JP2011024282A - 三相ブラシレスｄｃモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシ付ＤＣモータと同じ制御装置を用いて可変速制御することを可能とする三相ブラシレスＤＣモータ制御装置を得る。
【解決手段】三相ブリッジ回路２１ａの出力を制御することにより三相ブラシレスＤＣモータ２２を駆動制御する制御回路２１ｂを備えた三相ブラシレスＤＣモータ制御装置であって、三相ブリッジ回路２１ａに用いる直流電圧を供給する単相ブリッジ回路１２をさらに備え、制御回路２１ｂは、外部から受信した回転方向信号５２に基づいて、三相ブラシレスＤＣモータ２２を駆動制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、スロットルバルブ、アクチュエータ、排気ガス再循環（以下、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と称する）バルブなどの開閉制御に用いられる三相ブラシレスＤＣモータ制御装置に関するものである。

ブラシ付ＤＣモータは、自動車内で幅広く使われており、現在の主流モータである。ブラシ付ＤＣモータは、ブラシと整流子によって電機子巻線を通る電流を切り替えるため、ロータ位置の検出が不要となり、取り扱いが容易である。その一方で、ブラシと整流子が機械摺動するため、ブラシの磨耗による寿命が課題となっている。

近年の車両性能の向上により、車両自体の交換周期は延びている。従って、車載用モータには、一層の高寿命化が要求されてきており、ブラシを持たない三相ブラシレスＤＣモータへの置き換えが行われている（例えば、非特許文献１参照）。

図５は、三相ブラシレスＤＣモータの従来の制御装置を示すブロック図である。より具体的には、例えば、非特許文献１の図２．１５（ａ）に示すような三相ブリッジ回路を用いて、三相ブラシレスＤＣモータをエンジンコントローラで駆動する場合の構成を示している。

図５の制御装置は、エンジンコントローラ１０、ブラシレスＤＣモータ制御部１２０、およびバッテリー３０を備えている。そして、エンジンコントローラ１０は、マイコン１１、保護回路１３、および三相ブリッジ回路１４を備えている。また、ブラシレスＤＣモータ制御部１２０は、位置検出回路１２１、三相ブラシレスＤＣモータ１２２、および位置センサ１２３を備えている。このような構成を有する場合、三相ブラシレスＤＣモータ１２２のロータ位置の検出は、位置センサ１２３および永久磁石（図示せず）を用いて行われる（例えば、非特許文献２参照）。

１２０度通電の場合には、この非特許文献２の図２．２８、図２．２９に示すような通電ロジックによって、三相ブラシレスＤＣモータ１２２に電圧を供給する三相ブリッジ回路１４のスイッチング信号を生成するようにしている。

以上の処理は、エンジンコントローラ１０の内部に設けられたマイコン１１によって行われる。この場合、三相ブラシレスＤＣモータ１２２に接続された三相ブリッジ回路１４のスイッチング信号は、上述したように、位置センサ１２３と永久磁石とで検出したロータ位置に基づいて生成しなければならない。このため、高速回転では、エンジンコントローラ１０の処理負荷が高くなる。

一方、図６は、単相のブラシ付ＤＣモータの従来の制御装置を示すブロック図である。このような構成におけるブラシ付ＤＣモータ１３２は、モータ端子両端に電位差を与えれば、容易に回転させることが可能である。これに対して、三相ブラシレスＤＣモータ１２２は、３つの端子の電圧を、ロータ位置に応じて切り替える必要があり、モータ制御を専門としないエンジンコントローラのソフトウェア設計者にとっては、扱いづらいものとなっていた。

これらの課題に対応するための従来技術としては、次のようなものがある。図７は、三相ブラシレスＤＣモータの従来の制御装置を示す別のブロック図である。この図７に示す制御装置におけるエンジンコントローラ１０は、マイコン１１、および保護回路１３を備えている一方で、三相ブリッジ回路１４を備えていない。また、ブラシレスＤＣモータ制御部１２０は、位置検出回路１２１、三相ブラシレスＤＣモータ１２２、および位置センサ１２３を備えているとともに、マイコン１２４、三相ブリッジ回路１２５（図５における三相ブリッジ回路１４に相当）、保護回路１２６をさらに備えている。そして、エンジンコントローラ１０内のマイコン１１と、ブラシレスＤＣモータ制御部１２０内のマイコン１２４とは、ＣＡＮなどのシリアル通信を行っている。

最近では、この図７に示すように、ＣＡＮなどのシリアル通信を用いて制御指令を与える構成としている。このように、処理負荷の高い三相ブリッジ回路１２５のスイッチング信号の生成を、専用コントローラ内部のマイコン１２４によって行わせる構成とする場合が増えている（例えば、非特許文献３参照）。

なお、上述の構成以外に、母線電圧の直流値を可変にしてモータを速度制御するＰＡＭ制御がある（例えば、非特許文献４参照）。しかしながら、このようなＰＡＭ制御を用いる場合には、昇圧チョッパ回路部のインダクタによる電流の遅れが大きくなる。このため、スロットルバルブやＥＧＲバルブのようなサーボ用途には、応答性の関係で、適用されていない。

「自動車用モータ技術」日刊工業新聞社（３３、３９、５４、９７ページ参照） 「新・ブラシレスモータ」総合電子出版社（７４ページ参照） 「ＤＣモータ駆動式ＥＧＲバルブとその制御」三菱電機技報２００４年９月号（２９ページ参照） 「家電用モータ・インバータ技術」日刊工業新聞社（１６５ページ参照）

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
図７に示す従来の制御装置では、通信ラインがＣＡＮのみとなり、ＣＡＮ経由で位置指令を与えれば、少ない配線と少ないマイコン処理負荷で、モータに所望の動作を行わせることができる利点がある。しかしながら、専用コントローラには、エンジンコントローラと別に新たにマイコン１２４と保護回路１２６を設ける必要がある。このため、専用コントローラのコスト、サイズが大きくなるとともに、専用コントローラのソフトウェア開発の負荷が大きくなるといった課題があった。

また、スロットルバルブやＥＧＲバルブで三相ブラシレスＤＣモータを用いる場合、バルブの閉弁速度をできるだけ早くする必要がある。しかしながら、図７の構成では、ＣＡＮを経由して位置指令を与えるため、シリアル通信速度によってバルブを開閉する応答速度がかなり制限される（遅延する）という課題があった。

また、ブラシ付ＤＣモータは、モータ端子両端に電位差を与えれば容易に回転させることが可能である。しかしながら、先の図５の構成とした場合には、三相ブラシレスＤＣモータ１２２は、３つの端子の電圧をロータ位置に応じて切り替える必要がある。そのため、モータ制御を専門としないエンジンコントローラのソフトウェア設計者にとっては、扱いづらいものとなっていた。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ブラシ付ＤＣモータと同等の制御装置を用いて可変速制御することを可能とする三相ブラシレスＤＣモータ制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係る三相ブラシレスＤＣモータ制御装置は、三相ブリッジ回路の出力を制御することにより三相ブラシレスＤＣモータを駆動制御する制御回路を備えた三相ブラシレスＤＣモータ制御装置であって、三相ブリッジ回路に用いる直流電圧を供給する単相ブリッジ回路をさらに備え、制御回路は、外部から受信した回転方向信号に基づいて、三相ブラシレスＤＣモータを駆動制御するものである。

本発明に係る三相ブラシレスＤＣモータ制御装置によれば、単相ブリッジ回路と三相ブリッジ回路を組み合わせた構成を備え、外部から回転方向信号が制御回路に供給されるとともに、単相ブリッジ回路により可変制御された電圧が三相ブリッジ回路に供給されることにより、ブラシ付ＤＣモータと同じ制御装置を用いて可変速制御することを可能とする三相ブラシレスＤＣモータ制御装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１による三相ブラシレスＤＣモータ制御装置を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による三相ブラシレスＤＣモータ制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるエンジンコントローラを、ブラシ付ＤＣモータの制御に適用した場合のブロック図である。 本発明の実施の形態２による三相ブラシレスＤＣモータ制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。 三相ブラシレスＤＣモータの従来の制御装置を示すブロック図である。 単相のブラシ付ＤＣモータの従来の制御装置を示すブロック図である。 三相ブラシレスＤＣモータの従来の制御装置を示す別のブロック図である。

以下、本発明の三相ブラシレスＤＣモータ制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明に係る三相ブラシレスＤＣモータ制御装置は、単相ブリッジ回路の出力電圧を三相ブリッジ回路の直流電圧に直接用いて三相ブラシレスＤＣモータを駆動することを技術的特徴とするものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による三相ブラシレスＤＣモータ制御装置を示すブロック図である。図１の制御装置は、エンジンコントローラ１０、ブラシレスＤＣモータ制御部２０、およびバッテリー３０を備えている。そして、エンジンコントローラ１０は、マイコン１１、単相ブリッジ回路１２、および保護回路１３を備えている。また、ブラシレスＤＣモータ制御部２０は、インバータ回路２１、三相ブラシレスＤＣモータ２２、および位置センサ２３、を備えている。

単相ブリッジ回路１２の出力電圧信号５１は、ケーブルを介して、直流電圧もしくはパルス幅変調（ＰＷＭ変調）された矩形電圧として、インバータ回路２１に供給される。また、マイコン１１からの回転方向信号５２が、インバータ回路２１に取り込まれる。これにより、インバータ回路２１は、マイコン１１からの回転方向信号５２と、単相ブリッジ回路１２の出力電圧信号５１に基づいて、三相ブラシレスＤＣモータ２２の回転方向を切り替えるようにしている。一方、位置センサ２３による位置検出信号５３は、インバータ回路２１を介してマイコン１１に取り込まれる。

次に、インバータ回路２１の詳細について、説明する。図２は、本発明の実施の形態１による三相ブラシレスＤＣモータ制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。図２において、インバータ回路２１は、三相ブリッジ回路２１ａおよび制御回路２１ｂを備えて構成されている。ここで、制御回路２１ｂは、ゲートドライブ回路、通電ロジック回路、および位置検出回路を含んでいる。

なお、制御回路２１ｂ中に含まれる通電ロジック回路は、例えば、非特許文献２に記載されたものを適用できる（７４ページ、図２．２９参照）。また、制御回路２１ｂ中に含まれる位置検出回路は、ロータの回転位置が検出できるものであればよく、例えば、特許文献２に記載されたものを適用できる（７１ページ、図２．２５、あるいは７５ページ、図２．３５参照）

エンジンコントローラ１０における単相ブリッジ回路１２によりＰＷＭ変調を行って得られた出力電圧Ｖｄｃ（図１における出力電圧信号５１に相当）を、インバータ回路部２１内の三相ブリッジ回路２１ａへの入力としている。この結果、三相ブリッジ回路２１ａに入力される直流電流を、単相ブリッジ回路１２により変更できるようにしている。すなわち、このような単相ブリッジ回路１２と三相ブリッジ回路２１ａとを組み合わせた構成とすることで、三相ブラシレスＤＣモータ２２の制御を、ブラシ付ＤＣモータと同様にし、同時に、従来の三相ブラシレスＤＣモータよりも容易にすることが可能となる。

図３は、本発明の実施の形態１におけるエンジンコントローラ１０を、ブラシ付ＤＣモータの制御に適用した場合のブロック図である。図１あるいは図２の構成と同様のエンジンコントローラ１０と、従来技術で説明した先の図６におけるブラシ付ＤＣモータ制御部１３０とを接続した場合を例示している。エンジンコントローラ１０からブラシ付ＤＣモータ制御部１３０に対しては、回転方向信号５２を供給する必要がないため、その信号線が開放となっているが、それ以外のエンジンコントローラ１０の構成は、先の図６における従来の構成と同じである。このように、三相ブラシレスＤＣモータの制御に対して、ブラシ付ＤＣモータの制御に用いるエンジンコントローラと同等のものを用いることができる。

また、このような構成とすることで、ＣＡＮ通信を受けて三相ブリッジ回路へのスイッチング信号を生成するマイコン（先の図７におけるマイコン１１に相当）や、モータ、専用コントローラの異常時に母線電圧を遮断するための保護回路（先の図７における保護回路１２６に相当）が不要となる。この結果、制御回路基板のサイズ、コストを低減できる利点がある。

さらに、従来のＰＡＭ制御の課題であったインダクタによる電流応答遅れがなくなる。この結果、スロットルバルブやＥＧＲバルブのような、応答性が要求されるサーボ用途にも適用可能な制御装置となる。

以上のように、実施の形態１によれば、単相ブリッジ回路と三相ブリッジ回路を組み合わせた構成を備え、エンジンコントローラ側から、回転方向信号が制御回路に供給されるとともに、単相ブリッジ回路により可変制御された電圧が三相ブリッジ回路に供給される。従って、ＤＣモータと同様のエンジンコントローラを用いて、三相ブラシレスＤＣモータの制御を実現することができる。

この結果、ブラシレスＤＣモータの制御装置自体を容易に実現できるとともに、制御回路基板のサイズ、コストの低減化を図ることができる。さらに、本実施の形態１における制御装置は、電流応答遅れの問題を解消することができ、スロットルバルブやＥＧＲバルブのようなサーボ用途にも適用可能となる。

さらに、単相ブリッジ回路から三相ブリッジ回路に供給する電圧は、直流電圧以外にも、パルス幅変調（ＰＷＭ変調）された矩形電圧とすることができる。これにより、三相ブラシレスＤＣモータ制御装置にパルス幅変調の機能を搭載する必要がなくなり、三相ブラシレスＤＣモータ制御装置を簡素化することが可能となる。

さらに、単相ブリッジ回路を有するエンジンコントローラは、三相ブラシレスＤＣモータばかりでなく、ブラシ付ＤＣモータにも接続可能である。従来は、モータ形式にあわせて、ブリッジ回路の構成を変更しなければならなかったため、制御基板を共通化できない課題があった。これに対して、本発明のエンジンコントローラは、制御信号（回転方向信号）を１本追加するのみで、ブラシ付ＤＣモータの制御装置の構成を維持したまま、Ｓ／Ｗの変更のみで、ブラシレスＤＣモータとブラシ付ＤＣモータの両方の駆動が可能となり、制御基板を共通化できる。このため、基板設計、製造の共通化による開発期間の短縮化、低コストが図れるとともに、用途・耐久仕様に応じたモータの使い分けが容易になる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、エンジンコントローラ１０とブラシレスＤＣモータ制御部２０との間の接続関係が、先の実施の形態１とは異なる構成について、説明する。図４は、本発明の実施の形態２による三相ブラシレスＤＣモータ制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。本実施の形態２では、単相ブリッジ回路１２の出力の一方を、インバータ回路２１内の三相ブリッジ回路２１ａの直流電圧に使用し、他方をインバータ回路２１内の制御回路２１ｂのモータ正転・逆転識別信号に使用している。

そして、ブラシレスＤＣモータ２２の下側（Ｎ側）を、車両側のＧＮＤ（通常は、シャーシ）に接地している。このような構成とすることで、配線長さを短くできるとともに、先の実施の形態１における図２の構成と比べて、エンジンコントローラ１０からブラシレスＤＣモータ制御部２０への配線を少なくすることができる。

近年の車両は、エレクトロニクス機器の搭載数が増えており、設置スペースの確保、信頼性向上のために、配線数の削減が求められている。従って、図４に示したような接続構成をとることで、配線の短縮によるスペース効率の向上、配線材料コストの低減、および断線耐力の向上を図ることができる。

以上のように、実施の形態２によれば、エンジンコントローラとブラシレスＤＣモータ制御部との間の配線数を削減した構成を実現している。この結果、設置スペースの確保、および信頼性向上が要求される用途に適した制御装置とすることができる。

１０ エンジンコントローラ、１１ マイコン、１２ 単相ブリッジ回路、１３ 保護回路、１４ 三相ブリッジ回路、２０ ブラシレスＤＣモータ制御部、２１ インバータ回路、２１ａ 三相ブリッジ回路、２１ｂ 制御回路、２２ ブラシレスＤＣモータ、２３ 位置センサ、３０ バッテリー。

Claims (3)

1. 三相ブリッジ回路の出力を制御することにより三相ブラシレスＤＣモータを駆動制御する制御回路を備えた三相ブラシレスＤＣモータ制御装置であって、
   前記三相ブリッジ回路に用いる直流電圧を供給する単相ブリッジ回路をさらに備え、
   前記制御回路は、外部から受信した回転方向信号に基づいて、前記三相ブラシレスＤＣモータを駆動制御する
   ことを特徴とする三相ブラシレスＤＣモータ制御装置。
2. 請求項１に記載の三相ブラシレスＤＣモータ制御装置において、
   前記単相ブリッジ回路は、前記三相ブリッジ回路に用いる電圧として、前記直流電圧の代わりに、パルス幅変調された矩形電圧を供給することを特徴とする三相ブラシレスＤＣモータ制御装置。
3. 請求項１または２に記載の三相ブラシレスＤＣモータ制御装置において、
   前記単相ブリッジ回路の１対の出力の一方を三相ブリッジの直流電圧とし、他方を前記回転方向信号として前記制御回路に供給し、前記三相ブラシレスＤＣモータのＮ側をＧＮＤに接地したことを特徴とする三相ブラシレスＤＣモータ制御装置。

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