特開 2024-120497 ブラシレスＤＣモータの制御方法、および、ブラシレスＤＣモータの制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120497

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】ブラシレスＤＣモータの制御方法、および、ブラシレスＤＣモータの制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/10 20060101AFI20240829BHJP

【ＦＩ】

H02P6/10

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027321

(22)【出願日】2023-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(71)【出願人】

【識別番号】000106944

【氏名又は名称】シナノケンシ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100199819

【弁理士】

【氏名又は名称】大行 尚哉

(74)【代理人】

【識別番号】100090170

【弁理士】

【氏名又は名称】横沢 志郎

(72)【発明者】

【氏名】千田 有一

(72)【発明者】

【氏名】種村 昌也

(72)【発明者】

【氏名】大井上 巧

(72)【発明者】

【氏名】董 豫

【テーマコード（参考）】

5H560

【Ｆターム（参考）】

5H560BB04

5H560BB12

5H560DA01

5H560DA07

5H560DB07

5H560DC12

5H560EB01

5H560EC02

5H560JJ12

5H560RR01

5H560TT15

5H560UA02

5H560XA02

5H560XA04

(57)【要約】

【課題】電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスＤＣモータを矩形波駆動で速度制御することが可能なブラシレスＤＣモータの制御方法を提案する。
【解決手段】このブラシレスＤＣモータの制御方法は、ブラシレスＤＣモータ１０の通電相を切り替え可能に構成されたインバータ回路３０を用い、離散時間系制御により目標回転速度ｖｒでブラシレスＤＣモータ１０を矩形波駆動させる制御方法であって、目標回転速度ｖｒに追従するための目標電流値Ｉｓを設定する目標電流値設定ステップＳＴ２と、矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータ１０の通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを計測する電流値計測ステップＳＴ３と、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを目標電流値Ｉｓに追従させるようゲート信号を生成するゲート信号生成ステップＳＴ４と、ゲート信号に基づき通電相を切り替える通電相切り替えステップＳＴ５と、を実行する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ゲート信号に基づきブラシレスＤＣモータの通電相を切り替え可能に構成されたインバータ回路を用い、離散時間系制御により目標回転速度で当該ブラシレスＤＣモータを矩形波駆動させるブラシレスＤＣモータの制御方法であって、
前記目標回転速度に追従するための目標電流値を生成する目標電流値設定ステップと、
前記矩形波駆動中の前記ブラシレスＤＣモータの通電相電流値を計測する電流値計測ステップと、
前記通電相電流値を前記目標電流値に追従させるようゲート信号を生成するゲート信号生成ステップと、
前記ゲート信号に基づき前記通電相を切り替える通電相切り替えステップと、を実行する、ブラシレスＤＣモータの制御方法。

【請求項2】

更に、前記矩形波駆動中の前記ブラシレスＤＣモータを計測して得た回転速度情報から回転速度を算出する回転速度算出ステップを実行し、
前記目標電流値設定ステップにおいて、前記目標回転速度と前記回転速度算出ステップで算出した前記回転速度との差から前記目標電流値を生成する、請求項１記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。

【請求項3】

前記離散時間系制御が離散時間系ＰＩ制御であり、前記目標電流値設定ステップにおいて、前記目標電流値（Ｉｓ［ｚ］）を次の式１を用い生成する、請求項２記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。

【請求項4】

前記ゲート信号生成ステップにおいて、電流方向が正の通電相電流値と前記目標電流値とを比較し、その大小により通電相が切り替わるよう前記ゲート信号を生成する、請求項１～３のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。

【請求項5】

前記ゲート信号生成ステップにおいて、前記インバータ回路において同時に開くトランジスタの数を変更して前記通電相を切り替えるように前記ゲート信号を生成する、請求項１～３のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。

【請求項6】

前記ゲート信号生成ステップにおいて、
前記通電相電流値が前記目標電流値より小さい場合には、通電相のコイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートと前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるための前記ゲート信号を生成し、
前記通電相電流値が前記目標電流値より大きい場合には、前記コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるための前記ゲート信号を生成する、請求項１～３のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの制御方法。

【請求項7】

ブラシレスＤＣモータを離散時間系制御により目標回転速度で矩形波駆動させるブラシレスＤＣモータの制御装置であって、
ゲート信号の切り替わりにより前記ブラシレスＤＣモータの通電相の切り替え制御を行うように構成されたインバータ回路と、
前記目標回転速度の入力を受け付ける目標回転速度入力部と、
外付けまたは内蔵の電流センサにより計測された前記矩形波駆動中の前記ブラシレスＤＣモータの通電相電流値を取得する通電相電流値取得部と、
前記ブラシレスＤＣモータの回転速度を、前記目標回転速度入力部で受け付けた前記目標回転速度に追従させるために、各相の通電相電流値の目標電流値を生成する目標電流値生成部と、
前記通電相電流値取得部が取得した前記通電相電流値を、前記目標電流に追従させるための制御指令を生成し、当該制御指令を、前記インバータ回路による前記通電相の切り替えを行うための前記ゲート信号として、前記インバータ回路に向けて出力するゲート信号生成部と、を備えている、ブラシレスＤＣモータの制御装置。

【請求項8】

更に、前記矩形波駆動中の前記ブラシレスＤＣモータの計測された測定回転速度情報の入力を受け付ける回転速度情報入力部を備え、
前記目標電流値生成部は、前記目標回転速度と前記回転速度とに基づき、前記目標電流値を生成する、請求項７記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。

【請求項9】

前記離散時間系制御が離散時間系ＰＩ制御であり、前記目標電流値生成部は、前記目標電流値（Ｉｓ［ｚ］）を次の式１を用い生成する、請求項８記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。

【請求項10】

前記ゲート信号生成部は、
前記通電相電流値が前記目標電流値より小さい場合には、通電相のコイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートと前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるための前記ゲート信号を生成し、
前記通電相電流値が前記目標電流値より大きい場合には、前記コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるための前記ゲート信号を生成する、請求項７～９のいずれか一項に記載のブラシレスＤＣモータの制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ブラシレスＤＣモータの制御方法、および、ブラシレスＤＣモータの制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ブラシレスＤＣモータは、小型・高効率・長寿命・低騒音等の特長を活かし工業製品やコンピュータ周辺機器など様々な分野で多用されており、近年においては、より高い基準の騒音低減が求められている。ブラシレスＤＣモータの騒音として、ベアリングの振動や部品の傷による機械騒音および電磁トルクリップルやコギングトルクによる電磁騒音が知られている。ここで一般的には、ブラシレスＤＣモータを駆動させるために、電圧を正弦波状に変化させロータを回転させる正弦波駆動制御（１８０度制御）、又は、電気角が６０度毎に電流の向きを変化させロータを回転させる矩形波駆動制御（１２０度制御）が行われる。特に、矩形波駆動制御として、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチングを繰り返し行い、出力される電力を制御するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）速度制御（以降、「ＰＷＭ制御」と記載する。）が多用されている。ＰＷＭ制御においては、ＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を変化させ、電圧の実効値を調節して目標回転速度に追従させる。矩形波駆動制御は、正弦波駆動制御に対し、制御システムを簡易に構成でき、コストも安価にできる点で採用するメリットがあるが、スイッチング時の電磁トルクリップルにより比較的騒音が大きくなる傾向にある。そこで従来、矩形波駆動制御で駆動させるブラシレスＤＣモータの騒音を低減させるためのさまざまな提案がなされてきた（例えば特許文献１及び特許文献２）。

【0003】

特許文献１で開示されている制御装置（モータ制御装置）は、モータを起動し、その回転速度が目標回転速度と一致するように制御する。具体的には、制御演算部が回転速度偏差に応じてモータの回転速度が目標回転速度と一致するようにｑ軸電流指令値を出力し、駆動回路部がこのｑ軸電流指令値に基づいて生成したＰＷＭ電圧制御信号をインバータ回路に出力する（引用文献１の段落［０００６］参照）。

【0004】

特許文献２で開示されている制御装置（ブラシレスＤＣモータの駆動装置）は、台形波生成手段と、三角波を発振する三角波発振回路と、台形波と三角波とからＰＷＭ変調波を生成するＰＷＭ変調回路と、ＰＷＭ変調波に基づいて制御信号を生成する駆動回路と、を有し、インバータ回路に出力された制御信号に基づきブラシレスＤＣモータを駆動する（引用文献２の段落［０００６］参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－２９５６７２号公報

【特許文献2】特開２００６－００６０６７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、特許文献１及び特許文献２に開示されている制御装置で採用されているＰＷＭ制御は、デューティ比の変化が激しい場合、電流リップルと呼ばれる電流の脈動が発生し、それによる振動が電磁騒音の原因となる。ＰＷＭ制御では、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチングにより電圧を調整するため、電流リップルを抑制することが困難である。

【0007】

本発明の主目的は、このような点に鑑みて、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスＤＣモータを矩形波駆動で速度制御することが可能なブラシレスＤＣモータの制御方法を提案することにある。併せて、本発明の目的は、この制御方法を応用したブラシレスＤＣモータの制御装置を提案することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

［１］上記課題を解決すべく、本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御方法は、ゲートに基づきブラシレスＤＣモータの通電相を切り替え可能に構成されたインバータ回路を用い、離散時間系制御により目標回転速度で当該ブラシレスＤＣモータを矩形波駆動させるブラシレスＤＣモータの制御方法であって、目標回転速度に追従するための目標電流値を生成する目標電流値設定ステップと、矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータの通電相電流値を計測する電流値計測ステップと、通電相電流値を目標電流値に追従させるようゲート信号を生成するゲート信号生成ステップと、ゲート信号に基づき通電相を切り替える通電相切り替えステップと、を実行する。

【0009】

［２］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御方法では、更に、矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータを計測して得た回転速度情報から回転速度を算出する回転速度算出ステップを実行し、目標電流値設定ステップにおいて、目標回転速度と回転速度算出ステップで算出した回転速度との差から目標電流値を生成することが好ましい。

【0010】

［３］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御方法では、離散時間系制御が離散時間系ＰＩ制御であり、目標電流値設定ステップにおいて、目標電流値（Ｉｓ［ｚ］）を次の式１を用い生成することが好ましい。

【0011】

［４］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御方法では、ゲート信号生成ステップにおいて、電流方向が正の通電相電流値と目標電流値とを比較し、その大小により通電相が切り替わるようゲート信号を生成することが好ましい。

【0012】

［５］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御方法では、ゲート信号生成ステップにおいて、インバータ回路において同時に開くトランジスタの数を変更して通電相を切り替えるようにゲート信号を生成することが好ましい。

【0013】

［６］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御方法では、ゲート信号生成ステップにおいて、通電相電流値が目標電流値より小さい場合には、通電相のコイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートとコイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるためのゲート信号を生成し、通電相電流値が目標電流値より大きい場合には、コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるためのゲート信号を生成することが好ましい。

【0014】

［７］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置は、ブラシレスＤＣモータを離散時間系制御により目標回転速度で矩形波駆動させるブラシレスＤＣモータの制御装置であって、ゲート信号の切り替わりによりブラシレスＤＣモータの通電相の切り替え制御を行うように構成されたインバータ回路と、目標回転速度の入力を受け付ける目標回転速度入力部と、外付けまたは内蔵の電流センサにより計測された矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータの通電相電流値を取得する通電相電流値取得部と、ブラシレスＤＣモータの回転速度を、目標回転速度入力部で受け付けた目標回転速度に追従させるために、各相の通電相電流値の目標電流値を生成する目標電流値生成部と、通電相電流値取得部が取得した通電相電流値を、目標電流に追従させるための制御指令を生成し、当該制御指令を、インバータ回路による通電相の切り替えを行うためのゲート信号として、インバータ回路に向けて出力するゲート信号生成部と、を備えている。

【0015】

［８］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置では、更に、矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータの計測された測定回転速度情報の入力を受け付ける回転速度情報入力部を備え、目標電流値生成部は、目標回転速度と回転速度とに基づき、目標電流値を生成することが好ましい。

【0016】

［９］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置では、離散時間系制御が離散時間系ＰＩ制御であり、目標電流値生成部は、目標電流値（Ｉｓ［ｚ］）を上記の式１を用い生成することが好ましい。

【0017】

［１０］本発明に係るブラシレスＤＣモータの制御装置では、ゲート信号生成部は、通電相電流値が目標電流値より小さい場合には、通電相のコイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートとコイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるためのゲート信号を生成し、通電相電流値が目標電流値より大きい場合には、コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるためのゲート信号を生成することが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスＤＣモータを矩形波駆動で速度制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムの構成を示すブロック図である。

【図2】実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムにおける制御概念を示すブロック図である。

【図3】実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムの電流追従制御を示すグラフである。

【図4】実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法を示すフローチャートである。

【図5A】実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法における通電相切り替えステップでの通電相切り替えを示す模式図である（ロータ回転角度０°～１８０°）。

【図5B】実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法における通電相切り替えステップでの通電相切り替えを示す模式図である（ロータ回転角度１８０°～３６０°）。

【図6A】実施形態２のブラシレスＤＣモータの制御方法における通電相切り替えステップでの通電相切り替えを示す模式図である（ロータ回転角度０°～１８０°）。

【図6B】実施形態２のブラシレスＤＣモータの制御方法における通電相切り替えステップでの通電相切り替えを示す模式図である（ロータ回転角度１８０°～３６０°）。

【図7】実験結果におけるモータ回転速度を示すグラフである。

【図8】実験結果におけるモータ電流波形を示すグラフである。

【図9】実験結果におけるモータ電磁トルク波形を示すグラフである。

【図10】実験結果におけるモータ電磁トルク波形のスペクトル強度を示す図である。

【図11】実験結果におけるモータ電磁トルク波形の累積振幅スペクトルを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に、図面を参照して、本発明を適用した一実施形態としてのブラシレスＤＣモータシステム１を説明する。なお、各図面は必ずしも実際の全ての構成を厳密に反映したものではない。また、本明細書では、ブラシレスＤＣモータのロータの回転に関し、「回転速度」の語を用い説明しているが、この語を「角速度」の語に置き換えて読み替えてもよい。また、本明細書では、ブラシレスＤＣモータの構造、インバータ回路を用いてのブラシレスＤＣモータの駆動原理、ブラシレスＤＣモータを制御するにあっての周辺機器については概ね従来と同様であり、従来と同様の部分については、簡略な説明にするか説明を省略する。

【0021】

［実施形態１］
（１－１．実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムの構成）
図１は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１の構成を示すブロック図である。まずは図１を参照し、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１の構成を説明する。

【0022】

また、実施形態１では、離散時間系制御として、離散時間系ＰＩ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ制御）を用いた場合を例に以下説明する。なお、離散時間系制御には、ＰＩ制御の他、Ｐ制御の演算が偏差ではなく出力に対して行われるＩ－Ｐ制御（Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ制御）もあり、Ｉ－Ｐ制御を離散時間系制御として用いてもよい。また、後述する実施形態２、その他の実施形態においても、離散時間系制御として、離散時間系ＰＩ制御を用いた場合について説明するが、実施形態１と同様、ＰＩ制御の代わりにＩ－Ｐ制御を用いてもよい。

【0023】

ブラシレスＤＣモータシステム１は、図１に示すように、回転動力を出力するブラシレスＤＣモータ１０と、回転角度を検出するロータリエンコーダ２０と、接続されたブラシレスＤＣモータ１０を離散時間系ＰＩ制御により目標回転速度で矩形波駆動させる制御装置３０と、を備えている。また、ブラシレスＤＣモータシステム１は、制御装置３０にデータを設定したり制御装置３０からデータを取得したりできるよう、制御装置３０にデータ授受可能に接続されたコンピュータ機器８０を備えている。以下に、ブラシレスＤＣモータシステム１における各構成について詳述する。

【0024】

ブラシレスＤＣモータ１０は、ステータ（不図示）と、複数の磁極を有しステータに対し回転可能なロータ１１と、ステータに周方向等間隔で固定された複数のコイル１２と、ステータに周方向等間隔で固定された磁気センサ１３とを備えている。ロータ１１は、出力軸と当該出力軸に対し周方向に等間隔で整列するＳ極の磁極の永久磁石とＮ極の磁極の永久磁石とを有し回転子を構成している。複数のコイル１２は、後述のインバータ回路４０から供給される電流の有無および電流の向きによって、Ｓ極の磁力の発生とＮ極の磁力の発生と無磁力とを切り替え可能である。複数の磁気センサ１３は、一例としてホールセンサであり、対面するロータ１１の磁極を検出する。ステータ、複数のコイル１２、及び複数の磁気センサ１３は、固定子を構成している。ブラシレスＤＣモータ１０は、ロータ１１に配置された磁極の数が２極（１８０°で２分割）で、コイル１２の数が３つ（１２０°ピッチ）で、磁気センサ１３の数が３つ（１２０°ピッチ）で構成されたＵ相、Ｖ相、およびＷ相を有する３相モータである。

【0025】

ロータリエンコーダ２０は、ロータ１１の出力軸と機械的に連結しており、ロータ１１の回転角度を検出する。また、ロータリエンコーダ２０は、後述のＤＳＰユニット７０に電気的に接続されており、回転速度情報としての角度信号をＤＳＰユニット７０に出力する。

【0026】

制御装置３０は、インバータ回路４０、モータ駆動用電源５０、電流センサ６０、およびＤＳＰユニット７０（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ユニット７０）を含み構成されている。制御装置３０においては、ＡＤコンバータ等その他構成を有するが、その他の構成については既知であり説明を省略する。

【0027】

インバータ回路４０は、ゲートドライバ４１と、３相ブリッジ４２と、を含む回路が形成されている。インバータ回路４０は、３相ブリッジ４２の各相それぞれのラインにブラシレスＤＣモータ１０の各コイル１２が接続され、後述のＤＳＰユニット７０からの制御指令（ゲート信号）に基づきゲートドライバ４１でブラシレスＤＣモータ１０の通電相を切り替えることができる。

【0028】

モータ駆動用電源５０は、インバータ回路４０に電気的に接続されており、インバータ回路４０の３相ブリッジ４２を介してブラシレスＤＣモータ１０の通電相に駆動電源を供給する。

【0029】

電流センサ６０は、設置された箇所に流れる電流値をリアルタイムで計測できるセンサであり、インバータ回路４０からブラシレスＤＣモータ１０の各コイル１２への電源供給ラインに設置されている。また、電流センサ６０は、後述のＤＳＰユニット７０に電気的に接続されており、計測した電流値をＤＳＰユニット７０に出力する。

【0030】

ＤＳＰユニット７０は、制御プログラムおよび一時記憶データを記憶する記憶素子、演算処理を行う演算素子、および外部とデータ入出力をするための入出力インターフェースを有する処理ユニットであり、記憶素子に記憶された制御プログラムに従い、デジタル信号処理およびデジタル信号の入出力処理を実行する。ＤＳＰユニット７０は、目標回転速度入力部７１と、通電相電流値取得部７２と、目標電流値生成部７３と、ゲート信号生成部７４と、回転速度情報入力部７５と、磁気センサ信号入力部７６と含み構成されており、ブラシレスＤＣモータ１０の制御処理を実行する。

【0031】

目標回転速度入力部７１は、後述のコンピュータ機器８０からブラシレスＤＣモータ１０を駆動させる際の目標回転速度ｖｒの入力を受け付ける。

【0032】

通電相電流値取得部７２は、電流センサ６０により計測された矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータ１０の通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを取得する。

【0033】

目標電流値生成部７３は、ブラシレスＤＣモータ１０の回転速度ｖを、目標回転速度入力部７１で受け付けた目標回転速度ｖｒに追従させるために、各相の通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの目標電流値Ｉｓを生成する。目標電流値生成部７３は、目標回転速度ｖｒと回転速度ｖとに基づき、目標電流値Ｉｓを生成する。例えば、目標電流値生成部７３は、目標回転速度ｖｒと回転速度ｖとの差から目標電流値Ｉｓを生成する。具体的に、目標電流値生成部７３は、積分の近似法において前進矩形近似を用い、目標電流値（Ｉｓ［ｚ］）を次の式１を用い生成する。

なお、式１では、伝達関数における積分の近似法として前進矩形近似を用いたが、他の近似法、例えば、後退矩形近似、台形近似（双一次変換）などを用いてもよい。

【0034】

ゲート信号生成部７４は、通電相電流値取得部７２が取得した通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、目標電流に追従させるための制御指令を生成し、当該制御指令を、インバータ回路４０による通電相の切り替えを行うためのゲート信号として、インバータ回路４０に向けて出力する。ゲート信号生成部７４は、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが目標電流値Ｉｓより小さい場合には、通電相のコイル１２に電流を流入させる側のトランジスタのゲートとコイル１２から電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるためのゲート信号を生成し、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが目標電流値Ｉｓより大きい場合には、コイル１２に電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、コイル１２から電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるためのゲート信号を生成する。

【0035】

回転速度情報入力部７５は、ロータリエンコーダ２０といった回転速度情報計測機器から矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータ１０の計測された測定回転速度情報である角度信号の入力を受け付ける。

【0036】

磁気センサ信号入力部７６は、通電相の切り替えタイミングを計るべく、ブラシレスＤＣモータ１０の磁気センサ１３が検出した磁気センサ信号の入力を受け付ける。

【0037】

コンピュータ機器８０は、例えばパーソナルコンピュータ、タブレット端末、携帯端末、制御スイッチ、表示パネルであり、ＤＳＰユニット７０とデータの授受を行い、ＤＳＰユニット７０に実行させる制御内容の指示やＤＳＰユニット７０から取得したデータの表示やそのデータを用いた解析を行う。

【0038】

（１－２．実施形態１のブラシレスＤＣモータシステムにおける制御概念）
図２は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１における制御概念を示すブロック図である。図３は、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１の電流追従制御を示すグラフである。次に図２および図３を参照し、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１における制御概念について説明する。

【0039】

ブラシレスＤＣモータシステム１においては、ブラシレスＤＣモータ１０を与えられた目標回転速度ｖｒに追従するようにゲート信号に基づきインバータ回路４０におけるトランジスタを開閉して各通電相に供給する電流をコントロールするとともに、ブラシレスＤＣモータ１０の回転角度を用いてフィードバック制御が行われる。

【0040】

ブラシレスＤＣモータシステム１においては、従来のＰＷＭ制御とは異なり、目標回転速度ｖｒに対応する目標電流値Ｉｓに対し、ブラシレスＤＣモータ１０の計測された通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを追従させる電流追従制御（図３参照）が行われ、従来とは異なる制御処理が行われる。

【0041】

より詳しくは、ブラシレスＤＣモータシステム１においては、図２に示すように、与えられた目標回転速度ｖｒと、ロータリエンコーダ２０が出力した回転速度情報としての角度信号から算出されてフィードバックされる回転速度ｖとの差から離散時間系ＰＩ制御するための目標電流値Ｉｓが設定される。そして、電流センサ６０を用いてブラシレスＤＣモータ１０の通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを計測し、磁気センサ信号から得たタイミングで、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを目標電流値Ｉｓに追従すべく制御指令としてのゲート信号を生成し、ゲート信号に基づいて通電相の切り替え制御処理が行われる。

【0042】

（１－３．実施形態１におけるブラシレスＤＣモータの制御方法）
図４は、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法を示すフローチャートである。続いて図４を参照し、上述の電流追従制御を行うためのブラシレスＤＣモータの制御方法を説明する。

【0043】

ブラシレスＤＣモータシステム１におけるブラシレスＤＣモータの制御方法は、ゲート信号に基づきブラシレスＤＣモータ１０の通電相を切り替え可能に構成されたインバータ回路４０を用い、離散時間系ＰＩ制御により目標回転速度ｖｒでブラシレスＤＣモータ１０を矩形波駆動させるブラシレスＤＣモータの制御方法である。このブラシレスＤＣモータの制御方法は、目標回転速度設定ステップＳＴ１、並びに、駆動制御を停止するまで繰り返される目標電流値設定ステップＳＴ２、電流値計測ステップＳＴ３、ゲート信号生成ステップＳＴ４、通電相切り替えステップＳＴ５、および回転速度算出ステップＳＴ６を実行する。

【0044】

目標回転速度設定ステップＳＴ１では、目標回転速度ｖｒを設定する。

【0045】

目標電流値設定ステップＳＴ２では、目標回転速度ｖｒに追従するために、目標回転速度ｖｒと回転速度算出ステップＳＴ６で算出した回転速度ｖとの差から目標電流値Ｉｓを生成し、設定する。具体的には、積分の近似法において前進矩形近似を用い、目標電流値（Ｉｓ［ｚ］）を次の式１を用い生成する。

なお、式１では、伝達関数における積分の近似法として前進矩形近似を用いたが、他の近似法、例えば、後退矩形近似、台形近似（双一次変換）などを用いてもよい。

【0046】

電流値計測ステップＳＴ３では、矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータ１０の通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを計測する。

【0047】

ゲート信号生成ステップＳＴ４では、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを目標電流値Ｉｓに追従させるようゲート信号を生成する。具体的には、電流方向が正の通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと目標電流値Ｉｓとを比較し、その大小によりゲート信号を生成する。また、インバータ回路４０において同時に開くトランジスタの数を変更して通電相を切り替えるようにゲート信号を生成する。さらに具体的には、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが目標電流値Ｉｓより小さい場合には、通電相のコイル１２に電流を流入させる側のトランジスタのゲートとコイル１２から電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるためのゲート信号を生成し、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが目標電流値Ｉｓより大きい場合には、コイル１２に電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるためのゲート信号を生成する。

【0048】

通電相切り替えステップＳＴ５では、ゲート信号に基づき通電相を切り替える。

【0049】

回転速度算出ステップＳＴ６では、矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータ１０を計測して得た回転速度情報から回転速度ｖを算出する。

【0050】

駆動制御を継続する場合には、回転速度算出ステップＳＴ６で算出された回転速度ｖを目標電流値設定ステップＳＴ２にフィードバックし、目標電流値設定ステップＳＴ２から回転速度算出ステップＳＴ６までを再び行う。

【0051】

以上が実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法の手順になるが、この制御方法の特長である通電相の切り替えについて、以下において、さらに説明を補足する。

【0052】

図５Ａおよび図５Ｂは、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法における通電相切り替えステップＳＴ５での通電相切り替えを示す模式図である。図５Ａおよび図５Ｂを参照し、ゲート信号生成ステップＳＴ４で生成されたゲート信号に基づき通電相切り替えステップＳＴ５で切り替えられた通電相の状態について、より具体的に説明する。

【0053】

実施形態１において、ゲート信号生成ステップＳＴ４では、次の表１に基づき、トランジスタのゲートを開閉させるよう、ゲート信号が生成される。

【表1】

【0054】

まず、ロータ１１の電気角（回転角）が０°～６０°の範囲においては、Ｕ相のコイルからＶ相のコイルへ電流を流す必要がある。このとき、電流値計測ステップＳＴ３で計測されたＵ相に供給される電流値Ｉｕが目標電流値Ｉｓを下回っている場合、Ｕ相用Ｐ型のトランジスタＵＰのゲートとＶ相用Ｎ型のトランジスタＶＮのゲートを開くようにする。そうすると、図５Ａ（ａ１）に示すように、Ｕ相に電源から電流が流れ込み、Ｖ相から電源へ電流が流れ出すようになり、電流値Ｉｕが増加する。一方で、電流値Ｉｕが増加しすぎて電流値計測ステップＳＴ３で計測される電流値Ｉｕが目標電流値Ｉｓを上回ってしまった場合、Ｕ相用Ｐ型のトランジスタＵＰのゲートを閉じてＶ相用Ｎ型のトランジスタＶＮのゲートだけを開くようにする。そうすると、図５Ａ（ａ２）に示すように、Ｕ相に電源から電流が流れ込まないようになり、電流値Ｉｕが減少する。その後、ロータ１１の電気角が６０°毎に進むごとに、通電させる相を変えていく必要があるが、同様の考え方で制御するため、その他の電気角における具体的な制御については、表１、並びに、図５Ａまたは図５Ｂを参照するものとし、説明を省略する。

【0055】

実施形態１では、このように、常に電流値を計測し、目標電流値Ｉｓに対する計測された電流値の大小を判断し、その結果に応じて生成されたゲート信号に基づきトランジスタのゲート開閉させることで、供給電流を増減させるようにフィードバック制御し、目標電流値Ｉｓに電流値を追従させている。

【0056】

（１－４．実施形態１における作用・効果）
実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法は、目標回転速度に追従するための目標電流値Ｉｓを設定する目標電流値設定ステップＳＴ２と、矩形波駆動中のブラシレスＤＣモータ１０の通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを計測する電流値計測ステップＳＴ３と、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを目標電流値Ｉｓに追従させるようゲート信号を生成するゲート信号生成ステップＳＴ４と、ゲート信号に基づき通電相を切り替える通電相切り替えステップＳＴ５と、を実行する。すなわち、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法では、ゲート信号に基づき通電相を切り替えて、目標回転速度に対応する目標電流値Ｉｓに通電相電流値を追従するよう電流追従制御が行われて、ブラシレスＤＣモータ１０は、矩形波駆動で目標回転速度に速度制御される。また、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法では、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを目標電流値Ｉｓに追従させるよう通電相を切り替えることから電流リップルが発生し難く、電流リップルに伴う騒音が低減される。従って、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法によれば、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスＤＣモータを矩形波駆動で速度制御することができる。また、実施形態１のブラシレスＤＣモータ１０の制御装置３０によれば、当該ブラシレスＤＣモータの制御方法を利用して制御処理を実行するため、その制御方法の効果を享受するため、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスＤＣモータ１０を矩形波駆動で速度制御することができる。

【0057】

また、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法においては、インバータ回路４０において同時に開くトランジスタの数を変更して通電相を切り替えるようにゲート信号を生成する。具体的には、通電相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが目標電流値Ｉｓより大きい場合には、電流がブラシレスＤＣモータ１０へ流入する側のそれまで開いていたトランジスタを閉じるようにゲート信号を生成する。実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法によれば、このように生成されたゲート信号を用いて１の通電相を単に不通にするだけなので、不通にしたうえで同時に別の相を通電させる場合のように同時処理のタイミングずれの影響を受けず、より電流リップルを抑制することができる。

【0058】

［実施形態２］
実施形態２のブラシレスＤＣモータシステムは、実施形態１のブラシレスＤＣモータシステム１と基本構成、制御概念、及び制御方法の流れについては同様であるが、ゲート信号生成ステップＳＴ４で生成されるゲート信号、およびそのゲート信号に基づき通電相切り替えステップＳＴ５で切り替えられた通電相の状態のみ異なる。このため、以下の説明においては、異なる制御内容のみ説明し、その他の説明を省略する。なお、図１～図４については、実施形態２にも適用できる。

【0059】

図６Ａおよび図６Ｂは、実施形態２のブラシレスＤＣモータの制御方法における通電相切り替えステップＳＴ５での通電相切り替えを示す模式図である。図６Ａおよび図６Ｂを参照し、ゲート信号生成ステップＳＴ４で生成されたゲート信号に基づき通電相切り替えステップＳＴ５で切り替えられた通電相の状態について、より具体的に説明する。

【0060】

実施形態２において、ゲート信号生成ステップＳＴ４では、次の表２に基づき、トランジスタを切り替えるよう、ゲート信号が生成される。

【表2】

【0061】

まず、ロータ１１の電気角（回転角）が０°～６０°の範囲においては、Ｕ相のコイルからＶ相のコイルへ電流を流す必要がある。このとき、電流値計測ステップＳＴ３で計測されたＵ相に供給される電流値Ｉｕが目標電流値Ｉｓを下回っている場合、実施形態１と同様、Ｕ相用Ｐ型のトランジスタＵＰのゲートとＶ相用Ｎ型のトランジスタＶＮのゲートを開くようにする。そうすると、図６Ａ（ａ１）に示すように、Ｕ相に電源から電流が流れ込み、Ｖ相から電源へ電流が流れ出すようになり、電流値Ｉｕが増加する。一方で、電流値Ｉｕが増加しすぎて電流値計測ステップＳＴ３で計測された電流値Ｉｕが目標電流値Ｉｓを上回ってしまった場合、Ｖ相用Ｐ型のトランジスタＶＰのゲートとＵ相用Ｎ型のトランジスタＵＮのゲートを開くようにする。そうすると、図６Ａ（ａ２）に示すように、逆にＶ相からＵ相へ電流を流そうとする力が働き、電流値Ｉｕが減少する。その後、ロータ１１の電気角が６０°毎に進むごとに、通電させる相を変えていく必要があるが、同様の考え方で制御するため、その他の電気角における具体的な制御については、表２、並びに、図６Ａまたは図６Ｂを参照するものとし、説明を省略する。

【0062】

実施形態２でも、実施形態１と同様に、常に電流値を計測し、目標電流値Ｉｓに対する計測された電流値の大小を判断し、その結果に応じて生成されたゲート信号に基づきトランジスタのゲート開閉させることで、供給電流を増減させるようにフィードバック制御し、目標電流値Ｉｓに電流値を追従させている。

【0063】

実施形態２のブラシレスＤＣモータの制御方法によれば、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法と同様、目標電流値設定ステップＳＴ２と、電流値計測ステップＳＴ３と、ゲート信号生成ステップＳＴ４と、通電相切り替えステップＳＴ５と、を実行するため、実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御方法と同様、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスＤＣモータを矩形波駆動で速度制御することができる。

【0064】

［その他の形態］
以上、本発明を上記の実施形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

【0065】

（１）上記実施形態において記載した構成要素の数、接続の仕方、等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。

【0066】

（２）上記した実施形態においては、ブラシレスＤＣモータの制御装置について、インバータ回路、モータ駆動用電源、電流センサ、およびＤＳＰユニットを一体に構成した装置であるものとして説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、一部構成を、制御装置と電気的に接続された別装置として構成してもよい。

【0067】

（３）上記した実施形態においては、ブラシレスＤＣモータは、ロータに配置された磁極の数が２極、コイルの数が３つ、磁気センサの数が３つの３相モータであるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ロータ１１に配置された磁極の数が８極（４５°で８分割）のブラシレスＤＣモータであってもよい。

【0068】

（４）上記した実施形態においては、フィードバックする回転速度情報をロータリエンコーダ２０から取得した角度信号であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、磁気センサの信号から算出した回転速度情報であってもよい。

【実施例0069】

実施形態１のブラシレスＤＣモータの制御装置３０を用い、ブラシレスＤＣモータ１０を電流追従制御（以降「本発明を用いた電流追従制御」と記載する。）させた場合の実験を行った。この実験は、目標回転速度ｖｒが２０００（ｒｐｍ）、負荷トルクが０．２（Ｎ・ｍ）、サンプリング時間が２０（μｓ）の条件にて行った。なお、比較のためブラシレスＤＣモータ１０を従来の制御装置を用い、１２０度ＰＷＭ制御（以降「従来のＰＷＭ制御」と記載する。）させた場合の実験も併せて行った。以下にその実験結果を説明する。

【0070】

図７は、実験結果におけるモータ回転速度を示すグラフである。図８は、実験結果におけるモータ電流波形を示すグラフである。図９は、実験結果におけるモータ電磁トルク波形を示すグラフである。図１０は、実験結果におけるモータ電磁トルク波形のスペクトル強度を示す図である。図１０に示すスペクトル強度は、モータ電磁トルクの周波数成分を求めた結果である。図１１は、実験結果におけるモータ電磁トルクの累積振幅スペクトルを示す図である。図１１に示す累積振幅スペクトルは、モータ電磁トルクのスペクトル強度から人間が聞こえる音の周波数（２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ）の振動エネルギーを定量的に求めた結果である。

【0071】

実験を行った結果、目標回転速度への追従性については、図７に示すように、本発明を用いた電流追従制御でも従来のＰＷＭ制御でも目標回転速度に到達するまでに多少差があるものの、追従性については差を確認できなかった。一方、モータ電流波形については、図８に示すように、本発明を用いた電流追従制御では、従来のＰＷＭ制御に比べ、より電流リップルが抑制されており、より矩形波に近い形となっていることが確認できた。

【0072】

また、モータ電磁トルクについては、図９に示すように、本発明を用いた電流追従制御では、従来のＰＷＭ制御に比べ、全体的にうねりが少なく、変動幅も小さく振動が抑制されていることが確認できた。このモータ電磁トルクのスペクトル強度を見てみると、図１０に示すように、本発明を用いた電流追従制御では、すべての周波数帯域での振動成分が抑制されており、従来のＰＷＭ制御の２ｋＨｚ～３ｋＨｚの間で見られるような極端にスペクトル強度の高まりも確認できなかった。さらに、図１１に示すように、従来のＰＷＭ制御では、モータ電磁トルクの累積振幅スペクトルが約３９Ｎ・ｍであるのに対し、本発明を用いた電流追従制御では、約２４Ｎ・ｍであり、本発明を用いた電流追従制御では、従来のＰＷＭ制御に対して振動成分が約３９％低減されていることが確認できた。

【符号の説明】

【0073】

１…ブラシレスＤＣモータシステム、１０…ブラシレスＤＣモータ、１１…ロータ、１２…コイル、１３…磁気センサ、２０…ロータリエンコーダ、３０…制御装置、４０…インバータ回路、４１…ゲートドライバ、４２…３相ブリッジ、５０…モータ駆動用電源、６０…電流センサ、７０…ＤＳＰユニット、７１…目標回転速度入力部、７２…通電相電流値取得部、７３…目標電流値生成部、７４…ゲート信号生成部、７５…回転速度情報入力部、７６…磁気センサ信号入力部、８０…コンピュータ機器、Ｉｓ…目標電流値、Ｉｕ…（通電相）電流値（Ｕ相）、Ｉｖ…（通電相）電流値（Ｖ相）、Ｉｗ…（通電相）電流値（Ｗ相）、ｖ…回転速度、ｖｒ…目標回転速度、ＳＴ１…目標回転速度設定ステップ、ＳＴ２…目標電流値設定ステップ、ＳＴ３…電流値計測ステップ、ＳＴ４…ゲート信号生成ステップ、ＳＴ５…通電相切り替えステップ、ＳＴ６…回転速度算出ステップ、ＵＮ…Ｕ相用Ｎ型トランジスタ、ＵＰ…Ｕ相用Ｐ型トランジスタ、ＶＮ…Ｖ相用Ｎ型トランジスタ、ＶＰ…Ｖ相用Ｐ型トランジスタ、ＷＮ…Ｗ相用Ｎ型トランジスタ、ＷＰ…Ｗ相用Ｐ型トランジスタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】