JP2006067727A - 直流モータ駆動装置及び直流モータ駆動方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化によるモータ特性のばらつきを最小限に抑えることができる直流モータ駆動装置及び直流モータ駆動方法を得る。
【解決手段】直流モータを構成するマグネットの温度を検出し、検出したマグネットの温度に応じて、現時点でのモータ特性が常温におけるモータ特性と一致するように、励磁相切り替えタイミングを変化させる。これにより、温度変化によるモータ特性のばらつきを最小限に抑えることができ、精度の高いモータ制御が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロータ（回転子）又はステータ（固定子）に温度特性が良好でないマグネット、特にフェライトマグネットが使用された直流モータを駆動する直流モータ駆動装置及び直流モータ駆動方法に関する。

従来、ロータ又はステータにフェライトマグネットを使用した直流モータが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１０１６２０号公報

しかしながら、上述した従来の直流モータにおいては、周囲温度の上昇や巻線の自己発熱によりマグネットの温度が上昇するとモータ特性が変化するので、精度の良いモータ制御が困難であるという問題がある。

因みに、安価な直流モータにはフェライトマグネットが使われることが多く、それの温度係数が約−０．２％／Ｋ^-1程度であるので、周囲温度の上昇や巻線の自己発熱により常温２０℃でのモータ特性に対して大きく変化してしまう。
例えば、−２０℃と＋６０℃のそれぞれの温度におけるモータ特性は図７に点線で示すように大きく変化することになる。
すなわち、モータ特性のうちトルク−電流特性は、常温２０℃に対して−２０℃では時計周りに傾いた特性になり、＋６０℃では反時計周りに傾い特性になる。
また、トルク−回転速度特性は、常温２０℃に対して−２０℃では反時計周りに傾いた特性になり、＋６０℃では時計周りに傾いた特性になる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、温度変化によるモータ特性の変動を最小限に抑えることができる直流モータ駆動装置及び直流モータ駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的は下記方法又は構成により達成される。
（１） 直流モータのロータの位置情報に従って直流モータの各励磁相への通電を順次切り替える直流モータ駆動方法において、前記直流モータのステータ又はロータを構成するマグネットの温度を検出して、励磁相切り替えタイミングを変化させることによって、温度変化に関わらず常温におけるモータ特性に一致させる。

（２） 直流モータのロータの位置情報に従って直流モータの各励磁相への通電を順次切り替える直流モータ駆動装置において、前記直流モータのステータ又はロータを構成するマグネットの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された前記マグネットの温度に応じて、モータ特性が常温におけるモータ特性と一致するように、励磁相切り替えタイミングを変化させる相切り替えタイミング制御手段と、を備える。

（３） 直流モータのロータの位置情報に従って直流モータの各励磁相への通電を順次切り替える直流モータ駆動に用いられるプログラムにおいて、前記直流モータを構成するマグネットの温度を検出する温度検出手順と、前記温度検出手順で検出された前記マグネットの温度に応じて、モータ特性が常温におけるモータ特性と一致するように、励磁相切り替えタイミングを変化させる相切り替えタイミング制御手順とをコンピュータに実行させる。

上記（１）に記載の直流モータ駆動方法では、マグネットの温度に応じて、現時点でのモータ特性が常温におけるモータ特性と一致するように、励磁相切り替えタイミングを変化させるので、温度変化に関わらず常温におけるモータ特性に一致させることができる。したがって、温度変化によるモータ特性のばらつきが最小限に抑えられるので、精度の高いモータ制御が可能となる。

ここで、直流モータの基本式は以下の通りである。また、図６は直流モータの特性図である。
Ｔ＝ｒ×Ｂ×l×Ｉ …（１）
ｅ＝Ｂ×l×Ｎ×ｒ …（２）
Ｅ−ｅ＝Ｒ×Ｉ …（３）
Ｎ＝−Ｒ×Ｔ／（ｒ×Ｂ×l）^２＋Ｅ／ｒ×Ｂ×l …（４）
Ｉ＝（１／ｒ×Ｂ×l）×Ｔ …（５）
但し、Ｔ：トルク（Ｎ・ｍ）、Ｂ：磁束密度（Ｗｂ／ｍ２）、l：有効導体長（ｍ）、Ｉ：電流、ｅ：逆起電圧、Ｎ：回転数、Ｒ：端子間抵抗、Ｅ：入力電圧、ｒ：ロータ半径

直流モータの励磁相の切り替えタイミングを変化させると、上記基本式に示す磁束密度Ｂが見かけ上変化するので、モータ特性は上記基本式に従って、マグネットの温度変化と類似した変化をする。
したがって、マグネットの温度変化を検出して直流モータの励磁相の切り替えタイミングを変化させて磁束密度Ｂを変化させることで、温度変化によるモータ特性の変化を最小限に抑えることが可能となり、これにより直流モータを高精度に制御することができる。

上記（２）に記載の直流モータ駆動装置では、マグネットの温度に応じて、現時点でのモータ特性が常温におけるモータ特性と一致するように、励磁相切り替えタイミングを変化させるので、温度変化によるモータ特性の変化を最小限に抑えることが可能となり、これにより直流モータを高精度に制御することができる。

上記（３）に記載のプログラムでは、上記（１）に記載の直流モータ駆動方法をプログラム化したものであり、コンピュータにより制御される直流モータ駆動装置に容易に適用することができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る直流モータ駆動装置の構成を示すブロック図である。
図１において、本実施の形態の直流モータ駆動装置は、ＭＰＵ（マイクロプロセッシングユニット）１１と、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、直流モータ３０のステータ又はロータのフェライトマグネット（図示略）の温度を検出する温度センサ１４と、ＭＰＵ１１の制御によって直流モータ３０を駆動するドライバ２０とを備えている。

なお、本実施の形態では、直流モータ３０に３相ブラシレス直流モータを用いているが、通電相の数に限定はない。
また、本実施の形態では、温度センサ１４として負の温度係数を持つサーミスタを用いているが、これに限定されるものではない。
因みに、本サーミスタの抵抗は、温度が高くなると小さくなることから、その端子電圧は温度が高くなると低くなる。

上記温度センサ１４は、温度検出手段に対応する。また、上記ＭＰＵ１１とＲＯＭ１２は、相切り替えタイミング制御手段に対応する。

ＲＯＭ１２には、ＭＰＵ１１を制御するためのプログラムが書き込まれており、特に本発明の特徴である直流モータ３０のステータ又はロータのフェライトマグネットの温度を検出して、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各励磁相の切り替えタイミングを変化させるプログラムが格納されている。
ＭＰＵ１１はこのプログラムに従って装置各部の制御を行う。

ドライバ２０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御方式にて直流モータ３０を駆動する駆動電流を生成する。
図２はドライバ２０の構成の１例を示すブロック図である。
また、図３はドライバ２０を構成する駆動波形生成回路２０６の構成の１例を示すブロック図である。
図２において、ドライバ２０は、交流電源２０１の交流電圧を直流電源回路２０２で整流した直流電圧を、パワートランジスタ群２０３で一般的な１２０度通電のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相にスイッチングして直流モータ３０に供給することにより、ＰＷＭ制御方式でモータ３０を駆動制御する。

また、直流モータ３０のロータ位置を位置検出センサ２０４により検出し、この検出信号を位置検出回路２０５経由で位置検出信号Ｓｐとして駆動波形生成回路２０６に供給する。
駆動波形生成回路２０６は、位置検出回路２０５からの位置検出信号Ｓｐから直流モータ３０のロータ位置情報を検出し、該ロータ位置情報からＵ相の上下相Ｕ＋，Ｕ−、Ｖ相の上下相Ｖ＋，Ｖ−、Ｗ相の上下相Ｗ＋，Ｗ−の駆動信号Ｓｄを生成し、さらにＭＰＵ１１からの指令に従って駆動信号Ｓｄの出力タイミングの調整を行ってパワートランジスタ群２０３を駆動し、これにより直流モータ３０の通電を順次切り替えて直流モータ３０を制御する。

駆動波形生成回路２０６は、図３に示すように、位置検出回路２０５からの位置検出信号Ｓｐからロータ位置情報を検出する位置検出部２０６１を有し、この位置検出部２０６１からのロータ位置情報は速度検出部２０６２及び転流部２０６３に供給される。
速度検出部２０６２は、ロータ位置情報からロータ位置検出が行われる間隔、すなわち位置検出間隔を計測し、パワートランジスタ群２０３の出力相の切り替え、すなわち転流を行うタイミングを演算する。

なお、位置検出センサ２０４がホール素子で構成される場合、位置検出が行われると同時に転流が行われるのが通常である。
また、位置検出センサ２０４を用いた位置検出方法の他に、直流モータ３０の各相に流れる電流を検出して位置検出する場合もある。

速度検出部２０６２で演算されて転流が行われるタイミングは転流部２０６３に供給され、転流部２０６３は指定されたタイミングでパワートランジスタ群２０３の出力相切り替えの信号を出力相切替部２０６４に供給する。
また、速度検出部２０６２は上述したように転流のタイミングを演算するとともに、位置検出間隔をデューティ補正部２０６５に供給する。
デューティ補正部２０６５は、所望の目標回転速度信号が入力されており、この目標回転速度に対応する目標位置検出間隔を演算し、この目標位置検出間隔を速度検出部２０６２から供給された位置検出間隔と比較し、パルス幅変調制御のデューティ比を出力し、このデューティ比信号を出力相切替部２０６４に供給する。

出力相切替部２０６４は、転流部２０６３から供給された転流のタイミングとデューティ比信号とＭＰＵ１１から供給されたタイミング調整情報とに基づいてパワートランジスタ群２０３のＵ相の上下相Ｕ＋，Ｕ−、Ｖ相の上下相Ｖ＋，Ｖ−、Ｗ相の上下相Ｗ＋，Ｗ−の駆動信号Ｓｄを図４に示すように生成し、該駆動信号Ｓｄによって駆動回路２０７を介してパワートランジスタ群２０３を駆動し、直流モータ３０を制御する。

ＭＰＵ１１は、装置各部を制御するなかで、駆動波形生成回路２０６にタイミング調整情報を供給する。
ＭＰＵ１１は、このタイミング調整情報を、温度センサ１４により検出されたステータ又はロータのフェライトマグネットの温度に基づいて生成する。
直流モータ３０の回転数とモータ電流は、上記（４）、（５）の基本式から求められる。Ｕ，Ｖ，Ｗの各励磁相の切り替えタイミングを変化させると、磁束密度Ｂが見かけ上変化して、モータ特性は基本式に従ってフィライトマグネットの温度変化と類似の変化をする。

したがって、ＭＰＵ１１は、温度センサ１４でフェライトマグネットの温度を検出し、その検出した温度から、モータ特性が変化する方向と逆になるように、直流モータ３０の励磁相切り替えタイミングを変化させて、モータ特性の変化を相殺するタイミング調整情報を生成する。
このようにすることにより、温度変化によるモータ特性のばらつきを最小限に抑えることができ、直流モータ３０を高精度で制御することが可能となる。

タイミング調整情報を生成する処理をフローチャートで示すと図５に示すようになる。
まず、温度センサ１４の出力を取り込み（ステップＳ１０）。
次に、常温（２０℃）以外の温度であるかどうか判定する（ステップＳ１１）。
常温の場合は、何も処理をせずステップＳ１０に戻り、常温以外である場合は、検出した温度に基づいてタイミング調整情報を生成する（ステップＳ１２）。
そして、生成したタイミング調整情報をドライバ２０に供給し（ステップＳ１３）。
その後、ステップＳ１０に戻る。

このように、本実施の形態の直流モータ駆動装置によれば、直流モータ３０を構成するフェライトマグネットの温度を検出し、検出したフェライトマグネットの温度に応じて、現時点でのモータ特性が常温におけるモータ特性と一致するように、励磁相切り替えタイミングを変化させるので、温度変化によるモータ特性のばらつきを最小限に抑えることができ、精度の高いモータ制御が可能となる。

なお、上記実施の形態では、フェライトマグネットを使用した直流モータ３０の温度変化による特性を補正するようにしたが、フェライト以外の材料を用いたマグネットを使用した直流モータでも勿論その温度変化による特性を補正することができる。
特に、フェライトマグネットは安価である反面、温度係数が約−０．２％／Ｋ^-1程度あるので、本発明はこのようなフェライトマグネットを使用した直流モータ３０を用いた用途に著しい効果が得られる。
すなわち、フェライトマグネットを使用した直流モータ３０を用いて製品のコストダウンを図ろうとする用途において、本発明はコストアップを最小限に抑えながらも、高精度なモータ制御を実現することができる。

本発明は、温度変化によるモータ特性のばらつきを最小限に抑えることができ、直流モータを高精度で制御することが可能となるという効果を有し、直流モータ駆動装置への適用が可能である。また、ここではフェライトマグネットについて述べたが、これに限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る直流モータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 図１のドライバの構成を示すブロック図である。 図２の駆動波形生成回路の構成を示すブロック図である。 図２のドライバの出力波形図である。 図１の直流モータ駆動装置のタイミング調整情報生成時の動作を説明するためのフローチャートである。 直流モータの特性を説明するための図である。 直流モータの温度による特性の変化を説明するための図である。

符号の説明

１１ ＭＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 温度センサ
２０ ドライバ
３０ 直流モータ
２０１ 交流電源
２０２ 直流電源回路
２０３ パワートランジスタ群
２０４ 位置検出センサ
２０５ 位置検出回路
２０６ 駆動波形生成回路
２０７ 駆動回路

Claims (3)

1. 直流モータのロータの位置情報に従って直流モータの各励磁相への通電を順次切り替える直流モータ駆動方法において、
   前記直流モータを構成するマグネットの温度を検出して、励磁相切り替えタイミングを変化させることによって、温度変化に関わらず常温におけるモータ特性に一致させることを特徴とする直流モータ駆動方法。
2. 直流モータのロータの位置情報に従って直流モータの各励磁相への通電を順次切り替える直流モータ駆動装置において、
   前記直流モータをステータ又はロータを構成するマグネットの温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段で検出された前記マグネットの温度に応じて、モータ特性が常温におけるモータ特性と一致するように、励磁相切り替えタイミングを変化させる相切り替えタイミング制御手段と、
   を備えたことを特徴とする直流モータ駆動装置。
3. 直流モータのロータの位置情報に従って直流モータの各励磁相への通電を順次切り替える直流モータ駆動に用いられるプログラムにおいて、
   前記直流モータのステータ又はロータを構成するマグネットの温度を検出する温度検出手順と、
   前記温度検出手順で検出された前記マグネットの温度に応じて、モータ特性が常温におけるモータ特性と一致するように、励磁相切り替えタイミングを変化させる相切り替えタイミング制御手順と、
   をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
   

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