JPWO2013132733A1 - モータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システム - Google Patents

モータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システム Download PDF

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Abstract

本モータ制御装置は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉから速度指令値Ｖｒを復調するＰＷＭ復調処理部と、速度指令値Ｖｒに応じてモータの駆動値Ｄｄを生成する回転制御部と、駆動値Ｄｄに基づいて巻線を通電駆動する駆動電圧Ｕｏ、Ｖｏ、Ｗｏを生成する通電駆動部と、外部に通知するための通知信号としての速度検出値Ｖｄを生成する回転速度算出部と、速度検出値Ｖｄによりパルス幅変調したＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成するＰＷＭ変調処理部とを備える。そして、ＰＷＭ変調処理部は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉに同期したＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成し、送出する。

Description

本発明は、上位コントローラなどからの指令に従ってモータの回転速度などを制御するモータ制御装置、このモータ制御装置を備えたブラシレスモータ、および上位コントローラとこのブラシレスモータを含むモータ制御システムに関し、特に、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調）された速度指令信号によってモータ回転速度を制御するモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムに関する。
従来、このようなモータ制御装置を含むモータ制御システムの一例として、例えば、特許文献１では、車両に搭載するファンモータをＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）などの上位コントローラによって制御する技術が開示されている。この文献の上位コントローラは、駆動制御回路を備えたブラシレスモータに対して、ファンの回転速度指令をＰＷＭ信号として与える。そして、駆動制御回路は、ＰＷＭ信号のデューティに応じた回転速度でファンを回転させている。また、例えば、特許文献２では、ＰＷＭ信号による回転速度指令に加えて、モータ制御部から上位コントローラに対して回転検出信号を出力するような構成が開示されている。
ところで、このようなモータ制御システムでは、近年、パルス信号を利用したデジタル信号で制御されることが多くなっている。このようなデジタル処理によれば、柔軟な処理が可能となる一方、パルス信号に基づくノイズが電磁輻射され、他の機器に影響を与える可能性が高くなる。例えば、車両に装備する上述のようなモータ制御システムの場合、モータ本体や電源あるいは制御ラインなどからノイズが電磁輻射され、車両搭載のラジオ等に悪影響を与えるおそれがあった。
このようなノイズの影響を抑制するため、コンデンサやインダクタンス素子を用いたノイズ防止回路を設けたり、ノイズ発生源をシールドしたり、あるいは給電線や制御線をできるだけ短くするような配置構成とたりするなどの手段が用いられてきた。また、特許文献３では、車両において、ツイストペア構造を有したケーブルを用いて信号を伝送し、伝播する信号によって発生する磁界を相殺し、電磁波の不要輻射を低減するような手法を開示している。
しかしながら、電磁輻射を低減する手法として、上述したようなノイズ防止回路、シールド手段やツイストペア構造のケーブルなどの手法は、ノイズ対策用としての回路部品やシールド部材などの増加を招いたり、ツイストペアケーブルのような特殊なケーブル部材が必要としたりするなどの課題があった。また、給電線や制御線を短くする構成の場合、電源やモータなどの配置が限られてしまうという課題があった。
特開２００８−１４８５４２号公報 特開２０１１−１３０５３２号公報 特開２００９−１０４９０７号公報
本発明のモータ制御装置は、回転速度指令をパルス幅変調したＰＷＭ指令信号を受け取り、回転速度指令に応じた回転速度となるように、モータを回転制御するモータ制御装置である。本モータ制御装置は、ＰＷＭ指令信号を復調し、回転速度指令を速度指令値として復元するＰＷＭ復調処理部と、速度指令値に応じてモータの駆動値を生成する回転制御部と、駆動値に基づいてモータの巻線を通電駆動する駆動電圧を生成する通電駆動部と、外部に通知するための通知信号を生成する通知信号生成部と、通知信号によりパルス幅変調したＰＷＭ通知信号を生成するＰＷＭ変調処理部とを備える。そして、ＰＷＭ変調処理部は、ＰＷＭ指令信号に同期したＰＷＭ通知信号を生成し、送出する構成である。
また、本発明のブラシレスモータは、ロータと、３相の巻線を備えたステータと、巻線を通電駆動する本発明のモータ制御装置とを備えた構成である。
また、本発明のモータ制御システムは、本発明のブラシレスモータと、ブラシレスモータに対してＰＷＭ指令信号を出力するとともに、ブラシレスモータからＰＷＭ通知信号を受け取り、ブラシレスモータの回転制御を行う上位コントローラとを備えた構成である。
このような構成により、ＰＷＭ指令信号とＰＷＭ通知信号とが同期することで、両信号のパルス周期が等しくなり、ＰＷＭ指令信号の伝送線から輻射される磁界とＰＷＭ通知信号の伝送線から輻射される磁界とが、常にほぼ逆方向の磁界となる。このため、両伝送線から輻射される不要輻射が打ち消されることになり、不要輻射を低減できる。
このように、本発明のモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムによれば、モータ側で受け取るＰＷＭ指令信号とモータ側から送出するＰＷＭ通知信号とのパルス周期を互いに同期させるのみで、不要輻射を低減できる。このため、本発明によれば、ノイズ対策用としての特別な部品や部材を必要せず、簡易な構成で不要輻射を低減できるモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムを提供できる。
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御システムのブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置のＰＷＭ復調処理部とＰＷＭ変調処理部とのブロック図である。 図３Ａは、同モータ制御装置におけるＰＷＭ指令信号Ｓｉの信号波形を示す図である。 図３Ｂは、同モータ制御装置におけるパルス開始信号Ｐｓのタイミングを示す図である。 図３Ｃは、同モータ制御装置におけるＰＷＭ通知信号Ｆｐの信号波形を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの断面図である。
以下、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムについて図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御システム１００のブロック図である。本実施の形態では、本発明のモータ制御装置１０を備えたブラシレスモータ５０を含むモータ制御システム１００の構成を挙げて説明する。
図１に示すように、本実施の形態のモータ制御システム１００は、ブラシレスモータ５０と、このブラシレスモータ５０を制御する上位コントローラ１１とを含む構成である。また、詳細については以下で説明するが、本実施の形態では、ブラシレスモータ５０が、モータ制御装置１０を構成する回路部品を実装した構成としている。すなわち、図１に示すように、ブラシレスモータ５０において、モータ制御装置１０がモータ４０を回転制御する。
モータ４０は、ロータと巻線５６を有したステータとを備えており、巻線５６を通電駆動することでロータが回転する。本実施の形態では、互いに１２０度位相が異なるＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする３相でモータ４０を駆動するブラシレスモータ５０の一例を挙げて説明する。このような３相駆動を行うため、モータ４０は、巻線５６として、Ｕ相を駆動する巻線５６Ｕ、Ｖ相を駆動する巻線５６ＶおよびＷ相を駆動する巻線５６Ｗを有している。
モータ制御装置１０は、相ごとに巻線５６に所定の波形の駆動電圧を印加する。これによって、ロータは、モータ制御装置１０からの回転制御に従った回転速度で回転する。また、このような回転制御を行うため、モータ４０には、ロータの回転位置や回転速度を検出するためのセンサが配置されている。本実施の形態では、ロータの回転位置を検出するために各相に対応させて、ホール素子などの３つの位置検出センサ４９をモータ４０に配置している。そして、モータ制御装置１０には、位置検出センサ４９からのセンサ信号Ｄｅｔが供給されている。
また、図１に示すように、モータ制御装置１０は、信号伝送線１９を介して上位コントローラ１１と信号接続されている。
上位コントローラ１１は、例えば、ブラシレスモータ５０が搭載される機器などに備えられ、マイコン（マイクロコンピュータ）あるいはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などで構成される。また、ブラシレスモータ５０が車両に搭載される電装用モータの場合は、ＥＣＵのようなコントローラである。モータ制御装置１０には、このような上位コントローラ１１から信号伝送線１９を介して、モータ４０を回転制御するための指令が通知される。また、逆に、ブラシレスモータ５０における情報が、モータ制御装置１０から信号伝送線１９を介して、上位コントローラ１１に通知される。
本実施の形態では、上位コントローラ１１からの指令として、モータ４０の回転速度を指令する回転速度指令がモータ制御装置１０に通知される。また、回転速度指令によって指令される回転速度は、信号伝送線１９ｓを介して、パルス幅変調されたＰＷＭ指令信号Ｓｉとして通知される。
さらに、モータ制御装置１０から上位コントローラ１１に対して、所定の情報が通知される。本実施の形態では、通知する情報として、検出回転速度の情報を通知するような一例を挙げて説明する。すなわち、モータ制御装置１０は、検出回転速度を示す情報を、通知信号として上位コントローラ１１に通知する。ここで、検出回転速度は、モータ制御装置１０によって検出されたモータ４０の回転速度であり、実回転速度に相当する。また、ＰＷＭ指令信号Ｓｉと同様に、このような通知信号は、信号伝送線１９ｆを介して、パルス幅変調されたＰＷＭ通知信号Ｆｐとして上位コントローラ１１に通知される。また、回転速度指令や検出回転速度としては、例えば１分間あたりの回転数（ｒｐｍ）を用いている。
次に、モータ制御装置１０の構成について説明する。モータ制御装置１０は、回転制御部１２、ＰＷＭ駆動回路１４、インバータ１５、位置検出部１６、回転速度算出部１７、ＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０を備えている。そして、モータ制御装置１０には、上述したように、モータ４０に配置した３つの位置検出センサ４９から、センサ信号Ｄｅｔが供給されている。さらに、モータ制御装置１０は、ＰＷＭ信号を伝送する信号伝送線１９を介して、上位コントローラ１１と接続されている。
まず、位置検出センサ４９からのセンサ信号Ｄｅｔは、位置検出部１６に供給される。位置検出部１６は、ロータの回転に伴う磁極変化に応じて変化するセンサ信号Ｄｅｔから、各相の位置情報を検出する。例えば、位置検出部１６は、磁極変化時点においてセンサ信号Ｄｅｔがゼロクロスするタイミングを検出し、この検出したタイミングに基づく位置検出信号Ｐｄを出力する。すなわち、回転するロータの回転位置はこのような検出タイミングと対応しており、検出タイミングを利用して回転位置を検出できる。また、位置検出信号Ｐｄは、具体的には、例えばこのような検出タイミングを示すパルス信号とすればよい。位置検出部１６は、それぞれの相に対応した位置検出信号Ｐｄを、回転速度算出部１７に供給する。
回転速度算出部１７は、位置検出信号Ｐｄが示す回転位置に基づき、例えば微分演算などによりロータの回転速度を算出する。回転速度算出部１７は、算出した回転速度を速度検出値Ｖｄとして時系列に回転制御部１２およびＰＷＭ変調処理部３０に供給する。なお、本実施の形態では、位置検出センサ４９からのセンサ信号Ｄｅｔに基づいて速度検出値Ｖｄを生成するような一例を挙げて説明するが、速度検出手段によりロータ速度を検出し、この検出結果に基づき速度検出値Ｖｄを生成するような構成であってもよい。すなわち、速度検出値Ｖｄは、モータの実回転から検出した速度を示す時系列の値や信号であればよい。また、本実施の形態では、回転速度算出部１７が、外部に通知するための通知信号を生成する通知信号生成部として機能する。
一方、ＰＷＭ復調処理部２０は、上位コントローラ１１から送出されたＰＷＭ指令信号Ｓｉを受け取り、パルス幅変調された信号を復調する動作を行う。ＰＷＭ復調処理部２０は、この復調動作によって、受け取ったＰＷＭ指令信号Ｓｉから速度指令値Ｖｒを時系列に復元する。ＰＷＭ指令信号Ｓｉは、上位コントローラ１１が指令する回転速度、すなわち回転速度指令に応じたパルス幅のパルスで構成されるパルス信号である。ＰＷＭ復調処理部２０は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉの各パルスのパルス幅、あるいはパルス幅に対応するデューティを検出することによって、ＰＷＭ指令信号Ｓｉを復調する。そして、ＰＷＭ復調処理部２０は、復調動作によって復元した速度指令値Ｖｒを時系列に出力する。ＰＷＭ復調処理部２０がこのように動作することによって、上位コントローラ１１の回転速度指令が速度指令値Ｖｒとして復元される。
速度指令値Ｖｒは、回転制御部１２に供給される。また、回転制御部１２には、回転速度算出部１７で算出された速度検出値Ｖｄが供給されている。回転制御部１２は、速度指令値Ｖｒと速度検出値Ｖｄとに基づき、巻線５６への駆動量を示す駆動値Ｄｄを生成する。具体的には、回転制御部１２は、速度指令を示す速度指令値Ｖｒと、実速度に対応した検出速度を示す速度検出値Ｖｄとの速度偏差を求める。そして、回転制御部１２は、速度指令に従った実速度となるように、速度偏差に応じたトルク量を示す駆動値Ｄｄを生成する。回転制御部１２は、このような駆動値ＤｄをＰＷＭ駆動回路１４に供給する。
ＰＷＭ駆動回路１４は、巻線５６を駆動するための駆動波形を相ごとに生成し、生成した駆動波形をそれぞれパルス幅変調し、駆動パルス信号Ｄｐとして出力する。巻線５６を正弦波駆動する場合には駆動波形は正弦波波形であり、矩形波駆動する場合には駆動波形は矩形波波形である。また、駆動波形の振幅は、駆動値Ｄｄに応じて決定される。ＰＷＭ駆動回路１４は、相ごとに生成した駆動波形を変調信号として、それぞれにパルス幅変調を行い、駆動波形でパルス幅変調したパルス列の駆動パルス信号Ｄｐを、インバータ１５に供給する。
インバータ１５は、駆動パルス信号Ｄｐに基づいて、相ごとに巻線５６への通電を行い、巻線５６を通電駆動する。インバータ１５は、電源の正極側に接続されたスイッチ素子と負極側に接続されたスイッチ素子とを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに備えている。Ｕ相の駆動出力Ｕｏは巻線５６Ｕに、Ｖ相の駆動出力Ｖｏは巻線５６Ｖに、そして、Ｗ相の駆動出力Ｗｏは巻線５６Ｗに接続されている。そして、それぞれの相において、駆動パルス信号Ｄｐによりスイッチ素子がオンオフされる。すると、電源からオンのスイッチ素子を介し、さらに駆動出力から巻線５６に対して駆動電圧が供給される。この駆動電圧の供給によって、巻線５６に駆動電流が流れる。ここで、駆動パルス信号Ｄｐは駆動波形をパルス幅変調した信号であるため、駆動波形に応じた駆動電流でそれぞれの巻線５６が通電される。
また、ＰＷＭ駆動回路１４とインバータ１５とによって、通電駆動部１３が構成される。通電駆動部１３は、上述のように駆動値Ｄｄに基づいて、モータ４０の巻線５６を相ごとに通電駆動する。
以上のような構成により、速度指令値Ｖｒに追従するようにロータの回転速度を制御するフィードバック制御ループが形成される。
さらに、本実施の形態では、ＰＷＭ変調処理部３０を備えている。ＰＷＭ変調処理部３０は、通知信号として時系列に供給される速度検出値Ｖｄによってパルス幅変調し、ＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成する。このようなパルス幅変調を行うために、ＰＷＭ復調処理部２０からＰＷＭ変調処理部３０に対して、送出する各パルスの開始タイミングを示すパルス開始信号Ｐｓと、各パルスの周期を示すパルス周期信号Ｐｗとが供給される。ＰＷＭ変調処理部３０は、速度検出値Ｖｄとパルス周期信号Ｐｗとに基づいて、送出するパルスのパルス幅を決定する。そして、パルス開始信号Ｐｓからこのパルス幅の期間だけＯＮとなるようなパルスを順次生成する。このように生成されたパルス列がＰＷＭ通知信号Ｆｐとして、信号伝送線１９ｆを介して、上位コントローラ１１に送出される。
特に、本実施の形態では、ＰＷＭ通知信号Ｆｐのパルス周期および位相がＰＷＭ指令信号Ｓｉのパルス周期および位相と同期するように構成している。すなわち、パルス周期信号Ｐｗによって、ＰＷＭ指令信号ＳｉとＰＷＭ通知信号Ｆｐとの周期を同期させるとともに、パルス開始信号Ｐｓのタイミングによって、ＰＷＭ指令信号ＳｉとＰＷＭ通知信号Ｆｐとの位相を同期させている。本実施の形態では、このような構成とすることにより、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの信号伝送線１９ｆから輻射される磁界が、常に、ＰＷＭ指令信号Ｓｉの信号伝送線１９ｓから輻射される磁界のほぼ逆方向の磁界となるようにしている。本実施の形態は、これにより、両信号伝送線１９から輻射される不要輻射を打ち消し、不要輻射を低減している。
次に、ＰＷＭ復調処理部２０とＰＷＭ変調処理部３０との詳細な構成について説明する。
図２は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置１０のＰＷＭ復調処理部２０とＰＷＭ変調処理部３０との構成例を示すブロック図である。また、図３Ａから図３Ｃは、モータ制御装置１０における要部の信号波形などを示す図である。図３Ａは、実線でＰＷＭ指令信号Ｓｉの信号波形を示し、図３Ｂは、実線でパルス開始信号Ｐｓのタイミングを示し、図３Ｃは、実線でＰＷＭ通知信号Ｆｐの信号波形を示している。
図２に示すように、ＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０には、クロック信号Ｃｋが供給されている。クロック信号Ｃｋは一定周期のパルス信号であり、ＰＷＭ指令信号ＳｉやＰＷＭ通知信号Ｆｐの周波数よりも十分に高い周波数である。例えば、ＰＷＭ指令信号ＳｉやＰＷＭ通知信号Ｆｐの周波数を５００Ｈｚとし、クロック信号Ｃｋの周波数を１ＭＨｚとしている。また、図２に示す構成では、クロック信号Ｃｋをカウントするカウンタを利用してＰＷＭ信号を生成するような構成例を挙げている。
まず、ＰＷＭ復調処理部２０は、図２に示すように、立上りエッジ検出部２１と、エッジ周期検出部２２と、デューティ算出部２３と、速度指令算出部２４とを備えている。
ＰＷＭ復調処理部２０において、上位コントローラ１１から送出されたＰＷＭ指令信号Ｓｉは、立上りエッジ検出部２１とデューティ算出部２３とに供給される。ＰＷＭ指令信号Ｓｉは、図３Ａに示すように、周期Ｔｐのパルス列であり、各周期Ｔｐ期間は、レベルが高いＯＮ期間Ｔｏｎとレベルが低いＯＦＦ期間Ｔｏｆｆと構成されている。このＯＮ期間Ｔｏｎとなるパルス幅が回転速度指令の値によって変調されている。すなわち、周期Ｔｐ期間に対するＯＮ期間Ｔｏｎの比率であるデューティを検出することによって、回転速度指令を復元できる。図３Ａでは、時間の経過とともに回転速度指令が大きくなり、それに伴って各パルスのＯＮ期間Ｔｏｎ、すなわちデューティも大きくなるような一例を示している。
立上りエッジ検出部２１は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉの各パルスに対し、ＯＦＦからＯＮへと立上るエッジのタイミングを検出し、そのタイミングに基づいてエッジ検出信号Ｐｅを生成する。このエッジ検出信号Ｐｅのタイミングは、図３Ｂに示すように、ＰＷＭ指令信号Ｓｉを構成する各パルスの開始タイミングに対応している。生成したエッジ検出信号Ｐｅは、エッジ周期検出部２２およびデューティ算出部２３に供給される。さらに、このエッジ検出信号Ｐｅは、パルス開始信号ＰｓとしてＰＷＭ変調処理部３０にも供給される。また、本実施の形態では、所定方向に変化するエッジのタイミングを検出するエッジタイミング検出部の一例として、このような動作を行う立上りエッジ検出部２１を挙げている。
エッジ周期検出部２２は、立上りエッジ検出部２１から順次供給されるエッジ検出信号Ｐｅの周期を検出する。本構成例では、エッジ周期検出部２２は、クロック信号Ｃｋの数をカウントするようなカウンタを有している。そして、カウンタがエッジ検出信号Ｐｅ間のクロック数をカウントすることでエッジ検出信号Ｐｅの周期を検出している。エッジ周期検出部２２のカウンタは、このような動作を行い、図３Ｂに示すように、周期Ｔｐの期間のカウント数Ｎｔｐを検出する。検出したこのカウント数Ｎｔｐは、ＰＷＭ指令信号Ｓｉを構成する各パルスの周期Ｔｐに対応している。カウント数Ｎｔｐは、デューティ算出部２３に供給され、さらに、パルス周期信号ＰｗとしてＰＷＭ変調処理部３０にも供給される。
デューティ算出部２３は、本構成例では、クロック信号Ｃｋの数をカウントするようなカウンタを有している。デューティ算出部２３のカウンタは、図３Ｂに示すように、エッジ検出信号Ｐｅのタイミングでカウントを開始し、ＰＷＭ指令信号ＳｉのＯＮ期間Ｔｏｎの間カウントを継続し、ＯＮ期間Ｔｏｎのカウント数Ｎｏｎを検出する。さらに、デューティ算出部２３は、カウント数Ｎｔｐに対するカウント数Ｎｏｎの比率を算出する。この比率は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉのデューティに対応している。これより、この比率を算出することにより、ＰＷＭ指令信号Ｓｉが復調される。さらに、速度指令算出部２４は、デューティ算出部２３が算出した比率から、速度指令値Ｖｒとして回転速度指令を復元する。
例えば、カウント数Ｎｔｐが２０００、カウント数Ｎｏｎが１０００とすると、その比率は０．５となり、デューティは５０％となる。速度指令算出部２４は、例えば、５０％のデューティから回転速度指令が１０００（ｒｐｍ）、２５％のデューティの場合には５００（ｒｐｍ）であることを復元する。
次に、図２に示すように、ＰＷＭ変調処理部３０は、デューティ算出部３１と、変調カウント数算出部３２と、タイマ出力部３３とを備えている。
デューティ算出部３１は、供給された速度検出値Ｖｄから、パルス幅変調するためのデューティを算出する。例えば、速度検出値Ｖｄが１０００（ｒｐｍ）の場合にはデューティを５０％、５００（ｒｐｍ）の場合にはデューティを２５％というように、速度検出値Ｖｄが示す回転速度に応じたデューティを算出する。
変調カウント数算出部３２は、供給されたパルス周期信号Ｐｗが示すパルスの周期とデューティ算出部３１からのデューティとに基づき、ＰＷＭ通知信号ＦｐのＯＮ期間のパルス幅を算出する。具体的には、パルス周期信号Ｐｗが示すカウント数Ｎｔｐにデューティを乗じて、ＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成するときのカウント数Ｍｏｎを算出する。
また、デューティ算出部３１と変調カウント数算出部３２とによって、パルス幅算出部３４を構成している。すなわち、パルス幅算出部３４は、速度検出値Ｖｄとエッジ周期検出部２２で検出したエッジの周期とに基づいてＰＷＭ通知信号ＦｐのＯＮ期間のパルス幅を算出している。
タイマ出力部３３は、図３Ｃに示すように、パルス周期信号Ｐｗの周期で、パルス開始信号Ｐｓのタイミングからカウント数Ｍｏｎに対応する期間だけＯＮとなるパルス列の信号を生成する。具体的には、タイマ出力部３３は、本構成例では、クロック信号Ｃｋの数をカウントするようなカウンタを有している。タイマ出力部３３のカウンタは、パルス開始信号Ｐｓのタイミングでカウントを開始し、カウント数Ｍｏｎまでカウントを継続する。タイマ出力部３３は、このようにカウントを継続している期間にＯＮを出力し、カウントが終了した時点からＯＦＦを出力し、このような出力をＰＷＭ通知信号Ｆｐとしている。また、タイマ出力部３３は、パルス幅算出部３４が算出したパルス幅と立上りエッジ検出部２１から供給されたパルス開始信号Ｐｓとに基づいて、ＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成して出力するＰＷＭ通知信号生成部として機能している。
本実施の形態でのＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０は、以上のように構成している。すなわち、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの各パルスの立上るタイミングは、ＰＷＭ指令信号Ｓｉから復元したパルス開始信号Ｐｓに基づいている。これより、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの各パルスの位相は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉのパルスの位相と同期している。また、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの各パルスの周期も、ＰＷＭ指令信号Ｓｉから復元した周期Ｔｐに基づいている。これより、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの各パルスの周期も、ＰＷＭ指令信号Ｓｉのパルスの周期と同期している。このように、ＰＷＭ通知信号ＦｐをＰＷＭ指令信号Ｓｉに同期させることにより、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの信号伝送線１９ｆから輻射される磁界が、常に、ＰＷＭ指令信号Ｓｉの信号伝送線１９ｓから輻射される磁界のほぼ逆方向の磁界となる。このため、両信号伝送線１９から輻射される不要輻射を打ち消し、不要輻射を低減することができる。
また、本実施の形態では、ＰＷＭ通知信号Ｆｐによって送出する通知信号を速度検出値Ｖｄとしている。ここで、上位コントローラ１１からの回転速度指令に従って、ロータの回転速度がこの回転速度指令の速度になると、速度検出値Ｖｄは速度指令値Ｖｒにほぼ等しくなる。すなわち、指令された回転速度となった時点で、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの波形はＰＷＭ指令信号Ｓｉの波形とほぼ等しくなる。このような等しい波形どうしの信号が、信号伝送線１９ｓと信号伝送線１９ｆとの双方で伝送される。このため、両信号線から輻射される磁界も逆方向に近似した磁界となり、不要輻射がより効果的に打ち消されることになり、不要輻射の低減効果をさらに高めることができる。
また、立上りエッジ検出部２１がエッジを検出しない期間はパルス開始信号Ｐｓを出力せず、これに応じてタイマ出力部３３もこの期間はＰＷＭ通知信号Ｆｐを出力しないような構成とすることも可能である。このような構成とすることにより、ＰＷＭ指令信号Ｓｉを受け取ったときのみＰＷＭ通知信号Ｆｐを送出するため、不要にＰＷＭ通知信号Ｆｐが送出される頻度を抑制でき、不要輻射の低減効果をさらに高めることができる。
なお、以上の説明では、ＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０を、カウンタなどを利用して構成した一例を挙げて説明したが、マイコンなどを利用して構成することも可能である。すなわち、上述したようなＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０の機能をプログラムとして組み込み、上述のような処理を実行するよう構成すればよい。また、上述の構成例では、パルスの立上りを基準としてＯＮ期間のパルス幅を変調するような一例を挙げて説明したが、パルスの立下りを基準としたり、ＯＦＦ期間のパルス幅を変調したりするような構成であってもよい。要するに、モータ制御装置１０において、受け取ったＰＷＭ指令信号Ｓｉに同期したＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成して送出するような構成であればよい。
次にブラシレスモータ５０の詳細な構成について説明する。
図４は、本発明の実施の形態におけるブラシレスモータ５０の断面図である。本実施の形態では、ロータがステータの内周側に回転自在に配置されたインナロータ型のブラシレスモータ５０の例を挙げて説明する。
図４に示すように、ブラシレスモータ５０は、ステータ５１、ロータ５２、回路基板５３およびモータケース５４を備えている。モータケース５４は密封された円筒形状の金属で形成されており、ブラシレスモータ５０は、このようなモータケース５４内にステータ５１、ロータ５２および回路基板５３を収納した構成である。
図４において、ステータ５１は、ステータ鉄心５５に相ごとの巻線５６を巻回して構成される。ステータ鉄心５５は、内周側に突出した複数の突極を有している。また、ステータ鉄心５５の外周側は概略円筒形状であり、その外周がモータケース５４に固定されている。ステータ５１の内側には、空隙を介してロータ５２が挿入されている。ロータ５２は、ロータフレーム５７の外周に円筒形状の永久磁石５８を保持し、軸受５９で支持された回転軸６０を中心に回転自在に配置される。すなわち、ステータ鉄心５５の突極の先端面と永久磁石５８の外周面とが対向するように配置されている。このようなステータ５１と軸受５９で支持されるロータ５２とによりモータ４０が構成されている。
さらに、このブラシレスモータ５０には、各種の回路部品４１を実装した回路基板５３がモータケース５４の内部に内蔵されている。これら回路部品４１によって、モータ４０を制御や駆動するためのモータ制御装置１０が具体的に構成されている。また、回路基板５３には、ロータ５２の回転位置を検出するために、ホール素子などによる位置検出センサ４９も実装されている。ステータ鉄心５５には支持部材６１が装着されており、回路基板５３は、この支持部材６１を介してモータケース５４内に固定される。そして、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの巻線５６Ｕ、５６Ｖ、５６Ｗの端部が引出線５６ａとしてステータ５１から引き出されており、回路基板５３にそれぞれの引出線５６ａが接続されている。
また、ブラシレスモータ５０からは、上位コントローラ１１と接続するための信号伝送線１９が引き出されている。
以上のように構成されたブラシレスモータ５０に対して、外部から電源電圧やＰＷＭ指令信号Ｓｉを供給することにより、回路基板５３上に構成されたモータ制御装置１０によって巻線５６に駆動電流が流れ、ステータ鉄心５５から磁界が発生する。そして、ステータ鉄心５５からの磁界と永久磁石５８からの磁界とにより、それら磁界の極性に応じて吸引力および反発力が生じ、これらの力によって回転軸６０を中心にロータ５２が回転する。
以上説明したように、本発明のモータ制御装置は、ＰＷＭ指令信号を復調し、回転速度指令を速度指令値として復元するＰＷＭ復調処理部と、速度指令値に応じてモータの駆動値を生成する回転制御部と、駆動値に基づいてモータの巻線を通電駆動する駆動電圧を生成する通電駆動部と、外部に通知するための通知信号を生成する通知信号生成部と、通知信号によりパルス幅変調したＰＷＭ通知信号を生成するＰＷＭ変調処理部とを備える。そして、ＰＷＭ変調処理部は、ＰＷＭ指令信号に同期したＰＷＭ通知信号を生成し、送出するように構成している。
また、本発明のブラシレスモータは、ロータと、３相の巻線を備えたステータと、巻線を通電駆動する本発明のモータ制御装置とを備える。
また、本発明のモータ制御システムは、本発明のブラシレスモータと、ブラシレスモータに対してＰＷＭ指令信号を出力するとともにブラシレスモータからＰＷＭ通知信号を受け取り、ブラシレスモータの回転制御を行う上位コントローラとを備える。
このような構成により、ＰＷＭ指令信号とＰＷＭ通知信号とのパルス周期が等しくなり、ＰＷＭ指令信号の伝送線から輻射される磁界とＰＷＭ通知信号の伝送線から輻射される磁界とが、常にほぼ逆方向の磁界となる。このため、両伝送線から輻射される不要輻射が打ち消されることになり、不要輻射を低減できる。したがって、本発明によれば、ノイズ対策用としての特別な部品や部材を必要せず、簡易な構成で不要輻射を低減できるモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムを提供できる。
本発明のモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムは、不要輻射を低減できるため、特に不要輻射を抑えることが求められる電装用のモータに好適であり、さらに電気機器に使用されるモータにも有用である。
１０ モータ制御装置
１１ 上位コントローラ
１２ 回転制御部
１３ 通電駆動部
１４ ＰＷＭ駆動回路
１５ インバータ
１６ 位置検出部
１７ 回転速度算出部
１９，１９ｆ，１９ｓ 信号伝送線
２０ ＰＷＭ復調処理部
２１ 立上りエッジ検出部
２２ エッジ周期検出部
２３，３１ デューティ算出部
２４ 速度指令算出部
３０ ＰＷＭ変調処理部
３２ 変調カウント数算出部
３３ タイマ出力部
３４ パルス幅算出部
４０ モータ
４１ 回路部品
４９ 位置検出センサ
５０ ブラシレスモータ
５１ ステータ
５２ ロータ
５３ 回路基板
５４ モータケース
５５ ステータ鉄心
５６，５６Ｕ，５６Ｖ，５６Ｗ 巻線
５６ａ 引出線
５７ ロータフレーム
５８ 永久磁石
５９ 軸受
６０ 回転軸
６１ 支持部材
１００ モータ制御システム
本発明は、上位コントローラなどからの指令に従ってモータの回転速度などを制御するモータ制御装置、このモータ制御装置を備えたブラシレスモータ、および上位コントローラとこのブラシレスモータを含むモータ制御システムに関し、特に、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調）された速度指令信号によってモータ回転速度を制御するモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムに関する。
従来、このようなモータ制御装置を含むモータ制御システムの一例として、例えば、特許文献１では、車両に搭載するファンモータをＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）などの上位コントローラによって制御する技術が開示されている。この文献の上位コントローラは、駆動制御回路を備えたブラシレスモータに対して、ファンの回転速度指令をＰＷＭ信号として与える。そして、駆動制御回路は、ＰＷＭ信号のデューティに応じた回転速度でファンを回転させている。また、例えば、特許文献２では、ＰＷＭ信号による回転速度指令に加えて、モータ制御部から上位コントローラに対して回転検出信号を出力するような構成が開示されている。
ところで、このようなモータ制御システムでは、近年、パルス信号を利用したデジタル信号で制御されることが多くなっている。このようなデジタル処理によれば、柔軟な処理が可能となる一方、パルス信号に基づくノイズが電磁輻射され、他の機器に影響を与える可能性が高くなる。例えば、車両に装備する上述のようなモータ制御システムの場合、モータ本体や電源あるいは制御ラインなどからノイズが電磁輻射され、車両搭載のラジオ等に悪影響を与えるおそれがあった。
このようなノイズの影響を抑制するため、コンデンサやインダクタンス素子を用いたノイズ防止回路を設けたり、ノイズ発生源をシールドしたり、あるいは給電線や制御線をできるだけ短くするような配置構成とたりするなどの手段が用いられてきた。また、特許文献３では、車両において、ツイストペア構造を有したケーブルを用いて信号を伝送し、伝播する信号によって発生する磁界を相殺し、電磁波の不要輻射を低減するような手法を開示している。
しかしながら、電磁輻射を低減する手法として、上述したようなノイズ防止回路、シールド手段やツイストペア構造のケーブルなどの手法は、ノイズ対策用としての回路部品やシールド部材などの増加を招いたり、ツイストペアケーブルのような特殊なケーブル部材が必要としたりするなどの課題があった。また、給電線や制御線を短くする構成の場合、電源やモータなどの配置が限られてしまうという課題があった。
特開２００８−１４８５４２号公報 特開２０１１−１３０５３２号公報 特開２００９−１０４９０７号公報
本発明のモータ制御装置は、回転速度指令をパルス幅変調したＰＷＭ指令信号を受け取り、回転速度指令に応じた回転速度となるように、モータを回転制御するモータ制御装置である。本モータ制御装置は、ＰＷＭ指令信号を復調し、回転速度指令を速度指令値として復元するＰＷＭ復調処理部と、速度指令値に応じてモータの駆動値を生成する回転制御部と、駆動値に基づいてモータの巻線を通電駆動する駆動電圧を生成する通電駆動部と、外部に通知するための通知信号を生成する通知信号生成部と、通知信号によりパルス幅変調したＰＷＭ通知信号を生成するＰＷＭ変調処理部とを備える。そして、ＰＷＭ変調処理部は、ＰＷＭ指令信号に同期したＰＷＭ通知信号を生成し、送出する構成である。
また、本発明のブラシレスモータは、ロータと、３相の巻線を備えたステータと、巻線を通電駆動する本発明のモータ制御装置とを備えた構成である。
また、本発明のモータ制御システムは、本発明のブラシレスモータと、ブラシレスモータに対してＰＷＭ指令信号を出力するとともに、ブラシレスモータからＰＷＭ通知信号を受け取り、ブラシレスモータの回転制御を行う上位コントローラとを備えた構成である。
このような構成により、ＰＷＭ指令信号とＰＷＭ通知信号とが同期することで、両信号のパルス周期が等しくなり、ＰＷＭ指令信号の伝送線から輻射される磁界とＰＷＭ通知信号の伝送線から輻射される磁界とが、常にほぼ逆方向の磁界となる。このため、両伝送線から輻射される不要輻射が打ち消されることになり、不要輻射を低減できる。
このように、本発明のモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムによれば、モータ側で受け取るＰＷＭ指令信号とモータ側から送出するＰＷＭ通知信号とのパルス周期を互いに同期させるのみで、不要輻射を低減できる。このため、本発明によれば、ノイズ対策用としての特別な部品や部材を必要せず、簡易な構成で不要輻射を低減できるモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムを提供できる。
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御システムのブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置のＰＷＭ復調処理部とＰＷＭ変調処理部とのブロック図である。 図３Ａは、同モータ制御装置におけるＰＷＭ指令信号Ｓｉの信号波形を示す図である。 図３Ｂは、同モータ制御装置におけるパルス開始信号Ｐｓのタイミングを示す図である。 図３Ｃは、同モータ制御装置におけるＰＷＭ通知信号Ｆｐの信号波形を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの断面図である。
以下、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムについて図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御システム１００のブロック図である。本実施の形態では、本発明のモータ制御装置１０を備えたブラシレスモータ５０を含むモータ制御システム１００の構成を挙げて説明する。
図１に示すように、本実施の形態のモータ制御システム１００は、ブラシレスモータ５０と、このブラシレスモータ５０を制御する上位コントローラ１１とを含む構成である。また、詳細については以下で説明するが、本実施の形態では、ブラシレスモータ５０が、モータ制御装置１０を構成する回路部品を実装した構成としている。すなわち、図１に示すように、ブラシレスモータ５０において、モータ制御装置１０がモータ４０を回転制御する。
モータ４０は、ロータと巻線５６を有したステータとを備えており、巻線５６を通電駆動することでロータが回転する。本実施の形態では、互いに１２０度位相が異なるＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする３相でモータ４０を駆動するブラシレスモータ５０の一例を挙げて説明する。このような３相駆動を行うため、モータ４０は、巻線５６として、Ｕ相を駆動する巻線５６Ｕ、Ｖ相を駆動する巻線５６ＶおよびＷ相を駆動する巻線５６Ｗを有している。
モータ制御装置１０は、相ごとに巻線５６に所定の波形の駆動電圧を印加する。これによって、ロータは、モータ制御装置１０からの回転制御に従った回転速度で回転する。また、このような回転制御を行うため、モータ４０には、ロータの回転位置や回転速度を検出するためのセンサが配置されている。本実施の形態では、ロータの回転位置を検出するために各相に対応させて、ホール素子などの３つの位置検出センサ４９をモータ４０に配置している。そして、モータ制御装置１０には、位置検出センサ４９からのセンサ信号Ｄｅｔが供給されている。
また、図１に示すように、モータ制御装置１０は、信号伝送線１９を介して上位コントローラ１１と信号接続されている。
上位コントローラ１１は、例えば、ブラシレスモータ５０が搭載される機器などに備えられ、マイコン（マイクロコンピュータ）あるいはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などで構成される。また、ブラシレスモータ５０が車両に搭載される電装用モータの場合は、ＥＣＵのようなコントローラである。モータ制御装置１０には、このような上位コントローラ１１から信号伝送線１９を介して、モータ４０を回転制御するための指令が通知される。また、逆に、ブラシレスモータ５０における情報が、モータ制御装置１０から信号伝送線１９を介して、上位コントローラ１１に通知される。
本実施の形態では、上位コントローラ１１からの指令として、モータ４０の回転速度を指令する回転速度指令がモータ制御装置１０に通知される。また、回転速度指令によって指令される回転速度は、信号伝送線１９ｓを介して、パルス幅変調されたＰＷＭ指令信号Ｓｉとして通知される。
さらに、モータ制御装置１０から上位コントローラ１１に対して、所定の情報が通知される。本実施の形態では、通知する情報として、検出回転速度の情報を通知するような一例を挙げて説明する。すなわち、モータ制御装置１０は、検出回転速度を示す情報を、通知信号として上位コントローラ１１に通知する。ここで、検出回転速度は、モータ制御装置１０によって検出されたモータ４０の回転速度であり、実回転速度に相当する。また、ＰＷＭ指令信号Ｓｉと同様に、このような通知信号は、信号伝送線１９ｆを介して、パルス幅変調されたＰＷＭ通知信号Ｆｐとして上位コントローラ１１に通知される。また、回転速度指令や検出回転速度としては、例えば１分間あたりの回転数（ｒｐｍ）を用いている。
次に、モータ制御装置１０の構成について説明する。モータ制御装置１０は、回転制御部１２、ＰＷＭ駆動回路１４、インバータ１５、位置検出部１６、回転速度算出部１７、ＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０を備えている。そして、モータ制御装置１０には、上述したように、モータ４０に配置した３つの位置検出センサ４９から、センサ信号Ｄｅｔが供給されている。さらに、モータ制御装置１０は、ＰＷＭ信号を伝送する信号伝送線１９を介して、上位コントローラ１１と接続されている。
まず、位置検出センサ４９からのセンサ信号Ｄｅｔは、位置検出部１６に供給される。位置検出部１６は、ロータの回転に伴う磁極変化に応じて変化するセンサ信号Ｄｅｔから、各相の位置情報を検出する。例えば、位置検出部１６は、磁極変化時点においてセンサ信号Ｄｅｔがゼロクロスするタイミングを検出し、この検出したタイミングに基づく位置検出信号Ｐｄを出力する。すなわち、回転するロータの回転位置はこのような検出タイミングと対応しており、検出タイミングを利用して回転位置を検出できる。また、位置検出信号Ｐｄは、具体的には、例えばこのような検出タイミングを示すパルス信号とすればよい。位置検出部１６は、それぞれの相に対応した位置検出信号Ｐｄを、回転速度算出部１７に供給する。
回転速度算出部１７は、位置検出信号Ｐｄが示す回転位置に基づき、例えば微分演算などによりロータの回転速度を算出する。回転速度算出部１７は、算出した回転速度を速度検出値Ｖｄとして時系列に回転制御部１２およびＰＷＭ変調処理部３０に供給する。なお、本実施の形態では、位置検出センサ４９からのセンサ信号Ｄｅｔに基づいて速度検出値Ｖｄを生成するような一例を挙げて説明するが、速度検出手段によりロータ速度を検出し、この検出結果に基づき速度検出値Ｖｄを生成するような構成であってもよい。すなわち、速度検出値Ｖｄは、モータの実回転から検出した速度を示す時系列の値や信号であればよい。また、本実施の形態では、回転速度算出部１７が、外部に通知するための通知信号を生成する通知信号生成部として機能する。
一方、ＰＷＭ復調処理部２０は、上位コントローラ１１から送出されたＰＷＭ指令信号Ｓｉを受け取り、パルス幅変調された信号を復調する動作を行う。ＰＷＭ復調処理部２０は、この復調動作によって、受け取ったＰＷＭ指令信号Ｓｉから速度指令値Ｖｒを時系列に復元する。ＰＷＭ指令信号Ｓｉは、上位コントローラ１１が指令する回転速度、すなわち回転速度指令に応じたパルス幅のパルスで構成されるパルス信号である。ＰＷＭ復調処理部２０は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉの各パルスのパルス幅、あるいはパルス幅に対応するデューティを検出することによって、ＰＷＭ指令信号Ｓｉを復調する。そして、ＰＷＭ復調処理部２０は、復調動作によって復元した速度指令値Ｖｒを時系列に出力する。ＰＷＭ復調処理部２０がこのように動作することによって、上位コントローラ１１の回転速度指令が速度指令値Ｖｒとして復元される。
速度指令値Ｖｒは、回転制御部１２に供給される。また、回転制御部１２には、回転速度算出部１７で算出された速度検出値Ｖｄが供給されている。回転制御部１２は、速度指令値Ｖｒと速度検出値Ｖｄとに基づき、巻線５６への駆動量を示す駆動値Ｄｄを生成する。具体的には、回転制御部１２は、速度指令を示す速度指令値Ｖｒと、実速度に対応した検出速度を示す速度検出値Ｖｄとの速度偏差を求める。そして、回転制御部１２は、速度指令に従った実速度となるように、速度偏差に応じたトルク量を示す駆動値Ｄｄを生成する。回転制御部１２は、このような駆動値ＤｄをＰＷＭ駆動回路１４に供給する。
ＰＷＭ駆動回路１４は、巻線５６を駆動するための駆動波形を相ごとに生成し、生成した駆動波形をそれぞれパルス幅変調し、駆動パルス信号Ｄｐとして出力する。巻線５６を正弦波駆動する場合には駆動波形は正弦波波形であり、矩形波駆動する場合には駆動波形は矩形波波形である。また、駆動波形の振幅は、駆動値Ｄｄに応じて決定される。ＰＷＭ駆動回路１４は、相ごとに生成した駆動波形を変調信号として、それぞれにパルス幅変調を行い、駆動波形でパルス幅変調したパルス列の駆動パルス信号Ｄｐを、インバータ１５に供給する。
インバータ１５は、駆動パルス信号Ｄｐに基づいて、相ごとに巻線５６への通電を行い、巻線５６を通電駆動する。インバータ１５は、電源の正極側に接続されたスイッチ素子と負極側に接続されたスイッチ素子とを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに備えている。Ｕ相の駆動出力Ｕｏは巻線５６Ｕに、Ｖ相の駆動出力Ｖｏは巻線５６Ｖに、そして、Ｗ相の駆動出力Ｗｏは巻線５６Ｗに接続されている。そして、それぞれの相において、駆動パルス信号Ｄｐによりスイッチ素子がオンオフされる。すると、電源からオンのスイッチ素子を介し、さらに駆動出力から巻線５６に対して駆動電圧が供給される。この駆動電圧の供給によって、巻線５６に駆動電流が流れる。ここで、駆動パルス信号Ｄｐは駆動波形をパルス幅変調した信号であるため、駆動波形に応じた駆動電流でそれぞれの巻線５６が通電される。
また、ＰＷＭ駆動回路１４とインバータ１５とによって、通電駆動部１３が構成される。通電駆動部１３は、上述のように駆動値Ｄｄに基づいて、モータ４０の巻線５６を相ごとに通電駆動する。
以上のような構成により、速度指令値Ｖｒに追従するようにロータの回転速度を制御するフィードバック制御ループが形成される。
さらに、本実施の形態では、ＰＷＭ変調処理部３０を備えている。ＰＷＭ変調処理部３０は、通知信号として時系列に供給される速度検出値Ｖｄによってパルス幅変調し、ＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成する。このようなパルス幅変調を行うために、ＰＷＭ復調処理部２０からＰＷＭ変調処理部３０に対して、送出する各パルスの開始タイミングを示すパルス開始信号Ｐｓと、各パルスの周期を示すパルス周期信号Ｐｗとが供給される。ＰＷＭ変調処理部３０は、速度検出値Ｖｄとパルス周期信号Ｐｗとに基づいて、送出するパルスのパルス幅を決定する。そして、パルス開始信号Ｐｓからこのパルス幅の期間だけＯＮとなるようなパルスを順次生成する。このように生成されたパルス列がＰＷＭ通知信号Ｆｐとして、信号伝送線１９ｆを介して、上位コントローラ１１に送出される。
特に、本実施の形態では、ＰＷＭ通知信号Ｆｐのパルス周期および位相がＰＷＭ指令信号Ｓｉのパルス周期および位相と同期するように構成している。すなわち、パルス周期信号Ｐｗによって、ＰＷＭ指令信号ＳｉとＰＷＭ通知信号Ｆｐとの周期を同期させるとともに、パルス開始信号Ｐｓのタイミングによって、ＰＷＭ指令信号ＳｉとＰＷＭ通知信号Ｆｐとの位相を同期させている。本実施の形態では、このような構成とすることにより、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの信号伝送線１９ｆから輻射される磁界が、常に、ＰＷＭ指令信号Ｓｉの信号伝送線１９ｓから輻射される磁界のほぼ逆方向の磁界となるようにしている。本実施の形態は、これにより、両信号伝送線１９から輻射される不要輻射を打ち消し、不要輻射を低減している。
次に、ＰＷＭ復調処理部２０とＰＷＭ変調処理部３０との詳細な構成について説明する。
図２は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置１０のＰＷＭ復調処理部２０とＰＷＭ変調処理部３０との構成例を示すブロック図である。また、図３Ａから図３Ｃは、モータ制御装置１０における要部の信号波形などを示す図である。図３Ａは、実線でＰＷＭ指令信号Ｓｉの信号波形を示し、図３Ｂは、実線でパルス開始信号Ｐｓのタイミングを示し、図３Ｃは、実線でＰＷＭ通知信号Ｆｐの信号波形を示している。
図２に示すように、ＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０には、クロック信号Ｃｋが供給されている。クロック信号Ｃｋは一定周期のパルス信号であり、ＰＷＭ指令信号ＳｉやＰＷＭ通知信号Ｆｐの周波数よりも十分に高い周波数である。例えば、ＰＷＭ指令信号ＳｉやＰＷＭ通知信号Ｆｐの周波数を５００Ｈｚとし、クロック信号Ｃｋの周波数を１ＭＨｚとしている。また、図２に示す構成では、クロック信号Ｃｋをカウントするカウンタを利用してＰＷＭ信号を生成するような構成例を挙げている。
まず、ＰＷＭ復調処理部２０は、図２に示すように、立上りエッジ検出部２１と、エッジ周期検出部２２と、デューティ算出部２３と、速度指令算出部２４とを備えている。
ＰＷＭ復調処理部２０において、上位コントローラ１１から送出されたＰＷＭ指令信号Ｓｉは、立上りエッジ検出部２１とデューティ算出部２３とに供給される。ＰＷＭ指令信号Ｓｉは、図３Ａに示すように、周期Ｔｐのパルス列であり、各周期Ｔｐ期間は、レベルが高いＯＮ期間Ｔｏｎとレベルが低いＯＦＦ期間Ｔｏｆｆと構成されている。このＯＮ期間Ｔｏｎとなるパルス幅が回転速度指令の値によって変調されている。すなわち、周期Ｔｐ期間に対するＯＮ期間Ｔｏｎの比率であるデューティを検出することによって、回転速度指令を復元できる。図３Ａでは、時間の経過とともに回転速度指令が大きくなり、それに伴って各パルスのＯＮ期間Ｔｏｎ、すなわちデューティも大きくなるような一例を示している。
立上りエッジ検出部２１は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉの各パルスに対し、ＯＦＦからＯＮへと立上るエッジのタイミングを検出し、そのタイミングに基づいてエッジ検出信号Ｐｅを生成する。このエッジ検出信号Ｐｅのタイミングは、図３Ｂに示すように、ＰＷＭ指令信号Ｓｉを構成する各パルスの開始タイミングに対応している。生成したエッジ検出信号Ｐｅは、エッジ周期検出部２２およびデューティ算出部２３に供給される。さらに、このエッジ検出信号Ｐｅは、パルス開始信号ＰｓとしてＰＷＭ変調処理部３０にも供給される。また、本実施の形態では、所定方向に変化するエッジのタイミングを検出するエッジタイミング検出部の一例として、このような動作を行う立上りエッジ検出部２１を挙げている。
エッジ周期検出部２２は、立上りエッジ検出部２１から順次供給されるエッジ検出信号Ｐｅの周期を検出する。本構成例では、エッジ周期検出部２２は、クロック信号Ｃｋの数をカウントするようなカウンタを有している。そして、カウンタがエッジ検出信号Ｐｅ間のクロック数をカウントすることでエッジ検出信号Ｐｅの周期を検出している。エッジ周期検出部２２のカウンタは、このような動作を行い、図３Ｂに示すように、周期Ｔｐの期間のカウント数Ｎｔｐを検出する。検出したこのカウント数Ｎｔｐは、ＰＷＭ指令信号Ｓｉを構成する各パルスの周期Ｔｐに対応している。カウント数Ｎｔｐは、デューティ算出部２３に供給され、さらに、パルス周期信号ＰｗとしてＰＷＭ変調処理部３０にも供給される。
デューティ算出部２３は、本構成例では、クロック信号Ｃｋの数をカウントするようなカウンタを有している。デューティ算出部２３のカウンタは、図３Ｂに示すように、エッジ検出信号Ｐｅのタイミングでカウントを開始し、ＰＷＭ指令信号ＳｉのＯＮ期間Ｔｏｎの間カウントを継続し、ＯＮ期間Ｔｏｎのカウント数Ｎｏｎを検出する。さらに、デューティ算出部２３は、カウント数Ｎｔｐに対するカウント数Ｎｏｎの比率を算出する。この比率は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉのデューティに対応している。これより、この比率を算出することにより、ＰＷＭ指令信号Ｓｉが復調される。さらに、速度指令算出部２４は、デューティ算出部２３が算出した比率から、速度指令値Ｖｒとして回転速度指令を復元する。
例えば、カウント数Ｎｔｐが２０００、カウント数Ｎｏｎが１０００とすると、その比率は０．５となり、デューティは５０％となる。速度指令算出部２４は、例えば、５０％のデューティから回転速度指令が１０００（ｒｐｍ）、２５％のデューティの場合には５００（ｒｐｍ）であることを復元する。
次に、図２に示すように、ＰＷＭ変調処理部３０は、デューティ算出部３１と、変調カウント数算出部３２と、タイマ出力部３３とを備えている。
デューティ算出部３１は、供給された速度検出値Ｖｄから、パルス幅変調するためのデューティを算出する。例えば、速度検出値Ｖｄが１０００（ｒｐｍ）の場合にはデューティを５０％、５００（ｒｐｍ）の場合にはデューティを２５％というように、速度検出値Ｖｄが示す回転速度に応じたデューティを算出する。
変調カウント数算出部３２は、供給されたパルス周期信号Ｐｗが示すパルスの周期とデューティ算出部３１からのデューティとに基づき、ＰＷＭ通知信号ＦｐのＯＮ期間のパルス幅を算出する。具体的には、パルス周期信号Ｐｗが示すカウント数Ｎｔｐにデューティを乗じて、ＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成するときのカウント数Ｍｏｎを算出する。
また、デューティ算出部３１と変調カウント数算出部３２とによって、パルス幅算出部３４を構成している。すなわち、パルス幅算出部３４は、速度検出値Ｖｄとエッジ周期検出部２２で検出したエッジの周期とに基づいてＰＷＭ通知信号ＦｐのＯＮ期間のパルス幅を算出している。
タイマ出力部３３は、図３Ｃに示すように、パルス周期信号Ｐｗの周期で、パルス開始信号Ｐｓのタイミングからカウント数Ｍｏｎに対応する期間だけＯＮとなるパルス列の信号を生成する。具体的には、タイマ出力部３３は、本構成例では、クロック信号Ｃｋの数をカウントするようなカウンタを有している。タイマ出力部３３のカウンタは、パルス開始信号Ｐｓのタイミングでカウントを開始し、カウント数Ｍｏｎまでカウントを継続する。タイマ出力部３３は、このようにカウントを継続している期間にＯＮを出力し、カウントが終了した時点からＯＦＦを出力し、このような出力をＰＷＭ通知信号Ｆｐとしている。また、タイマ出力部３３は、パルス幅算出部３４が算出したパルス幅と立上りエッジ検出部２１から供給されたパルス開始信号Ｐｓとに基づいて、ＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成して出力するＰＷＭ通知信号生成部として機能している。
本実施の形態でのＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０は、以上のように構成している。すなわち、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの各パルスの立上るタイミングは、ＰＷＭ指令信号Ｓｉから復元したパルス開始信号Ｐｓに基づいている。これより、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの各パルスの位相は、ＰＷＭ指令信号Ｓｉのパルスの位相と同期している。また、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの各パルスの周期も、ＰＷＭ指令信号Ｓｉから復元した周期Ｔｐに基づいている。これより、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの各パルスの周期も、ＰＷＭ指令信号Ｓｉのパルスの周期と同期している。このように、ＰＷＭ通知信号ＦｐをＰＷＭ指令信号Ｓｉに同期させることにより、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの信号伝送線１９ｆから輻射される磁界が、常に、ＰＷＭ指令信号Ｓｉの信号伝送線１９ｓから輻射される磁界のほぼ逆方向の磁界となる。このため、両信号伝送線１９から輻射される不要輻射を打ち消し、不要輻射を低減することができる。
また、本実施の形態では、ＰＷＭ通知信号Ｆｐによって送出する通知信号を速度検出値Ｖｄとしている。ここで、上位コントローラ１１からの回転速度指令に従って、ロータの回転速度がこの回転速度指令の速度になると、速度検出値Ｖｄは速度指令値Ｖｒにほぼ等しくなる。すなわち、指令された回転速度となった時点で、ＰＷＭ通知信号Ｆｐの波形はＰＷＭ指令信号Ｓｉの波形とほぼ等しくなる。このような等しい波形どうしの信号が、信号伝送線１９ｓと信号伝送線１９ｆとの双方で伝送される。このため、両信号線から輻射される磁界も逆方向に近似した磁界となり、不要輻射がより効果的に打ち消されることになり、不要輻射の低減効果をさらに高めることができる。
また、立上りエッジ検出部２１がエッジを検出しない期間はパルス開始信号Ｐｓを出力せず、これに応じてタイマ出力部３３もこの期間はＰＷＭ通知信号Ｆｐを出力しないような構成とすることも可能である。このような構成とすることにより、ＰＷＭ指令信号Ｓｉを受け取ったときのみＰＷＭ通知信号Ｆｐを送出するため、不要にＰＷＭ通知信号Ｆｐが送出される頻度を抑制でき、不要輻射の低減効果をさらに高めることができる。
なお、以上の説明では、ＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０を、カウンタなどを利用して構成した一例を挙げて説明したが、マイコンなどを利用して構成することも可能である。すなわち、上述したようなＰＷＭ復調処理部２０およびＰＷＭ変調処理部３０の機能をプログラムとして組み込み、上述のような処理を実行するよう構成すればよい。また、上述の構成例では、パルスの立上りを基準としてＯＮ期間のパルス幅を変調するような一例を挙げて説明したが、パルスの立下りを基準としたり、ＯＦＦ期間のパルス幅を変調したりするような構成であってもよい。要するに、モータ制御装置１０において、受け取ったＰＷＭ指令信号Ｓｉに同期したＰＷＭ通知信号Ｆｐを生成して送出するような構成であればよい。
次にブラシレスモータ５０の詳細な構成について説明する。
図４は、本発明の実施の形態におけるブラシレスモータ５０の断面図である。本実施の形態では、ロータがステータの内周側に回転自在に配置されたインナロータ型のブラシレスモータ５０の例を挙げて説明する。
図４に示すように、ブラシレスモータ５０は、ステータ５１、ロータ５２、回路基板５３およびモータケース５４を備えている。モータケース５４は密封された円筒形状の金属で形成されており、ブラシレスモータ５０は、このようなモータケース５４内にステータ５１、ロータ５２および回路基板５３を収納した構成である。
図４において、ステータ５１は、ステータ鉄心５５に相ごとの巻線５６を巻回して構成される。ステータ鉄心５５は、内周側に突出した複数の突極を有している。また、ステータ鉄心５５の外周側は概略円筒形状であり、その外周がモータケース５４に固定されている。ステータ５１の内側には、空隙を介してロータ５２が挿入されている。ロータ５２は、ロータフレーム５７の外周に円筒形状の永久磁石５８を保持し、軸受５９で支持された回転軸６０を中心に回転自在に配置される。すなわち、ステータ鉄心５５の突極の先端面と永久磁石５８の外周面とが対向するように配置されている。このようなステータ５１と軸受５９で支持されるロータ５２とによりモータ４０が構成されている。
さらに、このブラシレスモータ５０には、各種の回路部品４１を実装した回路基板５３がモータケース５４の内部に内蔵されている。これら回路部品４１によって、モータ４０を制御や駆動するためのモータ制御装置１０が具体的に構成されている。また、回路基板５３には、ロータ５２の回転位置を検出するために、ホール素子などによる位置検出センサ４９も実装されている。ステータ鉄心５５には支持部材６１が装着されており、回路基板５３は、この支持部材６１を介してモータケース５４内に固定される。そして、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの巻線５６Ｕ、５６Ｖ、５６Ｗの端部が引出線５６ａとしてステータ５１から引き出されており、回路基板５３にそれぞれの引出線５６ａが接続されている。
また、ブラシレスモータ５０からは、上位コントローラ１１と接続するための信号伝送線１９が引き出されている。
以上のように構成されたブラシレスモータ５０に対して、外部から電源電圧やＰＷＭ指令信号Ｓｉを供給することにより、回路基板５３上に構成されたモータ制御装置１０によって巻線５６に駆動電流が流れ、ステータ鉄心５５から磁界が発生する。そして、ステータ鉄心５５からの磁界と永久磁石５８からの磁界とにより、それら磁界の極性に応じて吸引力および反発力が生じ、これらの力によって回転軸６０を中心にロータ５２が回転する。
以上説明したように、本発明のモータ制御装置は、ＰＷＭ指令信号を復調し、回転速度指令を速度指令値として復元するＰＷＭ復調処理部と、速度指令値に応じてモータの駆動値を生成する回転制御部と、駆動値に基づいてモータの巻線を通電駆動する駆動電圧を生成する通電駆動部と、外部に通知するための通知信号を生成する通知信号生成部と、通知信号によりパルス幅変調したＰＷＭ通知信号を生成するＰＷＭ変調処理部とを備える。そして、ＰＷＭ変調処理部は、ＰＷＭ指令信号に同期したＰＷＭ通知信号を生成し、送出するように構成している。
また、本発明のブラシレスモータは、ロータと、３相の巻線を備えたステータと、巻線を通電駆動する本発明のモータ制御装置とを備える。
また、本発明のモータ制御システムは、本発明のブラシレスモータと、ブラシレスモータに対してＰＷＭ指令信号を出力するとともにブラシレスモータからＰＷＭ通知信号を受け取り、ブラシレスモータの回転制御を行う上位コントローラとを備える。
このような構成により、ＰＷＭ指令信号とＰＷＭ通知信号とのパルス周期が等しくなり、ＰＷＭ指令信号の伝送線から輻射される磁界とＰＷＭ通知信号の伝送線から輻射される磁界とが、常にほぼ逆方向の磁界となる。このため、両伝送線から輻射される不要輻射が打ち消されることになり、不要輻射を低減できる。したがって、本発明によれば、ノイズ対策用としての特別な部品や部材を必要せず、簡易な構成で不要輻射を低減できるモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムを提供できる。
本発明のモータ制御装置、ブラシレスモータおよびモータ制御システムは、不要輻射を低減できるため、特に不要輻射を抑えることが求められる電装用のモータに好適であり、さらに電気機器に使用されるモータにも有用である。
１０ モータ制御装置
１１ 上位コントローラ
１２ 回転制御部
１３ 通電駆動部
１４ ＰＷＭ駆動回路
１５ インバータ
１６ 位置検出部
１７ 回転速度算出部
１９，１９ｆ，１９ｓ 信号伝送線
２０ ＰＷＭ復調処理部
２１ 立上りエッジ検出部
２２ エッジ周期検出部
２３，３１ デューティ算出部
２４ 速度指令算出部
３０ ＰＷＭ変調処理部
３２ 変調カウント数算出部
３３ タイマ出力部
３４ パルス幅算出部
４０ モータ
４１ 回路部品
４９ 位置検出センサ
５０ ブラシレスモータ
５１ ステータ
５２ ロータ
５３ 回路基板
５４ モータケース
５５ ステータ鉄心
５６，５６Ｕ，５６Ｖ，５６Ｗ 巻線
５６ａ 引出線
５７ ロータフレーム
５８ 永久磁石
５９ 軸受
６０ 回転軸
６１ 支持部材
１００ モータ制御システム

Claims (5)

  1. 回転速度指令をパルス幅変調したＰＷＭ指令信号を受け取り、前記回転速度指令に応じた回転速度となるように、モータを回転制御するモータ制御装置であって、
    前記ＰＷＭ指令信号を復調し、前記回転速度指令を速度指令値として復元するＰＷＭ復調処理部と、
    前記速度指令値に応じて、前記モータの駆動値を生成する回転制御部と、
    前記駆動値に基づいて、前記モータの巻線を通電駆動する駆動電圧を生成する通電駆動部と、
    外部に通知するための通知信号を生成する通知信号生成部と、
    前記通知信号によりパルス幅変調したＰＷＭ通知信号を生成するＰＷＭ変調処理部とを備え、
    前記ＰＷＭ変調処理部は、前記ＰＷＭ指令信号に同期した前記ＰＷＭ通知信号を生成し、送出することを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記ＰＷＭ復調処理部は、
    所定方向に変化するエッジのタイミングを検出するエッジタイミング検出部と、
    前記エッジの周期を検出するエッジ周期検出部とを備え、
    前記ＰＷＭ変調処理部は、
    前記通知信号と前記エッジ周期検出部で検出した前記エッジの周期とに基づいて、前記ＰＷＭ通知信号のパルス幅を算出するパルス幅算出部と、
    前記パルス幅算出部が算出したパルス幅と、前記エッジタイミング検出部が検出したタイミングとに基づいて、前記ＰＷＭ通知信号を生成して出力するＰＷＭ通知信号生成部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 前記通知信号は、前記モータの実回転から検出した速度を示す信号であることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
  4. ロータと、３相の巻線を備えたステータと、前記巻線を通電駆動する請求項１に記載のモータ制御装置とを備えたことを特徴とするブラシレスモータ。
  5. 請求項４に記載のブラシレスモータと、
    前記ブラシレスモータに対して前記ＰＷＭ指令信号を出力するとともに、前記ブラシレスモータから前記ＰＷＭ通知信号を受け取り、前記ブラシレスモータの回転制御を行う上位コントローラとを備えたことを特徴とするモータ制御システム。
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