电机驱动电压控制装置以及电机驱动电压控制方法与流程

本申请是申请日为2013年12月12日、申请号为201380067496.8、发明名称为“电机驱动电压控制装置以及电机驱动电压控制方法”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及电机驱动，涉及供应给电机的驱动电压的量化噪声的降低。

背景技术：

已知通过对施加给电机的电压的振幅进行pwm控制来进行电机的旋转速度控制。在pwm控制中，通过将用于控制电机驱动的控制信号的振幅调制为脉冲宽度，将进行了pwm调制的驱动电压信号施加给电机，从而控制供应给电机的电力，由此控制旋转速度。

图4(a)是基于pwm控制的电机控制的概略图。在图4(a)所示的电机的pwm控制中，在pwm调制部101中将用于控制旋转的驱动指令信号的振幅pwm调制为脉冲宽度，将进行了pwm调制的调制信号施加给电机20。

在基于pwm控制的电机控制中，已知旋转速度根据驱动电压的波纹量而变动的问题。

若将通过pwm调制而得到的驱动电压(pwm信号)施加给电机，则在电机中流过平滑化后的驱动电流。此时，电机的驱动电流由于在追随作为pwm信号的驱动电压的变化时的变动而产生波纹量。该驱动电流的波纹量伴随驱动电压的高电压化而增大。图6(a)、(b)是用于说明在pwm调制时产生的波纹量的图。在驱动电压的振幅小的情况下，电压变动量小因此波纹量也小，但在驱动电压的振幅大的情况下，电压变动量大因此波纹量增大。图6(a)、(b)中的虚线示出波纹量的一例。

在电机控制中，已知通过利用δσ调制来降低扭矩波纹(トルクリップル)的技术(专利文献1)。

在专利文献1中公开的是，在基于pwm调制的电机驱动中，通过在施加给线圈的电压的定时对δσ调制的输出信号进行负反馈，从而降低由于构成pwm电路的比较器或mosfet的开关延迟导致的偏移所显现的扭矩波纹的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开平5－344780号公报(段落[0007]，段落[0010])

专利文献2：特开2003－124812号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在基于数字处理的驱动指令信号的pwm调制中，驱动指令信号的振幅的分辨率依赖于时钟周期而被限制为时钟周期的宽度。由于将时钟周期的宽度设为最小单位，所以不能使分辨率比时钟周期小。因此，存在在所调制的pwm调制信号中，在基于pwm调制的量化时包含量化噪声的问题。量化噪声是在对信号振幅进行了量化时产生的振幅误差，是量化步长的1/2。

在基于pwm控制的电机的速度控制中，存在控制精度由于量化噪声而降低的问题。使用图4(b)来说明基于量化噪声的电机的控制精度的降低。

作为量化噪声增大的要因，例如存在以下的两个要因。

要因1：第一要因是由于驱动指令信号的电压变化幅度大引起的。由于在pwm的分辨率为固定的情况下用于表示驱动指令信号的比特数被抑制，所以驱动指令信号的电压变化幅度越大则量化噪声变得越大。

要因2：第二要因是由于伴随pwm的高频化的pwm的分辨率的降低引起的。

在pwm控制中，即使将脉冲电压施加给电机，通过电机的线圈的电感而平滑化后的电流流过电机，能够得到流畅的动作。但是，在由于脉冲电压的变动幅度大而来不及平滑化从而产生扭矩波纹的情况下，需要使pwm控制的频率更高频率化，抑制信号间的脉冲电压的变动幅度。为了提高pwm控制的频率，对电子电路的处理速度来说存在限制，所以需要降低pwm的分辨率。pwm的分辨率的降低成为使量化噪声增大的要因。

在pwm调制中，由于进行调制的周期间隔为以一周期内的时钟数(分辨率)和时钟周期之积来表示的关系，所以在时钟周期为一定的情况下，若通过高频化来缩短调制的周期间隔，则一周期内的脉冲数(分辨率)减少。由于分辨率与层次(階調)数存在关联性，在低的分辨率中难以设定高的层次数，因此高频化成为增大量化噪声的要因。

图5是用于说明pwm调制的周期间隔和分辨率之间的关系的图。图5(a)～(c)表示pwm调制的调制频率为低频率的情况，图5(d)～(f)表示pwm调制的调制频率为高频率的情况。

图5(a)、(d)表示进行pwm调制的调制的周期间隔，图5(b)、(e)表示一周期间隔内的一个脉冲，图5(c)、(f)表示一周期间隔内的时钟。

周期间隔由于高频化而缩小(图5(a)、(d))，所以在时钟周期为一定的情况下，一周期内的时钟数减少(图5(c)、(f))。一周期内的时钟数与分辨率关联，所以分辨率由于高频化而降低。

在寻求高输出的产业机械或机器人等中使用的电机中，存在为了得到较高的电机输出，寻求将对电机的施加电压高电压化的情况。该高电压化在上述的两个要因中，进一步使量化噪声增加。

在第一要因中，若将驱动指令信号高电压化则电压变化幅度变大，使得量化噪声增大。

此外，在第二要因中，为了降低伴随驱动指令电压的高电压化的波纹量的增大的影响，考虑将pwm调制的调制频率高频化。

图6(c)、(d)是用于说明将调制频率高频化导致的波纹量的降低的图。图6(c)表示pwm调制的调制频率低的情况，图6(d)表示pwm调制的调制频率高的情况。与调制频率低的情况下的波纹量rl(图6(c))相比，调制频率高的情况下的波纹量rh(图6(d))由于周期间隔缩短而降低。

该高频化导致的波纹量的降低更加提高第二要因导致的量化噪声的增大。

量化噪声的增大使施加给电机的施加电压的控制精度降低，进而使电机速度的控制精度降低。

因此，本发明解决所述的以往的问题，其目的在于，抑制伴随量化噪声的增大的施加电压的控制精度的降低，提高电机速度的控制精度。

用于解决课题的手段

本发明在根据驱动指令信号形成供应给电机的驱动电压信号时，在进行pwm调制前进行低层次化以及噪声整形调制。通过低层次化，将驱动电压信号的层次度设为pwm调制的分辨率的范围内，即使驱动电压信号为高频率也能够进行pwm调制。

通过进行噪声整形调制，使驱动电压信号中包含的数字化导致的量化噪声偏重于高频带域侧，从而降低低频带域侧的量化噪声的等级。通过对基于低层次化的调制信号之中的高频带域侧的分量进行截断而使用低频带域侧的分量，从而抑制量化噪声。通过抑制量化噪声，以高精度控制施加给电机的驱动电压。该量化噪声的抑制效果能够通过将驱动电压高电压化的情况来实现较大的效果。

通过噪声整形调制，偏重于高频带域侧的量化噪声能够由电机具备的线圈的电感构成的低通滤波器去除，因此除了将电机具备的线圈设为电机本身的结构要素之外，还能够将其活用为低通滤波器的结构要素。噪声整形调制除了能够使用例如δσ调制之外，还能够基于其他调制方式(例如，专利文献2)。

本申请发明能够设为电机驱动电压控制装置和电机驱动电压控制方法这两个方式。

本申请发明的电机驱动电压控制装置的方式在基于驱动指令信号来形成供应给电机的驱动电压信号的电机驱动电压控制装置中，具备：低层次部，进行降低驱动电压信号的层次度且使量化噪声偏重于高频带域的噪声整形调制；以及pwm调制部，将由低层次部形成的低层次度的驱动电压信号的振幅调制为脉冲宽度。

低层次部将驱动电压信号的层次度低层次化为pwm调制部的分辨率的范围内，通过噪声整形调制，将量化噪声的频率分布偏重于与包含电机的电感的低通滤波器的截止频率相比更高频率侧。

pwm调制部向电机供应通过低层次部进行低层次化且将量化噪声偏重于高频率侧的驱动电压信号。

偏重于驱动电压信号的高频带域侧的量化噪声被电机的电感构成的低通滤波器截断，供应给电机的驱动电压信号的量化噪声降低。

本发明的电机驱动电压控制装置能够设为具备高电压化部的结构，能够通过将由高电压化部提高了电压的驱动电压信号供应给电机来提高电机的输出，其中，该高电压化部用于将由pwm调制部形成的驱动电压信号的电压值高电压化。

本发明的电机驱动电压控制装置能够设为在低层次部的前级具备高频率化部的结构，该高频率化部用于提高驱动指令信号的频率。通过高频率化部提高驱动指令信号的频率，从而低通滤波器能够进行平滑化。

本发明的高频率化部能够设为以比低通滤波器的截止频率高的频率对驱动指令信号进行过采样的结构。

通常，在基于pwm调制的驱动控制中，驱动指令信号中，比低通滤波器的截止频率高的频率分量被低通滤波器截止。从而，在进行了数字化的驱动指令信号的频率上的设定中，设定比低通滤波器的截止频率低的频率且可得到所需的精度的频率分量就足够。

但是，在驱动指令信号以比低通滤波器的截止频率低的频率被送来的情况下，即使对驱动指令信号进行了噪声整形，也不能使量化噪声偏重于与截止频率相比更高频率侧，不具有量化噪声的降低效果。

因此，在驱动指令信号的频域的高频率分量被设定得比低通滤波器的截止频率低的情况下，通过过采样而以高频率对于驱动指令信号将比低通滤波器的截止频率低的频率分量进行采样，从而在取得了比低通滤波器的截止频率高的频率分量后，对于所取得的驱动电压信号，通过噪声整形调制来使量化噪声偏重于比低通滤波器的截止频率高的频率且进行低层次化，使得进行了偏重的高频域的噪声能够通过低通滤波器去除。

另一方面，在驱动指令信号以较高的频率被采样，驱动指令信号的频域的高频率分量被设定得比低通滤波器的截止频率高的情况下，不需要进行过采样，所以不对驱动指令信号进行过采样而直接通过噪声整形调制来使量化噪声偏重于比低通滤波器的截止频率高的频率且进行低层次化，使得进行了偏重的高频域的噪声能够通过低通滤波器去除。

本发明的低层次部能够使用δσ调制器作为进行低层次化和噪声整形调制的结构。噪声整形调制不限于δσ调制，还能够基于其他调制方式。

δσ调制能够通过以下结构来进行噪声整形调制，并通过对调制信号进行量化的量化部件来进行低层次化，其中，该结构中通过使通过了积分器的输出反馈给输入的结构来使量化噪声的频率分布偏向高频率侧。

本申请发明的电机驱动电压控制方法的方式在基于驱动指令信号而形成供应给电机的驱动电压信号的电机驱动电压控制方法中，具备：低层次步骤，进行降低驱动指令信号的层次度且使量化噪声偏重于高频带域的噪声整形调制；以及pwm调制步骤，将通过低层次步骤形成的低层次度的驱动指令信号的振幅调制为脉冲宽度。

低层次步骤中，将驱动指令信号的层次度低层次为pwm调制部的分辨率的范围内，通过噪声整形调制，将量化噪声的频率分布偏重于与包含所述电机的电感的低通滤波器的截止频率相比更高频率侧。

pwm调制步骤中，对通过低层次步骤进行低层次化且将量化噪声偏重于高频率侧的驱动电压信号进行pwm调制，生成驱动电压信号，并供应给电机。将通过pwm调制步骤得到的驱动电压信号通过电机的电感，由电感构成的低通滤波器来对偏重于驱动电压信号的高频率侧的量化噪声进行截断，降低供应给电机的驱动电压信号的量化噪声。

本发明的电机驱动电压控制方法具备高电压化步骤，其用于将通过pwm调制步骤形成的驱动电压信号的电压值高电压化。

本发明的电机驱动电压控制方法在低层次步骤的前级具备高频率化步骤，其用于提高驱动指令信号的频率。高频率化步骤中，将驱动指令信号的频率提高为低通滤波器能够进行平滑化的高频率。

本发明的高频率化步骤中，在与低层次步骤相比更前步骤中，能够通过以比低通滤波器的截止频率高的频率对驱动指令信号进行过采样而进行。

在驱动指令信号的频域的高频带域被设定得比低通滤波器的截止频率低的情况下，通过过采样而以高频率对与低通滤波器的截止频率相比更低频率的驱动指令信号进行采样，取得比低通滤波器的截止频率高的频率分量。

在驱动指令信号以比低通滤波器的截止频率低的频率被送来的情况下，即使对驱动指令信号进行了噪声整形，也不能使量化噪声偏重于与截止频率相比更高频率侧，产生变得不具有量化噪声的降低效果的问题，但通过对驱动指令信号通过过采样等来进行高频率化，从而能够解决该问题。

在驱动指令信号以较高的频率被采样，驱动指令信号的频域的高频带域被设定得比低通滤波器的截止频率高的情况下，不需要通过过采样等来进行高频率化，所以不进行高频率化步骤，将驱动指令信号直接通过低层次步骤来进行低层次化。

高频率化步骤中，扩大量化噪声分布的频带域。由于量化噪声在频带域中均等地分布，所以将通过过采样等进行了高频率化后的驱动指令信号低层次化，从而与以通常的采样率进行的情况相比能够使低频域中的量化噪声的等级降低。

根据本申请发明的电机驱动电压控制的装置以及方法，在基于驱动指令信号而形成供应给电机的驱动电压信号的电机驱动电压控制中，能够以高频率对驱动指令信号进行采样而形成进行了高频化的驱动电压信号的层次信号。为了缩小波纹的幅度且降低量化噪声，降低pwm信号的层次而使其高频，但通过形成以较高的频率层次化的驱动电压信号，即使在原始的驱动电压信号的频率比pwm调制的频率低的情况下，也能够将驱动电压信号提高到所利用的pwm调制的频率。

从控制器等得到的驱动指令信号在当初以较高的频率层次化的情况下，能够不需要基于采样等的高频化。

在进行pwm调制前对驱动指令信号的层次信号进行低层次化。进行了低层次化的调制信号中，量化噪声通过低层次化的噪声整形调制而偏重于高频率侧，低频率侧的量化噪声的等级降低。进而，在低层次化中，降低调制信号的层次数，形成比驱动指令信号低的层次度的驱动电压信号。针对通过降低层次度来进行了高频化的驱动指令信号，能够使其对应于进行pwm调制的电路的处理能力。

在对进行了低层次化的驱动指令信号进行pwm调制而生成驱动电压信号后使其通过低通滤波器，从而通过低层次化的噪声整形来对偏重于高频率侧的量化噪声进行截断，将供应给电机的驱动电压信号的量化噪声设为仅低频率侧。低频率侧的量化噪声由于低层次化的噪声整形而降低，所以施加给电机的量化噪声降低。低通滤波器能够利用电机的电感。

根据本发明的方式，在为了抑制波纹量而进行的将pwm调制信号高频化时，能够抑制伴随该高频化而产生的量化噪声的增大，由此，能够将施加给电机的电压控制高精度化。

发明效果

如上说明，根据本发明的电机驱动电压控制装置以及电机驱动电压控制方法，在电机控制的高电压化中，能够抑制伴随量化噪声的增大的施加电压的控制精度的降低，提高电机速度的控制精度。

附图说明

图1(a)-(b)是表示本申请发明的电机驱动电压控制的概略结构的图。

图2(a)-(c)是用于说明本申请发明的电机驱动电压控制的各部的量化噪声的图。

图3是用于说明本申请发明的电机驱动电压控制的δσ调制的电路结构例的图。

图4(a)-(b)是基于pwm控制的电机控制的概略图，是用于说明量化噪声的增大的图。

图5(a)-(f)是表示信号的层次数与量化步长以及噪声量化噪声之间的关系的图。

图6(a)-(d)是用于说明基于pwm控制的波纹量的图。

具体实施方式

以下，参照图详细地说明本发明的实施方式。以下，使用图1～图3说明本发明的速度测定装置的结构例。

图1～3是用于说明本申请发明的电机驱动电压控制的结构例的图，图1是表示概略结构的图，图2是用于说明各部的量化噪声的图，图3是用于说明δσ调制的电路结构例的图。

[本申请发明的结构例]

说明本申请发明的电机驱动电压控制的结构例。图1(a)表示从控制器等输入的驱动指令信号为电机侧的低通滤波器的截止频率以下的频率的情况下的结构例，图1(b)表示从控制器等输入的驱动指令信号为比电机侧的低通滤波器的截止频率高的频率的情况下的结构例。

在图1(a)中，电机驱动电压控制装置1具备：高频率化部3，将来自控制器2的驱动指令信号高频率化；低层次部4，将进行了高频率化的驱动指令信号的层次低层次化且进行噪声整形；以及pwm调制部5，对低层次部4的输出的振幅进行脉冲宽度调制而生成驱动电压信号，将由pwm调制部5生成的驱动电压信号施加给电机20，从而进行基于驱动指令信号的驱动控制。

也可以设为将高电压化部6与pwm调制部5连接的结构。通过将由该高电压化部6进行了高电压化的驱动电压信号供应给电机20，能够将电机高输出化。

图1(b)所示的电机驱动电压控制装置1表示省略了在控制器2和低层次部4之间设置的高频率化部3的结构，其他结构与图1(a)所示的结构相同。高频率化部3能够由进行以比低通滤波器的截止频率高的频率来进行采样的过采样的电路构成。

由于电机的电感作为低通滤波器而工作，所以在用于驱动电机的驱动电压信号中比该低通滤波器的截止频率高的频率分量被去除，不被供于电机驱动。从而，在从控制器等输入的驱动指令信号中，在比该低通滤波器的截止频率低的频带域中，只要是可得到电机控制所需的精度的频率特性就足够。

但是，在驱动指令信号以比低通滤波器的截止频率低的频率被送来的情况下，即使对驱动指令信号进行了噪声整形，也不能使量化噪声偏重于与截止频率相比更高频率侧，不具有量化噪声的降低效果。

因此，在驱动指令信号的频率被设定得比低通滤波器的截止频率低的情况下，通过以高频率对驱动指令信号进行过采样，在设为比低通滤波器的截止频率高的频率后，通过噪声整形调制而使量化噪声偏重于高频带域而进行低层次化。

图1(a)所示的结构表示在该驱动指令信号的频域的高频带域被设定得比低通滤波器的截止频率低的情况下应用的结构。高频率化部3将驱动指令信号的频率高频率化为比低通滤波器的截止频率高的频率。

另一方面，在驱动指令信号比由电机的电感形成的低通滤波器的截止频率高的频率的情况下，不需要通过过采样等来进行高频率化，所以能够设为省略了高频率化部3的结构。图1(b)所示的结构表示在该驱动指令信号的频率被设定得比低通滤波器的截止频率高的情况下应用的结构。

高频率化部3在与低层次部4相比更前阶段中以高频率对驱动指令信号进行采样，形成以高频率层次化且高频化的驱动指令信号。驱动指令信号从控制器2被输入。驱动指令信号能够设为驱动用于驱动机器人的臂或腿等或产业机械的驱动机构的电机的指令信号，但不限于此。

该驱动指令信号的高频化能够通过缩短进行量化的时钟间隔来进行，通过缩短pwm信号的脉冲的周期宽度，降低在电机驱动时的驱动电流的波纹幅度。进行高频化的频率能够使用pwm频率左右。

高频率化部3例如能够设为过采样电路，在来自控制器2的驱动指令信号的频域中，高频率分量被设定得比电机20侧的低通滤波器的截止频率低的情况下，高频率化部3以高频率对驱动指令信号进行过采样，取得比低通滤波器的截止频率高的频率。

在驱动指令信号以比低通滤波器的截止频率低的频率被送来的情况下，即使对驱动指令信号进行了噪声整形，也不能使量化噪声偏重于与截止频率相比更高频率侧，产生不具有量化噪声的降低效果的问题。对于该问题，在高频率化部3中将驱动指令信号高频率化，取得比低通滤波器的截止频率高的频率。由此，在噪声整形中，能够使噪声偏重于比低通滤波器的截止频率高的频域，因此能够去除在电机的低通滤波器中偏向高频域的噪声。

另外，在来自控制器的驱动指令信号以较高的频率被采样，被设定得比低通滤波器的截止频率高的情况下，不需要在高频率化部3中通过过采样等来进行高频率化。在这样的情况下，不进行高频率化，将驱动指令信号在低层次部4中进行噪声整形调制且低层次化。

从而，在能够根据来自控制器2的驱动指令信号的频率而选择性地配置高频率化部3，驱动指令信号的频率被设定得比低通滤波器的截止频率低的情况下，将高频率化部3配置在与低层次部4相比更前的阶段，在驱动指令信号的频率被设定得比低通滤波器的截止频率高的情况下，能够设为不需要低层次部4的配置。

此外，在高频率化部3进行的高频化中，进行以pwm载频的过采样处理，从而能够最高效率地减少量化噪声。

低层次部4将通过高频率化部3进行了高频率化的驱动指令信号低层次化。低层次部4将驱动指令信号的层次度低层次化为pwm调制部5的分辨率的范围内，通过噪声整形调制，将量化噪声的频率分布偏重于与包含电机的电感的低通滤波器的截止频率相比更高频率侧。低层次部4例如能够通过δσ调制来进行。通过高频率化部3等的数字化处理而产生的量化噪声在采样频率的一半的频带域内以均匀等级分散。

低层次部4的噪声整形调制使量化噪声偏向高频带域侧，使低频带域侧的量化噪声的等级降低。由于所产生的量化噪声的能量为一定，所以通过设为使量化噪声偏向高频带域侧且使低频带域侧的量化噪声的等级降低的分布形状，低频带域侧的量化噪声的等级的绝对量降低。

低层次部4的调制信号的层次数通过低层次化而降低，形成比来自控制器2的驱动指令信号低的层次度的驱动电压信号。

通过低层次部4而低层次化以及噪声整形调制的驱动指令信号通过pwm调制部5被pwm调制，除了在通过高电压化部6进行了高电压化后施加给电机20的结构之外，也可以设为不经过高电压化部6而直接施加给电机20的结构。

pwm调制部5向电机20供应将通过低层次部4低层次化且使量化噪声偏重于高频率侧的驱动电压信号。

电机20具备的线圈的电感构成低通滤波器21，对所施加的驱动电压信号的高频率分量进行截断，将量化噪声设为仅低频率分量。

高电压化部6将从pwm调制部5输出的驱动电压信号的信号电压高电压化。通过提高驱动电压信号的电压，扩大驱动电压信号的设定范围，能够对电机驱动以较高的精度进行控制。

接着，说明各部的量化噪声。图2(a)表示驱动指令信号以及对驱动指令信号进行了高频率化的驱动指令信号的量化噪声，图2(b)表示进行了噪声整形调制后的驱动指令信号的量化噪声，图2(c)表示通过了低通滤波器后的驱动电压信号的量化噪声。

在图2(a)中，驱动指令信号的量化噪声(以图中的虚线所示)通过进行过采样等的高频化，如由图中的施以实线以及斜线的部分所示那样扩展到高频带域且等级降低。另外，在进行了高频率化的阶段中，量化噪声的频率等级相对于频率是均匀的。

在图2(b)中，通过进行噪声整形调制，量化噪声成为偏重于高频带域侧的频率分布。图中的虚线表示驱动指令信号的进行了偏重的量化噪声，图中的施以实线以及斜线的部分表示进行了高频率化的驱动指令信号的量化噪声。通过噪声整形调制，在量化噪声的等级中，高频带域侧变高且低频带域侧的等级变低。图2(b)所示的量化噪声的分布示出线性变化的例子，但该例是一例，量化噪声的频率的偏重于高频率侧的分布形状表示根据构成δσ调制的电路特性而不同的分布形状。

图2(c)表示通过了低通滤波器后的驱动电压信号的量化噪声。比低通滤波器的截止频率高的频带域的量化噪声被截断，仅截止频率以下的频带域的量化噪声通过。

图中的虚线表示驱动指令信号的进行了偏重的量化噪声，图中的施以实线以及斜线的部分表示进行了高频率化的驱动指令信号的量化噪声。

通过将驱动指令信号高频率化且进行噪声整形调制，与不将驱动指令信号高频率化以及噪声整形调制的情况相比，供应给电机的量化噪声较大地降低。

图3表示由δσ调制构成低层次部的情况下的电路例。图3所示的δσ调制的电路例示出2次错误反馈型的结构例。图3的结构例能够由加法器、延迟器、系数器、以及量化器构成。将通过量化器进行量化且进行了低层次化的输出反馈到输入侧。

另外，本发明不限定于所述各实施方式。能够基于本发明的宗旨而进行各种变形，这些不能从本发明的范围内排除。

工业上的可利用性

本发明的电机驱动控制装置以及电机驱动控制方法除了应用于机器人的驱动机构具备的电机之外，还能够应用于产业机械的驱动机构具备的电机。

标号说明

1电机驱动电压控制装置

2控制器

3高频率化部

4低层次部

5调制部

6高电压化部

20电机

21低通滤波器

101调制部