JP4779380B2 - ブラシレスモータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、スター結線した複数の励磁コイルの中性点異常を検出することができるブラシレスモータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置に関する。

従来のブラシレスモータとしては、例えば３相ブラシレスモータのスター接続された駆動コイルの中性点の電圧ＶＮに基づいて、この中性点の電圧ＶＮが主電源電圧ＶＭの４０％〜６０％の範囲外にある場合を駆動コイルの異常として検出するようにしたブラシレスモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３４７１５３４号公報（第１頁、図１）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、３相ブラシレスモータのスター接続された駆動コイルの中性点から引出線を出して、この引出線の電圧を検出することにより中性点電圧を検出することにより、各駆動コイルの地絡状態を検出することができるものであるが、中性点電圧を検出するための引出線に天絡又は地絡が発生した場合には、これがモータコイルやモータ駆動回路のパワートランジスタ等を介して低インピーダンスでバッテリ等の電源に短絡することになり、過電流が流れて中性点の引出線や周辺部品が損傷を受ける可能性があるという未解決の課題がある。

また、天絡や地絡時に過電流が流れるため、短絡抵抗により、中性点電圧が大きく影響を受けることになり、中性点の異常検出をしづらくなるという未解決の課題もある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目したものであり、中性点電圧を検出するための電位検出引出線に天絡や地絡が発生したときに、電位検出引出線やその周辺部品が損傷を受けることがないと共に、正確に中性点異常を検出することができるブラシレスモータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係るブラシレスモータは、スター結線した複数の励磁コイルと、該励磁コイルの中性点に接続されて中性点電圧を検出する中性点電圧検出部とを備えたブラシレスモータであって、前記中性点電圧検出部は、前記中性点及び接地間に接続され、当該中性点側にモータ内で保護用抵抗が介挿され、前記接地側に電圧検出用抵抗が介挿された電位検出引出線と、前記電圧検出用抵抗に接続された電圧検出部とで構成されていることを特徴としている。

また、請求項２に係るブラシレスモータは、請求項１に係る発明において、前記保護用抵抗は、前記電位検出用引出線に過電流を流す過電流異常が発生したときに、過電流を抑制可能な高抵抗値に設定されていることを特徴としている。
さらに、請求項３に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１又は２に記載のブラシレスモータを車両の操舵系に対して操舵補助力を付与する電動機として備えたことを特徴としている。

本発明によれば、ブラシレスモータを構成するスター結線された複数の励磁コイルの中性点電圧を検出する電位検出引出線が電動機内で保護用抵抗を介して中性点に接続されているので、電位検出引出線に天絡や地絡が発生した場合に、保護用抵抗によって低インピーダンスで電源に短絡されることが抑制されて、電位検出引出線に過電流が流れることを確実に防止することができ、電位検出引出線や電圧検出部等の周辺機器が損傷することを確実に回避することができると共に、天絡や地絡が中性点電圧に大きな影響を及ぼすことを確実に阻止することができ、中性点電圧を正確に検出して異常検出を行うことができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の一実施形態を示す概略構成図であって、図中、１は、ステアリングホイールであり、このステアリングホイール１に運転者から作用される操舵力が入力軸２ａと出力軸２ｂとを有するステアリングシャフト２に伝達される。このステアリングシャフト２は、入力軸２ａの一端がステアリングホイール１に連結され、他端は操舵トルク検出手段としての操舵トルクセンサ３を介して出力軸２ｂの一端に連結されている。

そして、出力軸２ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント４を介してロアシャフト５に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。このピニオンシャフト７に伝達された操舵力はステアリングギヤ８を介してタイロッド９に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ８は、ピニオンシャフト７に連結されたピニオン８ａとこのピニオン８ａに噛合するラック８ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン８ａに伝達された回転運動をラック８ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、操舵補助力を出力軸２ｂに伝達する操舵補助機構１０が連結されている。この操舵補助機構１０は、出力軸２ｂに連結した減速ギヤ１１と、この減速ギヤ１０に連結された操舵補助力を発生する例えば３相のブラシレスモータ１２とを備えている。
操舵トルクセンサ３は、ステアリングホイール１に付与されて入力軸２ａに伝達された操舵トルクを検出するもので、例えば、操舵トルクを入力軸２ａ及び出力軸２ｂ間に介挿した図示しないトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位をポテンショメータで検出するように構成されている。このトルクセンサ３は、図２に示すように、入力される操舵トルクが零のときには、所定の中立電圧Ｖ₀ となり、この状態から右切りすると、操舵トルクの増加に応じて中立電圧Ｖ₀ より増加する電圧となり、操舵トルクが零の状態から左切りすると操舵トルクの増加に応じて中立電圧Ｖ₀ より減少する電圧となるトルク検出値Ｔを出力するように構成されている。

このトルクセンサ３から出力されるトルク検出値Ｔは、コントローラ１５に入力される。このコントローラ１５には、トルク検出値Ｔの他に車速センサ１６で検出した車速検出値Ｖ、ブラシレスモータ１２のスター結線された励磁コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗのうち例えば励磁コイルＬｕ及びＬｗに流れる駆動電流検出値Ｉｕ及びＩｗ、電圧検出器１７で検出した励磁コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗの中性点Ｎの中性点電圧Ｖｎ並びにロータ位置検出器１８で検出したロータ回転位置を表すロータ位置信号ＲＰも入力されている。

そして、コントローラ１５は、入力されるトルク検出値Ｔ及び車速検出値Ｖに応じた操舵補助力をブラシレスモータ１２で発生する操舵補助指令値Ｉ_M ^*を算出し、算出した操舵補助指令値Ｉ_M ^*に応じた振幅でロータ位置信号ＲＰに基づく位相に制御された各相電流指令信号Ｉｍｕ，Ｉｍｖ及びＩｍｗを出力すると共に、後述する電圧検出器２４から入力される中性点電圧Ｖｎがバッテリ電圧Ｅの１／２を含みその近傍に設定された正常範囲内であるか否かによって天絡、地絡等によるブラシレスモータの過電流異常を検出する例えばマイクロコンピュータで構成される演算制御部１５Ａと、この演算制御部１５Ａから出力される各相電流指令値信号Ｉｍｕ，Ｉｍｖ及びＩｍｗと駆動電流検出値Ｉｕ及びＩｗ並びにこれらに基づいて算出される駆動電流検出値Ｉｖとに基づいて各相電流のフィードバック制御を行ってゲート駆動信号ＧＴ１〜ＧＴ６を出力する各相電流制御部１５Ｂとを備えている。

そして、各相電流制御部１５Ｂから出力されるゲート駆動信号ＧＴ１〜ＧＴ６は、モータ駆動回路２０に供給される。このモータ駆動回路２０は、バッテリ２１からリレー回路２２を介して電力が供給される電源供給側（上段側）に３個、アース側（下段側）に３個の計６個の電界効果トランジスタで構成されるパワートランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を有し、これら６個のパワートランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、上段側と下段側とで対応するパワートランジスタが直列接続され、これら直列接続の各パワートランジスタ対（Ｔｒ１−Ｔｒ２、Ｔｒ３−Ｔｒ４、Ｔｒ５−Ｔｒ６）の接続部が３相ブラシレスモータ１２の各励磁コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗの外端と接続されている。そして、各パワートランジスタＴ１〜Ｔ６のゲートに各相電流制御部１５Ｂから出力されるゲート駆動信号ＧＴ１〜ＧＴ６が供給されている。

ここで、各相電流制御部１５Ｂから出力されるゲート駆動信号ＧＴ１〜ＧＴ６は、図４に示すように、電気角で１２０°の区間オンを継続し、残りの２４０°の区間オフを継続し、電気角で６０°の区間において、モータ駆動回路２０を構成する１つのトランジスタ対における双方のパワートランジスタが共にオフし、残りの２つのトランジスタ対で一方が上側のパワートランジスタがオン、他方が下側パワートランジスタがオフとなる６種類の駆動波形パターンとなり、図５に示すように、常に２つの励磁コイルに電流が流れる通電パターンＰ１〜Ｐ６が順次繰り返されてモータ駆動回路２０が１２０°通電型方式のインバータとして動作する駆動波形とされている。

このため、バッテリ２１の電源電圧をＥとし、ブラシレスモータ１２の各励磁コイルＬｕ〜Ｌｗの線間電圧は、図６に示すように、正及び負方向に夫々（１／３）Ｅ及び（２／３）をとるステップ電圧波形となり、各励磁コイルＬｕ〜Ｌｗの中性点Ｎに対する端子電圧は図７に示すように、１つの励磁コイルが“０”の電圧で残りの２つの励磁コイルが正の電圧及び負の電圧となり、正常時の各励磁コイルＬｕ〜Ｌｗが結合されている中性点Ｎでの中性点電圧Ｖｎは（１／２）Ｅとなる。

また、ブラシレスモータ１２の励磁コイルＬｕ〜Ｌｗを結合した中性点Ｎの電圧を検出する中性点電圧検出部２２が設けられている。この中性点電圧検出部２２は、一端が中性点Ｎにその近傍で保護用抵抗Ｒ１を介して接続され、他端が分圧抵抗Ｒ２ａ及びＲ２ｂで構成される電圧検出用抵抗Ｒ２を介して接地されたハーネスで構成される電位検出引出線２３と、この電位検出引出線２３の分圧抵抗Ｒ２ａ及びＲ２ｂの接続点に接続された電圧検出部としての電圧検出器２４とで構成されている。
ここで、保護用抵抗Ｒ１の抵抗値は、天絡や地絡が発生して電位検出引出線２３に過電流が流れる場合に、電位検出引出線２３や電圧検出器２４等の周辺機器を十分に保護することができる値以上に設定されている。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、ブラシレスモータ１２の各励磁コイルＬｕ〜Ｌｗ及びその接続線と、中性点電圧検出部２２とに天絡や地絡が発生していない正常状態であるものとすると、前述した図７に示すように、中性点電圧Ｖｎは（１／２）Ｅとなっており、これが電圧検出器２４で検出される。このとき、演算制御部１５Ａでは、電圧検出器２４で検出した中性点電圧Ｖｎが（１／２）Ｅであるので、バッテリ電圧Ｅの１／２を含みその近傍に設定された正常範囲であると判断して各相電流制御部１５Ｂに対する電流指令値出力を継続する。

この状態で、例えば電流がモータ駆動回路２０のパワートランジスタＴｒ１からＵ相励磁コイルＬｕ値信号Ｉｍｕ，Ｉｍｖ及びＩｍｗ、中性点Ｎ、Ｖ相励磁コイルＬｖ及びパワートランジスタＴｒ４を通じて流れる通電パターンＰ１において、失陥部位として各励磁コイルＬｕ〜Ｌｗについて夫々モータ駆動回路２０側、励磁コイル自体及び中性点側の３点を欠陥部位として設定し、これら欠陥部位を通電方向に合わせて、ｕ１、ｕ２及びｕ３、ｖ３、ｖ２及びｖ１、ｗ３、ｗ２及びｗ１として設定する。

このとき、通電パターンＰ１において、欠陥部位ｕ１〜ｕ３、ｖ１で地絡が発生した場合には、中性点電圧Ｖｎは略接地電位となる。欠陥部位ｖ２に地絡が発生した場合には、中性点電圧Ｖｎは接地電位〜（１／２）Ｅとなる。欠陥部位ｖ３に地絡が発生している場合には、中性点電圧Ｖｎは（１／２）Ｅとなる。欠陥部位ｗ１に地絡が発生している場合には、中性点電圧Ｖｎは接地電位となり、欠陥部位ｗ２に地絡が発生している場合にはその地絡位置によって中性点電圧Ｖｎが異なり、接地電位から（１／３）Ｅとなる。さらに欠陥部位ｗ３に地絡が発生している場合には、中性点電圧Ｖｎは（１／３）Ｅとなる。

したがって、地絡部位ｕ１〜ｕ３、ｖ１、ｗ１〜ｗ３の地絡時には、中性点電圧Ｖｎは、バッテリ電圧Ｅの１／２を含みその近傍に設定された正常範囲外となり、地絡状況を直ちに検出することができる。
また、欠陥部位ｖ２の一部である（２／５）Ｅ〜（１／２）Ｅの範囲及び欠陥部位ｖ３についてはその地絡状況を検出することはできないが、この場合は中性点Ｎの電圧Ｖｎが（１／２）Ｅに略近い値であるので、大電流が流れるおそれはなく、この欠陥部位ｖ２の位置部やｖ３の地絡については通電パターンＰ２となれば中性点電圧Ｖｎが接地電位〜（１／３）Ｅとなるので、この時点で正常範囲外となるので、地絡の発生を検出することができる。

さらに、電位検出引出線２３の保護用抵抗Ｒ１と接地点との間に天絡又は地絡が発生した場合には、この電位検出引出線２３にはその中性点Ｎ側に保護用抵抗Ｒ１が介挿されているので、この保護用抵抗Ｒ１によって、中性点Ｎ側に流れる過電流又は中性点Ｎ側から流れ込む過電流を確実に抑制することができる。
このため、電位検出引出線２３に天絡又は地絡が発生したときに、中性点Ｎを通り、励磁コイルＬｕ〜Ｌｗの何れかとモータ駆動回路２０のパワートランジスタとを通って低インピーダンスでバッテリ２１に短絡することが確実に阻止され、電位検出引出線２３や電圧検出器２４等の周辺機器を損傷することがないと共に、電圧検出器２４でバッテリの電源電圧Ｅ又は接地電位が検出されることにより、正常範囲外となって、天絡又は地絡の発生を正確に検出することができる。

因みに、従来例において、電位引出線２３で天絡又は地絡が発生した場合には、この電位検出引出線２３と、励磁コイルＬｕ〜Ｌｗの何れかとモータ駆動回路２０のパワートランジスタを通って低インピーダンスでバッテリ２１に短絡することになるので、電位検出引出線２３や周辺部品が損傷を受ける可能性が高いと共に、天絡や地絡発生時に過電流が流れるため、中性点電圧が大きく影響を受け、異常検出しづらくなるという問題点がある。

しかしながら、本発明では、上述したように電位検出引出線２３の中性点Ｎ近傍に高抵抗値の保護用抵抗Ｒ１が介挿されていることにより、電位検出引出線２３に過電流が流れることを確実に阻止することができ、電位検出引出線２３及びその周辺機器の損傷を確実に防止することができると共に、中性点電圧を正確に検出することができる。
しかも、本発明によるブラシレスモータ１２を電動パワーステアリング装置に適用したので、操舵トルクＴ及び車速検出値Ｖに基づいて操舵補助指令値を算出し、これに基づいてブラシレスモータ１２を制御している操舵補助状態で、ブラシレスモータ１２における電位検出引出線２３に天絡や地絡が発生した場合に、上述したように保護用抵抗Ｒ１によって電位検出引出線２３に過電流が流れることを確実に抑制し、正確な中性点電圧Ｖｎを検出することができるので、電動パワーステアリング装置の信頼性を向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、１２０°通電型のインバータを構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、１８０°通電型のインバータ構成としたり、３相正弦波パターンのＰＷＭ波形を発生させるようにしたりしてもよい。
また、上記実施形態においては、本発明を３相のブラシレスモータに適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、４相以上の多相ブラシレスモータにも本発明を適用することができる。
また、上記実施形態においては、本発明によるブラシレスモータを電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、他の車両用機器や動力発生装置等の回転駆動源を必要とする任意の装置に本発明のブラシレスモータを適用することができる。

本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。 操舵トルクセンサで検出されるトルク検出信号の特性線図である。 図１の制御系統の具体的構成を示すブロック図である。 ゲート駆動信号を示す信号波形図である。 ブラシレスモータの励磁コイルの通電パターンを説明する説明図である。 励磁コイルの線間電圧を示す電圧波形図である。 励磁コイルの中性点に対する端子電圧を示す電圧波形図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…操舵トルクセンサ、８…ステアリングギヤ、１２…電動モータ、１５…コントローラ、１５Ａ…演算制御部、１５Ｂ…各相電流制御部、１６…車速センサ、２１…バッテリ、２２…中性点電圧検出部、２３…電位検出引出線、２４…電圧検出器、Ｎ…中性点、Ｒ１…保護用抵抗、Ｒ２…分圧抵抗

Claims (3)

1. スター結線した複数の励磁コイルと、該励磁コイルの中性点に接続されて中性点電圧を検出する中性点電圧検出部とを備えたブラシレスモータであって、
   前記中性点電圧検出部は、前記中性点及び接地間に接続され、当該中性点側にモータ内で保護用抵抗が介挿され、前記接地側に電圧検出用抵抗が介挿された電位検出引出線と、前記電圧検出用抵抗に接続された電圧検出部とで構成されていることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記保護用抵抗は、前記電位検出用引出線に過電流を流す過電流異常が発生したときに、過電流を抑制可能な高抵抗値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 請求項１又は２に記載のブラシレスモータを車両の操舵系に対して操舵補助力を付与する電動機として備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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