JP5148394B2 - マイクロコンピュータ,モータ制御システム - Google Patents

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    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/17Circuit arrangements for detecting position and for generating speed information

Description

本発明は、モータに取り付けられたレゾルバにより出力される2相信号からロータ位置信号を得て、その位置信号に基づいてモータを制御するために使用されるマイクロコンピュータ、及びそのマイクロコンピュータを備えて構成されるモータ制御システムに関する。
ブラシレスDCモータを駆動するには、ホール素子などの低コストの位置検出素子をモータの所定箇所に設置して、ロータ位置を検出する必要がある。しかし、ホール素子では、所定角度間しか検出することができないため位置精度が低く、特に高精度の位置検出が要求される正弦波駆動に使用するには、マイクロコンピュータなどで補間するなどの手段が講じられてきた。
しかし、マイクロコンピュータを位置検出手段として使用した場合、特に高速駆動が必要とされるモータ用途に対して、CPUに対する負荷の割合が高くなり、位置検出以外にモータを制御できる時間が限られるなどの欠点が出てきた。そこで、位置検出に関しては、ハードウエア的に高精度で検出できるレゾルバを採用する場合が多くなっている。
このようなレゾルバを使ったモータシステムにおいては、レゾルバ信号をマイクロコンピュータなどの制御素子に取り込めるようデータに変換する必要があり、そのために専用の信号変換器が用いられることが多い。例えば、特許文献1,2には、信号変換器(RDC:Resolver Data Convertor)の構成例が開示されており、図5は、RDCを用いたモータ制御システムを概略的に示す。
ブラシレスDCモータ1に取り付けられたレゾルバ2の励磁コイルには、データ変換用のICであるRDC3に内蔵された発振器による励磁信号が与えられ、レゾルバ2の出力コイルである余弦コイル及び正弦コイルの出力信号はRDC3に入力され、それぞれ差動増幅される。そして、RDC3は、レゾルバ2より出力される余弦波信号,正弦波信号(2相信号)に基づいて、モータ1のロータ位置を、例えば12ビット程度のデジタル信号に変換して出力する。マイクロコンピュータ4のCPU5は、RDC3が出力するデジタル信号を入力ポートから読み込むことによりモータ1の回転位置情報を得ると、その位置情報に基づきインバータ6を介してモータ1を駆動制御する。
特許文献1では、変換したデータをシリアル通信によりマイクロコンピュータに転送している。例えば、レゾルバが出力するデータに、上記のように12ビット程度の分解能を持たせると、そのデータをシリアル転送するには20MHzのクロックでも6μsという時間が必要である。高速でモータを駆動する場合、6μs間隔のデータ更新では位置精度情報が不足するため、マイクロコンピュータ側でデータを補正する必要がある。
上記のような時間遅れを無くすには、特許文献2のようにデータをパラレルでマイクロコンピュータに転送することも考えられるが、その場合、マイクロコンピュータのピンリソースを多大に専有することになり、その他のI/Oとして使用できるピン数が減り、制御システムとしての性能が悪化する。このような不都合を解消するために、出願人は特許文献3において、レゾルバ信号をマイクロコンピュータに直接入力し、搬送波周期に同期させてソフト処理する構成を提案している。
特開2005−114442号公報 特開平11−83544号公報 特開2005−210839号公報
特許文献3に開示されている技術によれば、マイクロコンピュータのピンリソースはレゾルバ信号入力のみで良く、得られた位置情報を遅れなくCPUに転送することができる。しかしながら、制御プログラムに変換処理を行うモジュールを組み込む必要があり、マイクロコンピュータの処理能力をその分だけ減殺することになる。したがって、レゾルバ信号の伝送系については高速化されるが、その一方で、マイクロコンピュータの処理自体について、高速制御を行うための制約となる場合がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ソフトウエアに依存することなく、レゾルバの出力信号を高速に変換する機能を備えたマイクロコンピュータ,及びそのマイクロコンピュータを備えて構成されるモータ制御システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1記載のマイクロコンピュータは、モータに取り付けられたレゾルバにより当該レゾルバの固定子に対する回転子の回転位相に応じて出力される2相信号から前記モータのロータ位置信号を得て、その位置信号に基づいて前記モータを制御するために使用されるワンチップ構成のものにおいて、
ハードウエアにより構成され、前記レゾルバによって出力される2相信号をデジタルデータの位置信号に変換するデジタル信号変換器を、同一チップ上に搭載し
前記デジタル信号変換器を、
前記レゾルバより出力される第1相信号と、この第1相信号に乗じられている励磁信号に対して位相がπ/2異なる信号とを乗算する第1乗算器と、
前記レゾルバより出力される第2相信号と、この第2相信号に乗じられている励磁信号と同相の信号とを乗算する第2乗算器と、
前記第1,第2乗算器の演算結果を加算する加算器と、
この加算器の加算結果について高域濾波するハイパスフィルタと、
このハイパスフィルタの出力信号と、前記励磁信号の2倍の周波数を有する信号との位相を比較して、両信号の位相差をカウンタによりカウントしたデータを前記位置信号として出力する位相比較部とで構成したことを特徴とする。
請求項7記載のモータ制御システムは、請求項1乃至6の何れかに記載のマイクロコンピュータを備えて構成されるモータ制御回路と、
このモータ制御回路により制御され、前記モータを駆動する駆動回路とを備えることを特徴とする。
請求項1記載のマイクロコンピュータによれば、レゾルバのデジタル信号変換器を同一チップ上に搭載することで、レゾルバにより検知された位置データを、内部バスを介してCPUにパラレルで高速に伝達できる。また、特許文献3においては信号変換に使用されていたCPUの処理負担を減らすことができ、余裕が生じた処理能力をその他の制御に振り分けることができるため、モータの高精度化が実現できる。
そして、アナログ回路に依存する部分がなく回路構成を小規模にすることができるので、ワンチップマイコンを容易に構成できる。
請求項7記載のモータ制御システムによれば、レゾルバを用いてモータを高速回転領域で制御する場合に、精度良くモータを駆動させることができる
(第1実施例)
以下、本発明の第1実施例について図1乃至図3を参照して説明する。尚、図5と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。本実施例のモータ制御システムは、図5に示すシステムよりRDC3及びマイコン4を除き、RDC3に相当する機能を有するマイクロコンピュータ11(モータ制御回路)を配置して構成されている。
マイコン11は、CPU12,三角波比較タイミング発生部13(搬送波出力手段)及び三角波比較出力発生部14で構成されるPWM信号出力部15,RDC(デジタル信号変換器)16等が同一の半導体チップ上に搭載されており、ワンチップマイクロコンピュータとして構成されている。尚、モータ1は、例えばDVD、CD、HDDなどのディスク記録媒体を回転駆動するスピンドルモータや、車両の燃料を移送するポンプモータなどである。
RDC16は、レゾルバ2に対して励磁信号fc(t)を出力すると共に、レゾルバ2が出力する2相信号を、モータ1のロータ位置を示すデータに変換してCPU12及び三角波比較出力発生部14に出力する。RDC16の変換処理は、三角波比較タイミング発生部13より出力されるタイミング信号に同期して行われる。また、RDC16は、電流検出器17が検出する、インバータ6(駆動回路)を介してモータ1に通電される電流に基づいてレゾルバ2の異常検出処理も行うようになっており、レゾルバ2の異常を検出した場合には異常検出信号をCPU12に出力する。
インバータ6は、例えば6個のMOSFETやIGBT(スイッチング素子)などを三相ブリッジ接続して構成されており、マイコン11のPWM信号出力部15は、インバータ6を構成する各FETのゲートにPWM信号を出力する。そして、インバータ6により、モータ1の三相巻線に例えば正弦波状の電流を通電するようになっている。尚、電流検出器17(モータ電流検出部)は、例えばインバータ6の出力端子とモータ1の巻線との間に配置されるカレントトランスや、インバータ6を構成する下アーム側のスイッチング素子とグランドとの間に挿入されるシャント抵抗などで構成されている。
図2は、RDC16の内部構成を示す機能ブロック図である。レゾルバ2により出力される正弦波出力,余弦波出力の2相信号と、電流検出器17より検出されるモータ電流とは、ΔΣ型のA/Dコンバータ21によりデジタルデータに変換されて、信号処理部22と、異常検出部23(レゾルバ異常検出部)とに出力される。三角波比較タイミング発生部13は、例えば周波数15kHz程度の三角波信号をPWM制御用の搬送波として生成し、三角波比較出力発生部14及びRDC16に出力する。上記搬送波(若しくは同一周波数のタイミング信号)は、逓倍部24において例えば2逓倍されて、信号処理部22と、正弦波発生部25とに出力される。
正弦波発生部25は、PWM搬送波の2倍周波数となる正弦波信号fs(t)=sinωtを生成して、信号処理部22及び余弦波発生部26に出力する。余弦波発生部26は、入力された正弦波信号の位相を進み側にπ/2移相して余弦波信号fc(t)=cosωtを生成すると、信号処理部22及び2倍周波数余弦波発生部27に出力すると共に、レゾルバ2に励磁信号として供給する。2倍周波数余弦波発生部27は、与えられた余弦波信号fc(t)の周波数を2逓倍した信号を信号処理部22に出力する。したがって、PWM搬送波周波数が15kHzであれば、レゾルバ2の励磁信号周波数は30kHzとなっている。
図3(a)は、信号処理部22の内部構成を示すものである。レゾルバ2が出力する2相信号は、モータ1のロータ回転位置θに応じて、fc(t)・sinθ(第1相信号),fc(t)・cosθ(第2相信号)となり、信号処理部22には、上記2相信号がA/Dコンバータ21によりデジタルデータに変換されて出力される。これらは、第1乗算器31,第2乗算器32にそれぞれ入力され、第1乗算器31では正弦波信号fs(t)が乗ぜられ、第2乗算器32では余弦波信号fc(t)が乗ぜられる。そして、第1乗算器31,第2乗算器32の乗算結果は、加算器33により加算される。
ここで、第1乗算器31の乗算結果は、
fc(t)・sinθ×fs(t)=1/2・sin2ωt・sinθ …(1)
となり、第2乗算器32の乗算結果は、
fc(t)・cosθ×fc(t)=1/2(cos2ωt・cosθ+cosθ)
…(2)
となる。したがって、加算器33の加算結果は(1),(2)式の和であるから、
1/2・sin2ωt・sinθ+1/2(cos2ωt・cosθ+cosθ)
=1/2{cos(2ωt+θ)+cosθ} …(3)
となる。
加算器33の加算結果は、位相比較部34に出力される。その位相比較部34には、2倍周波数余弦波発生部27からの2倍周波数余弦波信号1/2・cos2ωtが与えられており、両信号の位相比較が行われる。その詳細は、図3(b)で説明する。位相比較部34は、位相比較の結果として位相信号θ0を出力するが、減算器35において、位相信号θ0と、後述する積算器(Σ)37より与えられる位相信号θとの差がとられ、差分信号ΔθがPI制御部36に出力される。PI制御部36は、差分信号Δθに比例積分演算を施すことで差分信号Δθをゼロに近付けるように、位相信号θを生成して出力する。また、上記比例積分演算の過程でモータ1の回転角速度信号ωMを得て出力する。
図3(b)は、位相比較部34の内部構成を示す。位相比較部34は、ハイパスフィルタ38,比較器39及び40,カウンタ41を備えている。加算器33の加算結果は、ハイパスフィルタ38により(3)式の第2項(直流成分)が濾波されて、1/2・cos(2ωt+θ)が比較器39に与えられる。比較器39では、入力データを、交流振幅のゼロ点を示す閾値データと比較することで(ゼロクロス比較)、矩形波に相当するデータを出力する。一方、比較器40には、入力データとして2倍周波数の余弦波信号1/2・cos2ωtが与えられ、やはり交流振幅のゼロ点を示す閾値データと比較され、比較器40は、矩形波に相当するデータを出力する。
比較器39及び40の出力信号はカウンタ41に与えられる。カウンタ41は、例えば比較器40の出力信号の立上りエッジを基準として、比較器39の出力信号の立上りエッジとの間隔をクロック信号CLKによりカウントし、そのカウントデータを位相信号θ0として出力する。この場合、クロック信号CLKの周波数は、余弦波信号1/2・cos2ωtの周波数よりも高く設定されていることは言うまでもない。
また、図2において、異常検出部23は、A/Dコンバータ21を介して与えられるモータ電流の変化と、レゾルバ2より出力される2相信号の変化とを監視している。すなわち、モータ電流が交流的に変化しておりモータ1が回転しているにもかかわらず、レゾルバ2より出力される2相信号の振幅が交流的に変化せず、一定の励磁信号振幅を示しているだけであれば、レゾルバ2による回転位置検出が正常に行われていないことを示す。したがって、この場合、CPU12に対して異常検出信号を出力して異常対応処理を行わせ、モータ1の駆動制御を停止させてレゾルバ2周りの点検修理を行わせるようにする。
尚、ΔΣ型のA/Dコンバータ21は、ミッシングコードの発生がなく高精度のA/D変換が可能であり、構成も逐次比較型に比べて簡単であるため、ワンチップマイコン11に搭載するのに適している。
以上のように本実施例によれば、RDC16を、レゾルバ2より出力される2相信号をA/Dコンバータ21によりA/D変換して、モータ1の回転位置信号θを得るための信号処理をハードウエアによりデジタル演算で行うように構成し、そのRDC16を搭載してワンチップマイコン11を構成した。したがって、外付けの信号変換ICとマイコンとの間における信号伝送に要する時間の問題や、ピンリソース専有の問題などを、特許文献3のように信号変換処理にCPU12の処理能力を割くことなく解決することができる。そして、余裕が生じたCPU12の処理能力をその他の制御に振り分けることができるため、モータ1の高精度化が実現できる。
具体的には、RDC16を、レゾルバ2の励磁信号として余弦波信号fc(t)を与え、レゾルバ2より出力される正弦波出力fc(t)・sinθと、正弦波信号fs(t)とを第1乗算器31で乗算し、レゾルバ2より出力される余弦波出力fc(t)・cosθと、励磁信号と同じ余弦波信号fc(t)とを第2乗算器32で乗算し、第1,第2乗算器31,32の演算結果を加算器33で加算した結果をハイパスフィルタ38で高域濾波し、位相比較部34において、ハイパスフィルタ38の出力信号と励磁信号の2倍周波数を有する信号との位相を比較して、両信号の位相差をカウンタ41によりカウントしたデータを位置信号θ0として出力する構成とした。
例えば、特許文献2では、信号変換器をモノリシック半導体化することを意図しているが、信号処理をアナログ回路に依存している部分が多いため回路規模が大きく、それをそのままワンチップマイコン上に搭載することは困難である。これに対してRDC16は、アナログ回路に依存する部分がなく回路構成を小規模にすることができるので、ワンチップマイコン11を容易に構成できる。
また、RDC16は、モータ1をPWM制御する搬送波周波数の2倍周波数となる信号に同期させてレゾルバ2の励磁信号を生成出力すると共に、RDC16における信号処理を行うようにしたので、PWM搬送波信号を制御の起点として信号変換処理を行うことができ、また、モータ1の回転位置信号θを、例えば特許文献3よりも高い精度で得ることができる。更に、RDC16の異常検出部23は、モータ電流の変化と、レゾルバ2より出力される2相信号の変化とを監視してレゾルバ2の異常を検出するので、モータ制御システムのフェイルセーフを簡単な構成によって向上させることができる。
(第2実施例)
図4は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。図4は、第1実施例の図3(a)相当図である。第1実施例では、レゾルバ2の励磁信号として余弦波信号fc(t)を与えるようにしたが、第2実施例では、励磁信号として正弦波信号fs(t)を与えた場合に対応する、RDC16Aの信号処理部42の構成を示す。
信号処理部42は、第1実施例の信号処理部22において、第2乗算器32の入力側に(π/2)移相器43を加えて構成されている。レゾルバ2の励磁信号として正弦波信号fs(t)を与えると、第1乗算器31には正弦波出力fs(t)・sinθが入力され、第2乗算器32には余弦波出力fs(t)・cosθが移相器43を介して入力される。移相器43では、余弦波出力fs(t)・cosθの位相をπ/2進み方向に移相させるため、第2乗算器32には信号fc(t)・cosθが入力されることになる。
そして、この場合、第1乗算器31では、正弦波出力fs(t)・sinθと、余弦波信号fc(t)とを乗算し、第2乗算器32では、移相した余弦波出力fc(t)・cosθと、余弦波信号fc(t)とを乗算する。その結果、第1乗算器31,第2乗算器32の出力結果は第1実施例と同様になり、以降の信号処理は第1実施例と同様に実行される(したがって、正弦波発生部25の出力信号fs(t)を信号処理部42に与える必要はない)。
以上のように構成される第2実施例によれば、レゾルバ2の励磁信号として正弦波信号fs(t)を与える場合に、第1,第2乗算器31,32において第1,第2相信号に乗じる信号を何れも余弦波信号fc(t)として、第2乗算器32に入力される第2相信号の位相を、移相器43によりπ/2進み側に移相するようにしたので、RDC16Aを第1実施例と同様にワンチップマイコン上に搭載することができる。
本発明は上記しかつ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
余弦波出力を第1相信号,正弦波出力を第2相信号としても良い。
異常検出部23は、異なる方式でレゾルバの異常検出を行っても良いし(例えばCPU12が制御プログラムで監視を行うようにしても良い)、必要に応じて配置すれば良い。
ハイパスフィルタ38の遮断周波数は、少なくとも直流成分である(3)式第2項:cosθを阻止し、且つ第1項:cos(2ωt+θ)を通過させる範囲で任意に設定すれば良い。
PWM搬送波周波数と、レゾルバの励磁信号周波数、RDCの信号処理周波数との関係は、3倍以上となるように設定しても良いし同じ周波数に設定しても良い。また、レゾルバの励磁信号周波数と、RDCの信号処理周波数とが異なっても良い。また、PWM搬送波周波数は、15kHzに限ることなく適宜変更して良い。
PI制御部36,積算器37は、必要に応じて配置すれば良く、位相比較部34からの出力をそのまま位相信号θとして出力しても良い。
PWM信号出力部15は、マイクロコンピュータの外付け回路で構成しても良い。
A/DコンバータはΔΣ型に限ることなく、逐次比較型などであっても良い。
また、RDCにおいて、A/Dコンバータにより各信号をデジタルデータに変換する箇所は、最初の入力部に限ることなく個別の設計に応じて適宜変更して良い。
本発明の第1実施例であり、モータ制御システムの構成を示す図 RDCの内部構成を示す機能ブロック図 (a)は信号処理部,(b)は位相比較部の内部構成を示す機能ブロック図 本発明の第2実施例を示す図3(a)相当図 従来技術を示す図1相当図
符号の説明
図面中、1はブラシレスDCモータ、2はレゾルバ、6はインバータ(駆動回路)、11はマイクロコンピュータ(モータ制御回路)、12はCPU、16はRDC(デジタル信号変換器)、17は電流検出器(モータ電流検出部)、23は異常検出部(レゾルバ異常検出部)、31,32は第1,第2乗算器、33は加算器、34は位相比較部、38はハイパスフィルタ、41はカウンタ、43は移相器を示す。

Claims (7)

  1. モータに取り付けられたレゾルバにより当該レゾルバの固定子に対する回転子の回転位相に応じて出力される2相信号から前記モータのロータ位置信号を得て、その位置信号に基づいて前記モータを制御するために使用されるワンチップのマイクロコンピュータにおいて、
    ハードウエアにより構成され、前記レゾルバによって出力される2相信号をデジタルデータの位置信号に変換するデジタル信号変換器を、同一チップ上に搭載し
    前記デジタル信号変換器は、
    前記レゾルバより出力される第1相信号と、この第1相信号に乗じられている励磁信号に対して位相がπ/2異なる信号とを乗算する第1乗算器と、
    前記レゾルバより出力される第2相信号と、この第2相信号に乗じられている励磁信号と同相の信号とを乗算する第2乗算器と、
    前記第1,第2乗算器の演算結果を加算する加算器と、
    この加算器の加算結果について高域濾波するハイパスフィルタと、
    このハイパスフィルタの出力信号と、前記励磁信号の2倍の周波数を有する信号との位相を比較して、両信号の位相差をカウンタによりカウントしたデータを前記位置信号として出力する位相比較部とで構成されることを特徴とするマイクロコンピュータ。
  2. 前記デジタル信号変換器は、
    前記第1乗算器において前記第1相信号に乗算する信号を正弦波信号として、
    前記第2乗算器において前記第2相信号に乗算する信号を、前記レゾルバに対して与える励磁信号と同一の余弦波信号とすることを特徴とする請求項1記載のマイクロコンピュータ。
  3. 前記レゾルバに対して与える励磁信号を正弦波とし、
    前記デジタル信号変換器は、
    前記第1,第2乗算器において前記第1,第2相信号に乗じる信号を何れも余弦波信号として、
    前記第2乗算器に入力される前記第2相信号の位相を、π/2進み側に移相する移相器を備えることを特徴とする請求項1記載のマイクロコンピュータ。
  4. 前記モータをPWM制御(Pulse Width Modulation)し、
    前記レゾルバに印加する励磁信号の周期を、前記PWM制御における搬送波周期と同一とするか、若しくは前記PWM周期を等分した周期に設定することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のマイクロコンピュータ。
  5. 前記モータをPWM制御(Pulse Width Modulation)
    前記デジタル信号変換器は、前記位置信号の変換処理周期を、前記PWM制御における搬送波周期を等分した周期に設定することを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のマイクロコンピュータ。
  6. 記デジタル信号変換器は、
    前記モータの電流を検出した信号が与えられるモータ電流検出部と、
    この前記モータ電流検出部により前記モータ電流の変化が観測される期間において、前記レゾルバにより出力される2相信号が変化しない場合に前記レゾルバの異常を検出し、異常検出信号を出力するレゾルバ異常検出部とを備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のマイクロコンピュータ。
  7. 請求項1乃至6の何れかに記載のマイクロコンピュータを備えて構成されるモータ制御回路と、
    このモータ制御回路により制御され、前記モータを駆動する駆動回路とを備えることを特徴とするモータ制御システム。
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