JP4987119B2

JP4987119B2 - ブラシレスモータ装置及び制御装置

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Publication number: JP4987119B2
Application number: JP2010501790A
Authority: JP
Inventors: 良孝大西; 敏川村; 友裕上野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: WO2009110206A1; US8395337B2; JPWO2009110206A1; US20100283416A1; DE112009000209T5

Description

この発明は、例えば車用のＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気ガス再循環）バルブ、ＶＧ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｉｃ）ターボアクチュエータ等の排ガス制御用アクチュエータの駆動源として用いられるブラシレスモータ装置及びブラシレスモータの駆動を制御する制御装置に関するものである。

従来、車用のＥＧＲバルブ、ＶＧターボアクチュエータ等といった排ガス制御用アクチュエータの駆動源としてブラシレスモータ装置が用いられる。このブラシレスモータ装置の駆動方式には、１２０度通電方式と１８０度通電方式などが知られている。例えば、３相ブラシレスモータの１２０度通電駆動の場合、電気角で６０度ごとに通電するコイルの切り替えが行われ、各コイルの通電方向の切り替え時に電気角６０度の無通電期間が存在する。この無通電期間の存在によりロータ位置の検出や着磁のばらつきの影響を小さくできる特徴を有する。このため、従来は、一般に１２０度通電方式が多く採用されている。

一方、近年、ブラシレスモータの応答性向上の要求が高まっており、上記のような無通電期間を有する１２０度通電駆動では市場の要求を満足することができなくなっている。例えば、特許文献１に記載されるブラシレスモータの駆動制御装置では、目標モータ回転数と実際の回転数との偏差に応じて算出された制御パラメータを基にブラシレスモータの回転数を制御するとともに、ブラシレスモータの回転位置の検出信号に基いて通電位相角を制御している。このように回転数制御の制御パラメータを用いて駆動回路の通電位相角を補正することにより、回転数の変化に対する応答性の確保を図っている。

特開２００５−１９２３３８号公報

ブラシレスモータの応答性を向上させるには、特許文献１のように高分解能の回転位置センサと高性能なマイコンを用いることで自由に通電位相角を補正できる。しかしながら、安価なシステムにおいては、高分解能回転位置センサは使用できない。

図１８は、電気角６０度ごとに検出できるロータ回転位置センサにばらつきのある、ブラシレスモータにおける１２０度通電方式と１８０度通電方式の応答性を示すグラフであり、目標位置をステップ（段階）で変化させた場合における前記目標位置に達するまでの応答性をシミュレーションした結果を示している。ここで、図１８中で符号Ａを付した曲線が１２０度通電駆動（進角０度）での応答性のシミュレーション結果であり、符号Ｂを付した曲線が１８０度通電駆動（進角０度）での応答性のシミュレーション結果である。

図１８において、１８０度通電駆動（進角０度）は、１２０度通電駆動（進角０度）より遅くなっている。このように１８０度通電方式では通電幅は広いが、図１８に示すように１２０度通電方式よりも目標位置に達するまでの応答性が悪い。従って、互いに応答性の異なる通電方式を単に切り替えても所望の応答性を得ることができない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、１２０度通電方式と１８０度通電方式を適宜切り替えることにより、ブラシレスモータの応答性を向上させたブラシレスモータ装置及びブラシレスモータの駆動を制御する制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係るブラシレスモータ装置は、ロータの回転位置を検出する回転位置センサを有する３相かつ倍精度のブラシレスモータと、回転位置センサの検出信号に基づき、通電方式切り替えのパラメータとして回転速度に関係するパラメータの値を算出し、当該パラメータの値が第１の閾値を超えると、ブラシレスモータの駆動を１２０度通電方式から電気角３０度進角させた１８０度通電方式へ切り替え、さらにパラメータの値が第２の閾値を超えると、電気角６０度進角させた１８０度通電方式へ切り替える制御装置とを備え、ブラシレスモータは、固定的に配置されたステータと、ステータが複数の励磁パターンによって順次に励磁されることにより回転する所定の極数を有したロータと、ロータの電気角３０度相当の分解能を有するロータ回転位置センサを備えるものである。

この発明によれば、３相かつ倍精度のブラシレスモータがステータとロータ及び回転位置センサを備え、制御装置は回転速度に関係するパラメータの値が第１の閾値を超えると、倍精度のブラシレスモータの駆動を１２０度通電方式から電気角３０度進角させた１８０度通電方式へ切り替え、さらにパラメータの値が第２の閾値を超えると電気角６０度進角させた１８０度通電方式へ切り替えるようにしたので、ブラシレスモータが有するロータの回転位置検出の分解能を単精度のブラシレスモータ装置のｎ倍に向上させ、１２０度通電と１８０度通電の双方の応答性を損なうことなく１２０度通電で得られない広範囲な回転速度の制御が可能な１８０度通電に切り替えることができ、ブラシレスモータの応答性を向上させることができるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ装置が適用されたＥＧＲバルブの構造を軸方向に切断して示す断面図である。図１中のブラシレスモータのモータシャフト端面から見た平面図である。図１中のブラシレスモータの駆動を制御する制御装置の構成を示すブロック図である。図１中のブラシレスモータ装置の運転時における通電方向、電気角及びホールスイッチの出力の関係を説明するための図である。進角０度で１２０度通電方式によりバルブの開弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。１２０度通電方式の通電パターンでロータを開弁方向に回転させる場合の通電順序と、各通電におけるロータのトルク点を示す図である。進角０度で１２０度通電方式によりバルブの閉弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。１２０度通電方式の通電パターンでロータを閉弁方向に回転させる場合の通電順序と、各通電におけるロータのトルク点を示す図である。進角０度で１８０度通電方式によりバルブの開弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。１８０度通電方式の通電パターンでロータを開弁方向に回転させる場合の通電順序と、各通電におけるロータのトルク点を示す図である。進角０度で１８０度通電方式によりバルブの閉弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。１８０度通電方式の通電パターンでロータを閉弁方向に回転させる場合の通電順序と、各通電におけるロータのトルク点を示す図である。無進角の１８０度通電と３０度進角させた１８０度通電駆動でバルブの開弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。通電切り替えの判定基準に設けたヒステリシス特性を説明するための図である。単精度及び２倍精度のブラシレスモータ装置におけるホールスイッチの配置の例を示す図である。無進角及び進角させた１２０度通電駆動と１８０度通電駆動とで、ロータの回転速度が目標位置に達するまでの応答性のシミュレーション結果を示す図である。４倍精度のブラシレスモータ装置におけるホールスイッチの配置の例を示す図である。無進角の１２０度通電と１８０度通電における目標位置に達するまでの応答性のシミュレーション結果を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるブラシレスモータ装置を適用したＥＧＲバルブの構造を軸方向に切断して示す断面図である。このＥＧＲバルブは、大きく分けると、ブラシレスモータ１とバルブ機構２とから構成されている。ブラシレスモータ１は、モータシャフト３に螺合された円筒状のロータ４が、ケース５に固着されたステータ６の中空部に挿入されて、ベアリング７によって回転自在に支持されることにより構成されている。また、ロータ４には、その軸に垂直な面となるように、磁極位置検出用マグネット８が固着されている。

また、プリント基板９にはホールスイッチ（ロータ回転位置センサ）１０が搭載されている。ホールスイッチ１０は、ホール素子が組み込まれたＩＣから構成されている。プリント基板９は、ホールスイッチ１０が磁極位置検出用マグネット８に対向する位置になるようにケース５に取り付けられている。ロータ４に螺合されるモータシャフト３は、ロータ４の回転によって、その軸方向（図１中の上下方向）に移動可能になっており、ロータ４の１回転当たりのモータシャフト３の移動量が所定量になるように、モータシャフト３及びロータ４にねじが形成されている。

バルブ機構２には、バルブ１１が固着されたバルブシャフト１２が設けられており、その軸はモータシャフト３の軸と同一位置になるように配置されている。このバルブシャフト１２は、フェイルセーフ機能を実現するために、リターンスプリング１３によって、バルブ１１が閉じる方向（以下、「閉弁方向」という）に付勢されている。バルブシャフト１２は、その一端にモータシャフト３が当接することにより、その軸方向（図示矢印方向）に移動可能になっている。

図２は、図１中のブラシレスモータのモータシャフト端面から見た平面図である。このブラシレスモータ１のステータ６のスロット数は「９」であり、ロータ４の極数は「１２」であり、磁極位置検出用マグネット８の極数は「１２」である。このように、ロータ４の極数と磁極位置検出用マグネット８の極数とが同一であり、かつ３個のホールスイッチ１０を備えたブラシレスモータ装置を、この明細書では「単精度のブラシレスモータ装置」と呼ぶ。磁極位置検出用マグネット８に対向するように配置されたホールスイッチ１０は、図２に示すように、Ｕホールスイッチ、Ｖホールスイッチ、Ｗホールスイッチといった３個のホールスイッチから構成されている。

図３は、図１中のブラシレスモータの駆動を制御する制御装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御装置１４は、ホールスイッチインタフェース１５、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略す）１６、ハイサイドＦＥＴドライブ回路１７−１〜１７−３、ローサイドＦＥＴドライブ回路１８−１〜１８−３、ハイサイドＦＥＴ１９−１〜１９−３、ローサイドＦＥＴ２０−１〜２０−３、第１過電流検出回路２１、第２過電流検出回路２２及びラッチ回路２３を備える。なお、制御装置１４は、ブラシレスモータ１の制御部として一体に設けてもよく、またブラシレスモータ１とは別個の電子制御ユニットとして設けてもよい。

ホールスイッチインタフェース１５は、Ｕホールスイッチからホールスイッチ端子（Ｕ）を介して送られてくる信号、Ｖホールスイッチからホールスイッチ端子（Ｖ）を介して送られてくる信号及びＷホールスイッチからホールスイッチ端子（Ｗ）を介して送られてくる信号を入力し、所定の増幅等を行った後に、マイコン１６に送る。

マイコン（制御部）１６は、ホールスイッチインタフェース１５から送られてくる信号に基づき、モータ制御信号を生成し、ＰＷＭ出力ポートからハイサイドＦＥＴドライブ回路１７−１〜１７−３及びローサイドＦＥＴドライブ回路１８−１〜１８−３に送る。また、マイコン１６は、ラッチ回路２３からの駆動停止信号が送られてきた場合に、モータ制御信号の生成を停止する。

ハイサイドＦＥＴドライブ回路（駆動回路部）１７−１〜１７−３は、ラッチ回路２３から駆動停止信号が送られてきていない場合に、マイコン１６から送られてくるモータ制御信号に基づき駆動信号を生成し、ハイサイドＦＥＴ（駆動回路部）１９−１〜１９−３のゲートにそれぞれ送る。ハイサイドＦＥＴ１９−１〜１９−３は、ハイサイドＦＥＴドライブ回路１７−１〜１７−３から所定のタイミングで送られてくる駆動信号に応じてターンオンし、電源から第１過電流検出回路２１の抵抗Ｒ１を経由して送られてくる電流を、モータ端子（Ｕ）、モータ端子（Ｖ）又はモータ端子（Ｗ）をそれぞれ経由してブラシレスモータ１のステータ６の巻線に送る。

ローサイドＦＥＴドライブ回路（駆動回路部）１８−１〜１８−３は、ラッチ回路（駆動回路部）２３から駆動停止信号が送られてきていない場合に、マイコン１６から送られてくるモータ制御信号に基づき駆動信号を生成し、ローサイドＦＥＴ（駆動回路部）２０−１〜２０−３のゲートにそれぞれ送る。ローサイドＦＥＴ２０−１〜２０−３は、ローサイドＦＥＴドライブ回路１８−１〜１８−３から所定のタイミングで送られてくる駆動信号に応じてターンオンし、ステータ６の巻線からモータ端子（Ｕ）、モータ端子（Ｖ）又はモータ端子（Ｗ）をそれぞれ経由して送られてくる電流を、第２過電流検出回路２２の抵抗Ｒ２を経由してグランドに流す。

第１過電流検出回路（駆動回路部）２１は、抵抗Ｒ１と、この抵抗Ｒ１の両端の電圧を検出する演算増幅器ＡＭＰ１とから構成されており、電源からハイサイドＦＥＴ１９−１〜１９−３を経由してステータ６の巻線に流れる電流が所定値以上になったことを検出した場合に、過電流である旨を表す過電流信号を生成し、ラッチ回路２３に送る。第２過電流検出回路（駆動回路部）２２は、抵抗Ｒ２と、この抵抗Ｒ２の両端の電圧を検出する演算増幅器ＡＭＰ２とから構成されており、ステータ６の巻線からローサイドＦＥＴ２０−１〜２０−３を経由してグランドに流れる電流が所定値以上になったことを検出した場合に、過電流である旨を表す過電流信号をラッチ回路２３に送る。

ラッチ回路（駆動回路部）２３は、第１過電流検出回路２１及び第２過電流検出回路２２から送られてくる過電流信号をラッチし、駆動停止信号としてハイサイドＦＥＴドライブ回路１７−１〜１７−３及びローサイドＦＥＴドライブ回路１８−１〜１８−３に送るとともに、マイコン１６に送る。これにより、ハイサイドＦＥＴドライブ回路１７−１〜１７−３及びローサイドＦＥＴドライブ回路１８−１〜１８−３における駆動信号の生成が停止されるとともに、マイコン１６によるモータ制御信号の生成が停止される。

制御装置１４が、ブラシレスモータ１を１２０度通電方式でロータ開側方向（ＣＣＷ方向）へ駆動させる際、通電方向がＶ相→Ｕ相の場合、ハイサイドＦＥＴ１９−２及びローサイドＦＥＴ２０−１がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−２→モータ端子（Ｖ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｕ）→ローサイドＦＥＴ２０−１→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れて、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＷ相→Ｕ相の場合、ハイサイドＦＥＴ１９−３及びローサイドＦＥＴ２０−１がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−３→モータ端子（Ｗ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｕ）→ローサイドＦＥＴ２０−１→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＷ相→Ｖ相の場合、ハイサイドＦＥＴ１９−３及びローサイドＦＥＴ２０−２がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−３→モータ端子（Ｗ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｖ）→ローサイドＦＥＴ２０−２→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＵ相→Ｖ相の場合は、ハイサイドＦＥＴ１９−１及びローサイドＦＥＴ２０−２がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−１→モータ端子（Ｕ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｖ）→ローサイドＦＥＴ２０−２→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＵ相→Ｗ相の場合は、ハイサイドＦＥＴ１９−１及びローサイドＦＥＴ２０−３がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−１→モータ端子（Ｕ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｗ）→ローサイドＦＥＴ２０−３→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＶ相→Ｗ相の場合は、ハイサイドＦＥＴ１９−２及びローサイドＦＥＴ２０−３がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−２→モータ端子（Ｖ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｗ）→ローサイドＦＥＴ２０−３→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

一方、制御装置１４が、ブラシレスモータ１を１８０度通電方式でロータ開側方向（ＣＣＷ方向）へ駆動させる際、通電方向がＶ相→Ｕ，Ｗ相の場合、ハイサイドＦＥＴ１９−２及びローサイドＦＥＴ２０−１，２０−３がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−２→モータ端子（Ｖ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｕ，Ｗ）→ローサイドＦＥＴ２０−１，２０−３→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＶ，Ｗ相→Ｕ相の場合、ハイサイドＦＥＴ１９−２，１９−３及びローサイドＦＥＴ２０−１がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−２，１９−３→モータ端子（Ｖ，Ｗ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｕ）→ローサイドＦＥＴ２０−１→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＷ相→Ｕ，Ｖ相の場合、ハイサイドＦＥＴ１９−３及びローサイドＦＥＴ２０−１，２０−２がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−３→モータ端子（Ｗ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｕ，Ｖ）→ローサイドＦＥＴ２０−１，２０−２→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＵ，Ｗ相→Ｖ相の場合は、ハイサイドＦＥＴ１９−１，１９−３及びローサイドＦＥＴ２０−２がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−１，１９−３→モータ端子（Ｕ，Ｗ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｖ）→ローサイドＦＥＴ２０−２→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＵ相→Ｖ，Ｗ相の場合は、ハイサイドＦＥＴ１９−１及びローサイドＦＥＴ２０−２，２０−３がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−１→モータ端子（Ｕ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｖ，Ｗ）→ローサイドＦＥＴ２０−２，２０−３→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

通電方向がＵ，Ｖ相→Ｗ相の場合は、ハイサイドＦＥＴ１９−１，１９−２及びローサイドＦＥＴ２０−３がターンオンされる。これにより、電源→第１過電流検出回路２１→ハイサイドＦＥＴ１９−１，１９−２→モータ端子（Ｕ，Ｖ）→ステータ６の巻線→モータ端子（Ｗ）→ローサイドＦＥＴ２０−３→第２過電流検出回路２２→グランドという経路で電流が流れ、ステータ６の巻線が励磁される。

図４は、図１中のブラシレスモータ装置の運転時における通電方向、電気角及びホールスイッチの出力の関係を説明するための図であり、図４（ａ）は１２０度通電駆動の場合を示しており、図４（ｂ）は１８０度通電駆動の場合を示している。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）はいずれも図２に示した単精度のブラシレスモータ装置の通電切り替えパターンである。

単精度のブラシレスモータ装置の場合は、１２極の磁極位置検出用マグネット８及び３個のホールスイッチ１０が使用されている。この場合、一対のＮ極及びＳ極（電気角３６０°）内にＵ相、Ｖ相及びＷ相にそれぞれ対応するＵホールスイッチ、Ｖホールスイッチ及びＷホールスイッチが等角度間隔（電気角１２０°）で配置され、一対のＮ極及びＳ極の１周期（機械角６０°、電気角３６０°）内に６つの状態が存在するようになっている。

図４（ａ）に示すように、１２０度通電駆動では、バルブ１１の開弁方向（開方向）にロータ４を回転させる場合は、ステータ６のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各巻線に対して、Ｖ→Ｕ、Ｗ→Ｕ、Ｗ→Ｖ、Ｕ→Ｖ、Ｕ→Ｗ、Ｖ→Ｗの順番で通電が繰り返される。一方、閉弁方向（閉方向）にロータ４を回転させる場合は、ステータ６のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各巻線に対して、Ｗ→Ｖ、Ｗ→Ｕ、Ｖ→Ｕ、Ｖ→Ｗ、Ｕ→Ｗ、Ｕ→Ｖの順番で通電が繰り返される。

一方、図４（ｂ）に示すように、１８０度通電駆動では、バルブ１１の開弁方向（開方向）にロータ４を回転させる場合は、ステータ６のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各巻線に対して、Ｖ→ＵＷ、ＶＷ→Ｕ、Ｗ→ＵＶ、ＵＷ→Ｖ、Ｕ→ＶＷ、ＵＶ→Ｗ、Ｖ→ＵＷの順番で通電が繰り返される。一方、閉弁方向（閉方向）にロータ４を回転させる場合は、ステータ６のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各巻線に対して、ＵＷ→Ｖ、Ｗ→ＵＶ、ＶＷ→Ｕ、Ｖ→ＵＷ、ＵＶ→Ｗ、Ｕ→ＶＷ、ＵＷ→Ｖの順番で通電が繰り返される。

図５は、進角０度で１２０度通電方式によりバルブの開弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。マイコン１６は、ホールスイッチ１０から送られてくる信号に基づき、ハイサイドＦＥＴ１９−１（ハイサイドＦＥＴＵ）、ハイサイドＦＥＴ１９−２（ハイサイドＦＥＴＶ）、ハイサイドＦＥＴ１９−３（ハイサイドＦＥＴＷ）、ローサイドＦＥＴ２０−１（ローサイドＦＥＴＵ）、ローサイドＦＥＴ２０−２（ローサイドＦＥＴＶ）及びローサイドＦＥＴ２０−３（ローサイドＦＥＴＷ）を、図示するタイミングでモータ通電番号の昇順に順次オン／オフさせることにより、ロータ４を開弁方向に回転させる。

図６は、１２０度通電方式の通電パターンでロータを開弁方向に回転させる場合の通電順序と、各通電におけるロータのトルク点を示す図である。つまり、ロータ４を開弁方向に進角させるためには、通電パターンを、図中の括弧付き数字で示されるモータ通電番号（１）→（６）の順番で切り替えなければならない。

図７は、進角０度で１２０度通電方式によりバルブの閉弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。マイコン１６は、ホールスイッチ１０から送られてくる信号に基づき、ハイサイドＦＥＴ１９−１（ハイサイドＦＥＴＵ）、ハイサイドＦＥＴ１９−２（ハイサイドＦＥＴＶ）、ハイサイドＦＥＴ１９−３（ハイサイドＦＥＴＷ）、ローサイドＦＥＴ２０−１（ローサイドＦＥＴＵ）、ローサイドＦＥＴ２０−２（ローサイドＦＥＴＶ）及びローサイドＦＥＴ２０−３（ローサイドＦＥＴＷ）を、図示するタイミングでモータ通電番号の降順に順次オン／オフさせることにより、ロータ４を閉弁方向に回転させる。

図８は、１２０度通電方式の通電パターンでロータを閉弁方向に回転させる場合の通電順序と、各通電におけるロータのトルク点を示す図である。つまり、ロータ４を閉弁方向に進角させるためには、通電パターンを、図中の括弧付き数字で示されるモータ通電番号（６）→（１）の順番で切り替えなければならない。

図９は、進角０度で１８０度通電方式によりバルブの開弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。マイコン１６は、ホールスイッチ１０から送られてくる信号に基づき、ハイサイドＦＥＴ１９−１（ハイサイドＦＥＴＵ）、ハイサイドＦＥＴ１９−２（ハイサイドＦＥＴＶ）、ハイサイドＦＥＴ１９−３（ハイサイドＦＥＴＷ）、ローサイドＦＥＴ２０−１（ローサイドＦＥＴＵ）、ローサイドＦＥＴ２０−２（ローサイドＦＥＴＶ）及びローサイドＦＥＴ２０−３（ローサイドＦＥＴＷ）を、図示するタイミングでモータ通電番号の昇順に順次オン／オフさせることにより、ロータ４を開弁方向に回転させる。

図１０は、１８０度通電方式の通電パターンでロータを開弁方向に回転させる場合の通電順序と、各通電におけるロータのトルク点を示す図である。つまり、ロータ４を開弁方向に進角させるためには、通電パターンを、図中の括弧付き数字で示されるモータ通電番号（１）→（１２）の順番で切り替えなければならない。

図１１は、進角０度で１８０度通電方式によりバルブの閉弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートである。マイコン１６は、ホールスイッチ１０から送られてくる信号に基づき、ハイサイドＦＥＴ１９−１（ハイサイドＦＥＴＵ）、ハイサイドＦＥＴ１９−２（ハイサイドＦＥＴＶ）、ハイサイドＦＥＴ１９−３（ハイサイドＦＥＴＷ）、ローサイドＦＥＴ２０−１（ローサイドＦＥＴＵ）、ローサイドＦＥＴ２０−２（ローサイドＦＥＴＶ）及びローサイドＦＥＴ２０−３（ローサイドＦＥＴＷ）を、図示するタイミングでモータ通電番号の降順に順次オン／オフさせることにより、ロータ４を閉弁方向に回転させる。

図１２は、１８０度通電方式の通電パターンでロータを閉弁方向に回転させる場合の通電順序と、各通電におけるロータのトルク点を示す図である。つまり、ロータ４を閉弁方向に進角させるためには、通電パターンを、図中の括弧付き数字で示されるモータ通電番号（１２）→（１）の順番で切り替えなければならない。

次に、この実施の形態１によるブラシレスモータ１の駆動制御について説明する。
（１）通電方式の切り替え
先ず、ブラシレスモータ１が単精度のブラシレスモータである場合を例に挙げて説明する。制御装置１４のマイコン１６は、ホールスイッチインタフェース１５を介してホールスイッチ１０から入力する回転位置の検出信号に基づいて、ブラシレスモータ１の回転速度を算出する。ここで、回転速度が所定の閾値以下の低中速範囲では、進角制御を行わず（進角０度）に１２０度通電方式でブラシレスモータ１を駆動させる。

この後、回転速度が上がっていき上記所定の閾値を超えた高速範囲になると、マイコン１６は、１２０度通電から所定の進角量だけ進角させた１８０度通電へ切り替えてブラシレスモータ１を駆動させる。例えば、１８０度通電駆動における通電期間を１２０度通電における無通電期間の半期間である電気角３０度だけ進角させる。一方、回転速度が落ちて上記所定の閾値以下になれば、マイコン１６は、１８０度通電から再び１２０度通電に戻してブラシレスモータ１を駆動させる。

図１３は、無進角の１８０度通電と３０度進角させた１８０度通電駆動でバルブの開弁方向にロータを回転させるときの通電方向とホールスイッチから出力される信号との関係を示すタイミングチャートであり、図１３（ａ）は無進角の１８０度通電の場合を示し、図１３（ｂ）は３０度進角させた１８０度通電の場合を示している。マイコン１６は、回転速度が上記所定の閾値を超えると、ホールスイッチ１０から送られてくる信号に基づき、ハイサイドＦＥＴ１９−１（ハイサイドＦＥＴＵ）、ハイサイドＦＥＴ１９−２（ハイサイドＦＥＴＶ）、ハイサイドＦＥＴ１９−３（ハイサイドＦＥＴＷ）、ローサイドＦＥＴ２０−１（ローサイドＦＥＴＵ）、ローサイドＦＥＴ２０−２（ローサイドＦＥＴＶ）及びローサイドＦＥＴ２０−３（ローサイドＦＥＴＷ）を、図１３（ｂ）に示すようにホールスイッチ１０で検出されたロータ４の磁極の変化（図１３中のホールスイッチ１０の出力論理の変化）に対し電気角３０度分先行させるタイミングでモータ通電番号の昇順に順次オン／オフさせることにより、ロータ４を開弁方向に回転させる。

図５に示した１２０度通電（無進角）のホールスイッチ１０の切り替わりタイミングでは、図１３（ａ）に示す１８０度通電（無進角）の通電の切り替えは作れない。しかし、図１３（ｂ）に示す１８０度通電（３０度進角）の通電切り替えタイミングは、１２０度通電（無進角）の通電切り替えタイミングと同じになる。

図１６で後述する目標位置をステップ（段階）で変化させた場合における目標位置に達するまでの応答性をシミュレーションした結果において、１２０度通電駆動（進角０度）で目標位置に到達するまでの応答性に対して、１８０度通電駆動（進角３０度）の方が速い。

なお、単精度のブラシレスモータ１において、１８０度通電の進角量を３０度とする場合を示したが、１８０度通電方式の応答性を損なわない範囲であれば３０度以下の進角量であってもよい。

また、上述の説明では、ブラシレスモータ１の回転速度に応じて１２０度通電から１８０度通電へ切り替える場合を示したが、ロータ４の回転位置の実位置と目標位置との位置偏差を、ブラシレスモータ１の回転速度に関係するパラメータとして求め、この位置偏差に応じて通電切り替えを行うようにしてもよい。
例えば、マイコン１６が、ホールスイッチ１０から送られてくるロータ４の磁極位置の検出信号に基づいて回転位置の実位置を算出し、この実位置と目標位置との位置偏差を所定の閾値と比較する。このとき、位置偏差が上記所定の閾値を超えて実位置との位置偏差が大きい場合、回転速度を上げて偏差を低減する必要があるので１８０度通電（進角３０度）へ切り替える。

なお、回転速度及び位置偏差をそれぞれの閾値と比較し、これらの少なくとも一方が閾値を超えたことに応じて１２０度通電から１８０度通電へ切り替えるようにしてもよい。このようにすることにより、回転速度が必要な際に確実に１８０度通電へ切り替えることができる。

（２）通電切り替えの判定基準のヒステリシス特性
ブラシレスモータ１の駆動状況として、回転速度が上昇している場合と回転速度が下降している場合の双方において、１２０度通電と１８０度通電を切り替える回転速度に関係するパラメータの閾値が同一であると、閾値周辺で通電切り替えが頻繁に発生する可能性がある。このように通電切り替えが頻繁になると、各通電方式でブラシレスモータ１に供給する電流波形にリンギングを生じさせ、ブラシレスモータ１の動作が不安定になる。

そこで、この実施の形態１では、回転速度が上昇している場合に１２０度通電から１８０度通電へ切り替える判定基準となる閾値と、回転速度が下降している場合に１８０度通電から１２０度通電へ切り替える判定基準となる閾値とを、所定の間隔だけ離れた値にそれぞれ設定する。

図１４は、通電切り替えの判定基準に設けたヒステリシス特性を説明するための図であり、図１４（ａ）は回転速度が上昇している場合、図１４（ｂ）は回転速度が下降している場合を示している。図１４（ａ）に示すように、１８０度通電から１２０度通電へ切り替える判定基準となる閾値Ａ１とし、１２０度通電から１８０度通電へ切り替える判定基準となる閾値Ａ２とする。閾値Ａ１＜閾値Ａ２であり、閾値Ａ１，Ａ２は回転速度のふらつき（回転速度の微小変動）を吸収できる間隔だけ離れた値であるものとする。

制御装置１４は、ブラシレスモータ１を駆動させ、回転速度が上昇して閾値Ａ１を超えても１２０度通電から１８０度通電への切り替えは行わない。さらに回転速度が上昇して閾値Ａ２を超えると、１２０度通電（進角制御無し）から１８０度通電（進角制御有り）への切り替えを実行する。このようにすることで、閾値Ａ２近辺で回転速度が上下に変動しても、１８０度通電から１２０度通電への切り替えに関しては不感帯となり、頻繁に通電切り替えが発生することがない。

一方、図１４（ｂ）に示す回転速度が下降している場合は、回転速度が下降して閾値Ａ２以下となっても１８０度通電から１２０度通電への切り替えは行わない。さらに回転速度が下降して閾値Ａ１以下になると、制御装置１４は、１８０度通電から１２０度通電（進角制御無し）への切り替えを実行する。これにより、閾値Ａ１近辺で回転速度が上下に変動しても、１２０度通電から１８０度通電への切り替えに関しては不感帯となり、頻繁に通電切り替えが発生することがない。

このように、通電切り替えの判定基準にヒステリシス特性を持たせることにより、リンギングを防止することができ、ひいてはブラシレスモータ１を安定して動作させることができる。

（３）ｎ倍精度のブラシレスモータにおける通電方式の切り替え制御
上述まででは単精度のブラシレスモータ１を駆動対象とした場合を説明したが、この発明は、これ以外の構成のブラシレスモータ装置に対しても適用可能である。
図１５は、単精度及び２倍精度のブラシレスモータ装置におけるホールスイッチの配置の例を示す図である。単精度のブラシレスモータ装置の場合は、１２極の磁極位置検出用マグネット８及び３個のホールスイッチ１０が使用されている。この場合、一対のＮ極及びＳ極（電気角３６０°）内にＵ相、Ｖ相及びＷ相にそれぞれ対応するＵホールスイッチ、Ｖホールスイッチ及びＷホールスイッチが等角度間隔（電気角１２０°）で配置され、一対のＮ極及びＳ極の１周期（機械角６０°、電気角３６０°）内に６つの状態が存在するようになっている。

また、ロータの回転位置検出の分解能を上げるために、磁極位置検出用マグネット８の極数を、図１５に示すように単精度の２倍の「２４」にしたブラシレスモータ装置が開発されている。このような、磁極位置検出用マグネット８の極数がロータ４の極数の２倍であり、かつ３個のホールスイッチ１０を備えたブラシレスモータ装置を、この明細書では「２倍精度のブラシレスモータ装置」と呼ぶ。この２倍精度のブラシレスモータ装置によれば、ロータの回転位置検出の分解能を、単精度のブラシレスモータ装置の２倍に向上させることができる。

図１５に示す２倍精度のブラシレスモータ装置には、２４極の磁極位置検出用マグネット８及び３個のホールスイッチ１０が使用されている。また、一対のＮ極及びＳ極（電気角３６０°）内にＵ相、Ｖ相及びＷ相にそれぞれ対応するＵホールスイッチ、Ｖホールスイッチ及びＷホールスイッチが等角度間隔（電気角１２０°）で配置され、一対のＮ極及びＳ極の１周期（機械角３０°、電気角３６０°）内に３つの状態が存在するようになっている。単精度及び２倍精度のいずれの場合も、ホールスイッチ１０は、ＤＣモータにおけるブラシの役割を果たすものである。

図１６は、ロータ回転位置センサにばらつきのあるブラシレスモータに対し、無進角及び進角させた１２０度通電駆動と１８０度通電駆動とでロータの回転速度が目標位置に達するまでの応答性のシミュレーション結果を示す図であり、上述の２倍精度のブラシレスモータ装置を対象としている。また、図１６（ａ）は、ロータ４の回転位置の目標位置をステップ（段階）で変化させた場合の目標位置に達するまでの挙動のシミュレーション結果であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の結果を基に１２０度通電駆動（進角０度）を基準として各通電方式での応答性を正規化した値を示している。なお、図１６では、ブラシレスモータ１のＰＷＭ駆動回路（マイコン１６）の駆動デューティが１００％であり、モータ単体での動作、すなわち無負荷である場合を想定している。

図１６（ａ）に示すように、ブラシレスモータ１の応答波形は、通電方式やその進角量によって異なる。１８０度通電駆動で６０度進角させた結果（曲線ａ）が最も応答性がよく、図１６（ｂ）のように応答性が５９％であった。また、３０度進角させた１８０度通電駆動（曲線ｂ）の応答性が７１％、６０度進角させた１２０度通電駆動（曲線ｃ）の応答性が７５％、３０度進角させた１２０度通電駆動（曲線ｄ）の応答性が９２％となった反面、無進角の１２０度通電駆動（曲線ｅ）及び１８０度通電駆動（曲線ｆ）の応答性はそれぞれ１００％、１１４％であった。このように、１２０度通電及び１８０度通電の双方とも進角制御により応答性が向上する。

そこで、この実施の形態１では、２倍精度のブラシレスモータ１において、回転速度が上がっていき、回転速度が所定の第１の閾値を超えた中速範囲になると、制御装置１４のマイコン１６が、無進角の１２０度通電から３０度進角させた１８０度通電へ切り替えてブラシレスモータ１を駆動させる。さらに、回転速度が上がって所定の第２の閾値を超えた高速範囲になると、マイコン１６が、さらに３０度進角（６０度進角）させた１８０度通電へ切り替えてブラシレスモータ１を駆動させる。

一方、回転速度が落ちて上記第２の閾値以下になれば、マイコン１６が、３０度進角の１８０度通電に戻してブラシレスモータ１を駆動させ、上記第１の閾値以下になれば無進角の１２０度通電に切り替える。このように駆動制御することにより、１２０度通電と１８０度通電の双方の応答性を損なうことなく、１２０度通電で得られない広範囲な回転速度の制御が可能な１８０度通電駆動に切り替えることができる。

また、低速範囲において３０度進角させた１２０度通電でブラシレスモータ１を駆動させ、中速範囲で３０度進角させた１８０度通電に切り替え、高速範囲でさらに進角量３０度進めて６０度進角させた１８０度通電に切り替えるようにしてもよい。さらに、低中速範囲において６０度進角させた１２０度通電でブラシレスモータ１を駆動させ、高速範囲で６０度進角させた１８０度通電に切り替えるようにしてもよい。

図１７は、４倍精度のブラシレスモータ装置におけるホールスイッチの配置の例を示す図である。この場合、６個のホールスイッチ１０が使用される。図１５に示した２倍精度のブラシレスモータ装置で配置されているＵホールスイッチ、Ｖホールスイッチ及びＷホールスイッチに対し、所定のオフセットだけずらした位置に、Ｕｐホールスイッチ、Ｖｐホールスイッチ及びＷｐホールスイッチがそれぞれ配置されている。オフセットの量は、磁極位置検出用マグネット８を構成する一対のＮ極およびＳ極の角度（機械角３０°、電気角３６０°）の１／１２であり、機械角２．５°（電気角１５°）となる。

図１７に示すブラシレスモータ装置は、２倍精度のブラシレスモータ装置にＵｐホールスイッチ、Ｖｐホールスイッチ及びＷｐホールスイッチを設けたことにより、さらに２倍の回転位置の検出分解能を有する。このようないわゆる「４倍精度のブラシレスモータ装置」に対しても、本発明を適用することができる。例えば、１２０度通電駆動から、ロータ回転位置の検出精度に応じて決定した電気角１５度毎に進角させた１８０度通電でブラシレスモータ１を駆動させる。さらに、４倍精度の場合は、１５０度通電駆動も可能である。

なお、本発明は、磁極位置検出用マグネット８の極数を単精度のｎ倍にしたｎ倍精度のブラシレスモータ装置についても適用可能である。

以上のように、この実施の形態１によれば、回転速度に関係するパラメータの値と所定の閾値との比較結果に応じて、ブラシレスモータ１の駆動を１２０度通電方式と電気角３０度進角させた１８０度通電方式との間で切り替える。この構成において、制御装置１４が、回転速度に関係するパラメータとしてブラシレスモータ１の回転速度を算出し、この回転速度が所定の閾値を超えると、ブラシレスモータ１の駆動を１２０度通電方式から電気角３０度進角させた１８０度通電方式へ切り替える。このように駆動制御することにより、応答性を向上させたブラシレスモータ装置を提供することができる。

また、この実施の形態１によれば、回転速度に関係するパラメータとして、ブラシレスモータ１の回転速度、及びロータ４の回転位置の目標位置との位置偏差、のうちの少なくとも一方を用いるので、回転速度に応じてブラシレスモータ１の駆動を適切な通電方式に切り替えることができる。

さらに、この実施の形態１によれば、制御装置１４が１２０度通電方式と１８０度通電方式とを可逆的に切り替えてブラシレスモータ１の駆動を制御するにあたり、正方向の切り替えと逆方向の切り替えで互いに異なる閾値を設定し、回転速度に関係するパラメータの値と前記閾値とをそれぞれ比較して正方向と逆方向の切り替えを行う。このように、閾値にヒステリシス特性を持たせることにより、当該閾値近辺での回転速度に関係するパラメータの変動に伴うリンギングの発生を防止することができ、ブラシレスモータ１を安定駆動させることができる。

さらに、この実施の形態１によれば、制御装置１４が、ブラシレスモータ１の駆動を制御するためのモータ制御信号を生成するマイコン１６からなる制御部と、このモータ制御信号に基づいて上述のようなブラシレスモータ１の通電方式の切り替えを行う、ハイサイドＦＥＴドライブ回路１７−１〜１７−３、ローサイドＦＥＴドライブ回路１８−１〜１８−３、ハイサイドＦＥＴ１９−１〜１９−３、ローサイドＦＥＴ２０−１〜２０−３、第１過電流検出回路２１、第２過電流検出回路２２及びラッチ回路２３からなる駆動回路部とを備えたので、ブラシレスモータ１の応答性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１において、通電方式の切り替えの判定基準となる閾値は、不図示の入力装置を用い、外部から制御装置１４のマイコン１６に適宜設定できるようにしてもよい。

Claims

ロータの回転位置を検出する回転位置センサを有する３相かつ倍精度のブラシレスモータと、
前記回転位置センサの検出信号に基づき、通電方式切り替えのパラメータとして回転速度に関係するパラメータの値を算出し、当該パラメータの値が第１の閾値を超えると、前記ブラシレスモータの駆動を１２０度通電方式から電気角３０度進角させた１８０度通電方式へ切り替え、さらに前記パラメータの値が第２の閾値を超えると、電気角６０度進角させた１８０度通電方式へ切り替える制御装置とを備え、
前記ブラシレスモータは、固定的に配置されたステータと、前記ステータが複数の励磁パターンによって順次に励磁されることにより回転する所定の極数を有したロータと、前記ロータの電気角３０度相当の分解能を有するロータ回転位置センサを備えることを特徴とするブラシレスモータ装置。
制御装置は、１２０度通電方式と１８０度通電方式とを可逆的に切り替えてブラシレスモータの駆動を制御するにあたり、正方向の切り替えと逆方向の切り替えで互いに異なる閾値を設定し、回転速度に関係するパラメータの値と前記閾値とをそれぞれ比較して前記正方向と前記逆方向の切り替えを行うことを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ装置。
通電方式切り替えのパラメータは、ブラシレスモータの回転速度、及びロータの回転位置の目標位置との位置偏差のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ装置。
ブラシレスモータの駆動を制御する制御装置において、
請求項１記載の制御を行うためのモータ制御信号を生成する制御部と、
前記モータ制御信号に基づいて前記ブラシレスモータの通電方式を切り替える駆動回路部とを備えたことを特徴とする制御装置。