JP7347003B2 - 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、駆動制御部（２００）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。駆動制御部は、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。

駆動制御部は、電源（１５）の直流電圧を昇圧する昇圧回路（３０）、昇圧回路により昇圧された入力電圧を変換して交流電圧を出力する駆動回路（４０）、並びに、昇圧回路及び駆動回路の動作を制御する制御回路（２０）を含む。制御回路は、自動運転システムにおける前方カメラの映像に基づき、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（２５）を有し、緊急時以外の通常時に比べ、緊急時に昇圧回路の昇圧比を大きくする。

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昇圧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、供給電力一定の場合、昇圧によりモータ回転数は上昇するが、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。 一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。 一実施形態のモータ駆動装置の構成図。 モータの出力特性を表すトルク－回転数特性図。 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、モータ駆動装置の一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駆動制御部を備え、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。

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を駆動する駆動制御部２００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。

［モータ駆動装置の構成］
次に図５、図６を参照し、モータ駆動装置１０について説明する。モータ駆動装置１０の駆動制御部２００は、コイル６８への通電を制御しモータ８０を駆動する。図５に示すように、電流センサ８５は、駆動制御部２００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。

駆動制御部２００は、昇圧回路３０、駆動回路４０及び制御回路２０を含む。昇圧回路３０は、「電源」としてのバッテリ１５の直流電圧（以下「バッテリ電圧」）Ｖｂを昇圧する。駆動回路４０は、昇圧回路３０により昇圧された入力電圧Ｖｉｎｖを変換して交流電圧を出力する。制御回路２０は、昇圧回路３０及び駆動回路４０の動作を制御する。

図５の例では、昇圧回路３０は、フィルタコンデンサ３１、インダクタ３２、高電位側スイッチング素子３３、低電位側スイッチング素子３４を含むチョッパ式昇圧コンバータで構成されている。フィルタコンデンサ３１は、昇圧回路３０の入力部に設けられ、バッテリ１５からの電源ノイズを除去する。インダクタ３２は、一端がバッテリ１５に接続され、他端が高電位側スイッチング素子３３と低電位側スイッチング素子３４との接続点に接続される。昇圧回路３０に流れる電流ＩＬの変化に伴ってインダクタ３２に誘起電圧が発生し、電気エネルギーが蓄積される。

高電位側スイッチング素子３３及び低電位側スイッチング素子３４は、駆動回路４０の電源ラインＬｐとグランドラインＬｇとの間に直列に接続されている。高電位側スイッチング素子３３及び低電位側スイッチング素子３４は、制御回路２０の昇圧回路制御部２３から指令されるゲート信号に従って相補的にオンオフする。

高電位側スイッチング素子３３がオフで低電位側スイッチング素子３４がオンのとき、インダクタ３２にエネルギーが蓄積される。高電位側スイッチング素子３３がオンで低電位側スイッチング素子３４がオフのとき、インダクタ３２に蓄積されたエネルギーが放出されることにより、バッテリ電圧Ｖｂが昇圧された入力電圧Ｖｉｎｖが平滑コンデンサ３９に充電される。以下、バッテリ電圧Ｖｂに対する入力電圧Ｖｉｎｖの比を昇圧比Ｋ（＝Ｖｉｎｖ／Ｖｂ）と表す。

図５の例では、駆動回路４０は、ブリッジ接続された６個のスイッチング素子４１～４６を含む３相インバータで構成されている。スイッチング素子４１、４２、４３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームのスイッチング素子であり、スイッチング素子４４、４５、４６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アームのスイッチング素子である。各相のスイッチング素子４１～４６は、制御回路２０の駆動回路制御部２４から指令されるゲート信号に従ってオンオフする。

こうして駆動回路４０は、入力電圧Ｖｉｎｖ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。駆動回路４０の入力部に設けられた平滑コンデンサ３９は、入力電圧Ｖｉｎｖを平滑化する。

制御回路２０は、昇圧回路制御部２３及び駆動回路制御部２４を有する。昇圧回路制御部２３及び駆動回路制御部２４は、上位の車両制御回路から取得したトルク指令Ｔｒｑ^*等に基づき、デューティ比演算やＰＷＭ制御等の周知技術により、昇圧回路３０及び駆動回路４０を動作させるゲート信号を演算する。

ここで、昇圧回路制御部２３及び駆動回路制御部２４は、バッテリ電圧Ｖｂ、昇圧回路電流ＩＬ、駆動回路４０の入力電圧Ｖｉｎｖ等の情報を適宜、電圧センサ、電流センサ等から直接取得してもよく、他のパラメータに基づいて算出してもよい。

例えば駆動回路制御部２４は、電流センサ８５が検出した相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを取得し、電流フィードバック制御により駆動回路４０へのゲート信号を演算する。ここで、センサレス制御では、座標変換演算等における角度情報として推定角度θが使用される。また、推定角度θの微分値である推定角速度ωは昇圧回路制御部２３でも使用される。推定角度θは、例えば特開２００９－１４８０１７号公報に開示された技術により演算される。

さらに制御回路２０は、本実施形態に特有の構成として、緊急時判定部２５を有する。緊急時判定部２５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２５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。なお、緊急時以外を通常時という。

制御回路２０は、緊急時判定部２５により緊急時であると判定されたとき、通常時に比べ昇圧回路３０の昇圧比Ｋを大きくする。図６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。

簡単のため通常時の昇圧比Ｋを１とし、緊急時の昇圧比Ｋを１より大きい値、例えば２として説明する。すなわち、通常時は実質的に「非昇圧時」であり、緊急時が「昇圧時」であるものとする。この例のように、緊急時の昇圧比は通常時の昇圧比の２倍以上の値に設定されることが好ましい。

図６において、常用領域を最低限カバーするための非昇圧時のモータ特性は、非昇圧時の最大トルクＴｍａｘ＿ｎにおける最高回転数の点Ｐｎを通り、常用領域と緊急ブレーキ領域との境界に沿った特性線Ｃｎで示される。また、緊急ブレーキ領域を最低限カバーするための昇圧時のモータ特性は、昇圧時の最大トルクＴｍａｘ＿ｂにおける最高回転数の点Ｐｂを通り、非昇圧時の特性線Ｃｎと略平行な特性線Ｃｂで示される。

制御回路２０は、これらの特性線Ｃｎ、Ｃｂを実現するように昇圧時の昇圧比Ｋを決定する。なお、バッテリ電圧Ｖｂが低い場合等には、例えば通常時の昇圧比Ｋを１．５とし、緊急時の昇圧比Ｋを３としてもよい。その場合、上記説明中の「非昇圧時」を「低昇圧時」、「昇圧時」を「高昇圧時」と読み替えればよい。

このように、本実施形態のモータ駆動装置１０は、緊急ブレーキに必要な出力増加分を昇圧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、供給電力一定の場合、昇圧によりモータ回転数は上昇するが、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７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。

（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７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特開２００９－１４８０１７号公報に開示された方式に限らず、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。

本開示に記載の駆動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、本開示に記載の駆動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、本開示に記載の駆動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 ・・・モータ駆動装置、
１５ ・・・バッテリ（電源）、
２００・・・駆動制御部、
２０ ・・・制御回路、 ２５ ・・・緊急時判定部、
３０ ・・・昇圧回路、 ４０ ・・・駆動回路、
５０ ・・・ロータ、 ５７ ・・・磁極、
６０ ・・・ステータ、 ６８ ・・・コイル、
８０ ・・・モータ。

Claims (3)

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駆動制御部（２００）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、
   前記駆動制御部は、電源（１５）の直流電圧を昇圧する昇圧回路（３０）、前記昇圧回路により昇圧された入力電圧を変換して交流電圧を出力する駆動回路（４０）、並びに、前記昇圧回路及び前記駆動回路の動作を制御する制御回路（２０）を含み、
   前記制御回路は、自動運転システムにおける前方カメラの映像に基づき、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（２５）を有し、前記緊急時以外の通常時に比べ、前記緊急時に前記昇圧回路の昇圧比を大きく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。

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