(57)【要約】【課題】モータの起動後、急激な上昇を抑えながら、最終目標回転数まで回転数を上昇させる。【解決手段】モータユニットは、モータと、パルス信号を出力する制御部と、パルス信号に基づいてモータに駆動電流を供給する駆動部と、モータの実回転数の観測部と、を有し、制御部は、モータの回転数の制御値を算出する複数の算出部と、複数の制御段階を有し、各制御段階において前記複数の算出部により算出された各制御値のうちの１つを選択して、選択した１つの制御値に基づいて前記パルス信号を生成するパルス生成部と、を有し、複数の算出部は、最終目標回転数よりも小さい第１目標回転数で回転させる制御値を上限として、一定のパターンで回転数を上昇させる制御値を算出する第１算出部を含み、前記パルス生成部は、前記モータの起動直後の第１段階において第１算出部により算出された制御値を選択する。【選択図】図２
2019180133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
前記モータの回転数を制御するパルス信号を出力する制御部と、
前記パルス信号に基づいて、前記モータに駆動電流を供給する駆動部と、
前記モータの実回転数の観測部と、
を有し、
前記制御部は、
前記モータの回転数の制御値を算出する複数の算出部と、
前記モータを起動してから最終目標回転数に到達するまでの間に複数の制御段階を有し、各制御段階において前記複数の算出部により算出された各制御値のうちの１つを選択して、選択した１つの制御値に基づいて前記パルス信号を生成するパルス生成部と、を有し、
前記複数の算出部は、前記最終目標回転数よりも小さい第１目標回転数で回転させる制御値を上限として、一定のパターンで回転数を上昇させる制御値を算出する第１算出部を含み、
前記パルス生成部は、前記モータの起動直後の第１段階において、前記第１算出部により算出された制御値を選択する、
モータユニット。
【請求項２】
前記第１算出部は、前記一定のパターンで回転数を上昇させる制御値に、初期値を加算して出力する、
請求項１に記載のモータユニット。
【請求項３】
前記複数の算出部は、前記第１目標回転数以上であって前記最終目標回転数よりも小さい第２目標回転数と、前記実回転数との差の比例項及び積分項の和を、制御値として算出する第２算出部をさらに含み、
前記パルス生成部は、前記第１段階に続く第２段階において、前記第２算出部により算出された制御値を選択する、
請求項１又は２に記載のモータユニット。
【請求項４】
前記パルス生成部は、前記モータの起動から一定時間が経過すると、前記第１段階から前記第２段階へ切り替える、
請求項３に記載のモータユニット。
【請求項５】
前記複数の算出部は、前記最終目標回転数を上限として段階的に上昇する第３目標回転数と、前記実回転数との差の比例項及び積分項の和を、制御値として算出する第３算出部をさらに含み、
前記パルス生成部は、前記第２段階に続く第３段階において、前記第３算出部により算出された制御値を選択し、選択した制御値に基づいて前記パルス信号を生成する、
請求項３又は４に記載のモータユニット。
【請求項６】
前記パルス生成部は、前記第２段階の開始から一定時間経過すると、前記第３段階に切り替える、
請求項５に記載のモータユニット。
【請求項７】
前記複数の算出部は、前記最終目標回転数と前記実回転数との差の比例項及び積分項の和を、制御値として算出する第４算出部をさらに含み、
前記パルス生成部は、前記第３段階に続く第４段階において、前記第４算出部により算出された制御値を選択し、選択した制御値に基づいて前記パルス信号を生成する、
請求項５又は６に記載のモータユニット。
【請求項８】
前記パルス生成部は、前記第３段階において前記実回転数が前記最終目標回転数に到達すると、前記第３段階から前記第４段階に切り替える、
請求項７に記載のモータユニット。
【請求項９】
前記第２算出部、前記第３算出部及び前記第４算出部の少なくとも１つは、前記算出した制御値が、制御値に対して設定された上限値を超える場合は、前記算出した制御値を前記上限値に制限して、前記パルス生成部に出力する、
請求項７又は８に記載のモータユニット。
【請求項１０】
前記第２算出部、前記第３算出部及び前記第４算出部の少なくとも１つは、前記算出した積分項が、積分項に対して設定された上限値を超える場合は、前記算出した積分項を前記上限値に制限し、前記比例項と前記制限された積分項の和を算出して、前記算出した和が、制御値に対して設定された上限値を超える場合は、前記算出した和を前記上限値に制限し、前記制限された和を前記制御値として前記パルス生成部に出力する、
請求項７又は８に記載のモータユニット。
【請求項１１】
前記観測部は、ホール素子からの検出信号に基づいて前記実回転数を算出する、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のモータユニット。
【請求項１２】
前記モータは、ＤＣモータであり、
前記モータユニットは、ＡＣ／ＤＣコンバータを有する、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のモータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータでは、一般に、モータの実回転数をフィードバックして、実回転数を目標回転数に収束させる回転制御が行われる。フィードバック制御としては、ＰＩＤ制御が知られる。例えば、ＰＩ制御によれば、目標回転数と実回転数の差に基づき、比例制御と積分制御を行うことで、モータの制御電圧が設定される（例えば、特許文献１参照。）。モータの実回転数の検出には、ホール素子、エンコーダ等のモータの回転角度を検出するセンサが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１０３７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モータの起動時、回転数を０から上昇させるため、目標回転数と実回転数の差が大きい。また、回転数が低速の状態では、用いるセンサの分解能によっては実回転数の検出誤差及び検出の遅れが大きくなることがある。そのため、起動初期に、実回転数によってフィードバック制御を行うと、急激に回転数が上昇するオーバーシュートが発生し、モータに衝撃が生じることがある。回転数がいったん上昇すると、自然に減速するのを待機するしかないため、回転数が安定せずに、起動後の最終目標回転数に到達するまでの起動時間が長引くことがある。
【０００５】
本発明は、モータの起動後、急激な上昇を抑えながら、最終目標回転数まで回転数を上昇させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願の例示的な第１発明によれば、モータと、前記モータの回転数を制御するパルス信号を出力する制御部と、前記パルス信号に基づいて、前記モータに駆動電流を供給する駆動部と、前記モータの実回転数の観測部と、を有し、前記制御部は、前記モータの回転数の制御値を算出する複数の算出部と、前記モータを起動してから最終目標回転数に到達するまでの間に複数の制御段階を有し、各制御段階において前記複数の算出部により算出された各制御値のうちの１つを選択して、選択した１つの制御値に基づいて前記パルス信号を生成するパルス生成部と、を有し、前記複数の算出部は、前記最終目標回転数よりも小さい第１目標回転数で回転させる制御値を上限として、一定のパターンで回転数を上昇させる制御値を算出する第１算出部を含み、前記パルス生成部は、前記モータの起動直後の第１段階において、前記第１算出部により算出された制御値を選択する、モータユニットが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本願の例示的な第１発明によれば、モータの起動後、急激な上昇を抑えながら、最終目標回転数まで回転数を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態であるモータユニットの構成を機能的に示すブロック図である。
【図２】図１中の制御部の構成を機能的に示すブロック図である。
【図３】制御部による回転数の制御例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明のモータユニットの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態のモータユニット１の構成を示す。
図１に示すように、モータユニット１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１、駆動部１２、検出部１３、制御部２０及びモータＭを備えて構成される。モータユニット１は、外部電源である電源２に接続され、電源２から交流電圧の供給を受ける。
【００１１】
本実施形態のモータＭは、３相ブラシレス直流（ＤＣ）モータである。モータＭは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相のコイルを有する。各相のコイルに駆動電流が供給されると、ステータとロータの間にトルクが発生し、ロータが回転する。
【００１２】
ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、電源２から供給される交流（ＡＣ）電圧を直流（ＤＣ）電圧へ変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１により、交流電源を用いてモータＭを駆動できる。
【００１３】
駆動部１２は、インバータ回路を含み、制御部２０により出力されるパルス信号に基づいて、モータＭに駆動電流を供給する。インバータ回路では、例えばモータＭの各相に対応する３つのアームがブリッジ接続される。各アームは、直列接続された上側及び下側のスイッチング素子を備える。インバータ回路は、パルス信号に基づいて、各アームの上側及び下側のスイッチング素子のオンとオフを切り替えることで、モータＭの各相に交流電圧波形の駆動電流を供給する。
【００１４】
（検出部）
検出部１３は、モータＭの回転角度を検出する。検出部１３としては、例えばホール素子、エンコーダ、レゾルバ等を用いることができる。本実施形態では、検出部１３としてホール素子を用いる例を説明する。
【００１５】
（制御部）
制御部２０は、モータＭの回転数を制御するパルス信号を出力する。制御部２０としては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサー、マイコン等のコンピュータを使用することができる。
【００１６】
図２は、制御部２０の構成を示す。
図２に示すように、制御部２０は、モータＭの回転数の制御値を算出する４つの算出部、すなわち第１算出部２１、第２算出部２２、第３算出部２３及び第４算出部２４を備える。
【００１７】
また、制御部２０は、パルス生成部２５及び観測部２６を備える。パルス生成部２５は、第１算出部２１、第２算出部２２、第３算出部２３及び第４算出部２４により算出された各制御値のうちの１つに基づいて、パルス信号を生成する。本実施形態において、パルス生成部２５は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式のパルス信号を生成する。また、各算出部２１〜２４は、回転数の制御値としてパルス信号のデューティ比を算出する。
【００１８】
（観測部）
観測部２６は、モータＭの実回転数を観測し、各算出部２１〜２４へ出力する。本実施形態において、観測部２６は、検出部１３から出力される検出信号に基づいて、モータＭの実回転数を一定間隔で算出することにより、実回転数の観測を行う。具体的には、検出部１３としてコイル間に配置された３つのホール素子により磁界の強度の検出信号が出力されるので、観測部２６は、各ホール素子から出力された３つで１組の検出信号から、回転角度の変化を検出する。観測部２６は、単位時間あたりの回転角度の変化量を、モータＭの実回転数として算出する。なお、３つのホール素子の検出信号を１組とする例を説明したが、１組とするホール素子の数はこれに限定されず、モータＭの構成に応じた数のホール素子を使用できる。
【００１９】
また、観測部２６は、各算出部２１〜２４のうち、パルス信号の生成に使用される制御値を算出する算出部に有効信号を出力する。
本実施形態において、観測部２６は制御部２０に設けられるが、制御部２０とは別に構成されてもよい。
【００２０】
（第１算出部）
第１算出部２１は、第１目標回転数Ｎ１で回転させるデューティ比を上限として、一定のパターンで回転数を上昇させるデューティ比を算出する。第１目標回転数Ｎ１は、最終目標回転数Ｎｆよりも小さい回転数である。最終目標回転数Ｎｆは、モータＭの起動後の一定回転数として設定された目標回転数である。
【００２１】
第１算出部２１は、図２に示すように、制御値出力部２１１、初期値出力部２１２及び加算部２１３を備える。
【００２２】
制御値出力部２１１には、モータＭの起動からの経過時間に応じてデューティ比が増加するパターンＮｐが入力される。パターンＮｐには、デューティ比の上限として、モータＭを第１目標回転数Ｎ１で回転させるときのデューティ比が設定される。パターンＮｐは、モータＭの回転数が緩やかに上昇するのであれば、デューティ比が直線状に増加するパターンであってもよいし、シグモイド曲線、指数関数曲線等のように曲線状に増加するパターンであってよい。制御値出力部２１１は、起動からの経過時間に対応するデューティ比を、パターンＮｐから取得して出力する。制御値出力部２１１には、外部から指示されたパターンＮｐが入力される構成であってもよいし、メモリに保存されたパターンＮｐを制御値出力部２１１が読み出す構成であってもよい。
【００２３】
初期値出力部２１２は、デューティ比の初期値ｎａを出力する。加算部２１３は、制御値出力部２１１から出力されたデューティ比に初期値ｎａを加算して出力する。初期値ｎａの加算により、パターンＮｐによって出力されるデューティ比を増加させることができる。回転数の加速度が同じでも、回転数が０又は低速の状態から加速させる場合は、ある程度回転数が上昇した状態から加速させる場合と比べて、加速が遅い。したがって、初期値ｎａを加算してデューティ比を引き上げることにより、起動から最終目標回転数Ｎｆに到達するまでに要する起動時間を短縮することができる。また、モータＭの特性によって加速度が異なる場合でも、初期値ｎａの設定を変更するだけの簡単な操作で時間調整することができ、調整が容易である。
【００２４】
（第２算出部）
第２算出部２２は、第２目標回転数Ｎ２と、観測部２６から入力されたモータＭの実回転数との差の比例項及び積分項の和を、デューティ比として算出する。第２目標回転数Ｎ２は、第１目標回転数Ｎ１以上であって最終目標回転数Ｎｆより小さい回転数である。
【００２５】
第２算出部２２は、図２に示すように、目標回転数出力部２２１、差分算出部２２２、比例項算出部２２３、積分項算出部２２４、制限部２２５、加算部２２６及び制限部２２７を備える。
【００２６】
目標回転数出力部２２１は、観測部２６により有効信号及び実回転数が入力されると、あらかじめ設定された第２目標回転数Ｎ２を出力する。目標回転数出力部２２１は、最初の有効信号とともに入力された実回転数が、第１目標回転数Ｎ１に到達していない場合、第１目標回転数Ｎ１から実回転数を引いた差を第２目標回転数Ｎ２に加算して出力する。第１目標回転数Ｎ１に不足する回転数を第２目標回転数Ｎ２に上乗せすることにより、低速回転状態からの加速を早めることができる。
【００２７】
差分算出部２２２は、目標回転数出力部２２１により出力された第２目標回転数Ｎ２と、観測部２６から入力された実回転数の差を算出する。
【００２８】
比例項算出部２２３は、差分算出部２２２により算出された差に、比例係数を乗算して比例項を算出する。
【００２９】
積分項算出部２２４は、差分算出部２２２により算出された差に積分係数を乗算し、積分することにより、積分項を算出する。
【００３０】
制限部２２５は、積分項算出部２２４により算出された積分項が、積分項に対して設定された上限値を超える場合は、積分項を上限値に制限する。回転数が急激に上昇するオーバーシュートを引き起こしやすい積分項の上限を制限することにより、デューティ比の急激な増加を回避することができ、起動初期の急激な回転数の上昇を効果的に抑えることができる。上限値は任意に設定できる。例えば、異なる積分項で算出したデューティ比によりそれぞれ回転制御したときに、オーバーシュートが生じなかった積分項を実験的に求めて、上限値として設定することができる。
【００３１】
制限部２２５は、積分項に対して段階的に上昇する下限値によって、積分項を制限することもできる。具体的には、制限部２２５は、算出された積分項が下限値を下回る場合は下限値を出力する。下限値を制限することにより、デューティ比が急激に下降するアンダーシュートを回避することができる。また、上限値と段階的に上昇する下限値の両方によって積分項を制限することにより、デューティ比の変動幅が小さくなる。モータＭの回転数の変動幅が制限されて、パルス信号に対するモータＭの反応の遅れを抑えることができる。
【００３２】
加算部２２６は、比例項算出部２２３により算出された比例項と、積分項算出部２２４により算出された積分項と、を加算した和を算出する。算出された和が、デューティ比である。本実施形態では、積分項は制限部２２５によって制限されるので、加算部２２６は制限された積分項を比例項に加算する。
【００３３】
下記式は、デューティ比の算出式を示す。
u(t) = Kp・e(t) + Ki・∫e(t)dt
上記式において、u(t)は時間ｔにおけるデューティ比を示す。Kp及びKiは、それぞれ比例係数及び積分係数を示す。e(t)は目標回転数と時間ｔにおける実回転数との差を示す。∫e(t)dtは、時間ｔまでの差e(t)の積分値を示す。
【００３４】
制限部２２７は、加算部２２６により算出されたデューティ比が、デューティ比に対する上限値を超える場合は、デューティ比を上限値に制限する。ＰＩ制御されたデューティ比の急激な増加を抑えることができ、起動初期の急激な回転数の上昇を抑えることができる。上限値は任意に設定できる。例えば、異なるデューティ比でそれぞれ回転制御したときに、オーバーシュートが生じなかったデューティ比を実験的に求めて、上限値として設定することができる。また、制限部２２７は、制限部２２５と同様に段階的に上昇する下限値によって、算出されたデューティ比を下限値に制限することができる。
【００３５】
（第３算出部）
第３算出部２３は、第３目標回転数Ｎ３と、観測部２６から入力された実回転数との差の比例項及び積分項の和を、デューティ比として算出する。第３目標回転数Ｎ３は、最終目標回転数Ｎｆを上限として段階的に上昇する回転数である。
【００３６】
第３算出部２３は、図２に示すように、目標回転数出力部２３１、差分算出部２３２、比例項算出部２３３、積分項算出部２３４、制限部２３５、加算部２３６及び制限部２３７を備える。
【００３７】
目標回転数出力部２３１は、観測部２６から有効信号及び実回転数が入力されると、当該実回転数から最終目標回転数Ｎｆまで段階的に上昇する第３目標回転数Ｎ３を算出して出力する。例えば、目標回転数出力部２３１は、１６段階で上昇する第３目標回転数Ｎ３を出力することができる。
【００３８】
差分算出部２３２は、目標回転数出力部２３１から出力された第３目標回転数Ｎ３と、観測部２６から入力された実回転数との差を算出する。
【００３９】
比例項算出部２３３、積分項算出部２３４、制限部２３５、加算部２３６及び制限部２３７は、第２算出部２２の比例項算出部２２３、積分項算出部２２４、制限部２２５、加算部２２６及び制限部２２７と同様に、差分算出部２３２が算出した差からデューティ比を算出する。比例項算出部２３３及び積分項算出部２３４がそれぞれ使用する比例係数及び積分係数は、第２算出部２２と異なる比例係数及び積分係数であってもよい。第３目標回転数Ｎ３への加速に適した係数を設定することにより、最終目標回転数Ｎｆに達するまでの時間を短縮できる。
【００４０】
（第４算出部）
第４算出部２４は、最終目標回転数Ｎｆと、観測部２６から入力された実回転数との差の比例項及び積分項の和を、デューティ比として算出する。
【００４１】
第４算出部２４は、図２に示すように、差分算出部２４１、比例項算出部２４２、積分項算出部２４３、制限部２４４、加算部２４５及び制限部２４６を有する。
【００４２】
差分算出部２４１は、最終目標回転数Ｎｆと、観測部２６から入力された実回転数との差を算出する。
比例項算出部２４２、積分項算出部２４３、制限部２４４、加算部２４５及び制限部２４６は、第２算出部２２の比例項算出部２２３、積分項算出部２２４、制限部２２５、加算部２２６及び制限部２２７と同様に、差分算出部２４１が算出した差からデューティ比を算出する。比例項算出部２４２及び積分項算出部２４３がそれぞれ使用する比例係数及び積分係数は、第２算出部２２及び第３算出部２３と異なる比例係数及び積分係数であってもよい。最終目標回転数Ｎｆへの収束に適した係数を設定することにより、収束までの時間を短縮できる。
【００４３】
個々のモータによって回転特性が異なるため、上述した第１目標回転数Ｎ１、第２目標回転数Ｎ２、最終目標回転数Ｎｆ及び初期値ｎａは、実験的に求めたモータＭの回転特性に応じて設定すればよい。例えば、第１目標回転数Ｎ１及び第２目標回転数Ｎ２は、無回転又は低速回転状態から回転を開始してもオーバーシュートが生じない回転数を実験的に求めて設定することができる。第２目標回転数Ｎ２は、検出部１３の検出精度を保証できる回転数であることが好ましい。これにより、第２目標回転数Ｎ２付近から最終目標回転数Ｎｆまで回転数を上昇させる段階において、検出誤差及び検出の遅れが少ない実回転数によって回転制御でき、検出誤差によるオーバーシュートを効果的に防ぐことができる。
【００４４】
例えば、モータＭの最大回転数のときのデューティ比１００％に対して、８０％のデューティ比のときの回転数を最終目標回転数Ｎｆとして設定することができる。この場合、５〜１５％のデューティ比のときの回転数を第１目標回転数Ｎ１として、１〜５％のデューティ比を初期値ｎａとして、設定できる。初期値ｎａを加算しない場合は、初期値ｎａを０％に設定すればよい。また、１５〜２５％のデューティ比のときの回転数を第２目標回転数Ｎ２として決定できる。
【００４５】
（パルス生部）
本実施形態のパルス生成部２５は、モータＭを起動してから最終目標回転数Ｎｆに到達するまでの間に４つの制御段階を有し、各制御段階において各算出部２１〜２４により算出されたデューティ比のうちの１つを選択する。パルス生成部２５は、選択した１つのデューティ比に基づいてパルス信号を生成する。
【００４６】
（第１段階）
パルス生成部２５は、モータＭの起動直後の第１段階では、第１算出部２１により算出された制御値を選択する。これにより、起動直後は、第１目標回転数Ｎ１を上限として一定のパターンで上昇するデューティ比でパルス信号が生成されるので、パターンＮｐによって回転数を緩やかに上昇させることができる。起動初期の無回転又は低速回転状態では、実回転数の検出誤差又は検出遅れが大きくなりやすいが、第１段階ではデューティ比の算出に実回転数をフィードバックしないため、最終目標回転数Ｎｆと実回転数の差又は実回転数の検出誤差又は検出遅れに起因する急激な回転数の上昇を回避できる。
【００４７】
（第２段階）
本実施形態において、パルス生成部２５は、第１段階に続く第２段階において、第２算出部２１により算出されたデューティ比を選択する。パルス生成部２５において第１段階から第２段階への切り替えが行われると、観測部２６は第２算出部２２へ有効信号を出力する。また、観測部２６は、切り替え時に実回転数を観測して有効信号とともに出力する。
【００４８】
第１段階から第２段階へ切り替えるタイミングは、任意に決定することができる。例えば、パルス生成部２５は、第１目標回転数Ｎ１に到達したタイミングで、第２段階へ切り替えることができる。この場合、第１目標回転数Ｎ１から第２目標回転数Ｎ２へと、段階的に回転数を上昇させることができる。
【００４９】
また、パルス生成部２５は、モータＭの起動から一定時間が経過すると、第１段階から第２段階へ切り替えることができる。この場合、第１目標回転数Ｎ１に到達したか否かによらず、第２段階へ切り替えることにより、起動から最終目標回転数Ｎｆに安定化するまでの起動時間の短縮化を図ることができ、好ましい。
【００５０】
第１段階から第２段階に切り替えるときの一定時間は、デューティ比により回転制御を行う時間間隔、すなわち観測部２６において実回転数を観測する時間間隔と同じ時間に設定することができる。例えば、パルス信号の周波数が２０ｋＨｚであり、１パルス、すなわちパルス信号のデューティ比を制御する時間間隔が５０ｍｓｅｃである場合、モータＭが起動し、第１段階が開始してから５０ｍｓｅｃ後に第２段階に切り替えればよい。このような時間設定によれば、モータＭを起動してからパルス信号のデューティ比を最初に制御するまでの間が第１段階であるため、実回転数が不明な起動直後の間は、実回転数によらず一定パターンでデューティ比を上昇させることができる。
【００５１】
（第３段階）
本実施形態において、パルス生成部２５は、第２段階に続く第３段階において、第３算出部２３により算出されたデューティ比を選択し、選択したデューティ比に基づいてパルス信号を生成する。パルス生成部２５において第２段階から第３段階への切り替えが行われると、観測部２６は有効信号を第３算出部２３に出力する。また、観測部２６は、切り替え時の実回転数を観測して有効信号とともに出力する。
【００５２】
第２段階から第３段階へ切り替えるタイミングは、任意に決定することができる。例えば、パルス生成部２５は、第２目標回転数Ｎ２に到達したタイミングで、第３段階へ切り替えることができる。この場合、第２目標回転数Ｎ２から最終目標回転数Ｎｆへと段階的に回転数を上昇させることができる。
【００５３】
また、パルス生成部２５は、第２段階の開始から一定時間経過すると、第３段階に切り替えることができる。この場合、第２目標回転数Ｎ２に到達したか否かによらず、第３段階へ切り替えることにより、起動から最終目標回転数Ｎｆに安定化するまでの起動時間の短縮化を図ることができ、好ましい。一定時間は、上述した第１段階から第２段階への切り替え時と同様に、パルス生成部２５においてデューティ比により回転制御を行う時間間隔と同じ時間に設定することができる。
【００５４】
また、パルス生成部２５は、第２段階の開始から一定時間が経過しても第２目標回転数Ｎ２に達していない場合は、さらに一定時間経過後に、第３段階に切り替えることもできる。この場合は、追加の一定時間の間に、第２算出部２２の制限部２２５及び２２７の上限値を上げて制限を小さくしてもよい。制限を小さくしても回転数が上昇しない場合は、低速の第２目標回転数Ｎ２ですら回転できない大きな負荷が働いているため、観測部２６においてモータＭがロック状態にあると判断する。パルス生成部２５は、制限を小さくしても回転数が上昇しない場合、ロック状態と判断されるまで、第３段階に切り替えずに１００％の最大デューティ比を出力するようにしてもよい。
【００５５】
（第４段階）
本実施形態において、パルス生成部２５は、第３段階に続く第４段階において、第４算出部２４により算出されたデューティ比を選択し、選択したデューティ比に基づいてパルス信号を生成する。
【００５６】
本実施形態において、パルス生成部２５は、第３段階において観測部２６により観測された実回転数が最終目標回転数Ｎｆに到達すると、第３段階から第４段階へ切り替える。これにより、第３段階において最終目標回転数Ｎｆまで回転数を上昇させた後、第４段階において実回転数を最終目標回転数Ｎｆに収束させて安定化する回転制御を行うことができる。
【００５７】
図３は、上記制御部２０による回転数の制御例を示す。
第１段階では、実回転数によらず、一定のパターンでデューティ比が上昇するが、上昇するデューティ比は第１目標回転数Ｎ１で回転させるときのデューティ比に制限される。そのため、図３中のラインＬ１が示すように、第１段階では回転数が上昇しても第１目標回転数Ｎ１に制限され、急激な回転数の上昇が抑えられる。
【００５８】
続く第２段階では、第２目標回転数Ｎ２と実回転数との差に応じてＰＩ制御が行われ、モータＭの回転数が上昇する。そのため、第２段階では、ラインＬ１が示すように、第２目標回転数Ｎ２付近まで回転数が上昇する。図３中のラインＬ２が示すように、第１段階において回転数が十分に回転しなかった場合は、不足分の回転数が第２目標回転数Ｎ２に加算され、実回転数との差が大きくなるため、第２段階において回転数を上昇させることができる。
【００５９】
続く第３段階では、段階的に上昇する第３目標回転数Ｎ３と実回転数との差に応じてＰＩ制御が行われ、モータＭの回転数が徐々に上昇する。第３目標回転数Ｎ３の上限は最終目標回転数Ｎｆであるため、ラインＬ１が示すように、第３段階では最終目標回転数Ｎｆ付近まで回転数が上昇する。
【００６０】
第３段階においてすでに回転数は最終目標回転数Ｎｆ付近まで上昇しているため、最後の第４段階では、最終目標回転数Ｎｆと実回転数との差に応じてＰＩ制御が行われることによって、モータＭの回転数は、ラインＬ１が示すように最終目標回転数Ｎｆに収束する。
【００６１】
（１）以上のように、本実施形態のモータユニット１では、制御部２０が、モータＭの起動から最終目標回転数Ｎｆに到達するまでの間に４つの制御段階を有する。さらに、制御部２０は、最初の第１段階では第１目標回転数Ｎ１で回転させるデューティ比を上限として、一定のパターンで回転数を上昇させるデューティ比に基づいて、パルス信号を生成する。パターンにより低電流での回転開始を試みて回転数が緩やかに上昇するように制御することができる。また、第１段階の回転制御によって実回転数が上昇しても、上限を第１目標回転数Ｎ１に制限でき、起動初期の急激な上昇を回避することができる。起動初期の無回転又は低速回転の状態においては、最終目標回転数Ｎｆと実回転数の差が大きいこと、検出部１３の検出誤差又は検出の遅れが大きくなりやすいことに起因して、急激な回転数の上昇を招きやすい。しかし、第１段階では回転数の制御に実回転数が用いられない。そのため、最終目標回転数Ｎｆと実回転数との差が大きい起動初期において、実回転数の検出誤差による急激な回転数の上昇を回避することができる。
【００６２】
（２）また、第２段階において、制御部２０は、実回転数を用いたフィードバック制御によって回転数を上昇させるが、上限を第２目標回転数Ｎ２に制限できるため、急激な回転数の上昇を回避しながら、第１目標回転数Ｎ１から第２目標回転数Ｎ２へと段階的に回転数を上昇させることができる。
【００６３】
（３）第３段階において、制御部２０は、最終目標回転数Ｎｆと実回転数との差に応じてデューティ比をＰＩ制御する。第１及び第２段階において、実回転数の十分な検出精度が得られる回転数まで上昇させた後、第３段階において実回転数を最終目標回転数Ｎｆ付近まで上昇させることができる。そのため、第３段階では検出誤差又は検出の遅れの少ない実回転数によってフィードバック制御を行うことができ、検出誤差又は検出の遅れに起因する急激な回転数の上昇を抑えることができる。また、第３目標回転数Ｎ３は段階的に上昇するので、徐々に回転数を上昇させることができる。
【００６４】
（４）第４段階において、制御部２０は、最終目標回転数Ｎｆと実回転数との差に応じてデューティ比をＰＩ制御する。第３段階で最終目標回転数Ｎｆ付近まで上昇した回転数を、第４段階において最終目標回転数Ｎｆに収束させ、安定化させることができる。
【００６５】
（５）各制御段階の切り替え時には、観測部２６が各算出部２１〜２４に有効信号を出力する。これにより、第２算出部２２及び第３算出部２３では、有効信号とともに入力された実回転数、すなわち前段階で上昇させた最後の実回転数から回転数を上昇させるデューティ比の算出を行うことができる。観測部２６により、各段階間で回転数を引継がせて、連続的な回転制御を行うことができ、制御段階の切り替え時に振動やオーバーシュートの発生を抑えることができる。
【００６６】
（６）特に、実回転数の検出にホール素子を用いる場合、ホール素子と起動時のロータの位置関係によっては検出誤差が生じやすく、エンコーダ等と比べると一般的に検出精度が低い。しかし、本実施形態のモータユニット１によれば、ホール素子を使用した場合でも、急激な回転数の上昇を抑えながら安定した最終目標回転数Ｎｆまで回転させることができ、低コストで安定的な起動が可能である。
【００６７】
（７）一般的に、モータの起動時の負荷が小さいと、負荷が大きい場合に比べてオーバーシュートしやすいため、回転制御のための比例係数等を負荷に応じて設定する必要がある。そのため、従来は、負荷によって回転制御の仕様を変える対応が行われていた。しかし、本実施形態によれば、回転数を第１目標回転数Ｎ１まで一定に上昇させる回転制御によって起動初期のオーバーシュートを抑えるため、起動時の負荷の大きさによらず、同じ構成の制御部２０により回転制御することができ、汎用性が高い。
【００６８】
（８）上記実施形態によれば、交流電源の供給を受けて、限られた電源能力の中で起動するＤＣモータであるモータＭにおいて、オーバーシュートとアンダーシュートを抑えることができる。
【００６９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、モータＭが３相ブラシレスＤＣモータである例を説明したが、単相モータ、ブラシ付きモータ等であっても本発明を実施できる。
【００７０】
また、パルス生成部２５においてＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）方式のパルス信号を生成し、各算出部２１〜２４においてパルス信号の振幅である電圧値を制御値として算出する場合にも、本発明を実施できる。ＰＡＭ方式の場合は、ＰＡＭ方式のパルス信号を受けてモータＭを駆動する電源回路部等を、必要に応じてモータユニット１に設ければよい。
【００７１】
上記実施形態では、各算出部２１〜２４において、積分項を制限したうえで、比例項と制限された積分項の和も制限するが、どちらか一方の制限だけを行う構成でもよい。
また、各算出部２１〜２４では、比例項と積分項の和をデューティ比として算出することにより、ＰＩ制御を行うが、さらに目標回転数と実回転数の差の微分項を算出し、比例項、積分項及び微分項の和をデューティ比として算出するＰＩＤ制御を行ってもよい。
【００７２】
上記実施形態のパルス生成部２５は、４つの制御段階に分けてパルス信号を生成していたが、制御段階の数が複数であり、少なくとも最初の第１段階で第１算出部２１が算出する制御値を選択するのであれば、制御段階の数は４つに限定されない。例えば、上記第２段階と第３段階の間にもう１つ制御段階を加えて、加えた制御段階において第２目標回転数Ｎ２以上第３目標回転数Ｎ３以下である第ｘ目標回転数Ｎｘまで回転数を上昇させてもよい。制御段階が多ければ徐々に回転数を上昇させることができ、オーバーシュートをより回避しやすくなる。一方、制御段階が少なければ構成の簡易化が可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１    モータユニット
１１    ＡＣ／ＤＣコンバータ
１２    駆動部
１３    検出部
２０    制御部
２１    第１算出部
２２    第２算出部
２３    第３算出部
２４    第４算出部
２５    パルス生成部
２６    観測部
Ｍ    モータ
【図１】
2019180133.tif 000003
【図２】
2019180133.tif 000004
【図３】
2019180133.tif 000005