JP4830334B2

JP4830334B2 - モータ駆動システム及びモータ駆動方法

Info

Publication number: JP4830334B2
Application number: JP2005114420A
Authority: JP
Inventors: 賢太郎秦; 泰明早見; トロンナムチャイクライソン
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-04-12
Also published as: JP2006296100A

Description

本発明は、パルス幅変調（ＰＷＭ（Pulse Width Modulation））制御でモータを駆動するモータ駆動システム及びモータ駆動方法に関するものである。

現在、広く用いられているステッピングモータの駆動法としては、Ｈブリッジ構成のスイッチング素子を予め定められたシーケンスにより順次オン／オフ制御することによって、ステッピングモータを正回転、又は逆回転させる構成である。この構成では、ステッピングモータの駆動パルスに対してＰＷＭ制御を行うことで平均駆動電流を増減させ、ステッピングモータの速度制御等を行うことが出来る。

しかし、このようにＰＷＭ制御によりステッピングモータを駆動する場合、ＰＷＭ制御信号の電流波形の基本周波数及びその高調波周波数のスイッチングノイズが発生する。このスイッチングノイズがステッピングモータの周辺で使用中のラジオ、或いは通信機器等の動作に影響を及ぼし、耳障りな雑音やこれらの機器に誤動作等を生じさせる問題がある。

このスイッチングノイズによる問題を防止するためのノイズ成分抑圧法としては、下記特許文献１に示す方法がある。即ち、ステッピングモータ駆動用のキャリア信号の周波数を、所定の周波数範囲内を正弦波状に変化するようにＰＷＭ制御で周波数変調する方法である。これにより、ＰＷＭ制御の基本周波数を含むスペクトル構造が時間的に変化することになり、時間平均としてスイッチングノイズによるノイズレベルを低減させている。

特開平７―９９７９５号公報

しかし、このように、ＰＷＭ制御信号の電流波形の基本周波数を正弦波状に周期的に変化させても、条件次第では必ずしも外部への放射ノイズを十分に低減できるわけではない。即ち、ＰＷＭ制御信号の電流波形の基本周波数を、所定の周波数範囲内で正弦波状に変化させた場合、放射ノイズのスペクトルは、基本周波数が所定の周波数範囲内を正弦波状に変化するため、時間的に変化することになり時間平均としてノイズレベルを低減することが可能であるが、放射ノイズのスペクトルには、基本周波数の高調波のノイズ以外に、モータの回転に依存する放射ノイズのピークも存在する。このモータの回転に依存する放射ノイズのピークは、前述する従来の技術であるキャリア信号の基本周波数を正弦波状に変化させ、時間平均としてノイズレベルを低減させたとしても依然として発生する。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、モータの回転に依存する放射ノイズのピークレベルを抑制することで、時間平均としての放射ノイズのピークレベルを低減することができるモータ駆動システム及びモータ駆動方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、制御装置に、モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、モータの回転速度と入力した目標回転速度を用いて速度指令信号を生成する速度指令制御手段と、キャリア信号を発生させるキャリア信号発生手段と、速度指令信号とキャリア信号を用いて、パルス信号を生成するパルス幅変調信号発生手段とを有し、前記回転速度と前記目標回転速度とが一致するように算出した信号を、前記回転速度の検出信号の周波数より高く、前記キャリア信号の周波数より低い周波数で変化させて、速度指令信号を生成する。

本発明に係るモータ駆動システムにおいては、速度指令制御手段からの速度指令信号は、モータの回転速度の検出信号の周波数よりも高く、キャリア信号の周波数よりも低い周波数で変化しており、速度指令信号に起因するノイズスペクトルのピークは時間的に変化し、モータの回転に依存する放射ノイズのピークレベルを抑制することができ、時間平均として放射ノイズのピークレベルを低減することができる。

第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。１は制御対象のモータ、２はスイッチング素子を有し、駆動電流を制御し、モータ１を駆動するスイッチ部、３はスイッチ部２へ電力を供給するバッテリ、４はスイッチ部２を駆動するドライブ部、５はスイッチ部２の動作を制御する制御装置、１０はモータ１の目標とする回転速度を入力する目標回転速度入力手段である。ここに、制御装置５は、スイッチ部２を駆動するためのパルス信号を生成するパルス幅変調信号発生手段６、キャリア信号を発生させるキャリア信号発生手段７、モータ１の回転速度を検出する回転速度検出手段８、回転速度と目標回転速度を用いて速度指令信号を生成する速度指令制御手段９を有する。

次に、本実施の形態においてモータ１を駆動する、一連の動作について説明する。先ず、モータ１への回転速度指令を生成する速度指令制御手段９は、目標回転速度入力手段１０から入力された目標回転速度の信号と、モータ１の回転速度を直接検出する回転速度検出手段８から出力される回転速度の検出信号を用いて、モータ１を回転させる回転速度の速度指令信号を生成する。

次に、パルス幅変調信号発生手段６は、速度指令制御手段９からの速度指令信号とキャリア信号発生手段７からのキャリア信号を用いて、スイッチ部２のスイッチング素子をオン／オフするＰＷＭ信号を発生させ、ドライブ部４へ出力する。ドライブ部４は、パルス幅変調信号発生手段６から入力されたＰＷＭ信号を、スイッチ部２にあるスイッチング素子を駆動するために増幅し、増幅されたＰＷＭ信号をスイッチ部２へ出力する。スイッチ部２は、ドライブ部４から入力されたＰＷＭ信号に従い、スイッチング素子をオン／オフすることでモータ１への駆動電流を制御し、所定の回転速度でモータ１を駆動する。

次に、モータ回転速度検出手段８はモータ１の回転速度を再度検出し、回転速度の検出信号を速度指令制御手段９へ出力する。以上の一連の動作を繰り返す段階において、モータ１が実際に回転してる回転速度と、回転速度指令の差をＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御を行うことで補償し、常に目標回転速に一致させてモータ１を駆動している。

次に、図２(ａ)、(ｂ)を用いて、モータ１の速度指令信号の変化のさせ方について説明する。図２(ａ)、(ｂ)は速度指令制御手段９で生成される、モータ１への速度指令信号の波形を示す図である。速度指令信号の波形が図２(ａ)に示す正弦波の場合には、モータ速度指令信号Ｉ(ｔ)は、下式で記述される。

Ｉ(ｔ)＝Ａ・ｓｉｎ(２π・ｆｏ・ｔ)
（ｆｏは一定周波数、Ａは振幅）
本実施の形態では、モータ１への速度指令信号の波形を図２(ｂ)に示すように時間的に変化させる構成としている。かかる場合には、速度指令信号Ｉ(ｔ)は、下式で記述される。

Ｉ(ｔ)＝Ａ・ｓｉｎ｛２π・ｆ(ｔ)・ｔ｝
（ｆ(ｔ)は時間的に変化する周波数、Ａは振幅）
ここに、ｆ(ｔ)は図２(ｂ)のように三角波状に変化する場合は下記となる。

ｆ(ｔ)＝ｆｏ＋Δf(ｔ) （Δfは三角波）
なお、モータ１の平均回転速度が所望の一定回転速度となるように、下式が成立している。

Ｉ(ｔ)の時間平均＝Ａ・ｓｉｎ｛２π・ｆo・ｔ｝
ＰＷＭ信号発生手段６は、速度指令制御手段９からの上述の速度指令信号と、キャリア信号発生手段７からのキャリア信号を用いてスイッチ部２のスイッチング素子をオン／オフする信号を生成し、ドライブ部４に出力する。

次に、図３（ａ）、（ｂ）を用いて、モータ駆動システムから発生する放射ノイズのノイズスペクトルについて説明する。図３（ａ）は、速度指令信号の波形が正弦波（図２（ａ））の場合の放射ノイズのノイズスペクトルを示す。放射ノイズのピークは正弦波の速度指令波形に添った形状の、正弦波状に時間的に変化する特性を示している。

一方、図３（ｂ）は、速度指令信号の波形が図２（ｂ）の場合の特性であり、速度指令信号がモータの回転速度検出信号よりも速い速度で変化してあるため、モータ１の回転速度に起因する放射ノイズのピークは時間的に変化し、放射ノイズのノイズスペクトルの時間平均はほぼ均一な値となり、図３（ａ）に比べ、放射ノイズのピークを低減できることがわかる。

ここで、放射ノイズのピークを低減させる条件としては、例えばモータ１の回転速度の検出信号の周波数が数百Hz程度で、キャリア信号発生手段からのキャリア信号の周波数が数十kHzの場合、速度指令制御手段９からの速度指令信号は、数kHz程度で周波数を変化させるように、変調率（Δｆ／ｆｏ）と変調周波数（上の例では三角波の周波数）を決めると良い。

次に、本実施の形態のモータ駆動システムの動作であるモータ駆動方法について説明する。即ち、目標回転速度入力手段１０でモータ１の目標回転速度を入力し、制御装置５で目標回転速度に応じてドライブ部４を介してスイッチ部２を制御し、ドライブ部４でスイッチ部２を駆動し、バッテリ３でスイッチ部２へ電力を供給し、スイッチ部２でモータ１に所定の駆動電流を流すためのスイッチング素子を駆動し、モータ１を制御するモータ駆動方法において、制御装置５は、回転速度検出手段８でモータ１の回転速度を検出し、キャリア信号発生手段７でキャリア信号を発生させ、速度指令制御手段９で回転速度の検出信号の周波数と目標回転速度から、回転速度の検出信号の周波数よりも高く、キャリア信号の周波数より低い周波数の速度指令信号を生成し、パルス幅変調信号発生手段６で速度指令信号とキャリア信号を用いて、スイッチ部２を駆動するためのパルス信号を生成するというモータ駆動方法である。

以上説明したごとく、本実施の形態においては、制御装置５は、モータ１の回転速度を検出する回転速度検出手段８と、回転速度と目標回転速度を用いて速度指令信号を生成する速度指令制御手段９と、キャリア信号を発生させるキャリア信号発生手段７と、速度指令信号とキャリア信号を用いてパルス信号を発生するパルス幅変調信号発生手段６とを有しており、速度指令制御手段９からの速度指令信号は、モータ１の回転速度の検出信号の周波数よりも高く、キャリア信号発生手段７のキャリア信号の周波数よりも低い周波数で変化しており、速度指令信号に起因するノイズスペクトルのピークは時間的に変化し、時間平均として放射ノイズのピークレベルを低減することができる。

第２の実施の形態
図４は第２の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。速度指令制御手段９は、回転速度検出手段８から出力される回転速度の信号と、目標回転速度入力手段１０から出力される目標回転速度の信号とを用いて速度指令信号を生成する速度指令発生手段１１と、速度指令信号を変調する変調手段１２とを有している。

即ち、速度指令発生手段１１は、回転速度の信号と目標回転速度の信号から速度指令信号を生成し、変調手段１２に出力する。変調手段１２は速度指令発生手段１１からの速度指令信号を変調し、パルス幅変調信号発生手段６に出力する。このため、速度指令信号を回転速度検出信号の周波数よりも高い周波数で変化させることができる。その後の処理は第１の実施の形態と同様のため省略する。

このような構成にすることで、例えば、速度指令発生手段１１からの出力信号は図５（ａ）に示す正弦波状であるが、変調手段１２からの出力信号は図５（ｂ）に示すごとく、より周波数の高い速度指令信号となる。その結果、変調手段１２からの出力である速度指令信号（図５（ｂ））はモータ１の回転速度検出手段８で検出される検出信号よりも速い時間で変化させることができる。

以上説明したごとく、本実施の形態においては、速度指令制御手段５は、速度指令発生手段１１と変調手段１２とを有し、速度指令発生手段１１は、目標回転速度入力手段１０とモータ１の回転速度検出手段８から速度指令信号を生成し、速度指令信号は変調手段１２で変調されるので、回転速度検出信号８の種類に依存せずに、速度指令信号は、モータの回転速度検出信号の周波数よりも高く、キャリア信号の周波数よりも低い周波数で変化させることができ、速度指令に起因するノイズスペクトルのピークは時間的に変化し、時間平均としてノイズのピークレベルを低減することができる。

第３の実施の形態
図６は第３の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。速度指令制御手段９は、目標回転速度入力手段１０から入力された目標回転速度信号を拡散させる目標回転速度拡散手段１３と、目標回転速度拡散手段１３で拡散された目標回転速度信号と、回転速度検出信号８から出力された回転速度の信号を用いて速度指令信号を生成する速度指令発生手段１４とを有する。

ここで、目標回転速度拡散手段１３は、例えばファンクションジェネレータ等で構成され、目標回転速度入力手段１０からの入力信号を中心にプラスマイナスに周期的に変化する信号を発生させ、速度指令発生手段１４に出力する。速度指令発生手段１４は、入力信号を目標回転速度拡散手段１３で周期的に変化させた目標回転速度信号と、回転速度検出信号８から出力された回転速度信号から、速度指令信号を生成し、パルス幅変調信号発生手段６に出力する。

なお、目標回転速度拡散手段１３により拡散された目標回転速度信号は三角波としてある。一例として、目標回転速度入力を三角波状に変化させた場合の出力波形を図７に示す。

このような構成にすることで、目標回転速度指令１０からの目標回転速度の信号を目標回転速度拡散手段１３で、容易に周期的に変化させることができる。かかる信号を用いてパルス幅変調を行いモータ１を駆動した結果、速度指令信号はモータの回転速度の検出信号よりも速い時間で変化させることができる。

以上説明したごとく、本実施の形態においては、速度指令制御手段９は、速度指令発生手段１４と目標回転速度拡散手段１３を有し、速度指令発生手段１４は、目標回転速度入力手段１３からの拡散した目標回転速度の信号と回転速度検出手段８からの回転速度の信号とから、速度指令信号を生成するので、容易に目標回転速度の信号を変化させることができ、速度指令に起因するノイズスペクトルのピークは時間的に変化し、時間平均として放射ノイズのピークレベルを低減することができる。

第４の実施の形態
図８は第４の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。速度指令制御手段９は、回転速度検出手段８からの回転速度の信号の周波数を変更、即ち周期的に変化させる周波数可変手段１５と、変更された回転速度の信号と目標回転速度入力手段１０から入力された目標回転速度の信号を用いて速度指令信号を生成する速度指令発生手段１６とを有する。

ここに、周波数可変手段１５は、回転速度検出手段８からのモータ１の回転速度の信号の周波数を周期的に変化させ、速度指令発生手段１６に出力する。速度指令発生手段１６は、周期的に変化させた回転速度の信号と目標回転速度の信号を用いて速度指令信号を生成し、パルス幅変調信号発生手段６に出力する。その結果、速度指令発生手段１６からの速度指令信号はモータ１の回転速度の検出信号よりも速い時間で変化させることができる。

以上説明したごとく、本実施の形態においては、速度指令制御手段９は、回転速度の検出信号の周波数を変更する周波数可変手段１５と、速度指令発生手段１６を有し、速度指令発生手段１６は、回転数検出手段８からの信号の周波数を周波数可変手段１５により周期的に変化させた信号と、目標回転速度入力手段１０からの信号とから速度指令信号を生成するので、目標回転速度入力の種類に依存せず、速度指令信号は、モータ１の回転速度検出信号の周波数よりも高く、キャリア信号の周波数よりも低い周波数で変化させることができる。従って、速度指令に起因するノイズスペクトルのピークは時間的に変化し、時間平均として放射ノイズのピークレベルを低減することができる効果を有する。

第５の実施の形態
図９は第５の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。制御装置５は、キャリア信号発生手段７のキャリア信号の周波数を変更する周波数変更手段２０を有する。ここに、周波数変更手段２０は、例えば、予め定めた周波数範囲内を正弦波状に変化させる周波数変更手段である。

このような構成とすることで、回転速度制御手段９からの回転速度指令と、キャリア信号発生手段７からのキャリア信号を、それぞれ別個に独立して周期的に変化させることが可能となる。

図１０に、本実施の形態における放射ノイズスペクトルの一例を示す。横軸に周波数を、縦軸に電界強度をとってある。特性（Ａ）はキャリア信号の基本周波数とモータ１の回転速度の指令信号の、両方の信号を一定とした場合の特性であり、特性（Ｂ）はキャリア信号の基本周波数とモータ１の回転速度の指令信号の両方の信号を周期的に変化させた場合の特性である。特性（Ａ）の場合に比し、特性（Ｂ）の場合においては、全ての周波数帯域で電界強度が低くなっており、高調波のノイズピークの低減効果が見られる。

以上説明したごとく、本実施の形態のおいては、制御装置５はキャリア信号発生手段７の周波数を変更する周波数変更手段２０を有するので、キャリア信号を周期的に変化させた場合に得られるキャリア信号の高調波のノイズピーク低減効果と、速度指令制御手段９からの速度指令信号をモータ１の回転速度の検出信号よりも速い時間で変化させた場合に得られる速度指令信号に起因するノイズピーク低減効果を、共に、同時に得ることができる。

第１の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。第１の実施の形態における回転速度の指令波形を示す図である。第１の実施の形態における放射ノイズのノイズスペクトルを示す図である。第２の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。第２の実施の形態における回転速度の指令波形を示す図である。第３の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。第３の実施の形態における回転速度の指令波形を示す図である。第４の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。第５の実施の形態におけるモータ駆動システムの基本構成図である。第５の実施の形態における放射ノイズのノイズスペクトルを示す図である。

符号の説明

１…モータ２…スイッチ部
３…バッテリー４…ドライブ部
５…制御装置６…ＰＷＭ比較手段
７…キャリア信号発生手段８…回転速度検出手段
９…速度指令制御手段１０…目標回転速度入力手段
１１…速度指令発生手段１２…変調手段
１３…目標回転速度拡散手段１４…速度指令発生手段
１５…周波数可変手段１６…速度指令発生手段
２０…周波数変更手段

Claims

モータと、駆動電流を制御し前記モータを駆動するスイッチ部と、前記スイッチ部へ電力を供給するバッテリと、前記スイッチ部を駆動するドライブ部と、前記モータの目標回転速度を入力する目標回転速度入力手段と、前記目標回転速度に応じて前記ドライブ部を介して前記スイッチ部を制御する制御装置とを有するモータ駆動システムにおいて、
前記制御装置は、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度と前記目標回転速度を用いて速度指令信号を生成する速度指令制御手段と、キャリア信号を発生させるキャリア信号発生手段と、前記速度指令信号と前記キャリア信号を用いて、パルス信号を生成するパルス幅変調信号発生手段とを有し、
前記速度指令制御手段は、前記回転速度と前記目標回転速度とが一致するように算出した信号を、前記回転速度の検出信号の周波数より高く、前記キャリア信号の周波数より低い周波数で変化させて、前記速度指令信号を生成することを特徴とするモータ駆動システム。
前記速度指令制御手段は、前記回転速度と前記目標回転速度とが一致するように算出した信号を生成する速度指令発生手段と、前記速度指令発生手段により生成された前記信号を変調し前記速度指令信号を出力する変調手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
前記速度指令制御手段は、前記目標回転速度の信号を拡散させることで回転速度拡散信号を生成する目標回転速度拡散手段と、前記回転速度拡散信号と前記回転速度を用いて速度指令信号を生成する速度指令発生手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
前記回転速度拡散信号を三角波としたことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動システム。
前記速度指令制御手段は、前記回転速度の検出信号の周波数を変更する周波数可変手段と、前記周波数を変更された回転速度と前記目標回転速度を用いて速度指令信号を生成する速度指令発生手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
前記制御装置は、前記キャリア信号発生手段のキャリア信号の周波数を変更する周波数変更手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のモータ駆動システム。
目標回転速度入力手段でモータの目標回転速度を入力し、制御装置で前記目標回転速度に応じてドライブ部を介してスイッチ部を制御し、ドライブ部で前記スイッチ部を駆動し、バッテリでスイッチ部へ電力を供給し、スイッチ部で駆動電流を制御し前記モータを駆動するモータ駆動方法において、
前記制御装置は、回転速度検出手段で前記モータの回転速度を検出し、キャリア信号発生手段でキャリア信号を発生させ、速度指令制御手段で前記回転速度と前記目標回転速度から、前記回転速度と前記目標回転速度とが一致するように算出した信号を、前記回転速度の検出信号の周波数より高く、前記キャリア信号の周波数より低い周波数で変化させて、前記速度指令信号を生成し、パルス幅変調信号発生手段で前記速度指令信号と前記キャリア信号を用いてスイッチ部を駆動するためのパルス信号を生成することを特徴とするモータ駆動方法。