JP2007159336A - ブラシレスモータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステップ駆動されるブラシレスモータのモータ停止時におけるステップ振動の低減を図ることにある。
【解決手段】目標ステップへ向けて所定刻みずつステップ駆動されるブラシレスモータ１０の制御装置１２において、実ステップと目標ステップとのステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０以下であるか否かを判別させる。そして、ステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０以下になったと判別される場合は、モータ１０の励磁巻線に印加する電圧のデューティ比Ｄｕｔｙを、ステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳを超えていると判別される場合のものよりも低く下げることで、通常よりもモータトルクを抑える通電を行わせる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ブラシレスモータの制御装置に係り、特に、目標ステップへ向けて所定刻みずつ段階的にステップ駆動されるブラシレスモータの制御装置に関する。

従来から、ステップ駆動されるブラシレスモータの制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この制御装置は、ブラシレスモータを、目標ステップへ向けて所定時間ごとに所定刻みずつ段階的にステップ駆動させる。従って、かかる制御装置によれば、高分解能の回転角センサや正弦波駆動を用いることなく、ブラシレスモータを目標ステップへ駆動制御することが可能となっている。
特開２０００−１３４９７５号公報

ところで、ステップ駆動されるモータが目標ステップに至ることで停止するときには、ステップ振動が発生し易い。すなわち、モータが連続的に駆動される場合は、ステップ振動が生じる前にモータが次のステップへ駆動し始めるので、ステップ振動が顕在化することはほとんどない一方、モータが目標ステップで停止される場合は、その停止直前の駆動時における運動エネルギのほぼすべてが振動エネルギに変換されるので、ステップ振動が発生し易くなる。特に、この現象は、モータの発生するトルクが大きくなるほど生じ易い。かかるステップ振動は、異音が発生する等の不都合が発生する要因となる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、ステップ駆動されるブラシレスモータのモータ停止時におけるステップ振動の低減を図ることが可能なブラシレスモータの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、目標ステップへ向けて所定刻みずつステップ駆動されるブラシレスモータの制御装置であって、実ステップと目標ステップとのステップ偏差が所定差以下であるか否かを判別するステップ偏差判別手段と、前記ステップ偏差判別手段により前記ステップ偏差が前記所定差以下になったと判別される場合は、通常よりもモータの運動エネルギを抑える通電を行う通電制御手段と、を備えるブラシレスモータの制御装置により達成される。

この態様の発明において、実ステップと目標ステップとのステップ偏差が所定差以下になると、ブラシレスモータへの通電は、通常よりもモータの運動エネルギを抑えるものへ切り替わる。かかる構成においては、ブラシレスモータの実ステップが目標ステップに所定差以下まで近づくと、以後、通常よりもモータの運動エネルギが抑えられるので、ブラシレスモータの停止直前に運動エネルギが減少し、従って、停止時において発生するステップ振動が低減されることとなる。

この場合、上記したブラシレスモータの制御装置において、前記通電制御手段は、励磁巻線に印加する電圧のデューティ比を低く下げることでモータの運動エネルギを抑える通電を実現することとしてもよい。

また、上記したブラシレスモータの制御装置において、前記通電制御手段は、前記所定刻みを小さくすることでモータの運動エネルギを抑える通電を実現することとしてもよい。

尚、上記したブラシレスモータの制御装置において、前記通電制御手段は、前記ステップ偏差がゼロになるまで、モータの運動エネルギを抑える通電を継続することとすればよい。

本発明によれば、ステップ駆動されるブラシレスモータのモータ停止時におけるステップ振動の低減を図ることができる。

以下、図面を用いて、本発明の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施例であるブラシレスモータの制御装置のシステム構成図を示す。図１に示す如く、本実施例のシステムは、モータ１０及びそのモータ１０の駆動制御を行う制御装置１２を備えている。モータ１０は、三相ブラシレスモータであり、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３つの巻線を有するステータと、マグネットを有するロータと、により構成されている。モータ１０は、例えば車両のスタビライザ機能（ロール剛性等）を可変にするトルクを発生するモータである。そして、制御装置１２は、このモータ１０を用いてスタビライザ機能をアクティブに可変する電動アクティブスタビライザシステムに採用される装置である。

制御装置１２は、バッテリ１４を電源としてモータ１０のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に電力を供給するインバータ回路１６を有している。インバータ回路１６は、モータ１０の各相それぞれに対応した一対のスイッチング素子２０，２２，２４を有している。一対のスイッチング素子２０，２２，２４はそれぞれ、バッテリ１４の＋端子と−端子との間において直列接続された２つのパワートランジスタ（Ｑ１−Ｑ４），（Ｑ２−Ｑ５），（Ｑ３−Ｑ６）により構成されている。これら６個のパワートランジスタＱ１〜Ｑ６は、三相ブリッジの構成により接続されている。

制御装置１２は、また、マイクロコンピュータを主体に構成された電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）２６を備えている。上記したパワートランジスタＱ１〜Ｑ６はそれぞれ、ＥＣＵ２６に接続されており、ＥＣＵ２６から供給される指令に従ってオン・オフ駆動される。モータ各相において、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３がオンされかつ接地側のパワートランジスタＱ４，Ｑ５，Ｑ６がオフされると、バッテリ１４からインバータ回路１６を介してモータ１０へ電流が流れることでその相が励磁され、その相のステータにロータを吸引する電磁力が発生する。また、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３がオフされかつ接地側のパワートランジスタＱ４，Ｑ５，Ｑ６がオンされると、モータ１０からインバータ回路１６を介して接地側へ電流が流れることでその相が逆励磁され、その相のステータにロータを引き離す電磁力が発生する。

ＥＣＵ２６は、励磁される相が三相間で例えばＵ相→Ｖ相→Ｗ相と順次切り換わって通電パターンが適切に切り換わるように、かつ、実現された一つの通電パターンが所定時間継続するようにパワートランジスタＱ１〜Ｑ６の駆動制御を行う。この場合、モータ１０は、所定時間ごとに所定角度（所定刻み）ずつ段階的（ステップ状）に回転駆動されることとなる。以下、この回転駆動をステップ駆動と称す。

ＥＣＵ２６には、電動アクティブスタビライザシステムから各種データが供給されている。ＥＣＵ２６は、所定時間ごとに、システム側から供給される各種データに基づいて所望のスタビライザ機能を実現するのに必要なモータ１０の目標回転位置をすなわち基準位置からのステップ数を表す目標ステップを演算する。ＥＣＵ２６には、また、モータ１０の実際の回転位置データが供給されている。ＥＣＵ２６は、所定時間ごとに、回転位置データに基づいてモータ１０の現時点での回転位置をすなわち基準位置からのステップ数を表す実ステップを検出する。

尚、実ステップは、直接的にセンサを用いて検出することに限らず、モータ１０の現時点での通電パターンに基づいて判定するものであってもよい。また、実ステップの検出周期は、目標ステップの演算周期よりも極めて短いものに設定される。

次に、図２乃至図４を参照して、本実施例の制御装置１２のＥＣＵ２６において行われる具体的な制御について説明する。図２は、本実施例の制御装置１２における動作を説明するための一例のタイムチャートを示す。図３は、本実施例の制御装置１２におけるモータ１０の実ステップと目標ステップとのステップ偏差と、接地側のパワートランジスタＱ４，Ｑ５，Ｑ６の駆動デューティ比との関係を表した図を示す。また、図４は、本実施例の制御装置１２においてＥＣＵ２６が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。

本実施例において、ＥＣＵ２６は、上記の如く、モータ１０の目標ステップを演算すると共に、その実ステップを検出する（ステップ１００及び１０２）。そして、その実ステップと目標ステップとのステップ偏差ΔＳを算出すると共に、その算出したステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０以下であるか否かを判別する（ステップ１０４）。尚、この所定差ΔＳ０は、予め定められたステップ偏差であり、例えば１ステップ分や２ステップ分の偏差に設定されている。

ＥＣＵ２６は、上記したステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０を超えていると判別する場合（ステップ１０４における否定判定時）は、次のステップ駆動の際に、通常どおり、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のうちの一つをオンすると共にかつ接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のうちの一つを通常どおりのデューティ比Ｄｕｔｙ（通常Ｄｕｔｙ０）でＰＷＭ駆動する（ステップ１０６）。

かかる処理が行われるとき、具体的には図２に示す如く例えば、電源側のパワートランジスタＱ３がオンされかつ接地側のパワートランジスタＱ４が通常デューティ比Ｄｕｔｙ０でＰＷＭ駆動されると共に、それ以外のパワートランジスタがオフされるときは、バッテリ１４からモータ１０のＷ相へ向けて比較的大きな電流が流れ、かつ、その電流がＵ相から接地側へ向けて流れる。この場合には、大電流の流通に起因したＷ相の励磁に基づく電磁力とＵ相の逆励磁に基づく電磁力との合力がステータとロータとの間に作用して、その比較的大きな力（トルク）同士の釣り合い位置までモータ１０が回転駆動される。

そして、ＥＣＵ２６は、ステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０を超えている限り、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のオンを所定時間ごとに三相間で順次切り換えると共に、また、接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のＰＷＭ駆動を所定時間ごとに三相間で順次切り換える。この場合には、モータ１０の通電パターンが所定時間ごとに順次切り換わることで、モータ１０が比較的大きなトルクの作用により所定時間ごとに一ステップずつステップ駆動されることとなる。

一方、上記したステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０を超える状態からその所定差ΔＳ０以下へ変化したと判別する場合（ステップ１０４における肯定判定時）は、次のステップ駆動の際に、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のうちの一つを通常どおりにオンすると共に、接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のうちの一つを上記の通常Ｄｕｔｙ０よりも低いデューティ比Ｄｕｔｙ（低Ｄｕｔｙ１；例えば通常Ｄｕｔｙ０の半分＝通常Ｄｕｔｙ０／２）でＰＷＭ駆動する（ステップ１０８）。

かかる処理が行われるとき、具体的には図２に示す如く例えば、電源側のパワートランジスタＱ２がオンされかつ接地側のパワートランジスタＱ６が低デューティ比Ｄｕｔｙ１でＰＷＭ駆動されると共に、それ以外のパワートランジスタがオフされるときは、バッテリ１４からモータ１０のＶ相へ向けて比較的小さな電流が流れ、かつ、その電流がＷ相から接地側へ向けて流れる。この場合には、小電流の流通に起因したＶ相の励磁に基づく電磁力とＷ相の逆励磁に基づく電磁力との合力がステータとロータとの間に作用して、その比較的小さな力（トルク）同士の釣り合い位置までモータ１０が回転駆動される。

そして、ＥＣＵ２６は、ステップ偏差ΔＳがゼロとなるまで、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のオンを所定時間ごとに三相間で順次切り換えると共に、また、接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のＰＷＭ駆動を所定時間ごとに三相間で順次切り換える。この場合には、モータ１０の通電パターンが所定時間ごとに順次切り換わることで、モータ１０が通常時よりも小さい比較的小さなトルクの作用により所定時間ごとに一ステップずつステップ駆動されることとなる。

尚、上記したステップ偏差ΔＳがゼロになった場合は、モータ１０がその目標ステップで停止維持されるように、その時点でオンされている電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のオンを継続させると共に、その時点でＰＷＭ駆動されている接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のＰＷＭ駆動を負荷状態に応じたデューティ比Ｄｕｔｙで継続させる。尚、このデューティ比Ｄｕｔｙは、モータ１０をその目標ステップの位置で停止保持するのに必要な値であればよい。この場合には、モータ１０が目標ステップの位置で停止保持されることとなる。

また、ＥＣＵ２６は、一旦モータ１０が目標ステップで停止維持された後にその目標ステップが変化することにより、ステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０以下の状態からその所定差ΔＳ０を超えることとなる場合は、上記と同様の処理を繰り返し実行する。

このように本実施例の制御装置１２においては、図３に示す如く、モータ１０の実ステップがその時点での目標ステップから大きくかけ離れているときは、そのモータ１０の励磁巻線に印加される電圧のデューティ比Ｄｕｔｙが通常どおりの値Ｄｕｔｙ０に設定される一方、その実ステップが目標ステップに所定差ΔＳ０まで近づいたときは、励磁巻線に印加される電圧のデューティ比Ｄｕｔｙがその通常Ｄｕｔｙ０よりも低い値である低Ｄｕｔｙ１に設定される。すなわち、モータ１０の実ステップが目標ステップに所定差ΔＳ０まで近づいたときは、上記のデューティ比Ｄｕｔｙが、実ステップが目標ステップから大きくかけ離れているときのものよりも低く下げられる。

かかる構成においては、モータ１０の実ステップが目標ステップにある程度近づくと、かけ離れているときに比べて、モータ１０のステータとロータとの位置関係が同じ状況にあっても、その間に作用する電磁力が小さくなることで、モータトルクが小さく抑えられる。このため、ステップ駆動されるモータ１０の回転方向に作用する運動エネルギ（慣性エネルギ）はその停止直前に減少することとなる。一般的に、モータ停止直前の駆動時における運動エネルギのほぼすべては、その停止後に振動エネルギに変換される。従って、本実施例の制御装置１２によれば、ステップ駆動されるモータ１０の停止直前に励磁巻線の駆動デューティ比Ｄｕｔｙが小さい値に変更されずにモータトルクが小さく抑えられない構成のものに比べて、停止時においてステップ振動が発生し難くなるので、発生するステップ振動を低減することが可能となる。

このため、本実施例のシステムによれば、モータ１０のステップ振動に起因して生ずる車体ボディの振動や異音を抑制することが可能であると共に、また、そのステップ振動や異音を抑制するための遮音材を設けることやモータ１０を正弦波駆動方式や高分解能の回転角センサなどを用いて高精度に駆動することは不要であるので、モータ１０のステップ振動等の抑制を多大なコストアップを招くことなく実現することが可能となっている。

尚、上記の第１実施例においては、ＥＣＵ２６が、図４に示すルーチン中ステップ１０４の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した「ステップ偏差判別手段」が、ステップ１０８の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した「通電制御手段」が、それぞれ実現されている。

上記した第１実施例では、モータ１０の実ステップが目標ステップに近づいたときにモータ１０の駆動デューティ比Ｄｕｔｙを小さくしてモータトルクを抑制することでモータ１０の停止直前における運動エネルギを抑えて、モータ停止時におけるステップ振動を低減することとしている。これに対して、本発明の第２実施例においては、モータ１０の実ステップが目標ステップに近づいたときにモータ１０のステップ刻みを小さくすることでモータ１０の停止直前における運動エネルギを抑えて、モータ停止時におけるステップ振動を低減する。尚、以下、上記した第１実施例に示した構成と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

図５は、本実施例の制御装置１２における動作を説明するための一例のタイムチャートを示す。すなわち、本実施例において、ＥＣＵ２６は、実ステップと目標ステップとのステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０を超えていると判別する場合は、次のステップ駆動の際に、通常どおり、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のうちの一つをオンすると共にかつ接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のうちの一つを通常Ｄｕｔｙ０でＰＷＭ駆動する。そして、ステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０を超えている限り、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のオンを所定時間ごとに三相間で順次切り換えると共に、また、接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のＰＷＭ駆動を所定時間ごとに三相間で順次切り換える。

一方、ＥＣＵ２６は、上記したステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０を超える状態からその所定差ΔＳ０以下へ変化したと判別する場合は、次のステップ駆動の際に、そのステップ刻みが通常の一ステップではなくその半分の半ステップとなるように、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のうちの二つをオンすると共に、接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のうちの一つを上記の通常Ｄｕｔｙ０よりも低いデューティ比Ｄｕｔｙ（低Ｄｕｔｙ１；例えば通常Ｄｕｔｙ０の半分＝通常Ｄｕｔｙ０／２）でＰＷＭ駆動する。この際には、通常であればすなわち通常の一ステップを得るうえでは非励磁となるべき相にも、電流が流れることとなる。

かかる処理が行われるとき、具体的には図５に示す如く例えば、通電パターンが、電源側のパワートランジスタＱ１がオンされかつ接地側のパワートランジスタＱ６が通常デューティ比Ｄｕｔｙ０でＰＷＭ駆動されると共に、それ以外のパワートランジスタがオフされる状態から、電源側のパワートランジスタＱ１及びＱ２が共にオンされかつ接地側のパワートランジスタＱ６が低デューティ比Ｄｕｔｙ１でＰＷＭ駆動されると共に、それ以外のパワートランジスタがオフされる状態へ変化したときは、その変化前後でバッテリ１４からＵ相に流れる電流がほぼ半減すると共に、バッテリ１４からＶ相へＵ相とほぼ同じ電流が流れ始め、また、それらの電流がＷ相から接地側へ向けて流れる。この場合には、Ｕ相の励磁に基づく電磁力とＶ相の励磁に基づく電磁力とＷ相の逆励磁に基づく電磁力との合力がステータとロータとの間に作用して、その力（トルク）同士の釣り合い位置までモータ１０が回転駆動される。

そして、ＥＣＵ２６は、ステップ偏差ΔＳがゼロとなるまで、ステップ刻みが通常の一ステップを半分にした半ステップとなるように、電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のオンを所定時間ごとに三相間で順次切り換えると共に、また、接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のＰＷＭ駆動を所定時間ごとに三相間で順次切り換える。この場合には、モータ１０の通電パターンが順次切り換わることで、モータ１０が通常時よりも小さいステップ刻みずつステップ駆動されることとなる。

尚、上記したステップ偏差ΔＳがゼロになった場合は、モータ１０がその目標ステップで停止維持されるように、その時点でオンされている電源側のパワートランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３のオンを継続させると共に、その時点でＰＷＭ駆動されている接地側のパワートランジスタＱ５，Ｑ６，Ｑ４のＰＷＭ駆動を負荷状態に応じたデューティ比Ｄｕｔｙで継続させる。尚、このデューティ比Ｄｕｔｙは、モータ１０をその目標ステップの位置で停止保持するのに必要な値であればよい。この場合には、モータ１０が目標ステップの位置で停止保持されることとなる。

また、ＥＣＵ２６は、一旦モータ１０が目標ステップで停止維持された後にその目標ステップが変化することにより、ステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０以下の状態からその所定差ΔＳ０を超えることとなる場合は、上記と同様の処理を繰り返し実行する。

このように本実施例の制御装置１２においては、モータ１０の実ステップがその時点での目標ステップから大きくかけ離れているときは、そのモータ１０のステップ刻みが通常どおりの一ステップに設定される一方、その実ステップが目標ステップに所定差ΔＳ０まで近づいたときは、ステップ刻みがその通常の一ステップを半分にした半ステップに設定される。すなわち、モータ１０の実ステップが目標ステップに所定差ΔＳ０まで近づいたときは、ステップ刻みが、実ステップが目標ステップから大きくかけ離れているときのものよりも小さくされる。

かかる構成においては、モータ１０の実ステップが目標ステップにある程度近づくと、かけ離れているときに比べて、仮にモータトルクが同一であっても、ステップ刻みが小さくなることで、ステップ駆動されるモータ１０の回転方向に作用する運動エネルギ（慣性エネルギ）はモータ停止直前に減少することとなる。一般的に、モータ停止直前の駆動時における運動エネルギのほぼすべては、その停止後に振動エネルギに変換される。従って、本実施例の制御装置１２によれば、ステップ駆動されるモータ１０の停止直前にステップ刻みが変更されずに運動エネルギが小さく抑えられない構成のものに比べて、停止時においてステップ振動が発生し難くなるので、発生するステップ振動を低減することが可能となる。

この点、本実施例のシステムにおいても、異音の抑制や多大なコストアップを招かない点などについて上記第１実施例のシステムと同様の効果を得ることが可能となっている。

尚、上記の第２実施例においては、ＥＣＵ２６が、実ステップと目標ステップとのステップ偏差ΔＳが所定差ΔＳ０以下であるか否かを判別することにより特許請求の範囲に記載した「ステップ偏差判別手段」が、ステップ刻みが通常の一ステップを半分にした半ステップとなるように励磁巻線への通電を行うことにより特許請求の範囲に記載した「通電制御手段」が、それぞれ実現されている。

ところで、上記の第１及び第２実施例においては、モータ１０を、車両のスタビライザ機能（ロール剛性等）を可変にする電動アクティブスタビライザシステムに用いることとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、あまり高精度制御の必要のないシステムに用いるものであればよい。

また、上記の第１及び第２実施例においては、モータ１０として三相のブラシレスモータを用いることとしているが、三相以外の相からなるモータに適用することとしてもよい。

本発明の第１実施例であるブラシレスモータの制御装置のシステム構成図である。 本実施例の制御装置における動作を説明するための一例のタイムチャートである。 本実施例の制御装置におけるブラシレスモータの実ステップと目標ステップとのステップ偏差と、パワートランジスタの駆動デューティ比との関係を表したである。 本実施例の制御装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。 本発明の第２実施例であるブラシレスモータの制御装置における動作を説明するための一例のタイムチャートである。

符号の説明

１０ ブラシレスモータ
１２ 制御装置
１６ インバータ回路
２６ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｕ，Ｖ，Ｗ 各相の励磁巻線

Claims (4)

1. 目標ステップへ向けて所定刻みずつステップ駆動されるブラシレスモータの制御装置であって、
   実ステップと目標ステップとのステップ偏差が所定差以下であるか否かを判別するステップ偏差判別手段と、
   前記ステップ偏差判別手段により前記ステップ偏差が前記所定差以下になったと判別される場合は、通常よりもモータの運動エネルギを抑える通電を行う通電制御手段と、
   を備えることを特徴とするブラシレスモータの制御装置。
2. 前記通電制御手段は、励磁巻線に印加する電圧のデューティ比を低く下げることでモータの運動エネルギを抑える通電を実現することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの制御装置。
3. 前記通電制御手段は、前記所定刻みを小さくすることでモータの運動エネルギを抑える通電を実現することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの制御装置。
4. 前記通電制御手段は、前記ステップ偏差がゼロになるまで、モータの運動エネルギを抑える通電を継続することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載のブラシレスモータの制御装置。

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