JP7088043B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

車両のエアコン等の送風に用いられるモータは、起動時及び停止時に静粛性が求められる場合がある。例えば高速回転中に上位の制御装置から停止指令が送信されると、モータを駆動する電圧を生成する駆動回路の動作を停止させることにより、当該モータへの電力供給を停止して、当該モータを惰性回転させた後に停止させる。

しかしながら、惰性回転中のモータに対して、当該モータを再度回転させる再起動の指令が送信された場合、当該モータがハンチングを起こし、作動音が大きくなる場合があった。

モータ制御装置は、一例としてＰＩ制御（Proportional-Integral Controller：比例積分制御）により、上位制御装置から入力された指令信号が示す目標回転速度とＰＩ制御の制御値との偏差を解消するようにして、当該モータの回転速度を目標回転速度に近付ける制御を行う。ＰＩ制御の制御値は、ＰＩ制御のソフトウェアによっては、惰性回転中のモータの実回転速度よりも時系列での低下が著しい場合があり、かかる場合には、目標回転速度とＰＩ制御の制御値との偏差が、目標回転速度と実回転速度との偏差よりも大きくなる。その結果、再起動時のモータの回転が急加速されることになり、上記のハンチングが発生する。

特許文献１には、モータの回転速度が０ｒｐｍになった後に当該モータを再起動する、モータ制御装置の発明が開示されている。

特許第６０４７０５５公報

しかしながら、特許文献１に記載のモータ制御装置では、モータの回転速度が０ｒｐｍになるまで当該モータの再起動を実行しないので、制御の応答性に難があるおそれがあった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、停止状態に移行中のモータを円滑かつ迅速に再起動できるモータ制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載のモータ制御装置は、モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、前記モータに供給する電圧を生成する駆動回路と、回転指令が示す目標回転速度で前記モータを回転させる電圧を生成するように前記駆動回路を制御すると共に、前記モータが回転中に停止指令が入力された場合、前記駆動回路を制御して前記モータの回転を減速させ、前記回転速度検出部で検出した回転速度が第１回転速度以下になった際に、前記モータへ供給する電圧を停止するように前記駆動回路を制御して前記モータを惰性回転させ、前記モータが惰性回転中に回転指令が入力された場合に、前記回転速度検出部で検出した回転速度が前記第１回転速度よりも低く、かつ前記モータの回転が停止状態ではない第２回転速度以下になった際に、該入力された回転指令が示す目標回転速度と予め設定された制御値との偏差に基づいて決定した電圧を生成するように前記駆動回路を制御する制御部と、を含んでいる。

このモータ制御装置によれば、惰性回転して停止状態に移行するモータを再び回転させる回転指令が入力された場合に、モータの実回転速度がある程度低下し、かつ当該モータが停止する前に当該モータへの通電を行うことにより、停止状態に移行中のモータを円滑かつ迅速に再起動できる。

また、このモータ制御装置によれば、目標回転速度と制御値との偏差を解消するようにモータに通電することにより、停止状態に移行中のモータを円滑に再起動できる。

請求項２に記載のモータ制御装置は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記第２回転速度は、前記第２回転速度と前記制御値との差分が、前記第１回転速度と前記制御値との差分よりも小さく、かつ所定範囲内であるように設定される。

このモータ制御装置によれば、実回転速度が、制御値と実回転速度との差分が所定範囲になる第２回転速度以下になった際に、目標回転速度と制御値との偏差に基づいてモータに供給する電圧を決定することにより、再起動時のモータの急加速を抑制して当該モータを円滑に再起動できる。

請求項３に記載のモータ制御装置は、請求項２に記載のモータ制御装置において、前記偏差に基づく電圧決定において、比例制御、比例積分制御及び比例積分微分制御のいずれかを用いる。停止状態に移行中のモータを円滑かつ迅速に再起動できる。

このモータ制御装置によれば、目標回転速度と制御値との偏差を解消するようにしてモータに供給する電圧を決定する比例制御、比例積分制御及び比例積分微分制御のいずれかを用いることにより、停止状態に移行中のモータを円滑に再起動できる。

本発明の実施の形態に係るモータ制御装置の概略を示す図である。 本発明の実施の形態に係るモータ制御装置の再起動処理の一例を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るモータ制御装置による再起動処理におけるモータの回転速度の時系列での変化の一例を示した概略図である。 時間ｔ₃で回転指令に応じてモータの回転制御を行った場合の実回転速度とＰＩ制御の制御値とを比較した概略図の一例である。 時間ｔ₄で回転指令に応じてモータの回転制御を行った場合の実回転速度とＰＩ制御の制御値とを比較した概略図の一例である。

図１は、本実施の形態に係るモータ制御装置２０の概略を示す図である。インバータ回路４０は、三相モータであるモータ５２のステータ１４のコイルに供給する電力をスイッチングする。例えば、インバータＦＥＴ４４Ａ、４４ＤはＵ相コイル１４Ｕに、インバータＦＥＴ４４Ｂ、４４ＥはＶ相コイル１４Ｖに、インバータＦＥＴ４４Ｃ、４４ＦはＷ相コイル１４Ｗに、各々供給する電力のスイッチングを行う。

インバータＦＥＴ４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃの各々のドレインは、ノイズ除去用のチョークコイル４６を介して車載のバッテリ８０の正極に接続されている。また、インバータＦＥＴ４４Ｄ、４４Ｅ、４４Ｆの各々のソースは、逆接防止ＦＥＴ４８を介してバッテリ８０の負極に接続されている。

本実施の形態では、シャフト１６と同軸に設けられたロータマグネット１２Ａ又はセンサマグネットの磁界をロータ１２の回転位置を示す磁界としてホールセンサ１２Ｂが検出する。マイコン３２は、ホールセンサ１２Ｂにより検出された磁界に基づいてロータ１２の回転速度及び位置（回転位置）を検出し、ロータ１２の回転速度及び回転位置に応じてインバータ回路４０のスイッチングの制御を行う。

マイコン３２には、エアコンのスイッチ操作に対応してエアコンを制御する、マイコン３２に対する上位の制御装置であるエアコンＥＣＵ８２からのロータ１２の回転速度に係る速度指令値を含む制御信号が入力される。また、マイコン３２には、サーミスタ５４Ａと抵抗５４Ｂとで構成された分圧回路５４と、インバータ回路４０とバッテリ８０の負極との間に設けられた電流検出部５６とが接続されている。

分圧回路５４を構成するサーミスタ５４Ａは、回路の基板の温度に応じて抵抗値が変化するので、分圧回路５４が出力する信号の電圧は基板の温度に応じて変化する。マイコン３２は、分圧回路５４から出力される信号の電圧の変化に基づいて、基板の温度を算出する。

電流検出部５６は、抵抗値が０．２ｍΩ～数Ω程度のシャント抵抗５６Ａと、シャント抵抗５６Ａの両端の電位差を増幅してシャント抵抗５６Ａの電流に比例する電圧値を信号として出力するアンプ５６Ｂとを含み、アンプ５６Ｂが出力した信号は、マイコン３２の温度保護制御部６２に入力される。温度保護制御部６２は、アンプ５６Ｂが出力した信号に基づいて、インバータ回路４０の電流を算出する。

本実施の形態では、サーミスタ５４Ａを含む分圧回路５４からの信号、電流検出部５６が出力した信号、及びホールセンサ１２Ｂが出力した信号は、マイコン３２内の温度保護制御部６２に入力される。温度保護制御部６２は、各々入力された信号に基づいて基板の素子の温度、インバータ回路４０の電流、及びロータ１２の回転速度等を算出する。また、温度保護制御部６２には、電源であるバッテリ８０が接続されており、温度保護制御部６２は、バッテリ８０の電圧を電源電圧値として検知する。

エアコンＥＣＵ８２からの制御信号は、マイコン３２内の速度制御部６４に入力される。速度制御部６４には、ホールセンサ１２Ｂが出力した信号も入力される。速度制御部６４は、エアコンＥＣＵ８２からの制御信号並びにホールセンサ１２Ｂからの信号に基づくロータ１２の回転速度及び回転位置に基づいて、インバータ回路４０のスイッチングの制御に係るＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御のデューティ比を算出する。

速度制御部６４が算出したデューティ比を示す信号は、ＰＷＭ出力部６６と温度保護制御部６２とに入力される。温度保護制御部６２は、基板の素子の温度と、ロータ１２の回転速度と、モータ５２及びモータ制御装置２０の回路の負荷と、に基づいて、速度制御部６４が算出したデューティ比を補正して、速度制御部６４にフィードバックする。モータ及び回路の負荷は、例えば、インバータ回路４０の電流、電源電圧又はインバータ回路４０が生成した電圧のデューティ比である。本実施の形態では、インバータ回路４０が生成した電圧のデューティ比はＰＷＭ出力部６６がインバータ回路４０に生成させる電圧のデューティ比と同じである。図１に示したように、ＰＷＭ出力部６６がインバータ回路４０に生成させる電圧のデューティ比を示す信号は、温度保護制御部６２にも入力されている。

また、温度保護制御部６２には、記憶装置であるメモリ６８が接続されている。メモリ６８は、モータ５２及び回路が過負荷状態になった場合にデューティ比を制限するための制限値等を記憶している。

速度制御部６４は、温度保護制御部６２による補正を、例えばＰＩ制御等によって自身が算出したデューティ比にフィードバックし、当該フィードバックを行ったデューティ比を示す信号をＰＷＭ出力部６６に出力する。ＰＷＭ出力部６６は、入力された信号が示すデューティ比の電圧を生成するようにインバータ回路４０のスイッチングを制御する。

本実施の形態では、Ｕ相コイル１４Ｕ、Ｖ相コイル１４Ｖ、Ｗ相コイル１４Ｗに各々生じた誘起電圧を検出し、検出した誘起電圧に基づいて算出したロータ１２の位置信号を出力する誘起電圧検出部７０を備えている。

また、本実施の形態では、ホールセンサ１２Ｂが検知したロータ１２の位置信号と、誘起電圧検出部７０が誘起電圧に基づいて算出したロータ１２の位置信号とを比較して、ホールセンサ１２Ｂが検出したロータ１２の位置信号の補正量を算出するセンサ信号補正量算出部７２を備えている。センサ信号補正量算出部７２が算出した補正量は、前述の速度制御部６４に入力される。速度制御部６４は、ホールセンサ１２Ｂからの信号を上述の補正量で補正して、デューティ比を算出する。補正量の算出のタイミングは、種々の場合が考えられるが、一例として、モータ５２の始動直後である。又は、モータ５２の回転制御中に、ホールセンサ１２Ｂが検知したロータ１２の位置信号と、誘起電圧検出部７０が誘起電圧に基づいて算出したロータ１２の位置信号とのずれが許容範囲を超えた場合に、当該補正量を算出してもよい。

モータ５２は三相モータ、一例としてブラシレスＤＣモータであるが、ブラシ付きＤＣモータでもよい。モータ５２がブラシ付きＤＣモータの場合、インバータ回路４０に代えて、４つのＦＥＴで構成されたＨブリッジ回路でモータ５２に供給する電圧を生成する。また、モータ５２がブラシ付きＤＣモータの場合、ロータの位置の検出は不要なので、ホールセンサ１２Ｂ、誘起電圧検出部７０及びセンサ信号補正量算出部７２は不要となる。

図２は、本実施の形態に係るモータ制御装置２０の再起動処理の一例を示したフローチャートである。図２に示した処理では、上位制御装置であるエアコンＥＣＵ８２からマイコン３２にモータ５２を定常回転速度で回転させる指令信号が入力され、マイコン３２が当該指令信号に従ってモータ５２が定常回転速度で回転するようにインバータ回路４０を制御していた際に、エアコンＥＣＵ８２からモータ５２の停止指令が入力された場合を想定している。ステップ２００では、停止指令が入力されたか否かを判定し、停止指令が入力された場合は手順をステップ２０２に移行し、停止指令が入力されていない場合は、ステップ２００での停止指令の入力の判定を継続する。

ステップ２０２では、モータ５２に供給する電圧を低下させる、すなわちモータ５２のコイルに印加する電圧のデューティ比を低下させてモータ５２の回転速度の減速を開始する。

図３は、本実施の形態に係るモータ制御装置２０による再起動処理におけるモータ５２の回転速度の時系列での変化の一例を示した概略図である。図３に示したように、時間ｔ₁で停止指令が入力されたことにより、定常回転速度で回転していたモータ５２は減速を開始する。定常回転速度は、モータ制御装置２０及びモータ５２等の仕様によって異なるが、本実施の形態では、一例として３０００ｒｐｍ～５０００ｒｐｍ程度である。

ステップ２０４では、モータ５２の回転速度が惰性開始回転速度である第１回転速度以下になったか否かを判定する。第１回転速度は、モータ制御装置２０及びモータ５２等の仕様によって異なるが、本実施の形態では、一例として目標回転速度である定常回転速度の略１／５～２／３の回転速度であり、より具体的には１０００ｒｐｍ～２０００ｒｐｍ程度である。ステップ２０４でモータ５２の回転速度が第１回転速度以下になった場合は手順をステップ２０６に移行し、モータ５２の回転速度が第１回転速度を超えている場合はステップ２０４での判定を継続する。

ステップ２０６では、インバータＦＥＴ４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄ、４４Ｅ、４４Ｆのスイッチングをオフにして、モータ５２へ供給する電圧の生成を停止してモータ５２の惰性回転を開始する。図３に示したように、時間ｔ₂で、モータ５２の回転速度が第１回転速度以下になったので、インバータ回路４０からの電力供給が停止され、モータ５２は惰性回転を始める。モータ５２の惰性回転は後述するように実回転速度１００が復帰時回転速度である第２回転速度以下になる時間ｔ₄まで継続する。本実施の形態では、時間ｔ₂～ｔ₄の区間を惰性回転区間１０２と呼称する。

ステップ２０８では、上位制御装置であるエアコンＥＣＵ８２から、モータ５２を定常回転速度で回転させる回転指令が入力された否かを判定する。図３では時間ｔ₃において回転指令が入力されている。ステップ２０８では、時間ｔ₃のように回転指令が入力された場合は手順をステップ２１０に移行し、回転指令が入力されていない場合は手順をステップ２１６に移行する。

しかしながら、時間ｔ₃でのＰＩ制御の制御値は、モータ５２の実回転速度に比して大きく低下する場合がある。

図４は、時間ｔ₃で回転指令に応じてモータ５２の回転制御を行った場合の実回転速度１００とＰＩ制御の制御値１０６とを比較した概略図の一例である。ＰＩ制御の制御値は、モータ５２への通電が行われている場合は、基本的にホールセンサ１２Ｂ等で検出したモータ５２の実回転速度１００であるが、停止状態に移行する惰性回転時のモータ５２を再起動する際は、マイコン３２の仕様によっては、実回転速度１００ではなく、マイコン３２に予め設定された制御値１０６を用いてＰＩ制御を開始する場合がある。制御値１０６は、モータ５２の惰性回転時に実回転速度１００のように時系列で低下する傾向を示す。

しかしながら、モータ５２の出力軸には転がり軸受等が設けられている場合がある。かかる場合には惰性回転であっても実回転速度１００は急激に低下せず、モータ５２への電力供給が停止された後の時間ｔ₃においても、実回転速度１００は、惰性開始回転速度である第１回転速度より若干低下した惰性回転継続回転速度に減速されるに留まることがある。

モータ５２の惰性回転時に実回転速度１００の低下が緩慢であるのに対し、モータ５２への電力供給が停止された場合を想定したＰＩ制御の制御値１０６が、実回転速度１００に比して大きく低下すると、制御値１０６と実回転速度１００との差分１０８が拡大する。そして、かかる差分１０８が拡大した状態では、当然、回転指令が示す目標回転速度である定常回転速度と制御値１０６との偏差が、定常回転速度と実回転速度１００との偏差よりも大きくなる。定常回転速度と実回転速度１００との偏差よりも大きな偏差を解消するようにＰＩ制御を行うと、モータ５２の回転速度を必要以上に急激に加速することになり、ハンチングを発生させるおそれがある。

本実施の形態では、時間ｔ₃で回転指令が入力されても、後述するように実回転速度１００が復帰時回転速度である第２回転速度以下になる時間ｔ₄までモータ５２の回転制御を開始せず、モータ５２の惰性回転を継続する。本実施の形態では、時間ｔ₃～ｔ₄の区間を指令受信禁止区間１０４と呼称する。

ステップ２１０では、モータ５２の実回転速度１００が第１回転速度よりも低速である第２回転速度以下になったか否かを判定する。

図５は、時間ｔ₄で回転指令に応じてモータ５２の回転制御を行った場合の実回転速度１００とＰＩ制御の制御値１０６とを比較した概略図の一例である。図５に示したように、実回転速度１００が第２回転速度に達した時間ｔ₄では、実回転速度１００とＰＩ制御の制御値１０６との差分１１０は、時間ｔ₃での差分１０８よりも小さくなる。

本実施の形態では、図５に示した差分１１０が、モータ５２の回転制御でハンチングを生じない所定範囲内になるような実回転速度１００を、復帰時回転速度である第２回転速度に設定する。第２回転速度は、モータ制御装置２０及びモータ５２等の仕様によって異なるが、本実施の形態では、一例として第１回転速度の略１／８～３／４の回転速度であり、より具体的には２５０ｒｐｍ～７５０ｒｐｍ程度である。また、第２回転速度は、第１回転速度よりも低速であるが、いかなる場合も０ｒｐｍよりも大きな回転速度である。すなわち、第２回転速度では、モータ５２の回転は停止状態ではない。

ステップ２１０で、実回転速度１００が第２回転速度以下の場合は手順をステップ２１２に移行し、実回転速度１００が第２回転速度を上回る場合はステップ２１４で回転指令を無視し、手順をステップ２１０に移行する。

ステップ２１２では、インバータ回路４０のインバータＦＥＴ４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄ、４４Ｅ、４４Ｆのスイッチングを開始して、モータ５２へ供給する電圧の生成を再開する。当該電圧（デューティ比）は、目標回転速度である定常回転速度とＰＩ制御の制御値１０６との偏差に基づいてＰＩ制御により決定する。通電再開は、図３の時間ｔ₄から行われるが、実際にモータ５２の実回転速度１００が増速されるまで若干の時間差がある。しかしながら、モータ５２の実回転速度１００が０ｒｐｍになった後にモータ５２への電力供給を再開する場合よりも、応答性は良好である。

図３に示した破線は、モータ５２の回転速度が０ｒｐｍになった際にモータ５２への電力供給を再開した場合の実回転速度１１２である。図３に示したように時間ｔ₅で実回転速度１１２は０ｒｐｍになるが、時間ｔ₄でモータ５２への電力供給を再開した場合、時間ｔ₅では実回転速度１００は目標回転速度である定常回転速度に向けて加速している段階である。従って、本実施の形態では、モータ５２の回転速度が０ｒｐｍになった際にモータ５２への電力供給を再開した場合よりも、モータ５２の回転再開の応答性に優れる。

ステップ２１２でモータ５２への電力供給を再開した後は、制御値１０６に代えて実回転速度１００を目標回転速度である定常回転速度に近付けるように加速するＰＩ制御が行われ、再起動処理をリターンする。

ステップ２０８で回転指令が入力されなかった場合は、ステップ２１６でモータ５２を停止させるか否かを判定する。ステップ２１６では、実回転速度１００が第２回転速度以下になった場合に、モータ５２の惰性回転を継続することによりモータ５２を停止させて処理をリターンする。ステップ２１６で実回転速度１００が第２回転速度を超える場合は、手順をステップ２０８に移行して、回転指令の入力の有無の判定をする。

以上説明したように、本実施の形態に係るモータ制御装置２０によれば、モータ５２の実回転速度１００とＰＩ制御の制御値１０６との差分が許容範囲となる第２回転速度でモータ５２への通電を再開することにより、再起動時のモータ５２の急加速を抑制してハンチングを防止できる。その結果、停止状態に移行中のモータ５２を円滑かつ迅速に再起動できるという効果を奏する。

本変形例における上述の回転制御は、マイコン３２のソフトウェアを変更することにより実現できる。従って、既存のモータ制御装置のハードウェアの構成を変更することなく、低コストでモータを円滑に再起動することができる。

本実施の形態では、モータ５２の回転制御においてＰＩ制御を用いたが、ＰＩ制御のほかに、Ｐ制御（Proportional Controller：比例制御）又はＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller：比例積分微分制御）によって実回転速度１００を目標回転速度に徐々に近づけるようにしてもよい。

本発明は、上記の形態例に限定されるものではなく、上記の形態例以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１２…ロータ、１２Ａ…ロータマグネット、１２Ｂ…ホールセンサ、１４…ステータ、１４Ｕ…Ｕ相コイル、１４Ｖ…Ｖ相コイル、１４Ｗ…Ｗ相コイル、１６…シャフト、２０…モータ制御装置、３２…マイコン、４０…インバータ回路、４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ，４４Ｅ，４４Ｆ…インバータＦＥＴ、４６…チョークコイル、４８…逆接防止ＦＥＴ、５２…モータ、５４…分圧回路、５４Ａ…サーミスタ、５４Ｂ…抵抗、５６…電流検出部、５６Ａ…シャント抵抗、５６Ｂ…アンプ、６２…温度保護制御部、６４…速度制御部、６６…ＰＷＭ出力部、６８…メモリ、７０…誘起電圧検出部、７２…センサ信号補正量算出部、８０…バッテリ、８２…エアコンＥＣＵ、１００…実回転速度、１０２…惰性回転区間、１０４…指令受信禁止区間、１０６…制御値、１０８，１１０…差分、１１２…実回転速度、ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃，ｔ₄，ｔ₅…時間

Claims (3)

1. モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、
   前記モータに供給する電圧を生成する駆動回路と、
   回転指令が示す目標回転速度で前記モータを回転させる電圧を生成するように前記駆動回路を制御すると共に、前記モータが回転中に停止指令が入力された場合、前記駆動回路を制御して前記モータの回転を減速させ、前記回転速度検出部で検出した回転速度が第１回転速度以下になった際に、前記モータへ供給する電圧を停止するように前記駆動回路を制御して前記モータを惰性回転させ、前記モータが惰性回転中に回転指令が入力された場合に、前記回転速度検出部で検出した回転速度が前記第１回転速度よりも低く、かつ前記モータの回転が停止状態ではない第２回転速度以下になった際に、該入力された回転指令が示す目標回転速度と予め設定された制御値との偏差に基づいて決定した電圧を生成するように前記駆動回路を制御する制御部と、
   を含むモータ制御装置。
2. 前記第２回転速度は、前記第２回転速度と前記制御値との差分が、前記第１回転速度と前記制御値との差分よりも小さく、かつ所定範囲内であるように設定される請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記偏差に基づく電圧決定において、比例制御、比例積分制御及び比例積分微分制御のいずれかを用いる請求項２に記載のモータ制御装置。
   

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