令と電流検出器３により出力される電流検出値を比較して電圧指令を出力する電流制御器４と、ＰＷＭキャリア信号と電圧指令を比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御器５とを備える。

このタイミング発生器２はＰＷＭキャリア信号周期の（２ｎ＋１）／２倍の周期で電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を発生する。これにより、ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングでモータ電流の制御を行うことが可能となる。

図２は、本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置の制御工程を示すフロー図である。

このモータ駆動装置の制御部１０においては、まず、ＰＷＭキャリア信号発生器１からＰＷＭキャリア信号が出力される（ステップＳ１）。

そして、この出力されたＰＷＭキャリア信号を受けてタイミング発生器２から電流検出トリガ信号と電流制御トリガ信号とが出力される（ステップＳ２）。なお、電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号は、ＰＷＭキャリア信号の３／２倍の周期の間隔ごとに出力される（図３参照）。また、電流制御トリガ信号は、電流検出トリガ信号の出力から電流検出処理に必要とされる期間後に出力される。これにより、電流検出処理から電流制御処理までの遅れ時間を短縮させることができ、応答性を向上させることができる。

この電流検出トリガ信号を受けて電流検出器３がモータの相電流を検出して電流検出値を出力する（ステップ３）。

電流検出器３から出力された電流検出値が、電流制御トリガ信号が発生する直前に電流制御器４に入力される。そして、電流制御器４において、予め設定されている電流指令値と電流検出値とが比較され、適当な電圧指令が出力される（ステップＳ４）。

電流制御器４から出力された電圧指令が、ＰＷＭキャリア信号発生器１から出力されるＰＷＭキャリア信号とともに、ＰＷＭ制御器５に入力される。そして、ＰＷＭ制御器５において、ＰＷＭ信号が生成され、ＰＷＭ信号が出力される（ステップＳ５）。

図３は、本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置の制御タイミングを示すタイミング図である。

ＰＷＭキャリア信号は、通常三角波である。最初に三角波の山付近で電流検出した場合には、次の電流検出は三角波の谷付近となるようにＰＷＭキャリア信号の３／２倍の周期の間隔を空けて電流検出を行う。

また、電流制御トリガ信号は、電流検出に必要な時間分、電流検出トリガ信号より遅れて出力される。

また、Δｔは半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦによるスイッチングノイズの影響を受けないように、また応答性の観点から電流検出してから実際に電圧を印加するまでの時間が短くなるように決定される。

なお、上述した第１実施形態においては、（２ｎ＋１）／２においてｎ＝１としたとき、つまりＰＷＭキャリア信号周期の３／２倍の周期で電流検出を行った時のタイミングを説明したが、ｎは正の整数であればよく、演算装置の処理能力に対してＰＷＭキャリア信号の周波数が高くなるにつれて、演算処理時間が演算周期以内に収まるように（２ｎ＋１）／２のｎの値を２、３・・・と大きくしてもよい。このようにｎの値を変更しても、ＰＷＭキャリア信号の山、谷で交互に電流検出することが可能となり、電流検出誤差の影響を最小限に抑えた電流制御が可能となる。

次に、本発明の第２実施形態について、図面を用いて説明する。

図４は、本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置の制御部２０を示すブロック図である。この第２実施形態に係るモータ駆動装置は、電流制御器６の内部に電流制御トリガ信号をカウントするカウンタ７を設ける点で、第１実施形態に係るモータ駆動装置と相違する。

また、この第２実施形態に係るモータ駆動装置におけるタイミング発生器２は、ＰＷＭキャリア信号周期の１／２倍の周期で電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力する。そして、電流制御器６は、カウンタ７のカウント値Ｍ（Ｍ＝２ｍ＋１（ｍは正の整数））が３と等しくなった場合にカウント値を０にリセットするとともに、モータ電流の制御を行う。

図５は、本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置の制御工程を示すフロー図である。

このモータ駆動装置の制御部２０においては、まず、ＰＷＭキャリア信号発生器１からＰＷＭキャリア信号が出力される（ステップＳ１１）。

そして、この出力されたＰＷＭキャリア信号を受けてタイミング発生器２から電流検出トリガ信号と電流制御トリガ信号とが出力される（ステップＳ１２）。なお、電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号は、ＰＷＭキャリア信号の１／２周期の間隔ごとに出力される（図６参照）。また、電流制御トリガ信号は、電流検出トリガ信号の出力から電流検出処理に必要とされる期間後に出力される。これにより、電流検出処理から電流制御
処理までの遅れ時間を短縮させることができ、応答性を向上させることができる。

この電流検出トリガ信号を受けて電流検出器３がモータの相電流を検出して電流検出値を出力する（ステップ１３）。

電流検出器３から出力された電流検出値が、電流制御トリガ信号が発生する直前に電流制御器６に入力される。そして、電流制御器６において、カウンタ７により、電流制御トリガ信号がカウントされる（ステップＳ１４）。

そして、カウンタ７のカウント値が３と等しくなった場合に、カウント値が０にリセットされるとともに、予め設定されている電流指令値と電流検出値とが比較され、適当な電圧指令が出力される（ステップＳ１５）。

電流制御器６から出力された電圧指令が、ＰＷＭキャリア信号発生器１から出力されるＰＷＭキャリア信号とともに、ＰＷＭ制御器５に入力される。そして、ＰＷＭ制御器５において、ＰＷＭ信号が生成され、ＰＷＭ信号が出力される（ステップＳ１６）。

図６は、本発明の第２実施形態に係るモータ制御装置の制御タイミングを示すタイミング図である。

電流検出トリガ信号と電流制御トリガ信号は汎用されるものと同じようにＰＷＭキャリア信号の１／２周期と同じ周期でタイミング発生器２から出力される。電流制御器６の内部のカウンタ７により電流制御トリガ信号をカウントし、カウント値Ｍが３と等しくなったときカウント値を０にリセットし、モータ電流の制御処理を行う。

これにより、汎用のタイミング発生器を利用して、ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングで電流制御を行うことができる。このため、電流検出誤差の影響を最小限に抑えた電流制御が可能となる。

なお、上述した第２実施形態においては、カウント値Ｍが２ｍ＋１（ｍは正の整数）であると定義され、ｍ＝１としたとき、つまりカウント値Ｍを３として電流制御を行った時のタイミングを説明したが、ｍは正の整数であればよく、演算装置の処理能力に対してＰＷＭキャリア信号の周波数が高くなるにつれて、演算処理時間が演算周期以内に収まるように２ｍ＋１のｍの値を２、３・・・と大きくしてもよい。このようにｍの値を変更しても、ＰＷＭキャリア信号の山、谷で交互に電流検出することが可能となり、電流検出誤差の影響を最小限に抑えた電流制御が可能となる。

本発明のモータ駆動装置は、ＰＷＭキャリア信号の周波数に対して演算装置の処理能力が低い場合、また静音性の要求される用途などにも有用である。

本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置の制御部１０を示すブロック図 本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置の制御工程を示すフロー図 本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置の制御タイミングを示すタイミング図 本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置の制御部２０を示すブロック図 本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置の制御工程を示すフロー図 本発明の第２実施形態に係るモータ制御装置の制御タイミングを示すタイミング図 ＰＷＭキャリア信号の山付近のみで電流検出を行った場合の電流検出値と実電流との関係図 ＰＷＭキャリア信号の谷付近のみで電流検出を行った場合の電流検出値と実電流との関係図 従来のタイミング図 従来の電流検出タイミングでの電流検出値と実電流との関係図

符号の説明

１ ＰＷＭキャリア信号発生器
２ タイミング発生器
３ 電流検出器
４ 電流制御器
５ ＰＷＭ制御器
６ 電流制御器
７ カウンタ
１０ 制御部
２０ 制御部

Claims (3)

1. ＰＷＭ制御を用いた電流フィードバック制御機能を有するモータ駆動装置において、
   三角波のＰＷＭキャリア信号を出力するＰＷＭキャリア信号発生器と、
   前記ＰＷＭキャリア信号のタイミングに合わせて電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力するタイミング発生器と、
   モータ電流を検出して電流検出値を出力する電流検出器と、
   電流指令と前記電流検出値を比較して電圧指令を出力する電流制御器と、
   前記ＰＷＭキャリア信号と前記電圧指令を比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御器と、
   を備え、
   前記電流制御器は前記ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、前記ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングで電流制御を行うことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記タイミング発生器は、ＰＷＭキャリア信号周期の（２ｎ＋１）／２（ｎは正の整数）倍の周期で電流検出トリガ信号及び電流制御トリガ信号を発生することにより、
   前記ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を空けて、前記ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングでモータ電流の制御を行うモータ駆動装置。
3. 請求項１に記載のモータ駆動装置において、
   前記電流制御器は前記電流制御トリガ信号をカウントするカウンタをさらに備え、
   前記タイミング発生器は、ＰＷＭキャリア信号周期の１／２倍の周期で電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力し、
   前記電流制御器は、前記カウンタのカウント値がＭ（Ｍ＝２ｍ＋１（ｍは正の整数））と等しくなった場合にカウント値を０にリセットするとともに、モータ電流の制御を行うことにより、
   前記ＰＷＭキャリア信号の一周期以上の間隔を開けて、前記ＰＷＭキャリア信号の山と谷の交互のタイミングでモータ電流の制御を行うモータ駆動装置。