JP5980071B2 - 直流モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータに流れる電流を検出してフィードバック制御を行う直流モータの制御装置に関する。

フィードバック制御によりモータの回転を制御する技術は、従来からよく知られている。例えば、モータに流れる電流（モータ電流）を制御して、モータの回転速度を制御する場合は、モータ電流を検出する電流検出回路が設けられる。そして、この電流検出回路で検出されたモータ電流の電流値を指令値と比較し、指令値と一致する電流がモータに流れるように、フィードバック制御が行われる。特許文献１、２には、このようなフィードバック制御によるモータ制御装置が記載されている。

特許文献１のモータ制御装置では、モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段で検出された電流から、第１のカットオフ周波数以上の交流成分を除去して、モータ電流として出力する第１のフィルタ手段と、電流検出手段で検出された電流から、第１のカットオフ周波数より小さい第２のカットオフ周波数以上の交流成分を除去して、モータの回転トルクとして出力する第２のフィルタ手段とが設けられている。そして、第１のフィルタ手段により、位置制御の応答性を確保しつつ、第２のフィルタ手段により、トルク制御の高精度化を図るようにしている。

特許文献２のモータ制御装置では、モータ電流を検出する電流検出手段と、モータ電流に含まれる電流リップルを検出してモータの回転に同期したパルス信号を出力する電流リップル検出部と、パルス信号に基づいてモータを制御するモータ制御部とが設けられている。そして、電流検出手段で検出された電流値が所定値よりも大きく、かつパルス信号が所定時間連続して検出されない場合に、モータがロック状態にあると判断して、モータを停止させるようにしている。

特許文献１においては、モータの回転位置（回転量）や回転速度を制御するために、ロータリエンコーダなどの検出手段が設けられている。一方、特許文献２においては、モータ電流のリップルを検出し、このリップルに基づいてモータの回転位置や回転速度の情報を取得して制御を行う。

特開平７−２３１６８７号公報 特開２０００−１６６２７５号公報

特許文献１のモータ制御装置では、ロータリエンコーダなどの検出手段が必要となるため、部品点数が増加するという問題がある。一方、特許文献２のモータ制御装置によれば、モータ電流のリップルを利用することで、ロータリエンコーダなどが不要となる。しかしながら、特許文献２のように、モータ電流のリップルに基づいて、モータの回転位置や回転速度を制御することは、実際には困難である。その理由は、次の通りである。

図１１は、モータに流れる電流を検出してフィードバック制御を行う、従来のモータ制御装置３００の一例を示している。位置制御部１は、目標位置と検出位置との比較結果に基づいて速度指令値を出力する。速度制御部２は、速度指令値と検出速度との比較結果に基づいて電流指令値を出力する。電流制御部３は、電流指令値と検出電流との比較結果に基づいて電圧指令値を出力する。デューティ算出部４は、電圧指令値と電源Ｂの電圧値とに基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号のデューティを算出する。ＰＷＭ回路５は、デューティに応じたＰＷＭ信号を生成し出力する。インバータ回路６は、ＰＷＭ信号によりスイッチング動作を行い、モータ２００を駆動する。電流検出部７は、電流検出抵抗Ｒの両端に生じる電圧に基づいて、モータ２００に流れる電流の値を検出する。

電流検出部７の出力は、検出電流として電流制御部３にフィードバックされる。また、電流検出部７の出力は、バンドパスフィルタ９、パルス生成回路１０、および速度算出部１１を介して、検出速度として速度制御部２にフィードバックされる。さらに、電流検出部７の出力は、バンドパスフィルタ９、パルス生成回路１０、および位置算出部１２を介して、検出位置として位置制御部１にフィードバックされる。

図１１においては、電流検出部７で検出したモータ電流を、そのまま電流制御部３にフィードバックしている。しかし、このようにすると、電流制御部３は、モータ電流に含まれるリップルの変動を打ち消すように電圧指令値を出力するので、フィードバック制御の結果、モータ２００にはリップルのない電流が流れる。つまり、電流検出部７で検出された電流は、図１２（ａ）のように、リップル（破線）を含まない電流となってしまう。このため、バンドパスフィルタ９においても、出力は図１２（ｂ）のような一定値となり、リップル（破線）が抽出されなくなる。したがって、パルス生成回路１０では、リップルと同期したパルスが生成されず、図１２（ｃ）のように、パルス出力はゼロとなる。その結果、速度算出部１１では、パルスの周期からモータ２００の回転速度の情報を取得することができず、位置算出部１２では、パルスの個数からモータ２００の回転位置（回転量）の情報を取得することができないので、モータ制御を適正に行うことができなくなる。

本発明の課題は、モータ電流がリップルを含んでいても、モータ電流に基づいて適正にフィードバック制御を行うことが可能な直流モータの制御装置を提供することにある。

本発明に係る直流モータの制御装置は、直流モータに流れる電流を検出する電流検出部と、この電流検出部で検出された電流からリップルを除去する第１のフィルタと、電流検出部で検出された電流からリップルを抽出し、当該リップルに基づいて直流モータの回転速度を検出する速度検出部と、速度指令値と速度検出部で検出された回転速度の値との比較結果に基づいて、電流指令値を出力する第１の制御部と、電流指令値と第１のフィルタから出力される電流の値との比較結果に基づいて、電圧指令値を出力する第２の制御部と、この第２の制御部から出力される電圧指令値に基づいて、直流モータを駆動するモータ駆動部とを備えている。

このようにすると、電流検出部で検出されたモータ電流のリップルが第１のフィルタにより除去され、第２の制御部には、リップルのない検出電流が入力される。したがって、第２の制御部は、リップルの変動を打ち消すような指令値を出力しないので、モータにはリップルを含んだ電流が流れる。このため、モータ電流のリップルからモータの回転位置や回転速度の情報を取得することができ、これによってモータ制御を適正に行うことができる。

本発明では、速度検出部を、電流検出部で検出された電流からリップルを抽出する第２のフィルタと、第２のフィルタで抽出されたリップルからパルスを生成するパルス生成回路と、このパルス生成回路で生成されたパルスに基づいて、直流モータの回転速度を算出する速度算出部とを有する構成としてもよい。

本発明では、パルス生成回路で生成されたパルスに基づいて、直流モータの回転位置を算出する位置算出部と、目標位置と位置算出部で算出された回転位置との比較結果に基づいて、第１の制御部へ速度指令値を出力する第３の制御部とをさらに設けてもよい。

本発明では、第１のフィルタをローパスフィルタで構成し、第２のフィルタをバンドパスフィルタで構成するのが好ましい。

本発明では、第１および第２のフィルタを制御するフィルタ制御部をさらに設けてもよい。この場合、フィルタ制御部は、直流モータの速度が低速から高速になるに従って、第１および第２のフィルタの各信号通過帯域を、連動して低域側から高域側へ変化させる。

本発明によれば、モータ電流がリップルを含んでいても、モータ電流に基づいて適正にフィードバック制御を行うことが可能な直流モータの制御装置を提供することができる。

本発明の実施形態を示したブロック図である。 図１の位置制御部、速度制御部、電流制御部、およびデューティ算出部の具体的構成を示した図である。 図１のインバータ回路および電流検出部の具体的構成を示した図である。 インバータ回路における電流経路を示した図である。 ローパスフィルタ（ＬＰＦ）とバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の特性を示した図である。 図１の各部における信号波形を示した図である。 本発明の他の実施形態を示したブロック図である。 図７の実施形態におけるフィルタの制御を説明する図である。 本発明の他の実施形態を示したブロック図である。 本発明の他の実施形態を示したブロック図である。 従来のモータ制御装置を示したブロック図である。 図１１の各部における信号波形を示した図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一の符号を付してある。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態による直流モータの制御装置（以下、「モータ制御装置」という。）の構成を説明する。ここでは、車両のパワーウィンドウ装置に用いられるモータ制御装置を例に挙げる。但し、本発明はこれ以外に、車両の電動パーキングブレーキや、スライドドアあるいはサンルーフの開閉などに用いられるモータ制御装置にも適用が可能である。

図１において、モータ制御装置１００は、窓開閉用の直流モータ（以下、単に「モータ」という。）２００を制御するもので、符号１〜１２で示される各ブロックを備えている。

位置制御部１は、外部から入力される目標位置（窓位置の目標値）と、後述する位置算出部１２から入力される検出位置との比較結果に基づいて、速度指令値を出力する。

速度制御部２は、位置制御部１から入力される速度指令値と、後述する速度算出部１１から入力される検出速度との比較結果に基づいて、電流指令値を出力する。

電流制御部３は、速度制御部２から入力される電流指令値と、後述するローパスフィルタ８から入力される検出電流との比較結果に基づいて、電圧指令値を出力する。

デューティ算出部４は、電流制御部３から入力される電圧指令値と、電源Ｂの電圧値とに基づいて所定の演算を行い、モータ２００を駆動するためのＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号のデューティを算出する。

ＰＷＭ回路５は、デューティ算出部４で算出されたデューティに応じたＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をインバータ回路６へ出力する。また、ＰＷＭ回路５は、モータ２００の正転・逆転を表す情報を、符号として後述する電流検出部７へ出力する。

インバータ回路６は、ＰＷＭ回路５から与えられるＰＷＭ信号によりスイッチング動作を行い、電源Ｂからモータ２００へ電流を供給して、モータ２００を駆動する。インバータ回路６とグランドとの間には、モータ２００に流れる電流（モータ電流）を検出するための電流検出抵抗Ｒが接続されている。

モータ２００は、ブラシと整流子を備えた直流モータからなり、流れる電流の方向に応じて正転または逆転し、車両の窓を開閉する。モータ２００の駆動中は、ブラシと摺接する整流子が切り替わる度に、モータ電流にリップルが発生する。後述するように、このリップルに基づいて、モータ２００の回転速度（＝窓の開閉速度）や、回転位置（＝窓の開閉位置）を検出することができる。

電流検出部７は、電流検出抵抗Ｒの両端に生じる電圧に基づいて、モータ２００に流れる電流の値を検出する。また、電流検出部７は、ＰＷＭ回路５から入力される符号に基づいて、モータ２００に流れる電流の方向を判別する。電流検出部７の出力（ａ点の信号）は、図６（ａ）に示すようなリップルを含んだ信号となる。

ローパスフィルタ８（第１のフィルタ）は、図５に示すＬＰＦ（実線）のようなフィルタ特性を有しており、電流検出部７で検出されたモータ電流から、リップルを除去する。ローパスフィルタ８の出力（ｂ点の信号）は、図６（ｂ）の実線に示すような直流信号となり、検出電流（電流値）として電流制御部３に与えられる。

バンドパスフィルタ９（第２のフィルタ）は、図５に示すＢＰＦ（破線）のようなフィルタ特性を有しており、電流検出部７で検出されたモータ電流から、特定の周波数帯域に含まれるリップルを抽出する。バンドパスフィルタ９の出力（ｃ点の信号）は、図６（ｃ）に示すような周期が一定のリップルとなり、パルス生成回路１０に与えられる。

パルス生成回路１０は、バンドパスフィルタ９から入力されるリップルをもとに、パルスを生成する。例えば、リップル波形の正の半波の区間でハイレベルとなり、負の半波の区間でローレベルとなるようなパルスが生成される。パルス生成回路１０の出力（ｄ点の信号）は、図６（ｄ）に示すようなリップルと同期したパルス（周期＝Ｔ）となり、速度算出部１１および位置算出部１２に与えられる。

速度算出部１１は、パルス生成回路１０から入力されるパルスの周期Ｔを計測し、この周期Ｔから現在のモータ２００の回転速度、すなわち窓の開閉速度を算出する。バンドパスフィルタ９から出力されるリップルの周波数は、モータ２００の回転速度に比例しているので、パルス生成回路１０で生成されたパルスの周期Ｔは、モータ２００の回転速度に反比例している。したがって、モータ２００の回転速度Ｖｍは、Ｖｍ＝１／Ｔの演算により求めることができる。速度算出部１１の出力（速度値）は、検出速度として速度制御部２に与えられる。

位置算出部１２は、図６（ｅ）に示すように、パルス生成回路１０から入力されるパルスの数を計数し、この計数値から現在のモータ２００の回転位置（回転量）、すなわち窓の位置を算出する。位置算出部１２の出力（パルス計数値）は、検出位置として位置制御部１に与えられる。

以上において、デューティ算出部４、ＰＷＭ回路５、およびインバータ回路６は、モータ駆動部２０を構成している。バンドパスフィルタ９、パルス生成回路１０、および速度算出部１１は、速度検出部３０を構成している。バンドパスフィルタ９、パルス生成回路１０、および位置算出部１２は、位置検出部４０を構成している。また、速度制御部２は、本発明における「第１の制御部」を構成し、電流制御部３は、本発明における「第２の制御部」を構成し、位置制御部１は、本発明における「第３の制御部」を構成する。

図１の位置制御部１、速度制御部２、電流制御部３、およびデューティ算出部４の具体的構成が、図２に示されている。

位置制御部１は、目標位置と検出位置との偏差を演算する演算器１ａと、当該偏差に対して微分（Ｓ、Ｄ）、比例演算（Ｐ）、積分（１／Ｓ、Ｉ）の各演算を行い、それらに基づき速度指令値を演算して出力する制御器１ｂとを備えている。

速度制御部２は、速度指令値と検出速度との偏差を演算する演算器２ａと、当該偏差に対して比例演算（Ｐ）を行って電流指令値を出力する制御器２ｂとを備えている。

電流制御部３は、電流指令値と検出電流との偏差を演算する演算器３ａと、当該偏差に対して比例演算（Ｐ）、積分（１／Ｓ、Ｉ）の各演算を行い、それらに基づき電圧指令値を演算して出力する制御器３ｂとを備えている。

デューティ算出部４は、電源電圧Ｂの電圧値に対する電圧指令値の割合を演算する演算器４ａと、当該演算結果に１００％を乗じてデューティを算出する制御器４ｂとを備えている。

図１のインバータ回路６と電流検出部７の具体的構成が、図３に示されている。

インバータ回路６は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がブリッジ接続されたＨブリッジ回路から構成されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、例えばＭＯＳ型ＦＥＴからなる。ＰＷＭ回路５は、デューティ算出部４で算出されたデューティに基づいて、４つのＰＷＭ信号（ＰＷＭ１〜ＰＷＭ４）を生成し、それぞれのＰＷＭ信号を、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各ゲートに出力する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、このＰＷＭ信号に基づいてオン・オフのスイッチング動作を行い、電源Ｂからモータ２００へ電流を供給する。

電流検出部７は、演算増幅器７ａと乗算器７ｂとを有している。演算増幅器７ａは、電流検出抵抗Ｒに流れるモータ電流によって当該抵抗Ｒの両端に生じる電圧を取り込み、これに所定のゲインを乗算することによって、電流値に変換する。乗算器７ｂは、演算増幅器７ａの出力に対し、ＰＷＭ回路５から与えられる符号（１または−１）を乗算して、正負の符号を持った検出電流値を出力する。

上記の符号は、モータ２００に流れる電流の方向により決まる。図４（ａ）に示すように、スイッチング素子のうちＱ１がオン状態、Ｑ２およびＱ３がオフ状態にあり、Ｑ４がＰＷＭ信号によりスイッチング動作をしているときは、矢印の経路でモータ２００に電流が流れ、モータ２００が正転する。この場合、ＰＷＭ回路５から電流検出部７へ、モータの正転を表す符号「１」が出力される。モータ２００が正転することによって、窓が閉じる。

一方、図４（ｂ）に示すように、スイッチング素子のうちＱ３がオン状態、Ｑ１およびＱ４がオフ状態にあり、Ｑ２がＰＷＭ信号によりスイッチング動作をしているときは、矢印の経路でモータ２００に電流が流れ、モータ２００が逆転する。この場合、ＰＷＭ回路５から電流検出部７へ、モータの逆転を表す符号「−１」が出力される。モータ２００が逆転することによって、窓が開く。

以上のような構成を備えたモータ制御装置１００においては、電流検出部７の出力を、電流制御部３へ直接フィードバックするのではなく、ローパスフィルタ８を介して電流制御部３へフィードバックする点が特徴となっている。

先にも述べたように、電流検出部７の出力を電流制御部３へ直接フィードバックすると、電流検出部７の出力は、図６（ａ）に示されるようにリップルを含んでいるので、電流制御部３はこのリップルの変動を抑制するような電圧指令値を出力する。このため、モータ２００に流れる電流、すなわち電流検出抵抗Ｒに流れる電流は、リップルのない電流となる。その結果、電流検出部７の出力にもリップルが現れなくなるので、バンドパスフィルタ９においては、リップルが抽出されない。したがって、速度算出部１１や位置算出部１２では、リップルからモータ２００の回転速度や回転位置を算出することができなくなる。

しかるに、上述した実施形態によれば、電流検出部７の出力に含まれるリップルをローパスフィルタ８で除去してから、当該出力を電流制御部３へフィードバックするので、電流制御部３はリップルの変動を抑制するような電圧指令値を出力しない。このため、電流検出抵抗Ｒにはリップルを含むモータ電流が流れ、電流検出部７の出力にリップルが現れる。したがって、このリップルをバンドパスフィルタ９で抽出し、パルス生成回路１０でパルスに変換することで、速度算出部１１や位置算出部１２では、リップルからモータ２００の回転速度（＝窓の開閉速度）や回転位置（＝窓の開閉位置）を算出することが可能となる。その結果、正確な回転速度や回転位置の情報に基づき、モータ２００に対する適正なフィードバック制御を行うことができる。

次に、本発明の他の実施形態につき、図７を参照しながら説明する。図７のモータ制御装置１０１においては、図１の構成にフィルタ制御部１３が追加されている。その他の構成は図１と同じであるので、図１と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、ローパスフィルタ８およびバンドパスフィルタ９がデジタルフィルタから構成されており、各フィルタ８、９の特性が、モータ２００の回転速度に応じて、フィルタ制御部１３により制御される。以下、その詳細を説明する。

各フィルタ８、９は、初期状態において、図８（ａ）に示すように、信号通過帯域が低域側に設定されている。モータ２００が回転すると、フィルタ制御部１３は、電流検出部７から出力される電流の波形を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数スペクトルに変換し、この周波数スペクトルを解析することにより、リップルの周波数を抽出する。

モータ２００が低速で回転する場合は、リップルの周波数は低く、モータ２００が高速で回転する場合は、リップルの周波数は高くなる。そこで、フィルタ制御部１３は、リップルの周波数の時間的変化を監視して、モータ２００の速度が低速から高速になるに従って、各フィルタ８、９の信号通過帯域を、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、連動して低域側から高域側へ変化させる。

このようにすることで、モータ２００の回転速度が小さい場合は、低域側に設定されたフィルタ８、９により、低速回転時のリップルを除去または抽出し、モータ２００の回転速度が大きい場合は、高域側に設定されたフィルタ８、９により、高速回転時のリップルを除去または抽出することができる。つまり、モータ２００の回転速度に応じた周波数のリップルが、正確に除去・抽出されることになる。

ここでは、フィルタ制御部１３が、電流検出部７から出力される電流波形を高速フーリエ変換して、リップルの周波数を抽出することによって、モータ２００の回転速度を監視し、回転速度に応じて各フィルタ８、９の特性を変化させた。これに代えて、図９に示すモータ制御装置１０２のように、フィルタ制御部１３が、速度算出部１１から回転速度を取得し、当該回転速度に応じて各フィルタ８、９の特性を変化させるようにしてもよい。

本発明では、以上述べた以外にも、種々の実施形態を採用することができる。例えば、上記実施形態では、位置制御部１を備えたモータ制御装置１００〜１０２を例に挙げたが、図１０に示すように、位置制御部１を含まない（位置制御を行わない）モータ制御装置１０３にも、本発明を適用することができる。なお、図１０において、図７、図９のフィルタ制御部１３を設けてもよいことは勿論である。

また、前記の実施形態では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ信号で駆動する例を挙げたが、ＰＷＭ信号以外のパルス信号により、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するようにしてもよい。

また、前記の実施形態では、モータ２００として、ブラシと整流子を備えた直流モータを例に挙げたが、これ以外の直流モータを制御対象とする装置にも、本発明は適用が可能である。

また、前記の実施形態では、車両のパワーウィンドウ装置に用いられるモータ制御装置を例に挙げたが、前述したように、本発明は、車両の電動パーキングブレーキや、スライドドアあるいはサンルーフの開閉などに用いられるモータ制御装置にも適用が可能であり、さらには、車両以外の用途に用いられるモータ制御装置にも適用することができる。

１ 位置制御部（第３の制御部）
２ 速度制御部（第１の制御部）
３ 電流制御部（第２の制御部）
４ デューティ算出部
５ ＰＷＭ回路
６ インバータ回路
７ 電流検出部
８ ローパスフィルタ（第１のフィルタ）
９ バンドパスフィルタ（第２のフィルタ）
１０ パルス生成回路
１１ 速度算出部
１２ 位置算出部
１３ フィルタ制御部
２０ モータ駆動部
３０ 速度検出部
４０ 位置検出部
１００〜１０３ 直流モータの制御装置
２００ 直流モータ

Claims (5)

1. 直流モータに流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部で検出された電流からリップルを除去する第１のフィルタと、
   前記電流検出部で検出された電流からリップルを抽出し、当該リップルに基づいて前記直流モータの回転速度を検出する速度検出部と、
   速度指令値と前記速度検出部で検出された回転速度の値との比較結果に基づいて、電流指令値を出力する第１の制御部と、
   前記電流指令値と前記第１のフィルタから出力される電流の値との比較結果に基づいて、電圧指令値を出力する第２の制御部と、
   前記第２の制御部から出力される電圧指令値に基づいて、前記直流モータを駆動するモータ駆動部と、
   を備えたことを特徴とする直流モータの制御装置。
2. 請求項１に記載の直流モータの制御装置において、
   前記速度検出部は、
   前記電流検出部で検出された電流からリップルを抽出する第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタで抽出されたリップルからパルスを生成するパルス生成回路と、
   前記パルス生成回路で生成されたパルスに基づいて、前記直流モータの回転速度を算出する速度算出部と、
   を有することを特徴とする直流モータの制御装置。
3. 請求項２に記載の直流モータの制御装置において、
   前記パルス生成回路で生成されたパルスに基づいて、前記直流モータの回転位置を算出する位置算出部と、
   目標位置と前記位置算出部で算出された回転位置との比較結果に基づいて、前記第１の制御部へ前記速度指令値を出力する第３の制御部と、
   をさらに有することを特徴とする直流モータの制御装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の直流モータの制御装置において、
   前記第１のフィルタはローパスフィルタであり、前記第２のフィルタはバンドパスフィルタであることを特徴とする直流モータの制御装置
5. 請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の直流モータの制御装置において、
   前記第１および第２のフィルタを制御するフィルタ制御部をさらに備え、
   前記フィルタ制御部は、前記直流モータの速度が低速から高速になるに従って、前記第１および第２のフィルタの各信号通過帯域を、連動して低域側から高域側へ変化させることを特徴とする直流モータの制御装置。

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