JP2022188476A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】停止時の回転量を高精度に算出可能としたモータ制御装置を提供すること。【解決手段】モータ制御装置１１は、直流モータＭを制御するとともに、検出した誘起電圧波形のピークの数に基づいて直流モータＭの回転量を算出する制御部２１を備える。制御部２１は、停止時の誘起電圧波形に基づいて停止時の回転速度を算出し、算出した回転速度に基づいて誘起電圧波形のピークの予測周期を算出する予測周期算出部２３と、予測周期算出部２３にて算出した予測周期に基づいて、検出した誘起電圧波形のピークの抜けを検出するピーク抜け検出部２４と、ピーク抜け検出部２４にて検出したピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形のピークの数を補正して直流モータＭの回転量を算出する回転量算出部２５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置に関するものである。

従来、整流子と整流子に摺接される給電用ブラシとを有する直流モータでは、給電用ブラシの整流子セグメントへの接触状態の切り替わりによって電流や誘起電圧にリップルが生じる。そして、モータ制御装置としては、電流波形や誘起電圧波形におけるピークを検出し、ピークの数に基づいて直流モータの回転量を算出する制御部を備えたものがある。このようなモータ制御装置では、整流子セグメントが周方向に多数設けられることによって直流モータの回転子の細かい回転角度を検出でき、回転量を高精度に算出することができる。

しかしながら、直流モータでは、例えば、給電用ブラシの整流子セグメントへの接触状態の切り替わりが不均一となることなどから、波形の振幅が一定とはならず、振幅が小さい場合に制御部がピークを検出できない、いわゆるピークの抜けが発生する場合がある。

そこで、例えば、波形のピークを検出しつつ、その周期を過去の定常作動時のピークの周期である平均リップル周期と比較し、ピークの抜けを検出して補正する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１－１０９８８０号公報

しかしながら、上記のようなピークの抜けを検出する技術では、停止時、詳しくは、駆動電流の供給停止から回転子が停止するまでの期間の速度変動時に、定常作動時の平均リップル周期を用いることができず、回転量を高精度に算出できないという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、停止時の回転量を高精度に算出可能としたモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するモータ制御装置（１１）は、直流モータ（Ｍ）を制御するとともに、検出した誘起電圧波形（Ｘ１）のピークの数に基づいて前記直流モータの回転量を算出する制御部（２１）を備えたモータ制御装置であって、前記制御部は、停止時の誘起電圧波形に基づいて停止時の回転速度（Ｖ２）を算出し、算出した回転速度に基づいて誘起電圧波形のピークの予測周期（Ｙ１）を算出する予測周期算出部（２３）と、前記予測周期算出部にて算出した予測周期に基づいて、検出した誘起電圧波形のピークの抜けを検出するピーク抜け検出部（２４）と、前記ピーク抜け検出部にて検出したピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形のピークの数を補正して前記直流モータの回転量を算出する回転量算出部（２５）とを備える。

同構成によれば、予測周期算出部によって、停止時の誘起電圧波形に基づいて停止時の回転速度が算出され、算出した回転速度に基づいて誘起電圧波形のピークの予測周期が算出される。また、ピーク抜け検出部によって、予測周期算出部にて算出された予測周期に基づいて、検出した誘起電圧波形のピークの抜けが検出される。そして、回転量算出部によって、ピーク抜け検出部にて検出されたピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形のピークの数が補正されて直流モータの回転量が算出されるため、停止時の回転量を高精度に算出することができる。

一実施形態におけるモータ制御装置に関する模式回路図。 一実施形態における制御部の算出処理を説明するためのフロー図。 一実施形態における時間に対する誘起電圧の特性図。 一実施形態における誘起電圧に対する回転速度の特性図。 一実施形態における時間に対する回転速度の特性図。 一実施形態における時間に対する周期の特性図。

以下、モータ制御装置１１の一実施形態を図１～図６に従って説明する。
図１に示すように、モータ制御装置１１は、直流モータＭに接続されている。直流モータＭは、整流子セグメント１２が周方向に並設された整流子１３と、整流子１３に摺接される一対の給電用ブラシ１４とを備えている。直流モータＭは、回転子が被駆動部１５に駆動連結される。

直流モータＭは、整流子１３に摺接された給電用ブラシ１４が整流子セグメント１２間で切り替わるたび、すなわち整流子１３が回転し一つの整流子セグメント１２と接触していた給電用ブラシ１４が隣の整流子セグメント１２とも接触して、整流子セグメント１２間を跨ぐたびに抵抗値が変化することで、誘起電圧のリップル波形が生成され、誘起電圧波形には整流子セグメント１２が切り替わるごとに１つのピークが出現する。

モータ制御装置１１は、一対の給電用ブラシ１４に接続される制御部２１と、一対の給電用ブラシ１４に接続される電圧計２２とを備えている。
制御部２１は、一対の給電用ブラシ１４に駆動電流を供給して直流モータＭを制御するとともに、電圧計２２にて検出した誘起電圧波形のピークの数に基づいて直流モータＭの回転量を算出する。

詳しくは、制御部２１は、予測周期算出部２３と、ピーク抜け検出部２４と、回転量算出部２５とを備えている。
予測周期算出部２３は、停止時、詳しくは駆動電流の供給の停止から回転子が停止するまでの期間の誘起電圧波形に基づいて停止時の回転速度を算出し、算出した回転速度に基づいて誘起電圧波形のピークの予測周期、すなわちピーク間の予測周期を算出する。

ピーク抜け検出部２４は、予測周期算出部２３にて算出した予測周期に基づいて、検出した誘起電圧波形のピークの抜けを検出する。
回転量算出部２５は、ピーク抜け検出部２４にて検出したピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形のピークの数を補正して直流モータＭの回転量を算出する。

次に、上記した制御部２１の具体的な動作及び作用を図２に従って説明する。
図２に示すように、制御部２１は、例えば、図示しない操作スイッチがオフ操作されることなどによって駆動電流の供給を停止して直流モータＭを停止させる際、ステップＳ１以下の算出処理を行う。

図３に示すように、ステップＳ１において、制御部２１は、停止時、詳しくは駆動電流の供給の停止から回転子が停止するまでの期間に電圧計２２にて検出された誘起電圧波形Ｘ１を保持してステップＳ２に移行する。

ステップＳ２において、制御部２１の予測周期算出部２３は、停止時の誘起電圧波形Ｘ１に基づいて停止時の回転速度を算出し、算出した回転速度に基づいて誘起電圧波形Ｘ１のピークの予測周期Ｙ１を算出して、ステップＳ３に移行する。

詳しくは、ステップＳ２において、予測周期算出部２３は、まず停止時の誘起電圧波形Ｘ１を２次近似式Ｘ２に変換する。なお、図３では、２次近似式Ｘ２の波形を破線で図示している。

次に、図４に示すように、予測周期算出部２３は、駆動電流の供給を停止した直後の誘起電圧Ｅ１とそのときの回転速度Ｖ１とによって特性マップＸ３を作成する。すなわち、予測周期算出部２３は、駆動電流の供給を停止した直後の誘起電圧Ｅ１のときの回転速度Ｖ１と、誘起電圧が０のときの回転速度が０であることから１次関数の特性マップＸ３を作成する。

次に、図５に示すように、予測周期算出部２３は、特性マップＸ３に基づいて前記２次近似式Ｘ２から停止時の回転速度Ｖ２を算出する。
そして、図６に示すように、予測周期算出部２３は、停止時の回転速度Ｖ２に基づいて、回転速度Ｖ２の逆数である予測周期Ｙ１、詳しくは誘起電圧波形Ｘ１のピークの予測周期Ｙ１を算出する。

次に、ステップＳ３において、制御部２１のピーク抜け検出部２４は、予測周期Ｙ１に基づいて、検出した誘起電圧波形のピークの抜けを検出し、ステップＳ４に移行する。
詳しくは、図６に示すように、ピーク抜け検出部２４は、まず予測周期Ｙ１と、その予測周期Ｙ１の整数倍の周期である整数倍予測周期Ｙ２，Ｙ３とによって周期閾値Ｚ１，Ｚ２を算出する。具体的には、本実施形態のピーク抜け検出部２４は、予測周期Ｙ１の少なくとも２倍と３倍の周期である整数倍予測周期Ｙ２，Ｙ３を算出し、それらの中間の値を２倍と３倍に対応した周期閾値Ｚ１，Ｚ２として算出する。なお、図６では、予測周期Ｙ１の範囲内と考えられる下限を下限閾値Ｚ３として図示し、予測周期Ｙ１の３倍に対応した整数倍予測周期Ｙ３の範囲内と考えられる上限を上限閾値Ｚ４として図示している。下限閾値Ｚ３は、例えば予測周期Ｙ１から予測周期Ｙ１の半周期分低い値とし、上限閾値Ｚ４は、例えば、３倍に対応した整数倍予測周期Ｙ３から予測周期Ｙ１の半周期分高い値とすることが考えられる。

そして、ピーク抜け検出部２４は、算出した周期閾値Ｚ１，Ｚ２と検出した誘起電圧波形のピークの周期Ｐとを比較して誘起電圧波形のピークの抜けを検出する。詳しくは、ピーク抜け検出部２４は、算出した複数の周期閾値Ｚ１，Ｚ２と検出した誘起電圧波形Ｘ１のピークの周期Ｐとを比較して誘起電圧波形のピークの抜けを複数段階で検出する。具体的には、本実施形態のピーク抜け検出部２４は、例えば、誘起電圧波形Ｘ１から振幅が一定以上であるピークを検出し、そのピークの周期Ｐを下限閾値Ｚ３、周期閾値Ｚ１，Ｚ２及び上限閾値Ｚ４と比較する。そして、ピーク抜け検出部２４は、例えば、ピークの周期Ｐが下限閾値Ｚ３と周期閾値Ｚ１との間にある場合はピークの抜けは無いと判定する。また、ピーク抜け検出部２４は、例えば、ピークの周期Ｐが周期閾値Ｚ１と周期閾値Ｚ２との間にある場合は１回だけピークの抜けが生じたと判定する。また、ピーク抜け検出部２４は、例えば、ピークの周期Ｐが周期閾値Ｚ２と上限閾値Ｚ４との間にある場合はピークの抜けが２回続けて生じたと判定する。

次に、ステップＳ４において、制御部２１の回転量算出部２５は、ピーク抜け検出部２４にて検出したピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形Ｘ１のピークの数を補正して直流モータＭの回転量を算出し、算出処理を終了する。

詳しくは、回転量算出部２５は、ピーク抜け検出部２４にて複数段階で検出したピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形Ｘ１のピークの数を複数段階で補正して直流モータＭの回転量を算出する。すなわち、回転量算出部２５は、ピーク抜け検出部２４にて１回だけピークの抜けが生じたと判定した場合には、ピークの数を１回分だけ補正し、ピーク抜け検出部２４にてピークの抜けが２回続けて生じたと判定した場合には、ピークの数を２回分補正する。そして、回転量算出部２５は、補正したピークの数に基づいて直流モータＭの回転量を算出する。

このように直流モータＭの回転量が算出されることで算出処理が終了され、例えば、被駆動部１５の位置が高精度に算出され、制御部２１による被駆動部１５の高精度な位置制御が可能となる。

次に、上記実施形態の効果を以下に記載する。
（１）予測周期算出部２３によって、停止時の誘起電圧波形Ｘ１に基づいて停止時の回転速度Ｖ２が算出され、算出した回転速度Ｖ２に基づいて誘起電圧波形Ｘ１のピークの予測周期Ｙ１が算出される。また、ピーク抜け検出部２４によって、予測周期算出部２３にて算出された予測周期Ｙ１に基づいて、検出した誘起電圧波形Ｘ１のピークの抜けが検出される。そして、回転量算出部２５によって、ピーク抜け検出部２４にて検出されたピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形Ｘ１のピークの数が補正されて直流モータＭの回転量が算出されるため、停止時の回転量を高精度に算出することができる。

（２）ピーク抜け検出部２４によって、予測周期Ｙ１の少なくとも２倍と３倍に対応した周期閾値Ｚ１，Ｚ２が算出され、複数の周期閾値Ｚ１，Ｚ２と検出した誘起電圧波形Ｘ１のピークの周期Ｐとが比較されてピークの抜けが複数段階で検出される。そして、回転量算出部２５によって、ピーク抜け検出部２４にて複数段階で検出されたピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形Ｘ１のピークの数が複数段階で補正されて直流モータＭの回転量が算出される。よって、例えば、ピークの抜けが２回続けて生じた場合でもピークの数が２回分補正されて回転量を高精度に算出することができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態の予測周期算出部２３は、誘起電圧波形Ｘ１のピークの予測周期Ｙ１を他の演算等によって算出する構成としてもよい。

・上記実施形態のピーク抜け検出部２４は、検出した誘起電圧波形Ｘ１のピークの抜けを他の演算等によって検出する構成としてもよい。
例えば、上記実施形態のピーク抜け検出部２４は、ピークの抜けを２段階で検出する構成としたが、予測周期Ｙ１の４倍以上の周期閾値を算出してピークの抜けを３段階以上で検出する構成としてもよい。また、ピーク抜け検出部２４は、ピークの抜けを１段階で検出する構成、すなわちピークの抜けが２回続けて生じても１回だけピークの抜けが生じたと判定する構成としてもよい。このようにすると、ピーク抜け検出部２４及び回転量算出部２５の演算量を低減することができる。

・上記実施形態では特に言及していないが、停止時以外の直流モータＭの回転量は、他の方法で検出または算出してもよい。すなわち、上記した停止時の回転量の算出方法は、停止時の速度変動時に適した回転量の算出方法であって、例えば、定常回転速度での駆動時は、回転量を簡素な他の方法で検出または算出してもよい。

１１…モータ制御装置、１２…整流子セグメント、１３…整流子、１４…給電用ブラシ、１５…被駆動部、２１…制御部、２２…電圧計、２３…予測周期算出部、２４…ピーク抜け検出部、２５…回転量算出部、Ｅ１…誘起電圧、Ｓ１～Ｓ４…ステップ、Ｍ…直流モータ、Ｐ…ピークの周期、Ｖ１…回転速度、Ｖ２…停止時の回転速度、Ｘ１…誘起電圧波形、Ｘ２…２次近似式、Ｘ３…特性マップ、Ｙ１…予測周期、Ｙ２，Ｙ３…整数倍予測周期、Ｚ１，Ｚ２…周期閾値、Ｚ３…下限閾値、Ｚ４…上限閾値。

Claims (5)

1. 直流モータ（Ｍ）を制御するとともに、検出した誘起電圧波形（Ｘ１）のピークの数に基づいて前記直流モータの回転量を算出する制御部（２１）を備えたモータ制御装置（１１）であって、
   前記制御部は、
   停止時の誘起電圧波形に基づいて停止時の回転速度（Ｖ２）を算出し、算出した回転速度に基づいて誘起電圧波形のピークの予測周期（Ｙ１）を算出する予測周期算出部（２３）と、
   前記予測周期算出部にて算出した予測周期に基づいて、検出した誘起電圧波形のピークの抜けを検出するピーク抜け検出部（２４）と、
   前記ピーク抜け検出部にて検出したピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形のピークの数を補正して前記直流モータの回転量を算出する回転量算出部（２５）と
   を備えたモータ制御装置。
2. 前記予測周期算出部は、停止時の誘起電圧波形を２次近似式（Ｘ２）に変換し、駆動電流の供給を停止した直後の誘起電圧（Ｅ１）と回転速度（Ｖ１）とによって作成された特性マップ（Ｘ３）に基づいて前記２次近似式から停止時の回転速度を算出し、算出した停止時の回転速度に基づいて誘起電圧波形のピークの予測周期を算出する請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記ピーク抜け検出部は、前記予測周期算出部にて算出した予測周期と、その予測周期の整数倍の周期である整数倍予測周期（Ｙ２，Ｙ３）とによって周期閾値（Ｚ１，Ｚ２）を算出し、算出した周期閾値と検出した誘起電圧波形のピークの周期（Ｐ）とを比較して誘起電圧波形のピークの抜けを検出する請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記ピーク抜け検出部は、予測周期の少なくとも２倍と３倍に対応した周期閾値を算出し、算出した複数の周期閾値と検出した誘起電圧波形のピークの周期とを比較して誘起電圧波形のピークの抜けを複数段階で検出する請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記回転量算出部は、前記ピーク抜け検出部にて複数段階で検出したピークの抜けに応じて、検出した誘起電圧波形のピークの数を複数段階で補正して前記直流モータの回転量を算出する請求項４に記載のモータ制御装置。

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