JP2019004660A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭ周波数を引き上げた際の電流制御の高応答化と低振動とを両立できるモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ制御装置１０は、動作指令１０２とモータ１００の位置情報１０１Ａとを用いて第１の周期毎に電流指令値２Ａを算出する速度制御部２と、電流指令値２Ａが閾値以上の場合に電流指令値２Ａを第１の周期より短い周期で補間した電流指令補間値３Ａを算出し、電流指令値２Ａが閾値未満の場合に電流指令値２Ａを電流指令補間値３Ａとする電流指令補間部３と、モータ電流を検出する電流検出部１と、第１の周期より短い周期で電流指令補間値３Ａとモータ電流とを用いて三相電圧指令値を算出する電流制御部４と、三相電圧指令値をＰＷＭ変調して三相ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ部５と、三相ＰＷＭ信号に対応する電圧をモータ１００に印加する電力変換部６とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によってモータ巻線に電圧を印加し、流れるモータ電流を制御することでモータを自在にコントロールするモータ制御装置に関する。

ＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）で用いられるサーボモータでは、上位装置からの動作指令に追従するようにモータの位置、速度及びトルクが制御される。このようなサーボモータの制御演算装置としてマイクロプロセッサを用いたディジタル制御が広く使われている。サーボモータで使用される表面磁石構造の同期モータ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）が出力するトルクはモータ電流と比例関係にあるので、モータ電流を制御することでモータから出力されるトルクを自在にコントロールすることができる。モータ電流を制御するために一般的に用いられるＰＷＭ制御方式では、一定の周期毎にモータ電流を検出し、電流指令値と一致するようにＰＩＤ制御（比例＋積分＋微分制御）などを用いて制御が行われる。ＰＷＭ制御では、半導体によるパワースイッチング素子のオン及びオフ（以下スイッチング）でモータに印加する電圧を制御している。このため、スイッチング損失が少なく、筐体の小型化が可能なＳｉＣ（炭化珪素）やＧａＮ（窒化ガリウム）の化合物半導体からなるパワースイッチング素子を用いた装置が近年増加している。このような装置ではＰＷＭ周波数を従来比で数倍まで引き上げ、電流制御の応答性を高めることで制御性能を向上させている。

従来、ディジタル制御によるＰＷＭ制御では、電流フィードバック制御時間とＰＷＭ周期を同期させ、ＰＷＭ同期を決定する基準信号に対し設定されたタイミングで電流を取込み、ＰＷＭ周期毎に電流を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１で提案された方法では、検出した電流と、電流を検出した時点での電流指令値とを比較し、その偏差に比例したＰＷＭ比をＰＷＭスイッチング回路に出力する。

特開平３−１６４０９３号公報

上記従来の構成では、ＰＷＭ周波数を引き上げ、電流制御の周期を短縮することで応答性を向上させることができる。しかしながら、電流制御において用いられる電流指令値が生成されるモータ制御装置の速度ループにおいては、異常判定、フィルタ処理等の制御演算量が多いため、速度ループの周期毎に生成される電流指令値の更新周期は短縮できない。したがって、速度ループが演算される時にのみ電流指令値が更新されるため、次に電流指令値が更新されるまで複数の電流制御の周期に亘り電流指令値が一定値となる。電流制御は応答性が高く、電流指令値の変化に追従するため、モータ電流は電流指令値の更新時のみ変化する。したがって、モータ電流の変化が間欠状となるため、トルク脈動が発生する。特にサーボロック又は低速動作の出力トルクが小さいときには、トルク脈動がモータ出力軸の微振動の発生原因となるという課題がある。

本開示は上記従来の課題を解決するものであり、ＰＷＭ制御によりモータに流れる電流を制御することでモータをコントロールするモータ制御装置であって、ＰＷＭ周波数を引き上げた際の電流制御の高応答化と低振動とを両立できるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本開示のモータ制御装置の一態様は、動作指令に基づいてモータを制御するモータ制御装置であって、前記動作指令と前記モータの位置情報とを用いて前記モータの速度を制御する速度制御部であって、第１の周期毎に速度ループの制御演算を行うことによって、前記モータを駆動するための電流指令値を算出する速度制御部と、前記電流指令値があらかじめ決められた閾値以上の場合に前記電流指令値を前記第１の周期より短い周期で補間した電流指令補間値を算出し、前記電流指令値が前記閾値未満の場合に前記電流指令値を前記電流指令補間値とする電流指令補間部と、前記モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、前記第１の周期より短い第２の周期で、前記電流指令補間値と前記電流検出部で検出された前記モータ電流とを用いて電流制御演算を行うことによって、前記モータに印加する三相電圧指令値を算出する電流制御部と、前記三相電圧指令値をＰＷＭ変調することで三相ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ部と、前記モータに印加する電圧を変換する電力変換素子を有し、前記三相ＰＷＭ信号に従い前記電力変換素子をオン及びオフすることで前記三相ＰＷＭ信号に対応する電圧を前記モータに印加する電力変換部と、を備える。

これによって、モータの加速又は減速、負荷トルクの急変などのモータ電流の変化量が大きい場合にはＰＷＭ周波数の引き上げによる高応答な電流制御を行い、モータ電流の変化量が小さい場合には電流制御に与える電流指令値を連続的に更新して、トルク脈動を小さくすることができる。

また、本開示のモータ制御装置の一態様において、前記電流指令補間部は、前記モータの速度があらかじめ決められた値以上になった場合は前記電流指令値を前記電流指令補間値としてもよい。

これによって、特にトルク脈動の影響の大きくなるサーボロック時又は低速動作の微振動を抑えることができる。

また、本開示のモータ制御装置の一態様において、前記ＰＷＭ部は、前記三相電圧指令値を三角波と比較することでＰＷＭ変調してもよい。

これにより、簡素化された構成でＰＷＭ変調できる。

また、本開示のモータ制御装置の一態様において、前記電流指令補間部は、前記第２の周期で補間した前記電流指令補間値を算出してもよい。

これにより、電流制御と同じ周期で、電流指令値を補間するため、電流指令値を最大限に連続的に更新することができる。このため、トルク脈動を最小限に抑制できる。

本発明のモータ制御装置によれば、電流制御に与える電流指令値が連続的に更新されるため、トルク脈動が小さくなり、微振動を抑えることができる。

実施の形態１に係るモータ制御装置の構成図 実施の形態１に係るモータ制御装置において電流指令値を生成する動作波形を示す図

本開示のモータ制御装置は、動作指令に基づいてモータを制御するモータ制御装置であって、前記動作指令と前記モータの位置情報とを用いて前記モータの速度を制御する速度制御部であって、第１の周期毎に速度ループの制御演算を行うことによって、前記モータを駆動するための電流指令値を算出する速度制御部と、前記電流指令値があらかじめ決められた閾値以上の場合に前記電流指令値を前記第１の周期より短い周期で補間した電流指令補間値を算出し、前記電流指令値が前記閾値未満の場合に前記電流指令値を前記電流指令補間値とする電流指令補間部と、前記モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、前記第１の周期より短い第２の周期で、前記電流指令補間値と前記電流検出部で検出された前記モータ電流とを用いて電流制御演算を行うことによって、前記モータに印加する三相電圧指令値を算出する電流制御部と、前記三相電圧指令値をＰＷＭ変調することで三相ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ部と、前記モータに印加する電圧を変換する電力変換素子を有し、前記三相ＰＷＭ信号に従い前記電力変換素子をオン及びオフすることで前記三相ＰＷＭ信号に対応する電圧を前記モータに印加する電力変換部と、を備える。

これにより、電流の変化量が大きい場合には高応答な電流制御を行い、電流の変化量が小さい場合には電流制御に与える電流指令値を連続的に更新して、トルク脈動を小さくすることができる。

また、本開示のモータ制御装置において、前記電流指令補間部は、前記モータの速度があらかじめ決められた値以上になった場合は前記電流指令値を前記電流指令補間値としてもよい。

これにより、特にトルク脈動の影響の大きくなるサーボロック時又は低速動作の微振動を抑えることができる。

また、本開示のモータ制御装置の一態様において、前記ＰＷＭ部は、前記三相電圧指令値を三角波と比較することでＰＷＭ変調してもよい。

これにより、簡素化された構成でＰＷＭ変調できる。

また、本開示のモータ制御装置の一態様において、前記電流指令補間部は、前記第２の周期で補間した前記電流指令補間値を算出してもよい。

これにより、電流制御と同じ周期で、電流指令値を補間するため、電流指令値を最大限に連続的に更新することができる。このため、トルク脈動を最小限に抑制できる。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本開示が限定されるものではない。つまり、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態１）
実施の形態１におけるモータ制御装置について、図１、図２を用いて説明する。

図１は実施の形態１に係るモータ制御装置１０の機能構成を示すブロック図である。図１には、モータ制御装置１０と併せてモータ１００及び位置検出器１０１も示されている。

実施の形態１に係るモータ制御装置１０は、モータ１００を制御する装置である。モータ制御装置１０は、例えば、上位装置からの動作指令に基づいてモータ１００を制御する。なお、モータ制御装置１０は、必ずしも上位装置などの外部からの動作指令に基づいて制御しなくてもよい。例えば、モータ制御装置１０は、自律的にモータ１００を制御できるようにプログラミングされていてもよい。

図１に示されるように、モータ制御装置１０は、電流検出部１と、速度制御部２と、電流指令補間部３と、電流制御部４と、ＰＷＭ部５と、電力変換部６とを備える。

図１に示されるモータ１００は、実施の形態１に係るモータ制御装置１０によって制御される制御対象である。モータ１００は、例えば、効率及び制御性の点から広く利用されている、ロータに磁石を配置した３相ブラシレスモータである。

位置検出器１０１は、モータ１００のロータの位置を検出する検出器である。位置検出器１０１は、例えば、ロータリエンコーダ、リニアスケール、ホールＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ ＴｒａｎＳｆｅｒ）などの検出器であり、位置情報１０１Ａを速度制御部２に出力する。なお、位置情報１０１Ａは、ロータリエンコーダなどの装置を用いて検出しなくてもよく、例えば、電流検出部１によって検出される電流検出値から推定してもよい。

電流検出部１は、モータ１００に流れるモータ電流を検出する検出部である。実施の形態１に係るモータ制御装置１０では、電流検出部１は、モータ電流として、モータ１００のＵ相モータ電流検出値１ＡとＷ相モータ電流検出値１Ｂとを検出し、検出した各モータ電流を電流制御部４に出力する。電流検出部１は、Ｕ相モータ線６ＡとＷ相モータ線６Ｃに流れるモータ電流をそれぞれ電圧に変換して、アナログ信号であるＵ相モータ電流検出値１ＡとＷ相モータ電流検出値１Ｂとを生成する。モータ電流が小電流の場合はシャント抵抗が、大電流の場合はＣＴが、一般的に用いられる。

速度制御部２は、動作指令１０２とモータ１００の位置情報１０１Ａとを用いてモータ１００の速度（つまり回転速度）を制御する処理部であって、第１の周期毎に速度ループの制御演算を行うことによって、モータ１００を駆動するための電流指令値２Ａを算出する。速度制御部２は、例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ ＰｒｏＣｅｓｓｏｒ）又はマイクロコンピュータを用いてソフトウェア的に実現されてもよいし、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｌｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）又はＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）のロジック回路で実現されてもよい。具体的には、速度制御部２は、図示しない上位装置などからの動作指令１０２と位置検出器１０１の位置情報１０１Ａの微分によって算出されたモータ速度２Ｂとから速度制御演算によって電流指令値２Ａを算出する。速度制御部２は、電流指令値２Ａ及びモータ速度２Ｂを電流指令補間部３に出力する。

電流指令補間部３は、電流指令値２Ａがあらかじめ決められた閾値Ｉｔｈ以上の場合に電流指令値２Ａを第１の周期より短い周期で補間した電流指令補間値３Ａを算出し、電流指令値２Ａが閾値Ｉｔｈ未満の場合に電流指令値２Ａを電流指令補間値３Ａとする処理部である。電流指令補間部３は、ソフトウェア又はロジック回路で構成され、電流指令値２Ａに従い電流指令値の補間を実施するか実施しないか（つまり、電流指令補間値３Ａの算出を実施するか停止するか）を切替え、電流指令補間値３Ａを電流制御部４に出力する。

電流制御部４は、第１の周期より短い第２の周期で、電流指令補間値３Ａと電流検出部１で検出されたモータ電流とを用いて電流制御演算を行うことによって、モータ１００に印加する三相電圧指令値（４Ａ〜４Ｃ）を算出する処理部である。電流制御部４は、ソフトウェア又はロジック回路で構成され、Ｕ相モータ電流検出値１ＡとＷ相モータ電流検出値１Ｂと電流指令補間値３Ａとから電流制御演算により三相電圧指令値を算出する。三相電圧指令値は、モータを駆動するためのＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相の電圧指令値、Ｕ相電圧指令値４Ａ、Ｖ相電圧指令値４Ｂ及びＷ相電圧指令値４Ｃからなる。電流制御部４は、三相電圧指令値をＰＷＭ部５に出力する。

ＰＷＭ部５は、三相電圧指令値をＰＷＭ変調することで三相ＰＷＭ信号（５Ａ〜５Ｃ）を生成する処理部である。ＰＷＭ部５は、例えば、マイクロコンピュータ内蔵の周辺回路（ペリフェラル）、又は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのロジック回路で構成される。ＰＷＭ部５は、例えば、三角波（ＰＷＭ三角波）と、各相の電圧指令値である、Ｕ相電圧指令値４Ａ、Ｖ相電圧指令値４Ｂ及びＷ相電圧指令値４Ｃとを比較することで、三相ＰＷＭ信号を算出する。三角波を用いることにより、簡素化された構成でＰＷＭ変調できる。三相ＰＷＭ信号は、Ｕ相ＰＷＭ信号５Ａ、Ｖ相ＰＷＭ信号５Ｂ、Ｗ相ＰＷＭ信号５Ｃからなる。ＰＷＭ部５は、三相ＰＷＭ信号を電力変換部６に出力する。

電力変換部６は、モータ１００に印加する電圧を変換する電力変換素子を有し、三相ＰＷＭ信号に従い電力変換素子をオン及びオフすることで三相ＰＷＭ信号に対応する電圧をモータ１００に印加する。電力変換部６は、三相ＰＷＭ信号として、Ｕ相ＰＷＭ信号５Ａ、Ｖ相ＰＷＭ信号５Ｂ及びＷ相ＰＷＭ信号５Ｃを受け、Ｕ相モータ線６Ａ、Ｖ相モータ線６Ｂ及びＷ相モータ線６Ｃを介してモータ１００に電圧を印加する。電力変換部６は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどを用いた半導体素子を用いたトランジスタ、ダイオードなどの電力変換素子で構成される。電力変換部６として、電力変換素子を駆動するためのプリドライブ回路を内蔵したＩＰＭ（ｌｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）を用いてもよい。

以下、実施の形態１に係るモータ制御装置１０の動作について図２を用いて説明する。

図２は実施の形態１に係るモータ制御装置１０において電流指令値を生成する動作波形を示す図である。図２には、電流指令値２Ａ、電流指令補間値３Ａ及びＰＷＭ三角波の時間波形が示されている。また、図２には、それらの波形と共に、モータ制御装置１０における位置及び速度制御のタイミングと、電流制御のタイミングとが示されている。

図２に示される例では、速度制御周期（第１の周期）はＰＷＭ周期の３倍であり、電流制御周期（第２の周期）はＰＷＭ周期の半分である。このため、速度制御周期は電流制御周期の６倍となる。図２における時刻ｔ０から時刻ｔ６までの期間、及び、時刻ｔ６から時刻ｔ１２までの期間が速度制御周期に相当する。また、図２における時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間などが電流制御周期に相当する。

電流指令補間部３は、速度制御周期毎に更新される電流指令値２Ａの一例である電流指令値例Ｉｃｍｄを、あらかじめ決められた閾値Ｉｔｈと比較する。電流指令値例Ｉｃｍｄが閾値Ｉｔｈ未満となる場合（図２に示される領域１）は、更新前の電流指令値との差分である変化量ΔＩｃｍｄを補間出力する。補間方法として線形補間を用いる場合は、電流指令値例Ｉｃｍｄの変化量ΔＩｃｍｄを速度制御周期中に含まれる電流制御の周期数６で分割し、電流制御毎にΔＩｃｍｄ／６を加算したものを電流指令補間値３Ａとして出力する。

一方、電流指令値例ＩｃｍｄがＩｔｈ以上の場合（図２に示される領域２）は、補間せずに電流指令値例Ｉｃｍｄを電流指令補間値３Ａとして出力する。なお、補間方法として線形補間以外の補間方法を用いてもよい。

図２に示される例のように、電流制御周期（第２の周期）で補間することで、電流制御と同じ周期で、電流指令値を補間するため、電流指令値を最大限に連続的に更新することができる。このため、トルク脈動を最小限に抑制できる。なお、モータ制御装置１０における補間の周期はこれに限定されず、電流制御周期より長く速度制御周期より短い周期で補間してもよい。

ここで、閾値Ｉｔｈは、特に限定されないが、例えば、モータ電流に対する電流の脈動成分の影響が大きくなる定格電流値の１０％程度にしてもよい。

以上の構成とすることにより、電流の変化量が大きい場合には高応答な電流制御を行い、電流の変化量が小さい場合には電流制御に与える電流指令値を連続的に更新して、トルク脈動を小さくすることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係るモータ制御装置１０について説明する。実施の形態２において、実施の形態１との相違点は、電流指令補間部３の電流指令補間値３Ａの生成方法である。以下に当該相違点について説明する。

実施の形態２では、速度制御部２は、モータ速度２Ｂを監視し、モータ速度２Ｂがあらかじめ決められた速度（速度閾値）以上になった場合は電流指令値２Ａの補間をせずに、電流指令値２Ａをそのまま電流指令補間値３Ａとして出力する。一方、モータ速度２Ｂが速度閾値未満の場合は実施の形態１で説明した補間を用いて算出した電流指令補間値３Ａを出力する。なお、速度閾値はモータ電流における脈動成分の影響が小さくなる速度とすればよく、例えば数百ｒ／ｍｉｎとしてもよい。

以上のような構成とすることにより、モータ電流の脈動成分の影響が大きくなるサーボロック時又は低速動作時のみ電流指令値を連続的に更新して、トルク脈動を低減できる。

（変形例など）
以上、本開示に係るモータ制御装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。

各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

以上のように、本開示にかかるモータ制御装置は、モータの加速又は減速、負荷トルクの急変などの電流の変化量が大きい場合にはＰＷＭ周波数の引き上げによる高応答な電流制御を行い、電流の変化量が小さい場合には電流制御に与える電流指令値を連続的に更新して、トルク脈動を小さくして微振動を抑えることができるので、ＰＷＭ制御方式によりモータを制御する装置として特に有効である。

１ 電流検出部
１Ａ Ｕ相モータ電流検出値
１Ｂ Ｗ相モータ電流検出値
２ 速度制御部
２Ａ 電流指令値
２Ｂ モータ速度
３ 電流指令補間部
３Ａ 電流指令補間値
４ 電流制御部
４Ａ Ｕ相電圧指令値
４Ｂ Ｖ相電圧指令値
４Ｃ Ｗ相電圧指令値
５ ＰＷＭ部
５Ａ Ｕ相ＰＷＭ信号
５Ｂ Ｖ相ＰＷＭ信号
５Ｃ Ｗ相ＰＷＭ信号
６ 電力変換部
６Ａ Ｕ相モータ線
６Ｂ Ｖ相モータ線
６Ｃ Ｗ相モータ線
１０ モータ制御装置
１００ モータ
１０１ 位置検出器
１０１Ａ 位置情報
１０２ 動作指令

Claims (4)

1. 動作指令に基づいてモータを制御するモータ制御装置であって、
   前記動作指令と前記モータの位置情報とを用いて前記モータの速度を制御する速度制御部であって、第１の周期毎に速度ループの制御演算を行うことによって、前記モータを駆動するための電流指令値を算出する速度制御部と、
   前記電流指令値があらかじめ決められた閾値以上の場合に前記電流指令値を前記第１の周期より短い周期で補間した電流指令補間値を算出し、前記電流指令値が前記閾値未満の場合に前記電流指令値を前記電流指令補間値とする電流指令補間部と、
   前記モータに流れるモータ電流を検出する電流検出部と、
   前記第１の周期より短い第２の周期で、前記電流指令補間値と前記電流検出部で検出された前記モータ電流とを用いて電流制御演算を行うことによって、前記モータに印加する三相電圧指令値を算出する電流制御部と、
   前記三相電圧指令値をＰＷＭ変調することで三相ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ部と、
   前記モータに印加する電圧を変換する電力変換素子を有し、前記三相ＰＷＭ信号に従い前記電力変換素子をオン及びオフすることで前記三相ＰＷＭ信号に対応する電圧を前記モータに印加する電力変換部と、を備える
   モータ制御装置。
2. 前記電流指令補間部は、前記モータの速度があらかじめ決められた値以上になった場合は前記電流指令値を前記電流指令補間値とする
   請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記ＰＷＭ部は、前記三相電圧指令値を三角波と比較することでＰＷＭ変調する
   請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記電流指令補間部は、前記第２の周期で補間した前記電流指令補間値を算出する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。

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