JP7383493B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は直流（ＤＣ）モータの制御技術に関し、特に、電機子電流に含まれる電流リップルからパルス（矩形波）信号を生成してモータの駆動制御を行うモータ制御装置における誤パルス発生防止技術に関する。

従来より、ブラシ付きＤＣモータの動作制御に際し、その回転数や回転角度を検出する手法として、ブラシと整流子片の接触が切り替わる際に生じる電流リップルを利用した所謂センサレスポジショニングが知られている。例えば、特許文献１には、ブラシが隣接する次の整流子片に切り替わる際に、モータ電流中に生じるスパイク状のパルス出力を検出してモータ回転数を検出する構成が記載されている。

一方、ブラシ付きＤＣモータにおける電流リップル波形のレベルは、モータ電流と比例関係で増減する。ところが、モータ電流は、モータの負荷状態により大きく変化するため、負荷変化と共にリップル波形も大きく変動する。また、モータ電流には、モータから発生するブラシノイズも重畳されている。このため、これらの不安定要素を含むモータ電流から電流リップルのみを抽出するのは容易ではない。

そこで、特許文献２のように、電機子電流の変化を電圧変化信号として出力し、この電圧変化信号から電流リップル成分とノイズ成分を抽出し、そこからノイズ成分を除去して電流リップル成分のみを抽出し、それをデジタル信号に変換することにより、電流リップルからパルス信号を生成して出力するシステムも提案されている。このシステムでは、従来のモータ構成そのままで電流リップルを取り出してパルス化でき、モータの性能や特性を損なうことなくリップルセンシングが実施される。

特開２００９－１５９６７４号公報 特開２０１８－７４６６２号公報

ところが、特許文献２のような方式においても、モータが作動しておらず、電流リップルも発生していない状態のとき、静電気やラジオ、サージ、通信機器、他の制御機器からのノイズの回り込みなどにより、リップル波形と同様な周波数、電圧の外乱がシステムに入力されるとパルスが誤出力されてしまう懸念があった。図３は、モータ作動状態とパルス出力（リップルパルス）の状態を示すタイムチャートであり、図３に示すように、モータが停止している状態（Ｘ部）では、本来、リップルパルスも出力されないはずであるが、ノイズ等が入力されると、破線のような誤パルスが発生してしまう可能性がある。

このような誤パルスが生じると、パルスカウント値にズレが生じ、モータの回転角度情報等に誤差が発生し、モータの動作制御に支障を来すおそれがある。例えば、特許文献２のようなシステムをパワーウインド用モータに用いた場合、パルスカウントのズレは窓位置の誤検知につながり、窓の動作速度が想定から外れたり、挟み込み検知のマスク領域の認識にズレが生じたりするなどのおそれがあった。

本発明の目的は、電流リップルからパルス信号を生成してモータの駆動制御を行うモータ制御装置において、非通電・停止時にノイズ等によって生じる誤パルスの発生を防止することにある。

本発明のモータ制御装置は、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルをパルス信号として出力するリップルパルス変換部と、前記直流モータの電機子電流から電流リップルを検出する感度を調整する検出感度調整部と、を有するモータ制御装置であって、前記リップル検出感度調整部は、前記直流モータが通電されておらず、かつ、該直流モータが作動していないとき、前記電流リップルの検出感度を低下させることを特徴とする。

本発明にあっては、リップル検出感度調整部により、モータが非通電・停止状態のとき、電流リップルの検出感度を低下させる。これにより、パルス信号が発生しないはずの非通電・停止期間にノイズ等による外乱が生じても、誤パルスの発生を抑えることができる。このため、例えば、パルスカウントに基づいてモータの制御を行う場合においても、カウント値のズレを防止でき、モータの回転角度情報等の誤差を抑え、モータの制御精度の向上を図ることが可能となる。

前記モータ制御装置において、前記リップル検出感度調整部に、前記直流モータの端子電圧に基づいて、前記直流モータの通電状態を判定するモータ電圧入力判断部と、前記リップルパルス変換部から出力される前記パルス信号に基づいて、前記直流モータの作動状態を判定するリップルパルス入力判断部と、前記モータ電圧入力判断部と前記リップルパルス入力判断部の判断結果に基づき、前記直流モータが非通電状態でかつ停止状態と判断される場合は、前記リップルパルス変換部における増幅度を低下させ、前記電流リップルの検出感度を低下させる増幅度調整部と、を設けても良い。

この場合、前記モータ電圧入力判断部は、前記直流モータ前後の電圧をそれぞれ検出し、両者の電圧値に基づいて、前記直流モータに対する通電の有無を判定するようにしても良い。また、前記リップルパルス入力判断部に、前記パルス信号をＤＣ成分とパルス信号に分別するリップルパルス検出部と、前記リップルパルス検出部にて分別されたパルス信号をＤＣ成分に変換するリップルパルス平滑部と、前記リップルパルス平滑部にてＤＣ成分に変換されたパルス信号の電圧値が、所定の基準電圧を超えている場合に信号を出力する差動増幅部と、を設けても良い。

一方、本発明のモータ制御方法は、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルから生成したパルス信号に基づいて前記直流モータの動作制御を行うモータ制御方法であって、前記直流モータが通電されておらず、かつ、該直流モータが作動していないとき、前記電流リップルの検出感度を低下させることを特徴とする。

本発明にあっては、モータが非通電・停止状態のとき、電流リップルの検出感度を低下させる。これにより、パルス信号が発生しないはずの非通電・停止期間にノイズ等による外乱が生じても、誤パルスの発生を抑えることができる。このため、例えば、パルスカウントに基づいてモータの制御を行う場合においても、カウント値のズレを防止でき、モータの回転角度情報等の誤差を抑え、モータの制御精度の向上を図ることが可能となる。

本発明のモータ制御装置によれば、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルからパルス信号を生成するリップルパルス変換部を有するモータ制御装置にて、直流モータが通電されておらず、かつ、作動していないとき、電流リップルの検出感度を低下させるリップル検出感度調整部を設けたので、非通電・停止時にノイズ等による外乱が生じても、誤パルスの発生を抑えることができる。このため、例えば、パルスカウントに基づいてモータの制御を行う場合においても、カウント値のズレを防止でき、モータの回転角度情報等の誤差を抑え、モータの制御精度の向上を図ることが可能となる。

本発明のモータ制御方法によれば、直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルから生成したパルス信号に基づいて直流モータの動作制御を行うモータ制御方法にて、直流モータが通電されておらず、かつ、作動していないとき、電流リップルの検出感度を低下させるので、非通電・停止時にノイズ等による外乱が生じても、誤パルスの発生を抑えることができる。このため、例えば、パルスカウントに基づいてモータの制御を行う場合においても、カウント値のズレを防止でき、モータの回転角度情報等の誤差を抑え、モータの制御精度の向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態であるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図１のモータ制御装置に配設されるリップル検出感度調整部における真理値表である。 モータ動作とリップルパルスとの関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるモータ制御装置１の構成を示すブロック図であり、モータ制御装置１は、例えば、車両のパワーウインド用モータの動作制御に適用される。モータ制御装置１には、モータ電流（電機子電流）に含まれる電流リップルを、ホールＩＣ等を用いることなく抽出し、パルス信号の形で出力するリップルパルス変換部１０が設けられている。

リップルパルス変換部１０は、モータドライバ（電源）２からブラシ付きＤＣモータ３（以下、モータ３と略記する）に電力を供給する電源ライン４上に配置される。電源ライン４にはシャント抵抗５が設けられており、リップルパルス変換部１０は、シャント抵抗５の前後（モータドライバ２側とモータ３側）に接続される。モータ制御装置１は、リップルパルス変換部１０からのパルス出力（リップルパルス）に基づいて、モータ３の回転数や回転方向等を算出し、モータ３の動作制御を行う。

リップルパルス変換部１０には、電流検出部１１や、第１平滑回路１２、利得調整部１３、第２平滑回路１４、リップル検出部１５、デジタル信号変換部１６が設けられている。電流検出部１１は、シャント抵抗５の前後の電圧差（電圧降下）を検出してモータ駆動電流を検知する一方、その変化を電圧変化信号として出力する。この電圧変化信号は、第１平滑回路１２から利得調整部１３→第２平滑回路１４→リップル検出部１５と送られ、電圧変化信号からノイズ成分が除去され電流リップル成分のみが抽出される。抽出された電流リップル成分は、デジタル信号変換部１６によってエンコーダ出力相当のパルス信号に変換され、リップルパルスが生成、出力される。

リップルパルス変換部１０によって形成されたパルス信号は、各パルスが、ブラシと整流子片との接触の切り替わりに対応している。ブラシと整流子片の数はモータごとに予め定まっているため、このパルスをカウントすることにより、モータ３の回転数を算出することができる。すなわち、モータ電流中の電流リップルから、ホールＩＣ等の回転検出部材を用いることなくモータ３の回転数が検出される。その際、リップルパルス変換部１０は、従来のモータ構成そのままでモータ電流からリップル抽出が可能である。

一方、本発明によるモータ制御装置１にはさらに、モータ電流から電流リップルを検出する感度を調整するリップル検出感度調整部２１が設けられている。リップル検出感度調整部２１は、モータ電圧入力判断部２２と、リップルパルス入力判断部２３、増幅度調整部２４を備えており、モータ３が通電されておらず、かつ、作動していないとき、リップルパルス変換部１０における増幅度を低下させて電流リップルの検出感度を低下させる。

モータ電圧入力判断部２２は、図１に示すように、モータ３前後の電圧ＶＡ,ＶＢ（モータ端子電圧）をそれぞれ検出し、両者の電圧値に基づいて、モータ３に対する通電状態（通電の有無）を判定する。リップルパルス入力判断部２３は、リップルパルスの存否からモータ３の作動状態（回転しているか、停止しているか）を判定する。増幅度調整部２４は、モータ電圧入力判断部２２とリップルパルス入力判断部２３からの出力に基づき、利得調整部１３における増幅度を調整し（ゲインコントロール）、電流リップルの検出感度を調整する。

この場合、リップルパルス入力判断部２３は、リップルパルス変換部１０から出力されるリップルパルスをＤＣ成分（直流成分）とパルス信号に分別するリップルパルス検出部２５と、リップルパルス検出部２５にて分別されたパルス信号をＤＣ成分に変換するリップルパルス平滑部２６と、リップルパルス平滑部にてＤＣ成分に変換されたパルス信号の電圧値が、所定の基準電圧（Bias電圧：Ｖoff）を超えている場合に信号を出力する差動増幅部２７とを備えている。

また、増幅度調整部２４は、モータ３が非通電状態にあり、リップルパルスが連続して発生しないときは、モータ３が停止状態にあるとみなし、リップルパルス変換部１０の増幅度を下げるよう機能し、リップル検出感度を低下させる。これにより、リップルパルス変換部１０では、外乱入力があっても、それに応じたパルスが発生せず、外乱による誤パルス発生が抑制される。図２は、リップル検出感度調整部２１における真理値表であり、リップル検出感度調整部２１は次のような処理により、リップルパルス変換部１０の利得を調整する。

（１）モータ通電・定常回転の場合
モータ３が通電状態で定常回転しているときは、モータ３の端子電圧ＶＡ,ＶＢの何れかは「Ｈ（Ｈｉ）」となる。ここでは、ＣＷ回転のとき「ＶＡ：Ｈ，ＶＢ：Ｌ（Ｌｏｗ）」、ＣＣＷ回転のとき「ＶＡ：Ｌ，ＶＢ：Ｈ」に設定されている。したがって、通電・定常回転の場合、ＮＯＴ３１,３２を経た後の出力Ｄ（ＮＡＮＤ３３の出力）は、ＣＷ回転・ＣＣＷ回転何れの場合も「Ｈ」となる。すなわち、モータ３に通電されている場合、モータ電圧入力判断部２２からの出力は「Ｈ」となる。

一方、リップルパルス入力判断部２３には、リップルパルス変換部１０からリップルパルス（以下、ＲＰと略記する）が入力されている。リップルパルス入力判断部２３では、ＲＰ未発生時にＲＰ出力が「Ｈ」固定となる場合もあるため、まず、微分回路を用いたリップルパルス検出部２５にて、リップルパルスをＤＣ成分とパルス信号に分別する。次に、リップルパルス検出部２５で得たパルス信号をリップルパルス平滑部２６にてＤＣ成分に変換する。リップルパルス平滑部２６の出力Ａは、差動増幅部２７に入力され、所定のBias電圧（Ｖoff）との関係に基づいて出力Ｂが生じる。

この場合、Bias電圧は、外乱と通常作動時を分別するため、連続して数十パルス以上（例えば、２０パルス以上）発生している場合は出力Ａ＞Ｖoffとなるように設定されている。したがって、通電・定常回転では、ＲＰが数十パルス以上連続して出力されているため、リップルパルス平滑部２６の出力ＡはBias電圧よりも大きくなり、差動増幅部２７の出力Ｂは「Ｈ」となる。

増幅度調整部２４には、モータ電圧入力判断部２２から出力Ｄ：「Ｈ」、差動増幅部２７から出力Ｂ：「Ｈ」が入力され、ＮＡＮＤ３４の入力Ｅ,Ｃは、ＮＯＴ３５,３６によりそれぞれ「Ｌ」,「Ｌ」となる。したがって、ＮＡＮＤ３４の出力Ｆは「Ｈ」となり、ＮＯＴ３７の出力Ｇは「Ｌ」となる。これにより、トランジスタ（スイッチング素子）３８のゲートは「Ｌ」となり、トランジスタ３８のコレクタ側Ｐはオープンとなる。その結果、利得調整部１３に対するゲインコントロールは行われず、通常の増幅度にてリップルパルス検出が行われ、モータ３の駆動制御が実施される。

（２）モータ非通電・惰走回転の場合
モータ３が通電されていない状態であるが惰走回転しているときも、厳密にはモータ３に誘起電圧が生じており、モニタされている端子電圧ＶＡ,ＶＢの何れかは「Ｈ」となる。しかし、その際の誘起電圧は通電・定常回転時と比べると非常に小さい。このため、リップル検出感度調整部２１では、ＶＡ,ＶＢが所定電圧未満の場合には「Ｌ」とする。その結果、ＮＡＮＤ３３には、ＮＯＴ３１,３２を介して「Ｈ」,「Ｈ」が入力され、非通電・惰走回転の場合は、出力ＤはＣＷ回転・ＣＣＷ回転何れの場合も「Ｌ」となる。

一方、惰走回転時には、リップルパルス入力判断部２３に対し、停止時とは異なり、ある程度連続した数十パルス以上のＲＰが入力される。したがって、非通電・惰走回転の場合、出力ＡはBias電圧よりも大きくなり、差動増幅部２７の出力Ｂは「Ｈ」となる。増幅度調整部２４には、モータ電圧入力判断部２２から出力Ｄ：「Ｌ」、差動増幅部２７から出力Ｂ：「Ｈ」が入力され、ＮＡＮＤ３４の入力Ｅ,Ｃは、ＮＯＴ３５,３６によりそれぞれ「Ｈ」,「Ｌ」となる。したがって、ＮＡＮＤ３４の出力Ｆは「Ｈ」、ＮＯＴ３７の出力Ｇは「Ｌ」となり、トランジスタ３８のコレクタ側Ｐはオープンとなる。その結果、利得調整部１３に対するゲインコントロールは行われず、通常の増幅度にてモータ３の駆動制御（リップルパルス検出）が実施される。

（３）モータ非通電・逆転の場合
モータ３は、定常回転時に回転が拘束され、その後、通電がオフされると、モータ機構の反作用によりモータ３が逆転する場合がある。この場合、端子電圧ＶＡ,ＶＢの何れかは「Ｈ」となるが、非通電・惰走のときと同様、その際の誘起電圧は定常回転時と比べると微小であるため、リップル検出感度調整部２１では、ＶＡ,ＶＢを「Ｌ」として取り扱う。その結果、ＮＡＮＤ３３には、ＮＯＴ３１,３２を介して「Ｈ」,「Ｈ」が入力され、非通電・逆転の場合も、出力ＤはＣＷ回転・ＣＣＷ回転何れの場合も「Ｌ」となる。

また、逆転時も、リップルパルス入力判断部２３には、ある程度連続した数十パルス以上のＲＰが入力されるため、非通電・惰走のときと同様に、差動増幅部２７の出力Ｂは「Ｈ」となる。そして、増幅度調整部２４には、非通電・惰走の場合と同様に、モータ電圧入力判断部２２から出力Ｄ：「Ｌ」、差動増幅部２７から出力Ｂ：「Ｈ」が入力され、ＮＡＮＤ３４の入力Ｅ,Ｃは、ＮＯＴ３５,３６によりそれぞれ「Ｈ」,「Ｌ」となる。したがって、ＮＡＮＤ３４の出力Ｆは「Ｈ」、ＮＯＴ３７の出力Ｇは「Ｌ」、トランジスタ３８のコレクタ側Ｐがオープンとなり、利得調整部１３に対するゲインコントロールも行われない。

（４）モータ非通電・停止の場合
モータ３が通電されていない状態で停止しているときは、ＶＡ,ＶＢは「Ｌ」となる。その結果、ＮＡＮＤ３３には、ＮＯＴ３１,３２を介して「Ｈ」,「Ｈ」が入力され、非通電・停止の場合は、出力Ｄは「Ｌ」となる。また、停止時には、リップルパルス入力判断部２３に連続したＲＰは入力されない。したがって、停止の場合、出力ＡはBias電圧よりも小さくなり、差動増幅部２７の出力Ｂは「Ｌ」となる。

このとき、増幅度調整部２４には、モータ電圧入力判断部２２から出力Ｄ：「Ｌ」、差動増幅部２７から出力Ｂ：「Ｌ」が入力され、ＮＡＮＤ３４の入力Ｅ,Ｃは、ＮＯＴ３５,３６によりそれぞれ「Ｈ」,「Ｈ」となる。したがって、ＮＡＮＤ３４の出力Ｆは「Ｌ」、ＮＯＴ３７の出力Ｇは「Ｈ」となる。すると、このときトランジスタ３８のゲートは「Ｈ」となり、トランジスタ３８のコレクタ側Ｐはエミッタ側と導通して接地し「Ｌ」となる。その結果、利得調整部１３のゲインコントロール電圧が「Ｌ」となり、増幅度が下げられる。これにより、リップルパルス変換部１０の感度が低くなり、図３Ｘ部（モータ停止時）にノイズ等が入力されても、破線のような誤パルスの発生を抑制することができる。

このように、本発明のモータ制御装置１では、モータ電流に含まれる電流リップルを抽出してリップルパルスを出力するリップルパルス変換部１０に、モータ３が非通電・停止状態のとき、電流リップルの検出感度を低下させるリップル検出感度調整部２１を設けることにより、リップルパルス未発生期間にノイズ等による外乱が生じても、誤パルスの発生を抑えることができる。このため、例えば、パルスカウントに基づいてモータの制御を行う場合においても、カウント値のズレを防止でき、モータの回転角度情報等の誤差を抑え、モータの制御精度の向上を図ることが可能となる。したがって、本実施の形態のように、パワーウインド用モータに当該制御装置を用いることにより、パルスカウントのズレによる窓位置の誤検知を防止できる。その結果、パワーウインドの制御精度の向上が図られ、窓の動作速度や挟み込み検知などの制御精度も向上する。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述のモータ制御装置の機能は、リップルパルス変換部１０やリップル検出感度調整部２１などのハードウエア的な構成ではなく、ソフトウエア上にてこれらの機能を代替・実現することも可能である。

本発明によるモータ制御装置は、パワーウインド用モータの動作制御のみならず、ワイパやパワーシート等の他の車載電動装置や、ブラシ付きモータを用いた家庭用電気製品等、モータ駆動電流からパルスを検出する技術を用いた機器に広く適用可能である。

１ モータ制御装置
２ モータドライバ
３ ブラシ付きＤＣモータ
４ 電源ライン
５ シャント抵抗
１０ リップルパルス変換部
１１ 電流検出部
１２ 第１平滑回路
１３ 利得調整部
１４ 第２平滑回路
１５ リップル検出部
１６ デジタル信号変換部
２１ リップル検出感度調整部
２２ モータ電圧入力判断部
２３ リップルパルス入力判断部
２４ 増幅度調整部
２５ リップルパルス検出部
２６ リップルパルス平滑部
２７ 差動増幅部
３１ ＮＯＴ
３２ ＮＯＴ
３３ ＮＡＮＤ
３４ ＮＡＮＤ
３５ ＮＯＴ
３６ ＮＯＴ
３７ ＮＯＴ
３８ トランジスタ

Claims (5)

1. 直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルをパルス信号として出力するリップルパルス変換部と、
   前記直流モータの前記電機子電流から電流リップルを検出する感度を調整するリップル検出感度調整部と、を有するモータ制御装置であって、
   前記リップル検出感度調整部は、前記直流モータが通電されておらず、かつ、該直流モータが作動していないとき、前記電流リップルの検出感度を低下させることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１記載のモータ制御装置において、
   前記リップル検出感度調整部は、
   前記直流モータの端子電圧に基づいて、前記直流モータの通電状態を判定するモータ電圧入力判断部と、
   前記リップルパルス変換部から出力される前記パルス信号に基づいて、前記直流モータの作動状態を判定するリップルパルス入力判断部と、
   前記モータ電圧入力判断部と前記リップルパルス入力判断部の判断結果に基づき、前記直流モータが非通電状態でかつ停止状態と判断される場合は、前記リップルパルス変換部における増幅度を低下させ、前記電流リップルの検出感度を低下させる増幅度調整部と、を有することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項２記載のモータ制御装置において、
   前記モータ電圧入力判断部は、前記直流モータ前後の電圧をそれぞれ検出し、両者の電圧値に基づいて、前記直流モータに対する通電の有無を判定することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項２記載のモータ制御装置において、
   前記リップルパルス入力判断部は、
   前記パルス信号をＤＣ成分とパルス信号に分別するリップルパルス検出部と、
   前記リップルパルス検出部にて分別されたパルス信号をＤＣ成分に変換するリップルパルス平滑部と、
   前記リップルパルス平滑部にてＤＣ成分に変換されたパルス信号の電圧値が、所定の基準電圧を超えている場合に信号を出力する差動増幅部と、を有することを特徴とするモータ制御装置。
5. 直流モータの電機子電流に含まれる電流リップルを検出し、前記電流リップルから生成したパルス信号に基づいて前記直流モータの動作制御を行うモータ制御方法であって、
   前記直流モータが通電されておらず、かつ、該直流モータが作動していないとき、前記電流リップルの検出感度を低下させることを特徴とするモータ制御方法。

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