JP2015065768A - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】矩形波駆動されるブラシレスモータのトルクリップルを抑制し、トルクリップルに起因する脈動音を低減する。
【解決手段】矩形波駆動される３相のブラシレスモータ３の駆動制御に際し、２つの相のコイル３３に対して重複して通電を行うオーバラップ通電部５０を形成しつつ、通電相を切り替える。オーバラップ通電部５０が存在すると、転流時のトルク変化を時間的にずれた複数の回転位置に分散させることができ、オーバラップ通電部５０が存在しない１２０°通電時に比して、切り替え時におけるトルクの落ち込みを小さくできる。これにより、転流時に生じるトルクの谷を小さくして、トルク波形全体の振幅を小さくすることができ、矩形波通電でありながらトルクリップル率が抑えられ、トルクリップルに伴う脈動音を低減させることが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、矩形波駆動されるブラシレスモータの制御技術に関し、特に、油圧ピストンポンプなど、モータの回転力を直線運動に変えて使用する装置に用いられるモータに適用して有効な技術に関する。

自動車や建設機械などのように大きな力が必要される機械装置では、油圧を用いた作動システムが使用されており、そこでは、油圧の供給源としてピストンポンプなどが用いられている。近年、自動車のエンジンの燃費向上等の観点から、電動モータを駆動源とする油圧ピストンポンプも登場しており、この電動式の油圧ピストンポンプでは、モータの回転力をボールスクリュー機構によって直線運動に変えてピストンを押し引きし、油圧の調整を行っている。（例えば、特許文献１参照）このようなシステムに使用されるモータとしては、耐久性や制御性に優れるブラシレスモータを採用することが多く、その場合、トルクリップルの小さい正弦波駆動が行われるのが一般的である。

特開２００９−４０１２２号公報

しかしながら、正弦波駆動の制御は、一般にベクトル演算を必要とし、高分解能なロータ位置検出と高性能な半導体が必要となるため、コントローラが高価となる。これに対し、ブラシレスモータを矩形波電流にて駆動制御すれば、コントローラが安価となり、コスト低減が図られるが、トルク変動による脈動（トルクリップル）が大きくなる。ところが、このようなモータトルクの脈動は、前述の油圧ピストンポンプでは、ボールスクリュー機構やピストンを介して、オイルに油圧脈動として伝わる。このため、それが脈動音の原因となり、システムの静粛性が損なわれるおそれがあるという問題があった。特に、特許文献１に記載されるように、モータとピストンとが並列状に配される構造に比べて、モータとピストンが同軸状に配置されたポンプ構造の場合、減速機構が一段減ることにより、モータの脈動がさらにオイルに伝わり易くなるという課題がある。

一方、トルクリップルが問題となる場合、それを低減するための技術としては、ロータのマグネットやステータのコイルにスキューを付けたり、極スロットを増やしたりする、という対策も考えられる。しかしながら、何れの対策も製品コストの増加につながるため、最適な対策とは言えず、コストアップを招来することなく、矩形波駆動時における脈動音を低減する方策が求められていた。

本発明の目的は、矩形波駆動されるブラシレスモータのトルクリップルを抑制し、トルクリップルに起因する騒音を低減することにあり、もって、当該モータを使用したシステムの静粛性向上を図ることにある。

本発明のモータ制御装置は、３相のコイルが巻回されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に支持されたロータとを有するブラシレスモータと、該ブラシレスモータの回転力を直線運動に変換して被駆動体に伝達する動力伝達機構と、を備えてなる電動システムにおける前記ブラシレスモータの駆動制御を行うモータ制御装置であって、前記ブラシレスモータを矩形波電流によって駆動すると共に、３相の前記コイルに対する通電角度を電気角にて１３０°〜１５５°に設定し、一の相の前記コイルへの通電と他の相の前記コイルへの通電が重複して実行されるオーバラップ通電部を形成しつつ、前記一の相から前記他の相に通電を切り替えることを特徴とする。

本発明にあっては、矩形波駆動される３相のブラシレスモータにて、２つの相のコイルに対して重複して通電を行うオーバラップ通電部を形成しつつ、通電相を切り替えることにより、通電切り替え時におけるトルクの落ち込みを小さくし、転流時のトルク変化を時間的にずれた複数の回転位置に分散させる。これにより、転流時に生じるトルクの谷を小さくして、トルク波形全体の振幅を小さくし、矩形波通電でありながら、トルクの変動を小さく抑え、トルクリップル率を低減させる。

前記モータ制御装置において、モータトルクの下限値が１.３Ｎｍ以上となるように前記コイルに対し通電を行っても良い。また、前記ブラシレスモータに２４°の進角を設定しても良い。

本発明のモータ制御方法は、３相のコイルが巻回されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に支持されたロータとを有するブラシレスモータと、該ブラシレスモータの回転力を直線運動に変換して被駆動体に伝達する動力伝達機構と、を備えてなる電動システムにおいて、前記ブラシレスモータを矩形波電流によって駆動すると共に、３相の前記コイルに対する通電角度を電気角にて１３０°〜１５５°に設定し、一の相の前記コイルへの通電と他の相の前記コイルへの通電が重複して実行されるオーバラップ通電部を形成しつつ、前記一の相から前記他の相に通電を切り替えることを特徴とする。

本発明にあっては、矩形波駆動される３相のブラシレスモータにて、２つの相のコイルに対して重複して通電を行うオーバラップ通電部を形成しつつ、通電相を切り替えることにより、通電切り替え時におけるトルクの落ち込みを小さくし、転流時のトルク変化を時間的にずれた複数の回転位置に分散させる。これにより、転流時に生じるトルクの谷を小さくして、トルク波形全体の振幅を小さくし、矩形波通電でありながら、トルクの変動を小さく抑え、トルクリップル率を低減させる。

前記モータ制御方法において、モータトルクの下限値が１.３Ｎｍ以上となるように前記コイルに対し通電を行っても良い。また、前記ブラシレスモータに２４°の進角を設定しても良い。

本発明のモータ制御装置によれば、矩形波駆動される３相のブラシレスモータにおいて、２つの相のコイルに対して重複して通電を行うオーバラップ通電部を形成しつつ、通電相を切り替えるようにしたので、通電切り替え時におけるトルクの落ち込みを小さくし、転流時のトルク変化を時間的にずれた複数の回転位置に分散させることができる。これにより、転流時に生じるトルクの谷を小さくして、トルク波形全体の振幅を小さくすることができ、矩形波通電でありながら、トルクの変動を小さく抑えることが可能となり、トルクリップル率の低減が図られる。従って、トルクリップルによって生じる脈動が小さくなり、動力伝達機構を介して被駆動体に伝わる脈動も減少し、被駆動体等に生じる脈動音を低減させることが可能となる。

本発明のモータ制御方法によれば、矩形波駆動される３相のブラシレスモータにおいて、２つの相のコイルに対して重複して通電を行うオーバラップ通電部を形成しつつ、通電相を切り替えるようにしたので、通電切り替え時におけるトルクの落ち込みを小さくし、転流時のトルク変化を時間的にずれた複数の回転位置に分散させることができる。これにより、転流時に生じるトルクの谷を小さくして、トルク波形全体の振幅を小さくすることができ、矩形波通電でありながら、トルクの変動を小さく抑えることが可能となり、トルクリップル率の低減が図られる。従って、トルクリップルによって生じる脈動が小さくなり、動力伝達機構を介して被駆動体に伝わる脈動も減少し、被駆動体等に生じる脈動音を低減させることが可能となる。

本発明の一実施形態である制御装置・制御方法によって駆動されるブラシレスモータを使用した油圧ピストンポンプの構成を示す説明図である。 図１の油圧ピストンポンプが使用されるブレーキシステムの構成を示す説明図である。 ブラシレスモータの断面図である。 ブラシレスモータへの通電タイミングとモータトルクの関係（進角２４°）を示す説明図であり、上段は回転角とモータトルクとの関係、下段は回転角と相電流の関係（通電タイミング）をそれぞれ示している。 通電角度とトルクリップルとの関係を示したグラフである。 通電角と転流ポイントにおけるトルク変化との関係を示す説明図である。 進角値とモータトルクとの関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である制御装置・制御方法によって駆動されるブラシレスモータを使用した油圧ピストンポンプの構成を示す説明図である。図１の油圧ピストンポンプ１は、ポンプ部２と、それを駆動するためのブラシレスモータ３（以下、モータ３と略記する）とから構成されており、自動車のブレーキシステム（制動装置）に組み込まれる。油圧ピストンポンプ１のポンプ部２には、ピストン４が軸方向に移動自在に配置されており、ピストン４は、モータ３の回転力を直線運動に変換するボールスクリュー機構（動力伝達機構）５と接続されている。油圧ピストンポンプ１は、モータ３によってピストン４を軸方向に移動させ、ブレーキシステムに供給される油圧を調整する。

図２は、油圧ピストンポンプ１が使用されるブレーキシステム１０の構成を示す説明図である。ブレーキシステム１０では、運転者がブレーキペダル１１を踏むと、その踏力がマスターシリンダ１２に伝達される。マスターシリンダ１２には油圧室１３が設けられており、油圧室１３の油圧は、油路１４を介して、車輪１５のホイールシリンダ１６に伝達される。油路１４には、開閉弁１７と当該油圧ピストンポンプ１が設けられている。開閉弁１７は、周知のソレノイドバルブなどにより構成されており、通電・非通電を切り替えることにより、油路１４に接続されたポートが開閉される。開閉弁１７のポートは、図示しない電子制御装置によって開閉される。

図３は、モータ３の断面図である。図３に示すように、モータ３は、外側にステータ（固定子）２１、内側にロータ（回転子）２２を配したインナーロータ型のブラシレスモータである。ロータ２２には複数のマグネット２３が埋設されており、モータ３は、インダクタンス差に基づくリラクタンストルクと、マグネット２３の磁力によるマグネットトルクによってロータ２２を回転させるＩＰＭ型の構成となっている。モータ３のポンプ部２とは反対側の軸方向端部には、モータ３を回転駆動させるための駆動制御部２４が一体的に設けられている。駆動制御部２４には、ロータ２２の回転位置を検出するための回転センサ２５や、モータドライバ２６、モータコントロールユニット（ＭＣＵ）２７が制御部ケース２４ａ内に配置されている。なお、この制御部ケース２４ａは図示しないボルト等の締結手段によって、後述するケース３１に締結されている。駆動制御部２４に対しては、車載バッテリから電源が供給されると共に、図示しないブレーキ制御装置より、モータ３の回転角や回転速度の指令信号が入力される。

ステータ２１は、円筒形状のケース３１と、ケース３１内に固定されたステータコア３２、ステータコア３２のティース３２ａに巻装されたコイル３３とから構成されている。コイル３３は、Ｕ,Ｖ,Ｗの３相分が設けられている。ステータ２１の内側にはロータ２２が挿入されている。詳細な構造は省略しているが、ロータ２２は中空状のロータシャフト３４を有しており、ロータシャフト３４はベアリング３５ａ,３５ｂによってケース３１に回転自在に支持されている。ロータシャフト３４には、円筒形状のロータコア３６が固定されている。ロータコア３６は、ロータシャフト３４に固定されるコア本体部３７と、コア本体部３７から径方向に突設された６個の突極部３８とから構成されている。各突極部３８の内側には、軸方向に延びるマグネット取付孔３９がそれぞれ１個ずつ形成されており、マグネット２３が収容固定されている。モータ３では、マグネット２３は周方向に沿って６個配置されており、モータ３は、６極９スロット構成のＩＰＭ型モータとなっている。

ロータシャフト３４の内側には公知のボールスクリュー機構５が取り付けられている。ボールスクリュー機構５は、ケース３１に対して回転不能、且つ軸方向移動自在に設けられたスクリューシャフト５ａを有しており、ロータシャフト３４の回転に伴ってロータシャフト３４とスクリューシャフト５ａの間に配された複数のボール部材を介してスクリューシャフト５ａが軸方向に移動する。スクリューシャフト５ａの一端側（図１において左端）は、ピストン４の一端側と接続されている。ピストン４はポンプケース４１内に収容されており、ピストン４の他端側には、ピストン４をボールスクリュー機構５側に押圧するリターンスプリング４２が取り付けられている。そして、モータ３が作動しロータ２２が回転すると、ピストン４が軸方向に移動し、油圧室４３内の油圧が変化する。

ロータシャフト３４の右端部には、ロータ２２の回転位置を検出するためのセンサマグネット４４が取り付けられている。これに対し、駆動制御部２４には、センサマグネット４４に対向する位置に回転センサ２５が配されている。回転センサ２５は、センサマグネット４４の磁極変化を検出し、この検出値に基づいて、ＭＣＵ２７はロータ２２の回転位置を算出する。

上記のように構成されたブレーキシステム１０において、開閉弁１７のポートが開かれると、マスターシリンダ１２の油圧室１３の油圧がホイールシリンダ１６に伝達され、油圧に応じた制動力が発生する。すなわち、車輪１５に対し、ブレーキペダル１１の踏力に応じた制動力が加わる。一方、開閉弁１７のポートが閉じられると、マスターシリンダ１２の油圧室１３の油圧はホイールシリンダ１６に伝達されず、油圧室４３の油圧がホイールシリンダ１６に伝達される。この油圧室４３の油圧は、モータ３への電力供給を制御することによって調整される。

このような構成の油圧ピストンポンプ１では、図１からも分かるように、モータ３のトルクリップルは、ボールスクリュー機構５やピストン４を介して油圧室４３に伝わり、それが脈動音の原因となる。前述のように、モータ３を正弦波駆動すれば、トルクリップルを抑えることができるが、コストアップは避けがたい。そこで、本発明者らは、低コストにてモータの駆動制御が可能な矩形波駆動に着目し、その中で如何にトルクリップルを抑えるかについて検討を重ねた。その結果、３相のコイル３３への通電をそれぞれ電気角で１３０°〜１５５°とし、転流時に通電をオーバラップさせ、ある一の相（例えばＵ相）から他の相（例えばＶ相）に通電を切り替える転流時に、一の相（Ｕ相）のコイル３３への通電と他の相（Ｖ相）のコイル３３への通電が重複して実行されるオーバラップ通電部５０を形成することにより、トルクリップルが抑えられ、油圧変動による脈動音が効果的に低減できることが分かった。

図４は、モータ３への通電タイミングとモータトルクの関係（進角２４°）を示す説明図であり、上段は回転角とモータトルクとの関係、下段は回転角と相電流の関係（通電タイミング）をそれぞれ示している。図４（ａ）に示すように、一般的な矩形波１２０°通電の場合、転流タイミングで大きなトルク変動が発生する。これに対し、図４（ｂ）（通電角１３５°）、図４（ｃ）（通電角１５０°）のように、矩形波広角通電を採用しオーバラップ通電部５０を設けると、転流時の急激なトルク変動が抑えられ、トルクリップルを低減させることができた。また、モータトルクの下限値も１.３Ｎｍ以上確保できた。なお、オーバラップ通電部５０では、２つの相の合計電流が１相分の所定電流値となるように、２つの相に通電する。

一方、図４（ｄ）のように、通電角を１６５°にまで拡大すると、却ってトルクリップルが拡大した。図５は、通電角度とトルクリップルとの関係を示したグラフである。図５に示すように、１５５°を超えると正弦波駆動の場合よりもトルクリップルが増大することが分かった。また、矩形波通電の場合でも、通電角によっては正弦波駆動の場合よりもトルクリップルが低くなる領域が存在することが分かり、この結果に基づき、通電角度１３０°〜１５５°を有効範囲と認定した。

ここで、３相のブラシレスモータでは、トルクリップルの原因ともなるトルクの落ち込みは、通電相が切り替わる転流ポイントにて発生する。図６は、通電角と転流ポイントにおけるトルク変化との関係を示す説明図である。なお、モータ３における実際のトルク波形は、誘起電圧に高調波成分が存在し、トルクリップルが歪な形となるため、説明を分かり易くすべく誘起電圧を正弦波に近い状態として説明する。

図６（ａ）に示すように、１２０°通電を行った場合、相の切り替えポイント（図６のＰ部分）にてトルクが大きく落ち込む。これに対し、（ｂ）の１３５°通電や（ｃ）の１５０°通電では、トルクが落ち込む切り替えポイントにおいても、広角オーバラップ通電により、３相のトルクの合成が起こるため、トルクの落ち込みが小さく抑えられる。すなわち、通電角１２０°→１５０°では、トルクの落ち込み部分が小さくなり（谷が浅くなり）、波形全体の振幅が小さくなる。このため、通電角を広くすると、その分、トルクリップルも小さくなる。これに対し、通電角１５０°〜１６５°以上では、今度は、切り替えポイント同士が接近し、それらの間でトルクが盛り上がり過ぎ、トルクリップルが却って悪化してしまう（図６のＱ部分）。

図６の関係は、誘起電圧に高調波成分が含まれている実際のモータにおいても同様に発生する。図４のトルクリップル波形は、高調波成分により、図６の波形に比して崩れたような形となっているが、トルクリップル低減のメカニズムは上述と同様であり、転流時におけるトルク変動の深いＶ字状の谷を、谷の数を増やすことにより浅い小さな谷に分散させる。つまり、オーバラップ通電により、転流時のトルク変化を時間的にずれた複数の回転位置に分散させ、１回の大きな転流ではなく、それを小さく２回に分けるような形とし、転流時のトルクの谷を縮小して、トルク波形全体の振幅を小さくする。これにより、矩形波通電でありながら、トルクの変動を小さく抑えることができ、トルクリップル率の低減が図られる。

なお、モータ３では、応答性向上のため進角設定にて駆動制御を行っているが、通電角度とトルクリップルとの関係については、進角量を変えても、また、進角がなくとも、図５と同様の結果が得られた。その上で、進角とモータトルクとの関係を見ると、図７に示すように、進角２４°近傍が最も大きなトルクが得られる。このため、本実施形態では進角値を２４°に設定しており、これにより、最大トルクによるモータ制御が可能となる。

このように、上記制御形態を採用することにより、転流時のトルク変動が小さくなり、転流タイミングにおけるモータトルクの落ち込みを抑えることができ、矩形波駆動でありながら、モータ３のトルクリップル率を正弦波駆動と同等若しくはそれ以下に抑えることが可能となる。このため、トルクリップルの低減を安価なシステムにて実現でき、コストアップを招来することなく、油圧回路の脈動を抑制でき、システムの静粛性向上を図ることが可能となる。すなわち、モータ３のトルクリップルが低減されることにより、ボールスクリュー機構５を介してピストン４に伝わる振動も低減され、発明者らの実験によれば、油圧変動も約４０％程度少なくなり、システムの静粛性が向上した。また、制動時に電力の回生を行うシステムにおいても、脈動による回生量の変動が抑えられ、安定した効率の良い電力回生が可能となる。

本発明は前記実施の形態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、前述の実施の形態では、本発明を自動車のブレーキシステムに使用される油圧ピストンポンプのブラシレスモータに適用した例を示したが、本発明の適用対象は、ブレーキシステムには限定されず、パワーシャベルのような建設機械や、ショックアブソーバなどの油圧回路系等にも適用可能である。

１ 油圧ピストンポンプ
２ ポンプ部
３ ブラシレスモータ
４ ピストン
５ ボールスクリュー機構
５ａ スクリューシャフト
１０ ブレーキシステム
１１ ブレーキペダル
１２ マスターシリンダ
１３ 油圧室
１４ 油路
１５ 車輪
１６ ホイールシリンダ
１７ 開閉弁
２１ ステータ
２２ ロータ
２３ マグネット
２４ 駆動制御部
２４ａ 制御部ケース
２５ 回転センサ
２６ モータドライバ
３１ ケース
３２ ステータコア
３２ａ ティース
３３ コイル
３４ ロータシャフト
３５ａ,３５ｂ ベアリング
３６ ロータコア
３７ コア本体部
３８ 突極部
３９ マグネット取付孔
４１ ポンプケース
４２ リターンスプリング
４３ 油圧室
４４ センサマグネット
５０ オーバラップ通電部

Claims (6)

1. ３相のコイルが巻回されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に支持されたロータとを有するブラシレスモータと、
   該ブラシレスモータの回転力を直線運動に変換して被駆動体に伝達する動力伝達機構と、を備えてなる電動システムにおける前記ブラシレスモータの駆動制御を行うモータ制御装置であって、
   前記ブラシレスモータを矩形波電流によって駆動すると共に、
   ３相の前記コイルに対する通電角度を電気角にて１３０°〜１５５°に設定し、一の相の前記コイルへの通電と他の相の前記コイルへの通電が重複して実行されるオーバラップ通電部を形成しつつ、前記一の相から前記他の相に通電を切り替えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１記載のモータ制御装置において、モータトルクの下限値が１.３Ｎｍ以上となるように、前記コイルに対し通電を行うことを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１又は２記載のモータ制御装置において、前記ブラシレスモータは２４°の進角が設定されてなることを制御することを特徴とするモータ制御装置。
4. ３相のコイルが巻回されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に支持されたロータとを有するブラシレスモータと、
   該ブラシレスモータの回転力を直線運動に変換して被駆動体に伝達する動力伝達機構と、を備えてなる電動システムにおいて、
   前記ブラシレスモータを矩形波電流によって駆動すると共に、
   ３相の前記コイルに対する通電角度を電気角にて１３０°〜１５５°に設定し、一の相の前記コイルへの通電と他の相の前記コイルへの通電が重複して実行されるオーバラップ通電部を形成しつつ、前記一の相から前記他の相に通電を切り替えることを特徴とするモータ制御方法。
5. 請求項４記載のモータ制御方法において、モータトルクの下限値が１.３Ｎｍ以上となるように、前記コイルに対し通電を行うことを特徴とするモータ制御方法。
6. 請求項４又は５記載のモータ制御方法において、前記ブラシレスモータは２４°の進角が設定されてなることを制御することを特徴とするモータ制御方法。

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