JPH01283004A - ブラシレスモータの制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ブラシレスモータを高効率で運転することが
可能なブラシレスモータの制御方法及び装置に関するも
のである。

（従来の技術） 従来、ブラシレスモータは、ブラシ等の機械的接点が不
要なために信頼性が良好で長寿命であるという特徴を有
することから、この特徴が生かせる分野、つまり駆動源
に対して長寿命が要求される分野等において主に使用さ
れている。

このブラシレスモータにあっては、従来のブラシとコン
ミュテータとによる巻線の励磁切換えに代替して、ロー
タの位置検出を通して巻線の励磁切換時期を制御するよ
うにしている。このロータ位置の検出方式には種々の形
態のものが存在するが、その−例として、ロータの回転
に伴い回転する磁石よりの磁界の変化を受り得る位置に
ホール索Ｔを配置し、このホール素Ｉにより前記磁界の
変化を検知することでロータの位置検出を行なう方式が
あり、この方式を通して前記した巻線の励磁切換時期を
制御する形態のブラシレスモータを特にホールモータと
呼んでいる。このホールモータは、非接触でロータの位
置検出が可能であることから、信頼性が良好で長寿命で
あると共に耐環境性の点でも優れたものとなっている。

ところで、近年、従来のエンジン等の内燃機関に代替し
て、車両の動力源としてバッテリ等の電力を用いる形態
の車両、いわゆる電気自動車が開発されている。この電
気自動車の駆動源となるモータには、大トルク及び高回
転性が要求される一方で、あらゆる雰囲気中での使用が
想定されることから耐環境性が強く要求されている。そ
こで、本件出願人は、ブラシレスモータのなかでも前述
したホールモータが信頼性、耐環境性及び長寿命の点で
優れている点に着目し、このホールモータを電気自動車
の駆動源として採用する技術を創出するに至った。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上記技術を採用すれば、信頼性、耐環境性及
び長寿命の点で有利となるものの、従来の電気自動車が
有する課題であるモータの高効率運転を実現することは
できない、つまり、電気自動車固有の欠点であるバッテ
リ１充電当りの走行可能距離が短いという問題を解決す
ることはできなかった。

そこで、本件出願人は、前記した問題の解決を目的とし
、本技術に係るホールモータの効率向上を実現すべく種
々の実験を繰り返し行なった結果、次の事実が明らかと
なった。

すなわち、負荷を一定にした場合における、ホール素子
の磁極検知タイミングの変化に対応するホールモータの
効率は、モータにおける巻線の結線状況、つまりΔ結線
か、あるいはＹ結線かをパラメータとして大きく異なる
場合が有る、具体的には、Δ結線の場合にはホール素子
のｖｉ１極検知タイミングに拘らず略一定のモータ効率
が得られるのに対し、Ｙ結線の場合には、ホール素子の
磁極検知タイミングを遅らせた際にモータ効率が低置す
る傾向が有る一方、ホール素子の磁極検知タイミングを
准ませた際にΔ結線の場合と同等の比較的高いモータ効
率が得られる傾向が有るという事実が判明した。

また、第６図に示すように、ホールモータの巻線に流れ
る電流値■に対応して出力されるトルクＴは、ホール素
子の磁極検知タイミングをパラメータとして大きく変位
する、具体的には、電流値Ｉが小ざい領域、つまり負荷
が小ざい領域においてはホール素子の磁極検知タイミン
グを遅らせた方が高いトルクＴを得られる傾向が有るの
に対し、電流１ａ　Ｉが大きい領域、つまり負荷が大き
い領域においては、ホール素子の磁極検知タイミングを
進ませた方が高いトルクＴを１ｑられる傾向が有るとい
う事実が判明した。

なお、ここで、ホールモータを電気自動車の駆動源に適
用した場合を例示して説明したが、これのみに限定され
るものではなく、この事実は、ホールモータ以外のブラ
シレスモータ全般に共通するものである。

本発明は、上述した事実に着目してなされたもので、ブ
ラシレスモータの磁極検知タイミングを、該モータのト
ルクあるいは巻線に流れる電流等の該モータにかかる負
荷に関連して変化させることにより、ブラシレスモータ
を高効率で運転することが可能なブラシレスモータの制
御方法及び装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） かかる目的を達成するための本発明は、ブラシレスモー
タにかかる負荷を検出し、当該検出された負荷に応じて
、ロータ位置を検出する際における適当なタイミングを
演算し、当該演痒されたタイミングをもって入力された
前記ロータ位置に基づいて巻線の励磁切換時期を制御す
ることにより、ブラシレスモータを高効率で運転ｐＪ能
にしたことを特徴とするブラシレスモータの制御方法で
あり、また、ブラシレスモータにおけるロータの回転方
向に相互にずらして配置され、それぞれが異なるタイミ
ングをもって相対的に前記ロータの位置を検出する複数
の位置検出手段と、前記ブラシレスモータにかかる負荷
を検出する負荷検出手段と、前記負荷に対応する適当な
タイミングをもって前記ロータの位置を検出する位置検
出手段を表すテーブルを記憶する記憶手段と、前記位置
検出手段が検出した前記ロータ位置に基づいて巻線の励
磁切換時期を制御する制御手段と、前記記憶手段の記憶
内容を参照して、前記負荷検出手段が検出した負荷に応
じて前記複数の位置検出手段のなかから適当なタイミン
グをもって前記ロータ位置を検出する位置検出手段を選
択的に前記制御手段に切換接続する切換手段とを備え、
ブラシレスモータを高効率で運転可能に構成したことを
特徴とするブラシレスモータの制御装置である。

（作用） 上記ｆ段を採用すれば、ブラシレスモータにかかる負荷
に応じで演算された適当なタイミングをもって入力され
たロータ位置に基づいて巻線の励磁切換時期が制御され
、また、切換手段が、記憶手段の記憶内容を参照して、
負荷検出手段が検出した負荷に応じて複数の位置検出手
段のなかから適当なタイミングをもってロータの位置を
検出する位置検出手段を選択的に制御手段に切換接続し
、この制御手段により、適当なタイミングをもって検出
されたロータの位置に基づいて巻線の励磁切換時期が制
御される。

したがって、理想的なタイミングをもって巻線の励磁が
切換えられることとなり、この結果、ブラシレスモータ
の高効率運転が可能になる。

（実施例） 以下に、本発明に係るブラシレスモータの制御装置及び
方法の一実施例について図面に基づいて詳細に説明する
。なお、本発明の一実施例を、ブラシレスモータの一例
としてホールモータを示し、ざらにこのホールモータの
適用例として電気自動車の駆動源を示して説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る制御装置周辺を表す
ブロック図、第２図は、前記装置の動作を表す動作フロ
ーチャート図、第３図は、本発明の一実施例を示す電気
自動車の要部断面概略図、第４図は、第３図中のＩ−Ｉ
線に沿う要部拡大矢視断面図、第５図は、本発明の一実
施例の説明に供する電気自動車の概略断面図である。

第５図では、右方側の電動輪部分を概略的に示し、左方
側の電動輪部分はスケルトン的に示している。この図に
おいて、電気自動車１は、車体２の前後左右に４つの電
動輪３，３・・・を有しており、この各電動輪３は、タ
イヤ４が外周に装着されたホイールディスク５の外部側
方にホールモータＭを数例けてダイレクトドライブ方式
としたものである。この各電動輪３は、中空のナックル
６を支持するナスペンション７を介して前記車体２に対
して上−ド動可能に、また舵角を調節し得るように取イ
」けられている。

この各電動輪３は、第３図に示すように、中空のナック
ル６に中空ハブ固定用ボルト７ａにより中空ハブ８を同
軸的に締付は固定し、この中空ハブ８に前記ホイールデ
ィスク５を軸受９を介して回転可能に取付けている。こ
のホイールディスク５の外周には車輪１０が取付けられ
ているが、この車輪１０は、前記ホイールディスク５の
外周に、ハブボルト１１及びハブナツト１２により固着
されたリム１３と、このリム］３の外周に嵌着された前
記タイヤ４とからなっている。

また、このホイールディスク５における外周端部位には
、ホールモータＭのロータ部１４と、このホールモータ
Ｍの外側を覆うカバー１５と、このカバー１５とロータ
部１４との間に介装され、後述するホール素子３１を駆
動するための磁界を供給するホール素子切換用磁石１６
が内周端部位の環状周囲に渡りホールモータＭの極数と
同数だけ設けられた偏平なドー太ツ形状の切換用磁石取
付部材１７の外周端部位を取付ける切換用磁石調整部材
１８とを介して複数本のカバー取付用ボルト１９により
外部側方から共締め固定されでいる。

なお、本実施例では、２４極のホールモータＭを例示し
ているが、本発明はこれに限定されるものではない。

この切換用ｒａ石調整部材１８は、手段の階段状断面を
有する環状体であり、第４図に示すように、外周端部位
に前記ボルト１９を挿通するための通孔１９ａが設けら
れる一方、内周端部位には切換用磁石取付部材１７を取
付けるための取付部材固定用ボルト２０が僅かなすきま
をもって挿通し得る内径を有する溝部２１が前記ボルト
２０と同数だけ形成されており、これにより、切換用磁
石取付部材１７との間における車軸を中心とする円周方
向の位置調整を行ない得るようにしている。

一方、前記ロータ部１４は、環状のヨーク２２と、この
ヨーク２２の内周面に接着剤若しくは図示しないボルト
等により固着された強力な磁界を発生するＲ？肉の希土
類の界磁用磁石２３とからなっている。

ここで、本実施例に係るホールモータＭにあっては、界
磁用磁石２３として希土類の永久磁石を用いることによ
り大きな出力を可能にすると共に、モータのコンパクト
化を図っている。これは、希土類の界磁用磁石２３が、
大きな磁束密度を有するのみでなく、室温で大きな結晶
磁気異方性を示すことから大きな保磁力を発揮すること
による。

例えば、通常使用されるアルニコ系、又はフェライト系
のものは、５０〜２７０ＫＡ／ｍ程度の保磁力を有する
ものであるのに対し、希土類コバルト系（ＲｅＯ２’）
のものは、その保磁力が６８０〜８００　ＫＡ／ｍにも
なることからも明らかである。したがって、この希土類
磁石を用いれば、界磁用磁石２３を薄肉化することがで
き、その結果モータ自体を軽量化でき、しかもこのモー
タは大きな出力を発揮可能であることから、電気自動車
のモータとしては最適なものとなる。なお、この希土類
磁石は、前述したホール素子切換用磁石１６にも用いら
れている。

また、前記カバー１５は、アルミニウム合金等のような
熱伝導性が優れた軽量金属よりなり、その外周面には冷
却フィン２４が突出してあり、これによりホールモータ
Ｍの放熱性を向上するようにしている。ざらに、その中
心部分は、メカニカルシール２５により後述のダストシ
ール部材２６との間がシールされている。

ロータ部１４と小許の間隙Ｇを介しで対設されたステー
タ部２７は、ステータ部固定用ボルト３０により中空ハ
ブ８の突起部８ａに、巻線Ｃが巻回されたＳ！ｆ機子コ
ア２８の内周部位をダストシール部材２６及びトルクリ
ング２９と共に固着されている。ダストシール部材２６
は、中空部を有する断面り字形状に形成され、第４図に
示すように、車軸と直交する側面に前記したステータ部
固定用ボルト３０を挿通するための通孔が設けられ、該
車軸と直交する側面における車輪外側面の外周端部に、
９個の位置検出手段としてのホール素子３１が、前述し
たホール素子切換用磁石１６と常時対向するように配置
されている。

なお、ここで、ホール素子３１を９個設けたのは、本実
施例では３組巻線が使用されているために３個のホール
素子３１が各相毎に配置されて１組となるのに加え、ざ
らに、この３個１組のホール素子３１が従来の正転用ホ
ール素子群３１ａ１逆転用ホール素子群３１Ｇの他に、
正転進角用ホール素子群３１ｂに対してもそれぞれ設け
られていることからである。正転進角用ホール素子は３
１ｂの３個のみならず、ざらに精密な制御を行うために
角度をずらして配置することもできる。このホール素子
群は、ホール素子切換用磁石１６との間における位置関
係が相対的に相互にずらして配置してあり、これにより
、それぞれのホール素子群は微妙に異なるタイミングを
もって磁極を検出するようにしている。そして、ホール
素子３１を配置する際には、巻線Ｃの近傍に配置すると
巻線Ｃよりの磁界を検知して誤動作する虞れがあること
から、ホール素子３１は、巻線Ｃより所定距離離隔させ
て巻線Ｃにおいて強磁界が発生したにも拘らずこの磁界
を検知しない位置が実験等により確認された上で選択決
定される。

なお、本実施例にあっては、ホールモータＭのトルクに
応じて最適な効率が得られるタイミングをもって磁極を
検出するホール素子群を選択的に後述する制御装置４０
に切換接続することにより、ホールモータＭの高効率運
転を可能にしている。

一方、トルクリング２９は、半断面り字状をしたもので
、リング状突部２９ａには歯部が形成され、この歯部と
前記中空ハブ８の端部に形成された歯部とが噛合するよ
うになっている。また、この両者間には扁平板状の端子
３３が伸延しているが、この端７−３３は、前記巻線Ｃ
と中空ハブ６内に設けられたグー１ルホルダ４１を挿通
したケーブル３２とを電気的に確実に接続するものであ
る。

このケーブル３２は、前述したホール素子３１が接続さ
れた制御装置４０に接続されており、ケーブル３２を介
して巻線Ｃに制御装置４０よりの励磁巻線切換信号が入
力されるようになっている。

なお、この制御装置４０は、前述した励磁巻線切換信号
を出力する他に、図示しないステアリングの舵角に基づ
いて前輪及び後輪に与える舵角を演算し、この演算結果
に応じて前記前輪及び後輪に所定の舵角を与える制御も
行なっている。

次に、第１図に基づいて、制御装置４０周辺のブロック
図について説明する。

同図に示すように、記憶手段としてのトルク判断部３４
は、ホールモータＭのトルクを検出する負荷検出手段と
してのトルクセンサ３５よりの検出値Ｔｈを入力し、こ
の検出値Ｔｈと後述する基準となるトルク値Ｔｄとの大
小を比較し、この比較結果に応じて所定の信号を出力す
る。この信号は、始動信号及び回転方向指令信号等と共
に制御手段としての切換制御部３６に入力され、これら
の信号に基づいて切換制御部３６において、最適なタイ
ミングをもって磁極を検出するホール素子群が演算され
て、この演算結果に応じて前述したホール素子群３１ａ
、ｂ、ｃのなかから１つのホール素子群を選択するホー
ル素７−群選択切換信号が出力される。このホール素子
群選択切換信号は、正転用ホール素子群３１ａ、正転進
角用ホール素子群３１ｂ、及び逆転用ホール素子群３１
ｃのそれぞれが接続された切換手段としてのホール素子
群選択切換部３７に入力されており、ここで、入力され
たホール素子群選択切換信号に応じてホール素子群と切
換制御部３６とを選択接続することにより、選択された
ホール素子群よりの磁極検出信号を切換制御部３６へ転
送するようにしでいる。

切換制御部３６は、転送された磁極検出信号に基づいて
励磁する巻線Ｃを演算し、この演算結果に応じて励磁す
る巻線Ｃを指令する励磁巻線指令信号を出力する。この
励磁巻線指令信号は、電気自動車１を駆動するためのバ
ッテリ３８及び巻線Ｃが接続された巻線選択切換部３９
に入力されており、ここで、入力された励磁巻線指令信
号に応じてバッテリ３７よりの電流が各巻線Ｃに選択的
に供給されるようになっている。

このように構成された電気自動車１の駆動輪３に適用さ
れたホールモータＭは、第２図に示す動作フローチャー
トに基づいて動作する。

まず、電気自動車１を始動する始動信号が入力されると
（ステップ１）、これに伴い前進または後進を指令する
回転方向指令信号が切換制御部３６に入力され、ここで
、前進かあるいは後進かの判断が実行される（ステップ
２）。ステップ２における判断より前進と判断された場
合には、切換制御部３６は、ホール素子群選択切換部３
７にホール索７−８１′選択切換信号を出力し、ホール
素子群選択切換部３７を介して正転用ホール素子群３１
ａよりの磁極検出信号を入力する処理を実行する（ステ
ップ３）。一方、ステップ２における判断より後進と判
断された場合には、切換制御部３６は、ホール素子群選
択切換部３７にホール素子群選択切換信号を出力し、ホ
ール素子群選択切換部３７を介して逆転用ホール素子群
３１Ｇよりの磁極検出信号を入力する処理を実行する（
ステップ　　−４）。

次に、切換制御部３６は、入力された磁極検出信号に基
づいて励磁すべき巻線Ｃを演偉し、この演算結果に基づ
いて、励磁すべき巻線Ｃを指令する励磁巻線指令信号を
巻線選択切換部３９に出力する。これを受けて巻線選択
切換部３９がバッテリ３８を選択的に巻線Ｃに切換え接
続しくステップ５）、この結果、ホールモータＭは回転
を開始する（ステップ６）。

ホールモータＭが回転を開始すると、トルクセン丈３５
により検出されたホールモータＭのトルクＴｈがトルク
判断部３４に入力され（ステップ７）、ここで、このト
ルクＴｈと基準トルクＴｄとの大小が比較され（ステッ
プ８）、この比較結果が切換制御部３６に入力される。

なお、この基準トルクＴｄの一例が第６図中の点線で示
されているが、ここで、本実施例では正転進角用として
手段階のタイミングを増加設定しているのみであること
から、基準トルクを１個所のみに設定するよう例示した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、実験等に
より適当な数だけの基準トルクを設定し、よりきめこま
かい制御を実行することが可能である。

ステップ８における判断の結果、ホールモータＭのトル
クＴｈが基準１−ルクＴｄより小さいと判断された場合
にはステップ２へ戻る一方、ホールモータＭのトルクＴ
ｈが基準トルクＴｄより大きいと判断された場合には、
切換制御部３６は、ホール素子群選択切換部３７にホー
ル素子群選択切換信号を出力し、ホール素子群選択切換
部３７を介して正転進角用ホール素子群３１ｂよりの磁
極検出信号を入力する処理を実行する（ステップ９）。

すなわち、ホールモータＭのトルクＴｈが基準ｔ−ルク
Ｔｄより大きい場合、つまり、ホールモータＭにかかる
負荷が大きい場合には、通常よりも進んだ理想的なタイ
ミングをもって検出された磁極信号に基づいて巻線Ｃの
励磁切換時期が制御されるため、この結果、ブラシレス
モータを高効率で運転することができることになる。

ステップ９において正転進角用ホール素子群３１ｂより
の磁極検出信号が入力されると、ステップ５へ戻り、再
度以下のステップを繰り返す。

なお、本実施例中、位置検出手段としてホール素Ｉを採
用したブラシレスモータを例示して説明したが、これに
限定されるものではなく、例えば位置検出手段として磁
気飽和素子、フォトカプラ等を採用したブラシレスモー
タに本発明を適用しても良い。

また、本実施例中、負荷検出手段としてトルクセンサを
採用するよう例示したが、これに限定されるものではな
く、負荷検出手段として巻線に流れる電流を検出する電
流計等を採用することにより、ブラシレスモータにかか
る負荷を検出するようにしても良い。

最後に、本実施例中、ブラシレスモータの一例としてホ
ールモータを示し、ざらにこのホールモータの適用例と
して電気自動車の駆動源を示して説明したが、決してこ
れらに限定されるものではなく、本発明は、種々の形態
のブラシレスモータに適用可能であり、かつ、その適用
例も制限されるものではない。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、ブラシレ
スモータにかかる負荷に応じて演算された適当なタイミ
ングをもって入力されたロータ位置に基づいて巻線の励
磁切換時期が制御され、また、切換手段が、記憶手段の
記憶内容を参照して、負荷検出手段が検出した負荷に応
じて複数の位置検出手段のなかから適当なタイミングを
もってロータの位置を検出する位置検出手段を選択的に
制御手段に切換接続し、この制御手段により、適当なタ
イミングをもつで検出されたロータの位置に基づいて巻
線の励磁切換時期が制御される。

したがって、理想的なタイミングをもって巻線の励磁が
切換えられるととなり、この結果、ブラシレスモータを
高効率で運転することが可能になるという実用上極めで
優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るブラシレスモータの制御装置及
び方法の一実施例についての制御装置周辺を表すブロッ
ク図、 第２図は、前記装置の動作を表”す動作フローチャート
図、 第３図は、本発明の一実施例として、電気自動車の駆動
輪に適用した場合を示す要部断面概略図、第４図は、第
３図中のＩ−Ｉ線に沿う要部拡大矢視断面図、 第５図は、本発明の一実施例の説明に供する電気自動車
の概略断面図、 第６図は、ホールモータの特性を表す図である。 ３・・・電動輪、５・・・ホイールディスク、］４・・
・ロータ部（ロータ）、 １６・・・ホール素子切換用磁石、 ２２・・・ヨーク、２３・・・界磁用ｖｉ１石、２７・
・・ステータ部、 ３１・・・ホール素子（位置検出手段）、３４・・・ト
ルク判断部（記憶手段）、３５・・・トルクセンサ（負
荷検出手段）、３６・・・切換制御部（制御手段）、 ３７・・・ホール素子群切換選択部（切換手段）、４０
・・・制御装置、 Ｃ・・・巻線、 Ｍ・・・ホールモータ（ブラシレスモータ）。 ？３２図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ブラシレスモータにかかる負荷を検出し、当該検出
   された負荷に応じて、ロータ位置を検出する際における
   適当なタイミングを演算し、当該演算されたタイミング
   をもって入力された前記ロータ位置に基づいて巻線の励
   磁切換時期を制御することにより、ブラシレスモータを
   高効率で運転可能にしたことを特徴とするブラシレスモ
   ータの制御方法。 ２）ブラシレスモータにおけるロータの回転方向に相互
   にずらして配置され、それぞれが異なるタイミングをも
   って相対的に前記ロータの位置を検出する複数の位置検
   出手段と、前記ブラシレスモータにかかる負荷を検出す
   る負荷検出手段と、 前記負荷に対応する適当なタイミングをもって前記ロー
   タの位置を検出する位置検出手段を表すテーブルを記憶
   する記憶手段と、 前記位置検出手段が検出した前記ロータ位置に基づいて
   巻線の励磁切換時期を制御する制御手段と、前記記憶手
   段の記憶内容を参照して、前記負荷検出手段が検出した
   負荷に応じて前記複数の位置検出手段のなかから適当な
   タイミングをもって前記ロータ位置を検出する位置検出
   手段を選択的に前記制御手段に切換接続する切換手段と
   を備え、ブラシレスモータを高効率で運転可能に構成し
   たことを特徴とするブラシレスモータの制御装置。