JP6047055B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

回転速度の制御のために、ブラシレスモータ（以下、「モータ」と略記）ではロータの位置検出が必要であり、磁界を検出し当該磁界の大きさに比例したアナログ信号を出力するホール素子がロータの位置検出に用いられる。しかしながら、ホール素子は高温に弱いという難点がある。そのため、自動車用エンジンのオイルポンプ又はウォーターポンプ等の動力源として高温の環境下で用いられるモータは、ホール素子のセンサを用いずに、ロータが回転することでコイルに発生する起電力(誘起電圧)の波形によりロータの位置を特定している。

しかしながら、ホール素子を用いずに誘起電圧の波形によりロータの位置を特定するセンサレスのモータでは、何らかの原因で電源から供給される電力が一瞬途切れるいわゆる瞬断が発生すると、モータの制御装置がロータの位置を検出できなくなる。その直後に電源が復帰し、かつ瞬断前と同じく外部からモータを回転させる指令（回転指令）がモータ制御装置に入力されている場合、モータ制御装置はモータを始動させるシーケンスを開始する。

モータを始動させるシーケンスは、ロータが停止していることを前提として指定のコイルに強制的に電流を流してロータを特定の位置まで移動させる他制駆動と呼ばれるものである。しかしながら、瞬断後ではロータ自体は回転しているのでコイルには誘起電圧が発生する。その結果、コイルに強制的に流される電流と誘起電圧とにより、コイルには過電流が流れることになり、電源から供給される電力が正常になってもモータの回転は正常に復帰せず、モータが小刻みに正回転と逆回転を繰り返す脱調と呼ばれる現象が生じる場合があった。

特許文献１には、電源の瞬断時に電力の供給が可能なバックアップ回路を備えた無整流子電動機の制御方法およびその装置に係る技術が開示されている。

特開平７−１７０７８２号公報

しかしながら、バックアップ回路を備えるとモータの制御装置は小型化が困難になり、前述のオイルポンプ又はウォーターポンプ等の車載機器の動力源として用いるには適しないという問題があった。また、バックアップ回路に必要な部品が増え、かつそれらの部品を組み付けるための工数も要するので、モータの制御装置の製造コストが増加するという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、部品の追加を要さずに電源の瞬断に対処できるモータ制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載のモータ制御装置は、ロータ及び複数のステータコイルを備えたモータのロータの回転によって前記ステータコイルの各々に生じた誘起電圧を検知する誘起電圧検知手段と、前記誘起電圧検知手段の検知結果から導出した前記モータの回転速度及び前記ロータの位置並びに外部から入力された指令に基づいた前記複数のステータコイルの各々に対する通電の制御により前記モータの回転を制御すると共に、前記モータの電源に瞬断が生じた場合は、前記モータの回転速度が所定の値未満になるまで前記複数のステータコイルの各々への通電を停止してから制動によって前記モータの回転を停止させた後に前記モータの回転の制御を再開する制御手段と、を有している。

このモータ制御装置は、電源の瞬断が発生した場合に、モータの回転速度が所定の値未満になるまでステータコイルの各々への通電を停止した後に制動によってモータの回転を停止させている。モータが回転している状態では、各ステータコイルに誘起電圧が発生しており、制動によってモータの回転を止めると誘起電圧の急激な変化による過電流がステータコイルに流れ、ステータコイル及びモータ制御装置の回路を焼損するおそれがある。このような焼損を回避するには、ステータコイル及び回路の耐熱容量を向上させる必要があるが、ステータコイル及び回路の耐熱容量を向上させると、モータ及びモータ制御装置が大型化すると共に、部品の追加又は変更が必要となりモータ及びモータ制御装置の製造コストが嵩む。

しかしながら、モータの回転速度が所定の値未満まで低下した場合であれば、制動によってモータの回転を停止しても誘起電圧による過電流の悪影響を排除できるので、ステータコイル及び回路の耐熱容量を向上させるような部品の追加を要しない。

また、このモータ制御装置は、制動によってモータの回転が停止してからモータの回転の制御を開始しているので、制御手段は強制的に指定のステータコイルに電流を流し停止したロータを特定の位置まで移動させる他制駆動の制御が可能になる。

このように、このモータ制御装置は、電源の瞬断後にモータの回転速度が所定の値未満になってから制動によりモータの回転を停止させ、かつ停止後にモータの回転の制御を再開するので、部品の追加を要さずに電源の瞬断に対処できる。

請求項２に記載のモータ制御装置は、請求項１に記載のモータ制御装置において、前記制動として前記ステータコイルの各々に同時に通電する制御を行う。

このモータ制御装置によれば、ステータコイルの各々に同時に通電することによりモータの回転を停止できるので、部品の追加を要さずに電源の瞬断に対処できる。

請求項３に記載のモータ制御装置は、請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置において、前記制御手段は、再起動された直後に前記誘起電圧検知手段が前記誘起電圧を検出した場合に前記電源の瞬断が生じたと判定する。

このモータ制御装置によれば、瞬断を検知する手段を別途設けなくても、制御手段が電源オンになった直後における誘起電圧の検出の有無により瞬断か否かを判定できるので、部品の追加を要さずに電源の瞬断に対処できる。

請求項４に記載のモータ制御装置は、前記制御手段は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ制御装置において、前記モータの回転の制御を再開する際に、予め指定されたステータコイルに強制的に通電して前記ロータを特定の位置まで移動させてから一定周期で順番に前記複数のステータコイルの各々に通電する他制駆動を行う。

このモータ制御装置によれば、制動によってモータの回転が停止した後に所定のステータコイルに強制的に通電する他制駆動を行っている。その結果、ロータの回転による誘起電圧と他制駆動の通電とによる過電流の発生がないので、過電流対策のための部品の追加を要さずに電源の瞬断に対処できる。

請求項５に記載のモータ制御装置は、請求項４に記載のモータ制御装置において、前記制御手段は、前記他制駆動によって前記誘起電圧による前記ロータの位置の検出が可能になるまで前記モータの回転速度が上昇した時は、前記誘起電圧検知手段の検知結果から導出した前記ロータの位置に対応した前記複数のステータコイルに通電する自制駆動を行う。

このモータ制御装置によれば、モータの回転を停止した状態で他制駆動を開始したことにより、ロータの位置の検出に基づいたモータの回転の制御である自制駆動へ円滑に移行できる。

本発明の実施の形態に係るモータ制御装置の回路の概略を示す図である。 本発明の実施の形態に係るモータ制御装置における電源電圧、マイコンのリセット、各相への駆動指令、誘起電圧検出信号、モータ回転速度、及び通電状況のシーケンスの一例を示した概略図である。 本発明の実施の形態に係るモータ制御装置の瞬断後のマイコンの処理の一例を示すフローチャートである。

図１は、本実施の形態に係るモータ制御装置の回路の概略を示す図である。図１の本実施の形態に係るモータ制御装置１０は、一例として自動車用エンジンのオイルポンプ又はウォーターポンプ等の流体を搬送する装置の動力源として用いられる流体搬送用モータの制御装置に本発明を適用したものである。

本実施の形態に係るモータ制御装置１０は、例えば自動車用エンジンのオイルポンプを駆動するモータ１２を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）の一種である。本実施の形態に係るモータ制御装置１０は、車両用エンジン等の制御を行う上位ＥＣＵ１４から入力された回転指令に基づいて、モータ１２の回転速度を制御する。

図１において、モータ制御装置１０は、モータ１２の回転速度の制御に係るＰＷＭ（Pulse Width Modulation）の駆動指令を出力するマイコン２０と、インバータ２２と、インバータ２２を駆動するプリドライバ２４と、コンパレータ２８とを含んでいる。

コンパレータ２８は、モータ１２の回転に伴ってＵ、Ｖ、Ｗの各相のコイルに発生した誘起電圧に基づいた誘起電圧コンパレート結果を出力する。誘起電圧は正弦波状の波形を有しており、コンパレータ２８は、当該正弦波の振幅の１／２となった時を検出して誘起電圧コンパレート結果としてマイコン２０に出力する。なお、誘起電圧を検出する相はマイコン２０からの誘起電圧入力切り替えに従って選択される。マイコン２０はプリドライバ２４に駆動指令を出力すると共に、誘起電圧を検出可能な通電していない相の指示である誘起電圧入力切り替えをコンパレータ２８に出力する。

マイコン２０は、上位ＥＵＣ１４からの回転指令をマイコン２０の仕様に適合した電圧に変換する電圧変換回路３０を介して取得し、当該回転指令とコンパレータ２８からの誘起電圧コンパレート結果とに基づいてモータ１２の駆動指令を出力する。具体的には、上位ＥＣＵ１４からの回転指令を指令算出によって解釈すると共に、コンパレータ２８から取得した誘起電圧コンパレート結果から回転数及びロータの位置を導出する。回転数は誘起電圧コンパレート結果の検出頻度から導出され、ロータの位置は誘起電圧コンパレート結果におけるＵ、Ｖ、Ｗの各相のコイルに発生した誘起電圧が、当該誘起電圧の振幅の１／２となった時に基づいて導出する。さらにマイコン２０は、回転指令と回転数とロータの位置とに基づいてモータ１２の動作状態及び速度制御を行うためのＰＷＭによる通電制御の駆動指令をプリドライバ２４に出力する。

プリドライバ２４は、マイコン２０が出力した駆動指令を、インバータ２２を駆動可能な制御信号に変換する増幅回路の一種である。車載のバッテリ１６からインバータ２２を構成するＦＥＴ（Field Effect Transistor）に印加される電圧は略１２Ｖに達するので、インバータ２２を構成するＦＥＴ（Field Effect Transistor）をオン又はオフさせる制御信号も相応の電圧が必要になるからである。

インバータ２２は、インバータＦＥＴ２６Ａ〜２６Ｆの計６個のＦＥＴで構成され、プリドライバ２４が出力した制御信号に基づいてモータ１２のステータのコイルに供給する電力をスイッチングする。例えば、インバータＦＥＴ２６Ａ、２６ＤはＵ相のコイルに供給される電力のスイッチングを行い、インバータＦＥＴ２６ＡはＵ相上側、インバータＦＥＴ２６ＤはＵ相下側のスイッチングを各々行う。また、インバータＦＥＴ２６Ｂ、２６ＥはＶ相のコイルに供給される電力のスイッチングを行い、インバータＦＥＴ２６ＢはＶ相上側、インバータＦＥＴ２６ＥはＶ相下側のスイッチングを各々行う。また、インバータＦＥＴ２６Ｃ、２６ＦはＷ相のコイルに供給される電力のスイッチングを行い、インバータＦＥＴ２６ＣはＷ相上側、インバータＦＥＴ２６ＦはＷ相下側のスイッチングを各々行う。

インバータＦＥＴ２６Ａ、２６Ｂ、２６１Ｃの各々のドレインは、イグニッションスイッチ等の車載のスイッチ３４を介して電源であるバッテリ１６の正極に接続されている。また、インバータＦＥＴ２６Ｄ、２６Ｅ、２６Ｆの各々のソースは、バッテリ１６の負極と共に接地されている。

本実施の形態では、バッテリ１６の電力はプリドライバ２４とマイコン２０にも供給される。しかしながら、バッテリ１６の電圧は前述のように略１２Ｖに達するので、本実施の形態では電源回路３２によってバッテリ１６の電圧をマイコン２０の動作に適した電圧に変換している。マイコン２０の動作に適した電圧はマイコン２０の仕様によるが、一例として３．３Ｖ程度である。

図２は、本実施の形態に係るモータ制御装置１０における電源電圧、マイコン２０のリセット、各相への駆動指令、誘起電圧検出信号、モータ１２の回転速度、及び通電状況のシーケンスの一例を示した概略図である

図２では、電源瞬断Ｓｍ直前までは、誘起電圧から導出されたロータの位置及び回転速度によってモータ１２の回転速度を目標回転速度Ｖｏに維持する自制駆動Ｄａ１が行われている。電源瞬断Ｓｍが起こると、動作中だったマイコン２０への電力供給が途絶え、マイコン２０はリセットされる。かかる電源瞬断Ｓｍ直後に電力供給が復帰してマイコン２０が再起動（リブート）すると、マイコン２０はＵ、Ｖ、Ｗ相の全相への通電をオフにする全相オフＯａをモータ回転速度がブレーキ停止移行回転速度Ｖｓ未満になるまで実行する。

なお、マイコン２０が電源瞬断Ｓｍを検知する方法は、種々考えられる。本実施の形態では、一例として、電源がオンになった直後にもかかわらずロータが回転していることを示す誘起電圧検出信号が検出された場合を電源瞬断Ｓｍの直後の状態と判定して、全相オフＯａを実行する。

モータ回転速度がブレーキ停止移行回転速度Ｖｓ未満になったら、ブレーキ停止時間ＴｓにおいてＵ、Ｖ、Ｗ相の全相へ同時に通電するブレーキ通電を行う。ブレーキ通電は全相に通電するため、ロータが回転して誘起電圧が発生する場合では、モータ１２に対して過電流の負荷がかかるおそれがある。本実施の形態では、モータ回転速度がブレーキ停止移行回転速度Ｖｓ未満になって誘起電圧が許容できるレベルまで低下した時にブレーキ通電を行っている。したがって、ブレーキ停止移行回転速度Ｖｓは、発生する誘起電圧がブレーキ通電で通電される電流と一緒になった際にモータ１２が過電流にならないレベルの回転速度以下に設定する必要がある。モータ１２にとって過電流になるか否かのレベルはステータのコイル及びモータ制御装置１０を構成する回路の耐熱容量等のモータ制御装置１０及びモータ１２の仕様による。

ステータのコイル及びモータ制御装置１０を構成する回路の耐熱容量を向上させれば、ブレーキ停止移行回転速度Ｖｓを高めに設定でき、迅速にモータ１２の回転を停止させることが可能になる。しかしながら、ステータのコイル及びモータ制御装置１０を構成する回路の耐熱容量を向上させると、モータ１２及びモータ制御装置１０が大型化し、製造コストが嵩むという難点がある。本実施の形態では、モータ回転速度がコイル及び回路の耐熱容量を考慮したブレーキ停止移行回転速度Ｖｓ未満となった時にブレーキ通電を行うことで、モータ１２及びモータ制御装置１０の小型化を担保し、製造コストの上昇を回避する。

また、ブレーキ通電を行うブレーキ停止時間Ｔｓは、モータ回転速度が０になるのに十分な時間であることが必要である。ブレーキ停止時間Ｔｓはブレーキ停止移行回転速度Ｖｓ及びモータ１２の回転軸のトルク等によって左右されるので、これらの要素に基づいて推定し、さらには実験を通じて決定することが望ましい。

ブレーキ停止時間Ｔｓの後は、再起動時Ｔｒにおいて、モータ１２の再起動を行う。本実施の形態では、モータ１２が確実に停止してから起動させることが好ましいので、ブレーキ停止時間Ｔｓの終了から若干の時間差をもって再起動時Ｔｒを設定している。

再起動時Ｔｒでは、強制的に指定のコイルに電流を流しロータを特定の位置まで移動させ、次いで低速の一定周期で順番にコイルに電流を流し、電圧を徐々に上げながらロータを回転させる他制駆動Ｄｈが行われる。

その後、誘起電圧によるロータの位置検出が可能になるまでモータ回転速度が上がった時は、検出したロータ位置に対応したコイルに電流を流す自制駆動Ｄａ２に移行し、目標回転速度Ｖｏで回転させる。

図３は、本実施の形態に係るモータ制御装置１０の瞬断後のマイコン２０の処理の一例を示すフローチャートである。図３は電源瞬断後に全相オフが実行された後の処理で、ステップ３００では、モータ１２の回転速度が規定値であるブレーキ停止移行回転速度未満となったか否かが判定される。

ステップ３００で肯定判定の場合には、ステップ３００でＵ、Ｖ、Ｗの全相に同時に通電するブレーキ通電を実行し、ステップ３０４では、所定時間であるブレーキ停止時間が経過したか否かが判定される。

ステップ３０４で肯定判定の場合には、ステップ３０６で上位ＥＵＣ１４等からの回転指令の指令値の有無が判定される。ステップ３０６で肯定判定の場合には、ステップ３０８で他制駆動の通電を行って処理を終了する。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、マイコン２０が電源の瞬断後にモータ１２の回転を完全に停止させた後に改めて他制駆動を行ってモータの回転を再開させるので、部品の追加を要さずに電源の瞬断に対処できる。

１０・・・モータ制御装置、１２・・・モータ、１４・・・上位ＥＣＵ、１６・・・バッテリ、２０・・・マイコン、２２・・・インバータ、２４・・・プリドライバ、２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄ，２６Ｅ，２６Ｆ・・・インバータＦＥＴ、２８・・・コンパレータ、３０・・・電圧変換回路、３２・・・電源回路、３４・・・スイッチ、７０・・・モータ、７２・・・ロータ、７４・・・ロータハウジング、７６・・・ロータマグネット、７８・・・底部、８０・・・嵌合部、８２・・・ステータ、８４・・・ステータコイル、８６・・・ステータコア、８８・・・回転軸、９０・・・第１玉軸受、９０Ａ・・・内輪、９０Ｂ・・・外輪、９２・・・第２玉軸受、９２Ａ・・・内輪、９２Ｂ・・・外輪、９４・・・制動手段、９６・・・制動部材、Ｄａ１，Ｄａ２・・・自制駆動、Ｄｈ・・・他制駆動、Ｏａ・・・全相オフ、Ｓｍ・・・電源瞬断、Ｔｒ・・・再起動時、Ｔｓ・・・ブレーキ停止時間、Ｖｏ・・・目標回転速度、Ｖｓ・・・ブレーキ停止移行回転速度

Claims (5)

1. ロータ及び複数のステータコイルを備えたモータのロータの回転によって前記ステータコイルの各々に生じた誘起電圧を検知する誘起電圧検知手段と、
   前記誘起電圧検知手段の検知結果から導出した前記モータの回転速度及び前記ロータの位置並びに外部から入力された指令に基づいた前記複数のステータコイルの各々に対する通電の制御により前記モータの回転を制御すると共に、前記モータの電源に瞬断が生じた場合は、前記モータの回転速度が所定の値未満になるまで前記複数のステータコイルの各々への通電を停止してから制動によって前記モータの回転を停止させた後に前記モータの回転の制御を再開する制御手段と、
   を有するモータ制御装置。
2. 前記制御手段は、前記制動として前記ステータコイルの各々に同時に通電する制御を行う請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記制御手段は、再起動された直後に前記誘起電圧検知手段が前記誘起電圧を検出した場合に前記電源の瞬断が生じたと判定する請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記制御手段は、前記モータの回転の制御を再開する際に、予め指定されたステータコイルに強制的に通電して前記ロータを特定の位置まで移動させてから一定周期で順番に前記複数のステータコイルの各々に通電する他制駆動を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記制御手段は、前記他制駆動によって前記誘起電圧による前記ロータの位置の検出が可能になるまで前記モータの回転速度が上昇した時は、前記誘起電圧検知手段の検知結果から導出した前記ロータの位置に対応した前記複数のステータコイルに通電する自制駆動を行う請求項４に記載のモータ制御装置。
   

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