JP2011097720A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバック駆動からオープンループ駆動へ切り替える際に生じる振動を低減するモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】本発明のモータ駆動装置は、モータをオープンループ駆動する第１駆動手段と、前記モータをフィードバック駆動する第２駆動手段と、位置センサの出力からロータの回転周波数及び回転角加速度を算出する演算手段と、前記第２駆動手段で前記ロータの加速駆動、定速駆動、及び、減速駆動を行った後、フィードバック駆動からオープンループ駆動に切り替えて、前記第１駆動手段で前記ロータの減速駆動を更に行うように制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記フィードバック駆動から前記オープンループ駆動に切り替える際に、前記演算手段で算出された前記第２駆動手段による駆動の際の前記回転周波数及び前記回転角加速度が前記第１駆動手段による駆動の際の初期回転周波数及び初期回転角加速度に近づくように制御する。
【選択図】図１０

Description

本発明はモータ駆動装置に係り、特に、ロータの位置を検出する位置センサを有するモータ駆動装置に関する。

オープンループ駆動及びフィードバック駆動を切り替えてモータの駆動制御を行うモータ駆動装置において、フィードバック駆動からオープンループ駆動への切り替えは、通常、位置センサに基づいて検出されたロータの回転周波数が所定値に達したときに行われる。
特許文献１では、オープンループ駆動及びフィードバック駆動の切り替えを、モータの位置センサの出力に応じたタイミングで行うことが開示されている。また、切り替え時におけるロータの回転位置を、ロータがマイクロステップ駆動において電磁気的に安定して静止する位置に一致させることで、切り替え時のロータの振動を防止する方法が開示されている。

特開平１０−１５０７９８号公報

しかしながら、フィードバック駆動からオープンループ駆動へ切り替える際にロータの回転加速度が急変する場合、ロータの回転慣性のために衝撃振動が生じる。特許文献１に開示された技術では、このような振動の発生を抑制できない。

そこで本発明は、フィードバック駆動からオープンループ駆動へ切り替える際に生じる振動を低減するモータ駆動装置を提供する。

本発明の一側面としてのモータ駆動装置は、所定の時間間隔に従ってモータのコイルへの通電を切り替えることで、前記モータをオープンループ駆動する第１駆動手段と、ロータの位置を検出する位置センサの出力に応じて前記モータの前記コイルへの通電を切り替えることで、前記モータをフィードバック駆動する第２駆動手段と、前記位置センサの出力から前記ロータの回転周波数及び回転角加速度を算出する演算手段と、前記第２駆動手段で前記ロータの加速駆動、定速駆動、及び、減速駆動を行ったのち、前記フィードバック駆動から前記オープンループ駆動に切り替えて、前記第１駆動手段で該ロータの減速駆動を更に行うように制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記フィードバック駆動から前記オープンループ駆動に切り替える際に、前記演算手段で算出された前記第２駆動手段による駆動の際の前記回転周波数及び前記回転角加速度が前記第１駆動手段による駆動の際の初期回転周波数及び初期回転角加速度に近づくように制御する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、フィードバック駆動からオープンループ駆動へ切り替える際に生じる振動を低減するモータ駆動装置を提供することができる。

本実施例におけるモータの外観斜視図である。 本実施例におけるモータ駆動装置のブロック構成図である。 本実施例のモータにおいて、ヨーク、位置センサ、及び、ロータの位相関係を示す軸方向の断面図である。 本実施例において、ロータ位置とモータトルクとの関係、及び、ロータ位置と位置センサの出力との関係を示すグラフである。 本実施例における進角回路の構成図である。 本実施例のモータにおいて、ＦＢ駆動時の動作を示す軸方向の断面図である。 本実施例において、進角信号が所定の進角αを有する場合において、ロータの回転角度とモータトルクとの関係、及び、ロータの回転角度と各信号の出力との関係を示すグラフである。 本実施例において、進角を変えたときのトルクと回転数の関係を示すグラフである。 本実施例のモータ駆動装置における理想的な駆動の概略図である。 本実施例において、ＦＢ駆動区間での減速動作の開始時からＯＰ駆動区間の開始時の間のロータの回転周波数と回転位置との関係を示す図である。 本実施例において、ＦＢ駆動区間とＯＰ駆動区間の切り替えの際に許容される誤差範囲を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本実施例のモータ駆動装置により駆動されるモータの構成について説明する。図１は、本実施例のモータ１０１の外観斜視図である。なお、図１では、説明のため一部の部品を破断して示している。モータ１０１は、マグネット２０１を有するロータ２０２、第１の励磁コイル２０３、第２の励磁コイル２０４、第１のヨーク２０５、第２のヨーク２０６、第１の位置センサ２０７、及び、第２の位置センサ２０８を備える。このうち、第１の励磁コイル２０３、第２の励磁コイル２０４、第１のヨーク２０５、第２のヨーク２０６、第１の位置センサ２０７、及び、第２の位置センサ２０８によってステータが構成される。

マグネット２０１は、外周が多極着磁された円筒形状の永久磁石である。角度位置に対し、径方向の磁力の強さが正弦波状に変化する着磁パターンを有する。マグネット２０１としては、例えば、磁束密度の高いネオジウム磁石が用いられるが、これに限定されるものではない。ロータ２０２は、ステータに対して回転可能に支持され、マグネット２０１と一体に固定されている。

第１のヨーク２０５は、第１の励磁コイル２０３に励磁される複数の磁極歯を有する。励磁される極を切り替えることで、ロータ２０２に与えるトルクを変化させることができる。第２のヨーク２０６は、第２の励磁コイル２０４に励磁される複数の磁極歯を有する。励磁される極を切り替えることで、ロータ２０２に与えるトルクを変化させることができる。

第１の位置センサ２０７及び第２の位置センサ２０８は、マグネット２０１の磁束を検出して、その検出信号を出力するホール素子である。本実施例において、マグネット２０１の磁束はホール素子によって検出される。しかしながら、ロータ位置の検出方式はこれに限定されるものではない。ロータの回転に伴って変位する検出用マグネットを配置して検出してもよく、また、遮光板やパターン面を光学センサによって読み取ってもよい。位置センサは、モータと一体に固定されていてもよく、また、モータとは別部材に固定されていてもよい。

次に、本実施例におけるモータ駆動装置の構成について説明する。図２は、モータ駆動装置１のブロック構成図である。３０１は、モータ１０１に備えられた第１の位置センサ２０７及び第２の位置センサ２０８の出力を処理する位置センサ信号処理回路（演算手段）である。位置センサ信号処理回路３０１は、各位置センサの出力からロータ２０２の回転周波数及び回転角加速度を算出する。３０２は、後述のフィードバック駆動回路３０３又はオープンループ駆動回路３０４のいずれかを選択して、ロータ２０２の加速駆動、定速駆動、及び、減速駆動（停止駆動）等の各駆動制御を行う制御部（制御手段）である。３０３はフィードバック駆動回路であり、３０４はオープンループ駆動回路である。フィードバック駆動回路３０３及びオープンループ駆動回路３０４のうち制御部３０２により選択された一方は、モータ１０１の駆動信号を生成する。３０５は、フィードバック駆動回路３０３又はオープンループ駆動回路３０４からの駆動信号に基づいてモータ１０１を駆動するモータドライバである。モータ駆動装置１は、以上の構成要素を備える。

オープンループ駆動回路３０４及びモータドライバ３０５（第１駆動手段）は、モータ１０１に対してオープンループ駆動（ＯＰ駆動）を行う。ＯＰ駆動とは、通常のステップモータのオープンループ制御と同様に、所定の時間間隔に従ってモータのコイルへの通電を切り替える駆動方法である。すなわち、オープンループ駆動回路３０４及びモータドライバ３０５は、駆動パルス間隔（駆動周波数）と回転方向に従って、第１の励磁コイル２０３と第２の励磁コイル２０４への通電を順次切り替える。このような制御により、ロータ２０２を所望の速度で回転させることができる（速度制御）。また、駆動パルス数に従って、ロータ２０２を所望の角度だけ回転させることも可能である（位置制御）。

このように、ＯＰ駆動では、所定の時間間隔（駆動パルス間隔）に従ってコイルへの通電を切り替える。このため、位置センサの検出結果の影響を受けずにコイルの通電切り替えタイミングを制御することができる。ただし、駆動速度を速く（駆動パルス間隔を短く）すると、コイル通電の切り替えに対するロータの応答が困難となり、脱調を起こす可能性がある。このため、駆動パルス間隔に加減を加える必要があり、高速での駆動が制限される。

フィードバック駆動回路３０３及びモータドライバ３０５（第２駆動手段）は、モータ１０１に対してフィードバック駆動（ＦＢ駆動）を行う。ＦＢ駆動とは、ロータ２０２の位置を検出する位置センサ（第１の位置センサ２０７、第２の位置センサ２０８）の出力に応じてモータのコイルへの通電を切り替える駆動方法である。すなわち、フィードバック駆動回路３０３及びモータドライバ３０５は、駆動パルス数、回転方向、及び、位置センサの出力する検出信号をもとに生成される進角信号に従って、第１の励磁コイル２０３と第２の励磁コイル２０４との通電を順次切り替える。このような制御により、ロータ２０２を所望の角度だけ回転させることが可能である（位置制御）。また、第１の励磁コイル２０３と第２の励磁コイル２０４に流れる電流又は電圧を制御することで、ロータ２０２を所望のトルクで回転させることもできる（電流／電圧制御）。さらに、前記検出信号と前記進角信号との間の位相差（進角）を制御することで、トルク−回転数特性を変化させることが可能である（進角制御）。なお、進角制御については後述する。

ＦＢ駆動では、コイルの通電切り替えはロータの位置に合わせて行われる。このため、ロータの応答遅れによる脱調の発生を低減させることができ、高速駆動が可能となる。

次に、本実施例のモータ１０１におけるヨークと位置センサの位相関係について説明する。図３は、モータ１０１において、ヨーク、位置センサ、及び、ロータの位相関係を示す軸方向の断面図である。図３中では、時計回りを正の方向とする。２０５ａ〜２０５ｄは第１のヨーク２０５の磁極歯であり、２０６ａ〜２０６ｄは第２のヨーク２０６の磁極歯である。本実施例では、マグネットの極数は８極であり、着磁角Ｐは４５°である。また、第１のヨーク２０５を基準とすると、第２のヨーク２０６の位相Ｐ／２は−２２．５°、第１の位置センサ２０７の位相β１は＋２２．５°、第２の位置センサ２０８の位相β２は−４５°である。

以下、電気角を用いてモータの動作について説明する。電気角とは、マグネット磁力の１周期を３６０°として表されるものであり、ロータの極数をＭ、実際の角度をθ_０とすると、電気角θは以下の式（１）で表される。

θ＝θ_０×Ｍ／２ …（１）
第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６の位相差、第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８の位相差、第１のヨーク２０５と第１の位置センサ２０７の位相差は全て、電気角で９０°である。なお、図３において、第１のヨーク２０５の磁極歯中心とマグネット２０１のＮ極中心は対向している。この状態をロータの初期状態とし、電気角を０°とする。

次に、モータ１０１におけるロータの回転角度とモータトルクとの関係、及び、ロータの回転角度と各信号との関係について説明する。図４は、ロータの回転角度とモータトルク及び位置センサの出力との関係を示すグラフである。

図４（１）は、ロータの回転角度（ロータ位置）とモータトルクとの関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸はモータトルクを示す。図４（１）において、ロータを時計回りに回転させるモータトルクを正とする。第１の励磁コイル２０３に正方向の電流を流すと、第１のヨーク２０５がＮ極に磁化し、マグネット２０１の磁極との間に電磁気力が発生する。また、第２の励磁コイル２０４に正方向の電流を流すと、第２のヨーク２０６がＮ極に磁化し、マグネットの磁極との間に電磁気力が発生する。２つの電磁気力を合成すると、ロータ２０２の回転に伴って略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ＋）。他の通電状態においても、同様に、略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋）。また第１のヨーク２０５は、第２のヨーク２０６に対して電気角で９０°の位相を有して配置される。このため、４つのトルクは、互いに電気角で９０°の位相差を有する。

図４（２）は、ロータの回転角度（ロータ位置）と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。マグネット２０１は、その径方向における磁力の強さが電気角に対して略正弦波状になるように着磁される。このため、第１の位置センサ２０７からは、略正弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ａ）。なお本実施例では、第１の位置センサ２０７は、マグネット２０１のＮ極と対向するときに正の値を出力する。

また、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して電気角で９０°の位相を有して配置される。このため、第２の位置センサ２０８からは略余弦波状の信号が得られる（位置センサ信号Ｂ）。本実施例において、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して反転した極性を有する。このため、第２の位置センサ２０８は、マグネット２０１のＳ極と対向するときに正の値を出力する。

第１の位置センサ２０７及び第２の位置センサ２０８の出力は、位置センサ信号処理回路３０１で所定の演算が行われ、フィードバック駆動回路３０３の一部を構成する進角回路に入力される。進角回路は、制御部３０２にて設定される任意の進角を有する第１の進角信号及び第２の進角信号を出力する。以下、これらの進角信号の演算方法について説明する。

電気角をθ、第１の位置センサ２０７の出力をＨＥ１、第２の位置センサ２０８の出力をＨＥ２とすると、各出力は、次の式（２−１）、（２−２）のように表される。

ＨＥ１＝ｓｉｎθ … （２−１）
ＨＥ２＝ｃｏｓθ … （２−２）
ここで、進角αだけ進めた第１の進角信号をＰＳ１、進角αだけ進めた第２の進角信号をＰＳ２とすると、ＨＥ１、ＨＥ２、αを用いて、次の式（３−１）、（３−２）ように演算することができる。

ＰＳ１＝ｓｉｎ（θ＋α）＝ＨＥ１×ｃｏｓα＋ＨＥ２×ｓｉｎα … （３−１）
ＰＳ２＝ｃｏｓ（θ＋α）＝ＨＥ２×ｃｏｓα−ＨＥ１×ｓｉｎα … （３−２）
本実施例では、上記の演算式（３−１）、（３−２）に基づいて進角回路を構成する。図５は、本実施例における進角回路３０６の構成を示す図である。進角回路３０６は、例えば図５に示されるようなアナログ回路で構成される。このような進角回路により、上記の演算が実現可能となる。まず、各位置センサ出力を所定の増幅率Ａで増幅した信号と、さらにそれらの出力を反転させた信号を生成する（Ａｓｉｎθ、Ａｃｏｓθ、−Ａｓｉｎθ、−Ａｃｏｓθ）。これらの信号に適切な抵抗値Ｒ１、Ｒ２を掛けて加算することにより、進角信号が生成される。第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２は次の式（４−１）、（４−２）のように表される。

ＰＳ１＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｓｉｎθ＋Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｃｏｓθ … （４−１）
ＰＳ２＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｃｏｓθ−Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｓｉｎθ … （４−２）
進角回路中の抵抗Ｒ、可変抵抗Ｒ１、Ｒ２を以下の式（５−１）、（５−２）を満たすように選ぶことで、任意の進角αだけ進めた進角信号を生成することができる。

Ｒ／Ｒ１＝ｃｏｓα … （５−１）
Ｒ／Ｒ２＝ｓｉｎα … （５−２）
第１の進角信号ＰＳ１及び第２の進角信号ＰＳ２は、コンパレータにより二値化され、コンパレータから二値化信号が出力される。

本実施例における進角信号の生成方法は、上述のアナログ回路を用いた方法に限定されるものではない。デジタル回路を用いて進角信号を生成してもよく、また、高分解能のエンコーダを用いて通電を切り替えるパルス間隔を調整することで進角信号を生成してもよい。

次に、ＦＢ駆動における通電切り替えについて説明する。まず、進角回路３０６から出力される進角信号の進角がゼロの場合について、ＦＢ駆動の動作を説明する。図４（２）において、進角信号Ａ、進角信号Ｂは、位置センサ信号Ａと位置センサ信号Ｂに対して前述の進角演算を行い、進角が与えられた信号である。図４（２）には、進角がゼロの場合が示されている。このため、第１の位置センサ２０７の出力であるセンサ信号Ａと進角信号Ａ、第２の位置センサ２０８の出力であるセンサ信号Ｂと進角信号Ｂは、それぞれ一致している。２値化信号Ａ及び２値化信号Ｂは、進角信号Ａ及び進角信号Ｂに対して、コンパレータで２値化を行うことにより得られた信号である。

ＦＢ駆動において、モータドライバ３０５は、２値化信号Ａに基づいて第１の励磁コイル２０３の通電を切り替え、２値化信号Ｂに基づいて第２の励磁コイル２０４の通電を切り替える。すなわち、モータドライバ３０５は、２値化信号Ａが正の値である場合に第１の励磁コイル２０３に正方向の電流を流し、負の値である場合に第１の励磁コイル２０３に逆方向の電流を流す。またモータドライバ３０５は、２値化信号Ｂが正の値である場合に第２の励磁コイル２０４に正方向の電流を流し、負の値である場合に第２の励磁コイル２０４に逆方向の電流を流す。

図６は、本実施例のモータ１０１において、ＦＢ駆動時の動作を示す軸方向の断面図である。図６（ａ）は、ロータが電気角で１３５°回転した状態を示している。このとき、図４（２）中の（ａ）で表されるように、２値化信号Ａは正、２値化信号Ｂは負の値をそれぞれ示す。従って、第１の励磁コイル２０３には正方向の電流が流れ、第１のヨーク２０５はＮ極に磁化する。一方、第２の励磁コイル２０４には逆方向の電流が流れ、第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ＋Ｂ−に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｂ）は、ロータ２０２が電気角で１８０°回転した状態を示している。このとき、２値化信号Ａ、Ｂは図４（２）中の（ｂ）で表される。第１の位置センサ２０７は、マグネット２０１のＮ極とＳ極の境界に位置する。このため、電気角１８０°を境に２値化信号Ａは正から負の値に切り替わり、第１の励磁コイル２０３の通電方向が正方向から逆方向へ切り替わる。この電気角は、トルク曲線Ａ＋Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ−との交点の電気角と一致する。

図６（ｂ’）はロータが電気角で１８０°回転し、第１の励磁コイル２０３の通電方向が切り替わった状態を示している。第１の励磁コイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２の励磁コイル２０４には逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｃ）はロータ２０２が電気角で２２５°回転した状態を示している。このとき、図４（２）の（ｃ）で表されるように、２値化信号Ａ、Ｂはいずれも負の値を示す。従って、第１の励磁コイル２０３には逆方向（負方向）の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２の励磁コイル２０４にも逆方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（ｄ）は、ロータ２０２が電気角で２７０°回転した状態を示している。２値化信号Ａ、Ｂは図４（２）の（ｄ）で表される。このとき、第２の位置センサ２０８は、マグネット２０１のＮ極とＳ極の境界に位置する。このため、電気角２７０°を境に２値化信号Ｂは負から正の値に切り替わり、第２の励磁コイル２０４の通電方向が逆方向から正方向へ切り替わる。この電気角は、トルク曲線Ａ−Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ＋との交点の電気角と一致する。

図６（ｄ’）は、ロータ２０２が電気角で２７０°回転し、第２の励磁コイル２０４の通電方向が切り替わった状態を示している。第２の励磁コイル２０４には正方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＮ極に磁化し、第１の励磁コイル２０３には逆方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化する。このとき、ロータ２０２には図４（１）のトルク曲線Ａ−Ｂ＋に対応する時計回りのトルクが働き、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
以上の動作を繰り返すことで、ロータ２０２を連続的に回転させることができる。また、２値化信号Ａ、Ｂの正負を反転させることにより、逆に回転させることも可能である。

次に、進角回路３０６から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合におけるＦＢ駆動の動作を説明する。図７は、進角信号が所定の進角αを有する場合において、ロータの回転角度とモータトルク及び各信号の出力との関係を示すグラフである。

図７（１）は、ロータの回転角度（ロータ位置）とモータトルクとの関係を示し、横軸は電気角を、縦軸はモータトルクを示す。図７（２）は、ロータの回転角度（ロータ位置）と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。図７（２）において、進角信号Ａは、センサ信号Ａに対して所定の進角αだけ進んでいる。同様に、進角信号Ｂは、センサ信号Ｂに対して所定の進角αだけ進んでいる。また、進角信号Ａ、Ｂに基づいて生成された２値化信号Ａ、Ｂも、それぞれセンサ信号Ａ、Ｂに対して進角αだけ進んでいる。ＦＢ駆動では、２値化信号Ａに基づいて第１の励磁コイル２０３への通電を切り替え、２値化信号Ｂに基づいて第２の励磁コイル２０４への通電を切り替える。このため、コイルの通電切り替えタイミングは、進角がゼロの場合に比べて進角αだけ早いことになる。

図８は、進角を変えたとき（進角値θｐ＝０、αの場合）のトルクと回転数の関係を示すグラフである。横軸はモータのトルクを、縦軸はモータの回転数を示す。図８に示されるように、進角αによってトルクと回転数の関係が変化する。ＦＢ駆動では、この性質を用いて、駆動条件によって進角αを変える進角制御（通電位相制御）が行われる。一定の負荷条件下でＦＢ駆動を行う場合、進角αを制御することで駆動速度を制御することも可能である。

上述のＯＰ駆動とＦＢ駆動とを組み合わせることにより、通常のステップモータと同等の精度でロータを目標位置に停止させることができるとともに、通常のステップモータよりも高速にロータを目標位置に到達させることが可能となる。図９は、本実施例のモータ駆動装置１における理想的な駆動の概略図である。図９において、縦軸はロータ２０２の回転周波数を示し、横軸はロータの回転開始から回転終了（目標位置での停止）までの時間を示す。

図９に示されるように、ロータ２０２の回転開始から回転終了（目標位置での停止）までは、ＦＢ駆動を行う区間（ＦＢ駆動区間）とＯＰ駆動を行う区間（ＯＰ駆動区間）に大別される。ＦＢ駆動区間では、回転開始時のロータ停止状態からＦＢ駆動によりロータの回転周波数が増大し、モータ１０１がモータドライバ３０５によって印加された駆動信号の電圧Ｖ_１により発生し得る最大の回転周波数Ｆ_ｍａｘ１に到達する。回転周波数Ｆ_ｍａｘ１に到達した後、ロータ２０２は一定の速度（一定の回転周波数Ｆ_ｍａｘ１）で回転する。

その後、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間へ移行するため、駆動信号の電圧をＶ_２（Ｖ_２＜Ｖ_１）に低下させてロータ２０２の減速を開始する。この駆動信号の電圧は、例えばＰＷＭ駆動の場合、デューティ比を低下させること等により低下させることができる。本実施例では、デューティ比を低下させる印加電圧制御を用いてロータ２０２を減速させるが、これに限定されるものではない。例えば、励磁コイルへの電流量制御や前述の進角制御等によっても減速動作が可能である。また、これらの制御を複数組み合わせて減速動作を行うことも可能である。

モータ１０１は、モータドライバ３０５により印加される駆動信号の電圧Ｖ_２により発生し得る最大の回転周波数Ｆ_ｍａｘ２となるように減速する。すなわちロータ２０２は、（Ｆ_ｍａｘ２−Ｆ_ｍａｘ１）／ΔＴ_ｄで表される負の回転角加速度Ａ_ＦＢ１で減速を開始する。ここで、ΔＴ_ｄはロータ２０２の回転周波数がＦ_ｍａｘ１からＦ_ｍａｘ２に変化するのに要する時間である。

制御部３０２は、等加速度（回転角加速度Ａ_ＦＢ１）の減速途中である所定の時間Ｔ_Ｘに、オープンループ駆動回路３０４及びモータドライバ３０５を用いた駆動を行うＯＰ駆動に切り替える。この時間Ｔｘにおいて、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間に移行する。この切り替え時の前後では、以下の式（６）に表されるように、ＦＢ駆動区間の最後におけるロータ２０２の回転角加速度Ａ_Ｘ及び回転周波数Ｆ_Ｘは、ＯＰ駆動区間の開始時における初期回転角加速度Ａ_１及び初期回転周波数Ｆ_１とそれぞれ等しいことが理想的である。

ＯＰ駆動時におけるロータ２０２の初期回転周波数Ｆ_１は、予め設定された減速パターンに則した値であり、固定値である。同様に、初期回転角加速度Ａ_１も固定値である。ＯＰ駆動時における減速パターンは、例えば以下の表１に示されるようなテーブルとして、制御部３０２に保持されている。

減速パターンは、第１駆動手段が励磁コイルへの通電を切り替える時間間隔の列Ｔ_ｎ（ｎ＝１、２、…）、及び、第１駆動手段による駆動の際の回転周波数の列Ｆ_ｎ（ｎ＝１、２、…）を定める。表１に示されるように、初期回転周波数Ｆ_１は１３７５［ＰＰＳ］である。また、初期回転角加速度Ａ_１は、（Ｆ_２−Ｆ_１）／Ｔ_１で算出される。このように、制御部３０２は、ロータ２０２の目標位置に達するまでＯＰ駆動を行い、ロータ２０２を停止させる。

しかしながら、実際には、モータ１０１には製造ばらつき等に基づく個体差がある。このため、モータ１０１が一定電圧によりＦＢ駆動された場合でも、最大の回転周波数Ｆ_ｍａｘ１には個体差があるため、ＦＢ駆動区間の最後の回転角加速度Ａ_ＸがＯＰ駆動区間の初期回転角加速度Ａ_１に一致するとは限らない。また、ＦＢ駆動区間の最後の回転周波数Ｆ_ＸがＯＰ駆動区間の初期回転周波数Ｆ_１に一致しない状態でＯＰ駆動区間に移行する場合がある。ＦＢ駆動区間での最後の回転角加速度Ａ_ＸがＯＰ駆動区間の初期回転加速度Ａ_１に一致しない場合、ロータ２０２の回転角加速度が急変する。このため、ロータ２０２に不要な振動等が発生し、モータ１０１が脱調するおそれがある。ＦＢ駆動区間の最後の回転周波数Ｆ_ＸがＯＰ駆動区間の初期回転周波数Ｆ_１に一致しない状態でＯＰ駆動区間に移行する場合にも、ロータ２０２の回転周波数は急変する。このため、上述と同様に、モータ１０１が脱調するおそれがある。従って、上述のような単純な電圧制御による減速動作だけでは、ＦＢ駆動区間とＯＰ駆動区間との間の円滑な切り替えが困難となる。

以下、モータ１０１の製造ばらつきを考慮し、制御部３０２によってロータ２０２の回転周波数及び回転角加速度の制御を行う方法について説明する。図１０は、ＦＢ駆動区間での減速動作の開始時からＯＰ駆動区間の開始時の間のロータ２０２の回転周波数と回転位置との関係を示す図である。図１０において、曲線（Ｉ）は設計中心のモータ１０１による駆動の状態を示す。また同図において、曲線（ＩＩ）及び曲線（ＩＩＩ）はそれぞれ、製造ばらつきによりロータ２０２の最大の回転周波数Ｆ_ｍａｘ１がＦ_{ｍａｘ１（＋）}及びＦ_{ｍａｘ１（−）}（Ｆ_{ｍａｘ１（＋）}＞Ｆ_{ｍａｘ１（−）}）となるモータ１０１の駆動の状態を示す。

制御部３０２は、ＦＢ駆動区間の減速開始位置Ｐ_ＦＢ０における回転周波数Ｆ_ＦＢ０、及び、減速開始位置Ｐ_ＦＢ０から所定の位置Ｐ_ＦＢ１に到達するまでの間、位置センサ信号処理回路３０１の出力であるロータ２０２の回転角加速度Ａ_ＦＢ０を計測する。

設計中心のモータ１０１（曲線（Ｉ））については、ＦＢ駆動区間の減速開始位置Ｐ_ＦＢ０での回転周波数Ｆ_ＦＢ０＝Ｆ_ｍａｘ１、及び、減速開始位置Ｐ_ＦＢ０から位置Ｐ_ＦＢ１までの間の回転角加速度Ａ_ＦＢ０＝Ａ_ＦＢ１が計測される。このようなモータ１０１の場合、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間への円滑な切り替えが可能となる。このため、制御部３０２は回転速度及び回転角加速度を制御することなく、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間への切り替え位置Ｐ_Ｘまで負の回転角加速度Ａ_ＦＢ１で減速動作を継続する。

設計中心よりも最大の回転周波数が高いモータ１０１（曲線（ＩＩ））については、回転周波数Ｆ_ＦＢ０＝Ｆ_{ｍａｘ１（＋）}、及び、回転角加速度Ａ_ＦＢ０＝Ａ_{ＦＢ１（＋）}（Ａ_{ＦＢ１（＋）}＞Ａ_ＦＢ１）が計測される。このとき、回転角加速度Ａ_{ＦＢ１（＋）}での減速動作を継続すると、切り替え位置Ｐ_Ｘでのロータ２０２の回転周波数はＦ_１より大きく、また、回転角加速度もＡ_１より大きくなる。このため、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間への移行に際し、不要な振動が発生してモータ１０１が脱調するおそれがある。

本実施例では、制御部３０２は、回転変位Ｐ_Ｘ−Ｐ_ＦＢ１の間に、切り替え位置Ｐ_Ｘでの回転周波数及び回転角加速度がそれぞれＦ_１、Ａ_１となるように、励磁コイルに印加する電圧のデューティ比を可変にしてフィードバック制御を行う。具体的には、切り替え位置Ｐ_Ｘでの回転周波数が非制御時の場合よりも小さくなるように、回転加速度を小さく（負の方向に大きく）する。このような制御により、ロータ２０２の回転速度及び回転角加速度は、切り替え位置Ｐ_Ｘにおいて理想的な回転周波数Ｆ_１及び回転角加速度Ａ_１に近づく。このため、ＦＢ駆動からＯＰ駆動へ滑らかに移行することができる。

設計中心よりも最大の回転周波数が低いモータ（曲線（ＩＩＩ））については、回転周波数Ｆ_ＦＢ０＝Ｆ_{ｍａｘ１（−）}、及び、回転角加速度Ａ_ＦＢ０＝Ａ_{ＦＢ１（−）}（Ａ_{ＦＢ１（−）}＜Ａ_ＦＢ１）が計測される。このとき、回転角加速度Ａ_{ＦＢ１（−）}での減速動作を継続すると、切り替え位置Ｐ_Ｘでのロータ２０２の回転周波数はＦ_１より小さく、また、回転角加速度もＡ_１より小さくなる。このため、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間への移行に際し、不要な振動が発生してモータ１０１が脱調するおそれがある。

本実施例では、制御部３０２は、回転変位Ｐ_Ｘ−Ｐ_ＦＢ１の間に、切り替え位置Ｐ_Ｘでの回転周波数及び回転角加速度がそれぞれＦ_１、Ａ_１となるように、励磁コイルに印加する電圧のデューティ比を可変にしてフィードバック制御を行う。具体的には、切り替え位置Ｐ_Ｘでの回転周波数が非制御時の場合よりも大きくなるように、回転加速度を大きく（負の方向に小さく）する。このため、ロータ２０２の回転速度及び回転角加速度は、理想的な回転周波数Ｆ_１及び回転角加速度Ａ_１に近づき、ＦＢ駆動からＯＰ駆動へ滑らかに移行することができる。

次に、切り替え位置Ｐ_Ｘでの回転周波数及び回転角加速度の誤差範囲について説明する。図１１は、ＦＢ駆動区間とＯＰ駆動区間の切り替えの際に許容される誤差範囲を示す図である。図１０を参照して説明したように、ＦＢ駆動区間では、ＯＰ駆動区間に切り替わるまで（切り替え位置Ｐ_Ｘに至るまで）、ロータ２０２の回転周波数及び回転角加速度の制御が行われる。

本実施例において、ＦＢ駆動区間からＯＰ駆動区間へ切り替わる直前の回転周波数Ｆ_Ｘ及び回転角加速度Ａ_Ｘは、以下の式（７）で表される範囲に収まるように制御されることが好ましい。

式（７）において、Ｍは、ＯＰ駆動のために制御部３０２が保持する減速パターンに含まれる回転周波数の列Ｆ_ｎに関係する値であり、以下の式（８）を満足する値である。

式（８）に示されるように、Ｍは、ＯＰ駆動の開始時におけるロータ２０２の初期回転周波数Ｆ_１とＯＰ駆動の次のステップでの回転周波数Ｆ_２の差（許容誤差）である。例えば表１に示される減速パターンでは、ステップ１の回転周波数Ｆ_１＝１３７５［ＰＰＳ］、ステップ２の回転周波数Ｆ_２＝１３０４［ＰＰＳ］であるから、Ｍ＝７１［ＰＰＳ］となる。初期回転周波数Ｆ_１から次のステップでの回転周波数Ｆ_２への変化量は、本実施例のモータ１０１が駆動可能な回転周波数の変化量である。このため、切り替え直前の回転周波数Ｆ_ＸをＦ_１±Ｍの範囲に収めるように制御することで、ロータ２０２の不要な振動が低減され、円滑な切り替えが可能となる。

また式（７）において、Ｎは、モータ１０１の負荷状態における自起動周波数Ｆ_ｓとその通電時間Ｔ_ｓに関係する値（許容誤差）であり、以下の式（９）を満足する値である。

回転角加速度Ａ_Ｘの誤差が、モータ１０１が負荷状態でも起動可能な回転周波数（自起動周波数Ｆ_ｓ）での回転加速度Ａ_ｓの範囲内であれば、脱調は発生しない。このため、回転角加速度Ａ_ＸをＡ_１±Ｎの範囲に収めることで、ロータ２０２の不要な振動が低減され、円滑な切り替えが可能となる。

以上のとおり、制御部３０２は、第２駆動手段でロータ２０２の加速駆動、定速駆動、及び、減速駆動を行ってからＦＢ駆動からＯＰ駆動に切り替えて、第１駆動手段でロータ２０２の減速駆動を更に行うように制御する。また、制御部３０２は、位置センサ信号処理回路３０１で算出された第２駆動手段による駆動の際の回転周波数及び回転角加速度が第１駆動手段による駆動の際の初期回転周波数及び初期回転角加速度に近づくように制御する。すなわち、第２駆動手段による駆動の際の回転周波数及び回転加速度が第１駆動手段による駆動の際の初期回転周波数及び初期回転加速度と略一致するように制御される。ここで「略一致」とは、完全に一致する場合だけでなく、実質的に一致していると評価できる程度に近接している場合を含む意味である。

本実施例では、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を可変にして励磁コイルへの印加電圧を制御し、モータ１０１の回転周波数及び回転角加速度を制御する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、励磁コイルに流入する電流量を可変制御する、いわゆるチョッピング制御を用いてもよい。

特に急激な減速を行う際には、デューティ比を変化させることによる印加電圧制御に進角制御（通電位相制御）を組み合わせることが有効である。減速駆動時における進角制御では、励磁コイルへの駆動信号の通電位相と各位置センサの出力位相との位相差を定速駆動時とは異なる値にして制御する。この場合、位置センサ出力の位相に対して、遅れβを有する駆動信号を第１の励磁コイル２０３及び第２の励磁コイル２０４に印加すること（例えば、β＜αの進角制御）で、脱調することなく減速が可能である。これは、定常駆動時の進角制御における進角量αとは異なる進角量β（例えばβ＜α）の進角制御によって、ロータ２０２に対して回転周波数を有する方向とは逆回転の力（減速力）が発生するためである。これにより、デューティ比低減によって印加電圧を下げる以上に減速動作としての効果が得られる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

１ モータ駆動装置
１０１ モータ
２０２ ロータ
２０３ 第１の励磁コイル
２０４ 第２の励磁コイル
２０７ 第１の位置センサ
２０８ 第２の位置センサ
３０２ 制御部
３０３ フィードバック駆動回路
３０４ オープンループ駆動回路
３０５ モータドライバ

Claims (3)

1. 所定の時間間隔に従ってモータのコイルへの通電を切り替えることで、前記モータをオープンループ駆動する第１駆動手段と、
   ロータの位置を検出する位置センサの出力に応じて前記モータの前記コイルへの通電を切り替えることで、前記モータをフィードバック駆動する第２駆動手段と、
   前記位置センサの出力から前記ロータの回転周波数及び回転角加速度を算出する演算手段と、
   前記第２駆動手段で前記ロータの加速駆動、定速駆動、及び、減速駆動を行ったのち、前記フィードバック駆動から前記オープンループ駆動に切り替えて、前記第１駆動手段で該ロータの減速駆動を更に行うように制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記フィードバック駆動から前記オープンループ駆動に切り替える際に、前記演算手段で算出された前記第２駆動手段による駆動の際の前記回転周波数及び前記回転角加速度が前記第１駆動手段による駆動の際の初期回転周波数及び初期回転角加速度に近づくように制御することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記制御手段は、前記第１駆動手段が前記コイルへの通電を切り替える時間間隔の列Ｔ_ｎ（ｎ＝１、２、…）、及び、該第１駆動手段による駆動の際の回転周波数の列Ｆ_ｎ（ｎ＝１、２、…）を定めた減速パターンを保持し、
   以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
   Ｆ_Ｘ＝Ｆ_１±Ｍ
   Ａ_Ｘ＝Ａ_１±Ｎ
   ここで、Ｆ_Ｘ、Ａ_Ｘは前記第２駆動手段による駆動の際の回転周波数及び回転角加速度、Ｆ_１、Ａ_１は前記初期回転周波数及び前記初期回転角加速度、Ｍ、Ｎは許容誤差、Ｍ＝Ｆ_１−Ｆ_２、Ａ_１＝（Ｆ_２−Ｆ_１）／Ｔ_１、Ｎ＝Ａ_ｓ、Ａ_ｓ＝Ｆ_ｓ／Ｔ_ｓ、Ｆ_ｓは自起動周波数、及び、Ｔ_ｓは前記自起動周波数の通電時間である。
3. 前記第２駆動手段は、前記コイルへの印加電圧の制御、及び、前記コイルへの駆動信号の通電位相と前記位置センサの出力の位相差を制御する進角制御により前記減速駆動を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。