(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転角度を検出する検出部と、
前記検出部が検出したモータの回転角度に基づいてモータの回転速度を算出する算出部と、
前記算出部により算出されたモータの回転速度のみのフィードバックにより、同期整流方式によるＰＷＭ制御でモータを駆動させる制御部とを備え、
前記制御部は、
前記算出部により算出されたモータの回転速度とその目標値とを比較して誤差速度を算出する速度比較部と、
前記誤差速度に基づき、モータに必要なトルクを算出するトルク算出部と、
前記トルク算出部で算出されたトルク、前記算出部により算出されたモータの回転速度、およびモータの電気的仕様に基づき、同期整流方式によるモータの駆動電圧を算出する駆動電圧算出部と、
前記駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定するデューティ比設定部と
を備えることを特徴とする駆動制御装置。
【請求項２】
前記検出部は、モータの回転角度に応じたパルス信号を出力し、
前算出部は、前記検出部から出力されたパルス信号を取得してその周期を計測し、計測したパルス信号の周期に基づき、モータの回転速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御装置。
【請求項３】
前記モータの電気的仕様には、モータのインダクタンスが含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、
キャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、
前記キャリア信号と前記駆動電圧に応じたＰＷＭ設定値との比較により、前記デューティ比設定部で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ発生部と
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを駆動させる駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりモータを駆動させる駆動制御装置が知られている。
【０００３】
一般的に、この種の駆動制御装置は、モータの回転速度負帰還ループ（主たるフィードバック要素）と、モータ電流負帰還ループ（従たるフィードバック要素）とを有する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
通常のＰＷＭ制御では、ＰＷＭ信号のデューティ比と、電圧または電流とが、非線形な関係となる。このため、電圧や電流を直接的にＰＷＭ信号のデューティ比に変換することはできない。そこで、駆動制御装置は、モータに流れる電流を検出しながらＰＷＭ信号のデューティ比を追従収束するモータ電流負帰還ループを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１６５９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したモータ電流負帰還ループを構成するには、電流検出器が必要である。また、デジタル処理が要求される場合には、ＡＤ変換器も必要になる。このため、ハードウェア構成の複雑化を招いていた。
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、ハードウェア構成を簡素化できる駆動制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る駆動制御装置の第１の特徴は、同期整流方式によるＰＷＭ制御でモータを駆動させる駆動制御装置であって、モータの回転速度とその目標値とを比較して誤差速度を算出する速度比較部と、前記誤差速度に基づき、モータに必要なトルクを算出するトルク算出部と、前記トルク算出部で算出されたトルク、モータの回転速度、およびモータの電気的仕様に基づき、同期整流方式によるモータの駆動電圧を算出する駆動電圧算出部と、前記駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定するデューティ比設定部とを備えることにある。
【０００９】
本発明に係る駆動制御装置の第２の特徴は、前記モータの電気的仕様には、モータのインダクタンスが含まれることにある。
【００１０】
本発明に係る駆動制御装置の第３の特徴は、キャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、前記キャリア信号と前記駆動電圧に応じたＰＷＭ設定値との比較により、前記デューティ比設定部で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ発生部とをさらに備えることにある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る駆動制御装置の第１の特徴によれば、駆動電圧算出部は、トルク算出部で算出されたトルク、モータの回転速度、およびモータの電気的仕様に基づき、同期整流方式によるモータの駆動電圧を算出する。デューティ比設定部は、駆動電圧算出部で算出された駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。これにより、モータ電流負帰還ループを構成することなく、誤差速度に応じたデューティ比を設定できる。したがって、モータ電流負帰還ループを構成するための電流検出器やＡＤ変換器を省略でき、ハードウェア構成を簡素化できる。
【００１２】
本発明に係る駆動制御装置の第２の特徴によれば、モータの電気的仕様には、モータのインダクタンスが含まれるので、インダクタンスによる電流の積分遅れによる応答性能の低下が抑えられる。
【００１３】
本発明に係る駆動制御装置の第３の特徴によれば、ＰＷＭ発生部は、キャリア信号と駆動電圧に応じたＰＷＭ設定値との比較により、デューティ比設定部で設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生する。これにより、短時間でＰＷＭ信号を生成できる。この結果、高精度な回転速度制御や、目標速度指令に対する俊敏な応答が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る駆動制御装置の概略構成図である。
【図２】メカ系の制御対象の一例を示す図である。
【図３】メカ系の負荷特性を示す図である。
【図４】メカ系の制御対象のブロック線図である。
【図５】モータの等価回路図である。
【図６】モータのブロック線図である。
【図７】実施の形態に係る駆動制御装置のブロック線図である。
【図８】実施の形態に係る駆動制御装置における回転速度制御のアルゴルを図式化した図である。
【図９】単純ＰＷＭ発生部でＰＷＭ信号を発生する動作の説明図である。
【図１０】ＰＷＭ信号により駆動制御されるモータの端子間電圧およびモータに流れる電流の波形の一例を示す図である。
【図１１】ＰＷＭ信号により駆動制御されるモータの端子間電圧およびモータに流れる電流の波形の他の例を示す図である。
【図１２】実施の形態に係る駆動制御装置によるモータの回転速度制御のシミュレーションにおけるモータの角速度および誤差速度の推移を示す図である。
【図１３】実施の形態に係る駆動制御装置によるモータの回転速度制御のシミュレーションにおけるＰＷＭ信号のデューティ比およびモータに流れる電流の推移を示す図である。
【図１４】比較例の回転速度制御のシミュレーションにおけるモータの角速度および誤差速度の推移を示す図である。
【図１５】比較例の回転速度制御のシミュレーションにおけるＰＷＭ信号のデューティ比およびモータに流れる電流の推移を示す図である。
【図１６】正回転時における回転速度ムラ比率の計測データの一例を示す図である。
【図１７】正回転時における回転速度ムラ比率の計測データの他の例を示す図である。
【図１８】逆回転時における回転速度ムラ比率の計測データの一例を示す図である。
【図１９】逆回転時における回転速度ムラ比率の計測データの他の例を示す図である。
【図２０】図１６の回転速度ムラ比率をＦＦＴ解析した結果を示す図である。
【図２１】図１７の回転速度ムラ比率をＦＦＴ解析した結果を示す図である。
【図２２】図１８の回転速度ムラ比率をＦＦＴ解析した結果を示す図である。
【図２３】図１９の回転速度ムラ比率をＦＦＴ解析した結果を示す図である。
【図２４】運転パターンＡにおけるモータの角速度および誤差速度の計測データを示す図である。
【図２５】運転パターンＢにおけるモータの角速度および誤差速度の計測データを示す図である。
【図２６】運転パターンＣにおけるモータの角速度および誤差速度の計測データを示す図である。
【図２７】運転パターンＤにおけるモータの角速度および誤差速度の計測データを示す図である。
【図２８】運転パターンＡにおけるモータに流れる電流の計測データを示す図である。
【図２９】運転パターンＢにおけるモータに流れる電流の計測データを示す図である。
【図３０】運転パターンＣにおけるモータに流れる電流の計測データを示す図である。
【図３１】運転パターンＤにおけるモータに流れる電流の計測データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図面を通じて同一もしくは同等の部位や構成要素には、同一もしくは同等の符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係る駆動制御装置の概略構成図である。図１に示すように、駆動制御装置１は、組込型マイコン２と、駆動部３と、電源部４と、速度検出器５とを備える。駆動制御装置１は、ＤＣモータであるモータ６を駆動させるものである。
【００１７】
組込型マイコン２は、同期整流方式によるＰＷＭ制御で駆動部３を制御する。組込型マイコン２は、装置内組み込み型のＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等からなる。組込型マイコン２は、速度設定部１１と、速度比較部１２と、ＰＩＤ調整部（請求項のトルク算出部に相当）１３と、駆動電圧・デューティ比算出部（請求項の駆動電圧算出部、デューティ比設定部に相当）１４と、キャリア信号発生部１５と、単純ＰＷＭ発生部（請求項のＰＷＭ発生部に相当）１６と、キャプチャユニット１７と、回転速度検出部１８とを備える。
【００１８】
速度設定部１１、速度比較部１２、ＰＩＤ調整部１３、駆動電圧・デューティ比算出部１４、キャリア信号発生部１５、キャプチャユニット１７、および回転速度検出部１８は、組込型マイコン２においてファームウェア（ソフトウェア）により構成される。単純ＰＷＭ発生部１６は、組込型マイコン２にハードウェアとして内蔵されたものである。
【００１９】
速度設定部１１は、モータ６の回転速度の目標値を示す目標速度指令を速度比較部１２へ出力する。目標値は、外部から速度設定部１１に入力される。
【００２０】
速度比較部１２は、モータ６の回転速度と目標値とを比較して、それらの差である誤差速度を算出する。モータ６の回転速度は、回転速度検出部１８から速度比較部１２に入力される。
【００２１】
ＰＩＤ調整部１３は、誤差速度に基づき、モータ６の回転速度を目標値にするためにモータ６に必要なトルクを、ＰＩＤ演算により算出する。
【００２２】
駆動電圧・デューティ比算出部１４は、ＰＩＤ調整部１３で算出されたトルク、モータ６の回転速度、およびモータ６の電気的仕様に基づき、同期整流方式によるモータ６の駆動電圧を算出する。また、駆動電圧・デューティ比算出部１４は、算出した駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。また、駆動電圧・デューティ比算出部１４は、算出した駆動電圧に応じたＰＷＭ設定値を算出し、これを後述の単純ＰＷＭ発生部１６の比較器１９へ出力する。
【００２３】
キャリア信号発生部１５は、予め設定された周期の鋸歯状波または三角波のキャリア信号を生成し、このキャリア信号を単純ＰＷＭ発生部１６へ出力する。
【００２４】
単純ＰＷＭ発生部１６は、矩形波のＰＷＭ信号を発生し、このＰＷＭ信号を駆動部３へ出力する。単純ＰＷＭ発生部１６は、比較器１９を有する。比較器１９は、キャリア信号とＰＷＭ設定値との比較により、設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生する。比較器１９は、設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を後述する駆動部３のスイッチ素子ＳＷ１へ出力し、それとは位相が逆のＰＷＭ信号をスイッチ素子ＳＷ２へ出力する。
【００２５】
キャプチャユニット１７は、速度検出器５から出力される、モータ６の回転角度に応じたパルス信号を取得し、その周期を計測する。
【００２６】
回転速度検出部１８は、キャプチャユニット１７で計測されたパルス信号の周期に基づき、モータ６の回転速度を算出する。回転速度検出部１８は、算出した回転速度を速度比較部１２へ出力する。
【００２７】
駆動部３は、組込型マイコン２から入力されるＰＷＭ信号により、モータ６を駆動させる。駆動部３は、プリドライバ２１と、Ｈブリッジ回路２２とを備える。
【００２８】
プリドライバ２１は、単純ＰＷＭ発生部１６の比較器１９とＨブリッジ回路２２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２とを接続する。プリドライバ２１を介して、比較器１９から出力される互いに位相が逆のＰＷＭ信号が、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２にそれぞれ入力される。
【００２９】
Ｈブリッジ回路２２は、４つのスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４を備える。スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が、モータ６の一方の端子に接続されるラインにおいて、電源電圧端子Ｐと接地端子との間に直列に接続されている。また、スイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４が、モータ６の他方の端子に接続されるラインにおいて、電源電圧端子Ｐと接地端子との間に直列に接続されている。Ｈブリッジ回路２２において、対角線上に位置するスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ４が一方の対になり、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３が他方の対になる。例えば、スイッチ素子ＳＷ１に入力されるＰＷＭ信号のＨ（ハイ）期間では、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン状態になる。このとき、スイッチ素子ＳＷ２に入力されるＰＷＭ信号はＬ（ロー）期間であり、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフ状態になる。
【００３０】
電源部４は、駆動部３に電圧を供給する。電源部４は、Ｈブリッジ回路２２の電源電圧端子Ｐに接続されている。
【００３１】
速度検出器５は、モータ６の回転角度に応じたパルス信号を出力する。速度検出器５は、例えば、ロータリエンコーダからなる。
【００３２】
上述した駆動制御装置１における制御において、ＰＩＤ調整部１３、駆動電圧・デューティ比算出部１４、キャリア信号発生部１５、単純ＰＷＭ発生部１６、および駆動部３が、制御要素を形成する。制御対象は、モータ６を含む電気系とメカ系全体である。制御量は、モータ６の回転速度である。速度検出器５、キャプチャユニット１７、および回転速度検出部１８が、フィードバック要素（モータの回転速度負帰還ループ）を形成する。
【００３３】
次に、駆動制御装置１の制御における制御対象について説明する。
【００３４】
まず、メカ系の制御対象について説明する。
【００３５】
メカ系の制御対象は、例えば、図２に示すような、印刷装置に設けられる用紙搬送部３１からなる。用紙搬送部３１は、搬送ベルト３２を有する。搬送ベルト３２は、駆動ローラ３３および従動ローラ３４，３５に掛け渡される環状のベルトである。駆動ローラ３３は、モータ６により回転駆動される。従動ローラ３４，３５は、搬送ベルト３２に従動する。駆動ベルト３６により、モータ６の駆動力が駆動ローラ３３へ伝達される。モータ６の駆動により駆動ローラ３３が回転し、搬送ベルト３２が回転することで、搬送ベルト３２上に載置された用紙が搬送される。
【００３６】
メカ系は、図２に示すように、用紙搬送部３１の搬送ベルト３２等をモータ軸上に等価置換した単純化モデルで表現できる。
【００３７】
ところで、図３に示すように、メカ系の負荷（総合負荷）は、摩擦負荷と粘性負荷との合計になる。このような負荷特性を有するメカ系の単純化モデルの運動方程式（ニュートンの第二法則）は、以下の式（１）で表される。
【００３８】
Tm(t)=Jm・dωm(t)/dt+Wq・ωm(t)+To  …（１）
ωm[rad/sec]：角速度
Tm[N・m]：供給されるトルク
Jm[kg・m2]：慣性モーメント
Wq[N・m/(rad/sec)]：粘性負荷抵抗
To[N・m]：摩擦負荷トルク
式（１）をラプラス変換してＳ関数表現にすると、以下の式（２）のようになる。
【００３９】
Tm(s)=Jm・S・ωm(s)+Wq・ωm(s)+To  …（２）
したがって、以下の式（３）により、角速度（回転速度）ωm(s)が得られる。
【００４０】
ωm(s)=(Tm(s)-To)/(Jm・S+Wq)   …（３）
ここで、メカ系の制御対象のブロック線図による表現を図４に示す。図４において、加え合わせ点４１は、トルクTm(s)から摩擦負荷トルクToを減算した値(Tm(s)-To)を出力する。ブロック４２は、加え合わせ点４１から入力される(Tm(s)-To)に1/(Jm・S+Wq)を乗算し、式（３）で表される角速度（回転速度）ωm(s)を出力する。
【００４１】
次に、電気系の制御対象について説明する。
【００４２】
電気系の制御対象は、モータ６である。ＤＣモータであるモータ６は、図５に示すような等価回路で表すことができる。ここで、各パラメータの内容は以下の通りである。
【００４３】
Vpm[V]：端子間電圧（モータに供給されるＰＷＭ電圧）
Ve[V]：逆誘起電圧（モータ自身の回転で発電する電圧）
KE[V/(rad/sec)]：誘起電圧定数（回転速度→誘起電圧変換定数）
La[H]：電機子巻線インダクタンス
Ra[Ω]：電機子巻線抵抗
Im[A]：電機子巻線電流
KT[N・m/A]：トルク定数（電流→トルク変換定数）
Tm[N・m]：発生するトルク
ωm[rad/sec]：角速度
図５に示す等価回路によれば、モータ６の表現式は、以下の式（４）〜式（６）のようになる。
【００４４】
Vpm(t)=La・dIm(t)/dt+Ra・Im(t)+Ve(t)  …（４）
Ve(t)=KE・ωm(t)  …（５）
Tm(t)= KT・Im(t)  …（６）
式（４）〜式（６）をラプラス変換してＳ関数表現にすると、それぞれ以下の式（７）〜式（９）のようになる。
【００４５】
Vpm(s)=La・S・Im(s)+Ra・Im(s)+Ve(s)  …（７）
Ve(s)=KE・ωm(s)  …（８）
Tm(s)= KT・Im(s)  …（９）
式（７）、式（８）より、電機子巻線電流Im(s)は、以下の式（１０）により表される。
【００４６】
Im(s)=(Vpm(s)-KE・ωm(s))/(La・S+Ra)   …（１０）
ここで、図５に示した等価回路のブロック線図による表現を図６に示す。図６において、加え合わせ点５１は、端子間電圧Vpm(s)から逆誘起電圧Veを減算した値(Vpm(s)-Ve)を出力する。ブロック５２は、加え合わせ点５１から入力される(Vpm(s)-Ve) に1/(La・S+Ra)を乗算し、式（１０）で表される電機子巻線電流Im(s)を出力する。ブロック５３は、電機子巻線電流Im(s)にトルク定数KTを乗算し、式（９）で表されるトルクTm(s)を出力する。トルクTm(s)はメカ系に作用し、角速度（回転速度）ωm(s)が得られる。ブロック５４は、角速度ωm(s)に誘起電圧定数KEを乗算し、式（８）で表される逆誘起電圧Ve(s)を加え合わせ点５１へ出力する。
【００４７】
次に、駆動制御装置１における回転速度制御の動作について、図７のブロック線図を用いて説明する。なお、図７のブロック線図におけるメカ系および電気系の制御対象の部分は、それぞれ図４、図６に示したブロック線図と同様である。
【００４８】
図７において、加え合わせ点６１は、モータ６の回転速度の目標値ωr(s)からモータ６の角速度（回転速度）ωm(s)を減算して誤差速度ωe(s)を出力する。加え合わせ点６１の演算は、図１の速度比較部１２による処理に相当する。目標値ωr(s)は、速度設定部１１が速度比較部１２へ出力するものである。角速度ωm(s)は、速度検出器５の出力パルス信号に応じて回転速度検出部１８で算出されるものである。
【００４９】
ブロック６２は、加え合わせ点６１から入力される誤差速度ωe(s)に対して、上述した式（１）の運動方程式に基づくＰＩＤ要素別適正ゲインの調整を行い、モータ６の回転速度を目標値ωr(s)にするために必要なトルクTm’(s)を算出する。ここで、Kdは微分（加速度）ゲインである。Kpは比例（速度）ゲインである。Kiは積分（変位）ゲインである。ブロック６２の演算は、図１のＰＩＤ調整部１３による処理に相当する。
【００５０】
ブロック６３は、ブロック６２から入力されるトルクTm’(s)、モータ６の角速度ωm(s)、およびモータ６の電気的仕様（電気的パラメータ）に基づき、同期整流方式によるモータ６の駆動電圧Vpm(s)’を算出する。モータ６の電気的パラメータとしては、電機子巻線インダクタンスLa、電機子巻線抵抗Ra、トルク定数KT、および誘起電圧定数KEが用いられる。駆動電圧Vpm(s)’は、以下の式（１１）により算出される。
【００５１】
Vpm(s)’=Vl(s)+Vr(s)+Ve(s)
=(Tm’(s)/KT)・(La・S+Ra)+KE・ωm(s)  …（１１）
ここで、モータ６に流す電流Im(s)’は、以下の式（１２）により算出される。
【００５２】
Im(s)’= Tm’(s)/KT  …（１２）
ブロック６３の演算は、図１の駆動電圧・デューティ比算出部１４による処理の一部に相当する。駆動電圧・デューティ比算出部１４には、駆動電圧Vpm(s)’を算出する際の逆誘起電圧Ve(s)の算出に用いるために、回転速度検出部１８からモータ６の角速度ωm(s)が入力される。
【００５３】
ブロック６４では、ブロック６３から入力される駆動電圧Vpm(s)’に応じたＰＷＭ設定値Vpm(s)”を算出する。ＰＷＭ設定値Vpm(s)”は、図１の単純ＰＷＭ発生部１６でＰＷＭ信号を生成するために用いられるものである。ＰＷＭ設定値Vpm(s)”は、以下の式（１３）により算出される。
【００５４】
Vpm(s)”=Vpm(s)’/2+Vps(s)/2  …（１３）
ここで、Vpsは、図１の電源部４による駆動電源電圧である。ブロック６４の演算は、図１の駆動電圧・デューティ比算出部１４による処理の一部に相当する。
【００５５】
ブロック６５では、駆動電圧Vpm(s)’に応じたＰＷＭ信号のデューティ比を設定し、そのデューティ比のＰＷＭ信号によりモータ６を駆動させる。ＰＷＭ信号のデューティ比（PWM_Duty）は、以下の式（１４）により算出される。
【００５６】
PWM_Duty[%]=（Vpm(s)’+Vps(s)）・100/2・Vps(s)  …（１４）
ここで、同期整流方式では、モータの駆動電圧の平均値と、ＰＷＭ信号のデューティ比とが比例することが知られている。また、デューティ比が５０％のときは駆動電圧の平均値が０となり、モータが停止状態となる。デューティ比が５０％より大きい場合は駆動電圧の平均値が正の値になり、デューティ比が５０％未満の場合は駆動電圧の平均値が負の値になる。これにより、モータを正方向および逆方向に回転させることができる。
【００５７】
式（１１）で算出される駆動電圧Vpm(s)’は、-Vps(s)から+Vps(s)の間の値である。Vpm(s)’=Vps(s)のときにデューティ比が１００％となり、Vpm(s)’=-Vps(s)のときにデューティ比が０％となる。また、Vpm(s)’=0のときにデューティ比が５０％となる。そして、上述した同期整流方式の特徴から、駆動電圧Vpm(s)’とデューティ比とが比例する。このことから、式（１４）により、駆動電圧Vpm(s)’に応じたＰＷＭ信号のデューティ比が算出される。
【００５８】
ブロック６５の処理は、図１の駆動電圧・デューティ比算出部１４の一部、キャリア信号発生部１５、単純ＰＷＭ発生部１６、および駆動部３の処理に相当する。
【００５９】
以上のような制御により、モータ６の端子間電圧Vpm(s)が、ブロック６３で算出された、モータ６の回転速度を目標値ωr(s)にするための駆動電圧Vpm(s)’と等しくなるよう制御される。駆動電圧Vpm(s)’による駆動により、モータ６において発生するトルクTm(s)は、ブロック６２で算出されたトルクTm’(s)と等しくなる。また、モータ６に流れる電流（電機子巻線電流）Im(s)は、Tm’(s)から算出される電流Im(s)’と等しくなる。
【００６０】
次に、駆動制御装置１における回転速度制御のアルゴルを、図８を用いて説明する。図８は、回転速度制御のアルゴル（Ｓ関数をＺ変換した表現）を図式化したものである。このアルゴルは、組込型マイコン２に組込まれるファームウェアで実行されるものである。
【００６１】
図８において、減算部７１は、モータ６の回転速度の目標値ωr(z)からモータ６の角速度（回転速度）ωm(z)を減算して誤差速度ωe(z)を出力する。減算部７１は、図１の速度比較部１２に相当する。
【００６２】
減算部７２は、減算部７１から入力される誤差速度ωe(z)から、遅延部７３で単位遅延された誤差速度ωe(z)を減算する。
【００６３】
微分演算部７４は、減算部７２の演算結果に微分ゲインKdを乗算して微分トルクTd(z)を算出する。
【００６４】
比例演算部７５は、減算部７１から入力される誤差速度ωe(z)に比例ゲインKpを乗算して比例トルクTp(z)を算出する。
【００６５】
加算部７６は、減算部７１から入力される誤差速度ωe(z)に、遅延部７３で単位遅延された誤差速度ωe(z)を加算する。
【００６６】
積分演算部７７は、加算部７６の演算結果に積分ゲインKiを乗算する。加算部７８は、積分演算部７７の演算結果に遅延部７９で単位遅延された積分トルクTi(z)を加算して、積分トルクTi(z)を算出する。
【００６７】
加算部８０は、微分トルクTd(z)と比例トルクTp(z)と積分トルクTi(z)とを加算して、ＰＩＤ出力トルクTm’(z)を算出する。ＰＩＤ出力トルクTm’(z)は、モータ６の回転速度を目標値ωr(z)にするために必要なトルクである。
【００６８】
減算部７２，遅延部７３，微分演算部７４，比例演算部７５，加算部７６，積分演算部７７，加算部７８，遅延部７９，および加算部８０による処理は、図１のＰＩＤ調整部１３による処理に相当する。
【００６９】
電流変換部８１は、ＰＩＤ出力トルクTm’(z)をトルク定数KTで割ることにより、モータ６に流す電流Im(z)’に変換する。
【００７０】
減算部８２は、電流変換部８１から入力される電流Im(z)’から、遅延部８３で単位遅延された電流Im(z)’を減算する。
【００７１】
インダクタンス電圧算出部８４は、減算部８２の演算結果にインダクタンス分の変換定数KLを乗算して、インダクタンス電圧Vl(z)を算出する。
【００７２】
巻線抵抗電圧算出部８５は、電流変換部８１から入力される電流Im(z)’に巻線抵抗分の変換定数KRを乗算して、巻線抵抗電圧Vr(z)を算出する。
【００７３】
逆誘起電圧算出部８６は、モータ６の角速度ωm(z)に誘起電圧定数KEを乗算して、逆誘起電圧Ve(z)を算出する。
【００７４】
加算部８７は、インダクタンス電圧Vl(z)と巻線抵抗電圧Vr(z)と逆誘起電圧Ve(z)とを加算して、同期整流方式によるモータ６の駆動電圧Vpm(z)’を算出する。
【００７５】
デューティ比算出部８８は、前述の式（１４）により、ＰＷＭ信号のデューティ比（PWM_Duty）を算出する。デューティ比のＰＷＭ信号により、モータ６が駆動される。
【００７６】
電流変換部８１、減算部８２、遅延部８３、インダクタンス電圧算出部８４、巻線抵抗電圧算出部８５、逆誘起電圧算出部８６、加算部８７、およびデューティ比算出部８８による処理は、図１の駆動電圧・デューティ比算出部１４による処理に相当する。
【００７７】
速度変換部８９は、速度検出器５から出力されるパルス信号（モータスピードパルス）をモータ６の角速度ωm(z)に変換する。角速度ωm(z)は、減算部７１および逆誘起電圧算出部８６へ出力される。速度変換部８９による処理は、図１のキャプチャユニット１７および回転速度検出部１８の処理に相当する。
【００７８】
次に、単純ＰＷＭ発生部１６でＰＷＭ信号を発生する動作について説明する。
【００７９】
キャリア信号発生部１５から単純ＰＷＭ発生部１６の比較器１９に入力されるキャリア信号は、図９に示すように、０からVps(s)の間の値をとる。
【００８０】
前述した式（１３）で算出されるＰＷＭ設定値Vpm(s)”も、０からVps(s)の間の値となる。モータ６の駆動電圧Vpm(s)’=0のとき、Vpm(s)”=Vps(s)/2となる。Vpm(s)’>0のとき、Vpm(s)”>Vps(s)/2となる。Vpm(s)’<0のとき、Vpm(s)”<Vps(s)/2となる。
【００８１】
比較器１９は、キャリア信号とＰＷＭ設定値Vpm(s)”とを比較し、ＰＷＭ設定値Vpm(s)”の値がキャリア信号の値を上回っている期間をハイレベル、ＰＷＭ設定値Vpm(s)”の値がキャリア信号の値を下回っている期間をローレベルとするＰＷＭ信号を発生する。
【００８２】
これにより、図９に示すように、Vpm(s)”>Vps(s)/2 のとき、すなわちVpm(s)’>0のとき、デューティ比が５０％より大きいＰＷＭ信号が生成される。また、Vpm(s)”=Vps(s)/2のとき、すなわちVpm(s)’=0のとき、デューティ比が５０％のＰＷＭ信号が生成される。Vpm(s)”<Vps(s)/2のとき、すなわちVpm(s)’<0のとき、デューティ比が５０％より小さいＰＷＭ信号が生成される。
【００８３】
このように、単純ＰＷＭ発生部１６は、キャリア信号とＰＷＭ設定値Vpm(s)”との単純な比較によりＰＷＭ信号を生成するので、短時間でＰＷＭ信号を生成できる。これにより、高精度なモータ６の回転速度制御や、目標速度指令に対する高速な応答性能が実現される。
【００８４】
単純ＰＷＭ発生部１６で生成されたＰＷＭ信号は駆動部３に入力され、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じてモータ６が駆動される。
【００８５】
ＰＷＭ信号により駆動制御されるモータ６に印加される電圧およびモータ６に流れる電流Imの波形の例を図１０、図１１に示す。図１０は、ＰＷＭ信号のデューティ比が９０％の場合のモータ６の印加電圧および電流Imの波形図の一例である。この場合、モータ６に正の電流Imが流れ、モータ６が正方向に回転する。図１１は、ＰＷＭ信号のデューティ比が１０％の場合のモータ６の印加電圧および電流Imの波形図の一例である。この場合、モータ６に負の電流Imが流れ、モータ６が逆方向に回転する。
【００８６】
次に、駆動制御装置１によるモータ６の回転速度制御と、モータ６のインダクタンス成分を無視した回転速度制御との比較について説明する。
【００８７】
モータ６のインダクタンス成分を無視した回転速度制御は、前述の式（１１）において、Vl(s)=0として駆動電圧Vpm(s)’を算出するものである。
【００８８】
図１２、図１３は、駆動制御装置１によるモータ６の回転速度制御のシミュレーション結果を示す図である。図１４、図１５は、モータ６のインダクタンス成分を無視した比較例の回転速度制御のシミュレーション結果を示す図である。図１２、図１４は、モータ６の角速度ωmおよび誤差速度ωeの推移を示している。図１３、図１５は、ＰＷＭ信号のデューティ比およびモータ６に流れる電流Imの推移を示している。
【００８９】
図１２では、図１４と比較して、一点鎖線で囲んだ部分に現れている、速度変化点での誤差速度ωeが小さくなっている。また、図１３では、図１５と比較して、ＰＷＭ信号のデューティ比およびモータ６に流れる電流Imの遷移がシャープになっている。
【００９０】
このように、駆動制御装置１では、インダクタンス成分を考慮することで、インダクタンスによる電流の電圧に対する積分遅れによる応答性能の低下が抑えられる。
【００９１】
次に、駆動制御装置１におけるモータ６の回転速度制御性能の実証データを図１６〜図２３に示す。
【００９２】
図１６、図１７は、正方向の回転時における回転速度ムラ比率Wowの計測データである。図１６、図１７は、互いに異なる目標値ωrに対する回転速度ムラ比率Wowの計測データである。図１８、図１９は、逆方向の回転時における回転速度ムラ比率Wowの計測データである。図１８、図１９は、互いに異なる目標値ωrに対する回転速度ムラ比率Wowの計測データである。図２０〜図２３は、それぞれ図１６〜図１９の回転速度ムラ比率WowをＦＦＴ解析した結果を示す図である。
【００９３】
ここで、回転速度ムラ比率Wow[%]は、以下の式（１５）で表されるものである。
【００９４】
Wow=(ωm-ωr)・100/ωr  …（１５）
図２０〜図２３に示すように、正回転、逆回転ともに、角速度ωmが100rad/sec以上において回転速度ムラ比率Wowが0.1%[rms]以下であることが確認された。このように、駆動制御装置１では、高精度な回転速度制御性能が得られた。
【００９５】
次に、４種類の運転パターン（運転パターンＡ〜Ｄ）におけるモータ６の角速度ωmおよび誤差速度ωeの計測データを図２４〜図２７に示す。また、運転パターンＡ〜Ｄにおけるモータ６に流れる電流Imの計測データを図２８〜図３１に示す。
【００９６】
運転パターンＡは、正回転状態→停止状態→逆回転状態となるパターンである。運転パターンＢは、逆回転状態→瞬間停止→正回転状態となるパターンである。運転パターンＣは、高速正回転状態と低速正回転状態との間で切り替わるパターンである。運転パターンＤは、高速逆回転状態と低速逆回転状態との間で切り替わるパターンである。
【００９７】
図２４〜図３１に示すように、すべての運転パターンＡ〜Ｄにおいて、目標速度指令（目標値ωr）に対して１〜数msec程度での高速な応答性能が得られた。
【００９８】
以上説明したように、駆動制御装置１では、駆動電圧・デューティ比算出部１４は、ＰＩＤ調整部１３で算出されたトルク、モータ６の回転速度、およびモータ６の電気的仕様（電気的パラメータ）に基づき、同期整流方式によるモータ６の駆動電圧を算出する。また、駆動電圧・デューティ比算出部１４は、算出した駆動電圧に基づき、同期整流方式におけるＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。これにより、モータ電流負帰還ループを構成することなく、誤差速度に応じたデューティ比を設定できる。したがって、駆動制御装置１によれば、モータ電流負帰還ループを構成するための電流検出器やＡＤ変換器を省略でき、ハードウェア構成を簡素化できる。
【００９９】
駆動電圧を算出するために用いるモータ６の電気的仕様（電気的パラメータ）には、モータ６のインダクタンス（電機子巻線インダクタンスLa）が含まれるので、インダクタンスによる電流の積分遅れによる応答性能の低下が抑えられる。
【０１００】
また、駆動制御装置１では、単純ＰＷＭ発生部１６は、キャリア信号とＰＷＭ設定値との比較により、設定されたデューティ比のＰＷＭ信号を発生する。このため、モータ電流負帰還ループを用いた構成で生じるような、モータに流れる電流を検出しながらＰＷＭ信号のデューティ比を追従収束する処理による遅れが生じない。このため、短時間でＰＷＭ信号を生成できる。この結果、高精度な回転速度制御や、目標速度指令に対する俊敏な応答が可能になる。
【０１０１】
また、駆動制御装置１によれば、制御系全体をデジタル化でき、自由度の高いファームウェアによる速度制御（完全デジタルプログラマブルサーボ）システムを構築できる。
【０１０２】
本発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１  駆動制御装置
２  組込型マイコン
３  駆動部
４  電源部
５  速度検出器
６  モータ
１１  速度設定部
１２  速度比較部
１３  ＰＩＤ調整部
１４  駆動電圧・デューティ比算出部
１５  キャリア信号発生部
１６  単純ＰＷＭ発生部
１７  キャプチャユニット
１８  回転速度検出部
１９  比較器
２１  プリドライバ
２２  Ｈブリッジ回路
ＳＷ１〜ＳＷ４  スイッチ素子
【図１】
0006581815.tif 000002
【図２】
0006581815.tif 000003
【図３】
0006581815.tif 000004
【図４】
0006581815.tif 000005
【図５】
0006581815.tif 000006
【図６】
0006581815.tif 000007
【図７】
0006581815.tif 000008
【図８】
0006581815.tif 000009
【図９】
0006581815.tif 000010
【図１０】
0006581815.tif 000011
【図１１】
0006581815.tif 000012
【図１２】
0006581815.tif 000013
【図１３】
0006581815.tif 000014
【図１４】
0006581815.tif 000015
【図１５】
0006581815.tif 000016
【図１６】
0006581815.tif 000017
【図１７】
0006581815.tif 000018
【図１８】
0006581815.tif 000019
【図１９】
0006581815.tif 000020
【図２０】
0006581815.tif 000021
【図２１】
0006581815.tif 000022
【図２２】
0006581815.tif 000023
【図２３】
0006581815.tif 000024
【図２４】
0006581815.tif 000025
【図２５】
0006581815.tif 000026
【図２６】
0006581815.tif 000027
【図２７】
0006581815.tif 000028
【図２８】
0006581815.tif 000029
【図２９】
0006581815.tif 000030
【図３０】
0006581815.tif 000031
【図３１】
0006581815.tif 000032