JP2019058044A - モータの制御装置およびアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】コストの上昇を抑えつつ、モータの極低速時、回転停止時のトルク変動を軽減する。
【解決手段】モータ制御装置１２０は、モータの回転速度と目標回転速度との差に基づいて電流指令値を出力する速度制御部１２２と、モータに流れる電流値と電流指令値との差に基づいて電圧指令値を出力する電流制御部１２４と、モータの回転速度に基づいて補正電圧値を決定する補正電圧決定部１２５と、電圧指令値を補正電圧値によって補正する電圧補正部１２６と、電圧補正部１２６の出力に基づいてモータを駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部１２７とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、多相ブラシレスモータの制御装置およびそれを用いたアクチュエータに関する。

特開２０１４−１１０７６１号公報（特許文献１）には、ホールセンサを使用したモータの速度制御について開示されている。ホールセンサを含む電気角センサを使用したモータの制御は一般的に以下の通りである。

モータを速度制御する場合、電気角を取得するセンサを使用し、電気角の推移からモータの速度を計算する。そして、算出した速度と速度指令値との差により速度制御を行い、モータのトルク指令値（電流値）を決定する。さらに、電流制御によりモータに出力する電圧を決定し、各相に応じたＰＷＭ信号を生成する。

特開２０１４−１１０７６１号公報

電気角を取得するセンサは様々の種類があり、その中でホールセンサについては、安価ではあるが分解能が低いため、特に低速時の動作において速度制御または位置制御等により生成されるトルク指令値の挙動に難がある。一方、高精度な動作を要求される場合は、レゾルバといった分解能の高いセンサを使用するが、レゾルバを採用するとモータ駆動システムのコストが増大する。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ホールセンサ等の分解能の低い電気角を検知するセンサを使用したモータ、アクチュエータの制御において、低速回転時においてもトルクが不安定にならないモータの制御装置およびそれを用いたアクチュエータを提供することである。

この発明は、要約すると、モータの制御装置であって、モータの回転速度と目標回転速度との差に基づいて電流指令値を出力する速度制御部と、モータに流れる電流値と電流指令値との差に基づいて電圧指令値を出力する電流制御部と、モータの回転速度に基づいて補正電圧値を決定する補正電圧決定部と、電圧指令値を補正電圧値によって補正する電圧補正部と、電圧補正部の出力に基づいてモータを駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部とを備える。

好ましくは、補正電圧決定部は、モータの回転速度がゼロより大きくかつ第１の値より小さい範囲では第１極性の電圧値を出力し、モータの回転速度が第２の値より大きくかつゼロより小さい範囲では第１極性とは逆の第２極性の電圧値を出力するように構成される。第１極性が正であり第２極性が負である場合には、電圧補正部は、補正電圧値を電圧指令値から減算するように構成され、第１極性が負であり第２極性が正である場合には、電圧補正部は、補正電圧値を電圧指令値と加算するように構成される。

より好ましくは、補正電圧決定部は、モータの回転速度がゼロより大きくかつ第１の値より小さい範囲では、モータの回転速度がゼロから離れるほど第１極性の電圧値をゼロに近づけるように決定し、モータの回転速度が第２の値より大きくかつゼロより小さい範囲では、モータの回転速度がゼロから離れるほど第２極性の電圧値をゼロに近づけるように決定する。

この発明は、他の局面では、上記いずれかに記載のモータ制御装置と、モータ制御装置によって制御されるモータと、モータによって駆動される運動変換機構部とを備える、アクチュエータである。

本発明によれば、分解能の高いセンサを使用せずとも安定した低速動作をするモータ、アクチュエータを実現することができる。

モータ駆動システム１０の概略構成を示すブロック図である。 図１のモータ制御装置１２０の構成を示すブロック図である。 補正電圧決定部１２５の入出力特性の一例を示す図である。 定速回転における電圧補正適用前の回転速度の変動を示す図である。 定速回転における電圧補正適用後の回転速度の変動を示す図である。 加速時における電圧補正適用前の回転速度の変動を示す図である。 加速時における電圧補正適用後の回転速度の変動を示す図である。 減速時における電圧補正適用前の回転速度の変動を示す図である。 減速時における電圧補正適用後の回転速度の変動を示す図である。 モータ駆動システムの応用例を示した図である。 主にモータ１３と運動変換機構部Ｂによって構成される電動アクチュエータの構成例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、モータ駆動システム１０の概略構成を示すブロック図である。図１を参照して、モータ駆動システム１０は、モータ制御装置１２０と、ドライブ回路１３０と、インバータ１４０と、三相モータ（以下、「モータ」と）１３と、ホールセンサ７０と、電流センサ９０とを含む。

モータ制御装置１２０は、電流センサ９０が検出したモータ１３の各相コイルの電流値ｉと、回転速度検出部６０が検出したモータ１３のロータの回転速度ωと、与えられた指令値ωｒとに基づいて、ドライブ回路１３０を制御する。モータ制御装置１２０が受ける指令値ωｒは、回転速度である例を示したが、指令値は、回転速度以外でも、トルク、モータのロータに連動する被駆動体の位置などに関する値でも良い。モータ制御装置１２０は、与えられる指令値ωｒから電流指令値を生成し、ＰＷＭ処理を行なってドライブ回路１３０の駆動信号を生成する。

ドライブ回路１３０は、モータ制御装置１２０から受信したＰＷＭ信号に基づき、インバータ１４０内の６つのパワースイッチング素子をそれぞれオン／オフ作動させるための制御パルスを発生させて、インバータ１４０に送信する。インバータ１４０内の６つのパワースイッチング素子がオン／オフ作動することによって、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の通電路からステータコイルに駆動電流が流れ、モータ１３が回転駆動される。

ホールセンサ７０は、磁極のＮ極、Ｓ極により出力が２値に切り替わるセンサである。回転速度検出部６０は、ホールセンサ７０の出力の変化の時間間隔から回転速度を演算する。

図２は、図１のモータ制御装置１２０の構成を示すブロック図である。モータ制御装置１２０は、速度比較部１２１と、速度制御部１２２と、電流比較部１２３と、電流制御部１２４と、補正電圧決定部１２５と、電圧補正部１２６と、駆動信号生成部１２７とを含む。

速度比較部１２１は、回転速度検出部６０で検出されたモータ１３のロータの回転速度ωと速度指令値ωｒとを比較し、速度誤差を出力する。速度制御部１２２は、速度誤差を受けて電流指令値を出力する。電流比較部１２３は、電流センサ９０で検出されたモータ１３のコイル電流ｉと速度制御部１２２の出力とを比較し、電流指令値ｉｒを出力する。電流制御部１２４は、電流指令値ｉｒに基づいて電圧指令値を出力する。補正電圧決定部１２５は、回転速度ωに基づいて補正電圧Ｖｃを出力する。電圧補正部１２６は、電流制御部１２４の出力する電圧値から補正電圧Ｖｃを減算することによって、補正後の電圧Ｖを出力する。駆動信号生成部１２７は、電圧Ｖをキャリア信号でパルス幅変調（ＰＷＭ）し、電圧パルスを生成する。

モータ制御装置１２０における補正電圧Ｖｃは、モータ１３の角速度ωが検知可能であり、電流制御部１２４を有しその上流に電流指令値ｉｒを生成する制御ブロックを有する構成において有効である。変形例として、上記の速度制御部１２２から電流制御部１２４に電流制御指令値ｉｒを出力する構成の他に、位置制御の結果を電流制御部に出力するような構成等にも補正電圧決定部１２５および電圧補正部１２６を適用することができる（後に図１０に一例を示す）。

図１、図２の例では、３相モータにおいてＰＷＭ制御を行なう構成を簡易的に示したが、モータ制御装置１２０の電流制御部分で生成する電圧Ｖは、ＤＣモータにおけるモータへの印加電圧の制御や、三相ＡＣモータのベクトル制御におけるｑ軸電圧制御といった、トルク成分の電圧を補正する制御において使用することができる。

本実施の形態のモータ制御装置１２０の特徴は、速度検出値ωを補正電圧Ｖｃに変換し、電流制御部が出力する電圧値から減算している点である。図３は、補正電圧決定部１２５の入出力特性の一例を示す図である。補正電圧決定部１２５が出力する補正電圧Ｖｃは、一例として、負荷が同一な場合には、以下の１）〜４）に示す特性を有することが好ましい。
１）補正しなくともモータのトルクが安定する検出回転速度ω１以上または−ω２以下において、補正電圧Ｖｃは０となる。
２）検出回転速度ωと補正電圧Ｖｃの符号は同一である。
３）補正電圧Ｖｃは検出回転速度ωに対して負の傾きを有する。
４）補正電圧Ｖｃはトルク成分の電圧にのみ作用させる。
なお、上記２）、３）の極性を反転させ、補正電圧Ｖｃを電流制御部が出力する電圧値に加算するように変形しても良い。

図２に示すモータ制御装置１２０は、モータの回転速度と目標回転速度との差に基づいて電流指令値を出力する速度制御部１２２と、モータに流れる電流値ｉと電流指令値との差に基づいて電圧指令値を出力する電流制御部１２４と、モータの回転速度に基づいて補正電圧値を決定する補正電圧決定部１２５と、電圧指令値を補正電圧値によって補正する電圧補正部１２６と、電圧補正部の出力に基づいてモータを駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部１２７とを備える。

補正電圧決定部１２５は、モータの回転速度がゼロより大きくかつ第１の値ω１より小さい範囲では第１極性（正または負）の電圧値を出力し、モータの回転速度が第２の値（−ω２）より大きくかつゼロより小さい範囲では第１極性とは逆の第２極性（負または正）の電圧値を出力するように構成される。第１極性が正であり第２極性が負である場合には、電圧補正部１２６は、図２に示すように補正電圧値Ｖｃを電圧指令値から減算するように構成される。一方、第１極性が負であり第２極性が正である場合には、電圧補正部１２６は、図示しないが、補正電圧値Ｖｃを電圧指令値と加算するように構成される。

図２の例では、補正電圧決定部１２５は、モータの回転速度がゼロより大きくかつ第１の値ω１より小さい範囲では第１極性（正）の電圧値をモータの回転速度がゼロから離れるほどゼロに近づけるように決定し、モータの回転速度が第２の値（−ω２）より大きくかつゼロより小さい範囲では第２極性（負）の電圧値をモータの回転速度がゼロから離れるほどゼロに近づけるように決定する。

具体的には、図３に示すように、ω≦−ω２またはω１≦ωの範囲では、補正電圧決定部１２５は補正電圧Ｖｃ＝０を出力する。−ω２＜ω＜０の範囲では、補正電圧Ｖｃは、回転速度ωの増加に応じてゼロから−Ｖｃ２まで低下する。このとき補正電圧Ｖｃは、Ｖｃ＝−ｋ２×ω−Ｖｃ２と表される。ここで、−ｋ２は負の傾きを示し、ｋ２＝Ｖｃ２／ω２である。また、０＜ω＜ω１の範囲では、補正電圧Ｖｃは、回転速度ωの増加に応じてＶｃ１からゼロまで低下する。このとき補正電圧Ｖｃは、Ｖｃ＝−ｋ１×ω＋Ｖｃ１と表される。ここで、−ｋ１は負の傾きを示し、ｋ１＝Ｖｃ１／ω１である。

ただし、補正電圧Ｖｃはモータ１３の負荷によって変動するため、ロータ位置やロータ回転速度によって負荷が変動する場合は、それに応じた補正電圧Ｖｃを生成する必要がある。

続いて、本実施の形態のモータ制御における電圧補正を適用した場合と適用しない場合とについて回転速度の変動を示して説明する。

図４は、定速回転における電圧補正適用前の回転速度の変動を示す図である。図５は、定速回転における電圧補正適用後の回転速度の変動を示す図である。

電圧補正をしない場合、分解能の低さにより、次の角度に移るまでに必要なトルク値が大きくなりすぎて、過大、過小を繰り返すためトルクが不安定になる。その結果、図４に示すように、指令回転速度（３００ｒｐｍ付近）に対して±４００ｒｐｍの範囲で実回転速度が変化する。

これに対し、電圧補正を行なうと、速度に応じてトルク分の電圧を減少させることによって、過大分のトルクが抑えられるため、図５に示すように開始直後はオーバーシュートするものの実回転速度の変動幅が極めて小さくなり、指令回転速度（３００ｒｐｍ付近）に近い値で実回転速度も安定する。

図６は、加速時における電圧補正適用前の回転速度の変動を示す図である。図７は、加速時における電圧補正適用後の回転速度の変動を示す図である。図６、図７では、指令回転速度を０ｒｐｍから１２００ｒｐｍまで１５秒で加速した場合の実回転速度の変化が示される。図６に示すように、電圧補正適用前の制御では、０ｒｐｍ〜７００ｒｐｍの低回転の範囲では、回転数変動が著しく、７００ｒｐｍを超えると回転速度の変動は少なくなっている。これに対し、図７に示すように、電圧補正適用後の制御では、０ｒｐｍ〜７００ｒｐｍの低回転の範囲でも７００ｒｐｍを超える高回転の範囲でも回転速度の変動は少なくなっている。

図８は、減速時における電圧補正適用前の回転速度の変動を示す図である。図９は、減速時における電圧補正適用後の回転速度の変動を示す図である。図８、図９では、指令回転速度を１２００ｒｐｍから０ｒｐｍまで１５秒で減速した場合の実回転速度の変化が示される。図８に示すように、電圧補正適用前の制御では、１２００ｒｐｍから７００ｒｐｍに至るまでの高回転の範囲では、回転速度の変動は小さく抑えられているが、７００ｒｐｍから０ｒｐｍに至るまでの低回転の範囲では、回転数変動が著しくなっている。これに対し、図９に示すように、電圧補正適用後の制御では、０ｒｐｍ〜７００ｒｐｍの低回転の範囲でも７００ｒｐｍを超える高回転の範囲でも回転速度の変動は少なくなっている。

以上より、加減速時においても、本実施の形態の電圧補正を適用することによって低速時の不安定な部分を解消することができている。

以上のように、加速、定速、減速時の全ての領域において同様の電圧補正を適用することによって、低速時の不安定な動作を解消することができる。

［応用例］
本実施の形態のモータ制御装置は、モータ制御装置によって制御されるモータと、モータによって駆動される運動変換機構部とを備える、アクチュエータに応用できる。

図１０は、モータ駆動システムの応用例を示した図である。図１０を参照して、モータ駆動システム１１０は、図１のモータ駆動システム１０に運動変換機構部Ｂを組み込んだものである。モータ駆動システム１１０は、モータ駆動システム１０の構成に加えて、運動変換機構部Ｂと、ストロークセンサ１５０とをさらに備える。

運動変換機構部Ｂは、モータ１３のロータに連結されたボールねじナット４２と回転が規制されたボールねじシャフト４１とを含む。モータ１３のロータによってボールねじナット４２が回転されると、ボールねじシャフト４１が回転方向に応じて前進または後退をするようにストローク量Ｘが変化する。ストロークセンサ１５０は、ボールねじシャフト４１のストローク量Ｘを検出し、モータ制御装置１２０Ａに出力する。モータ制御装置１２０Ａは、ストローク量Ｘが指令値と一致するようにモータ１３の回転を制御する。モータ制御装置１２０Ａでは、モータ制御装置１２０の構成において、速度指令値ωｒをストローク量Ｘとストローク量の目標値との差に基づいて発生させる位置制御部が付加される。

図１１は、主にモータ１３と運動変換機構部Ｂによって構成される電動アクチュエータの具体的な構成を示す断面図である。図１に示すように、電動アクチュエータ１は、駆動部Ａ、運動変換機構部Ｂおよびターミナル部Ｄを備える。

筐体２は、第１ケーシング２０、第２ケーシング２２および第３ケーシング２６とからなる。第２ケーシング２２および第３ケーシング２６は、組立用ボルトによって第１ケーシング２０に対して連結されており、第１ケーシング２０の軸方向一方側の端部開口は第２ケーシング２２によって閉塞される。第２ケーシング２２は、ベース部材２３と、ベース部材２３の中央穴に挿通された案内軸２４とを備える。案内軸２４は、取付用ボルトによってベース部材２３に連結されている。

駆動部Ａは、３相モータであるモータ１３を含む。モータ１３は、ステータ１１と、ステータ１１の内周に対向配置されたロータ１２とを含むラジアルギャップ型のモータである。ステータ１１は、ステータコア１１ａと、絶縁用のボビン１１ｂと、ボビン１１ｂに巻き回された励磁コイル１１ｃとを備える。なお、励磁コイル１１ｃは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各々に対応する励磁コイルを含む。ロータ１２は、ロータコア１２ａと、ロータコア１２ａの外周に取り付けられた永久磁石１２ｂと、ロータコア１２ａを外周に装着した円筒状のロータインナ１２ｃとを備える。

ターミナル部Ｄは、コネクタ１６と、バスバー１７とを有する。コネクタ１６内には動力電源用の端子が設けられ、この端子はバスバー１７の端子１７ａを介して励磁コイル１１ｃと電気的に接続されている。

運動変換機構部Ｂは、モータ１３のロータ１２と同軸に配置され、電動アクチュエータ１の出力軸４を構成するボールねじシャフト４１と、ボールねじシャフト４１の外周に回転可能に嵌合されたボールねじナット４２と、ボールねじシャフト４１とボールねじナット４２との間に介在する複数のボール４５と、ボールねじシャフト４１が軸方向に進退移動する際に、ボールねじシャフト４１の外周面に設けられた螺旋溝４１ｃとボールねじナット４２の内周面に設けられた螺旋溝４３ａとの間でボール４５を無限循環させる循環部材としてのこま４６とを備えたボールねじ４０で構成される。こま４６は、ボールねじナット４２の内周面および外周面に開口した貫通穴の内部に配置され、ボールねじナット４２に固定される。

ボールねじナット４２は、内周面に螺旋溝４３ａが形成され、モータ１３のロータ１２（ロータインナ１２ｃ）とトルク伝達可能にロータインナ１２ｃの内周に配置されたねじナット部４３と、ねじナット部４３の一端から第２ケーシング２２に近接する位置まで軸方向に延びた筒状部４４とを一体に有する。

ボールねじナット４２は、転がり軸受１８，１９によって、筐体２に対して回転自在に支持されている。転がり軸受１８，１９は、シール付の玉軸受（深溝玉軸受）で構成される。

ボールねじシャフト４１と案内軸２４との間には、ボールねじシャフト４１および案内軸２４に対して軸方向に相対スライド可能に中空軸状のインナシャフト４７が配置されている。インナシャフト４７は、連結ピン５１によってボールねじシャフト４１と連結されている。連結ピン５１の抜け止めを図るため、連結ピン５１の内径端部にガイドローラ５３を外嵌している。ガイドローラ５３は、案内軸２４の外周部に設けられた軸方向の案内溝２４ａに嵌合されている。このような構成により、モータ１３が駆動されてロータ１２が回転し、これに伴ってボールねじナット４２がボールねじシャフト４１の軸線回りに回転すると、ボールねじシャフト４１を含む出力軸４は回り止めされた状態で軸方向に進退移動する。

このような用途では、モータ１３は常時回転しているわけではなく、回転と停止とを頻繁に繰り返すことが多い。このような用途では、本実施の形態のモータ駆動システムを用いることにより、運動変換機構部のストローク量をスムーズに変更することが可能となる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，１１０ モータ駆動システム、１３ モータ、６０ 回転速度検出部、７０ ホールセンサ、９０ 電流センサ、Ｂ 運動変換機構部、４１ ボールねじシャフト、４２ ボールねじナット、１２０，１２０Ａ モータ制御装置、１２１ 速度比較部、１２２ 速度制御部、１２３ 電流比較部、１２４ 電流制御部、１２５ 補正電圧決定部、１２６ 電圧補正部、１２７ 駆動信号生成部、１３０ ドライブ回路、１４０ インバータ、１５０ ストロークセンサ。

Claims (4)

1. モータの制御装置であって、
   前記モータの回転速度と目標回転速度との差に基づいて電流指令値を出力する速度制御部と、
   前記モータに流れる電流値と前記電流指令値との差に基づいて電圧指令値を出力する電流制御部と、
   前記モータの回転速度に基づいて補正電圧値を決定する補正電圧決定部と、
   前記電圧指令値を前記補正電圧値によって補正する電圧補正部と、
   前記電圧補正部の出力に基づいて前記モータを駆動するための駆動信号を生成する駆動信号生成部とを備える、モータの制御装置。
2. 前記補正電圧決定部は、前記モータの回転速度がゼロより大きくかつ第１の値より小さい範囲では第１極性の電圧値を出力し、前記モータの回転速度が第２の値より大きくかつゼロより小さい範囲では前記第１極性とは逆の第２極性の電圧値を出力するように構成され、
   前記第１極性が正であり前記第２極性が負である場合には、前記電圧補正部は、前記補正電圧値を前記電圧指令値から減算するように構成され、
   前記第１極性が負であり前記第２極性が正である場合には、前記電圧補正部は、前記補正電圧値を前記電圧指令値と加算するように構成される、請求項１に記載のモータの制御装置。
3. 前記補正電圧決定部は、前記モータの回転速度がゼロより大きくかつ前記第１の値より小さい範囲では、前記モータの回転速度がゼロから離れるほど前記第１極性の電圧値をゼロに近づけるように決定し、前記モータの回転速度が前記第２の値より大きくかつゼロより小さい範囲では、前記モータの回転速度がゼロから離れるほど前記第２極性の電圧値をゼロに近づけるように決定する、請求項２に記載のモータの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置によって制御されるモータと、
   前記モータによって駆動される運動変換機構部とを備える、アクチュエータ。