JP5909622B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流フィードバック制御機能を有するモータ駆動装置に関する。

モータ駆動装置を用いた電流制御は、サーボモータの高速・高応答制御のためにアナログ回路の時代から一般的に行われてきた。近年では、マイクロコンピュータやＬＳＩ技術の進歩により電流制御もディジタル化が進み、アナログ制御では設計上もコスト上も実現困難であった複雑な制御が可能となり、サーボモータを用いる機器の高性能・高機能化に大きく貢献している。

一般に電流制御では、モータの３相電流を検出し、それを電流指令値に追従させるように３相の電圧指令を作成し、複数個の半導体スイッチからなるインバータに出力し、インバータでは供給される直流電圧を複数個の半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせにより所望の３相交流電圧をモータに印加している。

インバータの駆動方式としては、近年、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調）制御が一般的である。ＰＷＭ制御は、複数個の半導体スイッチにより直流電圧から３相交流電圧を生み出す方式であり、キャリア周波数と電圧指令値により半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号を出力し、モータの線間にパルス状の電圧を印加するものである。そのパルス幅を半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦで制御することでモータに印加する実行電圧値を正弦波状にすることができる。このようなＰＷＭ制御は、キャリア周波数が高くなるほど細かい制御ができるが、スイッチングのロスやモータ駆動装置の発熱などの問題もあり、一般的には数ｋＨｚから数１０ｋＨｚくらいである。

近年、モータの小型化と応答性向上の観点から、電気的時定数の小さいモータが増えてきており、従来対応していたキャリア周波数のままでは、電流リップルが大きくなり、音やモータの発熱などの問題がでてきている。また、キャリア周波数を高くした場合は、前述の発熱の問題だけでなく、次のような課題もあった。すなわち、キャリア信号の山／谷を基準にして実施される電流制御の周期が短くなり、従来の演算装置の能力では不足し、高性能な演算装置が必要になってしまう。もちろん、コストが高くなり、市場での競争力を失うことになる。

キャリア周波数を高くする場合の他の手法として、例えば、次のような方式が考えられる。すなわち、キャリア信号の山／谷に代えて、キャリア信号の山のみ、または谷のみで電流検出を行い、電流制御周期をキャリア周期の２倍にする。このような構成とすることで、電流制御周期を長くできるため、演算負荷を軽くすることができる。ところが、その場合、電流検出値に電流検出誤差が加わり、この影響でトルクリップルや速度リップルが発生してしまう。

図５はキャリア信号の山のみ、図６はキャリア信号の谷のみで、電流検出を行った従来例を示した図である。図５より、キャリア信号の山での電流検出値１３は、平均電流２０に対して、常に正となる電流検出誤差１９を持つことが分かる。また、図６より、キャリア信号の谷での電流検出値１３は、平均電流２０に対して、常に負となる電流検出誤差１９を持つことが分かる。このような電流検出誤差１９が上述のようなリップル発生の原因となっていた。

このような課題を解決するために、従来、例えば、特許文献１には、次のよう手法が提案されている。すなわち、この手法では、キャリア周期の（２ｎ＋１）／２（ｎは正の整数）倍ごとに電流検出と電流制御を行っている。これにより、演算負荷を軽くすると同時に、キャリア信号の山／谷と交互に電流検出を行うことで、電流検出値の電流検出誤差となるオフセット成分を除去している。

しかしながら、前述した特許文献１のような手法では、電流検出および電流制御の周期をキャリア周期の奇数倍にしているため、電流制御の応答性が悪化するという課題があった。通常、キャリア周波数を上げる場合、上げる前のキャリア周波数の整数倍とする。このため、例えば、キャリア５ｋＨｚであれば、整数倍として例えば２倍の１０ｋＨｚに上げることになる。その場合、キャリア周波数を上げる前の山／谷方式での電流制御周期はキャリア５ｋＨｚで１００μｓｅｃであり、１０ｋＨｚに上げた場合に、特許文献１のような従来手法を適用すると、電流制御周期は最短で１５０μｓｅｃとなり、キャリア周波
数を上げる前よりも電流制御周期が長くなる。その結果、特許文献１のような手法では、キャリア周波数を上げたにもかかわらず、電流応答性が下がるという課題があった。

また、特許文献１のような手法では、キャリア周波数を変更した場合に、電流制御周期が変わることになる。このため、演算装置内部の電流制御に関する演算を、キャリア周波数ごとに切り替えることができるようにしておく必要があった。一般的に、このような対応は、演算装置の内部構成がさらに複雑となり、演算負荷が大きくなるという課題もあった。

特開２００８−１８２８３２号公報

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、キャリア周波数を高くした場合でも、電流制御の応答性を維持でき、かつ演算負荷の増加も抑制したモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ駆動装置は、ＰＷＭ制御を用いた電流フィードバック制御機能を有するモータ駆動装置である。本発明のモータ駆動装置は、三角波のキャリア信号を出力するキャリア信号発生器と、キャリア信号のタイミングに合わせて電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力するタイミング発生器と、一定区間の平均電流値を検出するモータ電流検出器と、電流指令値と平均電流値とを比較して電圧指令値を出力する電流制御器と、キャリア信号と電圧指令値とを比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御器とを備える。そして、タイミング発生器は、キャリア信号のＮ周期（Ｎは正の整数）ごとに電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力し、モータ電流検出器は、平均電流値の一定区間となる時間をキャリア信号のＮ周期分の時間として平均電流値を検出する。

本発明のモータ駆動装置は、キャリア信号のＮ周期のタイミングごと、すなわちキャリア信号の山のみ、または谷のみのタイミングで電流検出および電流制御を行っている。そして、電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号のタイミングの出力周期と、モータ電流検出器における一定区間となる時間（平均時間）の周期を一致させた構成としているため、キャリア周期を短くした場合でも演算負荷を軽減することができる。また、電流検出器の平均時間をキャリア信号のＮ周期分とすることで、電流検出誤差の影響をなくし、トルクリップルや速度リップルの発生を抑えることができる。

本発明の実施例におけるモータ駆動装置のブロック図 本発明の実施例における電流制御部の詳細な構成を示すブロック図 比較例における動作を示すタイミング図 本発明の実施例における動作を示すタイミング図 本発明の実施例におけるキャリア信号とモータ実電流値とを示す図 キャリア信号の山のみで電流検出を行った従来例を示す図 キャリア信号の谷のみで電流検出を行った従来例を示す図

以下、本発明を実施するための形態を、実施例にて図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例におけるモータ駆動装置のブロック図である。図１に示すように、本発明のモータ駆動装置１００は、モータ２００に接続され、モータ２００を駆動する。モータ駆動装置１００は、電流フィードバック制御機能を有している。この機能実現のため、モータ２００においてモータ２００を駆動している電流が検出され、検出されたモータ実電流値１８がモータ駆動装置１００に供給される。また、モータ駆動装置１００には、例えば外部の上位器などから電流指令値１５が通知される。モータ駆動装置１００は、モータ実電流値１８に基づく電流値が電流指令値１５に追従するように、電流フィードバック制御を行う。

モータ駆動装置１００は、電流フィードバック制御を行う電流制御部１１０とモータ２００を駆動する駆動部１２０とを含む構成である。

電流制御部１１０は、モータ実電流値１８に基づく電流値が電流指令値１５に追従するように制御するためのＰＷＭ信号１７を生成する。ＰＷＭ信号１７は、駆動量に応じたパルス幅となるようにパルス幅変調（以下、適宜、ＰＷＭと呼ぶ）された信号である。

駆動部１２０は、複数個の半導体スイッチを含むインバータを備えている。インバータは、ＰＷＭ信号１７のパルスに応じて、それぞれの半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦする。これにより、インバータ供給される直流電圧が所望の駆動交流電圧３２へと変換され、変換された駆動交流電圧３２がモータ２００に印加される。すなわち、モータ駆動装置１００は、複数個の半導体スイッチをＰＷＭ制御によりスイッチングすることで、直流電圧からモータ２００を駆動するための駆動交流電圧３２を生成している。

このようなＰＷＭ制御を行うため、電流制御部１１０は、ＰＷＭ処理機能を有している。

図２は、電流制御部１１０の詳細な構成を示すブロック図である。図２に示すように、電流制御部１１０は、キャリア信号発生器１と、タイミング発生器２と、モータ電流検出器３と、電流制御器４と、ＰＷＭ制御器５とを備えている。

キャリア信号発生器１は、ＰＷＭされたパルス信号を生成するためのキャリア信号１１を生成し、出力する。キャリア信号１１は、レベルが最高のピークとなる山の箇所と最低のピークとなる谷の箇所とを有した三角波の信号である。キャリア信号発生器１で生成されたキャリア信号１１は、タイミング発生器２およびＰＷＭ制御器５に供給される。

タイミング発生器２は、供給されたキャリア信号１１のタイミングに合わせて、電流検出トリガ信号１２および電流制御トリガ信号１４を生成し、出力する。より具体的には、例えばキャリア信号１１が谷となったタイミングに合わせて、電流検出トリガ信号１２と電流制御トリガ信号１４とが同じタイミングで出力される。電流検出トリガ信号１２は、モータ電流検出器３に供給される。また、電流制御トリガ信号１４は、電流制御器４に供給される。

モータ電流検出器３には、電流検出トリガ信号１２とともに、モータ２００からモータ実電流値１８が供給される。モータ電流検出器３は、モータ実電流値１８を順次検出し、電流検出トリガ信号１２のタイミングに合わせて、順次検出したモータ実電流値１８の平均値を平均電流値１３として出力する。平均電流値１３は、所定の時間幅を一定区間となる時間（平均時間）とし、その区間で順次検出したモータ実電流値１８の平均値である。このように、モータ電流検出器３は、一定区間の平均電流値１３を検出して、電流制御器
４へと出力する。

電流制御器４には、電流制御トリガ信号１４および平均電流値１３とともに、電流指令値１５が供給される。電流制御器４は、電流指令値１５と平均電流値１３とを比較し、この比較結果に基づき、電圧指令値１６を生成し、出力する。例えば、平均電流値１３が電流指令値１５よりも小さい場合には、電流制御器４は、平均電流値１３を大きくするような電圧指令値１６を生成する。逆に、平均電流値１３が電流指令値１５よりも大きい場合には、電流制御器４は、平均電流値１３を小さくするような電圧指令値１６を生成する。このような、電流制御器４の処理に基づき、平均電流値１３が電流指令値１５に追従するような電流フィードバック制御が実行される。また、電流制御器４は、電流制御トリガ信号１４のタイミングに応答して、このような電流制御に関する演算を開始する。そして、演算が完了した時点で、演算結果に基づく電圧指令値１６を出力する。電流制御器４から出力された電圧指令値１６は、ＰＷＭ制御器５に供給される。

ＰＷＭ制御器５は、キャリア信号１１と電圧指令値１６とを比較し、この比較結果に応じたパルス幅のＰＷＭ信号１７を生成し、出力する。すなわち、例えば、キャリア信号１１の谷のタイミングを中心にパルスを生成する場合、電圧指令値１６がキャリア信号１１の谷のレベルに近づくほど幅の細いパルスが生成され、逆に山のレベルに近づくほど幅の太いパルスが生成される。このようにして生成されたＰＷＭ信号１７が駆動部１２０に供給される。そして、駆動部１２０において、ＰＷＭ信号１７に応じてインバータのそれぞれの半導体スイッチがＯＮ／ＯＦＦされる。

以上のように、モータ駆動装置１００は、ＰＷＭ制御を用いた電流フィードバック制御機能を有している。

次に、本実施例のモータ駆動装置１００の動作について説明する。ここでは、モータの細かい制御を目的として、キャリア周波数を整数倍に変更するような一例を挙げて説明する。具体的には、比較例とするキャリア周波数に対して、２倍のキャリア周波数に変更して本実施例に適用するような一例を挙げて説明する。

図３Ａは、比較例における動作を示すタイミング図である。また、図３Ｂは、本実施例での動作を示すタイミング図である。図３Ａおよび図３Ｂでは、三角波であるキャリア信号１１と、キャリア信号１１のタイミングに合わせて生成される電流検出トリガ信号１２および電流制御トリガ信号１４とを示している。また、図３Ａ、図３Ｂからわかるように、比較例のキャリア信号１１対して、本実施例のキャリア信号１１のキャリア周波数を２倍、すなわち周期を半分としている。

また、ここでは、図３Ｂに示すように、タイミング発生器２がキャリア信号１１の１周期ごとに、電流検出トリガ信号１２および電流制御トリガ信号１４を出力するような一例を挙げている。この電流検出トリガ信号１２および電流制御トリガ信号１４を出力するタイミングとしては、キャリア信号のＮ周期（Ｎは正の整数）ごとに出力するような構成であってもよい。

まず、図３Ａに示す比較例では、キャリア信号１１の山および谷（以下、山／谷と記す）の少し前のタイミングで、電流検出トリガ信号１２を出力してモータ実電流値１８を検出している。そして、山／谷のタイミングで、電流制御トリガ信号１４を出力して、電流制御を行っている。

このような比較例に対して、本実施例では、図３Ｂに示すように、キャリア信号１１の谷のタイミングで、電流検出トリガ信号１２を出力してモータ実電流値１８を検出してい
る。そして、同じく谷のタイミングで、電流制御トリガ信号１４を出力して、電流制御を行っている。

図３Ａ、図３Ｂに示すとおり、電流制御の周期は比較例と本実施例とで同じであり、キャリア周期変更前と変わらないため、電流応答性を維持することができる。

また、図３Ｂに示す本実施例でのタイミングでの動作では、モータ電流検出器３の電流検出平均時間をキャリア信号１１の１周期としている。すなわち、図３Ｂでは、キャリア信号１１の谷のタイミングで電流検出トリガ信号１２を出力している。そして、モータ実電流値１８の平均値を求めるための一定区間となる時間（平均時間）を、キャリア信号１１の谷から次の谷までの１周期分の時間としている。モータ電流検出器３は、このようにして求めた平均電流値１３を出力する。本実施例では、このように、電流検出の平均時間をキャリア信号１１の１周期分の時間にすることで、平均電流値１３に含まれる電流検出誤差を抑制している。

図４は、本発明の実施例におけるキャリア信号１１とモータ実電流値１８とを示す図である。図４において、モータ実電流値１８を実線で示し、モータ実電流値１８の実際の平均電流２０を破線で示し、平均電流値１３を丸点で示している。図４に示すように、本実施例では、モータ電流検出器３が検出した平均電流値１３は、平均電流２０と同じになり、図５や図６で示した電流検出誤差１９をほぼ０にすることができる。

モータ電流検出器３がΣΔ（シグマデルタ）方式の場合、通常電流検出は常に行われており、電流検出トリガ信号１２が入力されたときに、その時点からデシメーションにより設定された区間だけ前までの平均電流値を検出することができる。デシメーションの設定はハードウェアの変更なしでパラメータの設定で変更することができるため、キャリア信号１１の１周期の時間にあわせてデシメーションの設定を行うことで本方式は容易に実現できる。これにより、トルクリップルや速度リップルを発生させることなく、安定したモータ制御が可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、キャリア周波数を高くした場合でも、電流リップルを小さくでき、かつ電流応答性も維持し、さらに、演算装置の演算負荷も軽減することができる。

なお、以上の説明では、キャリア信号１１の谷で電流検出トリガ信号１２や電流制御トリガ信号１４を出力する一例を挙げて説明したが、キャリア信号１１の山で行っても同様の効果がある。さらに、必ずしも山や谷ちょうどで電流検出トリガ信号１２や電流制御トリガ信号１４を出力する必要はなく、山と谷の真ん中などでもよい。また、電流検出トリガ信号１２と電流制御トリガ信号１４の出力タイミングがずれていてもよい。重要なのは、電流検出トリガ信号１２と電流制御トリガ信号１４の出力周期と、モータ電流検出器３における平均時間である一定区間の周期を一致させることであり、その関係さえ成り立っていれば、ここで説明した効果を得ることができる。

また、以上の説明では、キャリア信号１１の１周期ごととなるＮ＝１の場合について説明したが、Ｎ＝２、３などの場合も同様の効果がある。すなわち、電流検出トリガ信号１２および電流制御トリガ信号１４を出力する出力周期としては、キャリア信号１１のＮ周期（Ｎは正の整数）ごとのタイミングで出力するような構成であればよい。そして、この出力周期のＮにあわせて、モータ電流検出器３で平均電流値１３を検出する一定区間を、キャリア信号１１のＮ周期分の時間とすればよい。

以上、本発明のモータ駆動装置は、タイミング発生器が、キャリア信号のＮ周期（Ｎは
正の整数）ごとに電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力し、モータ電流検出器が、平均電流値の一定区間分の時間をキャリア信号のＮ周期とする構成である。この構成により、キャリア周波数を高くした場合でも、電流制御の応答性を維持でき、かつ演算負荷の増加も抑制できる。

本発明のモータ駆動装置は、キャリア信号の周波数に対して演算装置の処理能力が低い場合、また静音性の要求される用途などにも有用である。

１ キャリア信号発生器
２ タイミング発生器
３ モータ電流検出器
４ 電流制御器
５ ＰＷＭ制御器
１５ 電流指令値
１８ モータ実電流値
１００ モータ駆動装置
１１０ 電流制御部
２００ モータ

Claims (1)

1. ＰＷＭ制御を用いた電流フィードバック制御機能を有するモータ駆動装置において、三角波のキャリア信号を出力するキャリア信号発生器と、前記キャリア信号のタイミングに合わせて電流検出トリガ信号および電流制御トリガ信号を出力するタイミング発生器と、
   一定区間の平均電流値を検出するΣΔ（シグマデルタ）方式のモータ電流検出器と、
   電流指令値と前記平均電流値とを比較して電圧指令値を出力する電流制御器と、
   前記キャリア信号と前記電圧指令値とを比較してＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御器とを備え、
   前記タイミング発生器は、前記キャリア信号のＮ周期（Ｎは正の整数）のタイミングごとに前記電流検出トリガ信号および前記電流制御トリガ信号を出力し、前記モータ電流検出器は、前記一定区間となる時間を前記キャリア信号のＮ周期分の時間の間、常に前記ΣΔ（シグマデルタ）方式のモータ電流検出を行い、前記Ｎ周期分の時間において検出した全ての電流検出値に対して１つの前記平均電流値を検出することを特徴としたモータ駆動装置。

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