KR20090096515A - 브러시레스 모터 장치 - Google Patents

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사토시 카와무라
아야 니시카와
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

n상(n은 정의 정수)의 브러시레스 모터 장치에 있어서, 스테이터(14)와, 소정의 극수를 갖는 로터(12)와, 로터의 회전축에 직교하는 면에 고착되고, 해당 로터의 2배의 극수를 갖는 자극위치 검출용 마그넷(16)과, 자극위치 검출용 마그넷에 대향하도록 배치되어 로터의 자극 위치를 검출하는 n개의 메인 홀 소자(18a)와, 메인 홀 소자에 대해 둘레 방향으로 소정의 오프셋을 갖도록 배치되어 로터의 자극 위치를 검출하는 n개의 서브 홀 소자(18b)와, 메인 홀 소자의 출력 패턴의 변화에 따라 「2」를 카운트하고, 소정 타이밍에서 메인 홀 소자의 출력 패턴과 서브 홀 소자의 출력 패턴이 같은 경우에 「1」을 카운트하고, 이들 카운트된 값에 따라 로터의 회전을 제어하는 제어부를 구비하고 있다.

Description

브러시레스 모터 장치{BRUSHLESS MOTOR DEVICE}
본 발명은, 직류 전류에 의해 동작한 브러시레스 모터 장치에 관한 것으로, 특히, 로터의 회전 위치 검출의 분해능(分解能)을 높이는 기술에 관한 것이다.
종래, 예를 들면 차량용의 EGR(Exhaust Gas Recirculation : 배기 가스 재순환) 밸브, VG(Variable Geometvic) 터보 액추에이터 등이라는 배기 가스 제어용 액추에이터의 구동원으로서 브러시레스 모터 장치가 사용되고 있다. 이 브러시레스 모터 장치는, 예를 들면, 슬롯수가 「9」인 스테이터와, 극수(極數)가 「8」인 로터와, 극수가 로터의 극수와 같은 「8」인 자극위치 검출용 마그넷과, 이 자극위치 검출용 마그넷의 자기를 검출함에 의해 로터의 회전 위치를 검출하는 3개의 홀 IC(홀 소자가 조립된 IC)를 구비하고 있다. 이와 같은, 로터의 극수와 자극위치 검출용 마그넷의 극수가 동일하고, 또한 3개의 홀 IC를 구비한 브러시레스 모터 장치를, 이 명세서에서는 「단정밀도(single-precision)의 브러시레스 모터 장치」라고 부른다.
근래에는, 로터의 회전 위치 검출의 분해능을 높이기 위해, 자극위치 검출용 마그넷의 극수를, 종래의 2배의 「16」으로 한 브러시레스 모터 장치가 개발되어 있다(예를 들면, 특허문헌1 참조). 이와 같은, 자극위치 검출용 마그넷의 극수가 로터의 극수의 2배이고, 또한 3개의 홀 IC를 구비한 브러시레스 모터 장치를, 이 명세서에서는 「2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치」라고 부른다. 이 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에 의하면, 로터의 회전 위치 검출의 분해능을, 단정밀도의 브러시레스 모터 장치의 2배로 향상시킬 수 있다.
특허문헌1 : 일본 특개2002-252958호 공보
그런데, 상술한 특허문헌1에 개시된 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에서는, 일정한 분해능으로 로터의 회전 위치를 검출할 수는 있지만, 예를 들면 배기 가스 제어용 액추에이터 등에서는, 더욱 세밀한 분해능으로 로터의 회전 위치를 검출할 수 있는 브러시레스 모터 장치의 개발이 요망되고 있다.
본 발명은, 상술한 요청에 응하기 위해 이루어진 것이고, 그 과제는, 로터의 회전 위치 검출의 분해능을 높일 수 있는 브러시레스 모터 장치를 제공하는데 있다.
발명의 개시
본 발명에 관한 브러시레스 모터 장치는, 상기 과제를 해결하기 위해, 고정적으로 배치된 스테이터와, 스테이터가 복수의 여자(勵磁) 패턴에 의해 순차적으로 여자됨에 의해 회전하는, 소정의 극수를 갖는 로터와, 로터의 회전축에 직교하는 면에 고착되고, 해당 로터의 2배의 극수를 갖는 자극위치 검출용 마그넷과, 자극위치 검출용 마그넷에 대향하도록 배치되어 로터의 자극 위치를 검출하는 n개의 메인 홀 소자와, 자극위치 검출용 마그넷에 대향하고, 또한 메인 홀 소자에 대해 둘레 방향으로 소정의 오프셋을 갖도록 배치되어 로터의 자극 위치를 검출하는 n개의 서브 홀 소자와, 메인 홀 소자의 출력 패턴의 변화에 따라 「2」를 카운트하는 메인 카운트부와, 소정 타이밍에서 메인 홀 소자의 출력 패턴과 서브 홀 소자의 출력 패턴이 같은 경우에 「1」을 카운트하는 서브 카운트부와, 메인 카운트부 및 서브 카운트부에서 카운트된 값에 따라 로터의 회전을 제어하는 제어부를 구비하고 있다.
본 발명에 관한 브러시레스 모터 장치에 의하면, n상의 브러시레스 모터 장치에 있어서, 자극위치 검출용 마그넷의 극수를 로터의 극수의 2배로 하고 또한, n개의 메인 홀 소자 외에, n개의 서브 홀 소자를 구비하여 자극 위치를 검출하도록 구성하였기 때문에, 로터의 회전 위치 검출의 분해능을, 종래의 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치의 2배로 할 수 있다. 그 결과, 4배 정밀도의 브러시레스 모터 장치를 실현할 수 있기 때문에, 종래의 브러시레스 모터 장치에 비하여, 로터의 회전 위치 검출의 분해능을 더욱 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치가 적용된 EGR 밸브의 구조를 축방향으로 절단하여 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 있어서의 밸브 리프트량 - 홀 IC 카운트수 특성을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치의 모터 샤프트단에서 본 평면도.
도 4는 종래의 12극의 로터(12)를 이용한 단정밀도 및 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에 있어서의 홀 IC의 배치의 예를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 4배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에 있어서의 홀 IC의 배치의 예를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에서 사용되는 모터 구동 회로의 구성을 도시하는 블록도.
도 7은 종래의 브러시레스 모터 장치를 동작시키기 위한 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC 출력의 관계를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치를 동작시키기 위한 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC 출력의 관계를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 있어서 로터의 개방향 회전시의 통전 순서와 각 통전에 있어서의 로터의 토오크점을 도시하는 도면(그 1).
도 10은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 있어서 로터의 개방향 회전시의 통전 순서와 각 통전에 있어서의 로터의 토오크점을 도시하는 도면(그 2).
도 11은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 있어서 로터의 폐방향 회전시의 통전 순서와 각 통전에 있어서의 로터의 토오크점을 도시하는 도면(그 1).
도 12는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 있어서 로 터의 폐방향 회전시의 통전 순서와 각 통전에 있어서의 로터의 토오크점을 도시하는 도면(그 2).
도 13은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 있어서의 홀 IC의 출력이 순차적으로 전환되는 상태를 도시하는 도면.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치의 동작을, 위치 제어 처리를 중심으로 도시하는 플로우 차트.
도 15는 도 14의 플로우 차트에 도시한 위치 제어 처리를 블록도로 기술한 도면.
도 16은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 있어서 밸브의 밸브개방 방향으로 로터를 회전시킬 때의 동작을 도시하는 타이밍 차트.
도 17은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 있어서 밸브의 밸브폐쇄 방향으로 로터를 회전시킬 때의 동작을 도시하는 타이밍 차트.
도 18은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치를 윗면에서 본 도면.
도 19는 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치를 동작시키기 위한 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC 출력의 관계를 도시하는 도면.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 관해, 첨부한 도면에 따라 설명한다.
실시의 형태 1
도 1은, 본 발명의 실시의 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, 홀 소자가 조립된 IC로 구성되어 있다. 프린트 기판(17)은, 홀 IC(18)가 자극위치 검출용 마그넷(16)에 대향하는 위치가 되도록, 케이스(13)에 부착되어 있다. 로터(12)에 나사결합된 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 동일 위치가 되도록 배치되어 있다. 이 밸브 샤프트(22)는, 페일 세이프 기능을 실현하기 위해, 리턴 스프링(23)에 의해, 밸브(21)가 닫히는 방향(이하, 「밸브폐쇄 방향」이라고 한다)으로 가세되어 있다. 밸브 샤프트(22)는, 그 일단에 모터 샤프트(11)가 맞닿음에 의해, 그 축방향(도시 화살표 방향)으로 이동 가능하게 되어 있다. 이 밸브 샤프트(22)의 스트로크는 10㎜이고, 밸브(21)가 닫혀 있는 때에 0㎜, 최대로 열려 있는 때에 10㎜가 된다.
도 2는, 밸브 리프트향 - 홀 IC 카운트수 특성을 도시한다. 밸브(21)의 이동량을 나타내는 밸브 리프트량은, 홀 IC(18)의 출력 패턴이 변화한 수를 나타내는 홀 IC 카운트수에 비례하고 있고, 모터 샤프트(11)가 밸브 샤프트(22)에 맞닿은 직후, 즉 밸브 리프트량이 0㎜인 상태에서의 홀 IC 카운트수를 0으로 한 경우에, 홀 IC의 카운트수가 240가 된 때에, 최대의 밸브 리프트량인 10㎜가 되도록 구성되어 있다. 따라서 밸브 리프트량은, 홀 IC 카운트수의 1카운트에서 0.0416㎜가 된다.
도 3은, 브러시레스 모터 장치(1)의 모터 샤프트 단면(端面)에서 본 평면도이다. 이 브러시레스 모터 장치(1)의 스테이터(14)의 슬롯수는 「9」이고, 로터(12)의 극수는 「12」이고, 자극위치 검출용 마그넷(16)의 극수는 「24」이다. 자극위치 검출용 마그넷(16)은, 로터(12)의 1극에 한 쌍의 N극 및 S극이 대응하도록 구성되어 있다. 도 3에서, 사선이 그어진 한 쌍의 N극 및 S극이 로터(12)의 N극에 대응하고, 사선이 그어지지 않은 한 쌍의 N극 및 S극이 로터(12)의 S극에 대응한다.
자극위치 검출용 마그넷(16)에 대향하도록 배치된 홀 IC(18)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, U홀 IC, V홀 IC, W홀 IC, Up홀 IC, Vp홀 IC 및 Wp홀 IC라는 6개의 홀 IC로 구성되어 있다.
도 4는, 이 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치와 비교하기 위한 종래의 12극의 로터(12)를 이용한 단정밀도 및 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에 있어서의 홀 IC의 배치의 예를 도시하는 도면이다. 단정밀도의 브러시레스 모터 장 치인 경우는, 12극의 자극위치 검출용 마그넷 및 3개의 홀 IC가 사용되고 있다. 이 경우, 한 쌍의 N극 및 S극(전기각 360°) 내에 U상, V상 및 W상에 각각 대응하는 U홀 IC, V홀 IC 및 W홀 IC가 등각도 간격(전기각 120°)으로 배치되고, 한 쌍의 N극 및 S극의 1주기(기계각 60°, 전기각 360°) 내에 3개의 상태가 존재하도록 되어 있다.
마찬가지로, 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치인 경우는, 24극의 자극위치 검출용 마그넷 및 3개의 홀 IC가 사용되고 있다. 이 경우, 한 쌍의 N극 및 S극(전기각 360°) 내에 U상, V상 및 W상에 각각 대응하는 U홀 IC, V홀 IC 및 W홀 IC가 등각도 간격(전기각 120°)으로 배치되고, 한 쌍의 N극 및 S극의 1주기(기계각 30°, 전기각 360°) 내에 3개의 상태가 존재하도록 되어 있다. 단정밀도 및 2배 정밀도의 어느 경우에도, 홀 IC는, DC 모터에 있어서의 브러시의 역할을 다하는 것이다.
도 5는, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 4배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에 있어서의 홀 IC(18)의 배치의 예를 도시하는 도면이다. 이 경우, 6개의 홀 IC가 사용된다. 도 4에 도시한 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에서 배치되어 있는 U홀 IC, V홀 IC 및 W홀 IC(이하, 이들을 「메인 홀 IC(18a)」라고 총칭한다)에 대해, 소정의 오프셋만큼 비켜놓은 위치에, Up홀 IC, Vp홀 IC 및 Wp홀 IC(이하, 이들을 「서브 홀 IC(18b)」라고 총칭한다)가 각각 배치되어 있다. 오프셋의 양은, 자극위치 검출용 마그넷(16)을 구성하는 한 쌍의 N극 및 S극의 각도(기계각 30°, 전기각 360°)의 1/12이고, 기계각 2.5°(전기각 15°)가 된다. 또한, 메인 홀 IC(18a)는, 본 발명의 메인 홀 소자에 대응하고, 서브 홀 IC(18b)는, 본 발명의 서브 홀 소자에 대응한다.
도 6은, 브러시레스 모터 장치(1)에서 사용되는 모터 구동 회로의 구성을 도시하는 블록도이다. 이 모터 구동 회로는, 본 발명의 제어부에 대응하고, 예를 들면 별체의 제어 장치(도시 생략)에 탑재된다. 모터 구동 회로는, 홀 IC 인터페이스(31), 마이크로 컴퓨터(이하, 「마이콘」이라고 약칭한다)(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, 메인 홀 IC(18a)를 구성하는 U홀 IC로부터 홀 IC 단자(U)를 통하여 보내 오는 신호, V홀 IC로부터 홀 IC 단자(V)를 통하여 보내 오는 신호 및 W홀 IC로부터 홀 IC 단자(W)를 통하여 보내 오는 신호, 및, 서브 홀 IC(18b)를 구성하는 Up홀 IC로부터 홀 IC 단자(Up)를 통하여 보내 오는 신호, Vp홀 IC로부터 홀 IC 단자(Vp)를 통하여 보내 오는 신호 및 Wp홀 IC로부터 홀 IC 단자(Wp)를 통하여 보내 오는 신호를 입력하고, 소정의 증폭 등을 행한 후에, 마이콘(32)에 보낸다.
마이콘(32)은, 본 발명의 메인 카운트부, 서브 카운트부 및 제어부에 대응하고, 홀 IC 인터페이스(31)로부터 보내 오는 신호에 의거하여, 모터 제어 신호를 생성하고, PWM 출력 포트로부터 하이 사이드 FET 드라이브 회로(331 내지 333) 및 로 우 사이드 FET 드라이브 회로(341 내지 343)에 보낸다. 또한, 마이콘(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 않은 경우에, 마이콘(32)으로부터 보내 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 턴온하고, 전원으로부터 제 1 과전류 검출 회로(37)의 저항(R1)을 경유하여 보내 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 않은 경우에, 마이콘(32)으로부터 보내 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 보내 오는 구동 신호에 따라 턴온하고, 스테이터(14)의 권선으로부터 모터 단자(U), 모터 단자(V) 또는 모터 단자(W)를 각 각 경유하여 보내 오는 전류를, 제 2 과전류 검출 회로(38)의 저항(R2)을 경유하여 그라운드에 흐른다.
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 되는 것을 검출한 경우에, 과전류인 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 검출한 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, 과전류인 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 보내 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, 마이콘(32)에 보낸다. 이로써, 하이 사이드 FET 드라이브 회로(331 내지 333) 및 로우 사이드 FET 드라이브 회로(341 내지 343)에서의 구동 신호의 생성이 정지됨과 함께에, 마이콘(32)에 의한 모터 제어 신호의 생성이 정지된다.
상기한 바와 같이 구성되는 모터 구동 회로에서는, 통전 방향이 V → U인 경 우는, 하이 사이드 FET(352) 및 로우 사이드 FET(361)가 턴온된다. 이로써, 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 흐르고, 스테이터(14)의 권선이 여자된다. 통전 방향이 W → U인 경우는, 하이 사이드 FET(353) 및 로우 사이드 FET(361)가 턴온된다. 이로써, 전원 → 제 1 과전류 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 흐르고, 스테이터(14)의 권선이 여자된다.
통전 방향이 W → V인 경우는, 하이 사이드 FET(353) 및 로우 사이드 FET(362)가 턴온된다. 이로써, 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 흐르고, 스테이터(14)의 권선이 여자된다. 통전 방향이 U → V인 경우는, 하이 사이드 FET(351) 및 로우 사이드 FET(362)가 턴온된다. 이로써, 전원 → 제 1 과전류 검출 회로(37) → 하이 사이드 FET(351) → 모터 단자(U) → 스테이터(14)의 권선 → 모 터 단자(V) → 로우 사이드 FET(362) → 제 2 과전류 검출 회로(38) → 그라운드라는 경로로 전류가 흐르고, 스테이터(14)의 권선이 여자된다.
통전 방향이 U → W인 경우는, 하이 사이드 FET(351) 및 로우 사이드 FET(363)가 턴온된다. 이로써, 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 흐르고, 스테이터(14)의 권선이 여자된다. 통전 방향이 V → W인 경우는, 하이 사이드 FET(352) 및 로우 사이드 FET(363)가 턴온된다. 이로써, 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 흐르고, 스테이터(14)의 권선이 여자된다.
도 7은, 이 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치와 비교하기 위해, 종래의 단정밀도의 브러시레스 모터 장치 및 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치의 통상 운전시의 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC의 출력의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)는, 12극의 자극위치 검출용 마그넷을 갖는 단정밀도의 브러시레스 모터 장치의 통상 운전시의 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC의 출력의 관계를 도시하는 도면이다. 밸브(21)의 밸브개방 방향(개방향)으로 로터(12)를 회전시 키는 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, 밸브폐쇄 방향(폐방향)으로 로터(12)를 회전시키는 경우는, 스테이터(14)의 U상, V상 및 W상의 각 권선에 대해, W → V, W → U, V → U, V → W, U → W, U → V의 순번으로 통전이 반복된다. 이들의 통전 패턴을 「정규의 통전 패턴」이라고 부르고, 이 정규의 통전 패턴에 의해 스테이터(14)를 여자하는 여자 패턴을 「정규의 여자 패턴」이라고 부른다.
도 7의 (b)는, 24극의 자극위치 검출용 마그넷을 갖는 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치의 통상 운전시의 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC의 출력과의 관계를 도시하는 도면이다. 자극위치 검출용 마그넷이 24극인 경우는, 하나의 통전 방향에 대해, 홀 IC의 출력 패턴은 2종류가 된다. 따라서 홀 IC로부터는, 개방향의 통전 방향이 V → U, W → U 및 W → V(폐방향의 통전 방향이 V → W, U → W 및 U → V)인 A영역과, 개방향의 통전 방향이 U → V, U → W 및 V → W(폐방향의 통전 방향이 W → V, W → U 및 V → U)인 B영역에서 동일한 출력 패턴이 출현한다.
도 8은, 24극의 자극위치 검출용 마그넷(16)을 갖는, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 4배 정밀도의 브러시레스 모터 장치의 통상 운전시의 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC의 출력과의 관계를 도시하는 도면이다. 자극위치 검출용 마그넷이 24극인 경우는, 하나의 통전 방향에 대해, 홀 IC(18)의 출력 패턴은 4종류가 된다. 따라서 홀 IC(18)로부터는, 개방향의 통전 방향이 V → U, W → U 및 W → V(폐방향의 통전 방향이 V → W, U → W 및 U → V)인 A영역과, 개방향의 통전 방향이 U → V, U → W 및 V → W(폐방향의 통전 방향이 W → V, W → U 및 V → U)인 B영역에서 동일한 출력 패턴이 출현한다.
도 9 및 도 10은, 로터(12)를 정규의 통전 패턴에 의해 밸브개방 방향으로 회전시키는 경우의 통전 순서와, 각 통전에 있어서의 로터(12)의 토오크점을 도시하는 도면이다. 즉, 로터(12)를 밸브개방 방향으로 진각(進角)시키기 위해서는, 통전 패턴을, 도면중의 괄호를 붙인 숫자로 나타나는 모터 통전 번호(1) → (24)의 순번으로 전환하여야 한다.
도 11 및 도 12는, 로터(12)를 정규의 통전 패턴에 의해 밸브폐쇄 방향으로 회전시키는 경우의 통전 순서와, 각 통전에 있어서의 로터(12)의 토오크점을 도시하는 도면이다. 즉, 로터(12)를 밸브폐쇄 방향으로 진각시키기 위해서는, 통전 패턴을, 도면중의 괄호를 붙인 숫자로 나타나는 모터 통전 번호(24) → (1)의 순번으로 전환하여야 한다.
도 13은, 자극위치 검출용 마그넷(16)이 로터(12)와 일체가 되어 회전함에 의해 홀 IC(18)(메인 홀 IC(18a) 및 서브 홀 IC(18b))로부터 출력되는 신호의 논리값이 순차적으로 전환되는 상태를 도시하는 도면이다. 홀 IC(18)의 각각은, 자극위치 검출용 마그넷(16)의 하나의 자극(N극 또는 S극)에 대응하고 있는 동안, 환언하면, 기계각으로 15°만큼 진각할 때마다, 고레벨(H레벨)의 신호와 저레벨(L레벨)의 신호를 교대로 출력한다.
또한, 메인 홀 IC(18a)를 구성하는 U홀 ICV홀 IC 및 W홀 IC는, 서로 위상이 기계각으로 5°만큼 어긋난 신호를 출력한다. 마찬가지로, 서브 홀 IC(18b)를 구성 하는 Up홀 IC, Vp홀 IC 및 Wp홀 IC는, 서로 위상이 기계각으로 5°만큼 어긋난 신호를 출력한다. 또한, 서브 홀 IC(18b)를 구성하는 Up홀 IC, Vp홀 IC 및 Wp홀 IC가 출력하는 신호의 위상은, 메인 홀 IC(18a)를 구성하는 U홀 IC, V홀 IC 및 W홀 IC가 출력하는 신호의 위상과 카운트 기간(기계각 2.5°)만큼 어긋나 있다. 따라서 카운트 기간의 하나 걸러마다, 메인 홀 IC(18a)가 출력하는 신호의 위상과, 서브 홀 IC(18b)가 출력하는 신호의 위상은 같아진다.
다음에, 상기한 바와 같이 구성되는, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치의 동작을 설명한다.
도 14는, 이 브러시레스 모터 장치의 동작을, 위치 제어 처리를 중심으로 도시하는 플로우 차트이다. 이 위치 제어 처리는, 도 6에 도시하는 모터 구동 회로의 마이콘(32)에 의해 실행된다. 이 위치 제어 처리를 기능적인 블록으로 나타내면, 메인 카운트부(41)와 서브 카운트부(42)로 나눌 수 있다.
최초에, 메인 카운트부(41)에서의 동작을 설명한다. 이 메인 카운트부(41)는, 메인 홀 IC(18a)를 구성하는 U홀 IC, V홀 IC 또는 W홀 IC의 어느 하나로부터 출력되는 신호의 상승 에지 또는 하강 에지가 검출됨에 의해 기동된다. 메인 카운트부(41)가 기동되면, 우선, 메인 홀 IC의 판독이 행하여진다(스텝 ST11). 구체적으로는, 마이콘(32)은, 메인 홀 IC(18a)를 구성하는 U홀 IC, V홀 IC 및 W홀 IC로부터 출력되는 신호를, 홀 IC 인터페이스(31)를 통하여 판독한다.
뒤이어, 메인 홀 IC의 위상이 검출된다(스텝 ST12). 즉, 마이콘(32)은, 스텝 ST11에서 판독한 신호로부터 메인 홀 IC의 출력 패턴을 검출한다. 예를 들면, 도 13에 도시하는 카운트 기간(T1)에서는, "UVW=HLH"라는 출력 패턴이 얻어진다.
뒤이어, 실위치(實位置)가 계산된다(스텝 ST13). 즉, 로터(12)의 실제의 위치가 계산된다. 이실위치의 계산은, 상세는 생략하지만, 종래의 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에 있어서의 실위치의 계산과 같은 방법으로 행할 수 있다. 지금, 이 스텝 ST13에 있어서 계산된 실위치를 「A」라고 한다. 그 후, 시퀀스는, 서브 카운트부(42)의 스텝 ST23으로 분기된다.
다음에, 서브 카운트부(42)에서의 동작을 설명한다. 이 서브 카운트부(42)는, 도시하지 않은 타이머로부터 예를 들면 4㎳마다 보내 오는 인터럽트 신호에 의해 기동된다. 서브 카운트부(42)가 기동되면, 우선, 서브 홀 IC의 판독이 행하여진다(스텝 ST21). 구체적으로는, 마이콘(32)은, 서브 홀 IC(18b)를 구성하는 Up홀 IC, Vp홀 IC 및 Wp홀 IC로부터 출력된 신호를, 홀 IC 인터페이스(31)를 통하여 판독한다.
뒤이어, 서브 홀 IC의 위상이 검출된다(스텝 ST22). 즉, 마이콘(32)은, 스텝 ST21에서 판독한 신호로부터 서브 홀 IC의 출력 패턴을 검출한다. 예를 들면, 도 13에 도시하는 카운트 기간(T2)에서는, "UVW=HLH"라는 출력 패턴이 얻어진다.
뒤이어, 메인 홀 IC의 위상과 서브 홀 IC의 위상이 동일한지의 여부가 조사된다(스텝 ST23). 즉, 마이콘(32)은, 메인 카운트부(41)의 스텝 ST12에서 검출된 메인 홀 IC(18a)의 출력 패턴과, 스텝 ST22에서 검출된 출력 패턴이 동일한지의 여부를 조사한다. 이 스텝 ST23에서, 메인 홀 IC의 위상과 서브 홀 IC의 위상이 갖지 않은 것이 판단되면, 메인 카운트부(41)의 스텝 ST13에서 계산된 실위치가 2배가 된다(스텝 ST24). 즉, 마이콘(32)은, 「2」를 카운트하고, 실위치를 「2A」라고 한다. 그 후, 시퀀스는 스텝 ST26으로 진행한다.
상기 스텝 ST23에 있어서, 메인 홀 IC의 위상과 서브 홀 IC의 위상이 동일함이 판단되면, 메인 카운트부(41)의 스텝 ST13에서 계산된 실위치가 2배로 된 후에 「1」이 가해진다(스텝 ST25). 즉, 마이크로컴퓨터는, 「1」을 카운트하고, 실위치를 「2A+1」라고 한다. 그 후, 시퀀스는 스텝 ST26으로 진행한다.
스텝 ST26에서는, 상세는 생략하지만, 종래의 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치와 마찬가지로, 도시하지 않은 목표치 지령에 포함되는 지령치에 의해 지시된 목표 위치까지 로터(12)를 회전시키기 위한 피드백 제어가 행하여진다. 또한, 이 경우의 지령치로서는, 단정밀도의 브러시레스 모터 장치에 있어서의 지령치의 4배의 값을 갖는 지령치가 사용된다. 이상에 의해, 위상 제어 처리는 종료한다.
또한, 도 15는, 참고를 위해, 도 14의 플로우 차트에 도시한 처리를 블록도로 기술한 것이다.
도 16은, 밸브(21)의 밸브개방 방향으로 로터(12)를 회전시킬 때의 통전 방향과 홀 IC(18)로부터 출력되는 신호와의 관계를 도시하는 타이밍 차트이다. 마이콘(32)이, 메인 홀 IC(18a) 및 서브 홀 IC(18b)로부터 보내 오는 신호에 의거하여, 하이 사이드 FET(351)(하이 사이드 FET U), 하이 사이드 FET(352)(하이 사이드 FET V), 하이 사이드 FET(353)(하이 사이드 FET W), 로우 사이드 FET(361)(로우 사이드 FET U), 로우 사이드 FET(362)(로우 사이드 FET V) 및 로우 사이드 FET(363)(로우 사이드 FET W)를, 도시하는 타이밍에서 모터 통전 번호의 승순(昇順)으로 순차적으로 온/오프시킴에 의해, 로터(12)가 밸브개방 방향으로 회전된다.
도 17은, 밸브(21)의 밸브폐쇄 방향으로 로터(12)를 회전시킬 때의 통전 방향과 홀 IC(18)로부터 출력된 신호와의 관계를 도시하는 타이밍 차트이다. 마이콘(32)이, 메인 홀 IC(18a) 및 서브 홀 IC(18b)로부터 보내 오는 신호에 의거하여, 하이 사이드 FET(351)(하이 사이드 FET U), 하이 사이드 FET(352)(하이 사이드 FET V), 하이 사이드 FET(353)(하이 사이드 FET W), 로우 사이드 FET(361)(로우 사이드 FET U), 로우 사이드 FET(362)(로우 사이드 FET V) 및 로우 사이드 FET(363)(로우 사이드 FET W)를, 도시한 타이밍에서 모터 통전 번호의 강순(降順)으로 순차적으로 온/오프시킴에 의해, 로터(12)가 밸브폐쇄 방향으로 회전된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치에 의하면, 3상의 브러시레스 모터 장치에 있어서, 자극위치 검출용 마그넷(16)의 극수를 로터(12)의 극수의 2배인 24로 하고, 또한, 3개의 메인 홀 IC(18a) 외에, 3개의 서브 홀 IC(18b)를 구비하여 자극 위치를 검출하도록 구성하였기 때문에, 로터(12)의 회전 위치 검출의 분해능을, 종래의 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치의 2배로 할 수 있다. 그 결과, 4배 정밀도의 브러시레스 모터 장치를 실현할 수 있기 때문에, 종래의 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치에 비하여, 로터의 회전 위치 검출의 분해능을 더욱 들 수 있다.
실시의 형태 2
본 발명의 실시의 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치는, 종래의 단정밀도의 브러시레스 모터 장치에 구비되어 있는 3개의 홀 IC를 메인 홀 IC로 하고, 다시 3개의 서브 홀 IC를 추가하여, 상술한 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치와 같은 제어를 행함에 의해, 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치를 구성한 것이다.
도 18은, 브러시레스 모터 장치(1)를 윗면에서 본 도면이다. 이 브러시레스 모터 장치(1)의 스테이터(14)의 슬롯수는 「9」이고, 로터(12)의 극수는 「12」이고, 자극위치 검출용 마그넷(16)의 극수는 「12」이다. 자극위치 검출용 마그넷(16)의 각극은, 로터(12)의 각극에 대응하도록 구성되어 있다.
자극위치 검출용 마그넷(16)에 대향하도록 배치된 홀 IC(18)는, U홀 IC, V홀 IC, W홀 IC, Up홀 IC, Vp홀 IC 및 Wp 홀 IC라는 6개의 홀 IC로 구성되어 있다. 이 경우, U홀 IC, V홀 IC 및 W홀 IC(이하, 이들을 「메인 홀 IC(18a)」라고 총칭한다)에 대해, 소정의 오프셋만 비켜 놓은 위치에, Up홀 IC, Vp홀 IC 및 Wp홀 IC(이하, 이들을 「서브 홀 IC(18b)」라고 총칭한다)가 각각 배치되어 있다. 오프셋의 양은, 자극위치 검출용 마그넷(16)을 구성하는 한 쌍의 N극 및 S극의 각도(기계각 60°, 전기각 360°)의 1/12이고, 기계각 5°(전기각 30°)가 된다. 또한, 메인 홀 IC(18a)는, 본 발명의 메인 홀 소자에 대응하고, 서브 홀 IC(18b)는, 본 발명의 서브 홀 소자에 대응한다.
도 19의 (a)는, 통상 운전시의 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC(18)의 출력의 관계를 도시하는 도면이다. 밸브(21)의 밸브개방 방향으로 로터(12)를 회전 시키는 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, 밸브폐쇄 방향으로 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.
또한, 도 19의 (b)는, 비교를 위해, 자극위치 검출용 마그넷이 12극, 홀 IC가 3개의 단정밀도의 브러시레스 모터 장치의 통상 운전시의 통전 방향, 전기각, 기계각 및 홀 IC의 출력과의 관계를 도시하고 있다. 이 경우, 로터(12)의 회전 위치를, 실시의 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치의 2배의 기계각 10°의 분해능밖에 제어할 수가 없다.
이상과 같이 구성되는, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치의 동작은, 메인 홀 IC(18a) 및 서브 홀 IC(18b)로부터 얻어지는 신호가 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치의 2배의 간격(기계각으로 30°마다)으로 변화하는 것을 제외하면, 실시의 형태 1에 관한 브러시레스 모터 장치의 동작과 같기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치에 의하면, 3상의 브러시레스 모터 장치에 있어서, 자극위치 검출용 마그넷(16)의 극수는, 종래의 단정밀도의 브러시레스 모터 장치와 마찬가지로, 로터(12)의 극수와 같지만, 3개의 메인 홀 IC 외에, 또한, 3개의 서브 홀 IC를 구비하여 자극 위치를 검출하도록 구성하였기 때문에, 로터(12)의 회전 위치 검출의 분 해능을, 종래의 단정밀도의 브러시레스 모터 장치의 2배로 할 수 있다. 그 결과, 2배 정밀도의 브러시레스 모터 장치를 실현할 수 있기 때문에, 종래의 단정밀도의 브러시레스 모터 장치에 비하여, 로터의 회전 위치 검출의 분해능을 더욱 높일 수 있다. 또한, 상술한 실시의 형태 2에 관한 브러시레스 모터 장치에서는, 자극위치 검출용 마그넷(16)의 극수와 로터(12)의 극수는 같기 때문에, 로터(12)의 마그넷을 자극위치 검출용 마그넷으로서 겸용할 수도 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 브러시레스 모터 장치는, n상의 브러시레스 모터 장치에 있어서, 자극위치 검출용의 마그넷의 극수를 로터의 극수의 2배로 하고 n개의 메인 홀 소자 외에 n개의 서브 홀 소자를 구비한 구성으로 하여, 로터의 회전 위치 검출의 분해능을 향상시켰기 때문에, 차의 배기 가스 제어용 액추에이터의 구동원 등에 이용하는데 적합하다.

Claims (5)

  1. n상(n은 정의 정수)의 브러시레스 모터 장치에 있어서,
    고정적으로 배치된 스테이터와,
    상기 스테이터가 복수의 여자 패턴에 의해 순차적으로 여자됨에 의해 회전하는, 소정의 극수를 갖는 로터와,
    상기 로터의 회전축에 직교하는 면에 고착되고, 해당 로터의 2배의 극수를 갖는 자극위치 검출용 마그넷과,
    상기 자극위치 검출용 마그넷에 대향하도록 배치되어 상기 로터의 자극 위치를 검출하는 n개의 메인 홀 소자와,
    상기 자극위치 검출용 마그넷에 대향하고, 또한 상기 메인 홀 소자에 대해 둘레 방향으로 소정의 오프셋을 갖도록 배치되어 상기 로터의 자극 위치를 검출하는 n개의 서브 홀 소자와,
    상기 메인 홀 소자의 출력 패턴의 변화에 따라 「2」를 카운트하는 메인 카운트부와,
    소정 타이밍에서 상기 메인 홀 소자의 출력 패턴과 상기 서브 홀 소자의 출력 패턴이 같은 경우에 「1」을 카운트하는 서브 카운트부와,
    상기 메인 카운트부 및 상기 서브 카운트부에서 카운트된 값에 따라 상기 로터의 회전을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    메인 홀 소자에 대한 서브 홀 소자의 오프셋의 양은, 자극위치 검출용 마그넷의 한 쌍의 S극 및 N극이 형성한 기계각의 1/4인 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    n은 「3」이고, 로터의 극수는 「12」이고, 메인 홀 소자에 대한 서브 홀 소자의 오프셋의 양은 기계각으로 「2.5°」인 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    메인 카운트부는, 메인 홀 소자의 출력 신호의 상승 및 하강의 에지에서 카운트를 행하고,
    서브 카운트부는, 소정 시간 간격으로 카운트를 행하는 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
  5. n상(n은 정의 정수)의 브러시레스 모터 장치에 있어서,
    고정적으로 배치된 스테이터와,
    상기 스테이터가 복수의 여자 패턴에 의해 순차적으로 여자됨에 의해 회전하는, 소정의 극수를 갖는 로터와,
    상기 로터의 회전축의 주위에 형성된, 또는, 상기 로터의 회전축에 직교하는 면에 고착된 상기 로터의 극수와 같은 극수를 갖는 자극위치 검출용 마그넷과,
    상기 자극위치 검출용 마그넷에 대향하도록 배치되어 상기 로터의 자극 위치를 검출하는 n개의 메인 홀 소자와,
    상기 자극위치 검출용 마그넷에 대향하고, 또한 상기 메인 홀 소자에 대해 둘레 방향으로 소정의 오프셋을 갖도록 배치되어 상기 로터의 자극 위치를 검출하는 n개의 서브 홀 소자와,
    상기 메인 홀 소자의 출력 패턴의 변화에 따라 2를 카운트하는 메인 카운트부와,
    소정 타이밍에서 상기 메인 홀 소자의 출력 패턴과 상기 서브 홀 소자의 출력 패턴이 같은 경우에 1을 카운트하는 서브 카운트부와,
    상기 메인 카운트부 및 상기 서브 카운트부에서 카운트된 값에 따라 상기 로터의 회전을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 브러시레스 모터 장치.
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