JPWO2007094210A1 - ブラシレスモータ制御方法及びブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

２極３スロット又はその整数倍の構成の電動パワーステアリング装置用のブラシレスモータにて、電機子巻線に対し高調波成分を含んだ電流を供給する。電機子巻線電流の高調波成分含有率と、永久磁石の回転に伴って電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に０.５〜１.５％の差異を設け、誘導起電力に生じる電機子反作用による影響を緩和し、トルクリップルを低減させる。高調波成分含有率の差異は、電機子巻線通電時に電機子反作用によって誘導起電力に生じる変化に基づいて設定される。

Description

本発明は、ブラシレスモータの制御方法及びブラシレスモータに関し、特に、電動パワーステアリング装置用のブラシレスモータに適用して有効な技術に関する。

自動車等の操舵力補助のため、近年多くの車両にいわゆるパワーステアリング装置が装備されている。このようなパワーステアリング装置としては、近年、エンジン負荷軽減や重量低減等の観点から、電気式の動力操舵装置（いわゆる電動パワーステアリング装置、以下、適宜ＥＰＳと略記する）を搭載した車両が増大している。このようなＥＰＳの動力源としては、従来よりブラシ付きのモータが多く使用されているが、近年では、メンテナンス性に優れ、小型で高トルクが得られることから、ブラシレスモータの使用が増大している。

このようなＥＰＳ用モータでは、運転者の操作感向上のため、作動音の低減が大きな課題となっている。一般的には、トルク変動（トルクリップル）と作動音の間には密接な関係があり、ＥＰＳ用モータ、特に、ブラシレスモータでは、通電方法の工夫によるトルクリップルの低減が種々検討されている。例えば、滑らかに通電できる正弦波駆動を矩形波駆動に代えて行うことなどは、作動音の対策として良く知られている。ところが、正弦波駆動の場合、トルクリップルを低減するためには、モータ側の誘起電圧波形を正弦波形状にしなくてはならない。このため、正弦波駆動モータでは、スキューやマグネットの偏心によって、誘起電圧波形を正弦波波形にしており、その場合、モータの出力を多少犠牲にせざるを得ないのが実情である。

そこで、このようなモータ出力の低減を改善すべく、正0弦波駆動に代えて、高調波を含んだ台形波電流によってモータを駆動させる手法も開発されている。例えば、６極９スロットのブラシレスモータにて、誘起電圧波形に５次高調波成分が５％程度含まれる場合、その波形に対応した電流波形を求めて通電すれば、トルクリップルを理論上ゼロにすることができる。図５（ａ）は誘起電圧波形、図５（ｂ）は相電流波形を示す説明図である。図５（ａ）の誘起電圧波形には、主として５次の高調波成分が５％含まれている。また、図５（ｂ）の相電流にはそれに対応して高調波成分が５％（５次成分：２.５％,７次成分：２.５％）含まれている。

ここで、トルクＴと角速度ω、誘起電圧Ｅ、相電流Ｉとの間には以下の関係が成立する（θは電気角、ｕ,ｖ,ｗは電流の相、ｄは磁束方向成分・ｑは磁束直交成分を示す）。
Ｔ(θ)・ω(θ)＝Eu(θ)・Iu(θ)＋Ev(θ)・Iv(θ)＋Ew(θ)・Iw(θ)
＝Ed(θ)・Id(θ)＋Eq(θ)・Iq(θ) （式１）
上式にて、モータのトルクに関与する成分はｑ軸成分であり、ｄ軸成分はトルク変動を考える上では無視し得る。従って、ω(θ)が一定である場合、トルク変動をなくすには、Ｔ(θ)を一定、すなわち、Ｅ・Ｉが一定となれば良い。この関係から、図５（ｂ）の相電流波形を求めて供給すると、図５（ａ）の誘起電圧に対してＥ・Ｉ＝Ｔが一定となり、トルク変動が抑えられる。

これにより、図５（ｂ）のような相電流を供給すれば、正弦波駆動と変わらないトルク変動が実現できる。また、同ピーク電流で台形波と正弦波を比べた場合、台形波は、トルクに寄与する１次成分のピーク値を上げることができる。このため、図５（ｂ）の電流を供給することにより、正弦波駆動のモータよりも高トルクを得ることが可能となる。さらに、供給電流に高調波を含ませているため、スキュー角を少なく設定でき、その分、漏れ磁束が減少し、出力向上が図られる。
特開2004-274963号公報

しかしながら、前述のような高調波を含んだ電流波形を通電した場合でも、通電時には必ず、電機子反作用の影響によって、誘起電圧波形が正弦波化する。すなわち、図６に示すように、無通電時の誘起電圧が高調波を含んだ略台形波形（図６（ａ））であっても、通電時には、誘起電圧が図６（ｂ）のように鈍って(角が円く変形して)しまい、正弦波化してしまう。このため、トルク変動が生じ、特に高電流（高負荷）側のトルク変動が大きくなってしまうという問題があった。トルク変動が大きくなると、モータの作動音が大きくなり、特に、このようなモータをＥＰＳに使用すると、ＥＰＳでは走行状態によってモータに加わる負荷が変化するため、作動音が随時変化するなど、操舵フィーリングの悪化の原因となるという問題があった。

本発明の目的は、正弦波駆動と同等の低トルクリップルを維持しつつ、モータ作動音の低減を図ると共に、正弦波駆動よりも高トルクを出力可能なブラシレスモータの制御方法及びブラシレスモータを提供することにある。

本発明のブラシレスモータ制御方法は、電機子巻線を備えたステータと、永久磁石を備え前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータの制御方法であって、前記電機子巻線に対し高調波成分を含んだ電流を供給すると共に、前記電流の高調波成分含有率と、前記永久磁石の回転に伴って前記電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に所定量の差異を設けたことを特徴とする。

本発明のブラシレスモータ制御方法にあっては、電機子巻線電流の高調波成分含有率と、電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に所定量の差異を設け、これにより、誘導起電力に生じる電機子反作用による影響を緩和する。すなわち、電機子反作用による誘起電圧波形の正弦波形化を考慮し、予め、高調波成分の含有率を所定量だけ調整して電機子巻線に通電することにより、通電時の誘起電圧波形に合わせて電流波形を補正する。このため、通電時における実際の誘起電圧波形と、補正された電流波形とにより、前述の式（１）におけるＥ・Ｉが一定となり、トルクリップルが抑えられる。

前記ブラシレスモータ制御方法において、前記高調波成分含有率の差異を、前記電機子巻線通電時に電機子反作用によって前記誘導起電力に生じる変化に基づいて設定するようにしても良い。また、前記高調波成分含有率の差異を０.５〜１.５％に設定しても良い。一方、前記ブラシレスモータを、２極３スロット又はその整数倍の構成としても良く、また、前記ブラシレスモータを、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用しても良い。

一方、本発明のブラシレスモータは、電機子巻線を備えたステータと、永久磁石を備え前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータであって、前記電機子巻線には高調波成分を含んだ電流が供給され、前記電流の高調波成分含有率は、前記永久磁石の回転に伴って前記電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に所定量の差異を有することを特徴とする。

本発明のブラシレスモータにあっては、電機子巻線電流の高調波成分含有率と、電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に所定量の差異が存在し、これにより、誘導起電力に生じる電機子反作用による影響が緩和される。すなわち、電機子反作用による誘起電圧波形の正弦波形化を考慮し、通電時の誘起電圧波形に合わせて電流波形を補正し、高調波成分の含有率を予め所定量だけ調整した電流が電機子巻線に供給される。このため、通電時における実際の誘起電圧波形と、補正された電流波形とにより、前述の式（１）におけるＥ・Ｉが一定となり、トルクリップルが抑えられる。

本発明のブラシレスモータ制御方法によれば、電機子巻線を備えたステータと、永久磁石を備えステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータの電機子巻線に対し、高調波成分を含んだ電流を供給すると共に、この電機子巻線電流の高調波成分含有率と、永久磁石の回転に伴って電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に所定量の差異を設けたので、通電時の誘起電圧波形に合わせて電機子巻線の電流波形が補正され、誘導起電力に生じる電機子反作用による影響を緩和し、トルクリップルを抑えることが可能となる。このため、モータ作動音を低減できると共に、運転領域内における作動音の変化を抑えることが可能となる。

従って、本発明の制御方法をＥＰＳ用モータに適用することにより、路面状態によってモータ負荷が変動しても、モータのトルク変動が抑えられ、モータ作動音を低減させることが可能となる。このため、静かで安定した転舵動作が可能となり、操舵フィーリングの向上が図られる。

本発明のブラシレスモータによれば、電機子巻線を備えたステータと、永久磁石を備えステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータにて、電機子巻線に高調波成分を含んだ電流が供給され、この電機子巻線電流の高調波成分含有率と、永久磁石の回転に伴って電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に所定量の差異が存在するので、電機子巻線に対し、通電時の誘起電圧波形に合わせて補正された波形の電流を供給でき、誘導起電力に生じる電機子反作用による影響を緩和し、トルクリップルを抑えることが可能となる。このため、モータ作動音を低減できると共に、運転領域内における作動音の変化を抑えることが可能となる。

従って、本発明のブラシレスモータをＥＰＳに適用することにより、路面状態によってモータ負荷が変動しても、モータのトルク変動が抑えられ、モータ作動音を低減させることが可能となる。このため、静かで安定した転舵動作が可能となり、操舵フィーリングの向上が図られる。

本発明によるブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図である。 図１の電動パワーステアリング装置にて使用されているブラシレスモータの構成を示す断面図である。 図２のブラシレスモータにおけるステータコアの構成を示す説明図である。 相電流における高調波成分の低減量とトルクリップルとの関係を示すグラフである。 （ａ）はブラシレスモータにおける誘起電圧波形、（ｂ）はその相電流波形を示す説明図である。 （ａ）はブラシレスモータにおける無通電時の誘起電圧波形、（ｂ）は通電時の誘起電圧波形を示す説明図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
２ ステアリングシャフト
３ モータ
４ ステアリングホイール
５ ステアリングギヤボックス
６ タイロッド
７ 車輪
８ アシストモータ部
９ 減速機構部
１１ トルクセンサ
１２ 制御装置
２１ ステータ
２２ ロータ
２３ ハウジング
２４ ステータコア
２５ 巻線
２６ 継鉄部
２７ ティース
２８ スロット
２９ 給電配線
３０ ブラケット
３１ 回転軸
３２ ロータコア
３３ マグネット
３４ マグネットホルダ
３５ ベアリング
３６ ベアリング
３７ スプライン部
４１ レゾルバ
４２ レゾルバステータ
４３ レゾルバロータ
４４ コイル

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明によるブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図である。図１の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１は、ステアリングシャフト２に対し動作補助力を付与するコラムアシスト式の構成となっている。ＥＰＳ１は、本発明による制御方法が適用されるモータ３が動力源として使用されている。

ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール４が取り付けられている。ステアリングホイール４の操舵力は、ステアリングギヤボックス５内に配された図示しないピニオンとラック軸を介して、タイロッド６に伝達される。タイロッド６の両端には、車輪７が接続されている。ステアリングホイール４の操作に伴ってタイロッド６が作動すると、図示しないナックルアーム等を介して、車輪７が左右に転舵する。

ＥＰＳ１では、ステアリングシャフト２に、操舵力補助機構であるアシストモータ部８が設けられている。アシストモータ部８には、モータ３と共に、減速機構部９とトルクセンサ１１が設けられている。減速機構部９には、図示しないウォームとウォームホイールが配されている。モータ３の回転は、この減速機構部９によって、ステアリングシャフト２に減速されて伝達される。モータ３とトルクセンサ１１は、制御装置（ＥＣＵ）１２に接続されている。

ステアリングホイール４が操作され、ステアリングシャフト２回転すると、トルクセンサ１１が作動する。ＥＣＵ１２は、トルクセンサ１１の検出トルクに基づいて、モータ３に対し適宜電力を供給する。モータ３が作動すると、その回転が減速機構部９を介してステアリングシャフト２に伝達され、操舵補助力が付与される。ステアリングシャフト２は、この操舵補助力と手動操舵力によって回転する。この回転運動は、ステアリングギヤボックス５内のラック・アンド・ピニオン結合によってラック軸の直線運動に変換され、車輪７の転舵動作が行われる。

図２は、モータ３の構成を示す断面図である。図２に示すように、モータ３は、外側にステータ２１、内側にロータ２２を配したインナーロータ型のブラシレスモータとなっている。ステータ２１は、ハウジング２３と、ハウジング２３の内周側に固定されたステータコア２４、及び、ステータコア２４に巻装された巻線２５とを備えた構成となっている。ハウジング２３は、鉄等にて有底筒状に形成されている。ハウジング２３の開口部には、合成樹脂製のブラケット３０が取り付けられている。ステータコア２４は、鋼板を多数積層した構成となっている。ステータコア２４の内周側には、複数個のティースが突設されている。

図３は、ステータコア２４の構成を示す説明図である。ステータコア２４は、リング状の継鉄部２６と、継鉄部２６から内側方向へ突出形成されたティース２７とから形成されている。ティース２７は、９個設けられている。各ティース２７の間には、スロット２８（９個）が形成され、モータ３は９スロット構成となっている。各ティース２７には巻線２５が集中巻にて巻装されており、巻線２５は各スロット２８内に収容されている。巻線２５は、給電配線２９を介してバッテリ（図示せず）と接続されている。巻線２５に対しては、高調波成分を含んだ台形波形状の相電流（Ｕ,Ｖ,Ｗ）が供給される。

ロータ２２はステータ２１の内側に配置されており、回転軸３１と、ロータコア３２、マグネット３３を同軸状に配した構成となっている。回転軸３１の外周には、鋼板を多数積層した円筒形状のロータコア３２が取り付けられている。ロータコア３２の外周には、セグメントタイプのマグネット３３が配置されている。マグネット３３は、回転軸３１に固定されたマグネットホルダ３４に取り付けられており、周方向に沿って６個配置されている。すなわち、当該モータ３は、６極９スロット構成となっている。

回転軸３１の一端部は、ハウジング２３の底部に圧入されたベアリング３５に回転自在に支持されている。回転軸３１の他端部は、ブラケット３０に取り付けられたベアリング３６によって、回転自在に支持されている。回転軸３１の端部（図２において左端部）には、スプライン部３７が形成されており、図示しないジョイント部材によって、減速機構部９のウォーム軸に接続されている。ウォーム軸にはウォームが形成されており、減速機構部９にて、ステアリングシャフト２に固定されたウォームホイールと噛合している。

ブラケット３０内には、ベアリング３６と、ロータ２２の回転を検知するレゾルバ４１が収容されている。レゾルバ４１は、ブラケット３０側に固定されたレゾルバステータ４２と、ロータ２２側に固定されたレゾルバロータ４３とから構成されている。レゾルバステータ４２にはコイル４４が巻装されており、励磁コイルと検出コイルが設けられている。レゾルバステータ４２の内側には、マグネットホルダ３４の左端部に固定されたレゾルバロータ４３が配置される。レゾルバロータ４３は、金属板を積層した構成となっており、三方向に凸部が形成されている。

回転軸３１が回転すると、レゾルバロータ４３もまたレゾルバステータ４２内にて回転する。レゾルバステータ４２の励磁コイルには高周波信号が付与されており、凸部の近接離反により、検出コイルから出力される信号の位相が変化する。この検出信号と基準信号とを比較することにより、ロータ２２の回転位置が検出される。そして、ロータ２２の回転位置に基づき、巻線２５への電流が適宜切り替えられ、ロータ２２が回転駆動される。

このようなＥＰＳ１では、ステアリングホイール４が操作されてステアリングシャフト２が回転すると、この回転に応じた方向にラック軸が移動して転舵操作がなされる。この操作により、トルクセンサ１１が作動し、その検出トルクに応じて、図示しないバッテリから給電配線２９を介して巻線２５に電力が供給される。巻線２５に電力が供給されるとモータ３が作動し、回転軸３１とウォーム軸が回転する。ウォーム軸の回転は、ウォームホイールを介してステアリングシャフト２に伝達され、操舵力が補助される。

ここで、ＥＰＳ１の作動に際しては、モータ出力を確保しつつ、トルク変動を抑えるため、モータ３に対し図５（ｂ）のような台形波形状の相電流が供給される。ところが、前述のように、巻線２５に通電を行うと電機子反作用によって誘起電圧波形が正弦波形化する。このため、誘起電圧波形と同様に、高調波成分を５％含んだ図５（ｂ）のような相電流を供給すると、高電流側のトルク変動が大きくなる傾向がある。そこで、本発明による制御方法では、（式１）に基づいて得られる電流波形に対し、通電による誘起電圧波形の正弦波形化を考慮し、予め、高調波成分の含有率を所定量だけ低減させて設定し、それを通電する。

図４は、相電流における高調波成分の低減量とトルクリップルとの関係を示すグラフであり、本発明の発明者らの実験によって得られたものである。図４に示すように、高調波成分の含有率を０.５％〜１.５％低め（例えば、誘起電圧波形が高調波成分を５％含む場合、各相供給電流の高調波成分の含有率を５％から０.５％〜１.５％減じて４.５％〜３.５％とする。なお、高調波成分が５次成分：２.５％、７次成分：２.５％の場合には、両成分を等分に低減させる。）に設定した場合、トルクリップルが極小化し、高負荷時（１２０Ａ）も含め、トルクリップルを２〜３％程度に抑えることができた。また、トルクリップルの大きさの変動も、負荷（電流値）変動に対して１％以下に抑えることができた。

このように、電機子反作用による誘起電圧波形の正弦波形化を考慮し、相電流における高調波成分の含有率を０.５％〜１.５％低めに設定することにより、通電時の誘起電圧波形に合わせて電流波形が補正される形となる。このため、電機子反作用による影響が緩和され、前述の式（１）におけるＥ・Ｉが一定となり、トルクリップルが抑えられる。従って、モータ３のトルク変動を小さく抑えることが可能となり、その作動音を低減できると共に、運転領域内における作動音の変化も抑えられる。この際、供給される電流は基本的には台形波形であるため、正弦波駆動に比べ、同一ピーク電流にて高トルクが得られるというメリットも損なわれない。

また、本発明の制御方法を適用することにより、ＥＰＳ１においても、路面状態によってモータ３に加わる負荷が変動しても、モータ３のトルク変動が小さく抑えられ、モータ作動音を低減させることが可能となる。従って、路面状態の変化があっても、静かで安定した転舵動作を実現でき、操舵フィーリングの向上を図ることが可能となる。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施例では、相電流における高調波成分の含有率を低減させる形態について説明したが、誘起電圧波形側の波形を調整しても良く、誘起電圧波形における高調波成分の含有率を、相電流の電流波形を設定するための５次高調波成分含有率よりも０.５％〜１.５％高く設定しても良い。つまり、誘起電圧波形側と相電流側の何れを調整しても良く、要は、電機子反作用による影響を緩和する量だけ両者の高調波成分含有率間に差異を設ければ良い。

また、前述の実施例では、モータ３として６極９スロットのモータを例に挙げて説明したが、モータ構成はこれには限定されず、２極３スロットの整数倍のモータにも、高調波成分の含有率差を０.５％〜１.５％とする構成は適用可能である。さらに、前述の実施例では、インナーロータ型のブラシレスモータを用いた例を示したが、本発明は、ステータの外側にロータを配したアウタロータ型のブラシレスモータにも適用可能である。加えて、前述の実施例では、本発明による制御方法をコラムアシスト式ＥＰＳのモータに適用した例を示したが、ラック軸と同軸状にモータを配したラックアシスト式や、ラック軸と噛合するピニオンギヤに補助力を付与するピニオンアシスト式のＥＰＳ用モータにも適用可能である。

Claims (6)

1. 電機子巻線を備えたステータと、永久磁石を備え前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータの制御方法であって、
   前記電機子巻線に対し高調波成分を含んだ電流を供給すると共に、
   前記電流の高調波成分含有率と、前記永久磁石の回転に伴って前記電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に所定量の差異を設けたことを特徴とするブラシレスモータ制御方法。
2. 請求項１記載のブラシレスモータ制御方法において、前記高調波成分含有率の差異は、前記電機子巻線通電時に電機子反作用によって前記誘導起電力に生じる変化に基づいて設定されることを特徴とするブラシレスモータ制御方法。
3. 請求項１又は２記載のブラシレスモータ制御方法において、前記高調波成分含有率の差異が、０.５〜１.５％であることを特徴とするブラシレスモータ制御方法。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のブラシレスモータ制御方法において、前記ブラシレスモータは、２極３スロット又はその整数倍の構成を有することを特徴とするブラシレスモータ制御方法。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のブラシレスモータ制御方法において、前記ブラシレスモータは、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用されることを特徴とするブラシレスモータ制御方法。
6. 電機子巻線を備えたステータと、永久磁石を備え前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータであって、
   前記電機子巻線には高調波成分を含んだ電流が供給され、前記電流の高調波成分含有率は、前記永久磁石の回転に伴って前記電機子巻線に発生する誘導起電力の高調波成分含有率との間に所定量の差異を有することを特徴とするブラシレスモータ。

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