JP2013118782A

JP2013118782A - モータ制御装置

Info

Publication number: JP2013118782A
Application number: JP2011265678A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Minato; 佳彦湊
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-06-13

Abstract

【課題】回転開始前に、ロータを素早く初期位置で安定させることができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】本発明は、制御信号に基づいて複数のスイッチング素子３１〜３６に通電して３相モータ２の回転を制御する回転制御部４を備え、回転開始前にロータ２１の所定箇所２１ａを初期位置にまで移動させるために回転制御部４が一相通電を実行するモータ制御装置であって、回転制御部４は、一相通電開始から一相通電によるロータ２１の揺動が停止するまでの間に、ロータ２１に対して電磁ブレーキをかけるようにスイッチング素子に通電し、所定箇所２１ａを初期位置Ａ１、Ａ２に対応するコギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に停止させることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータの回転を制御するモータ制御装置に関する。

モータには、例えば、ステータコイルを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えた３相モータがある。３相モータの回転は、ステータコイルに通電して生じる磁束と永久磁石の磁束との間に作用する引力及び斥力により制御される。３相モータには、ブラシレスでセンサレスのものがある。このモータの回転制御では、例えば特開２００５−９０４６６号公報（特許文献１）に記載されているように、回転開始前のロータの位置を所定の初期位置に移動させるために一相通電が実行される。モータの制御装置は、一相通電によりロータを初期位置に移動させた後、正規の通電制御を行い、初期位置から３相モータを起動させている。初期位置は、一相通電されるステータコイルの極に対応する（近接する）位置である。

特開２００５−９０４６６号公報

しかしながら、一相通電によりロータを回転させると、通電中にロータは通電される極の周囲で搖動しながら徐々に当該極に収束していく。これでは、ロータが初期位置で安定するまでに時間がかかり、スムーズで素早い起動の実現において問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、回転開始前に、ロータを素早く初期位置で安定させることができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、制御信号に基づいて複数のスイッチング素子に通電して３相モータの回転を制御する回転制御部を備え、回転開始前にロータの所定箇所を初期位置にまで移動させるために前記回転制御部が一相通電を実行するモータ制御装置であって、前記ロータに生じるコギングトルクにより非励磁状態で前記ロータの所定箇所が安定する位置をコギング安定位置とし、各前記コギング安定位置に設定され非励磁状態で前記ロータの所定箇所が前記コギング安定位置に引き付けられる角度範囲をコギング角度範囲とすると、前記初期位置は、前記一相通電により励磁されるステータコイルが配置された一極部に近接する前記コギング安定位置であり、前記回転制御部は、前記一相通電開始から前記一相通電による前記ロータの揺動が停止するまでの間に、前記ロータに対して電磁ブレーキをかけるように前記スイッチング素子に通電し、前記ロータの所定箇所を前記初期位置に対応する前記コギング角度範囲内に停止させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記回転制御部は、前記一相通電開始から前記電磁ブレーキをかけるまでの間に、前記一相通電による励磁を前記一相通電開始時の励磁より弱くすることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、制御信号に基づいて複数のスイッチング素子に通電して３相モータの回転を制御する回転制御部を備え、回転開始前にロータの所定箇所を初期位置まで回転させるために一相通電を実行するモータ制御装置であって、前記回転制御部は、前記一相通電開始から前記一相通電による前記ロータの揺動が停止するまでの間に、前記一相通電による励磁を前記一相通電開始時の励磁より弱くすることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、一相通電開始後、ロータの所定箇所は電磁ブレーキにより初期位置に対応するコギング角度範囲内に停止する。これにより、電磁ブレーキを解除した後の非励磁状態では、ロータの所定箇所は、コギング安定位置である初期位置に移動して安定する。つまり、本発明によれば、ロータの搖動を停止することができ、ロータを素早く初期位置で安定させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、励磁を弱励磁に切り替えることで、ロータの搖動を早期に収束させることができる。搖動を早期に収束させることで、電磁ブレーキによるロータの所定箇所の停止位置を、より素早く所望のコギング角度範囲内とすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、励磁を弱励磁に切り替えることで、ロータの搖動を抑制し、早期に収束させることができる。つまり、本発明によれば、回転開始前に、ロータを素早く初期位置で安定させることができる。

本実施形態のモータ制御装置の概略構成を示す構成図である。本実施形態の３相モータの断面を模式的に表した模式断面図である。本実施形態の一相通電制御に関するタイムチャートである。本実施形態の一相通電制御に関するフローチャートである。本実施形態の変形態様の一相通電制御に関するタイムチャートである。本実施形態の変形態様の一相通電制御に関するタイムチャートである。

次に、好ましい実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態は、センサレスブラシレス３相モータ（ここではセンサレスブラシレスＤＣモータ）の制御装置である。本実施形態のモータ制御装置１は、図１に示すように、３相モータ２と、スイッチング回路部３と、回転制御部４と、位置検出部５と、を備えている。

３相モータ２は、図２に示すように、主に、永久磁石２ａを有するロータ２１と、ロータ２１に回転力を与えるための磁束を発生させるステータ２２と、を備えている。ステータは、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相のステータコイル２Ｕ、２Ｖ、２Ｗを有している。各ステータコイル２Ｕ〜２Ｗは、Δ結線で接続され、端子２３〜２５によりスイッチング回路部３に接続されている。ステータ２２は、ステータコイル２Ｕ〜２Ｗがそれぞれ２つに分かれて巻かれた極部２Ｕ１、２Ｕ２、２Ｖ１、２Ｖ２、２Ｗ１、２Ｗ２を有している。極部２Ｕ１〜２Ｗ２は、ステータ２２内側に等間隔に、ロータ２１に対向して配置されている。

スイッチング回路部３は、３相モータ２、回転制御部４、及び電源９に接続され、３相モータ２を制御対象としている。スイッチング回路部３には、電源９から直流電圧が供給される。スイッチング回路部３は、６つのスイッチング素子、すなわち、電源９の正極端子に接続されたハイサイドのトランジスタ３１、３３、３５と、電源９の負極端子に接続されたローサイドのトランジスタ３２、３４、３６と、で構成されている。スイッチング回路部３は、回転制御部４からの信号に基づいて３相モータ２の３線の中の２線間に順次電圧を印加し、３相モータ２を単位回転角度ずつ回転駆動させる。本実施形態のトランジスタ３１〜３６は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。なお、トランジスタ３１〜３６に、それぞれ対応するダイオードが設置されていても良い。

位置検出部５は、３相モータ２の端子２３〜２５に接続されている。位置検出部５は、３相モータ２の回転に伴い、各ステータコイル２Ｕ〜２Ｗに発生する逆起電力と、予め設定された基準電圧との比較結果に基づき、ロータ２１の位置検出を行う。位置検出部５は、ロータ２１が予め設定された位置に達したことを検出する。この検出には公知技術を用いることができ、説明は省略する。位置検出部５は、検出結果を回転制御部４に伝達する。

回転制御部４は、マイクロコンピュータで構成され、トランジスタ３１〜３６の制御端子（ベース）に接続されている。回転制御部４は、例えば上位システムとしての制御手段９０から制御信号（例えば動作命令及び停止命令）を受信し、当該制御信号に基づいてトランジスタ３１〜３６のオン、オフを制御する。換言すると、回転制御部４は、制御信号に基づいてスイッチング回路部３が有するトランジスタ３１〜３６に通電する。

例えば回転制御部４がトランジスタ３１、３４のみをオンさせると、Ｖ相端子２４とＷ相端子２５の端子間に通電される。つまり、この場合、電源９により、ステータコイル２Ｖを介して端子間に電流が流れるとともに、ステータコイル２Ｕ、２Ｗを介して端子間に電流が流れる。同様に、回転制御部４がトランジスタ３３、３２のみをオンさせると、上記の場合と反対の方向にステータコイル２Ｖとステータコイル２Ｕ、２Ｗに電流が流れる。

各ステータコイル２Ｕ〜２Ｗには、電流の流れる方向に応じた磁束が生じる。当該磁束は、ロータ２１が備える永久磁石２ａとの間で引力又は斥力を発生させる。回転制御部４は、ハイサイドとローサイドの上下対のトランジスタを順次オンさせることで、ロータ２１の回転を制御する。回転制御部４は、位置検出部５の検出結果を基に、スイッチング回路部３に対してＰＷＭ信号を出力（ＰＷＭ制御を実行）する。

回転制御部４は、３相モータ２を回転開始する前に、ロータ２１の位置を初期位置に移動させるために一相通電を実行する。回転制御部４は、３相のうちの１相に通電させるために、例えばトランジスタ３５、３４の制御端子に通電してオンさせる。そして、ステータコイル２ＷにＵ相端子２３からＷ相端子２５に向けて電流が流れる。これにより、ステータコイル２Ｗ（極部２Ｗ１、２Ｗ２）に磁束が発生し、ロータ２１の所定箇所が初期位置に向けて移動する。極部２Ｕ１〜２Ｗ２はステータ２２に周方向に等間隔に設けられ、ステータコイル２Ｕ〜２Ｗそれぞれが２つの極部に分けられて対向配置されている。

初期位置は、所定のコギング安定位置に設定される。本実施形態の初期位置は、一相通電により通電するステータコイル２Ｗの一方の極部２Ｗ１に近接する２つのコギング安定位置Ａ１、Ａ２に設定されている。本実施形態におけるロータ２１の所定箇所２１ａは、非励磁状態でコギング安定位置に位置するロータ２１上の部位（１２箇所）から選択された１箇所（極２Ｗ１に近接する部位）である。

ここで、コギング安定位置について説明する。まず、コギングトルクは、永久磁石を有するロータ２１と、ステータ２２の間に生じる力であって、所定の周期で発生している。コギングトルクは、モータ１回転あたりロータ２１の極数とステータ２２の極数（ステータコイルが巻かれた極部の数）の最小公倍数の分だけ脈動する。本発明では、ロータ２１の極数（永久磁石の数）が４つでステータ２２の極数（極部の数）が６つであり、１２のコギングトルク発生部が存在する。コギングトルクが発生する回転角は、コギングトルク発生部の数などで決まる。本実施形態では、コギングトルク発生部は１２であるため、所定の回転角（コギングトルクの発生間隔）は一定の３０度（３６０度／１２）となる。

コギングトルクが発生する発生位置Ａ１〜Ａ１２は、非励磁状態において、ロータ２１が引き付けられて安定する位置となる。つまり、コギング安定位置とは、コギングトルクにより、非励磁状態でロータ２１が安定する位置（コギングトルク発生位置Ａ１〜Ａ１２）である。換言すると、ロータ２１の所定箇所２１ａは、非励磁状態でコギング安定位置Ａ１〜Ａ１２に安定する。図２に示すように、本実施形態のコギング安定位置Ａ１〜Ａ１２は、回転角度において、およそ３０度間隔で配置されている。

各コギング安定位置Ａ１〜Ａ１２は、非励磁状態で、ロータ２１の回転角を自身Ａ１〜Ａ１２の位置（回転角）に引き付ける角度範囲を有している。換言すると、各コギング安定位置Ａ１〜Ａ１２は、自身のコギングトルクがロータ２１に影響を及ぼす角度範囲を有している。この角度範囲をコギング角度範囲と定義する。

本実施形態では所定回転角ごとにコギングトルクが発生するため、図２に示すように、各コギング角度範囲Ｂ１〜Ｂ１２は、対応するコギング安定位置Ａ１〜Ａ１２を中心に３０度（コギングトルク発生間隔）の角度範囲に定義される。具体的に、例えばコギング安定位置Ａ１は、自身Ａ１を中心に両回転方向に１５度（コギングトルク発生間隔の半分の回転角度）ずつ拡がるコギング角度範囲Ｂ１を有している。ロータ２１の所定箇所２１ａが非励磁状態でコギング角度範囲Ｂ１内に位置する場合、所定箇所２１ａはコギング安定位置Ａ１に引き付けられて移動し、コギング安定位置Ａ１で安定する（図２参照）。

（一相通電時の制御）
回転制御部４は、一相通電開始後、ステータコイル２Ｕ〜２Ｗに係る励磁を弱めるように、一相通電に係るトランジスタ３１〜３６を制御する。つまり、回転制御部４は、図３に示すように、一相通電開始してから第一所定時間ｔ１経過後、励磁を、一相通電開始時の励磁よりも弱い弱励磁に切り替える。励磁の強弱（磁束密度の大小）はステータコイル２Ｕ〜２Ｗに流れる電流の大きさで決まり、電流の大きさは例えばトランジスタ３１〜３６の制御端子への印加電圧の大きさを変えることで変えることができる。

第一所定時間ｔ１は、一相通電開始からロータ２１の揺動が停止するまでの間の時間に設定される。ここで本実施形態の第一所定時間ｔ１は、一相通電開始から、ロータ２１が静止摩擦に打ち勝って回転開始するまでの時間に設定されている。これにより、ロータ２１の揺動（振幅）を最小限に抑えることができる。

そして、回転制御部４は、一相通電開始から第二所定時間ｔ２（ｔ２＞ｔ１）経過すると、３相モータ２に電磁ブレーキをかけるようにトランジスタ３１〜３６を制御する。具体的に、回転制御部４は、ローサイドの全トランジスタ３２、３４、３６のみをオンさせる。

第二所定時間ｔ２は、第一所定時間ｔ１より大きい時間であって、電磁ブレーキによりロータ２１の所定箇所２１ａが初期位置Ａ１、Ａ２のコギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内で停止するように設定されれば良い。具体的に、本実施形態の第二所定時間ｔ２は、ロータ２１の所定箇所２１ａの搖動が初期位置Ａ１、Ａ２のコギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に収まるまでにかかる時間以上、ロータ２１の搖動が停止する時間未満に設定されている。換言すると、第二所定時間ｔ２は、一相通電による極２Ｗ１を中心としたロータ２１の揺動幅が６０度未満になる時間以上、搖動停止時間未満の時間である。６０度とは、一相通電により励磁される極２Ｗ１を中心に両回転方向にコギング角度範囲（Ｂ１、Ｂ２）ずつ拡がった値である。つまり、この角度範囲（６０度）は、極２Ｗ１を中心とした±３０度（コギング角度範囲）であり、非励磁状態でロータ２１の所定箇所２１ａが初期位置Ａ１、Ａ２に引き付けられる角度範囲を意味する。

第二所定時間ｔ２の最小値は、例えば、ロータ２１の揺動が最大になる場合（条件）を想定して６０度未満で揺動するまでの時間を算出して求めることができる。本実施形態の第二所定時間ｔ２は、上記条件において、ロータ２１の搖動が６０度未満になる時間（すなわち、最小値）に設定されている。本実施形態の第二所定時間ｔ２は、揺動したロータ２１の所定箇所２１ａが、コギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に収まるために必要な時間に設定されている。ロータ２１の揺動が上記コギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に収まる時間は、弱励磁変換を考慮し、最も揺動が大きい場合を想定して、実験やシミュレーションにより推定される。

このように、第一所定時間ｔ１及び第二所定時間ｔ２は、一相通電開始時の励磁の強さや、一相通電開始時のロータ２１の所定箇所２１ａの位置等を考慮して設定される。また、第一所定時間ｔ１及び第二所定時間ｔ２は、モータ負荷、モータ特性、及びモータのイナーシャに基づいて、最悪条件で実験又はシミュレーションすることで推定することができる。両所定時間ｔ１、ｔ２は、実験等により想定される時間である。

回転制御部４は、図４に示すように、一相通電が開始されると（Ｓ１０１）、第一所定時間ｔ１が経過したか否かを判定する（Ｓ１０２）。第一所定時間ｔ１が経過すると（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、回転制御部４は、励磁を弱励磁に切り替える（Ｓ１０３）。そして、第二所定時間ｔ２が経過すると（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、回転制御部４は、３相モータ２に電磁ブレーキをかけるべくトランジスタ３１〜３６を制御する（Ｓ１０５）。そして、回転制御部４は、電磁ブレーキを解除し、制御信号に基づいて回転制御を開始する（Ｓ１０６）。

このように本実施形態のモータ制御装置１によれば、一相通電から第一所定時間ｔ１経過後に、ステータコイル２Ｕ〜２Ｗの励磁が弱励磁に切り替えられる。これにより、図５に示すように、一相通電により生じるロータ２１の揺動が早期に小さくなり、ロータ２１の所定箇所が初期位置Ａ１、Ａ２に収束しやすくなる。

さらに本実施形態によれば、一相通電から第二所定時間ｔ２経過後に、電磁ブレーキがかけられる。これにより、一相通電により生じるロータ２１の揺動を強制的に止めることができる。ロータ２１の所定箇所２１ａの揺動は極２Ｗ１を中心とした６０度範囲内に収まっているため、電磁ブレーキがかかるとロータ２１の所定箇所２１ａは初期位置Ａ１のコギング角度範囲Ｂ１内又は初期位置Ａ２のコギング角度範囲Ｂ２内で停止する。つまり、回転制御部４は、電磁ブレーキにより、ロータ２１の所定箇所２１ａを初期位置Ａ１、Ａ２に対応するコギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に停止させる。その後、電磁ブレーキを解除すると、ロータ２１の所定箇所２１ａは、コギング角度範囲Ｂ１内で停止した場合には初期位置Ａ１に移動して安定し、コギング角度範囲Ｂ２内で停止した場合には初期位置Ａ２に移動して安定する。

このように、本実施形態のモータ制御装置１によれば、一相通電によるロータ２１の揺動を抑えた上で停止させ、ロータ２１の所定箇所を早期に初期位置で安定させることができる。

（変形態様）
本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、回転制御部４は、一相通電開始後、励磁を弱励磁に切り替えることなく、電磁ブレーキをかけるように制御しても良い。この場合、回路制御部４は、一相通電開始から第二所定時間ｔ２経過後、３相モータ２に電磁ブレーキをかける。つまり、回転制御部４は、図４において、Ｓ１０２及びＳ１０３を除いた制御を実行するように設定される。この場合の第二所定時間ｔ２は、弱励磁切替なしを条件として実験等により推定される。この構成によっても、図５に示すように、ロータ２１の所定箇所を早期に初期位置で安定させることができる。ただし、本実施形態のように弱励磁切替（Ｓ１０３）を実行することで、搖動を抑制して搖動幅をコギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に早期に抑えることができ、電磁ブレーキによる所定箇所２１ａの上記範囲Ｂ１、Ｂ２内への停止の確実性が向上する。

また、回転制御部４は、一相通電開始後、電磁ブレーキなしに、弱励磁切替のみ実行しても良い。つまり、回転制御部４は、図４において、Ｓ１０４及びＳ１０５を除いた制御を実行するように設定されても良い。この構成によっても、図６に示すように、ロータ２１の所定箇所を早期に初期位置で安定させることができる。図６の点線は弱励磁切替なしの場合のロータ２１の搖動を表し、図６の実線は弱励磁切替ありの場合（本実施形態の変形態様）のロータ２１の搖動を表している。

また、回転制御部４は、励磁を弱励磁に切り替える際に、励磁を徐々に弱くしていっても良い。また、回転制御部４は、一相通電開始直後（第一所定時間ｔ１は０に近い）に弱励磁切替を行っても良い。

また、ステータコイル２の結線は、スター結線であっても良い。また、一相通電により励磁される極部が、コギング安定位置Ａ１〜Ａ１２と同位置（同じ回転角）にある場合（例えばスター結線の場合）、当該極部と同位置のコギング安定位置が初期位置となる。例えば、極部２Ｗ１とコギング安定位置Ａ１とが同位置にある場合、初期位置はコギング安定位置Ａ１となる。この場合、第二所定時間ｔ２は、ロータ２１の所定箇所２１ａの搖動が極部２Ｗ１を中心とした３０度範囲（コギング角度範囲Ｂ１）内に収まる時間以上、搖動停止時間未満に設定される。この角度範囲（３０度）は、極２Ｗ１を中心とした±１５度（半コギング角度範囲）であり、非励磁状態でロータ２１の所定箇所２１ａが初期位置Ａ１に引き付けられる角度範囲を意味する。

なお、本明細書において、「近接」とは、同位置（同回転角：同位相）を含む意味で用いている。また、説明上、ロータ２の所定個所２１ａを規定したが、結果として一相通電により所定個所２１ａが初期位置Ａ１、Ａ２に移動すれば良く、ロータ２１の回転角（位相）に基づいてロータ２１の位置を規定しても良い。

また、第二所定時間ｔ２は、ロータ２１の所定箇所２１ａの搖動が最大となる場合において、所定箇所２１ａがコギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に最初に到達する時間に設定しても良い。これにより、所定箇所２１ａは、一相通電開始時にどの位置にあっても、第二所定時間ｔ２経過時にはコギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に位置するため、電磁ブレーキによりさらに早期に上記範囲Ｂ１、Ｂ２内に停止させることができる。この場合も、第二所定時間ｔ２は、弱励磁切替の有無に応じて実験等で算出できる。ただし、コギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内での停止の確実性の面では、弱励磁切替後に電磁ブレーキをかける本実施形態のほうが有利である。また、第一所定時間ｔ１は、ロータ２１の所定箇所が初期位置Ａ１、Ａ２から最も遠い位置（最大振幅となる位置）にある場合を想定して、ロータ２１の所定箇所がコギング角度範囲Ｂ１、Ｂ２内に入るまでの時間に設定しても良い。

１：モータ制御装置、
２：３相モータ、２１：ロータ、２２：ステータ、
２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ：ステータコイル、
２Ｕ１、２Ｕ２、２Ｖ１、２Ｖ２、２Ｗ１、２Ｗ２：極部、
３：スイッチング回路部、３１〜３６：トランジスタ（スイッチング素子）、
４：回転制御部、５：位置検出部、
Ａ１〜Ａ１２：コギング安定位置、Ｂ１〜Ｂ１２：コギング角度範囲

Claims

制御信号に基づいて複数のスイッチング素子に通電して３相モータの回転を制御する回転制御部を備え、回転開始前にロータの所定箇所を初期位置にまで移動させるために前記回転制御部が一相通電を実行するモータ制御装置であって、
前記ロータに生じるコギングトルクにより非励磁状態で前記ロータの所定箇所が安定する位置をコギング安定位置とし、各前記コギング安定位置に設定され非励磁状態で前記ロータの所定箇所が前記コギング安定位置に引き付けられる角度範囲をコギング角度範囲とすると、
前記初期位置は、前記一相通電により励磁されるステータコイルが配置された一極部に近接する前記コギング安定位置であり、
前記回転制御部は、前記一相通電開始から前記一相通電による前記ロータの揺動が停止するまでの間に、前記ロータに対して電磁ブレーキをかけるように前記スイッチング素子に通電し、前記ロータの所定箇所を前記初期位置に対応する前記コギング角度範囲内に停止させるモータ制御装置。
請求項１において、
前記回転制御部は、前記一相通電開始から前記電磁ブレーキをかけるまでの間に、前記一相通電による励磁を前記一相通電開始時の励磁より弱くするモータ制御装置。
制御信号に基づいて複数のスイッチング素子に通電して３相モータの回転を制御する回転制御部を備え、回転開始前にロータの所定箇所を初期位置まで回転させるために一相通電を実行するモータ制御装置であって、
前記回転制御部は、前記一相通電開始から前記一相通電による前記ロータの揺動が停止するまでの間に、前記一相通電による励磁を前記一相通電開始時の励磁より弱くするモータ制御装置。