JP2012080667A

JP2012080667A - 電動機の駆動制御方法

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Publication number: JP2012080667A
Application number: JP2010223478A
Authority: JP
Inventors: Masami Maruyama; 将見丸山; Takaaki Matsuda; 貴明松田
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: JP5498910B2

Abstract

【課題】モータに所定以上の負荷が作用したまま負荷保持動作に移行している間、各相コイルの発熱温度を均一化するように駆動制御する電動機の駆動制御方法を提供する。
【解決手段】制御回路７はモータコイル３に通電状態で、かつモータ負荷が所定負荷以上で負荷保持状態に移行し、当該負荷保持状態に移行している間、任意のロータ回転位置から所定電気角±（（１８０/ｎ）°；ｎは相数）だけ正逆回転する動作を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の駆動制御方法に関する。

電動機にはロータとステータが設けられている。ステータには、モータコイルがインシュレータを介してティース部に巻きつけられるステータコアが設けられている。
例えば車両用に用いられる電動機は、クラッチやブレーキなどに用いられておりモータの回転運動を負荷に対する直線運動に変換して伝達するようになっている。

例えば、クラッチの踏み込み量に応じて電動モータを駆動してアシスト部材を進退動させてクラッチ板を押し当ててクラッチを接続したりあるいはクラッチの接続を解除したりするクラッチ機構や、ブレーキペダルの踏み込み量に応じて電動モータを駆動することでアシスト部材を進退動させてマスタシリンダにブレーキ液圧を作用させるブレーキ機構などが提案されている。

上記クラッチシステムやブレーキシステムにおいては、ペダルを押し込んだ状態、例えば３相の電動モータのモータコイルに通電したままの状態（負荷保持状態）で回転停止状態を維持することがあり、各相電流のうち特定の１相だけ通電電流が大きくなるおそれがある。このような電動モータの温度上昇をサーミスタ等の温度センサを１個設けて、各相コイルの温度を演算により推定し、特定の相のコイル温度が所定値より上がりすぎた場合には最も大きな電流が流れる相の電流値（絶対値）をピーク値より外れるように回転位置を移動するように駆動制御する。具体的には、例えばモータ停止状態でＷ相に大電流が流れる場合、Ｗ相のピーク値より低下したＶ相と同等の電流値となりＵ相電流が零となる位置まで更に回転させることでＷ相のコイルの温度上昇を防ぐことができる（特許文献１参照）。

特開２００９−２２０８０７号公報

上述したモータ駆動装置においては、負荷保持するためモータを停止すると各相コイル温度が異なる可能性が高い。したがって、熱劣化により製品寿命が短くなる可能性が高い。また、モータハウジングに設けた温度センサよりコイル間の熱伝達特性を利用して温度検出を行なっているが、熱伝達のばらつきにより温度の検出誤差が発生し易い。また、温度センサの検出温度により各相コイルの温度を演算により推定する温度推定処理を行なっており、複雑な演算処理が必要になり制御動作が複雑になるうえに、温度センサを設ける分だけ部品コストも嵩む。
また、一定負荷以上でモータを停止して保持する場合通電量が多く必要になるためコイルや駆動回路が発熱し、モータ動作を開始するとこれらが更に温度上昇するため、使用温度範囲やモータサイズに制約があった。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、モータに所定以上の負荷が作用したまま負荷保持動作に移行している間、各相コイルの発熱量を均等にし、各相コイルの発熱量の総和も特定コイルに電流量が集中する場合に比べて低減した電動機の駆動制御方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
多相モータをアシスト機構の駆動源として用いる電動機の駆動制御方法であって、前記多相モータとそのモータ駆動回路を含む制御回路を具備し、前記制御回路はモータコイルに通電状態で、かつモータ負荷が所定負荷以上で負荷保持状態に移行し、当該負荷保持状態に移行している間、任意のロータ回転位置から所定電気角±（（１８０/ｎ）°；ｎは相数）だけ正逆回転する動作を繰り返すことを特徴とする。
これによれば、モータ負荷が所定負荷以上となっている間はロータを任意のロータ回転位置から正逆回転する負荷保持状態に移行するため、コイルの温度検出やロータの回転電気角についての複雑な制御が不要であり、簡易な構成で特定コイルの発熱を防ぐことができる。また、温度センサが不要であるので熱伝達特性のばらつきの影響も受けないので、使用環境にも影響されない。

また、前記ロータ回転位置が任意の負荷保持動作開始位置から負荷保持動作終了に至るまでロータを所定電気角度だけ所定速度で正逆回転する回転動作を繰り返す駆動制御を行うことを特徴とする。
これによれば、負荷保持状態に移行した後は任意のロータ回転位置から常に所定電気角だけ正逆回転させるだけで特定コイルの温度上昇を抑えることができ、各相コイルの発熱量を均等にし、各相コイルの発熱量の総和も特定コイルに電流量が集中する場合に比べて低減することができる。

また、前記負荷保持動作中のロータ回転速度は、負荷が加重する方向に速く、負荷が軽減する方向に遅くなるように駆動制御することを特徴とする。
これによれば、負荷保持状態に移行した後は、より発熱量が増える負荷加重方向への通電時間が短く、負荷軽減方向への通電時間がそれより長くなるため、各相コイルの発熱量の総和は回転速度一定の場合に比べて更に低減することができる。

上述した電動機の駆動制御方法を用いれば、モータに所定以上の負荷が作用したまま負荷保持動作に移行している間、各相コイルの発熱量を均等にし、各相コイルの発熱量の総和も特定コイルに電流量が集中する場合に比べて低減することができる。

電動機の駆動制御回路のブロック構成図である。負荷保持状態におけるモータ動作パターンを示すタイムチャート図である。他例に係る負荷保持状態におけるモータ動作パターンを示すタイムチャート図である。図２及び図３の負荷保持状態におけるモータ動作パターンにおける発熱量比較を示すためのシミュレーションデータの図表である。図４の負荷保持状態におけるモータ動作パターンにおけるコイルの温度変化を対比したグラフ図である。三相コイルに流れる電流が最大となる電気角を示す電流波形図と表である。図６のＵ相コイルを負荷保持停止位置に決めた場合の、６サイクル間に負荷保持停止位置（１）における停止時間を示すタイミングチャートである。６サイクル間の通電範囲内で、Ｕ相の負荷保持停止位置に停止した回数を示す表図である。特定の負荷保持位置のコイルの温度上昇を示すグラフ図である。

以下、本発明に係る電動機駆動制御方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態では、電動機として車載用の三相ＤＣブラシレスモータを用いた駆動制御方法について例示する。

図１のブロック図を参照して、電動機の概略構成について説明する。
電動モータ１は、クラッチペダルの踏み込み力をアシストする動力を発生させる。クラッチペダルの踏み込み動作及び戻り動作に応じて電動モータ１が正逆回転駆動することで、アシスト機構を構成するボールねじを介してクラッチ板どうしを接離動させる回転‐直線運動に変換することによりクラッチの接続・接続解除が行われる。このクラッチペダルを踏み込んで電動モータ１に通電したまま停止状態となる（負荷保持停止状態）ことで、特定相のモータコイル３に最大電流が流れて加熱損傷するおそれがある。

ロータ２は、図示しないシャフトにロータマグネットが一体に組み付けられて回転可能に軸支されている。ロータマグネットはシャフトの中途部に一体に組み付けられ、両側を軸受部（ボールベアリング）により回転可能に支持されている。

図示しないロータマグネットと対向配置されたステータコアには、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）のモータコイル３が巻き付けられている。各相モータコイル３は、後述する制御回路により所定のタイミングでモータ電流が流れる。本実施例では、各相モータコイル３はＹ結線されている。尚、モータコイル３の結線方法はＹ結線に限定されるものではなく、デルタ結線でも本発明を実施できることは言うまでもない。

ロータマグネットの磁極位置を回転センサ（ホールセンサ）４により検出することによりロータ２の回転位置が検出される。また、電動モータ１の回転変位から、車体に対するクラッチ板の絶対変位を検出する位置センサ（レゾルバ）５が設けられている。

上記回転センサ４及び位置センサ５は制御ユニット６（車載用ＥＣＵ）に接続されている。制御ユニット６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどの各種制御素子を備えた制御回路７により電動モータ１の駆動を制御する。制御回路７は、バッテリーなどの直流電源８より直流電源電圧が供給されて動作する。
回転センサ４で検出された検出信号は制御回路７に供給される。制御回路７は、ロータ回転位置に応じて、ＦＥＴドライバ９を通じてＦＥＴブリッジ回路１０を通じて各相モータコイル３のうちいずれか２相に電流方向を変えて流すことにより、ロータ２の回転を付勢するように通電制御する。

また、レゾルバＬＳＩ（大規模集積回路）１１は、位置センサ５の検出信号から、駆動停止した電動モータ１の回転角を検出する。このレゾルバＬＳＩ１１によってモータコイル３に通電状態で、かつモータ負荷が所定負荷以上で負荷保持状態に移行し、任意のロータ回転位置から制御回路７はＦＥＴドライバ９を通じてＦＥＴブリッジ回路１０を通じて所定電気角±（（１８０/ｎ）°；ｎは相数）だけ正逆回転する動作を繰り返す。

具体的には、三相モータの各相モータコイル３に通電状態でロータ２の回転が所定負荷以上になっている間、当該各相モータコイル３に供給される各相電流が、任意の直前回転位置に対して電気角で６０°（１８０/ｎ；ｎは相数であって、２以上の整数）だけ正転及び逆転させる正逆回転運動を繰り返すように制御する。

これによりモータ負荷が所定負荷以上となっている間はロータを正逆回転する負荷保持状態に移行するため、コイルの温度検出やロータの回転電気角についての複雑な制御が不要であり、簡易な構成で特定コイルの発熱を防ぐことができる。また、温度センサが不要であるので熱伝達特性のばらつきの影響も受けないので、使用環境にも影響されない。

Ｕ，Ｖ，Ｗの各相コイルの発熱量Ｑ（Ｊ）は、抵抗値Ｒ（Ω），電流値Ｉ（Ａ），通電時間ｔ（ｓ）とすると、Ｑ＝Ｉ^２Ｒｔで与えられる。よって、特定の負荷保持停止状態でのロータ位置（以下、負荷保持停止位置という）からロータを所定回転させて前記の特定の負荷保持停止位置に戻るまでを１サイクルとすると、１サイクル若しくは複数サイクル間の通電範囲内で各停止位置における停止時間ｔが同一であれば、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相コイルに流れる電流が順番に最大となり発熱量Ｑが平均化される。よって、基準位置は不問であり、任意の直前回転位置に対して三相の場合、可変電気角を６０°×Ｎ（Ｎは整数であって３の倍数を除く）とすることで、発熱量Ｑを平均化することができる。

ロータ回転位置が任意の負荷保持動作開始位置から負荷保持動作終了に至るまでロータを所定電気角度だけ所定速度で正逆回転する回転動作を繰り返すことにより、各相コイルへの通電時間の総和が同一になるよう駆動制御する。これによれば、負荷保持状態に移行した後は任意のロータ回転位置から常に所定電気角だけ正逆回転させるだけで特定コイルの温度上昇を抑えることができ、各相コイルの発熱量を均等にし、各相コイルの発熱量の総和も特定コイルに電流量が集中する場合に比べて低減することができる。

また、負荷保持動作中のロータ回転速度は、負荷が加重する方向に速く、負荷が軽減する方向に遅くなるように駆動制御するとよい。これによれば、負荷保持状態に移行した後は、より発熱量が増える負荷加重方向への通電時間が短く、負荷軽減方向への通電時間がそれより長くなるため、各相コイルの発熱量の総和は回転速度一定の場合と比べて更に低減することができる。

尚、可変電気角を６０°×３Ｎ（Ｎは整数）では、同相コイルに流れる電流の向きが変わるだけで同じ電流値の電流が流れたまま停止するため特定相のモータコイル３の発熱量Ｑが増大する。

以下、通電動作パターン例について図２乃至図５を参照して説明する。
図２は、三相モータコイル３において、モータ負荷が所定負荷以上になり負荷保持状態に移行している間にロータが任意の回転位置から正逆回転する電気角を各々α（中間位置）β（反転位置）γ（正転位置）で示した回転位置とモータ速度を示すタイミングチャートである。
クラッチペダルの踏み込み動作と戻り動作が繰り返し行われるため、踏み込み時を正回転とすると戻り時には逆回転となる。本実施例では正転時と逆転時とは同じ回転速度で回転するものとする。尚、負荷保持状態は、モータ負荷が所定以上になれば継続され、それ以外は、通常のモータ駆動及び駆動停止動作が行われる。
以上のように負荷保持状態に移行した後は任意のロータ回転位置から常に所定電気角だけ正逆回転させるだけで特定コイルの温度上昇を抑えることができ、制御動作を簡略化することができる。

図３は、三相モータコイル３において、モータ負荷が所定負荷以上になり負荷保持状態に移行している間にロータが任意の回転位置から正逆回転する電気角を各々α（中間位置）β（反転位置）γ（正転位置）で示した回転位置とモータ速度を示すタイミングチャートである。図２と異なり、負荷保持動作中のロータ回転速度は、負荷が加重する方向（電気角β⇒電気角α⇒電気角γ）に速く（通電時間が短く）、負荷が軽減する方向（電気角γ⇒電気角α⇒電気角β）に遅く（通電時間が長く）なるように駆動制御される。

図２と図３の負荷保持状態における電気角一定速度制御と電気角可変速度制御と発熱量との関係をシミュレーションした結果を図４の比較図に示す。
図４（ａ）は、モータ１回転当たりの回転時間を示す。一定速度制御の場合、負荷加重方向（正転）及び負荷軽減方向（逆転）において１０５０（ｍｓ／回転）で一定である。可変速度制御の場合、負荷加重方向には７０（ｍｓ／回転）で回転し負荷軽減方向には７０００（ｍｓ／回転）で回転する。

図４（ｂ）は、一定速度制御と可変速度制御とで同一回転時間２１２１００（ｍｓ）内における回転方向と回転数との関係を示す。一定速度制御の場合には、１０１回転し、負荷加重方向（正転）及び負荷軽減方向（逆転）において１０６０５０（ｍｓ）で等しくなる。可変速度制御の場合には、３０回転し、負荷加重方向には２１００（ｍｓ）間回転し負荷軽減方向には２１００００（ｍｓ）間で回転する。

図４（ｃ）は、一定速度制御と可変速度制御とでコイルに流れる電流値を示す。一定速度制御の場合には、負荷加重方向（正転）に３５（Ａ）、負荷軽減方向（逆転）に３０（Ａ）流れる。また、可変速度制御の場合には、負荷加重方向（正転）に４０（Ａ）、負荷軽減方向（逆転）に３０（Ａ）流れる。いずれも負荷加重方向に回転する場合には負荷軽減方向に回転する場合に比べて大電流が流れることが分かる。

図４（ｄ）は、一定速度制御と可変速度制御とで単位時間あたりのコイルの発熱量（Ｑ（Ｊ）／ｔ（ｍｓ））と回転方向との関係を示す。一定速度制御の場合には、負荷加重方向（正転）で１２２５（Ｊ／ｍｓ）、負荷軽減方向（逆転）において９００（Ｊ／ｍｓ）となる。可変速度制御の場合には、負荷加重方向には１６００（Ｊ／ｍｓ）、負荷軽減方向には９００（Ｊ／ｍｓ）発熱する。いずれも負荷加重方向に回転する場合には負荷軽減方向に回転する場合に比べて単位時間あたりの発熱量が多くなることが分かる。

図４（ｅ）は負荷保持状態における一定速度制御と可変速度制御とでトータルのコイルの発熱量Ｑ（Ｊ）と回転方向との関係を示す。一定速度制御の場合には、負荷加重方向（正転）で１２９９１１２５０（Ｊ）、負荷軽減方向（逆転）において９５４４５０００（Ｊ）となるため、トータル発熱量は２２５３５６２５０（Ｊ）となる。一方可変速度制御の場合には、負荷加重方向（正転）で３３６００００（Ｊ）、負荷軽減方向（逆転）において１８９００００００（Ｊ）となるため、トータル発熱量は１９２３６００００（Ｊ）となる。
よって差引で３２９９６２５０（Ｊ）（温度低減率１４．６４％）だけ可変速度制御の方がより発熱量を低減できることになる。

実際に三相コイルを用いて負荷保持状態における一定速度制御と可変速度制御との温度上昇の時間変化をグラフ化したのが図５である。
図５によれば、一定速度制御した場合に、コイル温度は１０２℃に抑えることができたが、可変速度制御にした場合には、８９℃と更にコイル温度を抑制することができることが判明した。一定速度制御と可変速度制御を行なった結果の温度差は１３Ｋであり、温度低減比率は１２．７％となり、図４（ｅ）のシミュレーション結果とほぼ一致することが判明した。
これによれば、負荷保持状態に移行した後は、より発熱量が増える負荷加重方向への通電時間が短く、負荷軽減方向への通電時間がそれより長くなるため、各相コイルの発熱量の総和を回転速度一定の場合と比べて更に低減することができる。

一方、図６乃至図８は、本願発明の対比例を示すもので、特定相のコイルに負荷保持停止状態を決めたときの各相コイルの経時的な温度変化を説明する対比図である。
図６は三相コイルに流れる電流が最大となる電気角を示す電流波形図と表である。
図７は図６のＵ相コイルを負荷保持停止位置に決めた場合の、６サイクル間に負荷保持停止位置（１）における停止時間を示すタイミングチャートである。
図７の通電動作パターンは、１回目の負荷保持停止位置はＵ相コイルに通電状態で１Ｔ停止し、その後ロータ回転位置に応じてＶ相コイル乃至Ｗ相コイルに通電している時でもＵ相コイルへ通電する負荷保持停止位置（１）まで回転して停止するため以降はこのパターンを繰り返すことになる。

図８は６サイクル間の通電範囲内で、Ｕ相の負荷保持停止位置に停止した回数を示す表図である。通電パターンが異なる１〜６のサイクルにおいていずれもＵ相の負荷保持停止位置（１）に停止するため、停止回数は６回となる。

このため、負荷保持停止位置（１）がＵ相コイルのみに偏っているため、図９に示す各相コイルの発熱量は、Ｕ相コイルの温度上昇が他相コイルよりも増大してしまう。これを本発明と比較すると、図５では、可変速度一定の場合でもコイルＶ相の１０２℃（温度上昇値）が最も高い温度であるのに対して、図９のＵ相は１２０℃に達し、１８℃も高温（本発明に対して１７．６％も上昇）になってしまうことがわかる。

上述した負荷保持状態に移行する負荷トルクの値は任意に設定可能である。
また、本実施例では三相モータについて説明したが、二相モータ、四相モータ等であっても良い。
また、電動モータは、インナーロータ型のＤＣブラシレスモータであってもアウターロータ型のＤＣブラシレスモータであってもいずれでもよい。

１電動モータ
２ロータ
３モータコイル
４回転センサ
５位置センサ
６制御ユニット
７制御回路
８直流電源
９ＦＥＴドライバ
１０ＦＥＴブリッジ回路
１１レゾルバＬＳＩ

Claims

多相モータをアシスト機構の駆動源として用いる電動機の駆動制御方法であって、
前記多相モータとそのモータ駆動回路を含む制御回路を具備し、前記制御回路はモータコイルに通電状態で、かつモータ負荷が所定負荷以上で負荷保持状態に移行し、当該負荷保持状態に移行している間、任意のロータ回転位置から所定電気角±（（１８０/ｎ）°；ｎは相数）だけ正逆回転する動作を繰り返すことを特徴とする電動機の駆動制御方法。
前記ロータ回転位置が任意の負荷保持動作開始位置から負荷保持動作終了に至るまでロータを所定電気角度だけ所定速度で正逆回転する回転動作を繰り返すことにより、各相コイルの発熱量の総和が低減するよう駆動制御する請求項１記載の電動機の駆動制御方法。
前記負荷保持動作中のロータ回転速度は、負荷が加重する方向に速く、負荷が軽減する方向に遅くなるように駆動制御することを特徴とする請求項１又は２記載の電動機の駆動制御方法。