特許第5998656号(P5998656)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5998656
(24)【登録日】2016年9月9日
(45)【発行日】2016年9月28日
(54)【発明の名称】電動モータの制御装置
(51)【国際特許分類】
   H02P 6/20 20160101AFI20160915BHJP
【FI】
   H02P6/20
【請求項の数】1
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2012-126793(P2012-126793)
(22)【出願日】2012年6月4日
(65)【公開番号】特開2013-252027(P2013-252027A)
(43)【公開日】2013年12月12日
【審査請求日】2015年5月21日
(73)【特許権者】
【識別番号】000001247
【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト
(72)【発明者】
【氏名】須増 寛
【審査官】 池田 貴俊
(56)【参考文献】
【文献】 特開2005−057922(JP,A)
【文献】 特開2012−010477(JP,A)
【文献】 特開2004−343822(JP,A)
【文献】 特開2005−176453(JP,A)
【文献】 特開2012−050285(JP,A)
【文献】 米国特許第5687071(US,A)
【文献】 米国特許出願公開第2009/0121483(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02P 6/20
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
起動時に電動モータを回転させる強制転流モードと、
前記電動モータのロータ位置が特定可能となった場合に前記強制転流モードから移行して電流制御するセンサレス制御モードと、を備えた電動モータの制御装置であって
前記強制転流モードは、回転数が所定回転数から設定回転数に到達するまで所定の上昇幅で前記回転数を増加させるとともに、前記回転数の増加にともない前記電動モータの逆起電力定数と前記回転数の増加分との演算により求めたモータ出力の増加分を前回の前記モータ出力の指令値に加算して求めた前記モータ出力の指令値により前記モータ出力を増加させることを特徴とする電動モータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電動モータの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
自動車のトランスミッションには油圧ポンプにより油圧が供給されるが、省エネルギーなどの観点から停車時にエンジンを停止するいわゆるアイドルストップ(アイドリングストップ)を行う自動車では、アイドルストップ時にもトランスミッションへの油圧供給を確保するために、電動オイルポンプ装置が使用されるようになっている。また、自動車に搭載されるポンプ駆動用電動モータとして、ブラシレスモータが用いられるようになっている。また、電動オイルポンプ装置では、回転位置検出センサを用いずにブラシレスモータを駆動するいわゆるセンサレス制御が行われている。
【0003】
上記ブラシレスモータをセンサレス制御するためには、ロータの回転位置を推定して回転位置検出センサからの回転位置信号に相当する回転位置推定信号を生成する必要がある。回転位置推定信号の推定は、一般に、ブラシレスモータの3相の誘起電圧を用いて行われるが、ブラシレスモータの起動時において、ロータが回転していないか低速で回転している間は、誘起電圧が0か低い値であるため、回転位置推定信号を生成することができない。このため、ブラシレスモータの3相への通電パターンを一定周期で強制的に切り換えることにより、回転磁界を発生させて、ロータを強制的に連れ回りさせる強制転流が行われるようになっている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1のブラシレスモータのセンサレス制御装置では、ブラシレスモータを所定回転数で回転させて一定の回転数まで段階的に上昇させて、ロータ位置が検出可能かどうかを判定し、ロータ位置が検出可能となったときに強制転流モードからセンサレス制御モードに移行するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2005−278320号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記の従来のブラシレスモータのセンサレス制御装置を自動車のトランスミッションの油圧ポンプ駆動用のブラシレスモータに適用した場合、電動オイルポンプ装置では、起動時は低トルクで回転するが、回転数が上昇するに従い高トルクが必要になる。したがって、モータ出力が一定の場合、回転数上昇に従いトルクが減少していくので、トルク不足によりブラシレスモータのロータが追従できず脱調する可能性があり、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズに行われない場合があった。すなわち、従来のモータ制御装置では、ロータ位置が検出されたことでセンサレス制御に移行した後、ロータ位置が検出できなくなることがあり、この場合には、センサレス制御ができなくなり、起動時に速やかに油圧を上昇させることが困難であった。また、強制転流モードにおけるロータの回転数を高く設定することが考えられるが、その場合も同様にロータが磁極変化に追従できず、脱調しやすくなる可能性があった。
【0006】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、起動時に強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行が速やかに行われる電動モータの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、起動時に電動モータを回転させる強制転流モードと、前記電動モータのロータ位置が特定可能となった場合に前記強制転流モードから移行して電流制御するセンサレス制御モードと、を備えた電動モータの制御装置であって、前記強制転流モードは、回転数が所定回転数から設定回転数に到達するまで所定の上昇幅で前記回転数を増加させるとともに、前記回転数の増加にともない前記電動モータの逆起電力定数と前記回転数の増加分との演算により求めたモータ出力の増加分を前回の前記モータ出力の指令値に加算して求めた前記モータ出力の指令値により前記モータ出力を増加させることを要旨とする。
【0008】
上記構成によれば、強制転流モードは、初期回転数から所定の上昇幅で回転数を増加させ、回転数の増加にともない電動モータの出力も増加させて強制転流を行う。強制転流モードでのモータ出力指令値は電動モータの逆起電力定数と回転数の増加分との演算により求められるので、回転数が上昇しても確実にモータ出力を増加させることができる。そして、回転数が設定回転数に到達しロータ位置が特定可能となったときにセンサレス制御モードに移行する。これにより、回転数が上昇してもトルク不足によりロータが追従できず脱調することがなく、強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行がスムーズにできる。また、センサレス制御モードへの移行後は、回転数が不足してロータ位置の特定ができなくなることがなくなる。その結果、電動モータを電動オイルポンプ装置駆動用に使用した場合、起動時に速やかに油圧を上昇させることができる。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、起動時に強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行が速やかに行われる電動モータの制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】本発明の一実施形態に係る電動モータの制御装置の構成を示す制御ブロック図。
図2】強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する処理手順を示すフローチャート。
図3】強制転流モードにおける指令回転数の時間変化を示す概略図。
図4】強制転流モードにおける回転数−指令モータ出力マップの概略図。
【発明を実施するための形態】
【0011】
次に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る電動モータの制御装置の構成を示す制御ブロック図である。図1に示すように、電動モータ(以下、ブラシレスモータという)1のセンサレス制御装置(ECU)4は、車両に搭載されて油の吸入および吐出を行う図示しないオイルポンプを駆動するブラシレスモータ1をバッテリ2からの直流電源を用いてPWM方式で駆動するものである。センサレス制御装置4は、ブラシレスモータ1のステータ巻線の3相の相電圧に基づいてデジタル方式で各相の回転位置推定信号を生成する回転位置推定信号生成手段である回転位置推定信号生成部3と、各相の回転位置推定信号に基づいてPWM方式でバッテリ2から3相への通電を制御する通電制御手段である通電制御部12とから構成されている。なお、図1に示すブラシレスモータ1は、例えば、ダブルスター結線された3相巻線を有するセンサレスブラシレスモータである。
【0012】
回転位置推定信号生成部3は、ブラシレスモータ1のU相、V相、W相ステータ巻線の3相の相電圧Vu、Vv、Vwに基づいて、各相の回転位置推定信号Hu、Hv、Hwを生成する。3相の相電圧Vu、Vv、Vwは、V*で総称する。3相の回転位置推定信号Hu、Hv、Hwは、H*で総称する。
【0013】
通電制御部12は、通電信号生成手段5、モータ駆動回路6、電流検出部7、電流制御部8、PWM駆動制御部9、およびゲート駆動回路10から構成されている。
【0014】
通電信号生成部5は、回転位置推定信号生成部3により生成される回転位置推定信号H*に基づいて、各素子の通電をそれぞれ制御するための通電信号Cu+、Cu−、Cv+、Cv−、Cw+、Cw−を生成するものである。通電信号は、C*で総称する。通電信号生成部5は、CPU(マイコン)により構成されてもよいし、専用のデジタル回路により構成されてもよい。
【0015】
モータ駆動回路6は、バッテリ2からブラシレスモータ1のU相へ通電を制御する上アームFET(スイッチング素子)−U1および下アームFET−U2、V相へ通電を制御する上アームFET−V1および下アームFET−V2、W相への通電を制御する上アームFET−W1および下アームFET−W2を備えている。FETは、符号U*,V*,W*で総称する。
【0016】
電流検出部7は、シャント抵抗(電流測定回路)11をモータ駆動回路6に接続してモータ電流を検出するものである。ブラシレスモータ1のU相、V相、W相のステータ巻線に流れる合計電流値が電流検出部7により検出されている。
【0017】
電流制御部8は、電流検出部7から検出されたブラシレスモータ1の電流検出値Aと電流指令値Aaとを比較し、両者の大小関係に基づき、ブラシレスモータ1をPWM駆動するための電流制御信号Apwmを作成し、PWM駆動制御部9へ送るものである。
【0018】
PWM駆動制御部9は、与えられた通電信号C*および電流制御信号Apwmに基づいて、各FET−U*,V*,W*に対するPWM制御信号Du+、Du−、Dv+、Dv−、Dw+、Dw−を作成し、ゲート駆動回路10へ出力するものである。PWM制御信号はD*で総称する。
【0019】
ゲート駆動回路10は、与えられたPWM制御信号D*に基づいて、各FET−U*,V*,W*をオン/オフ駆動し、ブラシレスモータ1のステータ巻線に回転磁界を発生させるものである。
【0020】
図1において、モータ起動時には、強制転流モードとされ、起動指令(モータ起動信号)Stが通電信号生成部5に与えられる。通電信号生成部5は、モータ起動信号Stを受けた際にメモリ内に記憶した通電パターンをPWM駆動制御部9へ与える。これは、ブラシレスモータ1のロータ位置に関係なく行われる。回転数の増加は、周波数を上げていくことで行われ、電流については、電流制御部8からの電流制御信号Apwmによるのではなく、バッテリ2の直流電圧から、PWM駆動制御部9のメモリ内に記憶した値に基づき、一定の電流が与えられる。この電流値は、モータの定格電流よりも大きい値とされる。PWM駆動制御部9は、通電信号生成部5からの通電信号C*に基づいて、各FET−U*,V*,W*に対するPWM制御信号D*をゲート駆動回路10に出力し、これにより、各FET−U*,V*,W*がオン/オフ駆動され、ブラシレスモータ1のステータ巻線に強制転流のための回転磁界が発生する。モータ回転信号Rtは、回転数に比例して周波数が増加するものであり、回転位置推定信号生成部3に入力される。
【0021】
ブラシレスモータ1のロータの回転位置は、ブラシレスモータ1のステータ巻線に誘起した各端子電圧と基準電圧とを比較してサンプリングしたデジタル信号のパターンに基づき、ゼロクロス点を検出することで特定可能か否かを判断することができる。上記強制転流を行うことで、ブラシレスモータ1のステータ巻線の誘起電圧であるU相、V相、W相の3相の相電圧Vu、Vv、Vwが大きくなる。これに基づいて、回転位置推定信号生成部3では、サンプリングしたデジタル信号で示されるパターンが規則的に変化しているか否かを判定し、各相の回転位置推定信号H*(Hu、Hv、Hw)を生成可能、すなわち、ロータ位置の特定が可能となる。
【0022】
これにより、通電信号生成部5は、回転位置推定信号生成部3により生成される回転位置推定信号H*に基づいて、通電信号C*を生成する。PWM駆動制御部9は、この通電信号C*および電流制御信号Apwmに基づいて、各FET−U*,V*,W*に対するPWM制御信号D*を作成し、ゲート駆動回路10に与える。こうして、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する。
【0023】
次に、図2は、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する処理手順を示すフローチャート、図3は、強制転流モードにおける指令回転数の時間変化を示す概略図、図4は、強制転流モードにおける回転数−指令モータ出力(モータ出力指令値)マップの概略図である。
【0024】
図2において、起動指令(ステップS201)に基づいて、強制転流モードが開始され、まず、指令回転数(回転数指令値)として、予め設定されている初期回転数である所定回転数が与えられる(ステップS202)。この初期回転数に対応する回転磁界がブラシレスモータ1のステータ巻線に与えられることで、強制転流モードが実行される(ステップS203)。次いで、指令回転数が設定回転数に到達しているかどうかが判定される(ステップS204)。初期回転数<設定回転数であるので、当初はNOと判定され、指令回転数=初期回転数+上昇幅として、回転数を増加させる(ステップS205)。
【0025】
続いて、回転数の増加にともないモータ出力を増加させる(ステップS206)。これにより、増加させられた指令回転数および指令モータ出力に対応する回転磁界がブラシレスモータ1のステータ巻線に与えられる。指令回転数を上昇幅ずつ増加させるステップS205および指令モータ出力を増加させるステップS206は、指令回転数が設定回転数に到達するまで繰り返し続けられる。指令回転数=設定回転数による強制転流モードが行われると、この後の指令回転数が設定回転数に到達しているかどうかを判定するステップS204で、YESと判定され、強制転流モードが終了する。
【0026】
この後、ブラシレスモータ1のロータ位置の推定禁止処理が解除され、ロータ位置が特定できるかどうかが判定され(ステップS207)、YESと判定された場合には、強制転流モードからセンサレス制御モードに移行する(ステップS208)。ロータ位置特定ステップS207で、NOと判定された場合には、指令回転数=初期回転数とするステップS202に戻って、再度強制転流モードステップS203が実行される。
【0027】
上記のフローチャートの回転数を増加させるステップS205では、指令回転数は、図3に示すように変化する。すなわち、回転数の上昇幅は一定であり、回転数の増加に伴って、その回転数での強制転流時間は短く設定される。上記フローチャートによると、指令回転数が設定回転数に到達しないうちは、ロータの位置を検出するステップが実施されないことから、図3にTで示す期間がロータ位置推定禁止時間となっている。これにより、設定回転数よりも低い指令回転数(図3にTで示すロータ位置推定禁止時間よりも短い時間)でセンサレス制御モードに移行することはない。したがって、回転数が低いためにロータ位置が誤って特定されることが回避される。
【0028】
また、上記のフローチャートのモータ出力を増加させるステップS206では、指令モータ出力は、式(1)、(2)に示すモータ出力指令値を演算するか、あるいは、図4に示す回転数−モータ出力指令値マップからモータ出力指令値を取得する方法のいづれかにより求めることができる。
【0029】
モータ出力指令値は、次式(1)、(2)のように表すことができる。
ΔP=Δω×Ke×Kt ・・・(1)
P=P’+ΔP ・・・(2)
ただし、ΔPはモータ出力増加分、Δωは回転数増加分、Keはモータの逆起電力定数、Ktは電圧/モータ出力の変換定数、Pは今回のモータ出力指令値、P’は前回のモータ出力指令値である。
【0030】
あるいは、回転数の増加にともなうモータ出力指令値は、予め設定されている回転数−モータ出力指令値マップに基づいて求めることができる。例えば、図4に示すように、強制転流モードにおいて、回転数の増加に対して指令モータ出力を直線的に増加させる場合、回転数が上昇してもモータトルクを一定に保つことができる。
【0031】
次に、上記のように構成された本実施形態であるブラシレスモータ1のセンサレス制御装置4の作用および効果について説明する。
【0032】
上記構成によれば、強制転流モードは、初期回転数である所定回転数から所定の上昇幅で回転数を増加させ、回転数の増加にともないブラシレスモータ1のモータ出力も増加させるように強制転流を行う。回転数が設定回転数に到達し、ブラシレスモータ1のロータ位置が特定可能となったときに電流制御を行うセンサレス制御モードに移行する。強制転流モードでのモータ出力指令値は、ブラシレスモータ1の逆起電力定数Keと回転数の増加分Δωとの演算により、あるいは、回転数の増加に応じて予め設定された所定の回転数−指令モータ出力マップに基づいて求められる。
【0033】
これにより、ブラシレスモータ1の回転数が上昇してもトルク不足によりロータが追従できず脱調することがなく、強制転流モードからセンサレス制御モードへスムーズに移行することができる。また、センサレス制御モードへの移行後は、回転数が不足してロータ位置の特定ができなくなることがなくなる。その結果、ブラシレスモータ1を電動オイルポンプ駆動用に使用した場合、起動時に速やかに油圧を上昇させることができる。また、上述の強制転流モードでのモータ出力指令値を求める方法を採用することにより回転数が上昇しても確実にモータ出力を増加させることができる。さらに、低回転時に大電流が流れないため、強制転流モードでのモータ効率がよくなる。
【0034】
以上のように、本実施形態によれば、起動時に強制転流モードからセンサレス制御モードへの移行が速やかに行われるセンサレスブラシレスモータの制御装置を提供できる。
【0035】
以上、本発明に係る一実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。
【0036】
上記実施形態では、回転数が上昇してもモータトルクが一定になるように、演算式またはマップによりモータ出力指令値を直線的に増加させるようにしたが、これに限定されるものでなく、回転数が上昇するに従いモータトルクも上昇するようにモータ出力指令値を曲線的に増加させるようにしてもよい。
【0037】
また、上記実施形態では、車載用電動オイルポンプ装置の駆動用モータとして使用されるブラシレスモータ1について説明したが、本発明は、120°通電矩形波駆動を採用する他のブラシレスモータのセンサレス制御装置にも適用することができる。
【0038】
さらに、上記実施形態では、図1に示す制御ブロック図において、電流制御部8に追加して、または、これに代えて、速度制御部を設けるようにしてもよい。ここで、速度制御部は、ブラシレスモータ1のロータの回転速度検出値Sと外部から与えられた回転方向を含む回転速度設定値Saとを比較し、両者の大小関係に基づいて、ブラシレスモータ1をPWM駆動するための速度制御信号Spwmを作成し、PWM駆動制御部9へ出力するものとされる。
【符号の説明】
【0039】
1:ブラシレスモータ(電動モータ)、2:バッテリ、3:回転位置推定信号生成部、4:センサレス制御装置(ECU)、5:通電信号生成部、6:モータ駆動回路、7:電流検出部、8:電流制御部、9:PWM駆動制御部、10:ゲート駆動回路、11:シャント抵抗、12:通電制御部、
U1,U2,V1,V2,W1,W2:FET、Vu,Vv,Vw:相電圧、
Hu,Hv,Hw:回転位置推定信号、
Cu+,Cu−,Cv+,Cv−,Cw+,Cw−:通電信号、
Du+,Du−,Dv+,Dv−,Dw+,Dw−:PWM制御信号、
U+,U−,V+,V−,W+,W−:駆動信号、A:電流検出値、Aa:電流指令値、
Apwm:電流制御信号、St:モータ起動信号、Rt:モータ回転信号
図1
図2
図3
図4