JP7004143B2 - モータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体スイッチング素子のブリッジ回路を用いてブラシレスモータへの給電を制御するモータ制御装置に関するものである。
ブラシレスモータを制御対象とするモータ制御装置としては、例えば特許文献１に開示の構成のものが知られている。モータ制御装置は、半導体スイッチング素子を例えば６個用いたブリッジ回路を備え、各スイッチング素子のオンオフ動作の組み合わせにて互いに１２０°の位相差を有する三相駆動電流を生成する。また、モータ制御装置は、三相駆動電流の生成時に各相対で動作するスイッチング素子の一方側に対してＰＷＭ制御を実施し、各相駆動電流の大きさを調整する。そして、モータ制御装置は、このように生成される三相駆動電流をブラシレスモータの三相コイルにそれぞれ供給している。
特開２０１６－２２６２８５号公報
ところで、ブリッジ回路を構成する各スイッチング素子には、個体差による性能ばらつきがある。従って、例えばＰＷＭ制御において同一の制御パルスが各スイッチング素子に入力されたとしても、各スイッチング素子のオン時間長さが大小し、三相駆動電流の大きさにばらつきが生じる。また、このような各スイッチング素子の性能ばらつきのみならず、制御パルスに基づく三相駆動電流の生成過程における諸要因にて各相電流ばらつきが生じ得る。このことは、モータの各相コイルにて生じる磁束が所望値から乖離する要因となり、モータから磁気音が発生する等の不具合の発生が懸念されるところである。
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、三相駆動電流の電流ばらつきを解消し、ブラシレスモータの回転性能の向上を図ることができるモータ制御装置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、複数のスイッチング素子を用いたブリッジ回路を含む駆動回路と、前記各スイッチング素子をオンオフ動作させる制御パルスを設定する制御回路とを備え、前記各スイッチング素子のオンオフ動作の組み合わせにて互いに位相差を有する三相駆動電流を生成しブラシレスモータの三相コイルに供給するモータ制御装置であって、前記制御回路は、前記制御パルスを生成する制御パルス生成部と、前記制御パルス生成部において前記制御パルスの生成時に参照する前記制御パルスのオン時間長さの設定値を保持する設定値保持部とを備え、更に前記設定値保持部にて保持される前記設定値を変更する設定値変更部を備え、前記制御パルスは、前記各スイッチング素子のオン期間中にＰＷＭ制御を行うＰＷＭ信号を含み、前記各スイッチング素子の制御端子電圧は、前記制御パルスの立ち上がりに基づいて電圧が上昇し、立ち下がりに基づいて電圧が下降するものであって、前記制御端子電圧に対してオンオフするスイッチング素子のオン閾値が第１オン閾値でオフ閾値が第１オフ閾値であるスイッチング素子を正常にオンオフするスイッチング素子としたとき、前記複数のスイッチング素子の中に、前記正常にオンオフするスイッチング素子と、前記オン閾値が前記第１オン閾値とは異なる第２オン閾値となっているスイッチング素子とが含まれている場合に、前記設定値変更部は、前記ＰＷＭ信号のオン時間を設定変更の対象とし、前記設定値において前記制御パルスの立ち上がりエッジを固定、立ち下がりエッジを変更する。
上記態様によれば、制御パルス生成部においてスイッチング素子を動作させるための制御パルスの生成時に、設定値保持部にて保持される制御パルスのオン時間長さの設定値が参照されるが、設定値変更部を通じて設定値の変更が可能である。つまり、設定値の変更を通じて制御パルスのオン時間長さが調整され、スイッチング素子のオン時間の調整が可能となり、スイッチング素子の個体差による性能ばらつきを含む三相駆動電流の電流ばらつきの解消が図れる。
上記態様によれば、設定値変更部を通じて制御パルスのＰＷＭ信号のオン時間長さが調整、即ちスイッチング素子のＰＷＭスイッチング動作に基づく駆動電流の大きさが調整され、三相駆動電流の電流ばらつきの好適な解消が図れる。
上記態様によれば、設定値変更部は、設定値において制御パルスの立ち上がりエッジを固定、立ち下がりエッジを変更するため、一方のみの変更で簡易に対応可能である。
上記モータ制御装置において、前記オン閾値が前記第２オン閾値となっているスイッチング素子は、前記オフ閾値が前記第１オフ閾値となっている。
本発明のモータ制御装置によれば、三相駆動電流の電流ばらつきを解消し、ブラシレスモータの回転性能の向上を図ることができる。
一実施形態におけるモータ制御装置の概略構成図である。 スイッチング素子の動作を説明するための波形図である。 スイッチング素子の動作にて生成される三相駆動電流の波形図である。
以下、モータ制御装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、モータ制御装置１０は、例えば車載装置の駆動源として用いられるブラシレスモータ（以下モータ）２０を制御対象とし、モータ２０への給電を制御して回転制御を行うものである。モータ２０は、三相コイルとしてＵ相コイル２１ａ、Ｖ相コイル２１ｂ及びＷ相コイル２１ｃを備える。また、モータ２０は、ロータ（図示略）の回転角を検出する検出センサ２２を備える。
モータ制御装置１０は、駆動回路１１及び制御回路１２を備える。駆動回路１１は、６個の半導体スイッチング素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）、即ち第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を用いたブリッジ回路（フルブリッジ回路）１３を備える。第１、第３及び第５スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５はブリッジ回路１３のそれぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相の上アームに位置し、第２、第４及び第６スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６はブリッジ回路１３のそれぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相の下アームに位置する。ブリッジ回路１３は、第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオンオフ動作の組み合わせにて互いに１２０°の位相差を有する三相駆動電流（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相駆動電流）を生成する。この場合、第１及び第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２間の出力端子ｏ１からはＵ相駆動電流が、第３及び第４スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４間の出力端子ｏ２からはＶ相駆動電流が、第５及び第６スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６間の出力端子ｏ３からはＷ相駆動電流がＵ相、Ｖ相及びＷ相コイル２１ａ～２１ｃのそれぞれに出力される。
また、第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に対しては、オン期間中にＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）が実施される。ＰＷＭ制御対象は、三相駆動電流の生成時に各相対で動作する第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の一方側に設定され、順次変更する態様となっている。第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に対してＰＷＭ制御が実施されることで、モータ２０の三相コイル（各相コイル２１ａ～２１ｃ）に供給する三相駆動電流の大きさが調整される。このような第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオンオフ動作（ＰＷＭスイッチング動作を含む）は、自身の制御端子（ゲート端子）に入力される制御回路１２からの制御パルスに基づいて行われる。
制御回路１２は、制御パルス生成部１２ａ、回転角検出部１２ｂ、設定値保持部１２ｃ及び設定値変更部１２ｄを備える。
制御パルス生成部１２ａは、駆動回路１１（ブリッジ回路１３）の第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の制御端子にそれぞれ出力する制御パルスを生成する。制御パルスは、三相駆動電流の生成時に対で動作する第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６において、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオン期間（オフ期間）を設定するイネーブル信号と、そのオン期間中の各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に対してＰＷＭ制御を行うべくその時々のデューティ比（周期に対するオン時間比）に設定されるＰＷＭ信号とを含む。
回転角検出部１２ｂは、モータ２０の回転角に対応した検出センサ２２からの出力信号に基づき、モータ２０のロータの回転角を検出（認識）する。設定値保持部１２ｃは、制御パルスにおけるＰＷＭ信号のオン時間長さの設定値を保持する。設定値変更部１２ｄは、外部からの入力に基づいて設定値の変更（補正）を行う。設定値変更部１２ｄによる設定値の変更がなければ、設定値保持部１２ｃには初期値が設定値として保持されている。また、例えば設定変更者が制御回路１２に対して補正値を取り込む操作を行うと、設定値変更部１２ｄを通じてその補正値が新たな設定値として書き換えるようにして設定値保持部１２ｃに保持される。
次に、本実施形態のモータ制御装置１０の動作（作用）について説明する。
制御回路１２の制御パルス生成部１２ａは、回転角検出部１２ｂにて検出したモータ２０の回転角情報と、設定値保持部１２ｃに保持された制御パルスに関する設定値情報とを用い、更にその時々の三相駆動電流の出力電流指令値等に基づいて、第１～第６スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のそれぞれに対応したその時々の制御パルス（イネーブル信号及びＰＷＭ信号）の設定を行っている。
駆動回路１１のブリッジ回路１３は、制御回路１２にて設定された制御パルスに基づく各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオンオフ動作の組み合わせにより、互いに１２０°の位相差を有する三相駆動電流を生成する。また、制御パルスのＰＷＭ信号に基づく各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のＰＷＭスイッチング動作により、その時々において三相駆動電流の大きさが調整される。
このようにモータ制御装置１０において生成された三相駆動電流はモータ２０の三相コイル（各相コイル２１ａ～２１ｃ）にそれぞれ供給され、この三相駆動電流の供給を受けてモータ２０の回転駆動が行われるようになっている。
また、本実施形態のモータ制御装置１０においては、ブリッジ回路１３を構成する各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の個体差による性能ばらつきを含む、三相駆動電流の生成過程における諸要因にて生じ得る各相電流ばらつきを調整（補正）可能に構成されている。
図２に調整（補正）の一例を示す。制御パルスに基づいて各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の制御端子電圧（図２ではゲート電圧）が駆動回路１１内で生成され、これに基づいて各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６がオンオフ動作（図２ではＦＥＴ出力）する。一例では、Ｕ相の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とＷ相の各スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６とのオンオフタイミングが正常、Ｖ相の各スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の内の上アームの第３スイッチング素子Ｑ３のオンタイミングが早い場合（オフタイミングは正常）が示されている。尚、図２では制御パルスのＰＷＭ信号が示され、イネーブル信号は省略している。
各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の制御端子電圧（ゲート電圧）は、制御パルスの立ち上がりに基づいて次第に電圧が上昇し、立ち下がりに基づいて次第に電圧が下降する。このような制御端子電圧（ゲート電圧）に対し、正常にオンオフするＵ相及びＷ相の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６のオン閾値は「ａ１」、オフ閾値は「ａ２」である。一方、オンタイミングの早いＶ相の第３スイッチング素子Ｑ３のオン閾値は「ａ１ｘ」と若干低い。尚、Ｖ相の第３スイッチング素子Ｑ３のオフ閾値は「ａ２」である。また図示しないが、Ｖ相の第４スイッチング素子Ｑ４のオン閾値は「ａ１」、オフ閾値は「ａ２」である。
ここで、Ｖ相の第３スイッチング素子Ｑ３の性能ばらつきを未調整とした場合、制御パルスのオン時間「Ｔ１」に対し、Ｕ相及びＷ相の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６のオン時間は「Ｔ２」となるところ、Ｖ相の第３スイッチング素子Ｑ３のオン時間は「Ｔ２ｘ」と長くなる。これにより、図２に示す制御パルスのＰＷＭ信号は、オン時間「Ｔ１」が制御回路１２（制御パルス生成部１２ａ）で設定したデューティ比を反映したものであるため、オン時間が「Ｔ２ｘ」と長くなるとデューティ比が実質的に高くなったことに相当し、Ｖ相駆動電流がＵ相及びＷ相駆動電流よりも大きくなる。
つまり、図３において三相駆動電流の波形の破線部分で示されるように、Ｖ相駆動電流のプラス側が高く、一方でＵ相駆動電流のマイナス側、Ｗ相駆動電流のマイナス側が所々で低くなる。そのため、何も対策を講じないと、モータ２０の各相コイル２１ａ～２１ｃにて生じる磁束が所望値から乖離し、モータ２０から磁気音が発生する等の不具合発生の要因となり得る。
これを踏まえ、本実施形態のモータ制御装置１０は、制御回路１２に設けた設定値変更部１２ｄを通じて、Ｖ相の第３スイッチング素子Ｑ３の性能ばらつきによる各相電流ばらつきが調整可能である。
図２のＶ相調整後にて示されるように、未調整時のＶ相の第３スイッチング素子Ｑ３のオン時間「Ｔ２ｘ」が他と同様の「Ｔ２」となるように、制御パルスのオン時間が「Ｔ１ａ」まで短くなるような設定値（補正値）が、設定値変更部１２ｄを通じて設定値保持部１２ｃに新たに書き換えられ保持される。尚、本実施形態では、制御パルスの立ち上がりエッジは固定で立ち下がりエッジのみが変更され、オン時間長さの調整が行われる。これにより、Ｖ相の第３スイッチング素子Ｑ３においては、若干短いオン時間「Ｔ１ａ」に調整（補正）された制御パルスに基づき、制御端子電圧（ゲート電圧）とオン閾値「ａ１ｘ」及びオフ閾値「ａ２」とから、第３スイッチング素子Ｑ３のオン時間は他と同様に「Ｔ２」となる。
つまり、図３において三相駆動電流の波形の破線部分が実線で示されるように変更され、各相電流ばらつきが解消される。結果、モータ２０の各相コイル２１ａ～２１ｃにて生じる磁束が所望値となり、モータ２０から磁気音が発生する等の不具合の発生が抑えられている。
また上記は、Ｖ相の第３スイッチング素子Ｑ３のオン時間が他と比べて長い例であったが、各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の何れかでオン時間が所望時間長さに比して大小する個体差が生じた場合であっても同様な対処となる。即ち、未調整時の各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオン時間を計測し、各相電流ばらつきが許容値内であれば設定値保持部１２ｃにて保持されている設定値を維持し、各相電流ばらつきが許容値を超えれば許容値内に収まるような設定値に設定値保持部１２ｃ内の設定値が設定値変更部１２ｄを通じて書き換えられる。
次に、本実施形態の効果を以下に記載する。
（１）制御パルス生成部１２ａでの制御パルスの生成時に設定値保持部１２ｃにて保持される制御パルスのオン時間長さの設定値が参照されるが、本実施形態では設定値変更部１２ｄを通じて設定値の変更が可能である。つまり、設定値の変更を通じて制御パルスのオン時間長さが調整され、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオン時間の調整が可能となり、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の個体差による性能ばらつきを含む三相駆動電流の電流ばらつきの解消を図ることができる。結果、モータ２０の各相コイル２１ａ～２１ｃにて生じる磁束が所望値となり、モータ２０からの磁気音の発生が抑えられる等、モータ２０の回転性能の向上を図ることができる。
（２）設定値変更部１２ｄを通じて制御パルスのＰＷＭ信号のオン時間長さが調整されることで、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のＰＷＭスイッチング動作に基づく駆動電流の大きさが調整される。つまり、本実施形態では、三相駆動電流の電流ばらつきの好適な解消を図ることができる。
（３）設定値変更部１２ｄは、設定値において制御パルスの立ち上がりエッジを固定、立ち下がりエッジを変更するため、一方のみの変更で簡易に対応することができる。
尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・設定値変更部１２ｄにおいて、設定値において制御パルスの立ち上がりエッジを固定、立ち下がりエッジを変更する態様であったが、立ち上がりエッジを変更、立ち下がりエッジを固定とする態様としてもよい。また、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとの両方を変更する態様としてもよい。
・設定値変更部１２ｄを通じて制御パルスのＰＷＭ信号のオン時間長さを調整したが、ＰＷＭスイッチング動作よりも広いオン期間を設定するイネーブル信号にも適用してもよい。
・設定値変更部１２ｄは人の操作に基づいて設定値の変更を行う態様であったが、人を介さず自動で変更する態様であってもよい。
・ブリッジ回路１３は、６個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を用いたフルブリッジ回路にて構成されていたが、スイッチング素子の個数はこれに限らず適宜変更してもよく、またハーフブリッジ回路にて構成されたものであってもよい。
１１…駆動回路、１２…制御回路、１２ａ…制御パルス生成部、１２ｃ…設定値保持部、１２ｄ…設定値変更部、１３…ブリッジ回路、２０…ブラシレスモータ（モータ）、２１ａ～２１ｃ…Ｕ相、Ｖ相及びＷ相コイル（三相コイル）、Ｑ１～Ｑ６…スイッチング素子、Ｔ１，Ｔ１ａ…オン時間。

Claims (2)

  1. 複数のスイッチング素子を用いたブリッジ回路を含む駆動回路と、前記各スイッチング素子をオンオフ動作させる制御パルスを設定する制御回路とを備え、前記各スイッチング素子のオンオフ動作の組み合わせにて互いに位相差を有する三相駆動電流を生成しブラシレスモータの三相コイルに供給するモータ制御装置であって、
    前記制御回路は、前記制御パルスを生成する制御パルス生成部と、前記制御パルス生成部において前記制御パルスの生成時に参照する前記制御パルスのオン時間長さの設定値を保持する設定値保持部とを備え、更に前記設定値保持部にて保持される前記設定値を変更する設定値変更部を備え、
    前記制御パルスは、前記各スイッチング素子のオン期間中にＰＷＭ制御を行うＰＷＭ信号を含み、
    前記各スイッチング素子の制御端子電圧は、前記制御パルスの立ち上がりに基づいて電圧が上昇し、立ち下がりに基づいて電圧が下降するものであって、
    前記制御端子電圧に対してオンオフするスイッチング素子のオン閾値が第１オン閾値でオフ閾値が第１オフ閾値であるスイッチング素子を正常にオンオフするスイッチング素子としたとき、前記複数のスイッチング素子の中に、前記正常にオンオフするスイッチング素子と、前記オン閾値が前記第１オン閾値とは異なる第２オン閾値となっているスイッチング素子とが含まれている場合に、
    前記設定値変更部は、前記ＰＷＭ信号のオン時間を設定変更の対象とし、前記設定値において前記制御パルスの立ち上がりエッジを固定、立ち下がりエッジを変更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、
    前記オン閾値が前記第２オン閾値となっているスイッチング素子は、前記オフ閾値が前記第１オフ閾値となっていることを特徴とするモータ制御装置。
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