JP2007166687A - モータ装置及びモータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、演算処理装置に含まれるＣＰＵ（ＭＰＵを含む）の演算負担を小さくし、正弦波駆動でトルクリップルを発生させないように、角度検出部を２重系とした故障検出機能を有するモータ装置及びモータ駆動制御装置を提供する。
【解決手段】レゾルバに結合されたブラシレスモータであり、前記レゾルバの軸倍角と前記ブラシレスモータの極対数とを同一とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、検出器としてのレゾルバに結合されたモータ（例えばブラシレスモータ）を含むモータ装置及びその異常や故障の検出機能を有するモータ駆動制御装置に関する。

機械制御における位置若しくは回転角度の検出器としてレゾルバが広く使用され、駆動手段としてのモータにレゾルバが機械的に結合されることが多い。レゾルバは高精度な検出手段として使用され、巻線の断線等の故障、レゾルバ出力信号を処理する処理回路等に異常が生じると、正確な角度（位置）検出ができなくなる。このため、故障や異常等を迅速に検出して対処する必要がある。

特開平９−７２７５８（特許文献１）では、２相レゾルバの出力を同期検波することで得られるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の２乗和の値を、ある条件値と比較することで異常を検出している。即ち、角度検出用信号処理手段とは独立に、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号に基づき角度θを検出する異常検出用信号処理手段と、角度検出用信号処理手段により検出された角度θ及び異常検出用信号処理手段により検出された角度θの間に、角度検出用信号処理手段に異常が生じたと見なし得る差が生じていることを検出する信号処理異常検出手段とを設けている。

また、特開２００３−１６４１８７（特許文献２）では、モータの逆起電圧を用いて回転角度を類推し、異常時におけるサブ角度検出手段としている。即ち、モータの回転角度を検出するレゾルバを有するメイン角度検出手段と、モータの逆起電力に基づきモータの回転角度を推定するサブ角度検出手段とを設け、通常時はメイン角度検出手段でモータの回転角度を検出し、メイン角度検出手段の故障時にはサブ角度検出手段でモータの回転角度を検出するようにしている。
特開平９−７２７５８ 特開２００３−１６４１８７

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置では、条件判断をする毎に２乗和の計算をしなければならず、制御用ＣＰＵの主たる処理でない異常検出に多くの処理時間が必要になってしまうという問題がある。また、特許文献２に記載の装置では、逆起電圧を検出するために、複数相あるアーマチュアコイルの１相に通電させない時間を作る必要があるため、正弦波駆動をさせることができず、モータの最大トルクを発生させることができず、更にはトルクリップルが発生してしまうなどの問題がある。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、演算処理装置に含まれるＣＰＵ（ＭＰＵを含む）の演算負担を小さくし、正弦波駆動でトルクリップルを発生させないように、角度検出部を２重系とした故障検出機能を有するモータ装置及びモータ駆動制御装置を提供することにある。

本発明は、レゾルバに結合されたブラシレスモータのモータ装置に関し、本発明の上記目的は、前記レゾルバの軸倍角と前記ブラシレスモータの極対数とを同一とすることにより達成される。

本発明の上記目的は、前記レゾルバを３相ＶＲ型レゾルバとし、前記ブラシレスモータを３相駆動式とすることにより、より効果的に達成される。

また、本発明はモータ駆動制御装置に関し、本発明の上記目的は、レゾルバに結合されたブラシレスモータの駆動制御回路と、前記ブラシレスモータのモータ電流を計測するための前記駆動制御回路に設けられた電流検出回路と、前記電流検出回路の出力信号を入力して前記駆動制御回路を制御する演算処理回路と、前記演算処理回路からの波形情報に基づいて前記レゾルバに励磁電流を供給する励磁回路とを設け、前記レゾルバの軸倍角と前記ブラシレスモータの極対数とを同一とすると共に、前記演算処理回路が故障・異常検出機能を有していことにより達成される。前記故障・異常検出機能が前記レゾルバの出力信号との比較であることにより、或いは前記レゾルバを３相ＶＲ型レゾルバとし、前記ブラシレスモータを３相駆動式とすることにより、より効果的に達成される。

更に、本発明はモータ駆動制御装置に関し、本発明の上記目的は、レゾルバに結合されたブラシレスモータの駆動制御回路と、前記ブラシレスモータのモータ電流を計測するための前記駆動制御回路に設けられた電流検出回路と、前記レゾルバの出力信号を入力して前記レゾルバのディジタル角度信号を算出するレゾルバディジタル変換器と、前記電流検出回路及びレゾルバの各出力信号並びに前記ディジタル角度信号を入力して前記駆動制御回路を制御する演算処理回路と、前記演算処理回路からの波形情報に基づいて前記レゾルバに励磁電流を供給する励磁回路とを設け、前記レゾルバの軸倍角と前記ブラシレスモータの極対数とを同一とすると共に、前記演算処理回路が故障・異常検出機能を有していことにより達成される。

本発明の上記目的は、前記故障・異常検出機能が前記レゾルバの出力信号との比較であることにより、或いは前記演算処理回路が、前記レゾルバの出力信号と比較することによって前記ブラシレスモータの回転角度を推定することにより、或いは前記推定された回転角度を前記ディジタル角度信号と比較することによって前記故障・異常を検出することにより、或いは前記レゾルバディジタル変換器に故障・異常が発生した時に、前記レゾルバの出力信号の位相情報を基に前記ブラシレスモータのコミュテーション信号を生成することにより、或いは前記レゾルバを３相ＶＲ型レゾルバとし、前記ブラシレスモータを３相駆動式とし、前記レゾルバの３相出力信号を２相に変換する３相／２相変換回路を設けることにより、より効果的に達成される。

本発明の検出器（レゾルバ）に結合されたモータ（例えばブラシレスモータ）で成るモータ装置によれば、レゾルバの軸倍角とモータの極対数が同一となっているので、レゾルバの出力信号位相（同期検波位相）とモータの逆起電圧位相を等しくすることが可能となり、レゾルバの出力信号位相をモータのコミュテーション位相とすることができる。また、演算処理回路がレゾルバの出力信号からモータ粗回転角度を求め、レゾルバ出力を直接ディジタル角度に変換するレゾルバディジタル変換器との２重系を組むことができ、両者を比較することで異常を容易かつ高速度に検出することができる。

本発明では、３相レゾルバと３相ブラシレスモータで、レゾルバの軸倍角とモータの極対数が同一となっているので、モータの逆起電圧とレゾルバの出力信号に線形性を持たせることができる。モータの逆起電圧とレゾルバ出力の位相を合わせることで、レゾルバ出力信号の位相をコミュテーション信号の位相としてモータを制御することができ、ＣＰＵ等を含む演算処理回路でレゾルバの３相出力信号の値を比較することで、レゾルバ及び演算処理回路関連の異常や故障を迅速に検出することができる。

また、レゾルバディジタル変換器を設け、レゾルバの３相出力信号のそれぞれの大小関係を比較することで、例えば３０°ステップのモータ粗回転角度を得ることができ、レゾルバディジタル変換器で算出したモータ精回転角度と比較することで、演算処理回路及びレゾルバディジタル変換器の異常や故障を迅速に検出することができる。

本発明に係るモータ装置のモータは３相ブラシレスモータであり、モータに結合されている検出器は、励磁巻線及び３相の出力巻線を有するステータと、前記ステータに対して回転自在に設けられたロータとを具備するレゾルバであり、レゾルバの軸倍角と３相ブラシレスモータの極対数とが同一となっている。これにより、レゾルバの出力信号位相（同期検波位相）とモータの逆起電圧位相を等しくすることが可能となり、レゾルバの出力信号位相をモータのコミュテーション位相とすることができる。また、レゾルバの出力信号を用いた故障判定、並びにレゾルバの出力信号からモータ粗回転角度を求め、レゾルバディジタル変換器との２重系を組むことができる。モータ粗角度を演算処理回路で推定し、レゾルバディジタル変換器からのディジタル角度と比較することで異常等を検出することができる。

更に、これらの特徴を持ったモータ装置及びモータ駆動制御装置を電動パワーステアリング、電動ブレーキ等に組込むことで、車両等の信頼性を向上させることができる。

以下に本発明の実施例を、図を参照して説明する。

図１は本発明の検出器として使用できるレゾルバ１０の一例（１相励磁３相出力ＶＲ型）を示しており、ステータ１１には１相の励磁巻線１１１及び３相の出力巻線１１２〜１１４が巻線されており、励磁相の励磁巻線１１１で励磁された時のロータ１２の回転位置に対応して、出力巻線１１２〜１１４からＡ相信号、Ｂ相信号及びＣ相信号がそれぞれ出力される。本実施例のレゾルバ１０では、出力巻線１１２〜１１４とロータ１２とのギャップパーミアンスが、ロータ１２の回転角度θによって正弦波状に変化するように出力巻線１１２〜１１４が配置されているため、励磁巻線１１１による出力巻線１１２〜１１４への誘導電圧ｓｉｎωｔが回転角関数ｓｉｎθでＡＭ変調される。このＡＭ変調された出力信号ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθを励磁電流のｓｉｎωｔで同期検波することで、ロータ１２の回転角度θの関数であるｓｉｎθを得ることができる。

本例では、３相出力巻線１１２〜１１４は、その出力信号の位相が１２０°毎ずれるように配置されているため、結局出力巻線１１２〜１１４からはｓｉｎθ、ｓｉｎ(θ-120°)ｓｉｎ(θ+120°)の１２０°ずれた３つの信号（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）が出力される。これらの関係を図で示すと図２（Ａ）〜（Ｊ）のようになる。即ち、図２の横軸は回転角度θであり、図２（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれＡ〜Ｃ相の元信号波形であり、図２（Ｄ）〜（Ｆ）はそれぞれ励磁信号（キャリア）付きのＡ〜Ｃ相信号波形である。図２（Ｄ）〜（Ｆ）の信号波形を励磁信号の所定位相で同期検波すると、それぞれ図２（Ｇ）〜（Ｉ）のような検波信号が得られる。その結果、図（Ｊ）に示すような回転角度θを関数とするｓｉｎθ、ｓｉｎ(θ-120°)、ｓｉｎ(θ+120°)の１２０°づつずれた３相信号が得られる。

上述のような３相レゾルバ１０を３相ブラシレスモータ２０と組合わせて機械的に結合し、レゾルバ１０のＡ相（又はＢ相、Ｃ相）の出力信号の位相（励磁信号の所定位相で同期検波した位相）と、ブラシレスモータ２０のＵ相（又はＶ相、Ｗ相）からの逆起電圧の位相とが一致するように、レゾルバ１０及びブラシレスモータ２０の各ロータ及びステータを固定することで、レゾルバ１０の出力信号から回転角度を求めずにコミュテーション信号を作るようにすれば、レゾルバディジタル変換器を用いないでブラシレスモータ２０を駆動することができる。

かかるモータ駆動制御装置の例を図３に示す。３相ブラシレスモータ２０は６個のトランジスタのブリッジ構成の駆動回路２１で駆動され、駆動回路２１には各トランジスタをＯＮ／ＯＦＦ制御するゲート駆動回路２２が接続されている。駆動回路２１には、バッテリ２３から電力が供給されている。駆動回路２１からブラシレスモータ２０への電流は電流検出回路２４で検出され、検出されたモータ電流ｉはＣＰＵ等で成る演算処理回路３０に入力される。また、３相レゾルバ１０は、演算処理回路３０からの波形情報に基づいて励磁電流を生成して励磁電流を供給する励磁回路１３で励磁されると共に、３相出力信号ｓｉｎθ、ｓｉｎ(θ-120°)、ｓｉｎ(θ+120°)が演算処理回路３０に入力され、励磁信号の所定位相で同期検波される。３相レゾルバ１０の軸倍角と３相ブラシレスモータ２０の極対数とは同一となっているので、ブラシレスモータ２０の逆起電圧波形とレゾルバ１０の出力信号の同期検波波形は等しくなる。

このような構成において、３相ブラシレスモータ２０は、演算処理回路３０からの制御指令ＣＳに基づくゲート制御回路２２の駆動回路２１に対する駆動制御によって回転駆動され、この回転により機械的に結合された３相レゾルバ１０も回転し、その回転角度θに応じて上述した３相信号を出力する。駆動回路２１による３相ブラシレスモータ２０のモータ電流ｉは電流検出回路２４で検出されて演算処理回路３０に入力され、３相レゾルバ１０からの３相出力信号は演算処理回路３０に入力されて同期検波される。演算処理回路３０は、入力されたモータ電流ｉ、レゾルバ出力信号等に基づいて制御指令ＣＳを演算出力する。

演算処理装置３０は上記制御指令ＣＳの演算と共に、レゾルバ１０や演算処理装置３０に含まれるＣＰＵ等の異常や故障を検出するようになっており、以下にその手法を説明する。

図４は本発明に係るモータ装置のブラシレスモータ２０の駆動電圧信号（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の位相関係を示しており、図５はモータ回転角度θ（横軸）とモータ粗角度（３０°ステップ）の関係を示している。また、図６はモータ回転角度θ（横軸）と検出誤差（誤差信号ε）との関係を示している。本例では、ステップの判定角度は取り得る範囲の中間の角度（例えば０°〜３０°ならば１５°）としており、この場合のモータ回転角度θと駆動電圧信号ＵＶＷ相の関係は、下記表１のようになっている。

表１にはレゾルバ出力信号の取り得る全ての関係が含まれているため、表１以外（例えば全てが０）の場合は、レゾルバ１０若しくは演算処理装置３０関連の異常若しくは故障と判断できる。つまり、演算処理装置３０は表１の関係から、表１以外のモータ位相と回転角度θの関係が生じた場合には、レゾルバ１０若しくは演算処理装置３０関連の異常若しくは故障と判断して、異常信号等を出力する。なお、本例ではステップ角度を３０°としているが、角度は任意である。

演算処理装置３０は、レゾルバ１０の出力信号との比較によって故障・異常を検出すると共に、レゾルバ１０の出力信号と比較することによってブラシレスモータ２０の回転角度を推定することも可能である。

次に、レゾルバ１０の出力信号から直接ディジタル角度信号を生成するレゾルバディジタル変換器を用いた場合の駆動制御装置を、図３に対応させて図７に示して説明する。本例では、３相レゾルバ出力信号が３相／２相変換回路３２に入力され、２相に変換された信号がレゾルバディジタル変換器３１に入力され、励磁信号の所定位相で同期検波される。

演算処理回路３０ではレゾルバ１０からの３相信号で、レゾルバ１０及び演算処理回路３０関連の故障判定を行い、更にモータ２０の回転角度θとの誤差が±１５°以内にモータ粗角度を推定し、レゾルバ１０からの精角度と比較することで、レゾルバディジタル変換器３１及び演算処理回路３０関連の故障判断を行う。レゾルバディジタル変換器３１及び演算処理回路３０関連のいずれかが故障と判断された場合には、故障の状態に応じた制御法に変更する。例えばレゾルバディジタル変換器３１のみの故障であれば、レゾルバ１０からの３相信号の位相をコミュテーション信号の位相としてモータ２０を駆動する方法も考えられる。

演算処理回路３０は、レゾルバ１０の出力信号と比較することによってブラシレスモータ２０の回転角度を推定することができ、この推定した回転角度をレゾルバディジタル変換器３１からのディジタル角度信号と比較することによって故障・異常を検出することができる。また、レゾルバディジタル変換器３１に故障・異常が発生した場合、レゾルバ１０の出力信号の位相情報を基にブラシレスモータ２０のコミュテーション信号を生成する。

なお、上述の実施例では３相のレゾルバを例に挙げているが、２相出力や他の相でも同様に適用可能である。また、駆動回路２１のスイッチング素子としてバイポーラトランジスタを例に挙げて説明しているが、ブラシレスモータの仕様に応じてＦＥＴ等のモノ（ユニ）ポーラトランジスタを使用しても良いことは言うまでもない。

本発明のモータ装置によれば、レゾルバの出力信号位相とモータの逆起電圧位相を等しくすることが可能となり、レゾルバの出力信号位相をモータのコミュテーション位相とすることができ、レゾルバの出力信号を用いた故障判定、並びにレゾルバの出力信号からモータ粗回転角度を求め、レゾルバディジタル変換器との２重系を組むことができる。これらの特徴を持ったモータ装置及びモータ駆動制御装置を電動パワーステアリング、電動ブレーキ等に組込むことで、車両や制動機構の信頼性を一層向上させることができる。

本発明の検出器として使用できるレゾルバの一例を示す結線構造図である。 レゾルバの回転位置に対する出力信号の一例を示す波形図である。 本発明に係るモータ駆動制御装置の一例を示すブロック図である。 本発明に係るモータ装置のモータ駆動電圧信号の一例を示す波形図である。 本発明に係るモータ装置のモータ回転角度に対するモータ粗角度の一例を示す特性図である。 本発明に係るモータ装置のモータ回転角度に対する検出誤差の一例を示す特性図である。 モータ駆動制御装置の他の例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ ３相レゾルバ
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ 励磁回路
２０ ３相ブラシレスモータ
２１ 駆動回路
２２ ゲート駆動回路
２３ バッテリ
２４ 電流検出回路
３０ 演算処理回路
３１ レゾルバディジタル変換器
３２ ３相／２相変換回路
１１１ 励磁巻線
１１２〜１１４ 出力巻線

Claims (11)

1. レゾルバに結合されたブラシレスモータであり、前記レゾルバの軸倍角と前記ブラシレスモータの極対数とが同一であることを特徴とするモータ装置。
2. 前記レゾルバが３相ＶＲ型レゾルバであり、前記ブラシレスモータが３相駆動式である請求項１に記載のモータ装置。
3. レゾルバに結合されたブラシレスモータの駆動制御回路と、前記ブラシレスモータのモータ電流を計測するための前記駆動制御回路に設けられた電流検出回路と、前記電流検出回路の出力信号及び前記レゾルバの出力信号を入力して前記駆動制御回路を制御する演算処理回路と、前記演算処理回路からの波形情報に基づいて前記レゾルバに励磁電流を供給する励磁回路とを具備し、前記レゾルバの軸倍角と前記ブラシレスモータの極対数とが同一であり、前記演算処理回路が故障・異常検出機能を有していることを特徴とするモータ駆動制御装置。
4. 前記故障・異常検出機能が前記レゾルバの出力信号との比較である請求項３に記載のモータ駆動制御装置。
5. 前記レゾルバが３相ＶＲ型レゾルバであり、前記ブラシレスモータが３相駆動式である請求項３又は４に記載のモータ駆動制御装置。
6. レゾルバに結合されたブラシレスモータの駆動制御回路と、前記ブラシレスモータのモータ電流を計測するための前記駆動制御回路に設けられた電流検出回路と、前記レゾルバの出力信号を入力して前記レゾルバのディジタル角度信号を算出するレゾルバディジタル変換器と、前記電流検出回路及び前記レゾルバの各出力信号並びに前記ディジタル角度信号を入力して前記駆動制御回路を制御する演算処理回路と、前記演算処理回路からの波形情報に基づいて前記レゾルバに励磁電流を供給する励磁回路とを具備し、前記レゾルバの軸倍角と前記ブラシレスモータの極対数とが同一であり、前記演算処理回路が故障・異常検出機能を有していることを特徴とするモータ駆動制御装置。
7. 前記故障・異常検出機能が前記レゾルバの出力信号との比較である請求項６に記載のモータ駆動制御装置。
8. 前記演算処理回路が、前記レゾルバの出力信号と比較することによって前記ブラシレスモータの回転角度を推定するようになっている請求項６に記載のモータ駆動制御装置。
9. 前記推定された回転角度を前記ディジタル角度信号と比較することによって前記故障・異常を検出するようになっている請求項８に記載のモータ駆動制御装置。
10. 前記レゾルバディジタル変換器に故障・異常が発生した時に、前記レゾルバの出力信号の位相情報を基に前記ブラシレスモータのコミュテーション信号を生成するようになっている請求項６乃至９のいずれかに記載のモータ駆動制御装置。
11. 前記レゾルバが３相ＶＲ型レゾルバであり、前記ブラシレスモータが３相駆動式であり、前記レゾルバの３相出力信号を２相に変換する３相／２相変換回路を設けている請求項６乃至１０のいずれかに記載のモータ駆動制御装置。

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