JP4602118B2 - モータ負荷推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＤＣブラシレスモータ、ステップモータなどを駆動源に用いたモータ負荷推定装置に関する。

例えば、シャッター、パワーウィンドウなどの開閉体をモータ駆動により開閉するモータ駆動装置においては、モータ負荷に応じた適正な駆動電圧を印加して開閉体を適正な速度で開閉駆動し、該開閉体が障害物や人を誤って挟み込まないようにするため、負荷検出回路が設けられている。モータ駆動装置における負荷検出回路の一例を以下に説明する。尚、以下の負荷検出回路において同一の部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。また、何れの回路においても、電源出力は安定しているものとし、不安定な場合は電源電圧をフィードバックさせるようになっている。

図８において、商用電源（交流電源）５１を電源部５２にて整流して得られる直流電源電圧を、出力段（モータ駆動回路）５３へ供給する。制御部５４は出力段５３にモータ電圧（制御電圧）がモータ負荷５５に応じて適正電圧になるよう制御信号（指令値）を出力する。このとき、モータ駆動電圧がモータ負荷５５応じて適正か否かを検出するために、モータ駆動回路（出力段）５３に電流検出部５６が設けられる。電流検出部５６は、モータ駆動回路（出力段）５３に電流センサを設けて電流値を取得する。又は出力段５３に電流検出抵抗を設けてＩ−Ｖ変換して電流値を取得する。そして、電圧指令値Ｖと電流値ＩよりＶ×Ｉ＝Ｗより負荷を検出する。電流検出部５６で検出された負荷は、制御部５４へフィードバックされ、制御部５４はモータ負荷５５に見合った制御信号（指令値）をモータ駆動回路（出力段）５３へ出力するか、過負荷／軽負荷の判定を行い異常状態として動作を停止する。

図９において、負荷検出回路を説明する。モータ５７にタコジェネレータや磁気センサ（ホール素子）、光学式エンコーダ等の速度検出部５８が設けられている。速度検出部５８がパルス出力の場合は、出力パルスの出力周波数をＦ−Ｖ変換して速度値を取得する。又は出力周波数から直接速度を取得する。速度検出部５８で検出された速度値は、制御部５４へフィードバックされる。制御部５４は速度値と電圧指令値より、図１１のトルク−速度カーブ特性に基づいて負荷（トルク）を検出する。そして、制御部５４はモータ負荷に見合った制御信号（電圧指令値）をモータ駆動回路（出力段）５３へ出力するか、過負荷／軽負荷の判定を行い異常状態として動作を停止する。

図１０において、例えば駆動源がステッピングモータ５９の場合には、モータの回転速度が決まっているため、モータ駆動回路（出力段）５３に電流検出部５６が設けられる。電流検出部５６は、モータ駆動回路（出力段）５３に電流センサを設けて電流値を検出し、検出された電流値は制御部５４へフィードバックされる。制御部５４は、図１２において速度指令値ω、励磁電流指令値Ｉｇのもとで、電流値Ｉよりトルク−電流カーブ特性に基づいて負荷（トルク）を検出する。そして、制御部５４はモータ負荷に見合った制御信号（電圧指令値及び速度指令値）をモータ駆動回路（出力段）５３へ出力するか、過負荷／軽負荷の判定を行い異常状態として動作を停止する。

しかしながら、上述したモータ駆動装置における負荷検出回路において、例えば出力段５３に電流検出部５６を設ける場合には、モータ負荷５５から検出される検出信号が正弦波であったり、矩形波であったり或いはのこぎり波だったりするため、検出信号の処理に複雑な演算回路を用いて負荷を検出している。かかる演算回路においては、多数のデジタルフィルターを用いることによる部品コストや、乗算商算などの内部処理を行うための演算負荷が発生する。また、フィードバック制御によりモータ負荷を検出するようになっているので、制御部の回路構成が複雑になる。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成でモータ負荷の大きさを推定できるモータ負荷推定装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
交流電源から電圧変換した交流電圧を生成する変圧器と、該変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電源電圧を生成する整流部を備えた電源部と、前記整流部から出力される直流電源電圧をツェナーダイオードにより降圧し、該ツェナーダイオードと直列に接続された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧された所定レベルの検出電圧に変換するレベルシフト部と、前記レベルシフト部から直流電源電圧よりレベルシフトした検出電圧が入力され、モータ負荷に応じた電圧指令値をモータ駆動回路へ出力する制御部と、を備え、前記制御部はモータ負荷の変動に伴う前記電源部の直流電源電圧の変化を前記レベルシフト部から入力される検出電圧を通じて監視し、モータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する直流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷の大きさを推定することを特徴とする。
また、モータ駆動回路はステップモータ駆動回路であることを特徴とする。

他の手段としては、交流電源から電圧変換した交流電圧を生成する変圧器と、該変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電源電圧を生成する第１の整流部と、変圧器から出力される交流電圧の一部を整流する第２の整流部を備えた電源部と、前記第２の整流部で生成された直流電源電圧をツェナーダイオードにより降圧し、該ツェナーダイオードと直列に接続された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧された所定レベルの検出電圧に変換するレベルシフト部と、前記レベルシフト部から直流電源電圧よりレベルシフトした検出電圧が入力され、モータ負荷に応じた電圧指令値をモータ駆動回路へ出力する制御部と、を備え、前記制御部は第２の整流部から出力される直流電圧をレベルシフトした検出電圧を監視し、モータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する直流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷の大きさを推定することを特徴とする。

上述したモータ負荷推定装置を用いれば、整流部からモータ駆動回路へ出力される直流電源電圧がモータ負荷により変動すると、制御部はモータ負荷の変動に伴う直流電源電圧の変化を当該制御部に入力される検出電圧を通じて監視し、該検出電圧の変化からモータ負荷の大きさを推定するので、制御回路の構成を簡略化することができる。
即ち、制御部は直流電源電圧からレベルシフトされた検出電圧を監視するだけでモータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する直流電圧−負荷の関係からモータ負荷の大きさを推定することができる。
したがって、制御部は安定した周波数で低い電源電圧波形を監視するだけで足りるので、モータ負荷の大きさを推定するための複雑な演算処理や波形変換が不要であり、簡易な回路構成でモータ負荷が推定できる。この結果、制御部は１の電源電圧に特定のモータ負荷を対応させて、当該電源電圧の変動を監視することでモータ負荷の大きさを推定できるので、モータ負荷の推定値に基づいてモータ駆動回路へ出力する電圧指令値を変更したり、基準値（閾値）と比較することにより過負荷／軽負荷を検出したりすることができる。
特に、モータ駆動回路がステップモータ駆動回路である場合には、図１０に示すフィードバック制御による複雑な回路構成によりモータ負荷を検出する場合に比べて、電源電圧の変化を監視するオープンループ制御による簡易な回路構成によりモータ負荷の変動や過負荷／軽負荷を推定できる。

また、変圧器から出力される交流電圧の一部を整流する第２の整流部を備え、制御部は第２の整流部から出力される直流電圧をレベルシフトした検出電圧を監視してモータ負荷の大きさを推定するようにしても、モータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する直流電圧−負荷の関係からモータ負荷の大きさを推定することができる。
また、変圧器で電圧変換された交流電源電圧を所定レベルの交流電圧に変換するレベルシフト部と、レベルシフトされた交流電圧をＡＤ変換して直流検出電圧を生成するＡＤコンバータを備え、制御部はＡＤコンバータから入力される直流検出電圧を監視してモータ負荷の大きさを推定する場合にも、モータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する変圧器出力側の交流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷の大きさを推定することができる。
これらの場合でも、電源部の電圧変動を監視するだけでモータ負荷の大きさを推定できるので、制御回路の構成を簡略化することができる。
したがって、制御部は安定した変圧器出力側の交流電圧を監視するだけで足りるので、モータ負荷の大きさを推定するための複雑な演算処理や波形変換が不要であり、比較的簡易な回路構成でモータ負荷の大きさを推定できる。

以下、本発明に係るモータ負荷推定装置の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１及び図２を参照して、モータ負荷推定装置の回路構成について説明する。
図１において、交流電源１は例えば商用電源（ＡＣ100V）が用いられる。交流電源１の交流電源電圧は、変圧器２によって所要の交流電圧に電圧変換される。変圧器２はモータ負荷に対してほぼリニアな電源電圧を出力する。変圧器２によって電圧変換された交流電圧は整流部３によって整流されて直流電源電圧が生成される。この直流電源電圧がモータ駆動回路（出力段）４へ供給される。制御部５はモータ駆動回路４へモータ負荷６の大きさに応じた駆動電圧が適正になるよう電圧指令値を出力する。一般に制御部５は、電圧指令値としてＰＷＭ（パルス幅変調）制御指令を出力し、モータ駆動回路４はモータ駆動電圧をＰＷＭ制御しているため、モータ電圧は直流電源電圧×ＰＷＭ制御のデューティ比で決定される。

また、整流部３からモータ駆動回路（出力段）４へ出力される直流電源電圧は、モータ負荷の増減に伴ってほぼリニアに変動する（図３参照）。直流電源電圧が変動すると、レベルシフト部（電圧変換部）７によりレベルシフトされた変動検出電圧が制御部５へ入力されるようになっている。

図２において、レベルシフト部７は、ツェナーダイオード８と抵抗Ｒ１、Ｒ２が直列に接続された回路が用いられる。整流部３から出力される直流電源電圧（ＶＤＤ）は、ツェナーダイオード８を介して電圧レベルが下げられ、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧される検出電圧（ＶＤＤ´）が取り出されて制御部５へ入力される。即ち、制御部５は、レベルシフト部７から入力される検出電圧（ＶＤＤ´）を監視することで、図３においてモータ負荷変動に応じほぼリニアに変化する直流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷の大きさを推定することができる。

したがって、制御部５は安定した周波数で低い検出電圧波形を監視するだけでモータ負荷の大きさを推定することができる。また、モータ負荷の大きさを推定するための複雑な演算処理や波形変換が不要であり、制御回路の構成を簡略化することができる。
この結果、制御部５は１の電源電圧に特定のモータ負荷６を対応させて、当該電源電圧の変動を監視することでモータ負荷６の大きさを推定できるので、当該モータ負荷６の推定値に基づいてモータ駆動回路４へ出力する電圧指令値を変更したり、基準値（閾値）と比較することによりモータ負荷６が軽負荷、過負荷であることを検出したりすることができる。

特に、モータ駆動回路４がステップモータ駆動回路である場合には、フィードバック制御による複雑な回路構成によりモータ負荷を検出する場合に比べて、電源電圧の変化を監視するオープンループ制御による簡易な回路構成によりモータ負荷６の変動や過負荷／軽負荷を推定できる。

次に、モータ負荷推定回路の他例について、図４を参照して説明する。図１と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。
図４において、電源部には、変圧器２から出力される交流電圧を整流して直流電源電圧（ＶＤＤ）を生成する第１の整流部９が設けられている。この第１の整流部９において生成された直流電源電圧（ＶＤＤ）が、モータ駆動回路（出力段）４へ供給される。また、変圧器２から出力される交流電圧の一部（センター電圧）を整流する第２の整流部１０が設けられている。第２の整流部９で生成された直流電圧（ＶＤＤ／２）は、図２と同様なレベルシフト部７にて所定レベルの検出電圧（ＶＤＤ´）に変換される。この検出電圧（ＶＤＤ´）は制御部５に入力され、該制御部５は検出電圧（ＶＤＤ´）を監視することで、図３に示すようにモータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する直流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷６の大きさを推定することができる。

次に、モータ負荷推定回路の更に他例について、図５及び図６を参照して説明する。図１と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。
図５において、電源部には変圧器２から出力される交流電圧を整流して直流電源電圧（ＶＤＤ）を生成する整流部３が設けられている。この整流部３において生成された直流電源電圧（ＶＤＤ）がモータ駆動回路（出力段）４へ供給される点は図１と同様である。

図５において、変圧器２で電圧変換された交流電源電圧(ＡＣ)は、レベルシフト部１１においてを所定レベルの交流電圧（ＡＣ´）に変換される。図６において、レベルシフト部１１は、変圧器２の二次側巻線（ＡＣ）と抵抗Ｒ３、Ｒ４が直列に接続された回路が用いられる。変圧器２から出力される交流電圧（ＡＣ）は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４とで分圧される交流電圧（ＡＣ´）にレベルシフトされて、両電源ＡＤコンバータ１２へ出力される。

図５において、両電源ＡＤコンバータ１２は、レベルシフトされた交流電圧（ＡＣ´）が入力されるとＡＤ変換を行って直流検出電圧（ＶＤＤ´）を生成する。制御部５は両電源ＡＤコンバータ１１から入力される直流検出電圧（ＶＤＤ´）を監視してモータ負荷６の大きさを推定する。即ち、制御部５は、両電源ＡＤコンバータ１２から入力される検出電圧（ＶＤＤ´）を監視することで、図７においてモータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する変圧器出力側の交流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷６の大きさを推定することができる。

以上の場合にも、電源部の電圧変動を監視するだけでモータ負荷６の大きさを推定できるので、制御回路の構成を簡略化することができる。したがって、制御部５は安定した変圧器２の出力側の交流電圧を監視するだけで足りるので、モータ負荷６の大きさを推定するための複雑な演算処理や波形変換が不要であり、比較的簡易な回路構成でモータ負荷６の大きさを推定できる。

モータ負荷推定装置のブロック図である。 図１のレベルシフト部の回路図である。 ＤＣ電圧−負荷との関係を示すグラフ図である。 他例に係るモータ負荷推定装置のブロック図である。 他例に係るモータ負荷推定装置のブロック図である。 図５のレベルシフト部の回路図である。 ＡＣ電圧−負荷との関係を示すグラフ図である。 従来のモータ駆動回路のブロック図である。 従来のモータ駆動回路のブロック図である。 従来のモータ駆動回路のブロック図である。 トルク−速度特性、トルク−電流特性を示すグラフ図である。 所定速度指令値、励磁電流指令値におけるトルク−電流カーブ特性を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 交流電源
２ 変圧器
３ 整流部
４ モータ駆動回路
５ 制御部
６ モータ負荷
７、１１ レベルシフト部
８ ツェナーダイオード
９ 第１の整流部
１０ 第２の整流部
１２ 両電源ＡＤコンバータ

Claims (4)

1. 交流電源から電圧変換した交流電圧を生成する変圧器と、該変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電源電圧を生成する整流部を備えた電源部と、
   前記整流部から出力される直流電源電圧をツェナーダイオードにより降圧し、該ツェナーダイオードと直列に接続された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧された所定レベルの検出電圧に変換するレベルシフト部と、
   前記レベルシフト部から直流電源電圧よりレベルシフトした検出電圧が入力され、モータ負荷に応じた電圧指令値をモータ駆動回路へ出力する制御部と、を備え、
   前記制御部はモータ負荷の変動に伴う前記電源部の直流電源電圧の変化を前記レベルシフト部から入力される検出電圧を通じて監視し、モータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する直流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷の大きさを推定することを特徴とするモータ負荷推定装置。
2. モータ駆動回路はステップモータ駆動回路であることを特徴とする請求項１記載のモータ負荷推定装置。
3. 交流電源から電圧変換した交流電圧を生成する変圧器と、該変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電源電圧を生成する第１の整流部と、変圧器から出力される交流電圧の一部を整流する第２の整流部を備えた電源部と、
   前記第２の整流部で生成された直流電源電圧をツェナーダイオードにより降圧し、該ツェナーダイオードと直列に接続された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧された所定レベルの検出電圧に変換するレベルシフト部と、
   前記レベルシフト部から直流電源電圧よりレベルシフトした検出電圧が入力され、モータ負荷に応じた電圧指令値をモータ駆動回路へ出力する制御部と、を備え、
   前記制御部は第２の整流部から出力される直流電圧をレベルシフトした検出電圧を監視し、モータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する直流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷の大きさを推定することを特徴とするモータ負荷推定装置。
4. 交流電源から電圧変換した交流電圧を生成する変圧器と、該変圧器から出力される交流電圧を整流してモータ駆動回路へ供給する直流電源電圧を生成する整流部を備えた電源部と、
   前記変圧器の二次側巻線と直列に接続された抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４とで分圧された所定レベルの交流電圧に変換するレベルシフト部と、
   前記レベルシフト部によりレベルシフトされた交流電圧をＡＤ変換して直流検出電圧を生成する両電源ＡＤコンバータと、
   前記両電源ＡＤコンバータから入力される直流検出電圧が入力され、モータ負荷に応じた電圧指令値をモータ駆動回路へ出力する制御部と、を備え、
   前記制御部は前記両電源ＡＤコンバータから入力される直流検出電圧を監視し、モータ負荷変動に応じてほぼリニアに変化する前記変圧器出力側の交流電圧−負荷電力の関係からモータ負荷の大きさを推定することを特徴とするモータ負荷推定装置。

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