(57)【要約】【課題】  ブラシレスモータの回転角検知を、コストを抑制して省スペースで行うことができるブラシレスモータを提供すること。【解決手段】  ブラシレスモータ１２のモータ軸１２ｃに歯車２０を設け、歯車２０の歯面に対向させてモータ回転角センサ２０を設け、モータ回転角センサ１９の検出信号に基づき、コントロールユニット１３でロータの回転位置を推定し、推定回転位置に基づき励磁コイル１２ａに通電を行うブラシレスモータ１２において、歯車２０とモータ回転角センサ１９で構成する検出手段は、ロータの１回転当たりに、永久磁石１２ｂの磁極数の２分の１の整数倍の周期を検出する。【選択図】        図３
2006050718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の外周に設けられ、複数の磁極を有する永久磁石を備えたロータと、
前記ロータの外周であって、このロータに対して相対回転可能に設けられ、電機子コイルを備えたステータと、
前記回転軸に設けられた被検出部と、
前記被検出部に対向して設けられた検出手段と、
前記検出手段によって検出された検出信号に基づき、前記ロータの回転位置を推定するロータ位置推定手段と、
前記ロータ位置推定手段によって推定されたロータ位置に基づき、前記電機子コイルに通電する電流を制御する通電制御手段と、を備えたブラシレスモータにおいて
前記検出手段は、前記ロータの１回転当たりに前記被検出部から、前記永久磁石の磁極の数の２分の１の整数倍の周期を検出することを特徴とするブラシレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータの回転を検出してモータを制御するブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来において開示されている回転角検出用磁石ユニットにおいては、ロータの回転をホール素子で検知し、ロータの１回転を１周期とするパルス状の回転位置信号を用いてPWM制御を行っている。且つ、このホール素子は、３相の正弦波信号を得るために、隣接するもの同士が互いに電気角で１２０°の間隔を得るように配置されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平２００３−２７４６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来技術においては、１相の正弦波状信号を得るために１つのホール素子を用いているため、３相必要なモータではホール素子を３箇所に設ける必要があり、このロータの回転検出を行う部分において、コストの増大や装置の大型化を招くという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、ブラシレスモータの回転角検知を、コストを抑制して省スペースで行えるブラシレスモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明では、回転軸と、前記回転軸の外周に設けられ、複数の磁極を有する永久磁石を備えたロータと、前記ロータの外周であって、このロータに対して相対回転可能に設けられ、電機子コイルを備えたステータと、前記回転軸に設けられた被検出部と、前記被検出部に対向して設けられた検出手段と、前記検出手段によって検出された検出信号に基づき、前記ロータの回転位置を推定するロータ位置推定手段と、前記ロータ位置推定手段によって推定されたロータ位置に基づき、前記電機子コイルに通電する電流を制御する通電制御手段と、を備えたブラシレスモータにおいて、前記検出手段は、前記ロータの１回転当たり前記被検出部から、前記永久磁石の磁極の数の２分の１の整数倍の周期を検出することとした。
【０００６】
なお、本発明の「整数倍」は１倍を含むものとする。
【０００７】
よって、ブラシレスモータの回転角検知を、コストを抑制して省スペースで行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の操舵制御装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例１及び実施例２に基づき説明する。
【実施例１】
【０００９】
［操舵制御装置のシステム構成］
実施例１のブラシレスモータを用いた操舵制御装置につき、図１に基づき説明する。図１は実施例１における操舵制御装置のシステム構成図である。操作が入力されるステアリングホイール１は、コラムシャフト２、中間軸４、入力軸６、また、これらを接続するユニバーサルジョイント３，５により、操作力を回転力としてピニオン軸９へ伝達する。さらに操作力は、ピニオン軸９とラック軸１０で直線運動に変換され、タイロッド１１、タイヤ１８で操舵角の変更が成される。
【００１０】
さらに、入力軸６に、操作力を検出するトルクセンサ７を設け、ピニオン軸９に、ブラシレスモータ１２（電動機）によるアシスト駆動力を減速して出力する減速器８を設ける。このブラシレスモータ１２の回転は、モータ回転角センサ１９で検出する。また、トルクセンサ７の検出情報、モータ回転角センサ１９の検出情報、バッテリ１７に接続されるイグニッションスイッチ１６のON/OFF、車速センサ１４の出力（また、ENG回転センサ１５の出力を加えてもよく、図示しておく）は、コントロールユニット１３へ入力し、情報を演算して、ブラシレスモータ１２の駆動を制御する。
【００１１】
［電動パワーステアリング装置の構成］
上記操舵制御装置における減速器８、ブラシレスモータ１２、コントロールユニット１３、モータ回転角センサ１９で構成される電動パワーステアリング装置の構成について、図２に基づき説明する。図２は、電動パワーステアリング装置の断面図である。ギアハウジング２１内において、モータ軸１２ｃの両端を軸受で支持し、モータ軸１２ｃの外周に永久磁石１２ｂを設け、永久磁石１２ｂの所定の間隙外周側に励磁コイル１２ａを設け、モータ軸１２ｃ，永久磁石１２ｂ，励磁コイル１２ａと共にブラシレスモータ１２を構成する。ブラシレスモータ１２のモータ軸１２ｃの出力軸側に、一体で形成したウォームギア８ｂと、モータ回転角の検出用の歯車２０を設ける。この歯車２０は、はす歯、平歯のどちらでもよい。実施例１では、ヘリカル状にはす歯を設けている。
【００１２】
磁気の変化を検知することで、モータの回転角を得るモータ回転角センサ１９を歯車２０と検出面側を対向させ、ギアハウジング２１の外部の基板上に検出面の反対側を取付ける。つまり、ギアハウジング２１の一部を開口させ、その外側に基板を設け、基板上に配置したモータ回転角センサ１９が、開口からギアハウジング内部に突出する構造にする。この基板上の構成によりコントロールユニット１３を構成する。ピニオン軸９の外周にウォームホイール８ａを設け、モータ軸１２ｃのウォームギア８ｂと係合させて、ブラシレスモータ１２の駆動力をピニオン軸９に伝達する。
【００１３】
［ブラシレスモータの詳細］
実施例１におけるブラシレスモータ１２は、直流３相ブラシレスモータである。永久磁石１２ｂの外周は、４５°毎に磁極を有する８極となるよう着磁され、その外周方向に配置される励磁コイル１２ａは、図示しないステータコアへ３相のコイル巻き線をしたものである。つまり、実施例１におけるブラシレスモータ１２は３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の励磁コイル１２ａへの通電を切り替えていくことにより進角させ、永久磁石１２ｂが回転する。
【００１４】
［コントロールユニットの詳細］
図３に示すのは、コントロールユニット１３のブロック図である。コントロールユニット１３は、アシストトルク算出部３０１、指示電流算出部３０２、インバータ制御部３０３、モータ駆動部３０４、電流センサ３０５を主要な構成としている。これらは、図示しないマイコンとして設けるものとする。アシストトルク算出部３０１は、トルクセンサ信号と車速信号からモータ駆動電流の基となるアシストトルク（又はアシスト電流）を算出する。
【００１５】
指示電流算出部３０２は、アシストトルクからモータ駆動用の指示電流Ｉ*を算出する。インバータ制御部３０３は、モータ回転角センサ１９の信号を基にモータ回転角を算出し、電流センサ３０５で検出したU,V,W各相電流を３相−２相変換してPI制御等のフィードバック制御により、モータ駆動信号（PWM信号）を生成する。
【００１６】
モータ駆動部３０４は、FET等のパワー素子で構成し、インバータ制御部３０３で生成されたモータ駆動信号に基づいてパワー素子をスイッチングしてバッテリ電源１７からブラシレスモータ１２に指示電流Ｉ*に応じた電流を通電する。
【００１７】
［回転角度センサによるモータ回転角について］
実施例１では、永久磁石１２ｂの着磁極数の1/2と同じ、つまり４つの歯を有するはす歯の歯車２０をモータ軸１２ｃに設ける。歯車２０には、着磁もしくは、磁石を取付けるのが好ましい。この歯面に対向して位置するモータ回転角センサ１９は実施例１ではMRセンサであり、磁気の強さが検出される。つまり、歯車２０の歯面の山と谷により生じる磁気の変化をMRセンサで検知すると、その検出信号の波形は、永久磁石１２ｂの磁極周期と同一の図４に示す変化となる。詳しくは、モータ回転角センサ１９はOUT1とOUT2の２つの信号を位相が９０°ずれた状態で出力する様にMR素子を配置している。言い換えれば、永久磁石１２ｂの８極はN,Sが交互となり、N,Sを１周期とすると、１回転で４周期となる。歯車２０とモータ回転角センサ１９による検出信号も４つの歯の山、谷により１回転で４周期となるのである。
【００１８】
［電気角度算出処理］
図６に示すのは、モータ磁極と周期が同一のセンサ出力波形を得る実施例１のコントロールユニット１３で実行される電気角度算出処理の流れを示すフローチャートで、以下各ステップについて説明する。
【００１９】
ステップＳ６０１では、モータ回転センサ１９の出力信号OUT1をAD変換してマイコンに読み込む。
【００２０】
ステップＳ６０２では、Ｓ６０１と同様にモータ回転センサ１９のもう一方の出力信号OUT2をAD変換してマイコンに読み込む。
【００２１】
ステップＳ６０３では、TANθを算出する際に除数となるOUT2の０割エラーを回避するために、OUT2と０を比較し、OUT2＝０以外であるならばステップＳ６０４へ進み、OUT2＝０であるならばステップＳ６０５へ進む。
【００２２】
ステップＳ６０４では、OUT1/OUT2の除算を行い、TANθを算出する。
【００２３】
ステップＳ６０５では、OUT2＝０の場合には、θにπ/2の値をセットしてステップＳ６０７に進む。
【００２４】
ステップＳ６０６では、予め用意してあるTANθとθの対応MAP（第７図の特性）から、Ｓ６０４で算出したTANθをインデックスして、θを求める。
【００２５】
ステップＳ６０７では、OUT１の符号を調べ、負であればステップＳ６０８へ進み、正であればステップＳ６０９に進む。
【００２６】
ステップＳ６０８では、θにπを加算する。
【００２７】
ステップＳ６０９、Ｓ６１０では、第８図に示すθ-SINθ，θ-COSθ変換MAPにより、インバータ制御で３相−２相変換、２相−３相変換時に必要なSINθ,COSθを、θをインデックスとして求める。
【００２８】
実施例１では、センサ出力のOUT1,OUT2はモータ電気角と同一の周期で出力するため、直接OUT1,OUT2をモータ電気角SINθ,COSθとして使う事も出来るが、温度変化によりセンサゲインが変化し、誤差が大きくなる。ステップＳ６０４でTANθ＝比率を求めているのはゲイン変化の影響を避けるためである。また、上述のようにθはマップ参照時のインデックスであるため、実際の角度である必要はなく、データナンバーでよい（この際には、π,π/2もマップのナンバリングに一致したデータナンバーとなる）。図７にはステップＳ６０６で用いるMAP1の特性図を示し、図８にはステップＳ６０９、Ｓ６１０で用いるMAP2を示す。
【００２９】
［従来例と本願実施例１における作用効果の対比］
従来、回転角検出用磁石ユニットにおいては、モータが駆動制御され、ロータが回転してホール素子で検出磁石の磁極を検出すると、その極性と磁力に応じた電圧信号を出力する。ロータ位置検出回路では、電圧信号を増幅した後、ロータの１回転を１周期とするパルス状の回転位置信号を出力する。この位置信号はゲート駆動回路に入力され、そこで形成されたPWM信号がインバータ回路に出力され、各組のスイッチング素子が交互にオンオフしてステータの巻線に順次正弦波状の電流が流れる。このように転流位置が制御されることによりモータが所定方向に回転する。また、ホール素子は検出磁石の回転位置に応じた３相の正弦波状信号を得るために、隣接するもの同士が互いに電気角で１２０°の間隔を有するように３箇所に配置されている。
【００３０】
しかしながら、ローターに対して外周側となるステータ側の３箇所にホール素子を設けることは、その配置と電気的な取り回しのために、スペースを大きく必要とするものであった。これに対し、実施例１でのモータ回転角センサ１９は、１箇所の設置で済み、配置に必要なスペースを小さくできる。さらに、実施例１において、MRセンサは、コントロールユニット１３の基板に取付けるため、電気的な取り回しが非常に省略でき、さらに省スペースにできる。また、これにより、スペースが効率よく使用されて電動パワーステアリング装置の省スペース化につながる。このことは、配置スペースに強く制限を受けるエンジンルームへ位置することになる電動パワーステアリング装置において、非常に有用である。
【００３１】
本実施例１は、このように省スペースにしながらも、精度の良好な検出信号を得られるようにしたものである。説明すると、省スペース化のために検出センサを１箇所にし、被検出物である歯車２０の歯の数、形状によって、１箇所のセンサ検出でも、制御に必要十分な精度の良好な検出信号を出力する。具体的には、１箇所のセンサ検出に対する歯車２０の歯を、永久磁石１２ｂの磁極の数の1/2の整数倍にして、磁極と歯車の歯（歯の数、形状）に一定の関係性を持たせ、検出信号をモータ駆動制御に精度よく使用できるようにしたものである。
【００３２】
さらに、実施例１では、位相をずらした２つのセンサ出力によって、モータ回転角の絶対値を得ることができ、これによりさらに精度よく、細かな制御ができる。
【００３３】
また、さらに、ブラシレスモータ１２から離れる側に配置することにより、磁気的な検出に対するモータ発熱の影響、及び永久磁石１２ｂの磁気的な影響を回避することができ、且つ、モータの出力軸に取付けた歯車２０から間接的でなく直接的に回転を検出することにより良好な精度での検出ができる。さらに、本実施例１において、モータの回転検知に用いている歯車２０は、はず歯、平歯、のいずれに変更してもよく、ヘリカル形状や、歯形状にすることで、モータ回転角センサ１９から得る出力信号の波形を必要に応じたものにできる。特にヘリカル形状においては、基板への取付け等からモータ回転角センサ１９として用いるMRセンサのMR素子が、同一位相上に配置してしまうような場合でも、ヘリカルによる歯の山位置がズレる位相により２つの異なる位相の出力にすることができる。
【００３４】
（他の取り得る構成例）
実施例１では、歯車２０とモータ回転角センサ１９によりモータの回転角を検知したが、他の取り得る構成として、ヘリカルギアである歯車２０の代わりに、平歯車を使用したものでもよく、図１１に示すうようにN,S極を着磁した円盤２５を用いるようにしてもよい。また、実施例１では、モータ回転角センサ１９としてMRセンサを用いたが、ホール素子を用いてもよい。
【実施例２】
【００３５】
実施例２につき、図５、図９、図１０に基づき説明する。基本的な構成は実施例１と同様であるため、異なる構成についてのみ説明する。実施例１では、８極の永久磁石１２ｂの極数の1/2、つまり４つの歯を有する歯車２０を設けたが、実施例２では、８極の永久磁石１２ｂの極数の1/2の２倍、つまり、８つの歯を有する歯車２０としている。
【００３６】
［電気角度算出処理］
図９に示すのは、モータ磁極と周期が同一のセンサ出力波形を得る実施例２のコントロールユニット１３で実行される電気角度算出処理の流れを示すフローチャートで、以下各ステップについて説明する。
【００３７】
ステップＳ９０１では、モータ回転センサ１９の出力信号OUT1をAD変換してマイコンに読み込む。
【００３８】
ステップＳ９０２では、Ｓ９０１と同様にモータ回転センサ１９のもう一方の出力信号OUT2をマイコンに読み込む。
【００３９】
ステップＳ９０３では、TANθ'を算出する際に除数となるOUT2の０割エラーを回避するために、OUT2と０を比較し、OUT2=0とならないならばステップＳ９０４に進み、OUT2=0となるならばステップＳ９０５に進む。
【００４０】
ステップＳ９０４では、OUT1/OUT2の除算を行い、TANθ'を算出する。
【００４１】
ステップＳ９０５では、θ'に(π/2)/Nの値をセットしてステップＳ９０７に進む。実施例２では２倍周期であるため、N=2となる（結果としてθ'=π/4をセットする）。
【００４２】
ステップＳ９０６では、予め用意してあるTANθ'とθ'の対応MAP（第１０図の特性）から、ステップＳ９０４で算出したTANθ'をインデックスとして、θ'を求める。
【００４３】
ステップＳ９０７では、OUT1の符号を調べ、負であるならばステップＳ９０８へ、正であればステップＳ９０９に進む。
【００４４】
ステップＳ９０８では、OUT1が負であれば、ステップＳ９０６又はＳ９０５で求めたθ'にπ/Nを加算する。
【００４５】
ステップＳ９０９では、上記のθ'は０〜πの値で周期的に変化するため、θ'の１回前の値θ'_1がπに近い値から０に近い値に変化したかどうかを判定する。変化していればステップＳ９１０に進み、変化していなければステップＳ９１３に進む。０，πに近いかどうかは、αに適当な値、例えば５°に設定して判定する。
【００４６】
ステップＳ９１０では、前回π近傍から今回π近傍にθ'が変化した場合には、センサ出力の周期カウンタCをN-1と比較し、C<N-1であればステップＳ９１１に進み、C≧N-1であればステップＳ９１２に進む。
【００４７】
ステップＳ９１１では、周期カウンタCをインクリメントする。
【００４８】
ステップＳ９１２では、周期カウントCを０クリアする。
【００４９】
ステップＳ９１３では、モータ電気角θを算出する。この算出は、周期カウンタCに2π/Nを乗じてθ'に加算する。
【００５０】
ステップＳ９１４では、θ'の１回前値θ'_1を今回算出したθ'に置き換えて更新する。
【００５１】
ステップＳ９１５、ステップＳ９１６では、図８に示すθ-SINθ，θ-COSθ変換MAPにより、インバータ制御で３相-２相変換、２相-３相変換時に必要なSINθ，COSθを、θをインデックスとして求める。
【００５２】
図１０には、MAP3の特性図を示す。
【００５３】
［本願実施例２の作用効果］
実施例２においては、歯車２０の歯数を８極の永久磁石１２ｂの極数の1/2の２倍、つまり、８つの歯を設けている。これによりモータ回転センサ１９は、永久磁石１２ｂの磁極数の２分の１に対して２倍の周期を検出する。この場合、モータ回転センサ１９の検出値はロータの回転角に変換される。この変換された値は、実際のロータ回転角の２倍の値を有する。この値を除算演算によって２分の１倍することにより、実際のロータの回転角を得ることができる。すると、検出値に含まれる検出誤差も２分の１倍となるため、ロータ位置検出精度が向上する。
【００５４】
更に上記各実施例から把握しうる請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
【００５５】
(イ)請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
前記検出手段は、前記ロータの１回転当たりに前記被検出部から、前記永久磁石の磁極の数の２分の１の２以上の整数倍の周期を検出し、前記ロータ位置推定手段は、前記検出手段によって検出された検出値を前記ロータの前記整数倍の回転角に変換する変換手段と、前記変換手段によって変換されたロータの整数倍の回転角を、前記整数で徐する除算手段と、から構成する。
【００５６】
例えば検出手段が永久磁石の磁極の数の２分の１の２倍の周期を検出する場合、変換手段は、検出手段の検出値をロータの回転角に変換する。この変換された値は、実際のロータの回転角の２倍の値を有する。この値を除算手段によって２分の１倍することにより、実際のロータの回転角を得ることができる。すると、検出値に含まれる検出誤差も２分の１倍となるため、ロータ位置検出精度が向上する。
【００５７】
(ロ)請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
前記被検出部は、磁性材料で形成され、外周にはす歯を有するヘリカルギアであって、前記検出手段はMR素子である。
【００５８】
MR素子を用いることにより、安価且つ小型に検出手段を構成することができる。また、被検出部をヘリカルギアとすることにより、はす歯の歯先部分と歯底部分とで磁界の通り易さが交互に出現するため、簡素な構成で所望の個数の周期を発生させることができる。
【００５９】
(ハ)請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
前記検出手段は２組設けられ、夫々の検出する磁界の変化周期が９０°ずれている。
【００６０】
夫々の検出手段がSINθ、COSθの位相ずれを有する出力を検出することによって、ロータの絶対角を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例１における操舵制御装置のシステム構成図である。
【図２】実施例１における電動パワーステアリング装置の断面図である。
【図３】実施例１におけるコントロールユニットのブロック図である。
【図４】周期を永久磁石の磁極の1/2としたモータ回転角に対するMRセンサの出力を示す図である。
【図５】周期を永久磁石の磁極の1/2の２倍としたモータ回転角に対するMRセンサの出力を示す図である。
【図６】実施例１のコントロールユニットで実行される電気角度算出処理の流れを示すフローチャート図である。
【図７】実施例１の電気角度算出処理で用いるMAP1の特性図である。
【図８】実施例１の電気角度算出処理で用いるMAP2の１例を示す図である。
【図９】実施例２のコントロールユニットで実行される電気角度算出処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１０】実施例２の電気角度算出処理で用いるMAP3の特性図である。
【図１１】実施例の歯車の代わりに用いてもよいN,S極を着磁した円盤を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  ステアリングホイール
２  コラムシャフト
３  ユニバーサルジョイント
４  中間軸
５  ユニバーサルジョイント
６  入力軸
７  トルクセンサ
８  減速器
８ａ  ウォームホイール
８ｂ  ウォームギア
９  ピニオン軸
１０  ラック軸
１１  タイロッド
１２  ブラシレスモータ（電動機）
１２ａ  励磁コイル
１２ｂ  永久磁石
１２ｃ  モータ軸
１３  コントロールユニット
３０１  アシストトルク算出部
３０２  指示電流算出部
３０３  インバータ制御部
３０４  モータ駆動部
３０５  電流センサ
１４  車速センサ
１５  ENG回転センサ
１６  イグニッションスイッチ
１７  バッテリ
１８  タイヤ
１９  モータ回転角センサ
２０  歯車
２１  ギアハウジング
２５  円盤
【図１】
2006050718.tif 000003
【図２】
2006050718.tif 000004
【図３】
2006050718.tif 000005
【図４】
2006050718.tif 000006
【図５】
2006050718.tif 000007
【図６】
2006050718.tif 000008
【図７】
2006050718.tif 000009
【図８】
2006050718.tif 000010
【図９】
2006050718.tif 000011
【図１０】
2006050718.tif 000012
【図１１】
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