特開 2024-142269 モータのコントローラ回路、制御方法

(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】P2024142269

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】モータのコントローラ回路、制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/00 20160101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

H02P29/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054393

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】清水 立郎

【テーマコード（参考）】

5H501

【Ｆターム（参考）】

5H501GG03

5H501GG05

5H501GG10

5H501JJ24

(57)【要約】

【課題】外乱に対してロバストなモータのコントローラ回路を提供する。
【解決手段】フィードバック回路２１０は、モータの制御量ｙの検出値と、制御量の指令値ｒの誤差ｅに応じた操作量ｕを生成する。外乱オブザーバ２２０は、指令値ｕを入力、制御量ｙを出力とする系の伝達関数Ｈ（ｓ）を有し、指令値ｒを、伝達関数Ｈ（ｓ）に入力することにより、仮想制御量ｙ＾を生成し、仮想制御量ｙ＾と制御量ｙの検出値の差分に応じた外乱推定値ｄ＾にもとづいて指令値ｒを補正する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータのコントローラ回路であって、
前記モータの制御量の検出値と、前記制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成する補償器と、
前記指令値を入力、前記制御量を出力とする系の伝達関数を有し、前記指令値を、前記伝達関数に入力することにより、仮想制御量を生成し、前記仮想制御量と前記制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて前記指令値を補正する外乱オブザーバと、
を備える、コントローラ回路。

【請求項2】

前記制御量は、前記モータのコイルに流れる電流である、請求項１に記載のコントローラ回路。

【請求項3】

前記制御量は、前記モータの回転数である、請求項１に記載のコントローラ回路。

【請求項4】

モータのコントローラ回路であって、
前記モータに流れる電流を制御量とするマイナーループを制御するメジャーコントローラと、
前記モータの回転数を制御量とするメジャーループを制御するマイナーコントローラと、
を備え、
前記メジャーコントローラおよび前記マイナーコントローラの少なくとも一方は、
前記モータの制御量の検出値と、前記制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成する補償器と、
前記指令値を入力、前記制御量を出力とする系の伝達関数を有し、前記指令値を、前記伝達関数に入力することにより、仮想制御量を生成し、前記仮想制御量と前記制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて前記指令値を補正する外乱オブザーバと、
を備える、コントローラ回路。

【請求項5】

モータの制御方法であって、
前記モータの制御量の検出値と、前記制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成するステップと、
前記指令値を入力、前記制御量を出力とする系の伝達関数を有するフィルタに前記指令値を入力することにより、仮想制御量を生成するステップと、
前記仮想制御量と前記制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて前記指令値を補正するステップと、
を備える、制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、モータのコントローラ回路に関する。

【背景技術】

【0002】

モータの制御に、ＰＩ（比例・積分）補償器を利用したフィードバック制御が広く採用される。補償器の係数の設定方法はさまざまなものが考案されているが、その中に零極相殺法と呼ばれるものがある。零極相殺法で設計された制御システムは、入出力間の伝達特性Ｈ（ｓ）は、一次ステップ応答と等価となり、次式で表される。
Ｈ（ｓ）＝１／（１＋ｓＴ）

【0003】

この制御ループに対して、外乱が混入した場合、その手前までのゲインを大きくしないと、外乱の影響を抑制することが難しい。一方で、ゲインを不必要に大きくすることは、系の安定性の観点から好ましくない。

【0004】

外乱の影響を抑制するために、外乱推定と呼ばれる制御手法が採られる場合がある。外乱推定では、外乱をオブザーバー（推定器）によって推定し、フィードバックすることで外乱を相殺し、システムに作用する外乱の影響を抑圧することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－１９１０７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、外乱に対してロバストなモータのコントローラ回路の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のある態様に係るモータのコントローラ回路は、モータの制御量の検出値と、制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成する補償器と、指令値を入力、制御量を出力とする系の伝達関数を有し、指令値を、伝達関数に入力することにより、仮想制御量を生成し、仮想制御量と制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて指令値を補正する外乱オブザーバと、を備える。

【0008】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0009】

本開示のある態様によれば外乱に対してロバストなモータのコントローラ回路を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態に係るコントローラ回路を備えるモータ駆動システムのブロック図である。

【図2】図２は、実施例１に係るモータ駆動システムのブロック図である。

【図3】図３は、図２のモータ駆動システムの動作波形図である。

【図4】図４は、実施例２に係るモータ駆動システムのブロック図である。

【図5】図５は、実施例３に係るモータ駆動システムの回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0012】

一実施形態に係るコントローラ回路は、モータのコントローラ回路であって、モータの制御量の検出値と、制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成する補償器と、指令値を入力、制御量を出力とする系の伝達関数を有し、指令値を、伝達関数に入力することにより、仮想制御量を生成し、仮想制御量と制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて指令値を補正する外乱オブザーバと、を備える。

【0013】

この構成によると、指令値ｒに対して期待される制御量の応答を、系と同じ伝達関数Ｈ（ｓ）を有するフィルタ２２２によって推定し、期待される制御量の応答ｙ＾と、実際の応答ｙの差分を、予期しないもの、すなわち外乱として利用する。こうして得られた外乱を用いて、指令値ｒを補正することにより、外乱ｄの影響を抑制できる。

【0014】

一実施形態において、制御量は、モータのコイルに流れる電流であってもよい。

【0015】

一実施形態において、制御量は、モータの回転数であってもよい。

【0016】

一実施形態に係るコントローラ回路は、モータに流れる電流を制御量とするマイナーループを制御するメジャーコントローラと、モータの回転数を制御量とするメジャーループを制御するマイナーコントローラと、を備える。メジャーコントローラおよびマイナーコントローラの少なくとも一方は、モータの制御量の検出値と、制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成する補償器と、指令値を入力、制御量を出力とする系の伝達関数を有し、指令値を、伝達関数に入力することにより、仮想制御量を生成し、仮想制御量と制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて指令値を補正する外乱オブザーバと、を備える。

【0017】

（実施形態）
以下、好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0018】

図１は、実施形態に係るコントローラ回路２００を備えるモータ駆動システム１００のブロック図である。モータ駆動システム１００は、モータ１０２、コントローラ回路２００および駆動回路３００を備える。

【0019】

モータ１０２は、たとえば、三相あるいは単相のＤＣブラシレスモータである。

【0020】

コントローラ回路２００は、モータ１０２が目標とする状態で回転するように、モータ１０２に供給する電気信号（電力、電圧あるいは電流）をフィードバック制御する。このモータ駆動システム１００において、制御量（システムの出力）ｙは特に限定されず、モータ１０２のコイルに流れる電流であってもよいし（トルク制御）、モータ１０２のロータの回転数（回転数制御）であってもよい。モータ１０２がリニアモータである場合には、制御量ｙは、可動子の位置であってもよい。

【0021】

コントローラ回路２００は、制御量ｙの検出値と、制御量ｙの指令値ｒの誤差ｅに応じた操作量ｕを生成する。コントローラ回路２００は、マイクロコントローラ（プロセッサ）と、ソフトウェアプログラムの組み合わせで実装してもよいし、ＦＧＰＡ（Field Programmable Gate Array）などのハードウェアロジックで実装してもよいし、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）として実装してもよい。

【0022】

駆動回路３００は、操作量ｕに応じた電気信号を、モータ１０２に供給する。すなわち操作量ｕが電圧指令である場合、駆動回路３００は、操作量ｕにもとづく駆動電圧をモータ１０２に供給する。操作量ｕが電流指令である場合、駆動回路３００は、操作量ｕにもとづく駆動電流をモータ１０２に供給する。

【0023】

コントローラ回路２００と駆動回路３００は、別々のＩＣ（Integrated Circuit）であってもよいし、同じ半導体基板に集積されたひとつのＩＣであってもよい。

【0024】

コントローラ回路２００は、フィードバック回路２１０および外乱オブザーバ２２０を備える。フィードバック回路２１０は、誤差検出器２１２およびＰＩ補償器２１４を備える。誤差検出器２１２は減算器であり、外乱オブザーバ２２０によって補正された指令値ｒ’と、検出された制御量ｙ（フィードバック量）の誤差ｅを算出する。ＰＩ補償器２１４は、誤差ｅを受け、操作量ｕを生成する。比例ゲインをＫｐ、積分ゲインをＫｉとするとき、操作量ｕは次式で表される。
ｕ＝（Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ）・ｅ

【0025】

ＰＩ補償器２１４のパラメータＫｉ、Ｋｐは、一例として、系１１０の伝達関数Ｈ（ｓ）が一次ステップ応答を有するように零極相殺法を利用して定めることができる。

【0026】

外乱オブザーバ２２０について説明する。

【0027】

外乱オブザーバ２２０は、指令値ｒ’を入力、制御量ｙを出力とする系１１０の伝達関数Ｈ（ｓ）と同様な伝達特性Ｈ（ｓ）を有する。外乱オブザーバ２２０は、指令値ｒを、伝達関数Ｈ（ｓ）に入力することにより、仮想制御量ｙ＾を生成する。外乱オブザーバ２２０は、仮想制御量ｙ＾と制御量ｙの検出値の差分に応じた外乱推定値ｄ＾を計算する。そして外乱オブザーバ２２０は、外乱推定値ｄ＾にもとづいて指令値ｒを補正し、補正後の指令値ｒ’をフィードバック回路２１０に入力する。

【0028】

外乱オブザーバ２２０は、フィルタ２２２、外乱算出部２２４、補正部２２６を含む。フィルタ２２２は、系１１０と同様な伝達特性Ｈ（ｓ）を有しており、指令値ｒを伝達関数Ｈ（ｓ）に入力することにより、仮想制御量ｙ＾を計算する。外乱算出部２２４は、仮想制御量ｙ＾と制御量ｙの検出値の差分に応じた外乱推定値ｄ＾を生成する。補正部２２６は、指令値ｒに外乱推定値ｄ＾を加算（もしくは減算）することにより、補正された指令値ｒ’を生成する。

【0029】

以上がコントローラ回路２００の構成である。

【0030】

このモータ駆動システム１００では、系１１０が指令値ｒに対して一次の応答が期待されている。指令値ｒに対して期待される応答を、系１１０と同じ伝達関数Ｈ（ｓ）を有するフィルタ２２２によって推定し、期待される応答ｙ＾と、実際の応答ｙの差分を、予期しないもの、すなわち外乱として利用する。こうして得られた外乱を用いて指令値ｒを補正することにより、外乱ｄの影響を抑制できる。

【0031】

フィードバック回路２１０および駆動回路３００を備える従来のコントローラ回路２００に対して、外乱オブザーバ２２０を追加すればよく、基本の制御系であるフィードバック回路２１０や駆動回路３００に改良を加える必要がないという利点がある。

【0032】

また本実施形態に係るコントローラ回路２００は、ＰＩ補償器２１４を含む系全体の実際の特性と、それに期待される特性のとの差分を、外乱として利用することとしている。そのため、ＰＩ補償器２１４を含まない特性を利用した外乱推定に比べて、パラメータの誤差の影響を受けにくいという利点がある。

【0033】

本開示は、図１のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本開示の範囲を狭めるためではなく、本開示や本発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。

【0034】

（実施例１）
図２は、実施例１に係るモータ駆動システム１００Ａのブロック図である。この実施例において、モータ駆動システム１００Ａは、モータ１０２のコイルに流れる電流（コイル電流）ｉを制御量とする。

【0035】

コントローラ回路２００はコイル電流ｉの指令値ｉ_ｒｅｆと、コイル電流の検出値ｉ_ｆｂの誤差が０に近づくように、モータ１０２に印加すべき駆動電圧Ｖ_ｄｒｖを指示する電圧指令Ｖ_ｒｅｆを生成する。

【0036】

駆動回路３００は、電圧指令Ｖ_ｒｅｆに比例する駆動電圧Ｖ_ｄｒｖを、モータ１０２に印加する。駆動回路３００の駆動方式は特に限定されない。ＰＷＭ駆動方式の場合、駆動回路３００Ａは、パルス幅変調器とインバータを含んでもよい。その場合、パルス幅変調器が生成するパルス信号のデューティサイクルが、電圧指令Ｖ_ｒｅｆに応じて調節される。

【0037】

リニア方式の場合、駆動回路３００Ａは、電圧指令Ｖ_ｒｅｆを増幅し、駆動電圧Ｖ_ｄｒｖを生成するリニアアンプを含みうる。

【0038】

コントローラ回路２００Ａの構成は図１で説明したそれと同様であるため説明は省略する。

【0039】

図３は、図２のモータ駆動システム１００Ａの動作波形図（シミュレーション結果）である。波形（i）は、モータ駆動システム１００Ａのコイル電流ｉの波形であり、波形（ii）は、比較技術におけるコイル電流ｉの波形である。比較技術は、外乱オブザーバ２２０を省略した回路に相当する。

【0040】

シミュレーションでは、時刻ｔ_０にステップ状の外乱ｄを入力したときの応答を計算している。比較技術では、外乱によってコイル電流ｉが大きく増加し、目標電流ｉ_ｒｅｆに収束するまでの時間が長い。これに対して、実施形態では、コイル電流ｉの増加幅を抑制することができ、目標電流ｉ_ｒｅｆに収束するまでの時間も大幅に短縮できている。

【0041】

（実施例２）
図４は、実施例２に係るモータ駆動システム１００Ｂのブロック図である。モータ駆動システム１００Ｂは、モータ１０２、駆動回路３００およびコントローラ回路４００Ｂを備える。コントローラ回路４００Ｂは、メジャーコントローラ４１０と、マイナーコントローラ４２０Ｂを備える。

【0042】

メジャーコントローラ４１０は、モータ１０２の回転数ωを制御量としてフィードバック制御を行う。メジャーコントローラ４１０は、回転数ωの指令値ω_ｒｅｆと、回転数ωの検出値ω_ｆｂを受け、それらの誤差ｅが０に近づくように、電流指令ｉ_ｒｅｆ（トルク指令）を生成する。メジャーコントローラ４１０は、誤差検出器４１２およびＰＩ補償器４１４を含みうる。速度制御では、ＰＩ補償器４１４に代えて、ＰＩＤ補償器を用いる場合もある。

【0043】

マイナーコントローラ４２０Ｂは、モータ１０２のコイル電流ｉを制御量としてフィードバック制御を行う。マイナーコントローラ４２０Ｂは、コイル電流ｉの指令値ｉ_ｒｅｆとコイル電流ｉの検出値ｉ_ｆｂの誤差が０に近づくように、電圧指令Ｖ_ｒｅｆを生成する。マイナーコントローラ４２０Ｂは、実施例１で説明したコントローラ回路２００Ａと同じ構成を有しており、外乱オブザーバ２２０を含んでいる。

【0044】

（実施例３）
図５は、実施例３に係るモータ駆動システム１００Ｃの回路図である。モータ駆動システム１００Ｃのコントローラ回路４００Ｃは、実施例２と同様に、メジャーコントローラ４１０Ｃおよびマイナーコントローラ４２０を備える。

【0045】

実施例３では、メジャーコントローラ４１０Ｃに、図１のコントローラ回路２００の外乱オブザーバ２２０が組み込まれている。外乱オブザーバ２２０のフィルタ２２２は、補正後の回転数の指令値ωｒｅｆを入力、回転数ωを出力とする系１２０の伝達関数Ｇ（ｓ）を有している。

【0046】

実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示あるいは本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

【0047】

図１に示した外乱オブザーバ２２０の構成は例示であり、演算の順序や、加算、減算は変更することができる。

【0048】

実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにさまざまな変形例が存在すること、またそうした変形例も本開示または本発明の範囲に含まれることは当業者に理解されるところである。

【0049】

（付記）
本明細書に開示される技術は、一側面において以下のように把握することができる。

【0050】

（項目１）
モータのコントローラ回路であって、
前記モータの制御量の検出値と、前記制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成する補償器と、
前記指令値を入力、前記制御量を出力とする系の伝達関数を有し、前記指令値を、前記伝達関数に入力することにより、仮想制御量を生成し、前記仮想制御量と前記制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて前記指令値を補正する外乱オブザーバと、
を備える、コントローラ回路。

【0051】

（項目２）
前記制御量は、前記モータのコイルに流れる電流である、項目１に記載のコントローラ回路。

【0052】

（項目３）
前記制御量は、前記モータの回転数である、項目１に記載のコントローラ回路。

【0053】

（項目４）
モータのコントローラ回路であって、
前記モータに流れる電流を制御量とするマイナーループを制御するメジャーコントローラと、
前記モータの回転数を制御量とするメジャーループを制御するマイナーコントローラと、
を備え、
前記メジャーコントローラおよび前記マイナーコントローラの少なくとも一方は、
前記モータの制御量の検出値と、前記制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成する補償器と、
前記指令値を入力、前記制御量を出力とする系の伝達関数を有し、前記指令値を、前記伝達関数に入力することにより、仮想制御量を生成し、前記仮想制御量と前記制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて前記指令値を補正する外乱オブザーバと、
を備える、コントローラ回路。

【0054】

（項目５）
モータの制御方法であって、
前記モータの制御量の検出値と、前記制御量の指令値の誤差に応じた操作量を生成するステップと、
前記指令値を入力、前記制御量を出力とする系の伝達関数を有するフィルタに前記指令値を入力することにより、仮想制御量を生成するステップと、
前記仮想制御量と前記制御量の検出値の差分に応じた外乱推定値にもとづいて前記指令値を補正するステップと、
を備える、制御方法。

【符号の説明】

【0055】

１００ モータ駆動システム
１０２ モータ
２００ コントローラ回路
２１０ フィードバック回路
２１２ 誤差検出器
２１４ ＰＩ補償器
２２０ 外乱オブザーバ
２２２ フィルタ
２２４ 外乱算出部
２２６ 補正部
３００ 駆動回路
４００ コントローラ回路
４１０ メジャーコントローラ
４２０ マイナーコントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】