JP2007228768A - モータ駆動装置，モータ駆動方法、及び電動ブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転数がほぼ０（ゼロ）の際にトルクを継続して発生させるような製品では、モータの回転位置に従って出力電圧を一定値に保つため、特定素子に電流が集中して流れる状態が保持される。特定素子に電流が集中すると、その特定素子温度が上昇し、インバータ装置の温度フェールが生じやすくなり、素子寿命低下等の問題が生じる。
【解決手段】モータ駆動装置における電力変換器において、モータロック状態のとき、スイッチング回路の１相のみパルス幅制御を行うように巻線への通電制御を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータ駆動装置，モータ駆動方法、及び電動ブレーキ装置に関する。

昨今では、様々な用途にモータが用いられており、モータが駆動する対象の特性によって、モータの構造，制御内容をそれぞれ異ならせるのが一般的である。高速回転を主目的とするもの、低速回転の回転数の正確さを目的とするもの、回転トルクの大きさを重視するもの、低速時のトルクを重視するものなど、目的は様々であり、その目的に応じてモータの構造や制御が選択される。例えばモータの回転速度を重視するものがある一方で、モータの回転数がほぼ０（ゼロ）の駆動領域におけるトルクの大きさを重視するものがある。

後者としては、例えば自動車のブレーキ装置にモータを設け、モータの回転出力を軸方向の押し付け力に変換することにより、摩擦パッドを介して自動車等の回転ディスクに制動力を付与する構成の電動ブレーキ装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２５７３８９号公報

上記のようなモータには、永久磁石ブラシレスモータ等の交流電圧を電源とする３相または多相の交流モータが多く用いられ、交流電圧を印加するために複数のスイッチング素子からなるインバータ装置が用いられる。インバータ装置のスイッチング素子は、正弦波パルス幅変調制御によってオン／オフを制御されるのが一般的である。正弦波パルス幅変調制御は、インバータ出力電圧が正弦波状になるように、全素子のオン／オフのパルス幅及び、タイミングを制御する方法であり、常時全スイッチング素子がオン／オフしている。

ところが、上記で例示した電動ブレーキ装置は、モータ回転を軸方向の押し付け力に変換することによって摩耗パッドを回転ディスクに押し付けているので、押し付ける隙間がゼロでかつブレーキ力を維持した状態では、モータ回転がほぼ停止（回転停止状態を含む、回転角速度、またはモータ回転数がごく小さい値以下を示す状態）のまま、所定の一定電圧を出力することになる（以下、このような状態を「モータロック」とする）。

この場合、制動力が作用している際にはモータの回転数はほぼ０（ゼロ）であるが、当該制動力を維持するためには、モータが所定の大きさ以上のトルクを連続して出力する必要がある。モータ回転時はインバータ出力電圧を周期的に変化させるのでスイッチング素子の発熱が平準化されるのに対し、モータロック時はモータの回転位置に従って出力電圧を一定値に保つため、特定素子に電流が集中して流れる状態が保持されることになる。特定素子に電流が集中すると、その特定素子温度が上昇し、インバータ装置の温度フェールが生じやすくなり、素子寿命低下等の問題が生じる。

また、自動車補機用モータ駆動装置は設置空間の制限が多いので、水冷や強制風冷等積極的な冷却方法を取り付けられず、モータ駆動装置を小さくするためには装置の損失低減が必須条件である。

上記課題を解決するべく、モータロック状態のとき、スイッチング回路の１相のみパルス幅制御を行うように巻線への通電制御を行う。

本発明によれば、装置全体の損失が低減され、装置の温度フェールの可能性が低くなり、素子寿命の向上を図ることができる。

以下、３相巻線をステータに有するモータを用いた電動ブレーキを例に挙げ説明するが、本発明は３相に限らず、多相巻線を用いたモータにも同様の原理で適用できる。また、自動車用の電動ブレーキに限らず、他の一般のアクチュエータに適用できる。

図１は、本発明の一実施形態をなすモータ駆動装置を搭載した電動ブレーキ装置のシステム概略図を示す。

電動ブレーキ装置３０は、例えば永久磁石ブラシレスモータからなるモータ２０の回転力をピストンの押し付け力に変換して図示しないパッドなどによりディスクブレーキ４０を押し付ける装置であり、モータ２０にはモータ駆動装置１０を一体に取り付けた状態である。

バッテリ８０は各モータ駆動装置１０とブレーキ制御装置５０に電源を供給している。以下、電動ブレーキシステムの動作について説明する。運転者がブレーキペダル７０を踏むと、ブレーキセンサ６０が運転者の要求制動力を読み取り、ブレーキ制御装置５０へ運転者の要求性動力を伝達する。

ブレーキ制御装置５０は、運転者の要求制動力から、各ブレーキ装置の制動力指令値を演算し、各ブレーキ装置のモータ駆動装置１０へ伝達する。

モータ駆動装置１０は制動力指令値に従い、モータ２０に適切な駆動電圧を供給数する。駆動電圧は、例えば、パルス幅変調された３相交流電圧である。

モータ２０に駆動電圧が加わることにより、モータ２０が回転し、モータ回転力が、図示しない回転直動変換装置、例えばボールねじやボールアンドランプ機構によりディスクブレーキを押し付ける直動推力に変換され、ディスクブレーキ４０を押し付けて制動力を得る。

図２は、図１のモータ駆動装置およびその周辺のブロック構成図を示す。

モータ駆動装置１０は、２個のスイッチング素子を１相分とした、３相分のスイッチング素子からなる電力変換回路と、前記スイッチング素子を駆動するドライバＩＣ９０と、前記ドライバＩＣ９０へ、スイッチング素子のオン／オフ指令を伝達する制御部１００からなる。図２において、スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴを示しているが、ＩＧＢＴとダイオードの組み合わせとしてもかまわない。

制御部１００は、ブレーキ制御装置５０からの制動力指令値に加え、電力変換回路からモータ２０への接続線に設けた電流センサ２００からの信号から求められる電力変換回路の出力電流や、ディスクブレーキ４０への押付力、さらに、モータ２０のロータ１０１の磁極位置情報を検出または推定により入手する位置センサ１１１，１１２，１１３からのモータロータの磁極位置情報から、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン／オフタイミングを演算し、ドライバＩＣ９０を経由して、Ｓ１〜Ｓ６のオン／オフを制御する。

図３は、図１の例でモータロックを行ったときの、その前後の指令出力電圧と各スイッチング素子のオン／オフパターンを示す。

図３の時間ｔ１までの間では、モータが回転しているので、スイッチング素子Ｓ１〜
Ｓ６は、出力電圧指令に従い、例えば正弦波パルス幅変調制御によって、全素子がオンオフを繰り返している。

時間ｔ１のタイミングでモータ回転数がゼロに近くなり、ロックしたタイミングである。モータロックした場合は、トルク指令値とモータロータの磁極位置に応じた一定電圧を出力し続ける。本図では、Ｖ，Ｗ相がプラス電圧、Ｕ相がマイナス電圧を出力するよう電圧指令が固定されている。

本実施形態では、モータロック時にＵ，Ｖ，Ｗ相の内、１相のみパルス幅変調制御を行う。図３においてモータがロックした時間ｔ１以降、スイッチング素子Ｓ１はオフ、スイッチング素子Ｓ３はオン、スイッチング素子Ｓ４はオフ、スイッチング素子Ｓ５はオン、スイッチング素子Ｓ６はオフに固定し、スイッチング素子Ｓ２のみがパルス幅変調を行っている。

図３の時間ｔ１以降の電流の流れの向きを説明する。電源ＶＢからスイッチング素子
Ｓ３からモータステータ巻線ＬＶ，同ＬＵ，スイッチング素子Ｓ２へと流れると同時に、スイッチング素子Ｓ５からモータステータ巻線ＬＷ，同ＬＵ，スイッチング素子Ｓ２へ流れる。スイッチング素子Ｓ３及びＳ５からモータステータ巻線へ流れる電流は、全てＳ２を通して、電源が戻るので、Ｓ２のパルス幅変調のみ、つまり１相変調のみでステータ巻線３相へ通電する電流を制御できる。

全素子をスイッチングしている制御方法に比べ、本実施形態においては、モータロック時のスイッチング素子が１つしかないので、モータ駆動装置におけるスイッチング素子全体の損失を低減し、電力変換効率を向上できる。

図４は、図１の例でモータロックを行ったときの、モータロータの電気角の関係から１相変調２相通電する波形を示す。

図４はモータがロックした時間ｔ２以降、スイッチング素子Ｓ１はオフ、スイッチング素子Ｓ２はオン、スイッチング素子Ｓ４はオフ、スイッチング素子Ｓ５はオフ、スイッチング素子Ｓ６はオフに固定し、スイッチング素子Ｓ３のみがパルス幅変調を行っている。

図４の時間ｔ２以降の電流の流れの向きを説明する。電源ＶＢからスイッチング素子
Ｓ３からモータステータ巻線ＬＶ，同ＬＵ，スイッチング素子Ｓ２へと流れる。スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６はオフに固定しているので、１相変調でステータ巻線２相への通電電流を制御している。

図３，図４のように、モータロータの電気角の位置による通電パターンの違いを図５を用いて説明する。

図５は、図１の例で、モータロータ電気角に対する、モータロック時の通電パターンを示す。

電気角３６０°を１２モード（Ｍ１〜Ｍ１２）に分割し、各モードにおけるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の通電パターンが、オン，オフ，パルス幅変調（ＰＷＭ）のいずれかを示している。電気角はＵ相電圧を基準に記述している。１２モードは、通電相が２相，３相が交互に来るように電気角を設定している。

モードＭ１は、Ｕ相電圧，Ｗ相電圧がプラス方向に同一、Ｖ相電圧のみがマイナス方向に向いているとして、Ｖ相電圧の波高値前後１５°の範囲で設定している。モードＭ１において、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６をオフに固定し、Ｓ１，Ｓ５をオンに固定、Ｓ４をパルス幅制御することで、１相変調３相通電を実現している。

モードＭ２は、Ｗ相電圧をゼロ、Ｕ相電圧＝−（Ｖ相電圧）の関係にあるとして、Ｗ相電圧がゼロクロスポイントの前後１５°の範囲を設定している。モードＭ２においては、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６をオフに固定し、Ｓ４をオンに固定、Ｓ１をパルス幅変調することで、Ｕ相からＶ相へ電流が流れる１相変調２相通電を行っている。

尚、パルス幅変調するスイッチング素子をＳ４に変更し、Ｓ１をオンに固定しても、同じく電流を制御できる。

以下モードＭ３〜Ｍ１２は前２モードに類似した通電パターンを構成している。本実施形態は、図５に示す１２モードの範囲を設定することで、１相変調による３相通電モードと２相通電モードの組み合わせを実現し、電気角で１２分割した範囲でモータのロックトルクを効率よく出力できる。

次にモータロックの判別方法について説明する。

図６は、図１の例における、推力，モータ回転数，モータ駆動装置の出力電流の関係を示す。

実推力値は、ピストンの直動推力情報を検出または推定により入手する推力値入手手段から入手する。ここでは推力値入手手段である推力センサ１２０（図２に記載）からの信号で実推力値を求め、モータ回転数は位置入手手段である位置センサ１１１〜１１３から求め、出力電流は電流値入手手段である電流センサ２００から求められる。

ブレーキをかけ始めた、つまり制動力指令値から計算される推力指令が時間ｔ３において入力されると、モータ駆動装置から電流が出力され、モータが回転する。モータ回転は推力指令とともに上昇するが、ブレーキパッドがディスクブレーキに接触すると回転数は減少し、時間ｔ４には速度ゼロに近くなる。時間ｔ４において、速度ゼロになると、実推力は推力指令値に近くなり、時間ｔ４以降出力電流が一定になる。

時間ｔ４においてモータ回転数がゼロになり、モータがロックする。モータロック判定前は正弦波パルス幅制御を行い、モータロック判定後は１相変調制御に切り替える。切り替え時のショック緩和のため、モータロックの判定は、モータ回転がゼロになり、かつ実推力値が推力指令値に近づいた時間ｔ４からある程度時間をおいた時間ｔ５で判定し、１相変調に切り替えるほうが好ましい。

ブレーキを解除し始める、すなわち推力指令がゼロになる時間ｔ５においては、速やかに正弦波パルス幅制御に切り替え、応答よくブレーキを解除する。

以上のような制御を行うことにより、モータ駆動装置の応答性を維持しつつ、電動ブレーキ装置におけるモータ駆動装置の損失を低減し、高効率化を図ることができる。

図７は、本発明の他の実施形態をなすスイッチング素子のオン／オフ制御を示す。

図３と同様、モータロックを判定した時間ｔ１で１相変調制御に切り替わり、スイッチング素子Ｓ２のみのパルス幅変調で通電制御している。

スイッチング素子Ｓ２がオフの時、還流電流がスイッチング素子Ｓ１の寄生ダイオードを流れるので、モータロック時においても、Ｓ１，Ｓ２とも発熱する。スイッチング周期とスイッチング素子Ｓ１の通電時間の関係から、パルス幅制御を行っているＳ２の発熱がＳ１に比べ大きくなる場合があるので、時間ｔ７において、変調相を切り替える制御を行う。すなわち、スイッチング素子Ｓ２をオンに固定し、Ｓ３，Ｓ５をパルス幅変調することで、モータロック時の電圧電流を制御する。

このように変調相を切り替えることで、スイッチング素子Ｓ２のスイッチング損失分を減らすことが可能になる。

尚、時間ｔ７のタイミングは、制御部１００において各スイッチング素子の発熱を計算し、発熱が分散するように決定するのが好ましい。

上記のように、１相変調制御において、スイッチング素子の発熱が偏った場合、モータロックの最中に変調相を切り替えることで、スイッチング素子間の発熱を平準化できるので、スイッチング素子の長寿命化、つまり、モータ駆動装置の長寿命化を達成することが出来る。

図８は、本発明の他の実施形態をなすスイッチング素子のオン／オフ制御を示す。ここではモータロック時に推力指令が変動（減少）した時、通電幅を変える例を示す。

図８は、図３の場合と同様に、時間ｔ１において、モータロックと判断し、ｔ１以降位相変調制御に切り替わる。時間ｔ８において、ブレーキ指令が低下したとすると、出力電圧指令も減少するので、パルス幅変調幅をパルス幅Ｗ１からパルス幅Ｗ２に変化させている。モータロック中のモータトルクを減少させるのは、パルス幅を減少させることで対応できるので、電動ブレーキ装置において、パルス幅変動によるモータトルクの制御が可能である。

このように、本実施形態によれば、モータ駆動装置における発熱損失が低減されているので、ブレーキを多用する自動車に適用すれば、長時間の連続的なブレーキの使用が可能になる。

本発明のモータ駆動装置は、モータロック時に１相のみパルス幅変調制御を行う１相変調制御に切り替えるので、モータロック状態の多いモータ駆動装置において、装置全体の損失が低減される。従って、損失低減により、モータ駆動装置の温度フェールの可能性を低減し、素子寿命の向上を図ることが出来る。

以上、電動ブレーキ装置におけるモータロック時の１相変調制御について説明したが、本発明は電動ブレーキ以外の電動アクチュエータへも適用できる。モータ駆動装置における発熱損失が低減されているので、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動輪に駆動モータを設置する自動車の駆動モータの回生ブレーキと組み合わせて、長時間協調制御を行うことも、好適な適用例である。他の自動車補機に適用することも可能であり、また自動車に関連しない他の装置であっても、回転がゼロまたはゼロに近い状態でトルクを継続して発生させることが必要な対象であれば、同様の効果が得られる。

本発明の一実施形態をなすモータ駆動装置を搭載した電動ブレーキ装置のシステム概略図を示す。 図１のモータ駆動装置およびその周辺のブロック構成図を示す。 図１の例でモータロックを行ったときの、その前後の指令出力電圧と各スイッチング素子のオン／オフパターンを示す。 図１の例でモータロックを行ったときの、モータロータの電気角の関係から１相変調２相通電する波形を示す。 図１の例で、モータロータ電気角に対する、モータロック時の通電パターンを示す。 図１の例における、推力，モータ回転数，モータ駆動装置の出力電流の関係を示す。 本発明の他の実施形態をなすスイッチング素子のオン／オフ制御を示す。 本発明の他の実施形態をなすスイッチング素子のオン／オフ制御を示す。

符号の説明

１０…モータ駆動装置、２０…永久磁石ブラシレスモータ、３０…電動ブレーキ装置、４０…ディスクブレーキ、５０…ブレーキ制御装置、６０…ブレーキセンサ、７０…ブレーキペダル、８０…バッテリ、９０…ドライバＩＣ、１００…制御部、１０１…モータロータ、１１１，１１２，１１３…位置センサ、１２０…推力センサ、２００…電流センサ。

Claims (9)

1. 少なくとも３相の巻線を有するステータ及び永久磁石を有するロータより構成されたブラシレスモータの駆動装置であって、
   前記巻線への通電を行う複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、
   前記ブラシレスモータがモータロック状態のとき、前記スイッチング回路の１相のみパルス幅制御を行うように前記巻線への通電制御を行う制御部と、
   を有するモータ駆動装置。
2. 請求項１記載のモータ駆動装置であって、
   前記ロータの位置情報を入手する位置入手手段を有し、
   前記制御部は、前記位置入手手段から入手したロータの位置を基準とした前記巻線への印加電圧の内１相の印加電圧が波高値近傍である場合は、当該１相のスイッチング回路においてパルス幅制御を行い、他の相のスイッチング回路はオン状態を保持するモータ駆動装置。
3. 請求項２記載のモータ駆動装置であって、
   前記波高値近傍とは、前記１相の印加電圧が波高値位置前後電気角１５°以内の範囲であるモータ駆動装置。
4. 請求項１記載のモータ駆動装置であって、
   前記ロータの位置情報を入手する位置入手手段を有し、
   前記制御部は、前記位置入手手段から入手したロータの位置を基準とした前記巻線への印加電圧の内１相の印加電圧が０（ゼロ）近傍である場合は、当該１相のスイッチング回路をオフ状態に保持し、他の相のスイッチング回路のうちいずれか１相のスイッチング回路においてパルス幅制御を行い、さらにその他の相のスイッチング回路をオン状態に保持するモータ駆動装置。
5. 請求項４記載のモータ駆動装置であって、
   前記０（ゼロ）近傍とは、当該１相の印加電圧が０位置前後電気角１５°以内の範囲である駆動装置。
6. 請求項１記載のモータ駆動装置であって、
   前記制御部は、モータロック時において、前記パルス幅制御を行う相を切り替えるとともに、常に前記巻線のうちいずれか１相のみがパルス幅制御を行うように制御するモータ駆動装置。
7. 少なくとも３相の巻線を有するステータ及び永久磁石を有するロータより構成されたブラシレスモータの駆動方法であって、
   前記ブラシレスモータがモータロック状態のとき、前記巻線への通電を行う複数のスイッチング素子のうち１相のみパルス幅制御を行うように前記巻線への通電制御を行うモータ駆動方法。
8. 少なくとも３相の巻線を有するステータ及び永久磁石を有するロータより構成されたブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータの回転をピストンの直動推力に変換する回転直動変換機構と、
   前記ピストンの推力によりディスクブレーキを押し付ける機構と、
   前記巻線への通電を行う複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、
   前記ブラシレスモータがモータロック状態のとき、前記スイッチング回路の１相のみパルス幅制御を行うように前記巻線への通電制御を行う制御部と、
   を有する電動ブレーキ装置。
9. 請求項８記載の電動ブレーキ装置であって、
   前記ピストンの直動推力情報を入手する推力値入手手段を有し、
   前記制御部は、前記ブラシレスモータの回転数が一定値以下かつ前記推力値入手手段からの推力値が所定値以上になった場合、モータロック状態と判断する電動ブレーキ装置。
   

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