JP4524592B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

ＤＣモータの駆動方法として、ＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）駆動あるいはＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）駆動等のスイッチング駆動方法が広く知られている。このようなスイッチング駆動方法は、従来のリニア駆動方法に比較して効率の高い駆動方法として各分野で利用されている。
一方、例えば特開平５−３３６７８１号公報には、バッテリを直流電源としてＤＣモータをＰＷＭ駆動する場合の技術として、バッテリ電圧を検出し、この検出されたバッテリ電圧に応じてスピンドルモータのフィードバック制御系におけるループゲインを変化させることにより、バッテリ電圧の変動（電源電圧変動）に拘わりなくスピンドルモータの回転数を適正に制御する技術が開示されている。
特開平５−３３６７８１号公報

ところで、ＰＷＭ駆動は、高周波パルス電圧の組み合わせにより正弦波あるいは方形波の駆動電流を生成するので、スイッチング損失が増大するという問題がある。また、ＰＡＭ駆動の場合には、直流電源の電圧を可変設定するためにチョッパ回路が必要であり、制御駆動系の構成が複雑になるという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）ＤＣモータをスイッチング駆動する場合におけるスイッチング損失を低減する。
（２）簡単な構成の制御駆動系でＤＣモータをスイッチング駆動する。
（３）直流電源の電圧変動に対してＤＣモータの回転を適正に制御する。

上記目的を達成するために、本発明では、直流電源から供給された直流電圧を所定のゲートパルスに基づいてスイッチングすることによりモータ駆動パルスを生成するスイッチング駆動手段と、モータ駆動パルスに基づくＤＣモータの回転状態を検出する状態検出センサと、モータ駆動パルスがＤＣモータの半回転毎に１パルス生成され、かつ、ＤＣモータの回転状態に応じてモータ駆動パルスのパルス幅を可変設定するように、状態検出センサの検出結果に基づいて上記ゲートパルスを生成するフィードバック制御手段とを具備する、という構成を採用する。

本発明によれば、ＤＣモータの回転周期の半周期毎に１パルス生成されるモータ駆動パルスのパルス幅を調節することによってＤＣモータが駆動されるので、従来のＰＷＭ駆動と比較してスイッチング損失を大幅に低減することが可能であり、またＰＡＭ駆動よりも制御駆動系の構成を大幅に簡単化することができる。
また、直流電源の直流電圧をも加味してモータ駆動パルスのパルス幅を調節することにより、直流電源の電圧変動に対してＤＣモータの回転を適正に制御することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。この図において、符号Ｘは３相ブラシレスモータ（ＤＣモータ）、１はバッテリ、２は半導体スイッチモジュール、３は電圧センサ、４は電流センサ、５は速度センサ、６はフィードバック制御装置である。

３相ブラシレスモータＸは、半導体スイッチモジュール２から印加されたモータ駆動パルスＰkによって３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）駆動されるＤＣモータである。バッテリ１は、周知のように直流電源であり、直流電圧を半導体スイッチモジュール２に供給する。半導体スイッチンジュール２は、フィードバック制御装置３から供給されたゲートパルスＰg（スイッチングパルス）によってＯＮ／ＯＦＦ動作すると共にＵ相、Ｖ相及びＷ相に各々対応する複数のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を備え、バッテリ１から供給された直流電圧を上記各ＩＧＢＴでスイッチングすることによりＵ相、Ｖ相及びＷ相に各々対応するモータ駆動パルスＰkを生成して上記３相ブラシレスモータＸに供給する。

電圧センサ３は、上記バッテリ１の出力端子間に介挿されており、バッテリ１の直流電圧を検出し電源電圧Ｖdcとしてフィードバック制御装置６に出力する。電流センサ４は、上記モータ駆動パルスＰkによって３相ブラシレスモータＸに通電される駆動電流を検出しモータ電流Iとしてフィードバック制御装置６に出力する。速度センサ５は、３相ブラシレスモータＸの回転速度を検出しモータ速度ωとしてフィードバック制御装置６に出力する。

フィードバック制御装置６は、上記電源電圧Ｖdc、モータ電流I及びモータ速度ωに基づいて半導体スイッチモジュール２を制御するためのゲートパルスＰgを生成する。すなわち、フィードバック制御装置６は、モータ駆動パルスＰkが３相ブラシレスモータＸの回転周期の半周期毎に１パルス生成され、かつ、電源電圧Ｖdc並びに３相ブラシレスモータＸの回転状態に応じてモータ駆動パルスＰkのパルス幅を可変設定するようにゲートパルスＰgを生成する。

図２は、フィードバック制御装置６の制御機能を示すブロック図である。フィードバック制御装置６は、この図２に示すように減算器３ａ，３ｃ、アンプ３ｂ，３ｄ、乗算器３ｅ、三角波発生器３ｆ及びコンパレータ３ｇから構成されている。減算器３ａは、外部から設定された３相ブラシレスモータＸの目標速度ωrefからモータ速度ωを減算することにより速度誤差Δωを生成してアンプ３ｂに出力する。アンプ３ｂは、上記速度誤差Δωを所定の制御ゲイン（ゲイン１）で増幅することにより目標電流Ｉrefを生成して減算器３ｃに出力する。

減算器３ｃは、上記目標電流Ｉrefからモータ電流Ｉを減算することにより誤差電流ΔＩを生成してアンプ３ｄに出力する。アンプ３ｄは、誤差電流ΔＩを所定の制御ゲイン（ゲイン２）で増幅することにより目標電圧Ｖrefを生成して乗算器３ｅに出力する。乗算器３ｅは、上記目標電圧Ｖrefと電源電圧Ｖdcとを乗算することにより制御電圧Ｖsを生成してコンパレータ３ｇに出力する。三角波発生器３ｆは、モータ速度ω、より正確には当該モータ速度ωによって示される３相ブラシレスモータＸの回転周期と同一周期の三角波信号を生成してコンパレータ３ｇに出力する。コンパレータ３ｇは、上記三角波信号と制御電圧Ｖsとを比較することによりゲートパルスＰgを生成する。

次に、このように構成された本モータ制御装置の動作について、図３をも参照して詳しく説明する。

上記モータ制御装置では、例えばバッテリ１の直流電圧つまり電源電圧Ｖdcの変動に応じてゲートパルスＰgのパルス幅が可変設定され、これに連動してモータ駆動パルスＰkのパルス幅も可変される。図３の最上段の波形図は、上記三角波信号と制御電圧Ｖsとの関係を示している。

すなわち、制御電圧Ｖsが実線で示す値にあるとき、ゲートパルスＰgのパルス幅は、上から２段目の波形図に示すように実線で示す幅となる。これに対して、制御電圧Ｖsが一点鎖線で示すように実線よりも大きな値にあると、ゲートパルスＰgのパルス幅は、一点鎖線で示すように実線よりも狭い幅となる。

そして、半導体スイッチモジュール２において上記ゲートパルスＰgに基づいてバッテリ１の直流電圧をスイッチングして生成されるモータ駆動パルスＰkは、制御電圧Ｖsが実線で示す値にあるときは、上から３段目の波形図に示すようなパルス幅となり、またその電圧はバッテリ１の直流電圧に対応した値となる。一方、制御電圧Ｖsが一点鎖線で示す値にあるときには、モータ駆動パルスＰkは、上から４段目（下から２段目）の波形図に示すように制御電圧Ｖsが実線で示す値にあるときよりも狭くなると共に、その電圧はバッテリ１の直流電圧に対応して大きな値となる。

つまり、本モータ制御装置では、３相ブラシレスモータＸの半回転（０°〜１８０°）毎に１パルス生成されるモータ駆動パルスＰkのパルス幅を、バッテリ１の直流電圧つまり電源電圧Ｖdcが高くなると狭くなり、バッテリ１の直流電圧つまり電源電圧Ｖdcが低くなると広くなるように制御することによって３相ブラシレスモータＸのモータ電流Ｉを制御し、以って３相ブラシレスモータＸのモータ速度ωが目標速度ωrefに追従するように駆動する。

このような本モータ制御装置によれば、以下のような効果を奏する。
（１）３相ブラシレスモータＸの半回転（０°〜１８０°）毎に１パルス生成されるモータ駆動パルスＰkによって３相ブラシレスモータＸを駆動するので、ＰＷＭ駆動よりもスイッチング周波数が大幅に低く、よってスイッチング損失を大幅に低減することができる。
（２）ＰＡＭ駆動で必要となるチョッパ回路が不要なので、駆動装置の構成を簡単化することが可能である。
（３）さらに、バッテリ１の直流電圧つまり電源電圧Ｖdcが高くなると狭くなり、バッテリ１の直流電圧つまり電源電圧Ｖdcが低くなると広くなるように制御するので、バッテリ１の電圧変動に依らず３相ブラシレスモータＸの回転を適正に制御することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では３相ブラシレスモータＸの駆動について説明したが、本発明は、３相ブラシレスモータＸの駆動に限定されることなく、他の各種ＤＣモータに適用可能である。

（２）上記実施形態ではフィードバック制御装置６の制御機能を図２に示すように構成したが、フィードバック制御装置６の制御機能はこれに限定されるものではない。すなわち、電源電圧Ｖdc、モータ電流Ｉ及びモータ速度ωに基づいてゲートパルスＰgを生成する制御機能の構成については他の構成方法も考えられる。

本発明の一実施形態に係わるモータ制御装置のブロック図である。 本発明の一実施形態におけるフィードバック制御装置６の制御機能を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係わるモータ制御装置の動作を示す波形図である。

符号の説明

Ｘ…３相ブラシレスモータ（ＤＣモータ）、１…バッテリ、２…半導体スイッチモジュール、３…電圧センサ、４…電流センサ、５…速度センサ、６…フィードバック制御装置

Claims (1)

1. 直流電源から供給された直流電圧を所定のスイッチングパルスに基づいてスイッチングすることによりモータ駆動パルスを生成するスイッチング駆動手段と、
   前記直流電圧を検出する電圧センサと、
   ＤＣモータの回転速度を検出する速度検出センサと、
   ＤＣモータに給電される電流を検出する電流センサと、
   前記モータ駆動パルスがＤＣモータの半回転毎に１パルス生成され、かつ、前記電圧センサ、前記速度検出センサ及び前記電流センサの検出結果に基づく制御電圧と前記速度検出センサが検出した回転速度によって示されるＤＣモータの回転周期と同一周期の三角波信号との比較結果に基づいて前記モータ駆動パルスのパルス幅を可変設定するように前記スイッチングパルスを生成するフィードバック制御手段と
   を具備することを特徴とするモータ制御装置。

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