特開 2024-164958 駆動制御装置

(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】P2024164958

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】駆動制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 7/29 20160101AFI20241121BHJP

【ＦＩ】

H02P7/29 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080710

(22)【出願日】2023-05-16

(71)【出願人】

【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】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原 裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100170575

【弁理士】

【氏名又は名称】森 太士

(72)【発明者】

【氏名】井上 英明

(72)【発明者】

【氏名】砂川 寛行

(72)【発明者】

【氏名】花本 佳弘

【テーマコード（参考）】

5H571

【Ｆターム（参考）】

5H571AA06

5H571GG02

5H571JJ03

5H571JJ04

5H571LL01

5H571LL29

(57)【要約】

【課題】装置の大型化を抑えつつ、モータのトルクを推定できる駆動制御装置を提供する。
【解決手段】ＰＷＭ演算部１１は、モータ６の回転速度と目標回転速度とに基づき、ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する。トルク推定部１４は、モータ６の回転速度、およびＰＷＭ演算部１１で算出されたデューティ比に基づき、モータ６のトルクの推定値を求める。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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目標回転速度とに基づき、ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する算出部と、
モータの回転速度、および前記算出部で算出されたデューティ比に基づき、モータのトルクの推定値を求めるトルク推定部と
を備えることを特徴とする駆動制御装置。

【請求項2】

前記トルク推定部は、モータの回転速度および前記算出部で算出されたデューティ比に基づき、モータの回転速度を変数とし、切片がＰＷＭ信号のデューティ比に応じた値である一次多項式を用いて、前記推定値を求め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】

前記トルク推定部は、前記切片を、ＰＷＭ信号のデューティ比を変数とする一次多項式を用いて算出することを特徴とする請求項２に記載の駆動制御装置。

【請求項4】

前記トルク推定部は、前記切片を、ＰＷＭ信号のデューティ比を変数とする二次多項式を用いて算出することを特徴とする請求項２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】

駆動中のモータのトルクを推定したい場合がある。例えば、印刷に用いる用紙の搬送を行う搬送ローラを駆動させるモータを備える印刷装置において、搬送ローラの摩耗や劣化等の異常を検知するために、モータのトルクを推定する要求がある。

【0003】

これに対し、モータを流れる電流を検出し、モータが発生するトルクとモータを流れる電流との間にある比例特性を用いて、検出した電流をトルクに換算する技術が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－３５３９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述した技術では、モータを流れる電流を検出する回路が必要となる。これは、モータの駆動制御装置の大型化を招く。

【0006】

本発明は上記に鑑みてなされたもので、装置の大型化を抑えつつ、モータのトルクを推定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】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明の駆動制御装置は、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目標回転速度とに基づき、ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する算出部と、モータの回転速度、および前記算出部で算出されたデューティ比に基づき、モータのトルクの推定値を求めるトルク推定部とを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明の駆動制御装置によれば、装置の大型化を抑えつつ、モータのトルクを推定できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る駆動制御装置の概略構成図である。

【図2】ＰＷＭ信号のデューティ比ごとの、モータのトルクの測定値と回転数との関係の一例を示す図である。

【図3】図２に示したモータのトルクの測定値から抽出した、ＰＷＭ信号のデューティ比ごとのモータのトルクの特性線の傾きおよび切片を示す図である。

【図4】第１実施形態におけるモータのトルクの特性線の傾きおよび切片の一例を示す図である。

【図5】第２実施形態におけるモータのトルクの特性線の傾きおよび切片の一例を示す図である。

【図6】図３、図４、図５にそれぞれ示した切片の比較したグラフの一部を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について、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。

【0011】

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施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、第１実施形態に係る駆動制御装置１は、制御部２と、モータドライバ３と、電源部４と、速度検出器５とを備える。

【0012】

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。モータ６は、例えば、印刷装置において用紙を搬送する搬送ローラを駆動させるものである。

【0013】

制御部２は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御でモータドライバ３を制御する。制御部２は、ＣＰＵ、メモリ等を備えるマイコン等により構成される。制御部２は、ＰＷＭ演算部（算出部に相当）１１と、ＰＷＭ信号生成部１２と、回転速度検出部１３と、トルク推定部１４とを備える。制御部２の各部は、ＣＰＵがプログラムを実行すること等により構成される。

【0014】

ＰＷＭ演算部１１は、モータ６の回転速度と目標回転速度とに基づき、ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する。ＰＷＭ演算部１１は、減算部２１と、ＰＩＤ演算部２２と、逆起電圧算出部２３と、加算部２４と、デューティ比演算部２５とを備える。

【0015】

減算部２１は、モータ６の回転速度の目標値である目標回転速度から、回転速度検出部１３で検出されたモータ６の回転速度を減算して、偏差速度を算出する。

【0016】

ＰＩＤ演算部２２は、減算部２１で算出された偏差速度に基づいてＰＩＤ演算を行う。ＰＩＤ演算部２２は、比例演算部３１と、積分演算部３２と、微分演算部３３とを備える。

【0017】

比例演算部３１は、偏差速度に比例ゲインを乗算して比例演算値を算出する。

【0018】

積分演算部３２は、偏差速度を時間的に積分し、得られた値（変位量）に積分ゲインを乗算して積分演算値を算出する。

【0019】

微分演算部３３は、偏差速度を時間的に微分し、得られた値（加速度）に微分ゲインを乗算して微分演算値を算出する。

【0020】

逆起電圧算出部２３は、回転速度検出部１３で検出されたモータ６の回転速度に逆起電圧定数を乗算して、モータ６の逆起電圧を算出する。逆起電圧は、モータ６自身の回転で発生する電圧である。

【0021】

加算部２４は、比例演算部３１で算出された比例演算値、積分演算部３２で算出された積分演算値、微分演算部３３で算出された微分演算値、および逆起電圧算出部２３で算出された逆起電圧を加算して、モータ６の駆動電圧を算出する。

【0022】

デューティ比演算部２５は、加算部２４で算出された駆動電圧に応じたＰＷＭ信号のデューティ比を算出する。

【0023】

ＰＷＭ信号生成部１２は、デューティ比演算部２５で算出されたデューティ比のＰＷＭ信号を生成する。

【0024】

回転速度検出部１３は、速度検出器５が出力し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。

【0025】

トルク推定部１４は、回転速度検出部１３で検出されたモータ６の回転速度、およびデューティ比演算部２５で算出されたＰＷＭ信号のデューティ比に基づき、モータ６のトルクの推定値（トルク推定値）を求める。

【0026】

モータドライバ３は、ＰＷＭ信号生成部１２で生成されたＰＷＭ信号に基づき、モータ６を駆動させる。

【0027】

電源部４は、モータドライバ３に電圧を供給する。

【0028】

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。

【0029】

次に、駆動制御装置１の動作について説明する。

【0030】

モータ６の駆動中において、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。回転速度検出部１３は、速度検出器５が出力したパルス信号の周期に基づき、モータ６の回転速度を算出し、算出した回転速度を減算部２１、逆起電圧算出部２３、およびトルク推定部１４に出力する。

【0031】

減算部２１は、目標回転速度から、回転速度検出部１３から入力された回転速度を減算して、偏差速度を算出し、算出した偏差速度を、ＰＩＤ演算部２２の比例演算部３１、積分演算部３２、および微分演算部３３に出力する。

【0032】

ＰＩＤ演算部２２において、比例演算部３１は、偏差速度に基づき、比例演算値を算出する。積分演算部３２は、偏差速度に基づき、積分演算値を算出する。微分演算部３３は、偏差速度に基づき、微分演算値を算出する。比例演算部３１、積分演算部３２、および微分演算部３３は、それぞれ算出した比例演算値、積分演算値、および微分演算値を加算部２４に出力する。

【0033】

また、逆起電圧算出部２３は、回転速度検出部１３から入力された回転速度に基づき、モータ６の逆起電圧を算出し、算出した逆起電圧を加算部２４に出力する。

【0034】

加算部２４は、比例演算値、積分演算値、微分演算値、および逆起電圧を加算して、モータ６の駆動電圧を算出し、算出した駆動電圧をデューティ比演算部２５に出力する。

【0035】

デューティ比演算部２５は、加算部２４から入力された駆動電圧をＰＷＭ信号のデューティ比に換算し、算出したデューティ比をＰＷＭ信号生成部１２に出力する。

【0036】

ＰＷＭ信号生成部１２は、デューティ比演算部２５から入力されたデューティ比のＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をモータドライバ３に出力する。

【0037】

モータドライバ３は、ＰＷＭ信号生成部１２から入力されたＰＷＭ信号に応じた駆動電圧をモータ６に印加する。これにより、モータ６のインダクタンス、モータ６の巻線抵抗、駆動電圧、および逆起電圧に応じた電流がモータ６に流れ、モータ６は、電流に比例したトルクを発生し回転する。モータ６の回転により、例えば、モータ６に接続された印刷装置の搬送ローラが駆動される。

【0038】

トルク推定部１４は、回転速度検出部１３から入力された回転速度、およびデューティ比演算部２５から入力されたデューティ比に基づき、トルク推定値を算出する。トルク推定値を算出する方法は後述する。トルク推定部１４は、算出したトルク推定値を外部の監視装置に出力する。監視装置は、モータ６のトルク推定値に基づき、例えば、モータ６に接続された印刷装置の搬送ローラの摩耗や劣化等の異常を検知するものである。

【0039】

次に、上述したトルク推定値を算出する方法について説明する。

【0040】

図２は、駆動制御装置１における、ＰＷＭ信号のデューティ比Ｐごとの、モータ６のトルクＴの測定値と回転数との関係の一例を示す図である。図２から、トルクＴと回転数との関係を示すトルクＴの特性線は、デューティ比Ｐに応じてスライドすることが分かる。

【0041】

回転数と回転速度とは比例関係にあるため、図２に示したトルクＴと回転数との関係から、トルクＴの特性線は、モータ６の回転速度ωを変数とする一次多項式である下記の式（１）で近似することができる。

【0042】

Ｔ＝ａ×ω＋ｂ …（１）
ここで、上述のように、トルクＴの特性線がデューティ比Ｐに応じてスライドしていることから、式（１）の切片ｂは、デューティ比Ｐに応じた値となる。すなわち、切片ｂは、デューティ比Ｐの変数である。

【0043】

図２に示したトルクＴの測定値から抽出した、デューティ比ＰごとのトルクＴの特性線の傾きおよび切片を図３に示す。

【0044】

式（１）の傾きａは、例えば、図３に示した各デューティ比Ｐにおける傾きの値の平均値とすることができる。

【0045】

一方、図３におけるデューティ比Ｐと切片との関係から、式（１）の切片ｂは、デューティ比Ｐを変数とする一次多項式である下記の式（２）で近似することができる。

【0046】

ｂ＝ｂａ×Ｐ＋ｂｂ …（２）
式（２）における傾きｂａおよび切片ｂｂの値は、図３に示した各デューティ比Ｐにおける切片の値を直線近似して得られた回帰直線の傾きおよび切片の値である。

【0047】

式（１）および式（２）から、下記の式（３）が得られる。

【0048】

Ｔ＝ａ×ω＋（ｂａ×Ｐ＋ｂｂ） …（３）
トルクＴが式（３）で表されることから、トルク推定部１４は、回転速度検出部１３から入力された回転速度ω、およびデューティ比演算部２５から入力されたデューティ比Ｐに基づき、式（３）を用いてトルクＴを、トルク推定値として算出する。ここで、式（３）のａ，ｂａ，ｂｂは、駆動制御装置１で駆動制御されるモータ６のトルクの特性に応じた係数であり、これらの値としては、予め駆動制御装置１において実験等により算出されたものが用いられる。

【0049】

図２、図３に示した例では、式（１）の傾きａ、および式（２）で表される式（１）の切片ｂは、図４のように算出される。この例では、図４における傾きａ、並びに切片ｂを示す直線の傾きｂａおよび切片ｂｂに基づき、式（３）を用いてトルク推定値としてトルクＴが算出される。

【0050】

以上説明したように、駆動制御装置１では、トルク推定部１４は、モータ６の回転速度およびＰＷＭ信号のデューティ比に基づき、トルク推定値を求める。これにより、モータ６に流れる電流を検出してトルクに換算するために用いる電流検出回路等の専用の回路を設けることなく、モータ６のトルクを推定できる。したがって、駆動制御装置１によれば、装置の大型化を抑えつつ、モータ６のトルクを推定できる。また、コストアップを抑えつつ、モータ６のトルクを推定できる。

【0051】

具体的には、トルク推定部１４は、モータ６の回転速度およびＰＷＭ信号のデューティ比に基づき、式（３）を用いてトルク推定値を算出する。このように計算式によりトルク推定値を算出することで、専用の回路を設けることなくモータ６のトルクを推定することを実現できる。

【0052】

［第２実施形態］
次に、上述した第１実施形態のトルク推定部１４におけるトルク推定値を求める処理を変更した第２実施形態について説明する。

【0053】

上述した式（１）の切片ｂは、デューティ比Ｐを変数とする二次多項式である下記の式（４）で近似することができる。

【0054】

ｂ＝ｂｃ×Ｐ^２＋ｂｄ×Ｐ＋ｂｅ …（４）
式（４）における係数ｂｃ，ｂｄ，ｂｅの値は、図３に示した各デューティ比Ｐにおける切片の値から最小二乗法等による二次近似により得られた二次式の各係数である。

【0055】

式（１）および式（４）から、下記の式（５）が得られる。

【0056】

Ｔ＝ａ×ω＋（ｂｃ×Ｐ^２＋ｂｄ×Ｐ＋ｂｅ） …（５）
第２実施形態では、トルク推定部１４は、回転速度検出部１３から入力された回転速度ω、およびデューティ比演算部２５から入力されたデューティ比Ｐに基づき、式（５）を用いてトルクＴを、トルク推定値として算出する。ここで、式（５）のａ，ｂｃ，ｂｄ，ｂｅの値は、駆動制御装置１で駆動制御されるモータ６のトルクの特性に応じた係数であり、これらの値としては、予め駆動制御装置１において実験等により算出されたものが用いられる。

【0057】

図２、図３に示した例では、式（４）で表される式（１）の切片ｂは、図５のように算出される。図５には、図４に示したものと同様の傾きａも示している。この例では、図５における傾きａ、並びに切片ｂを示す二次曲線の係数ｂｃ，ｂｄ，ｂｅに基づき、式（５）を用いてトルク推定値としてトルクＴが算出される。

【0058】

ここで、図３、図４、図５にそれぞれ示した切片を比較したグラフの一部を図６に示す。図３の切片は、前述のように、図２に示したトルクＴの測定値から抽出したデューティ比ＰごとのトルクＴの特性線の切片である。図４、図５の切片は、前述のように、それぞれ式（２）、式（４）で表される切片ｂである。

【0059】

図６に示すように、式（２）で表される切片ｂよりも式（４）で表される切片ｂの方が、測定値から抽出した特性線の切片からのずれが小さい。このため、式（３）よりも式（５）の方が、トルク推定値を高精度で求めることができる。

【0060】

以上説明したように、第２実施形態では、トルク推定部１４は、モータ６の回転速度およびＰＷＭ信号のデューティ比に基づき、式（５）を用いてトルク推定値を算出する。すなわち、トルク推定部１４は、式（１）の切片ｂを、デューティ比Ｐを変数とする二次多項式である式（４）を用いて算出する。これにより、トルク推定値の精度を高めることができる。

【0061】

［その他の実施形態］
上述のように、本発明は第１および第２実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【0062】

上述した第１および第２実施形態では、モータ６の回転速度およびＰＷＭ信号のデューティ比に基づき、計算式によりトルク推定値を算出した。しかし、駆動制御装置１において、回転速度とデューティ比とトルク推定値とを関連付けたテーブルを予め記憶しておき、トルク推定部１４が、このテーブルを参照して、回転速度およびデューティ比に基づき、トルク推定値を求めるようにしてもよい。

【0063】

上述した第１実施形態では、式（１）の切片ｂを、デューティ比Ｐを変数とする一次多項式である式（２）を用いて算出した。また、上述した第２実施形態では、式（１）の切片ｂを、デューティ比Ｐを変数とする二次多項式である式（４）を用いて算出した。しかし、これらに限らず、例えば、式（１）の切片ｂを、デューティ比Ｐを変数とする三次以上の多項式を用いて算出するようにしてもよい。

【0064】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【0065】

［付記］
本出願は、以下の発明を開示する。

【0066】

（付記１）
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目標回転速度とに基づき、ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する算出部と、
モータの回転速度、および前記算出部で算出されたデューティ比に基づき、モータのトルクの推定値を求めるトルク推定部と
を備えることを特徴とする駆動制御装置。

【0067】

（付記２）
前記トルク推定部は、モータの回転速度および前記算出部で算出されたデューティ比に基づき、モータの回転速度を変数とし、切片がＰＷＭ信号のデューティ比に応じた値である一次多項式を用いて、前記推定値を求めることを特徴とする付記１に記載の駆動制御装置。

【0068】

（付記３）
前記トルク推定部は、前記切片を、ＰＷＭ信号のデューティ比を変数とする一次多項式を用いて算出することを特徴とする付記２に記載の駆動制御装置。

【0069】

（付記４）
前記トルク推定部は、前記切片を、ＰＷＭ信号のデューティ比を変数とする二次多項式を用いて算出することを特徴とする付記２に記載の駆動制御装置。

【符号の説明】

【0070】

１ 駆動制御装置
２ 制御部
３ モータドライバ
４ 電源部
５ 速度検出器
６ モータ
１１ ＰＷＭ演算部
１２ ＰＷＭ信号生成部
１３ 回転速度検出部
１４ トルク推定部
２１ 減算部
２２ ＰＩＤ演算部
２３ 逆起電圧算出部
２４ 加算部
２５ デューティ比演算部
３１ 比例演算部
３２ 積分演算部
３３ 微分演算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】