JP2008109744A - ブラシ付モータのための制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシ付モータＭにおいて、昇圧回路を用いることなく、高回転で高トルクの運転を実現すること。
【解決手段】ブラシ変位機構を含むブラシ付モータのための制御装置であって、ブラシ付モータＭのロータ軸１５の回転速度を検出するための回転速度センサ１６を有する。回転速度センサ１６の出力信号は、コントローラ１０へ与えられる。コントローラ１０は、回転速度センサ１６により検出されたモータＭのロータ軸１５の回転速度に応じて、モータＭのブラシの位置を調整する。
【効果】ブラシの位置を変化させることで、モータＭのトルク定数を変化させ、昇圧回路を用いることなく、高回転領域での高トルクが得られる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ブラシ付モータのための制御装置に関し、特に、電動パワーステアリング装置に適用することのできるブラシ付モータのための制御装置に関する。

自動車用の電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイールを回転させる際の操舵補助力を発生するモータが備えられている。このモータには、たとえばブラシ付モータを採用できるが、ブラシ付モータを決められた電源電圧（バッテリー電圧）のもとで、高回転・高トルク運転するには、昇圧回路の組み込みが必要である。
図９Ａは、従来の電動パワーステアリング装置におけるブラシ付モータ５０の制御回路構成の一例を示すブロック図である。電動パワーステアリング装置では、直流電源（バッテリー）５１の電圧が昇圧回路５２に与えられて所定の高電圧にされ、その高電圧が駆動電圧として、ＥＣＵ５３を介してブラシ付モータ５０へ与えられる。このように、昇圧回路５２を採用すると、図９Ｂに示すように、ブラシ付モータ５０の駆動特性を向上させることができる。

ところが、上記従来の回路は、昇圧回路５２を用いることで、システムのコストが上昇するという課題がある。また、昇圧回路５２の内部抵抗のため、システム全体としての駆動効率の低下が否めない。
ところで、ブラシ付モータにおいて、界磁を可動可能に保持し、電機子の回転の反作用に抗するトルクを作用させることによって、界磁の位置を変化させ、それによってブラシの電気角を変化させて、交流電源印加時の突入電流を抑制する技術が、特許文献１の［００２１］等に開示されている。
特許第３６９３８４５号公報

この発明は、ブラシ付モータにおいて、昇圧回路を用いることなく、高回転で高トルクの運転を実現することが、解決課題である。
この発明は、特許文献１に記載されているようなブラシの位置を変位できる構成を具備するブラシ付モータのための適切な制御を実現することが、他の解決課題である。
この発明の主たる目的は、ブラシ付モータに要求される出力に応じて、ブラシの位置を調整して出力範囲を変更できるようにしたブラシ付モータのための制御装置を提供することである。

請求項１記載の発明は、整流子を含むロータと、ロータの整流子に摺接するブラシと、ロータの回転方向に対するブラシの角度位置を変更するためのブラシ変位機構とを含むブラシ付モータのための制御装置であって、前記ロータ（１５、３１）の回転速度を検出するための回転速度検出手段（１６）と、前記回転速度検出手段（１６）によって検出された回転速度に応じて、前記ブラシ変位機構を操作して前記ブラシの角度位置を所定の位置にするブラシ位置調整手段（１０、４２）と、を含むことを特徴とするブラシ付モータのための制御装置である。

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の参照符号を表わす。以下、この項において同じ。
上記の構成によれば、モータＭのロータ（１５、３１）の回転速度は、回転速度検出手段（１６）によって検出される。そして、検出された回転速度に応じて、ブラシ位置制御手段（１０、４２）によって、ブラシ付モータ（Ｍ）のブラシ位置が所定の位置にされる。これにより、ブラシ付モータ（Ｍ）が高回転領域で必要なトルクを発生するように、ブラシ付モータ（Ｍ）を駆動制御できる。

請求項２記載の発明は、前記ブラシ位置調整手段（１０、４２）は、検出された回転速度に対して最大トルクの生じる位置へ前記ブラシを移動させることを特徴とする、請求項１記載のブラシ付モータのための制御装置である。
上記の構成では、回転速度検出手段（１６）によって検出された回転速度に対して最大トルクを生じるように、ブラシの位置が変位されるので、ブラシ付モータ（Ｍ）の高回転・高トルク駆動を実現できる。

請求項３記載の発明は、前記ブラシ位置調整手段（１０、４２）は、前記ブラシ変位機構に対して作用するステッピングモータ（３６）を含むことを特徴とする、請求項１または２記載のブラシ付モータのための制御装置である。
上記の構成によれば、ステッピングモータ（３６）およびステッピングモータを制御する簡易な制御回路（４２）を利用することによって、ブラシ付モータ（Ｍ）のブラシ位置調整を実現することができる。

この発明に係るブラシ付モータのための制御装置を採用すると、ブラシ付モータおよび制御装置の設計面の自由度が向上する。すなわち、ブラシ付モータを、高トルク設計のモータにし、その上で、ブラシの角度位置を変化できるようにして、モータの出力特性を向上させることができる。
そして、極対数が増えれば、小さな物理角の範囲内でブラシの角度位置を変化させればよく、ブラシの変位機構の簡易化を図ることが可能である。

以下、この発明の一実施形態として、電動パワーステアリング装置に採用されたブラシ付モータのための制御装置を、添付図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るブラシ付モータのための制御装置が採用された電動パワーステアリング装置の構成を説明する図である。
電動パワーステアリング装置は、車両の舵取り車輪Ｗ（たとえば前左右輪）を転舵させるための舵取り機構１に対して、操舵アクチュエータとしての電動モータＭ（この電動モータＭが、ブラシ位置を可変できるブラシ付モータである。以下、モータＭと略称する。）が発生するトルクを伝達するように構成されている。

舵取り機構１は、車両の左右方向に沿うラック軸２と、このラック軸２のギヤ部に噛合するピニオン３とを備えたラック・ピニオン型のものである。ピニオン３には、ステアリングシャフト４の一端が結合されており、このステアリングシャフト４の他端には、ステアリングホイール５が結合されている。従って、ステアリングホイール５を回動操作することによって、この回動がステアリングシャフト４およびピニオン３を介してラック軸２に伝達され、このラック軸２の軸方向変位に変換される。

ラック軸２の両端には、一対のタイロッド６の各一端がそれぞれ結合されている。この一対のタイロッド６の各他端は、一対のナックルアーム７の各一端に結合されている。この一対のナックルアーム７は、一対のキングピン８まわりに回動自在にそれぞれ支持されていて、一対の舵取り車輪Ｗにそれぞれ結合されている。この構成により、ラック軸２が軸方向に変位すると、ナックルアーム７がキングピン８回りに回動し、これにより、舵取り車輪Ｗが転舵される。

ステアリングホイール５を回動操作する際に、その操作が容易にできるよう、モータＭにより操舵補助力が発生される。モータＭは、コントローラ（ＥＣＵ：電子制御ユニット）１０により制御される。コントローラ１０には、ステアリングホイール５に加えられる操作トルクを検出するトルクセンサ１１の出力信号と、ステアリングシャフト４の回転角を検出することによってステアリングホイール５の操作角を検出する操作角センサ１２の出力信号と、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の車速を検出する車速センサ１３の出力信号とが入力される。コントローラ１０は、これら入力信号に基づいて、直流電源（バッテリー）１４から供給される電力をモータＭに与える。電力の供給制御は、電流制御により行われる。

ブラシ付モータの回路方程式は、鉄損を無視すると、次のようになる。
Ｖ＝Ｒ・Ｉ＋Ｋｅ・ω
但し、Ｖ：電源電圧（バッテリーの電圧）
Ｒ：回路抵抗
Ｉ：モータ電流
Ｋｅ：逆起電圧定数
ω：回転角速度
また、トルクＴは、
Ｔ＝Ｋｔ・Ｉ、但し、Ｋｔはトルク定数
よって、電源電圧Ｖはバッテリー電圧で一定であるから、電流制御によって電流Ｉを調整することにより、モータＭの回転角速度ωを制御することができる。

また、コントローラ１０は、モータＭのブラシの位置を調整する。モータＭには、そのロータ軸１５の回転速度を検出するための回転速度センサ１６が備えられている。回転速度センサ１６の出力信号は、コントローラ１０へ与えられ、コントローラ１０は、回転速度センサ１６により検出されたモータＭのロータ軸１５の回転速度に応じて、後述するように、ブラシの位置を調整する。

図２は、モータＭへの通電と、回転方向とを説明するための図である。
図２Ａ、Ｂに示すように、モータＭに電流を供給するために、たとえば、４つのＦＥＴを有するブリッジ回路が用いられる。ブリッジ回路を構成する４つのＦＥＴ２１、２２、２３、２４のうち、対称に配置された２つのＦＥＴ２１、２２がオンされることにより、直流電源（＋Ｂ）からＦＥＴ２１を経由してモータＭのブラシ、整流子および電機子巻線へと電流が流れ、さらに、モータＭの整流子、ブラシを通った電流はＦＥＴ２２を経由して接地電位へと流れる。これにより、モータＭには、たとえば時計回りのトルク（正トルク）が生じ、モータＭは時計回りに回転する。

一方、図２Ｂに示すように、対称に配置された他方の対をなす２つのＦＥＴ２３、２４がオンされ、ＦＥＴ２１、２２がオフ状態では、モータＭの電機子巻線には、逆方向に電流が流れ、それにより、モータＭに反時計回りのトルク（負トルク）が生じ、モータＭは反時計回りに回転する。
モータＭが時計回りまたは反時計回りに回転するときの、回転数とトルクとの関係は、図３に示すグラフで表わされる。図３のグラフは、モータＭのブラシ位置を、最もトルクの大きな位置（トルク定数の大きな位置）に固定した場合の、従来の制御下におけるモータＭの回転数とトルクとの関係を表わしている。

モータＭに対して、ブラシおよび整流子を通して電機子巻線に流す電流の大きさおよび方向を制御することによって、モータ出力が変化し、図３に示す三角形の範囲（グレーの領域）での出力が得られる。
ところで、ブラシ付モータは、一般に、ブラシと、電機子巻線と、整流子とによって、ロータの磁界の大きさおよび方向が規定される。モータの生じるトルクの大きさは、供給する電流値で制御できる。つまり、ロータによる磁界と、固定子による磁界との関係は変化せず、トルクの値は、電流値で制御することができる。

これに対して、この発明の一実施形態では、図４に示すように、電流の大きさおよび方向を制御して、モータ出力を変化させること（すなわち、従来技術の制御の仕方により「ａ」で示す領域の出力を得ること）に加えて、モータＭのブラシ位置を調整し、図４の「ｂ１」「ｂ２」で示す領域の出力を得るように、モータＭの回転数−トルク特性（見かけ上のトルク定数）を変更するものである。

ブラシ付モータＭにおいて、ブラシの位置を変えると、回転数−トルクの関係において、出力範囲を示す三角形の面積は変化しないが、その角度（三角形の形状）が変化し、高回転領域での必要なトルクを発生させることができる。
より具体的に説明すると、図５Ａに示すように、ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）が、電気角で０度位置では、モータＭは最大トルクを発生するのに対し、図５Ｂに示すように、ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）を、たとえば電気角で６０度位置（高回転側）に変位させると、図４のたとえばｂ２で示す領域、すなわち高回転領域で必要なトルクが得られる。つまり、ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）の位置を変化させることで、モータＭのトルク定数を変化させ、ブラシレスモータにおける弱め界磁制御と同じ状態を機械的に作り出して、昇圧回路を用いることなく、高回転領域での高トルクが得られる。

ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）の角度位置の変化は、たとえば簡易な制御回路を有するステッピングモータによって実現することができる。
なお、ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）の角度位置は、電気角で±９０度動くようにしておけばよく、これにより、図２Ａに示すように正トルクを発生する場合、および、図２Ｂに示すように負トルクを発生する場合の両方に対応することができる。

図６は、モータＭにおけるブラシ対の角度位置を変更するためのブラシ変位機構の具体的な構成の一例を示す図である。
図６において、モータＭには、モータケーシング３０内に配置されたロータ３１と、ロータ３１と一体的に回転し得る整流子３２と、整流子３２に摺接するブラシ対３３（ブラシ１、ブラシ２）と、モータケーシング３０の内周面に固定されたステータとしての磁石３４とが含まれている。ロータ３１は、ロータ軸１５に設けられており、ロータ軸１５は軸受３５で回転自在に保持されて、その先端はモータケーシング３０から突出している。

モータケーシング３０内には、さらに、ブラシ対３３の角度位置を変更するためのステッピングモータ３６が組み込まれている。ステッピングモータ３６は、モータケーシング３０に取り付けられた固定子３７と、固定子３７を中心に回転可能なロータ３８と、ロータ３８に備えられた１組のブラシ保持部３９とを有している。そして１組のブラシ保持部３９によって、ブラシ対３３（ブラシ１、ブラシ２）が保持されている。

このため、ステッピングモータ３６のロータ３８が回動されると、モータＭにおいて、ステータ３４の周方向に対し、ブラシ対３３の角度位置が変更される。
ブラシ対３３には電力供給経路４０が接続されていて、当該供給経路４０を介して直流電源４１からの電力が与えられる。その場合において、ブラシ対３３の角度位置が、ステータ３４の周方向に変更可能であるから、モータＭのトルク定数を変化させて、昇圧回路を用いることなく、モータＭを高回転領域で高トルクで回転させることができる。

ロータ軸１５の回転速度は回転速度センサ１６で検出され、回転速度センサ１６の出力信号は、コントローラ１０内に設けられたステッピングモータ制御部４２へ与えられる。そしてステッピングモータ制御部４２は、ステッピングモータ３６のロータ３８を回動させ、ブラシ対３３の位置を調整する。
図６に示すブラシ対（ブラシ１、ブラシ２）の角度位置の変更をするためのブラシ変位機構は一例にすぎず、ブラシ変位機構はこの構成に限定されるものではない。

図７は、この発明の他の実施形態に係るモータＭの制御回路の例を示す図である。図７では、モータＭは、ＦＥＴのブリッジ回路を用いて電流が与えられるのではなく、単独のＦＥＴ２５を用いてモータＭに対する通電が制御される。
図７に示すモータＭは、図８Ａに示すように、ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）の位置が、電気角で０度位置（正の最大トルク側：時計回りに回転する場合における最大トルクを生じる位置）、図８Ｂに示すように電気角で９０度位置（出力トルクが０の位置）、および、図８Ｃに示すように電気角で１８０度位置（負の最大トルク側：モータが反時計回りに回転する場合における最大トルクを生じる位置）に変化可能になっている。

この構成では、ＦＥＴ２５により、モータＭに流す電流の大きさのみを制御し、モータ出力を変化させる。加えて、モータＭの出力および方向は、ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）の位置を所定の角度にすることにより行う。すなわち、ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）が図８Ｂの位置では、モータトルクは発生せず、モータＭは回転しない。一方、この位置から、図８Ａの位置に向かってブラシ対の角度位置を変化させ、所望の位置で停止させれば、モータＭは時計回りに所望の速度で回転し、かつ、必要なトルクが得られる。

反対に、図８Ｃに示す位置に向かってブラシ対の角度位置を変化させ、所望の位置で停止させれば、モータＭは反時計回りに所望の速度で回転し、必要なトルクが得られる。
このように、ブラシ対（ブラシ１およびブラシ２）の角度位置を、電気角で±１８０度移動可能にすれば、モータＭの回転方向の切り換えを、ブラシ対の位置の変化によって実現できる。このため、図７に示すように、モータＭに対する供給電流制御用のＦＥＴ２５は、１つでよく、モータＭの制御回路がより簡易化されて、低コストのモータ制御回路とすることができる。

上述の各実施形態に係るブラシ付モータのための制御装置は、電動パワーステアリング装置においては、次のようにブラシの角度位置を制御する。
すなわち、車が止まっている時はステアリングホイール５（図１参照）の操作が最も重く、大きな操舵補助力が必要である。この場合は、ブラシ位置を図５Ａの位置にすることで、大きな操舵補助力を得ることができる。

また、低速で急ハンドルを必要なとき、大きな操舵補助力かつ高速の回転が必要である。この場合は、ブラシ位置を図５Ｂの位置にすることで、高速操舵時でも十分な操舵補助力が得られる。
よって、モータＭのロータ軸１５の回転速度を速度センサ１６で検出し、それに応じて必要なトルクが発生するように、ブラシ位置が変化される。

この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

この発明の一実施形態に係るブラシ付モータのための制御回路が採用された電動パワーステアリング装置の構成を説明する図である。 モータＭへの通電と、回転方向とを説明するための図である。 モータＭのブラシ位置を、最もトルクの大きな位置（トルク定数の大きな位置）に固定した場合の、従来の制御下におけるモータＭの回転数とトルクとの関係を表わすグラフである。 ブラシ付モータＭにおいて、ブラシの位置を変えると、回転数−トルクの関係において、出力範囲を示す三角形の面積は変化しないが、その角度（三角形の形状）が変化し、高回転領域での必要なトルクを発生させることができる旨を表わすグラフである。 ブラシ対の位置変化と、トルクとの関係を説明するための図解図である。 モータＭにおけるブラシ対の角度位置を変更するためのブラシ変位機構の具体的な構成の一例を示す図である。 この発明の他の実施形態に係るモータＭの制御回路の例を示す図である。 ブラシ対の位置とトルクとの関係を説明するための図解図である。 Ａは従来の電動パワーステアリング装置におけるブラシ付モータ５０の制御回路構成の一例を示すブロック図であり、Ｂは昇圧回路５２を採用すると、ブラシ付モータ５０の駆動特性を向上させることができることを説明するグラフである。

符号の説明

５：ステアリングホイール、１０：コントローラ、１４：直流電源（バッテリー）、１５：ロータ軸、１６：回転速度センサ、Ｍ：ブラシ付モータ

Claims (3)

1. 整流子を含むロータと、ロータの整流子に摺接するブラシと、ロータの回転方向に対するブラシの角度位置を変更するためのブラシ変位機構とを含むブラシ付モータのための制御装置であって、
   前記ロータの回転速度を検出するための回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段によって検出された回転速度に応じて、前記ブラシ変位機構を操作して前記ブラシの角度位置を所定の位置にするブラシ位置調整手段と、
   を含むことを特徴とするブラシ付モータのための制御装置。
2. 前記ブラシ位置調整手段は、検出された回転速度に対して最大トルクの生じる位置へ前記ブラシを移動させることを特徴とする、請求項１記載のブラシ付モータのための制御装置。
3. 前記ブラシ位置調整手段は、前記ブラシ変位機構に対して作用するステッピングモータを含むことを特徴とする、請求項１または２記載のブラシ付モータのための制御装置。

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