JP2014183613A - Control method and control device for brushless motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスモータの制御技術、特に、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ブラシレスモータの制御技術に関し、磁束集中型の電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータにおける電機子反作用の低減技術に関する。 The present invention relates to a brushless motor control technique, and more particularly to a brushless motor control technique used as a drive source for an electric power steering apparatus, and to a technique for reducing armature reaction in a magnetic flux concentration type brushless motor for an electric power steering apparatus.
従来より、電動パワーステアリング装置(以下、EPSと略記する)用のモータとしては、ロータの表面に円弧状やかまぼこ形状のマグネットを配置したSPM(Surface Permanent Magnet)モータが広く使用されている。ところが、このようなSPMモータは、マグネットを所定形状に加工する必要があり、マグネットの歩留まりが悪いという問題があり、近年、EPSの駆動源として、ロータの内部に直方体形状の永久磁石を埋め込んだ形態のいわゆるIPM(Interior Permanent Magnet)型モータ(以下、IPMモータと略記する)の使用が増大している。 Conventionally, as a motor for an electric power steering device (hereinafter abbreviated as EPS), an SPM (Surface Permanent Magnet) motor in which an arc-shaped or kamaboko-shaped magnet is arranged on the surface of a rotor has been widely used. However, such an SPM motor has a problem that it is necessary to process the magnet into a predetermined shape and the yield of the magnet is poor, and in recent years, a rectangular parallelepiped permanent magnet is embedded in the rotor as an EPS drive source. The use of so-called IPM (Interior Permanent Magnet) type motors (hereinafter abbreviated as IPM motors) is increasing.
このIPMモータは、磁石がロータに埋め込まれていることから、d軸(永久磁石の中心軸)方向と、q軸(d軸と電気的、磁気的に直交する軸)方向のインダクタンス差が大きく、ロータにはリラクタンストルクTrが発生する。従って、IPMモータでは、永久磁石によるマグネットトルクTmと共に、リラクタンストルクTrも利用でき、モータ全体のトータルトルクTtを大きくできるというメリットがある。このため、前述のEPSのみならず、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、各種産業機械などにも、高効率で高トルクなモータとして、IPMモータの利用が拡大している。 This IPM motor has a large inductance difference between the d-axis (center axis of the permanent magnet) direction and the q-axis (axis that is electrically and magnetically orthogonal to the d-axis) because the magnet is embedded in the rotor. A reluctance torque Tr is generated in the rotor. Therefore, in the IPM motor, the reluctance torque Tr can be used together with the magnet torque Tm by the permanent magnet, and there is an advantage that the total torque Tt of the entire motor can be increased. For this reason, the use of IPM motors is expanding not only for the aforementioned EPS but also for electric motors, hybrid cars, home appliances such as air conditioners, various industrial machines and the like as high-efficiency and high-torque motors.
一方、IPMモータでは、電機子電流が高くなると、トータルトルクTtに対するマグネットトルクTmとリラクタンストルクTrの割合が変化し、Tr側が増加する傾向がある。この場合、電流値が高いことから、その分、電機子反作用の影響も大きくなり、低電流時に比してトルクリップルが大きくなる。特に、リラクタンストルクが10%を超えると、トルクリップルが急激に増大し、トルクリップル率がEPSでは上限値とされる5%を超えてしまうという問題が生じる。 On the other hand, in the IPM motor, when the armature current increases, the ratio of the magnet torque Tm and the reluctance torque Tr to the total torque Tt changes, and the Tr side tends to increase. In this case, since the current value is high, the influence of the armature reaction is increased correspondingly, and the torque ripple is increased as compared with a low current. In particular, when the reluctance torque exceeds 10%, the torque ripple increases abruptly and the torque ripple rate exceeds 5%, which is the upper limit in EPS.
そこで、電機子反作用を低減すべく、回転軸の周囲に複数個のマグネットを放射状に配置したロータを有する磁束集中型のブラシレスモータが提案されている。図9は、このような磁束集中型ブラシレスモータのロータ構成を示す説明図である。図9に示すように、ロータ71では、マグネット72とコア部材73が周方向に交互に配置されており、隣接するマグネット72は、対向する面が同極性となっている。各マグネット72からの磁束は、コア部材73内にて互いに反発し合い、外周方向に向かって集中する(矢示P)。これにより、ロータ71の外周には、周方向に沿って疑似磁極部74が形成され、ロータ側の磁極となる。
Therefore, in order to reduce the armature reaction, a magnetic flux concentration type brushless motor having a rotor in which a plurality of magnets are arranged radially around a rotating shaft has been proposed. FIG. 9 is an explanatory view showing a rotor configuration of such a magnetic flux concentration type brushless motor. As shown in FIG. 9, in the
このような磁束集中型ブラシレスモータでは、ロータ71を磁束集中型の構成とすることにより、磁極(疑似磁極部74)1極あたり2個の磁石が配置される。このため、通常のSPMモータよりも大きな磁束が得ることができる。また、コア部材73の外周中心をロータ71の中心に対し偏芯させることにより、擬似的に滑らかな磁極が得られ、コギングの低減が図られる。さらに、図9の構造は、q軸の磁路がマグネット径方向外側の表面のみとなるため、Lqが非常に小さくなり、リラクタンストルクも小さくなる。従って、上述のような高負荷領域におけるトルクリップルも低減され、高出力・低コギング・低トルクリップルのモータを得ることが可能となる。
In such a magnetic flux concentration type brushless motor, by setting the
しかしながら、図9のような磁束集中型ブラシレスモータでは、ロータ71が透磁率の高い電磁鋼板(例えば、珪素鋼板)にて形成されているため、マグネット72の磁束を通しやすい反面、界磁側からの磁束の影響も受け易くなる。このため、磁束集中型のブラシレスモータにおいても、電機子反作用の影響を受けてロータ71側の磁束が歪み易くなる。磁束集中型ブラシレスモータでは、このような電機子反作用が生じると、高負荷領域(高電流領域)にてトルク増加率が低下するいわゆるトルクダレが生じてしまうと共に、IPMモータほど大きくはないものの誘起電圧波形のズレによってトルクリップルが発生する、という問題があった。
However, in the magnetic flux concentration type brushless motor as shown in FIG. 9, the
本発明の目的は、磁束集中型モータにおける電機子反作用を低減させることにより、高負荷領域におけるトルクダレを抑えると共に、トルクリップルの低減を図り、EPS用ブラシレスモータのトルクアップと低トルクリップル化を図ることにある。 An object of the present invention is to reduce the armature reaction in a magnetic flux concentration type motor, thereby suppressing torque sagging in a high load region, reducing torque ripple, and increasing torque and reducing torque ripple of an EPS brushless motor. There is.
本発明の制御方法は、径方向内側に向けて突出する複数個のティース部と、該ティース部間に形成された複数個のスロットと、前記スロットを介して前記ティース部に巻装され線間の誘起電圧が正弦波波形となる複数相の電機子巻線と、を備えたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置され、電磁鋼板を積層して形成したコアと、該コア内に放射状に形成された複数個のマグネット収容部と、該マグネット収容部内にそれぞれ収容された複数個の永久磁石と、該マグネット収容部間に形成される複数個の疑似磁極部と、を備えたロータと、を有するブラシレスモータの制御方法であって、前記ブラシレスモータの負荷状態に基づいて、該ブラシレスモータに対し進角制御を行うことを特徴とする。 The control method of the present invention includes a plurality of teeth portions protruding radially inward, a plurality of slots formed between the teeth portions, and wound around the teeth portions via the slots. A stator having a plurality of armature windings having an induced voltage of a sinusoidal waveform, a core that is rotatably arranged inside the stator, and is formed by laminating electromagnetic steel plates, and in the core A rotor provided with a plurality of magnet housing portions formed radially, a plurality of permanent magnets respectively housed in the magnet housing portions, and a plurality of pseudo magnetic pole portions formed between the magnet housing portions And controlling the advance angle of the brushless motor based on the load state of the brushless motor.
本発明にあっては、マグネットを放射状に配した磁束集中型モータの採用により、製造コストを削減すると共に、疑似磁極部の多極化により疑似磁極部の磁束密度が高められ、電機子反作用を低減が図られる。さらに、進角制御を行うことにより、トルクダレが抑えられ出力向上が図られると共に、トルクリップルも抑制される。 In the present invention, the adoption of a magnetic flux concentrating motor in which magnets are arranged radially reduces the manufacturing cost, and the magnetic pole density of the pseudo magnetic pole portion is increased by the multi-polarization of the pseudo magnetic pole portion, thereby reducing the armature reaction. Figured. Furthermore, by performing advance angle control, torque sagging is suppressed and output is improved, and torque ripple is also suppressed.
前記制御方法において、前記ブラシレスモータの負荷トルクと前記進角の関係を示すマップに基づいて前記進角制御を実施しても良い。 In the control method, the advance angle control may be performed based on a map showing a relationship between a load torque of the brushless motor and the advance angle.
前記制御方法において、前記ステータに、12個の前記ティース部と、12個の前記スロットと、を設け、前記ロータに、14個の前記マグネット収容部と、14個の前記マグネットと、14個の前記疑似磁極部を設けても良く、このような14P12S構造の採用により、磁歪音が抑えられ、モータ作動音が低減する。 In the control method, the stator includes twelve teeth portions and twelve slots, and the rotor includes fourteen magnet housing portions, fourteen magnets, and fourteen slots. The pseudo magnetic pole portion may be provided. By adopting such a 14P12S structure, magnetostriction noise is suppressed and motor operation noise is reduced.
前記制御方法において、前記ブラシレスモータは電動パワーステアリングの駆動源として使用され、該電動パワーステアリング装置は、前記ブラシレスモータの負荷状態を検出するトルクセンサを有し、前記トルクセンサにて検出された値に基づいて、前記電機子巻線に対して供給される電流に設定する進角値を算出し、前記ブラシレスモータに対し進角制御を行うようにしても良い。 In the control method, the brushless motor is used as a drive source of electric power steering, and the electric power steering device includes a torque sensor that detects a load state of the brushless motor, and a value detected by the torque sensor. The advance angle value set for the current supplied to the armature winding may be calculated based on the above, and the advance angle control may be performed on the brushless motor.
本発明にあっては、進角制御を行うことにより、高負荷領域におけるトルクダレを抑えることができ、出力向上を図ることが可能となる。また、進角制御によりトルクリップルも抑制することができ、このブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いた場合には、操舵フィーリングの向上を図ることが可能となる。 In the present invention, by performing advance angle control, torque sagging in a high load region can be suppressed, and output can be improved. Further, the torque ripple can be suppressed by the advance angle control, and when this brushless motor is used as a drive source of the electric power steering apparatus, it is possible to improve the steering feeling.
また、本発明の制御装置は、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用され、径方向内側に向けて突出する複数個のティース部と、該ティース部間に形成された複数個のスロットと、前記スロットを介して前記ティース部に巻装され線間の誘起電圧が正弦波波形となる複数相の電機子巻線と、を備えたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置され、電磁鋼板を積層して形成したコアと、該コア内に放射状に形成された複数個のマグネット収容部と、該マグネット収容部内にそれぞれ収容された複数個の永久磁石と、該マグネット収容部間に形成される複数個の疑似磁極部と、を備えたロータと、を有するブラシレスモータの制御装置であって、前記電動パワーステアリング装置は、前記ブラシレスモータの負荷状態を検出するトルクセンサを有し、前記制御装置は、前記トルクセンサにて検出された前記ブラシレスモータの負荷状態に基づいて、前記電機子巻線に対して供給される電流に設定する進角値を算出し、前記ブラシレスモータに対し進角制御を行う供給電流量算出部を有することを特徴とする。 Further, the control device of the present invention is used as a drive source of the electric power steering device, a plurality of teeth portions projecting radially inward, a plurality of slots formed between the teeth portions, A stator comprising a plurality of armature windings wound around the teeth portion through the slot and having an induced voltage between the wires having a sinusoidal waveform; and an electromagnetic steel plate rotatably disposed inside the stator. A core formed by laminating a plurality of magnets, a plurality of magnet housing portions formed radially in the core, a plurality of permanent magnets respectively housed in the magnet housing portions, and formed between the magnet housing portions. A brushless motor control device having a plurality of pseudo magnetic pole portions, wherein the electric power steering device detects a load state of the brushless motor. The controller has a torque sensor, and the controller calculates an advance value to be set for the current supplied to the armature winding based on the load state of the brushless motor detected by the torque sensor. And a supply current amount calculation unit for performing advance angle control on the brushless motor.
本発明にあっては、マグネットを放射状に配した磁束集中型モータの採用により、製造コストを削減すると共に、疑似磁極部の多極化により疑似磁極部の磁束密度が高められ、電機子反作用を低減が図られる。さらに、供給電流量算出部によって進角制御を行うことにより、トルクダレが抑えられ出力向上が図られると共に、トルクリップルも抑制される。 In the present invention, the adoption of a magnetic flux concentrating motor in which magnets are arranged radially reduces the manufacturing cost, and the magnetic pole density of the pseudo magnetic pole portion is increased by the multi-polarization of the pseudo magnetic pole portion, thereby reducing the armature reaction. Figured. Furthermore, by performing advance angle control by the supply current amount calculation unit, torque sagging is suppressed and output is improved, and torque ripple is also suppressed.
前記制御装置において、前記ブラシレスモータの負荷トルクと前記進角の関係を示すマップをさらに設け、前記供給電流量算出部は、前記マップに基づいて前記進角値を算出するようにしても良い。 The control device may further include a map showing a relationship between a load torque of the brushless motor and the advance angle, and the supply current amount calculation unit may calculate the advance value based on the map.
前記制御装置において、前記ステータに、12個の前記ティース部と、12個の前記スロットと、を設け、前記ロータに、14個の前記マグネット収容部と、14個の前記マグネットと、14個の前記疑似磁極部を設けても良く、このような14P12S構造の採用により、磁歪音が抑えられ、モータ作動音が低減する。 In the control device, the stator includes twelve teeth portions and twelve slots, and the rotor includes fourteen magnet housing portions, fourteen magnets, and fourteen slots. The pseudo magnetic pole portion may be provided. By adopting such a 14P12S structure, magnetostriction noise is suppressed and motor operation noise is reduced.
本発明の制御方法によれば、ブラシレスモータとして、マグネットを放射状に配した磁束集中型モータを採用することにより、製造コストの削減が可能となると共に、疑似磁極部の多極化により疑似磁極部の磁束密度が高められ、電機子反作用を低減させることが可能となる。さらに、進角制御を行うことにより、高負荷領域におけるトルクダレを抑えることができ、出力向上を図ることが可能となる。また、進角制御によりトルクリップルも抑制することができ、このブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いた場合には、操舵フィーリングの向上を図ることが可能となる。 According to the control method of the present invention, it is possible to reduce the manufacturing cost by adopting a magnetic flux concentrating motor in which magnets are arranged radially as a brushless motor, and the magnetic flux of the pseudo magnetic pole part can be reduced by increasing the number of pseudo magnetic pole parts. The density can be increased and the armature reaction can be reduced. Furthermore, by performing advance angle control, torque sagging in a high load region can be suppressed, and output can be improved. Further, the torque ripple can be suppressed by the advance angle control, and when this brushless motor is used as a drive source of the electric power steering apparatus, it is possible to improve the steering feeling.
本発明の制御装置によれば、電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータとして、マグネットを放射状に配した磁束集中型モータを採用することにより、製造コストの削減が可能となると共に、疑似磁極部の多極化により疑似磁極部の磁束密度が高められ、電機子反作用を低減させることが可能となる。さらに、進角制御を行うことにより、高負荷領域におけるトルクダレを抑えることができ、出力向上を図ることが可能となる。また、進角制御によりトルクリップルも抑制することができ、操舵フィーリングの向上を図ることが可能となる。 According to the control device of the present invention, as a brushless motor for an electric power steering device, by adopting a magnetic flux concentration type motor in which magnets are arranged radially, it is possible to reduce the manufacturing cost and to increase the number of pseudo magnetic pole portions. The magnetic flux density of the pseudo magnetic pole part is increased, and the armature reaction can be reduced. Furthermore, by performing advance angle control, torque sagging in a high load region can be suppressed, and output can be improved. Further, the torque ripple can be suppressed by the advance angle control, and the steering feeling can be improved.
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、本発明が適用されるブラシレスモータ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 apparatus (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、EPS1の駆動源として使用されるモータ3の断面図、図3は、図2のA−A線に沿った断面図である。モータ3は、ロータのマグネットが放射状に配置されたいわゆるスポーク型の磁束集中型モータとなっている。モータ3は、図3に示すように、外側にステータ(固定子)21、内側にロータ(回転子)22を配したインナーロータ型のブラシレスモータとなっている。
2 is a cross-sectional view of the
ステータ21は、有底円筒形状のモータケース23(以下、ケース23と略記する)の内側に圧入や接着剤等の固定手段により固定されている。ステータ21は、ステータコア24と、ステータコア24のティース25に巻装されたステータコイル26(電機子巻線、以下、コイル26と略記する)及びステータコア24に取り付けられコイル26と電気的に接続されるバスバーユニット(端子ユニット)27とから構成されている。ケース23は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、その開口部には、図示しない固定ネジによって、ブラケット28(例えば、アルミダイキャスト製)が取り付けられる。
The
ステータコア24は、鋼製の板材(例えば、珪素鋼板等の電磁鋼板)を積層して形成されており、複数個(本実施形態においては12個)のティース25が径方向内側に向かって突設されている。隣接するティース25の間にはスロット29が形成されており、モータ3は12スロット構成となっている。ステータコア24には合成樹脂製のインシュレータ31が取り付けられており、インシュレータ31の外側に複数相(ここでは、U相,V相,W相の3相)のコイル26が巻装されている。コイル26はスロット29の中に収容されており、線間の誘起電圧が正弦波波形となるよう構成されている。
The
ステータコア24のケース23の開口側の一端側には、バスバーユニット27が取り付けられている。バスバーユニット27は、合成樹脂製の本体部内に銅製のバスバーがインサート成形された構成となっている。バスバーユニット27の周囲には、各バスバーから延設される複数個の給電用端子32が径方向に突設されている。バスバーユニット27の取り付けに際し、各給電用端子32には、ステータコア24から引き出された各コイル26の端部26aがそれぞれ電気的に溶接される。バスバーユニット27では、バスバーはモータ3の相数に対応した個数(ここでは、U相,V相,W相分の3個と各相同士の接続用の1個の計4個)設けられている。各コイル26は、その相に対応した給電用端子32と電気的に接続される。ステータコア24は、バスバーユニット27を取り付けた後、ケース23内に圧入等により固定される。
A
ステータ21の内側にはロータ22が挿入されている。ロータ22はロータシャフト33を有しており、ロータシャフト33はベアリング34a,34bによって回転自在に軸支されている。ベアリング34aはケース23の底部中央に、ベアリング34bはブラケット28の中央部にそれぞれ固定されている。ロータシャフト33には、円筒形状のロータコア35と、回転角度検出手段であるレゾルバ36のロータ(レゾルバロータ)37が取り付けられている。レゾルバ36のステータ(レゾルバステータ)38は、合成樹脂製のレゾルバブラケット39に収容されており、取付ネジ41によってブラケット28の内側に固定される。
A
ロータコア35は、珪素鋼板等の磁性体にて形成された薄板状のコアプレート(電磁鋼板)を複数枚積層させた構成となっている。ロータコア35の外形は真円形ではなく、偏芯形状となっている。ロータコア35には、軸孔(中心孔)42と、複数個のマグネット取付孔(マグネット収容部)43が設けられている。軸孔42はロータコア35の中心部に形成されており、そこにはロータシャフト33が圧入固定される。マグネット取付孔43は、径方向に沿って延びる長方形状の孔であり、14個が周方向等間隔に放射状に配置されている。すなわち、当該モータ3は、14極12スロット(以下、14P12Sと略記する)となっている。
The
マグネット取付孔43の径方向内側と外側は共に閉鎖されており、径方向外側にはブリッジ部44が形成されている。各マグネット取付孔43内には直方体状のマグネット(永久磁石)45がそれぞれ収容され、接着剤等の固定手段にて固定されている。隣接するマグネット45は、対向する面が同極性となっている。このように、モータ3では、マグネット45として、加工が容易な平板状の永久磁石を使用でき、加工工数が削減されると共に、歩留まりも向上し、レアアース材料の削減を図ることが可能となる。マグネット取付孔43よりも径方向内側には、コアプレートを所定位置に積層するための複数のボス孔46が軸方向にプレス打出し加工にて設けられている。
The inner side and the outer side in the radial direction of the
図4は、マグネット取付孔43近傍の構成を示す説明図である。ロータコア35では、隣接するマグネット取付孔43の間の外周は、半径Rの外形に形成されている。半径Rの中心O1は、ロータ22の中心Oよりも外径側にずれた位置に偏芯配置されている。半径Rの部位、すなわち、隣接するマグネット取付孔43の間の部分は、対向するマグネット45からの磁束が反発し合って径方向外側に流れる疑似磁極部47となっている。疑似磁極部47は、マグネット45と同数(ここでは14個)形成される。疑似磁極部47は、上述のようにそれぞれ半径Rにて偏芯形成されているため、ロータコア35の外周は、マグネット取付孔43部分を谷、疑似磁極部47部分を山とする凹凸形状となる。従って、疑似磁極部47はロータコア35上に突極状に形成され、擬似的な14P12S構成が形成される。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration in the vicinity of 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48を介してコイル26に電力が供給される。コイル26に電力が供給されるとモータ3が作動し、ロータシャフト33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
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36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。当該EPS1では、トルクセンサ11からのモータ負荷情報に応じてモータ3が進角制御され、これにより、高負荷領域におけるトルクダレを抑えると共に、トルクリップルの低減を図っている。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the
図5に示すように、電流指令部51には、トルクセンサ11から、ハンドル操作に際しモータ3の負荷となるトルク値に対応した信号がモータ負荷情報として入力される。トルクセンサ11は、トルク値に応じた信号(電圧)を出力し、電流指令部51は、この出力信号をモータ負荷情報として受信する。また、前述のように、モータ3には、角度センサとしてレゾルバ36が配されており、電流指令部51には、このレゾルバ36からロータ回転位置情報が入力される。このレゾルバ36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にも入力されている。
As shown in FIG. 5, a signal corresponding to a torque value that becomes a load of the
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の回転数を算出する。ロータ回転数算出部62にて算出された値は、ロータ回転数情報として電流指令部51に入力される。また、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が設けられている。電流指令部51には、電流センサ61から、モータ3の各相電流値が入力される。
The rotor rotation
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36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。この際、供給電流量算出部52は、モータ3の負荷状態に応じて、最大トルクが出力される巻線電流値を示す基本波電流Id,Iqを算出し、それを適宜進角補正して電流指令値Id’,Iq’を出力する。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いる。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に対しフィードバック制御を行う。
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にはまた、モータ3の電流値がフィードバックされており、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Id,Iq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Id,Iq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
ここで、従来の磁束集中型ブラシレスモータでは、前述のように、電機子反作用の影響により、トルクダレやトルクリップルの問題が生じるという問題があった。この場合、電機子反作用を緩和するには、まず、ロータ側を界磁側の磁束を受けにくい構造とすることが必要であり、さらに、モータの駆動制御においても、その影響を緩和する制御形態を採ることが好適である。そこで、当該モータ3では、(1)多極構造よる高磁束密度化と(2)進角制御により、電機子反作用を緩和し、高負荷領域におけるトルクダレを防止すると共に、低トルクリップル化を実現している。
Here, in the conventional magnetic flux concentration type brushless motor, as described above, there is a problem that torque sagging and torque ripple are caused by the influence of the armature reaction. In this case, in order to alleviate the armature reaction, it is first necessary to make the rotor side difficult to receive the magnetic flux on the field side. Further, in the drive control of the motor, a control mode that mitigates the influence It is preferable to adopt Therefore, in the
(1)多極構造よる高磁束密度化
磁束集中による高磁束密度化という観点からすると、多極化すればするほど磁束密度は高くなる。しかしながら、多極化を図るとマグネットの使用量が増え、その分コストも増大するため、実用性を考慮すると、10Pあるいは14P程度が現実的である。そこで、発明者らは、12S構成において10P,14Pの両者を比較し、14P構成の方がラジアル方向に作用する電磁加振力の点で優位であるとの結果を得た。図6は、トルクと電磁力脈動との関係を示したグラフである。図6における各プロットは、マグネットの大きさや径方向位置、ステータ形状(スロット開口幅やティース幅)を変更した場合のデータである。なお、エアギャップやモータ外径、磁気特性は同じ状態となっている。
(1) High magnetic flux density by multipolar structure From the viewpoint of high magnetic flux density by concentration of magnetic flux, the magnetic flux density increases as the number of magnetic poles increases. However, when the number of poles is increased, the amount of magnets used increases, and the cost increases accordingly. Therefore, considering practicality, about 10P or 14P is realistic. Therefore, the inventors compared both 10P and 14P in the 12S configuration, and obtained the result that the 14P configuration is superior in terms of electromagnetic excitation force acting in the radial direction. FIG. 6 is a graph showing the relationship between torque and electromagnetic force pulsation. Each plot in FIG. 6 is data when the magnet size, radial position, and stator shape (slot opening width and teeth width) are changed. The air gap, motor outer diameter, and magnetic characteristics are the same.
図6からも分かるように、14P12Sの方が10P12Sよりも電磁力脈動が明らかに小さかった。これは、ステータのティース間隔に対し、ロータの磁極が小さいため、ロータ側に必要以上の磁束が影響を与えにくいためと考えられる。電磁加振力は、通電時におけるトルクに寄与しないラジアル力であり、電磁加振力によって電磁力脈動が大きくなると、いわゆる磁歪音が大きくなりモータ作動音が増大する。従って、モータ3のように14P12S構造を採用することにより、モータの作動音を低減させることができ、EPS1の静粛性を向上させることが可能となる。
As can be seen from FIG. 6, the electromagnetic pulsation was clearly smaller in 14P12S than in 10P12S. This is presumably because the magnetic pole of the rotor is small relative to the stator tooth interval, so that the magnetic flux more than necessary does not easily affect the rotor side. The electromagnetic excitation force is a radial force that does not contribute to torque during energization. When electromagnetic force pulsation increases due to electromagnetic excitation force, so-called magnetostriction noise increases and motor operation noise increases. Therefore, by adopting the 14P12S structure like the
(2)進角制御
磁束集中型ブラシレスモータでは、電機子反作用により、本来磁束量がピークであるはずのロータ回転位置が、界磁の影響によってずれてしまう。また、このズレは、高負荷領域(高電流領域)にて顕著となる。そこで、当該モータの制御装置50では、モータ負荷を考慮しつつ、通電タイミングを制御することにより、電機子反作用によって生じた正弦波波形のズレを補正する。このため、電流指令部51には、進角制御マップ63が設けられており、このマップに基づいて、モータ負荷状態に応じた進角制御が実施される。
(2) Lead angle control In the magnetic flux concentration type brushless motor, the rotor rotational position where the magnetic flux amount should originally be a peak shifts due to the influence of the field due to the armature reaction. Moreover, this deviation becomes remarkable in a high load region (high current region). Therefore, the
図7は、進角制御マップ63の一例を示す説明図である。供給電流量算出部52は、この進角制御マップ63に基づいて、コイル26に対して供給される電流に設定する進角値を算出すると共に、この進角値によって基本波電流Id,Iqを補正し、電流指令値Id’,Iq’を設定する。図7において、横軸は、トルクセンサ11にて検出されたトルク値(出力信号:電圧)に対して必要となるモータ3の負荷トルクを示している。また、縦軸は、モータ3に付すべき進角値を示している。図7に示すように、進角値は、負荷トルクが大きいほど、すなわち、モータの負荷状態が重いほど大きな値となっており、概ね、モータトルクが1(Nm)程度となったところから進角制御を開始する。但し、全トルク領域において進角制御を行うことも勿論可能であり、図7には0.8(Nm)以下の進角値が記載されていないが、これは、0.8(Nm)以下においては進角制御を行わないことを意味するものではない。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the advance
図8は、このような進角制御の有無に伴うトルク及びトルクリップルの変化を示す説明図である。図8に示すように、進角なしの場合は、相電流値(ここではU相:Iu)が50Apeakを超えるあたりからトルクがダレ始める。また、トルクリップルも電流値と共に増大して行く。これに対し、図7に示したような進角制御マップを用いて進角制御を行うと、50Apeakを超えてもトルクダレは余り生じず、トルクリップルもほぼ横ばいにて推移する。すなわち、従来の磁束集中型ブラシレスモータに比して、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トルクダレが抑えられ出力の向上が図られると共に、トルクリップルも抑制される。 FIG. 8 is an explanatory diagram showing changes in torque and torque ripple with or without such advance angle control. As shown in FIG. 8, when there is no advance angle, the torque begins to sag when the phase current value (here, U phase: Iu) exceeds 50 Apeak. Further, the torque ripple also increases with the current value. On the other hand, when the advance angle control is performed using the advance angle control map as shown in FIG. 7, torque sag does not occur much even if it exceeds 50 Apeak, and the torque ripple changes substantially level. In other words, compared to a conventional magnetic flux concentration type brushless motor, torque sagging is suppressed 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 output is improved. It is suppressed.
このように、本発明によるEPS用モータの制御方法・制御装置では、平板状のマグネットを使用した磁束集中型モータの採用により、製造コストを削減すると共に、疑似磁極部の多極化によって電機子反作用を低減が図られる。また、この多極化において、14P12S構造を採用することにより、磁歪音を抑え、モータ作動音をSPMなみに低減することが可能となる。さらに、進角制御を行うことにより、トルクダレを抑えて出力向上を図ることが可能となる。また、進角制御によりトルクリップルも抑制することができ、操舵フィーリングの向上も図られる。さらに、制御装置50では、進角制御マップ63を用いて進角制御を行うため、制御装置50に大きな負荷をかけることなくモータ3の進角制御を実施することが可能となる。
As described above, the EPS motor control method and control apparatus according to the present invention reduces the manufacturing cost by adopting a magnetic flux concentration type motor using a flat magnet, and reduces the armature reaction by increasing the number of pseudo magnetic pole portions. Reduction is achieved. Further, in this multipolarization, by adopting the 14P12S structure, it becomes possible to suppress the magnetostriction noise and reduce the motor operation noise as much as SPM. Further, by performing the advance angle control, it is possible to suppress the torque sagging and improve the output. Further, the torque ripple can be suppressed by the advance angle control, and the steering feeling can be improved. Furthermore, since the
以上、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、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、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。
As mentioned above, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the above embodiment, and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary.
For example, in the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to the EPS has been described. The present invention is also applicable to the motor used.
1 電動パワーステアリング装置
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 ECU
21 ステータ
22 ロータ
23 モータケース
24 ステータコア
25 ティース
26 ステータコイル
26a 端部
27 バスバーユニット
28 ブラケット
29 スロット
31 インシュレータ
32 給電用端子
33 ロータシャフト
34a,34b ベアリング
35 ロータコア
36 レゾルバ
37 レゾルバロータ
38 レゾルバステータ
39 レゾルバブラケット
41 取付ネジ
42 軸孔
43 マグネット取付孔
44 ブリッジ部
45 マグネット
46 ボス孔
47 疑似磁極部
48 給電配線
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
56 座標軸変換部
57 インバータ
61 電流センサ
62 ロータ回転数算出部
63 進角制御マップ
71 ロータ
72 マグネット
73 コア部材
74 疑似磁極部
O ロータ中心
O1 疑似磁極部外径中心
R 疑似磁極部外径半径
DESCRIPTION OF
21
Claims (7)
前記ステータの内側に回転自在に配置され、電磁鋼板を積層して形成したコアと、該コア内に放射状に形成された複数個のマグネット収容部と、該マグネット収容部内にそれぞれ収容された複数個の永久磁石と、該マグネット収容部間に形成される複数個の疑似磁極部と、を備えたロータと、を有するブラシレスモータの制御方法であって、
前記ブラシレスモータの負荷状態に基づいて、該ブラシレスモータに対し進角制御を行うことを特徴とするブラシレスモータの制御方法。 A plurality of teeth portions projecting radially inward, a plurality of slots formed between the teeth portions, and an induced voltage between the wires wound around the teeth portions via the slots is a sine wave waveform A stator having a multi-phase armature winding,
A core that is rotatably arranged inside the stator and is formed by laminating electromagnetic steel plates, a plurality of magnet housing portions formed radially in the core, and a plurality of housings respectively housed in the magnet housing portions A control method of a brushless motor having a permanent magnet and a rotor provided with a plurality of pseudo magnetic pole portions formed between the magnet housing portions,
A control method for a brushless motor, wherein an advance angle control is performed on the brushless motor based on a load state of the brushless motor.
前記進角制御は、前記ブラシレスモータの負荷トルクと前記進角の関係を示すマップに基づいて実施されることを特徴とするブラシレスモータの制御方法。 The control method according to claim 1,
The method for controlling a brushless motor, wherein the advance angle control is performed based on a map showing a relationship between a load torque of the brushless motor and the advance angle.
前記ステータは、12個の前記ティース部と、12個の前記スロットと、を備え、
前記ロータは、14個の前記マグネット収容部と、14個の前記マグネットと、14個の前記疑似磁極部を備えることを特徴とするブラシレスモータの制御方法。 The control method according to claim 1 or 2,
The stator includes twelve teeth portions and twelve slots.
The said rotor is provided with 14 said magnet accommodating parts, 14 said magnets, and 14 said pseudo magnetic pole parts, The control method of the brushless motor characterized by the above-mentioned.
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、
該電動パワーステアリング装置は、前記ブラシレスモータの負荷状態を検出するトルクセンサを有し、
前記トルクセンサにて検出された値に基づいて、前記電機子巻線に対して供給される電流に設定する進角値を算出し、前記ブラシレスモータに対し進角制御を行うことを特徴とするブラシレスモータの制御方法。 In the control method according to any one of claims 1 to 3,
The brushless motor is used as a drive source of an electric power steering device,
The electric power steering device has a torque sensor for detecting a load state of the brushless motor,
A lead angle value set for a current supplied to the armature winding is calculated based on a value detected by the torque sensor, and a lead angle control is performed on the brushless motor. Brushless motor control method.
径方向内側に向けて突出する複数個のティース部と、該ティース部間に形成された複数個のスロットと、前記スロットを介して前記ティース部に巻装され線間の誘起電圧が正弦波波形となる複数相の電機子巻線と、を備えたステータと、
前記ステータの内側に回転自在に配置され、電磁鋼板を積層して形成したコアと、該コア内に放射状に形成された複数個のマグネット収容部と、該マグネット収容部内にそれぞれ収容された複数個の永久磁石と、該マグネット収容部間に形成される複数個の疑似磁極部と、を備えたロータと、を有するブラシレスモータの制御装置であって、
前記電動パワーステアリング装置は、前記ブラシレスモータの負荷状態を検出するトルクセンサを有し、
前記制御装置は、前記トルクセンサにて検出された前記ブラシレスモータの負荷状態に基づいて、前記電機子巻線に対して供給される電流に設定する進角値を算出し、前記ブラシレスモータに対し進角制御を行う供給電流量算出部を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータの制御装置。 Used as a drive source for electric power steering devices,
A plurality of teeth portions projecting radially inward, a plurality of slots formed between the teeth portions, and an induced voltage between the wires wound around the teeth portions via the slots is a sine wave waveform A stator having a multi-phase armature winding,
A core that is rotatably arranged inside the stator and is formed by laminating electromagnetic steel plates, a plurality of magnet housing portions formed radially in the core, and a plurality of housings respectively housed in the magnet housing portions A control device for a brushless motor having a permanent magnet and a rotor including a plurality of pseudo magnetic pole portions formed between the magnet housing portions,
The electric power steering device has a torque sensor that detects a load state of the brushless motor,
The control device calculates an advance value to be set for a current supplied to the armature winding based on a load state of the brushless motor detected by the torque sensor, and for the brushless motor A control device for a brushless motor for an electric power steering apparatus, comprising a supply current amount calculation unit for performing advance angle control.
前記制御装置は、前記ブラシレスモータの負荷トルクと前記進角の関係を示すマップをさらに有し、
前記供給電流量算出部は、前記マップに基づいて前記進角値を算出することを特徴とする電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータの制御装置。 The control device according to claim 5,
The control device further includes a map showing a relationship between a load torque of the brushless motor and the advance angle;
The controller for a brushless motor for an electric power steering apparatus, wherein the supply current amount calculating unit calculates the advance value based on the map.
前記ステータは、12個の前記ティース部と、12個の前記スロットと、を備え、
前記ロータは、14個の前記マグネット収容部と、14個の前記マグネットと、14個の前記疑似磁極部を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータの制御装置。 The control device according to claim 5 or 6,
The stator includes twelve teeth portions and twelve slots.
The said rotor is provided with 14 said magnet accommodating parts, 14 said magnets, and 14 said pseudo magnetic pole parts, The control apparatus of the brushless motor for electric power steering apparatuses characterized by the above-mentioned.
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JP2014199500A (en) * | 2013-03-29 | 2014-10-23 | 株式会社富士通ゼネラル | Advance simulation method and advance simulation program |
WO2019065119A1 (en) * | 2017-09-27 | 2019-04-04 | 日本電産株式会社 | Spoke type motor, vehicle motor, unmanned air vehicle, and electric assist device |
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