JP5624810B2 - 電動機の駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の駆動制御方法に関する。

電動機にはロータとステータが設けられている。ステータには、モータコイルがインシュレータを介してティース部に巻きつけられるステータコアが設けられている。
例えば車両用に用いられる電動機は、クラッチやブレーキなどに用いられておりモータの回転運動を負荷に対する直線運動に変換して伝達するようになっている。

例えば、クラッチの踏み込み量に応じて電動モータを駆動してアシスト部材を進退動させてクラッチ板を押し当ててクラッチを接続したりあるいはクラッチの接続を解除したりするクラッチ機構や、ブレーキペダルの踏み込み量に応じて電動モータを駆動することでアシスト部材を進退動させてマスタシリンダにブレーキ液圧を作用させるブレーキ機構などが提案されている。

上記クラッチシステムやブレーキシステムにおいては、ペダルを押し込んだ状態、例えば３相の電動モータのモータコイルに通電したままの状態（負荷保持状態）で回転停止状態を維持することがあり、各相電流のうち特定の１相だけ通電電流が大きくなるおそれがある。このような電動モータの温度上昇をサーミスタ等の温度センサを１個設けて、各相コイルの温度を演算により推定し、特定の相のコイル温度が所定値より上がりすぎた場合には最も大きな電流が流れる相の電流値（絶対値）をピーク値より外れるように回転位置を移動するように駆動制御する。具体的には、例えばモータ停止状態でＷ相に大電流が流れる場合、Ｗ相のピーク値より低下したＶ相と同等の電流値となりＵ相電流が零となる位置まで更に回転させることでＷ相のコイルの温度上昇を防ぐことができる（特許文献１参照）。

特開２００９−２２０８０７号公報

上述したモータ駆動装置においては、負荷保持するためモータを停止すると各相コイル温度が異なる可能性が高い。したがって、熱劣化により製品寿命が短くなる可能性が高い。また、モータハウジングに設けた温度センサよりコイル間の熱伝達特性を利用して温度検出を行なっているが、熱伝達のばらつきにより温度の検出誤差が発生し易い。また、温度センサの検出温度により各相コイルの温度を演算により推定する温度推定処理を行なっており、複雑な演算処理が必要になり制御動作が複雑になるうえに、温度センサを設ける分だけ部品コストも嵩む。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、モータが負荷保持停止位置で停止する時間を各相コイルで均一になるように駆動制御することで、各相コイルの発熱温度を均一化させた電動機の駆動制御方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
多相モータをアシスト機構の駆動源として用いる電動機の駆動制御方法であって、前記多相モータとそのモータ駆動回路を含む制御回路を具備し、前記制御回路はモータコイルに通電状態で、かつロータが負荷保持状態で回転停止させたロータの回転停止位置である負荷保持停止位置を、前回ロータが回転停止した負荷保持停止位置に対して電気角で（（１８０/ｎ）°；ｎは相数であり、２以上の整数）だけ所定回転方向にロータを回転させた位置で停止させる際に、特定の負荷保持停止位置からロータを所定回転方向に回転させて前記特定の負荷保持停止位置に戻るまでを１サイクルとして、そのサイクルを１回若しくは複数回繰り返す間の、各相コイルへの通電時間の総和が同一になるよう駆動制御することを特徴とする。

また、前記負荷保持停止位置は、いずれかの相が最大電流となる電気角に対応するロータ回転停止位置であることを特徴とする。

また、前記制御回路は、位置センサによって検出したモータの直前停止位置を基準として、回転センサにより検出したロータ位置に応じてモータ駆動回路を通じて通電制御することで、直前停止位置に対してモータを所定角度回転させて停止するように制御することを特徴とする。

上述した電動機の駆動制御方法を用いれば、直前停止位置に対して電気角で（１８０/ｎ；ｎは相数であり、２以上の整数）だけ回転方向に回転させた負荷保持停止位置で停止させることで、特定の負荷保持停止位置からロータを所定回転させて、その特定の負荷保持停止位置に戻るまでを１サイクルとして、その１サイクル間の通電範囲内でロータが停止する負荷保持停止位置において各相コイルへの通電時間の総和が同一になるように駆動制御するので、特定相のモータコイルが温度上昇することを簡易な構成で回避することができ、温度センサを設けなくても温度制御可能になるのでシステムの簡素化、制御動作の簡素化を図ることができ、温度センサが不要であるので熱伝達特性のばらつきの影響も受けないので、使用環境にも影響されない。

電動機の駆動制御回路のブロック構成図である。 電動機の負荷保持停止動作パターンを示すタイムチャート図である。 電動機の負荷保持状態における電気角ごとのサイクル数を示す表図である。 他例に係る電動機の負荷保持停止動作パターンを示すタイムチャート図である。 他例に係る電動機の負荷保持状態における電気角ごとのサイクル数を示す表図である。 Ｕ相コイルの温度上昇試験結果を示すグラフ図である。 各相コイルの電流波形と電気角との関係を示すグラフ図である。 比較例に係る電動機の負荷保持停止動作パターンを示すタイムチャート図である。 比較例に係る電動機の負荷保持状態における電気角ごとのサイクル数を示す表図である。 特定の負荷保持位置のコイルの温度上昇を示すグラフ図である。

以下、本発明に係る電動機駆動制御方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態では、電動機として車載用の三相ＤＣブラシレスモータを用いた駆動制御方法について例示する。

図１のブロック図を参照して、電動機の概略構成について説明する。
電動モータ１は、クラッチペダルの踏み込み力をアシストする動力を発生させる。クラッチペダルの踏み込み動作及び戻り動作に応じて電動モータ１が正逆回転駆動することで、アシスト機構を構成するボールねじを介してクラッチ板どうしを接離動させる回転‐直線運動に変換することによりクラッチの接続・接続解除が行われる。このクラッチペダルを踏み込んで電動モータ１に通電したまま停止状態となる（負荷保持停止状態）ことで、特定相のモータコイル３に最大電流が流れて加熱損傷するおそれがある。

ロータ２は、図示しないシャフトにロータマグネットが一体に組み付けられて回転可能に軸支されている。ロータマグネットはシャフトの中途部に一体に組み付けられ、両側を軸受部（ボールベアリング）により回転可能に支持されている。

図示しないロータマグネットと対向配置されたステータコアには、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）のモータコイル３が巻き付けられている。各相モータコイル３は、後述する制御回路により所定のタイミングでモータ電流が流れる。本実施例では、各相モータコイル３はＹ結線されている。尚、モータコイル３の結線方法はＹ結線に限定されるものではなく、デルタ結線でも本発明を実施できることは言うまでもない。

ロータマグネットの磁極位置を回転センサ（ホールセンサ）４により検出することによりロータ２の回転位置が検出される。また、電動モータ１の回転変位から、車体に対するクラッチ板の絶対変位を検出する位置センサ（レゾルバ）５が設けられている。

上記回転センサ４及び位置センサ５は制御ユニット６（車載用ＥＣＵ）に接続されている。制御ユニット６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどの各種制御素子を備えた制御回路７により電動モータ１の駆動を制御する。制御回路７は、バッテリーなどの直流電源８より直流電源電圧が供給されて動作する。
回転センサ４で検出された検出信号は制御回路７に供給される。制御回路７は、ロータ回転位置に応じて、ＦＥＴドライバ９を通じてＦＥＴブリッジ回路１０を通じて各相モータコイル３のうちいずれか２相に電流方向を変えて流すことにより、ロータ２の回転を付勢するように通電制御する。

また、レゾルバＬＳＩ（大規模集積回路）１１は、位置センサ５の検出信号から、駆動停止した電動モータ１の回転角を検出する。このレゾルバＬＳＩ１１によって検出した回転角位置を基準として、制御回路７はＦＥＴドライバ９を通じてＦＥＴブリッジ回路１０を通じてロータ２の回転位置が所定位置になるように回転制御する。

具体的には、三相モータの各相モータコイル３に通電状態でロータ２の回転が負荷保持状態で停止したときに、当該各相モータコイル３に供給される各相電流が、任意の直前停止位置に対して電気角で６０°（１８０/ｎ；ｎは相数であって、２以上の整数）だけ所定回転方向（正転若しくは逆転方向）に回転させて停止させるように制御する。

これにより特定の負荷保持停止位置からロータ２を所定回転させて、その特定の負荷保持停止位置に戻るまでを１サイクルとして、その１サイクル間の通電範囲内で各停止位置において停止する時間の総和が同一になるように駆動制御する。尚、１サイクルに限らず、複数サイクル間に停止する時間の総和が同一になるように駆動制御するものでも良い。
Ｕ，Ｖ，Ｗの各相コイルの発熱量Ｑは、抵抗値Ｒ，電流値Ｉ，通電時間ｔとすると、Ｑ＝0.24×Ｉ^２Ｒｔで与えられる。

よって、上述した１サイクル若しくは複数サイクル間の通電範囲内で各停止位置における停止時間ｔが同一であれば、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相コイルに流れる電流が順番に最大となり発熱量Ｑが平均化される。よって、基準位置は不問であり、任意の直前停止位置に対して三相の場合、可変電気角を６０°×Ｎ（Ｎは整数であって３の倍数を除く）とすることで、発熱量Ｑを平均化することができる。

尚、可変電気角を６０°×３Ｎ（Ｎは整数）では、同相コイルに流れる電流の向きが変わるだけで同じ電流値が流れたまま停止するため特定相のモータコイル３の発熱量Ｑが増大する。

以下、通電動作パターン例について図２乃至図６を参照して説明する。
図２は、三相モータコイル３において、１サイクル回転する間に停止する負荷保持停止位置（１）〜（３）についての停止時間を示すタイミングチャートである。尚、１サイクルとは例えば負荷保持停止位置（１）からロータを所定回転させて、再び負荷保持停止位置（１）に戻るまでをいう。もちろん負荷保持停止位置（２）や（３）をサイクル開始・終了としても良い。
クラッチペダルの踏み込み動作と戻り動作が繰り返し行われるため、踏み込み時を正回転とすると戻り時には逆回転となる。

例えば電気角（１）〜（３）はロータ停止位置が電気角で６０°ずつ位置ずれした負荷保持停止位置とすると、図２の通電動作パターンは、三相モータの場合は電気角で６０°回転するごとに通電パターンが切り替わる６パターンあり、Ｔを所定の時間単位とすると、１回目の負荷保持停止位置はＵ相コイルに通電状態で１Ｔ停止し、２回目の負荷保持停止位置はＶ相コイルに通電状態で１Ｔ停止し、３回目の負荷保持停止位置はＷ相コイルに通電状態で１Ｔ停止する通電パターンを繰り返す場合を示す。

図３は２サイクル間の通電範囲内で、各相の負荷保持停止位置に停止した回数を示す表図である。各相の負荷保持停止位置に停止した回数は２回と等しく、各相コイルの発熱量も均一化することができる。

図４は、他例に係る三相モータコイル３において、１サイクル間に停止する負荷保持停止位置（１）〜（３）についての停止時間を示すタイミングチャートである。
クラッチペダルの踏み込み動作と戻り動作が繰り返し行われるため、踏み込み時を正回転とすると戻り時には逆回転となるのは同様である。

例えば電気角（１）〜（３）をロータ停止位置が電気角で６０°ずつ位置ずれした負荷保持停止位置とすると、図４の通電動作パターンは、１回目の負荷保持停止位置はＵ相コイルに通電状態で２Ｔ停止し、２回目の負荷保持停止位置はＶ相コイルに通電状態で１Ｔ停止し、３回目の負荷保持停止位置はＷ相コイルに通電状態で１Ｔ停止し、４回目の負荷保持停止位置はＶ相コイルに通電状態で１Ｔ停止し、５回目の負荷保持停止位置はＷ相コイルに通電状態で１Ｔ停止するパターンを繰り返す場合を示す。

図５は電気角で１サイクル間の通電範囲内で、各相の負荷保持停止位置に停止した回数を示す表図である。各相の負荷保持停止位置に停止した回数は２回と等しく、各相コイルの発熱量も均一化することができる。
車両運転手らの操作（クラッチペダルの踏み込み動作・戻り動作など）により、必ずしも電気角（１）〜（３）に対応する負荷保持停止位置に同じ時間停止（電流を通電）するとは限らないが、この実施例のように電気角（１）の通電時間が長いならば、電気角（１）に対応する負荷保持停止位置を一度通過するようにして、他の電気角の停止回数（停止時間）を増やすよう制御し、結果として１サイクル中での各相の負荷保持停止位置に停止した回数は２回と等しくして、各相コイルの発熱量も均一化することができる。
また、車両運転手らの操作の回数が増すほど、電気角（１）〜（３）に対応する負荷保持停止位置に停止する回数が増えることから、確率的に各相コイルの発熱量は均一化されることになる。

図６はＵ相コイルの温度上昇試験を行なった結果を示すグラフ図である。
左半図は電気角（３）から（１）に対応する負荷保持停止位置を維持した場合のＵ相コイルの温度上昇の経時変化を示す。なお、各負荷保持停止位置を維持して、温度上昇がある程度収まってから次の負荷保持停止位置に回転させて停止するようにしている。時間経過とともに、Ｕ相コイルの温度上昇が増大することが分かる。これに対して、右半図の本願発明のように基準位置を決めないで直前停止位置から所定時間で順次所定量だけ回転させた負荷保持停止位置において可変停止する場合には、負荷保持停止位置が変わることで各相コイルにおけるトータルの通電時間が均一になるため、Ｕ相の温度上昇が抑えられることが分かる。尚、ここでは実験のため、車両運転手らの操作動作ではなくプログラム的に一定時間で負荷保持停止位置を回転させている。

これまで説明してきた電気角（１）〜（３）は任意の電気角であり、それぞれが（１８０/ｎ）°（ｎは相数であって、２以上の整数）ずつ回転していればどこで停止させてもよいが、図７のように電気角（１）´〜（３）´でも良い。
図７は三相コイルにおいて最大電流となる電気角を示す波形図である。Ｕ相の電気角（１）´を０°とすると、Ｖ相の電気角（２）´は電気角で１２０°回転した位置、Ｗ相の電気角（３）´は電気角で６０°回転した位置となる。この電気角（１）´〜（３）´に対応する負荷保持停止位置を用いて図２〜図５において説明した制御を行っても良い。

一方、図８乃至図１０は、本願発明の対比例を示すもので、特定相のコイルに負荷保持停止状態を決めたときの各相コイルの経時的な温度変化を説明する対比図である。
図８はＵ相コイルを負荷保持停止位置に決めた場合の、６サイクル間に負荷保持停止位置（１）における停止時間を示すタイミングチャートである。
図８の通電動作パターンは、１回目の負荷保持停止位置はＵ相コイルに通電状態で１Ｔ停止し、その後ロータ回転位置に応じてＶ相コイル乃至Ｗ相コイルに通電している時でもＵ相コイルへ通電する負荷保持停止位置（１）まで回転して停止するため以降はこのパターンを繰り返すことになる。

図９は６サイクル間の通電範囲内で、Ｕ相の負荷保持停止位置に停止した回数を示す表図である。通電パターンが異なる１〜６のサイクルにおいていずれもＵ相の負荷保持停止位置（１）に停止するため、停止回数は６回となる。

このため、負荷保持停止位置（１）がＵ相コイルのみに偏っているため、図１０に示す各相コイルの発熱量は、Ｕ相コイルの温度上昇が他相コイルよりも増大してしまう。

上述した負荷保持停止位置における各相コイルへの通電時間や通電パターンは任意であり、変更することが可能である。
また、本実施例では三相モータについて説明したが、二相モータ、四相モータ等であっても良い。
また、電動モータは、インナーロータ型のＤＣブラシレスモータであってもアウターロータ型のＤＣブラシレスモータであってもいずれでもよい。

１ 電動モータ
２ ロータ
３ モータコイル
４ 回転センサ
５ 位置センサ
６ 制御ユニット
７ 制御回路
８ 直流電源
９ ＦＥＴドライバ
１０ ＦＥＴブリッジ回路
１１ レゾルバＬＳＩ

Claims (3)

1. 多相モータをアシスト機構の駆動源として用いる電動機の駆動制御方法であって、
   前記多相モータとそのモータ駆動回路を含む制御回路を具備し、
   前記制御回路はモータコイルに通電状態で、かつロータが負荷保持状態で回転停止させたロータの回転停止位置である負荷保持停止位置を、前回ロータが回転停止した負荷保持停止位置に対して電気角で（（１８０/ｎ）°；ｎは相数であり、２以上の整数）だけ所定回転方向にロータを回転させた位置で停止させる際に、特定の負荷保持停止位置からロータを所定回転方向に回転させて前記特定の負荷保持停止位置に戻るまでを１サイクルとして、そのサイクルを１回若しくは複数回繰り返す間の、各相コイルへの通電時間の総和が同一になるよう駆動制御することを特徴とする電動機の駆動制御方法。
2. 前記負荷保持停止位置は、いずれかの相が最大電流となる電気角に対応するロータ回転停止位置であることを特徴とする請求項１記載の電動機の駆動制御方法。
3. 前記制御回路は、位置センサによって検出したモータの直前停止位置を基準として、回転センサにより検出したロータ位置に応じてモータ駆動回路を通じて通電制御することで、直前停止位置に対してモータを所定角度回転させて停止するように制御する請求項１又は請求項２記載の電動機の駆動制御方法。

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