特許 6581815 駆動制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6581815

(24)【登録日】2019年9月6日

(45)【発行日】2019年9月25日

(54)【発明の名称】駆動制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 7/29 20160101AFI20190912BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20190912BHJP

【ＦＩ】

   H02P7/29 A

   H02M3/155 P

【請求項の数】4

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-123607(P2015-123607)

(22)【出願日】2015年6月19日

(65)【公開番号】特開2017-11842(P2017-11842A)

(43)【公開日】2017年1月12日

【審査請求日】2018年5月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000250502

【氏名又は名称】理想科学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 正雄

【審査官】 安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０３７３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１２６３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０４５１８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７２８１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ７／２９

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータの回転角度を検出する検出部と、
前記検出部が検出したモータの回転角度に基づいてモータの回転速度を算出する算出部と、
前記算出部により算出されたモータの回転速度のみのフィードバックにより、同期整流方式によるＰＷＭ制御でモータを駆動させる制御部とを備え、
前記制御部は、
前記算出部により算出されたモータの回転速度とその目標値とを比較して誤差速度を算出する速度比較部と、
前記誤差速度に基づき、モータに必要なトルクを算出するトルク算出部と、
前記トルク算出部で算出されたトルク、前記算出部により算出されたモータの回転速度、およびモータの電気的仕様に基づき、同期整流方式によるモータの駆動電圧を算出する駆動電圧算出部と、
前記駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定するデューティ比設定部と
を備えることを特徴とする駆動制御装置。

【請求項2】

前記検出部は、モータの回転角度に応じたパルス信号を出力し、
前算出部は、前記検出部から出力されたパルス信号を取得してその周期を計測し、計測したパルス信号の周期に基づき、モータの回転速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。

【請求項3】

前記モータの電気的仕様には、モータのインダクタンスが含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動制御装置。

【請求項4】

前記制御部は、
キャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、
前記キャリア信号と前記駆動電圧に応じたＰＷＭ設定値との比較により、前記デューティ比設定部で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ発生部と
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の駆動制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータを駆動させる駆動制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりモータを駆動させる駆動制御装置が知られている。

【0003】

一般的に、この種の駆動制御装置は、モータの回転速度負帰還ループ（主たるフィードバック要素）と、モータ電流負帰還ループ（従たるフィードバック要素）とを有する（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

通常のＰＷＭ制御では、ＰＷＭ信号のデューティ比と、電圧または電流とが、非線形な関係となる。このため、電圧や電流を直接的にＰＷＭ信号のデューティ比に変換することはできない。そこで、駆動制御装置は、モータに流れる電流を検出しながらＰＷＭ信号のデューティ比を追従収束するモータ電流負帰還ループを有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４−１６５９８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述したモータ電流負帰還ループを構成するには、電流検出器が必要である。また、デジタル処理が要求される場合には、ＡＤ変換器も必要になる。このため、ハードウェア構成の複雑化を招いていた。

【0007】

本発明は上記に鑑みてなされたもので、ハードウェア構成を簡素化できる駆動制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明に係る駆動制御装置の第１の特徴は、同期整流方式によるＰＷＭ制御でモータを駆動させる駆動制御装置であって、モータの回転速度とその目標値とを比較して誤差速度を算出する速度比較部と、前記誤差速度に基づき、モータに必要なトルクを算出するトルク算出部と、前記トルク算出部で算出されたトルク、モータの回転速度、およびモータの電気的仕様に基づき、同期整流方式によるモータの駆動電圧を算出する駆動電圧算出部と、前記駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定するデューティ比設定部とを備えることにある。

【0009】

本発明に係る駆動制御装置の第２の特徴は、前記モータの電気的仕様には、モータのインダクタンスが含まれることにある。

【0010】

本発明に係る駆動制御装置の第３の特徴は、キャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、前記キャリア信号と前記駆動電圧に応じたＰＷＭ設定値との比較により、前記デューティ比設定部で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ発生部とをさらに備えることにある。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る駆動制御装置の第１の特徴によれば、駆動電圧算出部は、トルク算出部で算出されたトルク、モータの回転速度、およびモータの電気的仕様に基づき、同期整流方式によるモータの駆動電圧を算出する。デューティ比設定部は、駆動電圧算出部で算出された駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。これにより、モータ電流負帰還ループを構成することなく、誤差速度に応じたデューティ比を設定できる。したがって、モータ電流負帰還ループを構成するための電流検出器やＡＤ変換器を省略でき、ハードウェア構成を簡素化できる。

【0012】

本発明に係る駆動制御装置の第２の特徴によれば、モータの電気的仕様には、モータのインダクタンスが含まれるので、インダクタンスによる電流の積分遅れによる応答性能の低下が抑えられる。

【0013】

本発明に係る駆動制御装置の第３の特徴によれば、ＰＷＭ発生部は、キャリア信号と駆動電圧に応じたＰＷＭ設定値との比較により、デューティ比設定部で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生する。これにより、短時間でＰＷＭ信号を生成できる。この結果、高精度な回転速度制御や、目標速度指令に対する俊敏な応答が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施の形態に係る駆動制御装置の概略構成図である。

【図2】メカ系の制御対象の一例を示す図である。

【図3】メカ系の負荷特性を示す図である。

【図4】メカ系の制御対象のブロック線図である。

【図5】モータの等価回路図である。

【図6】モータのブロック線図である。

【図7】実施の形態に係る駆動制御装置のブロック線図である。

【図8】実施の形態に係る駆動制御装置における回転速度制御のアルゴルを図式化した図である。

【図9】単純ＰＷＭ発生部でＰＷＭ信号を発生する動作の説明図である。

【図10】ＰＷＭ信号により駆動制御されるモータの端子間電圧およびモータに流れる電流の波形の一例を示す図である。

【図11】ＰＷＭ信号により駆動制御されるモータの端子間電圧およびモータに流れる電流の波形の他の例を示す図である。

【図12】実施の形態に係る駆動制御装置によるモータの回転速度制御のシミュレーションにおけるモータの角速度および誤差速度の推移を示す図である。

【図13】実施の形態に係る駆動制御装置によるモータの回転速度制御のシミュレーションにおけるＰＷＭ信号のデューティ比およびモータに流れる電流の推移を示す図である。

【図14】比較例の回転速度制御のシミュレーションにおけるモータの角速度および誤差速度の推移を示す図である。

【図15】比較例の回転速度制御のシミュレーションにおけるＰＷＭ信号のデューティ比およびモータに流れる電流の推移を示す図である。

【図16】正回転時における回転速度ムラ比率の計測データの一例を示す図である。

【図17】正回転時における回転速度ムラ比率の計測データの他の例を示す図である。

【図18】逆回転時における回転速度ムラ比率の計測データの一例を示す図である。

【図19】逆回転時における回転速度ムラ比率の計測データの他の例を示す図である。

【図20】図１６の回転速度ムラ比率をＦＦＴ解析した結果を示す図である。

【図21】図１７の回転速度ムラ比率をＦＦＴ解析した結果を示す図である。

【図22】図１８の回転速度ムラ比率をＦＦＴ解析した結果を示す図である。

【図23】図１９の回転速度ムラ比率をＦＦＴ解析した結果を示す図である。

【図24】運転パターンＡにおけるモータの角速度および誤差速度の計測データを示す図である。

【図25】運転パターンＢにおけるモータの角速度および誤差速度の計測データを示す図である。

【図26】運転パターンＣにおけるモータの角速度および誤差速度の計測データを示す図である。

【図27】運転パターンＤにおけるモータの角速度および誤差速度の計測データを示す図である。

【図28】運転パターンＡにおけるモータに流れる電流の計測データを示す図である。

【図29】運転パターンＢにおけるモータに流れる電流の計測データを示す図である。

【図30】運転パターンＣにおけるモータに流れる電流の計測データを示す図である。

【図31】運転パターンＤにおけるモータに流れる電流の計測データを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図面を通じて同一もしくは同等の部位や構成要素には、同一もしくは同等の符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

【0016】

図１は、本発明の実施の形態に係る駆動制御装置の概略構成図である。図１に示すように、駆動制御装置１は、組込型マイコン２と、駆動部３と、電源部４と、速度検出器５とを備える。駆動制御装置１は、ＤＣモータであるモータ６を駆動させるものである。

【0017】

組込型マイコン２は、同期整流方式によるＰＷＭ制御で駆動部３を制御する。組込型マイコン２は、装置内組み込み型のＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等からなる。組込型マイコン２は、速度設定部１１と、速度比較部１２と、ＰＩＤ調整部（請求項のトルク算出部に相当）１３と、駆動電圧・デューティ比算出部（請求項の駆動電圧算出部、デューティ比設定部に相当）１４と、キャリア信号発生部１５と、単純ＰＷＭ発生部（請求項のＰＷＭ発生部に相当）１６と、キャプチャユニット１７と、回転速度検出部１８とを備える。

【0018】

速度設定部１１、速度比較部１２、ＰＩＤ調整部１３、駆動電圧・デューティ比算出部１４、キャリア信号発生部１５、キャプチャユニット１７、および回転速度検出部１８は、組込型マイコン２においてファームウェア（ソフトウェア）により構成される。単純ＰＷＭ発生部１６は、組込型マイコン２にハードウェアとして内蔵されたものである。

【0019】

速度設定部１１は、モータ６の回転速度の目標値を示す目標速度指令を速度比較部１２へ出力する。目標値は、外部から速度設定部１１に入力される。

【0020】

速度比較部１２は、モータ６の回転速度と目標値とを比較して、それらの差である誤差速度を算出する。モータ６の回転速度は、回転速度検出部１８から速度比較部１２に入力される。

【0021】

ＰＩＤ調整部１３は、誤差速度に基づき、モータ６の回転速度を目標値にするためにモータ６に必要なトルクを、ＰＩＤ演算により算出する。

【0022】

駆動電圧・デューティ比算出部１４は、ＰＩＤ調整部１３で算出されたトルク、モータ６の回転速度、およびモータ６の電気的仕様に基づき、同期整流方式によるモータ６の駆動電圧を算出する。また、駆動電圧・デューティ比算出部１４は、算出した駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。また、駆動電圧・デューティ比算出部１４は、算出した駆動電圧に応じたＰＷＭ設定値を算出し、これを後述の単純ＰＷＭ発生部１６の比較器１９へ出力する。

【0023】

キャリア信号発生部１５は、予め設定された周期の鋸歯状波または三角波のキャリア信号を生成し、このキャリア信号を単純ＰＷＭ発生部１６へ出力する。

【0024】

単純ＰＷＭ発生部１６は、矩形波のＰＷＭ信号を発生し、このＰＷＭ信号を駆動部３へ出力する。単純ＰＷＭ発生部１６は、比較器１９を有する。比較器１９は、キャリア信号とＰＷＭ設定値との比較により、設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生する。比較器１９は、設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を後述する駆動部３のスイッチ素子ＳＷ１へ出力し、それとは位相が逆のＰＷＭ信号をスイッチ素子ＳＷ２へ出力する。

【0025】

キャプチャユニット１７は、速度検出器５から出力される、モータ６の回転角度に応じたパルス信号を取得し、その周期を計測する。

【0026】

回転速度検出部１８は、キャプチャユニット１７で計測されたパルス信号の周期に基づき、モータ６の回転速度を算出する。回転速度検出部１８は、算出した回転速度を速度比較部１２へ出力する。

【0027】

駆動部３は、組込型マイコン２から入力されるＰＷＭ信号により、モータ６を駆動させる。駆動部３は、プリドライバ２１と、Ｈブリッジ回路２２とを備える。

【0028】

プリドライバ２１は、単純ＰＷＭ発生部１６の比較器１９とＨブリッジ回路２２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２とを接続する。プリドライバ２１を介して、比較器１９から出力される互いに位相が逆のＰＷＭ信号が、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２にそれぞれ入力される。

【0029】

Ｈブリッジ回路２２は、４つのスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４を備える。スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が、モータ６の一方の端子に接続されるラインにおいて、電源電圧端子Ｐと接地端子との間に直列に接続されている。また、スイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４が、モータ６の他方の端子に接続されるラインにおいて、電源電圧端子Ｐと接地端子との間に直列に接続されている。Ｈブリッジ回路２２において、対角線上に位置するスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ４が一方の対になり、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３が他方の対になる。例えば、スイッチ素子ＳＷ１に入力されるＰＷＭ信号のＨ（ハイ）期間では、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン状態になる。このとき、スイッチ素子ＳＷ２に入力されるＰＷＭ信号はＬ（ロー）期間であり、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態になる。

【0030】

電源部４は、駆動部３に電圧を供給する。電源部４は、Ｈブリッジ回路２２の電源電圧端子Ｐに接続されている。

【0031】

速度検出器５は、モータ６の回転角度に応じたパルス信号を出力する。速度検出器５は、例えば、ロータリエンコーダからなる。

【0032】

上述した駆動制御装置１における制御において、ＰＩＤ調整部１３、駆動電圧・デューティ比算出部１４、キャリア信号発生部１５、単純ＰＷＭ発生部１６、および駆動部３が、制御要素を形成する。制御対象は、モータ６を含む電気系とメカ系全体である。制御量は、モータ６の回転速度である。速度検出器５、キャプチャユニット１７、および回転速度検出部１８が、フィードバック要素（モータの回転速度負帰還ループ）を形成する。

【0033】

次に、駆動制御装置１の制御における制御対象について説明する。

【0034】

まず、メカ系の制御対象について説明する。

【0035】

メカ系の制御対象は、例えば、図２に示すような、印刷装置に設けられる用紙搬送部３１からなる。用紙搬送部３１は、搬送ベルト３２を有する。搬送ベルト３２は、駆動ローラ３３および従動ローラ３４，３５に掛け渡される環状のベルトである。駆動ローラ３３は、モータ６により回転駆動される。従動ローラ３４，３５は、搬送ベルト３２に従動する。駆動ベルト３６により、モータ６の駆動力が駆動ローラ３３へ伝達される。モータ６の駆動により駆動ローラ３３が回転し、搬送ベルト３２が回転することで、搬送ベルト３２上に載置された用紙が搬送される。

【0036】

メカ系は、図２に示すように、用紙搬送部３１の搬送ベルト３２等をモータ軸上に等価置換した単純化モデルで表現できる。

【0037】

ところで、図３に示すように、メカ系の負荷（総合負荷）は、摩擦負荷と粘性負荷との合計になる。このような負荷特性を有するメカ系の単純化モデルの運動方程式（ニュートンの第二法則）は、以下の式（１）で表される。

【0038】

Tm(t)=Jm・dωm(t)/dt+Wq・ωm(t)+To …（１）
ωm[rad/sec]：角速度
Tm[N・m]：供給されるトルク
Jm[kg・m²]：慣性モーメント
Wq[N・m/(rad/sec)]：粘性負荷抵抗
To[N・m]：摩擦負荷トルク
式（１）をラプラス変換してＳ関数表現にすると、以下の式（２）のようになる。

【0039】

Tm(s)=Jm・S・ωm(s)+Wq・ωm(s)+To …（２）
したがって、以下の式（３）により、角速度（回転速度）ωm(s)が得られる。

【0040】

ωm(s)=(Tm(s)-To)/(Jm・S+Wq) …（３）
ここで、メカ系の制御対象のブロック線図による表現を図４に示す。図４において、加え合わせ点４１は、トルクTm(s)から摩擦負荷トルクToを減算した値(Tm(s)-To)を出力する。ブロック４２は、加え合わせ点４１から入力される(Tm(s)-To)に1/(Jm・S+Wq)を乗算し、式（３）で表される角速度（回転速度）ωm(s)を出力する。

【0041】

次に、電気系の制御対象について説明する。

【0042】

電気系の制御対象は、モータ６である。ＤＣモータであるモータ６は、図５に示すような等価回路で表すことができる。ここで、各パラメータの内容は以下の通りである。

【0043】

Vpm[V]：端子間電圧（モータに供給されるＰＷＭ電圧）
Ve[V]：逆誘起電圧（モータ自身の回転で発電する電圧）
KE[V/(rad/sec)]：誘起電圧定数（回転速度→誘起電圧変換定数）
La[H]：電機子巻線インダクタンス
Ra[Ω]：電機子巻線抵抗
Im[A]：電機子巻線電流
KT[N・m/A]：トルク定数（電流→トルク変換定数）
Tm[N・m]：発生するトルク
ωm[rad/sec]：角速度
図５に示す等価回路によれば、モータ６の表現式は、以下の式（４）〜式（６）のようになる。

【0044】

Vpm(t)=La・dIm(t)/dt+Ra・Im(t)+Ve(t) …（４）
Ve(t)=KE・ωm(t) …（５）
Tm(t)= KT・Im(t) …（６）
式（４）〜式（６）をラプラス変換してＳ関数表現にすると、それぞれ以下の式（７）〜式（９）のようになる。

【0045】

Vpm(s)=La・S・Im(s)+Ra・Im(s)+Ve(s) …（７）
Ve(s)=KE・ωm(s) …（８）
Tm(s)= KT・Im(s) …（９）
式（７）、式（８）より、電機子巻線電流Im(s)は、以下の式（１０）により表される。

【0046】

Im(s)=(Vpm(s)-KE・ωm(s))/(La・S+Ra) …（１０）
ここで、図５に示した等価回路のブロック線図による表現を図６に示す。図６において、加え合わせ点５１は、端子間電圧Vpm(s)から逆誘起電圧Veを減算した値(Vpm(s)-Ve)を出力する。ブロック５２は、加え合わせ点５１から入力される(Vpm(s)-Ve) に1/(La・S+Ra)を乗算し、式（１０）で表される電機子巻線電流Im(s)を出力する。ブロック５３は、電機子巻線電流Im(s)にトルク定数KTを乗算し、式（９）で表されるトルクTm(s)を出力する。トルクTm(s)はメカ系に作用し、角速度（回転速度）ωm(s)が得られる。ブロック５４は、角速度ωm(s)に誘起電圧定数KEを乗算し、式（８）で表される逆誘起電圧Ve(s)を加え合わせ点５１へ出力する。

【0047】

次に、駆動制御装置１における回転速度制御の動作について、図７のブロック線図を用いて説明する。なお、図７のブロック線図におけるメカ系および電気系の制御対象の部分は、それぞれ図４、図６に示したブロック線図と同様である。

【0048】

図７において、加え合わせ点６１は、モータ６の回転速度の目標値ωr(s)からモータ６の角速度（回転速度）ωm(s)を減算して誤差速度ωe(s)を出力する。加え合わせ点６１の演算は、図１の速度比較部１２による処理に相当する。目標値ωr(s)は、速度設定部１１が速度比較部１２へ出力するものである。角速度ωm(s)は、速度検出器５の出力パルス信号に応じて回転速度検出部１８で算出されるものである。

【0049】

ブロック６２は、加え合わせ点６１から入力される誤差速度ωe(s)に対して、上述した式（１）の運動方程式に基づくＰＩＤ要素別適正ゲインの調整を行い、モータ６の回転速度を目標値ωr(s)にするために必要なトルクTm’(s)を算出する。ここで、Kdは微分（加速度）ゲインである。Kpは比例（速度）ゲインである。Kiは積分（変位）ゲインである。ブロック６２の演算は、図１のＰＩＤ調整部１３による処理に相当する。

【0050】

ブロック６３は、ブロック６２から入力されるトルクTm’(s)、モータ６の角速度ωm(s)、およびモータ６の電気的仕様（電気的パラメータ）に基づき、同期整流方式によるモータ６の駆動電圧Vpm(s)’を算出する。モータ６の電気的パラメータとしては、電機子巻線インダクタンスLa、電機子巻線抵抗Ra、トルク定数KT、および誘起電圧定数KEが用いられる。駆動電圧Vpm(s)’は、以下の式（１１）により算出される。

【0051】

Vpm(s)’=Vl(s)+Vr(s)+Ve(s)
=(Tm’(s)/KT)・(La・S+Ra)+KE・ωm(s) …（１１）
ここで、モータ６に流す電流Im(s)’は、以下の式（１２）により算出される。

【0052】

Im(s)’= Tm’(s)/KT …（１２）
ブロック６３の演算は、図１の駆動電圧・デューティ比算出部１４による処理の一部に相当する。駆動電圧・デューティ比算出部１４には、駆動電圧Vpm(s)’を算出する際の逆誘起電圧Ve(s)の算出に用いるために、回転速度検出部１８からモータ６の角速度ωm(s)が入力される。

【0053】

ブロック６４では、ブロック６３から入力される駆動電圧Vpm(s)’に応じたＰＷＭ設定値Vpm(s)”を算出する。ＰＷＭ設定値Vpm(s)”は、図１の単純ＰＷＭ発生部１６でＰＷＭ信号を生成するために用いられるものである。ＰＷＭ設定値Vpm(s)”は、以下の式（１３）により算出される。

【0054】

Vpm(s)”=Vpm(s)’/2+Vps(s)/2 …（１３）
ここで、Vpsは、図１の電源部４による駆動電源電圧である。ブロック６４の演算は、図１の駆動電圧・デューティ比算出部１４による処理の一部に相当する。

【0055】

ブロック６５では、駆動電圧Vpm(s)’に応じたＰＷＭ信号のデューティ比を設定し、そのデューティ比のＰＷＭ信号によりモータ６を駆動させる。ＰＷＭ信号のデューティ比（PWM_Duty）は、以下の式（１４）により算出される。

【0056】

PWM_Duty[%]=（Vpm(s)’+Vps(s)）・100/2・Vps(s) …（１４）
ここで、同期整流方式では、モータの駆動電圧の平均値と、ＰＷＭ信号のデューティ比とが比例することが知られている。また、デューティ比が５０％のときは駆動電圧の平均値が０となり、モータが停止状態となる。デューティ比が５０％より大きい場合は駆動電圧の平均値が正の値になり、デューティ比が５０％未満の場合は駆動電圧の平均値が負の値になる。これにより、モータを正方向および逆方向に回転させることができる。

【0057】

式（１１）で算出される駆動電圧Vpm(s)’は、-Vps(s)から+Vps(s)の間の値である。Vpm(s)’=Vps(s)のときにデューティ比が１００％となり、Vpm(s)’=-Vps(s)のときにデューティ比が０％となる。また、Vpm(s)’=0のときにデューティ比が５０％となる。そして、上述した同期整流方式の特徴から、駆動電圧Vpm(s)’とデューティ比とが比例する。このことから、式（１４）により、駆動電圧Vpm(s)’に応じたＰＷＭ信号のデューティ比が算出される。

【0058】

ブロック６５の処理は、図１の駆動電圧・デューティ比算出部１４の一部、キャリア信号発生部１５、単純ＰＷＭ発生部１６、および駆動部３の処理に相当する。

【0059】

以上のような制御により、モータ６の端子間電圧Vpm(s)が、ブロック６３で算出された、モータ６の回転速度を目標値ωr(s)にするための駆動電圧Vpm(s)’と等しくなるよう制御される。駆動電圧Vpm(s)’による駆動により、モータ６において発生するトルクTm(s)は、ブロック６２で算出されたトルクTm’(s)と等しくなる。また、モータ６に流れる電流（電機子巻線電流）Im(s)は、Tm’(s)から算出される電流Im(s)’と等しくなる。

【0060】

次に、駆動制御装置１における回転速度制御のアルゴルを、図８を用いて説明する。図８は、回転速度制御のアルゴル（Ｓ関数をＺ変換した表現）を図式化したものである。このアルゴルは、組込型マイコン２に組込まれるファームウェアで実行されるものである。

【0061】

図８において、減算部７１は、モータ６の回転速度の目標値ωr(z)からモータ６の角速度（回転速度）ωm(z)を減算して誤差速度ωe(z)を出力する。減算部７１は、図１の速度比較部１２に相当する。

【0062】

減算部７２は、減算部７１から入力される誤差速度ωe(z)から、遅延部７３で単位遅延された誤差速度ωe(z)を減算する。

【0063】

微分演算部７４は、減算部７２の演算結果に微分ゲインKdを乗算して微分トルクTd(z)を算出する。

【0064】

比例演算部７５は、減算部７１から入力される誤差速度ωe(z)に比例ゲインKpを乗算して比例トルクTp(z)を算出する。

【0065】

加算部７６は、減算部７１から入力される誤差速度ωe(z)に、遅延部７３で単位遅延された誤差速度ωe(z)を加算する。

【0066】

積分演算部７７は、加算部７６の演算結果に積分ゲインKiを乗算する。加算部７８は、積分演算部７７の演算結果に遅延部７９で単位遅延された積分トルクTi(z)を加算して、積分トルクTi(z)を算出する。

【0067】

加算部８０は、微分トルクTd(z)と比例トルクTp(z)と積分トルクTi(z)とを加算して、ＰＩＤ出力トルクTm’(z)を算出する。ＰＩＤ出力トルクTm’(z)は、モータ６の回転速度を目標値ωr(z)にするために必要なトルクである。

【0068】

減算部７２，遅延部７３，微分演算部７４，比例演算部７５，加算部７６，積分演算部７７，加算部７８，遅延部７９，および加算部８０による処理は、図１のＰＩＤ調整部１３による処理に相当する。

【0069】

電流変換部８１は、ＰＩＤ出力トルクTm’(z)をトルク定数KTで割ることにより、モータ６に流す電流Im(z)’に変換する。

【0070】

減算部８２は、電流変換部８１から入力される電流Im(z)’から、遅延部８３で単位遅延された電流Im(z)’を減算する。

【0071】

インダクタンス電圧算出部８４は、減算部８２の演算結果にインダクタンス分の変換定数KLを乗算して、インダクタンス電圧Vl(z)を算出する。

【0072】

巻線抵抗電圧算出部８５は、電流変換部８１から入力される電流Im(z)’に巻線抵抗分の変換定数KRを乗算して、巻線抵抗電圧Vr(z)を算出する。

【0073】

逆誘起電圧算出部８６は、モータ６の角速度ωm(z)に誘起電圧定数KEを乗算して、逆誘起電圧Ve(z)を算出する。

【0074】

加算部８７は、インダクタンス電圧Vl(z)と巻線抵抗電圧Vr(z)と逆誘起電圧Ve(z)とを加算して、同期整流方式によるモータ６の駆動電圧Vpm(z)’を算出する。

【0075】

デューティ比算出部８８は、前述の式（１４）により、ＰＷＭ信号のデューティ比（PWM_Duty）を算出する。デューティ比のＰＷＭ信号により、モータ６が駆動される。

【0076】

電流変換部８１、減算部８２、遅延部８３、インダクタンス電圧算出部８４、巻線抵抗電圧算出部８５、逆誘起電圧算出部８６、加算部８７、およびデューティ比算出部８８による処理は、図１の駆動電圧・デューティ比算出部１４による処理に相当する。

【0077】

速度変換部８９は、速度検出器５から出力されるパルス信号（モータスピードパルス）をモータ６の角速度ωm(z)に変換する。角速度ωm(z)は、減算部７１および逆誘起電圧算出部８６へ出力される。速度変換部８９による処理は、図１のキャプチャユニット１７および回転速度検出部１８の処理に相当する。

【0078】

次に、単純ＰＷＭ発生部１６でＰＷＭ信号を発生する動作について説明する。

【0079】

キャリア信号発生部１５から単純ＰＷＭ発生部１６の比較器１９に入力されるキャリア信号は、図９に示すように、０からVps(s)の間の値をとる。

【0080】

前述した式（１３）で算出されるＰＷＭ設定値Vpm(s)”も、０からVps(s)の間の値となる。モータ６の駆動電圧Vpm(s)’=0のとき、Vpm(s)”=Vps(s)/2となる。Vpm(s)’>0のとき、Vpm(s)”>Vps(s)/2となる。Vpm(s)’<0のとき、Vpm(s)”<Vps(s)/2となる。

【0081】

比較器１９は、キャリア信号とＰＷＭ設定値Vpm(s)”とを比較し、ＰＷＭ設定値Vpm(s)”の値がキャリア信号の値を上回っている期間をハイレベル、ＰＷＭ設定値Vpm(s)”の値がキャリア信号の値を下回っている期間をローレベルとするＰＷＭ信号を発生する。

【0082】

これにより、図９に示すように、Vpm(s)”>Vps(s)/2 のとき、すなわちVpm(s)’>0のとき、デューティ比が５０％より大きいＰＷＭ信号が生成される。また、Vpm(s)”=Vps(s)/2のとき、すなわちVpm(s)’=0のとき、デューティ比が５０％のＰＷＭ信号が生成される。Vpm(s)”<Vps(s)/2のとき、すなわちVpm(s)’<0のとき、デューティ比が５０％より小さいＰＷＭ信号が生成される。

【0083】

このように、単純ＰＷＭ発生部１６は、キャリア信号とＰＷＭ設定値Vpm(s)”との単純な比較によりＰＷＭ信号を生成するので、短時間でＰＷＭ信号を生成できる。これにより、高精度なモータ６の回転速度制御や、目標速度指令に対する高速な応答性能が実現される。

【0084】

単純ＰＷＭ発生部１６で生成されたＰＷＭ信号は駆動部３に入力され、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じてモータ６が駆動される。

【0085】

ＰＷＭ信号により駆動制御されるモータ６に印加される電圧およびモータ６に流れる電流Imの波形の例を図１０、図１１に示す。図１０は、ＰＷＭ信号のデューティ比が９０％の場合のモータ６の印加電圧および電流Imの波形図の一例である。この場合、モータ６に正の電流Imが流れ、モータ６が正方向に回転する。図１１は、ＰＷＭ信号のデューティ比が１０％の場合のモータ６の印加電圧および電流Imの波形図の一例である。この場合、モータ６に負の電流Imが流れ、モータ６が逆方向に回転する。

【0086】

次に、駆動制御装置１によるモータ６の回転速度制御と、モータ６のインダクタンス成分を無視した回転速度制御との比較について説明する。

【0087】

モータ６のインダクタンス成分を無視した回転速度制御は、前述の式（１１）において、Vl(s)=0として駆動電圧Vpm(s)’を算出するものである。

【0088】

図１２、図１３は、駆動制御装置１によるモータ６の回転速度制御のシミュレーション結果を示す図である。図１４、図１５は、モータ６のインダクタンス成分を無視した比較例の回転速度制御のシミュレーション結果を示す図である。図１２、図１４は、モータ６の角速度ωmおよび誤差速度ωeの推移を示している。図１３、図１５は、ＰＷＭ信号のデューティ比およびモータ６に流れる電流Imの推移を示している。

【0089】

図１２では、図１４と比較して、一点鎖線で囲んだ部分に現れている、速度変化点での誤差速度ωeが小さくなっている。また、図１３では、図１５と比較して、ＰＷＭ信号のデューティ比およびモータ６に流れる電流Imの遷移がシャープになっている。

【0090】

このように、駆動制御装置１では、インダクタンス成分を考慮することで、インダクタンスによる電流の電圧に対する積分遅れによる応答性能の低下が抑えられる。

【0091】

次に、駆動制御装置１におけるモータ６の回転速度制御性能の実証データを図１６〜図２３に示す。

【0092】

図１６、図１７は、正方向の回転時における回転速度ムラ比率Wowの計測データである。図１６、図１７は、互いに異なる目標値ωrに対する回転速度ムラ比率Wowの計測データである。図１８、図１９は、逆方向の回転時における回転速度ムラ比率Wowの計測データである。図１８、図１９は、互いに異なる目標値ωrに対する回転速度ムラ比率Wowの計測データである。図２０〜図２３は、それぞれ図１６〜図１９の回転速度ムラ比率WowをＦＦＴ解析した結果を示す図である。

【0093】

ここで、回転速度ムラ比率Wow[%]は、以下の式（１５）で表されるものである。

【0094】

Wow=(ωm-ωr)・100/ωr …（１５）
図２０〜図２３に示すように、正回転、逆回転ともに、角速度ωmが100rad/sec以上において回転速度ムラ比率Wowが0.1%[rms]以下であることが確認された。このように、駆動制御装置１では、高精度な回転速度制御性能が得られた。

【0095】

次に、４種類の運転パターン（運転パターンＡ〜Ｄ）におけるモータ６の角速度ωmおよび誤差速度ωeの計測データを図２４〜図２７に示す。また、運転パターンＡ〜Ｄにおけるモータ６に流れる電流Imの計測データを図２８〜図３１に示す。

【0096】

運転パターンＡは、正回転状態→停止状態→逆回転状態となるパターンである。運転パターンＢは、逆回転状態→瞬間停止→正回転状態となるパターンである。運転パターンＣは、高速正回転状態と低速正回転状態との間で切り替わるパターンである。運転パターンＤは、高速逆回転状態と低速逆回転状態との間で切り替わるパターンである。

【0097】

図２４〜図３１に示すように、すべての運転パターンＡ〜Ｄにおいて、目標速度指令（目標値ωr）に対して１〜数msec程度での高速な応答性能が得られた。

【0098】

以上説明したように、駆動制御装置１では、駆動電圧・デューティ比算出部１４は、ＰＩＤ調整部１３で算出されたトルク、モータ６の回転速度、およびモータ６の電気的仕様（電気的パラメータ）に基づき、同期整流方式によるモータ６の駆動電圧を算出する。また、駆動電圧・デューティ比算出部１４は、算出した駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。これにより、モータ電流負帰還ループを構成することなく、誤差速度に応じたデューティ比を設定できる。したがって、駆動制御装置１によれば、モータ電流負帰還ループを構成するための電流検出器やＡＤ変換器を省略でき、ハードウェア構成を簡素化できる。

【0099】

駆動電圧を算出するために用いるモータ６の電気的仕様（電気的パラメータ）には、モータ６のインダクタンス（電機子巻線インダクタンスLa）が含まれるので、インダクタンスによる電流の積分遅れによる応答性能の低下が抑えられる。

【0100】

また、駆動制御装置１では、単純ＰＷＭ発生部１６は、キャリア信号とＰＷＭ設定値との比較により、設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生する。このため、モータ電流負帰還ループを用いた構成で生じるような、モータに流れる電流を検出しながらＰＷＭ信号のデューティ比を追従収束する処理による遅れが生じない。このため、短時間でＰＷＭ信号を生成できる。この結果、高精度な回転速度制御や、目標速度指令に対する俊敏な応答が可能になる。

【0101】

また、駆動制御装置１によれば、制御系全体をデジタル化でき、自由度の高いファームウェアによる速度制御（完全デジタルプログラマブルサーボ）システムを構築できる。

【0102】

本発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

【符号の説明】

【0103】

１ 駆動制御装置
２ 組込型マイコン
３ 駆動部
４ 電源部
５ 速度検出器
６ モータ
１１ 速度設定部
１２ 速度比較部
１３ ＰＩＤ調整部
１４ 駆動電圧・デューティ比算出部
１５ キャリア信号発生部
１６ 単純ＰＷＭ発生部
１７ キャプチャユニット
１８ 回転速度検出部
１９ 比較器
２１ プリドライバ
２２ Ｈブリッジ回路
ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチ素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】