JP2004015968A - ブラシレスモータ駆動制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブラシレスモータに関し、特に、低トルク負荷領域において高回転数を実現しつつ、トルクリップルを低減したブラシレスモータの駆動制御装置を提供すること。
【解決手段】複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、励磁相電流指令信号が矩形波以外の形状を持ち、その励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、前記ブラシレスモータの運転速度範囲を矩形波形状の励磁電流駆動制御時の運転速度範囲より広げるようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって達成される。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、励磁相電流指令信号が矩形波以外の形状を持ち、その励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、前記ブラシレスモータの運転速度範囲を矩形波形状の励磁電流駆動制御時の運転速度範囲より広げるようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって達成される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置に関し、特に、低トルク負荷領域において高回転数を実現しつつ、トルクリップルを低減したブラシレスモータの駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のパワーステアリング装置の駆動源として用いられているブラシレスモータは３相以上の励磁相を有するモータであり、その駆動は矩形波状の励磁電流によって行われている。
【０００３】
例えば５相ブラシレスモータの場合、モータ駆動回路は、モータの回転子（ロータ）の外周面を電気角で７２度ずつ離隔して取り囲むように配設された５相（以下、これらをａ相〜ｅ相という）の励磁コイルａ〜ｅに対し、マイクロコンピュータ等の制御回路による制御下で、４相同時に励磁する４相励磁方式により、コイルを１相ずつ順次切り換えて矩形波電流で励磁することにより、ロータを回転駆動させている。この４相励磁方式では、モータ電流は５相のうちの４つの相に流れることになるが、各相にバランスよく電流を流すために、各励磁コイルの抵抗は全て等しくなるように形成されている。
【０００４】
このようなモータ駆動回路は、通常１０個の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成されている。これら１０個のトランジスタは、対応する２個のトランジスタを直列接続して５つの直列トランジスタ回路を形成し、それぞれを電源の正負両端子間に接続すると共に、各直列トランジスタ回路の２個のトランジスタの接続部をそれぞれＹ字形にスター結線した５個の励磁コイルａ〜ｅの外端に接続することにより、モータのコイル回路と接続している。
【０００５】
このモータ駆動回路から各励磁コイルへ供給される励磁電流（矩形波）の方向及び長さは、ロータの回転角（電気角）の値に対して例えば図７に示すようになる。すなわち、電気角で３６度毎に順次１相ずつ励磁コイルを切り替え、１つの相コイルを電気角で１４４度の間励磁することにより、ロータを連続して回転させるようになっている。この図７では、電気角をθとしたとき、０°≦θ＜３６°， ３６°≦θ＜７２°，７２°≦θ＜１０８°，１０８°≦θ＜１４４°，１４４°≦θ＜１８０°，１８０°≦θ＜２１６°，２１６°≦θ＜２５２°，２５２°≦θ＜２８８°，２８８°≦θ＜３２４°，３２４°≦θ＜３６０°の区間をそれぞれ（１），・・・・，（１０）で表わしている。
【０００６】
本例の場合、ａ相の電流は区間（１）及び（２）で＋方向に流れ、区間（３）で０、区間（４）〜（７）で−方向に流れ、区間（８）で０、区間（９）から（１０）を経て再び区間（１）で＋方向に流れる。ｂ相の電流は、区間（１）〜（４）で＋方向に流れ、区間（５）で０、区間（６）〜（９）で−方向に流れ、区間（１０）で０、そして再び区間（１）で＋方向に流れる。ｃ相の電流は、区間（１）で−方向に流れ、区間（２）で０、区間（３）〜（６）で＋方向に流れ、区間（７）で０、区間（８）〜（１０）を経て再び区間（１）で−方向に流れる。ｄ相の電流は、区間（１）〜（３）で−方向に流れ、区間（４）で０、区間（５）〜（８）で＋方向に流れ、区間（９）で０、そして区間（１０）から再び−方向に流れる。ｅ相の電流は、区間（１）で０、区間（２）〜（５）で−方向に流れ、区間（６）で０、区間（７）〜（１０）で＋方向に流れ、再び区間（１）で０となる。従って、区間（１）〜（１０）の各境界（電気角で３６度毎の切替時）では、５つの励磁コイルのうちの２つが互いに逆向きに切り替えられることになる。
【０００７】
かかるブラシレスモータとして、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣＭ）と、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）が知られているが、前者の例としては、特開平１１−３５６０８３号公報や特願２００１−１６８１５１（本出願人と同一出願人によるもの）に開示されている転流制御を用いたものがあり、後者の例としては、特開２０００−２０１４６１号公報に開示されているものがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示すように、ＢＬＤＣＭは低トルク負荷領域において、ＰＭＳＭよりも回転数が低いが、低トルク負荷領域において弱め磁界制御を行うことにより回転数の向上を図ることは可能である。しかし、そうすることにより、トルクリップルが回転数向上に伴って増大し、そのトルクリップルによって騒音が発生するという問題がある。
【０００９】
一方、ＰＭＳＭは、弱め磁界制御により、低トルク負荷領域での回転数向上が容易にできるが、定格負荷領域では回転数が落ち、定格負荷領域でのモータの小型・高出力の面ではＢＬＤＣＭより劣るという問題がある。
【００１０】
電動パワーステアリング装置では、小型・高出力・低トルクリップル・低騒音のモータ及び制御装置が要求され、かつ、低トルク負荷時における高回転数（例えば、緊急回避等）も要求される。
【００１１】
本発明は、上述のような事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、上記ＢＬＤＣＭにおいて、低トルク負荷時において高回転数を実現するとともに、トルクリップルを抑制するようにしたブラシレスモータ駆動制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低トルク負荷領域において高回転数を実現しつつ、トルクリップルを低減したブラシレスモータの駆動制御装置に関し、本発明の上記目的は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、励磁相電流指令信号が矩形波以外の形状を持ち、その励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、前記ブラシレスモータの運転速度範囲を矩形波形状の励磁電流駆動制御時の運転速度範囲より広げるようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、転流時に、２相の転流相の励磁電流の変化率が一致するようになっている励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、弱め磁界を実現するようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって、効果的に達成される。
【００１４】
さらに、本発明の上記目的は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、台形波若しくは正弦波の励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、弱め磁界を実現するようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって、より効果的に達成される。
【００１５】
またさらに、本発明の上記目的は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、前記ブラシレスモータの誘導起電力、出力トルク及び回転速度から進角を含む励磁相電流指令信号を生成することを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって、より効果的に達成される。
【００１６】
さらにまた、本発明の上記目的は、前記ブラシレスモータのロータの回転角度が、ロータ位置検出器から検出されるロータ位置信号やモータ電流等に基づいて推定される角度推定信号により得られることを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置により、或いは、前記モータの回転速度が所定の値を上回ったときに、前記の進角による弱め磁界制御に遷移するように構成されたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって、より効果的に達成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
なお、本実施形態では、３相ブラシレスＤＣモータに適用した場合を例として説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の複数の励磁相（例えば５相）のブラシレスモータについても本発明を適用することができる。また、励磁相電流指令信号はハード又はソフトによって生成することができる。本実施形態では、この励磁相電流指令信号がソフトによって生成される。
【００１９】
本発明に係るブラシレスモータ駆動制御装置２０は、図１に示すように、各相電流指令信号発生器２１、各相電流制御器２２、モータ駆動回路２３及びロータ位置検出器２４で構成されている。ここで、各相電流指令信号発生器２１が励磁相電流指令信号生成手段に対応し、各相電流制御器２２及びモータ駆動回路２３が励磁電流制御手段に対応している。
【００２０】
各相電流指令信号発生器２１には図示しない外部回路からモータ電流指令信号Ｉｒｅｆが入力され、ロータ位置検出器２４からのロータ位置信号ＲＰも入力される。各相電流指令信号発生器２１はこれらの入力信号に基いて、各励磁相（ａ、ｂ、ｃ）の励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）を生成する。また、各相電流制御器２２では、各相電流指令信号発生器２１で生成された励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）に基づいて、モータ駆動回路２３を介して電流フイードバック制御により、各励磁相の励磁電流（ｉａ，ｉｂ，ｉｃ）は２相電流検出も３相電流検出信号を用いて制御するようになっている。
【００２１】
モータ駆動回路２３は、電源供給側（上段側）に３個、アース側（下段側）に３個配設された合計６個のトランジスタ（電界効果トランジスタＦＥＴ）Ｔ１〜Ｔ６で構成されている。これら６個のトランジスタは、上段側と下段側とで対応するトランジスタが直列接続され、これら直列接続の各トランジスタ対（Ｔ１−Ｔ２，Ｔ３−Ｔ４，Ｔ５−Ｔ６）の接続部は、３相ブラシレスＤＣモータ３０の各励磁コイルの外端と接続されている。そして、トランジスタＴ１〜Ｔ６のゲート駆動信号ＧＴ１〜ＧＴ６は、ロータ位置検出器２４から検出されたロータ位置信号ＲＰに基づいて、各相電流指令信号発生器２１を介して各相電流制御器２２により生成される。
【００２２】
転流タイミングは、ロータ位置信号ＲＰにより生成される。ロータ位置信号ＲＰは、ロータ位置検出器２４で検出されてから各相電流指令信号発生器２１に送られる。ロータ位置検出器２４は、ホール素子あるいはレゾルバ、もしくはエンコーダのいずれかによって構成しても良い。
【００２３】
図２は、モータ電流指令信号（Ｉｒｅｆ）及び各励磁相の励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）の一例を示す波形図である。図示されるように、転流してない時に、通電した各励磁相の励磁相電流指令信号の振幅は、モータ電流指令信号の振幅と同じで、符号は逆である。通電していない励磁相の励磁相電流指令信号の振幅はゼロである。
【００２４】
図２に示すように、転流時に、例えば電気角３０度で、通電していない転流相のａ相の励磁相電流指令信号ｉａｒｅｆは、ゼロより立ち上がる。通電していた転流相のｃ相の励磁相電流指令信号ｉｃｒｅｆは、ゼロに向けて立ち下がる。
【００２５】
以上のような構成において、低トルク負荷領域におけるブラシレスＤＣモータの高回転数実現と、それに伴うトルクリップルの増大を抑制する方法を以下に説明する。
【００２６】
１．転流制御を有する電流波形を進角させることにより、弱め磁界を実現し、高回転数を実現する。
【００２７】
即ち、図３に示すように、各励磁相の励磁相電流指令信号（点線で示した矩形波）を角度θだけ進めた（進角）波形（図の実線で示した矩形波）の励磁相電流指令信号を各相電流指令信号発生器２１で発生させ、各相電流制御器２２では、各相電流指令信号発生器２１で生成された励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）に基づいて、モータ駆動回路２３を介して電流フイードバック制御により、各励磁相の励磁電流（ｉａ、ｉｃ）を制御する。進角を行うことにより、電流の一部は磁界を弱める方向に働き、その他の部分はモータトルクを発生させる方向に働く。「弱め磁界」という手法は、回転数の最大値が総磁束に反比例するという性質を利用し、磁界を弱めて総磁束を下げ、回転数を高める手法である。また、転流制御であるので、トルクリップルを低く抑えることができる。つまり、転流制御は転流時に電流の立ち下がりと立ち上がりは従来の矩形波より緩やかになるので、電流の変化が少ない。その転流制御の機能に進角機能を追加することにより、低トルク領域での弱め磁界が実現でき、かつ、トルクリップルも従来の矩形波を進角させた場合より小さくなる。
【００２８】
２．台形波の電流波形を進角させることによって、弱め磁界を実現し、高回転数を実現する。
【００２９】
即ち、図４に示すように、各励磁相の励磁相電流指令信号（点線で示した台形波）を角度θだけ進めた（進角）波形（図の実線で示した台形波）の励磁相電流指令信号を各相電流指令信号発生器２１で発生させ、各相電流制御器２２では、各相電流指令信号発生器２１で生成された励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）に基づいて、モータ駆動回路２３を介して電流フイードバック制御により、各励磁相の励磁電流（ｉａ、ｉｃ）を制御するものである。
【００３０】
台形波は、矩形波と比較して、転流時の電流変化が緩やかであるので、トルクリップルを抑制することができる。
【００３１】
３．正弦波の電流波形を進角させることによって、弱め磁界を実現し、高回転数を実現する。
【００３２】
図５に示したように、これは、「２．」の台形波を正弦波に置き換えたものであり、同様の理由で、トルクリップの抑制を行うことができる。
【００３３】
４．誘導起電力（ＥＭＦ）波形と、トルク指令値Ｔｒｅｆと、角速度ωと、ロータの回転角θとから、各相電流指令信号発生器２１において進角を含む励磁相電流指令信号を求め、それに基づいて、モータ駆動回路２３を介して電流フイードバック制御により、各励磁相の励磁電流（ｉａ、ｉｃ）を制御する。ここで、ロータの回転角θはロータ位置検出器２４から検出されたロータ位置信号ＲＰやモータ電流等に基づいて推定された角度推定信号により得られる。
【００３４】
本発明は高回転数領域（低トルク負荷領域）における回転数の向上とトルクリップルの抑制を目的としているが、定格負荷領域（通常回転数領域）では進角させないで、モータ電流をすべてトルク発生に働かせた方が効率がよい。
【００３５】
そこで、通常回転数領域から高回転数領域に遷移するに伴って、通常の転流制御から前記１〜４のいずれかの制御手段に切り替わるように構成すればよい。
【００３６】
制御手段の切替は、モータの回転速度（角速度）が予め定めた値を上回ったときに行われるように、前記各相電流指令信号発生器２１内に基準となる角速度の値を格納しておき、実際の角速度と比較を行い、実際の角速度が基準値を上回ったときに、図示しない切り替え手段によって、前記１〜４のいずれかの制御手段に切り替わるように構成すればよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によるブラシレスモータ駆動制御装置によれば、小型・高出力で、低トルクリップルのブラシレスモータが実現でき、これにより、低騒音で、低トルク負荷領域での高回転数が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るブラシレスモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】３相ブラシレスモータにおけるモータ電流指令信号及び各励磁相の励磁電流指令信号の一例を示す波形図である。
【図３】本発明の第１実施例における、励磁電流指令信号を示す波形図である。
【図４】本発明の第２実施例における、励磁電流指令信号（台形波）を示す波形図である。
【図５】本発明の第３実施例における、励磁電流指令信号（正弦波）を示す波形図である。
【図６】本発明の第４実施例における、各相電流指令信号発生器への信号の入出力状態を表す図である。
【図７】５相ブラシレスモータにおける各励磁相の励磁電流の一例を示す波形図である。
【図８】回転数とトルクとの関係を、従来のＢＬＤＣＭとＰＭＳＭとの比較において示した図である。
【符号の説明】
２０ ブラシレスモータ駆動制御装置
２１ 各相電流指令信号発生器
２２ 各相電流制御器
２３ モータ駆動回路
２４ ロータ位置検出器
３０ ３相ブラシレスモータ
ａ、ｂ、ｃ 励磁相
ｉａ ａ相の励磁電流
ｉｂ ｂ相の励磁電流
ｉｃ ｃ相の励磁電流
ｉａｒｅｆ ａ相の励磁相電流指令信号
ｉｂｒｅｆ ｂ相の励磁相電流指令信号
ｉｃｒｅｆ ｃ相の励磁相電流指令信号
Ｉｒｅｆ モータ電流指令信号
ＧＴ１〜ＧＴ６ ゲート駆動信号
Ｔ１〜Ｔ６ トランジスタ
ＲＰ ロータ位置信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置に関し、特に、低トルク負荷領域において高回転数を実現しつつ、トルクリップルを低減したブラシレスモータの駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のパワーステアリング装置の駆動源として用いられているブラシレスモータは３相以上の励磁相を有するモータであり、その駆動は矩形波状の励磁電流によって行われている。
【０００３】
例えば５相ブラシレスモータの場合、モータ駆動回路は、モータの回転子（ロータ）の外周面を電気角で７２度ずつ離隔して取り囲むように配設された５相（以下、これらをａ相〜ｅ相という）の励磁コイルａ〜ｅに対し、マイクロコンピュータ等の制御回路による制御下で、４相同時に励磁する４相励磁方式により、コイルを１相ずつ順次切り換えて矩形波電流で励磁することにより、ロータを回転駆動させている。この４相励磁方式では、モータ電流は５相のうちの４つの相に流れることになるが、各相にバランスよく電流を流すために、各励磁コイルの抵抗は全て等しくなるように形成されている。
【０００４】
このようなモータ駆動回路は、通常１０個の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成されている。これら１０個のトランジスタは、対応する２個のトランジスタを直列接続して５つの直列トランジスタ回路を形成し、それぞれを電源の正負両端子間に接続すると共に、各直列トランジスタ回路の２個のトランジスタの接続部をそれぞれＹ字形にスター結線した５個の励磁コイルａ〜ｅの外端に接続することにより、モータのコイル回路と接続している。
【０００５】
このモータ駆動回路から各励磁コイルへ供給される励磁電流（矩形波）の方向及び長さは、ロータの回転角（電気角）の値に対して例えば図７に示すようになる。すなわち、電気角で３６度毎に順次１相ずつ励磁コイルを切り替え、１つの相コイルを電気角で１４４度の間励磁することにより、ロータを連続して回転させるようになっている。この図７では、電気角をθとしたとき、０°≦θ＜３６°， ３６°≦θ＜７２°，７２°≦θ＜１０８°，１０８°≦θ＜１４４°，１４４°≦θ＜１８０°，１８０°≦θ＜２１６°，２１６°≦θ＜２５２°，２５２°≦θ＜２８８°，２８８°≦θ＜３２４°，３２４°≦θ＜３６０°の区間をそれぞれ（１），・・・・，（１０）で表わしている。
【０００６】
本例の場合、ａ相の電流は区間（１）及び（２）で＋方向に流れ、区間（３）で０、区間（４）〜（７）で−方向に流れ、区間（８）で０、区間（９）から（１０）を経て再び区間（１）で＋方向に流れる。ｂ相の電流は、区間（１）〜（４）で＋方向に流れ、区間（５）で０、区間（６）〜（９）で−方向に流れ、区間（１０）で０、そして再び区間（１）で＋方向に流れる。ｃ相の電流は、区間（１）で−方向に流れ、区間（２）で０、区間（３）〜（６）で＋方向に流れ、区間（７）で０、区間（８）〜（１０）を経て再び区間（１）で−方向に流れる。ｄ相の電流は、区間（１）〜（３）で−方向に流れ、区間（４）で０、区間（５）〜（８）で＋方向に流れ、区間（９）で０、そして区間（１０）から再び−方向に流れる。ｅ相の電流は、区間（１）で０、区間（２）〜（５）で−方向に流れ、区間（６）で０、区間（７）〜（１０）で＋方向に流れ、再び区間（１）で０となる。従って、区間（１）〜（１０）の各境界（電気角で３６度毎の切替時）では、５つの励磁コイルのうちの２つが互いに逆向きに切り替えられることになる。
【０００７】
かかるブラシレスモータとして、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣＭ）と、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）が知られているが、前者の例としては、特開平１１−３５６０８３号公報や特願２００１−１６８１５１（本出願人と同一出願人によるもの）に開示されている転流制御を用いたものがあり、後者の例としては、特開２０００−２０１４６１号公報に開示されているものがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示すように、ＢＬＤＣＭは低トルク負荷領域において、ＰＭＳＭよりも回転数が低いが、低トルク負荷領域において弱め磁界制御を行うことにより回転数の向上を図ることは可能である。しかし、そうすることにより、トルクリップルが回転数向上に伴って増大し、そのトルクリップルによって騒音が発生するという問題がある。
【０００９】
一方、ＰＭＳＭは、弱め磁界制御により、低トルク負荷領域での回転数向上が容易にできるが、定格負荷領域では回転数が落ち、定格負荷領域でのモータの小型・高出力の面ではＢＬＤＣＭより劣るという問題がある。
【００１０】
電動パワーステアリング装置では、小型・高出力・低トルクリップル・低騒音のモータ及び制御装置が要求され、かつ、低トルク負荷時における高回転数（例えば、緊急回避等）も要求される。
【００１１】
本発明は、上述のような事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、上記ＢＬＤＣＭにおいて、低トルク負荷時において高回転数を実現するとともに、トルクリップルを抑制するようにしたブラシレスモータ駆動制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低トルク負荷領域において高回転数を実現しつつ、トルクリップルを低減したブラシレスモータの駆動制御装置に関し、本発明の上記目的は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、励磁相電流指令信号が矩形波以外の形状を持ち、その励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、前記ブラシレスモータの運転速度範囲を矩形波形状の励磁電流駆動制御時の運転速度範囲より広げるようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、転流時に、２相の転流相の励磁電流の変化率が一致するようになっている励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、弱め磁界を実現するようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって、効果的に達成される。
【００１４】
さらに、本発明の上記目的は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、台形波若しくは正弦波の励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、弱め磁界を実現するようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって、より効果的に達成される。
【００１５】
またさらに、本発明の上記目的は、複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、前記励磁相電流指令信号生成手段は、前記ブラシレスモータの誘導起電力、出力トルク及び回転速度から進角を含む励磁相電流指令信号を生成することを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって、より効果的に達成される。
【００１６】
さらにまた、本発明の上記目的は、前記ブラシレスモータのロータの回転角度が、ロータ位置検出器から検出されるロータ位置信号やモータ電流等に基づいて推定される角度推定信号により得られることを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置により、或いは、前記モータの回転速度が所定の値を上回ったときに、前記の進角による弱め磁界制御に遷移するように構成されたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置によって、より効果的に達成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
なお、本実施形態では、３相ブラシレスＤＣモータに適用した場合を例として説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の複数の励磁相（例えば５相）のブラシレスモータについても本発明を適用することができる。また、励磁相電流指令信号はハード又はソフトによって生成することができる。本実施形態では、この励磁相電流指令信号がソフトによって生成される。
【００１９】
本発明に係るブラシレスモータ駆動制御装置２０は、図１に示すように、各相電流指令信号発生器２１、各相電流制御器２２、モータ駆動回路２３及びロータ位置検出器２４で構成されている。ここで、各相電流指令信号発生器２１が励磁相電流指令信号生成手段に対応し、各相電流制御器２２及びモータ駆動回路２３が励磁電流制御手段に対応している。
【００２０】
各相電流指令信号発生器２１には図示しない外部回路からモータ電流指令信号Ｉｒｅｆが入力され、ロータ位置検出器２４からのロータ位置信号ＲＰも入力される。各相電流指令信号発生器２１はこれらの入力信号に基いて、各励磁相（ａ、ｂ、ｃ）の励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）を生成する。また、各相電流制御器２２では、各相電流指令信号発生器２１で生成された励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）に基づいて、モータ駆動回路２３を介して電流フイードバック制御により、各励磁相の励磁電流（ｉａ，ｉｂ，ｉｃ）は２相電流検出も３相電流検出信号を用いて制御するようになっている。
【００２１】
モータ駆動回路２３は、電源供給側（上段側）に３個、アース側（下段側）に３個配設された合計６個のトランジスタ（電界効果トランジスタＦＥＴ）Ｔ１〜Ｔ６で構成されている。これら６個のトランジスタは、上段側と下段側とで対応するトランジスタが直列接続され、これら直列接続の各トランジスタ対（Ｔ１−Ｔ２，Ｔ３−Ｔ４，Ｔ５−Ｔ６）の接続部は、３相ブラシレスＤＣモータ３０の各励磁コイルの外端と接続されている。そして、トランジスタＴ１〜Ｔ６のゲート駆動信号ＧＴ１〜ＧＴ６は、ロータ位置検出器２４から検出されたロータ位置信号ＲＰに基づいて、各相電流指令信号発生器２１を介して各相電流制御器２２により生成される。
【００２２】
転流タイミングは、ロータ位置信号ＲＰにより生成される。ロータ位置信号ＲＰは、ロータ位置検出器２４で検出されてから各相電流指令信号発生器２１に送られる。ロータ位置検出器２４は、ホール素子あるいはレゾルバ、もしくはエンコーダのいずれかによって構成しても良い。
【００２３】
図２は、モータ電流指令信号（Ｉｒｅｆ）及び各励磁相の励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）の一例を示す波形図である。図示されるように、転流してない時に、通電した各励磁相の励磁相電流指令信号の振幅は、モータ電流指令信号の振幅と同じで、符号は逆である。通電していない励磁相の励磁相電流指令信号の振幅はゼロである。
【００２４】
図２に示すように、転流時に、例えば電気角３０度で、通電していない転流相のａ相の励磁相電流指令信号ｉａｒｅｆは、ゼロより立ち上がる。通電していた転流相のｃ相の励磁相電流指令信号ｉｃｒｅｆは、ゼロに向けて立ち下がる。
【００２５】
以上のような構成において、低トルク負荷領域におけるブラシレスＤＣモータの高回転数実現と、それに伴うトルクリップルの増大を抑制する方法を以下に説明する。
【００２６】
１．転流制御を有する電流波形を進角させることにより、弱め磁界を実現し、高回転数を実現する。
【００２７】
即ち、図３に示すように、各励磁相の励磁相電流指令信号（点線で示した矩形波）を角度θだけ進めた（進角）波形（図の実線で示した矩形波）の励磁相電流指令信号を各相電流指令信号発生器２１で発生させ、各相電流制御器２２では、各相電流指令信号発生器２１で生成された励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）に基づいて、モータ駆動回路２３を介して電流フイードバック制御により、各励磁相の励磁電流（ｉａ、ｉｃ）を制御する。進角を行うことにより、電流の一部は磁界を弱める方向に働き、その他の部分はモータトルクを発生させる方向に働く。「弱め磁界」という手法は、回転数の最大値が総磁束に反比例するという性質を利用し、磁界を弱めて総磁束を下げ、回転数を高める手法である。また、転流制御であるので、トルクリップルを低く抑えることができる。つまり、転流制御は転流時に電流の立ち下がりと立ち上がりは従来の矩形波より緩やかになるので、電流の変化が少ない。その転流制御の機能に進角機能を追加することにより、低トルク領域での弱め磁界が実現でき、かつ、トルクリップルも従来の矩形波を進角させた場合より小さくなる。
【００２８】
２．台形波の電流波形を進角させることによって、弱め磁界を実現し、高回転数を実現する。
【００２９】
即ち、図４に示すように、各励磁相の励磁相電流指令信号（点線で示した台形波）を角度θだけ進めた（進角）波形（図の実線で示した台形波）の励磁相電流指令信号を各相電流指令信号発生器２１で発生させ、各相電流制御器２２では、各相電流指令信号発生器２１で生成された励磁相電流指令信号（ｉａｒｅｆ、ｉｂｒｅｆ、ｉｃｒｅｆ）に基づいて、モータ駆動回路２３を介して電流フイードバック制御により、各励磁相の励磁電流（ｉａ、ｉｃ）を制御するものである。
【００３０】
台形波は、矩形波と比較して、転流時の電流変化が緩やかであるので、トルクリップルを抑制することができる。
【００３１】
３．正弦波の電流波形を進角させることによって、弱め磁界を実現し、高回転数を実現する。
【００３２】
図５に示したように、これは、「２．」の台形波を正弦波に置き換えたものであり、同様の理由で、トルクリップの抑制を行うことができる。
【００３３】
４．誘導起電力（ＥＭＦ）波形と、トルク指令値Ｔｒｅｆと、角速度ωと、ロータの回転角θとから、各相電流指令信号発生器２１において進角を含む励磁相電流指令信号を求め、それに基づいて、モータ駆動回路２３を介して電流フイードバック制御により、各励磁相の励磁電流（ｉａ、ｉｃ）を制御する。ここで、ロータの回転角θはロータ位置検出器２４から検出されたロータ位置信号ＲＰやモータ電流等に基づいて推定された角度推定信号により得られる。
【００３４】
本発明は高回転数領域（低トルク負荷領域）における回転数の向上とトルクリップルの抑制を目的としているが、定格負荷領域（通常回転数領域）では進角させないで、モータ電流をすべてトルク発生に働かせた方が効率がよい。
【００３５】
そこで、通常回転数領域から高回転数領域に遷移するに伴って、通常の転流制御から前記１〜４のいずれかの制御手段に切り替わるように構成すればよい。
【００３６】
制御手段の切替は、モータの回転速度（角速度）が予め定めた値を上回ったときに行われるように、前記各相電流指令信号発生器２１内に基準となる角速度の値を格納しておき、実際の角速度と比較を行い、実際の角速度が基準値を上回ったときに、図示しない切り替え手段によって、前記１〜４のいずれかの制御手段に切り替わるように構成すればよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によるブラシレスモータ駆動制御装置によれば、小型・高出力で、低トルクリップルのブラシレスモータが実現でき、これにより、低騒音で、低トルク負荷領域での高回転数が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るブラシレスモータ駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】３相ブラシレスモータにおけるモータ電流指令信号及び各励磁相の励磁電流指令信号の一例を示す波形図である。
【図３】本発明の第１実施例における、励磁電流指令信号を示す波形図である。
【図４】本発明の第２実施例における、励磁電流指令信号（台形波）を示す波形図である。
【図５】本発明の第３実施例における、励磁電流指令信号（正弦波）を示す波形図である。
【図６】本発明の第４実施例における、各相電流指令信号発生器への信号の入出力状態を表す図である。
【図７】５相ブラシレスモータにおける各励磁相の励磁電流の一例を示す波形図である。
【図８】回転数とトルクとの関係を、従来のＢＬＤＣＭとＰＭＳＭとの比較において示した図である。
【符号の説明】
２０ ブラシレスモータ駆動制御装置
２１ 各相電流指令信号発生器
２２ 各相電流制御器
２３ モータ駆動回路
２４ ロータ位置検出器
３０ ３相ブラシレスモータ
ａ、ｂ、ｃ 励磁相
ｉａ ａ相の励磁電流
ｉｂ ｂ相の励磁電流
ｉｃ ｃ相の励磁電流
ｉａｒｅｆ ａ相の励磁相電流指令信号
ｉｂｒｅｆ ｂ相の励磁相電流指令信号
ｉｃｒｅｆ ｃ相の励磁相電流指令信号
Ｉｒｅｆ モータ電流指令信号
ＧＴ１〜ＧＴ６ ゲート駆動信号
Ｔ１〜Ｔ６ トランジスタ
ＲＰ ロータ位置信号
Claims (7)
- 複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、
前記励磁相電流指令信号生成手段は、励磁相電流指令信号が矩形波以外の形状を持ち、その励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、前記ブラシレスモータの運転速度範囲を矩形波形状の励磁電流駆動制御時の運転速度範囲より広げるようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置。 - 複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、
前記励磁相電流指令信号生成手段は、転流時に、２相の転流相の励磁電流の変化率が一致するようになっている励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、弱め磁界を実現するようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置。 - 複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、
前記励磁相電流指令信号生成手段は、台形波の励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、弱め磁界を実現するようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置。 - 複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、
前記励磁相電流指令信号生成手段は、正弦波の励磁相電流指令信号の電気角を所定の角度分進めることにより、弱め磁界を実現するようにしたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置。 - 複数の励磁相を有するブラシレスモータの駆動制御装置において、前記励磁相毎に励磁相電流指令信号を生成する励磁相電流指令信号生成手段と、前記励磁相電流指令信号生成手段で生成された前記励磁相電流指令信号に基いて電流フィードバック制御により前記励磁相毎に励磁電流を制御する励磁電流制御手段とを備え、
前記励磁相電流指令信号生成手段は、前記ブラシレスモータの誘導起電力、出力トルク及び回転速度から進角を含む励磁相電流指令信号を生成することを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置。 - 前記ブラシレスモータのロータの回転角度が、ロータ位置検出器から検出されるロータ位置信号やモータ電流等に基づいて推定される角度推定信号により得られることを特徴とする請求項５に記載のブラシレスモータ駆動制御装置。
- 前記モータの回転速度が所定の値を上回ったときに、前記請求項１乃至６のいずれかに記載された進角による弱め磁界制御に遷移するように構成されたことを特徴とするブラシレスモータ駆動制御装置。
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