JP2015089198A - モータ駆動装置及びモータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転速度指令と実際のモータ回転数に差異が生じた場合でも、誘起電圧の位相とモータ駆動電流の位相とのズレを抑制することができるモータ駆動装置及びモータ装置を提供する。
【解決手段】モータ駆動電圧の位相進み角度を示す進角値ＬＡを回転速度指令Ｖｓｐに応じて設定し、且つ進角値ＬＡを補正した進角補正値ＬＡ’を出力する進角値制御部３６（進角値設定部３３、進角値補正部３４）と、ブラシレスモータを流れるモータ駆動電流を制限する電流制限信号ＯＣＬを出力する電流制限部１２と、進角値補正部３４から出力された進角補正値ＬＡ’を用いて駆動波形を生成する駆動波形形成部３５とを備え、進角値制御部３６（進角値補正部３４）は、電流制限部１２から電流制限信号ＯＣＬが出力されると、進角補正値ＬＡ’を進角値ＬＡよりも小さくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータを駆動するモータ駆動装置及びモータ装置に関する。

ブラシレスモータを正弦波等の広角波を用いて低振動、低騒音、高効率で駆動するには、モータ駆動電流の位相とモータ誘起電圧の位相とを一致させる必要がある。モータ駆動電流の位相はモータ駆動電圧の位相よりも遅れる。そのため、モータ駆動電圧に対するモータ駆動電流の位相遅れを考慮し、誘起電圧の位相とモータ駆動電流の位相が一致するように、モータの駆動速度を指示する回転速度指令に応じてモータ駆動電圧の位相進み角度である進角値を設定し、モータ駆動電圧の位相を進める技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１５４３８５号公報

しかしながら、モータ駆動電流を設定閾値以内に制御するＯＣＬ（電流制限機能：Over Current Limit）によりモータ駆動電流が抑制されるとモータ回転数が上昇しなくなり、回転速度指令と実際のモータ回転数に差異が生じてしまう。このように回転速度指令と実際のモータ回転数に差異が生じた場合、従来技術では、進角値がモータの回転速度指令に応じて固定で設定されているため、モータ駆動電流と誘起電圧の位相のズレが発生し、結果として振動・騒音が大きくなり、効率低下の原因になるという問題点があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来技術の問題を解決し、回転速度指令と実際のモータ回転数に差異が生じた場合でも、誘起電圧の位相とモータ駆動電流の位相とのズレを抑制することができるモータ駆動装置及びモータ装置を提供することにある。

本発明のモータ駆動装置は、回転速度指令に基づく回転速度でブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置であって、前記ブラシレスモータに印加するモータ駆動電圧の位相進み角度を示す進角値を前記回転速度指令に応じて設定し、且つ前記進角値を補正する進角値制御手段と、前記ブラシレスモータを流れるモータ駆動電流を制限する電流制限手段と、前記進角値制御手段によって補正された進角補正値を用いて駆動波形を生成する波形形成手段と、該波形形成手段によって生成された前記駆動波形に基づくモータ駆動電圧を前記ブラシレスモータに印加するインバータ手段とを具備し、前記進角値制御手段は、前記電流制限手段による前記モータ駆動電流の制限が開始されると、前記進角補正値を前記進角値よりも小さくすることを特徴とする。

本発明によれば、モータ駆動電流が抑制されてモータ回転数が上昇しなくなり、回転速度指令と実際のモータ回転数に差異が生じても、実際の回転速度に応じて進角値が補正されるため、誘起電圧の位相とモータ駆動電流の位相とのズレを抑制することができ、ブラシレスモータを低振動、低騒音、高効率で駆動することができるという効果を奏する。

本発明に係るモータ駆動装置の実施の形態の構成を示す回路構成図である。 図１に示す第２波形形成部の構成を示す回路構成図である。 図２に示す進角値設定部が有している回転速度指令と進角値との対応表を示す図である。 図１に示すモータ駆動装置の各部の信号波形及び動作波形を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、各図において、同一の構成には、同一の符号を付して一部説明を省略している。

本実施の形態は、上位装置からの回転速度指令Ｖｓｐに基づいてブラシレスモータ３の駆動制御を行うモータ駆動装置１であり、保護機能としてモータ駆動電流を設定閾値以内に制御するＯＣＬ（電流制限機能：Over Current Limit）を有している。本実施の形態のモータ駆動装置１は、図１を参照すると、インバータ回路１０と、モータドライバ１１と、電流制限部１２と、位置検出部１３と、回転速度検出部１４と、異常検出部１５と、基本波形形成部１６と、第１波形形成部１７と、第２波形形成部１８と、駆動切替判定部１９と、保護停止部２０と、駆動切替部２１とを備えている。また、位置検出部１３と、回転速度検出部１４と、異常検出部１５と、基本波形形成部１６と、第１波形形成部１７と、第２波形形成部１８と、駆動切替判定部１９と、保護停止部２０と、駆動切替部２１とは、モータコントローラ２を構成する。さらに、モータ駆動装置１と、ブラシレスモータ３とは、モータ装置を構成する。

インバータ回路１０は、スイッチング素子に環流用ダイオードを逆並列接続した並列回路をハイサイドアーム及びローサイドアームに備える直列回路が、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれに対応して設けられ、モータドライバ１１から出力される駆動信号に基づいてスイッチング素子をオンオフ制御することにより、モータ駆動電圧を出力する。

モータドライバ１１は、駆動切替部２１から出力される駆動波形を最適な電圧及びスイッチングスピードに変換し、駆動信号としてインバータ回路１０に出力する。

電流制限部１２は、接地された負の直流母線に設けられた電流検出抵抗Ｒｓによってインバータ回路１０を流れる回路電流を電流検出値ＬＳとして検出し、電流検出値ＬＳが予め設定されたＯＣＬ基準値に到達すると、電流制限信号ＯＣＬをモータドライバ１１と、第２波形形成部１８とに出力する。そして、電流制限信号ＯＣＬが入力されたモータドライバ１１は、モータ駆動電流を設定閾値以内に制御する保護動作を行う。また、電流制限部１２は、電流検出値ＬＳが予め設定されたＯＣＰ基準値に達すると過電流信号ＯＣＰを異常検出部１５に出力する。そして過電流信号ＯＣＰが入力された異常検出部１５は、モータ動作を停止させる保護動作を行う。

位置検出部１３は、ブラシレスモータ３の回転子の回転位置を検出するホール素子３ａからのホール入力信号に基づいて、回転子の回転位置を検出し、回転パルスＦＧを回転速度検出部１４と異常検出部１５と第２波形形成部１８とに出力する。

回転速度検出部１４は、回転パルスＦＧの周期を内蔵カウンタにて時間計測することで、モータ回転周波数（回転速度）を算出し、異常検出部１５と駆動切替判定部１９とに出力する。

異常検出部１５は、位置検出部１３から出力される位置信号の異常や、回転速度検出部１４から出力されるモータ回転周波数に基づいてブラシレスモータ３の逆回転や異常な高回転を検出すると共に、電流制御部１２から出力される過電流信号ＯＣＰによって過電流を検出する。

基本波形形成部１６は、基本波形である三角波を形成し、第１波形形成部１７と第２波形形成部１８とに出力する。

第１波形形成部１７は、上位装置からの回転速度指令Ｖｓｐと、基本波形形成部１６から出力される基本波形と、ホール素子３ａからのホール入力信号とに基づいて、起動・低速回転時の駆動波形（矩形波駆動（120度））を形成する。

第２波形形成部１８は、上位装置からの回転速度指令Ｖｓｐと、基本波形形成部１６から出力される基本波形と、位置検出部１３から出力される回転パルスＦＧと、電流制限部１２から出力される電流制限信号ＯＣＬと、駆動切替判定部１９から出力される駆動方式選択信号ＳＥとに基づいて、中速・高速回転時の駆動波形（正弦波等の広角波駆動（150度、165度、180度等））を形成する。

駆動切替判定部１９は、回転速度検出部１４で算出されたモータ回転周波数と予め設定されている切替周波数とを比較することで駆動方式を選択する駆動方式選択信号ＳＥを駆動切替部２１に出力する。具体的には、モータ回転周波数が切替周波数未満の起動・低速回転時には、駆動切替判定部１９は、第１駆動方式である第１波形形成部１７によって形成される駆動波形の選択を指示する駆動方式選択信号ＳＥを駆動切替部２１に出力し、モータ回転周波数が切替周波数以上の中速・高速回転時には、第２駆動方式である第２波形形成部１８によって形成される駆動波形の選択を指示する駆動方式選択信号ＳＥを第２波形形成部１８と駆動切替部２１に出力する。

保護停止部２０は、異常検出部１５によって、位置信号の異常や、ブラシレスモータ３の逆回転や高回転、或いは過電流が検出されると、保護停止信号を駆動切替部２１に出力する。

駆動切替部２１は、モータドライバ１１に出力する駆動波形を、駆動切替判定部１９から出力される駆動方式選択信号ＳＥに基づいて、第１波形形成部１７によって形成された駆動波形と、第２波形形成部１８によって形成された駆動波形とのいずれかに切り替える。また、駆動切替部２１は、保護停止部２０から保護停止信号が出力されると、駆動波形の出力を停止する。

図２には、第２波形形成部１８の内部構成が示されている。第２波形形成部１８は、図２を参照すると、比較器３１と、ＰＷＭ信号生成部３２と、進角値設定部３３と、進角値補正部３４と、駆動波形形成部３５とを備えている。

比較器３１は、上位装置からの電圧値として入力される回転速度指令Ｖｓｐと、基本波形形成部１６から出力される基本波形（三角波）とを比較し、ＰＷＭ信号生成部３２は、比較器３１の比較結果に基づいてＰＷＭ信号を生成して駆動波形形成部３５に出力する。

進角値設定部３３は、回転速度指令Ｖｓｐに基づいて進角値ＬＡを設定し、設定した進角値ＬＡを進角値補正部３４に出力する。進角値設定部３３は、図３に示すように、回転速度指令Ｖｓｐと進角値ＬＡとの対応表を有しており、回転速度指令Ｖｓｐの値に応じて進角値ＬＡを設定する。なお、本実施の形態では、回転速度指令Ｖｓｐは、「ｓｐ０」〜「ｓｐ５」の６段階に設定されており、進角値ＬＡも回転速度指令Ｖｓｐと同様に０〜５の６段階に設定されている。なお、回転速度指令Ｖｓｐにおいて、「ｓｐ０」は回転停止の指令であり、「ｓｐ１」から数字が大きくなるにしたがって速い回転速度を示している。また、進角値ＬＡにおいて、「ＬＡ０」は０度であり、「ＬＡ１」から数字が大きくなるにしたがって大きい角度を示している。

進角値補正部３４は、駆動切替判定部１９から出力される駆動方式選択信号ＳＥと、電流制限部１２から出力される電流制限信号ＯＣＬと、位置検出部１３から出力される回転パルスＦＧとに基づいて、進角値設定部３３によって設定された進角値ＬＡを補正し、補正した進角値ＬＡを進角補正値ＬＡ’として駆動波形形成部３５に出力する。なお、進角値設定部３３と進角値補正部３４とは別個の構成としても良く、破線で示されるように、これらを進角設定機能と進角補正機能とを併せ持った単一の進角値制御部３６として構成することもできる。

駆動波形形成部３５は、ＰＷＭ信号生成部３２から出力されるＰＷＭ信号と、位置検出部１３から出力される回転パルスＦＧと、進角値補正部３４から出力される進角補正値ＬＡ’とに基づいて、ブラシレスモータ３に通電するタイミングを決定して中速・高速回転時の駆動波形（正弦波等の広角波）を形成する。

次に、進角値補正部３４による進角値ＬＡの補正動作について図４を参照して詳細に説明する。図４は、（ａ）回転パルスＦＧ、（ｂ）回転速度指令Ｖｓｐ、（ｃ）進角値ＬＡ、（ｄ）進角補正値ＬＡ’、（ｅ）電流制限信号ＯＣＬ、（ｆ）駆動方式選択信号ＳＥの波形を示している。

回転停止状態で、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ１で回転速度指令Ｖｓｐとして「ｓｐ３」が入力されると、進角値設定部３３は、図４（ｃ）に示すように、進角値ＬＡを回転速度指令Ｖｓｐの「ｓｐ３」に対応する「ＬＡ３」に設定して出力する。

図４（ｆ）に示すように、起動時には、駆動切替判定部１９は、第１駆動方式を選択する駆動方式選択信号ＳＥを出力しており、第１波形形成部１７によって形成される駆動波形によってブラシレスモータ３が駆動される。そして、進角値補正部３４は、駆動切替判定部１９から第１駆動方式を選択する駆動方式選択信号ＳＥがされている場合には、図４（ｄ）に示すように、進角値設定部３３から出力される進角値ＬＡに拘わらず、進角補正値ＬＡ’として「ＬＡ０」を出力している。

図４（ｆ）に示すように、時刻ｔ２でモータ回転周波数が切替周波数に到達して駆動切替判定部１９から第２駆動方式を選択する駆動方式選択信号ＳＥが出力されると、進角値補正部３４は、図４（ｄ）に示すように、進角値設定部３３で設定された「ＬＡ３」まで電気角６０度毎に１段階ずつ進角補正値ＬＡ’を引き上げて出力する。これにより、実際の回転速度に応じた進角補正値ＬＡ’が設定され、誘起電圧の位相とモータ駆動電流の位相とのズレを抑制することができる。

次に、図４（ｅ）に示すように、時刻ｔ３で電流制限部１２から電流制限信号ＯＣＬが出力されると、進角値補正部３４は、図４（ｄ）に示すように、「ＬＡ０」まで電気角６０度毎に１段階ずつ進角補正値ＬＡ’を引き下げて出力する。これにより、モータ駆動電流が抑制されてモータ回転数が上昇しなくなり、回転速度指令Ｖｓｐと実際のモータ回転数に差異が生じても、実際の回転速度に適した進角補正値ＬＡ’が設定され、誘起電圧の位相とモータ駆動電流の位相とのズレを抑制することができる。

次に、図４（ｅ）に示すように、時刻ｔ４で電流制限部１２からの電流制限信号ＯＣＬがオフされると、進角値補正部３４は、図４（ｄ）に示すように、進角値設定部３３で設定された「ＬＡ３」まで電気角６０度毎に１段階ずつ進角補正値ＬＡ’を引き上げて出力する。これにより、モータ駆動電流の抑制の解除によるモータ回転数の上昇に伴って、実際の回転速度に応じた進角補正値ＬＡ’が設定され、誘起電圧の位相とモータ駆動電流の位相とのズレを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、電流制限部１２から電流制限信号ＯＣＬが出力されると、進角値設定部３３で設定された進角値ＬＡに拘わらず、進角補正値ＬＡ’を「ＬＡ０」まで段階的に引き下げるように構成したが、進角値設定部３３で設定された進角値ＬＡに対して補正限界値を設定することもできる。例えば、補正限界値として「−２」を設定した場合、電流制限部１２から電流制限信号ＯＣＬが出力されると、進角値補正部３４は、進角値設定部３３で設定された「ＬＡ３」よりも２段階低い「ＬＡ１」まで電気角６０度毎に１段階ずつ進角補正値ＬＡ’を引き下げて出力する。

また、補正限界値は、回転速度指令Ｖｓｐ等の動作条件によって変動させて設定しても良い。例えば、回転速度指令Ｖｓｐの設定範囲を数段階に区切り、高回転時は補正限界値として「−３」、中回転時は補正限界値として「−２」、低回転時は補正限界値として「−１」をそれぞれ設定するようにしても良い。このように補正限界値を設定することにより、モータ回転子と駆動信号との同期ズレ（脱調）を防止することができる。

さらに、本実施の形態では、進角補正値ＬＡ’を１段階ずつ補正するように構成したが、進角補正値ＬＡ’は、複数段階ずつ補正するように構成しても良い。また、進角補正値ＬＡ’の補正する段階数を切り替えて設定可能に構成しても良い。例えば、安定性を重視する場合には、進角補正値ＬＡ’の補正する段階数を「１」に設定し、追従性を重視する場合には、進角補正値ＬＡ’の補正する段階数を「２」等の複数段階に設定すると良い。進角補正値ＬＡ’を複数段階毎に補正することで大幅な速度変動に対応することができ、モータ回転の加速減速時（回転速度指令Ｖｓｐ設定変更時）の低振動・低騒音化が期待できる。

また、本実施の形態では、ブラシレスモータ３のモータ回転周期（回転パルスＦＧ）に同期させ、電気角６０度毎に進角補正値ＬＡ’を補正するように構成した。このように、補正周期をモータ回転周期とすると低回転時と高回転時とで進角補正の追従性が異なることになるが、モータ回転周期に同期する為、安定動作が期待できる。なお、進角補正値ＬＡ’の補正周期は、電気角６０度に限定されることなく、他の角度であっても良い。さらに、進角補正値ＬＡ’の補正周期をタイマーによる一定時間周期としても良い。この場合には、モータ回転数へ依存性はなくなり、回転速度指令Ｖｓｐに対する追従性能の向上が期待できる。

以上説明したように、本実施の形態は、回転速度指令Ｖｓｐに基づく回転速度でブラシレスモータ３を駆動するモータ駆動装置１であって、ブラシレスモータ３に印加するモータ駆動電圧の位相進み角度を示す進角値ＬＡを回転速度指令Ｖｓｐに応じて設定し、且つ進角値ＬＡを補正した進角補正値ＬＡ’を出力する進角値制御部３６（進角値設定部３３、進角値補正部３４）と、ブラシレスモータ３を流れるモータ駆動電流を制限する電流制限信号ＯＣＬを出力する電流制限部１２と、進角値補正部３４から出力された進角補正値ＬＡ’を用いて駆動波形を生成する駆動波形形成部３５と、駆動波形形成部３５によって生成された駆動波形に基づくモータ駆動電圧をブラシレスモータ３に印加するインバータ回路１０とを備え、進角値制御部３６（進角値補正部３４）は、電流制限部１２から電流制限信号ＯＣＬが出力されると、進角補正値ＬＡ’を進角値ＬＡよりも小さくするように構成されている。
この構成により、モータ駆動電流が抑制されてモータ回転数が上昇しなくなり、回転速度指令Ｖｓｐと実際のモータ回転数に差異が生じても、実際の回転速度に応じた進角補正値ＬＡ’が設定され、誘起電圧の位相とモータ駆動電流の位相とのズレを抑制することができ、ブラシレスモータ３を低振動、低騒音、高効率で駆動することができると共に、低振動、低騒音、高効率なモータ装置を提供できる。

さらに、本実施の形態によれば、進角値制御部３６（進角値補正部３４）は、ブラシレスモータ３のモータ回転周期に同期させて、進角値ＬＡを段階的に小さい角度に補正するように構成されている。
この構成により、モータ回転周期に同期する為、安定動作が期待できる。

さらに、本実施の形態によれば、進角値制御部３６（進角値補正部３４）は、タイマーによる一定時間周期で、進角値ＬＡを段階的に小さい角度に補正するように構成されている。
この構成により、モータ回転数へ依存性はなくなり、回転速度指令Ｖｓｐに対する追従性能の向上が期待できる。

さらに、本実施の形態によれば、進角値制御部３６（進角値補正部３４）には、進角値ＬＡに対する補正限界値が設定されている。さらに、本実施の形態によれば、補正限界値は、動作条件によって変動させて設定されている。
この構成により、モータ回転子と駆動信号との同期ズレ（脱調）を防止することができる。

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。

１ モータ駆動装置
２ モータコントローラ
３ ブラシレスモータ
３ａ ホール素子
１０ インバータ回路
１１ モータドライバ
１２ 電流制限部
１３ 位置検出部
１４ 回転速度検出部
１５ 異常検出部
１６ 基本波形形成部
１７ 第１波形形成部
１８ 第２波形形成部
１９ 駆動切替判定部
２０ 保護停止部
２１ 駆動切替部
３１ 比較器
３２ ＰＷＭ信号生成部
３３ 進角値設定部
３４ 進角値補正部
３５ 駆動波形形成部
３６ 進角値制御部

Claims (6)

1. 回転速度指令に基づく回転速度でブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置であって、
   前記ブラシレスモータに印加するモータ駆動電圧の位相進み角度を示す進角値を前記回転速度指令に応じて設定し、且つ前記進角値を補正する進角値制御手段と、
   前記ブラシレスモータを流れるモータ駆動電流を制限する電流制限手段と、
   前記進角値制御手段によって補正された進角補正値を用いて駆動波形を生成する波形形成手段と、
   該波形形成手段によって生成された前記駆動波形に基づくモータ駆動電圧を前記ブラシレスモータに印加するインバータ手段とを具備し、
   前記進角値制御手段は、前記電流制限手段による前記モータ駆動電流の制限が開始されると、前記進角補正値を前記進角値よりも小さくすることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記進角値制御手段は、前記ブラシレスモータのモータ回転周期に同期させて、前記進角値を段階的に小さい角度に補正することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
3. 前記進角値制御手段は、タイマーによる一定時間周期で、前記進角値を段階的に小さい角度に補正することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
4. 前記進角値制御手段には、前記進角値に対する補正限界値が設定されている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駆動装置。
5. 前記補正限界値は、動作条件によって変動させて設定されていることを特徴とする請求項４記載のモータ駆動装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のモータ駆動装置と、前記モータ駆動装置からモータ駆動電圧を印加されるブラシレスモータと、を具備することを特徴とするモータ装置。

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