JP7211305B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置に関する。

従来、コイルが巻回された筒状のステータと、複数の磁極を有しステータの径方向内側に設けられるロータとを備え、コイルへの通電により発生する電磁力によってロータが回転するモータが知られている。また、コイルへの通電を制御部により制御し、モータを駆動させるモータ駆動装置が知られている。

例えば特許文献１に開示された電動モータは、ブレーキシステムにおいて、連動変換機構を介してブレーキディスクを押圧する電動式アクチュエータを構成している。

特開２０１７－１０４０１０号公報

ここで、車両のブレーキシステムにおけるモータ技術の背景に関して説明する。近年、自動運転にともなう自動車補機システムへのニーズや、安全機能の向上として、自動ブレーキシステムの採用が増加している。また、ハイブリッド自動車や電気自動車の増加にともない、以前はエンジン負圧でまかなっていた加圧源を電動モータに置き換えた液圧式の電動ブレーキシステムなどの採用が増大している。

液圧式ブレーキシステムには、モータ回転をボールねじで直線運動に変換することでシリンダ内のピストンを作動させてブレーキ液圧を発生させるタイプや、モータ回転をそのまま歯車機構に伝達し、歯車の歯のかみ合わせ部分で流体を輸送してブレーキ液圧を発生するギヤポンプのタイプがある。

また、液圧式ブレーキは、車両停止時のブレーキ力を維持する液圧保持力と、ブレーキ動作への高い追従性が求められる。したがって、液圧式の電動ブレーキシステムに用いるモータには、低回転領域における拘束トルクの高トルク化と、無負荷（又は低負荷）領域における高回転化との両立が求められる。

さらに本明細書では、運転者がブレーキペダルを急に踏み込んだ場合や、自動運転システムにおいて前方カメラが障害物を認識した場合等、車両を緊急に制動する要求が発生したときを「緊急時」と定義する。緊急時における緊急ブレーキに要求される高回転域まで出力可能な構成にしようとすると、モータの体格が大きくなるという問題がある。

本発明は上記の点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、モータの体格を大きくすることなく、緊急時に高回転出力が可能なモータ駆動装置を提供することにある。

本発明のモータ駆動装置は、モータ（８０）と、制御部（２０）と、を備え、車両のブレーキシステムに適用され、モータの出力によりブレーキ液圧を発生させる。モータは、コイル（６８）が巻回された筒状のステータ（６０）、及び、周方向に複数の磁極（５７）が設けられステータの内側で回転可能なロータ（５０）を有する。制御部は、ロータの回転角を検出する位置センサが設けられていないセンサレス駆動により、コイルへの通電を制御しモータを駆動する。ロータは、周方向に隣接する磁極同士の間に突極部（５３）が形成されている。

制御部は、車両を緊急に制動する要求が発生したとき、緊急時であると判定する緊急時判定部（３０）を有する。制御部は、緊急時以外の通常時、正弦波形の電圧を出力する正弦波制御モードによりモータを駆動する。また制御部は、緊急時に、正弦波形の電圧を歪ませ、正弦波制御モードの出力電圧より実効値の大きい電圧を出力する過変調制御モードによりモータを駆動する。

本発明のモータ駆動装置は、緊急ブレーキに必要な出力増加分を過変調駆動により確保するため、モータは、通常時のトルク－回転数領域で必要な出力を満足すればよい。したがって、モータの体格を大きくすることなく、緊急時に高回転出力が可能となる。

なお、過変調制御モードでは、電圧波形の歪みによりモータのＮＶ（すなわち騒音や振動）が増加する傾向があるが、緊急ブレーキ時には他の部品のＮＶも増加するため問題となりにくい。また、過変調制御モードではモータ供給電圧が上昇するため、供給電力一定の場合、トルクに必要な電流量が低下する。しかし、緊急ブレーキに要する特性は高回転低トルクであるため、供給電流量の低下による影響は小さい。

車両のブレーキシステムの模式図。 各実施形態のモータ駆動装置に用いられるモータの軸方向断面図。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線径方向断面図。 図３のＩＶ部拡大図。 第１実施形態の制御部の制御ブロック図。 （ａ）トルク－回転数特性図、（ｂ）緊急ブレーキ領域及び常用領域の電圧波形図。 第２実施形態の制御部の制御ブロック図。 電流位相の進角補正処理を説明する図。 その他の実施形態のティース形状を表す径方向拡大断面図。

本明細書において「実施形態」とは本発明の実施形態を意味する。以下、モータ駆動装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のモータ駆動装置はモータ及び制御部を備え、車両のブレーキシステムに適用され、モータの出力によりブレーキ液圧を発生させる。複数の実施形態で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。以下の第１、第２実施形態を包括して「本実施形態」という。

図１に車両のブレーキシステム９０を模式的に示す。モータ駆動装置１０は、モータ８０と、モータ８０を駆動する制御部２０とを含む。モータ８０の出力により液圧装置９１が発生した液圧が配管９２を経由してブレーキキャリパ９３に供給される。ブレーキキャリパ９３によりパッドがブレーキディスク９４に押し付けられ、車輪が制動される。

次に図２～図４を参照し、モータ８０の構成について説明する。本実施形態のモータ８０は３相ブラシレスモータであって、ハウジング７０、ステータ６０及びロータ５０等が回転軸Ｏに対して同軸に設けられている。

図２に示すように、ハウジング７０は、筒部７２及び底部７３を含む有底筒状を呈している。筒部７２の開口端の周囲には鍔部７１が形成されている。底部７３の中央には底部側の軸受７７を収容する軸受収容部７４が形成されている。ハウジング７０の開口側に装着されたハウジングカバー７５の中央には、開口側の軸受７８を収容する軸受収容部７６が形成されている。

筒状のステータ６０は、ハウジング７０の筒部７２の内側に収容され、スロットに３相のコイル６８が巻回されている。ロータ５０は、ステータ６０の内側に設けられ、中心にシャフト５９が固定されている。シャフト５９の両端は、軸受７７、７８により回転可能に支持されている。図２に示すロータ５０は、複数の薄板状ロータコアが軸方向に積層されて構成されているが、一体のロータコアで構成されてもよい。

図３及び図４に示すように、ロータ５０は、周方向に複数（例えば１０極）の永久磁石の磁極５７が設けられ、ステータ６０の内側で回転可能である。ロータコア５１の径方向の中間部には複数の肉盗み部５２が形成されている。本実施形態のロータ５０は、複数の磁極５７がロータコア５１に埋め込まれたＩＰＭ構造により構成されている。詳しくは複数の磁極５７は、肉盗み部５２の径方向外側の環状部分に埋め込まれている。磁極５７は径方向外側がフロントヨーク部５５により覆われており、周方向に隣接する磁極５７同士の間に突極部５３が形成されている。

ステータ６０は、コアバック６１から径内方向に突出する複数（例えば１２個）のティース６２を有している。隣接するティース６２同士の間のスロットには３相のコイル６８が巻回されている。図３、図４に例示するステータ６０は、周方向に分割された分割コアで構成されているが、一体コアで形成されてもよい。

また、本実施形態のティース６２は、先端部６３と根元側との周方向幅が同一であるストレート形状に形成されている。この構成は、特許第５８６２１４５号公報（対応ＵＳ公報：ＵＳ９５３１２２２Ｂ２）に開示されている。

このような構成のブラシレスモータ８０は、コイル６８への通電によりステータ６０に形成される回転磁界とロータ５０の磁極５７による磁界との相互作用により回転し、トルクを出力する。ここで、液圧式の電動ブレーキシステムに用いられるモータには、低回転領域における拘束トルクの高トルク化と、無負荷（又は低負荷）領域における高回転化との両立が求められる。本実施形態では、その両立のためにＩＰＭモータが選定される。

また、車両のブレーキシステム９０では、運転者がブレーキペダルを急に踏み込んだ場合や、自動運転システムにおいて前方カメラが障害物を認識した場合等、車両を緊急に制動する要求が発生することがある。このような緊急時における緊急ブレーキに要求される高回転域まで出力可能な構成にしようとすると、モータ８０の体格が大きくなるという問題がある。そこで本実施形態のモータ駆動装置１０は、モータ８０の体格を大きくすることなく、緊急時に高回転出力が可能なように構成されている。

モータ駆動装置１０の制御部２０は、コイル６８への通電を制御しモータ８０を駆動する。以下、モータ駆動装置１０の詳細な構成について実施形態毎に説明する。各実施形態のモータ駆動装置及び制御部の符号について、「１０」及び「２０」に続く３桁目に実施形態の番号を付す。

（第１実施形態）
図５、図６を参照し、第１実施形態のモータ駆動装置１０１について説明する。図５に示すように、制御部２０１のインバータ４０は、バッテリ１５の直流電力を３相交流電力に変換してモータ８０に供給する。電流センサ８５は、インバータ４０からモータ８０に通電される２相以上の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。また、図５の例では、モータ８０のロータ回転角を検出する位置センサが設けられておらず、センサレス駆動される。センサレス駆動方式は、部品削減や省スペースに対して有効である。

制御部２０１は、ベクトル制御による電流フィードバック制御の構成として、電流指令演算部２１、３相２相変換部２４、電流偏差算出部２５、電流制御器２６、２相３相変換部２７、変調器２８及びインバータ４０を有する。また制御部２０１は、センサレス制御の構成として位置／速度算出部２９を有し、さらに、本実施形態に特有の構成として緊急時判定部３０を有する。

電流指令演算部２１は、上位の車両制御回路から取得したトルク指令Ｔｒｑ^*等に基づいて、コイル６８への通電に係るｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*を演算する。以下、図５ではｄ軸及びｑ軸の電流、電圧に関する制御構成をまとめて表す。３相２相変換部２４は、推定角度θを用いて相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを３相２相変換し、ｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑをフィードバックする。

電流偏差算出器２５は、ｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*とｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑとの電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑを算出する。ｄｑ軸電流制御器２６は、電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑをそれぞれ０に近づけるようにＰＩ制御によりｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を演算する。２相３相変換部２７は、推定角度θを用いてｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ^*、Ｖｑ^*を３相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に変換する。

変調器２８は、３相電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*及びインバータ入力電圧Ｖｉｎｖ等に基づき、ＰＷＭ制御等により駆動信号Ｄｒを生成し、インバータ４０に出力する。変調器２８の詳細な構成については後述する。インバータ４０は、駆動信号Ｄｒに基づいて複数のスイッチング素子が動作することにより、バッテリ１５の直流電力を３相交流電力に変換し、３相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗをモータ８０に印加する。

位置／速度算出部２９は、ｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑ及び外積値ｏｐに基づき推定角度θを演算する。この推定演算は特開２００９－１４８０１７号公報に開示された技術であり、指令電流に重畳させる高周波電流信号ベクトル及び高周波電圧信号ベクトルの外積値ｏｐが用いられる。図５には、外積値ｏｐを算出するまでの構成の記載を省略する。位置／速度算出部２９が演算した推定角度θは、３相２相変換部２４及び２相３相変換部２７における座標変換演算に用いられる。

次に緊急時判定部３０は、車両を緊急に制動する要求が発生したとき、緊急時であると判定する。例えば緊急時判定部３０は、運転者によるブレーキペダルの踏み込み速度や踏力、又は、自動運転システムにおける前方カメラの映像等に基づき、緊急時であることを判定する。第１実施形態では、緊急時判定部３０により緊急時であると判定されたとき、緊急フラグＦｌｇが変調器２８に通知される。

変調器２８は、正弦波制御器２８１、過変調制御器２８２及び切り替え器２８３を有する。正弦波制御器２８１は、正弦波形の電圧を出力する「正弦波制御モード」によりモータ８０を駆動する。過変調制御器２８２は、振幅補正により正弦波形の電圧を歪ませ、正弦波制御モードの出力電圧より実効値の大きい電圧を出力する「過変調制御モード」によりモータを駆動する。切り替え器２８３は、緊急フラグＦｌｇを受信しないとき、すなわち緊急時以外の通常時、正弦波制御器２８１の出力に切り替え、緊急フラグＦｌｇを受信した緊急時に過変調制御器２８２の出力に切り替える。

図６（ａ）に、モータ８０のトルク－回転数特性を示す。通常時には低回転で低トルクから高トルクまでの常用領域が用いられる。緊急時には高回転で低トルクの緊急ブレーキ領域が用いられる。図６（ｂ）に示すように、緊急ブレーキ領域の電圧波形は、正弦波形を歪ませた過変調波形であり、常用領域の電圧波形は正弦波形である。

このように、第１実施形態のモータ駆動装置１０１は、緊急ブレーキに必要な出力増加分を過変調駆動により確保するため、モータ８０は、通常時のトルク－回転数領域で必要な出力を満足すればよい。したがって、モータ８０の体格を大きくすることなく、緊急時に高回転出力が可能となる。

なお、過変調制御モードでは、電圧波形の歪みによりモータ８０のＮＶ（すなわち騒音や振動）が増加する傾向があるが、緊急ブレーキ時には他の部品のＮＶも増加するため問題となりにくい。また、過変調制御モードではモータ供給電圧が上昇するため、供給電力一定の場合、トルクに必要な電流量が低下する。しかし、緊急ブレーキに要する特性は高回転低トルクであるため、供給電流量の低下による影響は小さい。

また、本実施形態のモータ８０は、ロータ５０がＩＰＭ構造により構成されている。これにより、上述の通り、液圧式の電動ブレーキシステム９０において、低回転領域における拘束トルクの高トルク化と、無負荷（又は低負荷）領域における高回転化との両立が実現する。

さらにセンサレス駆動では、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスとの差が大きく、突極比、すなわちｄ軸インダクタンスに対するｑ軸インダクタンスの比（Ｌｑ／Ｌｄ）が１から離れている方が良い。本実施形態では、ロータ５０は、周方向に隣接する磁極５７同士の間に突極部５３が形成されているため、突極比が１より大きい場合、突極比をより大きくする作用が得られる。

しかし、突極部５３を有するモータ８０をセンサレス駆動させる場合、突極部５３とステータ６０のティース６２とが対向する進角０度付近の回転位置で通電して起動すると、突極部５３が磁気飽和しやすく、位置推定に必要な突極比が維持しにくくなる。

それに対し本実施形態のモータ８０は、ティース６２の先端部６３がストレート形状に形成されているため、図９に示す、ティース先端部が周方向両側に広がっている形状に比べ、ティース先端部の周方向両端からフロントヨーク部５５への漏れ磁束を抑制することができる。そのため、突極部５３がステータ励磁の影響をより受けにくく、磁気飽和しにくくなる。

（第２実施形態）
図７、図８を参照し、第２実施形態のモータ駆動装置１０２について説明する。図７に示すように、第２実施形態の制御部２０２は、第１実施形態の制御部２０１の構成に加え、電流位相算出部２２及び進角補正部２３をさらに有する。電流位相算出部２２は、ｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*について、式（１）によりｑ軸基準の電流位相θｉを算出する。
θｉ＝ｔａｎ^-1（－Ｉｄ^*／Ｉｑ^*） ・・・（１）

進角補正部２３は、緊急時判定部３０から緊急フラグＦｌｇを受信した緊急時に電流位相θｉが最大トルク最小電流ラインより遅角側にある場合、電流位相θｉが最大トルク最小電流ラインよりも進角側になるようにｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*を補正する。この処理を「進角補正処理」という。なお、最大トルク最小電流ラインはモータ制御の技術分野における周知技術である。

こうして進角補正部２３は、緊急時にｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*を補正し、補正後のｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^**、Ｉｑ^**を出力する。緊急時以外の通常時にはｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*がそのままＩｄ^**、Ｉｑ^**として出力される。電流偏差算出器２５は、補正後のｄｑ軸電流指令値Ｉｄ^**、Ｉｑ^**とｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑとの電流偏差ΔＩｄ、ΔＩｑを算出する。

図８に示すように「進角補正処理」では、負のｄ軸電流Ｉｄ^*は絶対値を大きくする方向に、正のｑ軸電流Ｉｑ^*は絶対値を小さくする方向に補正される。そのため、弱め界磁効果により高回転域での逆起電力が低下し、高回転特性が向上する。したがって、第２実施形態のモータ駆動装置１０２は、モータ８０の体格を大きくすることなく、緊急時に高回転出力が可能となる。この効果は、第１実施形態による正弦波制御モードから過変調制御モードへの切り替えと組み合わせることで、より顕著となる。

また第２実施形態では、センサレス駆動にて進角０度付近の回転位置で通電して起動すると、突極部５３が磁気飽和しやすいという問題に対し、進角補正処理により高トルク時における突極比の低下を軽減し、位置推定精度を維持することができる。

（その他の実施形態）
（ａ）上記実施形態のモータは、ステータ６０のティース６２はストレート形状に形成されている。これに対し、図９に示すように、ティース６２の先端部６３９が周方向両側に広がっている形状としてもよい。

（ｂ）図３、図４に示す３相ブラシレスモータは１０極１２スロットの構成であるが、磁極及びスロット（或いはティース）の数はこれに限らない。また、モータの相の数は３相に限らず、４相以上の多相モータであってもよい。

（ｃ）モータのロータは、複数の磁極がロータコア５１に埋め込まれたＩＰＭ構造に限らず、複数の磁極がロータコアの表面に設置されたＳＰＭ構造により構成されてもよい。例えば特開２０１４－１２１１８９号公報の図３９、段落［０１５６］には、ロータコアの外周表面に形成された凹部に磁極が貼り付けられたインセット型ＳＰＭ構造が開示されている。この構造ではｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスとが異なり、突極性を有するため、突極比を利用した位置推定によりセンサレス駆動することが可能である。

（ｄ）センサレス駆動による回転角の推定方式は、指令電流に重畳させる高周波電流信号及び高周波電圧信号の外積値を用いる上記の方式に限らず、拡張誘起電圧等を用いる周知の方式を採用してもよい。また、モータの駆動はセンサレス駆動方式に限らず、位置センサにより回転角をフィードバックする方式により駆動されてもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

１０（１０１、１０２） ・・・モータ駆動装置、
２０（２０１、２０２） ・・・制御部、
３０ ・・・緊急時判定部、
５０ ・・・ロータ、 ５７ ・・・磁極、
６０ ・・・ステータ、 ６８ ・・・コイル、
８０ ・・・モータ。

Claims (4)

1. コイル（６８）が巻回された筒状のステータ（６０）、及び、周方向に複数の磁極（５７）が設けられ前記ステータの内側で回転可能なロータ（５０）を有するモータ（８０）と、
   前記ロータの回転角を検出する位置センサが設けられていないセンサレス駆動により、前記コイルへの通電を制御し前記モータを駆動する制御部（２０）と、
   を備え、車両のブレーキシステムに適用され、前記モータの出力によりブレーキ液圧を発生させるモータ駆動装置であって、
   前記ロータは、周方向に隣接する前記磁極同士の間に突極部（５３）が形成されており、
   前記制御部は、
   車両を緊急に制動する要求が発生したとき、緊急時であると判定する緊急時判定部（３０）を有し、
   前記緊急時以外の通常時、正弦波形の電圧を出力する正弦波制御モードにより前記モータを駆動し、
   前記緊急時に、正弦波形の電圧を歪ませ、前記正弦波制御モードの出力電圧より実効値の大きい電圧を出力する過変調制御モードにより前記モータを駆動するモータ駆動装置。
2. 前記ロータは、複数の前記磁極がロータコア（５１）に埋め込まれたＩＰＭ構造により構成されている請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記ステータは、コアバック（６１）から径内方向に突出する複数のティース（６２）を有しており、
   前記ティースは、先端部（６３）と根元側との周方向幅が同一であるストレート形状に形成されている請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記制御部は、
   前記コイルへの通電に係るｄｑ軸電流指令値について、前記緊急時に電流位相（θｉ）が最大トルク最小電流ラインより遅角側にある場合、電流位相が最大トルク最小電流ラインよりも進角側になるようにｄｑ軸電流指令値を補正する進角補正処理を実行する請求項１～３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

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