JP2017050993A - モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの磁界に影響されず、且つ装置を大型化せずにモータを制御することのできるモータ装置を提供すること。
【解決手段】モータ装置１０は、モータコイル１７−１〜１７−３と、モータコイル１７−１〜１７−３を駆動する電流を検出する電流センサ１３−１〜１３−３と、モータコイル１７−１〜１７−３に流れる電流を算出する演算部２０と、モータコイル１７−１〜１７−３に流れる電流を制御するＰＷＭ発生部１１を備え、電流センサ１３−１〜１３−３が、互いに隣接して同じ方向で配置され、演算部２０は、電流センサ１３−１〜１３−３が検出した電流に基づいて、モータコイル１７−１〜１７−３に流れる電流を推定し、ＰＷＭ発生部１１は、推定した電流に基づいてモータコイル１７−１〜１７−３に流れる電流を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はモータ装置に関し、特にブラシレスモータを含むモータ装置に関する。

ブラシレスモータは、インバータ制御により回転を制御することができるモータとして、広く利用されている。

このブラシレスモータの制御では、コイルを励磁するタイミングを精度よくすることにより、正確な速度およびトルク制御を実現している。すなわち、コイルに流れる電流のタイミングと電流値を精度良く制御することが必要になっている。

特許文献１では、複数のホールＩＣを配置したブラシレスモータが記載されている。ホールＩＣは、バスバーに電流が流れることにより発生した磁界を、ホール素子で電流として検出する。

特開２００７−２５２０９６号公報

しかしながら、ホール素子は、コイルから発生する磁界と外部からの磁界とを区別して検出することができないので、外部からの磁界により検出する電流に誤差が生じ、モータの制御に影響してしまうという問題があった。

また、外部からの磁界を遮蔽するためには、ホールＩＣ、導線またはモータ装置全体をシールドする必要があり、装置が大型化してしまうという問題もあった。

本発明にかかるモータ装置は、複数のモータコイルと、前記モータコイルを駆動する電流を検出する複数の電流センサと、前記モータコイルに流れる電流を算出する演算部と、

前記モータコイルに流れる電流を制御するＰＷＭ発生部を備え、前記複数の電流センサが、互いに隣接して同じ方向で配置され、前記演算部は、前記複数の電流センサが検出した電流に基づいて、前記モータコイルに流れる電流を推定し、前記ＰＷＭ発生部は、推定した電流に基づいて前記モータコイルに流れる電流を制御する。

本発明のモータ装置によれば、モータコイルの電流を測定する電流センサＩＣを互いに隣接して同じ方向で配置することにより、外部の磁界による誤差を各電流センサＩＣで等しくすることができ、演算により外部の磁界による誤差を打ち消すことができるので、外部からの磁界に影響されず、且つ装置を大型化せずにモータを制御することができる。

本発明によれば、外部からの磁界に影響されず、且つ装置を大型化せずにモータを制御することのできるモータ装置を提供することができる。

実施の形態１に係るモータ装置の概略構成を示すブロック図である。 回転時の各相の電流の状態を示す図である。 外乱磁界を与えた場合の電流センサＩＣの出力値を示すグラフである。 実施の形態２に係るモータ装置の概略構成を示すブロック図である。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１に係るモータ装置１０の概略構成を示すブロック図である。図１において、ブラシレスモータは、ＤＣブラシレスモータ１６と、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３と、ゲートドライバ１２−１〜１２−３と、アナログ回路部１８と、ＰＷＭ発生部１１と、Ａ／Ｄ変換回路１９と、演算部２０と、ＤＩ／Ｏ部２２と、位置センサ２１とを備える。

ＰＷＭ発生部１１は、モータコイルに流れる電流値と位置センサ２１が検出した回転角度信号に基づいて、ブラシレスモータのデューティを決定し、各相のゲートドライバ１２−１〜１２−３に出力する。

ゲートドライバ１２−１〜１２−３は、ＰＷＭ発生部１１から出力されたデューディに従って、モータコイルを駆動する電流を、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３のバスバー１４−１〜１４−３に出力する。

電流センサＩＣ１３−１〜１３−３は、バスバー１４−１〜１４−３とホール素子１５−１〜１５−３を備える。そして電流センサＩＣ１３−１〜１３−３は、バスバー１４−１〜１４−３に電流が流れた時に発生する磁場をホール素子１５−１〜１５−３で検出することにより、バスバー１４−１〜１４−３に流れる電流値を検出する。

電流センサＩＣ１３−１〜１３−３は互いにバスバー１４−１〜１４−３及びホール素子１５−１〜１５−３の向きが同じ方向で隣接して配置されている。この配置により、外部からの磁界の影響が電流センサＩＣ１３−１〜１３−３間で差が無く、同程度となる。この外部からの磁場の影響については後述する。

ＤＣブラシレスモータ１６は、Ｕ相のモータコイル１７−１と、Ｖ相のモータコイル１７−２と、Ｗ相のモータコイル１７−３と、（図示しない）ロータとを備える。そして、ＤＣブラシレスモータ１６は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のモータコイル１７−３に所定の周期及び位相で電流を流すことにより、磁場を発生させてロータを回転させる。

Ｕ相のモータコイル１７−１と、Ｖ相のモータコイル１７−２と、Ｗ相のモータコイル１７−３は、一方をそれぞれ電流センサＩＣ１３−１〜１３−３のバスバー１４−１〜１４−３に接続し、他方を互いに接続する。

アナログ回路部１８は、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３のホール素子１５−１〜１５−３が検出した電流値を読み込み、Ａ／Ｄ変換回路１９に出力する。

Ａ／Ｄ変換回路１９は、ホール素子１５−１〜１５−３が検出した電流値をアナログ信号からデジタル信号に変換する。そして、Ａ／Ｄ変換回路１９は、デジタル信号に変換した電流値を演算部２０に出力する。

演算部２０は、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３が検出した電流値からモータコイルに流れる電流値を推定する。推定内容の詳細は後述する。

位置センサ２１は、ロータの回転角度を検出するセンサである。位置センサ２１は、例えばロータの回転による磁気変化を検出するレゾルバが好適である。

ＤＩ／Ｏ部２２は、位置センサ２１が検出した回転角度信号を受け付けるデジタルＩ／Ｏ回路である。ＤＩ／Ｏ部２２は、回転角度信号を演算部２０が処理できる信号レベルに変換して演算部２０に出力する。

これらＰＷＭ発生部１１、Ａ／Ｄ変換回路１９、演算部２０、及びＤＩ／Ｏ部２２は電子回路で構成するのが好適である。また、ＰＷＭ発生部１１、Ａ／Ｄ変換回路１９、演算部２０、及びＤＩ／Ｏ部２２はワンチップＩＣに集約することもできる。
以上の構成により、モータ装置１０はＤＣブラシレスモータ１６の回転を制御する。

次に、モータコイルに流れる電流値の推定方法について説明する。図２は、回転時の各相の電流の状態を示す図である。図２において、状態１−６は、励磁シーケンスの各状態を示す。この状態１−６は、モータのロータの回転位置によって決まる励磁シーケンスの状態である。

状態１では、Ｖ相からＷ相に向かって電流が流れる。そして回転により状態２に移ると、状態２では、Ｖ相からＵ相に向かって電流が流れる。

以降、同様に状態３では、Ｗ相からＵ相に向かって電流が流れ、状態４では、Ｗ相からＶ相に電流が流れる。

更に、状態５では、Ｕ相からＶ相に電流が流れ、状態６では、Ｕ相からＷ相に電流が流れる。このように状態１−６を繰り返すことにより、ロータが回転する。

ここで、モータコイルに流れている真の電流をｉＴとすると、状態１−６におけるＵ相、Ｖ相、及びＷ相の各相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力と、電流ｉＴとの関係は以下の表１の関係となる。表１においてｉＶはＶ相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力を示し、ｉＷはＷ相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力を示し、ｉＵはＵ相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力を示す。

ここで、外部の磁界による影響があると、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３は、ホール素子１５−１〜１５−３が外部の磁界の分も電流として誤検出することにより、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の検出した電流値とモータコイルに流れる電流値に誤差が生じる。

実施の形態１のモータ装置１０では、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３を互いに隣接して同じ方向で配置することにより、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力の絶対値が略同じとなる。

図３は、外乱磁界が与えられた場合の電流センサＩＣの出力値を示すグラフである。図３において、横軸は時刻を示し、縦軸は誤差電流値を示す。

図３では、モータコイルに流す電流値を０とし、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３に磁石を接近させた後、遠ざける動作を行った時の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力変化を示している。

図３に示すように、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３に磁石を近づけるまでの間に電流値は増加し、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３から磁石を遠ざけると電流値は減少している。ここで、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力は、略等しく変化している。

したがって、モータコイルに流れている真の電流をｉＴと定義し、外部の磁界による誤差ｉΔと定義すると、状態１−６におけるＵ相、Ｖ相、及びＷ相の各相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力は以下の表２の関係となる。

そして、演算部２０は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力で、誤差電流値を打ち消し合う演算を行うにより、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力からモータコイルに流れている真の電流を推定する。

表３は、図２の各状態における電流値の算出式を示す表である。演算部２０は表３の算出式に従って電流値を算出する。表３において、ｉは演算部２０により算出される電流値を示す。

例えば、状態１において、Ｖ相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力ｉＶと、Ｗ相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力ｉＷに、外部の磁界による誤差ｉΔがそれぞれ同じく含まれていた場合、電流値は以下の式（１）により算出される。
ｉ＝（ｉＶ−ｉＷ）／２＝（（ｉＴ＋Δ）−（−ｉＴ＋Δ））／２＝ｉＴ ・・・（１）

状態２−５についても同様の結果が得られる。すなわち、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の出力に外部の磁界による誤差が含まれている場合でも、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３を互いに隣接して同じ方向で配置することにより、外部の磁界による誤差が等しいので、電流値の算出において打ち消すことができる。

このように、実施の形態１のモータ装置によれば、モータコイルの電流を測定する電流センサＩＣを互いに隣接して同じ方向で配置することにより、外部の磁界による誤差を各電流センサＩＣで等しくすることができ、演算により外部の磁界による誤差を打ち消すことができるので、外部からの磁界に影響されず、且つ装置を大型化せずにモータを制御することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係るモータ装置の概略構成を示すブロック図である。図４において、図１と同一の構成については、同一の番号を付し、説明を省略する。

図４において、モータ装置４０は、図１のＤＣブラシレスモータ１６の代わりにＤＣモータ４１を備える

ＤＣモータ４１は、モータコイル４２の一端を電流センサＩＣ１３−１のバスバー１４−１に接続し、モータコイル４２の他端を電流センサＩＣ１３−２のバスバー１４−２に接続する。

モータ装置１０では、１つのコイルの両端に電流センサＩＣ１３−１及び１３−２を接続するので、ゲートドライバ及び電流センサはそれぞれ２つ備える構成でよい。

このように、実施の形態２のモータ装置によれば、ＤＣモータにおいても、モータコイルの電流を測定する電流センサＩＣを互いに隣接して同じ方向で配置することにより、外部の磁界による誤差を各電流センサＩＣで等しくすることができ、演算により外部の磁界による誤差を打ち消すことができるので、外部からの磁界に影響されず、且つ装置を大型化せずにモータを制御することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、４相以上のモータについても同様に適用することができる。

また、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３の配置は、制御に支障のない範囲の距離で隣接していれば良い。例えば、モータを保護するための制御であれば、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３間の誤差が０．５Ａ程度でも制御可能であるので、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３間の距離は、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３間の誤差が０．５Ａ以下となる距離であればよい。

また、モータのトルクを制御する場合には、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３間の誤差が０．０１Ａ以下であることが望ましいので、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３間の距離は、電流センサＩＣ１３−１〜１３−３間の誤差が０．０１Ａ以下となる距離とすることが望ましい。

１０、４０ モータ装置
１１ ＰＷＭ発生部
１２−１〜１２−３ ゲートドライバ
１３−１〜１３−３ 電流センサＩＣ
１４−１〜１４−３ バスバー
１５−１〜１５−３ ホール素子
１６ ブラシレスモータ
１７−１〜１７−３、４２ モータコイル
１８ アナログ回路部
１９ Ａ／Ｄ変換回路
２０ 演算部
２１ 位置センサ
２２ ＤＩ／Ｏ回路
４１ ＤＣモータ

Claims (1)

1. 複数のモータコイルと、
   前記モータコイルを駆動する電流を検出する複数の電流センサと、
   前記モータコイルに流れる電流を算出する演算部と、
   前記モータコイルに流れる電流を制御するＰＷＭ発生部を備え、
   前記複数の電流センサが、互いに隣接して同じ方向で配置され、
   前記演算部は、前記複数の電流センサが検出した電流に基づいて、前記モータコイルに流れる電流を推定し、
   前記ＰＷＭ発生部は、推定した電流に基づいて前記モータコイルに流れる電流を制御するモータ装置。

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