JP6841336B2 - モータの制御装置及び記憶媒体 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態であるモータ20の制御装置110の構成を示す。
図1に示すように、モータ20の制御装置110は、モータ20の駆動装置100の構成の一部として使用される。駆動装置100は、制御装置110の他に、回転位置検出部101、インバータ102及びインバータ駆動部103を備える。
本実施形態では、モータ20は3相ブラシレスモータである。図1に示すモータ20は、コイルがデルタ結線されるが、スター結線であってもよい。図1に示すように、モータ20の3相を、それぞれU相、V相及びW相と表す。
本実施形態では、回転位置検出部101としてモータ20の各コイル間に配置された3つのホール素子を用いる。各ホール素子は、磁界を検出し、その大きさに比例した検出信号を出力する。各ホール素子から出力された3つで1組の検出信号から、例えば60°の電気角ごとに回転位置を検出できる。なお、3つのホール素子の検出信号を1組とする例を説明したが、1組とするホール素子の数はこれに限定されず、モータ20の構成に応じた数のホール素子を使用できる。
インバータ102は、図1に示すように、モータ20のU相、V相及びW相の3相にそれぞれ対応する3組のアームQを備える。各アームQは、ブリッジ接続される。各アームQは、直列接続された上側のスイッチング素子Q1と下側のスイッチング素子Q2を備える。スイッチング素子Q1及びQ2としては、FET(Field Effect Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)等の半導体素子を用いることでき、本実施形態ではMOSFETを用いる。
インバータ駆動部103は、制御装置110において生成した制御信号から、インバータ102の各アームQの上側のスイッチング素子Q1及び下側のスイッチング素子Q2に対する制御信号をそれぞれ生成して、出力する。
制御装置110は、図1に示すように、通電パターン決定部111、回転数算出部112、差算出部113、出力電圧決定部114、信号生成部115、A/D変換部116及び係数補正部117を備える。制御装置110の各構成部の処理内容は、各部の処理手順を記述したプログラムを、当該プログラムを記憶する記憶媒体からコンピュータが読み取って実行するソフトウェア処理により、実現することができる。コンピュータとしては、例えばCPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサー、マイクロコンピュータ等を使用することができる。記憶媒体としては、ハードディスク、ROM(Read Only Memory)等を使用することができる。なお、各構成部の処理内容を、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、LSI(Large Scale Integration)等のハードウェアにより実現してもよい。
以下、制御装置110において出力電圧の制御値であるデューティ比を決定する流れを説明する。
(1) dn=C−An
dnは、目標回転数と現在の回転数の差(rpm)を表す。Cは目標回転数(rpm)、Anは現在の回転数(rpm)を表す。
(2) Wfn=Kp×Eref/En×dn+Σ(Ki×Eref/En×dn)
Wfnは、補正後の比例係数及び積分係数により算出したデューティ比(%)を表す。Kpは比例係数(%/rpm)、Kiは積分係数(%/rpm)を表す。Kp×Eref/En×dnは回転数の差dnに補正後の比例係数を乗算した比例項である。Σ(Ki×Eref/En×dn)は回転数の差dnに補正後の積分係数を乗算して積分した積分項である。
(3) An+1∝Wfn×En
(4) Wn=Kp×dn+Σ(Ki×dn)
Wnは、初期設定の比例係数及び積分係数により算出したデューティ比(%)を表す。
(3a) An+1∝Wfn×En=Wn×Eref
すなわち、デューティ比Wfnで制御した後の回転数An+1は、初期設定の比例係数及び積分係数を使用して算出したデューティ比Wnと基準電圧Erefの乗算値に比例する。
(5) An+1∝Wn×En
なお、入力電圧が変化する前後とは、時間的な変化ではなく、モータ20を使用する環境下での変化をいう。すなわち、現在の入力電圧Enが異なる電圧値であっても、応答時間がほぼ一定時間となり、モータ20の応答性が安定化する。
一方、デューティ比Wnにより、入力電圧が10V及び16Vの条件下で同じ試験用のモータを駆動したときの10%−90%の応答時間の誤差は150msであった。デューティ比Wfnのときの応答時間と比べて誤差が大きく、応答時間が入力電圧によってばらつくことが分かる。
制御開始時、現在回転数A0=0rpmであり、0rpmより大きい目標回転数Cが与えられるため、回転数の差d0は、d0=C−A0=Cである。最初のデューティ比Wf0は、Wf0=Kp×Eref/E0×C+Ki×Eref/E0×Cであることから、現在の入力電圧E0が小さいほど大きくなる。したがって、図2A及び図2Bに示すように、N=0の離散時間における最初のデューティ比Wf0は、入力電圧が低い10Vのときの方が16Vのときよりも大きい。
また、デューティ比Wnの場合、最初のデューティW0は、入力電圧によらず一定である。制御開始時の最初のデューティW0は、W0=Kp×C+Ki×Cであるためである。
バッテリーは、充電量によって入力電圧が変動しやすいため、電源200がバッテリーである場合には、安定した応答性を得ることができ、同様に有効である。
上記実施形態において、出力電圧決定部114は、現在の回転数と目標回転数の差ではなく、今回算出した差と前回算出した差の変化量から、デューティ比を決定することもできる。モータ20の応答時間は、回転数の加速の大きさに影響することから、差の変化量によって出力電圧を制御することにより、モータ20の回転制御を精度良く行うことができる。
(1a) din=dn−dn−1
dinは、差の変化量を表す。dnは、今回算出した差を表す。dn−1は、前回算出した差を表す。
(1b) din=An−1−An
Anは、今回算出した回転数を表す。An−1は、前回算出した回転数を表す。
(2a) Wfin=Kp×Eref/En×din+Ki×Eref/En×dn
Wfinは、補正後の比例係数及び積分係数により算出したデューティ比を表す。
Wfin=Win×Eref/En
Winは、初期設定の比例係数及び積分係数を用いて下記式(4a)で算出したデューティ比である。
(4a) Win=Kp×din+Ki×dn
(3b) Afin+1∝Wfin×En=Win×Eref
上記実施形態において、出力電圧決定部114は、さらに微分項を算出して、比例項、積分項及び微分項のうちの少なくとも2項を算出し、2項以上の和をデューティ比として決定することができる。また、出力電圧決定部114は、比例項、積分項及び微分項のうちのいずれか1項をデューティ比として決定することもできる。
(2d) Wfn=Kp×Eref/En×dn+Σ(Ki×Eref/En×dn)
+Kd×Eref/En×d/dt(dn)
d/dt(dn)は、差の微分値であり、Kd×Eref/En×d/dt(dn)は積分項である。
出力電圧決定部114は、比例項、積分項及び微分項のうち、P制御の場合は比例項を、I制御の場合は積分項を、D制御の場合は微分項を、それぞれデューティ比として決定する。
なお、変形例1において微分項も算出し、比例項、積分項及び微分項のうちの少なくとも2項以上の和をデューティ比とする場合は、差の変化量dinに補正後の微分係数を乗算して微分項を算出すればよい。
例えば、モータは、PID制御によって回転数を制御できるモータであれば、上述した3相ブラシレスモータに限らない。
また、信号生成部115においてPAM(Pulse Amplitude Modulation)方式のパルス信号を生成し、出力電圧決定部114において、当該パルス信号の振幅を出力電圧の制御値として決定してもよい。PAM方式のパルス信号の振幅をPID制御によって決定する場合にも、本発明を適用することができる。
102 インバータ
110 モータの制御装置
112 回転数算出部
113 差算出部
114 出力電圧決定部
115 信号生成部
116 A/D変換部
117 係数補正部
200 電源
Claims (10)
- インバータによって電源からの駆動電流が供給されるモータの制御装置であって、
前記モータの現在の回転数と目標の回転数との差を算出する差算出部と、
前記インバータの出力電圧の制御値の決定に使用する係数として、初期設定された比例係数及び積分係数にそれぞれ補正係数を乗算して、補正後の比例係数及び積分係数を出力する係数補正部と、
前記差算出部により算出した差に前記補正後の比例係数を乗算した比例項と、前記差に前記補正後の積分係数を乗算して積分した積分項の少なくとも1項を算出し、算出した比例項及び積分項のいずれか1項を、又は2項の和を、前記出力電圧の制御値として決定する出力電圧決定部と、
前記出力電圧決定部により決定した前記出力電圧の制御値に基づいて、前記インバータに出力する制御信号を生成する信号生成部と、を備え、
前記補正係数は、前記インバータの現在の入力電圧に対する基準電圧の比の値であり、前記基準電圧は、前記初期設定された比例係数及び積分係数の決定時に使用又は想定していた前記インバータの入力電圧である、
モータの制御装置。 - 前記インバータの入力電圧が変化する前後において、前記制御値に対する前記モータの応答時間が、一定時間であるか、又は一定時間に近づく、
請求項1に記載のモータの制御装置。 - 前記制御信号は、PWM方式のパルス信号であり、
前記出力電圧決定部は、前記出力電圧の制御値として、前記パルス信号のデューティ比を決定し、
前記出力電圧決定部により決定した前記パルス信号のデューティ比の変化の速度は、前記インバータの現在の入力電圧によって変化する、
請求項2に記載のモータの制御装置。 - 前記デューティ比の変化の速度は、前記インバータの現在の入力電圧が低いほど速く、前記インバータの現在の入力電圧が高いほど遅い、
請求項3に記載のモータの制御装置。 - 前記制御信号は、PWM方式のパルス信号であり、
前記出力電圧決定部は、前記出力電圧の制御値として、前記パルス信号のデューティ比を決定し、
前記出力電圧決定部により決定した前記パルス信号のデューティ比の変化量の傾きは、前記インバータの現在の入力電圧が低いほど大きく、前記インバータの現在の入力電圧が高いほど小さい、
請求項2に記載のモータの制御装置。 - 前記係数補正部は、さらに、前記インバータの出力電圧の制御値の決定に使用する係数として、初期設定された微分係数に前記補正係数を乗算して、補正後の微分係数を出力し、
前記出力電圧決定部は、前記比例項、前記積分項及び前記差の微分値に前記補正後の微分係数を乗算した微分項の少なくとも2項を算出し、算出した2項以上の和を、前記出力電圧の制御値として決定する、
請求項1〜5のいずれか一項に記載のモータの制御装置。 - 前記差算出部は、今回算出した差と前回算出した差の変化量を算出し、
前記出力電圧決定部は、前記差の変化量に前記補正後の比例係数を乗算して前記比例項を算出し、前記差に前記補正後の積分係数を乗算して積分した積分項を算出し、前記差の変化量に前記補正後の微分係数を乗算して前記微分項を算出する、
請求項6に記載のモータの制御装置。 - 前記電源は、前記インバータに供給する駆動電流の電圧が変動する電源である、
請求項1〜7のいずれか一項に記載のモータの制御装置。 - 前記電源は、バッテリーである、
請求項1〜7のいずれか一項に記載のモータの制御装置。 - コンピュータにモータの制御方法を実行させるプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記モータの制御方法は、
前記モータの現在の回転数と目標の回転数との差を算出する工程と、
前記インバータの出力電圧の制御値の決定に使用する係数として、初期設定された比例係数及び積分係数にそれぞれ補正係数を乗算して、補正後の比例係数及び積分係数を出力する工程と、
前記算出した差に前記補正後の比例係数を乗算した比例項と、前記差に前記補正後の積分係数を乗算して積分した積分項の少なくとも1項を算出し、算出した比例項及び積分項のいずれか1項を、又は2項の和を、前記出力電圧の制御値として決定する工程と、を含み、
前記補正係数は、前記インバータの現在の入力電圧に対する基準電圧の比の値であり、前記基準電圧は、前記初期設定された比例係数及び積分係数の決定時に使用又は想定していた前記インバータの入力電圧である、
記憶媒体。
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