JP7396663B2 - モータ制御装置、モータユニット、モータ制御方法 - Google Patents
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Description
ブラシレスモータの各相に対する通電タイミングは、これらの各ホールセンサから得られる検出信号を元に、マイコン内においてタイマにてカウント値を求め、このカウント値を元に、タイムアップ(計時完了)すると、この通電タイミングに従って、電圧がコイルに印加される。このようなブラシレスモータの各相に対する通電タイミングの制御は、モータ出力を向上させる観点から進角制御が行われる。
以下に、本実施形態におけるモータ制御装置について、図を用いて説明する。ここでは、ブラシレスモータを用いてワイパアームを揺動動作させる場合を一例として説明する。
図1に示すように、車両10は、フロントガラス11及びワイパ装置12を備える。
ワイパ装置12は、フロントガラス11を払拭する。
ワイパ装置12は、ワイパアーム14,16、ワイパブレード17,18、モータユニット19及び動力伝達機構20を備える。
ワイパアーム14は、ピボット軸13を中心として揺動する。ワイパアーム16は、ピボット軸15を中心として揺動する。
ワイパブレード17は、ワイパアーム14の自由端に取り付けられている。ワイパブレード18は、ワイパアーム16の自由端に取り付けられている。
モータユニット19は、ワイパアーム14,16を駆動する。本実施形態では、モータユニット19の動力は、レバー、リンク等により構成された動力伝達機構20を経由して、ワイパアーム14,16に個別に伝達される。
図2に示すように、モータユニット19の外観は、主としてケース23及びフレーム24によって構成される。
ケース23は、有底円筒形状を備えている。フレーム24は、中空の形状を備えている。フレーム24とケース23とは、図示しない締結部材により固定されている。
例えば、ブラシレスモータ30は、3相4極形であるブラシレスモータである。
ブラシレスモータ30は、ステータ21及びロータ(回転子)22を備える。
ステータ21は、ケース23の内周に固定されている。ステータ21は、3相の電機子コイル21u,21v,21wを備える。ステータ21は、その電機子コイル21u,21v,21wが巻装されている。例えば、3相の電機子コイル21u,21v,21wは、一端の中性点で接続されるデルタ結線により接続される。ただし、デルタ結線に限らず、Y結線であってもよい。また、ブラシレスモータ30は、各電機子コイル21u,21v,21wが、正極及び負極の両方として機能するモータである。
なお、図3に示すようにロータ22は、ステータ21の内側に配置されたインナロータ形の構造であるが、ロータ22がステータ21の外側に配置されたアウターロータ形の構造であってもよい。
ロータ軸22aのうちフレーム24内に配置された部分の外周には、減速機構27が形成されている。減速機構27は、ウォーム22c及びギヤ25aを備える。
ウォーム22cは、フレーム24内に配置されたロータ軸22aの外周に設けられている。ギヤ25aは、フレーム24内に設けられたウォームホイール25の外周に形成されている。ギヤ25aは、ウォーム22cと噛合されている。
制御基板29は、アンダーカバー28とフレーム24とにより取り囲まれた空間に設けられている。図2に示すように、例えば、制御基板29はアンダーカバー28に取り付けられる。この制御基板29には、ブラシレスモータ30を制御するモータ制御装置33が設けられている。
図4は、本実施形態におけるワイパ装置12の制御系の概略構成の一例を示す図である。ワイパ装置12は、ワイパスイッチ37、回転角検出部39、車速センサ40及びモータ制御装置33を備える。
ワイパスイッチ37は、ワイパアーム14,16を揺動動作させるスイッチである。
ワイパスイッチ37は、ワイパアーム14,16を低速(例えば、予め設定された速度)で動作させる低速作動モード、ワイパアーム14,16を低速作動モードより高速で動作させる高速作動モード、及びワイパアーム14,16の揺動動作を停止させる停止モードの各モードに切り換え可能である。
インバータ52は、3相ブリッジ接続された6個のスイッチング素子52a~52fと、各スイッチング素子52a~52fのそれぞれのコレクタ-エミッタ間に逆並列に接続されたダイオード53a~53fとを備える。各スイッチング素子52a~52fは、例えば、FET(Field Effect Transistor;電界効果トランジスタ)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor;絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)である。ブリッジ接続された6個のスイッチング素子52a~52fの各ゲートは制御部54に接続される。
図5は、本実施形態における制御部54の概略構成の一例を示す図である。
制御部54は、位置検出部61、負荷判定部62、ワイパモード判定部63及び駆動制御部64を備える。
例えば、負荷判定部62は、モータに印加する電圧の出力デューティと、過負荷判定基準値とを対応付けられた判定データを参照することで、現在のロータ回転数に応じた出力デューティの過負荷判定基準値を読み出し、現在モータに印加されている電圧の出力デューティが、当該読み出した過負荷判定基準値を超えているか否かを判定する。ここでは、負荷判定部62は、現在の出力デューティが過負荷判定基準値を超えている場合には、過負荷状態であると判定する。すなわち、負荷判定部62は、ブラシレスモータにかかる負荷が高負荷であると判定する。一方、現在の出力デューティが過負荷判定基準値を超えていない場合には、負荷判定部62は、高負荷ではないと判定する。なお、判定データは、制御部54に設けられた記憶部に記憶しておき、負荷判定部62がこの記憶部を参照するようにしてもよい。
この場合、負荷判定部62は、車速センサ40が計測した車速Vが予め設定された所定値Vthを超えたか否かを判定する。負荷判定部62は、車速センサ40が計測した車速Vが所定値Vthを超えた場合に、ブラシレスモータ30の負荷が高負荷であると判定する。負荷判定部62は、ブラシレスモータ30の負荷が高負荷であると判定した場合に、その判定結果を示す高負荷信号をワイパモード判定部63に出力する。これは、車両10の車速Vが上がると、車両10のフロントガラス11への風量が増大し、フロントガラス11上を払拭するワイパブレード17,18の動きが妨げられるためである。
ワイパモード判定部63は、ワイパスイッチ37から低速作動モード信号を取得した場合に、ブラシレスモータ30を低出力モードで駆動すると判定し、低出力モードを示す低出力モード信号を駆動制御部64に出力する。
ワイパモード判定部63は、ワイパスイッチ37から高速作動モード信号を取得した場合に、ブラシレスモータ30を高出力モードで駆動すると判定し、高出力モードを示す高出力モード信号を駆動制御部64に出力する。また、ワイパモード判定部63は、負荷判定部62から高負荷信号を取得した場合に、ブラシレスモータ30を高出力モードで駆動すると判定し、高出力モードを示す高出力モード信号を駆動制御部64に出力する。
回転数判定部641は、ブラシレスモータ30の回転数が所定の閾値以下であるか否かを判定する。
この閾値は、例えば、モータがロックする一定程度前の速度を用いることができる。閾値として、モータがロックする一定程度前の速度を用いた場合、回転数判定部641は、モータがロックする可能性があり、モータの回転数がモータロックの少し前の速度であることを把握することができる。この閾値は任意に設定することができる。
具体的に、通電制御部642は、回転数判定部641によりブラシレスモータ30の回転数が所定の閾値を超える場合選択される進角制御モード(第1モード)と、ブラシレスモータ30の回転数が所定の閾値以下となる場合選択される遅角制御モード(第2モード)と、を選択可能である。
通電制御部642は、進角制御モードにおいて、3つのホールICの内のある1つのホールIC(第1のセンサ)の位置検出信号に基づいて設定される所定の通電タイミングで、3相の電機子コイル21u,21v,21wの内のある1つの相(第1の相)に通電を行うとした場合、遅角制御モードでは、この第1のセンサの位置検出信号に基づいて設定される所定の通電タイミングで、3相の電機子コイル21u,21v,21wの内の第1の相とは異なる第2の相に通電を行う。そして、通電制御部642は、進角制御モードにおいて、第1のセンサの位置検出信号がオンとなるタイミングに対して第2の相への通電タイミングが進角しており、遅角制御モードにおいて、第1のセンサの位置検出信号がオンとなるタイミングに対して前記第2の相への通電タイミングが遅角となるように通電する。
ここでいう遅角は、位置検出信号が得られるタイミングを基準とし、電気角が遅いタイミングである。
これにより、本実施形態によれば、低速領域(減速時)における遅角通電を行うことで減速時に位置検出信号の入力が遅れても、実際のロータ位置に対し、過度に進角した通電タイミングで電圧を印加してしまわないようにすることができる。
図6、図7は、回転角検出部39のホールIC(U相センサ、V相センサ、W相センサ)から得られる位置検出信号と、電機子コイル21u(U相)、電機子コイル21v(V相)、電機子コイル21w(W相)の各相への通電タイミングとの関係を説明するタイミングチャートである。
図6は、ブラシレスモータ30の一定速時または加速時、つまり進角制御モードにおいて、従来のような進角制御を行う場合における位置検出信号と通電タイミングとの関係を説明するタイミングチャートである。電気角0°において、U相センサの位置検出信号がオンになると(符号600)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にW相へ負の電圧の通電を開始する(符号601)。また、電気角120°において、V相センサの位置検出信号がオンになると(符号602)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にU相へ負の電圧の通電を開始する(符号603)。また、電気角240°において、W相センサの位置検出信号がオンになると(符号604)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にV相へ負の電圧の通電を開始する(符号605)。
また、電気角180°において、U相センサの位置検出信号がオフになると(符号610)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にW相へ正の電圧の通電を開始する(符号611)。また、電気角300°において、V相センサの位置検出信号がオフになると(符号612)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にU相へ正の電圧の通電を開始する(符号613)。また、電気角60°において、W相センサの位置検出信号がオフになると(符号614)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にV相へ正の電圧の通電を開始する(符号615)。
これにより、U相への通電タイミングは、U相センサがオンまたはオフとなるタイミングに対して進角している。また、V相への通電タイミングは、V相センサがオンまたはオフとなるタイミングに対して進角している。また、W相への通電タイミングは、W相センサがオンまたはオフとなるタイミングに対して進角している。
W相センサの位置検出信号がオンになると(符号604)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始する。この際に使用するタイマカウント値は1周期前のデータから算出されるため、この間にブラシレスモータ30の回転数が所定の閾値以下となった場合は、ロータ22が想定していた角度に到達する前にカウントが終了してしまい、V相への通電タイミングが過度に進角したタイミング(符号616)となる。
このような通電タイミングのずれは、W相センサの位置検出信号がオンになる場合だけでなく、位置検出信号がオフになるタイミングにおいても起こりうる。
また、このような通電タイミングのずれは、W相のみではなく、V相、U相のいずれの相においても起こりうる。
図7は、ブラシレスモータ30の減速時、つまり遅角制御モードにおいて、通電制御部642が遅角制御を行う場合における位置検出信号と通電タイミングの関係を説明するタイミングチャートである。
電気角0°において、U相センサの位置検出信号がオンになると(符号700)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にU相へ正の電圧の通電を開始する(符号701)。電気角120°において、V相センサの位置検出信号がオンになると(符号702)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にV相へ正の電圧の通電を開始する(符号703)。電気角240°において、W相センサの位置検出信号がオンになると(符号704)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にW相へ正の電圧の通電を開始する(符号705)。
また、電気角180°において、U相センサの位置検出信号がオフになると(符号710)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にU相へ負の電圧の通電を開始する(符号711)。また、電気角300°において、V相センサの位置検出信号がオフになると(符号712)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にV相へ負の電圧の通電を開始する(符号713)。また、電気角60°において、W相センサの位置検出信号がオフになると(符号714)、通電制御部642は、タイマにてカウントを開始し、所定のタイマカウント値のカウント後、カウントを終了し、カウントが終了すると同時にW相へ負の電圧の通電を開始する(符号715)。
これにより、U相への通電タイミングは、U相センサがオンまたはオフとなるタイミングに対して遅角している。また、V相への通電タイミングは、V相センサがオンまたはオフとなるタイミングに対して遅角している。また、W相への通電タイミングは、W相センサがオンまたはオフとなるタイミングに対して遅角している。
ここで、遅角制御モードにおけるタイマカウント値は、進角制御モードと同様に、1周期前の位置検出信号のオンまたはオフのタイミングの記録から算出される値を用いる。
また、この構成によれば、減速時に、電気角を遅角させるようにしたので、モータ減速時であっても、必ずホールICの位置検出信号が入力された後に通電が開始される。これにより、ホールICの位置検出信号が入力された時点でタイマカウント値を元に算出されるロータ位置情報が更新され、モータ減速時でも正確なロータ位置を把握することが可能になることでハンチングを防止することができ、モータの挙動が安定化する。
制御部54は、負荷判定部62により、出力デューティが過負荷判定基準値を超えているか否かを判定する(ステップS101)。出力デューティが過負荷判定基準値を超えている場合(ステップS101-YES)、制御部54は、回転数判定部641により、ブラシレスモータ30の回転数が所定の閾値以下であるか否かを判定する(ステップS102)。
そして制御部54は、ブラシレスモータ30の回転数が閾値以下である場合には(ステップS102-YES)、遅角制御モードに移行する。
例えば、モータの回転数が減速時であり、特にモータ回転数が閾値以下である場合には、モータがロック直前の状態であることを判定できるため、印加した電圧に対して電流の遅れが0に近い状態である。このような状況では、遅角制御をしたとしても進角制御をする場合と比べて、印加電圧に対する電流の遅れの差がほとんどない。そのため、減速時においては遅角制御を用いても制御上、影響がない。
図9Aにおいて、縦軸は電流値を示し、横軸は時間を示す。
モータを減速させた場合、区間900に示すように、U相(符号911)、V相(符号912)、W相(符号913)の電流が、いずれも波形としては崩れた状態となっており、モータの駆動状態が不安定であることを示している。
図9Bは、進角制御モードにおいて定常駆動から減速状態に移行した場合における三相の電流波形とV相センサの位置検出信号を示す図である。
図9Bにおいて、縦軸は電流値を示し、横軸は電気角を示す。
区間(符号950)において、定常駆動時においては、U相(符号951)における電流値のピークに重なるようなタイミングでV相センサの位置検出信号(符号952)がオンになっているため、U相に印加された駆動電流と、その駆動電流に応じてロータが回転することによって検出された位置検出信号のタイミングが概ね一致しており、駆動状態としては安定しているといえる。
しかし、減速時においては、区間960に示すように、U相における電流値のピークから外れたタイミングでV相センサの位置検出信号がオンになっているため、U相に印加された駆動電流と、その駆動電流に応じてロータが回転することによって検出された位置検出信号のタイミングにずれが生じている。そのため、駆動状態としては安定していないといえる。
図10において、縦軸は電流値を示し、横軸は時間を示す。
モータ減速時において、遅角制御モードによって通電した場合には、区間960に示すように、U相(符号961)、V相(符号962)、W相(符号963)の電流が、いずれも波形としては概ね相似しているともいえる関係にあり、乱れた波形にはなっていないため、モータの駆動状態が安定であることを示している。
縦軸はトルクを示し、横軸は進角制御または遅角制御のいずれの制御であるかを表している。縦棒は、全体値の範囲を表しており、縦棒の上端が最大値、縦棒の下端が最小値を表す。縦棒の上端と下端との間にある点は、全体値を対象として求めた平均値を表す。
進角制御では、全体値において最大値と最小値の差が大きいためトルクが安定しないことを表している。トルクが安定しないことから、モータロック時におけるトルクが低い場合や高い場合が生じてしまっており、拘束トルクにばらつきが生じている。そのため、ハンチングが発生しやすい。
一方、上述した遅角制御をする場合には、全体値において最大値と最小値の差が、進角制御における全体値の最大値と最小値との差よりも小さいため、進角制御に比べてトルクが安定していることを表している。これにより、ハンチング現象は、進角制御に比べて遅角制御の方が改善される。ハンチング現象が改善されることで、モータ拘束時におけるモータの挙動を安定させることができる為、拘束トルクが上昇する。ここでは、モータロック時においても安定したトルクを出力することができているため、拘束トルクもばらつきが抑えられている。さらに、モータの挙動が安定しているため、拘束トルクを高い値の範囲内に収めることができている。また、ハンチングを抑制することができていることから、進角制御を行う場合に比べて、モータをロックする位置をある程度絞ることができ、ロック位置のばらつきを抑えることができる。
Claims (4)
- ブラシレスモータにおいて、複数の相を有するコイルに通電を行ってロータの回転制御を行うモータ制御装置であって、
前記ロータの回転位置を検出し、位置検出信号を出力する複数のセンサと、
前記位置検出信号に基づいて、前記ブラシレスモータの回転数が所定の閾値以下であるか否かを判定する回転数判定部と、
前記ブラシレスモータの回転数が前記閾値を超える場合選択される第1モードと、前記ブラシレスモータの回転数が前記閾値以下となる場合選択される第2モードと、を選択可能なモータ制御部と、
を有し、
前記モータ制御部は、前記複数のセンサのそれぞれの前記位置検出信号に基づいて設定される所定の通電タイミングで、前記コイルの前記複数の相にそれぞれ通電を行う通電制御部を有し、
前記通電制御部は、前記第1モードにおいて、前記複数のセンサの内の第1のセンサの前記位置検出信号に基づいて設定される所定の通電タイミングで、前記複数の相の内の第1の相に通電を行うとした場合、前記第2モードでは、前記第1のセンサの前記位置検出信号に基づいて設定される所定の通電タイミングで、前記複数の相の内の第2の相に通電を行い、
前記第1モードにおいて、前記第1のセンサの前記位置検出信号がオンとなるタイミングに対して前記第2の相への通電タイミングが進角しており、前記第2モードにおいて、前記第1のセンサの前記位置検出信号がオンとなるタイミングに対して前記第2の相への通電タイミングが遅角している、
モータ制御装置。 - 前記ブラシレスモータにかかる負荷が高負荷であるか否かを判定する負荷判定部を有し、
前記モータ制御部は、
前記ブラシレスモータが高負荷であり、かつ、前記ブラシレスモータの回転数が前記閾値以下である場合であって、前記ブラシレスモータを前記第1モードで駆動している場合には、前記第1モードから前記第2モードに切り替える
請求項1記載のモータ制御装置。 - ワイパアームを揺動動作させるブラシレスワイパーモータ、
ルーフパネルを開閉動作させるブラシレスサンルーフモータ、
ブラシレスパワーウインドウモータ、
ブラシレスパワーシートモータ、
のうちいずれかのブラシレスモータと、
請求項1または請求項2に記載のモータ制御装置と、
を有するモータユニット。 - ブラシレスモータにおいて、複数の相を有するコイルに通電を行ってロータの回転制御を行うモータ制御装置におけるモータ制御方法であって、
複数のセンサにより、前記ロータの回転位置を検出し、位置検出信号を出力し、
前記位置検出信号に基づいて、前記ブラシレスモータの回転数が所定の閾値以下であるか否かを判定し、
前記ブラシレスモータの回転数が前記閾値を超える場合は第1モードを選択し、前記ブラシレスモータの回転数が前記閾値以下となる場合は第2モードを選択し、
前記複数のセンサのそれぞれの前記位置検出信号に基づいて設定される所定の通電タイミングで、前記コイルの前記複数の相にそれぞれ通電を行い、
前記第1モードにおいて、前記複数のセンサの内の第1のセンサの前記位置検出信号に基づいて設定される所定の通電タイミングで、前記複数の相の内の第1の相に通電を行うとした場合、前記第2モードでは、前記第1のセンサの前記位置検出信号に基づいて設定される所定の通電タイミングで、前記複数の相の内の第2の相に通電を行い、
前記第1モードにおいて、前記第1のセンサの前記位置検出信号がオンとなるタイミングに対して前記第2の相への通電タイミングを進角させ、前記第2モードにおいて、前記第1のセンサの前記位置検出信号がオンとなるタイミングに対して前記第2の相への通電タイミングを遅角させる
モータ制御方法。
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