(57)【要約】【課題】  脱調を回避しつつモータを制御可能なモータ制御装置を提供すること。【解決手段】  ブラシレスモータに所定の通電パターンにより通電することで駆動するモータ制御手段を備えたモータ制御装置において、前記モータの実トルクを検出するトルク検出手段と、前記モータの電流値に基づいて推定トルクを検出するトルク推定手段と、前記実トルクと前記推定トルクとの差分に基づいて脱調傾向か否かを判断し、脱調傾向と判断したときは、脱調防止対策制御を実行する脱調防止対策制御手段と、を備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスモータに所定の通電パターンにより通電することで駆動するモータ制御手段を備えたモータ制御装置において、
前記モータの実トルクを検出するトルク検出手段と、
前記モータの電流値に基づいて推定トルクを検出するトルク推定手段と、
前記実トルクと前記推定トルクとの差分に基づいて脱調傾向か否かを判断し、脱調傾向と判断したときは、脱調防止対策制御を実行する脱調防止対策制御手段と、
を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記脱調防止対策制御手段は、前記差分の変化量が所定値以上のときに脱調傾向と判断することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のモータ制御装置において、
前記脱調防止対策制御は、モータ回転数を徐々に低下させる制御であることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか１つに記載のモータ制御装置において、
前記トルク検出手段は、前記モータの構成部材の歪を検出するセンサであることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載のモータ制御装置において、
前記センサは、単結晶シリコン基板の（００１）面に、互いに対向する２辺に設けられた二つのひずみセンサ及び他の互いに対向２辺に設けられた二つのダミー抵抗からなる４辺のホイートストンブリッジ回路と、該ホイートストンブリッジ回路からの信号を増幅してデジタル信号に変換する変換回路と、該デジタル信号と前記シリコン基板の外部に電送するための電送回路と、前記シリコン基板の外部から受けた振動等に基づいて各回路に電源を供給する電源回路と、を有するセンサであることを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転角センサを用いることなくモータを制御する技術として特許文献１に記載の技術が知られている。この公報には、複数の通電パターンを供給し、誘起電圧に基づいて励磁タイミングを切り換えることでモータを駆動している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９２７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の技術では、モータに負荷が作用したときにモータ回転位置がずれてしまい、通電パターンと実際のロータ回転位置とステータとの位置との関係がずれることでトルクが十分に出ない所謂脱調を引き起こすおそれがあった。
本発明の目的とするところは、脱調を回避しつつモータを制御可能なモータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明のモータ制御装置では、ブラシレスモータに所定の通電パターンにより通電することで駆動するモータ制御手段を備えたモータ制御装置において、前記モータの実トルクを検出するトルク検出手段と、前記モータの電流値に基づいて推定トルクを検出するトルク推定手段と、前記実トルクと前記推定トルクとの差分に基づいて脱調傾向か否かを判断し、脱調傾向と判断したときは、脱調防止対策制御を実行する脱調防止対策制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
よって、検出された実トルクに基づいて脱調傾向を素早く検出することができ、脱調を事前に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１のモータ制御装置の構成を表すブロック図である。
【図２】実施例１のトルクセンサの構成を表す概略図である。
【図３】実施例１のホイートストンブリッジ回路を表す回路図である。
【図４】実施例１のひずみセンサとダミー抵抗の形状とシリコン基板の結晶方位との関係を示す図である。
【図５】実施例１のモータ制御部における脱調検知処理を表すフローチャートである。
【図６】実施例１の脱調防止対策制御処理を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［実施例１］
【０００９】
図１は実施例１のモータ制御装置の構成を表すブロック図である。実施例１のモータ１はブラシレスモータであり、ＵＶＷの各相の電流値を検出する電流センサ１３と、モータ１の出力トルクをステータの歪に基づいて検出するトルクセンサ１４とを有する。コントローラ１０はモータ制御部１１と、比較部１２とを有する。モータ制御部１１は、インバータ２０からモータ情報を受信し、モータ１の駆動状態に応じたインバータ制御信号を出力する。具体的には、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に流れる電流値に基づいてインバータ２０内に設けられたスイッチング素子に対し所定のパターンでオン・オフを行なう指令信号を出力する。尚、詳細なモータ制御内容については、公知のブラシレスモータのセンサレス制御を適宜適用すればよいため、特に言及しない。比較部１２では、電流センサ１３によりＵ，Ｖ，Ｗの各相の電流値を検出すると共に、トルクセンサ１４からモータトルクを検出し、比較結果をモータ制御部１１に出力する。
【００１０】
〔トルクセンサの構成について〕
ここで、トルクセンサ１４の詳細について説明する。図２は実施例１のトルクセンサの構成を表す概略図である。このトルクセンサ１４は、同一の単結晶シリコン基板１４１上に、少なくともピエゾ抵抗効果を利用したひずみセンサ１４２とダミー抵抗１４２ａを有するホイートストンブリッジ回路１４４、ひずみセンサアンプ群１４３、アナログ／デジタルコンバータ１４５、整流・検波・変復調回路部１４６、通信制御部１４７、接着部１４８、アンテナ１４９を備えている。尚、以下ではシリコン基板１４１と、シリコン基板１４１上に構成した薄膜群を総称してチップ１４０と記載する。アンテナ１４９は、電力を稼ぐために外部に大きなアンテナを形成しても良いが、ここではチップ１４０内に内蔵する場合を例に説明する。
【００１１】
アンテナ１４９を内蔵している場合には、トルクセンサ１４がチップ１４０に相当し、アンテナを外付けとした場合にはチップ１４０とアンテナ１４９を併せてトルクセンサ１４とする。チップ１４０内にアンテナを内蔵しているため、外部接続用の電極パッドが不要となり、電極がチップ表面に露出することがなく、劣悪な環境下で用いる場合にも、電極パッドの腐食等が起こらず、信頼性が高い。トルクセンサ１４は接着部１４８によりステータに接着され、シリコン基板１４１にひずみが伝達される。シリコン基板１４１全体にひずみが付加されると、シリコン基板１４１中のひずみセンサ１４２の抵抗が変化し、ひずみセンサアンプ群１４３、アナログ／デジタルコンバータ１４５を通してデジタル信号に変換され、アンテナ１４９からリーダに送信される。一方、リーダから送られた電力用高周波信号をアンテナ１４９で受信し、整流・検波・変復調回路部１４６で平滑化し、一定電圧の直流電力にしてチップ１４０内の各回路に電源として供給する。尚、実施例１ではアンテナに誘導電磁界を形成する電磁誘導を用いたもの、もしくはマイクロ波を受信、復調して用いたもの、光を用いてエネルギ供給及び交信を行なってもよい。尚、シリコン基板裏面をステータとの接着面とする。尚、実施例１では、トルクセンサ１４に対する電力供給やセンサ信号の送受信を無線により行なうこととしたが、有線により行なってもよい。この場合は配線等の制約が生じるものの、無線関係機器等を削減することができるため、外乱ノイズへの耐性を確保しやすくなる。
【００１２】
トルクセンサ１４は素子形成面に対向したシリコン基板裏面に接着部１４８が配されている。そして、ステータのひずみがシリコン基板全体に接着部１４８を通してひずみを与えることによってひずみを計測する。すなわち、ひずみセンサ１４２とその処理回路が同一のシリコン基板中に高集積されるため、コンパクトな構成を達成している。このとき、シリコン基板の厚さを１００μｍ以下にすることが望ましく、その場合にはステータのひずみの値とひずみセンサ１４２の位置でのひずみの値をほぼ一致させることができる。すなわち、シリコン基板１４１の厚さを１００μｍ以下にすることによって測定精度を向上している。また、シリコン基板１４１の厚さを１００μｍ以下にすると、ステータのように接着面が曲面を持っていたとしても、破壊することなく該曲面に沿って貼り付けることができる。さらに、シリコン基板１４１は絶縁膜に比べて熱伝導率が高いため、シリコン基板１４１の裏面に接着部１４８を配したことによってステータの温度がシリコン基板１４１の表面のひずみセンサ１４２に伝わりやすく、温度補正を行なった際にも温度不均一による精度の低下が発生しないという利点もある。また、ステータに接着した状態で温度が上昇すると、チップ１４０とステータの間に大きな熱応力が発生する場合がある。しかしながら、このトルクセンサ１４は、シリコン基板裏面に接着部１４８を配しており、シリコン基板裏面のほうがガラス等で構成されているチップ表面よりも接着強度や破壊強度が大きいため、ステータの温度が上昇した場合でも、接着部１４８での破壊や剥離が起きず、信頼性ある測定ができる。接着部１４８はシリコンの裏面を荒らした構造を有しており、凹凸の大きさは粗さで１ミクロン以上と、チップ表面の凹凸に比べて大きくする。これにより凹凸によるアンカー効果が発生し、ステータとの接着性が更に向上する。
【００１３】
また、同一のシリコン基板中にひずみセンサ１４２と、ひずみセンサアンプ群１４３及びアナログ／デジタルコンバータ１４５を形成し、更にこれらの回路をチップ内で配線した構造を持つため、ひずみセンサ１４２と他の部分をつなぐ配線の長さを非常に短くすることができ、これにより電磁誘導もしくはマイクロ波で供給された電力を用いて動作させた場合でも、ノイズの混入が非常に小さく出来る。誘導電流を電源に用いて回路の動作をさせる際にはセンサの消費電力の低減が必須であるが、この場合においてもセンサのデータがノイズに埋もれることなく正しい測定が可能となる。
【００１４】
また、通常考えられるように、ひずみセンサのみを被測定物に接着し、他の回路はひずみを受けないように、センサとは別に形成した場合には、電磁誘導もしくはマイクロ波用の電波を受けた際にリード線からノイズが乗りやすく、特別な考慮なしでは実質はノイズに埋もれて測定は不可能となる。これはセンサとその他の回路が離れた場所に存在するために、電波照射時にセンサと他の回路で位相差が生じ、異なった電位となるためである。一方、実施例１では、ひずみ測定に関与する箇所は電波の広がりに対してほぼ点であるとみなせることから、位相のずれがなく、ノイズの混入が非常に小さく出来るため、正しい測定が可能となる。
【００１５】
更に、実施例１では、ひずみセンサ１４２とひずみセンサアンプ群１４３が隣に形成され、さらにひずみセンサアンプ群１４３とアナログ／デジタルコンバータ１４５が隣に形成されている。ひずみセンサ１４２とひずみセンサアンプ群１４３、及びひずみセンサアンプ群１４３とアナログ・デジタルコンバータ１４５が整流・検波・変復調回路部１４６、通信制御部１４７に比べて近距離に配置されているため、配線長さが短く、電波照射時にもノイズが混入しにくいという利点がある。
【００１６】
図３はホイートストンブリッジ回路を表す回路図である。ホイートストンブリッジ回路１４４において、ひずみセンサ１４２はシリコン基板１４１中に局所的にＰ型の不純物層を拡散して形成され、その長手方向は＜１１０＞方向とする。またダミー抵抗１４２ａは同様にシリコン基板中に局所的にＰ型の不純物層を拡散して形成され、図２に示すようにＶ字型とし、そのＶ字型を形成する直線部分の長手方向は＜１００＞となるようにする。さらにひずみセンサ１４２とダミー抵抗１４２ａの抵抗値はほぼ同じ値となるように形成する。また、ダミー抵抗１４２ａはＶ字型をしているが、Ｖ字を形成する二つの直線部分の長さが等しくなるように折れ曲がるようにする。
【００１７】
図４はひずみセンサとダミー抵抗の形状とシリコン基板の結晶方位との関係を示す図である。ひずみセンサ１４２をＰ型不純物拡散層で形成し、＜１１０＞方向を長手とすることで、長手方向の応力感度が大きく出来る。また、ダミー抵抗１４２ａをＰ型不純物拡散層で形成し、長手方向を＜１００＞とすることで垂直応力に対する感度を打ち消すことができるので、更にダミー抵抗１４２ａの感度を低下させることができる。
【００１８】
このように、単結晶シリコン基板の（００１）面に、互いに対向する２辺に設けられた二つのひずみセンサ１４２及び他の互いに対向２辺に設けられた二つのダミー抵抗１４２ａからなる４辺のホイートストンブリッジ回路１４４を有し、ひずみセンサ１４２及びダミー抵抗１４２ａをＰ型不純物拡散層で形成し、ひずみセンサ１４２の長手方向は＜１１０＞方向とし、ダミー抵抗１４２ａはＶ字状をなし且つ当該Ｖ字を形成する直線部分の長手方向が＜１００＞方向となるように形成したことで、ノイズの混入が非常に小さく、正しい測定ができる。
【００１９】
尚、このセンサのひずみセンサ１４２とダミー抵抗１４２ａの組み合わせと、各センサ及び抵抗の長手方向の関係は以下のように、
１）ひずみセンサをＮ型不純物拡散層で＜１００＞方向を長手とし、ダミー抵抗をＰ型不純物拡散層で＜１００＞方向を長手とし、二つのひずみセンサ及び二つのダミー抵抗が平行配置されているもの
２）ひずみセンサをＮ型不純物拡散層で＜１００＞方向を長手とし、ダミー抵抗をＮ型不純物拡散層で、ダミー抵抗はＶ字形状でＶ字を形成する直線部分の長手方向が＜１１０＞方向とされているもの
３）ひずみセンサをＰ型不純物拡散層で、ダミー抵抗をＮ型不純物拡散層で形成し、ひずみセンサ及びダミー抵抗をともに＜１１０＞方向を長手とするように形成し、かつ、二つのひずみセンサ及び二つのダミー抵抗が平行配置されているもの
の組み合わせのいずれかであってもよい。
【００２０】
図５は実施例１のモータ制御部における脱調検知処理を表すフローチャートである。実施例１のモータ制御装置は、レゾルバ等の回転角センサを備えておらず、所定の通電パターンによりＵ，Ｖ，Ｗ相に電流を供給することでモータ１を駆動する。このとき、ロータ２に急激な負荷が作用した場合など、負荷の急変があると、ロータ２の回転が阻害されるため、ロータ２とステータとの位置関係がずれ、通電により得られるはずのトルクを確保できなくなる（脱調）。そこで、実施例１では、ステータの歪からモータ１の実トルク相当値を直接的に検出し、この実トルク相当値と通電パターンから想定される推定トルクとの差分に基づいて脱調の可能性を事前に察知し、脱調の可能性がある場合には、所定の対策を施すことで脱調を回避することとした。以下、その制御フローを説明する。
【００２１】
ステップＳ１では、ステータの歪をトルクセンサ１４により検知し、計測トルクを検出する。
ステップＳ２では、モータ電流に基づいて推定トルクを演算する。具体的には計測電流にトルク定数設計値を乗算して推定トルクを算出する。尚、このステップでは電流センサ１３により検出された電流値を用いているが、指令電流値を用いて推定トルクを算出してもよい。
ステップＳ３では、計測トルクと推定トルクとの差分を計算し、前回の制御周期における差分と今回の制御周期における差分との変化量を演算する。
【００２２】
ステップＳ４では、差分変化量が所定値以上か否かを判断し、所定値以上のときはステップＳ５に進み、それ以外のときは本制御フローを終了する。すなわち、差分に基づいて判断することでも、ある程度の脱調の察知は可能であるが、脱調以外の要因、具体的には温度特性や設計ばらつきによっても差分自体は発生してしまうため、十分な精度を得難い。ここで、脱調気味の場合には、通電角度がずれることによりトルク段差が発生することから、差分変化量に着目することで、より精度の高い脱調の察知を達成している。
図５の下方には、脱調気味となった場合の計測トルクと推定トルクのタイムチャートを示す。当初は小さな差分であったものの、脱調気味となることで計測トルクが小さくなり、差分が大きくなる。この差分の変化が所定値以上の場合には脱調傾向と判断する。
ステップＳ５では、脱調防止対策制御を実施する。具体的には、通電角度がずれていると考えられることから、通電パターンを通電角度の異なるパターンに切り換えることで脱調を回避する。
【００２３】
図６は実施例１の脱調防止対策制御処理を表すフローチャートである。図６（ａ）は回転数目標値に更新制限を設けてモータを制御する例である。通電パターンによりモータ１の目標回転数は決定されるが、この目標回転数を徐々に変更することで、モータ１の制御状態が急変する際の過渡的な状態を排除し、適切なタイミングで通電パターンを切り換えることができる。この場合、ゆっくりではあるが目標回転数に追従しながらモータ１の状態を切り換えることができるため、フェールセーフ性は良好である。
【００２４】
図６（ｂ）は回転数を低速域まで低下させる処理である。まず、モータ回転数が低速回転数を表す所定回転数に到達したか否かを判断し、到達していないときはモータ回転数を所定割合で低下させる。モータ回転数が低いほうがより適切なタイミングで通電パターンを切り換えられるからである。また、モータ１は回転を継続していることから、ある程度の仕事は確保されるためフェールセーフ性も良好である。
【００２５】
以上説明したように、実施例１にあっては下記の作用効果を得ることができる。
（１）ブラシレスモータ１に所定の通電パターンにより通電することで駆動するモータ制御部１１（モータ制御手段）を備えたモータ制御装置において、モータ１の計測トルク（実トルク）を検出するトルクセンサ１４（トルク検出手段）と、モータ１の電流値に基づいて推定トルクを検出するステップＳ２（トルク推定手段）と、実トルクと推定トルクとの差分に基づいて脱調傾向か否かを判断し（ステップＳ３）、脱調傾向と判断したときは、脱調防止対策制御を実行するステップＳ５（脱調防止対策制御手段）と、を備えた。
よって、検出された実トルクに基づいて脱調傾向を素早く検出することができ、脱調を事前に防止することができる。
【００２６】
（２）ステップＳ３（脱調防止対策制御手段）は、計測トルクと推定トルクとの差分の変化量が所定値以上のときに脱調傾向と判断する。
よって、温度特性や製造ばらつきによる差分を排除することができ、脱調に基づくトルク変動を精度良く検出できる。
【００２７】
（３）ステップＳ５（脱調防止対策制御）は、モータ回転数を徐々に低下させる制御である。
よって、モータの制御状態が急変するような過渡的な状態を排除し、適切なタイミングで通電パターンを切り換えることができる。
【００２８】
（４）トルクセンサ１４は、モータ１の構成部材であるステータの歪を検出するセンサである。
よって、モータ１が出力しているトルクと直接的に関係する値に基づいて計測することができ、検出精度を高めることができる。また、静的な構造物にトルクセンサを設けたことで安定したセンシングを実現できる。
【００２９】
（５）トルクセンサ１４は、単結晶シリコン基板の（００１）面に、互いに対向する２辺に設けられた二つのひずみセンサ１４及び他の互いに対向２辺に設けられた二つのダミー抵抗からなる４辺のホイートストンブリッジ回路１４４と、該ホイートストンブリッジ回路１４４からの信号を増幅してデジタル信号に変換するアナログ／デジタルコンバータ１４５（変換回路）と、該デジタル信号と前記シリコン基板の外部に電送するための通信制御部１４７（電送回路）と、前記シリコン基板の外部から受けた振動等に基づいて各回路に電源を供給するアンテナ１４９及び整流・検波・変復調回路部１４６（電源回路）と、を有するセンサである。
よって、非常にコンパクトな構成でありながら、極めて高精度な歪量を検出することができ、モータトルクを精度良く検出することができる。尚、実施例１ではステータにトルクセンサ１４を設けた例を示したが、ロータ等、トルクの影響によって変形が考えられる場所であれば適宜設定可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１    モータ
２    ロータ
１０    コントローラ
１１    モータ制御部
１２    比較部
１３    電流センサ
１４    トルクセンサ
２０    インバータ
１４０    チップ
１４１    シリコン基板
１４２    ひずみセンサ
１４２ａ    ダミー抵抗
１４３    センサアンプ群
１４４    ホイートストンブリッジ回路
１４５    アナログ・デジタルコンバータ
１４６    整流・検波・変復調回路部
１４７    通信制御部
１４８    接着部
１４９    アンテナ
【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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