JP2011055635A - モータ制御装置及びモータ内蔵ローラ - Google Patents

Abstract

【課題】短時間の内に所望の回転速度に収斂させることができるモータ制御装置及びモータ内蔵ローラを開発することを課題とする。
【解決手段】３個のホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇから発せられるパルスのパターンが変化するごとに、基準信号が発せられる。基準信号が１２個発信されたならば、１２をその間のクロック数で除して平均回転速度を演算する。演算された平均回転速度と希望する回転速度（設定回転速度）とを比較し、両者の差が過大であるか否かを判断する。両者の差が過大であるならば、基準信号数を減少させて回転速度を検出する検出間隔を短縮する。
【選択図】図４

Description

本発明は、モータの回転速度を制御するモータ制御装置に関するものである。また本発明は、回転速度の制御装置を備えたモータ内蔵ローラに関するものである。

直流モータは、供給する電力を変化させることによって回転速度を変更することができる。
直流モータの回転数を制御する方策として、パルス幅変調（ＰＷＭ）を利用した方策が知られている。
パルス幅変調は、周知の制御技術であり、供給電力を微小間隔でオン・オフし、オン時間の比率を変化させることによって供給電力を増減する方策である。
パルス幅制御を利用してモータの回転数を制御する場合は、モータが一回転するごとにモータの回転速度を演算し、この回転速度（実際の回転速度）と、希望する回転速度（設定回転速度）とを比較し、両者の差に応じて供給電力のオン時間の比率を増減する。
その結果、実際の回転速度が設定回転速度よりも遅い場合は、供給電力のオン時間の比率が増大して大きな電力がモータに供給され、モータの回転速度が増大する。実際の回転速度が設定回転速度よりも早い場合は、供給電力のオン時間の比率が減少してモータに供給される電力が減少し、モータの回転速度が低下する。

またコンベア装置等の部品として、モータ内蔵ローラが知られている（特許文献２）。モータ内蔵ローラは、ローラ本体内にモータが内蔵され、ローラ本体内又はローラ本体外にモータ制御装置が配されたものである。
モータ内蔵ローラは、ローラコンベア装置の部品として好適である。モータ内蔵ローラを利用したコンベア装置は、フレームに、複数のモータ内蔵ローラ及び空転ローラを平行に取り付けたものである。

特許文献３には、複数のゾーンに区分けしたローラコンベア装置が開示されている。

特開２０００−６０１７７号公報 特開２００１−３４１４８４号公報 特開２００４−２６５０３号公報

ところで旧来のローラコンベア装置は、モータ内蔵ローラを常時回転させるものが主流であった。
これに対して、省エネルギーのために、搬送物があるときだけモータ内蔵ローラを回転させるコンベア装置が開発されている（特許文献３）。この種のコンベア装置は、ローラコンベア装置を複数のゾーンに区分けし、ゾーンごとにモータ内蔵ローラの起動・停止が行われる。そして常時はモータ内蔵ローラを停止状態としておき、自己のゾーンに搬送物が進入したときだけモータ内蔵ローラを回転させる。

また旧来のローラコンベア装置では、モータ内蔵ローラの回転速度は、常に一定であった。
これに対して、モータ内蔵ローラの回転速度を変化させる要求がある。
例えば本出願人は、先行する搬送物と、後の搬送物との間隔を調節するために、後の搬送物を搬送するモータ内蔵ローラの回転速度を増大させるローラコンベア装置を提案している（特願２００８−２７４８８５号）。

前記した様な自己のゾーンに搬送物が進入したときだけモータ内蔵ローラを回転させる構造や、搬送途中でモータ内蔵ローラの回転速度を変更する様な構成を採用する場合、モータ内蔵ローラの回転速度は、早期に所望の回転速度に調整されることが望ましい。
しかしながら、従来のモータの制御方法では、モータが一回転するごとにモータの回転速度を演算するものであるから、制御の遅れが大きい。
特にモータが超低速で回転している状態から、高速で回転する状態に切り換える際には、モータが一回転するのに時間がかかり、所望の回転速度に至るのに時間を要する。また逆に、モータの回転数がオーバーシュートし、目標の回転数を越えた回転数で回転してしまい、所望の回転数に収斂するのに時間が掛かってしまう場合もある。

ここで回転速度を演算する検出間隔を短縮して、１／２回転ごととか１／３回転ごとに供給電力を調整すれば、制御の遅れは解消されるが、モータが定常状態で運転されている際に、短い周期で供給電力を増減させると、モータの動作が不安定となる。

そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、短時間の内に所望の回転速度に収斂させることができ、且つ定常運転時にはモータの回転数が安定するモータ制御装置及びモータ内蔵ローラを開発することを課題とする。

上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、モータが基準回転量だけ回転するごとに、その間のモータの回転速度に関連する実速度情報を演算し、実速度情報と設定回転速度とを比較してモータに供給する電力を増減し、モータの回転速度を設定回転速度に近づけるモータ制御装置であって、実速度情報と設定回転速度とを比較し、両者の差が所定以上である場合には、実速度情報を演算する際の前記基準回転量を減少させて回転速度を検出する検出間隔を短縮する検出間隔短縮動作を行うことを特徴とするモータ制御装置である。

本発明のモータ制御装置では、実際の回転速度たる「実速度情報」と設定回転速度との差が大きい場合には、基準回転量を減少させて回転速度を検出する検出間隔を短縮する。例えば、通常は１回転ごとに実速度情報を演算するが、実速度情報と設定回転速度との差が大きい場合には、１／２回転ごとに実速度情報を演算するという様に、回転速度を検出する検出間隔を短縮する。そのためモータの回転速度が、短時間の内に所望の回転速度に収斂する。
本発明は、モータの回転制御の過渡期に検出間隔短縮動作を実行し、回転速度を検出する検出間隔を短縮するものである。

請求項２に記載の発明は、制御対象たるモータは、回転子と、固定子と、回転子の回転位置を検出する複数の回転位置検出素子を有するブラシレスモータであり、前記固定子は、複数のコイルを有し、前記回転位置検出素子の検出信号に応じて電力を供給するコイルを切替えて回転子の回転を維持させるものであり、モータ制御装置はクロック信号発信手段を有し、前記回転位置検出素子から発信される信号に基づいて回転子が一定角度回転する毎に所定の基準信号を発生させ、当該基準信号の発信回数を所定の基準数だけ計数し、その間に発信されたクロック信号の数に基づいて前記実速度情報を演算するものであり、前記検出間隔短縮動作は、前記基準数を減少方向に変更し、変更後の基準数を計数する間に発信されたクロック信号の数に基づいて前記実速度情報を演算することによって実行されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。

本発明のモータ制御装置は、ブラシレスモータの回転速度を制御するものである。ブラシレスモータは電力を供給するコイルを切替えて回転子の回転を維持させるものであり、回転子の回転位置を検出する複数の回転位置検出素子を備えている。本発明は、この回転位置検出素子を利用して基準回転量を求める。即ち本発明では、回転位置検出素子から発信される信号に基づいて回転子が一定角度回転する毎に所定の基準信号を発生させる。
基準信号は、回転位置検出素子から発信される信号そのものであってもよい。また回転位置検出素子から発信される信号を論理回路に入力してあらたな信号を取り出してもよい。
また本発明では、クロック信号の数に基づいて前記実速度情報を演算するものであるから、回転数の演算値が正確である。クロック信号発信手段は、他の装置のクロック信号発生装置からクロック信号を取り出してもよい。即ちＣＰＵを内蔵する装置は、クロック信号発生装置を内蔵している場合が多いので、他の装置からクロック信号を取り出し、この信号を流用してもよい。

請求項３に記載の発明は、回転位置検出素子の信号パターンが変化するごとに基準信号を発生させることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置である。

この構成によると、回転位置検出素子の信号をそのまま基準信号とする場合に比べてより多くの信号を作成することができる。そのためより精密な速度制御を実現することができる。

請求項４に記載の発明は、前記検出間隔短縮動作によって実速度情報を演算する際の前記基準回転量が減少された後、演算によって得られた実速度情報と設定回転速度との差が減少したことを条件として、実速度情報を演算する際の前記基準回転量を増加させる検出間隔復帰動作を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモータ制御装置である。

本発明では、実際の回転速度たる「実速度情報」と設定回転速度との差が減少すると、実速度情報を演算する際の前記基準回転量を増加させる。そのため回転速度が安定する。即ちモータが定常運転を行っている場合に、入力電力を頻繁に変更すると、回転速度がふらつく原因となる。そこで本発明では、実際の回転速度たる「実速度情報」と設定回転速度との差が減少すると、実速度情報を演算する際の前記基準回転量を増加させることとした。

請求項５に記載の発明は、基準回転量には、予め決定された複数段の回転量があり、検出間隔短縮動作及び／又は検出間隔復帰動作は、基準回転量となる回転量を一段階づつ変更するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ制御装置である。

本発明では、基準回転量となる回転量を一段階づつ変更されるので、基準回転量の変化量が限定される。そのため実速度情報の演算値が極端に変わることが阻止され、回転速度がオーバーシュートすることが防がれる。

請求項６に記載の発明は、基準回転量には、予め決定された複数段の回転量があり、検出間隔短縮動作及び／又は検出間隔復帰動作は、演算によって得られた実速度情報と設定回転速度との差に応じて一段階づつ又は段飛びして基準回転量を変更するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のモータ制御装置である。

本発明によると、基準回転量となる回転量が、段飛びして基準回転量を変更される場合もある。そのため実際の回転速度をより短時間で設定速度に近づけることができる。

請求項７に記載の発明は、ローラ本体内にモータが内蔵され、ローラ本体内又はローラ本体外にモータ制御装置が配されたモータ内蔵ローラにおいて、前記モータ制御装置が請求項１乃至６のいずれかに記載のモータ制御装置であることを特徴とするモータ内蔵ローラである。

本発明のモータ内蔵ローラは、設定回転速度を変更したとき、短時間の内に実際の回転速度が変更後の設定回転速度に収斂する。

本発明のモータ制御装置及びモータ内蔵ローラは、回転速度を変更させる場合の変更に要する時間が短いという効果がある。

本発明の実施形態のモータ内蔵ローラの断面図である。 本発明の実施形態のモータ制御装置で制御されるモータの回路図である。 本発明の実施形態のモータ制御装置のブロック図である。 本発明の実施形態のモータ制御装置の制御を示すフローチャートである。 （Ａ）は本発明の実施形態のモータ制御装置のホール素子から発せられる信号のタイムチャートであり、（Ｂ）は図２の上アームＳＵに入力される駆動信号のタイムチャートであり、（Ｃ）は図２の下アームＳＬに入力される駆動信号のタイムチャートである。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
実施形態のモータ内蔵ローラ１は、ローラコンベア装置等に使用されるものであり、図１の様にローラ本体２にモータ３と減速機５が内蔵されたものである。
ローラ本体２の両端からは固定軸６，７が突出している。固定軸６，７は、軸受け１０，１１を介してローラ本体２の中心に支持されており、ローラ本体２は固定軸６，７に対して相対的に回転する。本実施形態では、一方の固定軸６が中空であり、ローラ本体２の内外を連通する。そして固定軸６にはケーブル１２が挿通されている。
モータ内蔵ローラ１はモータ３の回転力が減速機５で減速されてローラ本体２に伝達され、ローラ本体２が回転するものである。
またモータ内蔵ローラ１は、モータ制御装置１５を有している。本実施形態では、モータ制御装置１５は、ローラ本体２の外にあり、前記したケーブル１２によってローラ本体内の部材と接続されている。

モータ制御装置１５は、図３の様に、ホールＩＣ確認部２５と、速度制御部２６及びモータ制御部２７及びクロック信号発生部２８を有している。

一方、ローラ本体２内に内蔵されるモータ３は、ブラシレスモータである。より具体的には、３本の電機子コイルＵ，Ｖ，Ｗを備えた固定子１７と、４極の永久磁石からなる回転子１８と、３個のホール素子（回転位置検出素子）Ｐ，Ｏ，Ｇを有するブラシレスモータである。
本実施形態では、各電機子コイルＵ，Ｖ，Ｗは、スター結線され、図２の様なスイッチング回路２３に接続されている。なおスイッチング回路２３は、ローラ本体２内に内蔵されている。図２のスイッチング回路２３は公知であるから詳細な説明を省略する。

ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇは、回転子１８の回転領域の近傍に、等角度離して設けられている。具体的には、ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇは、図２の様に回転子１８の中心として放射状に配され、それぞれ１２０度間隔で設置されている。ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇの信号は、図３の様に、モータ制御装置１５に送信され、モータ制御装置１５によって駆動信号が作成される。より具体的には、ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇの信号は、図３の様に、モータ制御装置１５のホールＩＣ確認部２５で受信されて駆動信号が作られる。
駆動信号は、モータ制御部２７を経てローラ本体２内に戻されてスイッチング回路２３の上アームＳＵ及び下アームＳＬに入力される。

次にモータ内蔵ローラの制御方法について説明する。
本実施形態で採用するホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇは、回転子１８のＮ極が接近したときだけパルス信号を発するものである。従って、回転子１８が一回転すると、各ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇは、それぞれ２回づつパルス信号を発信し、且つ各ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇから発信されるパルス信号は、１２０度づつ位相がずれる。

したがって、図５のＡ図の様に、モータ２の回転子１８が一回転すると、各ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇからそれぞれ１８０度間隔で２パルスが発せられる。
前記した様に、各ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇから発せられるパルスは、１２０度づつ位相がずれるから、３個のホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇから発せられるパルスのパターンは、図５のＡ図で番号を付した様に６通りのパターンが存在することとなる。
本実施形態では、図示しない論理回路に３個のホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇの信号が入力され、前記したパターンに応じた信号が作られる。そして前記したパターンに応じて図５のＢ図、Ｃ図の様に、上アームＳＵに入力される駆動信号と、下アームＳＬに入力される駆動信号が作成される。

また本実施形態では、３個のホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇから発せられるパルスのパターンが変化するごとに、基準信号が発せられる。本実施形態では、回転子１８が一回転するたびに、１２個の基準信号が発せられることとなる。

基準信号は、ホールＩＣ確認部２５から速度制御部２６に送られる。また速度制御部２６には、クロック信号発生部２８で発生させたクロック信号も入力される。そして速度制御部２６においては、基準信号とクロック信号に基づいてモータ３の回転速度が演算される。
即ちクロック信号は正確に一定間隔で発生し、基準信号は、回転子が一定角度回転する毎に発生するから、基準信号を一定個数だけカウントし、その間の基準信号のカウント数をクロック信号の数で除すると単位時間あたりの回転量（回転速度）が得られる。
この様に基準信号の発生個数と、クロック信号の個数によってモータの回転速度に関連する実速度情報が演算される。

そしてこの実速度情報はモータ制御部２７に送られる。モータ制御部２７では、実速度情報と設定された回転速度を比較し、この差に基づいて電機子コイルＵ，Ｖ，Ｗに入力する電力が増減される。具体的には、パルス幅変調（ＰＷＭ）を利用した制御が行われ、実速度情報と、希望する回転速度（設定回転速度）とを比較し、両者の差に応じて供給電力のオン時間の比率を増減する。即ち実際の回転速度が設定回転速度よりも遅い場合は、供給電力のオン時間の比率が増大して大きな電力がモータに供給され、回転子１２の回転速度が増大する。実際の回転速度が設定回転速度よりも早い場合は、供給電力のオン時間の比率が減少してモータ３に供給される電力が減少し、回転子１２の回転速度が低下する。

本実施形態では、原則的に、回転子１２が一回転するごとに、回転速度を演算し、設定回転速度と比較して供給電力のオン時間の比率を調節する。具体的には、基準信号を１２信号カウントするごとに供給電力のオン時間の比率を調節する。

また本実施形態のモータ制御装置１５は、特徴的動作として、検出間隔短縮動作を実行する。即ち実際の回転速度と設定回転速度と比較し、その差が過大である場合には、供給電力のオン時間の比率を調節するタイミングを速める。本実施形態に当てはめると、前記した様に、原則的に回転子１２が一回転するごとに、回転速度を演算し、設定回転速度と比較して供給電力のオン時間の比率を調節するところを、１／２回転とか、１／３回転ごとに、供給電力のオン時間の比率を調節することとなる。
さらに具体的に説明すると、基準信号のカウント数（基準数）を減らして供給電力のオン時間の比率を調節する。
即ち本実施形態では、原則的に基準数が１２であり、基準信号を１２個計数する間のクロック信号の数から実速度情報を演算するが、実際の回転速度と設定回転速度との差が過大である場合には、基準数を減らし、例えば１０とか６といった個数の基準信号を計数するごとに供給電力のオン時間の比率を調節する。
また実際の回転速度が設定回転速度に近づいた際には、基準数を基に戻す（検出間隔復帰動作）。

ここで検出間隔短縮動作を実行するか否かの判断基準となる、実際の回転速度と設定回転速度の差であるが、例えば１００ｒｐｍ等の固定の回転数でも良いし、設定回転速度に対する割合であってもよい。
即ち実際の回転速度と設定回転速度の差が、１００ｒｐｍ等の一定の回転数を越えていたならば、検出間隔短縮動作を行う。そして基準数は、段階的に一段づつ変更する。例えば、基準数を１２（一回転），６（１／２回転），４（１／３回転）という様に決めておき、実際の回転速度と設定回転速度の差が、１００ｒｐｍ等の一定の回転数を越えていたならノーマルの基準数１２（一回転）から一段階下の６（１／２回転）に変更する。そして次回の実速度情報を検知したとき、依然として実際の回転速度と設定回転速度の差が、１００ｒｐｍ等を越えていたならば、さらにもう一段階下げて４（１／３回転）に変更する。

また段階的に基準数を下げるのではなく、実際の回転速度と設定回転速度の差の大きさに応じて、段飛びして基準回転量を変更してもよい。例えば実際の回転速度と設定回転速度の差が、１００ｒｐｍ〜２００ｒｐｍであるならばノーマルの基準数１２（一回転）から一段階下の６（１／２回転）に変更するが、両者の差が２００ｒｐｍを越えている場合は、二段階下の６（１／２回転）に変更する。

検出間隔復帰動作についても同様であり、一段づつ復帰させてもよく、段飛び状に基準数を上昇させてもよい。

次に、検出間隔短縮動作及び検出間隔復帰動作の代表的な例を図４のフローチャートに基づいて説明する。
即ちモータの回転子１２が回転している間は、ステップ１で基準信号の個数を計数している。そして基準信号が所定の数に達すると、ステップ３に移行して平均回転数を演算する。
例えば、基準信号が１２個発信されたならば、基準信号の個数が所定数となり、ステップ２がイエスとなってステップ３に移行し、１２をその間のクロック数で除して平均回転速度を演算する。
そして演算された平均回転速度と希望する回転速度（設定回転速度）とを比較し、両者の差が過大であるか否かを判断する。

両者の差が過大であるならば、ステップ５に移行し、基準信号数を減少させてステップ１に戻る（検出間隔短縮動作）。
もちろん、この間には、通常のモータの回転数制御に従い、供給電力のオン時間の割合を減少させる調整が行われている。

そしてステップ１に戻って再度上記したステップを繰り返すが、前記した様に供給電力のオン時間の割合を減少させる調整が行われているので、回転子１２の回転速度は減少傾向となる。そのため再度のステップ４では、平均回転速度と希望する回転速度（設定回転速度）との差が減少傾向となっているはずである。
しかしなお両者の差が過大であるならば、ステップ５に移行し、再度基準信号数を減少させる。
逆に、平均回転速度と希望する回転速度（設定回転速度）との差が小さくなっておれば、基準信号数を通常値たる１２に戻す（検出間隔復帰動作）。

ステップ６がＮＯとなった場合は、平均回転速度と希望する回転速度（設定回転速度）との差が過大ではないが小さくもない場合である。この場合は、基準信号数が減少された状態を維持し、ステップ１に戻す。

本実施形態のモータ制御装置１５によると、平均回転速度と希望する回転速度（設定回転速度）との差が過大であるならば、供給電力のオン時間の比率を調節する間隔を短くするので、モータの回転速度が設定回転速度に収斂するのに要する時間が短い。
またモータが定常運転に入ると、供給電力のオン時間の比率を調節する間隔を通常の間隔に戻すので、回転速度のばらつきが小さくなり、回転速度が安定する。

上記した実施形態では、基準信号を所定数計数するごとに基準数の見直しを行うが、基準数の見直しは必ずしも毎回行う必要はない。例えば、一旦基準数が変更されたら、一定時間の間又は一定の回転数だけ回転するまでの間、その基準数を維持させてもよい。

上記した実施形態では、回転位置検出素子の信号パターンが変化するごとに基準信号を発生させたが、ホール素子Ｐ，Ｏ，Ｇが発生する信号をそのまま基準信号として採用してもよい。

１ モータ内蔵ローラ
３ モータ
１５ モータ制御装置
１７ 固定子
１８ 回転子
２８ クロック信号発部
Ｕ 電機子コイル
Ｖ 電機子コイル
Ｗ 電機子コイル
Ｐ ホール素子（回転位置検出素子）
Ｇ ホール素子（回転位置検出素子）
Ｏ ホール素子（回転位置検出素子）

Claims (7)

1. モータが基準回転量だけ回転するごとに、その間のモータの回転速度に関連する実速度情報を演算し、実速度情報と設定回転速度とを比較してモータに供給する電力を増減し、モータの回転速度を設定回転速度に近づけるモータ制御装置であって、実速度情報と設定回転速度とを比較し、両者の差が所定以上である場合には、実速度情報を演算する際の前記基準回転量を減少させて回転速度を検出する検出間隔を短縮する検出間隔短縮動作を行うことを特徴とするモータ制御装置。
2. 制御対象たるモータは、回転子と、固定子と、回転子の回転位置を検出する複数の回転位置検出素子を有するブラシレスモータであり、前記固定子は、複数のコイルを有し、前記回転位置検出素子の検出信号に応じて電力を供給するコイルを切替えて回転子の回転を維持させるものであり、モータ制御装置はクロック信号発信手段を有し、前記回転位置検出素子から発信される信号に基づいて回転子が一定角度回転する毎に所定の基準信号を発生させ、当該基準信号の発信回数を所定の基準数だけ計数し、その間に発信されたクロック信号の数に基づいて前記平均回転速度を演算するものであり、前記検出間隔短縮動作は、前記基準数を減少方向に変更し、変更後の基準数を計数する間に発信されたクロック信号の数に基づいて前記実速度情報を演算することによって実行されることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 回転位置検出素子の信号パターンが変化するごとに基準信号を発生させることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記検出間隔短縮動作によって実速度情報を演算する際の前記基準回転量が減少された後、演算によって得られた実速度情報と設定回転速度との差が減少したことを条件として、実速度情報を演算する際の前記基準回転量を増加させる検出間隔復帰動作を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモータ制御装置。
5. 基準回転量には、予め決定された複数段の回転量があり、検出間隔短縮動作及び／又は検出間隔復帰動作は、基準回転量となる回転量を一段階づつ変更するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ制御装置。
6. 基準回転量には、予め決定された複数段の回転量があり、検出間隔短縮動作及び／又は検出間隔復帰動作は、演算によって得られた実速度情報と設定回転速度との差に応じて一段階づつ又は段飛びして基準回転量を変更するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のモータ制御装置。
7. ローラ本体内にモータが内蔵され、ローラ本体内又はローラ本体外にモータ制御装置が配されたモータ内蔵ローラにおいて、前記モータ制御装置が請求項１乃至６のいずれかに記載のモータ制御装置であることを特徴とするモータ内蔵ローラ。

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