JP5528226B2 - 回転電機の制御システム - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の制御システムに関する。

回転電機（モータ）は、コイルの結線方式が複数種類あり、この結線方式によってコイルに電力を供給するパターンが異なっている。ロボットその他の電動装置を開発する場合、回転電機により電動動作させようとする箇所の要求出力によって、回転電機の仕様（結線方式を含む）を選択する。

ところが、回転電機の種類（結線方式）により、コイルに電力を供給するパターンが異なることから、開発中の装置の回転電機の仕様を変更すると、その度に回転電機の制御装置のすべてを交換しなければならないという無駄および煩雑さがあった。また、製品として市場に供給する電動装置においても、回転電機の使用箇所ごとに回転電機の種類が異なると、多種類の制御装置を用意しなければならず、製品コストが嵩むだけでなく、在庫管理も煩雑で、管理コストも嵩むという問題がある。

この点、例えば、特許文献１の圧縮機の駆動装置は、異なる電機部品（モータと電磁アクチュエータ）の駆動のための電気回路において、フィルタおよび平滑化回路を共用している。

特開２００３−２１０７０号公報

しかしながら、特許文献１の駆動装置は、異なる結線方式の回転電機を適宜付け替えても使用できるものではなく、これまで、異なる結線方式の回転電機を交換的に付け替えたときに、どちらの回転電機をも駆動可能である回転電機の制御装置は存在しなかった。

そこで、本発明は、異なる結線方式の回転電機を駆動することが可能な回転電機の制御システムを提供することを目的とする。

前記した課題を解決する本発明の回転電機の制御システムは、コイルの結線方法が異なる複数種類の回転電機に対応可能な回転電機の制御装置と、回転電機が接続されるとともに、対応している回転電機の種類を示す識別手段を有し、回転電機に電力を供給するパワー基板と、前記回転電機の制御装置から制御信号を受信して信号の電圧を変換するドライバ基板と、前記ドライバ基板から信号を受信して、前記パワー基板から前記回転電機への電力の供給のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるＦＥＴ基板とを備え、前記回転電機の制御装置は、それぞれが各回転電機に対応した制御信号を発生する複数の制御回路と、前記パワー基板が有する前記識別手段から、当該パワー基板が対応している回転電機の種類情報を取得する種別取得手段と、前記種別取得手段が取得した前記種類情報に応じて、前記複数の制御回路のうち、使用する制御回路を選択して切り換える切換手段とを備えることを特徴とする。

このような回転電機の制御システムによれば、パワー基板が有している識別手段から、種別取得手段が回転電機の種類情報を取得し、切換手段が、この種類情報に応じて、複数の制御回路のうち使用する制御回路を選択して切り換える。これにより、本制御システムは、使用する回転電機の種類に応じた動作が可能となるので、複数種類の回転電機を付け替えて使用することができる。

前記した回転電機の制御システムにおいては、前記識別手段は、一例として、回転電機の種類情報を記憶した記憶装置である。

そして、前記した回転電機の制御システムにおいては、前記回転電機の制御装置と前記パワー基板とは、両基板の動作電圧の差を隔離する電圧遮断基板を介して接続されている構成とすることができる。

前記した回転電機の制御システムにおいては、前記回転電機の制御装置は基板上に構成され、前記回転電機の制御装置、前記電圧遮断基板、前記パワー基板、前記ドライバ基板および前記ＦＥＴ基板は、これらの回路基板の厚さ方向に積層される形態で、コネクタにより互いに接続されていることが望ましい。

このような構成によれば、回転電機の種類により異なる回路基板となるパワー基板を、コネクタによる着脱で交換可能であり、簡易に異なる種類の回転電機を交換することができる。また、複数の基板が厚み方向に重ねて設けられるので、制御システム全体をコンパクトにすることができる。

本発明の回転電機の制御システムによれば、コイルの結線方式が異なる回転電機を接続して駆動させることが可能である。

３相スター結線４モータパワー基板を接続した場合のモータ制御システムの構成図である。 （ａ）第１スター結線モータのＦＥＴとの接続と、（ｂ）第２スター結線モータのＦＥＴとの接続を示す図である。 各基板同士の積層状態を説明する図である。 ３相独立２モータパワー基板を接続した場合のモータ制御システムの構成図である。 独立結線モータのＦＥＴとの接続を示す図である。 モータ制御システムの動作を説明するフローチャートである。

次に、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、一実施形態に係る回転電機の制御システムの一例としてのモータ制御システム１は、回転電機の制御装置の一例としてのＥＣＵ基板２と、電圧遮断基板３と、３相スター結線４モータパワー基板４Ａ（パワー基板４）と、ドライバ基板５と、ＦＥＴ基板６とを備えて構成されている。

ＥＣＵ基板２は、コイルの結線方法が異なる複数種類の回転電機（モータ）に対応可能な回転電機の制御装置であり、本実施形態では、３相スター結線モータ（以下、「スター結線モータ」という。）と３相独立結線モータ（以下、「独立結線モータ」という。）の２種類のモータに対応可能とする形態を例に説明する。ＥＣＵ基板２は、電源部２１と、制御回路部２３と、エンコーダインタフェース（Ｉ／Ｆ）２４と、種別取得手段２５と切換手段２６とを備えている。

電源部２１（電源投入口および各種電源）は、基板上の各部品への電力を供給する回路であり、例えば１２Ｖ電源などの低圧電源に接続されて電力が供給される。

制御回路部２３は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのプログラマブルロジックデバイスからなり、スター結線モータに対応した制御信号を発生する第１制御回路２３ａと、独立結線モータに対応した制御信号を発生する第２制御回路２３ｂとが書き込まれている。そして、モータ（スター結線モータまたは独立結線モータ）をフィードバック制御するため、エンコーダインタフェース２４からモータの回転角が入力されるとともに、後述する電流センサ４３から各モータの各相の電流値が入力される。

エンコーダインタフェース２４は、制御するモータ（図１では、４つのスター結線モータ７０（７１〜７４））に設けられた、各モータの回転角度を検出するモータエンコーダからの信号が入力されるインタフェースであり、この信号は、各モータの回転量を決定するために制御回路部２３に出力される。

種別取得手段２５は、モータに電力を供給するパワー基板４が有する、当該パワー基板４が対応しているモータの種類を示す情報を保持したＥＥＰＲＯＭ４６から、パワー基板４が対応しているモータの種類情報を取得する手段である。種別取得手段２５は、ＥＣＵ基板２の電源投入時または電圧遮断基板３とパワー基板４の接続をＥＣＵ基板２が検知したときに、ＥＥＰＲＯＭ４６に種類情報を、電圧遮断基板３を介して問合せ、取得する。この種類情報は、例えば図１の例では、パワー基板４が、スター結線モータに対応した基板であることを示す、予め決めた情報であればどのような値でもよい。取得した種類情報は、切換手段２６に出力される。

切換手段２６は、種別取得手段２５が取得した種類情報に応じて、第１制御回路２３ａおよび第２制御回路２３ｂのうち、使用する制御回路を選択して切り換える手段である。一実施形態に係るＥＣＵ基板２においては、電源投入時に第１制御回路２３ａを有効にし、第２制御回路２３ｂを無効にしている。つまり、そのような有効または無効を示すフラグをデフォルト値として設定してある。そして、切換手段２６が第２制御回路２３ｂを使用するように制御回路部２３を切り替える場合には、第１制御回路２３ａの有効・無効を示すフラグを無効にし、第２制御回路２３ｂの有効・無効を示すフラグを有効に書き換える。

なお、説明の便宜上、図１において種別取得手段２５と切換手段２６を制御回路部２３とは別に図示しているが、制御回路部２３を構成するＦＰＧＡに、種別取得手段２５および切換手段２６に相当する回路を書き込んでこれらを構成してもよい。

電圧遮断基板３は、ＥＣＵ基板２とパワー基板４の動作電圧の差を遮断するために設けられる基板であり、ＥＣＵ基板２とパワー基板４の動作電圧の差の大きさに応じて任意的に設けられる。電圧遮断基板３は、当該基板の電源部である絶縁電源３１と、絶縁ＩＣ３３を備えている。絶縁電源３１は、ＥＣＵ基板２の電源部２１から電力が供給される。絶縁ＩＣ３３は、ＥＣＵ基板２とパワー基板４の電圧を遮断しつつ、制御回路部２３から出力されたＦＥＴゲート信号を受信し、パワー基板４を介してドライバ基板５に出力するように構成されている。本実施形態では、ＥＣＵ基板２の駆動電圧（１．０〜３．３Ｖ）とモータの駆動電圧（５２〜７０Ｖ）とは電位差がある。そして、ＧＮＤ（基準電位）が安定しない場合、ＧＮＤが±１０Ｖ程度動くことがある。そうすると、このＧＮＤの電位変動の影響を受けて、例えば、ＧＮＤが−１０Ｖ変動して３．３Ｖ＋１０Ｖの電圧がＥＣＵ基板２に印加されると望ましくないため、本実施形態では、絶縁ＩＣ３３を設けることが望ましい。

３相スター結線４モータパワー基板４Ａは、スター結線モータ７０を４つ駆動するための電力を供給する回路基板であり、電源部（モータ用電源投入口）４１Ａと、電流センサ４３と、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）４４と、モータインタフェース（Ｉ／Ｆ）４５と、ＥＥＰＲＯＭ４６を備える。

電源部４１Ａは、例えば６０Ｖなどの高圧電源に接続され、スター結線モータ７０の動作電圧に適した電圧に変換して出力する。
電流センサ４３は、電源部４１Ａと、モータインタフェース４５を繋ぐ配線上に設けられ、各モータ（スター結線モータ７０）の各相に流れる電流を検出するセンサである。電流センサ４３が検出した電流値は、Ａ／Ｄコンバータ４４を介してＥＣＵ基板２の制御回路部２３に送信される。Ａ／Ｄコンバータ４４は、電流センサ４３が検出した電流値の信号をデジタルデータに変換し、電圧遮断基板３を介して制御回路部２３に送信するように構成されている。

モータインタフェース４５は、スター結線モータ７０（第１スター結線モータ７１、第２スター結線モータ７２、第３スター結線モータ７３および第４スター結線モータ７４）が接続されるインタフェースであり、４つのスター結線モータ７０に対応してモータ４つ分が設けられている。

ＥＥＰＲＯＭ４６は、書換可能な不揮発性記憶装置であり、３相スター結線４モータパワー基板４Ａが対応可能なモータの種類情報を記憶している。ここでは、スター結線モータ７０に対応可能であることを示す情報が記憶されている。

ドライバ基板５は、モータの制御のために一般的に使用されているプリドライバ５３を備えている。プリドライバ５３は、制御回路部２３から受信したＦＥＴゲート信号を、ＦＥＴ６３に適した電圧に変換して出力する電子デバイスである。

ＦＥＴ基板６は、モータの各相の各極に流す電流のＯＮ・ＯＦＦを切り替えるＦＥＴ６３を備えている。ＦＥＴ６３は、パワー基板４の電源部４１Ａとモータインタフェース４５の間（図１において、具体的には電源部４１Ａと電流センサ４３の間）に接続されるスイッチであり、例えば図２（ａ），（ｂ）に示すように接続されている。図２において、スイッチＮｏ．１〜Ｎｏ．１２が、それぞれＦＥＴ６３であり、奇数番号のスイッチは電源部４１Ａの＋極に、偶数番号のスイッチは、電源部４１Ａの−極に接続されている。これにより、制御回路部２３からの信号に基づき、スイッチＮｏ．１とスイッチＮｏ．４がＯＮ、スイッチＮｏ．２とスイッチＮｏ．３がＯＦＦにされた場合には、スイッチＮｏ．１からスイッチＮｏ．４に向けて電流が流れる。また、スイッチＮｏ．１とスイッチＮｏ．４がＯＦＦ、スイッチＮｏ．２とスイッチＮｏ．３がＯＮにされた場合には、スイッチＮｏ．３からスイッチＮｏ．２に向けて電流が流れ、第１スター結線モータ７１の逆転が可能になる。図２においては、第１スター結線モータ７１および第２スター結線モータ７２とＦＥＴ６３の接続についてのみ示しているが、第３スター結線モータ７３および第４スター結線モータ７４についても同様にＦＥＴ６３が接続されており、合計２４個のＦＥＴ６３が４つのスター結線モータ７０（７１〜７４）に接続されている。

以上のＥＣＵ基板２、電圧遮断基板３、パワー基板４（３相スター結線４モータパワー基板４Ａ）、ドライバ基板５およびＦＥＴ基板６は、図１に示すようにコネクタＣ１〜Ｃ５により、基板同士が接続されている。具体的には、コネクタＣ１によりＥＣＵ基板２と電圧遮断基板３が接続され、コネクタＣ２により電圧遮断基板３とパワー基板４が接続され、コネクタＣ３によりパワー基板４とドライバ基板５が接続され、コネクタＣ４によりドライバ基板５とＦＥＴ基板６が接続され、コネクタＣ５によりＦＥＴ基板６とパワー基板４が接続されている。なお、各コネクタＣ１〜Ｃ５は、公知のコネクタのように、一方の基板に設けられるものが雄型で他方の基板に設けられるものが雌型になっており、これら雄型と雌型が結合されることで端子が接続されるようになっている。

具体的な基板の接続形態としては、図３に示したような構成となっており、各基板２〜６が、その厚み方向に積層される形で接続されている。このように基板の厚み方向に複数の回路基板をコネクタにより接続することで、モータ制御システム１の全体としての大きさがコンパクトになり、電動装置内にモータ制御システム１を配置するのが容易となる。なお、基板同士の接続は、他の基板を介していてもよい。例えば、パワー基板４とＦＥＴ基板６の間に一枚の接続用基板を設け、パワー基板４と接続用基板を接続し、ＦＥＴ基板６と接続用基板を接続する。こうして、パワー基板４とＦＥＴ基板６の配線を、接続用基板上の配線を介して接続することもできる。

以上のような構成のモータ制御システム１は、パワー基板４（３相スター結線４モータパワー基板４Ａ）を他の種類のパワー基板４と付け替えることができ、これにより、他の結線方式のモータの駆動が可能になる。図４は、３相独立結線２モータパワー基板４Ｂを接続した状態を示す図である。３相独立結線２モータパワー基板４Ｂは、３相スター結線４モータパワー基板４Ａとおよそ同様の構成を備えているが、モータの種類の違いにより、電源部４１Ｂの出力電圧、ＥＥＰＲＯＭ４６に書き込まれている情報、および、モータの各相と電源との配線が異なる。

電源部４１Ｂは、６０Ｖなどの高圧電源に接続され、独立結線モータ８０の動作電圧に適した電圧に変換して出力する。

ＥＥＰＲＯＭ４６には、３相独立結線２モータパワー基板４Ｂが独立結線モータ８０に対応可能であることを示す種類情報が記憶されている。

モータインタフェース４５は、独立結線モータ８０に対応したインタフェースがモータ２つ分設けられている。図５に示すように、ＦＥＴ６３は、１つの独立結線モータ８０（図５では、第１独立結線モータ８１）の各極の合計６箇所にそれぞれ２つずつ接続される。図５のスイッチＮｏ．１〜Ｎｏ．１２において、奇数番号のスイッチは、電源部４１Ｂの＋極に、偶数番号のスイッチは、電源部４１Ｂの−極に接続されている。これにより、制御回路部２３からの信号に基づき、スイッチＮｏ．１とスイッチＮｏ．８がＯＮ、スイッチＮｏ．２とスイッチＮｏ．７がＯＦＦにされた場合には、スイッチＮｏ．１からスイッチＮｏ．８に向けて電流が流れる。また、スイッチＮｏ．１とスイッチＮｏ．８がＯＦＦ、スイッチＮｏ．２とスイッチＮｏ．７がＯＮにされた場合には、スイッチＮｏ．７からスイッチＮｏ．２に向けて電流が流れ、第１独立結線モータ８１の逆転が可能になる。図５においては、第１独立結線モータ８１とＦＥＴ６３の接続についてのみ示しているが、第２独立結線モータ８２についても同様にＦＥＴ６３が接続されており、合計２４個のＦＥＴ６３が２つ独立結線モータ８０（８１，８２）に接続されている。

このように、ＦＥＴ６３の個数は、各種類のモータが有している接続端子の数の２倍の最小公倍数の倍数になっていることで、ＦＥＴ６３を無駄なく利用することができる。すなわち、スター結線モータ７０では、３相の各端子が合計３個であり、３の２倍の６が、１つのモータで必要なＦＥＴ６３の数である。一方、独立結線モータ８０では、３相の各端子が合計６個であり、６の２倍の１２が１つのモータで必要なＦＥＴ６３の数である。そのため、本実施形態では、各モータが必要なＦＥＴ６３の数の最小公倍数は、６と１２の最小公倍数なので１２であり、ＦＥＴ６３は、この１２の倍数である２４個設けられていることで、無駄なく利用することが可能となっている。

以上のように構成されたモータ制御システム１の動作について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。
ＥＣＵ基板２において、制御回路部２３は、初期状態として、第１制御回路２３ａを有効としている（Ｓ１）。そして、パワー基板４が接続されると、種別取得手段２５は、パワー基板４のＥＥＰＲＯＭ４６に種類情報を問合せ、種類情報を取得する。そして、切換手段２６は、種類情報を種別取得手段２５から受け取り、種別（種類情報）がスター結線モータ７０か否か判定する。種別がスター結線モータでない場合（Ｓ３，Ｎｏ）、第１制御回路２３ａの有効・無効を示すフラグを無効にし、第２制御回路２３ｂの有効・無効を示すフラグを有効に書き換える（Ｓ４）。そして、モータ制御モードへ移行する（Ｓ５）。

一方、種別がスター結線モータである場合には、ステップＳ４のフラグの書き換えをすることなく、モータ制御モードへ移行する（Ｓ５）。

以上のようにして、本実施形態のモータ制御システム１によれば、スター結線モータ７０を使用する場合には、３相スター結線４モータパワー基板４Ａを電圧遮断基板３を介してＥＣＵ基板２に接続することで、スター結線モータ７０の制御を可能にし、独立結線モータ８０を使用する場合には、３相独立結線２モータパワー基板４Ｂを電圧遮断基板３を介してＥＣＵ基板２に接続することで、独立結線モータ８０の制御を可能にする。そのため、制御装置（ＥＣＵ基板２）を交換しなくても、結線方式が異なる２つの種類のモータを利用することが可能である。これにより、電動装置の開発中においてモータの種類を変更する場合には、パワー基板４だけ交換すれば対応可能であり、迅速な開発が可能になる。また、電動装置の製品においてモータ制御システム１を使用する場合においても、複数種類の制御装置を用意する必要が無く、製品コストおよび管理コストを削減することができる。さらに、電動装置の製品において、モータの仕様を変更するバージョンアップを行う必要が生じた場合にも、電力供給のためのパワー基板４の交換のみで済むので、その場合のコストを低減することもできる。

また、本実施形態のモータ制御システム１においては、各基板２〜６を、コネクタＣ１〜Ｃ５によりその厚さ方向に積層させて接続したので、コンパクトであり、電動装置への搭載が容易である。さらに、コネクタＣ２，Ｃ３，Ｃ５の着脱により、簡単にパワー基板４を交換することができる。

以上に本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく適宜変形して実施することが可能である。
例えば、前記実施形態においては、２つの種類の結線方式のモータに対応したモータ制御システムを例示したが、制御回路部２３に、各モータに対応した制御回路を書き込んでおくことで、３種類以上の結線方式のモータに対応させることもできる。

また、前記実施形態において、識別手段は、ＥＥＰＲＯＭ４６に種類情報を記憶させる構成としたが、機械的・光学的な構成であっても構わない。例えば、パワー基板４が、種類ごとに異なる位置に突起（種類情報）を有し、この突起が、ＥＣＵ基板２に設けられた種別を示すスイッチを押すように構成してもよいし、パワー基板４に、種類情報を示すバーコードを表示しておき、ＥＣＵ基板２に設けたバーコードリーダで、このバーコードを読み取るように構成してもよい。

また、電圧遮断基板３は、必要が無い場合には設けなくてもよい。

１ モータ制御システム
２ ＥＣＵ基板
３ 電圧遮断基板
４ パワー基板
４Ａ ３相スター結線４モータパワー基板
４Ｂ ３相独立結線２モータパワー基板
５ ドライバ基板
６ ＦＥＴ基板
２１ 電源部
２３ 制御回路部
２３ａ 第１制御回路
２３ｂ 第２制御回路
２５ 種別取得手段
２６ 切換手段
４６ ＥＥＰＲＯＭ
５３ プリドライバ
６３ ＦＥＴ
７０ スター結線モータ
８０ 独立結線モータ
Ｃ１〜Ｃ５ コネクタ

Claims (4)

1. コイルの結線方法が異なる複数種類の回転電機に対応可能な回転電機の制御装置と、
   回転電機が接続されるとともに、対応している回転電機の種類を示す識別手段を有し、回転電機に電力を供給するパワー基板と、
   前記回転電機の制御装置から制御信号を受信して信号の電圧を変換するドライバ基板と、
   前記ドライバ基板から信号を受信して、前記パワー基板から前記回転電機への電力の供給のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるＦＥＴ基板とを備え、
   前記回転電機の制御装置は、
   それぞれが各回転電機に対応した制御信号を発生する複数の制御回路と、
   前記パワー基板が有する前記識別手段から、当該パワー基板が対応している回転電機の種類情報を取得する種別取得手段と、
   前記種別取得手段が取得した前記種類情報に応じて、前記複数の制御回路のうち、使用する制御回路を選択して切り換える切換手段とを備えることを特徴とする回転電機の制御システム。
2. 前記識別手段は、回転電機の種類情報を記憶した記憶装置であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御システム。
3. 前記回転電機の制御装置と前記パワー基板とは、両基板の動作電圧の差を隔離する電圧遮断基板を介して接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の制御システム。
4. 前記回転電機の制御装置は基板上に構成され、
   前記回転電機の制御装置、前記電圧遮断基板、前記パワー基板、前記ドライバ基板および前記ＦＥＴ基板は、これらの回路基板の厚さ方向に積層される形態で、コネクタにより互いに接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の制御システム。

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