JP2011055697A - 有音化制御したモータ機構及び電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】電気バイクや電気自動車において、モータ機構から独立して警告音を発するための機構を設ける必要がなく、当該モータ自体の動作に直結した音を発生させる。
【解決手段】車両には、静かに走行する「市街地モード」と疑似エンジン音と振動を発生する「郊外モード」を切り替えるスイッチが取り付けてある。「郊外モード」を選択したときには、モータ制御装置が、与えられた音信号に基づいて、モータのモータ軸から振動トルクを発生させるための電気信号を当該モータに供給し、モータ軸においては電気信号に応じて音源となる振動が発生し、その振動がモータ軸に結合された負荷に伝達されることによって有音化し、疑似エンジン音と振動を発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの有音化制御技術に関するものである。モータを動力源とする電気自動車（電動バイクを含む）等の輸送用機器、家庭用電化製品において、そのモータを有音化制御する技術に関する。

モータを動力源とする電気自動車や電動バイク等の出現により、内燃機関特有の騒音問題は解決しつつある。しかし、これらの輸送用機器が静音化されたために、歩行者が電気自動車や電動バイクの接近に気づかずに接触事故を起こす危険性が生じている。この問題を解決すべく、車両速度検出部から受ける車速信号を基に、車速が低速の時には低い音に、車速が高い時には高い音にというように音声信号のレベルを切り替えて発音器から警告音を発する技術が提案されている（特許文献１）。

特開平７−２０５７５３号公報

従来は前述した技術のように、モータを含むモータ機構とは別に、独立して警告音を発するための機構を設ける必要があった。しかしながら、この機構を独立的に設けることは輸送用機器の低コスト化、簡素化を阻害することになるので好ましくない。また、従来のガソリン車においてエンジン音が接近を報知する警告音としての役割を果たしていたように、モータを動力源とする場合にも、当該モータ自体の動作に直結した音を発生させることが好ましい。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、モータ機構から独立して警告音を発するための機構を設ける必要のない技術を提供することにある。また、当該モータ自体の動作に直結した音を発生させる技術を提供することにある。即ち、モータ機構の有音化制御が本発明の目的である。

本発明は、以下の手段によってモータ機構の有音化を実現する。
［１．基本原理］
図１には本発明のモータ機構を示す。モータのトルク発生に関与する電流を制御し、モータ軸から音源となる振動を発生し、それをモータ軸に結合された負荷に伝達して、モータ及び負荷部から音や振動を発生する。モータ制御装置は与えられたモータ制御信号に基づいて、モータの回転速度や位置、トルクなどを制御する。一方、モータ制御装置は与えられる音信号に基づいて、モータ軸から振動を発生するための電流や電圧を制御する。モータは、モータ制御装置から与えられる電力に基づいて駆動トルクを発生し、モータ軸を回転すると共に、音信号に基づいた振動トルクも発生する。また、モータには回転速度やロータ位置検出装置、巻線電流検出装置などのセンサが取り付けられていても良い。この場合、センサによって得られた検出信号は、モータ制御装置に伝達される。モータによって発生した駆動トルク及び振動トルクは、モータ軸に結合された負荷部に伝達され、負荷を駆動すると共に、振動トルクによって負荷部が振動を起こし音や振動を発生する。

この振動を発生するのに使用可能なモータは、ブラシ付DCモータ、永久磁石同期モータ、ブラシレスDCモータ、誘導モータ、SRモータやリラクタンスモータなど、電磁気を利用したモータである。

［２．振動トルク電流生成原理］
モータ及び負荷部から音や振動を発生するには、モータ軸に音信号に基づいた振動トルクを発生する必要がある。モータトルクの発生は、トルク発生に寄与する電流i_qを制御することで達成できる。モータのロータには慣性モーメントJ_Mがあり、モータ軸に結合された負荷も慣性モーメントJ_Lがある。モータ発生トルクは、この両者を駆動することになる。モータと負荷の慣性モーメントをJ(J = J_M + J_L)とすると、モータ発生トルクTは、モータのトルク定数をK_Tとすると、次式で表される。

ここで、Dは粘性制動係数、ωは回転角速度、T_Lはクーロン摩擦負荷である。式１をブロック図で表現すると図２になる。図中、sはラプラス演算子である。

角周波数ω_s(ω_s = 2πf f：周波数)の一定音量の音を出したい場合、電流指令i_ｑは、次式で表される。

ここで、i_cは制御信号に基づき、トルクを発生するのに必要な電流、I_sは音を発生するための電流のピーク値である。

ここで、音信号に基づいてモータ軸を振動させる場合、モータ軸の振動は図２に示す1次遅れの関数を通過してモータ軸に現れる。このため、モータ軸の振動特性は、音信号によって作られる電流に対して、一定の電流を制御したのでは、振動の振幅は、周波数が高くなるにつれて減衰していき、高い周波数成分が得られない。そこで、周波数に関する振動振幅を一定に保つためには、振動を発生するための電流を調整することが必要である。この場合、モータに供給する電流i_qは、次式で求められる。

複数の周波数成分を出力したい場合は、次式のように出力したい周波数成分を重畳する。

また、複数の周波数が異なる信号を重畳し、この複数信号のビート信号を用いてモータ供給電流を制御、あるいは、モータ内部でビート信号を生成して振動を発生することもできる。

［３．振動発生するための回路方式］
（１）ブラシ付DCモータの場合
ブラシ付DCモータは、モータに供給される電流に比例してトルクが発生する。モータに供給する電流の制御法として、モータ駆動電圧を変調し、その結果モータ電流を制御する方法とモータ電流を直接制御する手法がある。いずれの場合も、リニアアンプを用いても、PWM制御による方法でも良い。
（ａ）電圧制御型を用いる方法
入力される音信号に基づいてモータ駆動電圧を変調し、変調された電圧をモータに供給することで電流変動を作り、その結果モータ発生トルクを制御する手法である。
（ｂ）電流制御型を用いる方法
入力される音信号に基づいてモータに供給される電流を直接制御する手法である。この場合は、モータ電流を電流センサなどで検出して制御回路にフィードバックするため、より安定した振動を発生させることが可能である。

（２）三相モータの場合
（ａ）方形波駆動
永久磁石同期モータのような三相モータの駆動は、3相ブリッジ回路が使用される。モータの駆動電圧は、各ブリッジのパワーデバイスのスイッチング信号の作り方によって任意に設定できる。また、ブリッジ回路に供給する直流電圧を制御しても良い。図３は、永久磁石同期モータにホール素子を組み込み、120度導通型駆動を行う回路である。この場合は、モータ供給電圧を音信号によって変調してインバータ回路に供給する手法である。

図４は、図３の回路と同じ原理でモータは駆動されるが、モータ駆動電圧は、各パワーデバイスのスイッチング時間を調整してモータ駆動電圧に変調をかける方式である。いずれの回路でも、モータ供給電圧が変調されているので、モータ電流が変化してモータ軸から振動が出力される。これらの方式では、モータが回転中でも、停止しているときでもモータ軸から振動が得られ、音を発することができる。

（ｂ）スカラー制御
永久磁石同期モータにエンコーダやレゾルバのようなロータ位置センサを取り付け、ロータの永久磁石の位置を検出し、モータ巻線に位相が120度異なる正弦波電圧または電流を供給して駆動する。図５に示すように音信号として与えられた情報でインバータ駆動電圧を制御して、モータ軸に振動を発生することもできる。また図６に示すようにインバータのスイッチングデバイスをPWM制御してモータ駆動電圧を作成している駆動方式では、パワーデバイスのスイッチングを行うPWM信号に音信号に基づいて変調を加えることで、モータ軸から振動を発生する手法である。モータ駆動電圧を音信号で変調して振動を発生させても良いし、電流を変調して振動を発生させても良い。

（ｃ）ベクトル制御
永久磁石同期モータを高効率に制御する手法としてベクトル制御が使用されている。ベクトル制御は、モータの中を図７に示すようにd軸とq軸に分けて制御する手法で、それぞれを独立して制御することで高効率にモータを制御可能な手法であり永久磁石同期モータの制御に広く使用されている。d軸電流はモータの永久磁石の磁束の向きと同じ向きに磁束を発生する電流であり、q軸電流はモータの永久磁石の磁束の向きと90度の角度を持って磁束を発生する電流である。d軸電流を制御することで永久磁石の持つ磁束を強めたり、弱めたりすることができ、駆動状況によって調整ができるためモータが発生するトルクに影響を与える。q軸電流は、永久磁石の持つ磁束の方向に対して90度の角度を持って磁束を発生する電流であるため、モータのトルク発生に直接関与する電流である。

ベクトル制御されているモータを用いて音や振動を発生するには、図８に示すような非干渉制御システムを含めたシステムで行うことが多いが、ない場合でも使用できる。図９にd軸電流を制御する場合、図１０にq軸電流を制御する場合のブロック図を示す。これらの図に示すようにd軸電流やq軸電流に音信号に基づいた電流を重畳することによってモータ軸から振動を発生することができる。

本発明はモータ機構内部で振動を発生させるものである。電気自動車や電気バイクにおいて、この振動に基づいた音、即ちモータ自体の動作に直結した音を発生させることによって歩行者等に対して接近を報知することができ、危険を回避することができる。例えば、疑似エンジン音やエンジン特有の振動などをモータの制御によって発生させることが可能である。従ってモータ機構から独立して警告音を発するための機構を設ける必要がなく、輸送用機器の低コスト化、簡素化に寄与する。また、電気自動車や電気バイクを運転する者に対しても、このようなモータ機構内部からの振動と音により自動車やバイクなどを操作しているという緊張感を認識させることができる。

本発明では、モータ軸を任意に振動させることができる。そのため、機械システムの振動や騒音等、発せられる信号に対して逆位相の信号を発生することにより、これらの振動又は騒音を打ち消すことが出来る。特に電気バイクは、市街地では低騒音で走行してほしい反面、搭乗者は内燃機関を用いたバイクと同様のバイク特有の乗り心地・感覚・緊張感を得るために音と振動がほしいという要求がある。本発明の適用によって、この要求を満たすことができる。

このような目的以外にも、輸送用機器に使用されているモータから、うるさいと感じない心地よい音、たとえば音楽やオルゴール音を発することができる。このようなオルゴール音等の耳障りでない音、軽やかな音や音声を出すことによっても、電気自動車や電動バイクなどの移動体が近づいていることを歩行者に気づかせることができる。このような電動化が進みつつある輸送用機器において、モータの制御によって音や振動を発生させることにより、スピーカ等の音発生装置を用いずに、様々な音を発生させることができる。

さらに輸送用機器以外にも本発明を適用する利点がある。換気扇、冷蔵庫、エアコン、洗濯機などの家電製品には動力源としてモータが使用されている。これらの製品は、今後ネットワークに接続され、室内、室外からネットワークを経由して、ソフトウェアのアップグレードや操作ができるようになる。ネットワークに接続された場合、外部から様々な情報を伝達できるようになり、モータから音声を発生して地域情報を伝達できる。また、冷蔵庫やエアコン等のモータが使用されている家電製品から、アラーム音や音声、音楽、オルゴール音などを出すこともでき、音声ガイドも可能となる。この際にスピーカなどを設置する必要がなく、安価にできる。

その他にも本発明を適用することによって、工場で高速可動しているロボットなどに搭載することにより周囲にロボットが作業していることを認知させることが出来る。また、機械の始動時・停止時に音・音声を出すことにより安全を確保できる。モータから様々な音を出せるため車両などのコーディネイトの自由度が増すという効果を期待できる。

図１は、本発明のモータ機構を示す図である。 図２は、式１のブロック図である。 図３は、永久磁石同期モータにホール素子を組み込み、120度導通型駆動を行う回路の回路図である。 図４は、図３の回路と同じ原理でモータが駆動され、各パワーデバイスのスイッチング時間を調整してモータ駆動電圧に変調をかける回路の回路図である。 図５は、音信号として与えられた情報でインバータ駆動電圧を制御して、モータ軸に振動を発生する回路の回路図である。 図６は、パワーデバイスのスイッチングを行うPWM信号に音信号に基づいて変調を加えることで、モータ軸から振動を発生する回路の回路図である。 図７は、モータの中をd軸とq軸に分けて制御するベクトル制御のブロック図である。 図８は、非干渉制御システムのブロック図である。 図９は、d軸電流を制御するときのブロック図である。 図１０は、q軸電流を制御するときのブロック図である。 図１１は、電動バイクのモータ駆動と有音化制御システムのシステム構成図である。 図１２は、モータ軸に振動を与え、モータ軸に結合されたシロッコファンに振動を伝達して音を出すシステムのシステム構成図である。

［１．電動バイク］
電動バイク使用されているインホイール型永久磁石同期モータから疑似エンジン音を発生するシステムである。モータはホール素子によってロータ磁極位置を検出し、120度導通型で駆動される。モータ駆動電圧の制御は、インバータのパワーデバイスをスイッチング（PWM制御）して行う。

（１） 音源の作成
実際の内燃機関バイクの音を記録し、その周波数成分を求める。特に顕著に現れる信号を抽出する。低い周波数の音は、2個の周波数成分によるビート信号で作成する。モータ回転速度によってビート信号の振幅と周波数は変わる。また、モータとタイヤの慣性モーメントをもとに音信号に基づく電流の振幅を求める。

（２）振動発生用電流指令の作成
モータはホール素子から得られる磁極位置情報に基づいて120度導通型で駆動される。このときモータの回転速度の調整はインバータ回路のパワーデバイスをスイッチングして行っている。このスイッチングを行っているPWM信号に作成した音源の電流になるように、電圧調整を行う。ビート信号を生成するもとの信号は、本例では100Hzと（100+発生したい周波数）Hzを重畳する。

（３）制御システム構成
電動バイクのモータ駆動と有音化制御システムのブロック図を図１１に示す。使用するモータには、ホールセンサが組み込まれた、タイヤとモータが一体となったインホイールモータ（永久磁石同期モータ）である。車両には、静かに走行する「市街地モード：静音モード」と疑似エンジン音と振動を発生する「郊外モード」を切り替えるスイッチが取り付けてある。制御ユニットはPWMインバータ回路とPWM信号を生成するマイコンシステムから構成されている。バイクに取り付けられているモード切替スイッチの情報は、マイコンにより読み込まれる。マイクロコンピュータは、切り替えスイッチの状態、スロットル情報、ブレーキ情報、キー情報を読み込み、120度導通型の駆動信号を発生する。このときのモータ駆動電圧の制御は、パワーデバイスをスイッチングして行う。

本システムでは、市街地モードの時は、通常のモータ駆動モードに入り、ホール素子情報に基づいて、モータに120度位相がずれた方形波電圧を供給する。電圧の振幅はスロットルからの情報に基づいて制御される。郊外モードでは、あらかじめメモリに記録された音源データに基づいて、音や振動を発生するための電流を流すために、2つの周波数の正弦波電圧を生成し、PWM信号に重畳してモータを駆動する。2つの周波数はスロットル情報に基づいて生成され、そのビート信号の振幅も調整される。

［本発明の応用］
（１）運転者に振動や音で運転支援情報等を伝える
近年は、車載カメラの映像から歩行者、横断歩道等の道路上の表示、道路標識、踏切等を認識する技術が多数存在し、製品化もされている。このような技術と本発明を組み合わせることで新たな効果を奏する。例えば、電気自動車（電動バイクも含む）の前方に人がいると認識した場合、一時停止の場所に近づいたとき、踏切に近づいたとき等に、各々の状況に対応した音信号に基づくモータの振動や音を発生させることができる。これにより、運転者に各種状況に相当する警報を発することができる。また、ＧＰＳによる位置情報に対応した音信号に基づくモータの振動や音を発生させることができる。これにより、例えば踏切が近いことを運転者に伝えることもできる。

（２）電気自動車の状態を運転者に振動や音で伝える
その他、電気自動車（電動バイクも含む）の内部状態（例えば制御回路のエラーの発生，バッテリーの残量等）を監視しておき、各々の状況に対応した音信号に基づくモータの振動や音を発生させることができる。これにより、運転者に電気自動車内部の状況を伝え、例えばバッテリーの充電が必要であることを認識させることもできる。

［２．換気扇］
マンションなどの台所に取り付けられている換気扇は、永久磁石同期モータにシロッコファンが取り付けられて使用されている。モータ軸に振動を与え、モータ軸に結合されたシロッコファンに振動を伝達して音を出すことができる。音源は音楽である。システムに入力された音は、換気扇のモータとファンの慣性モーメントを考慮して加工され、音楽に基づいて作成された電流を流すように、モータ駆動電圧を制御するPWM信号を変調する。

図１２にシステム構成図を示す。システムは、1個のマイクロコンピュータとモータ駆動ICから構成されている。MPUは、換気扇の風量制御に使用されている。入力された音楽情報からモータとシロッコファンの慣性モーメントに基づいてモータ軸から適切な振動を発生するために、電流を計算しモータ駆動電圧としてモータ駆動回路の電圧指令端子に入力する。モータの回転速度に無関係に入力された音楽をシロッコファンから出すことができる。

Claims (8)

1. 与えられたモータ制御信号に基づいて、モータの駆動トルクを制御するための電力をモータに供給するモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置から受けた電力に基づく駆動トルクを発生するモータとを含み、
   前記モータ制御装置は、前記モータ制御信号とは異なる与えられた音信号に基づいて、前記モータのモータ軸から振動トルクを発生させるための電気信号を前記モータに供給し、
   前記モータ軸においては前記電気信号に応じて音源となる振動が発生し、
   その振動が前記モータ軸に結合された負荷に伝達されることによって有音化されることを特徴とするモータ機構。
2. 請求項１に記載したモータ機構であって、
   fを周波数としたときに、角周波数ω_s(ω_s = 2πf )の一定音量の音を出す場合において、前記モータ制御装置から前記モータに供給する電流を、以下の式に基づいて決定することにより、高い周波数成分を減衰させずに周波数に関する振動振幅を一定に保つことを特徴とするモータ機構。
   

   

   ここで、Dは粘性制動係数、J = J_M + J_Lであって、J_Mはモータのロータの慣性モーメント、J_Lはモータ軸に結合された負荷の慣性モーメント、i_cは制御信号に基づきトルクを発生するのに必要な電流、I_sは音を発生するための電流のピーク値、tは時間である。
3. 請求項２に記載したモータ機構であって、
   それぞれ異なる周波数 f₁、 f₂、 f₃としたときに、角周波数ω_s1(ω_s1 = 2πf₁ )、ω_s2(ω_s2 = 2πf₂ )、ω_s3(ω_s3 = 2πf₃ )からなる一定音量の音を出す場合において、前記モータ制御装置から前記モータに供給する電流を、以下の式に基づいて決定することを特徴とするモータ機構。
   

   

   ここで、Dは粘性制動係数、J = J_M + J_Lであって、J_Mはモータのロータの慣性モーメント、J_Lはモータ軸に結合された負荷の慣性モーメント、i_cは制御信号に基づきトルクを発生するのに必要な電流、I_s1、I_s2、I_s3は音を発生するための電流のピーク値、tは時間である。
4. 請求項１に記載したモータ機構であって、
   前記振動トルクを発生させるための電気信号と逆位相の信号を発生することにより、前記振動トルクを打ち消す消音機構をさらに有し、
   前記逆位相の信号を発生させるか否かを選択可能であることを特徴とするモータ機構。
5. 請求項１に記載したモータ機構であって、
   前記モータ軸において発生した振動が当該モータ軸に結合されたファンに伝達されることによって音を発することを特徴とするモータ機構。
6. 請求項１に記載したモータ機構を有する電気自動車であって、
   前記電気自動車は車載カメラをさらに有し、
   前記車載カメラによって認識された情報に基づく音信号を前記モータ制御装置に与え、
   前記音信号に基づく振動又は音を発生することにより、運転者に前記情報に対応した警報を発することを特徴とする電気自動車。
7. 請求項１に記載したモータ機構を有する電気自動車であって、
   前記電気自動車はＧＰＳアンテナをさらに有し、
   前記ＧＰＳアンテナによって受信した情報に基づく音信号を前記モータ制御装置に与え、
   前記音信号に基づく振動又は音を発生することにより、運転者に前記情報に対応した警報を発することを特徴とする電気自動車。
8. 請求項１に記載したモータ機構を有する電気自動車であって、
   前記電気自動車は当該電気自動車の内部状態を監視する監視機構をさらに有し、
   前記監視機構により得られた情報に基づく音信号を前記モータ制御装置に与え、
   前記音信号に基づく振動又は音を発生することにより、運転者に前記情報に対応した警報を発することを特徴とする電気自動車。

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