JP4613071B2 - 制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣモータを制御する制御方法に関し、特にそのＥＭＩ対策に関連する技術に関するものである。

ＤＣモータの制御方法として、モータの印加電圧を直接変化させることなく、その制御量に応じてパルス幅変調し、実効の印加電圧を変化させ、モータの回転数，位置，出力トルクを制御するＰＷＭ制御は駆動素子の不要な発熱を抑え、かつ安定して駆動を制御する事ができるため広く用いられている。

しかしながら、ＰＷＭ制御はパルス信号によってパワートランジスタやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子が高速にスイッチングする事により、駆動電流にはＰＷＭの駆動周波数を基本波とする高次の周波数成分を持つ。このため、制御装置及びハーネスから発生するノイズがラジオ周波数帯域などへ影響を及ぼす。これらノイズはスイッチ素子のスイッチング速度を遅くすることで、高次の周波数成分を低減させることが可能となるが、スイッチングの遅延による無駄時間の増大から制御の応答性悪化や、スイッチ素子のスイッチングロスの増大による発熱が問題となる。

また、車両においてもＤＣモータはワイパーをはじめ、パワーウインドウやスライドドア，電子制御スロットル，電動シートベルトの動力源として広く採用されている。今般の電動化に伴い、大トルクの必要な動力としてＤＣモータが採用されつつあり、パワー制御用半導体の低価格化もあいまってモータに通電する電流は大電流化の一途をたどっており、制御装置が発生するノイズが増大し、問題となっている。

特開平７−１１１７９６号公報

解決しようとする問題点は制御性を損なうことなく制御装置から発生するノイズを安価に低減させる事が可能な制御方法を提供する。

本発明は、モータ駆動周波数を一定とするのではなく、時間に対して可変にする事により、ノイズの周波数成分を広げ、モータ駆動時に発生するピークノイズを低減する。つまりモータ駆動周波数に対してスペクトラム拡散変調を行う。さらにハードウェアのスイッチング遅れを補正する事によって、モータの制御性を悪化させることなくノイズの低減を実現する事ができる。

本方式によるノイズ低減は、スイッチング素子のスイッチング速度を遅くするなどのノイズ対策と異なり、モータ駆動周波数をスペクトラム拡散を行う方法であるため、スイッチングロスが増大し発熱が増加する事はない。さらに、モータ駆動周波数をスペクトラム拡散変調する事による実効Ｄｕｔｙに対する影響を補正するため、制御性を悪化させることなく実現可能となる。

例えば、モータ制御をマイクロコンピュータで行っている場合、本方式によるノイズ低減方法をソフトウェアに組込むのみであり、安価に実現する事が可能となる。

モータ駆動時に発生するノイズ低減に関して部品を追加することなく、さらに制御性を維持しつつ安価に実現する。

図１は本発明の一実施例の構成図であって、１はモータドライバで、２は制御対象であるＤＣモータ、３から６はＤＣモータをＰＷＭ制御するための制御ブロックであり、３はＤＣモータの動作状況を決定する動作モード制御、４は目標電流と実電流を入力することで出力Ｄｕｔｙ比を演算するフィードバック制御、５は与えられた出力Ｄｕｔｙ比と予め設定した駆動周波数とスペクトラム拡散変調度に応じてＰＷＭの周期と出力Ｄｕｔｙ比を演算するスペクトラム拡散変調、６はスペクトラム拡散変調ブロックで演算されたＰＷＭ周期と出力ＤｕｔｙをＰＷＭ周期に応じて出力Ｄｕｔｙを補正演算してモータドライバへＰＷＭ信号を送信するＤｕｔｙ補正演算である。本図の構成は一実施例としてモータの電流を制御する構成であり、制御するパラメータは、モータ回転速度，位置としてもよい。

本構成において、動作モード制御ブロックがモータの制御開始を判断した時点で、目標とする電流をフィードバック制御ブロックに入力し、フィードバック制御ブロックは目標電流と実際に流れているモータ電流を元に、例えばＰＩ制御により出力するＤｕｔｙを演算する。スペクトラム拡散変調制御ブロックはフィードバック制御の演算結果から、モータ駆動周波数に対してスペクトラム拡散変調を行う。例えば図２はスペクトラム拡散変調の説明図の一例であって、経過時間に応じて駆動周波数を変調させる。駆動周波数を拡散変調することで、発生するノイズの周波数成分も拡散し、図３のようにノイズレベルのピーク値を減衰させる。拡散変調後のＰＷＭのオン時間をＴｏｎ、オフ時間をＴｏｆｆとすると、例えば、Ｄｕｔｙを５０％で固定した際のＴｏｎとＴｏｆｆの変化を図４に示す。駆動周波数を変動させた場合においてもＤｕｔｙが５０％となるように、スペクトラム拡散変調ブロックにおいてＴｏｎとＴｏｎ＋Ｔｏｆｆの割合を一定に保つように演算する。しかしながら、モータドライバは理想的にはモータドライバに入力する信号のＤｕｔｙ比とモータ端子に印加される電圧のＤｕｔｙ比が同一であるが、実際のモータドライバは図５に示すように、オフからオンに移行する際の遅れｔｄ(ｏｎ)と立上り時間ｔｒ、オフからオンに移行する際の遅れｔｄ(ｏｆｆ)と立下り時間ｔｆなるモータドライバのハードウェアに依存する固有の遅れ要素が存在する。立上り時間ｔｒと立下り時間ｔｆを一次関数で近似できたとすると、モータドライバに入力する信号のＤｕｔｙ比は下記数式１となり、

（数１）
Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）
となるのに対して、モータ端子に印加される実効Ｄｕｔｙ比は下記数式２で表される。

（数２）
Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）＋｛−ｔｄ(ｏｎ)＋ｔｄ(ｏｆｆ)−１／２＊ｔｒ
＋１／２＊ｔｆ｝／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）
ＴｏｎとＴｏｎ＋Ｔｏｆｆの割合を一定に保つようにＴｏｎとＴｏｆｆを演算すると、数式２の第二項の分がモータドライバに入力するＤｕｔｙ比とモータに印加される実効
Ｄｕｔｙの差分となり、これが（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）を含むことから、差分への影響はモータドライバに入力するＰＷＭ駆動周波数に依存する。

そのため、モータドライバに入力する信号のＤｕｔｙ比とモータ端子に印加される電圧のＤｕｔｙ比が一致しない。すなわちスペクトラム拡散変調を行うことにより駆動周波数が変動した際には、モータドライバ固有の遅れ要素は駆動周波数に依存しないため、図６のようにモータドライバに同一Ｄｕｔｙ比の信号を入力すると、モータ端子印加電圧の実効Ｄｕｔｙは駆動周波数に応じて変動する。

特にＤＣモータを正方向及び逆方向に回転するように回路をＨブリッジ構成とした際には、正逆転の切り替え時に上下のスイッチング素子が同時にＯＮし、異常電流が流れる事が無いようにデッドタイムを設けるため、顕著に無効パルス分が増大し、モータ駆動周波数に対してスペクトラム拡散変調を行う事による制御性への影響も顕著となる。

これはモータ駆動周波数にスペクトラム拡散変調を行った時に発生する特有の問題であり、駆動周波数に変調を掛けない際には対象とする制御量に対してＰＷＭのＤｕｔｙ比を演算するフィードバックループにより、ハードウェアに固有の遅れ要素は吸収することが可能である。これに対し、モータ駆動周波数にスペクトラム拡散変調を行い、ノイズを低減する際には出力パルスごとに連続して毎回周波数を変化させるため、フィードバックループではハードウェアに固有な遅れ要素は吸収できない。このことが、目標制御量に対しての安定性を損なう原因となる。

そのため、図１の構成で、６のＤｕｔｙ補正演算において駆動周波数の増減に応じてモータドライバに入力するＰＷＭ信号のＤｕｔｙ比を補正し、モータに印加される電圧を期待値と同一となるように演算する。つまり、数式２において第二項が０となるようにモータに入力するＤｕｔｙ比を補正する事、つまりモータドライバに入力するＤｕｔｙ比に数式２の第二項をあらかじめ引いておく事により、モータに印加される電圧の実効Ｄｕｔｙ比はフィードバック制御ブロックが期待する値のＴｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）となる。

以上の説明により図１の構成によれば、モータ駆動装置において本方式の駆動方法を用いて、モータ駆動周波数をスペクトラム拡散変調を行い、さらに出力Ｄｕｔｙの補正を行う事で制御性を損なうことなく、発生するノイズを低減する事ができる。

図７は本発明における具体的な一実施例であり、１１はモータ制御装置、１２が制御対象であるＤＣモータで、１３はバッテリーである。モータ制御装置は１４に示すマイクロコンピュータを有しており、１６のＭＯＳＦＥＴを駆動するための１５に示すコントロールＩＣと、モータの電流を検出する１７の電流検出回路で構成される。

本構成によると、実施例１で説明したスペクトラム拡散変調およびＤｕｔｙ補正演算はマイクロコンピュータ内にて演算が可能となり、本発明の実施を新たに部品を追加することなく実施できる。

また、マイクロコンピュータで本発明を実施する際には、スペクトラム拡散変調を連続値として扱えないため、図８のように駆動周波数を離散化した値、例えば周波数の拡散変調率Δｆを基本駆動周波数の２０％とすると、一周期ごとに４％ずつ駆動周波数を変動させる事により実現可能となる。

例えば自動車に搭載される電子制御スロットルやパワーウインド，シートベルトモータを制御する制御装置に本発明を適用する事で、車両のオーディオに発生するノイズを制御性を損なうことなく安価に低減する事ができる。

本発明を実施するための機能構成の一例を示す図である。 スペクトラム拡散変調の一例を示す図である。 スペクトラム拡散変調の有無によるノイズレベルの変化を示す図である。 ＰＷＭ制御に対してのスペクトラム拡散変調を説明するための図である。 モータドライバのハードウェア特性について説明するための図である。 モータドライバのハードウェア特性を加味した時のモータ印加電圧の実効 Ｄｕｔｙを説明するための図である。 本発明の一実施例である。 マイクロコンピュータにて離散化スペクトラム拡散変調を説明するための図である。

符号の説明

１…モータドライバ、２…ＤＣモータ、３…動作モード制御、４…フィードバック制御、５…スペクトラム拡散変調、６…Ｄｕｔｙ補正演算。

Claims (5)

1. モータを駆動し、当該モータの実電流を出力するモータドライバと、
   前記モータへ供給する電流の目標値である目標電流を出力する動作モード制御部と、
   前記実電流及び前記目標電流に基づいて、前記モータの駆動周波数に関する第１のデューティ比を出力するフィードバック制御部と、
   前記第１のデューティ比に基づいて前記駆動周波数に対するスペクトラム拡散変調を行い、第２のデューティ比を出力するスペクトラム拡張変調制御部と、
   前記第２のデューティ比を、前記モータドライバ固有の遅れ要素を吸収するための第３のデューティ比に補正するデューティ補正演算部を備える、制御装置。
2. 前記デューティ補正演算部は、前記第３のデューティ比が前記第１のデューティ比と一致するように演算する、請求項１記載の制御装置。
3. 前記第２のデューティ比は、前記モータドライバ固有の遅れ要素を示す項を含み、
   前記デューティ補正演算部は、前記第２のデューティ比から前記項を引いた値を前記第３のデューティ比とする、請求項２記載の制御装置。
4. 前記スペクトラム拡張変調制御部、及び、前記デューティ補正演算部は、マイクロコンピュータにより実装される、請求項１乃至３何れか一に記載の制御装置。
   
5. モータへ供給する電流の目標値である目標電流を出力するステップと、
   前記モータの実電流及び前記目標電流に基づいて、前記モータの駆動周波数に関する第１のデューティ比を出力するステップと、
   前記第１のデューティ比に基づいて前記駆動周波数に対するスペクトラム拡散変調を行い、第２のデューティ比を出力するステップと、
   前記第２のデューティ比を、モータを駆動するモータドライバ固有の遅れ要素を吸収するための第３のデューティ比に補正するステップを備える、制御方法。

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