JP2006180593A - ブラシレスモータの制御装置 - Google Patents

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Takeshi Ueda
武史 上田
茂樹 長瀬
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    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/34Modelling or simulation for control purposes

Abstract

【課題】ロータの回転位置と目標電流とコイルに流れる実電流に応じてコイルへの印加電圧を更新してモータ電流を制御する際の異音の発生を防止できるブラシレスモータの制御装置を提供する。
【解決手段】コイルの発生磁界の変化によりロータの回転力を発生させるため、ロータの回転位置と目標電流とコイルに流れる実電流に応じて演算したコイルへの印加電圧に応じてコイルへの印加電圧を更新する。その印加電圧の更新周期が、ロータの回転位置に応じた印加電圧の演算周期よりも短くされている。
【選択図】図5

Description

本発明は、ロータの回転位置と目標電流とモータコイルに流れる実電流に応じてモータ電流を制御するブラシレスモータの制御装置に関する。

例えば、電動パワーステアリング装置における操舵補助力発生用ブラシレスモータの制御装置は、検出した操舵条件に応じて目標電流を演算する目標電流演算部と、ロータの回転位置を検出する回転位置検出部と、磁界発生用コイルを流れる実電流を検出する電流検出部と、演算した目標電流と検出した回転位置と検出した実電流に応じて、コイルへの印加電圧を設定された周期で演算する印加電圧演算部と、印加電圧演算部の演算結果に応じてコイルへの印加電圧を更新する駆動回路とを備えている。このようなブラシレスモータの制御装置において、操舵条件の検出から目標電流を演算して再度操舵条件が検出されるまでの演算周期を短くすることで、操舵条件の入力から目標電流の出力までの時間間隔を短くし、振動を低減することが図られている(特許文献1参照)。
特開昭64−28072号公報

上記のような制御装置においては、目標電流の演算ループとは別にコイルへの印加電圧の演算ループを設け、操舵条件の入力から目標電流の出力までの時間間隔よりもコイルへの印加電圧の演算周期を短くすることで、モータ電流の制御を精度良く行うことが図られている。しかし、コイルへの印加電圧の演算周期は、演算時間だけでなくロータの回転位置や実電流の検出時間等によっても制限されるため短縮には限界があるため、その印加電圧の演算周期は200μsec程度に設定されている。そのようなロータの回転位置に応じた印加電圧の演算周期の短縮が制限されると、その演算周期でモータ電流が変化することから、その周期の逆数の周波数近辺に騒音ピークを有する異音が発生するという問題があった。特に、ロータが高速回転する場合は印加電圧の演算周期での電流変化が大きくなり問題が顕著になる。本発明は、このような問題を解決することのできるブラシレスモータの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、コイルの発生磁界の変化によりロータの回転力を発生させるため、前記ロータの回転位置と目標電流と前記コイルに流れる実電流に応じて演算した前記コイルへの印加電圧に応じて前記コイルへの印加電圧を更新するブラシレスモータの制御装置において、前記印加電圧の更新周期が、前記印加電圧の演算周期よりも短くされていることを特徴とする。
従来においては、コイルへの印加電圧の更新周期は印加電圧の演算周期と等しくされていた。
これに対し本発明によれば、コイルへの印加電圧の演算ループとは別にコイルへの印加電圧の決定ループを設け、印加電圧の演算周期よりもコイルへの印加電圧の更新周期が短くされるので、印加電圧の更新周期でのコイルを流れる電流の変化量を従来よりも小さくし、その更新周波数での音を低減できる。さらに、その印加電圧の更新周期を50μsec以下とすることで、その周期の逆数は人の一般的可聴範囲の最大周波数(20kHz)以上となるので、印加電圧の更新による異音を大幅に低減することができる。

本発明においては、目標電流を演算する目標電流演算部と、前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出部と、前記コイルの実電流を検出する電流検出部と、演算した目標電流と検出した回転位置と検出した実電流に応じて、前記コイルへの印加電圧を設定された周期で演算する印加電圧演算部と、最新の演算した印加電圧と、それ以前に演算した印加電圧と、設定した印加電圧更新周期とに応じて、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧更新周期毎のコイルへの印加電圧を決定する電圧決定部と、決定された印加電圧と印加電圧更新周期に従い、前記コイルの印加電圧を更新する印加電圧更新部とを備えるのが好ましい。これにより、次に印加電圧を演算するまでのコイルへの印加電圧を、ロータの回転位置と目標電流とコイルに流れる実電流に応じた理想値から大きくずれることなく推定し、コイルへの印加電圧を段階的に変化させることができる。
例えば印加電圧決定部は、最新の演算した印加電圧と、それ以前に演算した印加電圧と、次に印加電圧を演算するまでの前記コイルへの印加電圧と設定した印加電圧更新周期との関係を記憶すると共に、その記憶した関係と演算した印加電圧とから、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧更新周期毎の印加電圧を決定する。コイルへの印加電圧の更新はPWM制御信号のデューティ比の更新により行い、そのPWM制御信号の信号周期を印加電圧の更新周期に対応させるのが好ましい。これにより、PWM制御を利用して容易に本発明を実施することができる。

さらに、本発明においては、最新の演算した印加電圧と、最新より一つ前に演算した印加電圧と、設定した印加電圧更新周期とに応じて、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧更新周期毎のコイルへの印加電圧を決定するのが好ましい。これにより演算負荷を低減することができる。

本発明のブラシレスモータの制御装置によれば、コイルへの印加電圧を更新してモータ電流を制御する際の異音の発生を防止できる。

図1に示す車両のラックピニオン式電動パワーステアリング装置1は、操舵により回転するステアリングシャフト3と、ステアリングシャフト3に設けられるピニオン3aと、ピニオン3aに噛み合うラック4とを備える。ラック4の両端が操舵用車輪(図示省略)に連結される。ピニオン3aが操舵により回転することで、ラック4が車両幅方向に沿う長手方向に移動し、このラック4の移動により舵角が変化する。ステアリングシャフト3により伝達される操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するため、操舵トルクを検出するトルクセンサ7と、検出操舵トルクに応じて駆動される三相交流ブラシレスモータ12と、モータ12の回転力をラック4に伝達するためのネジ機構10が設けられている。

モータ12は、ラック4を覆うハウジング8に固定されるU、V、W各相のコイルを含むステータ12aと、ハウジング8にベアリング8a、8bを介して回転可能に支持される筒状ロータ12bと、ロータ12bに取り付けられるマグネット12cと、ロータ12bの回転位置を検出する回転位置検出部を構成するエンコーダ等の回転位置センサ35(図2参照)とを有し、ロータ12bによってラック4を囲む。ネジ機構10は、ラック4の外周に一体的に形成されたボールスクリューシャフト10aと、ボールスクリューシャフト10aにボールを介してねじ合わされるボールナット10bとを有し、ボールナット10bがモータ12のロータ12bに連結されている。これにより、ボールナット10bをモータ12により回転駆動し、ボールナット10bの回転によりラック4の長手方向に沿う操舵補助力を発生する。

図2に示すように、トルクセンサ7およびモータ12が制御装置40に接続される。制御装置40は、モータ駆動回路41、電流検出部42、および信号処理装置43を備え、モータ12のU、V、W各相のコイルの発生磁界の変化によりロータ12bの回転力を発生させるため、ロータ12bの回転位置に応じて演算したU、V、W各相のコイルへの印加電圧に応じて、U、V、W各相のコイルへの印加電圧を更新する。

モータ駆動回路41は、U、V、W各相のコイルへの電力供給用スイッチング素子として、各相2個ずつ、合計6個のFET41u1、41u2、41v1、41v2、41w1、41w2を有する。各FET41u1〜41w2が信号処理装置43から出力されるPWM制御信号により開閉制御されることで、U、V、W各相のコイルへの印加電圧が更新され、各コイルに流れる電流が制御される。

電流検出部42は、U、V、W各相のコイルに流れる実電流を検出する3個の電流検出器44u、44v、44w、および各電流検出器44u〜44wの出力をAD変換して信号処理装置43に送る3個のAD変換器49u、49v、49wを備えている。

信号処理装置43は、例えばマイクロコンピュータにより構成でき、トルクセンサ7および電流検出部42の出力に基づいて、各FET41u1、〜41w2を制御する。そのため、信号処理装置43は、目標電流演算部51と、三相分相処理部52と、U、V、W各相のコイルに対応する偏差演算部53u、53v、53w、電圧演算部54u、54v、54w、電圧決定部55u、55v、55w、およびPWM駆動部56u、56v、56wを有する。

目標電流演算部51は、操舵トルクに応じた操舵補助力が発生するように、トルクセンサ7により検知される操舵トルクに対応するモータ12の目標電流を演算する。この目標電流の演算周期は従来と同様に設定でき、例えば1msecとされる。

三相分相処理部52は、目標電流演算部51により演算された目標電流と、回転位置センサ35により検出されたロータ12bの回転位置とに基づき、U、V、W各相のコイルを流れる目標電流成分を演算する。偏差演算部53u、53v、53wは、三相分相処理部52により演算されるU、V、W各相のコイルの目標電流成分iua、iva、iwaと、電流検出部42により検出されるU、V、W各相のコイルの実電流iub、ivb、iwbの偏差(iua−iub)、(iva−ivb)、(iwa−iwb)を演算する。各電圧演算部54u、54v、54wは、偏差演算部53u、53v、53wにより演算された偏差(iua−iub)、(iva−ivb)、(iwa−iwb)に対応するU、V、W各相のコイルへの印加電圧を設定された周期で演算する。すなわち、三相分相処理部52、偏差演算部53u、53v、53w、および電圧演算部54u、54v、54wにより、演算した目標電流と検出したロータ12bの回転位置と検出したU、V、W各相のコイルの実電流iub、ivb、iwbに応じて、U、V、W各相のコイルへの印加電圧を設定された周期で演算する印加電圧演算部が構成される。この印加電圧の演算周期は従来と同様に設定でき、本実施形態では200μsecとされる。演算された印加電圧に対応する信号が電圧決定部55u、55v、55wに出力される。

各電圧決定部55u、55v、55wは、印加電圧演算部でのU、V、W各相のコイルへの最新の演算した印加電圧と、それ以前に演算した印加電圧と、設定した印加電圧更新周期とに応じて、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧更新周期毎のU、V、W各相のコイルへの印加電圧を決定する。本実施形態の各電圧決定部55u、55v、55wは、印加電圧演算部でのU、V、W各相のコイルへの最新の演算した印加電圧と、それ以前に演算した印加電圧と、次に印加電圧を演算するまでのU、V、W各相のコイルへの印加電圧と設定した印加電圧更新周期との予め定められた関係を演算式あるいはテーブルとして記憶し、その記憶した関係と演算した印加電圧とから、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧更新周期毎のU、V、W各相のコイルへの印加電圧を決定する。

本実施形態の各電圧決定部55u、55v、55wは、印加電圧演算部での最新の演算した印加電圧En と最新より一つ前に演算した印加電圧En-1 との電圧偏差(En −En-1 ) を求め、その電圧偏差(En −En-1 ) が次に演算する印加電圧と最新の演算した印加電圧との電圧偏差に対応するものとして、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧を設定された印加電圧更新周期毎に段階的に変化するように決定する。その印加電圧更新周期は印加電圧演算部での印加電圧の演算周期よりも短ければよく、50μsec以下とするのが好ましい。本実施形態では、印加電圧の演算周期における印加電圧の段階的変化回数を4回とし、印加電圧演算部での印加電圧の演算周期200μsecを、その段階的変化回数で除した50μsecが印加電圧更新周期とされ、50μsec毎に印加電圧が変化するものとされる。次に印加電圧を演算するまでのコイルへの印加電圧の各更新周期毎の値Eは、各演算周期それぞれにおける更新回数をk(初期値=0)として、本実施形態においては、E=En +k(En −En-1 ) /4により決定される。

図3は、U、V、W各相のコイルへの印加電圧と時間との関係の一例を示し、最新の演算した印加電圧を零、最新より一つ前に演算した印加電圧を−0.36vであるとしている。この場合、次に印加電圧を演算する200μsec後までの0μsec、50μsec、100μsec、150μsec経過時点のコイルへの印加電圧は、それぞれ0v、0.09v、0.18v、0.27vとされる。さらに、制御開始から200μsec経過時における演算した印加電圧が0.36vであれば、制御開始から200μsec、250μsec、300μsec、350μsec経過時点のコイルへの印加電圧は、それぞれ0.36v、0.45v、0.54v、0.63vとされる。この場合において、制御開始から400μsec経過時における演算した印加電圧が例えば0.67vであれば、350μsec経過時から400μsec経過時までの印加電圧の変化量は、350μsec経過時点までの50μsec毎の変化量よりも少なくなるが、従来の200μsec毎の印加電圧の変化量に比べれば小さくなる。

各電圧決定部55u、55v、55wにおいて決定される印加電圧はPWM制御信号のデューティ比として求められ、印加電圧更新周期はPWM制御信号の信号周期に対応するものとされる。図4に示すように、本実施形態のPWM制御信号Pの信号周期は50μsecとされ、50μsec毎にPWM制御信号Pのデューティ比が決定される。

なお、最新より一つ前に演算した印加電圧だけでなくそれより以前に演算した印加電圧と、最新の演算した印加電圧と、設定した印加電圧更新周期とに応じて、次に印加電圧を演算するまでのコイルへの印加電圧を決定してもよい。例えば、最新より二つ前に演算した印加電圧En-2 を用いて、電圧偏差の変化率α=(En −En-1 ) /(En-1 −En-2 ) を求め、E=En +kα(En −En-1 ) /4により次に印加電圧を演算するまでのコイルへの印加電圧を決定してもよい。

各PWM駆動部56u、56v、56wは、各電圧決定部55u、55v、55wからの出力値に応じたデューティ比のPWM制御信号を生成してモータ駆動回路41に出力する。モータ駆動回路41において、各FET41u1、41u2、41v1、41v2、41w1、41w2がPWM制御信号により駆動されることで、バッテリーEからモータ12のU、V、W各相のコイルに流れる電流が目標電流成分iua、iva、iwaになるように、U、V、W各相のコイルへの印加電圧が更新される。これにより各PWM駆動部56u、56v、56wとモータ駆動回路41とで印加電圧更新部を構成し、U、V、W各相のコイルへの印加電圧が、各電圧決定部55u、55v、55wにより決定された印加電圧と印加電圧更新周期に従い更新される。このU、V、W各相のコイルへの印加電圧の更新はPWM制御信号のデューティ比の更新によりなされ、PWM制御信号の信号周期が印加電圧の更新周期に対応する。すなわち、印加電圧の更新周期は50μsecとされ、ロータ12bの回転位置に応じた印加電圧の演算周期200μsecより短くされている。

図5のフローチャートは、上記制御装置40によるブラシレスモータ12の制御手順を示す。
まず、車両のイグニッションスイッチのオン等により制御が開始されると初期設定を行う(ステップS1)。この初期設定により、三相分相処理部52から出力されるU、V、W各相のコイルの目標電流の初期値が零に設定され、また、制御開始時点より一つ前に演算したとみなされる印加電圧の初期値も零に設定される。次に、制御系の異常の有無を判定するため初期診断(ステップS2)を行う。この初期診断は従来公知のものとすることができ、診断結果は適当な表示装置(図示省略)に表示される。次に、モータ12に電力を供給するためのバッテリーEを制御装置40にリレースイッチ(図示省略)を介して接続する(ステップS3)。次に、トルクセンサ7により操舵トルクを検出し(ステップS4)、検出された操舵トルクに基づき目標電流を演算する(ステップS5)。次に、演算した目標電流と、回転位置センサ35により検出したロータ12bの回転位置と、電流検出部42により検出したU、V、W各相のコイルを流れる実電流から、各相のコイルの印加電圧を演算する(ステップS6)。次に、最新の演算した印加電圧と最新より一つ前に演算した印加電圧とから、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧に対応するPWM制御信号のデューティ比を演算し、U、V、W各相のコイルの印加電圧をPWM制御信号の信号周期(50μsec)で更新する(ステップS7)。次に、印加電圧の演算周期(200μsec)に対応する回数(4回)だけ印加電圧を更新したか否か判断し(ステップS8)、更新していなければステップS7に戻り、更新していれば目標電流の演算周期(1msec)に対応する回数(5回)だけ印加電圧を演算したか否か判断し(ステップS9)、演算していなければステップS5に戻り、演算していれば制御を終了するか否かを例えばイグニッションスイッチのオン・オフにより判断し(ステップS10)、終了しない場合はステップS4に戻る。

上記実施形態によれば、ブラシレスモータ12のコイルへの印加電圧の演算ループとは別にコイルへの印加電圧の決定ループを設け、印加電圧の演算周期よりもコイルへの印加電圧の更新周期が短くされるので、印加電圧の更新周期でのコイルを流れる電流の変化量は従来よりも小さくなり、その更新周波数での音を低減できる。また、最新の演算した印加電圧と、それ以前に演算した印加電圧と、設定した印加電圧更新周期とに応じて、次に印加電圧を演算するまでのコイルへの印加電圧と印加電圧更新周期を決定することで、次に印加電圧を演算するまでのコイルへの印加電圧を、ロータ12bの回転位置と目標電流とコイルを流れる実電流に応じた図3において破線で示すような理想値から大きくずれることなく推定し、ロータ12bの回転位置に応じてコイルへの印加電圧を段階的に変化させることができる。この際、最新の演算した印加電圧と最新より一つ前に演算した印加電圧との電圧偏差が、次に演算する印加電圧と最新の演算した印加電圧との電圧偏差に対応するものとして、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧が印加電圧更新周期毎に段階的に変化するように決定することで演算負荷を低減できる。さらに、その印加電圧の更新周期を50μsec以下とすることで、その周期の逆数は人の一般的可聴範囲の最大周波数(20kHz)以上となるので、印加電圧の更新による異音を大幅に低減することができる。

図6Aは上記実施形態におけるブラシレスモータ12のU、V、W各相のコイルへの印加電圧の更新周期を演算周期200μsecの1/4とした場合の印加電圧と時間との関係の一例を示し、図6Bは、その実施形態に係るブラシレスモータ12が発生する騒音レベルと周波数との関係を示す。図7Aは、ブラシレスモータのU、V、W各相のコイルへの印加電圧の更新周期を印加電圧の演算周期と等しくする以外は図6Aと同条件で測定した従来例に係る印加電圧と時間との関係を示し、図7Bは、その従来例に係るブラシレスモータが発生する騒音レベルと周波数との関係を示す。周波数4500Hz〜5500Hzの騒音レベルのピークは、上記実施形態では14dB(A)であったのに対し、従来例では37dB(A)であり、周波数4500Hz〜5500Hzの騒音レベルのオーバーオール値は、上記実施形態では19dB(A)であったのに対し、従来例では39dB(A)であり、周波数0Hz〜20000Hzの騒音レベルのオーバーオール値は、上記実施形態では36dB(A)であったのに対し、従来例では41dB(A)であり、本発明の実施形態によれば印加電圧の更新に基づく異音発生を低減できることを確認できた。なお、周波数20000Hzの騒音レベルのピークは、上記実施形態では32dB(A)であったのに対し、従来例では31dB(A)であり、殆ど差がないことも確認できた。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、目標電流を検知された操舵トルクだけでなく車速センサにより検知される車速にも対応するものとしてもよく、また、操舵トルクに代えて舵角センサにより検知される舵角に対応するものとしてもよい。本発明が適用されるブラシレスモータは操舵補助力発生用に限定されない。さらに、ブラシレスモータは三相に限定されない。印加電圧の更新周期は、印加電圧の演算周期よりも短かければ特に限定されないが50μsec以下とするのが好ましい。また、目標電流の偏差演算部においてdq変換を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の部分破断図 本発明の実施形態に係るブラシレスモータの制御装置の構成説明図 本発明の実施形態に係るブラシレスモータにおけるコイルへの印加電圧と時間との関係の説明図 本発明の実施形態に係るPWM制御信号の周期を示す図 本発明の実施形態に係るブラシレスモータの制御装置による制御手順を示すフローチャート 本発明の実施形態に係るブラシレスモータにおけるコイルへの印加電圧と時間との関係を示す図 本発明の実施形態に係るブラシレスモータが発生する騒音レベルと周波数との関係を示す図 従来例に係るブラシレスモータにおけるコイルへの印加電圧と時間との関係を示す図 従来例に係るブラシレスモータが発生する騒音レベルと周波数との関係を示す図

符号の説明

12 ブラシレスモータ
12b ロータ
35 回転位置センサ(回転位置検出部)
40 制御装置
41 モータ駆動回路(印加電圧更新部)
42 電流検出部
51 目標電流演算部
52 三相分相処理部(印加電圧演算部)
53u、53v、53w 偏差演算部(印加電圧演算部)
54u、54v、54w 電圧演算部(印加電圧演算部)
55u、55v、55w 電圧決定部
56u、56v、56w PWM駆動部(印加電圧更新部)

Claims (4)

  1. コイルの発生磁界の変化によりロータの回転力を発生させるため、前記ロータの回転位置と目標電流と前記コイルに流れる実電流に応じて演算した前記コイルへの印加電圧に応じて前記コイルへの印加電圧を更新するブラシレスモータの制御装置において、
    前記印加電圧の更新周期が、前記印加電圧の演算周期よりも短くされていることを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
  2. 目標電流を演算する目標電流演算部と、
    前記ロータの回転位置を検出する回転位置検出部と、
    前記コイルの実電流を検出する電流検出部と、
    演算した目標電流と検出した回転位置と検出した実電流に応じて、前記コイルへの印加電圧を設定された周期で演算する印加電圧演算部と、
    最新の演算した印加電圧と、それ以前に演算した印加電圧と、設定した印加電圧更新周期とに応じて、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧更新周期毎のコイルへの印加電圧を決定する電圧決定部と、
    決定された印加電圧と印加電圧更新周期に従い、前記コイルの印加電圧を更新する印加電圧更新部とを備える請求項1に記載のブラシレスモータの制御装置。
  3. 最新の演算した印加電圧と、最新より一つ前に演算した印加電圧と、設定した印加電圧更新周期とに応じて、次に印加電圧を演算するまでの印加電圧更新周期毎のコイルへの印加電圧を決定する請求項2に記載のブラシレスモータの制御装置。
  4. 前記印加電圧の更新周期が50μsec以下とされている請求項1〜3の中の何れかに記載のブラシレスモータの制御装置。
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