JP2010252595A

JP2010252595A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2010252595A
Application number: JP2009101827A
Authority: JP
Inventors: Masaru Nishizono; 勝西園; Yusuke Imada; 裕介今田; Taro Kishibe; 太郎岸部; Toru Tazawa; 徹田澤; Kenichi Suzuki; 健一鈴木
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】パワー素子のスイッチングノイズや電流リップルの影響を小さくし、かつ電流制御の応答性の向上を実現するモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】三角波のキャリア信号１１を出力するキャリア信号発生器１と、キャリア信号１１を基準にして電流検出トリガ１２を出力する電流検出タイミング発生器２と、一定区間の平均電流値を検出するモータ電流検出器３と、モータ電流検出器３で検出した平均電流値を電流指令値に追随させるように電流制御を行い、キャリア信号１１の山谷で電圧指令値を更新する電流制御器４と、キャリア信号１１と電圧指令値を入力し、ＰＷＭ信号をインバータ部に出力するＰＷＭ制御器５を備え、キャリア信号１１の山谷の周期と平均電流値を検出する一定区間の時間を一致させるモータ駆動装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流フィードバック制御における電流検出タイミングの最適化によって振動を抑制する技術に関する。

モータ駆動装置を用いた電流制御は、サーボモータの高速・高応答制御のために、アナログ回路の時代から一般的に行われてきた。近年は、マイクロコンピュータやＬＳＩ技術の進歩で、電流制御もディジタル化が進み、アナログ制御では設計上もコスト上も実現困難であった複雑な制御が可能となり、サーボモータを用いる機器の高性能・高機能化に大きく貢献している。

一般に電流制御では、モータの３相電流を検出し、それを電流指令値に追従させるように３相の電圧指令値を生成し、複数個の半導体スイッチからなるパワー増幅器に出力し、パワー増幅器では供給される直流電圧を複数個の半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦの組合せにより所望の３相交流電圧をモータに印加している。

複数個の半導体スイッチにより直流電圧から３相交流電圧を生み出す方式であるＰＷＭ制御は、キャリア周波数と電圧指令値により、半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号を出力し、モータの線間にパルス状の電圧を印加するものである。

そのパルスの幅をスイッチのＯＮ／ＯＦＦで制御することでモータに印加する実効電圧値を正弦波状にすることができる。キャリア周波数が高くなるほど細かい制御ができるが、スイッチングのロスや発熱などの問題もあり、一般的には数ｋＨｚから数十ｋＨｚくらいである。

このＰＷＭ方式を用いた電流制御では、半導体スイッチのスイッチングノイズが電流に重畳し、電流制御に悪影響を与えることが課題である。また、モータの線間にパルス状の電圧を印加するため、モータの電気的時定数に対し、キャリア周波数が十分に高くないと電流リップルが発生する。実際には上述のロスや発熱などの問題でキャリア周波数は無限に高くすることはできないため、ある程度の電流リップルは発生してしまう。

そのスイッチングノイズの影響を避けるために、モータに最大トルクを印加する場合以外にはスイッチングが行われないキャリア信号の山・谷部分で電流検出を行うことで、特に通常動作領域での正確な電流値を得る方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１３６９５０号公報

しかしながら、上述した技術では、モータの電気的時定数とキャリア周波数の関係に起因する電流リップルの影響を回避できないという問題がある。特に、一定区間の電流値の平均値を検出する電流検出方式の場合、キャリアの山・谷からの一定区間の平均電流値を検出するため、キャリア周期間の平均電流に対してずれた値になり、振動の要因になる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、電流リップルの影響を小さくでき、振動の発生を抑制できるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載のモータ駆動装置は、モータ電流を検出する電流検出器を用い、ＰＷＭ制御による電流フィードバック制御を有するモータ駆動装置において、三角波のキャリア信号を出力するキャリア信号発生器と、一定区間の平均電流値を検出するモータ電流検出器と、前記キャリア信号を基準にして電流検出トリガを出力する電流検出タイミング発生器と、前記モータ電流検出器で検出した平均電流値を電流指令値に追随させるように電流制御を行い、前記キャリア信号の山谷で電圧指令値を更新する電流制御器と、前記キャリア信号と前記電圧指令値を入力し、ＰＷＭ信号をインバータ部に出力するＰＷＭ制御器を備え、前記キャリア信号の山谷の周期と前記平均電流値を検出する一定区間の時間を一致させる。

また、請求項２に記載のモータ駆動装置は、平均電流値を検出する合間に電流制御を行うものである。

さらに、請求項３に記載のモータ駆動装置は、ΣΔ方式の電流検出器を用いたものである。

請求項１に記載のモータ駆動装置によれば、モータ電流検出器で検出した平均電流値は、キャリア信号の山谷間の平均電流値に近いため、電流リップルの影響を小さくでき、振動の発生を抑制することができる。

また、請求項２に記載のモータ駆動装置によれば、電流検出から電圧指令値の更新までの遅れ時間を最小化でき、応答性が向上する。

さらに、請求項３に記載のモータ駆動装置によれば、デシメーション設定により電流検出区間を任意に変更でき、キャリア周期に適した設定が可能となる。

本発明の実施例１におけるモータ駆動装置の要部ブロック図本発明の実施例１におけるキャリア信号と電流検出および電流制御のタイミングチャート本発明の実施例１におけるスイッチング波形と電流リップル波形の説明図

（実施例１）
以下、本発明の実施例１について図を参照して説明する。

図１は、モータ駆動装置の要部ブロック図であり、キャリア信号１１を出力するキャリア信号発生器１と、キャリア信号１１から電流検出トリガ信号１２を出力する電流検出タイミング発生器２と、電流検出トリガ信号１２が入力したときの電流検出値１３を出力するモータ電流検出器３と、電流検出値１３から電圧指令１４を出力する電流制御器４と、電圧指令１４とキャリア信号１１からＰＷＭ出力１５を生成するＰＷＭ制御器５を備えている。

まず、電流検出のタイミングについて説明する。図２にタイミング図を示す。あらかじめモータ電流検出器３の検出区間をキャリア信号の山／谷間の周期と同じに設定しておく
。例えば、モータ電流検出器３がΣΔ方式の場合には、デシメーションの設定により検出区間を設定することができる。

電流検出トリガ信号１２は、キャリア信号１１の山谷から電流制御器の処理時間分だけ前になるようにする。電流検出トリガ信号１２により、電流検出値がラッチされ、同時に電流制御を起動することで、検出した電流値を即座に電流制御に反映することができる。

さらに、電流制御完了後にキャリア信号１１の山谷がくるため、電圧指令１４への更新も最短となり、モータ電流検出から電圧指令への更新遅れを最小にすることができる。モータ電流検出器３がΣΔ方式の場合、通常電流検出は常に行われており、電流検出トリガ１２が入力されたときに、その時点からデシメーションにより設定された区間だけ前までの平均電流値を検出することができる。なお、デシメーションの設定はハードウェアの変更なしでパラメータの設定で容易に変更することができる。

次になぜ、キャリア信号１１の山谷の周期とモータ電流検出器３の検出区間を一致させると電流リップの影響を小さくできるかについて説明する。

図３にＰＷＭ信号によるスイッチング波形と電流リップルの様子について示す。図３に示すように、キャリア信号１１の山谷間で電流値は変動する。例えば、電流検出区間がキャリア信号１１の山谷の周期に比べ短い場合、電流検出値はその検出タイミングにより大きく変動する。この変動により、モータの振動が発生してしまう。

本発明によれば、キャリア信号１１の山谷の周期とモータ電流検出器３の検出区間を同じにするため、どのタイミングで検出しても、電流リップルは平均化され、ほとんどその影響をなくすことができる。

さらに、通常電流検出区間を長くすれば電流検出分解能を高くできるが、従来電流検出区間は、応答性や電流リップルの課題により、キャリア信号の山谷の周期の１／４程度までしか長くできず、電流検出分解能も高くすることができなかった。本発明により、電流検出区間をキャリア信号の山谷の周期まで長くできるため、電流検出分解能も高くすることができるという効果もある。

なお、キャリア信号の山谷の周期と電流検出器の検出区間は完全に一致できれば一番よいが、できない場合でも、できる限り近づけることで本発明の効果を得ることができる。

本発明のモータ駆動装置は、高速応答性と制御の安定性が要求される用途などにも有用である。

１キャリア信号発生器
２電流検出タイミング発生器
３モータ電流検出器
４電流制御器
５ＰＷＭ制御器
１１キャリア信号
１２電流検出トリガ信号
１３電流検出値
１４電圧指令
１５ＰＷＭ出力

Claims

モータ電流を検出する電流検出器を用い、ＰＷＭ制御による電流フィードバック制御を有するモータ駆動装置において、
三角波のキャリア信号を出力するキャリア信号発生器と、
一定区間の平均電流値を検出するモータ電流検出器と、
前記キャリア信号を基準にして電流検出トリガを出力する電流検出タイミング発生器と、
前記モータ電流検出器で検出した平均電流値を電流指令値に追随させるように電流制御を行い、前記キャリア信号の山谷で電圧指令値を更新する電流制御器と、
前記キャリア信号と前記電圧指令値を入力し、ＰＷＭ信号をインバータ部に出力するＰＷＭ制御器を備え、
前記キャリア信号の山谷の周期と前記平均電流値を検出する一定区間の時間を一致させることを特徴としたモータ駆動装置。
前記電流制御器は、平均電流値を検出する一定区間完了からキャリアの山谷までの合間に電流制御を行う請求項１に記載のモータ駆動装置。
ΣΔ方式の電流検出器を用いた請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。