JP2012239351A

JP2012239351A - モータ駆動制御装置及びモータ駆動制御方法

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Publication number: JP2012239351A
Application number: JP2011108225A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kasai; 竜也河西; Seiji Kondo; 成治近藤; Junji Morikawa; 純次森川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: JP5773742B2

Abstract

【課題】所定ビットのパルス幅変調によってファンモータを制御する場合において、該所定ビットを超えた分解能によってファンモータを制御する、ことを目的とする。
【解決手段】モータ駆動制御装置１０は、回転数検出部２０によってファンモータ１４の回転数を検出し、制御値算出部３０によって検出値とファンモータ１４の回転数の目標値との偏差に基づいたファンモータ１４に対する制御値を、８ビットの定倍で算出する。そして、モータ駆動制御装置１０は、除算部３２によって、算出した制御値を定倍の値で除算し、商と余りを算出し、パルス出力部３４によって、商に応じたデューティー値のパルスを第１パルスとし、余りに応じたデューティー値のパルスを第２パルスとし、第１パルスと第２パルスとの数を余りに基づいて変化させた、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動制御装置及びモータ駆動制御方法に関するものである。

直流（ＤＣ）モータの回転数の制御には、パルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御が多用されている。

ここで、例えば、マイコンに搭載されている所定ビット（一例として８ビット）のＰＷＭ出力機能を用いてＰＷＭ制御を行う制御装置であって、空調設備の室外機に備えられているファンを回転させるファンモータに速度指令電圧を与え、ファンモータの回転数を目標回転数に保つようにフィードバック制御を行う制御装置が普及している。
そして、８ビット（０〜２５４カウント）のＰＷＭ制御の最小分解能である１カウントにおけるファンモータの回転数の変動幅が例えば３０ｒｐｍの場合、図６に示すように、１カウントにおける回転数の変動幅が不感帯領域幅１０ｒｐｍ（目標回転数の±５ｒｐｍ幅）よりも大きくなるので、ファンモータの回転数の制御ができず、回転数の変動、所謂ハンチングが生じる場合がある。
このため、ＰＷＭ制御の分解能を向上させることによって、上記不感帯領域でもファンモータの回転数を制御でき、ハンチングの問題は解消されると考えられる。

ＰＷＭ制御の分解能を向上させるための技術として、特許文献１には、ＰＷＭの駆動周波数を一定とした場合、駆動周波数ｆを中心にピーク値が現れるので、ＰＷＭ駆動信号の駆動周波数を変調させることによって、幅を持った周波数帯域にノイズピークを分散させることにより、ノイズの影響を分散させ、分解能を向上させる方法が記載されている。

特開２００７−４３８１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、ノイズの影響を分散させることにより分解能を向上させるため、そもそもノイズの影響がない又は小さい制御においては、分解能の向上には寄与しない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、所定ビットのパルス幅変調によってファンモータを制御する場合において、該所定ビットを超えた分解能によってファンモータを制御することができる、モータ駆動制御装置及びモータ駆動制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のモータ駆動制御装置及びモータ駆動制御方法は以下の手段を採用する。

すなわち、本発明に係るモータ駆動制御装置は、モータの回転数を所定ビットのパルス幅変調制御によって変化させるモータ駆動制御装置であって、前記モータの回転数を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された検出値と前記モータの回転数の目標値との偏差に基づいた前記モータに対する制御値を、前記所定ビットの定倍で算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記制御値を前記定倍の値で除算し、商と余りを算出する除算手段と、前記除算手段によって算出された前記商に応じたデューティー値のパルスを第１パルスとし、前記余りに応じたデューティー値のパルスを第２パルスとし、前記第１パルスと前記第２パルスとの数を前記余りに基づいて変化させた、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力するパルス出力手段と、を備える。

本発明によれば、モータ駆動制御装置は、モータの回転数を所定ビット（例えば８ビット）のパルス幅変調制御によって変化させる。そして、モータ駆動制御装置は、検出手段で検出したモータの回転数の検出値とモータの回転数の目標値との偏差に基づいて、すなわちフィードバック制御によって、モータに対する所定ビットの制御値を得ている。しかし、この所定ビットでは、分解能が十分ではない場合、モータの回転数に変動、所謂ハンチングが生じてしまう可能性があった。

そこで、算出手段によって、上記制御値を所定ビットの定倍で算出する。
これにより、制御値は所定ビットの定倍となるので、制御値の分解能は所定ビットより高くなる。しかし、モータ駆動制御装置は、モータの回転数を所定ビットのパルス幅変調によって変化させるため、その出力するパルスを所定ビットとしなければならない。

このため、除算手段によって、算出手段で算出された制御値を定倍の値で除算し、商と余りが算出される。制御値を定倍の値で除算することによって、制御値は所定ビットとなる。そして、パルス出力手段によって、商に応じたデューティー値のパルスを第１パルスとし、余りに応じたデューティー値のパルスを第２パルスとし、第１パルスと第２パルスとの数を余りに基づいて変化させた、該第１パルスと該第２パルスとが１組として主制御部１６から出力される。すなわち、制御値を定倍の値で除算した結果から求められる、第１パルスと第２パルスとの組み合わせによって、モータの回転数が制御されることとなる。

従って、本発明は、所定ビットのパルス幅変調によってモータを制御する場合において、該所定ビットを超えた分解能によってモータを制御することができる。

また、本発明のモータ駆動制御装置は、前記第２パルスが、前記商に１を足したデューティー値のパルスであり、前記パルス出力手段が、前記第１パルスと前記第２パルスとの合計数を前記定倍の値と一致させると共に、前記第２パルスの数を前記余りの数に一致させて、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力してもよい。

本発明によれば、除算手段で算出された商に１を足したデューティー値のパルスを第２パルスとし、第１パルスと第２パルスとの合計数を定倍の値と一致させると共に、第２パルスの数を余りの数に一致させて１組とするので、分解能をより向上させることができる。

また、本発明のモータ駆動制御装置は、前記モータを、空調設備の室外機に備えられているファンを回転させるモータとしてもよい。

一方、本発明に係るモータ駆動制御方法は、モータの回転数を所定ビットのパルス幅変調制御によって変化させるモータ駆動制御方法であって、前記モータの回転数を検出する第１工程と、前記第１工程によって検出された検出値と前記モータの回転数の目標値との偏差に基づいた前記モータに対する制御値を、前記所定ビットの定倍で算出する第２工程と、前記第２工程によって算出された前記制御値を前記定倍の値で除算し、商と余りを算出する第３工程と、前記第３工程によって算出された前記商に応じたデューティー値のパルスを第１パルスとし、前記余りに応じたデューティー値のパルスを第２パルスとし、前記第１パルスと前記第２パルスとの数を前記余りに基づいて変化させた、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力する第４工程と、を含む。

本発明によれば、所定ビットのパルス幅変調によってファンモータを制御する場合において、該所定ビットを超えた分解能によってファンモータを制御することができる、という優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係るモータ駆動制御装置の構成図である。本発明の実施形態に係るファンモータに対するＰＷＭ制御におけるＰＷＭ信号を示した模式図である。本発明の実施形態に係るファンモータに対するＰＷＭ制御における不感帯領域の一例を示す模式図である。本発明の実施形態に係る速度指令電圧とファンモータの回転数との関係を示したグラフである。他の形態に係るファンモータに対するＰＷＭ制御におけるＰＷＭ信号を示した模式図である。従来のファンモータに対するＰＷＭ制御における不感帯領域を示す模式図である。

以下に、本発明に係るモータ駆動制御装置及びモータ駆動制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係るモータ駆動制御装置１０の構成図である。
本実施形態に係るモータ駆動制御装置１０は、空調設備の室外機に備えられているファン１２を回転させるファンモータ１４へ速度指令電圧を出力する。ファンモータ１４は、入力された速度指令電圧に応じた回転数で回転する。そして、モータ駆動制御装置１０は、所定ビット（ｂｉｔ）のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御によって速度指令電圧を変化させ、ファンモータ１４の回転数が目標回転数に保つようにフィードバック制御を行う。

なお、本実施形態では、所定ビットの一例として８ビットを適用し、ＰＷＭ信号のデューティー値を０〜２５４カウントの間で変化させる（２５５カウントは用いない、すなわちデューティー比を１００％とはしない）。

そして、モータ駆動制御装置１０は、主制御部１６、速度指令出力部１８、及び回転数検出部２０を備えている。

主制御部１６は、ＰＷＭ信号出力ポート２２を介して８ビットのＰＷＭ信号を速度指令出力部１８へ出力する。

速度指令出力部１８は、入力されたＰＷＭ信号がオン（ＯＮ）となった場合に、フォトカプラ２４の発光ダイオード２４Ａが発光し、受光素子（フォトトランジスタ）２４Ｂで該発光を受光する。そして、速度指令出力部１８は、受光素子２４Ｂの受光回数に応じてコンデンサ２６を充電し、充電した電圧を速度指令電圧としてファンモータ１４へ出力する。

回転数検出部２０は、フォトカプラ２８を用いて、ファンモータ１４の回転数を検出し、検出値を主制御部１６へ送信する。

なお、速度指令出力部１８及び回転数検出部２０の構成は一例であり、本実施形態に係る速度指令出力部１８及び回転数検出部２０と同様の機能を有していれば、他の構成でも構わない。

主制御部１６は、制御値算出部３０、除算部３２、及びパルス出力部３４を備えている。

制御値算出部３０は、回転数検出ポート３６を介して入力された回転数検出部２０からの検出値とファンモータ１４の回転数の目標値との偏差に基づいて、すなわちフィードバック制御によって、ファンモータ１４に対する制御値を８ビットの定倍で算出する。なお、本実施形態では、定倍の一例として４倍を適用する。
このように、制御値は８ビットの約４倍（０カウント（１）＋２５４カウント×４＝１０１７、０〜１０１６カウント）となるので、制御値の分解能は８ビットより高くなる。しかし、主制御部１６は、ファンモータ１４の回転数を８ビットのパルス幅変調によって変化させるため、ＰＷＭ信号を８ビットとしなければならない。

そこで、除算部３２は、制御値算出部３０で算出された制御値を定倍の値である“４”で除算し、商と余りを算出する。このように、制御値が定倍の値である“４”で除算されることによって、制御値は、ＰＷＭ信号出力ポート２２から出力される場合には８ビットのパルスとして出力される。

そして、パルス出力部３４は、除算部３２で算出された商に応じたデューティー値のパルスを第１パルスとし、余りに応じたデューティー値のパルスを第２パルスとし、第１パルスと第２パルスとの数を余りに基づいて変化させて、第１パルスと第２パルスとの組み合わせを１組として、速度指令出力部１８へ出力する。すなわち、制御値を定倍の値で除算した結果から求められる、第１パルスと第２パルスとの組み合わせによって、ファンモータ１４の回転数が制御されることとなる。

図２は、ファンモータ１４に対するＰＷＭ制御におけるＰＷＭ信号を示した模式図であり、比較のために、従来のファンモータ１４に対するＰＷＭ制御、すなわち制御値を定倍しない形態におけるＰＷＭ信号も示す。

図２に示されるように、制御値の定倍を行わないＰＷＭ制御では、フィードバック制御により算出された制御値がそのままＰＷＭ信号のデューティー値（ＯＮ幅）となる。なお、ＰＷＭ信号は、所定のキャリア周期（本実施形態では一例として１．０１２ｋＨｚ）毎に主制御部１６から出力される。

一方、制御値を８ビットの４倍で定倍したＰＷＭ制御では、フィードバック制御により算出された制御値が定倍の値である“４”で除算され、除算結果である商と余りとがＰＷＭ信号のデューティー値（ＯＮ幅）となる。
本実施形態では、上記第１パルスを、除算結果である商と同じデューティー値のパルスとし、上記第２パルスを、除算結果である商に１を足したデューティー値のパルスとする。そして、パルス出力部３４は、第１パルスと第２パルスとの合計数を定倍の値と一致させると共に、第２パルスの数を余りの数に一致させて、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力する。すなわち、第１パルスの数は、定倍の値から余りを減算した値となる。

図２を用いて具体的に説明すると、制御値が２２４の場合、除算部３２は、制御値を“４”で除算した結果の商として“５６”を出力し、余りとして“０”を出力する。そして、パルス出力部３４は、第１パルスとしてデューティー値が“５６”のＰＷＭ信号を出力する一方、第２パルスは出力せず、第１パルスと第２パルスとの合計数が定倍の値と一致させるために、第１パルスを４つ出力する。すなわち、この場合は、デューティー値が“５６”の４つの第１パルスが１組とされて、主制御部１６から出力される。

なお、ＰＷＭ信号の出力数は、ＰＷＭ信号が出力される毎にカウントを１つインクリメントするＰＷＭ分割カウンタでカウントされる。ＰＷＭ分割カウンタは、カウント数が定倍の値に応じて変更される。本実施形態では定倍の値が“４”であるため、ＰＷＭ分割カウンタは、カウントを“０”から“３”の間でインクリメントし、カウントが“３”となった場合に“０”に戻り、再び“０”からカウントを繰り返す。

また、制御値が２２５の場合、除算部３２は、制御値を“４”で除算した結果の商として“５６”を出力し、余りとして“１”を出力する。そして、パルス出力部３４は、第１パルスとしてデューティー値が“５６”のＰＷＭ信号を出力し、第２パルスとしてデューティー値が“５７”のＰＷＭ信号を出力し、第１パルスと第２パルスとの合計数を定倍の値と一致させると共に、第２パルスの数を余りの数に一致させるために、第１パルスを３つ出力し、第２パルスを１つ出力する。すなわち、この場合は、デューティー値が“５６”の３つの第１パルスとデューティー値が“５７”の１つの第２パルスとが１組とされて、主制御部１６から出力される。

また、制御値が２２６の場合、除算部３２は、制御値を“４”で除算した結果の商として“５６”を出力し、余りとして“２”を出力する。そして、パルス出力部３４は、第１パルスとしてデューティー値が“５６”のＰＷＭ信号を２つ出力し、第２パルスとしてデューティー値が“５７”のＰＷＭ信号を２つ出力する。すなわち、この場合は、デューティー値が“５６”の２つの第１パルスとデューティー値が“５７”の２つの第２パルスとが１組とされて、主制御部１６から出力される。

また、制御値が２２７の場合、除算部３２は、制御値を“４”で除算した結果の商として“５６”を出力し、余りとして“１”を出力する。そして、パルス出力部３４は、第１パルスとしてデューティー値が“５６”のＰＷＭ信号を３つ出力し、第２パルスとしてデューティー値が“５７”のＰＷＭ信号を１つ出力する。すなわち、この場合は、デューティー値が“５６”の１つの第１パルスとデューティー値が“５７”の３つの第２パルスとが１組とされて、主制御部１６から出力される。

さらに、制御値が２２８の場合、除算部３２は、制御値を“４”で除算した結果の商として“５７”を出力し、余りとして“０”を出力する。そして、パルス出力部３４は、第１パルスとしてデューティー値が“５７”のＰＷＭ信号を４つ出力する一方、第２パルスは出力しない。すなわち、この場合は、デューティー値が“５７”の４つの第１パルスが１組とされて、主制御部１６から出力される。

なお、第２パルスとなるＰＷＭ信号は、ＰＷＭ信号の出力の立下りエッジ毎に発生するＰＷＭ出力割込処理のタイミングで、ＰＷＭ信号を第１パルスに応じたデューティー値から第２パルスに応じたデューティー値に書き換えることで、出力される。

表１は、本実施形態に係るＰＷＭ制御における分解能の実測値の一例である。表１に示されるように、本実施形態に係るモータ駆動制御装置１０は、ＰＷＭ信号のデューティー値（ＯＮ幅）の平均値を０．２５カウントずつ変動させることができ、これに伴い、制御値の定倍を行わないＰＷＭ制御に比べて、速度指令電圧やファンモータ１４の回転数の分解能も向上していることが分かる。

また、図３は、本実施形態に係るファンモータ１４に対するＰＷＭ制御における不感帯領域の一例を示す模式図である。なお、制御値の定倍を行わない従来のＰＷＭ制御では、不感帯領域幅が（１０ｒｐｍ、１カウントの回転数の変動幅は３０ｒｐｍ、図６参照）であった。
図３に示されるように、本実施形態に係るモータ駆動制御装置１０は、ファンモータ１４に対するＰＷＭ制御の分解能を従来の４倍である０．２５カウント毎に行うことが可能となったため、制御可能な０．２５カウントに対する回転数の変動幅が７．５ｒｐｍとなり、従来の不感帯領域幅１０ｒｐｍよりも小さくなるので、その結果、ファンモータ１４のハンチングを抑制することが可能となった。

さらに、図４は、実施形態に係る速度指令電圧とファンモータ１４の回転数との関係を示したグラフである。
図４に示されるように、速度指令電圧が小さいほど、速度指令電圧の変化に対してファンモータ１４の回転数の変化が大きくなる。このことは、速度指令電圧が小さいほど、すなわち、ＰＷＭ信号のデューティー値（カウント数）が小さいほど、ファンモータ１４に対して細かい制御が必要となることを示している。本実施形態に係るモータ駆動制御装置１０は、ＰＷＭ制御の分解能を向上したので、図４に示されるような関係を有するファンモータ１４の回転数が低い制御において、ハンチングの抑制をより効果的に行うことができる。

以上説明したように、本実施形態に係るモータ駆動制御装置１０は、回転数検出部２０によってファンモータ１４の回転数を検出し、制御値算出部３０によって検出値とファンモータ１４の回転数の目標値との偏差に基づいたファンモータ１４に対する制御値を、８ビットの定倍で算出する。そして、モータ駆動制御装置１０は、除算部３２によって、算出した制御値を定倍の値で除算することで、商と余りを算出し、パルス出力部３４によって、商に応じたデューティー値のパルスを第１パルスとし、余りに応じたデューティー値のパルスを第２パルスとし、第１パルスと第２パルスとの数を余りに基づいて変化させた、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力する。
従って、本実施形態に係るモータ駆動制御装置１０は、制御値を定倍の値で除算した結果から求められる、第１パルスと第２パルスとの組み合わせによって、ファンモータ１４の回転数を制御することとなるので、８ビットを超えた分解能によってファンモータ１４を制御することができる。

また、本実施形態に係るモータ駆動制御装置１０は、除算部３２で算出された商に１を足したデューティー値のパルスを第２パルスとし、第１パルスと第２パルスとの合計数を定倍の値と一致させると共に、第２パルスの数を余りの数に一致させて１組とするので、分解能をより向上させることができる。

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、定倍の値として４倍を適用する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、定倍の値として、２倍、３倍、５倍以上を適用する形態としてもよい。

また、上記実施形態では、モータ駆動制御装置１０が、ファンモータ１４に対する速度指令電圧を８ビットのパルス幅変調によって変化させる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、モータ駆動制御装置１０が、ファンモータ１４に対する速度指令電圧を８ビットとは異なるビット数のパルス幅変調によって変化させる形態としてもよい。この形態の場合、例えば、ビット数を４ビット、１６ビット、及び３２ビットとする。

また、上記実施形態では、第１パルスと第２パルスとの合計数を定倍の値と一致させると共に、第２パルスの数を余りの数に一致させる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。

例えば、除算部３２による除算の結果余りが発生した場合に、第２パルスの数を余りの数の平均値とする形態としてもよい。例えば、図５（Ａ）に示すように、定倍を４倍とすると、制御値を定倍で除算した結果の余りは、“１”、“２”、及び“３”の何れかとなる。この余りの平均値は“２”（（１＋２＋３）÷３＝２）であるため、除算部３２による除算の結果余りが発生した場合に、第２パルスの数を“２”とする。
さらに、この形態の場合、図５（Ｂ)に示すように第１パルスと第２パルスとの合計数を定倍の値の半分としてもよい。

また、除算部３２による除算の結果余りが発生した場合に、第２パルスの数を余りに応じて段階的に変化させる形態としてもよい。この形態の場合、定倍を５倍とすると、制御値を定倍で除算した結果の余りは、“１”、“２”、“３”、及び“４”の何れかとなる。そこで、余りが“１”又は“２”の場合には、第２パルスの数を“２”とし、余りが“３”又は“４”の場合には、第２パルスの数を“４”とする。

また、上記実施形態では、モータ駆動制御装置１０が空調設備の室外機に備えられているファン１２を回転させるファンモータ１４を駆動させる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、モータ駆動制御装置１０はモータを駆動させればよく、モータが回転等させる対象はファンとは異なるものとする形態としてもよい。

１０モータ駆動制御装置
１２ファン
１４ファンモータ
１６主制御部
１８速度指令出力部
２０回転数検出部
３０制御値算出部
３２除算部
３４パルス出力部

Claims

モータの回転数を所定ビットのパルス幅変調制御によって変化させるモータ駆動制御装置であって、
前記モータの回転数を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された検出値と前記モータの回転数の目標値との偏差に基づいた前記モータに対する制御値を、前記所定ビットの定倍で算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記制御値を前記定倍の値で除算し、商と余りを算出する除算手段と、
前記除算手段によって算出された前記商に応じたデューティー値のパルスを第１パルスとし、前記余りに応じたデューティー値のパルスを第２パルスとし、前記第１パルスと前記第２パルスとの数を前記余りに基づいて変化させた、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力するパルス出力手段と、
を備えたモータ駆動制御装置。
前記第２パルスは、前記商に１を足したデューティー値のパルスであり、
前記パルス出力手段は、前記第１パルスと前記第２パルスとの合計数を前記定倍の値と一致させると共に、前記第２パルスの数を前記余りの数に一致させて、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力する請求項１記載のモータ駆動制御装置。
前記モータは、空調設備の室外機に備えられているファンを回転させるモータである請求項１又は請求項２記載のモータ駆動制御装置。
モータの回転数を所定ビットのパルス幅変調制御によって変化させるモータ駆動制御方法であって、
前記モータの回転数を検出する第１工程と、
前記第１工程によって検出された検出値と前記モータの回転数の目標値との偏差に基づいた前記モータに対する制御値を、前記所定ビットの定倍で算出する第２工程と、
前記第２工程によって算出された前記制御値を前記定倍の値で除算し、商と余りを算出する第３工程と、
前記第３工程によって算出された前記商に応じたデューティー値のパルスを第１パルスとし、前記余りに応じたデューティー値のパルスを第２パルスとし、前記第１パルスと前記第２パルスとの数を前記余りに基づいて変化させた、該第１パルスと該第２パルスとの組み合わせを１組として出力する第４工程と、
を含むモータ駆動制御方法。