JP2005027390A - ブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることである。
【解決手段】転流前後の各相の電機子コイルに重複して通電するオーバーラップ通電においてスイッチング素子をONからOFFに切り替える際に、このスイッチング素子に対するデューティー比を所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に低下させる。これにより転流時のトルク定数は3相通電時のトルク定数TK3から2相通電時のトルク定数TK2に一定の割合で徐々に増加する。また、3相通電から2相通電へ切り替えられるときには、負極側スイッチング素子のデューティー比を低下させることにより、制御電流を3相通電時の約90%の値にまでトルク定数の変化に合わせた一定の割合で減少させる。
【選択図】 図9
【解決手段】転流前後の各相の電機子コイルに重複して通電するオーバーラップ通電においてスイッチング素子をONからOFFに切り替える際に、このスイッチング素子に対するデューティー比を所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に低下させる。これにより転流時のトルク定数は3相通電時のトルク定数TK3から2相通電時のトルク定数TK2に一定の割合で徐々に増加する。また、3相通電から2相通電へ切り替えられるときには、負極側スイッチング素子のデューティー比を低下させることにより、制御電流を3相通電時の約90%の値にまでトルク定数の変化に合わせた一定の割合で減少させる。
【選択図】 図9
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数相の電機子コイルが装着されたステータと複数の磁極を備えたロータとを有するブラシレスモータの駆動装置に関し、特に、転流前後の各相を重複して通電するオーバーラップ通電を行うものに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、自動車等の車両に設けられる操舵装置としては、その操舵力を補助する動力源として電動機を用いた所謂電動パワーステアリング装置が知られている。そして、このような電動パワーステアリングに用いられる電動機としては、一般に、高い耐久性や信頼性を有するブラシレスモータが用いられている。
【0003】
ブラシレスモータは、複数相の電機子コイルが装着されたステータと複数の磁極が設けられたロータとを有しており、例えば3相2極式の場合には、ステータには互いに星形結線されたU相、V相、W相の電機子コイルが装着され、ロータには周方向に並ぶ2つの磁極が設けられる。そして、各相の電機子コイルに所定の順序と方向で通電することによりステータに回転磁界が生じてロータが回転するようになっている。
【0004】
各相の電機子コイルに対する通電の切替えは、通常インバータ回路により行われるようになっている。インバータ回路は、それぞれ正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子とを有する3対のスイッチング素子対を並列に接続した構造となっており、各相の電機子コイルの非接続端は対応する相のスイッチング素子間に接続されている。このようなスイッチング素子としては、例えば電界効果トランジスタ(FET)等、駆動信号によりオンオフ制御が行われる半導体素子が用いられている。
【0005】
また、ロータの回転軌道近傍には、回転方向に向けて等間隔に配置されたホール素子などの回転位置検出手段が設けられており、インバータ回路を構成する各スイッチング素子の切替えは、これらの回転位置検出手段により検出されたロータの回転位置に基づいて行われるようになっている。
【0006】
このようなブラシレスモータの駆動方法としては、各相の電機子コイルの通電角を電気角で120°に設定し、2つの相の電機子コイルが同時に通電状態とされる2相通電を順次繰り返す、所謂120°矩形波駆動により行われるのが一般的である。しかし、120°矩形波駆動では、ある相から他の相への通電の切替え時、つまり転流時に各相の電機子コイルに流れる相電流が一時的に途切れてトルクリップルを生じる場合がある。
【0007】
そこで、従来のブラシレスモータでは、各相の通電角を120°以上に設定して転流前後の各相の電機子コイルに重複して通電する所謂オーバーラップ通電を行うようにして転流時の出力トルクの落ち込みを低減させるようにしていた(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
【特許文献1】
特公平6−52996号公報(第3−4頁、第3−4図)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
このようなオーバーラップ通電を行うブラシレスモータでは、120°矩形波駆動の場合と同様に、各スイッチング素子の切替えはONからOFFもしくはOFFからONに瞬間的に行われるようになっているので、通電を遮断するためにスイッチング素子をONからOFFに切り換えた場合であっても、インダクタンスにより蓄えられたエネルギによりスイッチング素子に設けられたフリーホイルダイオードを介して電機子コイルには相電流が流れ続けることになる。そのため、各電機子コイルに流れる相電流の総和がインバータ回路に供給される制御電流より一時的に増加してトルクリップルを生じさせることになっていた。
【0010】
また、オーバーラップ通電を行う駆動方法では、2相通電時のトルク定数は3相通電時に比べて高くなるので、インバータ回路に供給する制御電流を3相通電時に対して2相通電時に低く設定する場合がある。これに対して、ある相のスイッチング素子が切り換えられて通電相が2相から3相もしくは3相から2相に切り換えられる際には、インダクタンスにより蓄えられたエネルギにより相電流の転流は迅速には行われない。そのため、転流直後には、トルク定数が2相通電時と3相通電時との間を過渡的に変化するのに対して制御電流も目標の値に向けて時間なりに変化することになるので、トルク定数と制御電流と変化が一致せずにトルクリップルを生じることになる。
【0011】
本発明の目的は、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスモータの駆動装置は、ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記スイッチング素子の切替えを前記電機子コイルに流れる相電流が所定の割合で徐々に変化するように行い、前記インバータ回路に流れる制御電流を通電相数に応じた値に前記スイッチング素子の切替えに合わせた所定の割合で徐々に変化させる制御手段とを有することを特徴とする。
【0013】
本発明のブラシレスモータの駆動装置は、ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記スイッチング素子の切替えを前記電機子コイルに流れる相電流が所定の割合で徐々に変化するように行う制御手段とを有することを特徴とする。
【0014】
本発明のブラシレスモータの駆動装置は、ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記インバータ回路に流れる制御電流を通電相数に応じた値に所定の割合で徐々に変化させる制御手段とを有することを特徴とする。
【0015】
本発明のブラシレスモータの駆動装置は、前記ブラシレスモータを車両に設けられた操舵装置の操舵力を補助する駆動源として用いたことを特徴とする。
【0016】
本発明にあっては、転流時におけるトルク定数の変化を制御することができ、また、制御電流をトルク定数の変化に合わせて制御することができるので、転流時の出力トルクを一定にしてブラシレスモータのトルクリップルを低減することができる。
【0017】
また、本発明にあっては、転流時におけるトルク定数の変化が穏やかになるので、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることができる。
【0018】
さらに、本発明にあっては、転流時における制御電流の変化が穏やかになるので、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることができる。
【0019】
さらに、本発明にあっては、ブラシレスモータのトルクリップルは低減されるので、このブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の操作感を向上させることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0021】
図1は本発明の一実施の形態であるブラシレスモータの駆動装置の概略を示す回路図である。
【0022】
図1に示すブラシレスモータ11は、図示しない車両に設けられた操舵装置の操舵力を補助する図示しない電動パワーステアリング装置の駆動源として用いられている。
【0023】
このブラシレスモータ11は3相4極式となっており、図示しないステータにはU相、V相、W相の3つの相に分けられた電機子コイルLU,LV,LWが装着され、出力軸12を中心としてステータに対して回転自在に設けられたロータ13は4つの磁極Pを備えている。各相の電機子コイルLU,LV,LWは星形結線されており、互いに回転方向に120°の間隔を空けて配置されており、ロータ13に設けられた各磁極Pはこのロータ13の回転方向に並んで配置されている。そして、このブラシレスモータ11は駆動装置14に接続され、この駆動装置14により駆動制御されるようになっている。
【0024】
駆動装置14はロータ13の回転位置を検出するための回転位置検出手段としての6つのホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZとインバータ回路15およびインバータ回路15を制御する制御部16を有している。
【0025】
ホール素子HU,HV,HWはロータ13の回転軌道の近傍に位置するとともに互いに回転方向に120°の間隔を空けてステータに固定されており、それぞれロータ13の回転位置に応じて互いに電気角で120°ずれた回転位置検出信号PU,PV,PWを電気角で180°の範囲で出力するようになっている。また、ホール素子HX,HY,HZはホール素子HU,HV,HWに対して回転方向に機械角で15°ずれてステータに固定されており、それぞれ互いに電気角で120°ずれるとともにホール素子HU,HV,HWが出力する回転位置検出信号PU,PV,PWに対して電気角で30°ずれた回転位置検出信号PX,PY,PZを出力するようになっている。
【0026】
インバータ回路15は、それぞれ直流電流が供給される電源端子17に接続されるとともに各相に対応する3つの正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHと、それぞれ接地端子18に接続されるとともに各相に対応する3つの負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLとを有している。U相用の正極側スイッチング素子FET・UHはU相用の負極側スイッチング素子FET・ULに直列に接続され、V相用の正極側スイッチング素子FET・VHはV相用の負極側スイッチング素子FET・VLに直列に接続され、W相用の正極側スイッチング素子FET・WHはW相用の負極側スイッチング素子FET・WLに直列に接続されており、各相のスイッチング素子対は互いに並列に接続されている。これらのスイッチング素子としては例えばFET等、制御部16から出力される駆動信号によりON・OFF制御可能な半導体素子が用いられている。また、これらのスイッチング素子のコレクタとエミッタ間には、それぞれフリーホイルダイオードDが取り付けられており、誘導負荷の場合の遅れ電流成分を還流させてコレクタとエミッタ間に逆起電力が印加されないようにしている。そして、各相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHと負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLの相互接続部には対応する相の電機子コイルLU,LV,LWの非結線端が接続されており、各相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHをONすることにより対応する相の電機子コイルLU,LV,LWを電源端子17に接続し、各相の負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLをONすることにより対応する相の電機子コイルLU,LV,LWを接地端子18に接続することができるようになっている。
【0027】
また、駆動装置14にはインバータ回路15と電源端子17の間に接続された電流センサ21が設けられており、電源端子17からインバータ回路15に供給される制御電流の電流値をこの電流センサ21により検出することができるようになっている。
【0028】
制御手段としての制御部16は、制御信号を演算するマイクロプロセッサ(CPU)と、制御プログラム、演算式およびマップデータなどが格納されるROMと、一時的にデータを格納するRAMなどを有する図示しないマイクロコンピュータを有しており、各ホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZや電流センサ21はこの制御部16に接続されている。そして、制御部16は各ホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZから入力される回転位置検出信号PU,PV,PW,PX,PY,PZに基づいてロータ13の回転位置を認識し、電流センサ21からの検出信号に基づいてインバータ回路15に供給される制御電流の電流値を認識することができるようになっている。また、駆動装置14にはこのブラシレスモータ11により駆動される図示しない電動パワーステアリング装置の制御装置からの制御信号が入力されるようになっており、この制御信号に応じて、ロータ13の回転位置や制御電流の電流値に基づいた所定の出力パターンでインバータ回路15の各スイッチング素子に向けて駆動信号を出力するようになっている。
【0029】
また、この制御部16には図示しないPWM制御回路が設けられており、各スイッチング素子に対する駆動信号をPWM制御して、そのデューティー比を変化させることができるようになっている。なお、本実施の形態においては、各スイッチング素子のデューティー比をPWM制御により変化させるようにしているが、これに限らず、例えばPAM制御など他の変調方式により行うようにしてもよい。
【0030】
図2は図1に示す駆動装置の出力パターンを示すタイムチャート図であり、図3は各電機子コイルに対する通電状態と転流パターンを示す説明図である。
【0031】
駆動装置は図2に示す出力パターンに従って駆動信号を出力する。
【0032】
この出力パターンは、各ホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZからの回転位置検出信号PU,PV,PW,PX,PY,PZの立ち上がりもしくは立ち下がりのエッジを起点として12のステージ1〜12に分けられている。この場合、各ステージは電気角で30°である。
【0033】
各相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHに対する駆動信号の出力パターンは、それぞれON区間が電気角で150°に設定されるとともに各相のON区間が互いに電気角で120°ずれるように設定されている。したがって、各相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHのON区間は電気角で30°の範囲で互いに重複している。例えば、U相の正極側スイッチング素子FET・UHとV相の正極側スイッチング素子FET・VHはステージ5において重複してONとなり、V相の正極側スイッチング素子FET・VHとW相の正極側スイッチング素子FET・WHはステージ9において重複してONとなり、U相の正極側スイッチング素子FET・UHとW相の正極側スイッチング素子FET・WHはステージ1において重複してONとなる。
【0034】
同様に、各相の負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLに対する駆動信号の出力パターンは、それぞれON区間が電気角で150°に設定されるとともに各相のON区間が互いに電気角で120°ずれるように設定されている。したがって、各相の負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLのON区間は電気角で30°の範囲で互いに重複している。例えば、U相の負極側スイッチング素子FET・ULとV相の負極側スイッチング素子FET・VLはステージ11において重複してONとなり、V相の負極側スイッチング素子FET・VLとW相の負極側スイッチング素子FET・WLはステージ3において重複してONとなり、U相の負極側スイッチング素子FET・ULとW相の負極側スイッチング素子FET・WLはステージ7において重複してONとなる。また、各相の負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLのON区間は、それぞれ同相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHのON区間に対して電気角で180°ずれており、いずれか2つの相の正極側スイッチング素子が重複してONとなっているときには、これらの相とは相違する相の負極側スイッチング素子がONとされるようになっている。
【0035】
この出力パターンに従って各スイッチング素子が切り替えられることにより、各相の電機子コイルLU,LV,LWに対する通電が所定の方向と順序で切り換えられるとともに、転流前後の各相の電機子コイルLU,LV,LWには電気角で30°だけ重複して通電される。したがって、各電機子コイルLU,LV,LWに対する通電は所定の2相の電機子コイルにのみ通電される2相通電と3つ相の電機子コイルLU,LV,LW全てに通電される3相通電とが各ステージ毎に交互に行われる。つまり、図3に示すように、各電機子コイルLU,LV,LWに対する通電状態は、各相が対称であることを考慮すると、2つの相の電機子コイル(図示する場合にはU相とW相)が電源端子17に接続され、他の1相の電機子コイル(図示する場合にはV相)が接地端子18に接続される状態Aと、1つの相の電機子コイル(図示する場合にはU相)が電源端子17に接続され、他の1相の電機子コイル(図示する場合にはV相)が接地端子18に接続される状態Bと、1つの相の電機子コイル(図示する場合にはU相)が電源端子17に接続され、他の2相の電機子コイル(図示する場合にはV相とW相)が接地端子18に接続される状態Cとが繰り返され、各状態A〜Cの間における転流パターンとしては、状態Aから状態Bに変化する転流パターンaと、状態Bから状態Cに変化する転流パターンbと、状態Cから状態Bへ変化する転流パターンcと、状態Bから状態Aへ変化する転流パターンdとが行われることになる。
【0036】
図4(a)はU相の正極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比の変化を示す特性線図であり、図4(b)はU相の負極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比の変化を示す特性線図である。
【0037】
この駆動装置14は、正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHのデューティー比DHを100%に固定するとともに負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLのデューティー比DLを電動パワーステアリング装置の制御装置から入力される制御信号に応じた目標デューティー比DOに設定することにより、出力軸12から出力される出力トルクを電動パワーステアリング装置が要求する値となるようにしている。例えば、図4(a)にU相の場合を示すように、正極側スイッチング素子FET・UHに対する駆動信号のデューティー比DHは基本的に100%に設定されており、一方、例えば図4(b)にU相の場合を示すように、負極側スイッチング素子FET・ULに対する駆動信号のデューティー比DLは目標デューティー比DOに設定される。また、図4(b)に示すように、負極側スイッチング素子FET・ULに対する駆動信号のデューティー比DLは、3相通電時には目標デューティー比DOに設定されるが、2相通電時には目標デューティー比DOの90%の値にまで低下されるようになっている。これにより、2相通電時にインバータ回路15に供給される制御電流Iは3相通電時に供給される制御電流Iの90%の値に設定されるようになっている。つまり、この駆動装置14は制御電流Iを通電相数に応じた値に変化させるようになっている。
【0038】
さらに、この駆動装置14では、各スイッチング素子のOFFからONもしくはOFFからONへの切替えを、所定の時間tの間に徐々にデューティー比DH,DLを変化させるようにして行うことにより、転流時の出力トルクの変動を低減させるようにしている。
【0039】
例えば、図4(a)にU相の場合を示すように、正極側スイッチング素子FET・UHをONからOFFへ切り換える際には、駆動信号は所定の時間tの間にデューティー比DHが100%から0%に一定の割合で徐々に低下するように変化し、正極側スイッチング素子FET・UHをOFFからONへ切り換える際には、駆動信号は所定の時間tの間にデューティー比DHが0%から100%に一定の割合で徐々に増加するように変化する。また、図4(b)にU相の場合を示すように、負極側スイッチング素子FET・ULをONからOFFへ切り換える際には、駆動信号は所定の時間tの間にデューティー比DLが目標デューティー比DOから0%に一定の割合で徐々に低下するように変化し、負極側スイッチング素子FET・ULをOFFからONへ切り換える際には、駆動信号は所定の時間tの間にデューティー比DLが0%から目標デューティー比DOにまで一定の割合で徐々に増加するように変化する。
【0040】
また、負極側スイッチング素子FET・ULにより制御電流Iの値を変化させる際においても、負極側スイッチング素子FET・ULのデューティー比DLは所定の時間tの間に目標デューティー比DOの90%から100%もしくは100%から90%に一定の割合で徐々に変化される。
【0041】
図5は、比較例としてスイッチング素子の切替えを急激に行う駆動装置を用いた場合の相電流の変化を示す特性線図であり、図6は比較例の駆動装置による2相通電から3相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図であり、図7は比較例の駆動装置による3相通電から2相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。また、図8は、図1に示す駆動装置による相電流の変化を示す特性線図であり、図9は図1に示す駆動装置による2相通電から3相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図であり、図10は図1に示す駆動装置による3相通電から2相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【0042】
比較例に示す図示しない駆動装置が用いられた場合には、各スイッチング素子の切替えは急激に行われる、つまりステージが切り替わって転流を開始するのと同時に瞬間的に切り換えられるようになっている。したがって、この場合では、図5に示すように、転流パターンa、cにおいて正極側スイッチング素子がONからOFFへ切り換えられると、インダクタンスにより蓄えられたエネルギにより負極側スイッチング素子に設けられたフリーホイルダイオードDを介して電機子コイルには相電流が流れ続けることになる。このとき、この相電流は電流センサ21を流れないので、負極側スイッチング素子の制御には反映されない。そのため、転流後の各電機子コイルに流れる相電流の総和がインバータ回路15に供給される制御電流Iより一時的に増加してトルクリップルを生じることになる。また、転流開始後の所定の時間の間、電機子コイルには相電流が流れ続けることになるので、転流時におけるトルク定数は、図6に示すように、3相通電時のトルク定数TK3から2相通電時のトルク定数TK2まで所定の時間をかけて時間なりに変化することになる。これに対して制御電流Iは転流の開始と同時に3相通電時の制御電流Iに対して90%の値にまで急激に切り換えられるので、トルク定数と制御電流Iとの積により決まるこのブラシレスモータ11の出力トルクは転流時において変動することになる。
【0043】
同様に、転流パターンb、dにおいてスイッチング素子がOFFからONに切り換えられると通電相は2相から3相に変化することになるが、その際、図7に示すように、インダクタンスにより蓄えられたエネルギにより相電流の転流は迅速には行われない。そのため、転流時におけるトルク定数は2相通電時のトルク定数TK2から3相通電時のトルク定数TK3まで所定の時間をかけて時間なりに変化することになる。これに対して制御電流Iは転流の開始と同時に3相通電時の制御電流Iの90%の値から100%の値まで急激に切り換えられるので、トルク定数と制御電流Iとの積により決まるこのブラシレスモータ11の出力トルクは転流時において変動することになる。
【0044】
これに対して、本発明の駆動装置14では、各スイッチング素子を所定の時間tの間で徐々にデューティー比DH,DLを変化させて切り換えるようにしたので、図8に示すように、転流パターンa、cにおいてスイッチング素子をONからOFFへ切り換える際には、対応する相の電機子コイルに流れる相電流は制御電流Iの半分の値0.5Iから0にまで所定の時間をかけて一定の割合で徐々に減少することになる。したがって、このブラシレスモータ11のトルク定数は、図9に示すように、3相通電時のトルク定数TK3から2相通電時のトルク定数TK2に所定に時間tをかけて一定の割合で徐々に増加することになる。また、このとき、負極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比DLは目標デューティー比DOの100%から90%に正極側スイッチング素子の切り替えに合わせて所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に低下するように制御されるので、制御電流Iは3相通電時の制御電流Iからこの制御電流Iの90%の値にまでトルク定数の増加に合わせた一定の割合で徐々に低下することになる。したがって、トルク定数と制御電流Iとの積により決まるこのブラシレスモータ11の出力トルクは転流時においても変動が低減されることになる。
【0045】
同様に、転流パターンb、dにおいてスイッチング素子をOFFからONへの切り替える際には、対応する一方の相の電機子コイルに流れる相電流は3相通電時の制御電流Iの90%の値から50%の値にまで所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に減少する。また、対応する他方の相の電機子コイルに流れる相電流は0から3相通電時の制御電流Iの50%の値にまで所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に増加するように制御される。したがって、このブラシレスモータ11のトルク定数は、図10に示すように、2相通電時のトルク定数TK2から3相通電時のトルク定数TK3に所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に低下することになる。このとき、負極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比DLは目標デューティー比DOの90%から100%にスイッチング素子の切替えに合わせて一定の割合で徐々に増加するように制御されるので、制御電流Iは3相通電時の制御電流Iからこの制御電流Iの90%の値にまでトルク定数の増加に合わせた一定の割合で徐々に低下することになる。したがって、トルク定数と制御電流との積により決まるこのブラシレスモータ11の出力トルクは転流時においても変動が低減されることになる。
【0046】
また、これらの場合においては、所定の時間tは、インダクタンスに蓄えられたエネルギによる相電流の増加分が無視することができる程度に設定されており、相電流や制御電流Iの変化はこの駆動装置14の制御下に置かれることになる。したがって、トルク定数の変化に合わせて制御電流Iを制御することが容易となる。
【0047】
このように、このブラシレスモータ11の駆動装置14では、転流時におけるトルク定数の変化を制御することができ、また、制御電流Iをトルク定数の変化に合わせて制御することができるので、転流時の出力トルクを一定にして、このブラシレスモータ11の出力トルクの変動つまりトルクリップルを低減することができる。
【0048】
また、このブラシレスモータ11の駆動装置14では、電機子コイルに流れる相電流が所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に変化するように各スイッチング素子の切替えを行うようにしたので、転流時における相電流の変化を穏やかにして、このブラシレスモータ11のトルクリップルを低減することができる。
【0049】
さらに、このブラシレスモータ11の駆動装置14では、転流時には制御電流Iが2相通電もしくは3相通電に対応した値に所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に変化するようにスイッチング素子を切り替えるようにしたので、転流時における制御電流Iの変化を穏やかにして、このブラシレスモータ11のトルクリップルを低減することができる。
【0050】
さらに、このブラシレスモータ11の駆動装置14では、ブラシレスモータ11の出力トルクの変動を低減させることができるので、このブラシレスモータ11を車両に設けられた操舵装置の操舵力を補助する電動パワーステアリング装置に用いた場合には、この操舵装置の操作感を向上させることができる。
【0051】
本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、本実施の形態においては、相電流と制御電流Iの両方を所定の時間tの間に所定の割合で徐々に変化させるようにしているが、これに限らず、いずれか一方のみを徐々に変化させるようにしてもよい。
【0052】
また、本実施の形態においては、ブラシレスモータ11は3相4極式となっているが、これに限らず、3相以上の電機子コイルを有するものであれば他の形式のブラシレスモータとしてもよい。
【0053】
さらに、本実施の形態においては、転流時の相電流の変化が一定の割合となるようにしているが、これに限らず、インダクタンスのエネルギによる相電流の増加が生じなければ、所定の割合で変化させるようにしてよい。
【0054】
さらに、本実施の形態においては、このブラシレスモータ11を車両の電動パワーステアリング装置に用いるようにしているが、これに限らず、他の用途に用いてもよい。
【0055】
さらに、本実施の形態においては、ロータ13の回転位置をホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZを用いて検出するようにしているが、これに限らず、例えばレゾルバ等を用いた他の方法により検出するようにしてもよい。
【0056】
さらに、本実施の形態においては、各電機子コイルの通電角は150°に設定されているが、120°を越えて180°未満であればよい。
【0057】
【発明の効果】
本発明によれば、転流時におけるトルク定数の変化を制御することができ、また、制御電流をトルク定数の変化に合わせて制御することができるので、転流時の出力トルクを一定にしてブラシレスモータのトルクリップルを低減することができる。
【0058】
また、本発明によれば、転流時におけるトルク定数の変化が穏やかになるので、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることができる。
【0059】
さらに、本発明によれば、転流時における制御電流の変化が穏やかになるので、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることができる。
【0060】
さらに、本発明によれば、ブラシレスモータのトルクリップルは低減されるので、このブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の操作感を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態であるブラシレスモータの駆動装置の概略を示す回路図である。
【図2】図1に示す駆動装置の出力パターンを示すタイムチャート図である。
【図3】各電機子コイルに対する通電状態と転流パターンを示す説明図である。
【図4】(a)はU相の正極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比の変化を示す特性線図であり、(b)はU相の負極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比の変化を示す特性線図である。
【図5】比較例としてスイッチング素子の切替えを急激に行う駆動装置を用いた場合の相電流の変化を示す特性線図である。
【図6】比較例の駆動装置による2相通電から3相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【図7】比較例の駆動装置による3相通電から2相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【図8】図1に示す駆動装置による相電流の変化を示す特性線図である。
【図9】図1に示す駆動装置による2相通電から3相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【図10】図1に示す駆動装置による3相通電から2相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【符号の説明】
11 ブラシレスモータ
12 出力軸
13 ロータ
14 駆動装置
15 インバータ回路
16 制御部
17 電源端子
18 接地端子
21 電流センサ
LU,LV,LW 電機子コイル
P 磁極
HU,HV,HW,HX,HY,HZ ホール素子
PU,PV,PW,PX,PY,PZ 回転位置検出信号
FET・UH,FET・VH,FET・WH 正極側スイッチング素子
FET・UL,FET・VL,FET・WL 負極側スイッチング素子
D フリーホイルダイオード
A,B,C 状態
a,b,c,d 転流パターン
DH 正極側スイッチング素子のデューティー比
DL 負極側スイッチング素子のデューティー比
DO 目標デューティー比
I 制御電流
TK3 3相通電時のトルク定数
TK2 2相通電時のトルク定数
【発明の属する技術分野】
本発明は複数相の電機子コイルが装着されたステータと複数の磁極を備えたロータとを有するブラシレスモータの駆動装置に関し、特に、転流前後の各相を重複して通電するオーバーラップ通電を行うものに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、自動車等の車両に設けられる操舵装置としては、その操舵力を補助する動力源として電動機を用いた所謂電動パワーステアリング装置が知られている。そして、このような電動パワーステアリングに用いられる電動機としては、一般に、高い耐久性や信頼性を有するブラシレスモータが用いられている。
【0003】
ブラシレスモータは、複数相の電機子コイルが装着されたステータと複数の磁極が設けられたロータとを有しており、例えば3相2極式の場合には、ステータには互いに星形結線されたU相、V相、W相の電機子コイルが装着され、ロータには周方向に並ぶ2つの磁極が設けられる。そして、各相の電機子コイルに所定の順序と方向で通電することによりステータに回転磁界が生じてロータが回転するようになっている。
【0004】
各相の電機子コイルに対する通電の切替えは、通常インバータ回路により行われるようになっている。インバータ回路は、それぞれ正極側のスイッチング素子と負極側のスイッチング素子とを有する3対のスイッチング素子対を並列に接続した構造となっており、各相の電機子コイルの非接続端は対応する相のスイッチング素子間に接続されている。このようなスイッチング素子としては、例えば電界効果トランジスタ(FET)等、駆動信号によりオンオフ制御が行われる半導体素子が用いられている。
【0005】
また、ロータの回転軌道近傍には、回転方向に向けて等間隔に配置されたホール素子などの回転位置検出手段が設けられており、インバータ回路を構成する各スイッチング素子の切替えは、これらの回転位置検出手段により検出されたロータの回転位置に基づいて行われるようになっている。
【0006】
このようなブラシレスモータの駆動方法としては、各相の電機子コイルの通電角を電気角で120°に設定し、2つの相の電機子コイルが同時に通電状態とされる2相通電を順次繰り返す、所謂120°矩形波駆動により行われるのが一般的である。しかし、120°矩形波駆動では、ある相から他の相への通電の切替え時、つまり転流時に各相の電機子コイルに流れる相電流が一時的に途切れてトルクリップルを生じる場合がある。
【0007】
そこで、従来のブラシレスモータでは、各相の通電角を120°以上に設定して転流前後の各相の電機子コイルに重複して通電する所謂オーバーラップ通電を行うようにして転流時の出力トルクの落ち込みを低減させるようにしていた(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
【特許文献1】
特公平6−52996号公報(第3−4頁、第3−4図)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
このようなオーバーラップ通電を行うブラシレスモータでは、120°矩形波駆動の場合と同様に、各スイッチング素子の切替えはONからOFFもしくはOFFからONに瞬間的に行われるようになっているので、通電を遮断するためにスイッチング素子をONからOFFに切り換えた場合であっても、インダクタンスにより蓄えられたエネルギによりスイッチング素子に設けられたフリーホイルダイオードを介して電機子コイルには相電流が流れ続けることになる。そのため、各電機子コイルに流れる相電流の総和がインバータ回路に供給される制御電流より一時的に増加してトルクリップルを生じさせることになっていた。
【0010】
また、オーバーラップ通電を行う駆動方法では、2相通電時のトルク定数は3相通電時に比べて高くなるので、インバータ回路に供給する制御電流を3相通電時に対して2相通電時に低く設定する場合がある。これに対して、ある相のスイッチング素子が切り換えられて通電相が2相から3相もしくは3相から2相に切り換えられる際には、インダクタンスにより蓄えられたエネルギにより相電流の転流は迅速には行われない。そのため、転流直後には、トルク定数が2相通電時と3相通電時との間を過渡的に変化するのに対して制御電流も目標の値に向けて時間なりに変化することになるので、トルク定数と制御電流と変化が一致せずにトルクリップルを生じることになる。
【0011】
本発明の目的は、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスモータの駆動装置は、ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記スイッチング素子の切替えを前記電機子コイルに流れる相電流が所定の割合で徐々に変化するように行い、前記インバータ回路に流れる制御電流を通電相数に応じた値に前記スイッチング素子の切替えに合わせた所定の割合で徐々に変化させる制御手段とを有することを特徴とする。
【0013】
本発明のブラシレスモータの駆動装置は、ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記スイッチング素子の切替えを前記電機子コイルに流れる相電流が所定の割合で徐々に変化するように行う制御手段とを有することを特徴とする。
【0014】
本発明のブラシレスモータの駆動装置は、ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記インバータ回路に流れる制御電流を通電相数に応じた値に所定の割合で徐々に変化させる制御手段とを有することを特徴とする。
【0015】
本発明のブラシレスモータの駆動装置は、前記ブラシレスモータを車両に設けられた操舵装置の操舵力を補助する駆動源として用いたことを特徴とする。
【0016】
本発明にあっては、転流時におけるトルク定数の変化を制御することができ、また、制御電流をトルク定数の変化に合わせて制御することができるので、転流時の出力トルクを一定にしてブラシレスモータのトルクリップルを低減することができる。
【0017】
また、本発明にあっては、転流時におけるトルク定数の変化が穏やかになるので、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることができる。
【0018】
さらに、本発明にあっては、転流時における制御電流の変化が穏やかになるので、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることができる。
【0019】
さらに、本発明にあっては、ブラシレスモータのトルクリップルは低減されるので、このブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の操作感を向上させることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0021】
図1は本発明の一実施の形態であるブラシレスモータの駆動装置の概略を示す回路図である。
【0022】
図1に示すブラシレスモータ11は、図示しない車両に設けられた操舵装置の操舵力を補助する図示しない電動パワーステアリング装置の駆動源として用いられている。
【0023】
このブラシレスモータ11は3相4極式となっており、図示しないステータにはU相、V相、W相の3つの相に分けられた電機子コイルLU,LV,LWが装着され、出力軸12を中心としてステータに対して回転自在に設けられたロータ13は4つの磁極Pを備えている。各相の電機子コイルLU,LV,LWは星形結線されており、互いに回転方向に120°の間隔を空けて配置されており、ロータ13に設けられた各磁極Pはこのロータ13の回転方向に並んで配置されている。そして、このブラシレスモータ11は駆動装置14に接続され、この駆動装置14により駆動制御されるようになっている。
【0024】
駆動装置14はロータ13の回転位置を検出するための回転位置検出手段としての6つのホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZとインバータ回路15およびインバータ回路15を制御する制御部16を有している。
【0025】
ホール素子HU,HV,HWはロータ13の回転軌道の近傍に位置するとともに互いに回転方向に120°の間隔を空けてステータに固定されており、それぞれロータ13の回転位置に応じて互いに電気角で120°ずれた回転位置検出信号PU,PV,PWを電気角で180°の範囲で出力するようになっている。また、ホール素子HX,HY,HZはホール素子HU,HV,HWに対して回転方向に機械角で15°ずれてステータに固定されており、それぞれ互いに電気角で120°ずれるとともにホール素子HU,HV,HWが出力する回転位置検出信号PU,PV,PWに対して電気角で30°ずれた回転位置検出信号PX,PY,PZを出力するようになっている。
【0026】
インバータ回路15は、それぞれ直流電流が供給される電源端子17に接続されるとともに各相に対応する3つの正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHと、それぞれ接地端子18に接続されるとともに各相に対応する3つの負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLとを有している。U相用の正極側スイッチング素子FET・UHはU相用の負極側スイッチング素子FET・ULに直列に接続され、V相用の正極側スイッチング素子FET・VHはV相用の負極側スイッチング素子FET・VLに直列に接続され、W相用の正極側スイッチング素子FET・WHはW相用の負極側スイッチング素子FET・WLに直列に接続されており、各相のスイッチング素子対は互いに並列に接続されている。これらのスイッチング素子としては例えばFET等、制御部16から出力される駆動信号によりON・OFF制御可能な半導体素子が用いられている。また、これらのスイッチング素子のコレクタとエミッタ間には、それぞれフリーホイルダイオードDが取り付けられており、誘導負荷の場合の遅れ電流成分を還流させてコレクタとエミッタ間に逆起電力が印加されないようにしている。そして、各相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHと負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLの相互接続部には対応する相の電機子コイルLU,LV,LWの非結線端が接続されており、各相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHをONすることにより対応する相の電機子コイルLU,LV,LWを電源端子17に接続し、各相の負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLをONすることにより対応する相の電機子コイルLU,LV,LWを接地端子18に接続することができるようになっている。
【0027】
また、駆動装置14にはインバータ回路15と電源端子17の間に接続された電流センサ21が設けられており、電源端子17からインバータ回路15に供給される制御電流の電流値をこの電流センサ21により検出することができるようになっている。
【0028】
制御手段としての制御部16は、制御信号を演算するマイクロプロセッサ(CPU)と、制御プログラム、演算式およびマップデータなどが格納されるROMと、一時的にデータを格納するRAMなどを有する図示しないマイクロコンピュータを有しており、各ホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZや電流センサ21はこの制御部16に接続されている。そして、制御部16は各ホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZから入力される回転位置検出信号PU,PV,PW,PX,PY,PZに基づいてロータ13の回転位置を認識し、電流センサ21からの検出信号に基づいてインバータ回路15に供給される制御電流の電流値を認識することができるようになっている。また、駆動装置14にはこのブラシレスモータ11により駆動される図示しない電動パワーステアリング装置の制御装置からの制御信号が入力されるようになっており、この制御信号に応じて、ロータ13の回転位置や制御電流の電流値に基づいた所定の出力パターンでインバータ回路15の各スイッチング素子に向けて駆動信号を出力するようになっている。
【0029】
また、この制御部16には図示しないPWM制御回路が設けられており、各スイッチング素子に対する駆動信号をPWM制御して、そのデューティー比を変化させることができるようになっている。なお、本実施の形態においては、各スイッチング素子のデューティー比をPWM制御により変化させるようにしているが、これに限らず、例えばPAM制御など他の変調方式により行うようにしてもよい。
【0030】
図2は図1に示す駆動装置の出力パターンを示すタイムチャート図であり、図3は各電機子コイルに対する通電状態と転流パターンを示す説明図である。
【0031】
駆動装置は図2に示す出力パターンに従って駆動信号を出力する。
【0032】
この出力パターンは、各ホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZからの回転位置検出信号PU,PV,PW,PX,PY,PZの立ち上がりもしくは立ち下がりのエッジを起点として12のステージ1〜12に分けられている。この場合、各ステージは電気角で30°である。
【0033】
各相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHに対する駆動信号の出力パターンは、それぞれON区間が電気角で150°に設定されるとともに各相のON区間が互いに電気角で120°ずれるように設定されている。したがって、各相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHのON区間は電気角で30°の範囲で互いに重複している。例えば、U相の正極側スイッチング素子FET・UHとV相の正極側スイッチング素子FET・VHはステージ5において重複してONとなり、V相の正極側スイッチング素子FET・VHとW相の正極側スイッチング素子FET・WHはステージ9において重複してONとなり、U相の正極側スイッチング素子FET・UHとW相の正極側スイッチング素子FET・WHはステージ1において重複してONとなる。
【0034】
同様に、各相の負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLに対する駆動信号の出力パターンは、それぞれON区間が電気角で150°に設定されるとともに各相のON区間が互いに電気角で120°ずれるように設定されている。したがって、各相の負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLのON区間は電気角で30°の範囲で互いに重複している。例えば、U相の負極側スイッチング素子FET・ULとV相の負極側スイッチング素子FET・VLはステージ11において重複してONとなり、V相の負極側スイッチング素子FET・VLとW相の負極側スイッチング素子FET・WLはステージ3において重複してONとなり、U相の負極側スイッチング素子FET・ULとW相の負極側スイッチング素子FET・WLはステージ7において重複してONとなる。また、各相の負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLのON区間は、それぞれ同相の正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHのON区間に対して電気角で180°ずれており、いずれか2つの相の正極側スイッチング素子が重複してONとなっているときには、これらの相とは相違する相の負極側スイッチング素子がONとされるようになっている。
【0035】
この出力パターンに従って各スイッチング素子が切り替えられることにより、各相の電機子コイルLU,LV,LWに対する通電が所定の方向と順序で切り換えられるとともに、転流前後の各相の電機子コイルLU,LV,LWには電気角で30°だけ重複して通電される。したがって、各電機子コイルLU,LV,LWに対する通電は所定の2相の電機子コイルにのみ通電される2相通電と3つ相の電機子コイルLU,LV,LW全てに通電される3相通電とが各ステージ毎に交互に行われる。つまり、図3に示すように、各電機子コイルLU,LV,LWに対する通電状態は、各相が対称であることを考慮すると、2つの相の電機子コイル(図示する場合にはU相とW相)が電源端子17に接続され、他の1相の電機子コイル(図示する場合にはV相)が接地端子18に接続される状態Aと、1つの相の電機子コイル(図示する場合にはU相)が電源端子17に接続され、他の1相の電機子コイル(図示する場合にはV相)が接地端子18に接続される状態Bと、1つの相の電機子コイル(図示する場合にはU相)が電源端子17に接続され、他の2相の電機子コイル(図示する場合にはV相とW相)が接地端子18に接続される状態Cとが繰り返され、各状態A〜Cの間における転流パターンとしては、状態Aから状態Bに変化する転流パターンaと、状態Bから状態Cに変化する転流パターンbと、状態Cから状態Bへ変化する転流パターンcと、状態Bから状態Aへ変化する転流パターンdとが行われることになる。
【0036】
図4(a)はU相の正極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比の変化を示す特性線図であり、図4(b)はU相の負極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比の変化を示す特性線図である。
【0037】
この駆動装置14は、正極側スイッチング素子FET・UH,FET・VH,FET・WHのデューティー比DHを100%に固定するとともに負極側スイッチング素子FET・UL,FET・VL,FET・WLのデューティー比DLを電動パワーステアリング装置の制御装置から入力される制御信号に応じた目標デューティー比DOに設定することにより、出力軸12から出力される出力トルクを電動パワーステアリング装置が要求する値となるようにしている。例えば、図4(a)にU相の場合を示すように、正極側スイッチング素子FET・UHに対する駆動信号のデューティー比DHは基本的に100%に設定されており、一方、例えば図4(b)にU相の場合を示すように、負極側スイッチング素子FET・ULに対する駆動信号のデューティー比DLは目標デューティー比DOに設定される。また、図4(b)に示すように、負極側スイッチング素子FET・ULに対する駆動信号のデューティー比DLは、3相通電時には目標デューティー比DOに設定されるが、2相通電時には目標デューティー比DOの90%の値にまで低下されるようになっている。これにより、2相通電時にインバータ回路15に供給される制御電流Iは3相通電時に供給される制御電流Iの90%の値に設定されるようになっている。つまり、この駆動装置14は制御電流Iを通電相数に応じた値に変化させるようになっている。
【0038】
さらに、この駆動装置14では、各スイッチング素子のOFFからONもしくはOFFからONへの切替えを、所定の時間tの間に徐々にデューティー比DH,DLを変化させるようにして行うことにより、転流時の出力トルクの変動を低減させるようにしている。
【0039】
例えば、図4(a)にU相の場合を示すように、正極側スイッチング素子FET・UHをONからOFFへ切り換える際には、駆動信号は所定の時間tの間にデューティー比DHが100%から0%に一定の割合で徐々に低下するように変化し、正極側スイッチング素子FET・UHをOFFからONへ切り換える際には、駆動信号は所定の時間tの間にデューティー比DHが0%から100%に一定の割合で徐々に増加するように変化する。また、図4(b)にU相の場合を示すように、負極側スイッチング素子FET・ULをONからOFFへ切り換える際には、駆動信号は所定の時間tの間にデューティー比DLが目標デューティー比DOから0%に一定の割合で徐々に低下するように変化し、負極側スイッチング素子FET・ULをOFFからONへ切り換える際には、駆動信号は所定の時間tの間にデューティー比DLが0%から目標デューティー比DOにまで一定の割合で徐々に増加するように変化する。
【0040】
また、負極側スイッチング素子FET・ULにより制御電流Iの値を変化させる際においても、負極側スイッチング素子FET・ULのデューティー比DLは所定の時間tの間に目標デューティー比DOの90%から100%もしくは100%から90%に一定の割合で徐々に変化される。
【0041】
図5は、比較例としてスイッチング素子の切替えを急激に行う駆動装置を用いた場合の相電流の変化を示す特性線図であり、図6は比較例の駆動装置による2相通電から3相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図であり、図7は比較例の駆動装置による3相通電から2相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。また、図8は、図1に示す駆動装置による相電流の変化を示す特性線図であり、図9は図1に示す駆動装置による2相通電から3相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図であり、図10は図1に示す駆動装置による3相通電から2相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【0042】
比較例に示す図示しない駆動装置が用いられた場合には、各スイッチング素子の切替えは急激に行われる、つまりステージが切り替わって転流を開始するのと同時に瞬間的に切り換えられるようになっている。したがって、この場合では、図5に示すように、転流パターンa、cにおいて正極側スイッチング素子がONからOFFへ切り換えられると、インダクタンスにより蓄えられたエネルギにより負極側スイッチング素子に設けられたフリーホイルダイオードDを介して電機子コイルには相電流が流れ続けることになる。このとき、この相電流は電流センサ21を流れないので、負極側スイッチング素子の制御には反映されない。そのため、転流後の各電機子コイルに流れる相電流の総和がインバータ回路15に供給される制御電流Iより一時的に増加してトルクリップルを生じることになる。また、転流開始後の所定の時間の間、電機子コイルには相電流が流れ続けることになるので、転流時におけるトルク定数は、図6に示すように、3相通電時のトルク定数TK3から2相通電時のトルク定数TK2まで所定の時間をかけて時間なりに変化することになる。これに対して制御電流Iは転流の開始と同時に3相通電時の制御電流Iに対して90%の値にまで急激に切り換えられるので、トルク定数と制御電流Iとの積により決まるこのブラシレスモータ11の出力トルクは転流時において変動することになる。
【0043】
同様に、転流パターンb、dにおいてスイッチング素子がOFFからONに切り換えられると通電相は2相から3相に変化することになるが、その際、図7に示すように、インダクタンスにより蓄えられたエネルギにより相電流の転流は迅速には行われない。そのため、転流時におけるトルク定数は2相通電時のトルク定数TK2から3相通電時のトルク定数TK3まで所定の時間をかけて時間なりに変化することになる。これに対して制御電流Iは転流の開始と同時に3相通電時の制御電流Iの90%の値から100%の値まで急激に切り換えられるので、トルク定数と制御電流Iとの積により決まるこのブラシレスモータ11の出力トルクは転流時において変動することになる。
【0044】
これに対して、本発明の駆動装置14では、各スイッチング素子を所定の時間tの間で徐々にデューティー比DH,DLを変化させて切り換えるようにしたので、図8に示すように、転流パターンa、cにおいてスイッチング素子をONからOFFへ切り換える際には、対応する相の電機子コイルに流れる相電流は制御電流Iの半分の値0.5Iから0にまで所定の時間をかけて一定の割合で徐々に減少することになる。したがって、このブラシレスモータ11のトルク定数は、図9に示すように、3相通電時のトルク定数TK3から2相通電時のトルク定数TK2に所定に時間tをかけて一定の割合で徐々に増加することになる。また、このとき、負極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比DLは目標デューティー比DOの100%から90%に正極側スイッチング素子の切り替えに合わせて所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に低下するように制御されるので、制御電流Iは3相通電時の制御電流Iからこの制御電流Iの90%の値にまでトルク定数の増加に合わせた一定の割合で徐々に低下することになる。したがって、トルク定数と制御電流Iとの積により決まるこのブラシレスモータ11の出力トルクは転流時においても変動が低減されることになる。
【0045】
同様に、転流パターンb、dにおいてスイッチング素子をOFFからONへの切り替える際には、対応する一方の相の電機子コイルに流れる相電流は3相通電時の制御電流Iの90%の値から50%の値にまで所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に減少する。また、対応する他方の相の電機子コイルに流れる相電流は0から3相通電時の制御電流Iの50%の値にまで所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に増加するように制御される。したがって、このブラシレスモータ11のトルク定数は、図10に示すように、2相通電時のトルク定数TK2から3相通電時のトルク定数TK3に所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に低下することになる。このとき、負極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比DLは目標デューティー比DOの90%から100%にスイッチング素子の切替えに合わせて一定の割合で徐々に増加するように制御されるので、制御電流Iは3相通電時の制御電流Iからこの制御電流Iの90%の値にまでトルク定数の増加に合わせた一定の割合で徐々に低下することになる。したがって、トルク定数と制御電流との積により決まるこのブラシレスモータ11の出力トルクは転流時においても変動が低減されることになる。
【0046】
また、これらの場合においては、所定の時間tは、インダクタンスに蓄えられたエネルギによる相電流の増加分が無視することができる程度に設定されており、相電流や制御電流Iの変化はこの駆動装置14の制御下に置かれることになる。したがって、トルク定数の変化に合わせて制御電流Iを制御することが容易となる。
【0047】
このように、このブラシレスモータ11の駆動装置14では、転流時におけるトルク定数の変化を制御することができ、また、制御電流Iをトルク定数の変化に合わせて制御することができるので、転流時の出力トルクを一定にして、このブラシレスモータ11の出力トルクの変動つまりトルクリップルを低減することができる。
【0048】
また、このブラシレスモータ11の駆動装置14では、電機子コイルに流れる相電流が所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に変化するように各スイッチング素子の切替えを行うようにしたので、転流時における相電流の変化を穏やかにして、このブラシレスモータ11のトルクリップルを低減することができる。
【0049】
さらに、このブラシレスモータ11の駆動装置14では、転流時には制御電流Iが2相通電もしくは3相通電に対応した値に所定の時間tをかけて一定の割合で徐々に変化するようにスイッチング素子を切り替えるようにしたので、転流時における制御電流Iの変化を穏やかにして、このブラシレスモータ11のトルクリップルを低減することができる。
【0050】
さらに、このブラシレスモータ11の駆動装置14では、ブラシレスモータ11の出力トルクの変動を低減させることができるので、このブラシレスモータ11を車両に設けられた操舵装置の操舵力を補助する電動パワーステアリング装置に用いた場合には、この操舵装置の操作感を向上させることができる。
【0051】
本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、本実施の形態においては、相電流と制御電流Iの両方を所定の時間tの間に所定の割合で徐々に変化させるようにしているが、これに限らず、いずれか一方のみを徐々に変化させるようにしてもよい。
【0052】
また、本実施の形態においては、ブラシレスモータ11は3相4極式となっているが、これに限らず、3相以上の電機子コイルを有するものであれば他の形式のブラシレスモータとしてもよい。
【0053】
さらに、本実施の形態においては、転流時の相電流の変化が一定の割合となるようにしているが、これに限らず、インダクタンスのエネルギによる相電流の増加が生じなければ、所定の割合で変化させるようにしてよい。
【0054】
さらに、本実施の形態においては、このブラシレスモータ11を車両の電動パワーステアリング装置に用いるようにしているが、これに限らず、他の用途に用いてもよい。
【0055】
さらに、本実施の形態においては、ロータ13の回転位置をホール素子HU,HV,HW,HX,HY,HZを用いて検出するようにしているが、これに限らず、例えばレゾルバ等を用いた他の方法により検出するようにしてもよい。
【0056】
さらに、本実施の形態においては、各電機子コイルの通電角は150°に設定されているが、120°を越えて180°未満であればよい。
【0057】
【発明の効果】
本発明によれば、転流時におけるトルク定数の変化を制御することができ、また、制御電流をトルク定数の変化に合わせて制御することができるので、転流時の出力トルクを一定にしてブラシレスモータのトルクリップルを低減することができる。
【0058】
また、本発明によれば、転流時におけるトルク定数の変化が穏やかになるので、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることができる。
【0059】
さらに、本発明によれば、転流時における制御電流の変化が穏やかになるので、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることができる。
【0060】
さらに、本発明によれば、ブラシレスモータのトルクリップルは低減されるので、このブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の操作感を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態であるブラシレスモータの駆動装置の概略を示す回路図である。
【図2】図1に示す駆動装置の出力パターンを示すタイムチャート図である。
【図3】各電機子コイルに対する通電状態と転流パターンを示す説明図である。
【図4】(a)はU相の正極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比の変化を示す特性線図であり、(b)はU相の負極側スイッチング素子に対する駆動信号のデューティー比の変化を示す特性線図である。
【図5】比較例としてスイッチング素子の切替えを急激に行う駆動装置を用いた場合の相電流の変化を示す特性線図である。
【図6】比較例の駆動装置による2相通電から3相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【図7】比較例の駆動装置による3相通電から2相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【図8】図1に示す駆動装置による相電流の変化を示す特性線図である。
【図9】図1に示す駆動装置による2相通電から3相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【図10】図1に示す駆動装置による3相通電から2相通電への転流時における出力トルクの変動を示す特性線図である。
【符号の説明】
11 ブラシレスモータ
12 出力軸
13 ロータ
14 駆動装置
15 インバータ回路
16 制御部
17 電源端子
18 接地端子
21 電流センサ
LU,LV,LW 電機子コイル
P 磁極
HU,HV,HW,HX,HY,HZ ホール素子
PU,PV,PW,PX,PY,PZ 回転位置検出信号
FET・UH,FET・VH,FET・WH 正極側スイッチング素子
FET・UL,FET・VL,FET・WL 負極側スイッチング素子
D フリーホイルダイオード
A,B,C 状態
a,b,c,d 転流パターン
DH 正極側スイッチング素子のデューティー比
DL 負極側スイッチング素子のデューティー比
DO 目標デューティー比
I 制御電流
TK3 3相通電時のトルク定数
TK2 2相通電時のトルク定数
Claims (4)
- ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、
前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、
前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記スイッチング素子の切替えを前記電機子コイルに流れる相電流が所定の割合で徐々に変化するように行い、前記インバータ回路に流れる制御電流を通電相数に応じた値に前記スイッチング素子の切替えに合わせた所定の割合で徐々に変化させる制御手段とを有することを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。 - ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、
前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、
前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記スイッチング素子の切替えを前記電機子コイルに流れる相電流が所定の割合で徐々に変化するように行う制御手段とを有することを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。 - ステータに装着された複数相の電機子コイルとロータに設けられた複数の磁極を備えたブラシレスモータの駆動装置であって、
前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、
それぞれ対応する相の前記電機子コイルに接続される複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路と、
前記回転位置検出手段により検出される前記ロータの回転位置に基づいて転流前後の各相の前記電機子コイルに所定の電気角だけ重複して通電するように前記スイッチング素子を切り替え、前記インバータ回路に流れる制御電流を通電相数に応じた値に所定の割合で徐々に変化させる制御手段とを有することを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のブラシレスモータの駆動装置において、前記ブラシレスモータを車両に設けられた操舵装置の操舵力を補助する駆動源として用いたことを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2003
- 2003-06-30 JP JP2003187790A patent/JP2005027390A/ja active Pending
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