JP2011010403A - 回転子のロック検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単に負荷が重い場合をロックと誤判定することを抑制して回転子のロックを検出できる方法を提供する。
【解決手段】モータ制御装置は、モータの回転子の回転速度を検出し、回転速度の検出値と回転速度に対する目標値とに基づいて回転速度を制御する。かかるモータ制御装置において回転子のロックを検知する方法であって、回転子の検出値たる値Ｒ１が目標値たる値Ｒ２よりも低い場合に、値Ｒ１に対して所定値Ｓ０低い値Ｒ３に目標値を変化させ、その後において、回転速度の検出値が目標値に追随しないときに、回転子がロック状態であると判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転子のロック検知方法に関する。

特許文献１には、ファンモータが回転しているときに、ファンモータによって通風される空気を加熱する加熱負荷を制御し、ファンモータの回転の停止を以って加熱負荷の制御を停止する技術が記載されている。特許文献１に記載の技術では、ファンモータの回転に応じてパルスを発生するパルス発生手段からのパルス信号の停止を以って、ファンモータの回転の停止を検知している。

なお、本発明に関連する技術として特許文献２〜９が開示されている。

特開２００２−２５７３６９号公報 特開平６−１９３９４６号公報 登録実用新案第３０１２９０８号公報 特開２０００−３２７９３号公報 特開２０００−１７５４８１号公報 特開平１１−８９２７２号公報 特開平１０−７３３０３号公報 特開平５−４４９８１号公報 特開２００１−２２１４７７号公報

しかしながら、ファンモータが回転しない場合であっても、モータの回転子がある位置の近傍で振動する場合がある。かかる振動はファンモータの本来的な機能ではなく、ファンモータの実質的な停止（以下、「ロック」と称する）であるものの、この振動の幅によってはパルス信号が出力される場合がある。この場合、パルス信号に基づいて回転速度が算出されるために特許文献１に記載の技術ではロックと検知されない。

回転子がロック状態であれば、検出された回転速度が回転速度の目標値へと追随しないものの、ロック状態でなくても、例えば回転子１０が駆動する負荷が比較的重く且つ目標値を比較的高い値に変化させた場合であれば、回転子１０の回転速度が目標値に追随しない場合もある。よって、目標値を変化させた際に回転速度の検出値が目標値に追随しないということのみを以って回転子のロックを検出するのは困難である。

そこで、本発明は、単に負荷が重い場合をロックと誤判定することを抑制して回転子のロックを検出できる方法を提供する。

本発明にかかる回転子のロック検知方法の第１の態様は、モータの回転子（１０）の回転速度を検出し、前記回転速度の検出値と前記回転速度に対する目標値とに基づいて前記回転速度を制御するモータ制御装置（１００）において前記回転子のロックを検知する方法であって、前記検出値（Ｒ１）が前記目標値（Ｒ２）よりも低い場合に、前記検出値に対して所定値（Ｓ０）低い値（Ｒ３）に前記目標値を変化させるステップ（ａ）と、前記ステップ（ａ）の後において、前記検出値が前記目標値に追随しないときに、前記回転子がロック状態であると判定するステップ（ｂ）とを実行する。

本発明にかかる回転子のロック検知方法の第２の態様は、第１の態様にかかる回転子のロック検知方法であって、前記ステップ（ｂ）において、前記ステップ（ａ）を実行して所定期間（τ）が経過した後の前記検出値と前記目標値との差（Ｓ１）が前記所定値（Ｓ０）のｋ倍（０＜ｋ＜１）以上であるときに、前記検出値が前記目標値に追随しないと判定する。

本発明にかかる回転子のロック検知方法の第３の態様は、第１の態様にかかる回転子のロック検知方法であって、前記目標値の変化の前後で前記検出値の変化（Ｓ２）が所定の値以下であるときに前記検出値が前記目標値に追随しないと判定する。

本発明にかかる回転子のロック検知方法の第１の態様によれば、単に回転子の負荷が重い場合にロックと誤検知することを抑制しながら、ロックを検知できる。

本発明にかかる回転子のロック検知方法の第２の態様によれば、簡単な演算で検出値が目標値に追随しないと判定できる。

本発明にかかる回転子のロック検知方法の第３の態様によれば、検出値の比較によって検出値が目標値に追随しないと判定できる。

モータ駆動装置の概念的な構成の一例を示す図である。 回転位置を説明するための図である。 回転子が振動しているときの、回転位置、位置検出センサへの鎖交磁束及び位置検出センサが出力する位置検出信号の一例を示すタイミングチャートである。 制御部の動作を示すフローチャートである。 回転速度の検出値と目標値との一例を示す図である。 回転速度の検出値と目標値との一例を示す図である。

実施の形態．
モータを駆動するモータ駆動装置を例に挙げて回転子のロック検知方法について説明する。なお本願で説明する回転子のロック検知方法は、モータが有する回転子に限らず発電機が有する回転子についても適用できる。

図１に例示するように、モータ駆動装置１００は、モータ１と、位置検出センサ２と、制御部３と、インバータ４とを備えている。

モータ１は回転子１０と固定子１２とを備えている。

固定子１２は複数のコイル１３を有している。図１の例示では３つのコイル１３がスター結線されている。但し、３つのコイル１３がデルタ結線されていてもよく、また３つのコイル１３に限らず２つのコイル１３であってもよく、３つ以上あってもよい。かかるコイル１３にはインバータ４から動作電流が供給される。これによって、コイル１３は回転子１０へと回転磁界を与える。回転子１０はこの回転磁界に基づいて所定の回転軸を中心に回転する。

回転子１０は例えば複数の磁石１１を有している。複数の磁石１１は回転子１０の回転軸を中心とした周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）に並んで配置され、周方向で交互に異なる極性を呈している。複数の磁石１１の各々が周方向で占める長さは相互に等しい。なお図１の例示では、回転子１０は２つの磁石１１を有しているが４個以上有していてもよい。かかる磁石１１は固定子１２へと界磁磁束を供給する界磁磁石として機能する。

インバータ４は図示せぬ複数のスイッチング素子を備えている。この複数のスイッチング素子の導通／非導通が適切に制御されることで、インバータ４は直流電源５から入力される直流電圧を任意の電圧、周波数を有する交流電圧に変換する。そしてインバータ４は変換した交流電圧を固定子１２に印加する。これによって、固定子１２が有するコイル１３に動作電流が流れ、固定子１２は回転子１０へと回転磁界を供給する。なおモータ１は必ずしもインバータ４で駆動される必要はない。モータ１は任意の方法によって駆動される。

位置検出センサ２は回転子１０と対向する位置に設けられ、回転子１０の回転位置を検出して位置検出信号として制御部３に出力する。位置検出センサ２は例えばホールセンサである。位置検出センサ２は回転子１０が位置検出センサ２に向ける磁極に応じてパルス信号（位置検出信号）を制御部３へと出力する。位置検出センサ２は例えば回転子１０が磁極Ｎを向けて位置検出センサ２と対向するときに活性化した信号を制御部３へと出力し、回転子１０が磁極Ｓを向けて位置検出センサ２と対向するときに非活性化した信号を制御部３へと出力する。

制御部３は回転速度検出部３１と、目標値設定部３２と、スイッチ信号生成部３３と、判定部３４とを備えている。

回転速度検出部３１は位置検出センサ２からの位置検出信号を受け取って、これに応じて回転子１０の回転速度を検出する。回転速度検出部３１は例えば位置検出信号の立ち上がりエッジを検出することで回転子１０が１回転したことを検知できる。回転子１０が２つの磁石を有しているので、回転子１０が１回転するごとに一対の活性化した信号と非活性化した信号を出力するからである。よって立ち上がりエッジを検出してから次の立ち上がりエッジを検出するまでの間の時間をタイマー回路等で計時することで、回転子１０が１回転するのに要する時間を検出できる。これにより、回転速度検出部３１は回転子１０の回転速度を算出できる。以下では検出した回転速度を回転速度の検出値と呼ぶ。

目標値設定部３２は例えば外部から入力される回転速度についての目標値を所定の条件の下で変化する。かかる所定の条件については後に詳述する。

スイッチ信号生成部３３は、回転速度の検出値と、回転速度についての目標値とに基づいてスイッチ信号を生成して、これをインバータ４に出力する。これにより、回転子１０の回転速度を制御する。

判定部３４は回転速度の検出値と目標値とに基づいて回転子の実施的な停止（以下「ロック」とも称す）を検知する。ここでいうロックとは、回転子１０が所定の回転位置を中心として振動している場合も含む。かかる振動において磁極Ｎ，Ｓが交互に位置検出センサ２と対向すれば、位置検出センサ２は活性化した信号と非活性化した信号を繰り返し出力する。よって、この場合、回転子１０が振動しているにも関わらず制御部３は回転速度を算出する。判定部３４の具体的な動作については後に詳述する。

なおここでは、制御部３は例えばマイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ（換言すれば手順）を実行する。上記記憶装置は、例えばＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ(Erasable Programmable ROM)等）、ハードディスク装置などの各種記憶装置の１つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、制御部３はこれに限らず、制御部３によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。

次に、回転子１０がロック状態であった場合の回転速度について考察する。ここで、図２に例示されるように、回転子１０の回転位置を次のように角度で規定する。まず回転子１０の回転位置を表す対象として、例えば磁石１１同士の周方向における境界（極間）上の一点１５を採用する。そして、この一点１５が位置検出センサ２と最も近い距離で対面する状態を、回転子１０の回転位置が０度であると規定する。そして、回転子１０の回転に伴って一点１５が回転軸Ｐを中心として移動した角度を、回転子１０の回転位置ｘとして規定する。なお、回転位置ｘが０度の状態から反時計回りに回転するに伴って回転位置ｘが増大し、回転位置ｘが１８０度（これは−１８０度と把握することもできる）である状態から回転子１０が反時計回りに回転するに従って、回転位置ｘは−１８０度から増大して０度に至る。

回転子１０の回転位置ｘが０度から１８０度であるとき、回転子１０は例えば磁極Ｓを向けて位置検出センサ２と対向する。従ってこのとき、位置検出センサ２に鎖交する磁束の方向は位置検出センサ２から回転子１０へと向かう方向である。また回転子１０の回転位置ｘが−１８０度から０度であるとき、回転子１０は反対の磁極Ｎを向けて位置検出センサ２と対向する。従ってこのとき、位置検出センサ２に鎖交する磁束の方向は回転子１０から位置検出センサ２へと向かう方向である。なお図３においては、位置検出センサ２から回転子１０へと向かう方向を正として磁束が示されている。

図３の例示では、回転位置ｘが５度を中心として１０度の振幅を有する正弦波を呈するように、回転子１０が振動している。このとき、回転位置ｘは０度を跨いで振動する。この場合、回転子１０は回転しておらずロック状態であるとみなせるものの、位置検出センサ２には交互に正の磁束、負の磁束が鎖交するため、回転子１０の振動に基づいて活性化期間ＴＨと非活性化期間ＴＬが交互に現れる。但し、回転位置ｘは０度からずれた位置を中心として振動しているので、回転位置ｘが活性化期間ＴＨの長さと非活性化期間ＴＬの長さとは相互に異なる。

回転速度検出部３１は上述したように例えば位置検出信号の立ち上がりエッジ（活性化期間ＴＨの開始時点）を検出して回転速度を検出するため、かかる回転子１０の振動によっても回転速度が検出される。

また図３の例示から容易に理解できるように回転速度は振動の中心、振幅、周期に基づいて検出されるところ、振動の中心、振幅、周期はロック状態の原因たる外部要因にも起因する。

したがって、制御部３が回転速度の検出値と目標値とに基づいて回転子１０の回転速度を制御したとしても、回転子１０がロック状態であって振動していれば、回転速度の検出値は目標値には必ずしも追随しない。なお、偶然に回転速度の検出値と目標値とが一致し得るものの、この場合であっても目標値を比較的大きく変化させれば回転速度の検出値は変化後の目標値へと一致しない。

よって、この観点では目標値を変化させて回転速度の検出値が目標値に追随するかどうかで、ロックを検知できる可能性がある。しかしながら、ロックが発生していなくても、例えば回転子１０が駆動する負荷が比較的重く且つ目標値を比較的高い値に変化させたときに、回転子１０の回転速度が目標値に達しない場合もある。つまり負荷が重くて回転子１０の回転速度が目標値に追随しない場合もある。よって、目標値を変化させた際に回転速度の検出値が目標値に追随しないということのみを以って回転子のロックを検出するのは困難である。そこで本実施の形態では単に負荷が重い場合と切り分けてロックを検出できる方法を説明する。

具体的には制御部３は図４に示すロックの検知方法を実行する。まずステップＳＴ１にて、判定部３４は回転速度の検出値が目標値よりも低いか否かを判断する。ステップＳＴ１にて否定的な判断がされれば再びステップＳＴ１を実行する。ステップＳＴ１にて肯定的な判断がされればステップＳＴ２の処理を実行する。

なお、回転子１０がロック状態でない場合であってもステップＳＴ１にて肯定的な判断がなされ得る。正常な制御であっても回転速度の検出値は目標値を跨いで変動するからである。この場合、不要なロック検知方法を何度も実行する事態を招く。そこで、本ロック検知方法は例えばモータ１が停止した状態からモータ１の運転が開始される最初の期間（例えば正常な運転において目標値に至る期間）にのみに実行されてもよい。ロックが生じる要因はモータ１の回転中には生じにくく、停止中に生じやすいからである。なおこの場合、回転速度の検出値が定常してから、即ち回転速度の検出値の変動が所定期間に渡って所定範囲内に収まってから、ステップＳＴ１の処理が実行される。回転速度の検出値が零から目標値へと上昇するときには必ずステップＳＴ１にて肯定的な判断がなされるからである。

次にステップＳＴ２にて、目標値設定部３２は目標値を回転速度の検出値よりも所定値低い値に変化する。次にステップＳＴ３にてスイッチ信号生成部３３は変化後の目標値と回転速度の検出値とに基づいてインバータ４へとスイッチ信号を出力する。次に、ステップＳＴ４にて回転速度検出部３１は位置検出センサ２から受け取った位置検出信号に基づいて回転速度を検出する。

次にステップＳＴ５にて判定部３４は回転速度の検出値が目標値に追随しているか否かを判断する。ステップＳＴ５にて否定的な判断がなされるとステップＳＴ６にて判定部３４は回転子１０がロックであると判定する。ステップＳＴ５にて肯定的な判断がなされるとステップＳＴ７にて目標値設定部３２は目標値を変化前の目標値に戻す。

次に、回転子１０がロック状態にある場合における、上述した制御部３の動作による目標値と回転速度の検出値の変化について説明する。例えば図５に示すように、時刻ｔ０にて運転が開始されて目標値が値Ｒ２へと増大する。これにより回転速度の検出値は目標値へと向かって増大する。モータ１の運転により、回転子１０が振動を始めるからである。図５の例示では回転速度の検出値は目標値たる値Ｒ２に比べて低い値Ｒ１に漸近している。

かかる状況ではステップＳＴ１では肯定的な判定が示されるので、制御部３は例えば時刻ｔ１にて目標値を値Ｒ１よりも所定値Ｓ０低い値Ｒ３へと変化する。しかしながら、目標値が値Ｒ３へと変化したものの、回転速度の検出値は値Ｒ１を維持する。但し実際には値Ｒ１の近辺で小さく変動し得る。この場合、制御部３は回転速度の検出値が目標値に追随しないと判定して回転子１０がロック状態であると判定する。

一方、回転子が駆動対象とする負荷が重い場合についても考慮する。例えば図６に示すように回転速度の検出値たる値Ｒ１が目標値たるＲ３よりも高いときに制御部３が例えば時刻ｔ１にて目標値を値Ｒ１よりも所定値Ｓ０高い値Ｒ２へと変化した場合、回転速度の検出値は目標値たる値Ｒ３へと追随する。この場合、図４の処理によれば制御部３は回転子１０がロック状態であるとは判定しない。ステップＳＴ５にて否定的な判定がなされるからである。

以上のように、本ロックの検知方法によれば、単に回転子の負荷が重い場合にロックと誤検知することを抑制しながら、ロックを検知できる。

なお回転速度の検出値が目標値に追随しているか否かの判定は例えば次のように実行できる。制御部３は目標値を変化させた時刻ｔ１から所定期間が経過した時刻ｔ２での、回転速度の検出値と目標値との差Ｓ１が所定値Ｓ０のｋ倍（０＜ｋ＜１）以上であるときに、検出値が目標値に追随しないと判定する。これにより、簡単な演算で検出値が目標値に追随していないと判定できる。ひいては簡単な演算で回転子１０のロックを検知できる。

また例えば制御部３は目標値の変化の前後で回転速度の検出値の変化Ｓ２が所定の値以下であるときに回転速度の検出値が目標値に追随しないと判定してもよい。例えば目標値を変化させた時刻ｔ１の直前での回転速度の検出値と、時刻ｔ１から所定期間が経過した時刻ｔ２での回転速度の検出値との差Ｓ２が所定値Ｓ０のｈ倍（０＜ｈ＜１）以下であるときに、検出値が目標値に追随しないと判定する。これにより、検出値の比較によって検出値が目標値に追随しないと判定できる。

なお所定値Ｓ０として比較的大きな値を採用すると、目標値に追随しているかどうかを判定しやすい。極端な場合として目標値を０とし、実質的に回転を止める制御を行ってもよい。また所定値Ｓ０として比較的小さな値を採用するのであれば、複数回にわたって目標値を変化し、目標値の変化前の回転速度の検出値が最後に変化させた目標値へと追随しているかどうかを判定してもよい。

２ 位置検出センサ
３ 制御部
１０ 回転子

Claims (3)

1. モータの回転子（１０）の回転速度を検出し、前記回転速度の検出値と前記回転速度に対する目標値とに基づいて前記回転速度を制御するモータ制御装置（１００）において前記回転子のロックを検知する方法であって、
   前記検出値（Ｒ１）が前記目標値（Ｒ２）よりも低い場合に、前記検出値に対して所定値（Ｓ０）低い値（Ｒ３）に前記目標値を変化させるステップ（ａ）と、
   前記ステップ（ａ）の後において、前記検出値が前記目標値に追随しないときに、前記回転子がロック状態であると判定するステップ（ｂ）と
   を実行する、回転子のロック検知方法。
2. 前記ステップ（ｂ）において、前記ステップ（ａ）を実行して所定期間（τ）が経過した後の前記検出値と前記目標値との差（Ｓ１）が前記所定値（Ｓ０）のｋ倍（０＜ｋ＜１）以上であるときに、前記検出値が前記目標値に追随しないと判定する、請求項１に記載の回転子のロック検知方法。
3. 前記目標値の変化の前後で前記検出値の変化（Ｓ２）が所定の値以下であるときに前記検出値が前記目標値に追随しないと判定する、請求項１に記載の回転子のロック検知方法。

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