WO2007094210A1 - 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

明 細 書

ブラシレスモータ制御方法及びブラシレスモータ

技術分野

[0001] 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 ノ 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。 背景技術

[0002] 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 ( 、わゆる電動パワーステ ァリング装置、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。

[0003] 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 力 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。

[0004] そこで、このようなモータ出力の低減を改善すベぐ正 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〖こすることができる。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。

[0005] ここで、トルク Tと角速度 ω、誘起電圧 Ε、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)。

Τ(θ)· ω(θ ) = Eu( θ)·1η(θ ) + Εν( θ)·Ιν(θ ) + Ew( 0)-Iw(0)

= Ed(0)-Id(0) + Eq(0)-Iq(0) (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、 Τ(θ)を一定、すなわち、 Ε·Ι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 Ε·Ι=Τが一定となり、トル ク変動が抑えられる。

[0006] 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。

特許文献 1：特開 2004-274963号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、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 ク変動が大きくなつ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 フィーリングの悪ィ匕の原因となるという問題があった。

[0008] 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。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明のブラシレスモータ制御方法は、電機子卷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、前記電機子卷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 伴って前記電機子卷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。

[0010] 本発明のブラシレスモータ制御方法にあっては、電機子卷線電流の高調波成分含 有率と、電機子卷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卷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 Ε · Ιが一定となり、 トルクリップルが抑えられる。

[0011] 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 電機子卷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 、 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 成としても良ぐまた、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。

[0012] 一方、本発明のブラシレスモータは、電機子卷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、前記電機子卷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卷線 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。

[0013] 本発明のブラシレスモータにあっては、電機子卷線電流の高調波成分含有率と、 電機子卷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卷線に供給される。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 Ε·Ιが一定となり、トルク リップルが抑えられる。

発明の効果

[0014] 本発明のブラシレスモータ制御方法によれば、電機子卷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卷線に対し、高調波成分を含んだ電流を供給すると共 に、この電機子卷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 卷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卷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。

[0015] 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、路面状態によつ 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。

[0016] 本発明のブラシレスモータによれば、電機子卷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、電機子卷線に高調波成分を含んだ電流が供給され、この電機子卷線 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卷線に発生する誘導 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、電機子卷線に 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。

[0017] 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。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]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 2]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 3]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。

[図 4]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。

[図 5] (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。

[図 6] (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

[0019] 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 ステアリングホイ一ノレ ステアリングギヤボックス タイロッド、

車輪

アシストモータ部 減速機構部

トノレクセンサ

制御装置

ステータ

ロータ

ハウジング ステータコア

卷線

継鉄部

ティース

スロット

給電配線

ブラケット

回転軸

ロータコア

マグネット

マグネットホノレダ ベアリング

ベアリング

スプライン咅

レゾノレノ

レゾノレバステータ レゾノレ/くロータ コィノレ 発明を実施するための最良の形態

[0020] 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。

[0021] 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-ォ 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 、ナックルアーム等を介して、車輪 7が左右に転舵する。

[0022] 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。

[0023] 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 1 1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 ァリングシャフト 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-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。

[0024] 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に卷装された卷線 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。

[0025] 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には卷線 25が集中 卷にて卷装されており、卷線 25は各スロット 28内に収容されている。卷線 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。卷線 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。

[0026] 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。

[0027] 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に取り付けられたべアリン 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嚙合している

[0028] 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、口 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が卷装されており、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。

[0029] 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、卷線 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。

[0030] このような EPS 1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 力も給電配線 29を介して卷線 25に電力が供給される。卷線 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。

[0031] 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、卷線 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。

[0032] 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。

[0033] 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 Ε·Ι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!、うメリットも損なわれな 、。

[0034] 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、路面状態によつ 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。

[0035] 本発明は前記実施例に限定されるものではなぐ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 、。

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ぐ誘起電圧波形に 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ぐ要は、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。

[0036] 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 た力 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力 本発明は、 ステータの外側にロータを配したァウタロータ型のブラシレスモータにも適用可能で ある。力！]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力 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、ラック軸と嚙合するピ-オンギヤに補助力を付与するピ-オンアシスト式の EPS 用モータにも適用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 電機子卷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、 前記電機子卷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卷線 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ぉ 、て、前記高調波成分含有率の差 異は、前記電機子卷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] 電機子卷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、

前記電機子卷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卷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。