JP6207431B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、モータの駆動を制御するモータ制御装置に関するものである。

従来のモータ制御装置は、モータの固着状態を解除するために、モータへの印加電圧を制御することによってトルクを発生させていた（例えば、特許文献１参照）。印加電圧の制御は、電源とモータとの間に接続されたスイッチング素子の、動作キャリア周期のオン時間（Ｄｕｔｙ比）を制御することにより行われる。

特開２００８−１１５８６７号公報

しかしながら、印加電圧の制御では、モータへ供給する電流を抑制できない。そのため、各種部品の定格許容範囲で使用できるように、モータ毎に、モータの抵抗値に応じてスイッチング素子の動作キャリア周期のオン時間を調整する必要があった。さらに、モータ周囲およびモータコイル単体の温度が変化するとモータの抵抗値も変化するので、温度変化に応じてスイッチング素子の動作キャリア周期のオン時間を補正する必要があった。

上記特許文献１の制御装置は、各種部品の温度を観測していても、印加電圧を制御しているため、モータへ供給する電流が不定である。そのため、精度よくモータトルクを出力することができなかった。また、モータが過度に発熱することを防ぐために、モータトルクを最大限出力することができなかった。

このように、印加電圧の制御ではモータトルクを精度よく出力することができないので、固着状態の解除に最適なモータトルクを出力できないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、モータの抵抗値および温度変化に影響されずに、モータトルクを精度よく制御するモータ制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係るモータ制御装置は、目標Ｄｕｔｙに従って動作することによりモータへ電流を供給する駆動回路と、モータの回転位置に基づいてモータが固着状態か否かを判定する固着判定部と、モータまたは駆動回路の温度が閾値以下か否かを判定する温度判定部と、モータの目標速度およびモータの現在の速度に基づいてモータへ供給する目標電流を算出し、モータが固着状態の場合、モータまたは駆動回路の温度が閾値以下のときに目標電流を大きくし、当該温度が閾値より大きいときに目標電流を小さくする目標電流算出部と、目標電流算出部が算出した目標電流に基づいて目標Ｄｕｔｙを算出し、駆動回路に出力する目標Ｄｕｔｙ算出部とを備えるものである。

この発明によれば、モータへ供給する電流を制御するようにしたので、モータの抵抗値および温度変化に影響されずに、モータトルクを精度よく制御することができる。また、モータが固着状態の場合かつモータまたは駆動回路の温度が閾値以下の場合に、固着状態から脱出するために目標電流を大きくするようにしたので、モータまたは駆動回路の限界温度となる電流まで上昇させることができ、モータトルクを最大限出力することができる。
さらに、モータが固着状態の場合かつモータまたは駆動回路の温度が閾値より大きい場合は目標電流を小さくするようにしたので、モータまたは駆動回路の発熱を抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るモータ制御装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 ＦＥＴ駆動回路（またはモータ）の温度と目標電流との関係を表すグラフである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るモータ制御装置１の構成例を示すブロック図である。このモータ制御装置１は、電源装置２が供給する電力でモータＭを駆動するものであり、モータＭへ供給する電流を制御する演算部１０と、演算部１０により制御されてモータＭへ電流を供給するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）駆動回路３と、モータＭの電流を測定して演算部１０に入力する電流測定回路４と、ＦＥＴ駆動回路３の温度を測定して演算部１０に入力する温度測定回路５と、モータＭの回転位置を検出して演算部１０に入力する位置検出回路６とを含む。

ＦＥＴ駆動回路３は、演算部１０から入力される目標Ｄｕｔｙに基づいて、ブリッジ接続された複数個のＦＥＴ（不図示）を動作させ、モータＭへ電流を供給する。図示例ではＦＥＴを用いてＦＥＴ駆動回路３を構成したが、スイッチング素子の種類は問わない。

電流測定回路４は、ＦＥＴ駆動回路３からモータＭへ供給される電流を測定して、演算部１０に入力する。電流測定回路４の設置場所は、モータＭへ供給される電流が測定可能な箇所であればよい。

温度測定回路５は、温度センサなどを含み、ＦＥＴ駆動回路３の温度を測定して、演算部１０に入力する。
なお、図示例では、温度測定回路５がＦＥＴ駆動回路３の温度を測定するが、測定対象はＦＥＴ駆動回路３に限定されるものではなく、モータＭの温度を測定してもよい。

位置検出回路６は、モータＭの回転位置を検出して、角度情報を演算部１０に入力する。
ここでの角度情報とは、モータＭが１回転する３６０度のうちの一点を基準として、その基準からの角度を意味する。

演算部１０は、不図示のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）で構成されており、このＣＰＵが内部メモリに格納されたプログラムを実行することによって、位相算出部１１、位置算出部１２、速度算出部１３、目標速度算出部１４、温度判定部１５、固着判定部１６、目標電流算出部１７、および目標Ｄｕｔｙ算出部１８としての機能を実現する。

位相算出部１１は、位置検出回路６から入力された角度情報に基づいて、モータＭの位相（つまり、コイルと磁石の位置関係）を算出し、目標Ｄｕｔｙ算出部１８に入力する。
位置算出部１２は、位置検出回路６から入力された角度情報に基づいて、モータＭの位置（つまり、軸の回転位置）を算出し、速度算出部１３、目標速度算出部１４、および固着判定部１６にそれぞれ入力する。

速度算出部１３は、位置算出部１２から入力されたモータＭの位置に基づいて、現在のモータＭの回転速度を算出し、目標電流算出部１７に入力する。
目標速度算出部１４は、外部から入力された目標とする位置情報と、位置算出部１２から入力されたモータＭの現在の位置とに基づいて、目標とする速度（以下、目標速度と呼ぶ）を算出する。

温度判定部１５は、温度測定回路５から入力された温度測定値が温度閾値以下か、温度閾値より大きいかを判定し、判定結果を目標電流算出部１７に入力する。
ここで、温度閾値とは、温度判定部１５に予め設定されている、任意の温度である。この例では、温度測定回路５がＦＥＴ駆動回路３の温度を測定するので、ＦＥＴ駆動回路３の部品の保証温度が温度閾値として設定されている。温度測定回路５がモータＭの温度を測定する場合には、モータＭの使用温度範囲の上限温度を温度閾値にすればよい。

固着判定部１６は、外部から入力された目標とする位置情報と、位置算出部１２から入力されたモータＭの現在の位置とを比較して、位置偏差を算出する。固着判定部１６は、算出した位置偏差が偏差閾値より小さいならモータＭは正常に動作していると判定し、算出した位置偏差が偏差閾値以上ならモータＭが固着していると判定し、判定結果を目標電流算出部１７に入力する。
ここで、偏差閾値とは、モータＭが固着している状態とみなす位置偏差の値であり、固着判定部１６に予め設定されている。

目標電流算出部１７は、目標速度算出部１４から入力された目標速度と、速度算出部１３から入力されたモータＭの現在の速度とを比較して、モータＭに供給する電流の目標値（以下、目標電流と呼ぶ）を算出する。速度から目標電流を算出する方法は、公知の技術を用いればよいので詳細な説明を省略する。
さらに、目標電流算出部１７は、算出した目標電流を、温度判定部１５と固着判定部１６とからそれぞれ入力された判定結果に基づいて調整し、調整後の目標電流を目標Ｄｕｔｙ算出部１８に入力する。目標電流の調整方法は後述する。

目標Ｄｕｔｙ算出部１８は、目標電流算出部１７から入力された目標電流と、位相算出部１１から入力されたモータＭの位相とに基づいて、ＦＥＴ駆動回路３のＦＥＴの目標Ｄｕｔｙ（つまり、モータ相の目標電圧）を算出し、ＦＥＴ駆動回路３に入力する。

次に、図２のフローチャートを用いて、モータ制御装置１の動作、特に目標電流の調整方法を説明する。
ステップＳＴ１において、目標電流算出部１７が目標電流を算出する。つまり、位相算出部１１がモータＭの位相を算出し、位置算出部１２が位相からモータＭの位置を算出し、目標速度算出部１４がモータＭの位置と目標とする位置情報とから目標速度を算出し、目標電流算出部１７が目標速度と現在の速度とから目標電流を算出する。
ステップＳＴ２において、目標Ｄｕｔｙ算出部１８が目標電流から目標Ｄｕｔｙを算出し、ＦＥＴ駆動回路３が目標Ｄｕｔｙに従って動作することによりモータＭへ電流を供給する。

ステップＳＴ３において、固着判定部１６は、目標とする位置と実際のモータＭの位置との偏差が、偏差閾値未満の値に収束するか確認する。位置偏差が偏差閾値より小さくなれば（ステップＳＴ３“ＮＯ”）、固着判定部１６はモータＭが正常に動作していると判定し、モータ制御装置１はステップＳＴ１〜ＳＴ３の処理を繰り返す。

一方、所定時間が経過しても位置偏差が偏差閾値未満の値に収束せず、または偏差閾値以上の値から変化せず、位置偏差が偏差閾値以上のままなら（ステップＳＴ３“ＹＥＳ”）、固着判定部１６はモータＭが固着状態であると判定し、判定結果を目標電流算出部１７に入力する。続くステップＳＴ４において、温度判定部１５が温度測定値と温度閾値を比較する。温度測定値が温度閾値より小さい場合（ステップＳＴ４“ＹＥＳ”）、温度判定部１５は、ＦＥＴ駆動回路３が異常発熱していないと判定し、判定結果を目標電流算出部１７に入力する。

モータＭが固着状態であって、ＦＥＴ駆動回路３が異常発熱していない場合、目標電流算出部１７は、モータＭを固着状態から脱出させるために、目標電流を連続的または段階的に大きくしていく調整を行って、トルクを徐々に増大させる。具体的には、目標電流算出部１７が目標電流を一段階大きくし（ステップＳＴ５）、目標Ｄｕｔｙ算出部１８が調整後の目標電流から目標Ｄｕｔｙを算出し、ＦＥＴ駆動回路３がその目標Ｄｕｔｙに基づく電流をモータＭへ供給する（ステップＳＴ６）。続いて、固着判定部１６が、調整後のモータＭの位置に基づいて固着状態か否かを判定する（ステップＳＴ７）。固着状態が続いている場合（ステップＳＴ７“ＹＥＳ”）、温度判定部１５が温度を判定した後（ステップＳＴ４“ＹＥＳ”）、目標電流算出部１７が調整後の目標電流をさらに一段階大きくし（ステップＳＴ５）、トルクを増大させる。ステップＳＴ４〜ＳＴ７の処理を繰り返すことにより、モータＭのトルクが徐々に増大していき、その途中で固着状態から脱出できる。固着状態から脱出すると、位置偏差が偏差閾値より小さくなるので（ステップＳＴ７“ＮＯ”）、ステップＳＴ１〜ＳＴ３の通常制御に戻る。従って、固着状態から脱出するために必要なトルクを最小限にすることができる。

上記説明では、目標電流算出部１７が、目標電流が連続的または段階的に大きくなるよう調整したが、これに限定されるものではなく、例えば一度の調整で、ＦＥＴ駆動回路３の異常発熱を引き起こさない程度まで目標電流を大きくしてもよい。

一方、温度測定値が温度閾値以上の場合（ステップＳＴ４“ＮＯ”）、ＦＥＴ駆動回路３を熱から保護するために、モータＭのトルクを小さくして発熱量を減らす。具体的には、目標電流算出部１７が目標電流を小さくし（ステップＳＴ８）、目標Ｄｕｔｙ算出部１８が調整後の目標電流から目標Ｄｕｔｙを算出し、ＦＥＴ駆動回路３がその目標Ｄｕｔｙに基づく電流をモータＭへ供給する（ステップＳＴ９）。このステップＳＴ８では、目標電流を０ＡにしてモータＭを停止させてもかまわない。この調整により、ＦＥＴ駆動回路３の発熱量を減少させる。

なお、ステップＳＴ９の制御では、ステップＳＴ２の通常制御よりモータＭのトルクが小さいので、固着状態からの脱出は難しい。そこで、例えばＦＥＴ駆動回路３が冷えるまでの時間が経過した後に演算部１０がモータ制御装置１をリセットして、再びステップＳＴ１から処理を開始することにより、モータＭが固着状態から脱出できる。

以上より、実施の形態１によれば、モータ制御装置１は、目標Ｄｕｔｙに従って動作することによりモータＭへ電流を供給するＦＥＴ駆動回路３と、モータＭの回転位置に基づいてモータＭが固着状態か否かを判定する固着判定部１６と、モータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の温度が閾値以下か否かを判定する温度判定部１５と、モータＭの目標速度およびモータＭの現在の速度に基づいてモータＭへ供給する目標電流を算出し、モータＭが固着状態の場合、モータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の温度が閾値以下のときに目標電流を大きくし、当該温度が閾値より大きいときに目標電流を小さくする目標電流算出部１７と、目標電流算出部１７が算出した目標電流に基づいて目標Ｄｕｔｙを算出し、ＦＥＴ駆動回路３へ出力する目標Ｄｕｔｙ算出部１８とを備える構成にした。
このように、モータ制御装置１は、モータＭへ供給する電流を制御するので、モータＭの抵抗値および温度変化に影響されずに、モータトルクを精度よく制御することができる。
また、モータＭが固着状態の場合かつモータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の温度が閾値以下の場合に、固着状態から脱出するために目標電流を大きくするようにしたので、モータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の限界温度となる電流まで上昇させることができ、トルクを最大限出力することができる。さらに、モータＭが固着状態の場合かつモータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の温度が閾値より大きい場合は、目標電流を小さくするようにしたので、モータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の発熱を抑制することができる。

また、実施の形態１によれば、モータ制御装置１は温度測定回路５を備え、温度測定回路５は、モータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の温度を測定する構成にした。このように、温度測定回路５が、モータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の温度を直接測定するので、正確な温度を容易に得ることができる。また、正確な温度に基づいて部品を熱から保護できる。

また、実施の形態１によれば、目標電流算出部１７は、モータＭが固着状態の場合かつモータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の温度が閾値以下の場合、モータＭの目標速度およびモータＭの現在の速度に基づいて算出した目標電流を、連続的または段階的に大きくする構成にした。このため、モータＭのトルクを徐々に上げて固着状態から脱出させることができる。また、脱出に必要なトルクを最小限にすることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、温度測定回路５を用いてＦＥＴ駆動回路３またはモータＭの温度を実測したが、実施の形態２では推定する。

図３は、実施の形態２に係るモータ制御装置１の構成を示すブロック図である。図３のモータ制御装置１は、温度測定回路５の代わりに、温度推定部２０を備えている。また、図３のモータ制御装置１は、新たに電流推定部２１を備えている。その外の構成は図１と同様であるため、同一の符号を付し説明を省略する。

図４は、ＦＥＴ駆動回路３（またはモータＭ）の温度と目標電流との関係を表すグラフの一例である。縦軸は温度、横軸は目標電流の通電時間である。ＦＥＴ駆動回路３（またはモータＭ）の温度は、目標電流が大きいほど、また、目標電流の通電時間が長いほど、高くなる。

温度推定部２０は、図４に示したグラフの温度と目標電流との関係に基づいて、目標電流算出部１７が算出した目標電流に対応するＦＥＴ駆動回路３（またはモータＭ）の温度を推定し、温度推定値として温度判定部１５に入力する。温度判定部１５は、温度推定部２０から入力された温度推定値と温度閾値とを比較して、ＦＥＴ駆動回路３（またはモータＭ）の異常発熱を判定する。

温度の推定方法は、上記の方法に限定されるものではない。
例えば、温度推定部２０は、ＦＥＴ駆動回路３のＦＥＴに印加される電圧（または、ＦＥＴ駆動回路３がモータＭに印加する電圧）に基づいて、ＦＥＴ駆動回路３（またはモータＭ）の温度を推定する。ＦＥＴ駆動回路３が有するＦＥＴの抵抗値（またはモータＭの抵抗値）が既知なので、温度推定部２０は抵抗値と印加電圧とから電流を求め、求めた電流に対応する温度を図４のグラフから推定する。

また例えば、温度推定部２０は、ＦＥＴ駆動回路３が動作する目標Ｄｕｔｙに基づいて、ＦＥＴ駆動回路３（またはモータＭ）の温度を推定する。電源装置２の電源電圧が既知なので、温度推定部２０は電源電圧と目標Ｄｕｔｙとから印加電圧を求め、求めた印加電圧と既知の抵抗値とから電流を求め、求めた電流に対応する温度を図４のグラフから推定する。

また例えば、温度推定部２０は、温度と電流との関係を表した図４のグラフの代わりに、温度と消費電力との関係を表したグラフを用いてもよい。
温度推定部２０は、グラフをテーブル化したデータを使用して温度を推定してもよいし、グラフを数式化した関数を演算して温度を推定してもよい。

上記実施の形態１では、電流測定回路４が三相それぞれの電流を測定したが、実施の形態２では、電流測定回路４が三相のうちのいずれか一相の電流を測定し、電流推定部２１が当該一相の電流測定値を用いて残り二相の電流を推定する。

以上より、実施の形態２によれば、モータ制御装置１は温度推定部２０を備え、温度推定部２０は、目標Ｄｕｔｙ、モータＭまたはＦＥＴ駆動回路３に印加される電圧、およびモータＭまたはＦＥＴ駆動回路３に流れる電流のうちの少なくとも１つに基づいて、モータＭまたはＦＥＴ駆動回路３の温度を推定する構成にした。このため、温度測定回路５（図１に示す）の設置が不要となり、その分のスペース確保および価格低減が可能となる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ モータ制御装置、２ 電源装置、３ ＦＥＴ駆動回路、４ 電流測定回路、５ 温度測定回路、６ 位置検出回路、１０ 演算部、１１ 位相算出部、１２ 位置算出部、１３ 速度算出部、１４ 目標速度算出部、１５ 温度判定部、１６ 固着判定部、１７ 目標電流算出部、１８ 目標Ｄｕｔｙ算出部、２０ 温度推定部、２１ 電流推定部、Ｍ モータ。

Claims (4)

1. 目標Ｄｕｔｙに従って動作することによりモータへ電流を供給する駆動回路と、
   前記モータの回転位置に基づいて前記モータが固着状態か否かを判定する固着判定部と、
   前記モータまたは前記駆動回路の温度が閾値以下か否かを判定する温度判定部と、
   前記モータの目標速度および前記モータの現在の速度に基づいて前記モータへ供給する目標電流を算出し、前記モータが固着状態の場合、前記モータまたは前記駆動回路の温度が前記閾値以下のときに前記目標電流を大きくし、当該温度が前記閾値より大きいときに前記目標電流を小さくする目標電流算出部と、
   前記目標電流算出部が算出した前記目標電流に基づいて前記目標Ｄｕｔｙを算出し、前記駆動回路に出力する目標Ｄｕｔｙ算出部とを備えるモータ制御装置。
2. 前記モータまたは前記駆動回路の温度を測定する温度測定回路を備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記目標Ｄｕｔｙ、前記モータまたは前記駆動回路に印加される電圧、および前記モータまたは前記駆動回路に流れる電流のうちの少なくとも１つに基づいて、前記モータまたは前記駆動回路の温度を推定する温度推定部を備えることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
4. 前記目標電流算出部は、前記モータが固着状態の場合かつ前記モータまたは前記駆動回路の温度が前記閾値以下の場合、前記モータの目標速度および前記モータの現在の速度に基づいて算出した前記目標電流を、連続的または段階的に大きくすることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のモータ制御装置。

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