JP2008289293A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータのセンサレス駆動を行いながら着磁誤差を補正し、低コストで高精度な駆動が可能となるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】モータを始動して所定回転数に到達すると、コントローラ２は定速度指令を速度制御部８へ発令し速度制御部８は定速度制御を行ったまま、コントローラ２からの測定指令をまって駆動部１の特定励磁相から始まる１電気角内のゼロクロス周期を測定した速度情報とコントローラ２からの定速度指令に応じた一定周期の速度基準信号から補正速度基準信号を生成して記憶し、当該補正速度基準信号と速度情報から速度誤差信号を生成して駆動部１に対して速度制御出力を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＤＣブラシレスモータをセンサレス駆動しながら着磁誤差を補正するモータ駆動装置に関する。

３相ＤＣブラシレスモータの励磁切り替え方法について説明する。３相ＤＣブラシレスモータを１２０°矩形波駆動する駆動回路を例に説明する。以下では、永久磁石ロータはサイン波着磁され着磁ピッチ誤差はないものとし、角度は電気角を指すものとする。まず一般的な励磁切り替え方法について説明する。任意の２相に一定電流を流した場合のトルク波形のうち＋側の波形を図４に示す。コイルが３個ある場合は６種類の励磁パターンがあり得る。区間６０°から１２０°ではＵ−Ｖ相励磁が最大トルクを発生しておりロータはＣＷ（時計回り）方向へ回転する。区間１２０°から１８０°ではＵ−Ｗ相励磁が最大トルクを発生させる。区間１８０°から２４０°ではＶ−Ｗ相励磁が最大トルクを発生させる。区間２４０°から３００°ではＶ−Ｕ相励磁が最大トルクを発生させる。区間３００°から３６０°ではＷ−Ｕ相励磁が最大トルクを発生させる。区間０°から６０°ではＷ−Ｖ相励磁が最大トルクを発生させる。ロータ位置に応じて６０°ごとに適切な励磁相を選択し切り替えてやればロータは最大トルクでＣＷ方向へ回転する。

次に、着磁ピッチ誤差がある場合について説明する。図５において、Ｕ−Ｗ相励磁及びＷ−Ｕ相励磁が２０°ずれたトルク波形の＋側の波形を例示する。この場合、励磁周期はＵ−Ｖ相からＷ−Ｖ相に向かって順に７０°、６０°、５０°、７０°、６０°、５０°となる。着磁ピッチ誤差があっても電気角周期での誤差は発生せずどこをとっても３６０°一定である。

ＤＣブラシレスモータの永久磁石ロータの着磁ピッチは、モータごとに固有の誤差があり、誤差を反映した速度基準信号で速度制御しなければならない。しかし従来は一定周期の速度基準信号で比較していたため着磁誤差を速度誤差とする誤った速度制御をしている。その結果、高精度な速度制御をすると着磁誤差によりかえって速度誤差を増大させてしまうという問題がある。この速度誤差を補正するため、逆起電力で転流するブラシレスモータの回転速度の変動を補償する学習モードを設けて補償する方法が提案されている。
特開平９−１６８２９４号公報

ここで実際のロータの着磁寸法と着磁誤差に触れておく。小型モータではロータ直径１０ｍｍ程度である。直径Ｄ＝１０ｍｍとすると、円周Ｌ＝約３１．４ｍｍである。１２極のモータであるとすると、１回転中の励磁切り替えは（１２極／２）×６＝３６である。従って励磁ピッチＰ＝３１．４ｍｍ／３６＝約０．８７ｍｍとなる。着磁誤差が０．１ｍｍあったとすると、着磁ピッチ誤差は０．１／０．８７＝１１％となる。実際には磁束密度・通磁率・機械的寸法・磁歪効果・偏芯などの総合されたものが誤差となって反映する。一般的に量産品においては着磁ピッチ誤差が１０％〜２０％に及ぶ。おおむね図５に示す状態と思えばよい。上記モータを仮に１５０００ｒｐｍで回転させるとすると、毎秒２５０回転となる。従って励磁周期＝２５０×３６＝９ＫＨｚ、区間時間＝１１１μｓとなる。また、時間軸に関しては、駆動回路でも誤差が発生する。例えばＰＷＭ駆動でクロック２０ＫＨｚとすると５０μｓのスイッチング誤差が発生し、上記回転例では４５％にも相当し高精度は望めない。サーボ系の遅れや出力段の遅れも数μｓありそれだけで数％に相当する。

以上のように複数の誤差要因のある状況下で、高精度を目指してモータ駆動回路で速度制御しても振動が激しく使いものにならない場合が多い。またゲインを落とせば速度誤差が大きくなり精度が上がらない。また、センサをエンコーダなどの高精度なものにすることも考えられるが、誤差要因は着磁にあり上記速度誤差の改善はできない。従来は一定周期の速度基準信号と比較していたため着磁誤差を速度誤差として誤った速度制御をしていた。
現状の解決方法としては電気角周期の繰り返し精度の良さに着目して、センサレス駆動とし電気角単位での速度制御をすれば好結果が得られる。しかし１電気角単位とすると回転あたり４〜６パルスでパルス数が少なく、低速回転や低イナーシャ運転では速度誤差が増大する。また電気角以下の微小領域での速度誤差には対応できないので精度向上には限界がある。また、特許文献１では、センサを備え速度誤差を学習することでこの問題を解決しようとしているが、センサが必要であるためコストやスペースを要し、センサ誤差も発生するため高精度化するには限界がある。

ロータの着磁ピッチ誤差を補正するためには磁束を検出する必要があり、センサレス駆動が好適である。センサレス駆動において得られる速度情報は時系列のゼロクロス信号で、速度制御ループにはこれで十分である。しかし着磁誤差はロータ位置に依存するため、補正には別途にロータ位置情報が必要である。駆動回路はロータ位置に応じて励磁するように作られているのでロータ位置情報は励磁相に置き換え可能である。さらに着磁誤差は電気角周期で繰り返すことから、１電気角分の情報があれば、他の位置も同様としてよい。したがって、特定励磁相から１電気角分のゼロクロス周期を測定すれば、全周期の着磁誤差を測定したものとみなせる。また、着磁誤差を測定する際、速度制御を行なうと正しい着磁誤差を測定できない。そこで、本件出願人は、速度制御の無い状態でロータを安定回転させるかあるいは励磁をオフにして惰性回転させその瞬間に着磁ピッチ誤差を測定することに注目して本願発明を想起するに至った。

本発明は以下の構成を備えている。
即ち、ブラシレスモータの駆動制御を行うモータ駆動装置であって、コントローラからの出力指令に応じてモータコイルから検出される逆起電圧のゼロクロス信号に基づいて励磁信号を生成して出力段をスイッチング制御してモータコイルを励磁する駆動部と、駆動部の速度情報を監視してコントローラからの指令信号に応じて駆動部に対して速度制御出力を行なう速度制御部を備え、モータを始動して所定回転数に到達すると、コントローラは定速度指令を速度制御部へ発令し速度制御部は定速度制御を行ったままコントローラからの測定指令をまって駆動部の特定励磁相から始まる１電気角内のゼロクロス周期を測定した速度情報とコントローラからの速度指令により発生する一定周期の速度基準信号から補正速度基準信号を生成して記憶し、当該補正速度基準信号と速度情報から速度誤差信号を生成して駆動部に対して速度制御出力を行なうことを特徴とする。

具体的には、駆動部は目標速度付近でモータを一定電圧若しくは一定電流で駆動するか若しくは励磁をオフしてロータを惰性回転させて速度制御部へ速度情報及び位置情報を出力することを特徴とする。
また、速度制御部は、コントローラから一旦測定指令が発令された後は、それ以降にコントローラから補正指令が発令されると、前回記憶した補正速度基準信号と駆動部から取り込んだ速度情報から速度誤差信号を生成して駆動部に対して速度制御出力を行なうことを特徴とする。
より具体的には、速度制御部は、位置情報に同期してゼロクロス信号周期を測定して記憶する励磁周期測定手段と、位置情報から１電気角内での各ゼロクロス周期の占める割合を演算し比率情報として記憶する励磁周期演算手段と、コントローラからの補正指令がなければ速度指令にしたがった速度基準信号を、補正指令があれば位置情報に同期した比率情報に基づいて速度基準信号を伸張した補正速度基準信号を速度情報と比較して速度誤差信号を生成する速度誤差演算手段と、速度誤差信号を受けて速度誤差出力を駆動部へ出力する電力増幅部を備えたことを特徴とする。

上述したモータ駆動装置を用いれば、モータを始動して所定回転数に到達すると、コントローラは定速度指令を速度制御部へ発令し速度制御部は定速度制御を行ったままコントローラからの測定指令をまって駆動部の特定励磁相から始まる１電気角内のゼロクロス周期を測定した速度情報とコントローラからの定速度指令に応じた一定周期の速度基準信号から補正速度基準信号を生成して記憶し、当該補正速度基準信号と速度情報から速度誤差信号を生成して駆動部に対して速度制御出力を行なう。
よって、駆動部から取り込んだ着磁ピッチ誤差が反映されたロータの速度情報に応じて速度制御部の速度基準信号の周期を補正して速度誤差信号を生成するため、着磁ピッチ誤差に起因する速度誤差の発生を低減できる。そのため、モータに無駄な制御電流が流れることなく低振動で高精度回転できる。さらに従来の電気角周期の制御に比べ回転検出信号（例えばＦＧパルス）を増やすことができるのでより高精度回転が可能で、低速回転域も延びる。
また、駆動部は目標速度付近でモータを一定電圧若しくは一定電流で駆動するか若しくは励磁をオフしてロータを惰性回転させて速度制御部へ速度情報及び位置情報を出力する。これにより、速度制御部は着磁ピッチ誤差を反映して速度基準信号の周期を補正して補正速度基準信号を生成し、当該補正速度基準信号と速度情報から速度誤差信号を生成して駆動部に対する速度制御出力を行なう。したがって、モータごとに異なる着磁ピッチ誤差を補正し、高精度な回転速度制御を行なうことができる。
また、速度制御部は、コントローラから一旦測定指令が発令された後は、それ以降にコントローラから補正指令が発令されると、前回記憶した補正速度基準信号と駆動部から取り込んだ速度情報から速度誤差信号を生成して駆動部に対して速度制御出力を行なう。よって、コントローラからの速度指令が変更された場合、ゼロクロス周期は変わるが、１電気角に占めるゼロクロス周期の比率は変わらない。したがって、あらためて測定動作を行なうことなく前回の比率情報を用いて補正速度基準信号を演算して速度制御が行なえる。

以下、本発明に係るモータ駆動装置の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願発明は永久磁石ロータと固定子を備えたブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置に広く適用することができる。

以下では、３相ＤＣブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置について説明する。
図１にモータ駆動装置のブロック構成図の一例を示す。駆動部１は上位コントローラ２からの出力指令によりモータ出力をオンオフする。駆動部１には、ゼロクロスコンパレータ３、励磁制御手段４、プリドライバ５及びスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、位置情報発生手段７を含む。

ゼロクロスコンパレータ３はモータコイル６から検出される逆起電圧のゼロクロス点を検出し速度情報として出力する。本実施例では、三相全波駆動であるため１電気角にゼロクロス点が６個発生する。励磁制御手段４はゼロクロスコンパレータ３からゼロクロス信号をうけて６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６へのゲート出力のいずれか２個をシーケンスに従いオンする。モータ出力段に設けられるプリドライバ５及びスイッチング素子（トランジスタ）Ｑ１〜Ｑ６はゲート信号を受け３相モータコイル６のいずれか２相へ通電励磁する。なお、図１では、スイッチング素子に並列に接続されるフライホイールダイオードや抵抗などは省略してある。

１電気角あたり１パルスで６０°のパルス幅である位置情報発生手段７は、モータコイル６への特定励磁相間の励磁パターンを検出して位置情報として出力する。この例ではＵ−Ｖ相励磁のとき出力する。速度情報はゼロクロスコンパレータ３の出力で６パルス／電気角であり、着磁ピッチ誤差が反映されている。

速度制御部８は、駆動部１の速度情報を監視してコントローラ２からの指令信号に応じて駆動部１に対して速度制御出力を行なう。速度制御部８は、コントローラ２からの速度指令に応じた速度制御を行なう他に、定速度指令により速度制御を固定してモータを定速度運転させる。また、速度制御部８はモータが定速度運転している際にコントローラ２からの測定指令を受けると駆動部１から速度情報を取り込んで補正速度基準信号を生成し、当該補正速度基準信号と速度情報から速度誤差信号を生成して駆動部１に対して速度制御出力を行なう。速度制御部８は、補正部９、速度誤差演算手段１０、電力増幅手段１４を備えている。

補正部９は、励磁周期測定手段１１、励磁周期演算手段１２、速度指令演算手段１３を備えている。励磁周期測定手段１１は、上位コントローラ２から測定指令が発令されると、位置情報（例えばＵ−Ｖ相励磁期間）がＨ（ハイ）になると、速度情報（ゼロクロスパルス）の周期を１電気角分（６個）測定する（図２参照）。位置情報に速度情報を同期させることでゼロクロス周期の位置が特定される。励磁周期演算手段１２は、ゼロクロス周期の測定が完了すると、１電気角（３６０°）のなかで各ゼロクロス周期の占める比率を演算し比率情報として記憶する。或いは不揮発性メモリに記憶してもよい。

速度指令演算手段１３は、２種類の速度基準信号を生成する。第１の速度基準信号は、上位コントローラ２からの速度指令に基づく一定周期の基準信号Ａを生成する。第２の速度基準信号として基準信号Ａに各ゼロクロス周期の占める比率を乗算した６個で１組の補正速度基準信号Ｂを生成する。速度指令演算手段１３は、補正指令が発令されていないとき基準信号Ａを出力する。また、補正指令が発令されると、位置情報に同期させて６個で１組の補正速度基準信号Ｂを出力する。

速度誤差演算手段１０は上位コントローラ２から定速度指令が発令されると直前の速度誤差信号に基づく速度制御出力を行なうか若しくは速度制御出力を停止する。また、定速度指令が発令されていないと、速度情報（ゼロクロス信号）と速度基準信号（基準信号ＡまたはＢ）とを比較演算し速度誤差信号を生成する。

電力増幅手段１４は速度誤差信号をうけて電圧増幅或いは電流増幅を行い、駆動部１へ出力する。電力増幅手段１４として、リニヤアンプを構成すると駆動部１へノイズの少ない直流電圧（電流）が出力される。この直流出力ならば、駆動部１の励磁スイッチング周期に影響を与えず、高精度回転が可能となる。尚、電力増幅手段１４としてＰＷＭアンプを構成した場合にも、出力平滑部（平滑コンデンサ）を設ければリニヤアンプと同様の直流出力となり、モータコイルをチョッパー制御するダイレクトＰＷＭに比べて高精度回転が可能となる。

モータ駆動装置の動作について説明する。図２において、モータを始動すると速度制御部８は当初上位コントローラ２からの速度指令どおりの一定周期の速度基準信号（基準信号Ａ）に基づいて駆動部１へ速度制御出力を行う。モータが設定回転数に到達すると上位コントローラ２は定速度指令を速度制御部８へ発令する。速度制御部８は定速度回転制御を行ったままコントローラ２からの測定指令をまってゼロクロス周期を測定する。コントローラ２から測定指令が発令されるためには、モータが速度指令近傍で安定回転していることが必要である（図２参照）。コントローラ２は駆動部１から入力される速度情報からモータ回転速度を監視している（図１参照）。

上位コントローラ２から定速度指令が発令されると速度誤差演算手段１０は速度制御の演算を中止し、直前の速度誤差信号を保持したまま出力する。このとき速度制御出力は一定のままとなり、モータは一定電圧あるいは一定電流で駆動される。この速度制御されない回転状態でわずかな安定時間を設ける。励磁周期測定手段１１は、位置情報に同期して１電気角分のゼロクロス周期を測定し、記憶する。励磁周期演算手段１２は、ゼロクロス周期の電気角に対する比率を求め比率情報として記憶する。速度指令演算手段１３は、基準信号Ａに比率情報を乗算しあらたに６個の補正速度基準信号Ｂを生成して記憶する。速度指令演算手段１３は、コントローラ２から一旦測定指令が発令された後は、それ以降コントローラ２から補正指令が発令されると、前回記憶した補正速度基準信号Ｂを位置情報に同期して速度誤差演算手段１０へ出力し続ける。補正後の速度情報はそれぞれゼロクロス周期が異なるが、１電気角分の時間は変わらない。したがってモータの回転数は変わらない。

速度誤差演算手段１０は補正速度基準信号Ｂの演算が終了したら、速度誤差の演算を再開し速度誤差信号を出力する。電力増幅手段１４は速度誤差信号をうけて電圧増幅或いは電流増幅を行い、駆動部１へ速度制御出力を行う。
以上の補正動作は３〜４電気角で完了し、おおむね１回転以下であり、ショックも発生しない。これにより、モータごとに異なる固有の着磁ピッチ誤差を近似的に測定し、該着磁ピッチ誤差を速度基準信号に反映させることで、励磁開始時点でその周期を予測できる。即ち、固有誤差を測定し予測制御することで着磁ピッチ誤差を補正できる。

例えば、図３において、速度基準信号が周期測定によりＵ−Ｖ相励磁周期が１３０μｓ、Ｕ−Ｗ相励磁が１１１μｓ、…という測定結果が得られた場合、Ｕ−Ｖ相励磁が完了し次にＵ−Ｗ相励磁に切り替えたときその周期は１１１μｓであろうと推定できる。速度制御時に、Ｕ−Ｗ相励磁がかりに１１１μｓ以下なら速度が速いと判断でき、１１１μｓ以上なら遅いと判断できる。従来は一定の基準周期たとえば１１１ｕｓで判断するため、Ｕ−Ｖ相励磁周期が１３０μｓは誤差がないにもかかわらず、１９μｓだけ速度が遅いと誤った判断をする。そこで、次のＵ−Ｖ相励磁のとき速度制御出力は増加し、Ｕ−Ｗ相励磁区間は速度が速くなりすぎる。このように駆動回路が速度むらを発生させる。本実施例は、着磁ピッチ誤差を速度誤差として正しく判断するため、速度むらは発生しない。

モータ駆動装置のブロック構成図である。 コントローラからの指令信号に対する速度情報及び位置情報を取り込むタイミングを示すタイミングチャートである。 Ｕ−Ｖ−Ｗ相を各々励磁した場合の＋側のトルクカーブを示すグラフ図及び速度基準信号のタイミングチャートである。 着磁ピッチ誤差がない場合のＵ−Ｖ−Ｗ相を各々励磁した場合の＋側のトルクカーブを示すグラフ図である。 着磁ピッチ誤差がある場合のＵ−Ｖ−Ｗ相を各々励磁した場合の＋側のトルクカーブを示すグラフ図である。

符号の説明

１ 駆動部
２ 上位コントローラ
３ ゼロクロスコンパレータ
４ 励磁制御手段
５ プリドライバ
６ モータコイル
７ 位置情報発生手段
８ 速度制御部
９ 補正部
１０ 速度誤差演算手段
１１ 励磁周期測定手段
１２ 励磁周期演算手段
１３ 速度指令演算手段
１４ 電力増幅手段

Claims (4)

1. ブラシレスモータの駆動制御を行うモータ駆動装置であって、
   コントローラからの出力指令に応じてモータコイルから検出される逆起電圧のゼロクロス信号に基づいて励磁信号を生成して出力段をスイッチング制御してモータコイルを励磁する駆動部と、
   駆動部の速度情報を監視してコントローラからの指令信号に応じて駆動部に対して速度制御出力を行なう速度制御部を備え、
   モータを始動して所定回転数に到達すると、コントローラは定速度指令を速度制御部へ発令し速度制御部は定速度制御を行ったまま、コントローラからの測定指令をまって駆動部の特定励磁相から始まる１電気角内のゼロクロス周期を測定した速度情報とコントローラからの速度指令により発生する一定周期の基準信号から補正速度基準信号を生成して記憶し、当該補正速度基準信号と速度情報から速度誤差信号を生成して駆動部に対して速度制御出力を行なうモータ駆動装置。
2. 駆動部は目標速度付近でモータを一定電圧若しくは一定電流で駆動するか若しくは励磁をオフしてロータを惰性回転させて速度制御部へ速度情報及び位置情報を出力する請求項１記載のモータ駆動装置。
3. 速度制御部は、コントローラから一旦測定指令が発令された後は、それ以降にコントローラから補正指令が発令されると、前回記憶した補正速度基準信号と駆動部から取り込んだ速度情報から速度誤差信号を生成して速度制御部に対する速度制御出力を行なう請求項１記載のモータ駆動装置。
4. 速度制御部は、
   位置情報に同期してゼロクロス信号周期を測定して記憶する励磁周期測定手段と、
   位置情報から１電気角内での各ゼロクロス周期の占める割合を演算し比率情報として記憶する励磁周期演算手段と、
   コントローラからの補正指令がなければ速度指令にしたがった速度基準信号を、補正指令があれば位置情報に同期して比率情報に基づいて速度基準信号を伸張した補正速度基準信号を速度情報と比較して速度誤差信号を生成する速度誤差演算手段と、
   速度誤差信号を受けて速度誤差出力を駆動部へ出力する電力増幅部を備えた請求項１記載のモータ駆動装置。