JP7296594B2

JP7296594B2 - モータ制御装置

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Publication number: JP7296594B2
Application number: JP2020525369A
Authority: JP
Inventors: 隆宏増田; 太郎岸部
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2039-05-17
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Description

本発明は、モータの巻線に印加する電圧をＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することでモータを制御するモータ制御装置に関する。

ＦＡ（ＦａｃｔｏｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）で用いられるサーボモータでは、上位装置からの駆動指令（位置指令）に追従するようにモータの位置・速度・トルクが制御される。そして、その制御演算装置としてマイクロプロセッサを用いたディジタル制御が広く使われている。サーボモータで使用される表面磁石構造の同期モータ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ）が出力するトルクはモータ電流と比例関係にあるので、モータ電流を制御することでモータから出力されるトルクを自在にコントロールすることができる。モータ電流を制御するため一般的に用いられるＰＷＭ制御方式では、モータの巻線に流れる電流（以下、モータ電流）を検出する必要がある。そして、ディジタル制御の場合は、一定の周期毎にモータ電流を検出し、電流指令値と一致するようにＰＩＤ制御（比例＋積分＋微分制御）などを用いて制御が行われる。

図６は、特許文献１に例示される従来例のモータ制御装置１０ａの構成図である。このモータ制御装置１０ａは、３相の巻線を巻回したステータを備えるモータ３０ａに対し、巻線に流れる電流を検出するモータ電流検出部１１ａを有し、モータ３０ａの動作を制御する。そして、モータ制御装置１０ａは、上位装置３５ａからの動作指令と位置検出センサ３１ａからのモータの位置情報と巻線に流れる電流値であるモータ電流検出値とによりトルク演算を行い、モータ３０ａを駆動するための電圧指令値を算出するディジタル制御部１７ａと、電圧指令値を三角波と比較することでＰＷＭ変調し、ＰＷＭスイッチング信号を出力するＰＷＭ部１６ａと、ＰＷＭスイッチング信号に従いスイッチング素子（電力変換素子）をオン／オフすることで巻線に駆動電圧を印加する電力変換部１８ａと、駆動電圧により巻線に流れる電流を、アナログ電圧に変換するモータ電流検出部１１ａと、アナログ電圧をディジタル信号に変換するΔΣＡＤ変換部１５ａと、ΔΣＡＤ変換部１５ａの動作を停止させる停止信号を出力する停止信号生成部１９ａとを備える。そして、停止信号生成部１９ａは、モータ３０ａに印加電圧する電圧を電力変換素子（例えば、半導体による高速パワースイッチング素子）のオン／オフ（以下スイッチング）により発生した漏れ電流の誤検出を低減するため、ＰＷＭ制御における３相電圧指令の最大値と最小値の差分があらかじめ決められた閾値以下の場合、電力変換素子のオン／オフによる漏れ電流が発生している間停止信号を出力する。

国際公開第２０１６／０５１７４３号

しかしながら、モータの巻線に流す電流値が数百アンペアの比較的大電流で駆動するモータ制御装置では、モータ電流検出部の回路構造が複雑となるため、巻線に流れる電流をアナログ電圧に変換する際に時間遅れが発生する。したがって、従来の構成では、漏れ電流が発生している間ΔΣＡＤ変換部の動作を停止するため、アナログ電圧値とのタイミングにずれが生じ、ΔΣＡＤ変換部で変換されるディジタル信号に含まれる漏れ電流の誤検出を低減できないという問題がある。

本開示は上記問題に鑑みてなされたものであり、巻線に流れる電流をアナログ電圧に変換する際に遅れが発生する場合でも電力変換素子のオン／オフによる漏れ電流の誤検出を低減することができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係るモータ制御装置は、３相の巻線を巻回したステータを備えるモータに対し、前記巻線に流れる電流を検出するモータ電流検出部を有し、前記モータの動作を制御するモータ制御装置であって、上位装置からの動作指令と前記モータの位置情報と前記巻線に流れる電流値であるモータ電流検出値とによりトルク演算を行い、前記モータを駆動するための３相電圧指令値を算出するディジタル制御部と、前記３相電圧指令値を三角波と比較することでＰＷＭ変調し３相ＰＷＭスイッチング信号を出力するＰＷＭ部と、前記３相ＰＷＭスイッチング信号に従い電力変換素子をオン／オフすることで、前記巻線に、所定範囲内における任意の電圧を印加する電力変換部と、前記任意の電圧により前記巻線に流れる電流をアナログ電圧に変換する前記モータ電流検出部と、前記アナログ電圧をディジタル信号に変換するΔΣＡＤ変換部と、前記ΔΣＡＤ変換部の動作の停止に係る停止信号を出力する停止信号生成部と、前記停止信号に基づいて、前記ΔΣＡＤ変換部の動作を停止させる停止制御信号を出力する停止信号制御部とを備え、前記３相電圧指令の最大値と最小値との差分があらかじめ決められた閾値以下の場合に、前記停止信号生成部は、前記電力変換素子のオン／オフによる漏れ電流が発生している間、前記停止信号を出力し、前記停止信号制御部は、前記漏れ電流が前記モータ電流検出部と前記ΔΣＡＤ変換部とにより前記ディジタル信号に変換される時間だけ前記停止信号を遅延させた前記停止制御信号を出力する。

本開示の一態様に係るモータ制御装置によると、巻線に流れる電流をアナログ電圧に変換する際に遅れが発生する場合でも電力変換素子のオン／オフによる漏れ電流の誤検出を低減することができる。

図１は、実施の形態におけるモータ制御装置を含むモータ制御システムの構成図である。図２は、同モータ制御装置におけるモータ電流の検出に使用するΔΣＡＤ変換部の動作を説明するための動作波形図である。図３は、同モータ制御装置におけるΔΣＡＤ変換部の構成図である。図４は、同モータ制御装置における停止信号生成部の構成図である。図５は、同モータ制御装置における停止信号制御部の構成図である。図６は、従来例のモータ制御装置の構成図である。

上記モータ制御装置によると、巻線に流れる電流をアナログ電圧に変換する際に遅れが発生する場合でも電力変換素子のオン／オフによる漏れ電流の誤検出を低減することができる。

また、前記位置情報は、位置検出センサによって検出された前記モータのロータの位置の情報であるとしてもよい。

これにより、このモータ制御装置は、位置センサによって検出されたロータの位置の情報を、位置情報として利用することができる。

また、前記停止信号生成部は、タイマを備え、前記三角波の上下頂点間で前記３相ＰＷＭスイッチング信号のいずれかが最初に変化したときに、前記停止信号の出力とタイマ動作とを開始し、タイマカウンタがあらかじめ決められた値になるまで前記停止信号を出力するとしてもよい。

これにより、このモータ制御装置は、停止信号の出力開始タイミングを３相ＰＷＭスイッチング信号で判定することができるので、比較的容易な構成で停止信号を制御できる。

また、前記ΔΣＡＤ変換部は、前記アナログ電圧を１ビットのディジタル信号に変換するΔΣ型ＡＤコンバータと、前記１ビットのディジタル信号を多ビットのディジタル信号に変換し、前記モータ電流検出値として出力するＡＤ変換間引きフィルタと、前記ΔΣ型ＡＤコンバータと前記ＡＤ変換間引きフィルタとを動作させるための動作クロックを出力するクロック生成部とを備え、前記停止制御信号により前記動作クロックを停止させるとしてもよい。

これにより、このモータ制御装置は、停止制御信号によりΔΣＡＤ変換部の動作の停止を制御することができる。

また、前記停止信号生成部は、前記モータ電流検出値があらかじめ決められた値以上になった場合は、前記停止信号の出力を抑制するとしてもよい。

これにより、このモータ制御装置は、モータ電流検出値の大きさに対して電力変換素子のオン／オフによる漏れ電流の影響が大きくなるサーボロック時や低トルク時の誤検出を低減できる。

また、前記停止信号生成部は、モータ速度があらかじめ決められた値以上になった場合は、前記停止信号の出力を抑制するとしてもよい。

これにより、このモータ制御装置は、漏れ電流による不要なトルクの影響で速度変動が大きくなる低速動作時の誤検出を低減できる。

以下、本開示の一態様に係るモータ制御装置の具体例について、図面を参照しながら説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態におけるモータ制御装置を含むモータ制御システムの構成図であり、図２は、モータ電流の検出に使用するΔΣＡＤ変換部の動作を説明するための動作波形図であり、図３は、モータ電流を検出するΔΣＡＤ変換部の構成図である。

図１に示すように、本モータ制御システム１００は、上位装置３５の指令制御に従ってモータ制御装置１０がモータ３０の動作を制御するように構成されている。

上位装置３５は、例えばプログラマブルロジックコントローラなどを利用して構成され、モータ制御装置１０に対して動作指令などにより制御する。上位装置３５とモータ制御装置１０とは制御バスラインなどを介して通信接続されており、上位装置３５からの動作指令がモータ制御装置１０に伝送されるとともに、モータ制御装置１０からの情報が上位装置３５へと伝送される。

図１のモータ３０は、効率や制御性の点から広く利用されている３相のブラシレスモータが好適である。この３相のブラシレスモータであるモータ３０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相とする各相の巻線をステータコアに巻回したステータと、永久磁石を有したロータとを備えている。そして、モータ制御装置１０で生成した駆動電圧Ｖｄを、Ｕ相の巻線には駆動電圧ＶｄＵとし、Ｖ相の巻線には駆動電圧ＶｄＶとし、Ｗ相の巻線には駆動電圧ＶｄＷとして印加することで、ロータが回転する。また、ロータの位置を検出するため、ロータの近辺には、ロータリエンコーダ、リニアスケールあるいはホールＣＴなどの位置検出センサ３１が配置されている。位置検出センサ３１は、検出したロータの位置の情報を位置情報Ｓｅｎとしてモータ制御装置１０へ出力する。なお、ロータリエンコーダ等の装置を用いずに電流検出値からモータの位置を推定する方法を用いてもよい。

モータ制御装置１０は、モータ３０の回転動作を制御するためのディジタル制御部１７と、ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ部１６と、モータ３０の巻線を通電駆動するための電力変換部１８とに加えて、モータ電流を検出して処理するために、モータ電流検出部１１とＡＤ変換部１５と停止信号生成部１９と停止信号制御部２０とを備え、モータ３０の動作を制御する。

ディジタル制御部１７は、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）やマイクロコンピュータのソフトウェアあるいはＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）のロジック回路で構成されている。すなわち、ディジタル制御部（以下、適宜、単に制御部と呼ぶ）１７は、プログラムなどの処理手順を示すソフトウェアに従って各処理を実行するように構成されている。また、制御部１７は、処理する信号として、所定のビット数のデータを並べたデータ列で構成されるディジタル信号を主体にして処理している。

ディジタル制御部１７には、上位装置３５から、位置、速度、トルクなどを指令する動作指令の情報などが伝送される。また、ディジタル制御部１７は、モータ制御装置１０の情報などを上位装置３５へ伝送する。ディジタル制御部１７は、このような情報を伝送する通信機能とともに、モータ３０の回転動作を制御し、モータ３０が例えば速度や位置など所定の動きをするように動作制御を行う。

ディジタル制御部１７のより具体的な処理の一例として、ディジタル制御部１７は、フィードバック制御に基づき、次のような制御処理を実行する。ディジタル制御部１７は、上位装置３５からの位置を指令する動作指令と位置検出センサ３１の位置情報Ｓｅｎとで位置制御演算して速度指令を生成する。次に、ディジタル制御部１７は、位置情報Ｓｅｎの微分により、モータ３０の実速度に対応するモータ速度値を算出し、モータ速度と速度指令とから速度制御演算で電流指令を算出する。次に、ディジタル制御部１７は、モータ電流検出部１１およびＡＤ変換部１５を介して得られたＵ相のモータ電流検出値ＤｉＵとＷ相のモータ電流検出値ＤｉＷと、算出した電流指令とから電流制御演算により各相の電圧指令を算出する。そして、ディジタル制御部１７は、モータを駆動するためのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令を示す電圧指令値Ｓｗとして、Ｕ相電圧指令値ＳｗＵ、Ｖ相電圧指令値ＳｗＶ、Ｗ相電圧指令値ＳｗＷを出力する。すなわち、ディジタル制御部１７は、上位装置３５からの動作指令とモータ３０の位置情報と巻線に流れる電流値であるモータ電流検出値とによりトルク演算を行い、モータ３０を駆動するための３相電圧指令値を算出する。

ＰＷＭ部１６は、マイクロコンピュータ内蔵の周辺回路（ペリフェラル）やＡＳＩＣやＦＰＧＡのロジック回路で構成され、図２に示すように、例えばアップダウンカウンタにより形成される三角波のキャリア信号と各相の電圧指令値Ｓｗとを比較することで各相のＰＷＭスイッチング信号（以下、適宜、単に、ＰＷＭ信号と呼ぶ）Ｐｗを生成している。

図２の上段において、これら三角波のキャリア信号、電圧指令値ＳｗおよびＰＷＭ信号Ｐｗを示している。図２に示すように、三角波のレベルが順次増加する期間である領域１において、三角波のレベルが電圧指令値Ｓｗのレベル以上となった時点で、ＰＷＭ信号Ｐｗはハイレベルからローレベルへと立下がる。そして、三角波のレベルが順次減少する期間である領域２において、三角波のレベルが電圧指令のレベル以下となった時点で、ＰＷＭ信号Ｐｗはローレベルからハイレベルへと立上がる。ＰＷＭ部１６では、このような動作を繰り返すことにより、電圧指令値Ｓｗのレベルに応じたパルス幅、あるいはデューティ比のパルス列で構成されるＰＷＭ信号Ｐｗを相ごとに生成している。このようにして生成されたＰＷＭ信号Ｐｗが電力変換部１８に供給される。すなわち、ＰＷＭ部１６は、３相電圧指令値を三角波と比較することでＰＷＭ変調し３相ＰＷＭスイッチング信号を出力する。

電力変換部１８は、ＰＷＭ部１６からの各相のＰＷＭ信号Ｐｗを受けて駆動電圧Ｖｄを生成し、Ｕ相の駆動電圧ＶｄＵ、Ｖ相の駆動電圧ＶｄＶ、Ｗ相の駆動電圧ＶｄＷとして、モータ線を介してモータ３０のそれぞれの巻線にこれらの電圧を印加する。電力変換部１８は、いわゆるインバータであり、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌｏｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはパワーＭＯＳＦＥＴといった高速パワースイッチング素子およびダイオードなどの電力変換素子で構成される。電力変換部１８は、ＩＧＢＴのようなスイッチング素子（電力変換素子）を用いて、電源から供給された電圧をＰＷＭ信号Ｐｗに応じてスイッチング、すなわちオン／オフすることにより駆動電圧Ｖｄを生成している。すなわち、電力変換部１８は、３相ＰＷＭスイッチング信号に従い電力変換素子をオン／オフすることで、巻線に、所定範囲内における任意の電圧を印加する。最近では、電力変換素子を駆動するためのプリドライブ回路を内蔵したＩＰＭ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ）により、一体成型されたものがよく用いられる。

モータ電流検出部１１は、駆動電圧Ｖｄを巻線に印加したとき、その巻線に流れるモータ電流の電流量を検出し、電流検出信号Ｓｉとして出力する。具体的には、Ｕ相モータ線とＷ相モータ線とに流れるモータ電流をそれぞれ電圧に変換して、Ｕ相の電流検出信号ＳｉＵとＷ相の電流検出信号ＳｉＷとして出力する。モータ電流検出部１１は、モータ電流が小電流の場合はシャント抵抗を用いるが、特に大電流の場合はＣＴ（ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｅｒ）で電流を数千分の１の値に変換し、ＣＴからの出力電流をシャント抵抗で検出する。すなわち、モータ電流検出部１１は、巻線に流れる電流を検出し、所定範囲内における任意の電圧により巻線に流れる電流をアナログ電圧に変換する。モータ電流検出部１１が出力する電流検出信号Ｓｉは、ΔΣＡＤ変換部１５に供給される。

ΔΣＡＤ変換部（以下、適宜、単にＡＤ変換部と呼ぶこともある。）１５としては、図１に示すように、Ｕ相の電流検出信号ＳｉＵが供給される第１のＡＤ変換部１５Ｕと、Ｗ相の電流検出信号ＳｉＷが供給される第２のＡＤ変換部１５Ｗとで構成される。また、ＡＤ変換部１５のそれぞれは、ΔΣ型ＡＤコンバータ１２とＡＤ変換間引きフィルタ１４とクロック生成部１３で構成され、供給されたアナログ信号（アナログ電圧）をディジタル信号に変換して出力する。特に、本実施の形態では、上述したようなΔΣ型のアナログ－ディジタル変換器であるΔΣ型ＡＤコンバータ（以下、適宜、単にＡＤコンバータと呼ぶこともある。）１２を用いている。

図３は、このようなＡＤ変換部１５の構成図であり、図３の停止信号生成部１９と停止信号制御部２０の詳細については後述する。

図３のＡＤ変換部１５において、まず、クロック生成部１３は、クロック発生器１３０と論理積ゲート１３１とを有している。クロック発生器１３０は、ＡＤコンバータ１２の変換周期を決める原クロックＣｋａを生成する。また、論理積ゲート１３１により、原クロックＣｋａと後述する停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌとの論理積を取り、ＡＤ変換クロックＣｋｃとして出力する。また、原クロックＣｋａの周波数はディジタル制御部１７の電流制御で必要なＡＤ変換分解能とフィルタの間引きによる変換遅れの許容量で決めればよく、通常数十ＭＨｚの周波数を使用する。すなわち、クロック生成部１３は、ΔΣ型ＡＤコンバータ１２とＡＤ変換間引きフィルタ１４とを動作させるための動作クロックであるＡＤ変換クロックＣｋｃを出力する。そして、ΔΣＡＤ変換部１５は、停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌにより動作クロックであるＡＤ変換クロックＣｋｃを停止させる。

次に、ＡＤコンバータ１２は、例えば閾値と比較する比較器を有しており、供給された電流検出信号Ｓｉをその閾値と大小比較する。次に、ＡＤコンバータ１２は、その比較結果を二値に対応させることで、１ビットのディジタル信号に変換する。そして、ＡＤコンバータ１２は、その変換した１ビットディジタル信号を、ＡＤ変換クロックＣｋｃ毎にＡＤ変換信号ｄＳｉとして出力する。すなわち、ＡＤコンバータ１２から出力されるＡＤ変換信号ｄＳｉは、パルスで構成された信号であり、例えばその信号のハイとローのレベルが１ビットディジタル信号の１と０の値に対応している。このように、ΔΣ型ＡＤコンバータ１２は、入力されたアナログ電圧を１ビットのディジタル信号に変換する。

次に、ＡＤ変換間引きフィルタ１４（以下、適宜、間引きフィルタと呼ぶこともある。）は、ｓｉｎｃフィルタと呼ばれる周波数特性がｓｉｎｃ関数のディジタルフィルタを構成しており、加算器を含む加算部１４０と減算器を含む減算部１４１とで構成される。加算部１４０は、ＡＤコンバータ１２から出力された１ビットのディジタル信号であるＡＤ変換信号ｄＳｉをＡＤ変換クロックＣｋｃ毎に加算器で積分することで、多ビットとなる加算データＤｓｉを生成している。この加算データＤｓｉのビット数が、ＡＤ変換部１５のＡＤ変換分解能に対応している。次に、ＡＤ変換クロック分周器１４２は、ＡＤ変換クロックを１／Ｎ（Ｎは２のｎ乗、ｎは整数）に分周した間引きクロックＣｋｎを生成する。すなわち、いわゆるオーバサンプリングクロックと呼ばれるＡＤ変換クロックＣｋｃの高クロックレートから所望の低クロックレートの間引きクロックＣｋｎに分周している。減算部１４１は、この間引きクロックＣｋｎ毎に動作し、加算データＤｓｉの前回値と今回値の差分を演算することで、ｓｉｎｃ関数となる周波数特性を得ている。このような加算部１４０と減算部１４１とで構成される間引きフィルタ１４により、ローパス特性のフィルタを実現しており、高周波ノイズをカットするとともに、所望の分解能のビット数に変換したフィルタ後のモータ電流検出値Ｄｉを生成する。すなわち、ＡＤ変換間引きフィルタ１４は、１ビットのディジタル信号を多ビットのディジタル信号に変換し、モータ電流検出値として出力する。

このように第１のＡＤ変換部１５Ｕで生成されたモータ電流検出値ＤｉＵと、第２のＡＤ変換部１５Ｗで生成されたモータ電流検出値ＤｉＷとは、ディジタル制御部１７に供給される。ディジタル制御部１７は、供給されたモータ電流検出値ＤｉＵ、ＤｉＷを用いて電流制御演算を行い、それぞれの駆動電圧Ｖｄを生成するための電圧指令値Ｓｗを算出している。

ところで、上述したように、モータ制御装置１０は、電源に接続されたスイッチング素子をスイッチングすることにより、巻線を駆動する駆動波形をＰＷＭパルスで擬似的に形成した駆動電圧Ｖｄを生成している。このため、スイッチングの瞬間に漏れ電流が発生し、この漏れ電流がＡＤ変換部１５にノイズなどとして影響し、その結果、モータ電流検出値ＤｉＵ、ＤｉＷの精度が劣化する可能性がある。また、モータ電流検出部１１は、大電流を検出するためＣＴとシャント抵抗を組み合わせた構成となる場合、ＣＴで変換する際に数μｓ～十数μｓの遅れが発生し、電流検出信号Ｓｉに含まれる漏れ電流の発生タイミングがスイッチングの瞬間から遅れることとなる。そこで、漏れ電流の影響を抑制するため、図１で示すように、停止信号生成部１９と停止信号制御部２０とをさらに備え、後述する停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌを利用して、所定の期間だけＡＤ変換部１５の動作を停止させることで、漏れ電流の影響を抑制している。

図１および図３に示すように、停止信号生成部１９には、各相の電圧指令値Ｓｗおよび各相のＰＷＭ信号Ｐｗが供給される。そして、停止信号生成部１９は、まず、各相の電圧指令値Ｓｗに基づき停止有効モードであるかどうかの判定を行う。さらに、停止信号生成部１９は、供給されたＰＷＭ信号Ｐｗのレベルが変化するエッジを利用して、所定のタイミングおよび所定のパルス幅の停止信号Ｓｔｐを生成している。また、停止信号制御部２０には、図１および図３に示すように停止信号Ｓｔｐが供給される。そして、停止信号制御部２０は、上述のスイッチングの瞬間に発生する漏れ電流が、電流検出信号Ｓｉに変換されるまでの遅れ時間を補正し、停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌを生成する。この停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌは、停止有効モードである場合、ＡＤ変換部１５それぞれに供給され、さらに、クロック生成部１３の論理積ゲート１３１の一方の入力に供給される。このような構成により、停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌがクロック停止を示すとき、論理積ゲート１３１を利用してクロック生成部１３からは原クロックＣｋａが出力されず、逆に、停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌがクロック停止を示さないとき、クロック生成部１３からは原クロックＣｋａがＡＤ変換クロックＣｋｃとして出力される。すなわち、停止信号生成部１９は、ΔΣＡＤ変換部１５の動作の停止に係る停止信号Ｓｔｐを出力し、停止信号制御部２０は、停止信号に基づいて、ΔΣＡＤ変換部１５の動作を停止させる停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌを出力する。

図４は、停止信号生成部１９の一例を示す構成図である。

図１～図４において、具体的には、停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｒｔｌがローレベルのとき、クロック停止を示す一例を挙げている。まず、図１、図３および図４に示すように、停止信号生成部１９には、Ｕ相の電圧指令値ＳｗＵ、Ｖ相の電圧指令値ＳｗＶ、Ｗ相の電圧指令値ＳｗＷと、Ｕ相のＰＷＭ信号ＰｗＵ、Ｖ相のＰＷＭ信号ＰｗＶ、Ｗ相のＰＷＭ信号ＰｗＷが供給される。そして、本実施の形態では、図２に示すように、三角波のレベル方向である上下頂点の間を１つの領域としており、この領域単位に次のような動作を行っている。

まず、停止信号生成部１９は、Ｕ相の電圧指令値ＳｗＵ、Ｖ相の電圧指令値ＳｗＶ、Ｗ相の電圧指令値ＳｗＶのうちの最大値と最小値を抽出する。次に、停止信号生成部１９は、抽出した最大値と最小値との差分ΔＶｃｍｄを算出する。そして、停止信号生成部１９は、あらかじめ決められた閾値Ｖｔｈと比較する。この比較結果に基づき、停止信号生成部１９は、差分ΔＶｃｍｄが閾値Ｖｔｈより小さい領域では、停止信号の出力判定に従った停止信号の出力を有効とする停止有効モードとし（例えば、図２の領域１の場合）、閾値Ｖｔｈ以上の場合は出力判定をしない停止無効モードとして停止信号を出力しない（例えば、図２の領域２の場合）。

図４に示す停止信号生成部１９の構成例では、まず、最大／最小値抽出部１９１が、Ｕ相の電圧指令値ＳｗＵ、Ｖ相の電圧指令値ＳｗＶ、Ｗ相の電圧指令値ＳｗＷのうちの最大値ＭｘＳと最小値Ｍｘｎを抽出する。次に、差分演算器１９２が、抽出した最大値ＭｘＳと最小値Ｍｘｎとの差分ΔＶｃｍｄを算出する。次に、比較器１９３が、差分ΔＶｃｍｄと閾値Ｖｔｈと比較し、その比較結果が停止モード信号ＳＴｍｄとして出力される。図４では、停止信号Ｓｔｐの出力スイッチとして論理和ゲート１９７を設けている。そして、停止モード信号ＳＴｍｄがローレベルのとき停止有効モード、ハイレベルのとき停止無効モードとした場合を示している。すなわち、クロック停止をローレベルで示す停止信号Ｓｔｐは、停止有効モードである場合、論理和ゲート１９７を介して、停止信号生成部１９から出力される。逆に、停止無効モードである場合は、停止信号生成部１９の出力は常にハイレベルとなり、停止信号Ｓｔｐは出力されないことになる。

ここで、通常の３相のブラシレスモータの場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値Ｓｗが正弦波電圧指令であって、それぞれ電気角１２０度ずれた状態である。この場合、３相の電圧指令値Ｓｗの最大値と最小値の差分ΔＶｃｍｄは、ほとんどのタイミングにおいて、３相の電圧指令値Ｓｗのうち２相が最大値または最小値のどちらかの電圧指令値となる。すなわち、２相の波形が重なるタイミングでは、３相のうち２相が同じ電圧指令値であり、その２相は最大値または最小値のどちらかの電圧指令値となる。ここでの差分ΔＶｃｍｄは、それらを差分した値である。

停止信号生成部１９は、このような停止モード判定の動作により、ＰＷＭ信号Ｐｗそれぞれの立下りおよび立上りである変化のタイミングが、相間で一致や近似するような場合を検出し、そのような場合を停止有効モードとしている。すなわち、例えばサーボロック時のように、ＰＷＭ信号Ｐｗの変化のタイミングが一致や近似する場合、漏れ電流が増強しあい、影響が大きくなる。これに対し、本実施の形態では、このような電圧指令値Ｓｗのレベルを利用した動作によって、漏れ電流の影響が大きい場合を検出している。

次に、停止信号生成部１９は、停止信号Ｓｔｐの出力タイミングを判定するため、Ｕ相のＰＷＭ信号ＰｗＵ、Ｖ相のＰＷＭ信号ＰｗＶ、Ｗ相のＰＷＭ信号ＰｗＷを使用している。まず、停止信号生成部１９は、いずれかのＰＷＭ信号Ｐｗが領域内で最初に変化したときに、停止信号Ｓｔｐをローレベルにする。次に、停止信号Ｓｔｐをハイレベルに戻すタイミングを判定するため、タイマを用いて、停止信号Ｓｔｐがローレベルの間だけタイマ動作させる。そして、停止信号生成部１９は、時間Ｔｓｔｐ経過後に停止信号をハイレベルにする。

図４に示す停止信号生成部１９の構成例では、変化検出器１９４が、入力されたＰＷＭ信号ＰｗＵ、ＰＷＭ信号ＰｗＶおよびＰＷＭ信号ＰｗＷうちのいずれかのＰＷＭ信号Ｐｗが領域内で最初に変化したときに、そのタイミングをタイミング生成部１９６およびタイマ１９５に通知する。これにより、タイミング生成部１９６は、停止信号Ｓｔｐをローレベルにして出力する。また、タイマ１９５もタイマの動作を開始し、タイマカウンタがあらかじめ決められた値になるまでカウントする。そして、タイマ１９５は、所定の時間である時間Ｔｓｔｐを経過すると、リセット信号をタイミング生成部１９６に通知する。この通知のタイミングにより、タイミング生成部１９６は、停止信号Ｓｔｐをハイレベルにして出力する。以上のようにして、停止信号Ｓｔｐが論理和ゲート１９７に出力される。

ここで、閾値Ｖｔｈと時間Ｔｓｔｐについては、サーボロック時のモータ電流検出値Ｄｉを測定し、漏れ電流による影響が最小となる値に設定すればよい。例えば、閾値Ｖｔｈは電圧指令値Ｓｗの値の最大値の１０％程度、時間Ｔｓｔｐは、三角波が閾値Ｖｔｈだけ変化する時間に、スイッチングによる漏れ電流の持続時間（一般に数μｓ）を加えた時間より長くすればよい。

このように、停止信号生成部１９は、３相電圧指令の最大値と最小値との差分があらかじめ決められた閾値以下の場合に、電力変換素子のオン／オフによる漏れ電流が発生している間、停止信号を出力する。また、このように、停止信号生成部１９は、タイマを備え、三角波の上下頂点間で３相ＰＷＭスイッチング信号のいずれかが最初に変化したときに、停止信号の出力とタイマ動作とを開始し、タイマカウンタがあらかじめ決められた値になるまで停止信号を出力する。

図５は、停止信号制御部２０の一例を示す構成図である。

停止信号制御部２０には、停止信号Ｓｔｐが供給され、まず、ＨＬ変化検出器２０１がＳｔｐのハイレベルからローレベルの変化（立下りエッジ）を検出し、Ｓｔｐ立下り検出パルスＳｔｐ＿Ｆを生成する。また、ＬＨ変化検出器２０２がＳｔｐのローレベルからハイレベルの変化（立上りエッジ）を検出し、Ｓｔｐ立上り検出パルスＳｔｐ＿Ｒを生成する。次に、タイマ２０３Ｆとタイマ２０３ＲはそれぞれＳｔｐ＿ＦとＳｔｐ＿Ｒが入力されるとタイマ動作を開始し、タイマカウンタがあらかじめ決められた値になるまでカウントする。そして、タイマ２０３Ｆとタイマ２０３Ｒは、それぞれ時間Ｔｄｅｌａｙ経過したタイミングでセットパルスＳｔｐ＿ｓｅｔとリセットパルスＳｔｐ＿ｒｅｓｅｔを生成する。次に、ＲＳフリップフロップ２０４のセット入力にＳｔｐ＿ｓｅｔが入力され、リセット入力にＳｔｐ＿ｒｅｓｅｔが入力される。そして、ＲＳフリップフロップは反転出力信号Ｑｐを停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌとして出力する。

したがって、図２に示すように、停止信号制御部２０によってＳｔｐの立下りエッジからＴｄｅｌａｙ経過後にＳｔｐ＿ｃｔｒｌがハイレベルからローレベルにして出力し、Ｓｔｐの立上りエッジからＴｄｅｌａｙ経過後にＳｔｐ＿ｃｔｒｌがローレベルからハイレベルに出力する。

ここで、時間Ｔｄｅｌａｙについては、ＣＴの変換遅れ時間（数μｓ～十数μｓ）を設定すればよい。

このように、停止信号制御部２０は、３相電圧指令の最大値と最小値との差分があらかじめ決められた閾値以下の場合に、漏れ電流がモータ電流検出部１１とΔΣＡＤ変換部１５とによりディジタル信号に変換される時間だけ停止信号を遅延させた停止制御信号を出力する。

次に、ＡＤ変換部１５のクロック生成部１３では、停止信号制御部２０からの停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌにより原クロックＣｋａの出力の有無が制御され、クロック停止期間を含むＡＤ変換クロックＣｋｃとして出力される。

具体的な一例として、図２に示すように、停止制御信号Ｓｔｐ＿ｃｔｒｌがローレベルの場合は、ＡＤ変換クロックＣｋｃと間引きクロックＣｋｎが停止し、ＡＤコンバータ１２と間引きフィルタ１４の動作も停止する。

以上、電力変換素子のスイッチングから漏れ電流がＡＤ変換部１５で検出される入力に到達するまでの動作を停止させるような構成とすることで、その期間に発生する漏れ電流による電流検出信号Ｓｉの検出精度劣化を低減することができる。そして、不要な成分の混入が抑制された電流検出信号Ｓｉが得られるので、モータに発生する不要なトルクが小さくなり、微振動を抑えることができる。

ところで、モータ３０が停止状態となるサーボロック時や低速回転時のような低駆動のときには、漏れ電流の影響が相対的に大きくなる。このため、各相の電圧指令値Ｓｗの利用に加えてモータ電流検出値Ｄｉやモータ速度も利用して停止有効モードを判定できる。

例えば、モータ電流検出値Ｄｉを利用する場合、次のようにすればよい。すなわち、停止信号生成部１９は、図１のディジタル制御部１７からのモータ電流検出値Ｄｉを監視する。そして、モータ電流検出値Ｄｉが、あらかじめ決められた電流値（電流閾値）以上になった場合は、停止信号Ｓｔｐを出力せず、電流閾値未満の場合は、上述した出力判定により停止信号Ｓｔｐを出力する。なお、電流閾値は、モータ電流に対する漏れ電流の誤検出の影響が小さくなる電流値とすればよく、モータ定格電流の１０％程度とする。

また、モータ速度を利用する場合、次のようにすればよい。すなわち、停止信号生成部１９は、ディジタル制御部１７からモータ速度を監視する。そして、モータ速度が、あらかじめ決められた速度（速度閾値）以上になった場合は、停止信号Ｓｔｐを出力せず、速度閾値未満の場合は、上述した出力判定により停止信号Ｓｔｐを出力する。なお、速度閾値はモータ電流に対する漏れ電流の影響が小さくなる速度とすればよく、数百ｒ／ｍｉｎとする。

以上のような構成とすることにより、漏れ電流の影響が大きくなるサーボロック時や低速動作時にのみ絞って、漏れ電流による検出精度劣化への対策とすることが可能となる。

以上のように、モータ制御装置１０は、モータ電流検出部１１の電流からアナログ電圧に変換する際に遅れが発生した場合でも電力変換素子のスイッチングによる漏れ電流の誤検出を低減することができる。このため、モータ３０に発生する不要なトルクが小さくなり、微振動を抑えることができる。

本開示は、モータの巻線に印加する電圧をＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することでモータを制御するモータ制御装置に広く利用可能である。

１０モータ制御装置
１１モータ電流検出部
１２ ΔΣ型ＡＤコンバータ
１３クロック生成部
１４ＡＤ変換間引きフィルタ
１５、１５Ｕ、１５Ｗ ΔΣＡＤ変換部
１６ＰＷＭ部
１７ディジタル制御部
１８電力変換部
１９停止信号生成部
２０停止信号制御部
３０モータ
３１位置検出センサ
３５上位装置
１００モータ制御システム

Claims

３相の巻線を巻回したステータを備えるモータに対し、前記巻線に流れる電流を検出するモータ電流検出部を有し、前記モータの動作を制御するモータ制御装置であって、
上位装置からの動作指令と前記モータの位置情報と前記巻線に流れる電流値であるモータ電流検出値とによりトルク演算を行い、前記モータを駆動するための３相電圧指令値を算出するディジタル制御部と、
前記３相電圧指令値を三角波と比較することでＰＷＭ変調し３相ＰＷＭスイッチング信号を出力するＰＷＭ部と、
前記３相ＰＷＭスイッチング信号に従い電力変換素子をオン／オフすることで、前記巻線に、所定範囲内における任意の電圧を印加する電力変換部と、
前記任意の電圧により前記巻線に流れる電流をアナログ電圧に変換する前記モータ電流検出部と、
前記アナログ電圧をディジタル信号に変換するΔΣＡＤ変換部と、
前記ΔΣＡＤ変換部の動作の停止に係る停止信号を出力する停止信号生成部と、
前記停止信号に基づいて、前記ΔΣＡＤ変換部の動作を停止させる停止制御信号を出力する停止信号制御部とを備え、
前記３相電圧指令の最大値と最小値との差分があらかじめ決められた閾値以下の場合に、
前記停止信号生成部は、前記電力変換素子のオン／オフによる漏れ電流が発生している間、前記停止信号を出力し、
前記停止信号は、ディジタル信号であり、
前記停止信号制御部は、前記停止信号の立下りエッジを検出する立下りエッジ検出器と、前記停止信号の立上りエッジを検出する立上りエッジ検出器とを備え、前記立下りエッジ検出器により検出した前記立下りエッジと前記立上りエッジ検出器により検出した前記立上りエッジとに基づいて、前記漏れ電流が前記モータ電流検出部と前記ΔΣＡＤ変換部とにより前記ディジタル信号に変換される時間だけ前記停止信号を遅延させた前記停止制御信号を出力する
モータ制御装置。
前記位置情報は、位置検出センサによって検出された前記モータのロータの位置の情報である
請求項１に記載のモータ制御装置。
前記停止信号生成部は、タイマを備え、前記三角波の上下頂点間で前記３相ＰＷＭスイッチング信号のいずれかが最初に変化したときに、前記停止信号の出力とタイマ動作とを開始し、タイマカウンタがあらかじめ決められた値になるまで前記停止信号を出力する
請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
前記ΔΣＡＤ変換部は、
前記アナログ電圧を１ビットのディジタル信号に変換するΔΣ型ＡＤコンバータと、
前記１ビットのディジタル信号を多ビットのディジタル信号に変換し、前記モータ電流検出値として出力するＡＤ変換間引きフィルタと、
前記ΔΣ型ＡＤコンバータと前記ＡＤ変換間引きフィルタとを動作させるための動作クロックを出力するクロック生成部とを備え、
前記停止制御信号により前記動作クロックを停止させる
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
前記停止信号生成部は、前記モータ電流検出値があらかじめ決められた値以上になった場合は、前記停止信号の出力を抑制する
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
前記停止信号生成部は、モータ速度があらかじめ決められた値以上になった場合は、前記停止信号の出力を抑制する
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。