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公開番号2021166425
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211014
出願番号2020068333
出願日20200406
発明の名称モータ制御装置およびモータ制御方法
出願人キヤノン株式会社
代理人個人
主分類H02P 27/08 20060101AFI20210917BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】3相モータのコイルに流れる電流を高精度で検出できるようにする。
【解決手段】モータ制御装置は、U相とV相とW相のパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調制御手段(102)と、前記U相とV相とW相のパルス幅変調信号を基に、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれにパルス電圧を印加し、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれに電流を流すためのスイッチングを行うスイッチング素子(103)と、前記U相のパルス幅変調信号のパルス幅と前記V相のパルス幅変調信号のパルス幅と前記W相のパルス幅変調信号のパルス幅に応じて、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに流れる電流を1回以上検出し、他の2個の相のコイルに流れる電流をそれぞれ2回以上検出する検出手段(107)とを有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
3相モータを制御するモータ制御装置であって、
U相のパルス幅変調信号とV相のパルス幅変調信号とW相のパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調制御手段と、
前記U相のパルス幅変調信号と前記V相のパルス幅変調信号と前記W相のパルス幅変調信号を基に、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれにパルス電圧を印加し、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれに電流を流すためのスイッチングを行うスイッチング素子と、
前記U相のパルス幅変調信号のパルス幅と前記V相のパルス幅変調信号のパルス幅と前記W相のパルス幅変調信号のパルス幅に応じて、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに流れる電流を1回以上検出し、他の2個の相のコイルに流れる電流をそれぞれ2回以上検出し、または、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧を1回以上検出し、他の2個の相のコイルのそれぞれに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧をそれぞれ2回以上検出する検出手段と
を有することを特徴とするモータ制御装置。
続きを表示(約 3,400 文字)【請求項2】
前記検出手段は、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれに電流が流れるそれぞれの期間のうちで最短の期間である1個の相のコイルに流れる電流を1回検出し、他の2個の相のコイルに流れる電流をそれぞれ2回以上検出し、または、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれに電流が流れるそれぞれの期間のうちの最短の期間である1個の相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧を1回検出し、他の2個の相のコイルのそれぞれに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧をそれぞれ2回以上検出することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
【請求項3】
前記検出手段は、前記最短の期間である1個の相のコイルに流れる電流を、前記他の2個の相のコイルに流れる電流より前に検出し、または、前記最短の期間である1個の相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧を、前記他の2個の相のコイルのそれぞれに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧より前に検出することを特徴とする請求項2に記載のモータ制御装置。
【請求項4】
前記検出手段は、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれに電流が流れるそれぞれの同一の期間内において、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに流れる電流を1回以上検出し、他の2個の相のコイルに流れる電流をそれぞれ2回以上検出し、または、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧を1回以上検出し、他の2個の相のコイルのそれぞれに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧をそれぞれ2回以上検出することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
【請求項5】
前記検出手段は、前記検出されたU相のコイルに流れる電流の平均値と、前記検出されたV相のコイルに流れる電流の平均値と、前記検出されたW相のコイルに流れる電流の平均値とを算出することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
【請求項6】
前記検出手段は、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧を1回アナログからデジタルに変換し、他の2個の相のコイルのそれぞれに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧をそれぞれ2回以上アナログからデジタルに変換することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
【請求項7】
前記検出手段は、
前記U相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間のデジタルの電圧の平均値を、前記U相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値で除算することにより、前記U相のコイルに流れる電流を算出し、
前記V相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間のデジタルの電圧の平均値を、前記V相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値で除算することにより、前記V相のコイルに流れる電流を算出し、
前記W相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間のデジタルの電圧の平均値を、前記W相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値で除算することにより、前記W相のコイルに流れる電流を算出することを特徴とする請求項6に記載のモータ制御装置。
【請求項8】
前記検出手段は、
前記U相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の複数のデジタルの電圧のそれぞれを、前記U相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値で除算することにより、前記U相のコイルに流れる複数の電流をそれぞれ算出し、前記U相のコイルに流れる複数の電流の平均値を算出し、
前記V相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の複数のデジタルの電圧のそれぞれを、前記V相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値で除算することにより、前記V相のコイルに流れる複数の電流をそれぞれ算出し、前記V相のコイルに流れる複数の電流の平均値を算出し、
前記W相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の複数のデジタルの電圧のそれぞれを、前記W相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値で除算することにより、前記W相のコイルに流れる複数の電流をそれぞれ算出し、前記W相のコイルに流れる複数の電流の平均値を算出することを特徴とする請求項6に記載のモータ制御装置。
【請求項9】
前記検出手段は、
前記U相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の複数のデジタルの電圧と、前記U相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値を基に、前記U相のコイルに流れる電流を算出し、
前記V相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の複数のデジタルの電圧と、前記V相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値を基に、前記V相のコイルに流れる電流を算出し、
前記W相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の複数のデジタルの電圧と、前記W相のコイルに接続されるシャント抵抗の抵抗値を基に、前記W相のコイルに流れる電流を算出することを特徴とする請求項6に記載のモータ制御装置。
【請求項10】
前記パルス幅変調制御手段は、前記検出手段により算出された前記U相のコイルに流れる電流と前記V相のコイルに流れる電流と前記W相のコイルに流れる電流を基に、前記U相のパルス幅変調信号と前記V相のパルス幅変調信号と前記W相のパルス幅変調信号を出力することを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
【請求項11】
前記検出手段により算出された前記U相のコイルに流れる電流と前記V相のコイルに流れる電流と前記W相のコイルに流れる電流を基に、前記3相モータの位置と速度を推定する推定手段を有し、
前記パルス幅変調制御手段は、前記推定手段により推定された前記3相モータの位置と速度を基に、前記U相のパルス幅変調信号と前記V相のパルス幅変調信号と前記W相のパルス幅変調信号を出力することを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
【請求項12】
前記推定手段により推定された前記3相モータの位置と速度を基に、U相の指令値とV相の指令値とW相の指令値を出力するPI制御手段をさらに有し、
前記パルス幅変調制御手段は、三角波と前記U相の指令値と前記V相の指令値と前記W相の指令値を基に、前記U相のパルス幅変調信号と前記V相のパルス幅変調信号と前記W相のパルス幅変調信号を出力することを特徴とする請求項11に記載のモータ制御装置。
【請求項13】
3相モータを制御するモータ制御方法であって、
U相のパルス幅変調信号とV相のパルス幅変調信号とW相のパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調制御ステップと、
前記U相のパルス幅変調信号と前記V相のパルス幅変調信号と前記W相のパルス幅変調信号を基に、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれにパルス電圧を印加し、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれに電流を流すためのスイッチングを行うスイッチングステップと、
前記U相のパルス幅変調信号のパルス幅と前記V相のパルス幅変調信号のパルス幅と前記W相のパルス幅変調信号のパルス幅に応じて、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに流れる電流を1回以上検出し、他の2個の相のコイルに流れる電流をそれぞれ2回以上検出し、または、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧を1回以上検出し、他の2個の相のコイルのそれぞれに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧をそれぞれ2回以上検出する検出ステップと
を有することを特徴とするモータ制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、モータ制御装置およびモータ制御方法に関する。
続きを表示(約 5,300 文字)【背景技術】
【0002】
3相(U相、V相、W相)モータとして、3相ブラシレスモータが知られている。3相ブラシレスモータは、ブラシ磨耗がなく、耐久性に優れるため、広く用いられている。最も一般的な3相ブラシレスモータは、3相コイルに3相交流電流を流すことで、回転トルクを発生させるものである。近年では、3相ブラシレスモータは、正弦波電流駆動制御により、静音性や駆動効率の向上が実現されるようになり、さらに、3相正弦波電流の振幅と位相を精密に制御するベクトル制御が一般的になりつつある。
【0003】
ベクトル制御では、各相の指令電圧に基づきインバータのスイッチング素子をオン/オフするパルス幅変調(以降、PWMという)によってモータが駆動される。このとき、3相のそれぞれに流れる電流を正確に検出することが必須となっている。
【0004】
3相に流れる電流を検出するセンサとして、通常は電流センサが用いられるが、電流センサは高価であるため、組み込み型のモータ制御装置には向いていない。そのため、近年では、インバータの各スイッチング素子に直列接続されたシャント抵抗を用いて、その両端にかかる電圧から3相に流れる電流を推測する手法が知られている(特許文献1参照)。
【0005】
特許文献1によれば、3相のうちの1相のみに電流が流れるPWM駆動パターンを順次駆動し、その際に対応するシャント抵抗にかかる電圧から電流値を求めている。このような構成の場合、ローレベル側のスイッチング素子がオンの期間(PWMがローレベルの期間)のみにしか電流値を正確に検出できないという制限がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2008−48504号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
3つのシャント抵抗に対して、1つのAD変換器でU相→V相→W相と順番にチャネルを切り替えて電流値を検出する場合を考える。このとき、全ての相について、複数回電流値を検出してノイズを低減しようとすると、スイッチング素子のオン時間が非常に短くなるタイミングでは、オン時間内に複数回の電流検出が完了しない場合が起こりえる。その場合、検出した電流値にスイッチング素子がオフのときの値が含まれてしまうことになる。一方、スイッチング素子のオン時間が短くても必ず複数回電流検出できるようにするには、高速サンプリング対応センサが必要となり、コストが増加してしまう。
【0008】
本発明の目的は、3相モータのU相のコイルに流れる電流とV相のコイルに流れる電流とW相のコイルに流れる電流を高精度で検出することができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明のモータ制御装置は、3相モータを制御するモータ制御装置であって、U相のパルス幅変調信号とV相のパルス幅変調信号とW相のパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調制御手段と、前記U相のパルス幅変調信号と前記V相のパルス幅変調信号と前記W相のパルス幅変調信号を基に、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれにパルス電圧を印加し、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのそれぞれに電流を流すためのスイッチングを行うスイッチング素子と、前記U相のパルス幅変調信号のパルス幅と前記V相のパルス幅変調信号のパルス幅と前記W相のパルス幅変調信号のパルス幅に応じて、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに流れる電流を1回以上検出し、他の2個の相のコイルに流れる電流をそれぞれ2回以上検出し、または、前記3相モータのU相のコイルとV相のコイルとW相のコイルのうちの1個の相のコイルに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧を1回以上検出し、他の2個の相のコイルのそれぞれに接続されるシャント抵抗の両端間の電圧をそれぞれ2回以上検出する検出手段とを有する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、3相モータのU相のコイルに流れる電流とV相のコイルに流れる電流とW相のコイルに流れる電流を高精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
モータ制御装置の構成例を示すブロック図である。
スイッチング素子およびシャント抵抗を示す図である。
デューティ比が低い場合のAD変換を示すタイミングチャートである。
デューティ比が高い場合のAD変換を示すタイミングチャートである。
電流検出方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図1は、本実施形態によるモータ制御装置110の構成例を示すブロック図である。モータ制御装置110は、3相モータ100と、PI制御部101と、PWM制御部102と、スイッチング素子103と、モータ位置/速度推定部104と、デューティ比取得部105と、電流検出指示部106と、電流検出部107とを有する。
【0013】
3相モータ100は、3相(U相、V相、W相)のコイル端の各々にパルス電圧を印加し、3相のコイルに電流を流すことにより制御されるモータである。PI制御部101は、モータ位置/速度推定部104により推定された3相モータ100の位置と速度を基に、比例積分制御を行い、U相の指令値とV相の指令値とW相の指令値をPWM制御部102に出力する。
【0014】
PWM制御部102は、パルス幅変調制御部であり、例えば図3に示すように、カウンタのカウント値に基づく三角波を生成する。PWM制御部102は、例えば図3に示すように、三角波がU相の指令値より大きい場合にはローレベルとなり、三角波がU相の指令値より小さい場合にはハイレベルとなるU相のパルス幅変調信号(PWM信号)を生成する。また、PWM制御部102は、例えば図3に示すように、三角波がV相の指令値より大きい場合にはローレベルとなり、三角波がV相の指令値より小さい場合にはハイレベルとなるV相のPWM信号を生成する。また、PWM制御部102は、例えば図3に示すように、三角波がW相の指令値より大きい場合にはローレベルとなり、三角波がW相の指令値より小さい場合にはハイレベルとなるW相のPWM信号を生成する。PWM制御部102は、三角波とU相の指令値とV相の指令値とW相の指令値を基に、U相のPWM信号とV相のPWM信号とW相のPWM信号を、スイッチング素子103とデューティ比取得部105に出力する。
【0015】
スイッチング素子103は、U相のPWM信号を基に、3相モータ100のU相のコイルにパルス電圧を印加する。また、スイッチング素子103は、V相のPWM信号を基に、3相モータ100のV相のコイルにパルス電圧を印加する。また、スイッチング素子103は、W相のPWM信号を基に、3相モータ100のW相のコイルにパルス電圧を印加する。
【0016】
また、スイッチング素子103は、U相のPWM信号を基に、3相モータ100のU相のコイルに流れる電流Iuのオン/オフをスイッチングにより制御する。また、スイッチング素子103は、V相のPWM信号を基に、3相モータ100のV相のコイルに流れる電流Ivのオン/オフをスイッチングにより制御する。また、スイッチング素子103は、W相のPWM信号を基に、3相モータ100のW相のコイルに流れる電流Iwのオン/オフをスイッチングにより制御する。
【0017】
デューティ比取得部105は、U相のPWM信号のデューティ比と、V相のPWM信号のデューティ比と、W相のPWM信号のデューティ比とを検出する。そして、デューティ比取得部105は、U相のPWM信号のデューティ比と、V相のPWM信号のデューティ比と、W相のPWM信号のデューティ比とを電流検出指示部106に出力する。
【0018】
電流検出指示部106は、U相のPWM信号のデューティ比と、V相のPWM信号のデューティ比と、W相のPWM信号のデューティ比とを基に、U相とV相とW相のコイルの電流検出順および電流検出回数を決定する。電流検出指示部106は、U相とV相とW相のコイルの電流検出順および電流検出回数を電流検出部107に出力する。
【0019】
なお、電流検出順と電流検出回数は、U相とV相とW相のPWM信号のデューティ比以外の情報を基に決定してもよい。例えば、電流検出指示部106は、モータ位置/速度推定部104により推定される3相モータ100の位置を基に、電流検出順と電流検出回数を決定してもよい。
【0020】
電流検出部107は、U相とV相とW相のコイルの電流検出順および電流検出回数に従って、3相モータ100のU相のコイルに流れる電流Iuと、V相のコイルに流れる電流Ivと、W相のコイルに流れる電流Iwを検出する。
【0021】
モータ位置/速度推定部104は、検出されたU相のコイルに流れる電流Iuと、V相のコイルに流れる電流Ivと、W相のコイルに流れる電流Iwを基に、3相モータ100の位置(電気角)と速度を推定する。そして、モータ位置/速度推定部104は、推定した3相モータ100の位置と速度をPI制御部101にフィードバックする。
【0022】
図2は、3相モータ100とスイッチング素子103と電流検出部107と電流検出用のシャント抵抗210〜212の構成例を示す図である。以下、電界効果トランジスタをFETという。スイッチング素子103は、U相ハイレベル側のFET201と、U相ローレベル側のFET204と、V相ハイレベル側のFET202と、V相ローレベル側のFET205と、W相ハイレベル側のFET203と、W相ローレベル側のFET206を有する。FET201〜206は、ブリッジ構成になっている。
【0023】
3相モータ100のU相のコイルは、FET201および204の相互接続点に接続される。3相モータ100のV相のコイルは、FET202および205の相互接続点に接続される。3相モータ100のW相のコイルは、FET203および206の相互接続点に接続される。
【0024】
シャント抵抗210は、3相モータ100のU相のコイルに流れる電流Iuを検出するためのシャント抵抗であり、FET204とグランド電位ノードとの間に接続される。シャント抵抗211は、3相モータ100のV相のコイルに流れる電流Ivを検出するためのシャント抵抗であり、FET205とグランド電位ノードとの間に接続される。シャント抵抗212は、3相モータ100のW相のコイルに流れる電流Iwを検出するためのシャント抵抗であり、FET206とグランド電位ノードとの間に接続される。
【0025】
FET201は、PWM制御部102が出力する例えば図3のU相のPWM信号がハイレベルの場合にオンし、3相モータ100のU相のコイルにパルス電圧を印加し、U相のPWM信号がローレベルの場合にオフする。
【0026】
FET202は、PWM制御部102が出力する例えば図3のV相のPWM信号がハイレベルの場合にオンし、3相モータ100のV相のコイルにパルス電圧を印加し、V相のPWM信号がローレベルの場合にオフする。
【0027】
FET203は、PWM制御部102が出力する例えば図3のW相のPWM信号がハイレベルの場合にオンし、3相モータ100のW相のコイルにパルス電圧を印加し、W相のPWM信号がローレベルの場合にオフする。
【0028】
FET204は、PWM制御部102が出力する例えば図3のU相のPWM信号がローレベルの場合にオンし、3相モータ100のU相のコイルをシャント抵抗210に接続し、U相のPWM信号がハイレベルの場合にオフする。
【0029】
FET205は、PWM制御部102が出力する例えば図3のV相のPWM信号がローレベルの場合にオンし、3相モータ100のV相のコイルをシャント抵抗211に接続し、V相のPWM信号がハイレベルの場合にオフする。
【0030】
FET206は、PWM制御部102が出力する例えば図3のW相のPWM信号がローレベルの場合にオンし、3相モータ100のW相のコイルをシャント抵抗212に接続し、W相のPWM信号がハイレベルの場合にオフする。
(【0031】以降は省略されています)

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