JP2019041543A

JP2019041543A - モータ駆動制御装置

Info

Publication number: JP2019041543A
Application number: JP2017163706A
Authority: JP
Inventors: 斉藤　仁; Hitoshi Saito; 仁斉藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2019-03-14
Also published as: CN109428519A; US20190068089A1

Abstract

【課題】一つの実施形態は、モータの動作状態を示す情報をメインコントローラに供給することができ、また、メインコントローラからの制御命令を正確にＥＳＣに供給することが出来るモータ駆動制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】一つの実施形態によれば、モータ駆動制御装置は、モータの回転速度を指示するＰＷＭ制御信号を生成する主制御装置を有する。前記主制御装置から供給される前記ＰＷＭ制御信号を差動データであるのデジタル信号に変換し、２本の伝送線に出力する信号切換装置を有する。前記信号切換装置から出力される差動データのデジタル信号に応答して、前記モータに駆動信号を供給する駆動装置を有する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、モータ駆動制御装置に関する。

従来、メインコントローラからＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を電子速度制御装置（ＥＳＣ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＳｐｅｅｄＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に供給して、マルチコプター（ｍｕｌｔｉｃｏｐｔｅｒ）の各回転翼を駆動するモータを制御する技術が開示されている。

しかしながら、ＰＷＭ制御信号はアナログ信号である為、ノイズ等の外乱の影響を受け易い。マルチコプターは、モータによって駆動される回転翼が回転することによって生じる推力によって飛行速度や飛行姿勢が決まる。この為、メインコントローラからの制御信号がＥＳＣに正確に供給されることが望まれている。また、マルチコプターは、例えば、４個、あるいは６個といった、複数のモータ及びモータと同数の回転翼を備える。マルチコプターは、これらの複数のモータと回転翼によって飛行するがいずれかのモータに異常が生じた場合、発生した異常の情報がメインコントローラに適時に供給され、メインコントローラからは前記異常の情報を反映した制御命令がＥＳＣに供給されることが望まれている。

特開２０１１−２０５４９１号公報

一つの実施形態は、モータの動作状態を示す情報をメインコントローラ（主制御装置）に供給することができ、また、メインコントローラからの制御命令を正確にＥＳＣに供給することが出来るモータ駆動制御装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、モータ駆動制御装置は、モータの回転速度を指示するＰＷＭ制御信号を生成するメインコントローラを有する。前記メインコントローラから供給される前記ＰＷＭ制御信号を差動データであるデジタル信号に変換し、２本の伝送線に出力する信号切換装置を有する。前記信号切換装置から出力される差動データのデジタル信号に応答して、前記モータに駆動信号を供給する駆動装置を有する。

図１は、第１の実施形態のモータ駆動制御装置の構成を示す図である。図２は、ＣＡＮ信号の波形を説明する為の図である。図３は、ＥＳＣの一つの構成例を示す図である。図４は、第２の実施形態のモータ駆動制御装置の構成を示す図である。図５は、ＲＳ４８５信号の波形を説明する為の図である。図６は、第３の実施形態のモータ駆動制御装置の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかるモータ駆動制御装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のモータ駆動制御装置の構成を示す図である。本実施形態のモータ駆動制御装置は、メインコントローラ（主制御装置）１０を備える。メインコントローラ１０は、駆動制御対象であるモータ４１〜４４の回転速度を指定するＰＷＭ制御信号を生成する。各モータ４１〜４４に対応するＰＷＭ制御信号は、信号線１１〜１４を介して信号切換装置２０に供給される。

信号切換装置２０は、メインコントローラ１０から供給されるＰＷＭ制御信号をＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）仕様のデジタル信号（以降、ＣＡＮ信号と呼ぶ場合がある）に変換する。ＣＡＮ仕様のデジタル信号は、２本のバス信号伝送線の間の差動電圧によって信号の論理レベル「０」「１」が対応付けられたデジタル信号で構成される。ＣＡＮ仕様のデジタル信号は差動電圧で対応付けられる為、差動データと呼ばれる。信号切換装置２０は、メインコントローラ１０から供給されるＰＷＭ制御信号を、そのパルス幅に応じたデジタル信号に変換してＣＡＮ仕様のデジタル信号として送出する。

例えば、信号切換装置２０は、各ＰＷＭ制御信号をデジタル信号に変換するＭＣＵ（ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔ）２０１と、ＭＣＵ２０１が出力するそのデジタル信号をＣＡＮ仕様のデジタル信号に変換するトランシーバ２０２を備える。ＭＣＵ２０１とトランシーバ２０２との間の信号の授受は信号線２０３を介して行われる。ＣＡＮ仕様のデジタル信号については、後述する。

メインコントローラ１０と信号切換装置２０との間は、信号線１５を介してデータの授受が行われる。信号線１５を介してのデータの授受は、例えば、通信規格ＲＳ２３２Ｃ（ＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄＳｔａｎｄａｒｄ２３２Ｃ、以下、ＲＳ２３２Ｃと呼ぶ）に則して行われる。ＲＳ２３２Ｃは、不平衡シリアル転送の物理層インターフェース仕様である。ＲＳ２３２Ｃに則した信号へ変換する所定の処理は、例えば、メインコントローラ１０と信号変換装置２０に設けられるＭＣＵ２０１が行う。駆動制御対象であるモータ４１〜４４の動作状態を示す情報が信号切換装置２０を介してメインコントローラ１０に供給される。モータ４１〜４４からの情報をメインコントローラ１０に供給することにより、各モータ４１〜４４の動作状態に応じた制御命令をメインコントローラ１０から各ＥＳＣ３１〜３４に供給することが出来る。

信号切換装置２０からのＣＡＮ信号は、バス信号線２１Ａ、２１Ｂを有するＣＡＮ通信伝送路２１を介して、各ＥＳＣ３１〜３４に供給される。例えば、バス信号線２１Ａは、バス線ＣＡＮＨ、バス信号線２１Ｂは、バス線ＣＡＮＬに対応する。信号切換装置２０から供給されるＣＡＮ信号にＥＳＣ３１〜３４に各々対応するアドレスを識別信号として付与することにより、各ＥＳＣ３１〜３４の内で応答させるＥＳＣを特定することが出来る。

各ＥＳＣ３１〜３４（駆動装置）は、信号切換装置２０から供給される制御信号に応答して駆動信号を生成して、信号線（３４１〜３４３、３５１〜３５３、３６１〜３６３、３７１〜３７３）を介して各モータ４１〜４４に供給する。例えば、各モータ４１〜４４は、３相誘導モータであり、信号線３４１〜３４３、３５１〜３５３、３６１〜３６３、３７１〜３７３）からは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）信号が各モータ４１〜４４の励磁コイル（図示せず）に供給される。

各モータ４１〜４４は、供給される駆動信号に応答して回転軸（７１〜７４）を回転させ、プロペラ６１〜６４を回転させる。プロペラ６１〜６４の回転によって揚力が発生し、例えば、本実施形態のモータ駆動制御装置が搭載されるマルチコプター（図示せず）を浮揚させる。

各ＥＳＣ３１〜３４には、各モータ４１〜４４の温度を測定するモータ温度センサ５１〜５４からのデータが各信号線５１１、５２１、５３１、５４１を介して供給される。例えば、各ＥＳＣ３１〜３４は、各モータ温度センサ５１〜５４からのデータに基づき、対応するモータ４１〜４４に供給する駆動信号を制御して各モータの回転速度を調整する。例えば、異常な高温状態にあるモータへの駆動電流の供給を停止する制御により、モータが過熱により損傷する事態を回避することが出来る。

また、各モータ温度センサ５１〜５４からのデータを、各ＥＳＣ３１〜３４、及び信号切換装置２０を介してメインコントローラ１０に供給する。かかる構成にすることで、メインコントローラ１０は、各モータ４１〜４４の温度情報を加味して各モータ４１〜４４に対する回転速度を制御する制御信号を生成する構成とすることが出来る。各モータ温度センサ５１〜５４のデータは、所定のタイミングで常時、メインコントローラ１０に供給される構成でも良いし、モータの温度が予め定めたしきい値を超える状態になった場合に、メインコントローラ１０に異常信号として供給する構成であっても良い。

本実施形態は、メインコントローラ１０が生成するＰＷＭ制御信号をＣＡＮ信号に変換して各ＥＳＣ３１〜３４に供給する信号変換装置２０を備える。アナログ信号であるＰＷＭ制御信号を、ＣＡＮ仕様のデジタル信号に変換して各ＥＳＣ３１〜３４へ供給することにより、メインコントローラ１０が出力する速度指示命令を、外部からのノイズ耐性を向上させて各ＥＳＣ３１〜３４へ供給することが出来る。これにより、モータの回転速度の指示命令を正確に、各ＥＳＣ３１〜３４を備えるモータ駆動部（以降、各ＥＳＣ３１〜３４を備える構成部分をモータ駆動部と呼ぶ場合が有る）へ供給することが出来る。

また、モータの動作状態を示す情報、例えば、モータの温度情報を信号切換装置２０を介してメインコントローラ１０に供給する。かかる構成とすることにより、モータの動作状態を反映した制御信号をメインコントローラ１０で生成しＥＳＣ３１〜３４に供給することが可能となり、モータの動作状態に応じた駆動制御が可能となる。

図２は、ＣＡＮ信号の波形を説明する為の図である。ＣＡＮデータは、２本のバス線ＣＡＮＨとＣＡＮＬに供給される差動データで構成される。実線で示すバス線ＣＡＮＨと点線で示すバス線ＣＡＮＬに供給される電圧差（ＣＡＮＨの電圧−ＣＡＮＬの電圧）が、例えば、所定の電圧よりも小さい場合が論理レベル「１」となり、所定の電圧よりも大きい場合が論理レベル「０」となる。

メインコントローラ１０から送られるＰＷＭ制御信号が信号切換装置２０によりＣＡＮ仕様に則したＣＡＮ信号に変換され、ＣＡＮ通信伝送路２１に送出される。ＣＡＮ信号は、２本のバス線ＣＡＮＨとＣＡＮＬとの間に供給される差動データである。この為、例えば、ノイズがバス線ＣＡＮＨとＣＡＮＬの電圧に重畳された場合にも、そのノイズが２本のバス線ＣＡＮＨとＣＡＮＬの間でお互いに相殺し合う為、ノイズ耐性に優れた信号となり、メインコントローラ１０からの命令信号が正確にモータ駆動部に供給される。

図３は、ＥＳＣの一つの構成例を示す図である。ＥＳＣ３１を例に説明する。ＥＳＣ３１は、トランシーバ３１０を有する。トランシーバ３１０は、信号切換装置２０からＣＡＮ通信伝送路２１を介して供給されるＣＡＮ信号に所定の処理を行って、信号線３１１を介してＭＣＵ３２０に供給する。トランシーバ３１０は、例えば、ＣＡＮ信号をＭＣＵ３２０が処理できるフォーマットに変換してＭＣＵ３２０に供給する。また、トランシーバ３１０は、逆に、ＭＣＵ３２０からの信号をＣＡＮ信号に変換してＣＡＮ通信伝送路２１に送出する。

ＭＣＵ３２０は、モータの駆動信号を信号線３２１を介してプリドライバ３３０に供給する。モータの駆動信号はプリドライバ３３０により増幅されて、信号線３３１を介してＭＯＳＦＥＴドライバ３４０を構成するＭＯＳＦＥＴ（図示せず）のゲートに供給される。ＭＯＳＦＥＴドライバ３４０を構成するＭＯＳＦＥＴのオン／オフが制御され、例えば、ＭＯＳＦＥＴドライバ３４０は、３相の駆動信号を生成して信号線３４１〜３４３を介してモータに供給する。

ＥＳＣ３１は、電流センサ３５０を有する。電流センサ３５０は、例えば、ＭＯＳＦＥＴドライバ３４０を構成するＭＯＳＦＥＴを流れる電流を検知し、その情報を信号線３５４を介してＭＣＵ３２０に供給する。ＭＯＳＦＥＴに直列に接続された抵抗（図示せず）に生じた電圧降下とその抵抗の値から電流値を求めることが出来る。

ＥＳＣ３１は、ＭＯＳＦＥＴ温度センサ３６０を有する。ＭＯＳＦＥＴ温度センサ３６０は、例えば、ＭＯＳＦＥＴドライバ３４０を構成するＭＯＳＦＥＴの温度を検知し、その情報を信号線３６１を介してＭＣＵ３２０に供給する。

電流センサ３５０から供給される電流情報、あるいはＭＯＳＦＥＴ温度センサ３６０から供給される温度情報によりモータの動作状態を示す情報をＭＣＵ３２０に供給することで、モータの動作状態を把握することが出来る。すなわち、モータの動作状態を把握して、その状態に応じてＭＣＵ３２０からプリドライバ３３０に供給する駆動信号を調整することが出来る。例えば、ＭＯＳＦＥＴドライバ３４０を構成するＭＯＳＦＥＴが過熱状態となったときに、そのＭＯＳＦＥＴに供給する電流を制限する制御とすることで、過熱によるＭＯＳＦＥＴの損傷を回避することが出来る。

ＭＣＵ３２０に、モータ温度センサ５１の情報が供給される構成とすることが出来る。モータの温度情報がＭＣＵ３２０に供給され、その情報に応じてプリドライバ３３０を介して供給する駆動信号を調整することが可能となる。例えば、モータが異常な過熱状態の場合に、そのモータを駆動するＭＯＳＦＥＴドライバ３４０への電流供給を制限することで、異常な過熱によるモータの損傷を回避することが出来る。

ＥＳＣ３１にモータの動作情報をＣＡＮ信号に変換してＣＡＮ通信伝送路２１に送出できるトランシーバ３１０を設ける構成とすることで、メインコントローラ１０との双方向通信が可能となる。すなわち、メインコントローラ１０からの制御信号は信号切換装置２０によりＣＡＮ信号に変換されてＥＳＣ３１に供給され、ＥＳＣ３１からの情報は、トランシーバ３１０によりＣＡＮ信号に変換されて、信号切換装置２０を介してメインコントローラ１０に供給される。これにより、メインコントローラ１０は、駆動制御対象であるモータの動作状態に応じた制御を行うことが出来る。

また、メインコントローラ１０とＥＳＣ３１〜３４との間で送受信される情報をノイズ耐性に優れたＣＡＮ信号で構成されるＣＡＮデータとして送受信することで正確な情報の双方向の授受が可能となる。モータ３１〜３４の動作状態の情報をＥＳＣ３１〜３４から正確に得ることが出来、また、その情報を踏まえたモータ４１〜４４の回転速度についてのメインコントローラ１０からの制御命令をＥＳＣ３１〜３４に供給することが可能となる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態のモータ駆動制御装置の構成を示す図である。既述した実施形態の構成に対応する構成要素には同一の符号を付し、重複した記載は必要な場合にのみ行う。本実施形態のモータ駆動制御装置においては、信号切換装置２０は、メインコントローラ１０からのＰＷＭ制御信号を、通信規格ＲＳ４８５（ＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄＳｔａｎｄａｒｄ４８５、以降、ＲＳ４８５と呼ぶ）に準拠した差動データに変換して出力する。ＲＳ４８５は、シリアルインターフェース規格であり、差動ペアでデータが送信される。

例えば、信号切換装置２０は、各ＰＷＭ制御信号をデジタル信号に変換するＭＣＵ２０１と、ＭＣＵ２０１が出力するそのデジタル信号をＲＳ４８５に則したＲＳ４８５仕様のデジタル信号に変換するトランシーバ２０２を備える。

信号切換装置２０の出力信号は、ＲＳ４８５伝送路２１０を介して各ＥＳＣ３１〜３４に供給される。ＲＳ４８５伝送路２１０は、非反転伝送線２１０Ａと反転伝送線２１０Ｂを備える。ＲＳ４８５伝送路２１０を介して供給された差動データは、各ＥＳＣ３１〜３４が備えるトランシーバ（図示せず）によって変換され、各ＥＳＣ３１〜３４が備えるＭＣＵ（図示せず）に供給される。

ＲＳ４８５伝送路２１０で送受信されるデータは、ＣＡＮ信号と同様に、差動データである。この為、メインコントローラ１０からの制御命令をノイズ耐性に優れた状態でＥＳＣ３１〜３４に供給することが出来る。これにより、メインコントローラ１０によりモータ４１〜４４の回転速度を正確に制御することが出来る。

本実施形態は、メインコントローラ１０のＰＷＭ制御信号を変換する信号切換装置２０を有する。駆動制御対象である各モータ４１〜４４に駆動信号を供給する各ＥＳＣ３１〜３４がＲＳ４８５仕様の場合に、メインコントローラ１０からのＰＷＭ制御信号を信号切換装置２０によりＲＳ４８５に則した差動データに変換して、各ＥＳＣ３１〜３４に供給することが出来る。メインコントローラ１０のＰＷＭ制御信号をＲＳ４８５に則したデジタル信号（以降、ＲＳ４８５信号と呼ぶ場合がある）に変換することにより、ノイズ耐性に優れた状態で、メインコントローラ１０の制御命令をＥＳＣ３１〜３４に供給することが出来る。

図５は、ＲＳ４８５信号の波形を説明する為の図である。ＲＳ４８５データは、非反転伝送線と反転伝送線に供給される差動データで構成される。論理レベル「１」を伝送する場合には、実線で示す非反転伝送線に高い電圧レベルを印加し、点線で示す反転伝送線に低い電圧レベルを印加する。逆に、論理レベル「０」を伝送する場合には、反転伝送線に高い電圧レベルを印加し、非反転伝送線に低い電圧レベルを印加する。これにより、２本の伝送線間の電圧差に対応付けられた差動データが構成される。

メインコントローラ１０から出力されるＰＷＭ制御信号が信号切換装置２０によりＲＳ４８５仕様に則した差動データに変換され、ＲＳ４８５伝送路２１０に送出される。ＲＳ４８５に準拠したデータは、非反転伝送線と反転伝送線との間に供給される差動データである。この為、例えば、ノイズが非反転伝送線と反転伝送線の電圧に重畳された場合にも、そのノイズが非反転伝送線と反転伝送線の間でお互いに相殺し合う為、ノイズ耐性に優れた信号となる。メインコントローラ１０からのＰＷＭ制御信号をＲＳ４８５信号に変換してＥＳＣ３１〜３４に供給することにより、メインコントローラ１０からの制御命令が正確にモータ駆動部に供給される。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態のモータ駆動制御装置の構成を示す図である。本実施形態は、操作端末１を備える。操作端末１は、操縦者によって操作される。操作端末１からの操作信号は、アンテナ２を介して無線信号３として、移動物体４に設けられたアンテナ５に供給される。

移動物体４は、例えば、通称、ドローン（ｄｒｏｎｅ）と呼ばれる無人マルチコプターである。アンテナ５で受信された無線信号３は、無線通信装置６に供給される。無線通信装置６は、アンテナ５で受信された無線信号３を、例えばデジタル信号の制御信号に変換して信号線７を介してメインコントローラ１０に供給する。

また、メインコントローラ１０は、信号線７を介して、例えば、モータ４１〜４４の動作状態を示す信号を無線通信装置６に供給する。無線通信装置６は、メインコントローラ１０からの信号を無線信号３に変換してアンテナ５を介して操作端末１のアンテナ２に送信する。これにより、操作端末１と移動物体４との間での双方向通信が行われる。

移動物体４には、例えば、既述した第１の実施形態のモータ駆動制御装置が搭載される。すなわち、移動物体４には、メインコントローラ１０、メインコントローラ１０が生成するＰＷＭ制御信号をＣＡＮ信号に変換してＣＡＮ通信伝送路２１に供給する信号変換装置２０、信号変換装置２０からのＣＡＮ信号が供給されるＥＳＣ３１〜３４を備える。

本実施形態によれば、メインコントローラ１０のＰＷＭ制御信号は、信号変換装置２０によりＣＡＮ信号に変換されて、各モータ４１〜４４の回転数を制御するＥＳＣ３１〜３４に供給される。メインコントローラ１０のＰＷＭ制御信号を、ノイズ耐性に優れたＣＡＮ信号に変換してＥＳＣ３１〜３４に供給する構成とすることによって、メインコントローラ１０の制御命令を正確に各ＥＳＣ３１〜３４に供給する事が出来る。

また、メインコントローラ１０と各ＥＳＣ３１〜３４は、ＣＡＮ通信伝送路２１を介して双方向通信が行われる。この為、メインコントローラ１０は、各モータ４１〜４４の動作状態に応じた制御を行うことが出来る。

また、メインコントローラ１０から各モータ４１〜４４の動作状態の情報を、無線通信装置６を含む無線回線により操作端末１に送信することにより、操作者が各モータ４１〜４４の動作状態を掌握することが出来る。これにより、操作者は移動物体４の飛行状態を掌握して操作端末１の操作を行うことが可能となる。

尚、各モータ４１〜４４によってプロペラ６１〜６４が駆動される実施形態に限らない。例えば、移動物体４は、モータ４１〜４４によって車輪（図示せず）が駆動される、所謂、ラジコンカーや二輪車や、船、ロボット等、車輪以外で駆動されるものであっても良い。メインコントローラ１０から供給される回転速度を指示するＰＷＭ制御信号が信号切換装置２０を介して各ＥＳＣ３１〜３４に供給され、各モータ４１〜４４の回転速度が制御されることにより走行が制御される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１端末装置、４移動物体、６無線通信装置、１０メインコントローラ、２０信号切換装置、２１ＣＡＮ通信伝送路、３１〜３４ＥＳＣ、４１〜４４モータ、２１０ＲＳ４８５伝送路。

Claims

モータの回転速度を指示するＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を生成する主制御装置と、
前記主制御装置から供給される前記ＰＷＭ制御信号を差動データであるデジタル信号に変換し、２本の伝送線に出力する信号切換装置と、
前記信号切換装置から出力される差動データのデジタル信号に応答して、前記モータに駆動信号を供給する駆動装置と、
を備えることを特徴とするモータ駆動制御装置。
前記差動データのデジタル信号は、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）仕様に則して生成されることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
前記差動データのデジタル信号は通信規格ＲＳ４８５（ＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄＳｔａｎｄａｒｄ４８５）に則して生成されることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
前記駆動装置は、前記モータの動作状態を示すデータを差動データのデジタル信号に変換して前記信号切換装置に供給し、
前記信号切換装置は、前記駆動装置から供給された前記差動データのデジタル信号に所定の処理を行って前記主制御装置に供給することを特徴とする請求項２または３に記載のモータ駆動制御装置。
前記主制御装置に操作信号としての制御信号を、無線通信によって供給する無線通信装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のモータ駆動制御装置。