(57)【要約】【課題】量子化ノイズの増大に伴う印加電圧の制御精度の低下を抑制し、モータ速度の制御精度を高める。【解決手段】駆動指令信号からモータに供給する駆動電圧信号を形成する際に、ＰＷＭ変調を行う前に低階調化およびノイズシェーピング変調を行う。低階調化によって、駆動電圧信号の階調度をＰＷＭ変調の分解能の範囲内とし、駆動電圧信号が高周波数であってもＰＷＭ変調を可能とする。ノイズシェーピング変調によって、駆動電圧信号に含まれるデジタル化による量子化ノイズを高周波数帯域側に偏重させて低周波数帯域側の量子化ノイズのレベルを低減する。低階調化による変調信号の内、高周波数帯域側の成分をカットし、低周波数帯域側の成分を用いることによって量子化ノイズを抑制し、モータに印加する駆動電圧を高精度で制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動指令信号に基づいてモータへ供給する駆動電圧信号を形成するモータ駆動電圧制御装置において、
前記駆動電圧信号の階調度を下げると共に、量子化ノイズを高周波数帯域に偏重させるノイズシェーピング変調を行う低階調部と、
前記低階調部で形成した低階調度の駆動電圧信号の振幅をパルス幅に変調するＰＷＭ変調部とを備え、
前記低階調部は、
前記駆動電圧信号の階調度を前記ＰＷＭ変調部の分解能の範囲内に低階調化し、
前記ノイズシェーピング変調によって、量子化ノイズの周波数分布を前記モータのインダクタンスを含むローパスフィルタの遮断周波数よりも高周波数側に偏重し、
前記ＰＷＭ変調部は、前記低階調部によって低階調化すると共に量子化ノイズを高周波数側に偏重した駆動電圧信号をモータに供給することを特徴とする、モータ駆動電圧制御装置。
【請求項２】
前記ＰＷＭ変調部で形成した駆動電圧信号の電圧値を高電圧化する高電圧化部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のモータ駆動電圧制御装置。
【請求項３】
前記低階調部の前段に前記駆動指令信号の周波数を高める高周波数化部を備え、
前記高周波数化部は、前記駆動指令信号の周波数を、前記ローパスフィルタによる平滑化が可能な高周波数に高めることを特徴とする、請求項１又は２に記載のモータ駆動電圧制御装置。
【請求項４】
前記高周波数化部は、前記ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数で前記駆動指令信号をオーバーサンプリングすることを特徴とする、請求項３に記載のモータ駆動電圧制御装置。
【請求項５】
前記低階調部は、ΔΣ変調器であることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動電圧制御装置。
【請求項６】
駆動指令信号に基づいてモータへ供給する駆動電圧信号を形成するモータ駆動電圧制御方法において、
前記駆動電圧信号の階調度を下げると共に、量子化ノイズを高周波数帯域に偏重させるノイズシェーピング変調を行う低階調工程と、
前記低階調工程で形成した低階調度の駆動電圧信号の振幅をパルス幅に変調するＰＷＭ変調工程とを備え、
前記低階調工程は、
前記駆動電圧信号の階調度を前記ＰＷＭ変調部の分解能の範囲内に低階調化し、
前記ノイズシェーピング変調によって、量子化ノイズの周波数分布を前記モータのインダクタンスを含むローパスフィルタの遮断周波数よりも高周波数側に偏重し、
前記ＰＷＭ変調工程は、前記低階調工程によって低階調化すると共に量子化ノイズを高周波数側に偏重した駆動電圧信号をモータに供給することを特徴とする、モータ駆動電圧制御方法。
【請求項７】
前記ＰＷＭ変調工程で形成した駆動電圧信号の電圧値を高電圧化する高電圧化工程を備えることを特徴とする、請求項６に記載のモータ駆動電圧制御装置。
【請求項８】
前記低階調工程の前段に前記駆動指令信号の周波数を高める高周波数化工程を備え、
前記高周波数化工程は、前記駆動指令信号の周波数を、前記ローパスフィルタによる平滑化が可能な高周波数に高めることを特徴とする、請求項６又は７に記載のモータ駆動電圧制御方法。
【請求項９】
前記高周波数化工程は、前記ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数で前記駆動指令信号をオーバーサンプリングすることを特徴とする、請求項８に記載のモータ駆動電圧制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動に関し、モータに供給する駆動電圧の量子化ノイズの低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの回転速度制御を、モータに印加する電圧の振幅をＰＷＭ制御により行うことが知られている。ＰＷＭ制御では、モータ駆動を制御する制御信号の振幅をパルス幅に変調し、ＰＷＭ変調した駆動電圧信号をモータに印加することによってモータに供給する電力を制御し、これによって回転速度を制御する。【０００３】
図４（ａ）は、ＰＷＭ制御によるモータ制御の概略図である。図４（ａ）に示すモータのＰＷＭ制御では、ＰＷＭ変調部１０１において回転を制御する駆動指令信号の振幅をパルス幅にＰＷＭ変調し、ＰＷＭ変調した変調信号をモータ２０に印加する。【０００４】
ＰＷＭ制御によるモータ制御では、駆動電圧のリップル分によって回転速度が変動するという問題が知られている。【０００５】
ＰＷＭ変調で得られた駆動電圧（ＰＷＭ信号）をモータに印加すると、モータでは平滑化された駆動電流が流れる。このとき、モータの駆動電流は、ＰＷＭ信号である駆動電圧の変化に追従する際の変動によってリップル分が生じる。この駆動電流のリップル分は、駆動電圧の高電圧化に伴って増大する。図６（ａ），（ｂ）はＰＷＭ変調の際に発生するリップル分を説明するための図である。駆動電圧の振幅が小さい場合には、電圧変動分が小さいためリップル分も小さいが、駆動電圧の振幅が大きい場合には、電圧変動分が大きいためリップル分が増大する。図６（ａ），（ｂ）中の破線はリップル分の一例を示している。【０００６】
モータ制御において、ΔΣ変調を利用することによってトルクリップルを低減する技術が知られている（特許文献１）。【０００７】
特許文献１に開示されるものは、ＰＷＭ変調によるモータ駆動において、ΔΣ変調の出力信号を、コイルに印加する電圧のタイミングで負帰還することによって、ＰＷＭ回路を構成するコンパレータやＭＯＳＦＥＴのスイッチング遅れによるオフセットで現れるトルクリップルを低減する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３４４７８０号公報（段落[0007］，段落［0010］）
【０００９】
【特許文献２】特開２００３−１２４８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
デジタル処理による駆動指令信号のＰＷＭ変調では、駆動指令信号の振幅の分解能はクロック周期に依存しクロック周期の幅に制限される。クロック周期の幅を最小単位とするため、分解能をクロック周期よりも小さくすることができない。そのため、変調されたＰＷＭ変調信号には、ＰＷＭ変調による量子化時に量子化ノイズが含まれるという問題がある。量子化ノイズは、信号振幅を量子化した際に生じる振幅誤差であり、量子化ステップ幅の１／２である。【００１１】
ＰＷＭ制御によるモータの速度制御では、量子化ノイズによって制御精度が低下するという問題がある。量子化ノイズによるモータの制御精度の低下について、図４（ｂ）を用いて説明する。【００１２】
量子化ノイズが増大する要因として、例えば以下の２つの要因がある。
要因１：第１の要因は、駆動指令信号の電圧変化幅が大きいことによるものである。ＰＷＭの分解能が固定である場合には駆動指令信号を表すビット数が抑制されるため、量子化ノイズは駆動指令信号の電圧変化幅が大きい程大きくなる。【００１３】
要因２：第２の要因は、ＰＷＭの高周波化に伴うＰＷＭの分解能の低下によるものである。【００１４】
ＰＷＭ制御では、パルス電圧をモータに印加したとしても、モータのコイルのインダクタンスによって平滑化された電流がモータに流れることになり、なめらかな動作を得ることができる。しかしながら、パルス電圧の変動幅が大きいために平滑化が間に合わずトルクリップルが生じてしまう場合には、ＰＷＭ制御の周波数を高周波数化して高め、信号間のパルス電圧の変動幅を抑える必要がある。ＰＷＭ制御の周波数を高めるには、電子回路の処理速度に制限があるためＰＷＭの分解能を下げる必要がある。ＰＷＭの分解能の低下は量子化ノイズを増大させる要因となる。【００１５】
ＰＷＭ変調において、変調を行う周期間隔は、一周期内のクロック数（分解能）とクロック周期との積で表される関係にあるため、クロック周期が一定である場合には、高周波化によって変調の周期間隔が短縮されると、一周期内のパルス数（分解能）は減少する。分解能は階調数と関連性があり、低い分解能では高い階調数を設定することが困難であるため、高周波化は量子化ノイズを増大する要因となる。【００１６】
図５はＰＷＭ変調の周期間隔と分解能との関係を説明するための図である。図５（ａ）〜（ｃ）はＰＷＭ変調の変調周波数が低周波数である場合を示し、図５（ｄ）〜（ｆ）はＰＷＭ変調の変調周波数が高周波数である場合を示している。【００１７】
図５（ａ），（ｄ）はＰＷＭ変調の変調を行う周期間隔を示し、図５（ｂ），（ｅ）は一周期間隔内の一パルスを示し、図５（ｃ），（ｆ）は一周期間隔内のクロックを示している。【００１８】
高周波化することによって周期間隔は縮められるため（図５（ａ），（ｄ））、クロック周期が一定である場合には、一周期内のクロック数は減少する（図５（ｃ），（ｆ））。一周期内のクロック数は分解能に関連しているため、高周波化によって分解能は低下する。【００１９】
高出力が求められる産業機械やロボット等で用いられるモータでは、高いモータ出力を得るためにモータへの印加電圧を高電圧化することが求められる場合がある。この高電圧化は、上記した２つの要因において、さらに量子化ノイズを増加させる。【００２０】
第１の要因において、駆動指令信号を高電圧化すると電圧変化幅が大きくなり、量子化ノイズを増大させることになる。【００２１】
また、第２の要因において、駆動指令電圧の高電圧化に伴うリップル分の増大の影響を低減するために、ＰＷＭ変調の変調周波数を高周波化することが考えられる。【００２２】
図６（ｃ），（ｄ）は変調周波数を高周波化することによるリップル分の低減を説明するための図である。図６（ｃ）はＰＷＭ変調の変調周波数が低い場合を示し、図６（ｄ）はＰＷＭ変調の変調周波数が高い場合を示している。変調周波数が高い場合のリップル分ｒＨ（図６（ｄ））は、変調周波数が低い場合のリップル分ｒＬ（図６（ｃ））よりも、周期間隔を短くため低減される。【００２３】
この高周波化によるリップル分の低減は、第２の要因による量子化ノイズの増大をより高めることになる。【００２４】
量子化ノイズの増大は、モータに印加する印加電圧の制御精度を低下させ、さらにモータ速度の制御精度を低下させることになる。【００２５】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、量子化ノイズの増大に伴う印加電圧の制御精度の低下を抑制し、モータ速度の制御精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、駆動指令信号からモータに供給する駆動電圧信号を形成する際に、ＰＷＭ変調を行う前に低階調化およびノイズシェーピング変調を行う。低階調化によって、駆動電圧信号の階調度をＰＷＭ変調の分解能の範囲内とし、駆動電圧信号が高周波数であってもＰＷＭ変調を可能とする。【００２７】
ノイズシェーピング変調を行うことによって、駆動電圧信号に含まれるデジタル化による量子化ノイズを高周波数帯域側に偏重させて低周波数帯域側の量子化ノイズのレベルを低減する。低階調化による変調信号の内、高周波数帯域側の成分をカットし、低周波数帯域側の成分を用いることによって量子化ノイズを抑制する。量子化ノイズを抑制することによって、モータに印加する駆動電圧を高精度で制御する。この量子化ノイズの抑制効果は、駆動電圧を高電圧化した場合により大きな効果を奏することができる。【００２８】
ノイズシェーピング変調によって高周波数帯域側に偏重された量子化ノイズは、モータが備えるコイルのインダクタンスによるローパスフィルタで除去することができるため、モータが備えコイルをモータ自体の構成要素とすることに加えて、ローパスフィルタの構成要素として活用することができる。ノイズシェーピング変調は例えばΔΣ変調を用いることができる他、他の変調方式によることもできる（例えば、特許文献２）。【００２９】
本願発明は、モータ駆動電圧制御装置とモータ駆動電圧制御方法の二つの態様とすることができる。【００３０】
本願発明のモータ駆動電圧制御装置の態様は、駆動指令信号に基づいてモータへ供給する駆動電圧信号を形成するモータ駆動電圧制御装置において、駆動電圧信号の階調度を下げると共に、量子化ノイズを高周波数帯域に偏重させるノイズシェーピング変調を行う低階調部と、低階調部で形成した低階調度の駆動電圧信号の振幅をパルス幅に変調するＰＷＭ変調部とを備える。【００３１】
低階調部は、駆動電圧信号の階調度をＰＷＭ変調部の分解能の範囲内に低階調化し、ノイズシェーピング変調によって、量子化ノイズの周波数分布をモータのインダクタンスを含むローパスフィルタの遮断周波数よりも高周波数側に偏重する。【００３２】
ＰＷＭ変調部は、低階調部によって低階調化すると共に量子化ノイズを高周波数側に偏重した駆動電圧信号をモータに供給する。【００３３】
駆動電圧信号の高周波数帯域側に偏重された量子化ノイズは、モータのインダクタンスが構成するローパスフィルタによりカットされ、モータに供給される駆動電圧信号の量子化ノイズは低減される。【００３４】
本発明のモータ駆動電圧制御装置は、ＰＷＭ変調部で形成した駆動電圧信号の電圧値を高電圧化する高電圧化部を備える構成とすることができ、高電圧化部で電圧を高めた駆動電圧信号をモータに供給することによってモータの出力を高めることができる。【００３５】
本発明のモータ駆動電圧制御装置は、低階調部の前段に駆動指令信号の周波数を高める高周波数化部を備える構成とすることができる。高周波数化部は駆動指令信号の周波数を高めることによって、ローパスフィルタによる平滑化を可能とすることができる。【００３６】
本発明の高周波数化部は、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数で駆動指令信号をオーバーサンプリングする構成とすることができる。【００３７】
通常、ＰＷＭ変調による駆動制御において、駆動指令信号は、ローパスフィルタの遮断周波数より高い周波数成分はローパスフィルタで遮断される。したがって、デジタル化した駆動指令信号の周波数上の設定では、ローパスフィルタの遮断周波数より低い周波数で、かつ必要な精度が得られる周波数成分を設定することで足りる。【００３８】
しかしながら、駆動指令信号がローパスフィルタの遮断周波数よりも低い周波数で送られてきた場合、駆動指令信号をノイズシェーピングしたとしても、遮断周波数よりも高周波数側に量子化ノイズを偏重させることができず、量子化ノイズの低減効果はない。【００３９】
そのため、駆動指令信号の周波数域の高周波数成分がローパスフィルタの遮断周波数よりも低く設定されている場合には、オーバーサンプリングによって駆動指令信号をローパスフィルタの遮断周波数より低い周波数成分を高周波数でサンプリングすることによって、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数成分を取得した後、取得した駆動電圧信号をノイズシェーピング変調によってローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数に量子化ノイズを偏重させて低階調化し、偏重させた高周波数域のノイズをローパスフィルタで除去できるようにする。【００４０】
一方、駆動指令信号が高い周波数でサンプリングされており、駆動指令信号の周波数域の高周波数成分がローパスフィルタの遮断周波数よりも高く設定されている場合には、オーバーサンプリングを行う必要はないため、駆動指令信号をオーバーサンプリングすること無くそのままノイズシェーピング変調によってローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数に量子化ノイズを偏重させて低階調化し、偏重させた高周波数域のノイズをローパスフィルタで除去できるようにする。【００４１】
本発明の低階調部は、低階調化とノイズシェーピング変調を行う構成としてΔΣ変調器を用いることができる。ノイズシェーピング変調は、ΔΣ変調に限らず他の変調方式によることもできる。【００４２】
ΔΣ変調は、積分器を通した出力を入力に帰還させる構成によって量子化ノイズの周波数分布を高周波数側に偏らせる構成によってノイズシェーピング変調を行い、変調信号を量子化する量子化手段によって低階調化を行うことができる。【００４３】
本願発明のモータ駆動電圧制御方法の態様は、駆動指令信号に基づいてモータへ供給する駆動電圧信号を形成するモータ駆動電圧制御方法において、駆動指令信号の階調度を下げると共に、量子化ノイズを高周波数帯域に偏重させるノイズシェーピング変調を行う低階調工程と、低階調工程で形成した低階調度の駆動指令信号の振幅をパルス幅に変調するＰＷＭ変調工程とを備える。【００４４】
低階調工程は、駆動指令信号の階調度をＰＷＭ変調部の分解能の範囲内に低階調化し、ノイズシェーピング変調によって、量子化ノイズの周波数分布を前記モータのインダクタンスを含むローパスフィルタの遮断周波数よりも高周波数側に偏重する。【００４５】
ＰＷＭ変調工程は、低階調工程によって低階調化すると共に量子化ノイズを高周波数側に偏重した駆動電圧信号をＰＷＭ変調して駆動電圧信号を生成し、モータに供給する。ＰＷＭ変調工程で得られた駆動電圧信号をモータのインダクタンスに通し、インダクタンスが構成するローパスフィルタにより駆動電圧信号の高周波数側に偏重された量子化ノイズをカットし、モータに供給する駆動電圧信号の量子化ノイズを低減する。【００４６】
本発明のモータ駆動電圧制御方法は、ＰＷＭ変調工程で形成した駆動電圧信号の電圧値を高電圧化する高電圧化工程を備える。【００４７】
本発明のモータ駆動電圧制御方法は、低階調工程の前段に駆動指令信号の周波数を高める高周波数化工程を備える。高周波数化工程は、駆動指令信号の周波数を、ローパスフィルタによる平滑化が可能な高周波数に高める。【００４８】
本発明の高周波数化工程は、低階調工程よりも前工程において、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数で駆動指令信号をオーバーサンプリングすることで行うことができる。【００４９】
駆動指令信号の周波数域の高周波数帯域がローパスフィルタの遮断周波数よりも低く設定されている場合には、オーバーサンプリングによってローパスフィルタの遮断周波数より低周波数の駆動指令信号を高周波数でサンプリングし、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数成分を取得する。【００５０】
駆動指令信号がローパスフィルタの遮断周波数よりも低い周波数で送られてきた場合、駆動指令信号をノイズシェーピングしたとしても、遮断周波数よりも高周波数側に量子化ノイズを偏重させることができず、量子化ノイズの低減効果はなくなるという問題が生じるが、駆動指令信号をオーバーサンプリング等によって高周波数化することによってこの問題を解消することができる。【００５１】
駆動指令信号が高い周波数でサンプリングされ、駆動指令信号の周波数域の高周波数帯域がローパスフィルタの遮断周波数よりも高く設定されている場合には、オーバーサンプリング等によって高周波数化を行う必要はないため、高周波数化工程を行うこと無く、駆動指令信号をそのまま低階調工程によって低階調化する。【００５２】
高周波数化工程は、量子化ノイズが分布する周波数帯域を広げる。量子化ノイズは周波数帯域において均等に分布するため、オーバーサンプリング等で高周波数化した後の駆動指令信号を低階調化させることで、低周波数域における量子化ノイズのレベルを通常のサンプリングレートで行った場合より低下させることができる。【００５３】
本願発明のモータ駆動電圧制御の装置および方法によれば、駆動指令信号に基づいてモータへ供給する駆動電圧信号を形成するモータ駆動電圧制御において、駆動指令信号を高周波数でサンプリングして高周波化した駆動電圧信号の階調信号を形成することができる。リップルの幅を縮小させ量子化ノイズを低下させるために、ＰＷＭ信号の階調を下げて高周波させることになるが、高い周波数によって階調化した駆動電圧信号を形成することによって、元の駆動電圧信号の周波数がＰＷＭ変調の周波数よりも低い場合でも、利用するＰＷＭ変調の周波数まで駆動電圧信号を高めることができる。【００５４】
コントローラ等から得られる駆動指令信号が、当初から高い周波数によって階調化されている場合には、サンプリング等による高周波化は不要とすることができる。【００５５】
駆動指令信号の階調信号をＰＷＭ変調する前に低階調化する。低階調化された変調信号は、低階調化のノイズシェーピング変調によって量子化ノイズが高周波数側に偏重され、低周波数側の量子化ノイズのレベルは低減される。さらに、低階調化において、変調信号の階調数を低減し、駆動指令信号よりも低い階調度の駆動電圧信号を形成する。階調度を下げることで高周波化した駆動指令信号についてＰＷＭ変調を行う回路の処理能力に対応させることができる。【００５６】
低階調化された駆動指令信号をＰＷＭ変調して駆動電圧信号を生成した後にローパスフィルタに通すことによって、低階調化のノイズシェーピングで高周波数側に偏重された量子化ノイズをカットし、モータに供給する駆動電圧信号の量子化ノイズを低周波数側のみとする。低周波数側の量子化ノイズは、低階調化のノイズシェーピングによって低減されているため、モータに印加される量子化ノイズは低減されたものとなる。ローパスフィルタは、モータのインダクタンスを利用することができる。【００５７】
本発明の態様によれば、リップル分を抑制するために行うＰＷＭ変調信号を高周波化する際、この高周波化に伴って生じる量子化ノイズの増大を抑制することができ、これによって、モータに印加する電圧制御を高精度化することができる。
【発明の効果】
【００５８】
以上説明したように、本発明のモータ駆動電圧制御装置およびモータ駆動電圧制御方法によれば、モータ制御の高電圧化において、量子化ノイズの増大に伴う印加電圧の制御精度の低下を抑制し、モータ速度の制御精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、本願発明のモータ駆動電圧制御の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本願発明のモータ駆動電圧制御の各部の量子化ノイズを説明するための図である。
【図３】図３は、本願発明のモータ駆動電圧制御のΔΣ変調の回路構成例を説明するための図である。
【図４】図４は、ＰＷＭ制御によるモータ制御の概略図、量子化ノイズの増大を説明するための図である。
【図５】図５は、信号の階調数と量子化ステップ幅およびノイズ量子化ノイズの関係を示す図である。
【図６】図６は、ＰＷＭ制御によるリップル分を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、本発明の速度測定装置の構成例について、図１〜図３を用いて説明する。
【００６１】
図１〜３は本願発明のモータ駆動電圧制御の構成例を説明するための図であり、図１は概略構成を示す図であり、図２は各部の量子化ノイズを説明するための図であり、図３はΔΣ変調の回路構成例を説明するための図である。
【００６２】
［本願発明の構成例］
本願発明のモータ駆動電圧制御の構成例について説明する。図１（ａ）はコントローラ等から入力される駆動指令信号が、モータ側のローパスフィルタの遮断周波数以下の周波数の場合の構成例を示し、図１（ｂ）はコントローラ等から入力される駆動指令信号が、モータ側のローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数の場合の構成例を示している。
【００６３】
図１（ａ）において、モータ駆動電圧制御装置１は、コントローラ２から駆動指令信号を高周波数化する高周波数化部３と、高周波数化した駆動指令信号の階調を低階調化すると共にノイズシェーピングを行う低階調部４と、低階調部４の出力の振幅をパルス幅変調して駆動電圧信号を生成するＰＷＭ変調部５とを備え、ＰＷＭ変調部５で生成した駆動電圧信号をモータ２０に印加することで駆動指令信号に基づく駆動制御を行う。
【００６４】
ＰＷＭ変調部５に高電圧化部６を接続する構成としてもよい。この高電圧化部６で高電圧化した駆動電圧信号をモータ２０に供給することによってモータを高出力化することができる。
【００６５】
図１（ｂ）に示すモータ駆動電圧制御装置１は、コントローラ２と低階調部４との間に設けた高周波数化部３を省いた構成を示し、その他の構成は図１（ａ）に示した構成と同様である。高周波数化部３は、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数でサンプリングするオーバーサンプリングを行う回路で構成することができる。
【００６６】
モータを駆動する駆動電圧信号は、モータのインダクタンスがローパスフィルタとして働くため、このローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数成分は除去されてしまい、モータ駆動に供されない。したがって、コントローラ等から入力される駆動指令信号は、このローパスフィルタの遮断周波数より低い周波数帯域において、モータ制御に必要な精度が得られる周波数特性であれば足りる。
【００６７】
しかしながら、駆動指令信号がローパスフィルタの遮断周波数よりも低い周波数で送られてきた場合、駆動指令信号をノイズシェーピングしたとしても、遮断周波数よりも高周波数側に量子化ノイズを偏重させることができず、量子化ノイズの低減効果はない。
【００６８】
そのため、駆動指令信号の周波数がローパスフィルタの遮断周波数よりも低く設定されている場合には、駆動指令信号を高周波数でオーバーサンプリングすることによって、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数とした後、ノイズシェーピング変調によって量子化ノイズを高周波数帯域に偏重させて低階調化する。
【００６９】
図１（ａ）に示す構成は、この駆動指令信号の周波数域の高周波数帯域がローパスフィルタの遮断周波数よりも低く設定されている場合に適用される構成を示している。高周波数化部３は、駆動指令信号の周波数をローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数に高周波数化する。
【００７０】
一方、駆動指令信号がモータのインダクタンスで形成されるローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数の場合には、オーバーサンプリング等によって高周波数化する必要がないため、高周波数化部３を省いた構成とすることができる。図１（ｂ）に示す構成は、この駆動指令信号の周波数がローパスフィルタの遮断周波数よりも高く設定されている場合に適用される構成を示している。
【００７１】
高周波数化部３は、低階調部４よりも前段階において駆動指令信号を高周波数でサンプリングし、高周波数で階調化して高周波化した駆動指令信号を形成する。駆動指令信号はコントローラ２から入力される。駆動指令信号は、ロボットの腕や脚等や産業機械の駆動機構を駆動するモータを駆動する指令信号とすることができるが、これに限られるものではない。
【００７２】
この駆動指令信号の高周波化は、量子化を行うクロック間隔を縮めることで行うことができ、ＰＷＭ信号のパルスの周期幅を縮めることによって、モータ駆動時における駆動電流のリップル幅を低減する。高周波化を行う周波数はＰＷＭ周波数程度を用いることができる。
【００７３】
高周波数化部３は例えばオーバーサンプリング回路とすることができ、コントローラ２からの駆動指令信号の周波数域において、高周波数成分がモータ２０側のローパスフィルタの遮断周波数よりも低く設定されている場合には、高周波数化部３は駆動指令信号を高周波数でオーバーサンプリングし、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数を取得する。
【００７４】
駆動指令信号がローパスフィルタの遮断周波数よりも低い周波数で送られてきた場合、駆動指令信号をノイズシェーピングしたとしても、遮断周波数よりも高周波数側に量子化ノイズを偏重させることができず、量子化ノイズの低減効果はないという問題が生じる。この問題に対して、高周波数化部３において駆動指令信号を高周波数化し、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数を取得する。これによって、ノイズシェーピングにおいて、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数域にノイズを偏重させることができ、ゆえにモータのローパスフィルタにおいて高周波数域に偏ったノイズを除去することができる。
【００７５】
なお、コントローラからの駆動指令信号が高い周波数でサンプリングされており、ローパスフィルタの遮断周波数よりも高く設定されている場合においては、高周波数化部３においてオーバーサンプリング等によって高周波数化する必要はない。このような場合には、高周波数化すること無く、駆動指令信号を低階調部４でノイズシェーピング変調して低階調化する。
【００７６】
したがって、高周波数化部３は、コントローラ２からの駆動指令信号の周波数によって選択的に配置することができ、駆動指令信号の周波数がローパスフィルタの遮断周波数よりも低く設定されている場合には、高周波数化部３を低階調部４よりも前の段階に配置し、駆動指令信号の周波数がローパスフィルタの遮断周波数よりも高く設定されている場合には、低階調部４の配置を不要とすることができる。
【００７７】
また、高周波数化部３が行う高周波化において、ＰＷＭ搬送周波数でのオーバーサンプリング処理を行うことで、最も効率良く量子化ノイズを減らすことができる。
【００７８】
低階調部４は、高周波数化部３で高周波数化した駆動指令信号を低階調化する。低階調部４は、駆動指令信号の階調度をＰＷＭ変調部５の分解能の範囲内に低階調化し、ノイズシェーピング変調によって、量子化ノイズの周波数分布をモータのインダクタンスを含むローパスフィルタの遮断周波数よりも高周波数側に偏重する。低階調部４は例えばΔΣ変調によって行うことができる。高周波数化部３等のデジタル化処理によって発生する量子化ノイズは、サンプリング周波数の半分の周波数帯域内において、均一レベルで分散する。
【００７９】
低階調部４のノイズシェーピング変調は、量子化ノイズを高周波数帯域側に偏らせ、低周波数帯域側の量子化ノイズのレベルを低下させる。発生する量子化ノイズのエネルギーは一定であるため、量子化ノイズを高周波数帯域側に偏らせ低周波数帯域側の量子化ノイズのレベルを低下させる分布形状とすることによって、低周波数帯域側の量子化ノイズのレベルの絶対量は低減される。
【００８０】
低階調部４の変調信号の階調数は低階調化によって低減され、コントローラ２からの駆動指令信号よりも低い階調度の駆動電圧信号が形成される。
【００８１】
低階調部４で低階調化およびノイズシェーピング変調された駆動指令信号は、ＰＷＭ変調部５でＰＷＭ変調され、高電圧化部６で高電圧化された後にモータ２０に印加される構成とする他、高電圧化部６を経ることなく直接にモータ２０に印加さえ構成としてもよい。
【００８２】
ＰＷＭ変調部５は、低階調部４で低階調化され量子化ノイズを高周波数側に偏重された駆動電圧信号をモータ２０に供給する。
【００８３】
モータ２０が備えるコイルのインダクタンスはローパスフィルタ２１を構成し、印加された駆動電圧信号の高周波数成分をカットし、量子化ノイズを低周波数成分のみとする。
【００８４】
高電圧化部６は、ＰＷＭ変調部５から出力される駆動電圧信号の信号電圧を高電圧化する。駆動電圧信号の電圧を高めることによって、駆動電圧信号の設定範囲を広げ、モータ駆動を高い精度での制御を可能とする。
【００８５】
次に、各部の量子化ノイズについて説明する。図２（ａ）は駆動指令信号および駆動指令信号を高周波数化した駆動指令信号の量子化ノイズを示し、図２（ｂ）はノイズシェーピング変調した後の駆動指令信号の量子化ノイズを示し、図２（ｃ）はローパスフィルタを通した後の駆動電圧信号の量子化ノイズを示している。
【００８６】
図２（ａ）において、駆動指令信号の量子化ノイズ（図中の破線で示す）は、オーバーサンプリング等の高周波化を行うことによって、図中の実線および斜線を施した部分で示すように高周波数帯域に広がると共にレベルが低下する。なお、高周波数化した段階では、量子化ノイズの周波数レベルは周波数に対して均一である。
【００８７】
図２（ｂ）において、ノイズシェーピング変調を行うことによって、量子化ノイズは高周波数帯域側に偏重された周波数分布となる。図中の破線は駆動指令信号の偏重された量子化ノイズを示し、図中の実線および斜線を施した部分は高周波数化された駆動指令信号の量子化ノイズを示している。ノイズシェーピング変調によって、量子化ノイズのレベルは高周波数帯域側が高く低周波数帯域側のレベルは低くなる。図２（ｂ）に示す量子化ノイズの分布はリニアに変化する例を示しているがこの例は一例であり、量子化ノイズの周波数の高周波数側に偏重される分布形状はΔΣ変調を構成する回路特性によって異なる分布形状を示す。
【００８８】
図２（ｃ）は、ローパスフィルタを通過した後の駆動電圧信号の量子化ノイズを示している。ローパスフィルタの遮断周波数よりも高い周波数帯域の量子化ノイズはカットされ、遮断周波数以下の周波数帯域の量子化ノイズのみが通過する。
【００８９】
図中の破線は駆動指令信号の偏重された量子化ノイズを示し、図中の実線および斜線を施した部分は高周波数化された駆動指令信号の量子化ノイズを示している。
【００９０】
モータに供給される量子化ノイズは、駆動指令信号を高周波数化しノイズシェーピング変調することによって、駆動指令信号を高周波数化およびノイズシェーピング変調しない場合と比較して大きく低減される。
【００９１】
図３は低階調部をΔΣ変調で構成した場合の回路例を示している。図３に示すΔΣ変調の回路例は、２次のエラー・フィードバック型の構成例を示している。図３の構成例は加算器、遅延器、係数器、および量子化器で構成することができる。量子化器で量子化し、低階調化した出力を入力側にフィードバックする。
【００９２】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明のモータ駆動制御装置およびモータ駆動制御方法は、ロボットの駆動機構が備えるモータに適用する他、産業機械の駆動機構が備えるモータについても適用することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１    モータ駆動電圧制御装置
２            コントローラ
３            高周波数化部
４            低階調部
５            変調部
６            高電圧化部
２０            モータ
２１            ローパスフィルタ
１０１          変調部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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