KR100985946B1 - 브러시레스 모터 장치 및 방법 - Google Patents

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마사유키 요코야마
카즈아키 신야
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

고정적으로 배치된 스테이터(14)와, 스테이터가 복수의 여자 패턴에 의해 순차로 여자됨에 의해 회전하는 로터(12)와, 로터에 고착되고, 해당 로터의 극수의 2배의 극수를 갖는 자극위치 검출용 마그넷(16)과, 자극위치 검출용 마그넷에 대향하여 배치되어 로터의 자극 위치를 검출하는 위치 검출 소자(18)를 구비한 브러시레스 모터 장치에 있어서, 전원 기동시에 행하여지는 위상 맞춤시에, 통상 운전시에 사용되는 정규의 여자 패턴의 사이에서 다른 여자 패턴을 사용하여 스테이터를 여자함으로서 로터의 회전 각도가 정규의 여자 패턴에 의한 회전 각도의 반이 되도록 제어하는 모터 구동 회로를 구비하고 있다.

Description

브러시레스 모터 장치{BRUSHLESS MOTOR UNIT}
본 발명은, 직류 전류에 의해 동작하는 브러시레스 모터 장치에 관한 것으로, 특히, 브러시레스 모터 장치의 기계적인 진동을 작게 하는 기술에 관한 것이다.
종래, 예를 들면 차량용의 EGR(Exhaust Gas Recirculation : 배기 가스 재순환) 밸브, VG(Variable Geometric) 터보 액추에이터 등이라는 배기 가스 제어용 액추에이터의 구동원으로서 브러시레스 모터 장치가 이용되고 있다. 이 브러시레스 모터 장치는, 예를 들면, 슬롯 수가 「9」인 스테이터와, 극수가 「8」인 로터와, 극수가 로터의 극수와 같은 「8」인 자극위치 검출용 마그넷과, 이 자극위치 검출용 마그넷의 자기를 검출함으로서 로터의 회전 위치를 검출하는 홀 소자를 구비하고 있다.
근래에는, 로터의 회전 위치 검출의 분해능력을 올리기 위해, 자극위치 검출용 마그넷의 극수를, 종래의 2배인 「16」으로 한 브러시레스 모터 장치가 개발되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 브러시레스 모터 장치에 의하면, 로터 의 회전 위치의 검출 정밀도를 종래의 2배로 향상시킬 수 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2002-252958호 공보
상술한 특허 문헌 1에 개시된 브러시레스 모터 장치에서는, 전원 기동시에, 우선, 로터의 위상 검출을 실행할 필요가 있다. 이 위상 검출은, 스테이터에 고정 듀티로 통전 패턴을 순차로 줌에 의해 여자 패턴을 순차로 전환함으로서 행하여지는데, 여자 패턴에 의해 로터가 회전하고, 해당 여자 패턴에 따른 안정점에서 정지할 때에, 안정점에서 정지할 때까지의 사이에 기계적인 진동이 발생한다. 전원 기동시는, 통상, 엔진도 기동하지 않고, 주위가 매우 조용한 환경이기 때문에, 로터의 회전에 의한 기계적인 진동이 샤프트 또는 그 밖의 링크 기구에 공진하여, 그 반향음이 귀에 거슬리게 된다는 문제가 있다.
또한, 자극위치 검출용 마그넷의 극수를 종래의 2배로 함으로서, 도 6(a)에 도시하는 바와 같이, 자극위치 검출용 마그넷에 대향하도록 배치된 3개의 홀 IC(홀 소자가 조립된 IC)의 출력 패턴이 일순(一巡)하여도, 여자 패턴에 의한 이동량(로터의 회전량)은 종래의 반이 된다. 따라서 현재 위치의 홀 IC의 출력 패턴은, A영역 및 B영역의 어느쪽에 속하는 것인지를 판별하여야 한다. 만약, 현재 위치가, 실제로는 A영역에 있음에도 불구하고 B영역에 있다고 판단되면, 로터를 회전시키고 싶은 방향이, 의도한 방향과는 역방향으로 되는 경우가 있다는 문제가 있다.
본 발명은, 상술한 문제를 해소하기 위해 이루어진 것이고, 그 과제는, 전원 기동시의 귀에 거슬리는 소리의 발생을 줄일 수 있고, 또한, 로터가 의도하는 방향과 역방향으로 회전하는 것을 방지할 수 있는 브러시레스 모터 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 관한 브러시레스 모터 장치는, 상기 과제를 해결하기 위해, 고정적으로 배치된 스테이터와, 스테이터가 복수의 여자 패턴에 의해 순차로 여자됨에 의해 회전하는 로터와, 로터에 고착되고, 해당 로터의 극수의 2배의 극수를 갖는 자극위치 검출용 마그넷과, 자극위치 검출용 마그넷에 대향하여 배치되어 로터의 자극 위치를 검출하는 위치 검출 소자를 구비한 브러시레스 모터 장치에 있어서, 전원 기동시에 행하여지는 위상 맞춤시에, 통상 운전시에 사용되는 정규의 여자 패턴의 사이에서 다른 여자 패턴을 사용하여 스테이터를 여자함으로서 로터의 회전 각도가 정규의 여자 패턴에 의한 회전 각도의 반이 되도록 제어하는 모터 구동 회로를 구비하고 있다.
본 발명에 관한 브러시레스 모터 장치에 의하면, 전원 기동시에 행하여지는 위상 맞춤시에, 통상 운전시에 사용되는 정규의 여자 패턴의 사이에서 다른 여자 패턴을 사용하여 스테이터를 여자함으로서 로터의 회전 각도가 정규의 여자 패턴에 의한 회전 각도의 반이 되도록 제어되기 때문에, 로터의 기계적인 진동을 작게 할 수가 있다. 그 결과, 전원 기동시의 귀에 거슬리는 소리의 발생을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치가 적용된 EGR 밸브의 구조를 축방향으로 절단하여 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서의 밸브 리프트량 홀 IC 카운트 수 특성을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치를 윗면에서 본 도면.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서의 홀 IC의 배치를 8극의 자극위치 검출용 마그넷이 사용되는 경우와 비교하여 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 사용되는 모터 구동 회로의 구성을 도시하는 블록도.
도 6은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치를 동작시키기 위한 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC 출력의 관계를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 로터를 개방방향으로 회전시킬 때의 통전 순서와 각 통전에서의 로터의 토오크 점을 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 로터를 폐쇄방향으로 회전시킬 때의 통전 순서와 각 통전에서의 로터의 토오크 점을 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 홀 IC의 출력이 순차로 전환되는 상태와 토오크 커브가 변동하는 상태를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지 는 이니셜라이즈 동작의 개요를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지는 이니셜라이즈 동작중의 위상 맞춤시의 통전 패턴을 도시하는 도면.
도 12는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지는 위상 맞춤시의 모터 샤프트의 움직임을 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지는 위상 맞춤시의 모터 구동 회로의 동작을 도시하는 도면.
도 14는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지는 위상 맞춤 동작에서의 12스텝 동작시의 토오크 커브를 도시하는 도면.
도 15는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지는 위상 맞춤 동작에서 6스텝 동작시의 토오크 커브를 도시하는 도면.
도 16은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지는 위상 맞춤 동작에서 모터 스톱퍼 위치가 A에 있을 때의 토오크 커브를 도시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지는 위상 맞춤 동작으로 모터 스톱퍼 위치가 B에 있을 때의 토오크 커브를 도시하는 도면.
도 18은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 행하여지는 이니셜라이즈 동작의 인입 동작(taking-in operation) 및 압출 동작(extrusion operation)을 도시하는 도면.
도 19는 도 18에 도시하는 이니셜라이즈 동작의 인입 동작 및 압출 동작시의 모터 구동 회로의 동작을 도시하는 도면.
도 20은 본 발명의 실시 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치의 동작을 도시하는 플로우 차트.
도 21은 본 발명의 실시 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 관해, 첨부의 도면에 따라 설명한다.
(실시 형태 1)
도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치가 적용된 EGR 밸브의 구조를 축방향으로 절단하여 도시하는 단면도이다. 이 EGR 밸브는, 크게 나누면, 브러시레스 모터 장치(1)와 밸브 기구(2)로 구성되어 있다. 브러시레스 모터 장치(1)는, 모터 샤프트(11)에 나사결합된 원통형상의 로터(12)가, 케이스(13)에 고착된 스테이터(14)의 중공부에 삽입되어, 베어링(15)에 의해 회전 자유롭게 지지됨에 의해 구성되어 있다. 또한, 로터(12)에는, 그 축에 수직한 면이 되도록, 자극위치 검출용 마그넷(16)이 고착되어 있다.
또한, 프린트 기판(17)에는 홀 IC(18)가 탑재되어 있다. 홀 IC(18)는, 본 발명의 위치 검출 소자에 대응하고, 홀 소자가 조립된 집적 회로(1C)로 구성되어 있 다. 프린트 기판(17)은, 홀 IC(18)가 자극위치 검출용 마그넷(16)에 대향하는 위치가 되도록, 케이스(13)에 부착되어 있다. 로터(12)에 나사결합되는 모터 샤프트(11)는, 로터(12)의 회전에 의해, 그 축방향(도 1중의 상하 방향)으로 이동 가능하게 되어 있고, 로터(12)의 1회전당의 모터 샤프트(11)의 이동량이 8㎜가 되도록, 모터 샤프트(11) 및 로터(12)에 나사가 형성되어 있다.
밸브 기구(2)에는, 밸브(21)가 고착된 밸브 샤프트(22)가 마련되어 있고, 그 축은 모터 샤프트(11)의 축과 동일하게 되도록 배치되어 있다. 이 밸브 샤프트(22)는, 페일세이프 기능을 실현하기 위해, 리턴 스프링(23)에 의해 밸브(21)가 닫히는 방향(이하, 「밸브 폐쇄방향」이라고 한다)으로 가세되어 있다. 밸브 샤프트(22)는, 그 일단에 모터 샤프트(11)가 맞닿음에 의해, 그 축방향(도시한 화살표 방향)으로 이동 가능하게 되어 있다. 이 밸브 샤프트(22)의 스트로크는 10㎜이고, 밸브(21)가 닫혀 있을 때에 0㎜, 밸브(21)가 최대로 열려 있을 때에 10㎜가 된다.
도 2는, 밸브 리프트량 홀 IC 카운트수 특성을 도시한다. 밸브(21)의 이동량을 나타내는 밸브 리프트량은, 홀 IC(18)의 출력 패턴이 변화한 수를 나타내는 홀 IC 카운트 수에 비례하고 있고, 모터 샤프트(11)가 밸브 샤프트(22)에 맞닿은 직후, 즉 밸브 리프트량이 0㎜인 상태에서의 홀 IC 카운트 수를 0으로 한 경우에, 홀 IC의 카운트 수가 60이 된 때에, 최대의 밸브 리프트량인 10㎜가 되도록 구성되어 있다. 따라서 밸브 리프트량은, 홀 IC 카운트 수의 1카운트에서 0.167㎜가 된다.
도 3은, 브러시레스 모터 장치(1)를 윗면에서 본 도면이다. 이 브러시레스 모터 장치(1)의 스테이터(14)의 슬롯 수는 「9」이고, 로터(12)의 극수는 「8」이 고, 자극위치 검출용 마그넷(16)의 극수는 「16」이다. 자극위치 검출용 마그넷(16)은, 로터(12)의 1극에 한 쌍의 NS극이 대응하도록 구성되어 있다. 도 3에서, 사선이 시행된 한 쌍의 NS극이 로터(12)의 N극에 대응하고, 사선이 시행되지 않은 한 쌍의 NS극이 로터(12)의 S극에 대응한다.
이상을 정리하면,
·로터(12)의 1회전당의 모터 샤프트(11)의 이동량 : 8㎜
·모터 샤프트(11)가 10㎜만큼 이동하기 위한 회전수 : 1.25
·로터(12)의 1회전당의 스텝 수(각도 분해능력) : 24(15도)
·자극위치 검출용 마그넷(16)의 극수 : 16
·자극위치 검출용 마그넷(16)의 1회전당의 스텝 수(각도 분해능력) : 48(7.5도)
· 10㎜만큼 이동하기 위한 스텝 수 : 60
자극위치 검출용 마그넷(16)에 대향하도록 배치된 홀 IC(18)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, U홀 IC, V홀 IC 및 W홀 IC라는 3개의 홀 IC로 구성되어 있다. 도 4는, 홀 IC(18)의 배치를, 종래의 8극의 자극위치 검출용 마그넷이 사용되는 경우와 비교하여 도시하는 도면이다. 한 쌍의 NS극(전기각(電氣角) 360°) 내에 U상, V상 및 W상에 각각 대응하는 U홀 IC, V홀 IC 및 W홀 IC가 등각도 간격(전기각 120°)으로 배치되고, 한 쌍의 NS극의 1주기(기계각(機械角) 45°, 전기각 360°) 내에 3개의 상태가 존재하도록 되어 있다. 이 홀 IC(18)는, DC 모터에서 브러시의 역할을 다하는 것이다.
도 5는, 브러시레스 모터 장치(1)에서 사용된 모터 구동 회로의 구성을 도시하는 블록도이다. 이 모터 구동 회로는, 예를 들면 별체의 제어 장치(도시 생략)에 탑재된다. 모터 구동 회로는, 홀 IC 인터페이스(31), 마이크로 컴퓨터(이하, 「마이컴」이라고 약칭함)(32), 하이 사이드 FET 드라이브 회로(331 내지 333), 로우 사이드 FET 드라이브 회로(341 내지 343), 하이 사이드 FET(351 내지 353), 로우 사이드 FET(361 내지 363), 제 1 과전류 검출 회로(37), 제 2 과전류 검출 회로(38) 및 래치 회로(39)로 구성되어 있다.
홀 IC 인터페이스(31)는, 홀 IC(18)를 구성하는 U홀 IC로부터 홀 IC 단자(U)를 통하여 보내져 오는 신호, V홀 IC로부터 홀 IC 단자(V)를 통하여 보내져 오는 신호 및 W홀 IC로부터 홀 IC 단자(W)를 통하여 보내져 오는 신호를 입력하고, 소정의 증폭 등을 행한 후에, 마이컴(32)에 보낸다.
마이컴(32)은, 홀 IC 인터페이스(31)로부터 보내져 오는 신호에 의거하여, 모터 제어 신호를 생성하고, PWM 출력 포트로부터 하이 사이드 FET 드라이브 회로(331 내지 333) 및 로우 사이드 FET 드라이브 회로(341 내지 343)에 보낸다. 또한, 마이컴(32)은, 래치 회로(39)로부터의 구동 정지 신호가 보내져 온 경우에, 모터 제어 신호의 생성을 정지한다.
하이 사이드 FET 드라이브 회로(331 내지 333)는, 래치 회로(39)로부터 구동 정지 신호가 보내져 오지 않는 경우에, 마이컴(32)으로부터 보내져 오는 모터 제어 신호에 의거하여 구동 신호를 생성하고, 하이 사이드 FET(351 내지 353)의 게이트에 각각 보낸다. 하이 사이드 FET(351 내지 353)는, 하이 사이드 FET 드라이브 회로(331 내지 333)로부터 소정의 타이밍에서 보내져 오는 구동 신호에 따라 턴 온 하고, 전원으로부터 제 1 과전류 검출 회로(37)의 저항(R1)을 경유하여 보내져 오는 전류를, 모터 단자(U), 모터 단자(V) 또는 모터 단자(W)를 각각 경유하여 스테이터(14)의 권선에 보낸다.
로우 사이드 FET 드라이브 회로(341 내지 343)는, 래치 회로(39)로부터 구동 정지 신호가 보내져 오지 않는 경우에, 마이컴(32)으로부터 보내져 오는 모터 제어 신호에 의거하여 구동 신호를 생성하고, 로우 사이드 FET(361 내지 363)의 게이트에 각각 보낸다. 로우 사이드 FET(361 내지 363)는, 로우 사이드 FET 드라이브 회로(341 내지 343)로부터 소정의 타이밍에서 보내져 오는 구동 신호에 따라 턴 온 하고, 스테이터(14)의 권선으로부터 모터 단자(U), 모터 단자(V) 또한 모터 단자(W)를 각각 경유하여 보내져 오는 전류를, 제 2 과전류 검출 회로(38)의 저항(R2)을 경유하여 그라운드에 흐르게 한다.
제 1 과전류 검출 회로(37)는, 저항(R1)과 이 저항(R1)의 양단의 전압을 검출하는 연산 증폭기(AMP1)로 구성되어 있고, 전원으로부터 하이 사이드 FET(351 내지 353)를 경유하여 스테이터(14)의 권선에 흐르는 전류가 소정치 이상이 된 것을 검출한 경우에, 과전류하는 취지를 나타내는 과전류 신호를 생성하고, 래치 회로(39)에 보낸다. 제 2 과전류 검출 회로(38)는, 저항(R2)과 이 저항(R2)의 양단의 전압을 검출하는 연산 증폭기(AMP2)로 구성되어 있고, 스테이터(14)의 권선으로부터 로우 사이드 FET(361 내지 363)를 경유하여 그라운드에 흐르는 전류가 소정치 이상이 된 것을 검출한 경우에, 과전류라는 취지를 나타내는 과전류 신호를 래치 회로(39)에 보낸다.
래치 회로(39)는, 제 1 과전류 검출 회로(37) 및 제 2 과전류 검출 회로(38)로부터 보내져 오는 과전류 신호를 래치하고, 구동 정지 신호로서 하이 사이드 FET 드라이브 회로(331 내지 333) 및 로우 사이드 FET 드라이브 회로(341 내지 343)에 보냄과 함께, 마이컴(32)에 보낸다. 이로서, 하이 사이드 FET 드라이브 회로(331 내지 333) 및 로우 사이드 FET 드라이브 회로(341 내지 343)에서의 구동 신호의 생성이 정지됨과 함께, 마이컴(32)에 의한 모터 제어 신호의 생성이 정지된다.
상기한 바와 같이 구성되는 모터 구동 회로에서는, 통전 방향이 V → U인 경우는, 하이 사이드 FET(352) 및 로우 사이드 FET(361)가 턴 온 된다. 이로서, 전원 → 제 1 과전류 검출 회로(37) → 하이 사이드 FET(352) → 모터 단자(V) → 스테이터(14)의 권선 → 모터 단자(U) → 로우 사이드 FET(361) → 제 2 과전류 검출 회로(38) → 그라운드라는 경로로 전류가 흐른다. 통전 방향이 W → U인 경우는, 하이 사이드 FET(353) 및 로우 사이드 FET(361)가 턴온된다. 이로서, 전원 → 제 1 과 전류 검출 회로(37) → 하이 사이드 FET(353) → 모터 단자(W) → 스테이터(14)의 권선 → 모터 단자(U) → 로우 사이드 FET(361) → 제 2 과전류 검출 회로(38) → 그라운드라는 경로로 전류가 흐른다.
통전 방향이 W → V인 경우는, 하이 사이드 FET(353) 및 로우 사이드 FET(362)가 턴온된다. 이로서, 전원 → 제 1 과전류 검출 회로(37) → 하이 사이드 FET(353) → 모터 단자(W) → 스테이터(14)의 권선 → 모터 단자(V) → 로우 사이드 FET(362) → 제 2 과전류 검출 회로(38) → 그라운드라는 경로로 전류가 흐른다. 통전 방향이 U → V인 경우는, 하이 사이드 FET(351) 및 로우 사이드 FET(362)가 턴온된다. 이로서, 전원 → 제 1 과전류 검출 회로(37) → 하이 사이드 FET(351) → 모터 단자(U) → 스테이터(14)의 권선 → 모터 단자(V) → 로우 사이드 FET(362) → 제 2 과전류 검출 회로(38) → 그라운드라는 경로로 전류가 흐른다.
통전 방향이 U → W인 경우는, 하이 사이드 FET(351) 및 로우 사이드 FET(363)가 턴온된다. 이로서, 전원 → 제 1 과전류 검출 회로(37) → 하이 사이드 FET(351) → 모터 단자(U) → 스테이터(14)의 권선 → 모터 단자(W) → 로우 사이드 FET(363) → 제 2 과전류 검출 회로(38) → 그라운드라는 경로로 전류가 흐른다. 통전 방향이 V → W인 경우는, 하이 사이드 FET(352) 및 로우 사이드 FET(363)가 턴온 된다. 이로서, 전원 → 제 1 과전류 검출 회로(37) → 하이 사이드 FET(352) → 모터 단자(V) → 스테이터(14)의 권선 → 모터 단자(W) → 로우 사이드 FET(363) → 제 2 과전류 검출 회로(38) → 그라운드라는 경로로 전류가 흐른다.
도 6(a)는, 통상 운전시의 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC(18)의 출력의 관계를 도시하는 도면이다. 밸브(21)의 개방방향(이하, 「밸브 개방방향」이라고 한다)으로 로터(12)를 회전시키는 경우는, 스테이터(14)의 U상, V상 및 W상의 각 권선에 대해, V → U, W → U, W → V, U → V, U → W, V → W의 순번으로 통전이 반복된다. 한편, 밸브 폐쇄방향으로 로터(12)를 회전시키는 경우는, 스테이터(14)의 U상, V상 및 W상의 각 권선에 대해, U → V, U → W, V → W, V → U, W → U, W → V의 순번으로 통전이 반복된다. 이러한 통전 패턴을 「정규의 통전 패턴」이라고 부르고, 이 정규의 통전 패턴에 의해 스테이터(14)를 여자하는 여자 패턴을 「정규의 여자 패턴」이라고 부른다.
또한, 도 6(b)는, 비교를 위해, 자극위치 검출용 마그넷이 8극인 경우의 통상 운전시의 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC의 출력의 관계를 도시하고 있다. 자극위치 검출용 마그넷이 16극인 경우는, 하나의 통전 방향에 대해, 홀 IC(18)의 출력 패턴은 2종류가 된다. 따라서 홀 IC(18)로부터는, 개방방향의 통전 방향이 V → U, W → U 및 W → V(폐쇄방향의 통전 방향이 U → V, U → W 및 V → W)인 A영역와, 개방방향의 통전 방향이 U → V, U → W 및 V → W(폐쇄방향의 통전 방향이 V → U, W → U 및 W → V)인 B영역에서 동일한 출력 패턴이 출현하기 때문에, 브 러시레스 모터 장치(1)를 시동(始動)시킴에서는, 이들을 구별할 필요가 있다(상세는 후술한다).
도 7은, 로터(12)를 정규의 통전 패턴에 의해 밸브 개방방향으로 회전시키는 경우의 통전 순서와, 각 통전에서의 로터(12)의 토오크 점(点)을 도시하는 도면이다. 즉, 로터(12)를 진각(進角)시키기 위해서는, 통전 패턴을, 도시하는 ()병기 숫자 1 내지 12의 순번으로 전환하여야 한다. 도 8은, 로터(12)를 정규의 통전 패턴에 의해 밸브 폐쇄방향으로 회전시키는 경우의 통전 순서와, 각 통전에서의 로터(12)의 토오크 점을 도시하는 도면이다. 즉, 로터(12)를 진각시키기 위해서는, 통전 패턴을, 도시하는 () 병기 숫자 1 내지 12의 순번으로 전환하여야 한다.
도 9는, 자극위치 검출용 마그넷(16)이 로터(12)와 함께 회전함으로서 홀 IC(18)로부터 출력되는 신호의 논리값이 순차로 전환되는 상태와, 그 때에 토오크 커브가 변동하는 상태를 도시하는 도면이다.
다음에, 전원 기동시에 행하여지는 이니셜라이즈의 동작에 관해 설명한다. 통상, 스로틀 밸브 및 그 밖의 액추에이터는, 밸브의 움직임을 직접 측정한 절대치 센서를 탑재하고 있다. 이에 대해, 이 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치가 적용된 EGR 밸브는, 비용 저감을 위해, 절대치 센서를 탑재하고 있지 않다. 그래서, 이 EGR 밸브에서는, 전원 기동시에, 밸브(21)의 제어 원점(原點)을 찾아내기 위한 「이니셜라이즈」라고 불리는 동작이 행하여진다. 그 후, 이니셜라이즈에 의해 얻어진 제어 원점을 기준으로, 로터(12)의 자극 위치를 검출하는 홀 IC(18)의 출력 패턴이 마이컴(32)에서 카운트되고, 밸브(21)의 개폐가 제어된다.
이니셜라이즈에서는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 「위상 맞춤」, 「인입 동작」 및 「압출 동작」이라는 3개의 동작이 순차로 행하여진다. 도 10에서, 모터 스톱퍼의 위치는, 모터 샤프트(11)가 밸브 폐쇄방향으로 이동하여 몸체에 맞닿고, 이동 불가능하게 되는 위치이다. 또한, 밸브 개방 시작점은, 모터 샤프트(11)가 밸브 개방방향으로 이동하여 밸브 샤프트(22)에 맞닿은 직후의 위치이고, 이것이 제어 원점이 된다.
우선, 「위상 맞춤」의 동작에 관해 설명한다. 자극위치 검출용 마그넷(16)의 극수를 로터(12)의 극수의 2배로 한 경우는, 도 6(a)에 도시하는 바와 같이, 전기각의 1사이클(360°) 내에, 동일한 홀 IC(18)의 출력 패턴이 존재하기 때문에, 로터(12)의 자극 위치가 A영역 및 B영역의 어느쪽에 존재하는지를 알 수가 없다. 그래서, 인입 동작 전에, 이하의 위상 맞춤의 동작이 행하여진다. 이 경우, 이하의 (1-1) 내지 (1-3)이 전제 조건이 된다.
(1-1) 홀 IC(18)의 출력 패턴과는 관계 없이, 8㎳/스텝의 속도로 스테이터(14)에의 통전이 전환된다.
(1-2) 통전할 때는, 로터(12)는, 토오크 점이 아니라 안정점에서 정지한다고 한, 이른바 스테핑 동작을 행한다. 여기서, 어떤 통전을 행한 경우, 로터(12)는, 토오크 점에 대해 3스텝 앞의 위치가 안정점이 된다.
(1-3) 12스텝 동작 및 6스텝 동작(상세는 후술한다)일 때는, 스테핑 동작에 의한 소음을 감소시키기 위해, 특수한 통전이 행하여진다. 즉, 도 11에 도시하는 바와 같은 통전 패턴이 스테이터(14)에 주어진다. 도 11에서, 예를 들면, 통전 방 향이 개방방향이고 전기각이 30°인 경우는, VW → U라는 통전 패턴이 스테이터(14)에 주어진다. 이로서, 모터 구동 회로의 하이 사이드(FET352) 및 하이 사이드 FET(353) 및 로우 사이드 FET(361)가 턴온되고, V상 및 W상의 권선의 양쪽으로부터 U상의 권선에 전류가 흐른다.
위상 맞춤은, 이하에 나타내는 (2-1) 내지 (2-3)의 순서로 행하여진다. 도 12는, 위상 맞춤시의 모터 샤프트(11)의 움직임을 도시하고 있고, 도 13은, 위상 맞춤시의 통전 방향에 대한 모터 구동 회로의 동작을 도시하는 도면이다.
(2-1) 밸브 폐쇄방향으로, 홀 IC(18)의 출력 패턴과는 관계 없이, 8㎳/1스텝의 속도로, 전기각의 1사이클(360°)분의 스테핑 동작, 즉 12스텝의 인입이 행하여진다(이것을 「12스텝 동작」이라고 한다). 도 14는, 12스텝 동작시의 토오크 커브를 도시하는 도면이다.
(2-2) 12스텝 동작시에, 모터 샤프트(11)가 모터 스톱퍼에 닿아 회전할 수 없게 된 경우는 위상 맞춤을 할 수가 없다. 그래서, 밸브 개방방향으로 6스텝분의 스테핑 동작, 즉 6스텝의 압출이 행하여지고(이것을 「6스텝 동작」이라고 한다), 위상 맞춤이 행하여진다. 도 15는, 6스텝 동작시의 토오크 커브를 도시하는 도면이다.
(2-3) 브러시레스 모터 장치(1)의 안정, 즉 로터(12)의 정지를 기다리기 위해, 72㎳동안만큼 통전이 고정된다.
(2-4) 최후로, V → W로 통전한 때의 홀 IC(18)의 출력 신호를 모니터함으로 서, 홀 IC(18)의 출력 패턴이, 도 6(a)에 도시하는 A영역의 (1) 내지 (6)의 어느것인지가 식별되고, 현재 위치가 인식된다.
또한, 도 16(a)는, 모터 스톱퍼 위치가 A의 위치에 있는 경우의 12스텝 인입시의 토오크 커브를 도시하고, 도 16(b)는, 모터 스톱퍼 위치가 A의 위치에 있는 경우의 6스텝 압출시의 토오크 커브를 도시한다. 모터 스톱퍼 위치가 A의 위치에 있는 경우는, 모터 샤프트(11)가 모터 스톱퍼에 닿아서 회전할 수 없다는 상태는 발생하지 않기 때문에, 모터 샤프트(11)는, 12스텝분 만큼 밸브 폐쇄방향으로 이동한 후, 6스텝분 만큼 밸브 개방방향으로 이동하고, 홀 IC(18)의 출력 패턴은, 도 6(a)에 도시하는 A영역의(1) 내지 (6)의 어느 하나가 된다.
도 17(a)는, 모터 스톱퍼 위치가 B의 위치에 있는 경우의 12스텝 인입시의 토오크 커브를 도시하고, 도 16(b)는, 모터 스톱퍼 위치가 B의 위치에 있는 경우의 12스텝 인입시에 모터 스톱퍼 위치에 이른 경우의 토오크 커브를 도시하고, 도 16(c)는, 모터 스톱퍼 위치가 B의 위치에 있는 경우의 6스텝 압출시의 토오크 커브를 도시한다. 모터 스톱퍼 위치가 B의 위치에 있는 경우는, 모터 샤프트(11)가 모터 스톱퍼에 닿아서 회전할 수 없기 때문에, V → UW의 여자는, B의 위치에서 불안정점이기 때문에, 도면중의 화살표 방향으로 이동한다. 그 후, 모터 샤프트(11)는, 6스텝분 만큼 밸브 개방방향으로 이동하고, 홀 IC(18)의 출력 패턴은, 도 6(a)에 도시하는 A영역의 (1) 내지 (6)의 어느 하나가 된다.
다음에, 이니셜라이즈시에 행하여지는 「인입 동작」 및 「압출 동작」에 관해 설명한다. 우선, 인입 동작에 의해 모터 스톱퍼 위치의 검출이 행하여진다. 즉, 도 18의 구간(T1)에 도시하는 바와 같이, 상술한 위상 맞춤에 의해 인식된 위치로부터 로터(12)를 회전시켜서, 모터 샤프트(11)가 모터 스톱퍼에 닿아 로터(12)가 회전할 수 없게 될 때까지, 밸브 폐쇄방향으로 모터 샤프트(11)를 이동시킨다. 이 경우, 구동 듀티(스테이터(14)에 흐르는 전류의 듀티)는 작고, 예를 들면 15% 정도로 설정된다. 이로서, 모터 샤프트(11)가 모터 스톱퍼에 닿아 과부하가 된 상태가 완화된다. 그리고, 로터(12)가 회전할 수 없게 된 위치가 모터 스톱퍼의 위치로서 검출된다. 보다 구체적으로는, 도 19에 도시하는 바와 같이, 홀 IC(18)의 출력 패턴이 변화하지 않는 상태가 64㎳동안 연속한 경우에, 그 시점에서의 위치가 모터 스톱퍼 위치로서 인식된다.
뒤이어, 압출 동작에 의해 밸브 개방 시작점의 검출이 행하여진다. 즉, 도 18의 구간(T2)에 도시하는 바와 같이, 모터 스톱퍼 위치로부터 로터(12)를 밸브 개방방향으로 회전시켜서, 모터 샤프트(11)가 밸브 샤프트(22)에 맞닿을 때까지 이동시킨다. 이 경우, 구동 듀티는, 상술한 인입 동작인 경우보다 작고, 예를 들면 8% 정도로 설정된다. 이로서, 모터 샤프트(11)가 밸브 샤프트(22)에 닿아도, 리턴 스프링(23)에 의한 가세력에 의해 밸브 샤프트(22)가 이동하지 않도록 조정되어 있다. 그리고, 모터 샤프트(11)가 밸브 샤프트(22)에 맞닿은 위치가 밸브 개방 시작점으로서 검출된다. 보다 구체적으로는, 도 19에 도시하는 바와 같이, 홀 IC(18)의 출력 패턴이 변화하지 않는 상태가 128㎳동안 연속한 경우에, 그 위치가 밸브 개방 시작점으로서 인식된다. 그 후, 통상의 제어가 행하여진다.
(실시 형태 2)
본 발명의 실시 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치는, 이니셜라이즈 동작에서 행하여지는 위상 맞춤의 종료 후에, 동작 방향의 정역을 판단하는 기능을 구비한 것이다. 이 실시 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치의 구성은 실시 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치의 구성과 같다.
도 20은, 실시 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치의 동작을 도시하는 플로우 차트이다. 전원이 온 되면, 이니셜라이즈가 행하여진다. 이 이니셜라이즈에서는, 우선, 위상 맞춤을 위한 12스텝 인입 및 6스텝 압출이 행하여진다(스텝 ST11). 이 스텝 ST11의 처리의 상세는 상술한 바와 같다. 전원 기동시에 밸브 개방 시작점 부근 또는 모터 스톱퍼 위치 부근에 모터 샤프트(11)가 정지하고 있으면, V → W의 통전을 행하여도 로터(12)가 움직일 수 없고 정상적으로 위상 맞춤을 완료시킬 수 없지만, 이 스텝 ST11의 처리에 의해, 모터 샤프트(11)가 프리하게 되기 때문에, 이러한 사태의 발생을 회피할 수 있다.
뒤이어, 위상 맞춤을 위한 V → W의 통전이 행하여진다(스텝 ST12). 구체적으로는, 로터(12)의 정지를 기다리기 위해, 72㎳동안만큼 통전이 고정되고, 로터 안정 시간 대기가 행하여진다. 뒤이어, 홀 IC(18)의 출력에 의거하여 예를 들면 2스텝 이상의 통전 패턴을 순차로 스테이터(14)에 줌에 의해 로터(12)가 회전 구동된다(스텝 ST13). 이 때, 어떠한 원인으로 스텝 ST11 및 ST12에서의 위상 맞춤이 정상적으로 종료하지 않은 경우에, 도 21에 도시하는 바와 같이, 로터(12)가 역회전하여 모터 샤프트(11)가 밸브 개방방향으로 이동하는 일이 있다. 그러면, 뒤이어, 동작 방향은 올바른지의 여부가 조사된다(스텝 ST15). 이것은, 모터 구동 회로 의 마이컴(32)에서, 홀 IC(18)의 출력 패턴이 개방방향으로 진행되어 있는지 폐쇄방향으로 진행되어 있는지를 조사함으로서 행하여진다. 또한, 이 검출은 통상 F/B(Feed-back) 제어시에도 행하여도 좋다.
상기 스텝 ST14에서, 동작 방향이 올바른 것이 판단되면, 통상의 제어가 행하여진다(스텝 ST15). 한편, 스텝 ST14에서, 동작 방향이 역방향인 것이 판단되면, 그룹의 판정 미스라고 인식된다(스텝 ST16). 즉, 위상 맞춤 종료시의 홀 IC의 출력 패턴은, B영역에 있음에도 불구하고 A영역에 있었다고 오판정한 것이 인식된다. 뒤이어, 그룹의 교체가 행하여진다(스텝 ST17). 즉, 위상 맞춤 종료시의 홀 IC의 출력 패턴은, A영역에 있다고 설정된다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 브러시레스 모터 장치는, 전원 기동시에 행하여지는 위상 맞춤시에, 통상 운전시에 사용되는 정규의 여자 패턴의 사이에서 다른 여자 패턴을 이용하여 스테이터를 여자하여 정규의 여자 패턴에 의한 회전 각도의 반이 되도록 제어됨으로써, 로터의 기계적 진동을 작게 하기 때문에, 차량용의 EGR 밸브, VG 터보 액추에이터등의 배기 가스 제어용 액추에이터의 구동원 등에 이용하는데 적합하다.

Claims (9)

  1. 고정적으로 배치된 스테이터와,
    일정한 빈도로 전환되는 통전방향을 나타내는 여자 패턴에 따라 상기 스테이터가 여자됨에 의해 회전하는 로터와,
    상기 로터에 고착되고, 해당 로터의 극수의 2배의 극수를 갖는 자극 위치 검출용 마그넷과,
    상기 자극 위치 검출용 마그넷에 대향하여 배치되고, 상기 로터의 전기각의 1주기 내에 동일한 출력 패턴이 2회 출현하는 신호를, 상기 자극 위치 검출용 마그넷의 자극에 응하여 출력하는 위치 검출 소자와,
    상기 스테이터 및 상기 위치 검출 소자와 전기적으로 접속된 모터 구동 회로와,
    상기 모터 구동 회로에 마련되고, 통상 운전에 사용되는 정규의 여자 패턴, 및, 해당 정규의 여자 패턴과는 통전 방향이 상이한 다른 여자 패턴의 조합에 따라 통전 방향을 통상운전시의 2배의 빈도로 전환하는 특수 통전에 의해 상기 로터를 스테핑 동작시키고, 해당 스테핑 동작의 종료 후에 있어서의 상기 위치 검출 소자의 출력 패턴에 의거하여 상기 로터의 자극 위치를 특정하고, 해당 특정한 자극 위치를 이용하여 통상 운전의 제어 원점을 검출하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정규의 여자 패턴은, 하나의 상으로부터 다른 하나의 상으로 여자 전류를 흘리는 여자 패턴이고, 상기 다른 여자 패턴은, 하나의 상으로부터 다른 2개의 상, 또는, 2개의 상으로부터 다른 하나의 상으로 여자 전류를 흘리는 여자 패턴인 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모터 구동 회로는,
    상기 제어 원점을 검출할 때, 상기 수단에 의해 특정한 상기 로터의 자극 위치로부터 해당 로터를 회전시키고, 해당 회전에 수반하는 상기 위치 검출 소자의 출력 패턴이 나타내는 회전 방향을 인식하고, 해당 인식한 회전 방향에 의거하여 상기 특정한 자극 위치의 정부(正否)를 판정하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터 구동 회로는, 상기 특수 통전에 있어서의 통전 방향의 전환마다, 상기 정규의 여자 패턴과 상기 다른 여자 패턴을 교대로 적용하는 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
  5. 고정적으로 배치된 스테이터와, 일정한 빈도로 전환되는 통전방향을 나타내는 여자 패턴에 따라 상기 스테이터가 여자됨에 의해 회전하는 로터와, 상기 로터에 고착되고, 해당 로터의 극수의 2배의 극수를 갖는 자극 위치 검출용 마그넷과, 상기 자극 위치 검출용 마그넷에 대향하여 배치되고, 상기 로터의 전기각의 1주기 내에 동일한 출력 패턴이 2회 출현하는 신호를, 상기 자극 위치 검출용 마그넷의 자극에 응하여 출력하는 위치 검출 소자를 구비하는 브러시레스 모터 장치의 제어 방법으로서,
    통상 운전에 사용되는 정규의 여자 패턴, 및, 해당 정규의 여자 패턴과는 통전 방향이 상이한 다른 여자 패턴의 조합에 따라 통전 방향을 통상운전시의 2배의 빈도로 전환하는 특수 통전에 의해 상기 로터를 스테핑 동작시키는 특수 통전 스텝과,
    상기 특수 통전 스텝에서의 스테핑 동작의 종료 후에 있어서의 상기 위치 검출 소자의 출력 패턴에 의거하여 상기 로터의 자극 위치를 특정하는 로터 위치 판정 스텝과,
    상기 로터 위치 판정 스텝에서 특정한 자극 위치를 이용하여 통상 운전의 제어 원점을 검출하는 제어 원점 검출 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 정규의 여자 패턴은, 하나의 상으로부터 다른 하나의 상으로 여자 전류를 흘리는 여자 패턴이고, 상기 다른 여자 패턴은, 하나의 상으로부터 다른 2개의 상, 또는, 2개의 상으로부터 다른 하나의 상으로 여자 전류를 흘리는 여자 패턴인 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제어 원점 검출 스텝에 있어서,
    상기 로터 위치 판정 스텝에 의해 특정된 상기 로터의 자극 위치로부터 해당 로터를 회전시키고, 해당 회전에 수반하는 상기 위치 검출 소자의 출력 패턴이 나타내는 회전 방향을 인식하고, 해당 인식한 회전 방향에 의거하여 상기 특정한 자극 위치의 정부(正否)를 판정하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  8. 제 5항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 특수 통전 스텝에 있어서,
    상기 특수 통전에 있어서의 통전 방향의 전환마다, 상기 정규의 여자 패턴과 상기 다른 여자 패턴을 교대로 적용하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  9. 브러시레스 모터 장치 및 밸브 기구를 구비하고,
    상기 브러시레스 모터 장치는,
    고정적으로 배치된 스테이터와,
    일정한 빈도로 전환되는 통전방향을 나타내는 여자 패턴에 따라 상기 스테이터가 여자됨에 의해 회전하는 로터와,
    상기 로터에 고착되고, 해당 로터의 극수의 2배의 극수를 갖는 자극 위치 검출용 마그넷과,
    상기 자극 위치 검출용 마그넷에 대향하여 배치되고, 상기 로터의 전기각의 1주기 내에 동일한 출력 패턴이 2회 출현하는 신호를, 상기 자극 위치 검출용 마그넷의 자극에 응하여 출력하는 위치 검출 소자와,
    상기 스테이터 및 상기 위치 검출 소자와 전기적으로 접속된 모터 구동 회로와,
    상기 모터 구동 회로에 마련되고, 통상 운전에 사용되는 정규의 여자 패턴, 및, 해당 정규의 여자 패턴과는 통전 방향이 상이한 다른 여자 패턴의 조합에 따라 통전 방향을 통상운전시의 2배의 빈도로 전환하는 특수 통전에 의해 상기 로터를 스테핑 동작시키고, 해당 스테핑 동작의 종료 후에 있어서의 상기 위치 검출 소자의 출력 패턴에 의거하여 상기 로터의 자극 위치를 특정하고, 해당 특정한 자극 위치를 이용하여 통상 운전의 제어 원점을 검출하는 수단과
    상기 로터에 나사결합되고, 해당 로터의 회전에 의해 축방향으로 이동하는 모터 샤프트를 포함하고,
    상기 밸브 기구는,
    한 쌍의 밸브와,
    상기 밸브의 한쪽에 고착되고, 상기 모터 샤프트에 맞닿음에 의해 해당 모터 샤프트와 동일한 축방향으로 이동하는 밸브 샤프트와,
    상기 밸브의 밸브개방 방향으로 상기 밸브 샤프트를 가세하기 위한 리턴 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 재순환 밸브 장치.
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