JP2004201364A - 電動モータ装置及び操舵システム - Google Patents
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Abstract
【課題】フェールセーフ機能を備えると共に、従来より低コスト化及びコンパクト化が可能な電動モータ装置及び操舵システムを提供する。
【解決手段】電動モータ装置１０では、通常は、第１及び第２の系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂが協働してロータ２５を回転させ、一方の系統に異常が発生したときには、他方の系統の巻線のみでロータ２５を回転させる。これにより、何れかの系統に異常発生したと同時に電動モータ１４が停止することが防がれ、フェールセーフを図ることをができる。また、本発明の構成によれば、従来のように２つのアクチュエータを設けた構成に比べて、部品点数が削減され、従来より低コスト化及びコンパクト化が図られる。
【選択図】 図１
【解決手段】電動モータ装置１０では、通常は、第１及び第２の系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂが協働してロータ２５を回転させ、一方の系統に異常が発生したときには、他方の系統の巻線のみでロータ２５を回転させる。これにより、何れかの系統に異常発生したと同時に電動モータ１４が停止することが防がれ、フェールセーフを図ることをができる。また、本発明の構成によれば、従来のように２つのアクチュエータを設けた構成に比べて、部品点数が削減され、従来より低コスト化及びコンパクト化が図られる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータを駆動回路にて駆動する電動モータ装置と、そのような電動モータ装置を用いて、車両のステアリングから機械的に切り離された操舵輪の舵角を、ステアリングの操作角に基づいて位置決め制御する操舵システム等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の操舵システムとして、車両のステアリングから機械的に切り離された操舵輪の舵角を、ステアリングの操作角に基づいて電動モータ等のアクチュエータにて位置決め制御する所謂ステアリングバイワイヤシステムが開発されている。このような操舵システムにおいて、アクチュエータに異常が発生した場合に対するフェールセーフ機能を備えた構成として、アクチュエータを２つ設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３７１１２号公報（段落［０００２］、［００１６］第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の操舵システムでは、アクチュエータを２つ設けたのでコストが高くなりかつ、電動モータ装置全体及び操舵システム全体が大型化するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、フェールセーフ機能を備えると共に、従来より低コスト化及びコンパクト化が可能な電動モータ装置及び操舵システムの提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る電動モータ装置は、電動モータと、電動モータのステータに備えた複数の巻線を励磁する駆動回路と、駆動回路を制御する制御装置とを備えた電動モータ装置であって、駆動回路は、第１駆動回路と第２駆動回路とから構成され、巻線を、第１駆動回路により通電される第１系統の複数の巻線と、第２駆動回路により通電される第２系統の複数の巻線とに分け、それら第１系統の巻線と第２系統の巻線とをステータの周方向に散在させて配置し、常には、第１系統及び第２系統の巻線が協働してロータを回転させ、一方の系統に異常が発生したときには他方の系統の巻線のみでロータを回転させるように制御装置が駆動回路を制御するところに特徴を有する。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電動モータ装置において、電動モータは、ロータの位置に応じて第１系統及び第２系統の巻線に流す電流の位相が変更される交流モータであって、ロータの位置を検出する位置センサを、第１系統及び第２系統で兼用して１つ備えたところに特徴を有する。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１に記載の電動モータ装置において、電動モータは、ロータの位置に応じて第１系統及び第２系統の巻線に流す電流の位相が変更される交流モータであって、ロータの位置を検出する位置センサを、第１系統及び第２系統ごとに別々に設け、何れか一方の位置センサに異常が発生した場合には、他方の位置センサに基づいて、第１系統及び第２系統の一方又は両方を通電するように構成したところに特徴を有する。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項２又は３に記載の電動モータ装置において、第１系統及び第２系統の巻線は、ステータの周方向に交互に配置され、隣り合った第１系統及び第２系統の巻線がそれぞれ巻回されたステータにおけるティースの開き角度を、それら隣り合った第１系統及び第２系統の巻線に流れる電流の位相差としたところに特徴を有する。
【００１０】
請求項５の発明に係る操作システムは、車両のステアリングと操舵輪とを機械的に切り離し、ステアリングの操作角に基づいて操舵輪の舵角を請求項１乃至４の何れかに記載の電動モータ装置で位置決め制御するように構成したところに特徴を有する。
【００１１】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
請求項１の電動モータ装置では、通常は、第１系統及び第２系統の巻線が協働してロータを回転させ、一方の系統に異常が発生したときには、他方の系統の巻線のみでロータを回転させる。これにより、何れかの系統に異常発生したと同時に電動モータが停止することが防がれ、１つの電動モータでフェールセーフを図ることをができる。従って、本発明によれば、従来のように２つのアクチュエータを設けた構成に比べて、部品点数が削減され、従来より低コスト化及びコンパクト化を図ることができる。しかも、第１系統及び第２系統の巻線がステータを共有するので、各系統毎に別々のステータを軸方向に並べた場合に比べて、コスト及び軸方向のサイズを抑えることができる。
【００１２】
＜請求項２の発明＞
請求項２の電動モータ装置における電動モータは交流モータであり、その交流モータのロータの位置を検出するための位置センサが、第１系統及び第２系統で兼用して１つ備えられたので、位置センサを各系統毎に２つ備えたものに比べて部品点数が削減され、コストを抑えることができる。
【００１３】
＜請求項３の発明＞
請求項３の電動モータ装置における電動モータは交流モータであり、その交流モータのロータの位置を検出する位置センサが、第１及び第２の各系統ごとに別々に設けられ、何れか一方の位置センサが停止した場合に、他方の位置センサに基づいて第１及び第２の系統の一方又は両方を通電するので、位置センサにおける異常発生と同時に電動モータが停止することを防がれる。
【００１４】
＜請求項４の発明＞
請求項４の電動モータ装置では、隣り合った第１系統及び第２系統の巻線の電流位相を、隣り合ったティース同士の開き角度に相当する角度だけずらしたことで、第１系統及び第２系統の巻線の位置位相のずれをキャンセルすることができ、トルクリップルを低減させて電動モータをスムーズに駆動することができる。
【００１５】
＜請求項５の発明＞
請求項５の操舵システムでは、車両のステアリングから機械的に切り離された操舵輪の舵角が、請求項１乃至４の何れかに記載の電動モータ装置で位置決め制御されるので、低コストで操舵システムにおけるフェールセーフが図れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を図１に基づいて説明する。図１には、本実施形態の電動モータ装置１０が示されており、この電動モータ装置１０は、制御装置１１から出力された制御信号に基づいて、第１及び第２の駆動回路１２，１３により電動モータ１４を駆動する構成になっている。
【００１７】
電動モータ１４は、例えば三相交流ブラシレスモータであり、電動モータ１４に備えたステータコア１５の内周面には、周方向に複数のティース１６が設けらている。そして、これら各ティース１６に電線を集中巻きすることで、各ティース１６毎に１つずつの巻線１７が備えられている。
【００１８】
これら複数の巻線１７は、第１駆動回路１２によって励磁される複数の巻線１７Ａと、第２駆動回路１３によって励磁される複数の巻線１７Ｂとからなる。より具体的には、ティース１６は全部で例えば１２個設けられ、従って巻線１７も全部で１２個設けられている。そして、１２個のティース１６に１つおきに備えられた６個の巻線１７Ａが第１駆動回路１２に接続されて、第１系統１８Ａの回路が構成される一方、残りの６個の巻線１７Ｂが第２駆動回路１３に接続されて、第２系統１８Ｂの回路が構成されている。
【００１９】
第１駆動回路１２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴをスイッチ素子（図示せず）として備えた三相ブリッジ回路となっており、制御装置１１からの制御信号によってそれらＭＯＳＦＥＴがオンオフされて、第１系統１８Ａに三相交流電流を流す。ここで、第１系統１８Ａの巻線１７Ａは、図１の電動モータ１４の平断面において、左右方向の中央かつ上側に配置された巻線１７Ａ（図１における符合１７Ａ（Ｕ）参照）から反時計周り方向の順に、三相交流におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流が流される。
【００２０】
前記した第１駆動回路１２と同様に、第２駆動回路１３も三相ブリッジ回路となっており、制御装置１１からの制御信号に基づいて第２系統１８Ｂに三相交流電流を流す。また、第２系統の巻線１７Ｂは、図１において前記第１系統１８ＡのＵ相の巻線１７Ａ（Ｕ）の左隣に位置した巻線１７Ｂ（図１における符合１７Ｂ（Ｕ）参照）から反時計周り方向の順に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流が流される。
【００２１】
なお、各系統１８Ａ，１８ＢにおけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流は、１２０度ずつ位相がずれており、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対して位相を１８０度反転させたものである。また、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相用の巻線１７Ａ（１７Ｂ）は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相用の巻線１７Ａ（１７Ｂ）に対して巻回方向を逆にすることで、位相が１８０度反転されている。
【００２２】
ステータコア１５の内側に遊嵌されたロータ２５の外周面には、永久磁石２６が嵌合されている。この永久磁石２６は、例えば、ロータ２５の周方向を１４等配した位置に、それぞれＮ極、Ｓ極を交互に配置した１４極構造になっている。
【００２３】
制御装置１１は、後述する位置センサ２７が検出したロータ２５の回転位置に応じて、各駆動回路１２，１３のＭＯＳＦＥＴをオンオフさせるための制御信号を生成する。ここで、制御装置１１は、隣り合ったティース１６，１６に備えられた巻線１７Ａ，１７Ｂに流れる電流位相が、それら隣り合ったティース１６，１６同士の開き角度に相当する角度だけずれるように各駆動回路１２，１３を制御する。
【００２４】
具体的には、本実施形態では、隣り合ったティース１６，１６の開き角度は３０度（＝３６０°／１２）であるので、例えば、第１系統１８ＡのＵ相の電流に対し、その隣の第２系統１８ＢのＵ相の電流の位相を３０度（＝隣り合ったティース１６，１６同士の開き角度）だけずらして給電を行うように、制御装置１１が各駆動回路１２，１３を制御している。また、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相に関しても同様である。
【００２５】
電動モータ１４には、ロータ２５の回転位置を検出するための位置センサ２７が備えられている。位置センサ２７は、例えば、光学式のアブソリュートエンコーダであり、ロータ２５と共に回転する回転スリット板（図示せず）と、ステータコア１５側に固定されて、前記回転スリット板の回転位置を検出する光学素子（図示せず）とを備え、その光学素子が、例えば、第１系統１８ＡのＵ相の巻線１７Ａを巻回したティース１６と、第２系統１８ＢのＵ相の巻線１７Ｂを巻回したティース１６とを対称に分ける対称面に配置されている。そして、回転スリット板に設定した基準点が光学素子に対面する位置を、ロータ２５の原点位置として、その原点位置からロータ２５が何度回転したかを検出している。従って、回転スリット板の基準点が第１系統１８ＡのＵ相の電流が流れる巻線１７Ａの中心に一致する位置は、ロータ２５の原点位置に対し、図１において反時計回り方向に−１５度ずれている。一方、回転スリット板の基準点が第２系統１８ＢのＵ相の電流が流れる巻線１７Ｂの中心に一致する位置は、前記原点位置に対し、図１において反時計回り方向に＋１５度ずれている。
【００２６】
そこで、制御装置１１は、位置センサ２７の位置検出信号に−１５度の補正を施した位置データに基づいて、第１駆動回路１２に対する制御信号を生成する一方、位置センサ２７の位置検出信号に＋１５度の補正を施した位置データに基づいて、第２駆動回路１３に対する制御信号を生成する。これらにより、第１系統１８ＡのＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流に対し、第２系統１８ＢのＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流の位相が３０度ずらされる。
【００２７】
次に、上記構成からなる本実施形態の動作を説明する。
本実施形態の電動モータ装置１０では、通常は、第１系統１８Ａ及び第２系統１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂが協働してロータ２５を回転させ、一方の系統に異常が発生したときには、他方の系統の巻線のみでロータ２５を回転させる。これにより、何れかの系統に異常発生したと同時に電動モータ１４が停止することが防がれ、１つの電動モータ１４でフェールセーフを図ることをができる。従って、本実施形態の電動モータ装置１０によれば、従来のように２つのアクチュエータを設けた構成に比べて、部品点数が削減され、コストを抑えることができると共に、コンパクト化を図ることができる。しかも、第１系統１８Ａ及び第２系統１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂがステータ１５を共有するので、各系統１８Ａ，１８Ｂ毎に別々のステータを軸方向に並べた場合に比べて、軸方向のサイズ及びコストを抑えることができる。
【００２８】
また、本実施形態では、電動モータ１４のロータ２５の位置を検出するための位置センサ２７を、第１系統１８Ａ及び第２系統１８Ｂで兼用して１つ備えられているので、位置センサを各系統１８Ａ，１８Ｂ毎に２つ備えた場合に比べて部品点数が削減され、コストを抑えることができる。
【００２９】
さらに本実施形態の電動モータ装置１０では、第１及び第２の両系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂに通電するときには、隣り合ったティース１６，１６同士の開き角度に相当する角度だけ、隣り合った両系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂの電流位相をずらすことで、両巻線１７Ａ，１７Ｂの位置位相のずれをキャンセルすることができ、トルクリップルを低減させて電動モータ１４をスムーズに駆動することができる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
次に、図２及び図３を参照して、本発明を適用した第２実施形態について説明する。図２には、本発明に係る操舵システム３０の全体構成が示されている。この操舵システム３０は、所謂、ステアバイワイヤシステムであって、ステアリング３１と操舵輪４０，４０とが機械的に切り離されている。そして、操舵輪４０，４０を転舵させるために本発明に係る電動モータ装置５０が備えられている。以下、第１実施形態の異なる構成に関してのみ説明し、前記第１実施形態と同じ構成に関しては、第１実施形態と同一の符合を付して重複説明を省略する。
【００３１】
本実施形態の操舵システム３０のステアリング３１は、反力用アクチュエータ３３に軸支されたステアリングシャフト３２の一端に固定され、ステアリング３１を回転させたときの反力を反力用アクチュエータ３３にて発生させている。反力用アクチュエータ３３の反力を制御するための反力制御装置３４には、軸力センサ３５及び車速センサ３６の検出信号が入力されている。ここで、軸力センサ３５は、操舵輪４０，４０の間に差し渡されたタイロッド４１にかかる軸力を検出しており、そのタイロッド４１にかかる軸力は、路面状況に応じて変化する。そして、反力制御装置３４が軸力センサ３５の検出信号に応じて駆動回路３３Ｋに制御信号を出力することで、路面状況に応じた反力をステアリング３１に付与することができる。また、反力制御装置３４は、車速センサ３６の検出信号に応じて駆動回路３３Ｋに制御信号を出力することで、高速走行時にはステアリング３１が重たくなり、低速走行時にはステアリング３１が軽くなるように制御している。
【００３２】
反力用アクチュエータ３３とステアリングシャフト３２との間には、操作角センサ３７が取り付けられ、ステアリング３１の操作角を検出している。そして、転舵制御装置４５が操作角センサ３７の検出信号を取り込み、ステアリング３１の操作角に基づいて、駆動回路１２，１３に制御信号を出力する。すると、駆動回路１２，１３から電動モータ４２が駆動されて、ステアリング３１の操作角に応じた舵角に舵輪４０，４０が転舵される。
【００３３】
電動モータ４２のステータ１５は、タイロッド４１を覆う筒形ハウジング４３（図２参照）の内部に嵌合固定され、図３に示すように、電動モータ４２のロータ４４は筒形をなして、そのロータ４４の内側にタイロッド４１が貫通している。タイロッド４１のうち筒形ハウジング４３に覆われた部分には、ロータ４４との間には、図示しないボールネジ機構が備えられ、ロータ４４の回転をタイロッド４１の推力の変換している。これにより、電動モータ４２の駆動により操舵輪４０が転舵される。
【００３４】
本実施形態の電動モータ４２には、１対の位置センサ２７Ａ，２７Ｂが備えられている。これら位置センサ２７Ａ，２７Ｂは、例えば、回転スリット板と光学素子とからなる光学式のアブソリュートエンコーダであって、電動モータ４２における第１系統１８Ａ用の一方の位置センサ２７Ａの光学素子は、例えば、第１系統１８ＡのＵ相の巻線１７Ａを巻回したティース１６の中心に配される一方、第２系統１８Ｂ用の他方の位置センサ２７Ｂの光学素子は、第２系統１８ＢのＵ相の巻線１７Ｂを巻回したティース１６の中心に配されている。そして、第１系統１８Ａ用の位置センサ２７Ａは、その光学素子を備えたティース１６にロータ４４の基準点が対面した位置を原点位置とし、他方の位置センサ２７Ｂは、その光学素子を備えたティース１６にロータ４４の基準点が対面した位置を原点位置としている。従って、これら位置センサ２７Ａ，２７Ｂによる検出位置データは、常に、隣り合ったティース１６，１６の開き角度（例えば、３０度）だけずれた関係になっている。
【００３５】
転舵制御装置４９は、第１系統１８Ａ用の位置センサ２７Ａの検出信号に基づき、第１駆動回路１２の出力を制御して第１系統１８Ａに交流電流を流すと共に、第２系統１８Ｂ用の位置センサ２７Ｂの検出信号に基づいて第２駆動回路１３の出力を制御して第２系統１８Ｂに交流電流を流す。これにより、通常は、両系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂが協働してロータ２５を回転させる。このとき、両位置センサ２７Ａ，２７Ｂによる検出位置データは、常に、隣り合ったティース１６，１６の開き角度だけずれているので、両巻線１７Ａ，１７Ｂの位置位相のずれがキャンセルされ、トルクリップルを抑えてスムーズに電動モータ４２を駆動することができる。
【００３６】
そして、例えば、第１系統１８Ａ用の位置センサ２７Ａに異常が生じた場合には、転舵制御装置４９は、第２系統１８Ｂ用の位置センサ２７Ｂに基づいて、第１及び第２の駆動回路１２，１３の出力を制御し、両系統１８Ａ，１８Ｂに交流電流を流す。このとき、転舵制御装置４９は、例えば、両駆動回路１２，１３のうち第２駆動回路１３に関しては、通常時と同様に第２系統１８Ｂ用の位置センサ２７Ｂの検出信号に基づいて制御し、第１駆動回路１２に関しては、第２系統１８Ｂ用の位置センサ２７Ｂによる検出位置に、ティース１６，１６の開き角度（例えば、３０度）分の補正を施して制御する。これにより、両系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂの電流位相がずらされ、巻線１７Ａ，１７Ｂ同士の位置位相のずれがキャンセルされ、トルクリップルを抑えてスムーズに電動モータ４２を駆動することができる。なお、第２系統１８Ａ用の位置センサ２７Ａに異常が生じた場合も同様である。
【００３７】
このように本実施形態の操舵システム３０によれば、車両のステアリング３１から機械的に切り離された操舵輪４０，４０の舵角が、本発明に係る電動モータ装置で位置決め制御されるので、フェールセーフが図れると共に、低コスト化及び操舵システム３０のコンパクト化を図ることができる。
【００３８】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）前記第１実施形態では、第１系統１８Ａの巻線１７Ａと第２系統１８Ｂの巻線１７Ｂとが１つおきに交互に配置されていたが、巻線１７Ａ，１７Ｂの配置はこれに限定されるものではない。従って、例えば、第１系統１８Ａの巻線１７Ａと第２系統１８Ｂの巻線１７Ｂとを２つずつ交互に配置したものも本発明に含まれる。また、第１系統１８Ａの巻線１７Ａに対し、第２系統１８Ｂの巻線１７Ｂを半数にして、第１系統１８Ａの巻線１７Ａを２つずつ隣り合わせに設け、それら第１系統１８Ａの１対の巻線１７Ａ，１７Ａと他の１対の巻線１７Ａ，１７Ａとの間に、第２系統１８Ｂの巻線１７Ｂを１つずつ配置したものであってもよい。
【００３９】
（２）前記第２実施形態では、１対の位置センサ２７Ａ，２７Ｂのうち一方の位置センサに異常が生じた場合に、他方の位置センサの検出信号に基づいて両系統１８Ａ，１８Ｂに通電を行う構成であったが、一方の位置センサに異常が生じた場合には、一方の系統を停止し、他方の位置センサの検出信号に基づいて他方の系統にのみに通電を行う構成にしてもよい。
【００４０】
（３）前記第２実施形態では、操舵システムに本発明に係る電動モータ装置を用いたものを例示したが、操舵システム以外でもフェールセーフ機能を必要としたものに本発明に係る電動モータ装置を用いてもよい。
【００４１】
（４）前記第１及び第２の実施形態では、光学式の位置センサ２７，２７Ａ，２７Ｂを用いてロータの位置を検出していたが、位置センサは、勿論、光学式に限定されるものではなく、磁気式、レーザー式であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電動モータの断面図
【図２】第２実施形態に係る操舵システムの構成を示すブロック図
【図３】その操舵システムにおける電動モータの断面図
【符号の説明】
１０…電動モータ装置
１１…制御装置
１２…第１駆動回路
１３…第２駆動回路
１４，４２…電動モータ
１５…ステータコア
１６…ティース
１７（１７Ａ，１７Ｂ）…巻線
１８Ａ…第１系統
１８Ｂ…第２系統
２５，４４…ロータ
２７，２７Ａ，２７Ｂ…位置センサ
３０…操舵システム
３１…ステアリング
４０…操舵輪
４９…転舵制御装置（制御装置）
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータを駆動回路にて駆動する電動モータ装置と、そのような電動モータ装置を用いて、車両のステアリングから機械的に切り離された操舵輪の舵角を、ステアリングの操作角に基づいて位置決め制御する操舵システム等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の操舵システムとして、車両のステアリングから機械的に切り離された操舵輪の舵角を、ステアリングの操作角に基づいて電動モータ等のアクチュエータにて位置決め制御する所謂ステアリングバイワイヤシステムが開発されている。このような操舵システムにおいて、アクチュエータに異常が発生した場合に対するフェールセーフ機能を備えた構成として、アクチュエータを２つ設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３７１１２号公報（段落［０００２］、［００１６］第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の操舵システムでは、アクチュエータを２つ設けたのでコストが高くなりかつ、電動モータ装置全体及び操舵システム全体が大型化するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、フェールセーフ機能を備えると共に、従来より低コスト化及びコンパクト化が可能な電動モータ装置及び操舵システムの提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係る電動モータ装置は、電動モータと、電動モータのステータに備えた複数の巻線を励磁する駆動回路と、駆動回路を制御する制御装置とを備えた電動モータ装置であって、駆動回路は、第１駆動回路と第２駆動回路とから構成され、巻線を、第１駆動回路により通電される第１系統の複数の巻線と、第２駆動回路により通電される第２系統の複数の巻線とに分け、それら第１系統の巻線と第２系統の巻線とをステータの周方向に散在させて配置し、常には、第１系統及び第２系統の巻線が協働してロータを回転させ、一方の系統に異常が発生したときには他方の系統の巻線のみでロータを回転させるように制御装置が駆動回路を制御するところに特徴を有する。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電動モータ装置において、電動モータは、ロータの位置に応じて第１系統及び第２系統の巻線に流す電流の位相が変更される交流モータであって、ロータの位置を検出する位置センサを、第１系統及び第２系統で兼用して１つ備えたところに特徴を有する。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１に記載の電動モータ装置において、電動モータは、ロータの位置に応じて第１系統及び第２系統の巻線に流す電流の位相が変更される交流モータであって、ロータの位置を検出する位置センサを、第１系統及び第２系統ごとに別々に設け、何れか一方の位置センサに異常が発生した場合には、他方の位置センサに基づいて、第１系統及び第２系統の一方又は両方を通電するように構成したところに特徴を有する。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項２又は３に記載の電動モータ装置において、第１系統及び第２系統の巻線は、ステータの周方向に交互に配置され、隣り合った第１系統及び第２系統の巻線がそれぞれ巻回されたステータにおけるティースの開き角度を、それら隣り合った第１系統及び第２系統の巻線に流れる電流の位相差としたところに特徴を有する。
【００１０】
請求項５の発明に係る操作システムは、車両のステアリングと操舵輪とを機械的に切り離し、ステアリングの操作角に基づいて操舵輪の舵角を請求項１乃至４の何れかに記載の電動モータ装置で位置決め制御するように構成したところに特徴を有する。
【００１１】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
請求項１の電動モータ装置では、通常は、第１系統及び第２系統の巻線が協働してロータを回転させ、一方の系統に異常が発生したときには、他方の系統の巻線のみでロータを回転させる。これにより、何れかの系統に異常発生したと同時に電動モータが停止することが防がれ、１つの電動モータでフェールセーフを図ることをができる。従って、本発明によれば、従来のように２つのアクチュエータを設けた構成に比べて、部品点数が削減され、従来より低コスト化及びコンパクト化を図ることができる。しかも、第１系統及び第２系統の巻線がステータを共有するので、各系統毎に別々のステータを軸方向に並べた場合に比べて、コスト及び軸方向のサイズを抑えることができる。
【００１２】
＜請求項２の発明＞
請求項２の電動モータ装置における電動モータは交流モータであり、その交流モータのロータの位置を検出するための位置センサが、第１系統及び第２系統で兼用して１つ備えられたので、位置センサを各系統毎に２つ備えたものに比べて部品点数が削減され、コストを抑えることができる。
【００１３】
＜請求項３の発明＞
請求項３の電動モータ装置における電動モータは交流モータであり、その交流モータのロータの位置を検出する位置センサが、第１及び第２の各系統ごとに別々に設けられ、何れか一方の位置センサが停止した場合に、他方の位置センサに基づいて第１及び第２の系統の一方又は両方を通電するので、位置センサにおける異常発生と同時に電動モータが停止することを防がれる。
【００１４】
＜請求項４の発明＞
請求項４の電動モータ装置では、隣り合った第１系統及び第２系統の巻線の電流位相を、隣り合ったティース同士の開き角度に相当する角度だけずらしたことで、第１系統及び第２系統の巻線の位置位相のずれをキャンセルすることができ、トルクリップルを低減させて電動モータをスムーズに駆動することができる。
【００１５】
＜請求項５の発明＞
請求項５の操舵システムでは、車両のステアリングから機械的に切り離された操舵輪の舵角が、請求項１乃至４の何れかに記載の電動モータ装置で位置決め制御されるので、低コストで操舵システムにおけるフェールセーフが図れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を図１に基づいて説明する。図１には、本実施形態の電動モータ装置１０が示されており、この電動モータ装置１０は、制御装置１１から出力された制御信号に基づいて、第１及び第２の駆動回路１２，１３により電動モータ１４を駆動する構成になっている。
【００１７】
電動モータ１４は、例えば三相交流ブラシレスモータであり、電動モータ１４に備えたステータコア１５の内周面には、周方向に複数のティース１６が設けらている。そして、これら各ティース１６に電線を集中巻きすることで、各ティース１６毎に１つずつの巻線１７が備えられている。
【００１８】
これら複数の巻線１７は、第１駆動回路１２によって励磁される複数の巻線１７Ａと、第２駆動回路１３によって励磁される複数の巻線１７Ｂとからなる。より具体的には、ティース１６は全部で例えば１２個設けられ、従って巻線１７も全部で１２個設けられている。そして、１２個のティース１６に１つおきに備えられた６個の巻線１７Ａが第１駆動回路１２に接続されて、第１系統１８Ａの回路が構成される一方、残りの６個の巻線１７Ｂが第２駆動回路１３に接続されて、第２系統１８Ｂの回路が構成されている。
【００１９】
第１駆動回路１２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴをスイッチ素子（図示せず）として備えた三相ブリッジ回路となっており、制御装置１１からの制御信号によってそれらＭＯＳＦＥＴがオンオフされて、第１系統１８Ａに三相交流電流を流す。ここで、第１系統１８Ａの巻線１７Ａは、図１の電動モータ１４の平断面において、左右方向の中央かつ上側に配置された巻線１７Ａ（図１における符合１７Ａ（Ｕ）参照）から反時計周り方向の順に、三相交流におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流が流される。
【００２０】
前記した第１駆動回路１２と同様に、第２駆動回路１３も三相ブリッジ回路となっており、制御装置１１からの制御信号に基づいて第２系統１８Ｂに三相交流電流を流す。また、第２系統の巻線１７Ｂは、図１において前記第１系統１８ＡのＵ相の巻線１７Ａ（Ｕ）の左隣に位置した巻線１７Ｂ（図１における符合１７Ｂ（Ｕ）参照）から反時計周り方向の順に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流が流される。
【００２１】
なお、各系統１８Ａ，１８ＢにおけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流は、１２０度ずつ位相がずれており、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対して位相を１８０度反転させたものである。また、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相用の巻線１７Ａ（１７Ｂ）は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相用の巻線１７Ａ（１７Ｂ）に対して巻回方向を逆にすることで、位相が１８０度反転されている。
【００２２】
ステータコア１５の内側に遊嵌されたロータ２５の外周面には、永久磁石２６が嵌合されている。この永久磁石２６は、例えば、ロータ２５の周方向を１４等配した位置に、それぞれＮ極、Ｓ極を交互に配置した１４極構造になっている。
【００２３】
制御装置１１は、後述する位置センサ２７が検出したロータ２５の回転位置に応じて、各駆動回路１２，１３のＭＯＳＦＥＴをオンオフさせるための制御信号を生成する。ここで、制御装置１１は、隣り合ったティース１６，１６に備えられた巻線１７Ａ，１７Ｂに流れる電流位相が、それら隣り合ったティース１６，１６同士の開き角度に相当する角度だけずれるように各駆動回路１２，１３を制御する。
【００２４】
具体的には、本実施形態では、隣り合ったティース１６，１６の開き角度は３０度（＝３６０°／１２）であるので、例えば、第１系統１８ＡのＵ相の電流に対し、その隣の第２系統１８ＢのＵ相の電流の位相を３０度（＝隣り合ったティース１６，１６同士の開き角度）だけずらして給電を行うように、制御装置１１が各駆動回路１２，１３を制御している。また、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相に関しても同様である。
【００２５】
電動モータ１４には、ロータ２５の回転位置を検出するための位置センサ２７が備えられている。位置センサ２７は、例えば、光学式のアブソリュートエンコーダであり、ロータ２５と共に回転する回転スリット板（図示せず）と、ステータコア１５側に固定されて、前記回転スリット板の回転位置を検出する光学素子（図示せず）とを備え、その光学素子が、例えば、第１系統１８ＡのＵ相の巻線１７Ａを巻回したティース１６と、第２系統１８ＢのＵ相の巻線１７Ｂを巻回したティース１６とを対称に分ける対称面に配置されている。そして、回転スリット板に設定した基準点が光学素子に対面する位置を、ロータ２５の原点位置として、その原点位置からロータ２５が何度回転したかを検出している。従って、回転スリット板の基準点が第１系統１８ＡのＵ相の電流が流れる巻線１７Ａの中心に一致する位置は、ロータ２５の原点位置に対し、図１において反時計回り方向に−１５度ずれている。一方、回転スリット板の基準点が第２系統１８ＢのＵ相の電流が流れる巻線１７Ｂの中心に一致する位置は、前記原点位置に対し、図１において反時計回り方向に＋１５度ずれている。
【００２６】
そこで、制御装置１１は、位置センサ２７の位置検出信号に−１５度の補正を施した位置データに基づいて、第１駆動回路１２に対する制御信号を生成する一方、位置センサ２７の位置検出信号に＋１５度の補正を施した位置データに基づいて、第２駆動回路１３に対する制御信号を生成する。これらにより、第１系統１８ＡのＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流に対し、第２系統１８ＢのＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕバー相、Ｖバー相、Ｗバー相の電流の位相が３０度ずらされる。
【００２７】
次に、上記構成からなる本実施形態の動作を説明する。
本実施形態の電動モータ装置１０では、通常は、第１系統１８Ａ及び第２系統１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂが協働してロータ２５を回転させ、一方の系統に異常が発生したときには、他方の系統の巻線のみでロータ２５を回転させる。これにより、何れかの系統に異常発生したと同時に電動モータ１４が停止することが防がれ、１つの電動モータ１４でフェールセーフを図ることをができる。従って、本実施形態の電動モータ装置１０によれば、従来のように２つのアクチュエータを設けた構成に比べて、部品点数が削減され、コストを抑えることができると共に、コンパクト化を図ることができる。しかも、第１系統１８Ａ及び第２系統１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂがステータ１５を共有するので、各系統１８Ａ，１８Ｂ毎に別々のステータを軸方向に並べた場合に比べて、軸方向のサイズ及びコストを抑えることができる。
【００２８】
また、本実施形態では、電動モータ１４のロータ２５の位置を検出するための位置センサ２７を、第１系統１８Ａ及び第２系統１８Ｂで兼用して１つ備えられているので、位置センサを各系統１８Ａ，１８Ｂ毎に２つ備えた場合に比べて部品点数が削減され、コストを抑えることができる。
【００２９】
さらに本実施形態の電動モータ装置１０では、第１及び第２の両系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂに通電するときには、隣り合ったティース１６，１６同士の開き角度に相当する角度だけ、隣り合った両系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂの電流位相をずらすことで、両巻線１７Ａ，１７Ｂの位置位相のずれをキャンセルすることができ、トルクリップルを低減させて電動モータ１４をスムーズに駆動することができる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
次に、図２及び図３を参照して、本発明を適用した第２実施形態について説明する。図２には、本発明に係る操舵システム３０の全体構成が示されている。この操舵システム３０は、所謂、ステアバイワイヤシステムであって、ステアリング３１と操舵輪４０，４０とが機械的に切り離されている。そして、操舵輪４０，４０を転舵させるために本発明に係る電動モータ装置５０が備えられている。以下、第１実施形態の異なる構成に関してのみ説明し、前記第１実施形態と同じ構成に関しては、第１実施形態と同一の符合を付して重複説明を省略する。
【００３１】
本実施形態の操舵システム３０のステアリング３１は、反力用アクチュエータ３３に軸支されたステアリングシャフト３２の一端に固定され、ステアリング３１を回転させたときの反力を反力用アクチュエータ３３にて発生させている。反力用アクチュエータ３３の反力を制御するための反力制御装置３４には、軸力センサ３５及び車速センサ３６の検出信号が入力されている。ここで、軸力センサ３５は、操舵輪４０，４０の間に差し渡されたタイロッド４１にかかる軸力を検出しており、そのタイロッド４１にかかる軸力は、路面状況に応じて変化する。そして、反力制御装置３４が軸力センサ３５の検出信号に応じて駆動回路３３Ｋに制御信号を出力することで、路面状況に応じた反力をステアリング３１に付与することができる。また、反力制御装置３４は、車速センサ３６の検出信号に応じて駆動回路３３Ｋに制御信号を出力することで、高速走行時にはステアリング３１が重たくなり、低速走行時にはステアリング３１が軽くなるように制御している。
【００３２】
反力用アクチュエータ３３とステアリングシャフト３２との間には、操作角センサ３７が取り付けられ、ステアリング３１の操作角を検出している。そして、転舵制御装置４５が操作角センサ３７の検出信号を取り込み、ステアリング３１の操作角に基づいて、駆動回路１２，１３に制御信号を出力する。すると、駆動回路１２，１３から電動モータ４２が駆動されて、ステアリング３１の操作角に応じた舵角に舵輪４０，４０が転舵される。
【００３３】
電動モータ４２のステータ１５は、タイロッド４１を覆う筒形ハウジング４３（図２参照）の内部に嵌合固定され、図３に示すように、電動モータ４２のロータ４４は筒形をなして、そのロータ４４の内側にタイロッド４１が貫通している。タイロッド４１のうち筒形ハウジング４３に覆われた部分には、ロータ４４との間には、図示しないボールネジ機構が備えられ、ロータ４４の回転をタイロッド４１の推力の変換している。これにより、電動モータ４２の駆動により操舵輪４０が転舵される。
【００３４】
本実施形態の電動モータ４２には、１対の位置センサ２７Ａ，２７Ｂが備えられている。これら位置センサ２７Ａ，２７Ｂは、例えば、回転スリット板と光学素子とからなる光学式のアブソリュートエンコーダであって、電動モータ４２における第１系統１８Ａ用の一方の位置センサ２７Ａの光学素子は、例えば、第１系統１８ＡのＵ相の巻線１７Ａを巻回したティース１６の中心に配される一方、第２系統１８Ｂ用の他方の位置センサ２７Ｂの光学素子は、第２系統１８ＢのＵ相の巻線１７Ｂを巻回したティース１６の中心に配されている。そして、第１系統１８Ａ用の位置センサ２７Ａは、その光学素子を備えたティース１６にロータ４４の基準点が対面した位置を原点位置とし、他方の位置センサ２７Ｂは、その光学素子を備えたティース１６にロータ４４の基準点が対面した位置を原点位置としている。従って、これら位置センサ２７Ａ，２７Ｂによる検出位置データは、常に、隣り合ったティース１６，１６の開き角度（例えば、３０度）だけずれた関係になっている。
【００３５】
転舵制御装置４９は、第１系統１８Ａ用の位置センサ２７Ａの検出信号に基づき、第１駆動回路１２の出力を制御して第１系統１８Ａに交流電流を流すと共に、第２系統１８Ｂ用の位置センサ２７Ｂの検出信号に基づいて第２駆動回路１３の出力を制御して第２系統１８Ｂに交流電流を流す。これにより、通常は、両系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂが協働してロータ２５を回転させる。このとき、両位置センサ２７Ａ，２７Ｂによる検出位置データは、常に、隣り合ったティース１６，１６の開き角度だけずれているので、両巻線１７Ａ，１７Ｂの位置位相のずれがキャンセルされ、トルクリップルを抑えてスムーズに電動モータ４２を駆動することができる。
【００３６】
そして、例えば、第１系統１８Ａ用の位置センサ２７Ａに異常が生じた場合には、転舵制御装置４９は、第２系統１８Ｂ用の位置センサ２７Ｂに基づいて、第１及び第２の駆動回路１２，１３の出力を制御し、両系統１８Ａ，１８Ｂに交流電流を流す。このとき、転舵制御装置４９は、例えば、両駆動回路１２，１３のうち第２駆動回路１３に関しては、通常時と同様に第２系統１８Ｂ用の位置センサ２７Ｂの検出信号に基づいて制御し、第１駆動回路１２に関しては、第２系統１８Ｂ用の位置センサ２７Ｂによる検出位置に、ティース１６，１６の開き角度（例えば、３０度）分の補正を施して制御する。これにより、両系統１８Ａ，１８Ｂの巻線１７Ａ，１７Ｂの電流位相がずらされ、巻線１７Ａ，１７Ｂ同士の位置位相のずれがキャンセルされ、トルクリップルを抑えてスムーズに電動モータ４２を駆動することができる。なお、第２系統１８Ａ用の位置センサ２７Ａに異常が生じた場合も同様である。
【００３７】
このように本実施形態の操舵システム３０によれば、車両のステアリング３１から機械的に切り離された操舵輪４０，４０の舵角が、本発明に係る電動モータ装置で位置決め制御されるので、フェールセーフが図れると共に、低コスト化及び操舵システム３０のコンパクト化を図ることができる。
【００３８】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）前記第１実施形態では、第１系統１８Ａの巻線１７Ａと第２系統１８Ｂの巻線１７Ｂとが１つおきに交互に配置されていたが、巻線１７Ａ，１７Ｂの配置はこれに限定されるものではない。従って、例えば、第１系統１８Ａの巻線１７Ａと第２系統１８Ｂの巻線１７Ｂとを２つずつ交互に配置したものも本発明に含まれる。また、第１系統１８Ａの巻線１７Ａに対し、第２系統１８Ｂの巻線１７Ｂを半数にして、第１系統１８Ａの巻線１７Ａを２つずつ隣り合わせに設け、それら第１系統１８Ａの１対の巻線１７Ａ，１７Ａと他の１対の巻線１７Ａ，１７Ａとの間に、第２系統１８Ｂの巻線１７Ｂを１つずつ配置したものであってもよい。
【００３９】
（２）前記第２実施形態では、１対の位置センサ２７Ａ，２７Ｂのうち一方の位置センサに異常が生じた場合に、他方の位置センサの検出信号に基づいて両系統１８Ａ，１８Ｂに通電を行う構成であったが、一方の位置センサに異常が生じた場合には、一方の系統を停止し、他方の位置センサの検出信号に基づいて他方の系統にのみに通電を行う構成にしてもよい。
【００４０】
（３）前記第２実施形態では、操舵システムに本発明に係る電動モータ装置を用いたものを例示したが、操舵システム以外でもフェールセーフ機能を必要としたものに本発明に係る電動モータ装置を用いてもよい。
【００４１】
（４）前記第１及び第２の実施形態では、光学式の位置センサ２７，２７Ａ，２７Ｂを用いてロータの位置を検出していたが、位置センサは、勿論、光学式に限定されるものではなく、磁気式、レーザー式であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電動モータの断面図
【図２】第２実施形態に係る操舵システムの構成を示すブロック図
【図３】その操舵システムにおける電動モータの断面図
【符号の説明】
１０…電動モータ装置
１１…制御装置
１２…第１駆動回路
１３…第２駆動回路
１４，４２…電動モータ
１５…ステータコア
１６…ティース
１７（１７Ａ，１７Ｂ）…巻線
１８Ａ…第１系統
１８Ｂ…第２系統
２５，４４…ロータ
２７，２７Ａ，２７Ｂ…位置センサ
３０…操舵システム
３１…ステアリング
４０…操舵輪
４９…転舵制御装置（制御装置）
Claims (5)
- 電動モータと、前記電動モータのステータに備えた複数の巻線を励磁する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御装置とを備えた電動モータ装置であって、
前記駆動回路は、第１駆動回路と第２駆動回路とから構成され、
前記巻線を、前記第１駆動回路により通電される第１系統の複数の巻線と、前記第２駆動回路により通電される第２系統の複数の巻線とに分け、それら第１系統の巻線と第２系統の巻線とを前記ステータの周方向に散在させて配置し、
常には、前記第１系統及び第２系統の巻線が協働して前記ロータを回転させ、一方の系統に異常が発生したときには、他方の系統の巻線のみで前記ロータを回転させるように前記制御装置が前記駆動回路を制御することを特徴とする電動モータ装置。 - 前記電動モータは、前記ロータの位置に応じて前記第１系統及び第２系統の巻線に流す電流の位相が変更される交流モータであって、
前記ロータの位置を検出する位置センサを、前記第１系統及び第２系統で兼用して１つ備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動モータ装置。 - 前記電動モータは、前記ロータの位置に応じて前記第１系統及び第２系統の巻線に流す電流の位相が変更される交流モータであって、
前記ロータの位置を検出する位置センサを、前記第１系統及び第２系統ごとに別々に設け、何れか一方の位置センサに異常が発生した場合には、他方の位置センサに基づいて、前記第１系統及び第２系統の一方又は両方を通電するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電動モータ装置。 - 前記第１系統及び第２系統の巻線は、前記ステータの周方向に交互に配置され、隣り合った前記第１系統及び第２系統の巻線がそれぞれ巻回された前記ステータにおけるティースの開き角度を、それら隣り合った前記第１系統及び第２系統の巻線に流れる電流の位相差としたことを特徴とする請求項２又は３に記載の電動モータ装置。
- 車両のステアリングと操舵輪とを機械的に切り離し、前記ステアリングの操作角に基づいて前記操舵輪の舵角を前記請求項１乃至４の何れかに記載の電動モータ装置で位置決め制御するように構成したことを特徴とする操舵システム。
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