JP2013085407A - Brushless motor control method and brushless motor control apparatus, brushless motor, and electric power steering device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスモータにおけるトルク向上技術に関し、特に、電動パワーステアリング装置(EPS)の駆動源として使用されるブラシレスモータに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a torque improving technique in a brushless motor, and more particularly to a technique effective when applied to a brushless motor used as a drive source of an electric power steering apparatus (EPS).
一般に、ロータ表面にマグネットを張り付けたSPM(Surface Permanent Magnet)型のブラシレスモータは、d軸(磁極がつくる磁束の方向(永久磁石の中心軸方向))・q軸(d軸と電気的、磁気的に直交する軸(永久磁石間の軸))方向のインダクタンスに差がなく、d・q軸のインダクタンス差によって生じるリラクタンストルクは利用できないと考えられている。特に、リングマグネットを用いた場合、ロータの外周が等幅のマグネットで覆われた構成となるため、d・q軸の磁気抵抗差がなく(突極比=1)、d・q軸にインダクタンス差が生じず、リラクタンストルクも発生しない。 Generally, a brushless motor of the SPM (Surface Permanent Magnet) type with a magnet attached to the rotor surface has a d-axis (direction of magnetic flux generated by the magnetic pole (the central axis direction of the permanent magnet)) and q-axis (electrical and magnetic with the d-axis). It is considered that there is no difference in the inductance in the direction perpendicular to the axis (the axis between the permanent magnets), and the reluctance torque generated by the inductance difference between the d and q axes cannot be used. In particular, when a ring magnet is used, since the outer periphery of the rotor is covered with a uniform-width magnet, there is no difference in magnetoresistance between the d and q axes (the salient pole ratio = 1), and there is an inductance on the d and q axes. There is no difference and no reluctance torque is generated.
ブラシレスモータのトータルトルクTtは、
Tt=マグネットトルクTm+リラクタンストルクTr
=p・φa・Iq+p・(Lq−Ld)・Id・Iq
(p:極対数,φa:永久磁石による電機子鎖交磁束,Lq:q軸インダクタンス,Ld:d軸インダクタンス,Id:d軸電流,Iq:q軸電流)
のように表され、インダクタンスLd,Lqに差がないSPM型モータでは、上式の第2項が0となる。従って、このようなモータにd軸電流Idを印加してもトルクには全く反映されず、リラクタンストルクによるトルクアップは望めない。
The total torque Tt of the brushless motor is
Tt = Magnet torque Tm + Reluctance torque Tr
= P · φa · Iq + p · (Lq−Ld) · Id · Iq
(P: number of pole pairs, φa: armature flux linkage by permanent magnet, Lq: q-axis inductance, Ld: d-axis inductance, Id: d-axis current, Iq: q-axis current)
In the SPM type motor that is expressed as follows and has no difference between the inductances Ld and Lq, the second term of the above equation is zero. Therefore, even if the d-axis current Id is applied to such a motor, the torque is not reflected at all, and a torque increase due to the reluctance torque cannot be expected.
一方、モータのトルクアップを図るには、ネオジムマグネットのような高磁束密度のマグネットを使用し、ロータ磁束を増加させることが考えられる。ところが、レアアースを使用したマグネットは、非常に高価であると共に、資源供給上の問題もあり、その使用量はなるべく抑えることが望ましい。このため、マグネット数を増やすことなくトルクアップを図るため、従来より、巻線のターン数を増やすという方策が行われており、例えば、ロータ径を小さくして巻線のターン数を増やすなど、磁気装荷から電気装荷へ装荷の割合を変更してモータトルクの増加を図る方法などが種々提案されている。 On the other hand, in order to increase the torque of the motor, it is conceivable to increase the rotor magnetic flux by using a magnet having a high magnetic flux density such as a neodymium magnet. However, magnets using rare earths are very expensive and have problems in supplying resources, so it is desirable to suppress the amount used. For this reason, in order to increase torque without increasing the number of magnets, conventionally, measures have been taken to increase the number of turns of the winding, such as increasing the number of turns of the winding by reducing the rotor diameter, etc. Various methods for increasing the motor torque by changing the loading ratio from magnetic loading to electric loading have been proposed.
しかしながら、トルクを得るべく巻線ターン数を増加させると、その分、コイルのインダクタンスも増加する。インダクタンスが大きくなると、高負荷側(高電流域)にて電機子反作用の影響が大きくなり、図11に示すように、いわゆるトルクだれが発生し、理論トルク(磁束×電流)に対し、実際に得られるトルクが低くなってしまう。トルクだれが生じると、モータ効率が低下し、理論トルクと同じトルクを得るためには、より多くの相電流を供給する必要が生じる。例えば、図11のモータでは、4.0Nmのトルクを得るためには、理論上は80A強にて足りるにもかかわらず、トルクだれにより実際には100A近くの電流が必要となる。 However, when the number of winding turns is increased to obtain torque, the inductance of the coil increases accordingly. As the inductance increases, the effect of the armature reaction increases on the high load side (high current region), and as shown in FIG. 11, a so-called torque droop occurs, and the actual torque (flux × current) is actually increased. The resulting torque will be low. If the torque droop occurs, the motor efficiency decreases, and it is necessary to supply more phase current in order to obtain the same torque as the theoretical torque. For example, in order to obtain a torque of 4.0 Nm in the motor shown in FIG. 11, a current of nearly 100 A is actually required due to the torque, although theoretically just over 80 A is sufficient.
そこで、トルクだれを補うべく軸長を伸ばして磁束を増大させると、モータが大型化してしまい、ネオジマグネットのような高価なマグネットを使っている場合、マグネット量が増加しコスト高ともなる。また、電機子反作用の影響を受けにくくするには、インダクタンスを下げれば良いが、トルクを維持しつつインダクタンスを減らすには、ターン数を減らして軸長を伸ばしたり、ステータの磁束密度を下げるためティース幅を広くしたりする必要があり、やはりモータ体格が大きくなってしまい好ましくない。 Therefore, if the axial length is increased to compensate for the torque droop and the magnetic flux is increased, the motor becomes larger, and when an expensive magnet such as a neodymium magnet is used, the amount of magnet increases and the cost increases. In order to make it less susceptible to the effects of armature reaction, the inductance can be reduced. To reduce the inductance while maintaining the torque, the number of turns can be reduced, the shaft length can be increased, and the stator magnetic flux density can be reduced. It is necessary to increase the teeth width, which is also not preferable because the motor size increases.
本発明の目的は、d軸方向とq軸方向のインダクタンスに差があるモータにおいて、高負荷側のトルクだれを防止し、モータのトルク向上や小型化を図ることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to prevent torque droop on the high load side in a motor having a difference in inductance between the d-axis direction and the q-axis direction, and to improve the motor torque and reduce the size.
本発明のブラシレスモータ制御方法は、複数相の電機子巻線を備えたステータと、永久磁石が配置され前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備え、前記永久磁石によって形成される磁路のd軸方向のインダクタンスとq軸方向のインダクタンスとの間に差を有するブラシレスモータの制御方法であって、電機子反作用の影響によって理論トルクに対して出力トルクが減少する高負荷領域にて、前記電機子巻線に対する供給電流にd軸電流Idを付加する進角制御を行い、前記高負荷領域にて、前記永久磁石の磁気的吸引力によるマグネットトルクと、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクとによって前記ロータを回転させることを特徴とする。 A brushless motor control method according to the present invention includes a stator having a plurality of phases of armature windings, and a rotor in which a permanent magnet is disposed and rotatably disposed inside the stator, and is formed by the permanent magnet. A method for controlling a brushless motor having a difference between an inductance in the d-axis direction and an inductance in the q-axis direction of a magnetic path, in which the output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the influence of the armature reaction And a lead angle control for adding a d-axis current Id to the supply current to the armature winding, and in the high load region, the magnet torque due to the magnetic attractive force of the permanent magnet and the inductance difference of the magnetic path The rotor is rotated by a reluctance torque based on the above.
本発明にあっては、d軸方向のインダクタンスとq軸方向のインダクタンスが異なるブラシレスモータに対し、高負荷領域にて進角制御を実施し、マグネットトルクとリラクタンストルクとによってロータを回転させる。これにより、トルクだれ領域におけるトルクアップが図られ、ブラシレスモータのトルク性能が向上する。また、モータトルク向上に伴い、より小さな体格のモータで従前同様のトルクを得ることができ、モータの小形軽量化が図られる。 In the present invention, the advance angle control is performed in a high load region for a brushless motor having different inductances in the d-axis direction and the q-axis direction, and the rotor is rotated by the magnet torque and the reluctance torque. As a result, torque is increased in the torque droop region, and the torque performance of the brushless motor is improved. Further, as the motor torque is improved, the same torque can be obtained with a motor having a smaller physique, and the motor can be reduced in size and weight.
前記ブラシレスモータ制御方法において、前記ロータとして、多角形状の断面を有するロータコアと、該ロータコアの外周の各辺部分に取り付けられたセグメントマグネットとを備え、前記セグメントマグネットの中心軸方向に沿ったd軸方向のインダクタンスと、前記セグメントマグネットの間の前記ロータコア頂角部分を通るq軸インダクタンスとの間に差違が存在するものを使用しても良い。また、前記進角制御を前記高負荷領域のみにて実施し、電機子反作用の影響が少なく理論トルクに対して出力トルクが余り減少しない低負荷領域では実施しないようにしても良い。さらに、前記ブラシレスモータは、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用されるモータであっても良い。 In the brushless motor control method, the rotor includes a rotor core having a polygonal cross section, and a segment magnet attached to each side portion of the outer periphery of the rotor core, and a d-axis along the central axis direction of the segment magnet You may use what has a difference between the direction inductance and the q-axis inductance passing through the rotor core apex portion between the segment magnets. Further, the advance angle control may be performed only in the high load region and may not be performed in the low load region where the influence of the armature reaction is small and the output torque does not decrease much with respect to the theoretical torque. Furthermore, the brushless motor may be a motor used as a drive source of the electric power steering apparatus.
本発明のブラシレスモータ制御装置は、複数相の電機子巻線を備えたステータと、永久磁石が配置され前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備え、前記永久磁石によって形成される磁路のd軸方向のインダクタンスとq軸方向のインダクタンスとの間に差を有するブラシレスモータの駆動制御を行う制御装置であって、前記電機子巻線の相電流を検出する電流センサと、当該ブラシレスモータの負荷状態に応じて、該ブラシレスモータに供給される巻線電流値を算出する電流指令部と、を備え、該電流指令部は、前記電流センサにて検出した相電流値に基づいて、電機子反作用の影響によって理論トルクに対して出力トルクが減少する高負荷領域にて進角制御を行い、前記電機子巻線に対する供給電流にd軸電流Idを付加する供給電流算出部を有することを特徴とする。 A brushless motor control device according to the present invention includes a stator including a plurality of phases of armature windings, and a rotor in which a permanent magnet is disposed and rotatably disposed inside the stator, and is formed by the permanent magnet. A control device for controlling the driving of a brushless motor having a difference between an inductance in the d-axis direction and an inductance in the q-axis direction of a magnetic path, wherein the current sensor detects a phase current of the armature winding; A current command unit that calculates a winding current value supplied to the brushless motor according to a load state of the brushless motor, and the current command unit is based on a phase current value detected by the current sensor. Then, advance angle control is performed in a high load region where the output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the effect of the armature reaction, and the d-axis current Id is added to the supply current to the armature winding Characterized in that it has a supply current calculation section for.
本発明にあっては、d軸方向のインダクタンスとq軸方向のインダクタンスが異なるブラシレスモータに対し、供給電流算出部により高負荷領域にて進角制御を実施し、マグネットトルクとリラクタンストルクとによってロータを回転させる。これにより、トルクだれ領域におけるトルクアップが図られ、ブラシレスモータのトルク性能が向上する。また、モータトルク向上に伴い、より小さな体格のモータで従前同様のトルクを得ることができ、モータの小形軽量化が図られる。 In the present invention, the advance angle control is performed in the high load region by the supply current calculation unit for the brushless motor in which the inductance in the d-axis direction and the inductance in the q-axis direction are different, and the rotor is generated by magnet torque and reluctance torque Rotate. As a result, torque is increased in the torque droop region, and the torque performance of the brushless motor is improved. Further, as the motor torque is improved, the same torque can be obtained with a motor having a smaller physique, and the motor can be reduced in size and weight.
前記ブラシレスモータ制御装置において、前記電流指令部に、前記相電流と前記進角制御における進角値βとの関係が示された進角制御マップを配しても良い。また、前記ロータとして、多角形状の断面を有するロータコアと、該ロータコアの外周の各辺部分に取り付けられたセグメントマグネットとを備え、前記セグメントマグネットの中心軸方向に沿ったd軸方向のインダクタンスと、前記セグメントマグネットの間の前記ロータコア頂角部分を通るq軸インダクタンスとの間に差違が存在するものを使用しても良い。さらに、前記ブラシレスモータは、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用されるモータであっても良い。 In the brushless motor control device, an advance angle control map showing a relationship between the phase current and an advance value β in the advance angle control may be arranged in the current command unit. The rotor includes a rotor core having a polygonal cross section, and a segment magnet attached to each side portion of the outer periphery of the rotor core, and an inductance in the d-axis direction along the central axis direction of the segment magnet; You may use what has a difference with the q-axis inductance which passes along the said rotor core apex angle part between the said segment magnets. Furthermore, the brushless motor may be a motor used as a drive source of the electric power steering apparatus.
本発明のブラシレスモータは、複数相の電機子巻線を備えたステータと、永久磁石が配置され前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を有するブラシレスモータであって、前記ロータは、多角形状の断面を有するロータコアと、該ロータコアの外周の各辺部分に取り付けられたセグメントマグネットと、を備え、前記セグメントマグネットの中心軸方向に沿ったd軸方向のインダクタンスと、前記セグメントマグネットの間の前記ロータコア頂角部分を通るq軸インダクタンスとの間に差違が存在し、電機子反作用の影響によって理論トルクに対して出力トルクが減少する高負荷領域にて、前記電機子巻線に対する供給電流にd軸電流Idを付加する進角制御が実施され、前記高負荷領域にて、前記永久磁石の磁気的吸引力によるマグネットトルクと、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクとによって前記ロータが回転することを特徴とする。 A brushless motor of the present invention is a brushless motor having a stator having armature windings of a plurality of phases, and a rotor in which permanent magnets are arranged and rotatably arranged inside the stator. A rotor core having a polygonal cross section, and a segment magnet attached to each side portion of the outer periphery of the rotor core, and an inductance in the d-axis direction along the central axis direction of the segment magnet, Supply to the armature winding in a high load region in which there is a difference between the q-axis inductance passing through the rotor core apex angle portion and the output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the influence of the armature reaction Lead angle control is performed to add the d-axis current Id to the current, and the magnetic attraction force of the permanent magnet is increased in the high load region. A magnet torque that said rotor by the reluctance torque based on the inductance difference of the magnetic path is characterized by rotating.
本発明のブラシレスモータにあっては、多角形状の断面を有するロータコアと、該ロータコアの外周の各辺部分に取り付けられたセグメントマグネットと、を備え、高負荷領域において進角制御が実施され、マグネットトルクとリラクタンストルクにてロータが回転する。これにより、トルクだれ領域におけるトルクアップが図られ、相電流を増加させることなく、また、軸長を伸ばしたり、ティース幅を広くしたりすることなく、モータトルクを増大させることが可能となる。また、モータトルク向上に伴い、より小さな体格にて従前同様のトルクを得ることができ、モータの小形軽量化が図られる。 The brushless motor of the present invention includes a rotor core having a polygonal cross section and segment magnets attached to each side portion of the outer periphery of the rotor core, and the advance angle control is performed in a high load region, and the magnet The rotor rotates with torque and reluctance torque. As a result, torque can be increased in the torque droop region, and the motor torque can be increased without increasing the phase current, without increasing the shaft length, or increasing the tooth width. Further, as the motor torque is improved, the same torque as before can be obtained with a smaller physique, and the motor can be reduced in size and weight.
一方、本発明の電動パワーステアリング装置は、複数相の電機子巻線を備えたステータと、永久磁石が配置され前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備え、前記永久磁石によって形成される磁路のd軸方向のインダクタンスとq軸方向のインダクタンスとの間に差を有するブラシレスモータを駆動源として使用する電動パワーステアリング装置であって、前記ブラシレスモータは、電機子反作用の影響によって理論トルクに対して出力トルクが減少する高負荷領域にて、前記電機子巻線への供給電流にd軸電流Idを付加する進角制御が実施され、前記高負荷領域にて、前記永久磁石の磁気的吸引力によるマグネットトルクと、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクとによって前記ロータが回転することを特徴とする。 On the other hand, an electric power steering apparatus according to the present invention includes a stator having a plurality of phases of armature windings, and a rotor in which a permanent magnet is disposed and rotatably disposed inside the stator. An electric power steering apparatus using, as a drive source, a brushless motor having a difference between an inductance in a d-axis direction and an inductance in a q-axis direction of a magnetic path to be formed, wherein the brushless motor is influenced by an armature reaction In the high load region where the output torque decreases with respect to the theoretical torque, the advance angle control is performed to add the d-axis current Id to the supply current to the armature winding, and in the high load region, the permanent torque The rotor is rotated by the magnet torque generated by the magnetic attraction force of the magnet and the reluctance torque based on the inductance difference of the magnetic path. And butterflies.
本発明の電動パワーステアリング装置にあっては、電動パワーステアリング装置において、d軸方向のインダクタンスとq軸方向のインダクタンスが異なるブラシレスモータを駆動源として使用し、高負荷領域にて進角制御を実施することにより、マグネットトルクとリラクタンストルクとによってロータを回転させる。これにより、トルクだれ領域におけるトルクアップが図られ、据え切り時における運転者の負担軽減や、EPS用モータの小形軽量化が図られる。 In the electric power steering apparatus of the present invention, in the electric power steering apparatus, a brushless motor having a different inductance in the d-axis direction and an inductance in the q-axis direction is used as a drive source, and advance angle control is performed in a high load region. Thus, the rotor is rotated by the magnet torque and the reluctance torque. As a result, torque is increased in the torque droop region, and the burden on the driver at the time of stationary is reduced, and the EPS motor is reduced in size and weight.
本発明のブラシレスモータ制御方法、制御装置によれば、d軸方向のインダクタンスとq軸方向のインダクタンスが異なるブラシレスモータに対し、高負荷領域にて進角制御を実施し、マグネットトルクとリラクタンストルクとによってロータを回転させるようにしたので、トルクだれ領域におけるトルクアップが図られ、ブラシレスモータのトルク性能を向上させることが可能となる。また、モータトルク向上に伴い、より小さな体格のモータで従前同様のトルクを得ることができ、モータの小形軽量化が可能となる。 According to the brushless motor control method and the control device of the present invention, a lead angle control is performed in a high load region for a brushless motor having a different d-axis inductance and q-axis inductance, and a magnet torque and a reluctance torque are obtained. Therefore, the torque is increased in the torque droop region, and the torque performance of the brushless motor can be improved. Further, as the motor torque is improved, the same torque can be obtained with a motor having a smaller physique, and the motor can be reduced in size and weight.
本発明のブラシレスモータによれば、多角形状の断面を有するロータコアと、該ロータコアの外周の各辺部分に取り付けられたセグメントマグネットと、を備え、高負荷領域にて進角制御が実施され、マグネットトルクとリラクタンストルクとによってロータが回転するので、トルクだれ領域におけるトルクアップが図られ、モータのトルク性能を向上させることが可能となる。また、モータトルク向上に伴い、より小さな体格にて従前同様のトルクを得ることができ、モータの小形軽量化が可能となる。 According to the brushless motor of the present invention, the rotor core having a polygonal cross section and the segment magnets attached to the respective sides of the outer periphery of the rotor core, the advance angle control is performed in the high load region, and the magnet Since the rotor is rotated by the torque and the reluctance torque, the torque can be increased in the torque droop region, and the torque performance of the motor can be improved. Further, as the motor torque is improved, the same torque can be obtained with a smaller physique, and the motor can be reduced in size and weight.
本発明の電動パワーステアリング装置によれば、その駆動源として、d軸方向のインダクタンスとq軸方向のインダクタンスが異なるブラシレスモータを使用し、当該ブラシレスモータの駆動制御に際し、高負荷領域にて進角制御を実施して、マグネットトルクとリラクタンストルクとによってロータを回転させるようにしたので、トルクだれ領域におけるトルクアップが図られ、据え切り時における運転者の負担軽減や、EPS用モータの小形軽量化が可能となる。 According to the electric power steering apparatus of the present invention, a brushless motor having a d-axis direction inductance and a q-axis direction inductance different from each other is used as a drive source, and the advance angle is increased in a high load region during the drive control of the brushless motor. Since the rotor is rotated by the magnet torque and the reluctance torque, the torque is increased in the torque droop area, reducing the burden on the driver during stationary operation, and reducing the EPS motor size and weight. Is possible.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、ブラシレスモータを用いたEPSの構成を示す説明図であり、本発明による制御処理が実施される。図1の電動パワーステアリング装置(EPS)1は、ステアリングシャフト2に対し動作補助力を付与するコラムアシスト式の構成となっており、ブラシレスモータ3(以下、モータ3と略記する)が動力源として使用されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an EPS using a brushless motor, and a control process according to the present invention is performed. An electric power steering device (EPS) 1 shown in FIG. 1 has a column assist type structure that applies an operation assisting force to a
ステアリングシャフト2にはステアリングホイール4が取り付けられており、ステアリングホイール4の操舵力は、ステアリングギヤボックス5内に配された図示しないピニオンとラック軸を介して、タイロッド6に伝達される。タイロッド6の両端には車輪7が接続されており、ステアリングホイール4の操作に伴ってタイロッド6が作動し、図示しないナックルアーム等を介して車輪7が左右に転舵する。
A steering wheel 4 is attached to the
EPS1では、ステアリングシャフト2に操舵力補助機構であるアシストモータ部8が設けられている。アシストモータ部8には、モータ3と共に、減速機構部9とトルクセンサ11が設けられている。減速機構部9には、図示しないウォームとウォームホイールが配されており、モータ3の回転は、この減速機構部9によって、ステアリングシャフト2に減速されて伝達される。モータ3とトルクセンサ11は、制御装置(ECU)12に接続されている。
In the
ステアリングホイール4が操作され、ステアリングシャフト2回転すると、トルクセンサ11が作動する。ECU12は、トルクセンサ11の検出トルクに基づいて、モータ3に対し適宜電力を供給する。モータ3が作動すると、その回転が減速機構部9を介してステアリングシャフト2に伝達され操舵補助力が付与される。ステアリングシャフト2は、この操舵補助力と手動操舵力によって回転し、ステアリングギヤボックス5内のラック・アンド・ピニオン結合により、この回転運動がラック軸の直線運動に変換され、車輪7の転舵動作が行われる。
When the steering wheel 4 is operated and the
図2は、モータ3の構成を示す断面図である。図2に示すように、モータ3は、外側にステータ21、内側にロータ22を配したインナーロータ型ブラシレスモータとなっている。ステータ21は、ハウジング23と、ハウジング23の内周側に固定されたステータコア24及びステータコア24に巻装された巻線25とを備えた構成となっている。ハウジング23は鉄等にて有底筒状に形成されており、その開口部には合成樹脂製のブラケット30が取り付けられている。ステータコア24は鋼板を多数積層した構成となっており、ステータコア24の内周側には複数個のティースが突設されている。ステータコア24には、巻線25の誘起電圧波形が正弦波となるようにスキューが施されている。なお、スキューは、ロータ22側に形成しても良い。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the
図3は、ステータコア24及びロータ22の構成を示す説明図である。ステータコア24は、リング状の継鉄部26と、継鉄部26から内側方向へ突出形成されたティース27とから形成されている。ティース27は9個設けられており、各ティース27の間にはスロット28(9個)が形成され、モータ3は9スロット構成となっている。各ティース27には巻線25が集中巻にて巻装されており、巻線25は各スロット28内に収容されている。各巻線25は、U,V,Wの3相がスター結線されており、給電配線29を介してバッテリ(図示せず)と接続されている。巻線25に対しては、高調波成分を含んだ台形波形状の相電流(U,V,W)が供給される。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration of the
ロータ22はステータ21の内側に配設されており、回転軸31と、ロータコア32、マグネット33を同軸状に配した構成となっている。回転軸31の外周には、鋼板を多数積層したロータコア32が取り付けられている。ロータコア32は断面6角形に形成されており、その外周の各辺部分32aには、セグメントタイプのマグネット33が配置されている。マグネット33は、回転軸31に固定されたマグネットホルダ34に取り付けられており、周方向に沿って6個配置されている。すなわち、当該モータ3は、6極9スロット構成となっている。
The
回転軸31の一端部は、ハウジング23の底部に圧入されたベアリング35に回転自在に支持されている。回転軸31の他端部は、ブラケット30に取り付けられたベアリング36によって、回転自在に支持されている。回転軸31の端部(図2において左端部)には、スプライン部37が形成されており、図示しないジョイント部材によって、減速機構部9のウォーム軸に接続されている。ウォーム軸にはウォームが形成されており、減速機構部9にて、ステアリングシャフト2に固定されたウォームホイールと噛合している。
One end of the
ブラケット30内には、ベアリング36と、ロータ22の回転位置を検知するレゾルバ(角度センサ)41が収容されている。レゾルバ41は、ブラケット30側に固定されたレゾルバステータ42と、ロータ22側に固定されたレゾルバロータ43とから構成されている。レゾルバステータ42にはコイル44が巻装されており、励磁コイルと検出コイルが設けられている。レゾルバステータ42の内側には、レゾルバロータ43が配設される。レゾルバロータ43は、金属板を積層した構成となっており、三方向に凸部が形成されている。
The
回転軸31が回転すると、レゾルバロータ43もまたレゾルバステータ42内にて回転する。レゾルバステータ42の励磁コイルには高周波信号が付与されており、凸部の近接離反により検出コイルから出力される信号の位相が変化する。この検出信号と基準信号とを比較することにより、ロータ22の回転位置が検出される。そして、ロータ22の回転位置に基づき、巻線25への電流が適宜切り替えられ、ロータ22が回転駆動される。
When the
このようなEPS1では、ステアリングホイール4が操作されてステアリングシャフト2が回転すると、この回転に応じた方向にラック軸が移動して転舵操作がなされる。この操作により、トルクセンサ11が作動し、その検出トルクに応じて、図示しないバッテリから給電配線29を介して巻線25に電力が供給される。巻線25に電力が供給されるとモータ3が作動し、回転軸31とウォーム軸が回転する。ウォーム軸の回転は、ウォームホイールを介してステアリングシャフト2に伝達され、操舵力が補助される。
In such EPS1, when the steering wheel 4 is operated and the
ここで、モータ3のトータルトルクTtは、前述のように、
Tt=Tm+Tr
=p・φa・Iq+p・(Lq−Ld)・Id・Iq
にて表され、従来、当該モータ3のようなSPMモータでは、インダクタンスLd,Lqに差がなく、上式第2項が0となるため、リラクタンストルクは利用できないと考えられていた。これに対し、本発明者らは、断面が多角形状のロータコア外周面にセグメントマグネットを配したSPMモータでは、リングマグネットを用いたモータとは異なり、d軸方向とq軸方向にインダクタンス差があることに想到し、それをトルクアップに活用できないか検討を加えた。
Here, the total torque Tt of the
Tt = Tm + Tr
= P · φa · Iq + p · (Lq−Ld) · Id · Iq
Conventionally, in an SPM motor such as the
図4に示すように、モータ3においては、d軸方向(マグネット33の中心軸方向)と、q軸方向(ロータ中心とロータコア32の頂角部32bを結ぶ方向)では、ティース27との間に形成される空隙20の大きさ(径方向長S1:d軸方向,S2:q軸方向)が異なっている。マグネット33の透磁率は空気と同等であるため、モータ3では、ロータコア32(ケイ素鋼板を使用)の部分が大きいq軸方向の磁気抵抗がd軸方向に比して小さくなる。すなわち、q軸インダクタンスLqがd軸インダクタンスLdよりも大きくなり(Lq>Ld)、d・q軸のインダクタンスに差違が存在する。従って、モータ3は、上式の第2項が正の値を取り、進角制御を行ってIdを印加することによりトルクアップを図ることが可能となる。
As shown in FIG. 4, in the
図5は、EPS1の制御装置50の構成を示すブロック図であり、本発明による進角制御は当該制御装置50にて実行される。制御装置50には、電流指令部51が設けられており、EPS1は、電流指令部51に入力されるトルクセンサ11からの検出値や、レゾルバ41によって検出されたロータ22の回転位置情報、電流センサ61からの相電流値情報に基づいて駆動制御される。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the
図5に示すように、制御装置50には、トルクセンサ11から、ステアリングホイール4の操作に伴うモータ負荷(トルク値)がモータ負荷情報として入力される。また、電流指令部51には、モータ3に設けられたレゾルバ41からロータ回転位置情報が入力される。このレゾルバ41からのロータ回転位置情報は、電流指令部51の前段に設けられたロータ回転数算出部62にも入力されており、ロータ回転数算出部62は、ロータ回転位置情報に基づいてロータ22の回転数を算出し、その値は、ロータ回転数情報として電流指令部51に入力されている。さらに、モータ3には、各相の供給電流をモニタする電流センサ61が設けられており、電流指令部51には、電流センサ61からモータ3の相電流値が入力されている。
As shown in FIG. 5, the motor load (torque value) accompanying the operation of the steering wheel 4 is input from the
電流指令部51には、これらの検出値に基づいて演算処理を行い、モータ3に対して供給する電流量を算出する供給電流量算出部52が設けられている。供給電流量算出部52では、レゾルバ41からのロータ回転位置情報とロータ回転数情報及びモータ負荷情報から、d軸,q軸の電流指令値Id’,Iq’を算出し、ベクトル制御部53に出力する。また、供給電流量算出部52には、電流センサ61からモータ3の相電流値がフィードバックされており、供給電流量算出部52は、この検出電流値(相電流)に基づいて、モータ3に対する進角制御を実施し、電流指令値Id’を設定する。相電流値と進角値βとの関係は、進角制御マップ63に格納されており、供給電流量算出部52は、進角制御マップ63を参照して、電流指令値Id’を決定する。
The
図6(a)は、d軸電流Id,q軸電流Iqと進角値βとの関係を示す説明図、図6(b)は、進角制御マップ63の一例を示す説明図である。図6(a)のdq軸ベクトル図で示すように、進角値βはIqとIdの値で変化する。IqとIdの合成ベクトルはIaであり、相電流の実効値(U相)をIuとすると、IaとIuの間には、Ia=√3×Iuの関係が存在する。当該モータ3では、高電流域にてIdが付加されるように、この進角値βを図6(b)にように設定する。なお、全電流域にてIdを付加するような設定としても良いが、低電流域ではトルクだれは生じないため、本実施形態では、制御負荷を軽減すべく、必要な範囲に必要なだけIdを付加するような形で進角値βを設定している。
FIG. 6A is an explanatory diagram showing the relationship between the d-axis current Id, the q-axis current Iq and the advance value β, and FIG. 6B is an explanatory diagram showing an example of the
ベクトル制御部53は、d軸,q軸のPI(比例・積分)制御部54d,54qと、座標軸変換部(dq/UVW)55とから構成されており、電流指令値Id’,Iq’は、PI制御部54d,54qにそれぞれ入力される。PI制御部54d,54qには、座標軸変換部(UVW/dq)56を介して、3相(U,V,W)のモータ電流値をdq軸変換した検出電流値I(d),I(q)が入力されている。PI制御部54d,54qは、電流指令値Id’,Iq’と検出電流値I(d),I(q)に基づき、PI演算処理を行い、d軸,q軸の電圧指令値Vd,Vqを算出する。電圧指令値Vd,Vqは、座標軸変換部55に入力され、3相(U,V,W)の電圧指令値Vu,Vv,Vwに変換され出力される。座標軸変換部55から出力された電圧指令値Vu,Vv,Vwは、インバータ57を介してモータ3に印加される。
The
このようなモータ3では、多角形断面のロータ22にセグメントマグネットを配した構成により突極比≠1とし、Ld,Lqのインダクタンス差を利用して、従来のSPMモータでは利用されていなかったリラクタンストルクをトルクアップに活用する。特に、トルクダレが生じる高負荷領域(高電流域)にて進角制御を行ってIdを印加することにより、通常負荷領域での制御負荷を増すことなく、トルクダレによるトルク減少分をリラクタンストルクにて補填する。図7は、進角制御を行った場合と行わなかった場合のトルク値を比較したグラフであり、Max85Arms時のトルクが図11における理論トルクと同等程度となるように進角制御を行った実験結果を示している。
In such a
図7に示すように、進角制御なしの場合は、相電流50Arms付近からトルクだれが始まる。これに対し、本発明による制御では、30Armsを過ぎた時点から徐々に進角値を大きくして行き、50Arms付近にて変化量を極大化してIdを増大させる。これにより、進角制御ありの場合は、相電流50Arms付近からのトルクだれをリラクタンストルクが補う形となり、相電流の増加と共に、ほぼ理論トルクと同等にトルクが増大し、トルクだれの問題を解消することができた。 As shown in FIG. 7, in the case of no advance angle control, torque drooping starts around the phase current 50 Arms. On the other hand, in the control according to the present invention, the advance value is gradually increased from the time when 30 Arms has passed, and the change amount is maximized around 50 Arms to increase Id. As a result, in the case of the advance angle control, the reluctance torque compensates for the torque droop from around the phase current of 50 Arms, and with the increase of the phase current, the torque increases to almost the same as the theoretical torque, eliminating the problem of drooping torque. We were able to.
このように、本発明による制御処理では、電機子反作用により、理論トルクに対し実際の出力トルクが減少するいわゆるトルクだれが生じる高負荷領域にて進角制御を導入し、巻線25に対する供給電流にd軸電流Idを付加する。これにより、トルクだれ領域にて、マグネットトルクにリラクタンストルクが加わり、トルクアップが図られる。その際、本発明では、進角制御のみによって相電流の値を調整するので、相電流を増加させることなく、モータトルクを増大させることが可能となる。また、モータトルク向上に伴い、同じトルクを得るのであれば、より体格の小さなモータで足り、モータの小形軽量化が図られる。さらに、トルクアップに際し、軸長を伸ばしたり、ティース幅を広くしたりする必要もないため、モータ体格を増大させることもない。特に、EPS用モータに本発明を適用した場合、モータの最大トルクがアップするため、据え切り時における運転者の負担軽減を図ることが可能となる。また、EPS用モータの小形軽量化が可能となり、車両の軽量化、低燃費化に貢献することができる。 As described above, in the control processing according to the present invention, the lead angle control is introduced in a high load region in which the so-called torque droop in which the actual output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the armature reaction, and the supply current to the winding 25 is Is added with d-axis current Id. As a result, reluctance torque is added to magnet torque in the torque droop region, and torque is increased. At this time, in the present invention, since the value of the phase current is adjusted only by the advance angle control, the motor torque can be increased without increasing the phase current. Further, if the same torque is obtained as the motor torque is improved, a motor having a smaller physique is sufficient, and the motor can be reduced in size and weight. Further, since it is not necessary to increase the shaft length or widen the teeth width when increasing the torque, the motor size is not increased. In particular, when the present invention is applied to an EPS motor, the maximum torque of the motor is increased, so that it is possible to reduce the burden on the driver at the time of stationary. In addition, the EPS motor can be reduced in size and weight, which contributes to a reduction in vehicle weight and fuel consumption.
一方、Idを多くすれば、その分リラクタンストルクは増加するが、Idを余り多くし過ぎると、今度はトルクリップルが増大するという弊害が生じる。図8は、高負荷時のIqを一定にしてIdを印加させていったときのトルクリップルの変化を示すグラフであり、進角βを変化させてIdを増やしたとき、トルクリップルがどのように変化したかを検証した結果を示している。図8に示すように、Iq=147A一定としたとき、トルクリップルが増大するのは、Idが30Aを超えたあたりである。これは、進角β=11.5度(tan−1β=30/147)を超えるとトルクリップルが増大することを意味している。すなわち、Iqの割合に対してIdが多くなるとトルクリップルが大きくなる傾向にあり、図8の結果から見て、進角は10°程度に抑えた方が好ましいことが分かる。 On the other hand, if Id is increased, the reluctance torque is increased by that amount. However, if Id is excessively increased, a torque ripple is increased. FIG. 8 is a graph showing a change in torque ripple when Id is applied with a constant Iq at a high load, and how the torque ripple is increased when Id is increased by changing the advance angle β. The result of verifying whether it has changed to is shown. As shown in FIG. 8, when Iq = 147A is constant, the torque ripple increases when Id exceeds 30A. This means that the torque ripple increases when the advance angle β = 11.5 degrees (tan −1 β = 30/147). That is, torque ripple tends to increase as Id increases with respect to the ratio of Iq, and it can be seen from the results of FIG. 8 that the advance angle is preferably suppressed to about 10 °.
また、本実施形態のように、高負荷領域にて進角制御を行う制御形態では、回転数の変化もほとんどない。図9は、進角制御を行った場合と行わなかった場合の回転数の変化を示したグラフである。図9では、相電流40Arms近傍で進角制御が開始されているが、その後のモータ回転数は、進角制御なしの場合とほとんど変わらない。このため、本発明による制御形態では、トルクと回転数が管理し易く、例えば、ポンプ駆動モータに当該制御を適用すれば、回転数を維持しつつ、最大吐出量をアップでき、ポンプの動作効率を向上させることが可能となる、という利点がある。なお、低負荷領域にて進角制御を行うと回転数が高くなりすぎる傾向があり、制御負荷軽減の観点も含め、電機子反作用により理論トルクに対し実際の出力トルクが減少する高負荷領域のみで進角制御を行うことが望ましい。 Further, in the control mode in which the advance angle control is performed in the high load region as in this embodiment, there is almost no change in the rotational speed. FIG. 9 is a graph showing changes in the rotational speed when the advance angle control is performed and when it is not performed. In FIG. 9, the advance angle control is started in the vicinity of the phase current 40 Arms, but the subsequent motor rotation speed is almost the same as the case without the advance angle control. Therefore, in the control mode according to the present invention, it is easy to manage the torque and the rotational speed. For example, if the control is applied to the pump drive motor, the maximum discharge amount can be increased while maintaining the rotational speed, and the operation efficiency of the pump is increased. There is an advantage that it is possible to improve. Note that if the advance angle control is performed in the low load region, the rotational speed tends to be too high, and only in the high load region where the actual output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the armature reaction, including the viewpoint of reducing the control load. It is desirable to perform the advance angle control.
本発明は前述のような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、SPM型のブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクを利用可能なブラシレスモータであれば本発明は適用可能であり、通常のIPM(Interior Permanent Magnet)型のモータにも勿論適用可能である。また、ロータコアの形状は、d軸方向とq軸方向にインダクタンス差が生じるものであれば、図3のような断面が正多角形のものには限定されない。例えば、図10のように、マグネット間に突起部のあるコア形状のモータにも本発明は適用可能である。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
For example, in the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to an SPM type brushless motor has been described. However, the present invention can be applied to any brushless motor that can use a reluctance torque based on an inductance difference between magnetic paths. Of course, the present invention can also be applied to an ordinary IPM (Interior Permanent Magnet) type motor. Further, the shape of the rotor core is not limited to that having a regular polygonal cross section as shown in FIG. 3 as long as an inductance difference occurs between the d-axis direction and the q-axis direction. For example, as shown in FIG. 10, the present invention can also be applied to a core-shaped motor having protrusions between magnets.
さらに、前述の実施形態では、本発明をEPSに適用した例を示したが、その適用対象はEPSには限定されず、電気自動車や、ハイブリッド自動車、エアコン等の家電製品、ポンプ等の各種産業機械等に使用されるモータにも本発明は適用可能である。 Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to the EPS has been shown. However, the application target is not limited to the EPS, and various industries such as electric vehicles, hybrid vehicles, home appliances such as air conditioners, and pumps. The present invention can also be applied to a motor used in a machine or the like.
1 電動パワーステアリング装置(EPS)
2 ステアリングシャフト
3 ブラシレスモータ
4 ステアリングホイール
5 ステアリングギヤボックス
6 タイロッド
7 車輪
8 アシストモータ部
9 減速機構部
11 トルクセンサ
12 制御装置(ECU)
20 空隙
21 ステータ
22 ロータ
23 ハウジング
24 ステータコア
25 巻線
26 継鉄部
27 ティース
28 スロット
29 給電配線
30 ブラケット
31 回転軸
32 ロータコア
32a 各辺部分
32b 頂角部
33 マグネット
34 マグネットホルダ
35 ベアリング
36 ベアリング
37 スプライン部
41 レゾルバ
42 レゾルバステータ
43 レゾルバロータ
44 コイル
50 制御装置
51 電流指令部
52 供給電流量算出部
53 ベクトル制御部
54d,54q PI制御部
55 座標軸変換部(dq/UVW)
56 座標軸変換部(UVW/dq)
57 インバータ
61 電流センサ
62 回転数算出部
63 進角制御マップ
Id d軸電流
Iq q軸電流
Id',Iq' 電流指令値
Ld d軸インダクタンス
Lq q軸インダクタンス
S1 d軸方向の空隙の径方向長
S2 q軸方向の空隙の径方向長
Tt トータルトルク
Tm マグネットトルク
Tr リラクタンストルク
β 進角値
1 Electric power steering system (EPS)
2
20 Air gap 21
56 Coordinate axis converter (UVW / dq)
57
Claims (10)
電機子反作用の影響によって理論トルクに対して出力トルクが減少する高負荷領域にて、前記電機子巻線に対する供給電流にd軸電流Idを付加する進角制御を行い、前記高負荷領域にて、前記永久磁石の磁気的吸引力によるマグネットトルクと、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクとによって前記ロータを回転させることを特徴とするブラシレスモータの制御方法。 A stator having a plurality of phases of armature windings, and a rotor in which a permanent magnet is disposed and rotatably disposed inside the stator, and an inductance in a d-axis direction of a magnetic path formed by the permanent magnet And a method of controlling a brushless motor having a difference between the inductance in the q-axis direction,
In the high load region where the output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the influence of the armature reaction, advance angle control is performed to add the d-axis current Id to the supply current to the armature winding, and in the high load region A control method for a brushless motor, wherein the rotor is rotated by a magnet torque generated by a magnetic attraction force of the permanent magnet and a reluctance torque based on an inductance difference of a magnetic path.
前記セグメントマグネットの中心軸方向に沿ったd軸方向のインダクタンスと、前記セグメントマグネットの間の前記ロータコア頂角部分を通るq軸インダクタンスとの間に差違が存在することを特徴とするブラシレスモータの制御方法。 The brushless motor control method according to claim 1, wherein the rotor includes a rotor core having a polygonal cross section, and segment magnets attached to respective side portions of the outer periphery of the rotor core,
Control of a brushless motor, wherein there is a difference between an inductance in a d-axis direction along a central axis direction of the segment magnet and a q-axis inductance passing through the rotor core apex angle portion between the segment magnets Method.
前記電機子巻線の相電流を検出する電流センサと、
当該ブラシレスモータの負荷状態に応じて、該ブラシレスモータに供給される巻線電流値を算出する電流指令部と、を備え、
該電流指令部は、前記電流センサにて検出した相電流値に基づいて、電機子反作用の影響によって理論トルクに対して出力トルクが減少する高負荷領域にて進角制御を行い、前記電機子巻線に対する供給電流にd軸電流Idを付加する供給電流算出部を有することを特徴とするブラシレスモータ制御装置。 A stator having a plurality of phases of armature windings, and a rotor in which a permanent magnet is disposed and rotatably disposed inside the stator, and an inductance in a d-axis direction of a magnetic path formed by the permanent magnet And a control device that performs drive control of a brushless motor having a difference between the inductance in the q-axis direction,
A current sensor for detecting a phase current of the armature winding;
A current command unit that calculates a winding current value supplied to the brushless motor according to a load state of the brushless motor;
The current command unit performs advance angle control in a high load region where the output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the influence of the armature reaction based on the phase current value detected by the current sensor, and the armature A brushless motor control device comprising a supply current calculation unit for adding a d-axis current Id to a supply current for a winding.
前記セグメントマグネットの中心軸方向に沿ったd軸方向のインダクタンスと、前記セグメントマグネットの間の前記ロータコア頂角部分を通るq軸インダクタンスとの間に差違が存在することを特徴とするブラシレスモータの制御装置。 The brushless motor control device according to claim 5 or 6, wherein the rotor includes a rotor core having a polygonal cross section, and a segment magnet attached to each side portion of the outer periphery of the rotor core,
Control of a brushless motor, wherein there is a difference between an inductance in a d-axis direction along a central axis direction of the segment magnet and a q-axis inductance passing through the rotor core apex angle portion between the segment magnets apparatus.
前記ロータは、多角形状の断面を有するロータコアと、該ロータコアの外周の各辺部分に取り付けられたセグメントマグネットと、を備え、前記セグメントマグネットの中心軸方向に沿ったd軸方向のインダクタンスと、前記セグメントマグネットの間の前記ロータコア頂角部分を通るq軸インダクタンスとの間に差違が存在し、
電機子反作用の影響によって理論トルクに対して出力トルクが減少する高負荷領域にて、前記電機子巻線に対する供給電流にd軸電流Idを付加する進角制御が実施され、前記高負荷領域にて、前記永久磁石の磁気的吸引力によるマグネットトルクと、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクとによって前記ロータが回転することを特徴とするブラシレスモータ。 A brushless motor having a stator provided with a multi-phase armature winding, and a rotor in which a permanent magnet is arranged and rotatably arranged inside the stator,
The rotor includes a rotor core having a polygonal cross section, and a segment magnet attached to each side portion of the outer periphery of the rotor core, the inductance in the d-axis direction along the central axis direction of the segment magnet, There is a difference between q-axis inductance passing through the rotor core apex portion between the segment magnets,
In the high load region where the output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the influence of the armature reaction, the advance angle control is performed to add the d-axis current Id to the supply current to the armature winding, and the high load region A brushless motor in which the rotor is rotated by a magnet torque generated by a magnetic attraction force of the permanent magnet and a reluctance torque based on an inductance difference between magnetic paths.
前記ブラシレスモータは、電機子反作用の影響によって理論トルクに対して出力トルクが減少する高負荷領域にて、前記電機子巻線への供給電流にd軸電流Idを付加する進角制御が実施され、前記高負荷領域にて、前記永久磁石の磁気的吸引力によるマグネットトルクと、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクとによって前記ロータが回転することを特徴とする電動パワーステアリング装置。 A stator having a plurality of phases of armature windings, and a rotor in which a permanent magnet is disposed and rotatably disposed inside the stator, and an inductance in a d-axis direction of a magnetic path formed by the permanent magnet And an electric power steering device using a brushless motor having a difference between the inductance in the q-axis direction as a drive source,
The brushless motor is subjected to advance angle control in which a d-axis current Id is added to the supply current to the armature winding in a high load region where the output torque decreases with respect to the theoretical torque due to the influence of the armature reaction. In the high load region, the electric power steering device is characterized in that the rotor is rotated by a magnet torque due to a magnetic attractive force of the permanent magnet and a reluctance torque based on an inductance difference between magnetic paths.
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