JP5998656B2 - 電動モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータの制御装置に関するものである。

自動車のトランスミッションには油圧ポンプにより油圧が供給されるが、省エネルギーなどの観点から停車時にエンジンを停止するいわゆるアイドルストップ（アイドリングストップ）を行う自動車では、アイドルストップ時にもトランスミッションへの油圧供給を確保するために、電動オイルポンプ装置が使用されるようになっている。また、自動車に搭載されるポンプ駆動用電動モータとして、ブラシレスモータが用いられるようになっている。また、電動オイルポンプ装置では、回転位置検出センサを用いずにブラシレスモータを駆動するいわゆるセンサレス制御が行われている。

上記ブラシレスモータをセンサレス制御するためには、ロータの回転位置を推定して回転位置検出センサからの回転位置信号に相当する回転位置推定信号を生成する必要がある。回転位置推定信号の推定は、一般に、ブラシレスモータの３相の誘起電圧を用いて行われるが、ブラシレスモータの起動時において、ロータが回転していないか低速で回転している間は、誘起電圧が０か低い値であるため、回転位置推定信号を生成することができない。このため、ブラシレスモータの３相への通電パターンを一定周期で強制的に切り換えることにより、回転磁界を発生させて、ロータを強制的に連れ回りさせる強制転流が行われるようになっている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のブラシレスモータのセンサレス制御装置では、ブラシレスモータを所定回転数で回転させて一定の回転数まで段階的に上昇させて、ロータ位置が検出可能かどうかを判定し、ロータ位置が検出可能となったときに強制転流モードからセンサレス制御モードに移行するようになっている。

特開２００５−２７８３２０号公報

上記の従来のブラシレスモータのセンサレス制御装置を自動車のトランスミッションの油圧ポンプ駆動用のブラシレスモータに適用した場合、電動オイルポンプ装置では、起動時は低トルクで回転するが、回転数が上昇するに従い高トルクが必要になる。したがって、モータ出力が一定の場合、回転数上昇に従いトルクが減少していくので、トルク不足によりブラシレスモータのロータが追従できず脱調する可能性があり、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズに行われない場合があった。すなわち、従来のモータ制御装置では、ロータ位置が検出されたことでセンサレス制御に移行した後、ロータ位置が検出できなくなることがあり、この場合には、センサレス制御ができなくなり、起動時に速やかに油圧を上昇させることが困難であった。また、強制転流モードにおけるロータの回転数を高く設定することが考えられるが、その場合も同様にロータが磁極変化に追従できず、脱調しやすくなる可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、起動時に強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行が速やかに行われる電動モータの制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、起動時に電動モータを回転させる強制転流モードと、前記電動モータのロータ位置が特定可能となった場合に前記強制転流モードから移行して電流制御するセンサレス制御モードと、を備えた電動モータの制御装置であって、前記強制転流モードは、回転数が所定回転数から設定回転数に到達するまで所定の上昇幅で前記回転数を増加させるとともに、前記回転数の増加にともない前記電動モータの逆起電力定数と前記回転数の増加分との演算により求めたモータ出力の増加分を前回の前記モータ出力の指令値に加算して求めた前記モータ出力の指令値により前記モータ出力を増加させることを要旨とする。

上記構成によれば、強制転流モードは、初期回転数から所定の上昇幅で回転数を増加させ、回転数の増加にともない電動モータの出力も増加させて強制転流を行う。強制転流モードでのモータ出力指令値は電動モータの逆起電力定数と回転数の増加分との演算により求められるので、回転数が上昇しても確実にモータ出力を増加させることができる。そして、回転数が設定回転数に到達しロータ位置が特定可能となったときにセンサレス制御モードに移行する。これにより、回転数が上昇してもトルク不足によりロータが追従できず脱調することがなく、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズにできる。また、センサレス制御モードへの移行後は、回転数が不足してロータ位置の特定ができなくなることがなくなる。その結果、電動モータを電動オイルポンプ装置駆動用に使用した場合、起動時に速やかに油圧を上昇させることができる。

本発明によれば、起動時に強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行が速やかに行われる電動モータの制御装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る電動モータの制御装置の構成を示す制御ブロック図。 強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する処理手順を示すフローチャート。 強制転流モードにおける指令回転数の時間変化を示す概略図。 強制転流モードにおける回転数−指令モータ出力マップの概略図。

次に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電動モータの制御装置の構成を示す制御ブロック図である。図１に示すように、電動モータ（以下、ブラシレスモータという）１のセンサレス制御装置（ＥＣＵ）４は、車両に搭載されて油の吸入および吐出を行う図示しないオイルポンプを駆動するブラシレスモータ１をバッテリ２からの直流電源を用いてＰＷＭ方式で駆動するものである。センサレス制御装置４は、ブラシレスモータ１のステータ巻線の３相の相電圧に基づいてデジタル方式で各相の回転位置推定信号を生成する回転位置推定信号生成手段である回転位置推定信号生成部３と、各相の回転位置推定信号に基づいてＰＷＭ方式でバッテリ２から３相への通電を制御する通電制御手段である通電制御部１２とから構成されている。なお、図１に示すブラシレスモータ１は、例えば、ダブルスター結線された３相巻線を有するセンサレスブラシレスモータである。

回転位置推定信号生成部３は、ブラシレスモータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相ステータ巻線の３相の相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、各相の回転位置推定信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗを生成する。３相の相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、Ｖ＊で総称する。３相の回転位置推定信号Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗは、Ｈ＊で総称する。

通電制御部１２は、通電信号生成手段５、モータ駆動回路６、電流検出部７、電流制御部８、ＰＷＭ駆動制御部９、およびゲート駆動回路１０から構成されている。

通電信号生成部５は、回転位置推定信号生成部３により生成される回転位置推定信号Ｈ＊に基づいて、各素子の通電をそれぞれ制御するための通電信号Ｃｕ＋、Ｃｕ−、Ｃｖ＋、Ｃｖ−、Ｃｗ＋、Ｃｗ−を生成するものである。通電信号は、Ｃ＊で総称する。通電信号生成部５は、ＣＰＵ（マイコン）により構成されてもよいし、専用のデジタル回路により構成されてもよい。

モータ駆動回路６は、バッテリ２からブラシレスモータ１のＵ相へ通電を制御する上アームＦＥＴ（スイッチング素子）−Ｕ１および下アームＦＥＴ−Ｕ２、Ｖ相へ通電を制御する上アームＦＥＴ−Ｖ１および下アームＦＥＴ−Ｖ２、Ｗ相への通電を制御する上アームＦＥＴ−Ｗ１および下アームＦＥＴ−Ｗ２を備えている。ＦＥＴは、符号Ｕ＊，Ｖ＊，Ｗ＊で総称する。

電流検出部７は、シャント抵抗（電流測定回路）１１をモータ駆動回路６に接続してモータ電流を検出するものである。ブラシレスモータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線に流れる合計電流値が電流検出部７により検出されている。

電流制御部８は、電流検出部７から検出されたブラシレスモータ１の電流検出値Ａと電流指令値Ａaとを比較し、両者の大小関係に基づき、ブラシレスモータ１をＰＷＭ駆動するための電流制御信号Ａｐｗｍを作成し、ＰＷＭ駆動制御部９へ送るものである。

ＰＷＭ駆動制御部９は、与えられた通電信号Ｃ＊および電流制御信号Ａｐｗｍに基づいて、各ＦＥＴ−Ｕ＊，Ｖ＊，Ｗ＊に対するＰＷＭ制御信号Ｄｕ＋、Ｄｕ−、Ｄｖ＋、Ｄｖ−、Ｄｗ＋、Ｄｗ−を作成し、ゲート駆動回路１０へ出力するものである。ＰＷＭ制御信号はＤ＊で総称する。

ゲート駆動回路１０は、与えられたＰＷＭ制御信号Ｄ＊に基づいて、各ＦＥＴ−Ｕ＊，Ｖ＊，Ｗ＊をオン／オフ駆動し、ブラシレスモータ１のステータ巻線に回転磁界を発生させるものである。

図１において、モータ起動時には、強制転流モードとされ、起動指令（モータ起動信号）Ｓｔが通電信号生成部５に与えられる。通電信号生成部５は、モータ起動信号Ｓｔを受けた際にメモリ内に記憶した通電パターンをＰＷＭ駆動制御部９へ与える。これは、ブラシレスモータ１のロータ位置に関係なく行われる。回転数の増加は、周波数を上げていくことで行われ、電流については、電流制御部８からの電流制御信号Ａｐｗｍによるのではなく、バッテリ２の直流電圧から、ＰＷＭ駆動制御部９のメモリ内に記憶した値に基づき、一定の電流が与えられる。この電流値は、モータの定格電流よりも大きい値とされる。ＰＷＭ駆動制御部９は、通電信号生成部５からの通電信号Ｃ＊に基づいて、各ＦＥＴ−Ｕ＊，Ｖ＊，Ｗ＊に対するＰＷＭ制御信号Ｄ＊をゲート駆動回路１０に出力し、これにより、各ＦＥＴ−Ｕ＊，Ｖ＊，Ｗ＊がオン／オフ駆動され、ブラシレスモータ１のステータ巻線に強制転流のための回転磁界が発生する。モータ回転信号Ｒｔは、回転数に比例して周波数が増加するものであり、回転位置推定信号生成部３に入力される。

ブラシレスモータ１のロータの回転位置は、ブラシレスモータ１のステータ巻線に誘起した各端子電圧と基準電圧とを比較してサンプリングしたデジタル信号のパターンに基づき、ゼロクロス点を検出することで特定可能か否かを判断することができる。上記強制転流を行うことで、ブラシレスモータ１のステータ巻線の誘起電圧であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが大きくなる。これに基づいて、回転位置推定信号生成部３では、サンプリングしたデジタル信号で示されるパターンが規則的に変化しているか否かを判定し、各相の回転位置推定信号Ｈ＊（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）を生成可能、すなわち、ロータ位置の特定が可能となる。

これにより、通電信号生成部５は、回転位置推定信号生成部３により生成される回転位置推定信号Ｈ＊に基づいて、通電信号Ｃ＊を生成する。ＰＷＭ駆動制御部９は、この通電信号Ｃ＊および電流制御信号Ａｐｗｍに基づいて、各ＦＥＴ−Ｕ＊，Ｖ＊，Ｗ＊に対するＰＷＭ制御信号Ｄ＊を作成し、ゲート駆動回路１０に与える。こうして、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する。

次に、図２は、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する処理手順を示すフローチャート、図３は、強制転流モードにおける指令回転数の時間変化を示す概略図、図４は、強制転流モードにおける回転数−指令モータ出力（モータ出力指令値）マップの概略図である。

図２において、起動指令（ステップＳ２０１）に基づいて、強制転流モードが開始され、まず、指令回転数（回転数指令値）として、予め設定されている初期回転数である所定回転数が与えられる（ステップＳ２０２）。この初期回転数に対応する回転磁界がブラシレスモータ１のステータ巻線に与えられることで、強制転流モードが実行される（ステップＳ２０３）。次いで、指令回転数が設定回転数に到達しているかどうかが判定される（ステップＳ２０４）。初期回転数＜設定回転数であるので、当初はＮＯと判定され、指令回転数＝初期回転数＋上昇幅として、回転数を増加させる（ステップＳ２０５）。

続いて、回転数の増加にともないモータ出力を増加させる（ステップＳ２０６）。これにより、増加させられた指令回転数および指令モータ出力に対応する回転磁界がブラシレスモータ１のステータ巻線に与えられる。指令回転数を上昇幅ずつ増加させるステップＳ２０５および指令モータ出力を増加させるステップＳ２０６は、指令回転数が設定回転数に到達するまで繰り返し続けられる。指令回転数＝設定回転数による強制転流モードが行われると、この後の指令回転数が設定回転数に到達しているかどうかを判定するステップＳ２０４で、ＹＥＳと判定され、強制転流モードが終了する。

この後、ブラシレスモータ１のロータ位置の推定禁止処理が解除され、ロータ位置が特定できるかどうかが判定され（ステップＳ２０７）、ＹＥＳと判定された場合には、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する（ステップＳ２０８）。ロータ位置特定ステップＳ２０７で、ＮＯと判定された場合には、指令回転数＝初期回転数とするステップＳ２０２に戻って、再度強制転流モードステップＳ２０３が実行される。

上記のフローチャートの回転数を増加させるステップＳ２０５では、指令回転数は、図３に示すように変化する。すなわち、回転数の上昇幅は一定であり、回転数の増加に伴って、その回転数での強制転流時間は短く設定される。上記フローチャートによると、指令回転数が設定回転数に到達しないうちは、ロータの位置を検出するステップが実施されないことから、図３にＴで示す期間がロータ位置推定禁止時間となっている。これにより、設定回転数よりも低い指令回転数（図３にＴで示すロータ位置推定禁止時間よりも短い時間）でセンサレス制御モードに移行することはない。したがって、回転数が低いためにロータ位置が誤って特定されることが回避される。

また、上記のフローチャートのモータ出力を増加させるステップＳ２０６では、指令モータ出力は、式（１）、（２）に示すモータ出力指令値を演算するか、あるいは、図４に示す回転数−モータ出力指令値マップからモータ出力指令値を取得する方法のいづれかにより求めることができる。

モータ出力指令値は、次式（１）、（２）のように表すことができる。
ΔＰ＝Δω×Ｋｅ×Ｋｔ ・・・（１）
Ｐ＝Ｐ’＋ΔＰ ・・・（２）
ただし、ΔＰはモータ出力増加分、Δωは回転数増加分、Ｋｅはモータの逆起電力定数、Ｋｔは電圧／モータ出力の変換定数、Ｐは今回のモータ出力指令値、Ｐ’は前回のモータ出力指令値である。

あるいは、回転数の増加にともなうモータ出力指令値は、予め設定されている回転数−モータ出力指令値マップに基づいて求めることができる。例えば、図４に示すように、強制転流モードにおいて、回転数の増加に対して指令モータ出力を直線的に増加させる場合、回転数が上昇してもモータトルクを一定に保つことができる。

次に、上記のように構成された本実施形態であるブラシレスモータ１のセンサレス制御装置４の作用および効果について説明する。

上記構成によれば、強制転流モードは、初期回転数である所定回転数から所定の上昇幅で回転数を増加させ、回転数の増加にともないブラシレスモータ１のモータ出力も増加させるように強制転流を行う。回転数が設定回転数に到達し、ブラシレスモータ１のロータ位置が特定可能となったときに電流制御を行うセンサレス制御モードに移行する。強制転流モードでのモータ出力指令値は、ブラシレスモータ１の逆起電力定数Ｋｅと回転数の増加分Δωとの演算により、あるいは、回転数の増加に応じて予め設定された所定の回転数−指令モータ出力マップに基づいて求められる。

これにより、ブラシレスモータ１の回転数が上昇してもトルク不足によりロータが追従できず脱調することがなく、強制転流モードからセンサレス制御モードへスムーズに移行することができる。また、センサレス制御モードへの移行後は、回転数が不足してロータ位置の特定ができなくなることがなくなる。その結果、ブラシレスモータ１を電動オイルポンプ駆動用に使用した場合、起動時に速やかに油圧を上昇させることができる。また、上述の強制転流モードでのモータ出力指令値を求める方法を採用することにより回転数が上昇しても確実にモータ出力を増加させることができる。さらに、低回転時に大電流が流れないため、強制転流モードでのモータ効率がよくなる。

以上のように、本実施形態によれば、起動時に強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行が速やかに行われるセンサレスブラシレスモータの制御装置を提供できる。

以上、本発明に係る一実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、回転数が上昇してもモータトルクが一定になるように、演算式またはマップによりモータ出力指令値を直線的に増加させるようにしたが、これに限定されるものでなく、回転数が上昇するに従いモータトルクも上昇するようにモータ出力指令値を曲線的に増加させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、車載用電動オイルポンプ装置の駆動用モータとして使用されるブラシレスモータ１について説明したが、本発明は、１２０°通電矩形波駆動を採用する他のブラシレスモータのセンサレス制御装置にも適用することができる。

さらに、上記実施形態では、図１に示す制御ブロック図において、電流制御部８に追加して、または、これに代えて、速度制御部を設けるようにしてもよい。ここで、速度制御部は、ブラシレスモータ１のロータの回転速度検出値Ｓと外部から与えられた回転方向を含む回転速度設定値Ｓａとを比較し、両者の大小関係に基づいて、ブラシレスモータ１をＰＷＭ駆動するための速度制御信号Ｓｐｗｍを作成し、ＰＷＭ駆動制御部９へ出力するものとされる。

１：ブラシレスモータ（電動モータ）、２：バッテリ、３：回転位置推定信号生成部、４：センサレス制御装置（ＥＣＵ）、５：通電信号生成部、６：モータ駆動回路、７：電流検出部、８：電流制御部、９：ＰＷＭ駆動制御部、１０：ゲート駆動回路、１１：シャント抵抗、１２：通電制御部、
Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２：ＦＥＴ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ：相電圧、
Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ：回転位置推定信号、
Ｃｕ＋，Ｃｕ−，Ｃｖ＋，Ｃｖ−，Ｃｗ＋，Ｃｗ−：通電信号、
Ｄｕ＋，Ｄｕ−，Ｄｖ＋，Ｄｖ−，Ｄｗ＋，Ｄｗ−：ＰＷＭ制御信号、
Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−：駆動信号、Ａ：電流検出値、Ａａ：電流指令値、
Ａｐｗｍ：電流制御信号、Ｓｔ：モータ起動信号、Ｒｔ：モータ回転信号

Claims (1)

1. 起動時に電動モータを回転させる強制転流モードと、
   前記電動モータのロータ位置が特定可能となった場合に前記強制転流モードから移行して電流制御するセンサレス制御モードと、を備えた電動モータの制御装置であって、
   前記強制転流モードは、回転数が所定回転数から設定回転数に到達するまで所定の上昇幅で前記回転数を増加させるとともに、前記回転数の増加にともない前記電動モータの逆起電力定数と前記回転数の増加分との演算により求めたモータ出力の増加分を前回の前記モータ出力の指令値に加算して求めた前記モータ出力の指令値により前記モータ出力を増加させることを特徴とする電動モータの制御装置。

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