JP2017189067A

JP2017189067A - モータ駆動装置

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Publication number: JP2017189067A
Application number: JP2016077986A
Authority: JP
Inventors: 岳佐々木; Takeshi Sasaki; 村上　智一; Tomokazu Murakami; 智一村上
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-12
Also published as: WO2017175474A1

Abstract

【課題】操作値に対応したトルク目標値Ｔ１と速度偏差を反映したトルク目標値Ｔ２との対比で小さい方の値をトルク指令値として選択することにより、低速域から高速域まで制御性や操作感を向上させたモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】モータ回転速度が低く速度目標値Ｓｔに到達しない場合には、トルク目標値判定部５はトルク目標値Ｔ１をトルク指令値として選択してモータ制御部６へ出力し、モータ回転速度が速度目標値Ｓｔに達している場合には、速度目標値Ｓｔを超えないようにトルクを抑えるためトルク目標値判定部５はトルク目標値Ｔ２をトルク指令値として選択してモータ制御回路６へ出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＲＣ（ＲａｄｉｏＣｏｎｔｒｏｌ）車（以下「ラジコンカー」という）のような遠隔操作する移動玩具、或いは電動ドライバーやルーター等の電動工具のような、使用者が操作部を操作してモータを駆動するモータ駆動装置に関する。

ホビー用品には移動玩具として、例えば操作者がコントローラを無線操作してコース軌道上或いは路面を走らせるラジコンカーが知られている。
ラジコンカーは、コース上に設けられたマーカーをセンサにより検知しながら或いはジョイスティックの操作にしたがって走行し、コントローラから操作量に応じて走行車のモータ駆動を制御するようになっている。

ラジコンカーの駆動制御としては、モータをＰＷＭ制御で駆動することが知られている。ＰＷＭ駆動のデューティは記憶部に記憶された走行制御データにより設定される。ラジコンカーの走行速度は、駆動部に備えたモータをＰＷＭ駆動するデューティ比により制御され、加速制御を行う場合には、高いデューティ（例えば１００％）に対応する電圧をモータに印加する。また、減速走行する場合には、走行制御データに基づいてデューティ比を変更して逆極性の電圧を印加する制御が行われている（特許文献１参照）。

特開２０１１−１３０８２９号公報

上述した特許文献１のようなＰＷＭ駆動によりラジコンカーを加減速制御するため印加電圧のデューティ比を変更する方法によれば、モータが停止時から低速回転する場合にはモータに電流が流れやすいため高トルクが出力され、モータが高速回転すると誘起電圧が増加してモータに電流が流れ難くなり、トルクが小さくなる傾向にある。
よって、ラジコンカーにおいては、モータを起動する際には高トルクが出力されるため唐突な動きになり易く、急発進したり車輪が走行面に対してスリップしたりして操作感が悪くなる。特にモータが低速域でラジコンカーの発進と停止を繰り返す場合には、操作し難くなる。また、高速走行時には必要なトルクが得られ難くなるためものたりなさが残る。

また、移動玩具の他に電動ドライバーやルーター等の電動工具においては、モータの起動直後は回転速度を抑えながら徐々にトルクを上げていく駆動方法が使いやすく、或いは起動直後はトルクを抑えながら回転速度を徐々に上げていく駆動方法が使いやすい用途も想定される。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、操作値に対応したトルク目標値Ｔ１と速度偏差を反映したトルク目標値Ｔ２との対比で小さい方の値をトルク指令値として選択することにより、低速域から高速域まで制御性や操作感を向上させたモータ駆動装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
使用者から入力された操作量に応じて操作値を出力する操作部と、前記操作値に対応するトルクとのデータテーブルからトルク目標値Ｔ１を生成するトルク目標生成部と、前記操作値に対応する回転速度とのデータテーブルから速度目標値を生成する速度目標生成部と、前記速度目標値を制御目標値として現在回転速度との偏差からトルク目標値Ｔ２を演算して出力する速度制御演算部と、前記トルク目標生成部で生成されたトルク目標値Ｔ１と前記速度制御演算部から出力されたトルク目標値Ｔ２とを比較して小さい方の値を選択してトルク指令としてモータ制御部へ出力するトルク目標値判定部と、を具備することを特徴とする。

上記構成によれば、トルク目標値判定部は、操作値に対応したトルク目標値Ｔ１と速度偏差を反映したトルク目標値Ｔ２との対比で小さい方の値をトルク指令値として選択するので、モータ回転速度が低く速度目標値に到達しない場合にはトルク目標値Ｔ１がトルク指令値として選択されてモータ制御部へ出力され、モータ回転速度が速度目標値に達している場合には、速度目標値を超えないようにトルクを抑えるためトルク目標値Ｔ２がトルク指令値として選択されてモータ制御部へ出力される。
よって、モータが停止時から低速回転時は、トルクをトルク目標値Ｔ１に抑えながら運転し、高速回転に移行する速度目標値を維持するようにトルク目標値Ｔ２にトルクを抑えながら運転するので、移動玩具や電動工具等においては操作性が向上する。

前記速度制御演算部は、前記速度目標値に対して現在回転速度との偏差からＰＩ制御演算を行って最大許容トルクを上限とするトルク目標値Ｔ２を出力することが望ましい。
これにより、速度リミット値を制御目標として現在回転速度との偏差からＰＩ制御演算を行って偏差の積分値に比例したトルク制御値を算出するので、モータの回転速度を加味したトルク制御を行うことができる。

モータ回転速度が速度目標値に達していない場合には、前記トルク目標値判定部は、トルク目標値Ｔ１を選択して前記モータ制御部へ出力し、モータ回転速度が速度目標値を超えている場合には、前記トルク目標値判定部は、前記速度目標値を実現すべくトルク目標値Ｔ２を選択して前記モータ制御部へ出力することが好ましい。
これにより、モータが起動時から低速域においてトルクを抑えつつ加速運転することができ、高速域においては、速度目標値を維持すべく必要トルクを加えながら安定した高速運転が可能となるため、操作性が向上する。

前記モータ制御部は、モータコイル電流を回転磁界の磁束の向きから定義されるｄｑ回転座標系のｄ軸及びｑ軸電流成分に変換してモータトルクに作用するｑ軸電流を制御することで指令トルクに見合った回転トルクに制御するベクトル制御部であってもよい。
これにより、トルク目標値判定部より出力されたトルク指令に基づいてベクトル制御部は、モータトルクに作用するｑ軸電流を算出して必要なトルクをロータに発生させるので、モータの運転状況に応じてｑ軸電流を算出し指令トルクに見合った安定したトルク制御が可能となり、操作性が向上する。

上述したモータ駆動装置を用いれば、操作値に対応したトルク目標値Ｔ１と速度偏差を反映したトルク目標値Ｔ２との対比で小さい方の値をトルク指令値として選択することにより、低速域から高速域まで制御性や操作感を向上させたモータ駆動装置を提供することができる。

モータ駆動装置のブロック構成図である。トルク及び速度の制御パターンを示す説明図である。速度目標値及びトルク目標値と操作量との関係を示すデータテーブルの説明図である。

以下、本発明に係るモータ駆動装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態では一例として移動玩具（ラジコンカー）に備えたモータ駆動装置について説明する。尚、操作部はコントローラとし、ラジコンカーとの間に備えた送受信部によって無線送信（例えば赤外線送信等）により行われるものとする。モータは、ＤＣブラシレスモータＭであり、ＳＰＭ型、ＩＰＭ型のいずれであってもよい。

図１のブロック図を参照して、モータ駆動装置の概略構成について説明する。
コントローラ（操作部）１は、使用者から入力された操作量に応じて操作値（％データ）を出力する。コントローラ１の形態は様々なものが考えられるが、ゲームコントローラとしては、例えば、使用者が操作するハンドル操作部、ジョイスティックなどのレバー、その他の機能ボタン等が設けられたものが想定される。

トルク目標生成部２は、コントローラ１より出力された操作値（％データ）に対応するトルクのデータテーブルからトルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））を生成して出力する。トルク目標生成部２には、後述するように、操作値（％データ）に対応するトルクのデータテーブル（図３参照）が格納されている。

速度目標生成部３は、コントローラ１より出力された操作値（％データ）に対応する回転速度とのデータテーブルから速度目標値Ｓｔ（ｒ／ｍｉｎ）を出力する。速度目標生成部３には、後述するように、操作値（％データ）に対応する回転速度のデータテーブル（図３参照）が格納されている。

速度制御演算部４は、速度目標値Ｓｔ（ｒ／ｍｉｎ）を制御目標値として、モータＭの現在回転速度との偏差からトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））を演算して出力する。具体的には、速度制御演算部４は、速度目標値Ｓｔ（ｒ／ｍｉｎ）に対してモータＭの現在回転速度との偏差からＰＩ制御演算を行って最大許容トルクを上限とするトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））を出力する。

トルク目標値判定部５には、トルク目標生成部２で生成されたトルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））と、速度制御演算部４から出力されたトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））が入力する。トルク目標値判定部５は、トルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））とトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））との大小関係を比較して小さい方の値を選択してトルク指令Ｔ_ctrlとして電流ベクトル制御回路（モータ制御部）６へ出力される。
例えば、｜Ｔ２｜＞Ｔ１の場合には、Ｔ_ctrl＝±Ｔ１（Ｔ２と同じ符号）を選択し、｜Ｔ２｜≦Ｔ１の場合には、Ｔ_ctrl＝Ｔ２となる。

また、電流ベクトル制御部６（モータ制御部）は、モータコイル電流を磁束の向きから定義されるｄｑ座標系の電流成分に変換してモータトルクに作用するｑ軸電流を制御することでトルク指令Ｔ_ctrlに見合った回転トルクに制御する。具体的には、電流ベクトル制御回路６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどの各種制御素子を備えたサーボ制御部と、モータ電流をベクトル制御する電流ベクトル制御部を備えている。電流ベクトル制御部６はDCブラシレスモータＭのロータ角度に応じた磁束の向きから定義されるｄｑ座標系の電流成分に対して電流ベクトル制御部がｑ軸電流を制御することでサーボ制御部のトルク指令Ｔ_ctrlに見合った回転トルクに制御する。

ＤＣブラシレスモータＭは、例えばＳＰＭ型においてはロータヨークに永久磁石を設けた永久磁石ロータと、ステータコアのスロットの回りにモータコイルを巻かれたステータと、モータ軸に連結してロータの回転位置及び回転速度を検出するエンコーダ（回転検出部）を備えている。エンコーダを用いることで、高信頼性（脱調レス）とロータ位置に応じた電流制御を実現している。エンコーダにより検出された回転速度は、速度制御演算部４へ入力される。また、エンコーダから検出されたＤＣブラシレスモータＭのロータ位置信号（電気角θ）や電流センサによる固定子電流（相電流）の電流計測値が入力される。

電流ベクトル制御部６は、第１の座標軸変換部に入力された電流計測値は絶対座標系から回転座標系に座標軸変換したモータトルク電流（ｑ軸電流）と界磁電流（ｄ軸電流）に変換（クラーク変換）されて、指令電圧Ｖ_ctrlが生成される。

ここで、図２を参照してラジコンカーの制御動作の一例について説明する。
図２において区間ａはラジコンカーが加速状態、区間ｂはユーザーからの操作が無い状態、区間ｃは減速状態を表す。区間ａは、ラジコンカーを速度制御する際に回転速度が速度目標値Ｓｔに達していない場合、区間ｂはラジコンカーを速度制御する際に回転速度が速度目標値Ｓｔを超えている場合、区間ｃは速度目標値Ｓｔが加速状態若しくは操作無から減速に転じたため、速度目標値Ｓｔの符号が−側に反転し、回転速度が速度目標値Ｓｔに達していない場合を示す。

図２の区間ａにおいて、モータの回転速度が加速状態で速度目標値Ｓｔを超えていない場合、現在回転速度Ｓ_motorとユーザーが操作する回転速度Ｓｔとの差を解消するため速度制御演算部４から最大許容トルクとなるトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））が出力される。なお、最大許容トルクはモータの物理的に出力可能なトルク出力最大値であってもよいし、安全、保守、寿命を考慮して物理的に出力可能なトルク出力最大値より低いトルクでもよい。また、最大許容トルクは一定でも状況に応じて変動しても良い。トルク目標値判定部５は、トルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））と最大許容トルクとなるトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））との大小関係を比較してトルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））を選択し、トルク指令Ｔ_ctrlとして電流ベクトル制御回路６に出力する。よって、モータ出力トルクはユーザーの操作量に応じたトルク目標値Ｔ１に制御される。

図２の区間ｂにおいては、ユーザーによる操作レバーの操作量が零であり出力トルクも速度目標値Ｓｔも零となる。このため、モータの回転速度が速度目標値Ｓｔを超えていることになり、摩擦などによりラジコンカーの回転速度が自然に低下する。

図２の区間ｂのように、モータの回転速度が速度目標値Ｓｔを超えている場合、速度制御演算部４により速度目標値を実現するようなトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））が算出される。よって、図１において、速度制御演算部４から出力された速度目標値Ｓｔを実現するようなトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））はトルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））より小さくなる。このため、トルク目標値判定部５は、トルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））とトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））との大小関係を比較してトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））を選択し、トルク指令Ｔ_ctrlとして電流ベクトル制御回路６に出力する。したがって、モータ出力トルクはトルク目標値Ｔ２に制御される。

図２の区間ｃにおいては、モータの回転速度が、操作量が零（出力トルクも零）の状態から減速方向の加速であり、速度目標値Ｓｔ（絶対値）を超えていない点は区間ａと同様となる。但し、ユーザーが操作レバーを加速方向と反対方向（減速方向）に操作してユーザーがラジコンカーを積極的に減速させるように操作している。このため、区間ａとは逆方向のトルク出力を行っている。このときも先ほどの区間ａと同様にトルク目標値判定部５によりトルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））と最大許容トルクとなるトルク目標値Ｔ２（電流量換算値（Ａ））との大小関係を比較してトルク目標値Ｔ１（電流量換算値（Ａ））を選択し、トルク指令Ｔ_ctrlとして電流ベクトル制御回路６に出力する。よって、停止していたラジコンカーを背走させたり、走行中のラジコンカーに急ブレーキをかけて停止させたりする場合に用いられる。

尚、図２の区間ａにおいてラジコンカーが高速域に到達しモータの回転速度が速度目標値Ｓｔを超えた場合には、区間ｂと同様に速度目標値Ｓｔを遵守するようにトルク目標値Ｔ２にしたがって走行するため、必要なトルクを加えながら安定した高速走行が可能となる。尚、ラジコンカーの最大速度は、モータの仕様とタイヤと走行面との摩擦係数により決まる。

ここで、トルク目標生成部２及び速度目標生成部３において、予め記憶させておく操作値に対応するトルク及び速度のデータテーブルの一例について図３（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。

図３（Ａ）が速度テーブル、図３（Ｂ）がトルクテーブルを示す。両図において、設定した速度目標値Ｓｔの最大値は、モータの物理的に可能な速度出力値であってもよいし、安全、保守、寿命を考慮して物理的な限界速度より低い速度でもよい。
また、設定したトルク目標値Ｔ１の最大値は、モータの物理的に出力可能なトルク出力最大値であってもよいし、安全、保守、寿命を考慮して物理的に可能なトルク出力最大値より低い出力トルクでもよい。

まず、第一のパターンを実線Ｉで示す。実線Ｉは、使用者（ユーザー）の操作量（％デ
ータ）に対して速度変化及びトルク変化が、傾きが同じで正比例する関係にある。このように、速度変化及びトルク変化の増減の割合が同じであるため、ラジコンカーを操作する初心者向けのデータテーブルとなる。

次に、第二のパターンを破線IIで示す。使用者（ユーザー）の操作量（％データ）に対
して、速度はあまり変化せずにトルクだけがリニアに変化する。このような、データテーブルを用いると、モータを起動するとゆっくり回転しながらトルクが操作量に応じて上がっていく。そのため、回転による振動が抑えられるので精密な作業をする場合に向いている。例えば電動ドライバーのような電動工具でねじ止めする場合に、不慣れな使用者でも低速で回転するためねじを破損することなく、トルクは強いため確実に止めることができる。或いは、電動トルクレンチでナットを連結する場合にもナットを締めすぎることなくねじ嵌合させることができる。

次に、第三のパターンを点線IIIで示す。使用者（ユーザー）の操作量（％データ）に対して、速度がリニアに変化するだけでトルクはあまり変化しないようなっている。このような、データテーブルを用いると、モータを起動すると操作量に応じて高速に回転しながらトルクがあまり変化しない。そのため、ラジコンカーが発進する際や低速域においてトルクを抑えて走行することができ、操作性が向上する。また加工面を仕上げる微細な加工、例えば電動ルーターや電動イレイサー等の場合、回転数が高いため作業性を損なうことなく、トルクが弱いため外力を受けると容易に回転動作が一時的に停止するので被加工物の破損を防ぐような用途に使用することができる。或いは、家電品（扇風機等）において、回転体（羽根等）が外力により容易に停止するため、不慮の事故に対応することも可能となる。

上述したモータ駆動装置を用いれば、モータが停止時から低速回転時は、トルクをトルク目標値Ｔ１に抑えながら運転し、高速回転に移行する速度目標値Ｓｔを維持するようにトルク目標値Ｔ２を抑えながら運転することができるので、移動玩具や電動工具等においては低速域から高速域まで制御性や操作性が向上する。

上記実施例ではＤＣブラシレスモータを電流ベクトル制御する場合について説明したが、これに限らず、モータ制御部は、ステッピングモータ、ＤＣブラシ付きモータをフィードバック制御する場合であってもよい。
また、モータについても多相モータであればインナーロータ型であってもアウターロータ型であってもコアレス型であってもいずれでもよい。

ＭＤＣブラシレスモータ１コントローラ２トルク目標生成部３速度目標生成部４速度制御演算部５トルク目標値判定部６ベクトル制御部

Claims

使用者から入力された操作量に応じて操作値を出力する操作部と、
前記操作値に対応するトルクとのデータテーブルからトルク目標値Ｔ１を生成するトルク目標生成部と、
前記操作値に対応する回転速度とのデータテーブルから速度目標値を生成する速度目標生成部と、
前記速度目標値を制御目標値として現在回転速度との偏差からトルク目標値Ｔ２を演算して出力する速度制御演算部と、
前記トルク目標生成部で生成されたトルク目標値Ｔ１と前記速度制御演算部から出力されたトルク目標値Ｔ２とを比較して小さい方の値を選択してトルク指令としてモータ制御部へ出力するトルク目標値判定部と、を具備するモータ駆動装置。
前記速度制御演算部は、前記速度目標値に対して現在回転速度との偏差からＰＩ制御演算を行って最大許容トルクを上限とするトルク目標値Ｔ２を出力する請求項１記載のモータ駆動装置。
モータ回転速度が速度目標値に達していない場合には、前記トルク目標値判定部は、トルク目標値Ｔ１を選択して前記モータ制御部へ出力し、モータ回転速度が速度目標値を超えている場合には、前記トルク目標値判定部は、前記速度目標値を実現すべくトルク目標値Ｔ２を選択して前記モータ制御部へ出力する請求項１又は請求項２記載のモータ駆動装置。
前記モータ制御部は、モータコイル電流を回転磁界の磁束の向きから定義されるｄｑ回転座標系のｄ軸及びｑ軸電流成分に変換してモータトルクに作用するｑ軸電流を制御することで指令トルクに見合った回転トルクに制御するベクトル制御部である請求項１又は請求項２記載のモータ駆動装置。