JP2002199775A - ブラシレスモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回転角センサの取付精度等に対する厳格な要求
を排除することができ、かつ、ブラシレスモータの良好
な出力特性を確保することができるブラシレスモータ駆
動装置を提供する。 【解決手段】電動モータ３の負荷が分かっている状況の
ときに、ＣＰＵ５１は、ホールセンサ５７の出力信号に
対するドライバ回路５５内のスイッチング素子のスイッ
チングタイミングを可変設定する。電流検出回路５６
が、基準負荷電流を検出したときのスイッチングタイミ
ングを表すデータが、ＥＥＰＲＯＭ５４に書き込まれて
不揮発に記憶される。通常の使用時には、ＣＰＵ５１
は、ドライバ回路５５内のスイッチング素子を、ＥＥＰ
ＲＯＭ５４に記憶されたデータに対応するタイミング
で、ホールセンサ５７の出力信号に同期してオン／オフ
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば、パワ
ーステアリング装置における操舵補助力の発生源として
使用されるブラシレスモータを駆動するための装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】車両に搭載されるパワーステアリング装
置は、電動型のものと油圧型のものとに大別される。電
動型のパワーステアリング装置は、電動モータが発生す
る回転トルクをステアリング機構に伝達する構成となっ
ている。油圧型のものは、油圧で駆動されるパワーシリ
ンダによる駆動力をステアリング機構に伝達する構成と
なっている。この油圧型のパワーステアリング装置で
も、油圧の発生源となるオイルポンプを電動モータで駆
動するものもある。

【０００３】これらのパワーステアリング装置用の電動
モータには、３相ブラシレスモータが適用される場合が
ある。ブラシレスモータでは、ステータの界磁コイルに
対する通電タイミングとロータの回転とを同期させるた
めに、ロータの回転位相を検出するためのセンサが必要
である。このセンサには、一般に、ロータ自身またはロ
ータに同期回転する円盤状のフェライト磁石（センサリ
ング）が作り出す磁界を固定位置において検出する磁気
センサとしてのホールセンサが適用される。

【０００４】このホールセンサの出力に同期するよう
に、３相の界磁コイルへの通電のためのスイッチング素
子（パワートランジスタなど）が順次スイッチングされ
る。これにより、ロータの回転に同期して、このロータ
に回転トルクを与えるための磁界が界磁コイルによって
形成されることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
構成のブラシレスモータにおいては、ステータに対する
ホールセンサの取付位置精度、およびロータまたはセン
サリングの着磁精度がブラシレスモータの進角に大きな
影響を及ぼす。ブラシレスモータの進角は、その出力特
性に大きく影響する。したがって、一定の特性のブラシ
レスモータを設計するには、ホールセンサの取付精度、
およびロータまたはセンサリングの着磁精度に対する要
求を厳格にせざるをえない。このことが、ブラシレスモ
ータのコストダウンの障害となっており、ひいてはパワ
ーステアリング装置のコストダウンを妨げる一因となっ
ている。

【０００６】そこで、この発明の目的は、回転角センサ
の取付精度等に対する厳格な要求を排除することがで
き、かつ、ブラシレスモータの良好な出力特性を確保す
ることができるブラシレスモータ駆動装置を提供するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、複数相の
界磁コイル（３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ）が設けられたス
テータ（３２）および着磁されたロータ（３１）を有す
るブラシレスモータ（３）を駆動するための装置であっ
て、ロータの回転角を表す信号を出力する回転角センサ
（５７，５７Ｕ，５７Ｖ，５７Ｗ）と、上記複数相の界
磁コイルに順次通電するための複数のスイッチング手段
（５５Ｕ，５５Ｖ，５５Ｗ）を備えたドライバ回路（５
５）と、上記ブラシレスモータに流れるモータ電流を検
出するモータ電流検出手段（５６）と、（たとえば、ブ
ラシレスモータの調整時に）所定の基準負荷に対して適
切なモータ電流である基準負荷モータ電流が達成される
ように、上記回転角センサの出力信号に対する上記複数
のスイッチング手段のスイッチングタイミングを調整す
るタイミング調整手段（５１，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）と、
上記複数のスイッチング手段のスイッチングタイミング
を表すデータを記憶するための不揮発性記憶手段（５
４）と、上記タイミング調整手段が上記スイッチングタ
イミングを調整することによって上記モータ電流検出手
段が上記基準負荷モータ電流を検出したときの当該スイ
ッチングタイミングを表すデータを上記不揮発性記憶手
段に書き込むデータ書込手段（５１，Ｓ４）と、（たと
えば、ブラシレスモータの使用時に）上記不揮発性記憶
手段に記憶されたデータにより表されるスイッチングタ
イミングで上記複数のスイッチング手段をそれぞれスイ
ッチングする制御手段（５１，Ｓ１１，Ｓ１２）とを含
むことを特徴とするブラシレスモータ駆動装置である。
なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構
成要素等を表す。

【０００８】この発明によれば、ブラシレスモータに所
定の基準負荷を与えた状態でタイミング調整手段を作動
させることによって、基準負荷モータ電流が達成される
ように複数のスイッチング手段のスイッチングタイミン
グが調整される。これによって、ステータに対する回転
角センサの相対取付位置に若干の誤差があったとして
も、一定の出力特性を達成することができる。すなわ
ち、スイッチング手段のスイッチングタイミングを調整
することによって、実質的に進角の調整が可能になり、
これによって、回転角センサの取付誤差やロータの着磁
精度によらずに、設計値どおりのモータ出力特性を実現
することができる。

【０００９】こうして定められた適切なスイッチングタ
イミングは、不揮発性記憶手段に記憶されて、スイッチ
ング手段のスイッチング制御のために活用される。すな
わち、スイッチング手段を制御する制御手段は、不揮発
性記憶手段に記憶されたデータにより表わされるスイッ
チングタイミングで上記複数のスイッチング手段をスイ
ッチングするので、ステータに設けられた複数相の界磁
コイルには、回転角センサの取付精度やロータの着磁精
度によらずに適切なタイミングで電流が印加されること
になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係るブラシレスモータ駆動装置が適
用されたパワーステアリング装置の電気的構成を示すブ
ロック図である。このパワーステアリング装置は、ステ
アリングホイールの操舵角を検出する舵角センサ１およ
び車両の速度を検出する車速センサ２の出力に基づい
て、車両のステアリング機構に適切な操舵補助力を与え
るための装置である。ステアリング機構への操舵補助力
の付与は、たとえば、電動モータ３の発生トルクをギヤ
機構を介してステアリング機構に伝達することによって
達成されてもよいし、電動モータ３によって駆動される
オイルポンプの発生油圧をパワーシリンダを介してステ
アリング機構に伝達することによって達成されてもよ
い。

【００１１】舵角センサ１および車速センサ２の出力信
号は、たとえば、電動モータ３と一体的に設けられた電
子制御ユニット（ＥＣＵ）５に入力されるようになって
いる。この電子制御ユニット５は、センサ１，２からの
出力信号に基づいて、電動モータ３の目標電流値を定
め、この目標電流値が達成されるように電動モータ３を
駆動制御する。これによって、適切な操舵補助を実現す
ることができる。電子制御ユニット５は、ＣＰＵ５１
と、ＣＰＵ５１が実行すべき動作プログラム等を記憶し
たＲＯＭ５２と、ＣＰＵ５１が制御演算を行うときにワ
ークエリアを提供するＲＡＭ５３と、電動モータ３の制
御に関わるデータを記憶するための不揮発性記憶手段と
してのＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去／書込可能なＲＯ
Ｍ）５４とを備えている。ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３およ
びＥＥＰＲＯＭ５４は、内部バス５０を介して、ＣＰＵ
５１に接続されている。

【００１２】この実施形態では、電動モータ３は３相ブ
ラシレスモータからなっていて、各相の界磁コイルに界
磁電流を供給するためのスイッチング素子を備えたドラ
イバ回路５５がＣＰＵ５１によって制御されるようにな
っている。ＣＰＵ５１は、ドライバ回路５５のスイッチ
ング素子をオン／オフ制御する際に、ＥＥＰＲＯＭ５４
に記憶されたタイミングデータを参照する。すなわち、
ＥＥＰＲＯＭ５４には、ドライバ回路５５に備えられた
各相のスイッチング素子のスイッチングタイミングを表
わすデータが予め格納されることになる。

【００１３】電子制御ユニット５には、さらに、電動モ
ータ３に流れる電流（モータ電流）を検出するための電
流検出回路５６が備えられていて、その出力はＣＰＵ５
１に与えられるようになっている。さらに、電動モータ
３のロータまたはこのロータと同期回転するセンサリン
グ（マグネットリング）の回転角を検出するための回転
角センサであるホールセンサ５７の出力信号も、ＣＰＵ
５１に入力されている。

【００１４】ＣＰＵ５１は、ホールセンサ５７によって
検出される回転角を基準として、ＥＥＰＲＯＭ５４に記
録されたタイミングデータに対応するタイミングでドラ
イバ回路５５内の各相のスイッチング素子をオン／オフ
制御する。ＣＰＵ５１は、ドライバ回路５５内の各相の
スイッチング素子に対して、それらのオン期間に、たと
えばＰＷＭ（パルス幅変調）信号を与える。そして、こ
のＰＷＭ信号のデューティ比を可変設定することによっ
て、電動モータ３に流れる電流を調整する。こうして、
ＣＰＵ５１は、舵角センサ１および車速センサ２の出力
信号に基づいて定められた目標電流値と、電流検出回路
５６によって検出されるモータ電流とが一致するよう
に、ドライバ回路５５を介して電動モータ３の駆動制御
を行うことになる。

【００１５】図２および図３は電動モータ３を構成する
３相ブラシレスモータの構成を説明するための図解図で
あり、図２はロータ３１とホールセンサ５７との位置関
係を示す斜視図であり、図３は図２に示されたロータ３
１の上方から見た平面図である。図３に示されているよ
うに、この３相ブラシレスモータ３は、リング状に配置
されたステータ３２と、このステータ３２内の空間に回
転可能に設けられたロータ３１とを備えている。ロータ
３１の回転方向に関して、ステータ３２に対する一定の
相対角度位置には、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応したホ
ールセンサ５７Ｕ，５７Ｖ，５７Ｗがそれぞれ固定的に
取り付けられている。ロータ３１は、その回転方向に沿
って、６０度ずつの角度間隔でＮ極とＳ極とに交互に着
磁されている。したがって、ホールセンサ５７Ｕ，５７
Ｖ，５７Ｗは各取付位置にＮ極が対向しているかＳ極が
対向しているかに応じて、ハイレベルとローレベルとの
間で変化するパルス信号を出力する。

【００１６】図４は、ドライバ回路５５の原理的構成
と、３相ブラシレスモータからなる電動モータ３への通
電方式を説明するための図である。ドライバ回路５５
は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応したスイッチ
ング素子５５Ｖ，５５Ｕ，５５Ｗを電源Ｅ（通常は車載
バッテリ）に並列に接続して構成されている。スイッチ
ング素子５５Ｕ，５５Ｖ，５５Ｗは、たとえば、それぞ
れ一対のパワーＭＯＳＦＥＴの直列回路からなってい
て、ステータ３２（図３参照）に設けられたＵ相界磁コ
イル３３Ｕ、Ｖ相界磁コイル３３ＶおよびＷ相界磁コイ
ル３３Ｗを、電源Ｅの正極側または負極側に接続するも
のである。

【００１７】図４(a)に示すように、ロータ３１の回転
角が矢印Ｒで表わされているとおりであるときに、Ｕ相
界磁コイル３３Ｕは電源Ｅの正極側に接続され、Ｗ相界
磁コイル３３Ｗが電源Ｅの負極側に接続され、さらにＶ
相界磁コイル３３Ｖが開放されるように、スイッチング
素子５５Ｕ，５５Ｖ，５５Ｗが制御される。これによ
り、ロータ３１に回転トルクが与えられて、このロータ
３１の回転方向が図４(b)において矢印Ｒで示す状態と
なると、これに同期してスイッチング素子５５Ｕ，５５
Ｖ，５５Ｗが切り換えられる。すなわち、図４(b)に示
すように、Ｕ相界磁コイル３３Ｕは開放状態とされ、Ｖ
相界磁コイル３３Ｖは電源Ｅの正極側に接続され、Ｗ相
界磁コイル３３Ｗは電源Ｅの負極側に接続される。同様
にして、図４(a)(b)(c)(d)(e)(f)に示す順序でスイッチ
ング素子５５Ｕ，５５Ｖ，５５Ｗを循環的に順次切り換
えることにより、ロータ３１を継続回転させることがで
きる。スイッチング素子５５Ｕ，５５Ｖ，５５Ｗを図４
(a)ないし(f)に示す順序とは逆の順序で循環的に順次切
り換えれば、ロータ３１を反対の方向（すなわち、図４
において時計回り方向）に回転駆動することができる。

【００１８】図５は、ドライバ回路５５内のスイッチン
グ素子のスイッチング動作を説明するためのタイムチャ
ートである。図５(a)は、Ｕ相に対応したホールセンサ
５７Ｕに対向するロータ３１上の磁極の時間変化を表わ
し、図５(b)はホールセンサ５７Ｕの出力信号の時間変
化を表わし、図５(c)は、Ｕ相界磁コイル３３Ｕに接続
されるスイッチング素子５５Ｕの状態変化を表わす図で
ある。ホールセンサ５７Ｕは、ロータ３１のＮ極に対向
したときにハイレベルの信号を出力し、Ｓ極に対向した
ときにローレベルの信号を出力する。これに同期してス
イッチングされるスイッチング素子５７Ｕは、ホールセ
ンサ５７Ｕの出力がローレベルのときには開放状態とさ
れ、ホールセンサ５７Ｕの出力がハイレベルのときには
電源Ｅの正極側または負極側に接続される。

【００１９】すなわち、或る期間にスイッチング素子５
７ＵがＵ相界磁コイル３３Ｕを電源Ｅの正極に接続して
いるとすると、その後にホールセンサ５７Ｕの出力がロ
ーレベルになることに同期してＵ相界磁コイル３３Ｕを
開放状態とし、その後にホールセンサ５７Ｕの出力がハ
イレベルに反転したことに同期して界磁コイル３３Ｕを
電源Ｅの負極側に接続する。さらに、その後にホールセ
ンサ５７Ｕの出力がローレベルに反転すると、Ｕ相界磁
コイル３３Ｕを開放状態とし、さらにその後にホールセ
ンサ５７Ｕの出力がハイレベルに反転すると、Ｕ相界磁
コイル３３Ｕを電源Ｅの正極側に接続する。このような
スイッチング動作がＣＰＵ５１によって循環的に行われ
る。

【００２０】Ｖ相界磁コイル３３Ｖのためのスイッチン
グ素子５５ＶおよびＷ相界磁コイル３３Ｗのためのスイ
ッチング素子５５Ｗに関しても同様のスイッチング動作
がＣＰＵ５１の制御によって行われるが、これらのスイ
ッチング素子５５Ｖ，５５Ｗのスイッチング動作は、ホ
ールセンサ５７Ｖ，５７Ｗの出力にそれぞれ基づいて行
われることになる。ＥＥＰＲＯＭ５４には、Ｕ相、Ｖ相
およびＷ相のそれぞれに関して、ホールセンサ５７Ｕ，
５７Ｖ，５７Ｗの出力信号に対するスイッチング素子５
５Ｕ，５５Ｖ，５５Ｗのスイッチングタイミングを規定
するためのタイミングデータが格納されている。タイミ
ングデータを調整することによって、ロータ３１の回転
角に対するスイッチング素子５５Ｕ，５５Ｗ，５５Ｖの
スイッチングタイミングを微調整することができる。こ
うして、ホールセンサ５７の取付誤差およびロータ３１
の着磁位置の誤差を排除して、３相ブラシレスモータか
らなる電動モータ３の一定の出力特性を実現することが
できる。すなわち、ホールセンサ５７の出力信号に対す
るスイッチング素子５５Ｕ，５５Ｖ，５５Ｗのスイッチ
ングタイミングを調整することで、実質的に進角の調整
（すなわち、ホールセンサ５７の位置の調整）と同じ効
果を得ることができる。

【００２１】図６は、ＥＥＰＲＯＭ５４にＵ相、Ｖ相お
よびＷ相に関するタイミングデータを書き込むための調
整処理を説明するためのフローチャートである。この処
理は、ＣＰＵ５１がＲＯＭ５２に格納された調整用プロ
グラムを実行することによって実現される。この調整処
理は、電動モータ３の負荷が予めわかっている状況（た
とえば出荷検査時や始動直後など）に行われ、ホールセ
ンサ５７の出力に対するドライバ回路５５内のスイッチ
ング素子のスイッチングタイミングをＣＰＵ５１の働き
によって微小変動させ、電流検出回路５６が基準負荷に
対する適切なモータ電流である基準負荷モータ電流を検
出するスイッチングタイミングを見いだすことによって
達成される。

【００２２】具体的には、まず、ＣＰＵ５１は、ホール
センサ５７の出力に対するスイッチング素子のスイッチ
ングタイミングを設定し（ステップＳ１）、そのタイミ
ングでドライバ回路５５内のスイッチング素子をスイッ
チング制御する（ステップＳ２）。この状態で、ＣＰＵ
５１は、電流検出回路５６が検出するモータ電流Ｉを監
視して、このモータ電流Ｉが基準負荷モータ電流Ｉref
（ＥＥＰＲＯＭ５４に予め格納されている。）に実質的
に等しいかどうかを判断する（ステップＳ３）。モータ
電流Ｉが基準負荷モータ電流Ｉrefに等しくなければ、
ステップＳ１に戻ってホールセンサ５７の出力信号に対
するスイッチングタイミングを変更し、同様の処理を繰
り返す。このようにして、モータ電流Ｉが基準負荷モー
タ電流Ｉrefに等しくなると（ステップＳ３のＹＥ
Ｓ）、そのときのスイッチングタイミングを表わすタイ
ミングデータがＥＥＰＲＯＭ５４に書き込まれる（ステ
ップＳ４）。

【００２３】このようにしてタイミングデータがＥＥＰ
ＲＯＭ５４に格納された後には、ＣＰＵ５１は、図７に
示すように、ＥＥＰＲＯＭ５４からタイミングデータを
読み出し（ステップＳ１１）、このタイミングデータに
対応したタイミングで、ホールセンサ５７の出力信号に
同期して、ドライバ回路５５内のスイッチング素子のス
イッチング制御を行うことになる（ステップＳ１２）。
ＥＥＰＲＯＭ５４に格納されたタイミングデータは、車
両のイグニッションキースイッチをオフして電子制御ユ
ニット５への給電を停止した後も記憶保持されるから、
その後に再度イグニッションキースイッチをオンして当
該パワーステアリング装置を作動させるときにおいて
も、適切なタイミングでドライバ回路５５内のスイッチ
ング素子のスイッチングを行うことができる。

【００２４】以上のように、この実施形態によれば、ホ
ールセンサ５７の取付誤差およびロータ３１の着磁位置
の誤差を、スイッチング素子のスイッチングタイミング
の制御によって補償することができる。その結果、ホー
ルセンサ５７の取付精度およびロータ３１の着磁位置精
度を厳格に要求されることがなくなるので、電動モータ
３のコストダウンを図ることができ、ひいてはパワース
テアリング装置のコストを低減することができるように
なる。

【００２５】以上、この発明の一実施形態について説明
したが、この発明は他の形態で実施することもできる。
たとえば、上述の実施形態では、パワーステアリング装
置にこの発明のブラシレスモータ駆動装置が適用された
例について説明したが、この発明はパワーステアリング
装置以外の機器または装置に適用されるブラシレスモー
タの駆動にも同様に適用することができる。また、上記
の実施形態では、ホールセンサ５７を電動モータ３に内
蔵して、ロータ３１の回転角を直接検出する構成を採っ
ているが、ロータ３１と同期回転するように設けられた
センサリング（マグネットリング）に対向するようにホ
ールセンサ５７を配置することとしてもよい。この場合
には、ホールセンサ５７の取付誤差およびセンサリング
の着磁位置誤差を、スイッチング素子のスイッチングタ
イミングの微調整によって補償することができる。

【００２６】また、上記の実施形態では回転角センサと
して、ホールセンサを用いた例について説明したが、ホ
ールセンサ以外にも、ＭＲ素子やリードスイッチなどの
磁気センサを回転角センサとして用いることができ、さ
らには磁気センサ以外にも、光学式エンコーダなどの光
学式センサを回転角センサとして適用することができ
る。その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で
種々の設計変更を施すことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係るブラシレスモータ
駆動装置が適用されたパワーステアリング装置の電気的
構成を示すブロック図である。

【図２】ブラシレスモータのロータとホールセンサとの
位置関係を示す図解的な斜視図である。

【図３】図２に示されたロータの上方から見た図解的な
平面図である。

【図４】ドライバ回路の原理的構成と、３相ブラシレス
モータからなる電動モータへの通電方式を説明するため
の図である。

【図５】ドライバ回路内のスイッチング素子のスイッチ
ング動作を説明するためのタイムチャートである。

【図６】ＥＥＰＲＯＭにＵ相、Ｖ相およびＷ相に関する
タイミングデータを書き込むための調整処理を説明する
ためのフローチャートである。

【図７】電動モータを駆動するときの制御を表すフロー
チャートである。

【符号の説明】

１ 舵角センサ ２ 車速センサ ３ 電動モータ ３１ ロータ ３２ ステータ ３３Ｕ Ｕ相界磁コイル ３３Ｖ Ｖ相界磁コイル ３３Ｗ Ｗ相界磁コイル ５ 電子制御ユニット ５１ ＣＰＵ ５２ ＲＯＭ ５３ ＲＡＭ ５４ ＥＥＰＲＯＭ ５５ ドライバ回路 ５５Ｕ スイッチング素子 ５５Ｖ スイッチング素子 ５５Ｗ スイッチング素子 ５６ 電流検出回路 ５７ ホールセンサ ５７Ｕ ホールセンサ ５７Ｖ ホールセンサ ５７Ｗ ホールセンサ Ｅ 電源（車載バッテリ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数相の界磁コイルが設けられたステータ
   および着磁されたロータを有するブラシレスモータを駆
   動するための装置であって、 ロータの回転角を表す信号を出力する回転角センサと、 上記複数相の界磁コイルに順次通電するための複数のス
   イッチング手段を備えたドライバ回路と、 上記ブラシレスモータに流れるモータ電流を検出するモ
   ータ電流検出手段と、 所定の基準負荷に対して適切なモータ電流である基準負
   荷モータ電流が達成されるように、上記回転角センサの
   出力信号に対する上記複数のスイッチング手段のスイッ
   チングタイミングを調整するタイミング調整手段と、 上記複数のスイッチング手段のスイッチングタイミング
   を表すデータを記憶するための不揮発性記憶手段と、 上記タイミング調整手段が上記スイッチングタイミング
   を調整することによって上記モータ電流検出手段が上記
   基準負荷モータ電流を検出したときの当該スイッチング
   タイミングを表すデータを上記不揮発性記憶手段に書き
   込むデータ書込手段と、 上記不揮発性記憶手段に記憶されたデータにより表され
   るスイッチングタイミングで上記複数のスイッチング手
   段をそれぞれスイッチングする制御手段とを含むことを
   特徴とするブラシレスモータ駆動装置。