JP2018064340A

JP2018064340A - モータ制御装置

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Publication number: JP2018064340A
Application number: JP2016200493A
Authority: JP
Inventors: 光男宇塚; Mitsuo Uzuka
Original assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Current assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-04-19

Abstract

【課題】モータ制御装置において、小型化，軽量化を図る。【解決手段】ホール素子２０ａ，２０ｂまたはＭＲ素子でモータ１０のロータマグネット２２からの磁極を電気角９０度の位相差で検出し、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号として出力する。ワンチップの制御用マイコン１３において、独立したＲ／Ｄ変換器を用いずに、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号から直接モータの回転角度信号を演算し、モータの回転角度信号から１２０°位相の異なる３相のモータ制御信号を出力する。駆動ユニット１４により、モータ制御信号に基づいてモータを駆動する。【選択図】図２

Description

本発明は、モータの回転角度を検出し、モータを制御するモータ制御装置に関する。

従来から、ロータとステータに設けられた複数巻線間の磁気からレゾルバにより、複数の回転角度検出信号を得て、回転位置制御を行うモータ制御装置が知られている。

図１２は、従来のモータ制御装置を示す概略図である。図１２に示すように、モータ制御装置は、モータ１０と、レゾルバ１１と、Ｒ／Ｄ変換器１２と、制御用マイコン１３と、駆動ユニット１４と、を備える。

モータ制御装置では、モータ１０の回転角度をレゾルバ１１で検出し、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号としてＲ／Ｄ変換器１２に出力する。Ｒ／Ｄ変換器１２において、レゾルバ１１から出力されたｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号をデジタルのシリアルまたはパラレルの角度信号に変換する。制御用マイコン１３では、Ｒ／Ｄ変換器１２で算出された角度信号等からモータ制御信号を演算し、駆動ユニット１４において、モータ制御信号に基づいてモータ１０を駆動する。

特開２０１１−１８２６２１号公報特開２０１５−１５６７９６号公報

航空電子技報Ｎｏ．３２（２００９．３）レゾルバーデジタル（Ｒ／Ｄ）コンバータの開発

しかしながら、レゾルバによりモータの回転角度を検出した場合、ハードウェアで構成されたＲ／Ｄ変換器を使用する必要があるため、構成が複雑で高価となっていた。

以上示したようなことから、モータ制御装置において、小型化，軽量化，コストダウンを図ることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、モータのロータマグネットからの磁極を電気角９０度の位相差で検出し、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号として出力する２つのホール素子と、前記ｓｉｎθ信号，前記ｃｏｓθ信号から独立したＲ／Ｄ変換器を用いずにモータの回転角度信号を演算し、前記モータの回転角度信号から１２０°位相の異なる３相のモータ制御信号を出力するワンチップの制御用マイコンと、前記モータ制御信号により制御され、モータを駆動する駆動ユニットと、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記ロータマグネットの外周または端面に磁束を収束させる略円環状のヨークを有し、前記ヨークに、電気角で９０°位相差でホール素子を配置したことを特徴とする。

また、他の態様として、２つのホール素子を制御用基板上に配置し、前記制御用基板をモータ内に内蔵したことを特徴とする。

また、他の態様として、モータのロータマグネットからの磁極を電気角９０度の位相差で検出し、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号として出力するＭＲ素子と、前記ｓｉｎθ信号，前記ｃｏｓθ信号から独立したＲ／Ｄ変換器を用いずに、モータの回転角度信号を演算し、前記モータの回転角度信号から１２０°位相の異なる３相のモータ制御信号を出力するワンチップの制御用マイコンと、前記モータ制御信号により制御され、モータを駆動する駆動ユニットと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、モータ制御装置において、小型化，軽量化，コストダウンを図ることが可能となる。

実施形態１におけるモータの側面図。実施形態１におけるモータ制御装置の概略図。ｓｉｎ信号，ｃｏｓ信号を示すタイムチャート。回転角度信号を示すタイムチャート。三相整流信号を示すタイムチャート。モータ制御装置の処理を示すフローチャート。主磁界の磁界パターンが正弦波でない場合を示す図。実施形態２のホール素子を示す概略図。実施形態３のホール素子を示す概略図。実施形態４のホール素子を示す概略図。実施形態５を示す概略図。従来のサーボモータの一例を示す構成図。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１におけるモータおよびモータ制御装置を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態１におけるモータ１０は、回転軸１５に設けられたロータコア１６，ロータマグネット２２と、モータ１０のハウジングに取り付けられたステータ２１と、を備える。また、モータ１０のハウジングには、制御用基板２３が取り付けられ、この制御用基板２３にはホール素子２０が取り付けられる。ホール素子２０は、ロータマグネット２２の軸方向に対向した位置に配置される。

制御用基板２３は、制御用マイコンと駆動ユニット（スイッチ素子等）が搭載されている。このように、モータ１０は駆動回路一体型のオールインワン構造となっており、モータ１０はロータマグネット２２からの磁界を検出するように構成されている。

図２は、本実施形態１におけるモータ制御装置の概略を示すブロック図である。図２に示すように、ステータ２１とロータマグネット２２とで、主にモータ１０が構成されている。また、電気角９０°の位相差でホール素子２０ａ，２０ｂが制御用基板に取り付けられている。制御用マイコン１３は、ホール素子２０ａ，２０ｂの出力信号であるｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号をＲ／Ｄ変換器を用いずに基づいて角度の演算やモータを制御するためのモータ制御信号を演算する。駆動ユニット１４は、モータ制御信号に基づいてモータ１０を駆動する。

本実施形態１では、ホール素子２０ａ，２０ｂから出力されたｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号をＲ／Ｄ変換器を用いずに制御用マイコン１３の一個のシリコンチップ（以下、ワンチップと称する）上にあるＡ／Ｄ変換部を通しＣＰＵに入力し処理する。制御用マイコン１３は、ＣＰＵ，メモリ、周辺機能（Ａ／Ｄ変換部）を有しており、ワンチップ上に作成されている。制御用マイコン１３では、入力したｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号に基づいてモータの回転角度を算出し、その結果をモータ制御に使用する。なお、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号は増幅器により増幅してもよい。

図３は、ホール素子２０ａ，２０ｂで検出したｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号を示すタイムチャートである。制御用マイコン１３では、このｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号を図４に示すような回転角度信号に変換する。

ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号から回転角度信号への変換方法は、あらかじめ、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号に対する回転角度信号の値をテーブルに収納しておき、運転時に、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号の値に基づいて前記テーブルから回転角度信号を決定する方法が考えられる。また、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号から回転角度信号を演算により算出してもよい。回転角度信号の演算方法については周知であるためここでの説明は省略する。

次に、この回転角度信号から図５に示すＵ相，Ｖ相，Ｗ相のモータ制御信号を作成する。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のモータ制御信号の作成方法については、周知であるためここでの説明は省略する。このモータ制御信号に基づいて駆動ユニット１４を制御し、モータ１０を駆動する。

図６は、制御用マイコン１３の処理を示すフローチャートである。図６に基づいて、制御用マイコン１３の処理を説明する。

まず、Ｓ１において、ホール素子２０ａ，２０ｂから出力されたｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号に基づいて、Ｒ／Ｄ変換器を用いずに回転角度信号を算出する。

Ｓ２において、Ｓ１で算出された回転角度信号に基づいて、前回からの角度変化を算出する。この前回からの角度変化に基づきモータの回転速度を算出する。

Ｓ３において、モータの回転速度指令値とＳ２で算出したモータの回転速度の偏差に基づいて速度制御を行い、３相のモータ制御信号を演算する。

Ｓ４において、３相のモータ制御信号に基づいて駆動電流の大きさを算出する。

Ｓ５において、その他の処理を行う。

Ｓ１〜Ｓ５では、速度制御について説明したが、速度制御ではなく位置制御でも良い。

制御用マイコン１３でモータ１０の速度制御，位置制御等を行う場合、コイルに電流を印加する順序や駆動する電流の大きさを算出する必要がある。これらを行うには、ホール素子２０ａ，２０ｂから入力したｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号を使用して、Ｓ１で制御用マイコン１３の１演算周期の動作の中で回転角度信号を算出し、同一演算周期内にその回転角度信号を用いてＳ２〜Ｓ５の処理を行う。

次の演算周期では、ホール素子２０ａ，２０ｂから新たなｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号を入力し、その演算周期内でＳ１〜Ｓ５の処理を行う。そのため、Ｒ／Ｄ変換器で常に高速にデータを作成しなくとも制御用マイコン１３で演算すれば良い。

本実施形態１によれば、ホール素子２０ａ，２０ｂを用いて、制御用マイコン１３で回転角度信号を算出すれば、従来のレゾルバ，コイルの励磁器、Ｒ／Ｄ変換器等を用いずに、速度制御や位置制御が可能となる。

また、ホール素子２０ａ，２０ｂから出力されたｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号を制御用マイコン１３で直接演算を行うため、Ｒ／Ｄ変換器や回転角度変換器など別途ハードウェアを設ける必要がなく、ワンチップの制御用マイコン１３におけるモータ制御の一連のソフトウェアの中で回転角度信号を算出することができる。

また、Ａ／Ｄ変換器を設ける必要があるが、一般的にワンチップ上の制御用マイコン１３に設けられたＡ／Ｄ変換部を使用するため、独立した変換器を必要としない。

また、本実施形態１では、モータ１０のハウジングに制御用基板２３を設け、その制御用基板２３にホール素子２０ａ，２０ｂを設けてオールインワン構造のモータとしたため、モータおよびモータ制御装置の小型化を図ることが可能となる。

その結果、本実施形態１によれば、極めて簡単で単純な構成で速度制御や位置制御が可能なサーボモータが実現できる。また、小型ロボットに要求される超小型、軽量、安価な位置決め制御が実現できる。

［実施形態２］
図７に示すように、ホール素子２０ａ，２０ｂに与えられる磁界パターンには歪が生じる場合がある。本実施形態２は、磁束を収束させるヨークを設け、ホール素子２０ａ，２０ｂに極めて正弦波に近い磁界パターンが与えられるようにしたものである。

図８に示すように、円筒状に形成されたロータマグネット２２の側面には、略円環状のヨーク４２が設けられている。略円環状のヨーク４２には電気角９０°の位相差で２つのホール素子２０ａ，２０ｂが埋め込まれている。また、ホール素子２０ｂから半時計周り９０°および１８０°の位相差の位置に切欠部２４ａ，２４ｂが形成されている。

本実施形態２のようなヨーク４２，ホール素子２０ａ，２０ｂ，切欠部２４ａ，２４ｂの形状とすることにより、ロータマグネット２２からの磁界を全周積分した形でヨーク４２の中を通すことができる。そして、このヨーク４２に通った磁界をホール素子２０ａ，２０ｂで検出することにより、歪みのない正弦波（ｓｉｎθ信号），余弦波（ｃｏｓθ信号）を得ることが可能となる。また、本実施形態２は実施形態１と同様の作用効果を奏する。

［実施形態３］
本実施形態３は、実施形態２の変形例である。本実施形態３では、２つのヨーク４３，４４を組み合わせて略円環状に形成されている。

ヨーク４３は、約９０°の円環部４３ａと、円環部４３ａの両端から外側に折り曲げられた折曲部４３ｂ，４３ｃと、で形成されている。ヨーク４４は、約２７０°の円環部４４ａと、円環部４４ａの両端から外側に折り曲げられた折曲部４４ｂ，４４ｃと、で形成されている。

図４に示すように、ヨーク４３の折曲部４３ｂ，４３ｃとヨーク４４の折曲部４４ｂ，４４ｃとの間にホール素子２０ａ，２０ｂが設けられる。ホール素子２０ａ，２０ｂは電気角９０°の位相差で設けられる。

本実施形態３によれば、実施形態２と同様の作用効果を奏することが可能となる。

［実施形態４］
実施形態２，３ではロータマグネット２２の外周にヨークおよびホール素子を配置していたが、図１０に示すように、本実施形態４ではロータマグネット２２の端面にヨークおよびホール素子を配置するものである。

図６に示すように、ロータマグネット２２の端部側に円盤状のヨーク４５が設けられる。このヨーク４５には電気角９０°の位相差で２つの切り欠きが設けられており、この切り欠きにホール素子２０ａ，２０ｂが設けられる。すなわち、ホール素子２０ａ，２０ｂは電気角９０°位相差で配置される。

本実施形態４によれば、実施形態２，３と同様の作用効果を奏することが可能となる。

［実施形態５］
本実施形態５は、角度検出用磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子）を用いて、モータの角度検出を行うものである。

本実施形態５では、図１１に示すように、モータ軸８０の先端、かつ、回転軸上の中心には、角度検出用マグネット８１が設けられる。図１１に示すように、角度検出用マグネット８１はＳ極，Ｎ極のマグネットで構成されている。

また、回転軸上の中心、かつ、角度検出用マグネット８１に対向する位置にＭＲ素子８２が設けられる。ＭＲ素子８２は、２組のフルブリッジ構成のエレメントを互い４５°傾け１つの基板上形成されている。

本実施形態５に示すように、ホール素子ではなくＭＲ素子でもモータの回転位置を検出することができる。その後の制御用マイコン１３，駆動ユニット１４の制御については、実施形態１と同様である。

以上のように、本実施形態５によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

１０…モータ
１１…レゾルバ
１２…Ｒ／Ｄ変換器
１３…制御用マイコン
１４…駆動ユニット
１５…モータ軸
２０ａ，２０ｂ…ホール素子
２２…ロータマグネット
２３…制御用基板
２４ａ，２４ｂ：切欠部
４２〜４５：ヨーク
８２…ＭＲ素子（角度検出用磁気抵抗素子）

Claims

モータのロータマグネットからの磁極を電気角９０度の位相差で検出し、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号として出力する２つのホール素子と、
独立したＲ／Ｄ変換器を用いずに、前記ｓｉｎθ信号，前記ｃｏｓθ信号からモータの回転角度信号を演算し、前記モータの回転角度信号から１２０°位相の異なる３相のモータ制御信号を出力するワンチップの制御用マイコンと、
前記モータ制御信号により制御され、前記モータを駆動する駆動ユニットと、
を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
前記ロータマグネットの外周または端面に磁束を収束させる略円環状のヨークを有し、
前記ヨークに、
電気角で９０°位相差でホール素子を配置したことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
２つのホール素子を制御用基板上に配置し、前記制御用基板をモータ内に内蔵した請求項１記載のモータ制御装置。
モータのロータマグネットからの磁極を電気角９０度の位相差で検出し、ｓｉｎθ信号，ｃｏｓθ信号として出力するＭＲ素子と、
独立したＲ／Ｄ変換器を用いずに、前記ｓｉｎθ信号，前記ｃｏｓθ信号からモータの回転角度信号を演算し、前記モータの回転角度信号から１２０°位相の異なる３相のモータ制御信号を出力するワンチップの制御用マイコンと、
前記モータ制御信号により制御され、前記モータを駆動する駆動ユニットと、
を備えたことを特徴とするモータ制御装置。