JP6591368B2 - モータ制御用デバイス - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、スイッチトリラクタンスモータを制御対象とするモータ制御用デバイスに関する。

モータには、磁石を使ったブラシ付ＤＣモータ，ブラシレスＤＣモータ，磁石を使わない誘導モータ，スイッチトリラクタンスモータなどがある。以下、スイッチトリラクタンスモータをＳＲモータと称する。ＳＲモータは磁石を使わないことから、（１）簡単な構造で安価且つ堅牢である，（２）高速回転が可能である，（３）高温環境下での使用が可能である，（４）リサイクルが容易であるなどのメリットがある。

その一方でＳＲモータは、（１）突極構造のためトルクリプルが大きく，駆動騒音が大きい，（２）力率が悪い，（３）ギャップ等、鉄板の製作精度を厳しくする必要がある，（４）専用の駆動回路が必要である，（５）強い非線形性のため制御が困難であるなどのデメリットがある。ＳＲモータを駆動するには、回転角に応じて通電相を切り替える必要があり、通電タイミングや電流波形によって発生トルクの制御が可能となる。

例えば特許文献１には、ＳＲモータのデメリットの１つである駆動騒音を低減するため、モータの巻線を励磁するタイミングを定める信号のオンに応じて巻線への通電を許可すると共に、ＰＷＭ信号に応じて巻線に流れる電流値を制御する構成において、ＰＷＭ信号の起動タイミングを、励磁タイミングを定める信号のオフからオンへの立ち上がりに同期させる技術が提案されている。

特開平９−１８２４９０号公報

しかしながら、上記の技術では、モータが高速で回転する領域において電流を制御しきれなくなる。例えば、固定子突極数１２，回転子突極数８の３相ＳＲモータの場合、１回転させるには通電相を２４回切り替える必要がある。通電相の切り替え時間は、６０００ｒｐｍでは４１６．７μｓ，６００００ｒｐｍでは４１．７μｓとなる。ＰＷＭ周波数が２０ｋＨｚの場合，６０００ｒｐｍでは８パルス出力できるが、６００００ｒｐｍでは１パルスしか出力できないことになる。

そこで、スイッチトリラクタンスモータが高速で回転する領域においても、電流を十分に制御できるモータ制御用デバイスを提供する。

本実施形態のモータ制御用デバイスは、スイッチトリラクタンスモータの巻線に通電を行う駆動回路に出力するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部と、前記モータの回転位置に応じて、各相の１駆動期間内に前記駆動回路に対して１パルス以上の矩形波信号を出力する矩形波生成部と、前記モータの回転速度が閾値以下であれば前記ＰＷＭ信号によるＰＷＭ駆動を行い、前記回転速度が前記閾値を超えると前記矩形波信号による矩形波駆動を行うように切替える駆動信号切替部とを備え、前記ＰＷＭ生成部は、前記ＰＷＭ信号のキャリアである鋸歯状波の生成を開始させるタイミングを、前記矩形波信号の立ち上がりと同期させる。
また、前記駆動信号切替部は、前記モータの電気角周波数に前記矩形波生成部が出力する矩形波信号のパルス数を乗じた周波数に相当するパルスカウント値と、前記ＰＷＭ信号の搬送波周波数に相当するカウント値とを比較する周波数比較部を備え、前記比較結果に応じて駆動方式を切り替える。

一実施形態であり、モータ制御用デバイスの要部を示す機能ブロック図 ＰＷＭ出力部の動作を示すタイミングチャート 矩形波出力部の動作を示すタイミングチャート 駆動信号切替部の構成を示す機能ブロック図 駆動信号切替部の動作内容を示すフローチャート 出力モードの一覧を示す図 ＳＲモータの一般的な駆動回路を示す図 駆動回路における正電圧印加モードを示す図 駆動回路における還流モードを示す図 駆動回路における負電圧印加モードを示す図 ＳＲモータの構造を示す斜視図 ＳＲモータの動作原理を説明する図 固定子６極，回転子４極のＳＲモータの回転子位置とインダクタンスとの関係を示す図 電気角の変化に対応する各相のインダクタンスの変化を示す図 ＰＷＭ信号と矩形波信号とが同期しておらず、各相のＰＷＭキャリアが共通である場合に対応した波形を示す図 本実施形態の作用を示すタイミングチャート（その１） 本実施形態の作用を示すタイミングチャート（その２） 本実施形態の作用を示すタイミングチャート（その３） 本実施形態の作用を示すタイミングチャート（その４） 本実施形態の作用を示すタイミングチャート（その５） 本実施形態の作用を示すタイミングチャート（その６） 本実施形態の作用を示すタイミングチャート（その７） 相毎巻線のインダクタンスが異なる場合に、同じ波形の矩形波パルスを出力した際の電流波形を示すタイミングチャート 本実施形態の作用を示すタイミングチャート（その８）

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１１は、ＳＲモータの構造を示す斜視図である。ＳＲモータ１は、断面形状が概ね円環である固定子鉄心２の内周側に突出した形状の複数の突極部３を有しており、それらの突極部３に各相の巻線４が巻装されている。固定子鉄心２の中空部には、断面形状が概ね十字状の回転子鉄心５が配置されている。すなわち、ＳＲモータ１は、固定子鉄心２と回転子鉄心５との双方に凹凸がある双突極構造である。

図１２は、ＳＲモータの動作原理を説明する図である。固定子巻線に通電すると、固定子側の突極部と回転子側の突極部とが整列する向きにトルク，回転力が働く。双方の突極部が整列したとき磁気抵抗が最小となり、トルクはゼロとなる。つまり、通電されている突極部において、磁気抵抗を低下させようとする力学的作用が働く。

ＳＲモータのトルクＴは、一般的に（１）式のように表わされる。
Ｔ＝Ｉ^２／２（ｄＬ／ｄθ） …（１）
ここで、Ｔ:トルク，Ｉ:電流，Ｌ:インダクタンス，θ：回転子位置である。この（１）式より、回転子位置に対してインダクタンスが増加している間に巻線に電流を流せば、正のトルクが得られることが分かる。

図１３は、固定子６極，回転子４極のＳＲモータの回転子位置とインダクタンスとの関係を示す。Ｕ相の固定子突極と回転子突極とが整列した状態を機械角０°とすると、Ｕ相インダクタンスはその状態で最大となり、機械角で±４５°，つまり電気角で±１８０°回転した状態で最小となる。Ｕ相においては、電気角−１８０°〜０°の範囲で正のトルクが発生し、０°〜１８０°の範囲で負のトルクが発生する。したがって、Ｕ相に通電した後、Ｕ相インダクタンスが最大となる電気角０°に到達する前に通電をＶ相に切り換え、Ｖ相インダクタンスが最大となる電気角１２０°に到達する前に通電をＷ相に切り換える。このように、通電相をＵ→Ｖ→Ｗ→Ｕ→…と切り換えることで、回転子をＣＷ方向に回転させることができる。図１４は、電気角の変化に応じた各相インダクタンスの変化を示す。

図７は、ＳＲモータの一般的な駆動回路を示している。ＳＲモータの駆動回路１１は、一端が直流電源１２の正側端子に接続される各相の正側スイッチＳ１と、一端が直流電源１２の負側端子に接続される各相の負側スイッチＳ２とを備えており、スイッチＳ１及びＳ２の他端の間に各相巻線４が接続される。スイッチＳ１及びＳ２は、例えばＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子で構成される。また、直流電源１２の正側端子にはダイオードＤ１のカソードが接続され、ダイオードＤ１のアノードはスイッチＳ２の他端に接続されている。直流電源１２の負側端子にはダイオードＤ２のアノードが接続され、ダイオードＤ２のカソードはスイッチＳ１の他端に接続されている。

図８〜図１０は、駆動回路１１における各通電モードを示す。図８に示すように上下のスイッチＳ１及びＳ２をＯＮにすることで、巻線４に正電圧が印加され電流が流れる。この状態から図９に示すように上側のスイッチＳ１のみをＯＦＦにすると、下側のダイオードＤ２を介して電流が還流する。同様に、巻線に電流が流れている状態から図１０に示すように上下のスイッチＳ１及びＳ２をＯＦＦにすることで、上下のダイオードＤ１及びＤ２を介して巻線に負電圧が印加され、電流が電源に回生される。

図１は、モータ制御用デバイス１３の要部を示す機能ブロック図である。モータ制御用デバイス１３は、駆動回路１１に出力する駆動信号を生成するため、矩形波出力部１４及びＰＷＭ出力部１５を備えている。尚、各相共に同じ構成であるから、ここではＵ相について説明する。

矩形波出力部１４では、図示しないＣＰＵより与えられる出力波形の指令値と、ＳＲモータ１の電気角とを比較して矩形波信号を生成する。比較部１６に設定される指令値Ａ，Ｎは、それぞれ矩形波信号の出力開始時点の電気角，出力終了時点の電気角に対応する。すなわち指令値Ａ，Ｎを与えることで、矩形波信号の出力期間が設定される。比較部１７Ｂ及び１７Ｃに設定される指令値Ａ，Ｂ，Ｃは、上記出力期間内に出力されるパルス波形を決定する。比較部１６，１７Ｂ及び１７Ｃの出力信号は何れも波形合成部１８に入力されており、波形合成部１８は入力信号の排他的論理和をとることで矩形波信号ＳＮＣＵを出力する。

図１中に例示している波形を出力する際には、図３に示すように指令値Ｂ，Ｃを（Ａ＜Ｂ），（Ｃ＜Ｎ）に設定する。これにより、電気角Ａにおいて比較部１７より出力される信号ＱＵＢＯＶ，ＱＵＣＯＶを全て立ち上げる。これに伴い、波形合成部１８より出力される矩形波信号ＳＮＣＵも立上る。

この状態から、電気角Ｂで信号ＱＵＢＯＶが立ち下がると矩形波信号ＳＮＣＵも立下がる。次に、電気角Ｃで信号ＱＵＣＯＶが立ち下がると矩形波信号ＳＮＣＵが立上り、電気角Ｎで信号ＱＵＣＯＶが立ち下がると矩形波信号ＳＮＣＵも立下がる。このように、波形合成部１８において入力信号が合成された結果、矩形波信号ＳＮＣＵは電気角Ａ−Ｂ間及びＣ−Ｎ間でハイレベルとなる波形となる。矩形波出力部１４は、上記の構成を採用することで、１駆動期間内に矩形波パルスを複数出力する際に、各相毎に立上り，立下りのタイミングを個別に設定して異なる波形を出力することも可能である。

一方、ＰＷＭ出力部１５は、ＰＷＭキャリアとしての鋸歯状波を生成するカウンタ１９を備えている。カウンタ１９のカウント値は、減算器２０及びデータラッチ２１に入力されている。データラッチ２１は、矩形波出力部１４の比較部１６より出力される信号ＱＵＮＯＶの立上りエッジをトリガとして、入力されるカウント値をラッチする。そして、減算器２０は、カウンタ１９のカウント値よりデータラッチ２１がラッチしたカウント値を減算し、その減算値を比較部２２に入力する。すなわち、減算器２０を介して出力されるキャリアのデータ値は、矩形波信号の出力開始タイミングでゼロになる。

比較部２２は、上記キャリアのデータ値と、ＣＰＵより設定されるデューティ指令値とを比較することでＰＷＭ信号ＳＲＵを生成し、当該信号ＳＲＵをＡＮＤゲート２３の入力端子の一方に入力する。ＡＮＤゲート２３の入力端子の他方には、信号ＱＵＮＯＶが入力されている。したがって、ＰＷＭ信号ＳＲＵは、信号ＱＵＮＯＶがハイレベルを示す期間に出力される。図２は、Ｕ端子より出力されるＰＷＭ信号の一例を示す。

ＡＮＤゲート２３の出力側には、３つのセレクタ２４〜２６が配置されている。セレクタ２４には、ＡＮＤゲート２３の出力信号（０）と矩形波信号ＳＮＣＵ（１）とが入力されており、セレクタ２５及び２６には、セレクタ２４の出力信号（０）と信号ＱＵＮＯＶ（１）とが入力されている。セレクタ２５は、駆動回路１１のＵ相上側のスイッチＳ１Ｕに制御信号を出力し、セレクタ２６は、駆動回路１１のＵ相下側のスイッチＳ２Ｘに制御信号を出力する。

セレクタ２４は、出力モードが「ＰＷＭ」であり選択信号が「０」であればＰＷＭ信号ＳＲＵを選択し、出力モードが「矩形波」であり選択信号が「１」であれば矩形波信号ＳＮＣＵを選択する。セレクタ２５は、出力モードが「上側還流」であり選択信号が「０」であればセレクタ２４側を選択し、出力モードが「上側還流」でなく選択信号が「１」であれば信号ＱＵＮＯＶを選択する。セレクタ２６は、出力モードが「下側還流」であり選択信号が「０」であればセレクタ２４側を選択し、出力モードが「下側還流」でなく選択信号が「１」であれば信号ＱＵＮＯＶを選択する。

図６に示すように、ゲート信号の出力モードは６種類，Ｐ（１）〜Ｐ（３）及びＲ（１）〜Ｒ（３）である。出力モードＰ（１），Ｒ（１）のように、上下共に同じ波形のＰＷＭ信号や矩形波信号を出力する場合、図９に示す還流モードは無くなる。出力モードＲ（２）及びＲ（３）において還流モードありの場合、上側又は下側の一方は、矩形波出力部１４により信号出力期間に亘る１パルスのみが出力される。ＰＷＭ出力モードの場合、ＰＷＭ信号の最初の立上りタイミングは、矩形波出力部１４で生成される矩形波信号の立上りに同期する。出力モードの切替えはＣＰＵにより設定することもできるが、ＰＷＭ周波数と電気角周期と矩形波出力のパルス数とを比較することで、ハードウェアにより自動で切り替えることもできる。

次に、上記のハードウェアにより切替えを行う構成について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、駆動信号切替部３１の構成を示す機能ブロック図であり、図５は、図４に示す構成に対応した動作内容を示すフローチャートである。駆動信号切替部３１は、フリーカウンタ３２のカウント値をキャプチャするキャプチャ部３３Ａ及び３３Ｂを備えている。キャプチャ部３３Ａ及び３３Ｂは、何れも今回値レジスタ３４，前回値レジスタ３５及び減算器３６を有している。

キャプチャ部３３Ａは、ＰＷＭキャリアのカウント値が最大となるタイミングで、今回値レジスタ３４から前回値レジスタ３５にデータが転送されると共に、今回値レジスタ３４にフリーカウンタ３２のカウント値が格納される。減算器３６は、今回値レジスタ３４のレジスタ値から前回値レジスタ３５のレジスタ値を減算する。これにより、キャプチャ部３３Ａは、ＰＷＭキャリアの周波数に相当するカウントデータをキャプチャする（Ｓ１）。

一方、キャプチャ部３３Ｂ側では、乗算器３７により、ＳＲモータ１の回転角，電気角を示すデータ値に矩形波出力部１４で生成される矩形波信号のパルス数が乗じられ、乗算波形データが生成される。そして、キャプチャ部３３Ｂでは、上記の乗算波形データ値が最大となるタイミングで、今回値レジスタ３４から前回値レジスタ３５にデータが転送されると共に、今回値レジスタ３４にフリーカウンタ３２のカウント値が格納される。したがって、キャプチャ部３３Ｂは、（モータ回転角）×（矩形波パルス数）に相当するカウントデータをキャプチャする（Ｓ２）。

キャプチャ部３３Ａ及び３３Ｂの出力データは、マグニチュードコンパレータ３８に入力されている。当該コンパレータ３８は、キャプチャデータＢがデータＡ以下であれば（Ｓ３；ＹＥＳ）矩形波モードを選択する信号「１」を出力し（Ｓ４）、データＢがデータＡを超えると（ＮＯ）ＰＷＭモードを選択する信号「０」を出力する（Ｓ５）。キャプチャ部３３Ａ及び３３Ｂ並びにコンパレータ３８は、周波数比較部に相当する。

例えば、固定子突極数が１２，回転子突極数が８の３相ＳＲモータの場合、１回転させるには通電相を２４回切り替える必要がある。１通電期間におけるパルス数を７とすると、ＰＷＭ周波数が２０ｋＨｚの場合には、モータの回転数が上昇して約７１００ｒｐｍ（＝２０ｋＨｚ×６０／（７パルス×２４））に達すると、ＰＷＭモードから矩形波モードに切り替わる。

次に、本実施形態の作用について図１５から図２４を参照して説明する。但し図１５については本実施形態に対応するものではなく、ＰＷＭ信号と矩形波信号とが同期しておらず、各相のＰＷＭキャリアが共通である場合に対応した波形を示している。図中の励磁角指令が与えられるタイミングは、矩形波信号の出力開始タイミングに一致している。これに対して図１５に示すケースでは、ＰＷＭ信号の出力開始タイミングが遅延するため、実際の相電流の立上りが、本来の相電流の立上りよりも遅延する。

本実施形態によれば図１６に示すように、各相のＰＷＭキャリアが矩形波信号の出力開始タイミング，励磁角指令のタイミングでリセットされるので、ＰＷＭ信号の出力開始タイミングが矩形波信号の出力開始タイミングに一致する。これにより、図１５に示したような相電流の立ち上がりの遅れが無くなる。尚、図中の「リファレンス」はデューティ指令値に相当する。

図１７は出力モードＰ（２）に対応しており、上側がオフしている期間に還流モードとなる。図１８は出力モードＰ（１）に対応しており、還流モードはない。図１９は出力モードＲ（１）において出力パルス数を「１」とした場合であり、進角０°，通電角１２０°の１パルス矩形波出力の波形である。また、図２０は図１９と同様の出力モードに対応しており、進角３０°，通電角１５０°の１パルス矩形波出力の波形である。図２１は出力モードＰ（２）で進角３０°の場合に対応する波形であり、図２２は出力モードＰ（１）で進角３０°の場合に対応する波形である。

図２３は、各相巻線のインダクタンスが異なる場合に、同じ波形の矩形波パルスを出力した際の電流波形を示している。この図では、インダクタンスの傾きを等しくしているので、Ｖ相で発生するトルクはＵ相よりも小さくなってしまう。このように、相毎のインダクタンスのバラつきによるトルクリップルを抑制するには、図２４に示すように、矩形波出力部１４において、相毎に適正な波形を設定することは有効である。

以上のように本実施形態によれば、ＰＷＭ生成部１５は、ＳＲモータ１の巻線に通電を行う駆動回路１１に出力するＰＷＭ信号を生成し、矩形波生成部１４は、ＳＲモータ１の回転位置に応じて、各相の１駆動期間内に駆動回路１１に対し１パルス以上の矩形波信号を出力する。ＰＷＭ生成部１５は、ＰＷＭ信号のキャリアの生成を開始させるタイミングを、矩形波信号の立ち上がりと同期させる。

駆動信号切替部３１は、ＳＲモータ１の回転速度が閾値以下であればＰＷＭ信号によるＰＷＭ駆動を行い、前記回転速度が閾値を超えると矩形波信号による矩形波駆動を行うように切替える。これにより、ＳＲモータ１が高速で回転する領域においても矩形波駆動により所望の電流を通電することが可能になり、トルク変動を抑制してＰＷＭ駆動と矩形波駆動とを切り替えることが可能となる。

この場合、駆動信号切替部３１は、ＳＲモータ１の電気角周波数に矩形波生成部１４が出力する矩形波信号のパルス数を乗じた周波数と、ＰＷＭキャリアの周波数とを比較するキャプチャ部３３Ａ及び３３Ｂ並びにコンパレータ３８を備え、その比較結果に応じて駆動方式を切り替える。したがって、矩形波信号のパルス数に応じて、駆動方式を切替える回転数を適切に評価できる。

また、矩形波生成部１４を、１駆動期間内に出力するパルス波形を相毎に独立して設定可能としたので、相毎のインダクタンスのバラつきによるトルクリップルを抑制することができる。更に、矩形波生成部１４は、駆動信号切替部３１がＰＷＭ駆動を選択している期間は１駆動期間内に１パルスのみ出力する。不要に複数の矩形波パルスを生成することを回避できる。

（その他の実施形態）
ＳＲモータ１の突極数や、ＰＷＭキャリアの周波数等は個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
矩形波生成部１４を、１駆動期間内に出力するパルス波形を、相毎に独立して設定可能とする構成は、必要に応じて採用すれば良い。
ＰＷＭ信号のキャリアの生成を開始させるタイミングを矩形波信号の立ち上がりと同期させる方式については、その他、矩形波信号の出力開始タイミングでカウンタ１９のカウント動作を開始させたり、カウンタ１９をリセットする構成などを採用しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１はスイッチトリラクタンスモータ、１１は駆動回路、１４は矩形波出力部、１５はＰＷＭ出力部、３１は駆動信号切替部、３３Ａ及び３３Ｂはキャプチャ部、３８はマグニチュードコンパレータ３８を示す。

Claims (3)

1. スイッチトリラクタンスモータの巻線に通電を行う駆動回路に出力するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部と、
   前記モータの回転位置に応じて、各相の１駆動期間内に前記駆動回路に対して１パルス以上の矩形波信号を出力する矩形波生成部と、
   前記モータの回転速度が閾値以下であれば前記ＰＷＭ信号によるＰＷＭ駆動を行い、前記回転速度が前記閾値を超えると前記矩形波信号による矩形波駆動を行うように切替える駆動信号切替部とを備え、
   前記ＰＷＭ生成部は、前記ＰＷＭ信号のキャリアである鋸歯状波の生成を開始させるタイミングを、前記矩形波信号の立ち上がりと同期させ、
   前記駆動信号切替部は、前記モータの電気角周波数に前記矩形波生成部が出力する矩形波信号のパルス数を乗じた周波数に相当するパルスカウント値と、前記ＰＷＭ信号の搬送波周波数に相当するカウント値とを比較する周波数比較部を備え、前記比較結果に応じて駆動方式を切り替えるモータ制御用デバイス。
2. スイッチトリラクタンスモータの巻線に通電を行う駆動回路に出力するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部と、
   前記モータの回転位置に応じて、各相の１駆動期間内に前記駆動回路に対して１パルス以上の矩形波信号を出力する矩形波生成部と、
   前記モータの回転速度が閾値以下であれば前記ＰＷＭ信号によるＰＷＭ駆動を行い、前記回転速度が前記閾値を超えると前記矩形波信号による矩形波駆動を行うように切替える駆動信号切替部とを備え、
   前記ＰＷＭ生成部は、前記ＰＷＭ信号のキャリアである鋸歯状波の生成を開始させるタイミングを、前記矩形波信号の立ち上がりと同期させ、
   前記矩形波生成部は、前記１駆動期間内に出力するパルス波形を、相毎に独立して設定可能であるモータ制御用デバイス。
3. スイッチトリラクタンスモータの巻線に通電を行う駆動回路に出力するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成部と、
   前記モータの回転位置に応じて、各相の１駆動期間内に前記駆動回路に対して１パルス以上の矩形波信号を出力する矩形波生成部と、
   前記モータの回転速度が閾値以下であれば前記ＰＷＭ信号によるＰＷＭ駆動を行い、前記回転速度が前記閾値を超えると前記矩形波信号による矩形波駆動を行うように切替える駆動信号切替部とを備え、
   前記ＰＷＭ生成部は、前記ＰＷＭ信号のキャリアである鋸歯状波の生成を開始させるタイミングを、前記矩形波信号の立ち上がりと同期させ、
   前記矩形波生成部は、前記駆動信号切替部が前記ＰＷＭ駆動を選択している期間は、前記１駆動期間内に１パルスのみ出力するモータ制御用デバイス。

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