(57)【要約】【課題】モータに接続されたインバータを位置センサからの位置信号に基づいて制御する装置において、常に安定した位置制御を実現する。【解決手段】本発明に係るモータ制御装置において、制御回路１は、前記位置信号の位相に基づいて、階段状に変化するモータ回転角度θｏを導出する位置演算回路１８と、電動モータの目標回転角度を表わす位置指令値θｏ＊を位置演算回路１８によって導出され得る値以外の近傍値に変更する量子化回路１１と、量子化回路１１から得られる位置指令値θｏ＊′と前記導出された回転角度θｏとの偏差に基づいて制御信号を作成する位置制御回路１３とを具えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータに交流の電力を供給するインバータと、該電動モータの回転角度と一定の位相関係を有する矩形波からなる位置信号を出力する位置センサと、該位置センサから得られる位置信号に基づいて前記インバータを制御する制御回路とを具えたモータ制御装置において、前記制御回路は、
前記位置信号の位相に基づいて、階段状に変化するモータ回転角度を導出する角度導出手段と、
電動モータの目標回転角度を表わす位置指令値を算出する位置指令値算出手段と、
位置指令値算出手段によって算出された位置指令値を、角度導出手段によって導出され得る値以外の近傍値に変更する変更処理手段と、
前記変更処理手段から得られる位置指令値と前記導出された回転角度との偏差に基づいて制御信号を作成し、該制御信号をインバータに供給する信号処理手段とを具えていることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記変更処理手段は、位置指令値算出手段によって算出された位置指令値に量子化処理を施して、該位置指令値を変更する請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記位置信号の位相に基づいてモータ回転速度を導出する速度導出手段を具え、前記信号処理手段は、
前記変更処理手段から得られる位置指令値と前記導出された回転角度との偏差に基づいて、電動モータの目標回転速度を表わす速度指令値を算出する速度指令値算出手段と、
前記算出された速度指令値と前記導出された回転速度との偏差に基づいて制御信号を作成する信号作成手段
とを具えている請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータに接続されたインバータをホール素子等の位置センサからの位置信号に基づいて制御するモータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、位置センサとしてロータリエンコーダを具えたモータ制御装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
一方、出願人は、位置センサとしてホール素子を具えたモータ制御装置を特許出願中である（例えば特許文献２参照）。
【０００３】
図８は、位置センサとしてホール素子を具えた従来のモータ制御装置の全体構成を表わしており、商用電源（４）からの交流電力が、整流回路（５）によって一旦、直流電力に変換された後、インバータ（６）によって交流電力に変換され、該交流電力が電動モータ（２）に供給されて、モータの駆動が行なわれる。
電動モータ（２）には、その回転軸を中心とする円周上に、ホール素子からなる位置センサ（３）が１２０度の位相差で３箇所に配備されており、これら３つの位置センサ（３）（３）（３）から得られる３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）がＰＷＭ制御回路（７）に供給され、該ＰＷＭ制御回路（７）によってインバータ（６）が制御されている。
【０００４】
図９は、上記ＰＷＭ制御回路（７）の具体的な構成を表わしており、前記位置センサから得られる３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）は、速度演算回路（７６）に供給されると共に、位置演算回路（７７）に供給される。速度演算回路（７６）では、３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）に基づいてモータの回転数ωが検出され、その結果が速度偏差算出回路（７３）に供給される。一方、位置演算回路（７７）では、３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）に基づいてモータの回転角度θが算出され、算出された回転角度θは、位置偏差算出回路（７１）に供給される。
位置偏差算出回路（７１）では、モータの目標回転角度を表わす位置指令値θ＊から前記回転角度θを減算する処理が実行され、これによって得られる位置偏差が位置制御回路（７２）に供給される。位置制御回路（７２）では、位置偏差に基づいてモータの目標回転速度を表わす速度指令値ω＊が算出され、該速度指令値ω＊が速度偏差算出回路（７３）に供給される。
【０００５】
速度偏差算出回路（７３）では、前記速度指令値ω＊から前記回転数ωを減算する処理が実行され、これによって得られる速度偏差が速度制御回路（７４）に供給される。速度制御回路（７４）では、速度偏差に基づいて電動モータのＵ相についての電圧指令信号が算出される。
【０００６】
上記Ｕ相の電圧指令信号に対して１２０°、２４０°の位相差を与えることによりＶ相の電圧指令信号及びＷ相の電圧指令信号が作成され、これら３相の電圧指令信号は、ＰＷＭ信号生成回路（７５）に供給されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相についてのＰＷＭ信号が作成される。
この様にして作成されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＰＷＭ信号は、図８に示すインバータ（６）に供給されて、インバータ（６）がＰＷＭ制御される。この結果、電動モータ（２）が駆動されることになる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２２４４６号公報
【特許文献２】
特願２００１−２３２９５４
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のモータ制御装置においては、電動モータが位置決め時に大きな角度幅で振動して位置制御が不安定となることがある問題があった。
本発明の目的は、常に安定した位置制御を実現することが可能なモータ制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
そこで、出願人は、従来のモータ制御装置において位置制御が不安定となる原因を次のように究明した。
３つの位置センサから得られる３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）は、図１０（ａ）に示す如く、互いに１２０度の位相差を有しており、これら３つの位置信号に基づいて検出されるモータの回転角度は、同図（ｂ）に示す如く６０度を刻み幅として３０度、９０度、１５０度・・・と階段状に変化する。従って、位置指令値が３つの位置信号に基づいて検出され得る回転角度以外の値、例えば６０度である場合には、モータは、図１１に示す如くモータ回転角度の検出信号の刻み幅である６０度よりも小さな角度幅で振動するが、位置指令値が３つの位置信号に基づいて検出され得る回転角度と同じ値、例えば９０度である場合には、図１２に示す如く前記刻み幅を超える大きな角度幅で振動することになる。
この様に、位置指令値が３つの位置信号に基づいて検出され得る回転角度と同じ値である場合に位置制御が不安定となるのである。
【００１０】
本発明に係るモータ制御装置は、電動モータに交流の電力を供給するインバータと、該電動モータの回転角度と一定の位相関係を有する矩形波からなる位置信号を出力する位置センサと、該位置センサから得られる位置信号に基づいて前記インバータを制御する制御回路とを具えている。そして、前記制御回路は、
前記位置信号の位相に基づいて、階段状に変化するモータ回転角度を導出する角度導出手段と、
電動モータの目標回転角度を表わす位置指令値を算出する位置指令値算出手段と、
位置指令値算出手段によって算出された位置指令値を、角度導出手段によって導出され得る値以外の近傍値に変更する変更処理手段と、
前記変更処理手段から得られる位置指令値と前記導出された回転角度との偏差に基づいて制御信号を作成し、該制御信号をインバータに供給する信号処理手段とを具えている。
【００１１】
上記本発明に係るモータ制御装置においては、先ず、位置指令値算出手段によってモータの目標回転角度を表わす位置指令値が算出され、その後、変更処理手段によって、該位置指令値が角度導出手段により導出され得る値以外の近傍値に変更される。例えば、位置指令値に量子化処理が施されることによって、該位置指令値が変更される。
この様にして変更された位置指令値と角度導出手段によって導出された回転角度との偏差に基づいて、電動モータの回転角度を目標回転角度に追従させるための制御信号が作成され、該制御信号がインバータに供給されて、電動モータの回転位置が制御される。ここで、変更後の位置指令値は、角度導出手段により導出され得る値以外の値であるので、電動モータの位置決め時の振幅は、常にモータ回転角度の導出信号の刻み幅よりも小さな幅に抑制されることとなり、常に安定した位置制御を実現することが出来る。尚、上述の如く位置指令値は変更されることになるが、変更後の位置指令値は変更前の位置指令値の近傍値であるので、位置制御に大きな支障が生じることはない。
【００１２】
具体的には、前記制御回路は、前記位置信号の位相に基づいてモータ回転速度を導出する速度導出手段を具え、前記信号処理手段は、
前記変更処理手段から得られる位置指令値と前記導出された回転角度との偏差に基づいて、電動モータの目標回転速度を表わす速度指令値を算出する速度指令値算出手段と、
前記算出された速度指令値と前記検出された回転速度との偏差に基づいて制御信号を作成する信号作成手段
とを具えている。
【００１３】
上記具体的構成においては、モータの回転角度を目標回転角度に追従させると共にモータの回転速度を目標回転速度に追従させるための制御信号が作成され、該制御信号がインバータに供給されて、電動モータの回転位置及び回転速度が制御されることになる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明に係るモータ制御装置によれば、常に安定した位置制御を実現することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をギアードモータの制御装置に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。尚、以下の説明では、電動モータの一対の磁極間隔を３６０度とする角度を電気角、電気角をモータの磁極対の数で除算して得られる角度（空間角）を機械角という。
本発明に係るモータ制御装置の全体構成は、ＰＷＭ制御回路を除いて、図８に示す従来のモータ制御装置と同一であって、電動モータ（２）の円周上に配備された位置センサ（３）から得られる３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）がＰＷＭ制御回路に供給され、該ＰＷＭ制御回路によってインバータ（６）が制御されている。
上記電動モータ（２）はギアードモータであって、モータの回転軸と出力軸との間には減速機構が介在している。
【００１６】
図３（ａ）は、３つの位置センサから得られる３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ，Ｈｗ）の波形を表わしており、各位置信号は、電気角で３６０度を１周期として、ハイとローに切り替わる矩形波であって、３つの位置信号は互いに１２０度の位相差を有している。
【００１７】
図１は、本発明に係るＰＷＭ制御回路（１）の構成を表わしており、前記位置センサから得られる３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）は、速度演算回路（１７）に供給されると共に、位置演算回路（１８）に供給される。速度演算回路（１７）では、３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）に基づいてモータの回転数ωが検出され、その結果が速度偏差算出回路（１４）に供給される。
一方、位置演算回路（１８）では、３つの位置信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）に基づいて、モータの回転軸の回転角度を電気角で表わす回転軸電気角θｅが算出される。ここで、回転軸電気角θｅは、３０度、９０度、１５０度・・・と６０度の刻み幅で階段状に変化する。その後、該回転軸電気角θｅがモータの磁極対の数で除算されて回転軸機械角θｍが算出され、更に該回転軸機械角θｍがモータの減速比で除算されて、モータの出力軸の回転角度を表わす出力軸機械角θｏが算出される。ここで、該出力軸機械角θｏは、図３（ｂ）に一点鎖線で示す如く階段状に変化する。
この様にして算出された出力軸機械角θｏは図１に示すフィルタ回路（１９）に供給され、フィルタ回路（１９）では、図３（ｂ）に実線で示す如く前記出力軸機械角θｏよりも細かい刻み幅で変化する出力軸機械角θｏ′が算出され、該出力軸機械角θｏ′が位置偏差算出回路（１２）に供給される。フィルタ回路（１９）の具体的構成及び動作については後述する。
【００１８】
モータの出力軸の目標回転角度を機械角で表わす位置指令値θｏ＊は、量子化回路（１１）に供給されて後述の如く量子化され、量子化後の位置指令値θｏ＊′が位置偏差算出回路（１２）に供給される。
位置偏差算出回路（１２）では、前記位置指令値θｏ＊′から前記出力軸機械角θｏ′を減算する処理が実行され、これによって得られる位置偏差が位置制御回路（１３）に供給される。位置制御回路（１３）では、位置偏差に基づいて、モータの目標回転速度を表わす速度指令値ω＊が算出され、該速度指令値ω＊が速度偏差算出回路（１４）に供給される。
【００１９】
速度偏差算出回路（１４）では、前記速度指令値ω＊から前記回転数ωを減算する処理が実行され、これによって得られる速度偏差が速度制御回路（１５）に供給される。速度制御回路（１５）では、速度偏差に基づいて電動モータのＵ相についての電圧指令信号が算出される。
【００２０】
上記Ｕ相の電圧指令信号に対して電気角で１２０°、２４０°の位相差を与えることによりＶ相の電圧指令信号及びＷ相の電圧指令信号が作成され、これら３相の電圧指令信号は、ＰＷＭ信号生成回路（１６）に供給されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相についてのＰＷＭ信号が作成される。
この様にして作成されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のＰＷＭ信号は、図８に示すインバータ（６）に供給されて、インバータ（６）がＰＷＭ制御される。この結果、電動モータ（２）が駆動されることになる。
【００２１】
図２は、上記フィルタ回路（１９）の具体的な構成を表わしており、該フィルタ回路（１９）は、減算器（１９ａ）、乗算器（１９ｂ）、加算器（１９ｃ）及びフィードバックレジスタ（１９ｄ）から構成されている。
図１に示す位置演算回路（１８）からは、図３（ｂ）に一点鎖線に示す如く階段状に変化する出力軸機械角θｏが出力され、該出力軸機械角θｏが減算器（１９ａ）に供給される。減算器（１９ａ）では、該出力軸機械角θｏから後述の如くフィードバックレジスタ（１９ｄ）から得られる出力軸機械角θｏ′が減算され、その結果が乗算器（１９ｂ）に供給される。乗算器（１９ｂ）では、前記減算結果にゲイン定数Ｋ（０＜Ｋ＜１）が乗算され、その結果が加算器（１９ｃ）に供給される。加算器（１９ｃ）では、フィードバックレジスタ（１９ｄ）から得られる出力軸機械角θｏ′に乗算器（１９ｂ）から供給された値が加算される。これによって、図３（ｂ）に実線で示す如く前記出力軸機械角θｏよりも小さな刻み幅で変化する出力軸機械角θｏ′が得られることになる。この様にして得られた出力軸機械角θｏ′は、図１に示す位置偏差算出回路（１２）に供給されると共に、図２に示すフィードバックレジスタ（１９ｄ）に供給され、該レジスタ（１９ｄ）に一旦格納された後、上述の如く減算器（１９ａ）及び加算器（１９ｃ）に供給される。
尚、加算器（１９ｃ）から出力される出力軸機械角θｏ′（ｔ）は、前回の出力値をθｏ′（ｔ−１）として、下記数１によって表わすことが出来る。
【００２２】
【数１】
θｏ′（ｔ）＝θｏ′（ｔ−１）＋Ｋ・｛θｏ（ｔ）−θｏ′（ｔ−１）｝
【００２３】
図４は、上記フィルタ回路（１９）によって実行される手続きを表わしており、先ずステップＳ１にて、図１に示す位置演算回路（１８）から入力された出力軸機械角θｏ（ｔ）から前回の出力値θｏ′（ｔ−１）を減算した後、ステップＳ２にて、前記減算結果にゲイン定数Ｋを乗算する。続いてステップＳ３では、前回の出力値θｏ′（ｔ−１）に前記乗算結果を加算し、最後にステップＳ４にて該加算結果θｏ′（ｔ）を図１に示す位置偏差算出回路（１２）に出力する。
【００２４】
図５は、図１に示す量子化回路（１１）の具体的な構成を表わしており、モータの出力軸の目標回転角度を機械角で表わす位置指令値θｏ＊は、第１変換器（１１ａ）に供給される。第１変換器（１１ａ）では、前記位置指令値θｏ＊にモータの減速比が乗算されて、モータの回転軸の目標回転角度を表わす目標回転軸機械角が算出された後、該目標回転軸機械角にモータの磁極対の数が乗算されて目標回転軸電気角θｅ＊が算出され、該電気角θｅ＊が演算器（１１ｂ）に供給される。演算器（１１ｂ）では、前記目標回転軸電気角θｅ＊を６０で除算して得られる値に０．５が加算され、その加算結果の整数部の値に６０が乗算されて、目標回転軸電気角θｅ＊が量子化される。
図７は、目標回転軸電気角θｅ＊と、量子化後の目標回転軸電気角θｅ＊′との関係を表わしており、目標回転軸電気角θｅ＊は、０度以上３０度未満である場合には０度、３０度以上９０度未満である場合には６０度、９０度以上１５０度未満である場合には１２０度・・・へと、図１に示す位置演算回路（１８）によって算出され得る回転軸電気角θｅ、即ち３０度、９０度、１５０度・・・とは異なる値に量子化される。
【００２５】
この様にして量子化された目標回転軸電気角θｅ＊′は、図５に示す第２変換器（１１ｃ）に供給される。第２変換器（１１ｃ）では、該目標回転軸電気角θｅ＊′にモータの磁極対の数の逆数が乗算されて目標回転軸機械角が算出された後、該目標回転軸機械角にモータの減速比の逆数が乗算されて、モータの出力軸の目標回転角度を表わす位置指令値θｏ＊′が算出される。ここで、第２変換器（１１ｃ）に入力される目標回転軸電気角θｅ＊′は、上述の如く位置演算回路（１８）によって算出され得る回転軸電気角θｅとは異なる値、即ち０度、６０度、１２０度・・・であるので、第２変換器（１１ｃ）から出力される位置指令値θｏ＊′は、位置演算回路（１８）から出力され得る出力軸機械角θｏとは異なる値をとることになる。
【００２６】
図６は、上記量子化回路（１１）によって実行される手続きを表わしている。図示の如く、先ずステップＳ１１にて、入力された位置指令値θｏ＊を目標回転軸電気角θｅ＊に変換した後、ステップＳ１２にて、該目標回転軸電気角θｅ＊を量子化する。続いてステップＳ１３では、量子化された目標回転軸電気角θｅ＊′を位置指令値θｏ＊′に変換し、最後にステップＳ１４にて、量子化された位置指令値θｏ＊′を図１に示す位置偏差算出回路（１２）に出力する。
【００２７】
本発明に係るモータ制御装置においては、量子化後の位置指令値θｏ＊′は、図３（ｂ）に一点鎖線で示す如く階段状に変化する出力軸機械角θｏとは異なる値をとるので、電動モータ（２）の位置決め時の振幅は常に該出力軸機械角θｏの刻み幅よりも小さな幅に抑制されることとなり、常に安定した位置制御を実現することが出来る。尚、図７に示す如く量子化前の目標回転軸電気角θｅ＊と量子化後の目標回転軸電気角θｅ＊′との差は最大で３０度となるが、例えばモータの極数が８極、減速比が１／２０である場合には、量子化前の位置指令値θｏ＊と量子化後の位置指令値θｏ＊′との差は０．３７５度と極めて小さな値となるので、位置制御に大きな支障が生じることはない。
【００２８】
又、図３（ｂ）に示す如く位置演算回路（１８）から得られる出力軸機械角θｏよりも細かい刻み幅で変化する出力軸機械角θｏ′に基づいてモータ（２）の回転位置を制御するので、従来のモータ制御装置に比べて高い制御精度を得ることが出来る。
【００２９】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば上記実施の形態においては、本発明をギアードモータの制御装置に実施しているが、これに限らず、その他の周知のモータ制御装置に実施することが可能である。
又、上記実施の形態においては、電動モータ（２）の回転軸の回転角度を検出するための位置センサ（３）（３）（３）のみをモータ（２）に配備して、これらの位置センサから得られる位置信号に基づいて回転軸の回転角度を導出した後、該回転速度に基づいて出力軸の回転角度を導出する構成を採用しているが、電動モータ（２）の出力軸の回転角度を検出するための位置センサをも配備して、該位置センサから得られる位置信号に基づいて出力軸の回転角度を導出する構成を採用することも可能である。
更に、上記実施の形態においては、位置センサとしてホール素子を採用しているが、これに限らず、ロータリエンコーダ、ポテンショメータ、レゾルバ等、その他の周知のセンサを採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＰＷＭ制御回路の構成を表わすブロック図である。
【図２】上記ＰＷＭ制御回路を構成するフィルタ回路の具体的構成を表わすブロック図である。
【図３】３つの位置信号と位置演算回路及びフィルタ回路の出力信号の変化を表わす波形図である。
【図４】上記フィルタ回路によって実行される手続きを表わすフローチャートである。
【図５】上記ＰＷＭ制御回路を構成する量子化回路の具体的構成を表わすブロック図である。
【図６】上記量子化回路によって実行される手続きを表わすフローチャートである。
【図７】量子化前の目標回転軸電気角と量子化後の目標回転軸電気角との関係を表わすグラフである。
【図８】モータ制御装置の全体構成を表わすブロック図である。
【図９】従来のＰＷＭ制御回路の構成を表わすブロック図である。
【図１０】３つの位置信号と位置演算回路の出力信号の変化を表わす波形図である。
【図１１】位置指令値が６０度である場合のモータ回転角度の変化を表わす波形図である。
【図１２】位置指令値が９０度である場合のモータ回転角度の変化を表わす波形図である。
【符号の説明】
（１）  ＰＷＭ制御回路
（１１）  量子化回路
（１２）  位置偏差算出回路
（１３）  位置制御回路
（１４）  速度偏差算出回路
（１５）  速度制御回路
（１６）  ＰＷＭ信号生成回路
（１７）  速度演算回路
（１８）  位置演算回路
（１９）  フィルタ回路
【図１】
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【図２】
2004222450.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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