JP2016067093A - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータをＰＷＭ制御する際に、電源電圧の変動に伴う回転速度の急変を抑制できるモータ制御装置を提供する。【解決手段】指示回転速度出力器１０は、外部より入力されるモータ回転速度の指令値を受信して出力する。ＰＷＭデューティ算出器３０は、指令値と計測されたモータ１４の実回転速度とからＰＷＭデューティを算出する。最大速度推定器２６は、計測された実回転速度と、モータ１４の制御状態を示すパラメータ及び現在のＰＷＭデューティ及び予め設定されているＰＷＭデューティの上限値とから、その上限値でＰＷＭ制御した際のモータ１４の最大回転速度を推定する。そして、外部より入力される指令値を、前記最大回転速度以下に制限する。【選択図】図１

Description

本発明は、外部より入力されるモータ回転速度の指令値と、計測したモータの実回転速度とから、ＰＷＭ信号のデューティを算出してモータをＰＷＭ制御する装置及び方法に関する。

例えばブラシレスＤＣモータのような永久磁石型モータの回転速度は、モータの固定子巻線に供給する電流と、モータの磁力及びインピーダンスで決まる。モータをインバータ回路によりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する構成では、ＰＷＭデューティが１００％になっても回転速度が速度指令値に達しない状態でインバータ回路に供給される電源電圧が変化すると、モータに供給する電流が変化して回転速度が変動する。すなわち、電源電圧自体の変動や、電源電圧に重畳されるノイズに起因してモータの回転速度が変動する。

一般的なＰＷＭ制御では、与えられた回転速度指令と、検出したモータの回転速度との差に応じてＰＷＭデューティを決定するようにフィードバック制御を行っている。しかし、このような制御系では、回転速度が速度指令値に達していない状態でＰＷＭデューティが１００％になると、回転速度を更に上昇させることができず速度制御が不能となる。このような問題に対処する技術として、例えば、特許文献１がある。

特許第４１５４６３５号公報

特許文献１では、ＰＷＭデューティが１００％に達した場合は、速度指令値をその時点の回転速度に相当する値に置き換えて対応している。しかしながら、ＰＷＭデューティが１００％に達した時点で指令値を切換えると、制御応答が遅れてしまう。また、ＰＷＭデューティが１００％に達しない範囲で回転速度が急上昇した場合には、フィードバック制御のみで変動を抑制させるため、モータの駆動対象が例えばファンであれば、風圧の急変や異常な駆動音の発生、ポンプの場合は過剰圧送等の問題が発生するおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータをＰＷＭ制御する際に、電源電圧の変動に伴う回転速度の急変を抑制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記載のモータ制御装置によれば、指示回転速度出力器は、外部より入力されるモータ回転速度の指令値を受信して出力する。ＰＷＭデューティ算出器は、前記指令値と計測されたモータの実回転速度とからＰＷＭデューティを算出する。最大速度推定器は、計測された実回転速度と、モータの制御状態を示すパラメータ及び現在のＰＷＭデューティ及び予め設定されているＰＷＭデューティの上限値とから、その上限値でＰＷＭ制御した際のモータの最大回転速度を推定する。そして、外部より入力される指令値を、前記最大回転速度以下に制限する。

例えば、モータが外部より入力される指令値に相当する速度で回転している状態で駆動回路の駆動電源電圧が低下すると、それに伴いモータの回転速度は低下する。すると、最大速度推定器によって推定される最大回転速度も低下する。指令値が一定であれば、やがて指令値は最大回転速度を上回る。この時、指示回転速度出力器が指令値を最大回転速度以下に制限すると、上限値のＰＷＭデューティでのＰＷＭ制御を継続すれば、モータの回転速度は推定された最大回転速度に等しくなるように制御される。

その後、駆動電源電圧が元の電圧に戻ればモータの回転速度が上昇するので、最大速度推定器によって推定される最大回転速度も上昇する。そして、指令値が最大回転速度未満になれば、ＰＷＭデューティは再び指令値に基づいて算出されるようになり、モータの回転速度は指令値に応じた速度に復帰する。これにより、電源電圧が変動した際にモータの回転速度が急激に変化することを抑制できる。

請求項２記載のモータ制御装置によれば、最大速度推定器は、モータの制御状態を示すパラメータとして現在のＰＷＭデューティを用い、モータの最大回転速度を、
（回転速度）／（現在のＰＷＭデューティ）×（ＰＷＭデューティの上限値）
で推定する。すなわち、モータの回転速度はＰＷＭデューティに比例するので、上式によって最大回転速度を妥当に推定できる。

一実施形態であり、ＰＷＭデューティ決定部の構成を示す機能ブロック図 応答特性調整器の構成を示す機能ブロック図 モータ駆動制御装置に内蔵されるマイコンの処理機能を中心に示す機能ブロック図 モータ駆動制御装置の全体構成を示す図 ＰＷＭデューティ決定部の処理内容を示すフローチャート 動作タイミングチャート

図４に示すように、例えば車載用のモータ駆動制御装置１は、マイクロコンピュータ（マイコン，制御回路）２とインバータ回路３とを中心に構成されている。モータ駆動制御装置１には、車両のイグニッションスイッチ（ＩＧ）を介して駆動用電源が供給される。その駆動用電源は、コンデンサ４ａ及び４ｂとコイル５とからなるπ型フィルタ６を介してインバータ回路３（駆動回路）に供給されている。

また、駆動用電源は、ダイオード７を介して５Ｖ電源回路８に供給されている。５Ｖ電源回路８は、駆動用電源電圧を降圧して５Ｖの制御用電源を生成すると、マイコン２の電源端子に供給する。マイコン２の電源端子とグランドとの間には、バイパスコンデンサ９が接続されている。指示回転速度出力器１０には、図示しない上位の制御装置より、モータの回転速度指令が低速のＰＷＭ信号で入力される。指示回転速度出力器１０は、入力されたＰＷＭ指令値（ＰＷＭデューティ）に応じて、より高速のＰＷＭ信号を生成し、マイコン２の入力ポートに出力する。

インバータ回路３は、３つの素子モジュール１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗより構成され、各素子モジュール１１は、直列接続された２つのＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）１２及び１３を備えている。これらのＦＥＴ１２及び１３のドレイン−ソース間には、フリーホイールダイオード（寄生ダイオード）１２Ｄ，１３Ｄがそれぞれ接続されている。そして、これらのＦＥＴ１２及び１３の共通接続点がインバータ回路３の各相出力端子となり、モータ駆動制御装置１の出力端子１Ｕ，１Ｖ，１Ｗを介して、例えば３相ブラシレスＤＣモータであるモータ１４の各相固定子巻線１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗに接続されている。マイコン２（ＰＷＭ信号出力手段）は、内蔵されるＣＰＵが制御プログラム（ソフトウェア）に従い動作することで、インバータ回路３を構成する各ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１２及び１３のゲートにＰＷＭ信号を出力してモータ１４を駆動制御する。

また、素子モジュール１１は、ＦＥＴ１２及び１３の共通接続点の電位を、モータ１４の中性点相当電位（各相電圧の和）と比較する端子電圧比較器（コンパレータ）１６（図４では、Ｕ相のみ図示）を備えている。端子電圧比較器１６は、マイコン２がモータ１４の誘起電圧のゼロクロス点を検出するために使用される。前記中性点相当電位は、図１に示す中性点電圧生成器１７により供給される。また、各素子モジュール１１が備えるコンパレータ１６の出力信号は、マイコン２の入力ポートにそれぞれ入力されている。
マイコン２は、入力ポートに与えられる端子電圧比較器１６（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の出力信号を参照することで、モータ１４が回転している際に固定子巻線１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗに発生する誘起電圧のゼロクロス点を検出する。

図３に示すように、マイコン２の内部において、ゼロクロスタイミング信号生成器２１は、端子電圧比較器１６（Ｕ，Ｖ，Ｗ）からの出力信号を受けて、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相のゼロクロス点をライズエッジ及びフォールエッジで示す矩形波状のタイミング信号を生成し、各相別に出力する。これらのタイミング信号は、回転速度計測器２２に入力されている。

モータ回転速度計測器２２は、ゼロクロスタイミング信号のエッジ間隔を計測することでモータ１４の実回転速度を計測し、計測結果をＰＷＭデューティ決定部２３に出力する。ＰＷＭデューティ決定部２３は、指示回転速度出力器１０を介して指令値（回転速度指令）が入力されており、モータ回転速度計測器２２により計測されたモータ１４の実回転速度との差に応じてＰＷＭデューティ指令を算出し、ＰＷＭ信号発生器２４に出力する。

ＰＷＭ信号発生器２４は、内部で発生させたＰＷＭ制御用のキャリアとデューティ指令とからＰＷＭ信号を生成し、通電相の切替え信号に応じてＵ，Ｖ，Ｗ各相のＰＷＭ信号を出力する。例えば、１２０度通電方式（上アーム側スイッチング素子を１２０度分だけオンした後に上アーム側スイッチング素子をオフし、その６０度分後に下アーム側スイッチング素子を１２０度分だけオンした後下アーム側スイッチング素子をオフ、さらに６０度分後に上アーム側スイッチング素子をオンし、これらを繰り返す）により矩形波駆動を行う。尚、ＰＷＭ制御におけるキャリア周期は、例えば２０ｋＨｚ程度である。

図１に示すように、ＰＷＭデューティ決定部２３は、ＭＩＮ演算器２５を備えている。ＭＩＮ演算器２５は、指示回転速度出力器１０より入力される指令値と、後述する最大速度推定器２６より入力される推定された最大回転速度とを比較し、値が小さい方を選択して（制限後指令値）応答特性調整器２７に出力する。応答特性調整器２７は、入力された指令値の変化応答を遅くするように調整して（目標値）減算器２８に出力する。

減算器２８は、入力される目標値と、モータ回転速度計測器２２により計測されたモータ１４の回転速度（実回転速度）との差をＰＩ演算器２９に出力する。ＰＩ演算器２９は、入力される速度の偏差についてＰＩ（Proportional-Integral）制御演算を行うことでＰＷＭデューティを算出し、ＰＷＭ信号発生器２４及び最大速度推定器２６に出力する。尚、減算器２８及びＰＩ演算器２９は、ＰＷＭデューティ算出器３０を構成している。

最大速度推定器２６には、回転速度計測器２２により計測された実回転速度も入力されている。最大速度推定器２６は、予め定められたＰＷＭ制御におけるデューティの上限値（例えば、１００％）を情報として保持している。そして、最大速度推定器２６は、入力される現在のＰＷＭデューティ及びモータ１４の実回転速度と前記上限値とから、モータ１４を上限値のデューティでＰＷＭ制御した場合に到達する最大回転速度を推定し、ＭＩＮ演算器２５に出力する。

図２に示すように、応答特性調整器２７は、ＭＩＮ演算器２５より入力される制限後指令値を、ＭＩＮ演算器３１及びＭＡＸ演算器３２を介すことで、目標値として次段の減算器２７に出力する。前記目標値は、加算器３３及び減算器３４に入力されている。加算器３３は、目標値に制御周期である１ｍｓ毎に４００ｒｐｍを加算してＭＩＮ演算器３１に出力する。減算器３４は、目標値より１ｍｓ毎に４００ｒｐｍを減算してＭＡＸ演算器３２に出力する。

すなわち、応答特性調整器２７では、（制限後）指令値の入力が無く目標値が０ｒｐｍの状態から、例えば指令値が１００００ｒｐｍで入力されると、加算器３３が１ｍｓが経過する毎に０ｒｐｍに４００ｒｐｍを加算してＭＩＮ演算器３１に出力する。加算結果は、４００ｒｐｍ，８００ｒｐｍ，１２００ｒｐｍ，…と順次上昇するが、１００００ｒｐｍを超えるまでは加算結果が選択されてＭＩＮ演算器３１より出力される。
この時、ＭＡＸ演算器３２に入力される減算器３４の減算結果は、ＭＩＮ演算器３１の出力値より４００ｒｐｍだけ小さいので、ＭＡＸ演算器３２は、ＭＩＮ演算器３１の出力を選択して目標値として出力する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図５に示すように、最大速度推定器２６は、前述した最大回転速度を、次式
（実回転速度）／（ＰＷＭデューティ）×（ＰＷＭデューティの上限値）
で演算して推定する（Ｓ１）。ＭＩＮ演算器２７は、指示回転速度出力器１０より入力された指令値が推定された最大回転速度以上か否かを判断する（Ｓ２）。指令値が最大回転速度未満であれば（ＮＯ）、指示回転速度出力器１０より入力された指令値を制限後指令とする（Ｓ４）。尚、この場合指令値は制限されていないが、便宜上「制限後指令値」とする。

一方、ステップＳ２において、指令値が推定された最大回転速度以上であれば（ＹＥＳ）、推定された最大回転速度を制限御指令値とする（Ｓ３）。ステップＳ３，Ｓ４を実行するとステップＳ５に移行して、制限後指令値を応答特性調整器２７に介すことで目標値として減算器２８に出力する。

以上の処理について、具体数値例で説明する。例えばステップＳ１で推定した最大回転速度が１００００ｒｐｍである場合に、指令値を９０００ｒｐｍ（デューティ９０％）から１２０００ｒｐｍに変化させたとする。応答特性が１０００ｒｐｍ／ｓであれば、１秒後にはモータ１４の実回転速度が推定した最大回転速度が１００００ｒｐｍに到達する。すると、制限後指令値を１００００ｒｐｍに設定することで、実回転速度の上昇を抑制する。その後、推定した最大回転速度が１２０００ｒｐｍに変化すれば、上記の応答特性の範囲内でモータ１４の回転速度が上昇し、実回転速度は２秒後に１２０００ｒｐｍに到達する。

また、図６に示す例では、ＰＷＭデューティの初期値が１５％、応答特性が４００ｒｐｍ／ｍｓ，ＰＩ演算器２９におけるＰ項のゲインが０．０５％、Ｉ項のゲインが０．５％である。時間０ｍｓで指令値が１２０００ｒｐｍで入力されると、目標値及び実回転速度は、応答特性４００ｒｐｍ／ｍｓに従って上昇し、２０ｍｓが経過した後に指令値１２０００ｒｐｍに一致している。この時、最大速度推定器２６により推定された最大回転速度は、１３０００ｒｐｍ強で一定である。

図６（ｂ）に示すように、時間１００ｍｓで電源電圧が初期値の１２Ｖから低下し始め、１２０ｍｓで１０Ｖまで低下している。この時、図６（ａ）に示すように、モータの実回転速度も低下する。すると、推定された最大回転速度も低下して、時間１１０ｍｓ付近で指令値が最大回転速度を上回る。この時、ＭＩＮ演算器２５が指令値を最大回転速度以下に制限すると、上限値のＰＷＭデューティでのＰＷＭ制御を継続すれば、モータ１４の回転速度は推定された最大回転速度１１０００ｒｐｍ強に等しくなるように制御される。

時間１４０ｍｓで電源電圧が１２Ｖに復帰すると、モータ１４の回転速度が上昇するので、推定される最大回転速度も上昇する。そして、指令値が最大回転速度未満になれば、ＰＷＭデューティは再び指令値に基づいて算出されるようになり、モータ１４の実回転速度は指令値に応じた速度に復帰する。尚、図６（ｃ）に示すＰＷＭデューティ（Duty）は、Ｉ項のゲインと同じように変化している。

以上のように本実施形態によれば、指示回転速度出力器１０は、外部より入力されるモータ回転速度の指令値を受信して出力する。ＰＷＭデューティ算出器３０は、指令値と計測されたモータ１４の実回転速度とからＰＷＭデューティを算出する。最大速度推定器２６は、計測された実回転速度と、モータ１４の制御状態を示すパラメータ及び現在のＰＷＭデューティ及び予め設定されているＰＷＭデューティの上限値とから、その上限値でＰＷＭ制御した際のモータ１４の最大回転速度を推定する。そして、外部より入力される指令値を、前記最大回転速度以下に制限する。したがって、電源電圧が変動した際にモータ１４の回転速度が急激に変化することを抑制できる。

また、最大速度推定器は、モータ１４の制御状態を示すパラメータとして現在のＰＷＭデューティを用い、モータ１４の最大回転速度を、
（回転速度）／（現在のＰＷＭデューティ）×（ＰＷＭデューティの上限値）
で推定する。すなわち、モータ１４の回転速度はＰＷＭデューティに比例するので、上式によって最大回転速度を妥当に推定できる。

また、応答特性調整器２７を備え、指示回転速度出力器１０により出力される指令値の変化速度が緩やかになるように調整するので、モータ１４の実回転速度と指令値との間に大きな差がある場合に、回転速度が急激に変化することを抑制できる。更に、ＰＷＭデューティ算出器３０は、ＰＩ制御演算を行ってＰＷＭデューティを算出するので、応答特性調整器２７の出力である目標値の変化に対して、ＰＷＭデューティを適切に算出できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ＰＷＭデューティの上限値は１００％に限ることなく、個別の製品の仕様に応じて例えば９０％や８０％に設定するなど、適宜変更すれば良い。
モータ１４の最大回転速度を推定するために使用するパラメータは、「現在のＰＷＭデューティ」に限ることはない。例えば、インバータ回路３を介してモータ１４に通電する電流値や、インバータ回路３又はモータ１４の温度を用いても良い。また、電源電圧に応じて、回転速度を制限する値を決定するテーブルをパラメータとして用いても良い。

応答特性調整器２７に設定する、制御周期毎に加減算する回転数（応答特性）は、４００ｒｐｍ／ｍｓに限ることなく、個別の設計に応じて適宜設定すれば良い。また、応答特性調整器２７を削除しても良い。
ＰＷＭデューティ算出器３０は、必ずしもＰＩ制御演算を行う必要はない。
位置センサを用いる駆動制御装置に適用しても良い。

図面中、１０は指示回転速度出力器、１４はモータ、２２はモータ回転速度計測器、２６は最大速度推定器、２７は応答特性調整器、３０はＰＷＭデューティ算出器を示す。

Claims (6)

1. 外部より入力されるモータ回転速度の指令値を受信して出力する指示回転速度出力器（１０）と、
   モータ（１４）の回転速度を計測するモータ回転速度計測器（２２）と、
   前記指令値と、前記モータ回転速度計測器により計測された実回転速度とから、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号のデューティ（ＰＷＭデューティ）を算出するＰＷＭデューティ算出器（３０）と、
   前記計測された実回転速度と、前記モータの制御状態を示すパラメータ及び予め設定されているＰＷＭデューティの上限値とから、前記上限値でＰＷＭ制御した際の前記モータの最大回転速度を推定する最大速度推定器（２６）とを備え、
   前記外部より入力される指令値を、前記最大回転速度以下に制限することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記最大速度推定器は、前記モータの制御状態を示すパラメータとして現在のＰＷＭデューティを用い、前記モータの最大回転速度を、
   （回転速度）／（現在のＰＷＭデューティ）×（ＰＷＭデューティの上限値）
   で推定することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記指示回転速度出力器により出力される指令値の変化に対して、変化する速度が緩やかになるように調整する応答特性調整器（２７）を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のモータ制御装置。
4. 前記ＰＷＭデューティ算出器は、ＰＩ（Proportional-Integral）制御演算を行って前記ＰＷＭデューティを算出することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のモータ制御装置。
5. 外部より入力されるモータ回転速度の指令値と、前記モータについて計測した回転速度とから、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号のデューティ（ＰＷＭデューティ）を算出し、
   前記計測された回転速度と、前記モータの制御状態を示すパラメータ及び予め設定されているＰＷＭデューティの上限値とから、前記上限値でＰＷＭ制御した際の前記モータの最大回転速度を推定し、
   前記外部より入力される指令値を、前記最大回転速度以下に制限することを特徴とするモータ制御方法。
6. 前記モータの制御状態を示すパラメータとして、現在のＰＷＭデューティを用い、前記モータの最大回転速度を、
   （回転速度）／（現在のＰＷＭデューティ）×（ＰＷＭデューティの上限値）
   で推定することを特徴とする請求項５記載のモータ制御方法。

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