特許 7335738 モータ制御装置および、それを備えたモータ制御システム

(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】

(24)【登録日】2023-08-22

(45)【発行日】2023-08-30

(54)【発明の名称】モータ制御装置および、それを備えたモータ制御システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/00 20160101AFI20230823BHJP

   H02P 27/08 20060101ALI20230823BHJP

【ＦＩ】

H02P29/00

H02P27/08

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019129151

(22)【出願日】2019-07-11

(65)【公開番号】P2021016236

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-06-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青嶋 一浩

【審査官】島倉 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１８３６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２３７１８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２９／００

Ｈ０２Ｐ ２７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上位コントローラからのＰＷＭ信号を受ける通信インターフェイス回路と、
前記ＰＷＭ信号のデューティで表される指令値に応じた駆動信号を出力する制御回路と、
前記駆動信号に従ってモータを駆動する駆動回路とを備え、
前記制御回路は、前記デューティと前記指令値との間に予め定められた対応関係に基づいて、前記デューティから前記指令値を算出し、
前記デューティの制御範囲は、
前記上位コントローラからの前記ＰＷＭ信号による前記モータの駆動に使用される使用デューティ範囲と、
前記上位コントローラからの前記ＰＷＭ信号による前記モータの駆動に使用されない不使用デューティ範囲とを含み、
前記対応関係は、前記使用デューティ範囲および前記不使用デューティ範囲の各々について、前記デューティの増加量に対する前記指令値の増加量である変化の割合を定めるものであり、
前記使用デューティ範囲における前記変化の割合は、前記不使用デューティ範囲における前記変化の割合よりも小さい、モータ制御装置。

【請求項2】

前記使用デューティ範囲は、第１および第２のデューティ範囲を含み、
前記第１のデューティ範囲では、前記第２のデューティ範囲と比べて、前記モータが低速駆動され、
前記第１のデューティ範囲における前記変化の割合は、前記第２のデューティ範囲における前記変化の割合よりも小さい、請求項１に記載のモータ制御装置。

【請求項3】

前記制御回路は、前記対応関係を示すテーブル、マップおよび関係式のうちの少なくと
も１つが格納されたメモリを含む、請求項１または２に記載のモータ制御装置。

【請求項4】

上位コントローラと、
前記上位コントローラからの指令に従ってモータを制御するモータ制御装置とを備え、
前記モータ制御装置は、
前記上位コントローラからのＰＷＭ信号を受ける通信インターフェイス回路と、
前記ＰＷＭ信号のデューティで表される指令値に応じた駆動信号を出力する制御回路と、
前記駆動信号に従って前記モータを駆動する駆動回路とを含み、
前記制御回路は、前記デューティと前記指令値との間に予め定められた対応関係に基づいて、前記デューティから前記指令値を算出し、
前記デューティの制御範囲は、
前記上位コントローラからの前記ＰＷＭ信号による前記モータの駆動に使用される使用デューティ範囲と、
前記上位コントローラからの前記ＰＷＭ信号による前記モータの駆動に使用されない不使用デューティ範囲とを含み、
前記対応関係は、前記使用デューティ範囲および前記不使用デューティ範囲の各々について、前記デューティの増加量に対する前記指令値の増加量である変化の割合を定めるものであり、
前記使用デューティ範囲における前記変化の割合は、前記不使用デューティ範囲における前記変化の割合よりも小さい、モータ制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、モータを制御するモータ制御装置および、それを備えたモータ制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

モータは、各種機器の駆動源として様々な分野で活用されている。代表的なモータ制御としてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が知られている。たとえば特開２０１８－１８３０３１号公報（特許文献１）に開示された直流モータの制御装置では、直流モータの制御ユニットからＤＣモータ駆動制御部へシリアル通信ラインを介してＰＷＭ信号が出力される（たとえば特許文献１の段落［００２６］参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１８３０３１号公報

【文献】特開平１０－３３９２７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

モータのＰＷＭ制御において、モータ制御システムは、上位コントローラと、モータ制御装置と、モータとを備える。上位コントローラは、周波数を固定した上でデューティを周期的に変化させたＰＷＭ信号を出力する。詳細は後述するが、モータ制御装置は、上位コントローラからＰＷＭ信号を受けると、ＰＷＭ信号のデューティからモータを駆動するための指令値（たとえばモータの指令回転数）を算出する。

【0005】

モータを高精度に制御することが好ましい場合がある。モータの制御精度を向上させるための手段として、ＰＷＭ信号のデューティの検出精度を向上させることが考えられる。デューティの検出精度を向上させるためには、ＰＷＭ信号の伝搬遅延を抑制したりＰＷＭ信号の波形なまりを低減したりするなどの対策が必要となる。そうすると、モータ制御装置のハードウェア構成に制約が生じたり、ハードウェアコストが増大したりする可能性がある。しかし、モータの種類および／または用途によっては、そのような対策が現実的には困難な場合がある。

【0006】

本開示は、かかる課題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、ＰＷＭ信号のデューティの検出精度を向上させなくてもモータを高精度に制御可能な技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のある局面に従うモータ制御装置は、上位コントローラからのＰＷＭ信号を受ける通信インターフェイス回路と、ＰＷＭ信号のデューティで表される指令値に応じた駆動信号を出力する制御回路と、駆動信号に従ってモータを駆動する駆動回路とを備える。制御回路は、デューティと指令値との間に予め定められた対応関係に基づいて、デューティから指令値を算出する。対応関係は、モータの駆動に使用されるデューティの制御範囲内において、第１のデューティ範囲におけるデューティの増加量に対する指令値の増加量である変化の割合が、第１のデューティ範囲とは重複しない第２のデューティ範囲における変化の割合とは異なるように定められている。

【0008】

本開示の他の局面に従うモータ制御システムは、上位コントローラと、上位コントローラからの指令に従ってモータを制御するモータ制御装置とを備える。モータ制御装置は、上位コントローラからのＰＷＭ信号を受ける通信インターフェイス回路と、ＰＷＭ信号のデューティで表される指令値に応じた駆動信号を出力する制御回路と、駆動信号に従ってモータを駆動する駆動回路とを含む。制御回路は、デューティと指令値との間に予め定められた対応関係に基づいて、デューティから指令値を算出する。対応関係は、モータの駆動に使用されるデューティの制御範囲内において、第１のデューティ範囲におけるデューティの増加量に対する指令値の増加量である変化の割合が、第１のデューティ範囲とは重複しない第２のデューティ範囲における変化の割合とは異なるように定められている。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、ＰＷＭ信号のデューティの検出精度を向上させなくてもモータを高精度に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の実施の形態に係るモータ制御システムの全体構成を概略的に示す図である。

【図2】比較例におけるＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係を表すテーブルを示す概念図である。

【図3】比較例において用いられるテーブルをより詳細に示す図である。

【図4】本実施の形態におけるＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係を表すテーブルを示す概念図である。

【図5】図４に示したテーブルの内容をより詳細に示す図である。

【図6】本実施の形態に係るモータ制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

【図7】本実施の形態の変形例におけるＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係を表す関係式を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

【0012】

［実施の形態］
本開示においては、モータを駆動するための指令値（駆動目標値）を含むＰＷＭ信号（ＰＷＭ方式の指令）が上位コントローラからモータ制御装置に与えられる。この指令を「ＰＷＭ指令」と称する。以下に説明する実施の形態では、ＰＷＭ指令に含まれる指令値がモータの回転数である例について説明する。しかし、指令値は、これに限定されず、モータ電流またはモータトルク等であってもよい。

【0013】

＜システム構成＞
図１は、本開示の実施の形態に係るモータ制御システムの全体構成を概略的に示す図である。図１を参照して、モータ制御システム１００は、上位コントローラ１と、モータ制御装置２と、モータ３と、信号線４とを備える。

【0014】

上位コントローラ１は、たとえばＥＣＵ（Electronic Control Unit）またはＰＬＣ（Programmable Logic Controller）である。上位コントローラ１とモータ制御装置２とは、シリアル伝送形式の信号線４により接続されている。図示しないが、上位コントローラ１にはモータ制御装置２以外の機器（たとえば他のモータ制御装置）が接続されていてもよい。

【0015】

上位コントローラ１は、通信インターフェイス回路１１と、制御回路１２とを含む。通信インターフェイス回路１１は、信号線４を経由してモータ制御装置２と通信するように構成されている。制御回路１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力ポート（いずれも図示せず）とを含み、モータ制御装置２を含む様々な機器に対する各種指令を生成する。モータ制御装置２に対する指令にはＰＷＭ指令が含まれる。ＰＷＭ指令は、通信インターフェイス回路１１から出力され、信号線４を経由してモータ制御装置２へと伝送される。

【0016】

モータ制御装置２は、上位コントローラ１からのＰＷＭ指令に従ってモータ３を制御する。モータ制御装置２は、通信インターフェイス回路２１と、制御回路２２と、駆動回路２３とを含む。

【0017】

通信インターフェイス回路２１は、信号線４を介してモータ制御装置２の通信インターフェイス回路１１と通信するように構成されている。

【0018】

制御回路２２は、ＣＰＵ２２１と、メモリ２２２と、入出力ポート２２３とを含み、駆動回路２３を制御する。より詳細には、制御回路２２は、通信インターフェイス回路２１を介して、上位コントローラ１からのＰＷＭ指令を受信する。本実施の形態において、ＰＷＭ指令は、モータ３の回転速度（モータ回転数）［単位：ｒｐｍ］を指令値として伝えるための指令である。以下の説明では、ＰＷＭ指令によって伝えられるモータ回転数を「指令回転数」とも称する。

【0019】

制御回路２２は、ＰＷＭ指令を解析することでＰＷＭ指令のデューティを検出し、その検出結果に基づいて指令回転数を算出する。この算出手法については後に詳細に説明する。制御回路２２は、算出した指令回転数と、モータ３に設けられた回転数センサ（図示せず）により検出された実際のモータ回転数との偏差に応じて、モータ３を駆動するためのモータ駆動信号を生成する。制御回路２２は、モータ駆動信号を駆動回路２３に出力する。

【0020】

駆動回路２３は、たとえば、複数のスイッチング素子を含むインバータ回路である。駆動回路２３は、制御回路２２からのモータ駆動信号に従って複数のスイッチング素子をスイッチング動作させることによってモータ３を回転駆動する。

【0021】

モータ３は、自動車、二輪車、船舶等に用いられる補機であり、たとえば電動オイルポンプである。ただし、これらは例示に過ぎず、モータ３の種類および用途は特に限定されるものではない。

【0022】

一般に、モータは、１または複数の特定の回転数（動作点）で駆動されることが多い。たとえば、あるモータ制御装置が複数の動作モードを有する場合、そのモータ制御装置により駆動されるモータは、各動作モードに対応する動作点を有する。本実施の形態では、モータ３が３つの動作点を有する例を説明する。具体的には、モータ３は、低速モードに対応する第１動作点＝２５０ｒｐｍと、中速モードに対応する第２動作点＝１５００ｒｐｍと、高速モードに対応する第３動作点＝２５００ｒｐｍとのうちのいずれかの動作点で駆動される。

【0023】

＜ＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の関係＞
本実施の形態においては、ＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係が予め規定され、テーブル（マップであってもよい）として制御回路２２のメモリ２２２内に格納されている。このテーブルの特徴の理解を容易にするため、まず、比較例について説明する。

【0024】

図２は、比較例におけるＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係を表すテーブルを示す概念図である。図２ならびに後述する図４および図７では、横軸はＰＷＭ指令のデューティを表し、縦軸は指令回転数を表す。

【0025】

図２を参照して、比較例では、ＰＷＭ指令のパルス周波数が固定されている一方で、ＰＷＭ指令のデューティは１０％～９０％の範囲で制御されるとする。また、モータ３の最大回転数を４０００ｒｐｍとする。比較例では図２に示すように、デューティが１０％から９０％に増加するに従って指令回転数が０から４０００ｒｐｍへと線形に増加する。

【0026】

図３は、比較例において用いられるテーブルをより詳細に示す図である。図３を参照して、指令回転数の制御精度（いわば指令回転数の分解能）を、最大回転数（すなわち回転数の制御幅）の１％に相当する４０ｒｐｍにすることが要求される状況を想定する。この要求を満たすためには、デューティの検出精度についても、デューティの全制御範囲（９０％－１０％＝８０％）の１％に相当する±０．８％とすることが求められる。

【0027】

しかしながら、上位コントローラ１とモータ制御装置２との間でのＰＷＭ指令の伝搬遅延および／または通信インターフェイス回路１１，２１を経由するＰＷＭ指令の波形なまり等の要因により、ＰＷＭ指令のデューティの検出精度には限界がある。デューティの検出精度は、通常、±０．８％よりも低く、典型的には±２％程度である。そのため、±０．８％の検出精度を実現しようとすると、上位コントローラ１とモータ制御装置２とを接続する信号線４の長さ（ケーブル長）を制約したり、高速での信号伝送が可能な高額な部材を使用したりするなどの対策が要求され得る。しかし、モータ制御装置２の用途によっては、そのような対策が現実的には困難な場合がある。

【0028】

さらに、たとえ上記対策を施して±０．８％のデューティ検出精度を実現したとしても、指令回転数の制御においては４０ｒｐｍの誤差が生じ得る。このことは、たとえば第１動作点（＝２５０ｒｐｍ）に関し、デューティが１４．８％から１５．６％までの範囲内に比較的高精度に検出されたとしても、指令回転数は、２４０ｒｐｍから２８０ｒｐｍまでの範囲で振れてしまう可能性があることを意味している。

【0029】

図４は、本実施の形態におけるＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係を表すテーブルを示す概念図である。図５は、図４に示したテーブルの内容をより詳細に示す図である。

【0030】

図４および図５を参照して、比較例において生じ得る課題に鑑み、本実施の形態においては、ＰＷＭ指令のデューティ範囲毎に、デューティ範囲に対応する指令回転数を可変に設定する。デューティと指令回転数との間の関係は、比較例とは異なり、非線形に設定される。より具体的には、高精度に指令回転数を制御したい特定のデューティ範囲ほど、その特定のデューティ範囲と、隣接するデューティ範囲との間での指令回転数の変化の割合Ｒ（＝指令回転数の増加量／デューティの増加量）が小さく設定される。

【0031】

本実施の形態においては、ＰＷＭ指令のデューティの検出精度が±２％であるとする。この例では、デューティの全制御範囲（＝８０％）を２％毎に４０のデューティ範囲に分割する。前述した３つの動作点付近のデューティ範囲の各々では、いずれの動作点からも離れたデューティ範囲と比べて、隣接する２つのデューティ範囲間の回転数の差が小さい。つまり、指令回転数の変化の割合Ｒが小さい。

【0032】

第１動作点を例に説明する。２２％のデューティ範囲（範囲番号６）と２０％のデューティ範囲（範囲番号５）との間の回転数差ΔＮは、ΔＮ＝２５０ｒｐｍ－２４５ｒｐｍ＝５ｒｐｍである。また、２４％のデューティ範囲（範囲番号７）と２２％のデューティ範囲（範囲番号６）との間の回転数差ΔＮは、ΔＮ＝２５５ｒｐｍ－２５０ｒｐｍ＝５ｒｐｍである。こうすると、ＰＷＭ指令のデューティに２２％を中心に±２％の誤差が生じたとしても、指令回転数は、２４５ｒｐｍから２５５ｒｐｍまでの範囲内に収まる。この回転数の範囲（１０ｒｐｍ）は、比較例において指令回転数が振れる可能性がある範囲（２８０ｒｐｍ－２４０ｒｐｍ＝４０ｒｐｍ）よりも小さい。

【0033】

ここでは第１動作点を例に説明したが、残りの第２動作点および第３動作点についても同様に各動作点付近における指令回転数の変化の割合Ｒを小さくすることで、指令回転数の振れ幅（誤差範囲）が小さくなる。このように、本実施の形態によれば、比較例と比べてＰＷＭ指令のデューティ検出精度が低いにも拘わらず、モータ３の駆動に使用される特定のデューティ範囲（第１動作点～第３動作点）においてモータ回転数の制御精度を高くすることが可能である。

【0034】

なお、本実施の形態のようにすることでモータ回転数の制御精度を高くすることは、特に、モータ３を低速駆動する場合に効果が大きい。たとえば、たとえば４０ｒｐｍの誤差は、第３動作点（＝２５００ｒｐｍ）に対して１．６％であるのに対して、第１動作点（＝２５０ｒｐｍ）に対しては１６％である。よって、モータ３を第１動作点で駆動する際の指令回転数の誤差を低減することで、モータ３の高精度制御の効果が顕著になる。

【0035】

＜処理フロー＞
図６は、本実施の形態に係るモータ制御装置２の処理手順を示すフローチャートである。図６に示す処理手順は、所定の条件が成立する度または所定の周期が経過する度にモータ制御装置２の制御回路２２によってメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。このフローチャートに含まれる各ステップ（以下、ステップを「Ｓ」とも略す）は、基本的には制御回路２２によるソフトウェア処理によって実現されるが、制御回路２２内に作製された専用のハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

【0036】

図６を参照して、Ｓ１において、制御回路２２は、上位コントローラ１から通信インターフェイス回路２１を介してＰＷＭ指令を受信する。そして、制御回路２２は、受信したＰＷＭ指令を解析してデューティを検出する（Ｓ２）。このデューティの検出には、ＰＷＭ制御において公知の手法が用いられる。

【0037】

Ｓ３において、制御回路２２は、図４および図５に示したテーブルを参照することによって、Ｓ２にて検出したデューティに対応する指令回転数を算出する。さらに、制御回路２２は、検出された指令回転数と、回転数センサ（図示せず）により検出された実際のモータ回転数との偏差に応じて、モータ駆動信号を生成する（Ｓ４）。たとえば、制御回路２２は、公知のフィードバック制御により実際のモータ回転数が指令回転数に近づくように、モータ駆動信号を生成する。そして、制御回路２２は、生成したモータ駆動信号を駆動回路２３へ出力する（Ｓ５）。

【0038】

以上のように、本実施の形態においては、デューティ範囲毎に、そのデューティ範囲に対応する指令回転数を柔軟に設定する。より具体的には、モータ３の駆動にあまり用いられないデューティ範囲では指令回転数の変化幅を粗くするのに対し、モータ３の駆動に高頻度に用いられるデューティ範囲では指令回転数の変化幅を細かくする。これにより、予め定められた３つの動作点でのモータ駆動に用いられるデューティ範囲においては、ＰＷＭ指令からデューティを検出する際に多少の誤差が生じたとしても指令回転数に生じる誤差が低減される。したがって、本実施の形態によれば、ＰＷＭ指令のデューティの検出精度を向上させなくてもモータ３を高精度に制御できる。

【0039】

［変形例］
実施の形態では、ＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係をテーブルまたはマップの形式で規定する例を説明した。しかし、上記対応関係は、関係式（関数）として規定してもよい。

【0040】

図７は、本実施の形態の変形例におけるＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係を表す関係式を説明するための図である。図７には、変形例において関係式により表される対応関係が実線で示されている。また、参考として、実施の形態にて説明したのと同様にテーブルにより表される対応関係が１点鎖線で示されている。

【0041】

図７を参照して、ＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係を、たとえば２次関数を用いて規定してもよい。具体的には、下記式（１）に示すように、デューティｄと指令回転数Ｎとの間の対応関係を係数α（この例ではα＝０．８）と横軸方向の平行移動量β（β＝１０％）とを用いて規定できる。
Ｎ＝α（ｄ－β）^２ ・・・（１）

【0042】

本変形例においても実施の形態と同様に、ＰＷＭ信号のデューティの検出精度を向上させなくてもモータ３の回転速度を高精度に制御することが可能である。

【0043】

なお、式（１）ではＰＷＭ指令のデューティと指令回転数との間の対応関係を規定するのに２次関数を用いる例を説明したが、関係式の種類はこれに限定されるものはない。関係式は、たとえば、３次以上の多項式関数であってもよいし、指数関数、対数関数または三角関数等であってもよいし、これらの関数を適宜合成したものであってもよい。また、デューティ範囲毎に関係式が異なってもよい。ただし、前述のように、モータ３の高精度制御の効果はモータ３を低速駆動する際に特に顕著になる。よって、関係式は、図７に示す２次関数のように下に凸の形状を有することが好ましい。

【0044】

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0045】

１ 上位コントローラ、２ モータ制御装置、３ モータ、４ 信号線、１１，２１ 通信インターフェイス回路、１２，２２ 制御回路、２３ 駆動回路、１００ モータ制御システム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】