JP6167945B2 - モータ駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、マイクロコンピュータによりモータの駆動を制御するモータ駆動システムに関する。

一般に、ブラシレスＤＣモータなどのモータの駆動を制御するためのマイクロコンピュータ（以下、モータ制御マイコンとも呼ぶ）のＣＰＵは、一定の周波数を持つクロック信号（動作クロック）の供給を受けて動作するようになっている。そして、モータ制御マイコンは、ホールセンサ信号またはステータコイルに生じる誘起電圧などからロータの位置情報の変化時間を検出することでモータの回転数を算出する。

このようなモータ制御マイコンのＣＰＵは、例えばモータの通電相を切り替えるための転流信号を生成する転流制御タスクなど、多くの処理タスクの実行タイミングを、タイマ回路などのタイマ資源を用いて決定するような構成となっている。また、ステータコイルに生じる誘起電圧からロータの位置情報を検出する構成の場合、誘起電圧および仮想中性点電圧を比較するコンパレータの出力信号に重畳するスパイク電圧に起因する信号を除去するタイミングの生成にも、タイマ回路が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２８４０１３号公報

上述したように、従来のモータ制御マイコンでは、多くのタイマ資源が必要となるため、その回路規模が大きくなるという問題があった。さらに、この場合、モータの回転数に応じてタスク実行タイミングが変化するため、モータ制御マイコンのソフトウェアとしては、タイマからの割り込みで処理タスクが起動されるといったイベント駆動型ソフトウェアとならざるを得ない。そのため、ソフトウェア構造が複雑になり、ソフトウェアの設計および評価期間が長期化し、その開発コストが増大するという問題もある。

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、モータの駆動を制御するための各種のタスクを実行するタイミングを決定するためのタイマの数を低減することができるモータ駆動システムに関する。

請求項１に記載の手段は、モータの回転位置情報を表す回転位置信号に基づいてモータの実回転数を算出する回転数算出手段、実回転数が目標回転数に一致するようにモータの駆動を制御するマイクロコンピュータ、変動クロック生成手段および動作クロック供給手段を備えるモータ駆動システムである。そして、変動クロック生成手段は、回転位置信号の周波数と同様に変化する周波数を持つ変動クロック信号を生成する。また、動作クロック供給手段は、マイクロコンピュータのＣＰＵに対し、固定の周波数を持つ固定クロック信号または変動クロック信号を動作クロックとして供給する。具体的には、動作クロック供給手段は、ＣＰＵが変動クロック信号による動作でモータの駆動を制御できる場合には変動クロック信号を動作クロックとしてＣＰＵに供給する。

このような構成において、ＣＰＵが変動クロック信号により動作する場合、モータの回転周波数およびＣＰＵの動作周波数の比が一定になる。そのため、マイクロコンピュータのソフトウェアから見た各種処理タスクの実行タイミングを、モータの回転数に関係なく固定にすることが可能となる。これにより、各種処理タスクの実行タイミングを生成するためのタイマを設ける必要がなくなり、その分だけ、マイクロコンピュータの回路規模を低減することができる。また、ソフトウェアの構造が簡単化されるため、ソフトウェア開発期間の短縮や設計品質の向上などの効果も得られる。

ただし、上記構成では、モータが回転していないとき、または非常に低い速度で回転しているときなどには、変動クロック信号の周波数が非常に低い周波数になってしまい、ＣＰＵが正常に動作できない。そこで、動作クロック供給手段は、ＣＰＵが変動クロック信号による動作ではモータの駆動が制御できなくなる場合には、固定クロック信号を動作クロックとしてＣＰＵに供給する。このようにすれば、モータが未だ回転していない起動時などであっても、マイクロコンピュータのＣＰＵは、固定クロック信号を動作クロックとして正常に動作することができる。

第１の実施形態を示すもので、モータ駆動システムの概略的な構成図 各部の動作タイミングを表すタイミングチャート 図２におけるＡ部の詳細タイミングを示す図 第２の実施形態を示す図１相当図 第３の実施形態を示す図１相当図

以下、本発明の複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すモータ駆動システム１は、例えばブラシレスＤＣモータであるモータ２の駆動を制御する。モータ駆動システム１は、インバータ３、位置検出部４、ＰＬＬ回路５（変動クロック生成手段に相当）、発振回路６およびマイクロコンピュータ（以下、マイコンとも呼ぶ）７を備えている。

インバータ３は、直流電圧が供給される一対の直流電源線間にＩＧＢＴなどのスイッチング素子が３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）ブリッジの回路形態に接続された構成となっている。インバータ３は、上記直流電圧を３相の交流電圧に変換してモータ２に供給する。インバータ３の動作は、マイコン７から与えられるＰＷＭ信号により制御される。

位置検出部４は、モータ２の３相のステータコイルに誘起される電圧（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相電圧）および仮想中性点電圧を比較するコンパレータなどにより構成され、モータ２のロータの位置情報（回転位置情報に相当）を検出する。位置検出部４は、ロータの位置情報を表す位置検出信号Ｓａ（回転位置信号に相当）を、ＰＬＬ回路５およびマイコン７に出力する。

ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路５は、位相検出器、ＬＰＦ（Low Pass Filter）、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）および分周器を備えた周知の構成である。ＰＬＬ回路５は、入力される位置検出信号Ｓａの周波数、つまりモータ２の回転周波数を整数倍（逓倍）した周波数を持つ変動クロック信号CLK1をマイコン７に出力する。発振回路６は、例えば水晶発振回路であり、固定の周波数を持つ固定クロック信号CLK2をマイコン７に出力する。

マイコン７は、回転速度算出部８（回転数算出手段に相当）、切替判定部９、セレクタ１０、ＣＰＵ１１、ＰＷＭ生成部１２などを備えている。回転速度算出部８は、位置検出部４から与えられる位置検出信号Ｓａに基づいて、モータ２の実回転数を算出する（実際の回転数を検出する）。回転速度算出部８は、算出した実回転数を表すデータを切替判定部９およびＣＰＵ１１に出力する。

切替判定部９は、回転速度算出部８から与えられるデータに基づいて、次のようにレベルが変化する切替判定信号Ｓｂを出力する。すなわち、切替判定信号Ｓｂは、モータ２の実回転数が所定の判定閾値以下であるときにはＬレベルになり、モータ２の実回転数が判定閾値を超えるときにはＨレベルになる。

セレクタ１０は、一方の入力端子（１）に変動クロック信号CLK1が入力されているとともに、他方の入力端子（０）に固定クロック信号CLK2が入力されている。また、セレクタ１０の選択制御端子には、切替判定信号Ｓｂが入力されている。このような構成によれば、セレクタ１０は、モータ２の実回転数が判定閾値以下であるとき（Ｓｂ＝Ｌレベルのとき）、固定クロック信号CLK2を動作クロックとしてＣＰＵ１１に供給する。また、セレクタ１０は、モータ２の実回転数が判定閾値を超えるとき（Ｓｂ＝Ｈレベルのとき）、変動クロック信号CLK1を動作クロックとしてＣＰＵ１１に供給する。なお、本実施形態では、切替判定部９およびセレクタ１０により動作クロック供給手段１３が構成されている。

ＣＰＵ１１は、セレクタ１０から出力される動作クロック（変動クロック信号CLK1または固定クロック信号CLK2）の供給を受けて動作する。ＣＰＵ１１には、マイコン７の外部の上位装置から与えられるモータ２の目標回転数を表すデータと、回転速度算出部８から与えられるモータ２の実回転数を表すデータとが入力されている。ＣＰＵ１１は、これらのデータに基づいて、モータ２の実回転数が目標回転数に一致するようにモータ２の各相への印加電圧を指令するための指令電圧を生成し、ＰＷＭ生成部１２に出力する。

ＰＷＭ生成部１２は、ＣＰＵ１１から出力される各相の指令電圧に基づいてパルス幅変調されたゲート駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成し、インバータ３を構成する各スイッチング素子のゲートに出力する。これにより、インバータ３から、各相の指令電圧に一致するＰＷＭ変調された三相の交流電圧がモータ２に供給される。

上記構成において、ＰＬＬ回路５による逓倍数は、「定常動作時におけるモータ２の回転周波数の変動範囲において、変動クロック信号CLK1の周波数がＣＰＵ１１の動作クロックの仕様範囲に収まる」という条件を満たすような値に設定されている。また、固定クロック信号CLK2の周波数は、ＣＰＵ１１の動作クロックの仕様範囲内の値に設定されている。また、切替判定部９における判定閾値は、モータ２の起動時における回転数の上限値、つまりモータ２が定常動作に移行する直前における回転数の値に設定されている。

次に、ＣＰＵ１１が実行する位置検出タスクおよび転流制御タスクの実行タイミングについて、図２を参照しながら説明する。図２は、１２０度通電を行う場合における各部の動作タイミングの一例を表している。位置検出タスクおよび転流制御タスクは、いずれも、モータ２の駆動をフィードバック制御するためにＣＰＵ１１が実行するタスクである。なお、図２では、タスクの実行期間をハッチングで示し、タスクの非実行期間を白抜きで示している。

位置検出タスクは、モータ２のステータコイル（固定子巻線に相当）に生じる誘起電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗのゼロクロス点を検出するタスクである。位置検出タスクは、誘起電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗがゼロになると思われる時点より前の時点から開始されるもので、その実行中は、位置検出信号Ｓａに基づいて誘起電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗがゼロに一致するか否か（位置検出信号Ｓａが反転するか否か）が常時確認される。転流制御タスクは、モータ２の通電相を切り替えるための転流信号を生成するタスクである。転流制御タスクの実行期間は、極めて短い時間となっている。

これら位置検出タスクおよび転流制御タスクは、モータ２の回転数に応じて、実行するべきタイミングが変化する。そこで、本実施形態では、位置検出タスクおよび転流制御タスクの実行タイミングは、タイマを用いることなく、ＣＰＵ１１の動作クロックのカウント数に基づいて次のように決定される。

すなわち、ＣＰＵ１１は、前回の位置検出タスクの終了時点（＝ゼロクロス点が検出された時点）から動作クロックのカウントを開始し、そのカウント数が第１規定数に達した時点において、今回の位置検出タスクを開始する。また、ＣＰＵ１１は、前回の位置検出タスクの終了時点から動作クロックのカウントを開始し、そのカウント数が第２規定数に達した時点において、今回の転流制御タスクを開始する。なお、第１規定数および第２規定数は、モータ２の回転数に関係なく、固定の値となる。また、第２規定数は、第１規定数より小さい値となっている。

次に、ＣＰＵ１１が実行するＰＷＭ出力タスクおよび保護検出タスクの実行タイミングについて、図２のＡ部の詳細を表す図３のタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図３でも、図２同様、タスクの実行期間をハッチングで示し、タスクの非実行期間を白抜きで示している。

ＰＷＭ出力タスクは、ＰＷＭ周期の開始時点に開始されるもので、ゲート駆動信号（ＰＷＭ信号）のデューティ（Ｄｕｔｙ）を更新するタスクである。保護検出タスクは、ＰＷＭ周期の後半の所定時点（例えば８０％の時点）において開始されるもので、モータ２に過電流が流れているか否かを検出するタスクである。これらＰＷＭ出力タスクおよび保護検出タスクは、モータ２の回転数に関係なく、その実行タイミングは固定となっている。従って、これらの実行タイミングは、従来と同様、タイマを用いて決定される。

以上説明したように、本実施形態のモータ駆動システム１では、モータ２の実回転数が判定閾値を超える定常動作時には、マイコン７のＣＰＵ１１は、モータ２の回転周波数を逓倍した周波数を持つ変動クロック信号CLK1を動作クロックとして動作する。このとき、ＣＰＵ１１の動作周波数は、モータ２の回転周波数に比例した周波数となる。そのため、モータ２の回転周波数が変動する場合でも、その回転周波数およびＣＰＵ１１の動作周波数の比は、常に一定になる。

そして、ＣＰＵ１１は、モータ２の回転数に応じて実行タイミングが変化する位置検出タスクおよび転流制御タスクの実行タイミング（実行間隔）を、動作クロック（この場合、変動クロック信号CLK1）のカウント数に基づいて決定する。この場合、各タスクの実行タイミングを決定するための第１規定数および第２規定数は、モータ２の回転数に応じて変化することなく、固定の値となる。このように、本実施形態では、マイコン７のソフトウェアから見た各タスクの実行タイミングを、モータ２の回転数に関係なく、固定にする（一意に決定する）ことが可能となる。従って、タイマ割り込みによるタスク起動を利用しなくとも、プログラムの記述だけで、位置検出タスクおよび転流制御タスクの実行タイミングを決定することができる。

これにより、位置検出タスクおよび転流制御タスクの実行タイミングを生成するためのタイマを設ける必要がなくなり、その分だけ、マイコン７の回路規模および製造コストの低減を図ることができる。また、位置検出タスクおよび転流制御タスクの実行タイミングを決定する際にタイマ割り込みを利用しないことにより、ソフトウェアの構造が簡単化（単純化）されるため、ソフトウェアの開発期間の短縮や設計品質の向上などの効果も得られる。

ただし、上記構成では、モータ２が回転していないとき、または非常に低い速度で回転しているときなどには、変動クロック信号CLK1の周波数が非常に低い周波数になってしまい、ＣＰＵ１１が正常に動作できない。そこで、上記構成では、モータ２の回転周波数が判定閾値以下のとき、つまり変動クロック信号CLK1がＣＰＵ１１の動作クロックの仕様範囲外の値になる場合、発振回路６が生成する固定クロック信号CLK2を動作クロックとしてＣＰＵ１１に供給する。このようにすれば、モータ２が未だ回転していない起動時などであっても、マイコン７のＣＰＵ１１は、その動作クロックの仕様範囲内の周波数を持つ固定クロック信号CLK2の供給を受けて正常に動作することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図４を参照して説明する。
図４に示すように、本実施形態のモータ駆動システム２１は、第１の実施形態のモータ駆動システム１に対し、マイコン７に代えてマイコン２２を備えている。マイコン２２は、マイコン７に対し、回転速度算出部８が削除されている点、ＣＰＵ１１に代えてＣＰＵ２３を備えている点などが異なる。この場合、マイコン２２のＣＰＵ２３には、その外部の上位装置から、指令信号Ｓｃが与えられている。

指令信号Ｓｃは、一定周期且つ可変デューティ（Ｄｕｔｙ）の信号であり、そのデューティはモータ２の目標回転数に応じて変化する。ＣＰＵ２３は、指令信号Ｓｃのデューティを検出し、その検出値に基づいてモータ２の目標回転数を取得する目標回転数取得処理を行う。

また、ＣＰＵ２３は、動作クロックを用いて指令信号Ｓｃの１周期をカウントすることにより得られるカウント値に基づいてモータ２の実回転数を検出する実回転数検出処理を行う。ＣＰＵ２３が変動クロック信号CLK1を動作クロックとして動作している場合（定常動作時）、上記カウント値は、モータ２の回転数に応じて変化することになる。従って、ＣＰＵ２３は、上記カウント値に基づいてモータ２の実回転数を検出することができる。このように、本実施形態では、ＣＰＵ２３が実行する実回転数検出処理により、第１の実施形態における回転速度算出部８と同等の機能（回転数算出手段）が実現されている。

上記構成のモータ駆動システム２１においても、第１の実施形態のモータ駆動システム１と同様、マイコン２２のＣＰＵ２３は、位置検出タスクおよび転流制御タスクの実行タイミングを動作クロックのカウント数に基づいて決定することができる。従って、本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。また、本実施形態によれば、ＣＰＵ２３が実行する実回転数検出処理により、回転速度算出部８と同等の機能が実現されている。従って、回転速度算出部８を削除することができる分だけ、マイコン２２の回路規模を一層小さくすることができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について、図５を参照して説明する。
図５に示すように、本実施形態のモータ駆動システム３１は、第１の実施形態のモータ駆動システム１に対し、ＰＬＬ回路５に代えてＰＬＬ回路３２（変動クロック生成手段に相当）を備えている点、マイコン７に代えてマイコン３３を備えている点などが異なる。

ＰＬＬ回路３２は、位相検出器３４、ループフィルタ３５、ＤＣＯ（Digital Controlled Oscillator）３６および分周器３７を備えている。位相検出器３４は、位置検出信号Ｓａおよび分周器３７の出力信号の位相の差に応じたデジタル信号を出力する。ループフィルタ３５は、位相検出器３４の出力を平滑化し、ＤＣＯ３６に出力する。ＤＣＯ３６は、与えられるデジタル信号に応じた周波数の信号を出力する。ＤＣＯ３６の出力は、分周器３７に与えられるとともに変動クロック信号CLK1として出力される。分周器３７は、変動クロック信号CLK1を１／Ｎ（Ｎは２以上の整数）に分周して出力する。

このような構成により、ＰＬＬ回路３２は、位置検出信号Ｓａに同期し且つ位置検出信号ＳａのＮ倍の周波数（逓倍した周波数）を持つ変動クロック信号CLK1を生成する。この場合、ＰＬＬ回路３２を構成する各構成要素のうち、ループフィルタ３５は、マイコン３３のＣＰＵ３８が実行する処理（ソフトウェア）により実現されるようになっている。

上記構成のモータ駆動システム３１においても、第１の実施形態のモータ駆動システム１と同様、マイコン３３のＣＰＵ３８は、位置検出タスクおよび転流制御タスクの実行タイミングを動作クロックのカウント数に基づいて決定することができる。従って、本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。また、本実施形態によれば、ＰＬＬ回路３２を構成するループフィルタ３５は、ＣＰＵ３８が実行する処理により実現されている。従って、本実施形態によれば、ＰＬＬ回路５の全ての構成を回路で実装した第１の実施形態に比べ、ループフィルタ３５をソフトウェアで実装した分だけ、モータ駆動システム３１全体としての回路規模を小さくすることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
動作クロック供給手段１３は、切替判定部９およびセレクタ１０を用いた構成に限らずともよく、ＣＰＵが変動クロック信号CLK1による動作ではモータ２の駆動が制御できなくなる場合には固定クロック信号CLK2を動作クロックとしてＣＰＵに供給し、ＣＰＵが変動クロック信号CLK1による動作でモータ２の駆動を制御できる場合には変動クロック信号CLK1を動作クロックとしてＣＰＵに供給する構成であればよい。

変動クロック生成手段としては、モータ２の回転周波数を逓倍（整数倍）した周波数を持つ変動クロック信号CLK1を出力する逓倍回路であるＰＬＬ回路５、３２に限らずともよく、モータ２の回転周波数と同様に変化する周波数を持つ変動クロック信号を生成する構成であればよい。例えば、モータ２の回転周波数を分周した周波数を持つ変動クロック信号を出力する分周回路でもよい。また、モータ２の回転周波数をｍ倍または１／ｍ倍（ｍは正の実数）した周波数を持つ変動クロック信号を出力する構成でもよい。このような構成は、逓倍回路および分周回路を組み合わせることで実現可能である。

動作クロックのカウント数に基づいて実行タイミングを決定するタスクとしては、位置検出タスクおよび転流制御タスクに限らずともよく、モータ２の回転数に応じて実行するべきタイミングが変化するタスクであればよい。例えば、位置検出信号Ｓａに重畳するスパイク電圧に起因する信号を除去するタスクの実行タイミングについても、動作クロックのカウント数に基づいて決定することができる。

位置検出部４は、モータ２に取り付けられたホールセンサから出力されるホールセンサ信号に基づいて、モータ２のロータの位置情報を検出する構成でもよい。
第３の実施形態のＰＬＬ回路３２としては、ＤＣＯ３６に代えてＶＣＯを用いることも可能である。ただし、その場合、ループフィルタ３５の出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器を追加する必要がある。

図面中、１、２１、３１はモータ駆動システム、２はモータ、５、３２はＰＬＬ回路（変動クロック生成手段）、７、２２、３３はマイクロコンピュータ、８は回転速度算出部（回転数算出手段）、１１、３８はＣＰＵ、１３は動作クロック供給手段、２３はＣＰＵ（回転数算出手段）、３５はループフィルタを示す。

Claims (7)

1. モータ（２）の回転位置情報を表す回転位置信号に基づいて前記モータの実回転数を算出する回転数算出手段（８、２３）と、
   前記実回転数が目標回転数に一致するように前記モータの駆動を制御するマイクロコンピュータ（７、２２、３３）と、
   前記回転位置信号の周波数と同様に変化する周波数を持つ変動クロック信号を生成する変動クロック生成手段（５、３２）と、
   前記マイクロコンピュータのＣＰＵ（１１、２３、３８）に対し、固定の周波数を持つ固定クロック信号または前記変動クロック信号を動作クロックとして供給する動作クロック供給手段（１３）と、
   を備え、
   前記動作クロック供給手段は、
   前記ＣＰＵが前記変動クロック信号による動作では前記モータの駆動が制御できなくなる場合には、前記固定クロック信号を前記動作クロックとして前記ＣＰＵに供給し、
   前記ＣＰＵが前記変動クロック信号による動作で前記モータの駆動を制御できる場合には、前記変動クロック信号を前記動作クロックとして前記ＣＰＵに供給することを特徴とするモータ駆動システム。
2. 前記動作クロック供給手段は、
   前記モータの実回転数が所定の判定閾値以下であるときには、前記ＣＰＵが前記変動クロック信号による動作では前記モータの駆動が制御できなくなる場合であると判断し、
   前記モータの実回転数が前記判定閾値を超えるときには、前記ＣＰＵが前記変動クロック信号による動作で前記モータの駆動が制御できる場合であると判断することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
3. 前記ＣＰＵは、
   前記モータの駆動を制御するための各種のタスクを実行し、
   前記動作クロックのカウント数に基づいて、前記各種タスクのうち少なくともいずれか１つのタスクの実行タイミングを決定することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動システム。
4. 前記ＣＰＵは、前記動作クロックのカウント数に基づいて、前記モータの固定子巻線に生じる誘起電圧のゼロクロス点を検出する位置検出タスクの実行タイミングを決定することを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動システム。
5. 前記ＣＰＵは、前記動作クロックのカウント数に基づいて、前記モータの通電相を切り替えるための転流信号を生成する転流制御タスクの実行タイミングを決定することを特徴とする請求項３または４に記載のモータ駆動システム。
6. 前記マイクロコンピュータ（２２）には、前記目標回転数に応じたデューティを持つ一定周期の指令信号が与えられており、
   前記ＣＰＵ（２３）は、
   前記指令信号のデューティに基づいて前記目標回転数を取得する目標回転数取得処理と、
   前記動作クロックを用いて前記指令信号の１周期をカウントすることにより得られるカウント値に基づいて前記モータの実回転数を検出する実回転数検出処理と、
   を実行し、
   前記回転数算出手段は、前記ＣＰＵにより実行される前記実回転数検出処理により実現されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のモータ駆動システム。
7. 前記変動クロック生成手段（３２）は、前記回転位置信号を逓倍することにより前記変動クロック信号を生成するＰＬＬ回路を備え、
   前記ＰＬＬ回路を構成するループフィルタ（３５）は、前記ＣＰＵ（３８）が実行する処理により実現されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のモータ駆動システム。

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