JP2005192286A - 直流モータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構成を複雑化することなく、外乱に対する直流モータの安定性を向上させることができる直流モータの駆動制御装置を提供する。
【解決手段】 ブラシレスモータ１１は、運転状態に応じて複数相の巻き線１６〜１８の通電相が選択的に切り替えられて回転駆動される。コントローラ１３は、モータドライバ１２にて通電相の巻き線の一側端子を直流電源２７の正極に接続固定するとともに、通電相の巻き線の他側端子を通電相の所定ＰＷＭ周期のオンデューティに相当する期間で直流電源２７の負極に接続して給電量をＰＷＭ制御する。コントローラ１３は、モータドライバ１２にて通電相の所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間で、非通電相の巻き線を直流電源２７の正極に接続して複数相の巻き線１６〜１８を短絡しブレーキ状態を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流モータの駆動制御装置に関するものである。

従来、ブラシレスモータなどの直流モータの駆動制御においては、例えば非特許文献１に記載されるようにＰＷＭ（pulse width modulation）制御による高い周波数でのスイッチングによって通電相の巻き線を流れる実質的な電流を制御することが行われている。このＰＷＭ制御による直流モータの駆動制御では、各ＰＷＭ周期のオンデューティに相当する期間で駆動状態、オフデューティに相当する期間でフリー（惰性）状態となっている。
見城尚志、永守重信著「新・ブラシレスモータ」総合電子出版社、ｐ．６４−６６

ところで、こうした直流モータの駆動制御では、例えば外力により同モータが押される状態になったときにモータは加速されてしまう。例えば、最大回転速度が１００００ｒｐｍの直流モータに無負荷（外力なし）で５０％のデューティ比（時比率）が設定されると、単純計算で回転速度は５０００ｒｐｍ（＝１００００ｒｐｍ×５０％）になる。しかしながら、外力により押されると、直流モータの回転速度は５０００ｒｐｍよりも大きくなってしまう。特に、各ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間では、直流モータがフリー状態となっていることから、外力によって同モータが動かされてしまう。

つまり、直流モータは外力などの外乱に対して安定性が低いということになる。そして、外乱を監視しにくいシステムでは、外乱によって制御性が著しく損なわれ、直流モータの円滑な駆動が困難となる。一方、外乱を監視する場合であっても、制御システム自体が複雑になってその調整が煩雑になってしまう。

本発明の目的は、構成を複雑化することなく、外乱に対する直流モータの安定性を向上させることができる直流モータの駆動制御装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、運転状態に応じて複数相の巻き線の通電相が選択的に切り替えられて回転駆動される直流モータであって、該通電相の巻き線の一側端子を直流電源の第１極に接続固定するとともに、該通電相の巻き線の他側端子を該通電相の所定ＰＷＭ（pulse width modulation）周期のオンデューティに相当する期間で該直流電源の第２極に接続して給電量をＰＷＭ制御する直流モータの駆動制御装置において、前記通電相の前記所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間で、非通電相の巻き線を前記直流電源の第１極に接続して前記複数相の巻き線を短絡しブレーキ状態を設定するブレーキ手段を備えたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直流モータの駆動制御装置において、前記ブレーキ手段は、前記通電相の前記所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間の開始直後及び終了直前の少なくとも一方において、前記非通電相の巻き線と前記直流電源の第１極とを非接続にするデッドタイムを設定することを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、回転子の回転位置を検出する検出手段と、前記検出された回転位置が目標回転位置に一致するように所定ＰＷＭ周期のオンデューティを演算する演算手段と、複数相の巻き線と直流電源の第１極及び第２極との接続状態を切り替えるスイッチング手段と、前記スイッチング手段に制御信号を出力して、運転状態に応じて前記複数相の巻き線の通電相を選択的に切り替えさせ、該通電相の巻き線の一側端子を前記直流電源の第１極に接続固定させるとともに、該通電相の巻き線の他側端子を該通電相の所定ＰＷＭ周期の前記演算されたオンデューティに相当する期間で該直流電源の第２極に接続させて給電量をＰＷＭ制御し、前記回転子を回転させる制御手段とを備える直流モータの駆動制御装置において、前記制御手段は、前記スイッチング手段に制御信号を出力して、前記通電相の前記所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間で、非通電相の巻き線を前記直流電源の第１極に接続させて前記複数相の巻き線を短絡させブレーキ状態を設定することを要旨とする。

（作用）
請求項１又は３に記載の発明によれば、通電相の所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間で、非通電相の巻き線が前記直流電源の第１極に接続されて前記複数相の巻き線が短絡され、ブレーキ状態が設定される。従って、通電相の所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間であっても直流モータのフリー状態が抑制され、外力などの外乱に対する直流モータの安定性が向上される。また、通電相の所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間で、非通電相の巻き線を前記直流電源の第１極に接続して前記複数相の巻き線を短絡する、極めて簡易な構成で直流モータの安定性が向上される。

請求項２に記載の発明によれば、前記通電相の前記所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間の開始直後及び終了直前の少なくとも一方において、前記非通電相の巻き線と前記直流電源の第１極とを非接続にするデッドタイムが設定される。従って、オンデューティに相当する期間である直流モータの駆動状態と、上記ブレーキ状態との切り替え時に前記複数相の巻き線が短絡されてしまうことがより確実に防止される。

以上詳述したように、請求項１乃至３に記載の発明では、構成を複雑化することなく、外乱に対する直流モータの安定性を向上させることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１は、本発明が適用されるブラシレスモータシステムを示すブロック図である。同図に示されるように、このブラシレスモータシステムは、３相モータである直流モータとしてのブラシレスモータ１１と、インバータ回路で構成されるモータドライバ１２と、コントローラ１３とを備えている。

上記ブラシレスモータ１１は、固定子に所定角度ごとに巻装された１相巻き線１６、２相巻き線１７及び３相巻き線１８を有している。そして、所定角度ごとに磁石が固着された回転子は、この固定子に囲まれるように軸支される。なお、１相巻き線１６及び３相巻き線１８の接続部、１相巻き線１６及び２相巻き線１７の接続部、２相巻き線１７及び１８の接続部は、それぞれＵ相端子１１ａ、Ｖ相端子１１ｂ、Ｗ相端子１１ｃとなっている。ブラシレスモータ１１は、これらＵ相端子１１ａ、Ｖ相端子１１ｂ、Ｗ相端子１１ｃにおいて前記モータドライバ１２と接続されている。

上記モータドライバ１２は、例えばＰＮＰトランジスタからなる第１スイッチング素子２１，２２，２３と、ＮＰＮトランジスタからなる第２スイッチング素子２４，２５，２６とを備えている。そして、上記Ｕ相端子１１ａ、Ｖ相端子１１ｂ、Ｗ相端子１１ｃは、それぞれ第１スイッチング素子２１〜２３のコレクタと接続されており、これらのエミッタを介して直流電源２７の正極（第１極）と接続されている。また、上記Ｕ相端子１１ａ、Ｖ相端子１１ｂ、Ｗ相端子１１ｃは、それぞれ第２スイッチング素子２４〜２６のコレクタと接続されており、これらのエミッタを介して直流電源２７の負極（第２極）と接続されている。これら第１及び第２スイッチング素子２１〜２６のベースは、それぞれ前記コントローラ１３と接続されている。第１及び第２スイッチング素子２１〜２６は、コントローラ１３からこれらのベースへと出力される制御信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬによりオン・オフ制御される。

なお、上記Ｕ相端子１１ａ、Ｖ相端子１１ｂ、Ｗ相端子１１ｃはそれぞれ、フライホイールダイオード２８を介して直流電源２７の正極と接続されており、フライホイールダイオード２９を介して直流電源２７の負極と接続されている。

上記コントローラ１３は、上記制御信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬの出力により１相巻き線１６、２相巻き線１７及び３相巻き線１８への給電を制御することでブラシレスモータ１１の回転駆動を制御する。すなわち、コントローラ１３には、ブラシレスモータ１１の運転状態等を監視する各種状態信号が入力されている。また、コントローラ１３には、ブラシレスモータ１１の実回転位置θｒを検出する角度センサ１４が接続されている。コントローラ１３は、上記制御信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬの出力によりＵ相端子１１ａ、Ｖ相端子１１ｂ、Ｗ相端子１１ｃのレベル（電位）を制御して、１相巻き線１６、２相巻き線１７及び３相巻き線１８を流れる電流方向を順次切り替える通電相の選択的な切り替えを行ってブラシレスモータ１１の回転駆動を制御する。また、コントローラ１３は、上記通電相の切り替え制御に併せて、入力された状態信号から求めた目標回転位置θｔと角度センサ１４からの実回転位置θｒとの偏差に基づき、例えばＰＩＤ制御等の周知のフィードバック制御にてこれら回転位置が一致するように上記制御信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬをＰＷＭ制御してブラシレスモータ１１の回転駆動を制御する。

ここで、コントローラ１３による通電相の切り替え制御について、上記制御信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬに係る図２のタイミングチャートに基づき説明する。なお、同図ではハイレベルの制御信号によって対応するスイッチング素子がオンすることを表している。同図に示されるように、このブラシレスモータシステムでは、これら制御信号のレベルの組み合わせにより６つのパターン（相切替パターン）Ａ〜Ｆが存在する。例えば、パターンＡでは、制御信号ＵＬ，ＶＨがハイレベルである。従って、パターンＡでは、Ｕ相端子１１ａは第２スイッチング素子２４を介して直流電源２７の負極と電気的に接続され、Ｖ相端子１１ｂは第１スイッチング素子２２を介して直流電源２７の正極と電気的に接続される。そして、１相巻き線１６が通電相として選択され、２相巻き線１７及び３相巻き線１８が非通電相として選択される。

コントローラ１３は、これらパターンＡ〜Ｆを順次切り替えることでブラシレスモータ１１の回転駆動を制御する。なお、これらパターンＡ〜Ｆの各設定期間は、通電相のＰＷＭ制御の周期（所定ＰＷＭ周期Ｔ）に比べて十分に長い、例えば数［ｍｓ］のオーダーとなっている。そして、各パターンでの通電相の巻き線１６〜１８に対して、以下に説明する態様でＰＷＭ制御が実行される。

図３は、上記制御信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬに係る本実施形態でのＰＷＭ制御態様を示すタイミングチャートである。同図では、パターンＡの一部を時間的に拡大して示している。ここではパターンＡを代表して説明するが、残りのパターンＢ〜Ｆでも同様であることはいうまでもない。

同図に示されるように、パターンＡでは、コントローラ１３により制御信号ＶＨが常時ハイレベルに固定設定され、Ｖ相端子１１ｂ（一側端子）は第１スイッチング素子２２を介して直流電源２７の正極と電気的に接続された状態を維持する。一方、制御信号ＵＬは、コントローラ１３によりＰＷＭ周期Ｔごとに設定されるデューティＡのオンデューティに相当する期間Ｔ１に対応してハイレベルに設定され、同期間Ｔ１においてＵ相端子１１ａ（他側端子）は第２スイッチング素子２４を介して直流電源２７の負極と電気的に接続される。この期間Ｔ１において、その他の制御信号ＵＨ，ＷＨ，ＶＬ，ＷＬが全てローレベルに設定されて非通電相の巻き線（１７，１８）に接続された第１スイッチング素子２１，２３及び第２スイッチング素子２５，２６が遮断されていることは従前と同様である。そして、この期間Ｔ１においてブラシレスモータ１１は駆動状態に設定される。つまり、本実施形態では、直流電源２７の負極側のデューティ設定で通電相のＰＷＭ制御を行う、いわゆるロー側駆動を採用している。

ここで、パターンＡでは制御信号ＶＬ，ＷＬが常時ローレベルに設定されることは従前と同様である。また、本実施形態では、制御信号ＵＨ，ＷＨは、コントローラ１３によりＰＷＭ周期Ｔごとに設定されるデューティＢのオンデューティに相当する期間Ｔ２に対応してハイレベルに設定され、同期間Ｔ２においてＵ相端子１１ａ及びＷ相端子１１ｃはＶ相端子１１ｂとともに第１スイッチング素子２１，２３を介して直流電源２７の正極と電気的に接続される。この期間Ｔ２は、コントローラ１３によりＰＷＭ周期Ｔごとに設定されるオフデューティに相当する期間Ｔ３（＝Ｔ−Ｔ１）に重畳して同期間Ｔ３よりも所定時間αだけ短くなるように設定されている。すなわち、上記期間Ｔ２は、期間Ｔ３の開始時刻から所定時間α／２後に開始し、且つ、同期間Ｔ３の終了時刻（次のＰＷＭ周期Ｔの開始時刻）よりも所定時間α／２前で終了するように設定されている。

この期間Ｔ２では、Ｕ相端子１１ａ、Ｖ相端子１１ｂ及びＷ相端子１１ｃは全て直流電源２７の正極と電気的に接続されることで短絡され、ブラシレスモータ１１はブレーキ状態に設定される。ブラシレスモータ１１にこのようなブレーキ状態を設定するのは、これがフリー状態となるオフデューティに相当する期間Ｔ３において、外力により押されてモータが加速することを抑制するためである。このとき、ブラシレスモータ１１はＰＷＭ周期Ｔ内における極めて短い期間（高い周波数）で駆動状態とブレーキ状態とが繰り返される。なお、期間Ｔ３に対して期間Ｔ２の前後に所定時間α／２のデッドタイムを設定したのは、駆動状態からブレーキ状態への切り替え時に短絡することをより確実に抑制するためである。

次に、本実施形態における作用について図４に基づき説明する。なお、図４は、外力により押される状態での目標回転位置θｔ及びこれに対する実回転位置θｒの推移を示すタイミングチャートであって、（ａ）は通電相のＰＷＭ周期Ｔのオンデューティに相当する期間に駆動を行うのみの従前（通常）の場合を示し、（ｂ）はこれに併せて通電相のＰＷＭ周期Ｔのオフデューティに相当する期間にブレーキ設定を行う場合を示す。図４（ａ）（ｂ）に示した回転位置は、ＰＷＭ周期Ｔに比して十分に長い期間での推移を示している。

図４（ａ）から明らかなように、駆動を行うのみの通常の場合では、外力に押されることで目標回転位置θｔに対し実回転位置θｒがハンチングすることが確認される。そして、このハンチングがＰＷＭ周期Ｔに比べて長い周期を有する（低周波数になる）ことから、音・振動の発生原因になり得る。一方、図４（ｂ）から明らかなように、駆動状態とブレーキ状態とを繰り返す本実施形態の場合では、目標回転位置θｔに対し実回転位置θｒがブレーキの影響で若干、小さくなることを除いて実回転位置θｒは、外力に押されても概ね目標回転位置θｔに沿って推移する。このときの目標回転位置θｔと実回転位置θｒとの偏差は、モータ制御に影響しない規定範囲内に収まることが確認されている。

ちなみに、外力が予測可能であれば、例えば特開平１０−１９１６８２号公報などに記載される一般的なブレーキを行うことで上述のハンチングを防止することができるが、予測不能であれば対処できない。本実施形態では、基本的に従前のモータ制御（ＰＩＤ制御等）を流用したとしても、これに上述のブレーキ状態を設定するのみで外力の影響を抑制して回転位置の制御が可能となる。また、駆動状態とブレーキ状態とをＰＷＭ周期Ｔ内の非常に短い期間で繰り返すことで、音・振動の発生も抑制される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、通電相のＰＷＭ周期Ｔのオフデューティに相当する期間Ｔ３で、非通電相の巻き線が直流電源２７の正極に接続されて複数相の巻き線１６〜１８が短絡され、ブレーキ状態が設定される。従って、通電相のＰＷＭ周期Ｔのオフデューティに相当する期間Ｔ３であってもブラシレスモータ１１のフリー状態が抑制され、外力などの外乱に対するブラシレスモータ１１の安定性を向上できる。また、通電相のＰＷＭ周期Ｔのオフデューティに相当する期間Ｔ３で、非通電相の巻き線を直流電源２７の正極に接続して複数相の巻き線１６〜１８を短絡する、極めて簡易な構成でブラシレスモータ１１の安定性を向上できる。すなわち、従前（既存）のＰＩＤ制御等のシステム構成を流用した若干の変更でブラシレスモータ１１の安定性を向上できる。

（２）本実施形態では、通電相のＰＷＭ周期Ｔのオフデューティに相当する期間Ｔ３の開始直後及び終了直前において、非通電相の巻き線と直流電源２７の正極とを非接続にするデッドタイム（α／２）を設定した。従って、オンデューティに相当する期間Ｔ１であるブラシレスモータ１１の駆動状態と、上記ブレーキ状態との切り替え時に複数相の巻き線１６〜１８が短絡されてしまうことをより確実に防止できる。

（３）本実施形態では、デッドタイムを所定時間（α／２）としたことで、例えばタイマなどで予め設定された計時に同期させるなど極めて簡易にデッドタイムの設定を行うことができる。

（４）本実施形態では、デューティ比が小さい低デューティのときなどブラシレスモータ１１をゆっくりと動かしたいときには、駆動状態に対してブレーキ状態が長く設定されることで外力の影響が抑制され、ブラシレスモータ１１は円滑にゆっくりとした動作を行うことができる。つまり、円滑、且つ、微少又は低速の動きを必要とする低いモータ出力では、ブレーキ状態の設定で高いロバスト性を確保することができる。

一方、デューティ比が大きい高デューティのときには、駆動状態に対してブレーキ状態が短く設定されることで高いモータ出力を得ることができる。つまり、ブレーキ状態の設定を行うようにしても、従前と同様に高いモータ出力を得ることができる。そして、高いモータ出力では、外力などの外乱の影響が抑制されることでロバスト性を確保することができる。

このように、モータ駆動のデューティ制御のみでロバスト性が確保されるため、既存のサーボ駆動制御（ＰＩＤ制御等）をそのまま使用することができ、高い汎用性を得ることができる。

（５）本実施形態において、ブレーキ状態に対応して複数相の巻き線１６〜１８を短絡するとき、ブレーキによるエネルギーによってこれらの電位が直流電源２７の正極の電位よりも高くなれば、直流電源２７に回生させることができ、直流電源２７の電力損失を減少させることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態においては、直流電源２７の負極側で通電相の巻き線のＰＷＭ制御を行うロー側駆動を採用したが、直流電源２７の正極側で通電相の巻き線のＰＷＭ制御を行うハイ側駆動を採用してもよい。いうまでもなく、この場合のブレーキ状態の設定では、直流電源２７の負極側で巻き線１６〜１８を短絡させる。

・前記実施形態においては、スイッチング素子としていわゆるバイポーラトランジスタを採用したが、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であってもよい。
・前記実施形態においては、ブラシレスモータ１１を３相モータとしたが、例えば６相モータなど３ｎ（ｎは自然数）相モータであればよい。

・前記実施形態において、ブレーキ状態の設定等を行うコントローラ１３を、デジタルコンピュータを中心に構成して各種制御をソフトウェア的に行ってもよい。あるいは、上記コントローラ１３を、オペレーションアンプ等を組み合わせて構成し、各種制御をハードウェア的に行ってもよい。

・前記実施形態においては、デッドタイムを所定時間（α／２）に設定したが、例えばブラシレスモータ１１の高速回転時と低速回転時とでデッドタイムの設定が異なるように変更してもよい。このようにブラシレスモータ１１に対するブレーキ状態の設定を行うことで、より緻密な外乱の抑制を実現できる。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）請求項２に記載の直流モータの駆動制御装置において、前記デッドタイムは所定時間に設定されることを特徴とする直流モータの駆動制御装置。この技術的思想によれば、デッドタイムの設定を、例えばタイマなどで予め設定された計時に同期させて行うことで極めて簡易に行うことができる。

（ロ）請求項２に記載の直流モータの駆動制御装置において、前記デッドタイムは運転状態に応じて変更設定されることを特徴とする直流モータの駆動制御装置。この技術的思想によれば、例えば直流モータの高速回転時と低速回転時とでデッドタイムの設定が異なるように変更してブレーキ状態を設定することで、より緻密な外乱の抑制を実現できる。

本発明の一実施形態を示すブロック図。 同実施形態の制御態様を示すタイミングチャート。 同実施形態の制御態様を示すタイミングチャート。 （ａ）（ｂ）は、目標回転位置に対する実回転位置の推移を示すタイミングチャート。

符号の説明

１１…直流モータとしてのブラシレスモータ、１２…スイッチング手段としてのモータドライバ、１３…ブレーキ手段、演算手段、制御手段を構成するコントローラ、１４…検出手段としての角度センサ、１６…巻き線としての１相巻き線、１７…巻き線としての２相巻き線、１８…巻き線としての３相巻き線、２７…直流電源。

Claims (3)

1. 運転状態に応じて複数相の巻き線の通電相が選択的に切り替えられて回転駆動される直流モータであって、該通電相の巻き線の一側端子を直流電源の第１極に接続固定するとともに、該通電相の巻き線の他側端子を該通電相の所定ＰＷＭ（pulse width modulation）周期のオンデューティに相当する期間で該直流電源の第２極に接続して給電量をＰＷＭ制御する直流モータの駆動制御装置において、
   前記通電相の前記所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間で、非通電相の巻き線を前記直流電源の第１極に接続して前記複数相の巻き線を短絡しブレーキ状態を設定するブレーキ手段を備えたことを特徴とする直流モータの駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の直流モータの駆動制御装置において、
   前記ブレーキ手段は、前記通電相の前記所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間の開始直後及び終了直前の少なくとも一方において、前記非通電相の巻き線と前記直流電源の第１極とを非接続にするデッドタイムを設定することを特徴とする直流モータの駆動制御装置。
3. 回転子の回転位置を検出する検出手段と、
   前記検出された回転位置が目標回転位置に一致するように所定ＰＷＭ周期のオンデューティを演算する演算手段と、
   複数相の巻き線と直流電源の第１極及び第２極との接続状態を切り替えるスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段に制御信号を出力して、運転状態に応じて前記複数相の巻き線の通電相を選択的に切り替えさせ、該通電相の巻き線の一側端子を前記直流電源の第１極に接続固定させるとともに、該通電相の巻き線の他側端子を該通電相の所定ＰＷＭ周期の前記演算されたオンデューティに相当する期間で該直流電源の第２極に接続させて給電量をＰＷＭ制御し、前記回転子を回転させる制御手段とを備える直流モータの駆動制御装置において、
   前記制御手段は、前記スイッチング手段に制御信号を出力して、前記通電相の前記所定ＰＷＭ周期のオフデューティに相当する期間で、非通電相の巻き線を前記直流電源の第１極に接続させて前記複数相の巻き線を短絡させブレーキ状態を設定することを特徴とする直流モータの駆動制御装置。

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