JP2018110474A - 制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高価なサーボモータを用いることなく、回生ブレーキと逆転ブレーキを組み合わせる制動で円滑に目標速度へ制動が実現できるモータの制御装置を提供する。【解決手段】制御量信号の制御量に応じた実効電圧が印加されて駆動するモータであって、モータの逆誘起電圧が印加する実効電圧を上回る場合にモータの軸が回動する回転運動を電気エネルギーに変換することでブレーキとして用いるモータを制御する制御装置であって、モータの回転速度の目標値を受信する第１受信部と、モータの回転速度に関する速度情報を受信する第２受信部と、速度情報と、目標値とに基づいて、制御量を決定して、制御量信号を出力する制御量信号出力部と、ブレーキによる速度情報で示される回転速度の低下が目標値に達するための制御量に基づいて、モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する切替信号出力部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回生ブレーキ又は短絡ブレーキを利用し、加えて逆転ブレーキを用いてモータを制御する制御装置及びその制御方法に関する。

従来、モータには、回生ブレーキを用いて、モータのブレーキをかける技術がある。回生ブレーキとは、モータの軸が回動する運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで、回転力を低下させて、ブレーキをかけるものである。そのような回生ブレーキを利用したモータの利用手法としては、例えば、自動車のタイヤを回転させるために用いるモータや、プリンタやスキャナの紙送りのために用いられるモータなど、様々な態様がある。また、回生ブレーキ以外にも、短絡ブレーキを利用してブレーキをかけることもある。短絡ブレーキとは、モータ軸が回転する運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、さらにその電気エネルギーをモータ自身の巻線の電気抵抗によって熱エネルギーに変換、放散することでブレーキをかけるものである。

特許文献１には、そのような回生ブレーキを利用したモータに関する技術が開示されている。

特許第２９５６０９１号

ところで、このような回生ブレーキを用いる場合、モータの制御量信号のデューティ比を低下させ、モータに入力する実効電圧を下げることで回生ブレーキを発生させるものである。このとき、モータの制御においては、モータの回転速度の情報のフィードバックを受けて、目標値に近づくようにフィードバック制御を行う。この制御の一環として、このデューティ比を下げていっても、ブレーキによる目標値に到達できない場合には、デューティ比を０にすることで対応していた。しかしながら、この制御では、必要な制動力が得られずに、モータによって駆動する駆動対象の速度を十分に下げられず結果として停止位置がずれてしまう可能性があるという問題があった。

そのような場合、モータの回転に対して反対向きにトルクをかけてブレーキをかける逆転ブレーキが用いられることがあるが、回生ブレーキと逆転ブレーキでは制動力が異なるため、回生ブレーキから逆転ブレーキに切り替えたときに制御が乱れ、目標速度から乖離してしまい、結果として停止位置がずれてしまう慮があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、デューティ比を制御して、回生ブレーキに加えて逆転ブレーキを用いてブレーキをかけるモータを、目標速度まで速やかかつ円滑に減速させることができ、結果として目標位置に停止させることができる制御装置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、本発明の一態様に係る制御装置は、制御量信号の制御量に応じた実効電圧が印加されて駆動するモータであって、モータの逆誘起電圧が印加する実効電圧を上回る場合にモータの軸が回動する回転運動を電気エネルギーに変換することでブレーキとして用いるモータを制御する制御装置であって、モータの回転速度の目標値を受信する第１受信部と、モータの回転速度に関する速度情報を受信する第２受信部と、速度情報と、目標値とに基づいて、制御量を決定して、制御量信号を出力する制御量信号出力部と、ブレーキによる前記速度情報で示される回転速度の低下が目標値に達するための制御量に基づいて、モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する切替信号出力部、を備える。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る制御装置は、制御量信号のデューティ比に応じた実効電圧が印加されて駆動するモータであって、モータの入力端子間を短絡することでモータの軸が回動する回動運動を熱エネルギーに変換することでブレーキとして用い、モータを制御する制御装置であって、モータの回転速度の目標値を受信する第１受信部と、モータの回転速度に関する速度情報を受信する第２受信部と、速度情報と、目標値とに基づいて、デューティ比を決定して、制御量信号を出力する制御量信号出力部と、入力端子間の短絡をブレーキデューティ比で制御する駆動信号を出力する駆動信号出力部と、モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する切替信号出力部と、を備え、制御量信号出力部は、制御量信号によりモータを駆動させる駆動トルク及びブレーキによるブレーキトルクのいずれも発生しなくなる不感帯を持ち、駆動信号の出力値と制御量信号出力部の出力値とを換算する換算式を備え、切替信号出力部は、ブレーキによる速度情報で示される回転速度の低下が目標値に達するためのブレーキデューティ比が、不感帯における制御量信号のデューティ比の上限値をブレーキデューティ比に換算した換算値を下限とし、上限が１００％になる範囲内で切替信号を出力する、特徴を備える。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る制御方法は、制御量信号の制御量に応じた実効電圧が印加されて駆動するモータであって、モータの逆誘起電圧が印加する実効電圧を上回る場合にモータの軸が回動する回転運動を電気エネルギーに変換することでブレーキとして用いるモータを制御する制御装置による制御方法であって、制御装置は、制御量によりモータを駆動させる駆動トルク及びブレーキによるブレーキトルクのいずれも発生しなくなる不感帯を持ち、モータの回転速度の目標値を受信する第１受信ステップと、モータの回転速度に関する速度情報を受信する第２受信ステップと、速度情報と、目標値とに基づいて、制御量を決定して、制御量信号を出力する制御量信号出力ステップと、ブレーキによる速度情報で示される回転速度の低下が目標値に達するための制御量の絶対値が、不感帯となる制御量の上限値以下のときにモータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する切替信号出力ステップと、を含む。

また、上記制御装置において、切替信号出力部は、目標値に達するための制御量が０になるタイミングで、切替信号を出力することとしてもよい。

また、上記制御装置において、制御量信号出力部は、制御量信号によりモータを駆動させる駆動トルク及びブレーキによるブレーキトルクのいずれも発生しなくなる不感帯の制御量以上の制御量となるように補正した制御量信号を出力することとしてもよい。

また、制御量信号出力部は、ブレーキによる速度情報で示される回転速度の低下が目標値に達するための制御量の絶対値が、不感帯を生じる制御量の上限値以下の値になるときに、切替信号出力部が前記モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力することとしてもよい。

また、上記制御装置において、制御量信号出力部は、切替信号の出力後に制御量を上げることとしてもよい。

また、上記制御装置において、制御量信号出力部は、目標値と、速度情報に基づくモータの速度偏差に基づいて、制御量を決定することとしてもよい。

本発明の一態様に係る制御装置は、デューティ比の推移が所定の値になる場合に、モータのトルク発生方向を変更する切替信号を所定のタイミングで出力して、モータの駆動方向を変更することができる。したがって、駆動のための制御信号を、ブレーキ用の信号入力として使用することができるため、簡素な構成でモータを速やかかつ円滑に減速させることができる。

制御装置の機能構成例を示すブロック図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。 （ａ）および（ｂ）は制御装置によるモータの制動制御におけるデューティ比を説明するためのグラフである。 （ａ）は、従来の制御例を示すグラフである。（ｂ）は、本発明に係る制御装置による制御例を示すグラフである。 短絡ブレーキを用いた制動制御におけるデューティ比を説明するためのグラフである。 短絡ブレーキを用いた制動制御におけるデューティ比を説明するためのグラフである。

＜発明者が得た知見＞
ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりモータを制御する場合には、パルス信号の１周期あたりのＨｉｇｈとなる期間の比率（負論理回路の場合はＬｏｗとなる期間の比率）を示すデューティ比を制御することにより、モータの回転速度を制御する。正論理の回路の場合、パルス信号のＨｉｇｈの比率を高くすることでモータに印加する実効電圧を上げ、モータを回転させることができる。一方、そのモータの回転を止めるためには、デューティ比を下げるとともに、慣性によって回転し続けるモータの回転運動を、電気エネルギーに変換してエネルギーを奪うことにより回転を止める、即ち、ブレーキングを行う。なお、負論理の回路の場合、前述のＨｉｇｈとＬｏｗを入れ替えて考えるとよい。

ところで、そのようなモータのブレーキングにおいて、発明者らは、デューティ比を０にしても、モータの回転により駆動させる駆動対象を速やかに減速できずに目標位置で止まらないことがあることを知見した。同時に、デューティ比、回転速度によっては、駆動トルクとブレーキトルクのいずれも発生しない不感帯があり、そのためにブレーキが全く利かないことがあることがモータを必要な制動力で制動できないことの一因となっていることも知見した。また、制動力の不足を補填するため回生ブレーキから逆転ブレーキに切り替える場合において、回転数をもとに切り替えを行うとモータの負荷状態の差などによっては回転速度と目標速度に乖離を生じることがあることを知見した。電流センサを搭載し、正逆のトルク及び電流を制御することができるサーボモータを用いて、この場合デューティ比５０％を皮切りにトルク発生方向を変更させながら能動的に制動力の調整を行って目標速度に速やかに到達させることも考えられるが、このようなサーボモータには、電流やトルクセンサに加えて高度な演算装置を搭載した制御装置を要し、得てして高価であるという問題があった。

そこで、発明者は、モータとしては正回転と逆回転のいずれの方向にもトルク発生可能なモータを用い、かつ、モータの作動／停止、トルク発生方向、デューティ比の３指令で動作する安価なゲート駆動ＩＣを用いつつも、モータの回転の目標値に到達させる制御のためのデューティ比が所定の値を下回る場合に、モータに対して所定のタイミングでトルク発生方向を切り替えてデューティ比を上げるという発明をするに至った。また、モータにおける不感帯を生じさせないために、計算上、不感帯の範囲となるデューティ比を一定値以上以に補正して出力するという発明もするに至った。

以下、本発明の制御装置の一態様を実現する手法について、図面を参照しながら、詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
＜構成＞
図１は、本発明の制御装置の構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、制御装置１００は、第１受信部１１１と、第２受信部１１２と、制御量信号出力部１３１と、切替信号出力部１３２と、駆動信号出力部１３３とを備える。

制御装置１００は、モータを制御する制御装置であり、プロセッサやマイコン、ゲート駆動ＩＣなどにより実現できる。制御装置１００は、モータに対して、制御信号を出力するゲート駆動ＩＣを制御するものであってもよいし、直接モータ１７０への通電を切り替えるトランジスタ１６１〜１６６を制御するものであってもよい。このモータ１７０は、パルス信号である制御量信号のデューティ比に応じた実効電圧が印加されて駆動するモータ１７０である。即ち、モータ１７０は、一般的にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御と呼称される制御手法により駆動されるモータである。また、当該モータは、慣性により回転している状態において当該回転の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、回生ブレーキとして作用させることができるモータである。

第１受信部１１１は、モータの回転速度の目標値（指令値）を受信する。即ち、外部の装置等からの速度指示情報を受信する。第１受信部１１１は、目標値を受信するためのインターフェースであり、例えば、制御装置１００に備えられた端子により実現できるが、これは一例であり、この限りではない。また、目標値は、制御装置１００の内部で生成されたものを受信してもよい。

第２受信部１１２は、モータの回転速度に関する速度情報を受信する。即ち、駆動しているモータの回転速度の実速度に関するフィードバック情報を受信する。第２受信部１１２は、速度情報を受信するためのインターフェースであり、例えば、制御装置１００に備えられた端子により実現できるが、これは一例であり、この限りではない。

制御量信号出力部１３１は、第１受信部１１１が受信した目標値と、第２受信部１１２が受信した速度情報とに基づいて、制御量信号のデューティ比を決定して、その決定したデューティ比に基づく制御量信号を出力する。制御量信号出力部１３１は、基本的には、速度情報が目標値よりも低い場合にはデューティ比を上げ、速度情報が目標値よりも高い場合にはデューティ比を下げる。ここでデューティ比は、正論理の回路の場合、モータを駆動させるためのパルス信号における１周期中のＨｉｇｈとなる期間の比率である。すなわち、単位時間当たりのＨｉｇｈとなる期間の比率のことである。負論理の回路の場合、１周期中のＬｏｗとなる期間の比率となる。なお、デューティ比の決定は、速度情報と目標値とに基づいて決定されればよく、例えば、速度偏差や、速度情報から特定可能な位置偏差と、目標値とから決定することとしてもよい。制御部１３０からゲート駆動ＩＣ１５０への指令は、パルス信号であってもよいし、電圧によるアナログ値や周波数信号であってもよい。

切替信号出力部１３２は、モータのトルク発生方向を切り替えるための切替信号を出力する。切替信号出力部１３２は、第２受信部１１２で受信した速度情報で示される回転速度の低下が、第１受信部１１１で受信した目標値に到達しないと判定した場合に、モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する。切替信号は、単純に正回転と逆回転とを切り替えるためのＨｉｇｈ／Ｌｏｗで示す信号であってもよい。

駆動信号出力部１３３は、モータの起動及びモータの停止を示す信号を出力する。起動信号及び停止信号は、単純にＨｉｇｈ／Ｌｏｗで示す信号であってもよい。なお、停止信号を出力すると、モータの１相または複数相の巻線を短絡した状態となり、モータが回転している状態では、モータに短絡ブレーキをかけることとなる。

また、制御装置１００は、入力部１１０と、記憶部１２０と、制御部１３０とを備える。入力部１１０と、記憶部１２０と、制御部１３０とは、互いにバス１６０を介して接続されている。

入力部１１０は、外部からの信号の入力を受け付ける機能を有するインターフェースである。入力部１１０は、上述の第１受信部１１１及び第２受信部１１２を備える。

第１受信部１１１は、制御装置１００に接続された外部の装置（図示せず）からモータの回転速度に係る目標値を示す情報を逐次受信し、バス１６０を介して、受信した目標値を、制御部１３０に伝達する。

第２受信部１１２は、制御装置１００は、モータ１７０に取り付けられているエンコーダ１７１から、モータ１７０のモータ１７０の回転速度を示す速度情報を含む稼働状態に関する情報を逐次受信し、バス１６０を介して、受信した速度情報を、制御部１３０に伝達する。

記憶部１２０は、制御装置１００が動作上必要とする各種のプログラム及びデータを記憶する機能を有する記憶媒体である。記憶部１２０は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）や、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリなどにより実現することができる。記憶部１２０は、入力される目標値と、速度情報とに従って、ゲート駆動ＩＣ１５０に指示を出力するための信号を生成する制御プログラムを記憶している。

制御部１３０は、記憶部１２０に記憶されているプログラムを実行することで、制御装置１００の各部を制御する機能を有するプロセッサである。制御部１３０は、記憶部１２０に記憶されている制御プログラムを実行することにより、制御量信号出力部１３１、切替信号出力部１３２及び駆動信号出力部１３３として機能する。

制御量信号出力部１３１は、制御部１３０に伝達された目標値と、速度情報とから、ＰＷＭ制御における信号のデューティ比を決定し、決定したデューティ比の制御量信号パルスを、ゲート駆動ＩＣ１５０に出力する。制御量信号出力部１３１は、目標値及び速度情報を逐次伝達され、逐次デューティ比を更新する。なお、目標値と、速度情報とに基づいてデューティ比を決定するフィードバック制御については、従来から知られているため、詳細を割愛する。制御量信号出力部１３１は、算出したデューティ比に応じた制御量信号（例えば、パルス信号）を出力するが、急制動をかけるような場合にはデューティ比を急速に減少させて回生ブレーキをかけ、それでも制動力が不足する場合は、切替信号出力部１３２が切替信号を出力した後に、制御量信号出力部１３１がデューティ比を上げていく制御を行うことで、逆転ブレーキをかける構成を実現できる。

切替信号出力部１３２は、制御部１３０に伝達された目標値と、速度情報とから、制御量信号出力部１３１が算出したデューティ比の推移が０になるタイミングで、切替信号を出力する。これによって、モータ１７０の運動エネルギーが持つ正回転のトルクに対して、目標速度に制御するために負回転のトルクを与える。また、デューティ比が０のタイミングでトルク発生方向を切り替えることで、切替後のモータの挙動が不安定になりにくい。したがって、モータ１７０を安定して動作させることができる制御装置１００を提供することができる。

図３を用いて、切替信号出力部１３２によるモータのトルク発生方向の切り替え指示とデューティ比の推移について、説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、モータの回転を止める方向での制御を行う場合の、デューティ比の従来の制御値と、実指示値と、駆動信号と、切替信号との変化を示している。

図３（ａ）の上側のグラフにおいて、破線３０３は、制動動作における駆動信号のデューティ比の推移を示している。図３（ａ）の破線３０３に示すように、モータの制動動作においてデューティ比として望ましい値が負の値になることがある。このような事態は、得てして指示された速度の目標値が低く、速度情報で示される速度が速いような場合に発生しやすい。しかしながら、回生ブレーキの場合には、デューティ比を０にして出力する他なく、そのため、モータを目標速度に制動できない可能性があった。

そこで、制御装置１００の切替信号出力部１３２は、モータ１７０のトルク発生方向を変えて駆動させて逆転ブレーキとして作用させるべく、トルク発生方向を指定する信号を切り替える。即ち、切替信号出力部１３２は、図３（ａ）の切替信号３０６に示すように、デューティ比が０になるタイミング（破線３０３が０になるタイミング）Ｔ２において、正転から逆転に切り替えて出力する。切替信号３０６を受けて、ゲート駆動ＩＣ１５０はモータ１７０に対して、トルク発生方向の切り替えを逆回転とする指示を出力する。

なお、発明者は、発明をする過程において、制御量信号が低デューティ比の信号である場合、ゲート駆動ＩＣ１５０の同期整流が行えないため、回生によるブレーキがかからず、モータ１７０が空転する不感帯が発生することを発見した。この不感帯では、回生ブレーキがより効かなくなることを発見した発明者は、不感帯が発生するデューティ比（例えば、２．８％）を特定し、そこに部品の品質のばらつきなどによる誤差程度のマージンを乗せた閾値以上となるように、補正して制御量信号を出力することで不感帯を回避する制御装置１００を発明するに至った。したがって、制御量信号出力部１３１は、モータ１７０を制御するにあたって、実線３０１に示すように、デューティ比が２．８％に誤差分０．２％を加えた３％を以上となるように制御を行う（図３（ａ）のＴ１からＴ３の区間）。以下、マージンも含めた範囲を不感帯という。

そして、実線３０１に示すように、タイミングＴ３からデューティ比を上げていくことで、モータ１７０に対して逆回転のトルクを与えて、制動させる。制動が行き過ぎる場合には、再度トルクの発生方向を逆転させる。これを繰り返すことで、モータ１７０を目標速度に制動することが可能となる。

上記実施の形態において、切替信号出力部１３２は、デューティ比の推移が０になるタイミングＴ２で切替信号を出力する構成としたが、その限りではない。

モータ１７０のトルク発生方向を変えて逆転ブレーキを作用させるタイミングは、モータ１７０のコイルに通電する電流が小さければ、トルク発生方向を切り替えやすく、円滑に逆転ブレーキに移行できる。

したがって、逆転ブレーキを作用させるタイミングは、目標値と速度情報に基づいて算出したデューティ比（図３の破線３０３）の絶対値が、前述の不感帯を回避するための閾値のデューティ比以下のとき（図３ではＴ１からＴ３の間）であればよい。

例えば、Ｔ１とＴ２の間であるＴ４で切り替える場合を図３（ｂ）に示す。このとき、実線３１１で示す切替信号の送信タイミングはＴ４になる。このとき、制御量信号の出力を示す実線３０７は、Ｔ１からＴ３の間は不感帯を回避するための閾値のデューティ比を維持する。このため、制御量信号出力部１３１が出力するデューティ比の推移は、デューティ比０のタイミングＴ２で切り替える図３（ａ）の場合と変わらない。

なお、図３（ａ）および（ｂ）においては、説明を簡易にするため、デューティ比の変化の例を１次関数で示したが、デューティ比の変化は１次関数に限定するものではなく、多次関数や指数関数、非線形の場合にも、不感帯を回避する閾値のデューティ比に基づいて回生ブレーキから逆転ブレーキの切り替えを行えばよい。

また、図３（ａ）および（ｂ）においては、図面を見やすくするために、各線をずらして示したが、実際には、図３（ａ）においては、時間Ｔ１までは、実線３０１、破線３０３は、ほぼ重なり、図３（ｂ）において時間Ｔ１までは実線３０７、破線３０９は、ほぼ重なる。

以上が、制御装置１００の構成である。

ゲート駆動ＩＣ１５０は、例えば市販のＰＷＭ制御でモータを駆動する集積回路である。ゲート駆動ＩＣ１５０は、トランジスタ１６１〜１６６、モータ１７０を含む３相ブリッジ回路に対して、受け付けた制御量信号のデューティ比に応じた実効電圧を印加する。また、モータ１７０の制御にあたって、ゲート駆動ＩＣ１５０は、適宜、トランジスタ１６１〜１６６のＯＮ／ＯＦＦを切り替えて制御し、モータ１７０を駆動、あるいは、回生によるエネルギーを回収できるようにする。トランジスタ１６１〜１６６のＯＮ／ＯＦＦ及び切替のタイミングは従来から知られている技術であるため、ここでは、説明を割愛する。

トランジスタ１６１〜１６６は、ゲート駆動ＩＣ１５０によってＯＮ、ＯＦＦされ、ＯＮされているタイミングで通電して、モータ１７０に電流を流したり、回生によりモータ１７０が発生した電流を流したりする。トランジスタ１６１〜１６６のうちＯＮされている組み合わせによって、駆動電流が流れたり、回生電流が流れたりする。３相ブリッジ回路に印加される実効電圧が、モータの逆誘起電圧を上回る場合に、駆動電流が流れ、逆誘起電圧を下回る場合に、回生電流が流れる。

モータ１７０は、ゲート駆動ＩＣ１５０から印加される電圧に応じて、駆動し、例えば、プリンタ等に組み込まれているような場合には、紙送り機構に用いられるギアの位置制御を行う。また、モータ１７０は、慣性で回転する軸の回転エネルギーを利用して発電する発電機としても機能し、この場合にこの回転エネルギー（運動エネルギー）を電気エネルギーに変換し、制御部１３０およびゲート駆動ＩＣ１５０によってトランジスタ１６１から１６６をモータ１７０の回転と同期して適切に切り替え、電気エネルギーを電源側に送ることで、モータ１７０の回転を制動する回生ブレーキとして作用する機能を有する。モータ１７０は、一例として、３相ブラシレスモータである。なお、モータ１７０は、３相ブリッジ回路で運用される３相ブラシレスモータに限るものではなく、例えば、Ｈブリッジ回路で運用されるブラシ付きモータであってもよい。

ＥＮＣ１７１は、モータの状態を検出するエンコーダである。ＥＮＣ１７１は、モータ１７０の駆動状態を検知し、少なくともその回転速度を検出して、速度情報として制御装置１００に出力する。

以上のような構成により、制御装置１００は、モータ１７０の駆動を制御する。

＜動作＞
図２は、制御装置１００の制御動作であって、ブレーキングを行う際の動作を示すフローチャートである。

（ステップＳ２０１）
ステップＳ２０１において、図１に示すように、制御装置１００の第１受信部１１１は、外部の装置から、モータの回転数の目標値を受信する。入力部１１０は、第１受信部１１１が受信した目標値をバス１６０を介して、制御部１３０に伝達して、ステップＳ２０２に移行する。

（ステップＳ２０２）
ステップＳ２０２において、制御装置の第２受信部１１２は、ＥＮＣ１７１から速度情報を受信する。入力部１１０は、第２受信部１１２が受信した速度情報をバス１６０を介して、制御部１３０に伝達して、ステップＳ２０３に移行する。なお、制御部１３０が目標値と速度情報を適切に収集できれば、ステップＳ２０１とステップＳ２０２の順序を入れ替えて実行することとしてもよいし、あるいは、並行して実行することとしてもよい。

（ステップＳ２０３）
ステップＳ２０３において、制御量信号出力部１３１は、伝達された速度情報と目標値とに基づいて、予め定められたデューティ比を算出するための所定のアルゴリズムに従って、出力する制御量信号のデューティ比を決定して、ステップＳ２０４に移行する。

（ステップＳ２０４）
ステップＳ２０４において、制御量信号出力部１３１は、決定したデューティ比が所定値以下になるか否かを判定する。当該所定の比率は、モータ１７０において、これを下回ると駆動トルクもブレーキトルクも発生しない不感帯となる制御量信号のデューティ比のことであり、例えば、不感帯を生じ始める割合（上限）が２．８％であれば、それに部品の品質のばらつきなどによる誤差分の若干のマージンを足した３．０％に設定する。当該割合は、モータ１７０の性能や回路構成に応じて異なってくるため、予め、モータ１７０を一度駆動して、そのパーセンテージを特定し、制御装置１００の記憶部１２０に設定すればよい。デューティ比が、所定の比率を下回る場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２０５に移行し、所定の比率以上の場合には（ＮＯ）、ステップＳ２０８に移行する。

（ステップＳ２０５）
ステップＳ２０５において、切替信号出力部１３２は、制御量信号出力部１３１が算出したデューティ比が０を下回る、即ち負の値になるか否かを判定する。デューティ比の負の値になる場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２０６に移行し、デューティ比の負の値にならない場合には（ＮＯ）、ステップＳ２０９に移行する。

（ステップＳ２０６）
ステップＳ２０６において、切替信号出力部１３２は、デューティ比の推移が０になると判定したタイミングにおいて、切替信号を出力し、ステップＳ２０７に移行する。

（ステップＳ２０７）
ステップＳ２０７において、制御量信号出力部１３１は、決定したデューティ比の絶対値の所定の比率以上か否かを判定する。当該所定の比率は、モータ１７０において、これを下回ると駆動トルクもブレーキトルクも発生しない不感帯となる制御量信号のデューティ比のことである。当該割合は、Ｓ２０４において設定した割合と同様である。デューティ比が、所定の比率より以上の値になる場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２１０に移行し、所定の比率を下回る場合には（ＮＯ）、ステップＳ２０９に移行する。

（ステップＳ２０８）
ステップＳ２０８において、制御量信号出力部１３１は、算出したデューティ比の制御量信号を出力して終了する。

（ステップＳ２０９）
ステップＳ２０９において、ステップＳ２０５において、制御量信号出力部１３１は、予め設定した所定の比率（例えば３％）のデューティ比の制御量信号を出力して終了する。

（ステップＳ２１０）
ステップＳ２１０において、制御量信号出力部１３１は算出したデューティ比（負の値）の絶対値をデューティ比とする制御量信号を出力して終了する。なお、出力は算出したデューティ比の絶対値を所定倍した値、例えば、０．５倍から２倍の範囲の値を乗じたものを出力してもよい。

なお、図２のフローチャートは、速度情報と目標値から算出したデューティ比が０のときに切り替える場合を記述しているが、０以外で切り替える場合、ステップＳ２０５とステップＳ２０６の「０」を「トルク方向を切り替えるデューティ比」と読み替える。

制御装置１００は、電源をＯＦＦされるまで、あるいは、モータ１７０の制御の終了指示を受け付けるまで、図２に示す処理を繰り返して、モータ１７０を制御する。なお、モータ１７０に逆方向のトルクをかけることで制動を行った結果、モータ１７０の目標速度を下回った場合には、再度モータ１７０にかけるトルクの向きを切り替える。この逆回転トルクと正回転トルクとの切り替えを行うことで、モータ１７０を目標速度まで減速させることが可能となる。

＜考察＞
図４（ａ）は、従来の手法に従って、モータの制動動作を行った場合の制御に係る信号の状態例を示すグラフである。

図４（ａ）において、破線４０１ａは、エンコーダからもたらされる速度情報に基づくモータの回転の実速度の推移を示している。これに対して、実線４０２ａは、モータの回転速度の目標値である。実線４０４ａは、モータの駆動のトルク発生方向を示している。従来の回生ブレーキの例を示し、モータのトルク発生方向は、常時正転方向であり、図４（ａ）においては、常に、正転方向を示す状態となっている。また、一点鎖線４０５ａは、３相ブリッジ回路に流れる電流の一実例を示している。図４（ａ）において、切替信号は正方向であるから、一点鎖線４０５ａについて、グラフの正の位置にある場合は、モータが正回転のトルクを生じている状態を示し、負方向にある場合は、回生ブレーキによる制動がかかっている状態を示している。

図４（ａ）に示すように、従来のデューティ比を下げていく制御を行って、回生ブレーキによる制動を行う場合には、回転速度の低下に伴ってモータが生ずる逆誘起電圧が低下して回生電流が小さくなる。そのため、回生ブレーキが利かず、差分４０３ａに示されるように、目標値と、実速度とが乖離するという事態を招いていた。

一方、図４（ｂ）は、本実施の形態に示した手法を用いて、モータ１７０の制動動作を行った場合の制御に係る信号の状態例を示すグラフである。

図４（ｂ）に示すように、逆転ブレーキをかける（モータのトルク発生方向を切り替えて制御する）ことで、目標値４０２ｂと、実速度４０１ｂとの間の差分４０３ｂを、従来よりも抑制し、かつ、目標値に実速度が追随するような制御を実現できる。図４（ｂ）において、期間Ｂ１と期間Ｂ２が逆転ブレーキをかけている期間になっており、実線４０４ｂはモータ１７０に対して出力する切替信号であり、期間Ｂ１と期間Ｂ２とにおいて、発生させるトルクの向きを切り替えていることが理解できる。そして、その結果、一点鎖線４０５ｂに示されるように、期間Ｂ１と期間Ｂ２とにおいて、逆転ブレーキをかけた結果、３相ブリッジ回路に流れる電流値は逆転していることが理解できる。

また、制御装置１００によれば、回生によるブレーキトルクが発生しない期間を解消するために、駆動信号のデューティ比を所定の値より下げないという構成（例えば、３％以上にするという構成）を取る。この構成により、モータ１７０の制御において、よりスムーズな制動を実現することができる。

＜実施の形態１まとめ＞
上述したように、制御装置１００は、目標値と速度情報とに基づいて決定されるデューティ比の推移が所定の値を下回るとき、特に負の値になるときに、モータのトルク発生方向を切り替える指示信号を出力することで、逆転ブレーキをかけることができる。即ち、高価なサーボモータを用いずに、回生ブレーキでの制動だけでは目的位置への制動が実現できないような急制動を実現できる制御装置１００を提供することができる。本発明に係る制御装置１００は、特に、ＰＷＭ制御において、正の制御量信号のみを印加することしかできないような廉価なゲート駆動ＩＣを用いたモータの制動制御において有用となる。

＜実施の形態２＞
上記実施の形態１では、制御手段として、回生ブレーキと逆転ブレーキを組み合わせて用いたが、回生ブレーキに代えて短絡ブレーキを用いてもよい。本実施の形態２においては、上記実施の形態１における駆動信号出力部１３３が出力する信号をＲＵＮからＢＲＡＫＥに切り替えることにより、短絡ブレーキとして作用させることができる。駆動信号出力部１３３の出力信号がＢＲＡＫＥのとき、ゲート駆動ＩＣ１５０はモータの端子間を短絡させ、モータの１相または複数相の巻線のみで構成される閉回路となるようにトランジスタ１６１〜１６６を制御する。

短絡ブレーキによる制動を行う場合、駆動信号出力部１３３がＰＷＭ制御を行うことで、回生ブレーキと同様に、制御部１３０に伝達された目標値と、速度情報とから、短絡ブレーキのデューティ比を決定する。そして、決定した短絡ブレーキデューティ比の駆動信号を、ゲート駆動ＩＣ１５０に出力する。駆動信号出力部１３３は、目標値及び速度情報を逐次伝達され、逐次短絡ブレーキデューティ比を更新する。短絡ブレーキは、回生ブレーキと制動力が異なるため、短絡ブレーキのデューティ比を、モータ駆動および回生ブレーキのデューティ比（以下、区別のため、モータ駆動デューティ比と表記）に換算する式を記憶部１２０に記憶しておき、制御部１３０はこれを利用して、制動を行う。

駆動信号出力部１３３は、算出したデューティ比に応じた駆動制御量信号を出力するが、急制動をかけるような場合で、短絡ブレーキのデューティ比が上限値（１００％）となっても必要な制動力が得られないと判定した場合には、切替信号出力部１３２が切替信号を出力した後に、駆動制御量信号をＲＵＮにするとともに、制御量信号出力部１３３のモータ駆動デューティ比を上げていく制御を行うことで、逆転ブレーキをかける構成を実現する。

図５を用いて、切替信号出力部１３２によるモータのトルク発生方向の切り替え指示とデューティ比の推移について、説明する。図５は、短絡ブレーキを用いた場合に、モータの回転を止める方向での制御を行う場合の、目標値と速度情報とに基づくデューティ比の算出値と、ゲート駆動ＩＣへのデューティ比の実指示値と、駆動信号と、切替信号と、制御量信号の変化を示している。

図５の上段のグラフにおいて、破線５０１は、制動動作における目標値と速度情報とに基づく駆動信号の短絡ブレーキデューティ比の算出値の推移を示している。図５の破線５０１に示すように、モータの制動動作において短絡ブレーキのデューティ比として望ましい値が１００％を上回ることがある。このような事態は、モータの回転速度が速く、そこから急減速を指示する場合に発生しやすい。従来においては、このような場合においては、短絡ブレーキのデューティ比を上限値である１００％にして出力する他なく、そのため、モータを目標速度で制動できない可能性があった。

なお、このとき、モータ駆動デューティ比の実指示値は、図５の二段目のグラフに示す実線５０３のようになる。破線５０４に示すように、回生ブレーキで減速する場合に換算したモータ駆動デューティ比の算出値は、実施の形態１と同様に負の値になる。時刻Ｔ１１と時刻Ｔ１２とのずれ、つまり短絡ブレーキデューティ比１００％とモータ駆動デューティ比０％が一致しないのは、前述の回生ブレーキによる制動力と短絡ブレーキによる制動力との差により発生するものである。

そこで、制御装置１００の切替信号出力部１３２を逆転方向に切り替えると共に、制御量信号出力部１３１のモータ駆動デューティ比を引き上げて逆転ブレーキとして作用させる。即ち、切替信号出力部１３２は、図５の切替信号５０５及び駆動信号５０７に示すように、短絡ブレーキデューティ比が１００％になるタイミング（破線５０１が１００％になるタイミング）Ｔ１２において、回転方向に対して逆向きのトルクを発生させる。即ち、短絡ブレーキデューティが１００％になるタイミングＴ１２において、切替信号５０５を正転から逆転に切り替える。駆動信号５０７に示すように、まず、短絡させる時間（Ｌｏｗとする時間）を長くしていって、短絡ブレーキとして作用させる。そして、短絡ブレーキのデューティ比が１００％に達するタイミングでモータ１７０のトルク発生方向の切替を行って、次いで制御量信号を上昇させていくことで、逆転ブレーキとして作用させる。これにより、短絡ブレーキによる制動で目標速度にまで減速できなさそうな場合であっても、逆転ブレーキを行って、目標速度に到達させることができる。なお、前述したように回生ブレーキと短絡ブレーキに制動力の差があるため、Ｔ１２におけるモータ駆動デューティ比を算出し、制御量信号出力部１３２は出力する。これにより、円滑に短絡ブレーキから逆転ブレーキに切り替えることができる。また、短絡ブレーキによる制動が行き過ぎる（目標速度よりも減速する）場合には、再度トルク発生方向を逆転させる。これを繰り返すことで、モータ１７０を目標速度に制動させることが可能となる。

なお、上記実施の形態２において、短絡ブレーキから逆転ブレーキへの切り替えは、図５に示すように、短絡ブレーキのデューティ比の推移が１００％になるタイミングＴ１２において、切替信号を出力する構成としたが、その限りではない。

図６は、短絡ブレーキのデューティ比が１００％を下回る場合であって、逆転ブレーキに円滑に切り替えられる範囲内である一例を示したものである。上段のグラフにおいて、破線６０１は、制動動作における目標値と速度情報とに基づく駆動信号の短絡ブレーキデューティ比の算出値の推移を、二段目のグラフの実線６０３はモータ駆動デューティ比の実指示値を、破線６０４はＰＷＭ制御の回生ブレーキで減速する場合に換算したモータ駆動デューティ比の算出値を、それぞれ示す。

逆転ブレーキに切り替えた後は、切り替え時の短絡ブレーキのデューティ比を、回生ブレーキで減速する場合に換算したモータ駆動デューティ比の算出値に基づいて制御量信号出力部１３２が出力するモータ駆動デューティ比を決定する。しかし、ある程度以下の低いデューティ比ではトルク発生もブレーキも生じさせられない不感帯となるため、例えばモータ駆動デューティ比２．８％以下で不感帯に陥る場合、誤差程度のマージンを持たせてデューティ比は３％以上を維持するように制御する。したがって、Ｔ１４で短絡ブレーキから逆転ブレーキに切り替えた場合、算出値は３％を下回るが、制御量信号出力部１３１は３％を出力する。したがって、モータ駆動デューティ比は実線６０３のようになる。

短絡ブレーキから逆転ブレーキへの切り替えは、モータ１７０のコイルに流れる電流が小さい方が円滑に逆転ブレーキへの切替を行うことができる。一方、不感帯を考慮すると図６に示すＴ１３が、切り替えに適する短絡ブレーキのデューティ比が下限となるタイミングとなる。これと短絡ブレーキのデューティ比１００％となるＴ１２の間が短絡ブレーキから逆転ブレーキに円滑な切り替えを行える範囲となる。また、より望ましくは、不感帯を考慮した補正をしないＴ１５からＴ１２の範囲がよい。

なお、図５、図６においては、説明を簡易にするため、デューティ比の変化の例を１次関数で示したが、デューティ比の変化は１次関数に限定するものではなく、多次関数や指数関数、非線形の場合にも適用可能である。

＜実施の形態２まとめ＞
実施の形態２に示したように、回生ブレーキではなく、短絡ブレーキを利用した制動動作においても、ＰＷＭ制御と同様の制御を行う性質上、短絡ブレーキのデューティ比を１００％としても、その制動が目標値に至らない場合に、モータ１７０のトルク発生方向を切り替えることで、逆転ブレーキとして作用させることで、モータ１７０を目標値に制動させることができる。

＜補足＞
上記実施の形態に係る制御装置は、上記実施の形態に限定されるものではなく、他の手法により実現されてもよいことは言うまでもない。以下、各種変形例について説明する。

（１）上記実施の形態においては、制御装置１００は、外部の装置から目標値を受信して、モータ１７０を制御することとしているが、これはその限りではない。制御装置１００は、備え付けられた装置の用途に従ってモータ１７０を制御する制御プログラムの一環として、目標値を自身で生成して、制御を行うこととしてもよい。

（２）上記実施の形態においては、制御装置１００は、速度情報をＥＮＣ１７１から受けとることとしているが、モータ１７０の駆動状態に関する情報を得る手法はこれに限られない。例えば、モータ１７０に設けられたホール素子を利用して速度情報を得ることとしてもよい。

（３）上記実施の形態においては、制御装置１００とゲート駆動ＩＣ１５０とは別の装置であるとして説明しているがこれはその限りではない。ゲート駆動ＩＣ１５０を設けることなく、制御装置１００が直接モータ１７０を制御することとしてもよい。即ち、制御装置１００に、決定したデューティ比に応じた実効電圧を印加する機能や、各トランジスタ１６１〜１６６のＯＮ／ＯＦＦを制御する機能を設けてもよい。

（４）上記実施の形態においては、制御量信号出力部１３１、切替信号出力部１３２、駆動信号出力部１３３は、ゲート駆動ＩＣ１５０との間で各々一つの信号線で結ばれ、当該信号線に印加する電圧のＨｉｇｈとＬｏｗで、モータの動作を制御しているが、これはその限りではない。切替信号の態様としては以下のような態様であってもあってもよい。

例えば、２信号線で、デューティ比を示す制動量信号と、正転と逆転の指示を行うこととしてもよい。即ち、２信号線をそれぞれ第１信号線、第２信号線としたとき、正転の場合には、第１信号線に対して制動量信号を流し、逆転の場合には、第２信号線に対して制動量信号を流すことで、制動量信号と切替信号とを実現し、さらに第１信号線、第２信号線の両方の信号をＯＦＦするときをＢＲＡＫＥとすることで駆動信号としてもよい。この場合、２信号線でモータの駆動を制御することができる。

（５）上記実施の形態においては、速度情報に基づいてデューティ比を決定することとしているが、当該制御において、速度情報そのものではなく、速度情報に基づく位置偏差による制御を行うこととしてもよい。位置偏差を用いた制御の場合、より滑らかかつ正確にモータ１７０を停止させる制動を行うことができる可能性がある。

（６）上記実施の形態においては、制御部１３０は入力部１１０にもたらされた目標値と速度情報を基に出力を決定しているが、入力部１１０にもたらされた目標値と速度情報を基に予測演算した予測値に基づいて出力を決定してもよい。高速回転時などで特に処理速度を重視する場合において、遅延発生を防止、または処理の遅れを補完することができる。これにより、回生ブレーキや短絡ブレーキから逆転ブレーキに切り替えるタイミングの遅れを無くし、より円滑な切替を行うことができる可能性がある。

（７）上記実施の形態においては、ＰＷＭ制御を用いて、制御量信号をモータ駆動デューティ比で出力する例を示したが、これらに限られない。例えば、デューティ比に代えて、電圧によるアナログ値や周波数信号で行ってもよい。

（８）また、上記実施の形態においては、モータを制動する手法として、制御装置のプロセッサが制御プログラム等を実行することにより、モータを制動することとしているが、これは装置に集積回路（ＩＣ（Integrated Circuit）チップ、ＬＳＩ（Large Scale Integration））等に形成された論理回路（ハードウェア）や専用回路によって実現してもよい。また、これらの回路は、１または複数の集積回路により実現されてよく、上記実施の形態に示した複数の機能部の機能を１つの集積回路により実現されることとしてもよい。ＬＳＩは、集積度の違いにより、ＶＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩなどと呼称されることもある。

また、上記制御プログラムは、プロセッサが読み取り可能な記録媒体に記録されていてよく、記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記制御プログラムは、当該制御プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記プロセッサに供給されてもよい。本発明は、上記制御プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

なお、上記制御プログラムは、例えば、ActionScript、JavaScript（登録商標）などのスクリプト言語、Objective-C、Java（登録商標）などのオブジェクト指向プログラミング言語、HTML5などのマークアップ言語などを用いて実装できる。

（９）上記実施の形態に示した構成や各補足に示す構成は、適宜組み合わせることとしてもよい。

１００ 制御装置
１１０ 入力部
１１１ 第１受信部
１１２ 第２受信部
１２０ 記憶部
１３０ 制御部
１３１ 制御量信号出力部
１３２ 切替信号出力部
１３３ 駆動信号出力部
１５０ ゲート駆動ＩＣ
１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６ トランジスタ
１７０ モータ
１７１ ＥＮＣ（エンコーダ）

Claims (8)

1. 制御量信号の制御量に応じた実効電圧が印加されて駆動するモータであって、前記モータの逆誘起電圧が印加電圧を上回る場合に前記モータの軸が回動する回転運動を電気エネルギーに変換することでブレーキとして用いるモータを制御する制御装置であって、
   前記モータの回転速度の目標値を受信する第１受信部と、
   前記モータの回転速度に関する速度情報を受信する第２受信部と、
   前記速度情報と、前記目標値とに基づいて、前記制御量を決定して、前記制御量信号を出力する制御量信号出力部と、
   前記ブレーキによる前記速度情報で示される回転速度の低下が目標値に達するための前記制御量に基づいて、前記モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する切替信号出力部と、を備える制御装置。
2. 前記切替信号出力部は、前記目標値に達するための前記制御量が０になるタイミングで、前記切替信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御量信号出力部は、前記制御量信号により前記モータを駆動させる駆動トルク及び前記ブレーキによるブレーキトルクのいずれも発生しなく不感帯の前記制御量信号以上となるように補正した前記制御量信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
4. 前記制御量信号出力部は、前記ブレーキによる前記速度情報で示される回転速度の低下が前記目標値に達するための前記制御量の絶対値が、前記不感帯を生じる前記制御量の上限値以下の値になるときに、前記切替信号出力部が前記モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する、ことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 前記制御量信号出力部は、前記切替信号の出力後に前記制御量信号を上げることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記制御量信号出力部は、前記目標値と、前記速度情報に基づく前記モータの速度偏差に基づいて、前記制御量を決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 制御量信号の制御量に応じた実効電圧が印加されて駆動するモータであって、前記モータの逆誘起電圧が印加する実効電圧を上回る場合に前記モータの軸が回動する回転運動を電気エネルギーに変換することでブレーキとして用いるモータを制御する制御装置による制御方法であって、
   前記制御装置は、前記制御量により前記モータを駆動させる駆動トルク及び前記ブレーキによるブレーキトルクのいずれも発生しなくなる不感帯を持ち、
   前記モータの回転速度の目標値を受信する第１受信ステップと、
   前記モータの回転速度に関する速度情報を受信する第２受信ステップと、
   前記速度情報と、前記目標値とに基づいて、前記制御量を決定して、前記制御量信号を出力する制御量信号出力ステップと、
   前記ブレーキによる前記速度情報で示される回転速度の低下が目標値に達するための前記制御量の絶対値が、前記不感帯となる前記制御量の上限値以下のときに、前記モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する切替信号出力ステップと、を含む制御方法。
8. 制御量信号のデューティ比に応じた実効電圧が印加されて駆動するモータであって、前記モータの入力端子間を短絡することで前記モータの軸が回動する回動運動を熱エネルギーに変換することでブレーキとして用い、前記モータを制御する制御装置であって、
   前記モータの回転速度の目標値を受信する第１受信部と、
   前記モータの回転速度に関する速度情報を受信する第２受信部と、
   前記速度情報と、前記目標値とに基づいて、前記デューティ比を決定して、前記制御量信号を出力する制御量信号出力部と、
   前記入力端子間の短絡をブレーキデューティ比で制御する駆動信号を出力する駆動信号出力部と、
   前記モータのトルク発生方向を切り替える切替信号を出力する切替信号出力部と、を備え、
   前記制御量信号出力部は、前記制御量信号により前記モータを駆動させる駆動トルク及び前記ブレーキによるブレーキトルクのいずれも発生しなくなる不感帯を持ち、前記駆動信号の出力値と前記制御量信号出力部の出力値とを換算する換算式を備え、
   前記切替信号出力部は、前記ブレーキによる速度情報で示される回転速度の低下が目標値に達するための前記ブレーキデューティ比が、前記不感帯における前記制御量信号のデューティ比の上限値を前記ブレーキデューティ比に換算した換算値を下限とし、上限が１００％になる範囲内で前記切替信号を出力する、ことを特徴とする制御装置。

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