JP6405687B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転駆動停止時にショートブレーキ制御を行うモータ制御装置及びモータ制御方法に関する。

半導体スイッチング素子を用いるブリッジ型の駆動回路にてモータのコイルに供給する駆動電流を制御するモータ制御装置が知られており、モータの駆動停止の際、その停止要求に応答してコイル端子間を短絡（ショート）する回路を形成し、モータ（ロータ）にブレーキ力を作用させるショートブレーキ制御を行うものが知られている。

因みに、特許文献１，２等の開示技術は、モータの駆動停止要求に応答して、文献１では逆転ブレーキ制御、文献２では逆トルクブレーキ制御と呼ばれる強力なブレーキ制御を行った後に、ショートブレーキ制御に切り替えるものである。

特開２００５−０５７９９３号公報 特開２００８−０２２６７８号公報

ところで、逆転ブレーキ制御や逆トルクブレーキ制御までのブレーキ制御を必要とせず、モータの駆動停止要求に応答してショートブレーキ制御のみでモータの駆動停止を図る構成のものでは、ショートブレーキ時に形成される短絡回路上のモータのコイルやスイッチング素子等を流れるブレーキ電流が過大となることが懸念される。つまり、過大なブレーキ電流は、コイルや半導体スイッチング素子等にダメージを与える虞があるため、ブレーキ電流を極力抑制する必要がある。しかしながら、ブレーキ電流の抑制は、モータの駆動停止時間を長くするという相反事項となっている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ショートブレーキ制御時において、モータのコイルや半導体スイッチング素子等のブレーキ電流からの保護を図りつつ適切なブレーキ力を得ることができるモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するモータ制御装置は、ブリッジ型の駆動回路の上下アームに配置されるスイッチング素子のオンオフ動作を通じてモータのコイルに供給する駆動電流を制御して前記モータの駆動制御を行うと共に、駆動停止指令に応答して、前記モータのコイル端子間を短絡する回路を前記駆動回路にて形成し前記モータに対してブレーキ力を作用させるショートブレーキ制御を実施するモータ制御装置であって、前記駆動停止指令後の状況に応じたデューティに設定されるＰＷＭ制御による前記ショートブレーキ制御を実施するブレーキ制御手段を備え、前記ブレーキ制御手段は、前記ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合であって、且つ、前記駆動停止指令から所定期間が経過するまでの間は、前記ショートブレーキ制御時のデューティをブレーキ電流が許容電流値よりも小さくなるデューティに設定するＰＷＭ制御を実施するとともに、前記ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合であって、且つ、前記所定期間が経過した後は、前記ショートブレーキ制御時のデューティをブレーキ電流が許容電流値となるデューティに設定するＰＷＭ制御を実施する。

この構成によれば、モータの駆動停止指令後のショートブレーキ制御において、停止指令後の状況（回転速度、時間経過等）に応じたデューティに設定されるＰＷＭ制御が実施される。つまり、ショートブレーキ制御にＰＷＭ制御を用いることで、ショートブレーキを作用させる期間が離散的となって個々の期間で調整可能なため、停止指令後の状況に応じたブレーキ力とブレーキ電流との両者の適切化を図ることが可能となる。

また、ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合において、ショートブレーキにより生じるブレーキ電流を確実に許容電流値程度に抑えることが可能となる。
上記のモータ制御装置において、前記モータの回転速度の検出が行われるものであり、前記ブレーキ制御手段は、前記ショートブレーキ制御時において前記モータの回転速度の低下に応じてデューティを大きく設定するＰＷＭ制御を実施することが好ましい。

この構成によれば、ショートブレーキ制御時のＰＷＭ制御のデューティがモータの回転速度の低下に応じて大きくなるように設定される。つまり、モータの回転速度の低下に伴いブレーキ電流の増大が緩やかになるため、これに応じてデューティを大きくしてブレーキ力を増大させることで、より適切なブレーキ制御を実施できる。

上記課題を解決するモータ制御方法は、ブリッジ型の駆動回路の上下アームに配置されるスイッチング素子のオンオフ動作を通じてモータのコイルに供給する駆動電流を制御して前記モータの駆動制御を行うと共に、駆動停止指令に応答して、前記モータのコイル端子間を短絡する回路を前記駆動回路にて形成し前記モータに対してブレーキ力を作用させるショートブレーキ制御を実施するモータ制御方法であって、前記駆動停止指令後の状況に応じたデューティに設定されるＰＷＭ制御による前記ショートブレーキ制御を実施するモータ制御方法であり、前記ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合であって、且つ、前記駆動停止指令から所定期間が経過するまでの間は、前記ショートブレーキ制御時のデューティをブレーキ電流が許容電流値よりも小さくなるデューティに設定するＰＷＭ制御を実施するとともに、前記ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合であって、且つ、前記所定期間が経過した後は、前記ショートブレーキ制御時のデューティをブレーキ電流が許容電流値となるデューティに設定するＰＷＭ制御を実施する。

この構成によれば、ショートブレーキ制御にＰＷＭ制御を用いることで、上記のモータ制御装置と同様に、停止指令後の状況に応じたブレーキ力とブレーキ電流との両者の適切化を図ることが可能となる。
また、ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合において、ショートブレーキにより生じるブレーキ電流を確実に許容電流値程度に抑えることが可能となる。

本発明のモータ制御装置及びモータ制御方法によれば、ショートブレーキ制御時において、モータのコイルや半導体スイッチング素子等のブレーキ電流からの保護を図りつつ適切なブレーキ力を得ることができる。

一実施形態におけるモータ制御装置の回路図である。 モータ回転速度、制御デューティ、ブレーキ電流の相関図である。 実施形態の各種波形を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。 比較例の各種波形を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。 ブレーキ制御の処理フロー図である。 別例における各種波形を示す図である。 別例のブレーキ制御の処理フロー図である。

以下、モータ制御装置（モータ制御方法）の一実施形態について説明する。
図１に示す本実施形態のモータ制御装置１０は、制御対象のモータ２０がブラシレスモータであり、モータ２０の三相コイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに供給する三相駆動電流を制御して、モータ２０の回転駆動の制御を実施する。モータ２０の用途としては、例えば自動車のファンモータやポンプモータである。モータ制御装置１０は、駆動回路１１と制御回路１２とを備えている。

駆動回路１１は、半導体スイッチング素子としてのＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６を６個用いたブリッジ型にて構成されている。ブリッジ型の駆動回路１１の構成としては、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の上アームとして配置されるＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３が直流電源２１のプラス側に接続され、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の下アームとして配置されるＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６が直流電源２１のマイナス側に接続されてなる。Ｕ相のＭＯＳトランジスタＴＲ１，ＴＲ４間、Ｖ相のＭＯＳトランジスタＴＲ２，ＴＲ５間、Ｗ相のＭＯＳトランジスタＴＲ３，ＴＲ６間にはそれぞれ各相の出力端子が設定され、各相の出力端子はモータ２０の各相コイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗと接続される。このような構成の駆動回路１１は、制御回路１２の制御に基づくＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６のオンオフ動作により互いに位相差を有する三相駆動電流を生成し、モータ２０の各相コイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに供給する。

制御回路１２は、駆動回路１１の各ＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６の制御端子（ゲート）に例えば図３に示すような制御信号を出力することで各ＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６のオンオフ動作を制御し、モータ２０の回転駆動を制御する。制御回路１２は、そのモータ２０の駆動制御において、駆動開始指令（図示略）に基づいてモータ２０の回転駆動を開始させ、駆動停止指令に基づいてモータ２０の回転駆動を停止させるが、この駆動停止の際、本実施形態ではショートブレーキ制御を実施する。ショートブレーキ制御は、停止指令に応答して全相の上アームのＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３を同時オフ、全相の下アームのＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６を同時オンとすることでモータ２０の各相コイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの端子間を短絡（ショート）する回路を形成し、モータ２０にブレーキ力を生じさせる制御である。

次に本実施形態の制御回路１２のブレーキ制御部１２ａが実施するショートブレーキ制御について、比較例のショートブレーキ制御と対比しつつ説明する。図３は本実施形態の制御による各種波形を、図４は比較例の制御による各種波形をそれぞれ示している。尚、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部拡大図、図４（ｂ）は図４（ａ）の一部拡大図である。

比較例のショートブレーキ制御は、モータ２０の駆動停止要求に応答して、上アームのＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３を同時オフ、下アームのＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６を同時オンし、この制御期間中はこの状態を維持する。つまり、下アームのＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６に対するオンデューティとしては１００％固定ということである。これにより、停止要求直後から短絡回路が連続的に形成されてショートブレーキが作用する状態となるため、大きなブレーキ力が期待できる。その反面、停止要求直後はモータ２０の回転速度が速く、短絡回路を流れるブレーキ電流が過大となるため、短絡回路上のコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗやＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６に大きなダメージを与えてしまうことが懸念される。

これに対し本実施形態のショートブレーキ制御は、モータ２０の駆動停止要求に応答して、上アームのＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３を同時オフ、下アームのＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６を離散的な同時オンし、このオン時のデューティを可変させる所謂ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）となっている。本実施形態では、モータ２０の回転速度とブレーキ電流とを加味したデューティがその時々で設定される。またこのようなデューティの設定を行うべく、モータ２０に回転センサ２０ａが搭載されているものでは、制御回路１２にてその回転センサ２０ａからの検出信号に基づくモータ２０のその時々の回転速度の検出が行われる。

ここで図２は、モータ２０の回転速度と、ショートブレーキ制御時のデューティと、ブレーキ電流との相関を示している。モータ２０の回転速度が低速の回転速度Ｎ１、中速の回転速度Ｎ２、高速の回転速度Ｎ３の三例が具体的に示され、これらに対するデューティとブレーキ電流との相関関係が示されている。これらの相関関係は理論的（シミュレーション）又は実験的に決められたものであり、制御回路１２（ブレーキ制御部１２ａ）内に相関データとして格納されて、その時々のデューティの設定の際に参照される。

図２において、仮に比較例のように高速の回転速度Ｎ３で回転駆動しているモータ２０に対してデューティＤ３（１００％）のショートブレーキ制御を実施した場合、過大な電流値Ｉｘのブレーキ電流が短絡回路上を循環することになる。実際のブレーキ電流は、図４（ａ）（ｂ）のＹ矢印部分に示すように過大となるため、短絡回路上のコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗやＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６へのダメージが懸念される。

本実施形態ではこれを考慮し、高速の回転速度Ｎ３で回転駆動しているモータ２０に対しては、ショートブレーキ制御時に生じるブレーキ電流が電流値Ｉｘよりも十分小さく且つ適切なブレーキ力が得られる許容電流値Ｉａとなるような小さいデューティＤ１に設定される。つまり、高速の回転速度Ｎ３で回転駆動しているモータ２０では、上記したようにショートブレーキにより生じるブレーキ電流が過大となり易いため、ＰＷＭ制御により離散的に設定される個々のショートブレーキ期間を短くし、ある程度のブレーキ力が得られるようにしながらもブレーキ電流が過大となることが防止される。

中速の回転速度Ｎ２で回転駆動しているモータ２０の場合では、ブレーキ電流が許容電流値Ｉａとなるようにショートブレーキ制御時のデューティが中間のデューティＤ２に設定される。中速の回転速度Ｎ２で回転駆動しているモータ２０では、ショートブレーキにより生じるブレーキ電流の増大が緩やかになってくるため、個々のショートブレーキ期間を長くしてブレーキ力の増大が図られる。

低速の回転速度Ｎ１で回転駆動しているモータ２０の場合では、ブレーキ電流が許容電流値Ｉａとなるようにショートブレーキ制御時のデューティが大きいデューティＤ３（１００％）に設定される。モータ２０の回転速度が回転速度Ｎ１以下になると、ショートブレーキ制御時のデューティがデューティＤ３（１００％）となってもブレーキ電流が許容電流値Ｉａを上回らない状況となるため、ショートブレーキ期間を連続させてブレーキ力の一層の増大が図られる。

また、ショートブレーキ制御を実施することでモータ２０にブレーキ力が作用し、モータ２０の回転速度が次第に低下するのを考慮し、本実施形態では、モータ２０の回転速度が次第に低下するのに伴って上記のデューティを次第に大きくするようにしている。例えばショートブレーキ制御の実施によりモータ２０の回転速度が回転速度Ｎ３から回転速度Ｎ１に次第に低下するのに伴って、デューティはデューティＤ１からデューティＤ３まで次第に大きくなるように設定される。つまり、ショートブレーキによるブレーキ力とブレーキ電流との両者がその時々で適切となるデューティの設定が行われる。これにより本実施形態の実際のブレーキ電流は、比較例の図４（ａ）（ｂ）のＹ矢印部分と比べて、本実施形態の図３（ａ）（ｂ）のＸ矢印部分に示すように過大になることが抑えられ、短絡回路上のコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗやＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６へのブレーキ電流による影響が小さく抑えられる。

このように本実施形態の制御回路１２（ブレーキ制御部１２ａ）は、モータ２０の駆動停止要求に応答して上アームのＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３をオフ、下アームのＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６をオンするショートブレーキ制御を実施し、更にこのショートブレーキ制御のＰＷＭ制御を実施する。つまり、このショートブレーキ制御のＰＷＭ制御において、適切なブレーキ力を得ながらもブレーキ電流が抑えられるデューティに都度設定されるため、モータ２０のコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗやＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６の保護と、適切なブレーキ力を得ることとの両立が図られている。

因みに、制御回路１２（ブレーキ制御部１２ａ）のショートブレーキ制御の処理フローは図５に示す通りである。本処理フローは、モータ２０の駆動停止指令に応答して開始される。

ステップＳ１では、モータ２０の回転速度がゼロとなったかを判定する。モータ２０の回転速度がゼロでなく、モータ２０が停止途中でショートブレーキ制御時である状況では、ステップＳ２側に進む。ステップＳ２では、モータ２０の回転速度に応じたデューティの設定が行われる。モータ２０の回転速度の低下に伴ってデューティが大きくされる。そして、ステップＳ３では、上アームのＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３を全オフ、下アームのＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６に対してはＰＷＭ制御を行うための制御信号を出力する。

一方、ステップＳ１において、モータ２０の回転速度がゼロ、即ちショートブレーキ制御によりモータ２０の回転駆動が停止した場合、下アームのＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６へのＰＷＭ制御のための制御信号の出力を停止し、ＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６を全オフとする。これを以てショートブレーキ制御の処理フローが終了となる。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）モータ２０の駆動停止指令後のショートブレーキ制御において、停止指令後の状況（本実施形態ではモータ２０の回転速度）に応じたデューティに設定されるＰＷＭ制御が実施される。つまり、ショートブレーキ制御にＰＷＭ制御を用いることで、ショートブレーキを作用させる期間が離散的となって個々の期間で調整可能なため、停止指令後の状況に応じたブレーキ力とブレーキ電流との両者の適切化を図ることができる。結果、モータ２０のコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗやショートブレーキを行う下アームのＭＯＳトランジスタＴＲ４〜ＴＲ６等を過大なブレーキ電流から保護しつつも、適切なブレーキ力を得ることでモータ２０を短時間で駆動停止させることができる。

（２）ショートブレーキ制御時のＰＷＭ制御のデューティがモータ２０の回転速度の低下に応じて大きくなるように設定される。例えば、回転速度がＮ３からＮ１に低下するのに伴い、デューティがＤ１からＤ３に都度設定される。つまり、モータ２０の回転速度の低下に伴いブレーキ電流の増大が緩やかになるため、これに応じてデューティを大きくしてブレーキ力を増大させることで、本実施形態ではより適切なブレーキ制御を実施することができる。

（３）ショートブレーキ制御時のＰＷＭ制御のデューティは、その制御時に生じるブレーキ電流が許容電流値Ｉａとなるようなデューティに設定される。そのため、ショートブレーキにより生じるブレーキ電流を確実に許容電流値程度に抑えることができる。また、ブレーキ電流を許容電流値程度とする中で、最大のブレーキ力を発生させることができる。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・ショートブレーキ制御におけるＰＷＭ制御のデューティをモータ２０の回転速度に基づいて設定したが、これに限らない。

例えば図１に示す制御回路１２にて破線で示すように、制御回路１２にタイマ１２ｂが搭載されるものでは、図６に示すようにモータ２０の駆動停止指令が生じてから、時間Ｔ１を計時し、その後時間Ｔ２を計時し、その後時間Ｔ３を計時するようにし、時間Ｔ１〜Ｔ３に進むに連れてデューティを段階的に大きく設定する。因みに、制御回路１２（ブレーキ制御部１２ａ）のショートブレーキ制御の処理フローは図７に示す通りであり、上記実施形態の図５のステップＳ２がステップＳ２ａに置換され、時間経過に伴ってデューティが大きく設定される処理となる。つまりこの態様においても、停止指令から時間が経過するほどモータ２０の回転速度が低下しこの速度低下に伴いブレーキ電流の増大が緩やかになるため、時間経過に応じてデューティを大きくしてもより適切なブレーキ制御を実施できる。

また、モータ２０の回転速度や停止指令からの時間経過以外のパラメータを用いてデューティを設定してもよい。
・図２の相関図のようにブレーキ電流が許容電流値Ｉａとなるデューティを用いるようにしたが、ブレーキ電流が許容電流値Ｉａ以下となるデューティを用いてもよく、また例えば停止指令直後等、ブレーキ電流が過大となり易い一部期間だけ許容電流値Ｉａ以下となるデューティを用いてもよい。

・その他、モータ制御装置１０の構成を適宜変更してもよい。例えば駆動回路１１をＭＯＳトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６を用いて構成したが、その他の半導体スイッチング素子を用いてもよい。

１１…駆動回路、１２…制御回路（１２ａ…ブレーキ制御部：ブレーキ制御手段）、ＴＲ１〜ＴＲ６…ＭＯＳトランジスタ（半導体スイッチング素子）、２０…モータ、２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ…コイル、Ｄ１〜Ｄ３…デューティ、Ｎ１〜Ｎ３…回転速度、Ｔ１〜Ｔ３…時間、Ｉａ…許容電流値。

Claims (3)

1. ブリッジ型の駆動回路の上下アームに配置されるスイッチング素子のオンオフ動作を通じてモータのコイルに供給する駆動電流を制御して前記モータの駆動制御を行うと共に、駆動停止指令に応答して、前記モータのコイル端子間を短絡する回路を前記駆動回路にて形成し前記モータに対してブレーキ力を作用させるショートブレーキ制御を実施するモータ制御装置であって、
   前記駆動停止指令後の状況に応じたデューティに設定されるＰＷＭ制御による前記ショートブレーキ制御を実施するブレーキ制御手段を備え、
   前記ブレーキ制御手段は、
   前記ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合であって、且つ、前記駆動停止指令から所定期間が経過するまでの間は、前記ショートブレーキ制御時のデューティをブレーキ電流が許容電流値よりも小さくなるデューティに設定するＰＷＭ制御を実施するとともに、
   前記ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合であって、且つ、前記所定期間が経過した後は、前記ショートブレーキ制御時のデューティをブレーキ電流が許容電流値となるデューティに設定するＰＷＭ制御を実施することを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記モータの回転速度の検出が行われるものであり、
   前記ブレーキ制御手段は、前記ショートブレーキ制御時において前記モータの回転速度の低下に応じてデューティを大きく設定するＰＷＭ制御を実施することを特徴とするモータ制御装置。
3. ブリッジ型の駆動回路の上下アームに配置されるスイッチング素子のオンオフ動作を通じてモータのコイルに供給する駆動電流を制御して前記モータの駆動制御を行うと共に、駆動停止指令に応答して、前記モータのコイル端子間を短絡する回路を前記駆動回路にて形成し前記モータに対してブレーキ力を作用させるショートブレーキ制御を実施するモータ制御方法であって、
   前記駆動停止指令後の状況に応じたデューティに設定されるＰＷＭ制御による前記ショートブレーキ制御を実施するモータ制御方法であり、
   前記ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合であって、且つ、前記駆動停止指令から所定期間が経過するまでの間は、前記ショートブレーキ制御時のデューティをブレーキ電流が許容電流値よりも小さくなるデューティに設定するＰＷＭ制御を実施するとともに、
   前記ＰＷＭ制御のデューティを１００％とするショートブレーキ制御を実施した場合に生じるブレーキ電流が許容電流値よりも大きくなる場合であって、且つ、前記所定期間が経過した後は、前記ショートブレーキ制御時のデューティをブレーキ電流が許容電流値となるデューティに設定するＰＷＭ制御を実施することを特徴とするモータ制御方法。