(57)【要約】【課題】モータ制御装置において、ＥＣＵや可変抵抗器を用いることなく、ブラシ付モータを好適に制御できるものが望まれていた。【解決手段】モータ制御装置１０は、第１モータ１１と、第２モータ１２と、ステップモータ１３とを含む。第１モータ１１は、直流電源１により高速で回転される。第１モータ１１の回転により第２モータ１２が回転され、第２モータ１２は誘起電圧を発生する。この誘起電圧は、ステップモータ１３により、ブラシ２５の角度位置を変化させることにより制御できる。よって、ブラシ２５から出力経路３０を介して、制御対象のブラシ付モータ２へ与える電力が、所望の電圧値になるように調整できる。【選択図】図１
2008109745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源および制御対象のブラシ付モータ間に配設され、制御対象のブラシ付モータの駆動を制御するためのモータ制御装置であって、
ロータ、ステータ、整流子およびブラシを有し、前記直流電源からブラシを介して電力が与えられることにより回転する第１ブラシ付モータ部と、
前記第１ブラシ付モータ部のロータと一体的に回転するロータおよび整流子ならびにステータおよび整流子に摺接するブラシを有する第２ブラシ付モータ部と、
前記第２ブラシ付モータ部におけるステータの周方向に対するブラシの角度位置を変更可能なブラシ位置制御手段と、
前記第２ブラシ付モータ部のブラシから電力を取り出して前記制御対象のブラシ付モータへ供給するための出力経路と、
を含むことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記ブラシ位置制御手段は、前記角度位置を変更すべきブラシに連結されたロータを有し、このロータを回転させることで前記ブラシの角度位置を変更するステップモータを含むことを特徴とする、請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記第１ブラシ付モータ部のロータと、前記第２ブラシ付モータ部のロータとは、それぞれの整流子の設けられた側と反対側同士が直結されていることを特徴とする、請求項１または２記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記第１ブラシ付モータ部および第２ブラシ付モータ部は、ステータおよびロータの少なくとも一方が共用されていることを特徴とする、請求項１または２記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モータ制御装置に関し、特に、ブラシ付モータをノイズを発生させることなく制御するための制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシ付モータの回転駆動は、従来、電源とブラシ付モータとの間にコントローラ（ＥＣＵ：電子制御ユニット）を設け、ＥＣＵに含まれるＭＯＳ−ＦＥＴをスイッチングすることにより、ブラシ付モータへ印加する電圧を制御し、それによってブラシ付モータの電機子巻線に流す電流を制御するというやり方が一般的である（図５Ａ参照）。
また、ＥＣＵを用いない場合は、電源とブラシ付モータとの接続経路に可変抵抗器を挿入し、可変抵抗器の抵抗値を変化させることによってブラシ付モータへの印加電圧を調整し、ブラシ付モータの回転駆動を制御するというやり方も知られている（図５Ｂ参照）。      
【０００３】
しかしながら、前者のやり方では、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングノイズが生じ、ブラシ付モータの周辺に配置された電子機器等に対する悪影響があるという課題があった。また、コントローラ（ＥＣＵ）の価格が高いという課題もあった。
一方、後者の制御方法では、ブラシ付モータの回転方向の制御が不可能な上、可変抵抗器において、発熱によるロスが生じるため、駆動システム全体としての効率が悪いという課題があった。
【０００４】
ところで、ブラシ付モータにおいて、ブラシの位置を可変可能な構成は、たとえば特許文献１に開示されている。
また、ブラシ付発電機において、ブラシの位置を変更可能にした構成は、たとえば特許文献２の図９に示されている。
【特許文献１】特許第３６９３８４５号公報
【特許文献２】特開２００４−２７４９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明は、ブラシ付モータの駆動制御をブラシ位置可変型のブラシ付モータで行うという発想のもとに、モータ制御装置において、ブラシ位置を変更可能なブラシ付モータ部を設け、ＥＣＵや可変抵抗器を用いることなく、ブラシ付モータを好適に制御することのできるモータ制御装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、直流電源（１）および制御対象のブラシ付モータ（２）間に配設され、制御対象のブラシ付モータ（２）の駆動を制御するためのモータ制御装置（１０）であって、ロータ、ステータ、整流子およびブラシを有し、前記直流電源（１）からブラシを介して電力が与えられることにより回転する第１ブラシ付モータ部（１１）と、前記第１ブラシ付モータ部（１１）のロータと一体的に回転するロータおよび整流子ならびにステータおよび整流子に摺接するブラシを有する第２ブラシ付モータ部（１２）と、前記第２ブラシ付モータ部（１２）におけるステータ（２６）の周方向に対するブラシ（２５）の角度位置を変更可能なブラシ位置制御手段（１３、３２）と、前記第２ブラシ付モータ部（１２）のブラシ（２５）から電力を取り出して前記制御対象のブラシ付モータへ供給するための出力経路（３０）と、を含むことを特徴とするモータ制御装置である。
【０００７】
なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表わす。以下、この項において同じ。
上記構成によれば、制御対象であるブラシ付モータ（２）へは、第２ブラシ付モータ部（１２）が生じる誘導起電力（誘起電圧、または逆起電圧ともいう）が、駆動電源として供給される。換言すれば、第１ブラシ付モータ部（１１）により回転される第２ブラシ付モータ部（１２）は、発電機として機能し、誘起電圧を発生し、その電圧はブラシを介して制御対象のブラシ付モータ（２）へ供給される。
【０００８】
第２ブラシ付モータ部（１２）において、ステータ（２６）の周方向に対するブラシ（２５）の角度位置を変化させると、誘起電圧定数が変化するので、制御対象であるブラシ付モータ（２）に印加する電圧値を制御できる。
請求項２記載の発明は、前記ブラシ位置制御手段は、前記角度位置を変更すべきブラシに連結されたロータ（２８）を有し、このロータを回転させることで前記ブラシの角度位置を変更するステップモータ（１３）を含むことを特徴とする、請求項１記載のモータ制御装置である。
【０００９】
上記構成によれば、第２ブラシ付モータ部（１２）のブラシ（２４）の位置は、ステップモータ（１３）を制御することにより簡単にかつ容易に変更することができる。また、ステップモータの極数を増やせば、ブラシの位置を細かく、なめらかに変位できる。
請求項３記載の発明は、前記第１ブラシ付モータ部（１１）のロータ（１６）と、前記第２ブラシ付モータ部（１２）のロータ（２３）とは、それぞれの整流子（１７、２４）の設けられた側と反対側同士が直結されていることを特徴とする、請求項１または２記載のモータ制御装置である。
【００１０】
上記構成によれば、第１ブラシ付モータ部（１１）と第２ブラシ付モータ部（１２）とを、直線状に構成して、シンプルな構造の回転駆動部を有するモータ制御装置とすることができる。
請求項４記載の発明は、前記第１ブラシ付モータ部および第２ブラシ付モータ部は、ステータ（４８）およびロータ（４３）の少なくとも一方が共用されていることを特徴とする、請求項１または２記載のモータ制御装置である。
【００１１】
上記構成では、ステータ（４８）およびロータ（４３）の少なくとも一方が共用されており、外見上、第１ブラシ付モータ部および第２ブラシ付モータ部は１つの回転構造体として実現できるので、モータ制御装置の小型化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るモータ制御装置１０の構成例を示す図であり、各構成要素を図案化して表わしたものである。
このモータ制御装置１０は、直流電源１および制御対象としてのブラシ付モータ２との間に配設される。
【００１３】
モータ制御装置１０は、第１ブラシ付モータ部（以下第１モータと略称する）１１、第２ブラシ付モータ部（以下第２モータと略称する）１２、および、ステップモータ部（以下ステップモータと略称する）１３を含む。これら第１モータ１１、第２モータ１２およびステップモータ１３は、共通のケーシング１４に収容され、１つの装置として構成されている。
【００１４】
第１モータ１１は、ロータ軸１５と、ロータ軸１５に同心に固定されたロータ１６と、ロータ１６の一端側に隣接して設けられ、ロータ軸１５に同心に設けられた整流子１７と、整流子１７に摺接する１組のブラシ１８と、ロータ１６の周面に対向するようにケーシング１４の内面に固定配置されたステータとしての磁石１９とを有している。ロータ軸１５の一端（図３において左側）はケーシング１４に取り付けられた軸受２０によって回転自在に保持されている。また、ロータ軸１５の他端側（図３において右側）は、ケーシング１４に取り付けられた軸受２１によって回転自在に保持されている。
【００１５】
第１モータ１１においては、ステータ１９の周方向に対する１組のブラシ１８の角度位置は、第１モータ１１のトルク定数が最大の位置、換言すれば第１モータ１１が最大回転数で回転し得る位置に固定されている。よって、直流電源１から１組のブラシ１８を介してロータ１６、より具体的にはロータ１６に配設された電機子巻線に電流が供給されることにより、第１モータ１１は所定の速度（最大回転数）で回転し続ける。
【００１６】
第２モータ１２は、ロータ軸１５と、ロータ軸１５に対して同心に設けられたロータ２３と、ロータ２３の一端側に隣接され、ロータ２３およびロータ軸１５と同心に設けられた整流子２４と、整流子２４に摺接するように設けられた１組のブラシ２５と、ロータ２３の周面に対向するようにケーシング１４の内周面に固定配置されたステータとしての磁石２６とを含んでいる。ロータ軸１５は、第１モータ１１のロータ軸１５と共通の軸が用いられていて、ロータ軸１５は軸受２１から図３において右側へ水平に延びている。
【００１７】
このように図１の構成では、第１モータ１１のロータ軸１５と第２モータ１２のロータ軸１５とは、それぞれの整流子１７、２４の設けられた側と反対側同士がつながった直結構成となっている。
ステップモータ１３は、第２モータ１２の右側に配置されていて、第２モータ１２のブラシ２５の位置を変更するためのものである。ステップモータ１３は、ケーシング１４に取り付けられた固定子２７と、固定子２７を中心に回転可能なロータ２８と、ロータ２８に備えられた１組のブラシ保持部２９とを有している。そして１組のブラシ保持部２９によって、第２モータ１２の１組のブラシ２５が保持されている。
【００１８】
このため、ステップモータ１３のロータ２８が回動されると、第２モータ１２において、ステータ２６の周方向に対する１組のブラシ２５の角度位置が変更される。第２モータ１２における１組のブラシ２５の角度位置の変更は、表現を変えれば、第２モータ１２における整流子２４に対するブラシ２５の当接角度位置の変更ともいえる。なぜなら、第２モータにおいて、ロータ２３および整流子２４は一体的に回転し、ロータ２３に対して、ステータ２６は、ロータ２３の周方向に所定の角度位置に固定されているから、ステータ２６とブラシ２５との周方向の角度位置の変更は、整流子２４とブラシ２５との周方向の当接角度位置の変更ともいえるからである。
【００１９】
１組のブラシ２５には、ブラシ２５から電力を取り出して出力するための出力経路３０が接続されている。出力経路３０には制御対象としてのブラシ付モータ２が接続され得る。
さらに、出力経路３０から出力される誘起電圧Ｖ２を測定するための電圧計３１が設けられていて、電圧計３１により測定される検出電圧（誘起電圧）は、ステップモータ制御部３２へ与えられる。ステップモータ制御部３２には、また、制御対象であるブラシ付モータ２に供給すべき指示電圧値が与えられる。ステップモータ制御部３２では、与えられる指示電圧値および検出電圧Ｖ２を比較し、後述するように、ステップモータ１３のロータ２８の回転を制御して、第２モータ１２のブラシ２５の角度位置を所望の位置に制御する。
【００２０】
図１の構成において、上述したように、第１モータ１１は直流電源１から電力が供給されることによって、所定の高速度で回転をする。第１モータ１１が回転すると、ロータ軸１５によって第１モータ１１に直結された第２モータ１２が回転される。第２モータ１２では、ロータ２３が回転することによって、誘導起電力（誘起電圧、換言すれば逆起電圧）が発生し、いわば、第２モータ１２は発電機として機能する。そこで図１に示す実施形態では、発電機として機能する第２モータ１２において、ブラシ２５の角度位置を変化させ、第２モータ１２の誘起電圧定数を制御することによって、ブラシ２５から出力経路３０を介して出力される誘起電圧が所定の値になるように制御する。
【００２１】
第１モータ１１の回路方程式は、鉄損を無視した場合、次のようになる。
Ｖ＝Ｒ・Ｉ＋Ｋｅ１・ω１
ここに、Ｖ：電源電圧（直流電源１の電圧）
Ｒ：回路抵抗
Ｉ：モータ電流
Ｋｅ１：誘起電圧定数
ω１：回転角速度
である。
【００２２】
一方、第２モータ１２の回路方程式は、鉄損を無視すると、次のようになる。
Ｖ２＝ω１・Ｋｅ２＋Ｒ・Ｉ
但し、Ｖ２：誘起電圧
Ｋｅ２：誘起電圧定数
Ｒ：回路抵抗
Ｉ：モータ電流
この実施形態では、ブラシ２５の角度位置を変化させて第２モータ１２の誘起電圧定数Ｋｅ２を制御することによって、電圧計３１で測定される検出電圧Ｖ２が所定の値になるようにする。
【００２３】
図２は、図１で説明したモータ制御装置１０におけるステップモータ制御部３２の制御動作を表わすフローチャートである。また、図３は、図１で説明したモータ制御装置１０における第２モータ１２のブラシ２５の角度位置の変化の様子を表わす図解図である。
図２および図３を参照して説明すると、第２モータ１２のブラシ２５は、初期位置として、誘起電圧定数Ｋｅ２が０の位置（図３Ｂの電気角９０度位置）になるように、ステップモータ１３はブラシ２５の位置制御をする。
【００２４】
その状態で、第１モータ１１が回転し、第１モータ１１の回転に伴って第２モータ１２が回転される。ステップモータ制御部３２では、制御対象としてのブラシ付モータ２に与えるべき電圧値を指示電圧値として受け取るとともに、ブラシ２５が電気角９０度位置のときの検出電圧Ｖ２（＝０）が与えられると、指示電圧値と検出電圧Ｖ２との差が、正であるか負であるかの判別を行う（Ｓ１１、Ｓ１３）。その結果、指示電圧値が検出電圧Ｖ２よりも大きいときには、ステップモータ１３によってブラシ２５を反時計方向に移動させる（Ｓ１２）。反時計方向にブラシ２５の角度位置が移動され、誘起電圧定数Ｋｅ２が最大となる位置は、図３Ａに示すように、電気角で０度の位置である。
【００２５】
一方、指示電圧値が検出電圧Ｖ２よりも小さい場合には、ブラシ２５の角度位置を時計方向に移動させるようにステップモータ１３が回転される（Ｓ１４）。そしてそれによりブラシは、最大、図３Ｃの電気角で１８０度位置まで移動される。
この実施形態では、ステップモータ１３によって、第２モータ１２のブラシ２５の角度位置を変化させて誘起電圧定数Ｋｅ２を変化させ、第２モータ１２のブラシ２５から出力経路３０を経由して出力される誘起電圧Ｖ２が、Ｖ２＝ω１・Ｋｅ２＋Ｒ・Ｉで計算される所望の値に制御することができる。また、制御対象であるブラシ付モータ２の回転方向の切り換えは、ブラシ２５を電気角で９０度位置（図３Ｂの位置）から時計方向に移動させるか、反時計方向に移動させるかによって、正転させたり、逆転させたりすることができる。つまり、指示電圧値に応じて、ブラシ２５の角度位置が変更される。
【００２６】
その場合において、ステップモータ１３の極数やスロット数を増加させることにより、第２モータ１２のブラシ２５の角度位置をなめらかに変化させることができる。
この実施形態によれば、ステップモータ制御部３２は、ステップモータ１３を駆動させるだけの簡易な回路構成でよく、簡易な構造のＥＣＵをステップモータ制御部３２として採用することができ、安価な構成を実現できる。
【００２７】
また、この実施形態のモータ制御装置１０は、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いることなく制御対象のブラシ付モータ２の回転駆動を制御するため、制御に伴うスイッチングノイズが生じず、放射ノイズも低減するという利点がある。
図４は、この発明の他の実施形態に係るモータ制御装置４０の構成の概要を説明するための図解図である。図４に示すモータ制御装置４０の特徴は、図１に示すモータ制御装置１０における第１モータ１１と第２モータ１２とが、ロータおよび界磁極が共通化するように組み合わされた構造を有していることである。なお、ロータおよびステータは、少なくとも一方が共用された構成であればよい。
【００２８】
より具体的には、モータ制御装置４０は、ケーシング４１内に備えられたロータ軸４２と、ロータ軸４２に同心に設けられ、ロータ軸４２と一体に回転するロータ４３と、ロータ４３の一端側（図４で左側）に、ロータ軸４２およびロータ４３と同心に設けられた第１整流子４４と、第１整流子４４に摺接する１組のブラシ４５と、ロータ４３の他端側（図４で右側）に設けられ、ロータ軸４２およびロータ４３と同心に配置された第２整流子４６と、第２整流子４６に摺接する１組のブラシ４７と、ケーシング４１の内周面に固定され、ロータ４３の周面に対向するように配置されたステータとしての磁石４８とを含んでいる。ロータ４３には第１モータ用のスロットおよび第２モータ用のスロット（いずれも図示せず）が形成されていて、各スロットに対して別個に巻線が施されることにより、ロータ４３には２通りの巻線が備えられている。この巻線を、図４では、模式的にＷ１およびＷ２で表わしている。巻線Ｗ１は、第１整流子４４と電気的に接続されており、第２巻線Ｗ２は第２整流子４６と電気的に接続されている。
【００２９】
従って、直流電源１からブラシ４５および第１整流子４４を介して第１巻線Ｗ１に電力が供給されることにより、ロータ４３は、第１モータとして回転する。
そして、ロータ４３が回転すると、ステータである磁石４８の磁束を第２巻線Ｗ２が横切り、第２巻線Ｗ２に誘起電圧が発生して、その電圧は第２整流子４６およびブラシ４７を経由して出力経路３０へ取り出される。ステータ４８に対するブラシ４７の角度位置は図１に示す実施形態と同様、ステップモータ１３によって制御される。
【００３０】
図４に示すモータ制御装置４０によれば、図１で説明した第１モータ１１および第２モータ１２が、共通のロータ４３、ステータ４８を備えた単一モータ構造にできるので、装置の小型化および簡素化を実現でき、小型で低コストのブラシ付モータの制御装置とすることができる。
この発明によるモータ制御装置は、ステップモータを駆動させる簡易なＥＣＵを備えていればよく、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングノイズが生じることがないので、たとえば、電動パワーステアリング装置の操舵補助力発生用のモータの制御装置として好適に利用することができる。
【００３１】
その他、この発明は、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能であり、上述した実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の一実施形態に係るモータ制御装置１０の構成例を示す図であり、各構成要素を図案化して表わしたものである。
【図２】図１で説明したモータ制御装置１０におけるステップモータ制御部３２の制御動作を表わすフローチャートである。
【図３】図１で説明したモータ制御装置１０における第２モータ１２のブラシ２５の位置の変化の様子を表わす図解図である。
【図４】この発明の他の実施形態に係るモータ制御装置４０の構成の概要を説明するための図解図である。
【図５】従来のブラシ付モータの回転駆動回路の構成例を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
【００３３】
１：直流電源、２：制御対象のブラシ付モータ、１０：モータ制御装置、１１：第１モータ（第１ブラシ付モータ部）、１２：第２モータ（第２ブラシ付モータ部）、１３：ステップモータ（ステップモータ部）、２４：整流子、２５：ブラシ、２６：ステータ（磁石）、２８：ロータ、２９：ブラシ保持部、３０：出力経路、３２：ステップモータ制御部、４０：モータ制御装置、４７：ブラシ、４８：ステータ（磁石）
【図１】
2008109745.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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