JP2010110177A - ブラシレスモータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流変動に起因するノイズ発生の低減、及び電圧変動に起因するバッテリの寿命の低下を抑えたセンサレス駆動のモータの駆動装置を提供する。
【解決手段】モータの駆動装置１は、バッテリ２と、電源回路３と、インバータ回路４と、制御回路５とを備える。駆動装置１において、電源回路３とインバータ回路４との間には、コンデンサ６１を有する充電回路６が配置される。そして、充電回路６は、モータが誘起電圧から検出された回転位置によって制御された駆動時には、バッテリ２からコンデンサ６１に充電され、モータの始動時における強制転流時には、コンデンサ６１からインバータ回路４へ電流を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されるとともにセンサレス駆動により駆動されるブラシレスモータの駆動装置に関する。

近年、自動車等の車両に搭載されてトランスミッション及び操舵装置の電動ポンプ等を駆動するモータとして、ブラシレスモータ（以下、単に「モータ」という。）が使用されている。また、モータを車両のエンジンの周囲に配置する場合、エンジンの周囲の環境温度は、エンジンの発熱によって、ホール素子等の位置検出素子の耐熱温度以上の温度となる場合がある。そこで、車両に搭載されるモータにおいては、位置検出素子を用いてモータの回転を制御する駆動装置から、位置検出素子を用いずにモータの回転を制御する、いわゆる、センサレス駆動を用いた駆動装置が開発されている。なお、一般に、センサレス駆動では、モータの回転位置をモータの電機子の複数相の巻線の誘起電圧から検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１０７７７７号公報

ここで、モータの回転位置を電機子の巻線の誘起電圧から検出する場合、モータの始動時では、モータが回転してないため、予め巻線の誘起電圧を検出することができない。そこで、電機子の巻線に電流が強制転流されることによって、モータを回転させて、誘起電圧を発生させる。そして、発生した誘起電圧を検出することによって、モータの回転位置の情報を得て、モータの回転位置を制御する。

しかしながら、この強制転流時では、モータの回転位置と制御との同期が取れていないため、モータの誘起電圧による位置が検出されて制御された状態である駆動時の電流よりも大電流が流れてしまう。その上、位置検出素子を用いた駆動装置を有するモータの起動電流の時間と比較して、強制転流で電流が流れる時間は大幅に長くなる。したがって、強制転流される時間が長くなると、バッテリの消費電力が大きくなるため、バッテリの寿命の低下を招く場合がある。

また、本願発明者によれば、強制転流時では、モータの駆動時の電圧と比較して、電圧変動が激しくなることが確認されている。したがって、強制転流時では、車両に搭載されたバッテリの電圧の変動が激しくなり、バッテリの寿命の低下を招く場合がある。また、強制転流時では、バッテリの電流の変動が激しくなり、この電流変動に起因するノイズの発生が増大する場合がある。

そこで、本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、電流変動に起因するノイズ発生の低減、及び電圧変動に起因するバッテリの寿命の低下を抑えたセンサレス駆動のモータの駆動装置を提供することである。

請求項１に記載の発明は、車両に搭載されるとともにセンサレス駆動により駆動されるブラシレスモータの駆動装置において、前記車両に搭載されるバッテリから前記ブラシレスモータの電機子への通電の切り替えを行うインバータ回路と、前記バッテリから前記インバータ回路へ供給される電流を充電する充電手段を有した充電回路とを備え、前記充電回路は、前記ブラシレスモータの前記電機子の誘起電圧に基づいて制御される駆動時には、前記バッテリから前記充電手段に充電され、前記ブラシレスモータの始動のための強制転流時には、前記充電手段から前記インバータ回路へ放電することを要旨とする。

この発明によれば、充電手段が、強制転流の供給時において、インバータ回路へ電流を供給するため、充電回路がないブラシレスモータの駆動装置と比較して、バッテリからインバータ回路への電流の供給を低減することができる。したがって、バッテリからインバータ回路へ供給する電流量を抑えるとともに、バッテリからインバータ回路へ供給する電流を平坦化できるので、バッテリの電圧変動を抑えることができる。その結果、バッテリの寿命低下を抑えることができる。また、バッテリの電流変動を抑えることができるため、この電流変動に起因するノイズ発生の低減を図ることができる。また、急激な負荷変動が発生した場合においても、上記の強制転流時と同様の効果を奏することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のブラシレスモータの駆動装置において、充電手段は、電気二重層コンデンサであることを要旨とする。
この発明によれば、充電手段として、電気二重層コンデンサを用いることにより、充電手段の小型化を図ることができる。したがって、充電回路の小型化が可能となり、ブラシレスモータの駆動装置の小型化を達成することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１及び請求項２のいずれかに記載のブラシレスモータの駆動装置であって、バッテリと前記インバータ回路との間には、バッテリのノイズを低減する電源回路が設けられ、充電回路は、電源回路と前記インバータ回路との間に配置されることを要旨とする。

この発明によれば、充電回路が、電源回路とインバータ回路との間に配置されることにより、充電回路が電源回路よりバッテリ側に配置された場合と比較して、バッテリとインバータ回路との間における、大電流を必要とする区間をなくす、もしくは短くすることができる。したがって、大電流に対応した大型の銅板等の配線部材を配置する区間をなくす、もしくは短くすることが可能となり、ブラシレスモータの駆動装置の小型化を達成することができる。また、電源回路よりバッテリ側に充電回路が配置された場合、電源回路には、強制転流時に充電回路から大電流が流れてしまうが、電源回路とインバータ回路との間に充電回路を設けることにより、充電回路の電流は、電源回路に流れることがないので、電源回路の定格値を小さくすることができる。言い換えれば、電源回路は、低定格電流で構成することができる。したがって、電源回路を小さいサイズの電子部品にて構成することが可能となり、電源回路の小型化を達成することができるとともに、電源回路のコストダウンを図ることができる。その結果、ブラシレスモータの駆動装置の小型化を達成することができるとともに、ブラシレスモータの駆動装置のコストダウンを図ることができる。

本発明によれば、電流変動に起因するノイズ発生の低減、及び電圧変動に起因するバッテリの寿命の低下を抑えたセンサレス駆動のモータの駆動装置を提供することができる。

図１及び図２を参照して、本発明のブラシレスモータの駆動装置を車両に搭載されるとともにセンサレス駆動により駆動されるブラシレスモータの駆動装置として具体化した一実施形態について説明する。

まず、図１を参照して、ブラシレスモータの駆動装置１（以下、単に「駆動装置１」という。）の構成について説明する。
図１に示すように、駆動装置１は、バッテリ２と接続された電源回路３と、電源回路３と接続されるインバータ回路４及び制御回路５と、電源回路３とインバータ回路４との間に配置される充電回路６とにより構成されている。また、充電回路６は、電源回路３とインバータ回路４との間に並列に接続されている。そして、駆動装置１は、バッテリ２から電源回路３に供給された電流が、充電回路６を介して、インバータ回路４に供給されることにより、インバータ回路４に接続されているモータ７が駆動される。そして、電源回路３から制御回路５に電流が供給されることにより、インバータ回路４からモータ７への電流供給を制御することにより、モータ７の回転制御が行われる。また、モータ７とポンプ部Ｐとが互いに接続されることにより、電動ポンプが構成されている。

また、駆動装置１は、３相（Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相）のブラシレスモータに搭載され、ホール素子等の位置検出素子を用いない、いわゆる、センサレス駆動にて駆動される。本実施形態のセンサレス駆動は、モータ７の電機子（不図示）の各相の巻線（不図示）に発生する誘起電圧を検出することにより、モータ７の回転位置を推定するとともに、モータ７の回転を制御する。特に、駆動装置１は、１２０度通電方式を用いる。なお、駆動装置１は、バッテリ２からの直流電源を片側ＰＷＭ方式で３相交流電圧を生成させ、モータ７を駆動制御する。

電源回路３は、バッテリ２のプラス端子に接続されている。そして、電源回路３は、バッテリ２の直流電圧（ＤＣ１２Ｖ）を、制御回路５へ供給する直流電圧（ＤＣ５Ｖ）及びインバータ回路４へ供給する直流電圧（ＤＣ１２Ｖ）と変換する。また、電源回路３は、チョークコイル、逆接防止用のダイオード、及び電解コンデンサを有している。そして、電源回路３は、バッテリ２に含まれるノイズの低減、及びモータ７やインバータ回路４で発生するノイズ流出の低減を行っている。

インバータ回路４は、電源回路３からモータ７へのＵ相の通電を制御する上アームスイッチング素子４１及び下アームスイッチング素子４２、Ｖ相の通電を制御する上アームスイッチング素子４３及び下アームスイッチング素子４４、Ｗ相の通電を制御する上アームスイッチング素子４５及び下アームスイッチング素子４６により構成されている。以下、これら上アームスイッチング素子４１，４３，４５及び下アームスイッチング素子４２，４４，４６の総称を「スイッチング素子４ａ」とする。

制御回路５は、回転位置推定信号生成部５１と、通電信号生成部５２と、回転速度制御部５３と、ＰＷＭ制御部５４（ＰＷＭは、Pulse Width Modulationの略。）と、ゲートドライブ回路５５とにより構成されている。

回転位置推定信号生成部５１は、モータ７の電機子の巻線（不図示）の各相に発生する誘起電圧（端子電圧）Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの情報に基づき、巻線の各相の回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを生成し、通電信号生成部５２に供給する。

通電信号生成部５２は、供給された回転位置推定信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づき、インバータ回路４のスイッチング素子４ａを通電制御するための通電信号Ｃｕ＋，Ｃｕ−，Ｃｖ＋，Ｃｖ−，Ｃｗ＋，Ｃｗ−を生成し、ＰＷＭ制御部５４に供給する。なお、通電信号生成部５２は、ＭＰＵ（ＭＰＵは、Micro Processing Unitの略。）または論理素子から構成されている。

回転速度制御部５３は、モータ７のロータ（不図示）の回転速度検出値Ｓ及び回転速度設定値Ｓａを比較し、両者の大小関係に基づき、モータ７をＰＷＭ駆動するための速度制御信号Ｓｐｗｍを生成し、ＰＷＭ制御部５４に供給する。

ＰＷＭ制御部５４は、供給された通電信号Ｃｕ＋，Ｃｕ−，Ｃｖ＋，Ｃｖ−，Ｃｗ＋，Ｃｗ−及び速度制御信号Ｓｐｗｍに基づき、スイッチング素子４ａをＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋，Ｄｕ−，Ｄｖ＋，Ｄｖ−，Ｄｗ＋，Ｄｗ−を作成し、ゲートドライブ回路５５に供給する。

ゲートドライブ回路５５は、供給されたＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋，Ｄｕ−，Ｄｖ＋，Ｄｖ−，Ｄｗ＋，Ｄｗ−に基づき、スイッチング素子４ａのオン／オフの駆動制御を行う。このスイッチング素子４ａの駆動制御により、モータ７の巻線に制御された回転磁場が発生する。

充電回路６は、充電手段であるコンデンサ６１と、コンデンサ６１より電源回路３側（プラス側）に接続させる電流制限抵抗６２と、コンデンサ６１よりインバータ回路４側（マイナス側）に接続される逆流防止用ダイオード６３とにより構成されている。ここで、コンデンサ６１は、電気二重層コンデンサが用いられる。

次に、図２を参照して、モータ７の電機子への電流の供給開始時から定格回転数となるまでの間の時間に対する電流値の関係について説明する。図２は、時間に対する電流値及び回転数の変化について示す。図２において、一方の縦軸を電流値（Ａ）とし、横軸を時間（second：ｓ）とする。また、他方の縦軸を回転数（revolution per minute：rpm）とする。

図２に示すように、モータ７の電機子への電流の供給が開始される際、モータ７は回転していないため、電機子の巻線に発生する誘起電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの情報が得られない。そこで、このときに電機子の巻線に強制転流を行うことにより、オープンループ制御によってモータ７を強制的に回転させる。以下、強制転流により、モータ７を強制的に回転させている期間を「強制転流時」という。

この強制転流時において、強制転流の電流値は、激しく変動する。そして、この駆動装置１の強制転流は、最大電流値が約１０（Ａ）であり、強制転流の時間である強制転流時は、約１００ｍｓである。

また、モータ７の誘起電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの情報に基づいて、モータ７が制御される駆動時（以下、単に「駆動時」という。）において、モータ７の回転速度とともに、電流値は増加する。そして、モータ７の最大回転速度において、電流値は、約５（Ａ）である。また、モータ７の駆動時における電流値は、モータ７の強制転流時と比較して、電流値の短時間での変動が極めて少ない。そして、モータ７の駆動時における電流は、モータ７の回転速度とともに、安定的に増加する。

充電回路６は、モータ７の駆動時に、バッテリ２からインバータ回路４へ流れる電流の一部が、コンデンサ６１に充電される。そして、モータ７の強制転流時において、充電したコンデンサ６１から強制転流として電流を巻線に供給する。

ここで、コンデンサ６１は、モータ７の強制転流時において、強制転流として巻線に供給する電流を全て賄うことができる容量に設定されている。したがって、電源回路３から出力される電流は、モータ７の駆動時の最大電流の値、即ち電流の値が約５（Ａ）まででよいため、電源回路３の出力を小さくすることができる。その上、モータ７の駆動時の電流は、強制転流時の電流と比較して、変動が小さいため、バッテリ２から出力される電流を平坦化することができる。その結果、バッテリ２の電圧変動を抑えることができるとともに、バッテリ２の容量を小型化することができる。

また、充電回路６において、コンデンサ６１より電源回路３側に電流制限抵抗６２が配置されることにより、バッテリ２からコンデンサ６１に流れる電流量を抑えることができる。即ち、モータ７の駆動時において、コンデンサ６１に徐々に電流が流れる。したがって、バッテリ２からコンデンサ６１へ急激に電流が流れることを抑制しているため、充電回路６に電流制限抵抗６２が配置されていない場合と比較して、バッテリ２の電圧変化を抑えることができる。その結果、バッテリ２の寿命の低下を抑えることができる。

また、充電回路６において、コンデンサ６１よりインバータ回路４側に逆流防止用ダイオード６３が配置されていることにより、インバータ回路４側からコンデンサ６１へ向かい電流が逆流することを防止することができる。
（電動ポンプの実施形態）
図３を参照して、駆動装置１を備えた電動ポンプの一実施形態について説明する。

図３に示すように、電動ポンプ８は、車両のオートマチック・トランスミッション８１に使用されており、エンジン８２のクランクシャフト（不図示）とプロペラシャフト８３とをオートマチック・トランスミッション８１が連結する。

電動ポンプ８は、オートマチック・トランスミッション８１の側面に固定されたポンプ８４と、ポンプ８４を駆動するモータ７と、モータ７を駆動制御する駆動装置１とにより構成されている。そして、電動ポンプ８は、オートマチック・トランスミッション８１を作動させるオイルの圧力を制御する。

エンジン８２のクランクシャフトの、オートマチック・トランスミッション８１と連結しない側の端部の回転は、電磁クラッチ８５を介してプーリ８６に伝達され、プーリ８６の回転は、ベルト８７により発電機８８及び補機８９に伝達される。補機８９は、エアコンディショナのコンプレッサ等である。発電機８８が発電した電力は、バッテリ２に蓄電され、駆動装置１の電源となる。

プロペラシャフト８３のオートマチック・トランスミッション８１と連結しない側の端部は、デファレンシャル９０により駆動輪９１の駆動軸９２に直角に連結されている。この構成により、プロペラシャフト８３の回転が、デファレンシャル９０を介して、駆動軸９２に伝達される。

本実施形態の電動ポンプ８は、車両のアイドリングストップ時に駆動する。即ち、アイドリングストップ時では、オートマチック・トランスミッション８１にエンジンの作用によって、オイルが供給されないが、電動ポンプ８が駆動することによって、オートマチック・トランスミッション８１にオイルが供給される。

ここで、車両に搭載される電子部品の増加に伴い、各電子部品の小型化の要求が高まっている。そのため、電子部品の一つである駆動装置１も小型化の要求が高い。ここで、図１に示すように、本実施形態の駆動装置１は、充電回路６のコンデンサ６１に電気二重層コンデンサを使用することにより、電気二重層コンデンサと同容量の電解コンデンサを使用する場合と比較して、コンデンサ６１の体積を小型化することができる。その上、電解コンデンサが電気二重層コンデンサと同容量となるためには、電解コンデンサを複数個用意する必要がある。したがって、電気二重層コンデンサと同容量の電解コンデンサを使用する場合と比較して、充電回路６を小型化することができる。その結果、駆動装置１の小型化を達成することができる。

また、充電回路６によって、バッテリ２が電源回路３に供給される電流は、モータ７の駆動時の最大電流の値まででよいため、充電回路６が配置されない駆動装置と比較して、電源回路３に供給される電流を小さくことができる。したがって、充電回路６が配置されない駆動装置の電源回路と比較して、電源回路３の定格値を小さくすること、即ち、電源回路３を小さいサイズの電子部品にて構成することができる。その結果、電源回路３の小型化を達成することができ、駆動装置１の小型化を達成することができる。

また、充電回路６が電源回路３とインバータ回路４との間に並列に配置されるため、電源回路３よりバッテリ２側に充電回路６が配置される場合と比較して、充電回路６とインバータ回路４との距離を短くすることができる。したがって、駆動装置１において、大電流を流す区間を短くすることが可能となり、大電流に対応した配線部品（不図示）の区間を短くすることができる。ここで、上記配線部品は、他の配線部品と比較して、大型化されるために、上記配線部品の区間を小さくすることにより、駆動装置１の小型化を達成することができる。

本実施形態の駆動装置１によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本発明の駆動装置１によれば、バッテリ２からインバータ回路４へ供給される電流を充電する充電手段であるコンデンサ６１を有し、モータ７の駆動時には、バッテリ２からコンデンサ６１に充電され、モータ７の始動のための強制転流を行う強制転流時には、コンデンサ６１からインバータ回路４へ出力する充電回路６を備える構成とする。この構成によれば、コンデンサ６１により、モータ７の強制転流時に、インバータ回路４へ電流を供給することによって、バッテリ２が強制転流された電流をインバータ回路４へ供給することがないため、バッテリ２の電圧変動を抑えることができるとともに、バッテリ２が供給する最大電流の値を小さくすることができる。その結果、バッテリ２の小型化を達成するとともに、バッテリ２の寿命の低下を抑えることができるとともに、電流変動に起因するノイズ発生を低減することができる。

また、急激な負荷変動が発生した場合においても、強制転流時と同様に、バッテリ２の電圧変動を抑えることができるとともに、バッテリ２が供給する電流の値を小さくすることができる。その結果、急激な負荷変動が発生した場合においても同様に、バッテリ２の寿命の低下を抑えることができるとともに、電流変動に起因するノイズ発生を低減することができる。
（２）本発明の駆動装置１によれば、充電回路６の充電手段であるコンデンサ６１は、電気二重層コンデンサである。したがって、同容量の電解コンデンサと比較して、電気二重層コンデンサは、体積を小さくすることができる。その結果、充電回路６の小型化ができ、モータの駆動装置１の小型化を達成することができる。
（３）本発明の駆動装置１によれば、充電回路６は、電源回路３とインバータ回路４との間に配置される構成とする。この構成により、バッテリ２とインバータ回路４との間における、大電流を必要とする区間をなくす、もしくは短くすることができる。したがって、大電流に対応した大型の配線部材を配置する区間をなくす、もしくは短くすることが可能となり、駆動装置１の小型化を達成することができる。また、電源回路３よりバッテリ２側に充電回路６を備えた場合、電源回路３には、強制転流時に充電回路６から大電流が流れてしまうが、電源回路３とインバータ回路４との間に充電回路６を設けることにより、充電回路６の電流は、電源回路３に流れることがないので、電源回路３の定格値を小さくすることができる。言い換えれば、電源回路３は、低定格電流で構成することができる。したがって、電源回路３を小さいサイズの電子部品にて構成することが可能となり、電源回路３の小型化を達成することができるとともに、電源回路３のコストダウンを図ることができる。その結果、駆動装置１の小型化を達成することができるとともに、駆動装置１のコストダウンを図ることができる。

本発明の駆動装置１は、上記実施形態に限定されることなく、以下の変形も可能である。
・本実施形態の駆動装置１は、オートマチック・トランスミッション８１にオイルを供給する電動ポンプ８に搭載されたが、本発明は、これに限定されることはない。例えば、駆動装置１は、操作者のハンドル操作を補助する電動油圧パワーステアリング装置のモータに搭載されてもよい。

次に、以上の実施形態から把握することのできる技術的思想をその効果とともに記載する。
（イ）請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のブラシレスモータの駆動装置であって、前記充電回路は、前記バッテリから前記電気二重層コンデンサへ供給される電流を制限する電流制御抵抗を備えることを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。この構成によれば、充電回路に電流制限抵抗を備えるために、電気二重層コンデンサへ一度に大量の電流が流れるのを防止することができる。したがって、バッテリからインバータ回路への電力供給の大幅な低下を抑えることができる。その結果、バッテリの電圧変動を抑えることができ、バッテリの寿命の低下を抑えることができる。

（ロ）請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のブラシレスモータの駆動装置であって、前記充電回路は、前記インバータ回路からの電流の逆流を防止するダイオードを備えることを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。この構成によれば、充電回路にダイオードが設けられることにより、インバータ回路から電気二重層コンデンサへ電流が流れることを防ぐことができる。

本発明のモータの駆動装置として具体化した一実施形態について、同駆動装置の回路構成を示す回路図。 同実施形態の駆動装置について、モータの回転速度及び電流値と時間との関係を示すグラフ。 同実施形態の駆動装置について、同駆動装置を備えた電動ポンプの構成及びその周辺部を示すブロック図。

符号の説明

１…駆動装置、２…バッテリ、３…電源回路、４…インバータ回路、４ａ…スイッチング素子、４１，４３，４５…上アームスイッチング素子、４２，４４，４６…下アームスイッチング素子、５…制御回路、５１…回転位置信号生成部、５２…通電信号生成部、５３…回転速度制御部、５４…ＰＷＭ制御部、５５…ゲートドライブ回路、６…充電回路、６１…コンデンサ（電気二重層コンデンサ）、６２…電流制限抵抗、６３…逆流防止用ダイオード、７…モータ（ブラシレスモータ）、８…電動ポンプ、８１…オートマチック・トランスミッション、８２…エンジン、８３…プロペラシャフト、８４…ポンプ、８５…電磁クラッチ、８６…プーリ、８７…ベルト、８８…発電機、８９…補機、９０…デファレンシャル、９１…駆動輪、９２…駆動軸。

Claims (3)

1. 車両に搭載されるとともにセンサレス駆動により駆動されるブラシレスモータの駆動装置において、
   前記車両に搭載されるバッテリから前記ブラシレスモータの電機子への通電の切り替えを行うインバータ回路と、前記バッテリから前記インバータ回路へ供給される電流を充電する充電手段を有した充電回路とを備え、
   前記充電回路は、前記ブラシレスモータの前記電機子の誘起電圧に基づいて制御される駆動時には、前記バッテリから前記充電手段に充電され、前記ブラシレスモータの始動のための強制転流時には、前記充電手段から前記インバータ回路へ放電する
   ことを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
2. 請求項１に記載のブラシレスモータの駆動装置において、
   前記充電手段は、電気二重層コンデンサである
   ことを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
3. 請求項１及び請求項２のいずれかに記載のブラシレスモータの駆動装置において、
   前記バッテリと前記インバータ回路との間には、前記バッテリのノイズを低減する電源回路が設けられ、
   前記充電回路は、前記電源回路と前記インバータ回路との間に配置される
   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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