JP5077750B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、全速度領域において、精度良く安定した速度を検出できるモータ駆動装置に関し、特に複数の速度演算手段の演算結果である速度を選択切替えし、いずれかの速度を用いてモータを速度制御するモータ駆動装置に関する。

コスト削減の為、安価なホールセンサを用いたモータ駆動装置において、精度よく安定した速度制御特性が求められている。
第１の従来技術は、「モータが高速回転の場合でも、低速回転の場合でも、安価な位置検出センサを用いて精度良くモータの角速度及び回転角度を検出できるモータ駆動装置」を提供することを目的としており、「低速回転速度の場合はモータの逆起電圧に基き角速度を検出する第１の角速度検出手段と、高速回転速度の場合は、ホールセンサからの信号に基き角速度を検出する第２の角速度検出手段とを備え、ハイブリッドにして使用することにより、ホールセンサを用いて全回転速度領域で精度良く角速度、回転角度を検出」している。」すなわち、「モータが高速回転の場合は、単位時間当たり多数のホールセンサ信号を得ることができるのでホールセンサ信号を用いて精度の良い」速度を検出でき、「モータが低速回転の場合は、ホールセンサ信号に代えてモータの逆起電圧を用いて精度の良い」速度を検出でき、「さらに、回転速度によって切り替わる選択手段を用いて、回転速度によって精度が異なる」速度から精度よい速度を選択している（例えば、特許文献１参照）。

第２の従来技術は、「回転速度範囲が広い場合でも、低速側および高速側のいずれの側においても回転速度を高い精度で制御することのできるモータの速度制御装置を提供すること」を目的としており、高速モード用速度信号および低速モード用速度信号を出力する速度信号出力部と、高速モード用速度指令信号および低速モード用速度指令信号を出力する速度指令信号出力部と、速度指令信号および速度信号に基づいて駆動コイルへの通電を制御する駆動制御部と、目標回転速度が所定の速度を越えるときには高速モード用の速度信号および速度指令信号をそれぞれ駆動制御部に入力させ、目標回転速度が所定の速度以下のときには低速モード用の速度信号および速度指令信号を駆動制御部に入力させるモード切替部と、を備えている（例えば、特許文献２）。

図５は、第１の従来技術における速度検出部を示す概略ブロック図である。図において、５００は誘起電圧速度演算部、５０１はホールセンサ速度演算部、５０２は選択部、５０３はヒステリシス部である。
誘起電圧速度演算部５００は、モータ駆動時の出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとに基づいてモータ各相の誘起電圧を算出し、その算出した各相の誘起電圧に基づいて速度を算出する。また、ホールセンサ速度演算部５０１は、検出されたホールセンサ信号の周期に基づいて速度を推定する。また、選択部５０２は、予め設定された所定の速度を境にして、低速の場合は誘起電圧速度演算部５００で算出した速度を、高速の場合はホールセンサ速度演算部５０１で算出した速度を選択する。また、ヒステリシス部５０３は、所定の速度を境にして速度を切替える付近で、速度が頻繁に切替らないようにヒステリシス特性を有している。

図６は、第２の従来技術における３相のブラシレスモータの速度制御装置の構成を示す概略ブロック図である。１０は速度信号出力部（速度信号出力手段）、１１は速度信号、１６は速度信号生成部、１８は駆動コイル、２０は速度指令信号出力部（速度指令信号出力手段）、２１は速度指令信号、３０は駆動制御部（駆動制御手段）、４０は目標速度設定部、５０はモード切換部（モード切換手段）、５１は第１のスイッチ、５２は第２のスイッチ、６０は駆動回路、１０１はホール素子、１１１は高速モード用速度信号、１１２は低速モード用速度信号、２１１は高速モード用速度指令信号、２１２は低速モード用速度指令信号である。
「モード切換部５０は、目標速度設定部４０で設定された目標回転速度が所定の速度を越えるときには速度信号出力部１０から高速モード用速度信号１１１を駆動制御部３０に出力させ、目標回転速度が所定の速度以下のときには速度信号出力部１０から低速モード用速度信号１１２を駆動制御部３０に出力させる第１のスイッチ５１を備え」、また、「目標回転速度が所定の速度を越えるときには速度指令信号出力部２０から高速モード用速度指令信号２１１を駆動制御部３０に出力させ、目標回転速度が所定の速度以下のときには速度指令信号出力部２０から低速モード用速度指令信号２１２を駆動制御部３０に出力させる第２のスイッチ５２を備えている。

このように、第１または第２の従来技術におけるモータ制御装置は、モータ速度が高速と低速の場合の２つの速度算出手段を備え、モータ速度に応じて速度制御に用いる速度を切替えることで、全速度領域において精度の良い安定した速度制御特性を得ている。
特開２００５−３１８７２４号公報（５−６頁、図５） 特開２００１−００８４８０号公報（３−５頁、図１）

第１または第２の従来技術において、低速あるいは高速に適した速度演算手段をそれぞれ有し、モータの全速度領域に対して、単に、両手段による速度を、モータの速度に応じてどちらか一方を選択してモータの速度制御に用いているため、両手段あるいは一方の手段に速度演算誤差が発生した場合、その切替り時に速度制御が不安定となるという問題があった。また、この速度演算誤差により、加減速時に速度追従性が悪くなるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、モータの全速度領域における速度検出の精度を向上させるとともに、速度演算誤差に基づく速度演算手段の切替り時の速度直線性および速度制御の安定性を確保し、また加減速時の速度追従性を向上させることができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。 本発明の一の観点による発明は、少なくとも、モータの誘起電圧に基づいて前記モータの全速度領域における低速回転領域である第１のモータ速度を算出する誘起電圧速度演算部と、３相モータ各相のホールセンサ信号を合成したホールセンサ合成信号に基づいて前記モータの全速度領域における高速回転領域である第２のモータ速度を算出するホールセンサ速度演算部と、を含む、複数の速度演算部と、前記第１のモータ速度と前記第２のモータ速度とを重み付けした平均値速度である第３のモータ速度を算出する速度平均演算部と、前記第１のモータ速度、前記第２モータ速度、および前記第３のモータ速度のうちのいずれか１つを選択切替する選択スイッチと、前記第２のモータ速度に応じて、前記低速回転領域及び前記高速回転領域を除く領域に対しては前記第３モータ速度を選択するようにしつつ、モータの全速度領域に対して前記第１乃至第３のモータ速度のうちいずれか１つを選択するように、前記選択スイッチを動作させる速度選択部と、を備え、前記選択に基づいて速度制御を行なうものである。
また、本発明の他の観点による発明は、モータの誘起電圧に基づいてモータの全速度領域に対して低速回転領域での第１のモータ速度を算出する第１の速度演算部と、３相モータ各相のホールセンサ信号を合成したホールセンサ合成信号に基づいて高速回転領域での第２のモータ速度を算出する第２の速度演算部と、前記第１のモータ速度と前記第２のモータ速度とを重み付けした平均値速度である第３のモータ速度を算出する速度平均演算部と、前記第１のモータ速度、前記第２のモータ速度、前記第３のモータ速度のうちのいずれか１つを選択切替する選択スイッチと、前記第２のモータ速度に応じて、前記第１乃至３のモータ速度のうちのいずれか１つを選択するように前記選択スイッチを動作させる速度選択部と、を備えるものである。

［０００９］

［００１０］

［００１１］

［００１２］

［００１３］

［００１４］

［００１５］

［００１６］

［００１７］

［００１８］

本発明の一の観点による発明によると、複数の速度演算部において速度演算誤差が発生した場合、前記複数のモータ速度に対し重み付けした平均値速度を算出し、前記平均値速度と前記複数のモータ速度のうちのいずれか１つを選択するため、速度演算誤差による速度制御への影響を抑制することができ、速度直線性および速度制御の安定性を確保することができる。また、加減速時の速度追従性を向上させることもできる。
本発明の他の観点による発明によると、第１または第２の速度演算部において速度演算誤差が発生した場合、前記第１および第２のモータ速度に対し重み付けした平均値速度を算出し、前記平均値速度と前記複数のモータ速度のうちのいずれか１つを選択するため、速度演算誤差による速度制御への影響を抑制することができ、速度直線性および速度制御の安定性を確保することができる。また、加減速時の速度追従性を向上させることもできる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明におけるモータ制御装置の構成を示す概略制御ブロック図である。図において、１はソフトスタート部、２は速度制御におけるＰＩ制御部、３は誘起電圧速度演算部、４はホールセンサ速度演算部、５は速度平均演算部、６は速度選択部、７は選択スイッチである。ソフトスタート部１は、速度指令ωrefを入力して速度指令ωrefの急峻な変化を円滑にする、例えばＳ字加減速フィルタなどであり、ＰＩ制御部２は、速度偏差△ωを入力して、例えば周知の比例積分制御を行うものである。
また、誘起電圧速度演算部３は、モータ駆動時の出力電圧と出力電流からモータの誘起電圧に基づいて第１の速度ω１を算出する第１の速度算出部であり、ホールセンサ速度演算部４は、ホールセンサ信号同期から第２の速度ω２を算出する第２の速度算出部である。

また、速度平均演算部５は、モータ駆動時の第１の速度ω１と第２の速度ω２とを重み付けした平均値である第３の速度ω３を算出する第３の速度算出部である。
また、速度選択部６は、第２の速度ω２に応じて前記３つの速度（ω１，ω２，ω３）を、選択スイッチ７を動作させて切替えるものである。
本発明が従来技術と異なる部分は、第３の速度算出部である速度平均演算部５と、第２の速度に応じて第１乃至第３の速度のいずれか１つの速度を選択する速度選択部６と、速度選択部６により動作させる選択スイッチ７とを備えた部分である。

先ず、誘起電圧速度演算部３におけるモータ駆動時の出力電圧と出力電流から第１の速度ω１を算出する原理を、図１を参照して説明する。
図において、出力電圧または出力電流検出手段（図示しない）により検出された各相の出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと各相の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ，Ｉｗ、またモータ定数として巻線抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、ＲｗとインダクタンスＬｕ、Ｌｖ，Ｌｗから、各相の誘起電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗを式（１）により求めることができる。

Ｖｕ’、Ｖｖ’、Ｖｗ’は、線間電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを相電圧に変換した電圧である。また、モータの誘起電圧定数Ｋｅと、式（１）で算出した各相の誘起電圧Ｅｕ、Ｅｖ、Ｅｗのいずれかから、第１の速度ω１を式（２）により求めることができる。

なお、この原理は周知技術を簡略的に説明したものであり、更に具体的には、特許文献１に原理説明がある。また、誘起電圧速度演算部３における速度検出方法はこの方法に限らず、他の検出方法であってもよい。また更に、逆起電圧を用いて速度を算出する場合、電流検出センサ信号を取り込む際のノイズフィルターやＡＤ変換器による時間遅れが存在するため、高速回転になると速度検出の誤差が大きくなる問題があることが知られている。

次に、ホールセンサ速度演算部４における、ホールセンサ信号から第２の速度ω２を算出する原理を説明する。
図２は、各相のホールセンサ信号からホールセンサ信号の合成信号を生成する合成回路図、図３は、各相のホールセンサ信号とホールセンサ信号の合成信号を示す波形図である。
図２における合成回路は、２つのイクスクルーシブオア（排他的論理和）を用いて、１２０度位相差の３相のホールセンサ信号から６０度毎のホールセンサ合成信号を生成するものであり、例えばＵ相とＶ相の排他的論理和とＷ相との排他的論理和により生成する。
ホールセンサ合成信号の立ち上がり立ち下がりエッジを検出し、このエッジ間の時間をカウントすることで第２の速度ω２を算出する。なお、高速回転時は立ち上がり立ち下がりエッジを検出するまでの時間が短いが、低速回転時は立ち上がり立ち下がりエッジを検出するまでに時間を要し検出が遅れるという問題がある。

次に、速度平均演算部５における、モータ駆動時の第１の速度ω１と第２の速度ω２とを重み付けした平均値である第３の速度ω３を算出する原理を説明する。
例として、モータの全速度範囲に対して、モータ回転数５０ｒｐｍと５０００ｒｐｍが誘起電圧速度演算部３とホールセンサ速度演算部４との切替えポイントとした場合を考える。モータ回転数５０ｒｐｍの時、誘起電圧速度演算部３における誘起電圧から算出した第１の速度ω１を１００％、ホールセンサ速度演算部４におけるホールセンサ信号から算出した第２の速度ω２を０％とし、モータ回転数２５２５ｒｐｍ（＝５０ｒｐｍ×１／２＋５０００ｒｐｍ×１／２）の時、第１の速度ω１と第２の速度ω２を５０％とし、モータ回転数５０００ｒｐｍの時、第１の速度ω１を０％、第２の速度ω２を１００％とする。

このときの第１の速度ω１の重みの割合ｘ％は、式（３）で表され（５０ｒｐｍ≦ω２≦５０００ｒｐｍ）、速度平均演算部５におけるモータ駆動時の第１の速度ω１と第２の速度ω２とを重み付けした平均値である第３の速度ω３は、式（４）で算出することができる。
なお、第１の速度ω１から第３の速度ω３への切り替えポイント（ω２＝５０ｒｐｍ）では、式（４）よりω３＝ω１となる。また、第３の速度ω３から第２の速度ω２への切り替えポイント（ω２＝５０００ｒｐｍ）では、式（４）よりω３＝ω２となり、２つの切り替えポイントにおいて、算出速度は一致するため、切り替えポイントにおける演算誤差は生じない。

次に、速度選択部６における、第２の速度ω２に応じて前記３つの速度（ω１，ω２，ω３）を、選択スイッチ７を動作させて選択する原理について説明する。
前述のように、低速回転時は、ホールセンサ合成信号のエッジ検出に時間を要し検出が遅れるという問題があるため、ホールセンサ合成信号のエッジ間の時間が、例えば速度制御処理スキャンの１００倍より長い場合を低速回転領域とし、誘起電圧速度演算部３における誘起電圧から算出した第１の速度ω１を選択するように選択スイッチ７を動作させる。一方、ホールセンサ合成信号のエッジ間の時間が、速度制御処理スキャンより短い場合を高速回転領域とし、ホールセンサ速度演算部４におけるホールセンサ信号から算出した第２の速度ω２を選択するように選択スイッチ７を動作させる。また、前記低速回転領域と高速回転領域との間を中速回転領域とし、速度平均演算部５における、モータ駆動時の第１の速度ω１と第２の速度ω２とを重み付けした平均値である第３の速度ω３を選択するように選択スイッチ７を動作させる。
ここで、高速回転領域とする目安は、モータの全速度範囲に対して、最大速度近辺（８割程度以上）とすればよい。

例として、速度制御処理スキャンが２ｍｓの場合、ホールセンサ合成信号のエッジ間は６０°なので速度制御処理スキャンの１００倍となる１周期は１．２ｓ（２ｍｓ×６×１００）となり、速度は５０ｒｐｍとなる。また、速度制御処理スキャンとホールセンサ合成信号のエッジ間が同じ時間となる速度は５０００ｒｐｍとなる。
また、第２の速度ω２＜５０ｒｐｍの時がω＝ω１、５０ｒｐｍ≦ω２≦５０００ｒｐｍの時がω＝ω３、ω２＞５０００ｒｐｍの時がω＝ω２となる。このように、速度選択部６における速度の選択は第２の速度ω２に基づいて制御されるので、実際にはω１からω２に切替るときの速度は５０ｒｐｍ付近となる。
なお、第１の速度ω１に基づいて制御しない理由は、前述のように、逆起電圧を用いて速度を算出する場合、電流検出センサ信号を取り込む際のノイズフィルターやＡＤ変換器による時間遅れが存在するため、高速回転になると速度検出の誤差が大きくなる問題があるため、高精度な切り替えができないためである。

図４は、前述の速度選択部６における、前記３つの速度（ω１，ω２，ω３）を選択する速度範囲を説明する図である。モータ起動時、停止状態である０ｒｐｍから起動するので、誘起電圧速度演算部３における第１の速度ω１を選択し、加速して５０ｒｐｍに達すると、速度平均演算部５における第３の速度ω３を選択し、５０００ｒｐｍに達すると、ホールセンサ速度演算部４における第２の速度ω２を選択する。
５０ｒｐｍにて第１の速度ω１から第３の速度ω３に切替るときは、第３の速度ω３に
おける第１の速度ω１と第２の速度ω２との重み付けは、第１の速度ω１が１００％、第２の速度ω２が０％となっているので、第３の速度ω３＝ω１となる。また、５０００ｒｐｍにて第３の速度ω３から第２の速度ω２に切替るときは、第１の速度ω１が０％、第２の速度ω２が１００％となっているのでω３＝ω２となる。

よって、少なくとも２つ以上の速度演算部を備え（誘起電圧速度演算部３とホールセンサ速度演算部４）、各速度演算部の速度を選択してモータの速度制御を行なうモータ制御装置において、各速度演算部の速度を重み付けした平均値速度を算出する手段（速度平均演算部５）と、全ての速度演算部の速度を選択切替えする手段（速度選択部６と選択スイッチ７）とを備え、モータの全速度範囲に対して平均値速度を用いる割合を多くしてモータの速度制御を行なうので、仮に各速度演算部（誘起電圧速度演算部３とホールセンサ速度演算部４）での速度演算誤差が大きい場合であっても、平均値速度とすることにより演算誤差を軽減でき、安定した速度（平均値速度）を用いることができ検出することができ、また安定したモータの速度制御を行なうことができる。

なお、本実施例において、速度演算部として誘起電圧速度演算部３とホールセンサ速度演算部４を例に挙げて説明したが、本発明は速度演算する方法自体に特徴があるのではなく、各速度演算部の速度を重み付けした平均値速度を算出する手段（速度平均演算部５）と、全ての速度演算部の速度を選択切替えする手段（速度選択部６と選択スイッチ７）と、モータの全速度範囲に対して平均値速度を用いる割合を多くしてモータの速度制御を行なう部分に特徴を有するものであるため、前述各速度演算部の速度演算方法が、例えば、低速回転時に適当なもの、高速回転時に適当なもの、の２通り以上のものであればよい。

本発明におけるモータ駆動装置の構成を示す概略制御ブロック図 各相のホールセンサ信号からホールセンサ信号の合成信号を生成する合成回路図 各相のホールセンサ信号とホールセンサ信号の合成信号を示す波形図 速度選択部６における３つの速度（ω１，ω２，ω３）を選択する速度範囲を説明する図 第１の従来技術における速度検出部を示す概略ブロック図 第２の従来技術における３相のブラシレスモータの速度制御装置の構成を示す概略ブロック図

１ ソフトスタート部
２ ＰＩ制御部
３ 誘起電圧速度演算部
４ ホールセンサ速度演算部
５ 速度平均演算部
６ 速度選択部
７ 選択スイッチ

Claims (2)

1. 少なくとも、モータの誘起電圧に基づいて前記モータの全速度領域における低速回転領域である第１のモータ速度を算出する誘起電圧速度演算部と、３相モータ各相のホールセンサ信号を合成したホールセンサ合成信号に基づいて前記モータの全速度領域における高速回転領域である第２のモータ速度を算出するホールセンサ速度演算部と、を含む、複数の速度演算部と、
   前記第１のモータ速度と前記第２のモータ速度とを重み付けした平均値速度である第３のモータ速度を算出する速度平均演算部と、
   前記第１のモータ速度、前記第２モータ速度、および前記第３のモータ速度のうちのいずれか１つを選択切替する選択スイッチと、
   前記第２のモータ速度に応じて、前記低速回転領域及び前記高速回転領域を除く領域に対しては前記第３モータ速度を選択するようにしつつ、モータの全速度領域に対して前記第１乃至第３のモータ速度のうちいずれか１つを選択するように、前記選択スイッチを動作させる速度選択部と、を備え、
   前記選択に基づいて速度制御を行なうことを特徴とするモータ制御装置。
2. モータの誘起電圧に基づいてモータの全速度領域に対して低速回転領域での第１のモータ速度を算出する第１の速度演算部と、
   ３相モータ各相のホールセンサ信号を合成したホールセンサ合成信号に基づいて高速回転領域での第２のモータ速度を算出する第２の速度演算部と、
   前記第１のモータ速度と前記第２のモータ速度とを重み付けした平均値速度である第３のモータ速度を算出する速度平均演算部と、
   前記第１のモータ速度、前記第２のモータ速度、前記第３のモータ速度のうちのいずれか１つを選択切替する選択スイッチと、
   前記第２のモータ速度に応じて、前記第１乃至３のモータ速度のうちのいずれか１つを選択するように前記選択スイッチを動作させる速度選択部と、を備えることを特徴とするモータ制御装置。