JP2012205362A - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目標停止位置に精度良く、短時間で停止させることができるモータ制御装置及びモータ制御方法を提供すること。
【解決手段】モータ制御装置は、回転センサ１１で検出した検出回転速度と検出回転量とに基づいて目標停止位置でモータＭを停止させるための制御部１２を備える。制御部１２は、そのときの検出回転速度に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量を算出し、その最大制動回転量が、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量と一致すると最大制動状態とする電力をモータＭに供給し最大制動制御を行い、その後、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量とそのときの検出回転速度とに基づいて目標停止位置でモータＭが停止する回転速度を算出しその算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力をモータＭに供給する動作を繰り返す速度制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを停止させるモータ制御装置及びモータ制御方法に関するものである。

従来、一般的なモータ制御装置としては、ＰＩＤ制御により停止制御を行うものがある。しかし、この方法では、特にモータの慣性や慣性負荷が大きいと、目標停止位置に精度良く停止させることが難しくなる。

又、モータ制御装置としては、特許文献１に開示されたものがある。このモータ制御装置は、まず目標停止位置（目標回転量）に対して検出したそのときの回転量が予め設定された回転量となると、供給する電力を変化させてブレーキ駆動回転とする。そして、それによって所定の回転速度となると惰性回転させ、それによって予め設定された更に小さな回転速度となると、供給する電力を変化させて通常回転駆動と惰性回転を繰り返して目標の回転量まで到達させて停止させるようにしている。

特開２０００−２０９８９２号公報

しかしながら、上記のようなモータ制御装置及びモータ制御方法では、停止制御中に通常回転駆動と惰性回転を繰り返す時間があることから、停止制御を開始してから停止するまでの時間が長くなってしまう。これにより、停止制御を開始するための予め設定しておく回転量が目標停止位置から遠くなってしまい（早めに停止制御を開始することになり）、ひいては目標停止位置に到達するまでの時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、目標停止位置に精度良く、短時間で停止させることができるモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、モータの回転速度を検出する回転速度検出器と、モータの回転量を検出する回転量検出器と、前記回転速度検出器で検出した検出回転速度と前記回転量検出器で検出した検出回転量とに基づいて目標停止位置でモータを停止させるための制御部とを備えたモータ制御装置であって、前記制御部は、そのときの前記検出回転速度に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量を算出し、その最大制動回転量が、前記目標停止位置とそのときの前記検出回転量とに基づいた前記目標停止位置までの残り回転量と一致すると最大制動状態とする電力をモータに供給し最大制動制御を行い、その後、前記目標停止位置とそのときの前記検出回転量とに基づいた前記目標停止位置までの残り回転量とそのときの前記検出回転速度とに基づいて前記目標停止位置でモータが停止する回転速度を算出し、その算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力をモータに供給する動作を繰り返す速度制御を行うことを要旨とする。

同構成によれば、制御部にて、そのときの検出回転速度に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量（慣性負荷等のばらつきを考慮しても必ず停止する回転量）が算出される。そして、その最大制動回転量が、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量と一致すると最大制動状態とする電力がモータに供給され最大制動制御が行われる。よって、停止制御の開始直後に、急激に回転速度を小さくすることができ、後の速度制御に余裕を持たせることができる。そして、その後、制御部による速度制御では、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量とそのときの検出回転速度とに基づいて目標停止位置でモータが停止する回転速度が算出され、その算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力がモータに供給される動作が繰り返される。このようにすると、目標停止位置に精度良く、短時間で停止させることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記制御部は、モータの回転を開始する際、最大回転駆動状態とする電力をモータに供給する最大回転制御を行うことを要旨とする。

同構成によれば、モータの回転を開始する際の制御部による最大回転制御では、最大回転駆動状態とする電力がモータに供給されるため、回転を開始してから目標停止位置に短時間で停止させることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載のモータ制御装置において、前記制御部は、前記最大回転制御では、インバータ駆動回路に出力するモータを正回転させるためのＰＷＭ制御信号のデューティを１００％とすることで前記最大回転駆動状態とする電力をモータに供給することを要旨とする。

同構成によれば、制御部による前記最大回転制御では、インバータ駆動回路に出力するモータを正回転させるためのＰＷＭ制御信号のデューティが１００％とされることで前記最大回転駆動状態とする電力がモータに供給される。よって、具体的に請求項２に記載の発明の効果を得ることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、前記制御部は、前記最大制動制御では、インバータ駆動回路に出力するモータを逆回転させるためのＰＷＭ制御信号のデューティを１００％とすることで前記最大制動状態とする電力をモータに供給することを要旨とする。

同構成によれば、制御部による前記最大制動制御では、インバータ駆動回路に出力するモータを逆回転させるためのＰＷＭ制御信号のデューティが１００％（−１００％）とされることで前記最大制動状態とする電力がモータに供給される。よって、具体的に請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明の効果を得ることができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、前記制御部は、前記速度制御では、前記算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力を、連続的に強弱を繰り返すようにしてモータに供給することを要旨とする。

同構成によれば、制御部による前記速度制御では、前記算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力が、連続的に強弱が繰り返されるようにモータに供給される。よって、具体的に請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明の効果を得ることができる。

請求項６に記載の発明では、検出したモータの検出回転速度と検出したモータの検出回転量とに基づいて目標停止位置でモータを停止させるモータ制御方法であって、そのときの前記検出回転速度に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量を算出し、その最大制動回転量が、前記目標停止位置とそのときの前記検出回転量とに基づいた前記目標停止位置までの残り回転量と一致すると最大制動状態とする電力をモータに供給し最大制動制御を行い、その後、前記目標停止位置とそのときの前記検出回転量とに基づいた前記目標停止位置までの残り回転量とそのときの前記検出回転速度とに基づいて前記目標停止位置でモータが停止する回転速度を算出し、その算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力をモータに供給する動作を繰り返す速度制御を行うことを要旨とする。

同発明によれば、そのときの検出回転速度に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量（慣性負荷等のばらつきを考慮しても必ず停止する回転量）が算出される。そして、その最大制動回転量が、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量と一致すると最大制動状態とする電力がモータに供給され最大制動制御が行われる。よって、停止制御の開始直後に、急激に回転速度を小さくすることができ、後の速度制御に余裕を持たせることができる。そして、その後、速度制御では、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量とそのときの検出回転速度とに基づいて目標停止位置でモータが停止する回転速度が算出され、その算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力がモータに供給される動作が繰り返される。このようにすると、目標停止位置に精度良く、短時間で停止させることができる。

本発明によれば、目標停止位置に精度良く、短時間で停止させることができるモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することができる。

本実施の形態におけるモータ制御装置を含むブロック図。 本実施の形態における制御部の処理を説明するためのフロー図。 （ａ），（ｂ）本実施の形態における動作を説明するための模式説明図。 本実施の形態における速度制御を説明するための説明図。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態のモータ制御装置は、ブラシレスのモータＭを制御対象とし、モータＭに接続される又は一体的に設けられる回転速度検出器及び回転量検出器としての回転センサ１１と、その回転センサ１１に接続される制御部１２と、その制御部１２に接続されるインバータ駆動回路１３とを備える。インバータ駆動回路１３は、電源（バッテリ）１４に接続され、制御部１２からのＰＷＭ制御信号Ｄに応じて電源１４からの電力を３相の駆動電流としてモータＭに供給する。

制御部１２は、例えば外部から入力される指令信号に応じてモータＭを目標停止位置まで（具体的には、目標の回転量だけ）回転させて停止させる制御を行う。
詳述すると、制御部１２は、図２に示す処理（ステップＳ１〜Ｓ６）を行う。

即ち、まずステップＳ１において、本実施の形態の制御部１２は、モータＭの（正）回転を開始する際、最大回転駆動状態とする電力をモータＭに供給する最大回転制御を行う。具体的には、本実施の形態の制御部１２は、前記最大回転制御では、インバータ駆動回路１３に出力するモータＭを正回転させるためのＰＷＭ制御信号Ｄのデューティを１００％（図３（ｂ）参照）とすることで最大回転駆動状態とする電力をモータＭに供給する。すると、モータＭは、図３（ａ）に示すように、回転速度が最大加速する。尚、制御部１２は、加速させる際は、進角を変化させ短時間でモータＭを高速回転にさせるようにし、減速させる際は、相電流が誘起電圧と同位相となるように位相角を決定する。

次のステップＳ２において、制御部１２は、回転センサ１１にて検出されるそのときの回転速度（検出回転速度）に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量を算出する。尚、本実施の形態における最大制動状態とは、インバータ駆動回路１３に出力するモータＭを逆回転させるためのＰＷＭ制御信号Ｄのデューティを１００％（−１００％）としたときの状態である。又、最大制動回転量とは、慣性負荷等のばらつきを考慮しても必ず停止する（越えてしまうことがない）回転量であって、例えば、予め実験により測定した値に基づいて決定される回転量である。より詳しくは、本実施の形態では、実験により前記デューティを１００％（−１００％）とし、そのときの減速方向の加速度（時間−回転速度特性における傾き）Ａｚを慣性負荷等のばらつきを考慮して０．８倍し（８割とし）、その（ばらつきを考慮した）加速度（０．８×Ａｚ）で停止する回転量を最大制動回転量としている。

次のステップＳ３において、制御部１２は、前記最大制動回転量が、目標停止位置と回転センサ１１にて検出されるそのときの回転量（検出回転量）とに基づいた目標停止位置までの残り回転量と一致するか否かを（ピークの回転速度に達したか否かに関わらず）判断し、一致したと判断するとステップＳ４に移行する。又、一致していないと判断するとステップＳ２に戻る。

ステップＳ４において、制御部１２は、最大制動状態とする電力をモータＭに供給し最大制動制御を行う。即ち、インバータ駆動回路１３に出力するモータＭを逆回転させるためのＰＷＭ制御信号Ｄのデューティを１００％（−１００％）とする。すると、モータＭは、図３（ａ）に示すように、回転速度が急激に小さくなる。尚、本実施の形態では、最大制動制御を行う時間Ｔ２は、予め実験結果等から求められ、５ｍｓ（ミリ秒）で一定に設定されている。

次のステップＳ５，Ｓ６において、制御部１２は、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量とそのときの検出回転速度とに基づいて目標停止位置でモータＭが停止する回転速度を算出し、その算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力をモータＭに供給する動作を繰り返す速度制御を行う。詳しくは、制御部１２は、ステップＳ５において、図４に示すように、目標停止位置で回転速度が０となる一定の傾きＡで減速するように制御周期Ｔｓ後の回転速度Ｖｒｅｆを算出し、その回転速度Ｖｒｅｆとなるように制動力を生じさせる電力をモータＭに供給すべく対応したデューティのＰＷＭ制御信号Ｄをインバータ駆動回路１３に出力する。より具体的には、本実施の形態の制御部１２は、前記残り回転量をＳｒｅｍとし、前記傾きをＡとし、そのとき（現在）の検出回転速度をＶａとし、停止するまでの時間をＴａとし、制御周期をＴｓとすると、以下の式で目標となる前記回転速度Ｖｒｅｆを算出する。

図４に示すように、Ｓｒｅｍ＝（１／２）×Ｖａ×Ｔａ、
即ちＴａ＝（２×Ｓｒｅｍ）／Ｖａであり、
Ａ＝Ｖａ／Ｔａであることから、
Ａ＝Ｖａ^２／（２×Ｓｒｅｍ）となる。

そして、Ｖｒｅｆ＝Ｖａ−Ａ×Ｔｓであることから、
目標となる回転速度はＶｒｅｆ＝Ｖａ−（Ｖａ^２×Ｔｓ）／（２×Ｓｒｅｍ）となり、その回転速度Ｖｒｅｆとなるように制動力を生じさせる電力をモータＭに供給すべく対応したデューティのＰＷＭ制御信号Ｄをインバータ駆動回路１３に出力する。そして、次のステップＳ６において、制御部１２は、検出回転速度が０ｒｐｍ以下か（停止したか）否かを判断し、停止していないと判断するとステップＳ５に移行し（再度前述した処理を行い）、停止したと判断すると処理を終了する。尚、制御部１２による前記速度制御では、通常、前記算出した回転速度Ｖｒｅｆとなるように制動力を生じさせる電力が、連続的に強弱が繰り返されるようにモータＭに供給されることになる。即ち、回転速度Ｖｒｅｆとなるようにインバータ駆動回路１３へのデューティを制御することになるが、その際、正確に制御できず回転速度にズレが生じることで、制御周期Ｔｓ毎にデューティの強弱が連続的に繰り返されて、できるだけ一定の傾きで減速されることになる。

次に、上記したモータ制御装置を用いたシステムの作用について説明する。
例えば外部からモータＭを目標停止位置まで（具体的には、目標の回転量だけ）回転させて停止させる旨の指令信号が制御部１２に入力されると、図３（ａ），（ｂ）に示すように、ステップＳ３で一致したと判断されるまでの期間Ｔ１で、モータＭは最大回転駆動状態とされる。

そして、ステップＳ３で一致したと判断されると、一定時間Ｔ２（本実施の形態では５ｍｓ）で、モータＭは最大制動状態とされる。
その後、ステップＳ６で０ｒｐｍ以下となった（停止した）と判断されるまでの期間Ｔ３で、モータＭは一定の傾きで減速するように速度制御され、その後処理が終了される。

次に、上記実施の形態の特徴的な効果を以下に記載する。
（１）制御部１２にて、そのときの検出回転速度に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量（慣性負荷等のばらつきを考慮しても必ず停止する回転量）が算出される。そして、その最大制動回転量が、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量と一致すると最大制動状態とする電力がモータＭに供給され最大制動制御が行われる。具体的には、制御部１２による最大制動制御では、インバータ駆動回路１３に出力するモータＭを逆回転させるためのＰＷＭ制御信号Ｄのデューティが１００％（−１００％）とされることで最大制動状態とする電力がモータＭに供給される。よって、停止制御の開始直後に、急激に回転速度を小さくすることができ、後の速度制御に余裕を持たせることができる。そして、その後、制御部１２による速度制御では、目標停止位置とそのときの検出回転量とに基づいた目標停止位置までの残り回転量とそのときの検出回転速度とに基づいて目標停止位置でモータＭが停止する回転速度Ｖｒｅｆが算出され、その算出した回転速度Ｖｒｅｆとなるように制動力を生じさせる電力がモータＭに供給される動作が繰り返される。このようにすることで、目標停止位置に精度良く、短時間で停止させることができる。

（２）モータＭの回転を開始する際の制御部１２による最大回転制御では、最大回転駆動状態とする電力がモータＭに供給される。具体的には、制御部１２による最大回転制御では、インバータ駆動回路１３に出力するモータＭを正回転させるためのＰＷＭ制御信号Ｄのデューティが１００％とされることで最大回転駆動状態とする電力がモータＭに供給される。よって、回転を開始してから目標停止位置に短時間で停止させることができる。

上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、モータＭの回転を開始する際、制御部１２は最大回転駆動状態とする電力をモータＭに供給する最大回転制御を行うとしたが、これに限定されず、最大回転制御を行わないように（即ち、デューティを１００％未満に）してもよい。このようにしても、上記実施の形態の効果（１）と同様の効果を得ることができる。

・上記実施の形態では、最大制動制御を行う時間は、５ｍｓ（ミリ秒）で一定に設定されるとしたが、これに限定されず、モータＭのサイズ（規格）や負荷等が異なる場合等、例えば、５ｍｓではほとんど速度が変化しなかったり５ｍｓでほぼ停止してしまうといったことが生じないように、適宜変更してもよい。

・上記実施の形態では、特に言及していないが、制御部１２は、速度制御（ステップＳ５，Ｓ６）の実行中に検出回転量が目標停止位置に到達した場合、モータＭの３つの端子間を短絡させて制動させるようにしてもよい。

・上記実施の形態では、最大回転制御及び最大制動制御の際、デューティを１００％（−１００％）とするとしたが、１００％（−１００％）とすると定格電流を越えてしまう場合は、これに限定されない。即ち、１００％（−１００％）とすると定格電流を越えてしまう場合は、最大回転制御又は最大制動制御の際は、定格電流となるデューティとすることが好ましい。又、前記速度制御（ステップＳ５）の際においても、算出したデューティが定格電流を越えてしまう場合は、定格電流となるデューティとすることが好ましい。即ち、全ての制御時、ＰＷＭ制御信号Ｄのデューティは、定格電流に対応した値を上限とすることが好ましい。

１１…回転センサ（回転速度検出器及び回転量検出器）、１２…制御部、１３…インバータ駆動回路、Ｄ…ＰＷＭ制御信号、Ｍ…モータ、Ｖｒｅｆ…回転速度。

Claims (6)

1. モータの回転速度を検出する回転速度検出器と、
   モータの回転量を検出する回転量検出器と、
   前記回転速度検出器で検出した検出回転速度と前記回転量検出器で検出した検出回転量とに基づいて目標停止位置でモータを停止させるための制御部と
   を備えたモータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   そのときの前記検出回転速度に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量を算出し、その最大制動回転量が、前記目標停止位置とそのときの前記検出回転量とに基づいた前記目標停止位置までの残り回転量と一致すると最大制動状態とする電力をモータに供給し最大制動制御を行い、
   その後、前記目標停止位置とそのときの前記検出回転量とに基づいた前記目標停止位置までの残り回転量とそのときの前記検出回転速度とに基づいて前記目標停止位置でモータが停止する回転速度を算出し、その算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力をモータに供給する動作を繰り返す速度制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、
   モータの回転を開始する際、最大回転駆動状態とする電力をモータに供給する最大回転制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項２に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記最大回転制御では、インバータ駆動回路に出力するモータを正回転させるためのＰＷＭ制御信号のデューティを１００％とすることで前記最大回転駆動状態とする電力をモータに供給することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記最大制動制御では、インバータ駆動回路に出力するモータを逆回転させるためのＰＷＭ制御信号のデューティを１００％とすることで前記最大制動状態とする電力をモータに供給することを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記速度制御では、前記算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力を、連続的に強弱を繰り返すようにしてモータに供給することを特徴とするモータ制御装置。
6. 検出したモータの検出回転速度と検出したモータの検出回転量とに基づいて目標停止位置でモータを停止させるモータ制御方法であって、
   そのときの前記検出回転速度に基づいて最大制動状態としたときの最大制動回転量を算出し、その最大制動回転量が、前記目標停止位置とそのときの前記検出回転量とに基づいた前記目標停止位置までの残り回転量と一致すると最大制動状態とする電力をモータに供給し最大制動制御を行い、
   その後、前記目標停止位置とそのときの前記検出回転量とに基づいた前記目標停止位置までの残り回転量とそのときの前記検出回転速度とに基づいて前記目標停止位置でモータが停止する回転速度を算出し、その算出した回転速度となるように制動力を生じさせる電力をモータに供給する動作を繰り返す速度制御を行うことを特徴とするモータ制御方法。

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