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JP7645914B2 - Method for controlling a brushless DC motor and device for controlling a brushless DC motor - Google Patents

Method for controlling a brushless DC motor and device for controlling a brushless DC motor Download PDF

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JP7645914B2 JP2023027321A JP2023027321A JP7645914B2 JP 7645914 B2 JP7645914 B2 JP 7645914B2 JP 2023027321 A JP2023027321 A JP 2023027321A JP 2023027321 A JP2023027321 A JP 2023027321A JP 7645914 B2 JP7645914 B2 JP 7645914B2
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Description

本発明は、ブラシレスDCモータの制御方法、および、ブラシレスDCモータの制御装置に関する。 The present invention relates to a method for controlling a brushless DC motor and a control device for a brushless DC motor.

ブラシレスDCモータは、小型・高効率・長寿命・低騒音等の特長を活かし工業製品やコンピュータ周辺機器など様々な分野で多用されており、近年においては、より高い基準の騒音低減が求められている。ブラシレスDCモータの騒音として、ベアリングの振動や部品の傷による機械騒音および電磁トルクリップルやコギングトルクによる電磁騒音が知られている。ここで一般的には、ブラシレスDCモータを駆動させるために、電圧を正弦波状に変化させロータを回転させる正弦波駆動制御(180度制御)、又は、電気角が60度毎に電流の向きを変化させロータを回転させる矩形波駆動制御(120度制御)が行われる。特に、矩形波駆動制御として、ON/OFFのスイッチングを繰り返し行い、出力される電力を制御するPWM(Pulse Width Modulation)速度制御(以降、「PWM制御」と記載する。)が多用されている。PWM制御においては、ON/OFFのデューティ比を変化させ、電圧の実効値を調節して目標回転速度に追従させる。矩形波駆動制御は、正弦波駆動制御に対し、制御システムを簡易に構成でき、コストも安価にできる点で採用するメリットがあるが、スイッチング時の電磁トルクリップルにより比較的騒音が大きくなる傾向にある。そこで従来、矩形波駆動制御で駆動させるブラシレスDCモータの騒音を低減させるためのさまざまな提案がなされてきた(例えば特許文献1及び特許文献2)。 Brushless DC motors are widely used in various fields such as industrial products and computer peripherals, taking advantage of their features such as small size, high efficiency, long life, and low noise, and in recent years, higher standards of noise reduction have been required. The noise of brushless DC motors is known to be mechanical noise caused by vibration of bearings and scratches on parts, and electromagnetic noise caused by electromagnetic torque ripple and cogging torque. Generally, to drive a brushless DC motor, sine wave drive control (180 degree control) is performed, in which the voltage is changed into a sine wave to rotate the rotor, or square wave drive control (120 degree control) is performed, in which the direction of the current is changed every 60 electrical degrees to rotate the rotor. In particular, as a square wave drive control, PWM (Pulse Width Modulation) speed control (hereinafter referred to as "PWM control") is often used, which controls the output power by repeatedly switching ON/OFF. In PWM control, the ON/OFF duty ratio is changed and the effective voltage value is adjusted to follow the target rotation speed. Compared to sine wave drive control, square wave drive control has the advantage of being able to configure the control system simply and at low cost, but it tends to produce relatively loud noise due to electromagnetic torque ripple during switching. Therefore, various proposals have been made to reduce the noise of brushless DC motors driven by square wave drive control (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

特許文献1で開示されている制御装置(モータ制御装置)は、モータを起動し、その回転速度が目標回転速度と一致するように制御する。具体的には、制御演算部が回転速度偏差に応じてモータの回転速度が目標回転速度と一致するようにq軸電流指令値を出力し、駆動回路部がこのq軸電流指令値に基づいて生成したPWM電圧制御信号をインバータ回路に出力する(引用文献1の段落[0006]参照)。 The control device (motor control device) disclosed in Patent Document 1 starts a motor and controls its rotation speed so that it matches a target rotation speed. Specifically, a control calculation unit outputs a q-axis current command value according to the rotation speed deviation so that the motor rotation speed matches the target rotation speed, and a drive circuit unit outputs a PWM voltage control signal generated based on this q-axis current command value to an inverter circuit (see paragraph [0006] of Patent Document 1).

特許文献2で開示されている制御装置(ブラシレスDCモータの駆動装置)は、台形波生成手段と、三角波を発振する三角波発振回路と、台形波と三角波とからPWM変調波を生成するPWM変調回路と、PWM変調波に基づいて制御信号を生成する駆動回路と、を有し、インバータ回路に出力された制御信号に基づきブラシレスDCモータを駆動する(引用文献2の段落[0006]参照)。 The control device (driver of a brushless DC motor) disclosed in Patent Document 2 has a trapezoidal wave generating means, a triangular wave oscillation circuit that oscillates a triangular wave, a PWM modulation circuit that generates a PWM modulated wave from the trapezoidal wave and the triangular wave, and a drive circuit that generates a control signal based on the PWM modulated wave, and drives a brushless DC motor based on the control signal output to an inverter circuit (see paragraph [0006] of Patent Document 2).

特開2007-295672号公報JP 2007-295672 A 特開2006-006067号公報JP 2006-006067 A

しかしながら、特許文献1及び特許文献2に開示されている制御装置で採用されているPWM制御は、デューティ比の変化が激しい場合、電流リップルと呼ばれる電流の脈動が発生し、それによる振動が電磁騒音の原因となる。PWM制御では、ON/OFFのスイッチングにより電圧を調整するため、電流リップルを抑制することが困難である。 However, in the PWM control employed in the control devices disclosed in Patent Documents 1 and 2, when the duty ratio changes drastically, current pulsation called current ripple occurs, and the resulting vibration becomes a cause of electromagnetic noise. With PWM control, voltage is adjusted by ON/OFF switching, making it difficult to suppress current ripple.

本発明の主目的は、このような点に鑑みて、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスDCモータを矩形波駆動で速度制御することが可能なブラシレスDCモータの制御方法を提案することにある。併せて、本発明の目的は、この制御方法を応用したブラシレスDCモータの制御装置を提案することにある。 In view of these circumstances, the main object of the present invention is to propose a method for controlling a brushless DC motor that can suppress current ripple, reduce noise, and control the speed of the brushless DC motor with square wave drive. In addition, the object of the present invention is to propose a control device for a brushless DC motor that applies this control method.

[1]上記課題を解決すべく、本発明に係るブラシレスDCモータの制御方法は、ゲートに基づきブラシレスDCモータの通電相を切り替え可能に構成されたインバータ回路を用い、離散時間系制御により目標回転速度で当該ブラシレスDCモータを矩形波駆動させるブラシレスDCモータの制御方法であって、目標回転速度に追従するための目標電流値を生成する目標電流値設定ステップと、矩形波駆動中のブラシレスDCモータの通電相電流値を計測する電流値計測ステップと、通電相電流値を目標電流値に追従させるようゲート信号を生成するゲート信号生成ステップと、ゲート信号に基づき通電相を切り替える通電相切り替えステップと、を実行する。 [1] In order to solve the above problems, the brushless DC motor control method of the present invention uses an inverter circuit configured to be able to switch the energized phase of the brushless DC motor based on a gate, and drives the brushless DC motor in a square wave at a target rotation speed using discrete time system control, and executes a target current value setting step of generating a target current value for tracking the target rotation speed, a current value measurement step of measuring the energized phase current value of the brushless DC motor during square wave drive, a gate signal generation step of generating a gate signal to cause the energized phase current value to track the target current value, and an energized phase switching step of switching the energized phase based on the gate signal.

[2]本発明に係るブラシレスDCモータの制御方法では、更に、矩形波駆動中のブラシレスDCモータを計測して得た回転速度情報から回転速度を算出する回転速度算出ステップを実行し、目標電流値設定ステップにおいて、目標回転速度と回転速度算出ステップで算出した回転速度との差から目標電流値を生成することが好ましい。 [2] In the brushless DC motor control method according to the present invention, it is preferable to further execute a rotational speed calculation step in which the rotational speed is calculated from rotational speed information obtained by measuring the brushless DC motor during rectangular wave drive, and in the target current value setting step, generate a target current value from the difference between the target rotational speed and the rotational speed calculated in the rotational speed calculation step.

[3]本発明に係るブラシレスDCモータの制御方法では、離散時間系制御が離散時間系PI制御であり、目標電流値設定ステップにおいて、目標電流値(Is[z])を次の式1を用い生成することが好ましい。

Figure 0007645914000001
[3] In the control method for a brushless DC motor according to the present invention, it is preferable that the discrete-time control is discrete-time PI control, and in the target current value setting step, the target current value (Is[z]) is generated using the following Equation 1.
Figure 0007645914000001

[4]本発明に係るブラシレスDCモータの制御方法では、ゲート信号生成ステップにおいて、電流方向が正の通電相電流値と目標電流値とを比較し、その大小により通電相が切り替わるようゲート信号を生成することが好ましい。 [4] In the control method for a brushless DC motor according to the present invention, in the gate signal generation step, it is preferable to compare the current value of the energized phase in the positive current direction with a target current value, and generate a gate signal so that the energized phase is switched depending on the magnitude of the comparison.

[5]本発明に係るブラシレスDCモータの制御方法では、ゲート信号生成ステップにおいて、インバータ回路において同時に開くトランジスタの数を変更して通電相を切り替えるようにゲート信号を生成することが好ましい。 [5] In the control method for a brushless DC motor according to the present invention, in the gate signal generation step, it is preferable to generate a gate signal so as to change the number of transistors that are simultaneously opened in the inverter circuit to switch the current-carrying phase.

[6]本発明に係るブラシレスDCモータの制御方法では、ゲート信号生成ステップにおいて、通電相電流値が目標電流値より小さい場合には、通電相のコイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートとコイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるためのゲート信号を生成し、通電相電流値が目標電流値より大きい場合には、コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるためのゲート信号を生成することが好ましい。 [6] In the control method for a brushless DC motor according to the present invention, in the gate signal generation step, if the current value of the energized phase is smaller than the target current value, a gate signal is generated to open both the gate of the transistor that causes current to flow into the coil of the energized phase and the gate of the transistor that causes current to flow out of the coil, and if the current value of the energized phase is larger than the target current value, a gate signal is preferably generated to close the gate of the transistor that causes current to flow into the coil and to open the gate of the transistor that causes current to flow out of the coil.

[7]本発明に係るブラシレスDCモータの制御装置は、ブラシレスDCモータを離散時間系制御により目標回転速度で矩形波駆動させるブラシレスDCモータの制御装置であって、ゲート信号の切り替わりによりブラシレスDCモータの通電相の切り替え制御を行うように構成されたインバータ回路と、目標回転速度の入力を受け付ける目標回転速度入力部と、外付けまたは内蔵の電流センサにより計測された矩形波駆動中のブラシレスDCモータの通電相電流値を取得する通電相電流値取得部と、ブラシレスDCモータの回転速度を、目標回転速度入力部で受け付けた目標回転速度に追従させるために、各相の通電相電流値の目標電流値を生成する目標電流値生成部と、通電相電流値取得部が取得した通電相電流値を、目標電流に追従させるための制御指令を生成し、当該制御指令を、インバータ回路による通電相の切り替えを行うためのゲート信号として、インバータ回路に向けて出力するゲート信号生成部と、を備えている。 [7] The brushless DC motor control device according to the present invention is a brushless DC motor control device that drives a brushless DC motor in a rectangular wave at a target rotation speed by discrete time system control, and includes an inverter circuit configured to control the switching of the energized phase of the brushless DC motor by switching of a gate signal, a target rotation speed input unit that receives an input of the target rotation speed, an energized phase current value acquisition unit that acquires an energized phase current value of the brushless DC motor during rectangular wave drive measured by an external or built-in current sensor, a target current value generation unit that generates a target current value of the energized phase current value of each phase in order to make the rotation speed of the brushless DC motor follow the target rotation speed received by the target rotation speed input unit, and a gate signal generation unit that generates a control command to make the energized phase current value acquired by the energized phase current value acquisition unit follow the target current, and outputs the control command to the inverter circuit as a gate signal for switching the energized phase by the inverter circuit.

[8]本発明に係るブラシレスDCモータの制御装置では、更に、矩形波駆動中のブラシレスDCモータの計測された測定回転速度情報の入力を受け付ける回転速度情報入力部を備え、目標電流値生成部は、目標回転速度と回転速度とに基づき、目標電流値を生成することが好ましい。 [8] The brushless DC motor control device according to the present invention preferably further includes a rotational speed information input unit that accepts input of measured rotational speed information of the brushless DC motor during rectangular wave drive, and the target current value generating unit generates a target current value based on the target rotational speed and the rotational speed.

[9]本発明に係るブラシレスDCモータの制御装置では、離散時間系制御が離散時間系PI制御であり、目標電流値生成部は、目標電流値(Is[z])を上記の式1を用い生成することが好ましい。 [9] In the brushless DC motor control device according to the present invention, it is preferable that the discrete-time system control is discrete-time system PI control, and the target current value generating unit generates the target current value (Is[z]) using the above formula 1.

[10]本発明に係るブラシレスDCモータの制御装置では、ゲート信号生成部は、通電相電流値が目標電流値より小さい場合には、通電相のコイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートとコイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるためのゲート信号を生成し、通電相電流値が目標電流値より大きい場合には、コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるためのゲート信号を生成することが好ましい。 [10] In the control device for a brushless DC motor according to the present invention, it is preferable that the gate signal generating unit generates a gate signal for opening both the gate of the transistor that causes current to flow into the coil of the energized phase and the gate of the transistor that causes current to flow out of the coil when the energized phase current value is smaller than the target current value, and generates a gate signal for closing the gate of the transistor that causes current to flow into the coil and opening the gate of the transistor that causes current to flow out of the coil when the energized phase current value is greater than the target current value.

本発明によれば、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスDCモータを矩形波駆動で速度制御することが可能となる。 The present invention makes it possible to suppress current ripple, reduce noise, and control the speed of a brushless DC motor using square wave drive.

実施形態1のブラシレスDCモータシステムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of a brushless DC motor system according to a first embodiment. 実施形態1のブラシレスDCモータシステムにおける制御概念を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a control concept in the brushless DC motor system of the first embodiment. 実施形態1のブラシレスDCモータシステムの電流追従制御を示すグラフである。5 is a graph showing current tracking control of the brushless DC motor system of the first embodiment. 実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a control method for the brushless DC motor according to the first embodiment. 実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法における通電相切り替えステップでの通電相切り替えを示す模式図である(ロータ回転角度0°~180°)。4 is a schematic diagram showing a current conduction phase switching step in the control method for the brushless DC motor of the first embodiment (rotor rotation angle 0° to 180°). FIG. 実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法における通電相切り替えステップでの通電相切り替えを示す模式図である(ロータ回転角度180°~360°)。4 is a schematic diagram showing a current conduction phase switching step in the control method for the brushless DC motor of the first embodiment (rotor rotation angle 180° to 360°). FIG. 実施形態2のブラシレスDCモータの制御方法における通電相切り替えステップでの通電相切り替えを示す模式図である(ロータ回転角度0°~180°)。13 is a schematic diagram showing a current conduction phase switching step in the control method for a brushless DC motor according to the second embodiment (rotor rotation angle 0° to 180°). FIG. 実施形態2のブラシレスDCモータの制御方法における通電相切り替えステップでの通電相切り替えを示す模式図である(ロータ回転角度180°~360°)。13 is a schematic diagram showing a current conduction phase switching step in the control method for a brushless DC motor according to the second embodiment (rotor rotation angle 180° to 360°). FIG. 実験結果におけるモータ回転速度を示すグラフである。13 is a graph showing motor rotation speeds in experimental results. 実験結果におけるモータ電流波形を示すグラフである。13 is a graph showing motor current waveforms in experimental results. 実験結果におけるモータ電磁トルク波形を示すグラフである。13 is a graph showing motor electromagnetic torque waveforms in experimental results. 実験結果におけるモータ電磁トルク波形のスペクトル強度を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the spectral intensity of the motor electromagnetic torque waveform in the experimental results. 実験結果におけるモータ電磁トルク波形の累積振幅スペクトルを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a cumulative amplitude spectrum of a motor electromagnetic torque waveform in an experimental result.

以下に、図面を参照して、本発明を適用した一実施形態としてのブラシレスDCモータシステム1を説明する。なお、各図面は必ずしも実際の全ての構成を厳密に反映したものではない。また、本明細書では、ブラシレスDCモータのロータの回転に関し、「回転速度」の語を用い説明しているが、この語を「角速度」の語に置き換えて読み替えてもよい。また、本明細書では、ブラシレスDCモータの構造、インバータ回路を用いてのブラシレスDCモータの駆動原理、ブラシレスDCモータを制御するにあっての周辺機器については概ね従来と同様であり、従来と同様の部分については、簡略な説明にするか説明を省略する。 Below, a brushless DC motor system 1 as an embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. Note that each drawing does not necessarily strictly reflect all of the actual configuration. In addition, in this specification, the rotation of the rotor of the brushless DC motor is described using the term "rotational speed", but this term may be replaced with the term "angular velocity". In this specification, the structure of the brushless DC motor, the driving principle of the brushless DC motor using an inverter circuit, and the peripheral equipment for controlling the brushless DC motor are generally the same as in the past, and the same parts as in the past will be described briefly or omitted.

[実施形態1]
(1-1.実施形態1のブラシレスDCモータシステムの構成)
図1は、実施形態1のブラシレスDCモータシステム1の構成を示すブロック図である。まずは図1を参照し、実施形態1のブラシレスDCモータシステム1の構成を説明する。
[Embodiment 1]
(1-1. Configuration of Brushless DC Motor System of First Embodiment)
Fig. 1 is a block diagram showing the configuration of a brushless DC motor system 1 according to embodiment 1. First, the configuration of the brushless DC motor system 1 according to embodiment 1 will be described with reference to Fig. 1 .

また、実施形態1では、離散時間系制御として、離散時間系PI制御(Proportional-Integral制御)を用いた場合を例に以下説明する。なお、離散時間系制御には、PI制御の他、P制御の演算が偏差ではなく出力に対して行われるI-P制御(Integral-Proportional制御)もあり、I-P制御を離散時間系制御として用いてもよい。また、後述する実施形態2、その他の実施形態においても、離散時間系制御として、離散時間系PI制御を用いた場合について説明するが、実施形態1と同様、PI制御の代わりにI-P制御を用いてもよい。 In the first embodiment, the following description will be given taking as an example a case where discrete-time PI control (Proportional-Integral control) is used as the discrete-time control. In addition to PI control, discrete-time control also includes IP control (Integral-Proportional control), in which the P control calculation is performed on the output rather than the deviation, and IP control may be used as the discrete-time control. In the second and other embodiments described below, the case where discrete-time PI control is used as the discrete-time control will also be described, but IP control may be used instead of PI control as in the first embodiment.

ブラシレスDCモータシステム1は、図1に示すように、回転動力を出力するブラシレスDCモータ10と、回転角度を検出するロータリエンコーダ20と、接続されたブラシレスDCモータ10を離散時間系PI制御により目標回転速度で矩形波駆動させる制御装置30と、を備えている。また、ブラシレスDCモータシステム1は、制御装置30にデータを設定したり制御装置30からデータを取得したりできるよう、制御装置30にデータ授受可能に接続されたコンピュータ機器80を備えている。以下に、ブラシレスDCモータシステム1における各構成について詳述する。 As shown in Figure 1, the brushless DC motor system 1 includes a brushless DC motor 10 that outputs rotational power, a rotary encoder 20 that detects the rotation angle, and a control device 30 that drives the connected brushless DC motor 10 in a rectangular wave at a target rotation speed using discrete-time PI control. The brushless DC motor system 1 also includes a computer device 80 that is connected to the control device 30 so that data can be sent and received, so that data can be set in the control device 30 and data can be acquired from the control device 30. Each component of the brushless DC motor system 1 will be described in detail below.

ブラシレスDCモータ10は、ステータ(不図示)と、複数の磁極を有しステータに対し回転可能なロータ11と、ステータに周方向等間隔で固定された複数のコイル12と、ステータに周方向等間隔で固定された磁気センサ13とを備えている。ロータ11は、出力軸と当該出力軸に対し周方向に等間隔で整列するS極の磁極の永久磁石とN極の磁極の永久磁石とを有し回転子を構成している。複数のコイル12は、後述のインバータ回路40から供給される電流の有無および電流の向きによって、S極の磁力の発生とN極の磁力の発生と無磁力とを切り替え可能である。複数の磁気センサ13は、一例としてホールセンサであり、対面するロータ11の磁極を検出する。ステータ、複数のコイル12、及び複数の磁気センサ13は、固定子を構成している。ブラシレスDCモータ10は、ロータ11に配置された磁極の数が2極(180°で2分割)で、コイル12の数が3つ(120°ピッチ)で、磁気センサ13の数が3つ(120°ピッチ)で構成されたU相、V相、およびW相を有する3相モータである。 The brushless DC motor 10 includes a stator (not shown), a rotor 11 having multiple magnetic poles and rotatable relative to the stator, multiple coils 12 fixed to the stator at equal intervals in the circumferential direction, and magnetic sensors 13 fixed to the stator at equal intervals in the circumferential direction. The rotor 11 has an output shaft and a permanent magnet with an S pole and a permanent magnet with an N pole aligned at equal intervals in the circumferential direction on the output shaft to form a rotor. The multiple coils 12 can switch between generating a magnetic force of the S pole, generating a magnetic force of the N pole, and no magnetic force depending on the presence or absence of a current supplied from an inverter circuit 40 described later and the direction of the current. The multiple magnetic sensors 13 are, for example, Hall sensors, and detect the magnetic poles of the rotor 11 that they face. The stator, the multiple coils 12, and the multiple magnetic sensors 13 form a stator. The brushless DC motor 10 is a three-phase motor with U-phase, V-phase, and W-phase, with two magnetic poles (divided into two at 180°) arranged on the rotor 11, three coils 12 (120° pitch), and three magnetic sensors 13 (120° pitch).

ロータリエンコーダ20は、ロータ11の出力軸と機械的に連結しており、ロータ11の回転角度を検出する。また、ロータリエンコーダ20は、後述のDSPユニット70に電気的に接続されており、回転速度情報としての角度信号をDSPユニット70に出力する。 The rotary encoder 20 is mechanically connected to the output shaft of the rotor 11 and detects the rotation angle of the rotor 11. The rotary encoder 20 is also electrically connected to the DSP unit 70 (described later) and outputs an angle signal to the DSP unit 70 as rotation speed information.

制御装置30は、インバータ回路40、モータ駆動用電源50、電流センサ60、およびDSPユニット70(Digital Signal Processor ユニット70)を含み構成されている。制御装置30においては、ADコンバータ等その他構成を有するが、その他の構成については既知であり説明を省略する。 The control device 30 includes an inverter circuit 40, a motor drive power supply 50, a current sensor 60, and a DSP unit 70 (Digital Signal Processor unit 70). The control device 30 also includes other components such as an AD converter, but these other components are well known and will not be described here.

インバータ回路40は、ゲートドライバ41と、3相ブリッジ42と、を含む回路が形成されている。インバータ回路40は、3相ブリッジ42の各相それぞれのラインにブラシレスDCモータ10の各コイル12が接続され、後述のDSPユニット70からの制御指令(ゲート信号)に基づきゲートドライバ41でブラシレスDCモータ10の通電相を切り替えることができる。 The inverter circuit 40 is formed as a circuit including a gate driver 41 and a three-phase bridge 42. In the inverter circuit 40, each coil 12 of the brushless DC motor 10 is connected to each line of each phase of the three-phase bridge 42, and the gate driver 41 can switch the energized phase of the brushless DC motor 10 based on a control command (gate signal) from the DSP unit 70 described below.

モータ駆動用電源50は、インバータ回路40に電気的に接続されており、インバータ回路40の3相ブリッジ42を介してブラシレスDCモータ10の通電相に駆動電源を供給する。 The motor drive power supply 50 is electrically connected to the inverter circuit 40 and supplies drive power to the energized phases of the brushless DC motor 10 via the three-phase bridge 42 of the inverter circuit 40.

電流センサ60は、設置された箇所に流れる電流値をリアルタイムで計測できるセンサであり、インバータ回路40からブラシレスDCモータ10の各コイル12への電源供給ラインに設置されている。また、電流センサ60は、後述のDSPユニット70に電気的に接続されており、計測した電流値をDSPユニット70に出力する。 The current sensor 60 is a sensor that can measure the current value flowing where it is installed in real time, and is installed in the power supply line from the inverter circuit 40 to each coil 12 of the brushless DC motor 10. The current sensor 60 is also electrically connected to the DSP unit 70 described below, and outputs the measured current value to the DSP unit 70.

DSPユニット70は、制御プログラムおよび一時記憶データを記憶する記憶素子、演算処理を行う演算素子、および外部とデータ入出力をするための入出力インターフェースを有する処理ユニットであり、記憶素子に記憶された制御プログラムに従い、デジタル信号処理およびデジタル信号の入出力処理を実行する。DSPユニット70は、目標回転速度入力部71と、通電相電流値取得部72と、目標電流値生成部73と、ゲート信号生成部74と、回転速度情報入力部75と、磁気センサ信号入力部76と含み構成されており、ブラシレスDCモータ10の制御処理を実行する。 The DSP unit 70 is a processing unit having a memory element for storing a control program and temporary storage data, a calculation element for performing calculation processing, and an input/output interface for inputting and outputting data to and from the outside, and executes digital signal processing and digital signal input/output processing according to the control program stored in the memory element. The DSP unit 70 includes a target rotation speed input unit 71, a current-carrying phase current value acquisition unit 72, a target current value generation unit 73, a gate signal generation unit 74, a rotation speed information input unit 75, and a magnetic sensor signal input unit 76, and executes control processing of the brushless DC motor 10.

目標回転速度入力部71は、後述のコンピュータ機器80からブラシレスDCモータ10を駆動させる際の目標回転速度vrの入力を受け付ける。 The target rotational speed input unit 71 accepts input of the target rotational speed vr when driving the brushless DC motor 10 from the computer device 80 described below.

通電相電流値取得部72は、電流センサ60により計測された矩形波駆動中のブラシレスDCモータ10の通電相電流値Iu,Iv,Iwを取得する。 The energized phase current value acquisition unit 72 acquires the energized phase current values Iu, Iv, and Iw of the brushless DC motor 10 during rectangular wave drive measured by the current sensor 60.

目標電流値生成部73は、ブラシレスDCモータ10の回転速度vを、目標回転速度入力部71で受け付けた目標回転速度vrに追従させるために、各相の通電相電流値Iu,Iv,Iwの目標電流値Isを生成する。目標電流値生成部73は、目標回転速度vrと回転速度vとに基づき、目標電流値Isを生成する。例えば、目標電流値生成部73は、目標回転速度vrと回転速度vとの差から目標電流値Isを生成する。具体的に、目標電流値生成部73は、積分の近似法において前進矩形近似を用い、目標電流値(Is[z])を次の式1を用い生成する。

Figure 0007645914000002
なお、式1では、伝達関数における積分の近似法として前進矩形近似を用いたが、他の近似法、例えば、後退矩形近似、台形近似(双一次変換)などを用いてもよい。 The target current value generation unit 73 generates a target current value Is of the energized phase current values Iu, Iv, Iw of the respective phases in order to make the rotation speed v of the brushless DC motor 10 follow the target rotation speed vr received by the target rotation speed input unit 71. The target current value generation unit 73 generates the target current value Is based on the target rotation speed vr and the rotation speed v. For example, the target current value generation unit 73 generates the target current value Is from the difference between the target rotation speed vr and the rotation speed v. Specifically, the target current value generation unit 73 uses forward rectangular approximation in the integration approximation method, and generates the target current value (Is[z]) using the following Equation 1.
Figure 0007645914000002
In addition, in Equation 1, forward rectangular approximation is used as an approximation method for the integral in the transfer function, but other approximation methods, such as backward rectangular approximation and trapezoidal approximation (bilinear transformation), may also be used.

ゲート信号生成部74は、通電相電流値取得部72が取得した通電相電流値Iu,Iv,Iwを、目標電流に追従させるための制御指令を生成し、当該制御指令を、インバータ回路40による通電相の切り替えを行うためのゲート信号として、インバータ回路40に向けて出力する。ゲート信号生成部74は、通電相電流値Iu,Iv,Iwが目標電流値Isより小さい場合には、通電相のコイル12に電流を流入させる側のトランジスタのゲートとコイル12から電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるためのゲート信号を生成し、通電相電流値Iu,Iv,Iwが目標電流値Isより大きい場合には、コイル12に電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、コイル12から電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるためのゲート信号を生成する。 The gate signal generating unit 74 generates a control command for making the energized phase current values Iu, Iv, Iw acquired by the energized phase current value acquiring unit 72 follow the target current, and outputs the control command to the inverter circuit 40 as a gate signal for switching the energized phase by the inverter circuit 40. When the energized phase current values Iu, Iv, Iw are smaller than the target current value Is, the gate signal generating unit 74 generates a gate signal for opening both the gate of the transistor that causes current to flow into the coil 12 of the energized phase and the gate of the transistor that causes current to flow out of the coil 12, and when the energized phase current values Iu, Iv, Iw are larger than the target current value Is, the gate signal generating unit 74 generates a gate signal for closing the gate of the transistor that causes current to flow into the coil 12 and opening the gate of the transistor that causes current to flow out of the coil 12.

回転速度情報入力部75は、ロータリエンコーダ20といった回転速度情報計測機器から矩形波駆動中のブラシレスDCモータ10の計測された測定回転速度情報である角度信号の入力を受け付ける。 The rotational speed information input unit 75 accepts input of an angle signal that is measured rotational speed information of the brushless DC motor 10 during square wave drive from a rotational speed information measuring device such as a rotary encoder 20.

磁気センサ信号入力部76は、通電相の切り替えタイミングを計るべく、ブラシレスDCモータ10の磁気センサ13が検出した磁気センサ信号の入力を受け付ける。 The magnetic sensor signal input unit 76 receives the input of the magnetic sensor signal detected by the magnetic sensor 13 of the brushless DC motor 10 in order to determine the timing of switching the energized phase.

コンピュータ機器80は、例えばパーソナルコンピュータ、タブレット端末、携帯端末、制御スイッチ、表示パネルであり、DSPユニット70とデータの授受を行い、DSPユニット70に実行させる制御内容の指示やDSPユニット70から取得したデータの表示やそのデータを用いた解析を行う。 The computer device 80 is, for example, a personal computer, a tablet terminal, a mobile terminal, a control switch, or a display panel, and exchanges data with the DSP unit 70, instructs the DSP unit 70 on the control content to be executed, displays data obtained from the DSP unit 70, and performs analysis using that data.

(1-2.実施形態1のブラシレスDCモータシステムにおける制御概念)
図2は、実施形態1のブラシレスDCモータシステム1における制御概念を示すブロック図である。図3は、実施形態1のブラシレスDCモータシステム1の電流追従制御を示すグラフである。次に図2および図3を参照し、実施形態1のブラシレスDCモータシステム1における制御概念について説明する。
(1-2. Control Concept of the Brushless DC Motor System of the First Embodiment)
Fig. 2 is a block diagram showing a control concept in the brushless DC motor system 1 of embodiment 1. Fig. 3 is a graph showing current tracking control in the brushless DC motor system 1 of embodiment 1. Next, the control concept in the brushless DC motor system 1 of embodiment 1 will be described with reference to Figs. 2 and 3.

ブラシレスDCモータシステム1においては、ブラシレスDCモータ10を与えられた目標回転速度vrに追従するようにゲート信号に基づきインバータ回路40におけるトランジスタを開閉して各通電相に供給する電流をコントロールするとともに、ブラシレスDCモータ10の回転角度を用いてフィードバック制御が行われる。 In the brushless DC motor system 1, the current supplied to each current-carrying phase is controlled by opening and closing the transistors in the inverter circuit 40 based on the gate signal so that the brushless DC motor 10 follows a given target rotation speed vr, and feedback control is performed using the rotation angle of the brushless DC motor 10.

ブラシレスDCモータシステム1においては、従来のPWM制御とは異なり、目標回転速度vrに対応する目標電流値Isに対し、ブラシレスDCモータ10の計測された通電相電流値Iu,Iv,Iwを追従させる電流追従制御(図3参照)が行われ、従来とは異なる制御処理が行われる。 In the brushless DC motor system 1, unlike conventional PWM control, current tracking control (see FIG. 3) is performed to make the measured energized phase current values Iu, Iv, and Iw of the brushless DC motor 10 follow the target current value Is corresponding to the target rotation speed vr, and a control process different from the conventional one is performed.

より詳しくは、ブラシレスDCモータシステム1においては、図2に示すように、与えられた目標回転速度vrと、ロータリエンコーダ20が出力した回転速度情報としての角度信号から算出されてフィードバックされる回転速度vとの差から離散時間系PI制御するための目標電流値Isが設定される。そして、電流センサ60を用いてブラシレスDCモータ10の通電相電流値Iu,Iv,Iwを計測し、磁気センサ信号から得たタイミングで、通電相電流値Iu,Iv,Iwを目標電流値Isに追従すべく制御指令としてのゲート信号を生成し、ゲート信号に基づいて通電相の切り替え制御処理が行われる。 More specifically, in the brushless DC motor system 1, as shown in FIG. 2, a target current value Is for discrete-time PI control is set from the difference between a given target rotation speed vr and a rotation speed v calculated and fed back from an angle signal as rotation speed information output by a rotary encoder 20. Then, the current sensor 60 is used to measure the energized phase current values Iu, Iv, Iw of the brushless DC motor 10, and a gate signal is generated as a control command to make the energized phase current values Iu, Iv, Iw follow the target current value Is at the timing obtained from the magnetic sensor signal, and the energized phase switching control process is performed based on the gate signal.

(1-3.実施形態1におけるブラシレスDCモータの制御方法)
図4は、実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法を示すフローチャートである。続いて図4を参照し、上述の電流追従制御を行うためのブラシレスDCモータの制御方法を説明する。
(1-3. Control method of brushless DC motor in embodiment 1)
4 is a flowchart showing a control method for the brushless DC motor according to embodiment 1. Next, a control method for the brushless DC motor for performing the above-mentioned current tracking control will be described with reference to FIG.

ブラシレスDCモータシステム1におけるブラシレスDCモータの制御方法は、ゲート信号に基づきブラシレスDCモータ10の通電相を切り替え可能に構成されたインバータ回路40を用い、離散時間系PI制御により目標回転速度vrでブラシレスDCモータ10を矩形波駆動させるブラシレスDCモータの制御方法である。このブラシレスDCモータの制御方法は、目標回転速度設定ステップST1、並びに、駆動制御を停止するまで繰り返される目標電流値設定ステップST2、電流値計測ステップST3、ゲート信号生成ステップST4、通電相切り替えステップST5、および回転速度算出ステップST6を実行する。 The brushless DC motor control method in the brushless DC motor system 1 uses an inverter circuit 40 configured to be able to switch the energized phase of the brushless DC motor 10 based on a gate signal, and drives the brushless DC motor 10 with a rectangular wave at a target rotation speed vr by discrete-time PI control. This brushless DC motor control method executes a target rotation speed setting step ST1, a target current value setting step ST2, a current value measurement step ST3, a gate signal generation step ST4, an energized phase switching step ST5, and a rotation speed calculation step ST6, which are repeated until the drive control is stopped.

目標回転速度設定ステップST1では、目標回転速度vrを設定する。 In the target rotation speed setting step ST1, the target rotation speed vr is set.

目標電流値設定ステップST2では、目標回転速度vrに追従するために、目標回転速度vrと回転速度算出ステップST6で算出した回転速度vとの差から目標電流値Isを生成し、設定する。具体的には、積分の近似法において前進矩形近似を用い、目標電流値(Is[z])を次の式1を用い生成する。

Figure 0007645914000003
なお、式1では、伝達関数における積分の近似法として前進矩形近似を用いたが、他の近似法、例えば、後退矩形近似、台形近似(双一次変換)などを用いてもよい。 In the target current value setting step ST2, in order to follow the target rotation speed vr, a target current value Is is generated and set from the difference between the target rotation speed vr and the rotation speed v calculated in the rotation speed calculation step ST6. Specifically, forward rectangular approximation is used in the integration approximation method, and the target current value (Is[z]) is generated using the following formula 1.
Figure 0007645914000003
In addition, in Equation 1, forward rectangular approximation is used as an approximation method for the integral in the transfer function, but other approximation methods, such as backward rectangular approximation and trapezoidal approximation (bilinear transformation), may also be used.

電流値計測ステップST3では、矩形波駆動中のブラシレスDCモータ10の通電相電流値Iu,Iv,Iwを計測する。 In the current value measurement step ST3, the energized phase current values Iu, Iv, and Iw of the brushless DC motor 10 during square wave drive are measured.

ゲート信号生成ステップST4では、通電相電流値Iu,Iv,Iwを目標電流値Isに追従させるようゲート信号を生成する。具体的には、電流方向が正の通電相電流値Iu,Iv,Iwと目標電流値Isとを比較し、その大小によりゲート信号を生成する。また、インバータ回路40において同時に開くトランジスタの数を変更して通電相を切り替えるようにゲート信号を生成する。さらに具体的には、通電相電流値Iu,Iv,Iwが目標電流値Isより小さい場合には、通電相のコイル12に電流を流入させる側のトランジスタのゲートとコイル12から電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるためのゲート信号を生成し、通電相電流値Iu,Iv,Iwが目標電流値Isより大きい場合には、コイル12に電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けるためのゲート信号を生成する。 In the gate signal generation step ST4, a gate signal is generated to make the energized phase current values Iu, Iv, Iw follow the target current value Is. Specifically, the energized phase current values Iu, Iv, Iw in the positive current direction are compared with the target current value Is, and a gate signal is generated depending on the magnitude. Also, a gate signal is generated to change the number of transistors that are simultaneously opened in the inverter circuit 40 to switch the energized phase. More specifically, when the energized phase current values Iu, Iv, Iw are smaller than the target current value Is, a gate signal is generated to open both the gate of the transistor that causes current to flow into the coil 12 of the energized phase and the gate of the transistor that causes current to flow out of the coil 12, and when the energized phase current values Iu, Iv, Iw are larger than the target current value Is, a gate signal is generated to close the gate of the transistor that causes current to flow into the coil 12 and to open the gate of the transistor that causes current to flow out of the coil.

通電相切り替えステップST5では、ゲート信号に基づき通電相を切り替える。 In the energized phase switching step ST5, the energized phase is switched based on the gate signal.

回転速度算出ステップST6では、矩形波駆動中のブラシレスDCモータ10を計測して得た回転速度情報から回転速度vを算出する。 In rotation speed calculation step ST6, the rotation speed v is calculated from the rotation speed information obtained by measuring the brushless DC motor 10 during square wave drive.

駆動制御を継続する場合には、回転速度算出ステップST6で算出された回転速度vを目標電流値設定ステップST2にフィードバックし、目標電流値設定ステップST2から回転速度算出ステップST6までを再び行う。 If drive control is to be continued, the rotation speed v calculated in the rotation speed calculation step ST6 is fed back to the target current value setting step ST2, and steps from the target current value setting step ST2 to the rotation speed calculation step ST6 are performed again.

以上が実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法の手順になるが、この制御方法の特長である通電相の切り替えについて、以下において、さらに説明を補足する。 The above is the procedure for the control method of the brushless DC motor of embodiment 1. The switching of the energized phase, which is a feature of this control method, will be further explained below.

図5Aおよび図5Bは、実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法における通電相切り替えステップST5での通電相切り替えを示す模式図である。図5Aおよび図5Bを参照し、ゲート信号生成ステップST4で生成されたゲート信号に基づき通電相切り替えステップST5で切り替えられた通電相の状態について、より具体的に説明する。 5A and 5B are schematic diagrams showing the energization phase switching in energization phase switching step ST5 in the control method for the brushless DC motor of embodiment 1. With reference to FIG. 5A and FIG. 5B, the state of the energization phase switched in energization phase switching step ST5 based on the gate signal generated in gate signal generation step ST4 will be described in more detail.

実施形態1において、ゲート信号生成ステップST4では、次の表1に基づき、トランジスタのゲートを開閉させるよう、ゲート信号が生成される。

Figure 0007645914000004
In the first embodiment, in the gate signal generating step ST4, a gate signal is generated based on Table 1 below so as to open and close the gate of a transistor.
Figure 0007645914000004

まず、ロータ11の電気角(回転角)が0°~60°の範囲においては、U相のコイルからV相のコイルへ電流を流す必要がある。このとき、電流値計測ステップST3で計測されたU相に供給される電流値Iuが目標電流値Isを下回っている場合、U相用P型のトランジスタUPのゲートとV相用N型のトランジスタVNのゲートを開くようにする。そうすると、図5A(a1)に示すように、U相に電源から電流が流れ込み、V相から電源へ電流が流れ出すようになり、電流値Iuが増加する。一方で、電流値Iuが増加しすぎて電流値計測ステップST3で計測される電流値Iuが目標電流値Isを上回ってしまった場合、U相用P型のトランジスタUPのゲートを閉じてV相用N型のトランジスタVNのゲートだけを開くようにする。そうすると、図5A(a2)に示すように、U相に電源から電流が流れ込まないようになり、電流値Iuが減少する。その後、ロータ11の電気角が60°毎に進むごとに、通電させる相を変えていく必要があるが、同様の考え方で制御するため、その他の電気角における具体的な制御については、表1、並びに、図5Aまたは図5Bを参照するものとし、説明を省略する。 First, when the electrical angle (rotation angle) of the rotor 11 is in the range of 0° to 60°, it is necessary to pass current from the U-phase coil to the V-phase coil. At this time, if the current value Iu supplied to the U-phase measured in the current value measurement step ST3 is lower than the target current value Is, the gate of the P-type transistor UP for the U-phase and the gate of the N-type transistor VN for the V-phase are opened. Then, as shown in FIG. 5A (a1), current flows from the power supply to the U-phase and current flows from the V-phase to the power supply, and the current value Iu increases. On the other hand, if the current value Iu increases too much and the current value Iu measured in the current value measurement step ST3 exceeds the target current value Is, the gate of the P-type transistor UP for the U-phase is closed and only the gate of the N-type transistor VN for the V-phase is opened. Then, as shown in FIG. 5A (a2), no current flows from the power supply to the U-phase, and the current value Iu decreases. Thereafter, the phase to which current is applied must be changed each time the electrical angle of the rotor 11 advances by 60°, but because control is based on a similar concept, the specific control for other electrical angles is not described here and should be referred to in Table 1 and Figure 5A or Figure 5B.

実施形態1では、このように、常に電流値を計測し、目標電流値Isに対する計測された電流値の大小を判断し、その結果に応じて生成されたゲート信号に基づきトランジスタのゲート開閉させることで、供給電流を増減させるようにフィードバック制御し、目標電流値Isに電流値を追従させている。 In this way, in the first embodiment, the current value is constantly measured, the magnitude of the measured current value relative to the target current value Is is determined, and the gate of the transistor is opened and closed based on the gate signal generated according to the result, thereby performing feedback control to increase or decrease the supply current, and the current value is made to follow the target current value Is.

(1-4.実施形態1における作用・効果)
実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法は、目標回転速度に追従するための目標電流値Isを設定する目標電流値設定ステップST2と、矩形波駆動中のブラシレスDCモータ10の通電相電流値Iu,Iv,Iwを計測する電流値計測ステップST3と、通電相電流値Iu,Iv,Iwを目標電流値Isに追従させるようゲート信号を生成するゲート信号生成ステップST4と、ゲート信号に基づき通電相を切り替える通電相切り替えステップST5と、を実行する。すなわち、実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法では、ゲート信号に基づき通電相を切り替えて、目標回転速度に対応する目標電流値Isに通電相電流値を追従するよう電流追従制御が行われて、ブラシレスDCモータ10は、矩形波駆動で目標回転速度に速度制御される。また、実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法では、通電相電流値Iu,Iv,Iwを目標電流値Isに追従させるよう通電相を切り替えることから電流リップルが発生し難く、電流リップルに伴う騒音が低減される。従って、実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法によれば、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスDCモータを矩形波駆動で速度制御することができる。また、実施形態1のブラシレスDCモータ10の制御装置30によれば、当該ブラシレスDCモータの制御方法を利用して制御処理を実行するため、その制御方法の効果を享受するため、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスDCモータ10を矩形波駆動で速度制御することができる。
(1-4. Actions and Effects of the First Embodiment)
The control method for the brushless DC motor of the first embodiment includes a target current value setting step ST2 for setting a target current value Is for following the target rotation speed, a current value measuring step ST3 for measuring current values Iu, Iv, Iw of the brushless DC motor 10 during square wave drive, a gate signal generating step ST4 for generating gate signals so as to make the current values Iu, Iv, Iw follow the target current value Is, and a current phase switching step ST5 for switching the current phase based on the gate signal. That is, in the control method for the brushless DC motor of the first embodiment, the current phase is switched based on the gate signal, and current tracking control is performed so that the current value of the current phase follows the target current value Is corresponding to the target rotation speed, and the brushless DC motor 10 is speed-controlled to the target rotation speed by square wave drive. In addition, in the control method for the brushless DC motor of the first embodiment, current ripples are unlikely to occur because the current phases are switched so that the current values Iu, Iv, Iw follow the target current value Is, and noise associated with the current ripples is reduced. Therefore, according to the control method for a brushless DC motor of embodiment 1, it is possible to suppress current ripples, reduce noise, and control the speed of the brushless DC motor with square wave drive. Also, according to control device 30 for brushless DC motor 10 of embodiment 1, control processing is executed using the control method for the brushless DC motor, and therefore the effects of the control method are enjoyed, so that it is possible to suppress current ripples, reduce noise, and control the speed of brushless DC motor 10 with square wave drive.

また、実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法においては、インバータ回路40において同時に開くトランジスタの数を変更して通電相を切り替えるようにゲート信号を生成する。具体的には、通電相電流値Iu,Iv,Iwが目標電流値Isより大きい場合には、電流がブラシレスDCモータ10へ流入する側のそれまで開いていたトランジスタを閉じるようにゲート信号を生成する。実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法によれば、このように生成されたゲート信号を用いて1の通電相を単に不通にするだけなので、不通にしたうえで同時に別の相を通電させる場合のように同時処理のタイミングずれの影響を受けず、より電流リップルを抑制することができる。 In addition, in the brushless DC motor control method of embodiment 1, a gate signal is generated to change the number of transistors that are simultaneously open in the inverter circuit 40 to switch the energized phase. Specifically, when the energized phase current values Iu, Iv, and Iw are greater than the target current value Is, a gate signal is generated to close the previously open transistor on the side where the current flows into the brushless DC motor 10. According to the brushless DC motor control method of embodiment 1, the gate signal generated in this manner is used to simply deenergize one energized phase, so that it is not affected by the timing deviation of simultaneous processing as occurs when deenergizing and then energizing another phase at the same time, and current ripple can be further suppressed.

[実施形態2]
実施形態2のブラシレスDCモータシステムは、実施形態1のブラシレスDCモータシステム1と基本構成、制御概念、及び制御方法の流れについては同様であるが、ゲート信号生成ステップST4で生成されるゲート信号、およびそのゲート信号に基づき通電相切り替えステップST5で切り替えられた通電相の状態のみ異なる。このため、以下の説明においては、異なる制御内容のみ説明し、その他の説明を省略する。なお、図1~図4については、実施形態2にも適用できる。
[Embodiment 2]
The brushless DC motor system of the second embodiment is similar to the brushless DC motor system 1 of the first embodiment in terms of basic configuration, control concept, and flow of the control method, but differs only in the gate signal generated in gate signal generating step ST4 and the state of the energized phase switched in energized phase switching step ST5 based on the gate signal. Therefore, in the following description, only the different control contents will be described, and other descriptions will be omitted. Note that Figures 1 to 4 can also be applied to the second embodiment.

図6Aおよび図6Bは、実施形態2のブラシレスDCモータの制御方法における通電相切り替えステップST5での通電相切り替えを示す模式図である。図6Aおよび図6Bを参照し、ゲート信号生成ステップST4で生成されたゲート信号に基づき通電相切り替えステップST5で切り替えられた通電相の状態について、より具体的に説明する。 6A and 6B are schematic diagrams showing the energization phase switching in energization phase switching step ST5 in the control method for a brushless DC motor of embodiment 2. With reference to FIG. 6A and FIG. 6B, the state of the energization phase switched in energization phase switching step ST5 based on the gate signal generated in gate signal generation step ST4 will be described in more detail.

実施形態2において、ゲート信号生成ステップST4では、次の表2に基づき、トランジスタを切り替えるよう、ゲート信号が生成される。

Figure 0007645914000005
In the second embodiment, in the gate signal generating step ST4, gate signals are generated to switch the transistors based on Table 2 below.
Figure 0007645914000005

まず、ロータ11の電気角(回転角)が0°~60°の範囲においては、U相のコイルからV相のコイルへ電流を流す必要がある。このとき、電流値計測ステップST3で計測されたU相に供給される電流値Iuが目標電流値Isを下回っている場合、実施形態1と同様、U相用P型のトランジスタUPのゲートとV相用N型のトランジスタVNのゲートを開くようにする。そうすると、図6A(a1)に示すように、U相に電源から電流が流れ込み、V相から電源へ電流が流れ出すようになり、電流値Iuが増加する。一方で、電流値Iuが増加しすぎて電流値計測ステップST3で計測された電流値Iuが目標電流値Isを上回ってしまった場合、V相用P型のトランジスタVPのゲートとU相用N型のトランジスタUNのゲートを開くようにする。そうすると、図6A(a2)に示すように、逆にV相からU相へ電流を流そうとする力が働き、電流値Iuが減少する。その後、ロータ11の電気角が60°毎に進むごとに、通電させる相を変えていく必要があるが、同様の考え方で制御するため、その他の電気角における具体的な制御については、表2、並びに、図6Aまたは図6Bを参照するものとし、説明を省略する。 First, when the electrical angle (rotation angle) of the rotor 11 is in the range of 0° to 60°, it is necessary to pass a current from the U-phase coil to the V-phase coil. At this time, if the current value Iu supplied to the U-phase measured in the current value measurement step ST3 is lower than the target current value Is, the gate of the P-type transistor UP for the U-phase and the gate of the N-type transistor VN for the V-phase are opened as in the first embodiment. Then, as shown in FIG. 6A (a1), a current flows from the power supply to the U-phase, and a current flows from the V-phase to the power supply, and the current value Iu increases. On the other hand, if the current value Iu increases too much and the current value Iu measured in the current value measurement step ST3 exceeds the target current value Is, the gate of the P-type transistor VP for the V-phase and the gate of the N-type transistor UN for the U-phase are opened. Then, as shown in FIG. 6A (a2), a force acts to flow the current from the V-phase to the U-phase, and the current value Iu decreases. Thereafter, the phase to which current is applied must be changed each time the electrical angle of the rotor 11 advances by 60°, but because control is based on a similar concept, specific control for other electrical angles should be referred to in Table 2 and Figure 6A or Figure 6B, and explanations will be omitted.

実施形態2でも、実施形態1と同様に、常に電流値を計測し、目標電流値Isに対する計測された電流値の大小を判断し、その結果に応じて生成されたゲート信号に基づきトランジスタのゲート開閉させることで、供給電流を増減させるようにフィードバック制御し、目標電流値Isに電流値を追従させている。 In the second embodiment, as in the first embodiment, the current value is constantly measured, the magnitude of the measured current value relative to the target current value Is is determined, and the gate of the transistor is opened and closed based on the gate signal generated according to the result, thereby performing feedback control to increase or decrease the supply current, and the current value is made to follow the target current value Is.

実施形態2のブラシレスDCモータの制御方法によれば、実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法と同様、目標電流値設定ステップST2と、電流値計測ステップST3と、ゲート信号生成ステップST4と、通電相切り替えステップST5と、を実行するため、実施形態1のブラシレスDCモータの制御方法と同様、電流リップルを抑制でき、騒音を低減させてブラシレスDCモータを矩形波駆動で速度制御することができる。 According to the brushless DC motor control method of the second embodiment, similarly to the brushless DC motor control method of the first embodiment, the target current value setting step ST2, the current value measurement step ST3, the gate signal generation step ST4, and the current phase switching step ST5 are executed, so that, similarly to the brushless DC motor control method of the first embodiment, the current ripple can be suppressed, noise can be reduced, and the brushless DC motor can be speed-controlled by square wave drive.

[その他の形態]
以上、本発明を上記の実施形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
[Other forms]
Although the present invention has been described based on the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. It can be embodied in various forms without departing from the spirit of the present invention, and for example, the following modifications are also possible.

(1)上記実施形態において記載した構成要素の数、接続の仕方、等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。 (1) The number of components, the manner of connection, etc. described in the above embodiment are examples and can be changed without impairing the effects of the present invention.

(2)上記した実施形態においては、ブラシレスDCモータの制御装置について、インバータ回路、モータ駆動用電源、電流センサ、およびDSPユニットを一体に構成した装置であるものとして説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、一部構成を、制御装置と電気的に接続された別装置として構成してもよい。 (2) In the above embodiment, the brushless DC motor control device is described as a device that integrates an inverter circuit, a motor drive power supply, a current sensor, and a DSP unit, but the present invention is not limited to this. For example, some components may be configured as separate devices electrically connected to the control device.

(3)上記した実施形態においては、ブラシレスDCモータは、ロータに配置された磁極の数が2極、コイルの数が3つ、磁気センサの数が3つの3相モータであるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ロータ11に配置された磁極の数が8極(45°で8分割)のブラシレスDCモータであってもよい。 (3) In the above embodiment, the brushless DC motor is described as a three-phase motor with two magnetic poles arranged on the rotor, three coils, and three magnetic sensors, but the present invention is not limited to this. For example, the brushless DC motor may be one with eight magnetic poles arranged on the rotor 11 (divided into eight at 45°).

(4)上記した実施形態においては、フィードバックする回転速度情報をロータリエンコーダ20から取得した角度信号であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、磁気センサの信号から算出した回転速度情報であってもよい。 (4) In the above embodiment, the rotation speed information to be fed back is described as an angle signal obtained from the rotary encoder 20, but the present invention is not limited to this. For example, the rotation speed information may be calculated from a signal from a magnetic sensor.

実施形態1のブラシレスDCモータの制御装置30を用い、ブラシレスDCモータ10を電流追従制御(以降「本発明を用いた電流追従制御」と記載する。)させた場合の実験を行った。この実験は、目標回転速度vrが2000(rpm)、負荷トルクが0.2(N・m)、サンプリング時間が20(μs)の条件にて行った。なお、比較のためブラシレスDCモータ10を従来の制御装置を用い、120度PWM制御(以降「従来のPWM制御」と記載する。)させた場合の実験も併せて行った。以下にその実験結果を説明する。 An experiment was conducted in which the brushless DC motor 10 was subjected to current tracking control (hereinafter referred to as "current tracking control using the present invention") using the brushless DC motor control device 30 of embodiment 1. This experiment was conducted under conditions of a target rotation speed vr of 2000 (rpm), a load torque of 0.2 (N·m), and a sampling time of 20 (μs). For comparison, an experiment was also conducted in which the brushless DC motor 10 was subjected to 120-degree PWM control (hereinafter referred to as "conventional PWM control") using a conventional control device. The results of the experiment are described below.

図7は、実験結果におけるモータ回転速度を示すグラフである。図8は、実験結果におけるモータ電流波形を示すグラフである。図9は、実験結果におけるモータ電磁トルク波形を示すグラフである。図10は、実験結果におけるモータ電磁トルク波形のスペクトル強度を示す図である。図10に示すスペクトル強度は、モータ電磁トルクの周波数成分を求めた結果である。図11は、実験結果におけるモータ電磁トルクの累積振幅スペクトルを示す図である。図11に示す累積振幅スペクトルは、モータ電磁トルクのスペクトル強度から人間が聞こえる音の周波数(20Hz~20kHz)の振動エネルギーを定量的に求めた結果である。 Figure 7 is a graph showing the motor rotation speed in the experimental results. Figure 8 is a graph showing the motor current waveform in the experimental results. Figure 9 is a graph showing the motor electromagnetic torque waveform in the experimental results. Figure 10 is a diagram showing the spectral intensity of the motor electromagnetic torque waveform in the experimental results. The spectral intensity shown in Figure 10 is the result of determining the frequency components of the motor electromagnetic torque. Figure 11 is a diagram showing the cumulative amplitude spectrum of the motor electromagnetic torque in the experimental results. The cumulative amplitude spectrum shown in Figure 11 is the result of quantitatively determining the vibration energy of the frequencies of sounds audible to humans (20 Hz to 20 kHz) from the spectral intensity of the motor electromagnetic torque.

実験を行った結果、目標回転速度への追従性については、図7に示すように、本発明を用いた電流追従制御でも従来のPWM制御でも目標回転速度に到達するまでに多少差があるものの、追従性については差を確認できなかった。一方、モータ電流波形については、図8に示すように、本発明を用いた電流追従制御では、従来のPWM制御に比べ、より電流リップルが抑制されており、より矩形波に近い形となっていることが確認できた。 As a result of the experiment, as shown in Figure 7, it was found that while there was a slight difference in the time it took to reach the target rotation speed between the current tracking control using the present invention and the conventional PWM control, no difference in tracking was confirmed. On the other hand, as shown in Figure 8, it was confirmed that the motor current waveform was closer to a square wave with the current tracking control using the present invention, with the current ripple suppressed more than with the conventional PWM control.

また、モータ電磁トルクについては、図9に示すように、本発明を用いた電流追従制御では、従来のPWM制御に比べ、全体的にうねりが少なく、変動幅も小さく振動が抑制されていることが確認できた。このモータ電磁トルクのスペクトル強度を見てみると、図10に示すように、本発明を用いた電流追従制御では、すべての周波数帯域での振動成分が抑制されており、従来のPWM制御の2kHz~3kHzの間で見られるような極端にスペクトル強度の高まりも確認できなかった。さらに、図11に示すように、従来のPWM制御では、モータ電磁トルクの累積振幅スペクトルが約39N・mであるのに対し、本発明を用いた電流追従制御では、約24N・mであり、本発明を用いた電流追従制御では、従来のPWM制御に対して振動成分が約39%低減されていることが確認できた。 As for the motor electromagnetic torque, as shown in FIG. 9, it was confirmed that the current tracking control using the present invention had less overall swell and a smaller fluctuation range than the conventional PWM control, and vibrations were suppressed. Looking at the spectrum intensity of this motor electromagnetic torque, as shown in FIG. 10, the current tracking control using the present invention suppressed vibration components in all frequency bands, and no extreme increase in spectrum intensity was observed between 2 kHz and 3 kHz in the conventional PWM control. Furthermore, as shown in FIG. 11, the cumulative amplitude spectrum of the motor electromagnetic torque was approximately 39 N·m in the conventional PWM control, whereas it was approximately 24 N·m in the current tracking control using the present invention, confirming that the current tracking control using the present invention reduced vibration components by approximately 39% compared to the conventional PWM control.

1…ブラシレスDCモータシステム、10…ブラシレスDCモータ、11…ロータ、12…コイル、13…磁気センサ、20…ロータリエンコーダ、30…制御装置、40…インバータ回路、41…ゲートドライバ、42…3相ブリッジ、50…モータ駆動用電源、60…電流センサ、70…DSPユニット、71…目標回転速度入力部、72…通電相電流値取得部、73…目標電流値生成部、74…ゲート信号生成部、75…回転速度情報入力部、76…磁気センサ信号入力部、80…コンピュータ機器、Is…目標電流値、Iu…(通電相)電流値(U相)、Iv…(通電相)電流値(V相)、Iw…(通電相)電流値(W相)、v…回転速度、vr…目標回転速度、ST1…目標回転速度設定ステップ、ST2…目標電流値設定ステップ、ST3…電流値計測ステップ、ST4…ゲート信号生成ステップ、ST5…通電相切り替えステップ、ST6…回転速度算出ステップ、UN…U相用N型トランジスタ、UP…U相用P型トランジスタ、VN…V相用N型トランジスタ、VP…V相用P型トランジスタ、WN…W相用N型トランジスタ、WP…W相用P型トランジスタ 1...Brushless DC motor system, 10...Brushless DC motor, 11...Rotor, 12...Coil, 13...Magnetic sensor, 20...Rotary encoder, 30...Control device, 40...Inverter circuit, 41...Gate driver, 42...Three-phase bridge, 50...Motor drive power supply, 60...Current sensor, 70...DSP unit, 71...Target rotation speed input section, 72...Electrified phase current value acquisition section, 73...Target current value generation section, 74...Gate signal generation section, 75...Rotation speed information input section, 76...Magnetic sensor signal input section, 80...Computer equipment, Is...Target current value, Iu...(Electrical ... (phase) current value (U phase), Iv... (energized phase) current value (V phase), Iw... (energized phase) current value (W phase), v... rotation speed, vr... target rotation speed, ST1... target rotation speed setting step, ST2... target current value setting step, ST3... current value measurement step, ST4... gate signal generation step, ST5... energized phase switching step, ST6... rotation speed calculation step, UN... N-type transistor for U phase, UP... P-type transistor for U phase, VN... N-type transistor for V phase, VP... P-type transistor for V phase, WN... N-type transistor for W phase, WP... P-type transistor for W phase

Claims (9)

ゲート信号に基づきブラシレスDCモータの通電相を切り替え可能に構成された全波ブリッジ型のインバータ回路を用い、離散時間系制御により目標回転速度で当該ブラシレスDCモータを矩形波駆動させるブラシレスDCモータの制御方法であって、
前記目標回転速度に追従するための目標電流値を生成する目標電流値設定ステップと、
前記矩形波駆動中の前記ブラシレスDCモータの通電相電流値を計測する電流値計測ステップと、
前記通電相電流値を前記目標電流値に追従させるようゲート信号を生成するゲート信号生成ステップと、
前記ゲート信号に基づき前記通電相を切り替える通電相切り替えステップと、
を実行し、
前記ゲート信号生成ステップでは、
前記通電相電流値が前記目標電流値より小さい場合には、通電相のコイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートと前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるための前記ゲート信号を生成し、
前記通電相電流値が前記目標電流値より大きい場合には、前記コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けたままにしておくための前記ゲート信号を生成する、
ブラシレスDCモータの制御方法。
A method for controlling a brushless DC motor, using a full-wave bridge type inverter circuit configured to be able to switch a current-carrying phase of the brushless DC motor based on a gate signal, for square-wave driving the brushless DC motor at a target rotation speed by discrete time system control, comprising:
a target current value setting step of generating a target current value for following the target rotation speed;
a current value measuring step of measuring a current value of a current-carrying phase of the brushless DC motor during the rectangular wave drive;
a gate signal generating step of generating a gate signal so as to cause the energized phase current value to follow the target current value;
a phase switching step of switching the phase based on the gate signal;
Run
In the gate signal generating step,
when the energized phase current value is smaller than the target current value, generating the gate signal for opening both the gate of a transistor that causes a current to flow into the energized phase coil and the gate of a transistor that causes a current to flow out of the energized phase coil,
generating a gate signal for closing a gate of a transistor that causes a current to flow into the coil and for keeping a gate of a transistor that causes a current to flow out of the coil open when the energized phase current value is greater than the target current value;
A method for controlling a brushless DC motor.
前記ゲート信号生成ステップにおいて、In the gate signal generating step,
前記通電相電流値が前記目標電流値より大きい場合には、前記コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けたままにしておくための前記ゲート信号を生成する、のに替えて、前記コイルに流れる電流の向きを反転させるように、前記コイルに電流を流入させる側のトランジスタおよび前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタを瞬時に切り替えるための前記ゲート信号を生成する、generating the gate signal for closing the gate of the transistor that causes a current to flow into the coil and for leaving the gate of the transistor that causes a current to flow out of the coil open when the energized phase current value is greater than the target current value, instead of generating the gate signal for instantly switching the transistor that causes a current to flow into the coil and the transistor that causes a current to flow out of the coil so as to reverse the direction of the current flowing into the coil;
請求項1記載のブラシレスDCモータの制御方法。2. A method for controlling a brushless DC motor according to claim 1.
更に、前記矩形波駆動中の前記ブラシレスDCモータを計測して得た回転速度情報から回転速度を算出する回転速度算出ステップを実行し、
前記目標電流値設定ステップにおいて、前記目標回転速度と前記回転速度算出ステップで算出した前記回転速度との差から前記目標電流値を生成する、請求項1または2記載のブラシレスDCモータの制御方法。
Furthermore, a rotation speed calculation step is executed to calculate a rotation speed from rotation speed information obtained by measuring the brushless DC motor during the rectangular wave drive.
3. The method for controlling a brushless DC motor according to claim 1 , wherein in said target current value setting step, said target current value is generated from a difference between said target rotation speed and said rotation speed calculated in said rotation speed calculation step.
前記離散時間系制御が離散時間系PI制御であり、前記目標電流値設定ステップにおいて、前記目標電流値(Is[z])を次の式1を用い生成する、請求項3記載のブラシレスDCモータの制御方法。
Figure 0007645914000006
4. The method for controlling a brushless DC motor according to claim 3, wherein the discrete-time control is discrete-time PI control, and the target current value (Is[z]) is generated using the following equation 1 in the target current value setting step.
Figure 0007645914000006
前記ゲート信号生成ステップにおいて、電流方向が正の通電相電流値と前記目標電流値とを比較し、その大小により通電相が切り替わるよう前記ゲート信号を生成する、請求項記載のブラシレスDCモータの制御方法。 5. The method for controlling a brushless DC motor according to claim 4 , wherein in said gate signal generating step, a current value of a current-carrying phase having a positive current direction is compared with said target current value, and said gate signal is generated so that the current-carrying phase is switched depending on whether the current value is larger or smaller. ブラシレスDCモータを離散時間系制御により目標回転速度で矩形波駆動させるブラシレスDCモータの制御装置であって、
ゲート信号の切り替わりにより前記ブラシレスDCモータの通電相の切り替え制御を行うように構成された全波ブリッジ型のインバータ回路と、
前記目標回転速度の入力を受け付ける目標回転速度入力部と、
外付けまたは内蔵の電流センサにより計測された前記矩形波駆動中の前記ブラシレスDCモータの通電相電流値を取得する通電相電流値取得部と、
前記ブラシレスDCモータの回転速度を、前記目標回転速度入力部で受け付けた前記目標回転速度に追従させるために、各相の通電相電流値の目標電流値を生成する目標電流値生成部と、
前記通電相電流値取得部が取得した前記通電相電流値を、前記目標電流に追従させるための制御指令を生成し、当該制御指令を、前記インバータ回路による前記通電相の切り替えを行うための前記ゲート信号として、前記インバータ回路に向けて出力するゲート信号生成部と、
を備え、
前記ゲート信号生成部は、
前記通電相電流値が前記目標電流値より小さい場合には、通電相のコイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートと前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートとを共に開けるための前記ゲート信号を生成し、
前記通電相電流値が前記目標電流値より大きい場合には、前記コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けたままにしておくための前記ゲート信号を生成する、
ブラシレスDCモータの制御装置。
A control device for a brushless DC motor that drives the brushless DC motor at a target rotation speed by a rectangular wave through discrete time system control,
a full-wave bridge type inverter circuit configured to switch a current-carrying phase of the brushless DC motor by switching a gate signal;
a target rotation speed input unit that receives an input of the target rotation speed;
a current-carrying phase current value acquisition unit that acquires a current-carrying phase current value of the brushless DC motor during the rectangular wave drive measured by an external or built-in current sensor;
a target current value generation unit that generates a target current value for a current-carrying phase current of each phase so that the rotation speed of the brushless DC motor follows the target rotation speed received by the target rotation speed input unit;
a gate signal generating unit that generates a control command for causing the energized phase current value acquired by the energized phase current value acquiring unit to follow the target current, and outputs the control command to the inverter circuit as the gate signal for switching the energized phase by the inverter circuit;
Equipped with
The gate signal generating unit
when the energized phase current value is smaller than the target current value, generating the gate signal for opening both the gate of a transistor that causes a current to flow into the energized phase coil and the gate of a transistor that causes a current to flow out of the energized phase coil;
generating a gate signal for closing a gate of a transistor that causes a current to flow into the coil and for keeping a gate of a transistor that causes a current to flow out of the coil open when the energized phase current value is greater than the target current value;
A control device for a brushless DC motor.
前記ゲート信号生成部は、The gate signal generating unit
前記通電相電流値が前記目標電流値より大きい場合には、前記コイルに電流を流入させる側のトランジスタのゲートを閉じ、前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタのゲートを開けたままにしておくための前記ゲート信号を生成する、のに替えて、前記コイルに流れる電流の向きを反転させるように、前記コイルに電流を流入させる側のトランジスタおよび前記コイルから電流を流出させる側のトランジスタを瞬時に切り替えるための前記ゲート信号を生成する、generating the gate signal for closing the gate of the transistor that causes a current to flow into the coil and for leaving the gate of the transistor that causes a current to flow out of the coil open when the energized phase current value is greater than the target current value, instead of generating the gate signal for instantly switching the transistor that causes a current to flow into the coil and the transistor that causes a current to flow out of the coil so as to reverse the direction of the current flowing into the coil;
請求項6記載のブラシレスDCモータの制御装置。7. The control device for a brushless DC motor according to claim 6.
更に、前記矩形波駆動中の前記ブラシレスDCモータの計測された測定回転速度情報の入力を受け付ける回転速度情報入力部を備え、
前記目標電流値生成部は、前記目標回転速度と前記回転速度とに基づき、前記目標電流値を生成する、請求項6または7記載のブラシレスDCモータの制御装置。
a rotation speed information input unit that receives an input of measured rotation speed information of the brushless DC motor during the rectangular wave drive,
8. The control device for a brushless DC motor according to claim 6 , wherein the target current value generating unit generates the target current value based on the target rotation speed and the rotation speed.
前記離散時間系制御が離散時間系PI制御であり、前記目標電流値生成部は、前記目標電流値(Is[z])を次の式1を用い生成する、請求項8記載のブラシレスDCモータの制御装置。
Figure 0007645914000007
9. The brushless DC motor control device according to claim 8, wherein the discrete-time control is discrete-time PI control, and the target current value generating unit generates the target current value (Is[z]) using the following equation 1:
Figure 0007645914000007
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