(57)【要約】【課題】ロータ位置検出装置の故障に対し冗長性を持たせ、ブラシレスモータの信頼性向上を図る。【解決手段】複数のホールセンサ１０（H1a,H1b,H1c）からなり、ロータマグネットの磁気を検知してロータ回転位置を検出する第１のセンサ群Ｈ１と、ホールセンサH1a,H1b,H1cとそれぞれ偏倚角Ｘだけ間隔をあけて配置された複数のホールセンサ１０（H2a,H2b,H2c）からなる第２のセンサ群Ｈ２を設ける。ホールセンサH1aが正常に作動するときは、両センサ群Ｈ１，Ｈ２用いてオーバーラップ通電制御を行う。ホールセンサが故障した場合には、故障センサを含まない方のセンサ群を用いて矩形波制御を実施する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数相の電機子コイルを備えたステータと、永久磁石を備え前記ステータの内側又は外側に回転自在に配設されたロータとを有してなるブラシレスモータの制御方法であって、
前記ステータ側に配置された複数の磁気検出素子からなり、前記永久磁石の磁気を検知して前記ロータの回転位置を検出する第１のセンサ群と、
前記第１のセンサ群の前記各磁気検出素子とそれぞれ所定の間隔をあけて配置された複数の磁気検出素子からなり、前記永久磁石の磁気を検知して前記ロータの回転位置を検出する第２のセンサ群とを設け、
前記第１及び第２センサ群の前記磁気検出素子が故障した場合、故障した前記磁気検出素子を含む前記センサ群の使用を中止し、故障した前記磁気検出素子を含まない前記センサ群による前記ロータの回転位置検出結果に基づき、前記電機子コイルの通電制御を行うことを特徴とするブラシレスモータ制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のブラシレスモータ制御方法において、前記磁気検出素子が故障した場合、前記電機子コイルの通電を進角又は遅角制御することを特徴とするブラシレスモータ制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のブラシレスモータ制御方法において、前記磁気検出素子が正常な場合には、前記第１及び第２のセンサ群による前記ロータの回転位置検出結果に基づき、同極性の励磁相を重複形成しつつ転流を行い、前記磁気検出素子が故障した場合には、前記第１及び第２のセンサ群の何れか一方による前記ロータの回転位置検出結果に基づき、励磁相を重複形成することなく順次切り替えつつ転流を行うことを特徴とするブラシレスモータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータの制御方法に関し、特に、電動パワーステアリング装置や電子制御式スロットル弁装置に使用されるブラシレスモータに適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、制御回路の信頼性向上に伴い、電動パワーステアリング装置やエンジンの電子制御式スロットル弁装置等の駆動源として、メンテナンス性の良いブラシレスモータが使用されるケースが増大している。ブラシレスモータでは一般に、マグネットを備えたロータの回転位置をホールＩＣ等の磁気検出素子にて検知し、その検出結果に基づき、ステータ側の電機子コイルを順次励磁してロータを回転させている。また、ロータ回転位置をレゾルバやエンコーダ等を用いて精密に検出し、正弦波駆動を行うなどしてトルクリップルの低減を図っているものも存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなブラシレスモータにおいて、ロータ位置検出装置が故障すると大きな障害となる。例えば、３相のブラシレスモータにおいて、３個の磁気検出素子のうち１個が故障しただけで、ロータを回転させることができなくなる。これは、レゾルバやエンコーダを用いた場合も同様である。このようなロータ位置検出装置の故障は、電動パワーステアリング装置や電子制御式スロットル弁装置等では作動不良の原因ともなりその改善が求められていた。
【０００４】
本発明の目的は、ロータ位置検出装置の故障に対し冗長性を持たせ、ブラシレスモータの信頼性向上を図ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスモータ制御方法は、複数相の電機子コイルを備えたステータと、永久磁石を備え前記ステータの内側又は外側に回転自在に配設されたロータとを有してなるブラシレスモータの制御方法であって、前記ステータ側に配置された複数の磁気検出素子からなり、前記永久磁石の磁気を検知して前記ロータの回転位置を検出する第１のセンサ群と、前記第１のセンサ群の前記各磁気検出素子とそれぞれ所定の間隔をあけて配置された複数の磁気検出素子からなり、前記永久磁石の磁気を検知して前記ロータの回転位置を検出する第２のセンサ群とを設け、前記第１及び第２センサ群の前記磁気検出素子が故障した場合、故障した前記磁気検出素子を含む前記センサ群の使用を中止し、故障した前記磁気検出素子を含まない前記センサ群による前記ロータの回転位置検出結果に基づき、前記電機子コイルの通電制御を行うことを特徴とする。
【０００６】
本発明にあっては、ホールセンサが故障した場合には、故障センサを含まない方のセンサ群を用いた矩形波制御が実施されるので、たとえホールセンサが故障してもそれが同一群に属する限り、他の残った正常なセンサ群によりモータが駆動されモータ機能は保全される。このため、本発明のモータを使用することにより、電動パワーステアリング装置や電子制御式スロットル弁装置等において、センサ異常に対し冗長性を持つことができ、製品の信頼性向上が図られる。
【０００７】
前記ブラシレスモータ制御方法において、前記磁気検出素子が故障した場合、前記電機子コイルの通電を進角又は遅角制御するようにしても良い。また、前記ブラシレスモータ制御方法において、前記磁気検出素子が正常な場合には、前記第１及び第２のセンサ群による前記ロータの回転位置検出結果に基づき、同極性の励磁相を重複形成しつつ転流を行い、前記磁気検出素子が故障した場合には、前記第１及び第２のセンサ群の何れか一方による前記ロータの回転位置検出結果に基づき、励磁相を重複形成することなく順次切り替えつつ転流を行うようにしても良い。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の制御方法が適用されるブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）の構成を示す説明図である。当該モータ１は、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用され、図１に示すように、ロータマグネット２（永久磁石、以下、マグネット２と略記する）を備えたロータ３の周囲にステータ４を配したインナーロータ型の装置構成となっている。そして、運転者がハンドルを操作すると操舵角や走行速度等に従ってモータ１が制御駆動され、図示しない減速ギアを介してステアリングコラム軸に対し操舵補助力が供給されるようになっている。
【０００９】
ロータ３は、金属製のシャフト５に取り付けられたロータコア６と、ロータコア６の外周に固定された２極のマグネット２とから構成されている。マグネット２はフェライト磁石からなる２個のセグメントに180°ずつ分割形成されている。ステータ４は、ハウジング７と、ハウジング７の内周側に固定されたステータコア８と、ステータコア８のティースに巻装された電機子コイル９とから構成されている。電機子コイル９は、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相の巻線を形成している。
【００１０】
ハウジング７内には、マグネット２の磁極の変化を捉えロータ３の回転位置を検出するホールセンサ（磁気検出素子）１０が配設されている。図２は、ホールセンサ１０の配置状態を示す説明図である。図２に示すように、モータ１では、３個のホールセンサ１０を有するセンサ群が２組設けられている（センサ群Ｈ１，Ｈ２）。ホールセンサ１０は、各群ごとに等分に１２０°間隔にて配置されており、センサ群Ｈ１（第１のセンサ群）はホールセンサH1a,H1b,H1c、センサ群Ｈ２（第２のセンサ群）はホールセンサH2a,H2b,H2cから構成される。
【００１１】
センサ群Ｈ２のホールセンサH2a,H2b,H2cは、センサ群Ｈ１のホールセンサH1a,H1b,H1cからそれぞれＸだけ間隔をあけて配置されており、偏倚角Ｘは電気角０〜１２０°の範囲で設定されている。ホールセンサ１０の検出信号はコントローラ（通電制御手段）１１に送られ、これに基づいて電機子コイル９への電流が適宜切り替えられ、ロータ３を回転駆動させる回転磁界が形成される。なお、一般的な３相ブラシレスモータにおけるホールセンサの位置は、センサ群Ｈ１，Ｈ２の中央（図２のＰ位置）となる。
【００１２】
図３は、本発明の一実施の形態であるモータ制御形態を示すフローチャートである。図３に示すように、モータ１では、ホールセンサ１０の故障の有無が判定され（ステップＳ１）、センサ故障がない場合には、後述するオーバーラップ通電制御が行われる（ステップＳ２）。一方、ホールセンサ１０に故障がある場合にはステップＳ３に進み、それが何れの群に発生したかが検出される。そして、故障したホールセンサ１０を含むセンサ群の使用が中止され（ステップＳ４，６）、残った正常なセンサ群により矩形波制御が実施される（ステップＳ５，７）。
【００１３】
そこで、まずホールセンサ１０が正常な場合について説明する。図４は、各センサ群Ｈ１，Ｈ２間のホールセンサ偏倚角Ｘを３０°に設定した場合におけるモータ１の正常駆動時の制御形態を示すタイムチャートである。図４において上段はホールセンサ１０の信号出力、下段は電機子コイル９に対する印加電圧波形を示し、（ａ）は正転時、（ｂ）は逆転時の制御形態である。なお、（ａ）の上段上方に記載された半月状の図は、ロータ３の位置を模式的に示したものである。
【００１４】
モータ１では、ロータ３の１回転に際し、６個のホールセンサH1a,H1b,H1c,H2a,H2b,H2cからの信号の何れかが立ち上がり(以下、ONと称する)又は立ち下がり(以下、OFFと称する)を示す時点を区切りとして、その制御形態が図４に示すように１２個のステージに分割される。ここでは、ホールセンサH1a(以下、各ホールセンサはH1aのように符号のみにて示す）がONした後ロータ３が３０°回転するとH2aがONし、さらに３０°回転すると今度はH1cがOFFとなる。このようにＸ＝３０°の場合には、ロータ３の回転に伴い３０°間隔にて何れかのホールセンサがON/OFFし、各ステージは等分に１２個形成される。なお、モータ１は正逆転使用されるため、図４に斜線にて示したように、ステージ(3)の中心を基準とし、それをＵ相磁極の中心に配置している。
【００１５】
ここで、３個のホールセンサによってオーバーラップ通電を行わずにブラシレスモータを制御する場合は、各相のコイルは、１２０°正方向通電→６０°非通電→１２０°負方向通電→６０°非通電を繰り返す。これに対しモータ１では、各相の電機子コイル９は、１５０°正方向通電→３０°非通電→１５０°負方向通電→３０°非通電を繰り返し、図４に示すように、通電時間の始期と終期が他相と重複している。つまり、モータ１では、前述のオーバーラップ通電が実施されている。そこで、次にこのようなモータ１の正常時の制御形態について図４を参照しつつ説明する。
【００１６】
まず、正転時にロータ３のＮ極がH1aにかかりH1aがONとなると、Ｕ相が＋方向に通電（以下、＋通電と略記する）される。この際、Ｗ相では、図４（ａ）に示すように、H1cのONに伴う＋通電が継続されており、Ｗ相からＵ相への切り替えに際しオーバーラップ通電が行われる。このような同極性の重複通電状態はロータ３のＮ極が３０°回転してH2aがONとなるまで続けられる（ステージ(1)）。すなわち、正転時には、H1a,H1b,H1cによってロータ３の回転位置を検出しつつ、H2a,H2b,H2cによってオーバラップ時間が制御される。一方、ステージ(1)(2)ではＶ相のみが−方向に通電（以下、−通電と略記する）された状態にあり、ステージ(1)においてはＵ,Ｗ相が＋通電、Ｖ相が−通電の状態、ステージ(2)においてはＵ相が＋通電、Ｖ相が−通電の状態となる。
【００１７】
さらにロータ３が回転してステージ(3)となると、H1cがOFFとなりＷ相が−通電される。この際、Ｖ相の−通電は継続されており、−のオーバーラップ通電はH2cがOFFされるまで続けられる。H2cがOFFされてＶ相が非通電状態となりステージ(4)となると、Ｕ相が＋通電、Ｗ相が−通電の状態となる。H1bがONとなりステージ(5)に進むとＶ相が＋通電される。このときＵ相の＋通電は継続されており、＋のオーバーラップ通電はH2bがONとなるまで続けられる。H2bがONされるとＵ相は非通電状態となり、Ｖ相が＋通電、Ｗ相が−通電の状態となって（ステージ(6)）、＋通電の相がＵ相からＶ相に切り替えられる。以下、同様にして各ホールセンサH1a〜H2cのON/OFFに伴い各相の通電状態が切り替えられ、ロータ３の正転動作が行われる。
【００１８】
一方、ロータ３が逆転する場合は、図４（ｂ）に示すように、正転時とは印加電圧極性が反転した形で制御され、H2a,H2b,H2cによってロータ３の回転位置を検出しつつ、H1a,H1b,H1cによってオーバラップ時間が制御される。例えば、ステージ(6)にてH1aがONとなるとＵ相が非通電状態となり、このときＷ相は＋通電、Ｖ相は−通電の状態となる。ロータ３が回転してステージ(5)となると、H2bがOFFとなりＵ相が−通電される。この際、Ｖ相では、H2cのOFFに伴う−通電（ステージ(9)）が継続されており、−のオーバーラップ通電が行われる。この状態はロータ３がさらに３０°回転してH1bがOFFとなるまで続けられる。
【００１９】
ステージ(4)となると、Ｖ相が非通電状態となりＷ相が＋通電、Ｕ相が−通電の状態となる。ステージ(3)では、H2cのONと共にＶ相が＋通電され、この際、Ｗ相の＋通電は継続されており、＋のオーバーラップ通電はH1cがONされるまで続けられる。ステージ(2)に移ると、Ｗ相が非通電状態となり、Ｖ相が＋通電、Ｕ相が−通電の状態となって、＋通電の相がＷ相からＶ相に切り替えられる。ステージ(1)では、H2aのOFFに伴いＷ相が−通電される。このときＵ相の−通電は継続されており、−のオーバーラップ通電はH1bがOFFとなるまで続けられる。以下、同様にして各ホールセンサH1a〜H2cのON/OFFに伴い各相の通電状態が切り替えられ、ロータ３の逆転動作行われる。
【００２０】
オーバーラップの幅は、偏倚角Ｘを適宜変更することによって変えることができる。偏倚角Ｘの設定によりオーバーラップ量を調整できる。図４におけるオーバーラップ量Ｒ1はＸの値と相関関係にあり、偏倚角Ｘが大きいほどオーバーラップ量が多くなる。従って、オーバーラップ量を調整することにより仕様に応じた最適な制御形態を採ることができ、電動パワーステアリング装置のみならず、幅広い用途に当該モータ１を適用できる。なお、モータ１の誘起電圧波形が正弦波状の場合には、偏倚角Ｘを３０°した場合、トルクリップルが極小値となる。
【００２１】
このようにモータ１では、奇数番号のステージにてオーバーラップ通電が行われ、そこで相の切り替え、すなわち転流が実施される。従って、転流が急激に行われず、相の切り替わりがスムーズとなりトルクリップルの低減が図られる。しかも、通常６ステージしかない制御形態を、推定を加えることなく１２ステージにできるので、ロータ位置検出精度が向上し、電動パワーステアリング装置のような正逆転が激しく入れ替わり、加速度の変化も非常に大きい環境でもオーバーラップ通電を採用できる。このため、電動パワーステアリング装置等においてもレゾルバやＲ／Ｄ変換器を用いることなく、安価なホールセンサによってブラシレスモータの駆動制御ができ製品コストが削減できる。
【００２２】
上述のように、モータ１においては各センサ群Ｈ１,Ｈ２のホールセンサH1a等が正常な場合にはオーバーラップ通電が行われる。これに対し、何れかのホールセンサ１０が故障した場合には次のような制御形態に変更される。すなわち、ロータ位置検出装置に２つのセンサ群Ｈ１,Ｈ２が存在するのを生かし、故障センサを含むセンサ群を制御から外し、残りのセンサ群により３相の矩形波駆動制御を行う。図５は、例えばH2aが故障した場合におけるモータ１の制御形態を示すタイムチャートである。なお、図中の符号ＨＰａ〜ＨＰｃは、一般的な３相ブラシレスモータにおけるホールセンサの位置を示している。
【００２３】
H2aが故障すると、まず、このセンサが含まれるセンサ群Ｈ２の使用を中止する。そして、故障したH2aを含まないセンサ群Ｈ１により、図５に示すようなH1a〜H1cを使用した矩形波制御が実施される。そこでは、図５に示すように、H1aのONに伴ってＵ相が＋通電されH1bのONと共に０となる。その間、H1aとH1cがONのときはＶ相が−通電され、H1aのみがONのときはＷ相が−方向に通電される。Ｕ相が０となるとそれと同時にＶ相が＋通電され、H1cがONとなるとＶ相が０となってＷ相が＋通電される。このように電機子コイルの各相は、励磁相を重複形成することなく、H1a〜H1cのON/OFFに伴って順次切り替えられ転流が行われる。
【００２４】
なお、図２に示すように、センサ群Ｈ１の配置は通常の３相ブラシレスモータにおけるセンサ配置Ｐに対して角度Ｘ／２ずれている。従って、センサ群Ｈ１によって得られる信号も、図５に示すように、角度Ｘ／２だけ進角（正転時）又は遅角（逆転時）した状態となる。このため、故障時の矩形波制御では、モータ起動時に進角又は遅角状態となるが、定格運転時に遅角又は進角制御を導入しモータの制御形態を調整している。なお、センサ群Ｈ１のホールセンサが故障した場合にはセンサ群Ｈ２が使用され、その際には角度Ｘ／２だけ遅角（正転時）又は進角（逆転時）した状態となり、起動後は進角又は遅角制御が実施される。
【００２５】
このように当該モータ１では、ホールセンサが正常な場合にはセンサ群Ｈ１，Ｈ２を用いたオーバーラップ通電制御が行われ、ホールセンサが故障した場合には、故障センサを含まない方のセンサ群を用いた矩形波制御が実施される。従って、たとえホールセンサが故障してもそれが同一群に属する限り、他の残った正常なセンサ群によりモータ１は駆動されるので、モータ機能は損なわれない。このため、本発明のモータを使用することにより、電動パワーステアリング装置や電子制御式スロットル弁装置等において、センサ異常に対し冗長性を持つことができ、製品の信頼性向上を図ることが可能となる。
【００２６】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施の形態では、センサ群Ｈ１，Ｈ２を一般的な３相ブラシレスモータにおけるホールセンサの位置Ｐを挟んでＸ／２ずつ振り分けた位置に配置した構成を示したが、Ｐ位置との関係は任意であり、前述の形態には限定されない。例えば、センサ群Ｈ１（又はＨ２）をＰ位置に配置し、センサ群Ｈ２（又はＨ１）を角度Ｘ偏倚させる構成なども可能である。
【００２７】
前述の実施の形態では、３相のブラシレスモータに本発明を適用したものについて説明したが、Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙからなる５相のモータなど、他の多相ブラシレスモータに本発明を適用することも可能である。また、前述の実施の形態では３個の偏倚角Ｘが全て同じ場合を示したが、一部又は全部を異なる値とするなど種々の設定が可能である。さらに、センサ群を２組（Ｈ１，Ｈ２）配した構成を示したがセンサ群を３組以上設けることも可能である。
【００２８】
加えて、前述のモータ１はインナーロータ型のブラシレスモータであるが、本発明をアウタロータ型のブラシレスモータにも適用するも可能である。さらに、本発明は正逆転を行わない一方向のみに回転するブラシレスモータにも適用可能であり、その場合、ステージ(3)の中心とＵ相磁極中心との間に適宜角度を設けることにより進角制御が可能である。
【００２９】
一方、前述の実施の形態は、本発明をコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置に適用した例を示したが、ラックアシスト型等の他の方式の電動パワーステアリング装置にも適用可能である。また、電動パワーステアリング装置のみならず、特開平10-184401号公報や特開平10-252510号公報に示されているようなエンジンの電子制御式スロットル弁装置に適用することも可能である。
【００３０】
さらに、本発明のブラシレスモータを電動パワーステアリング装置や電子制御式スロットル弁装置以外の用途、例えば、ロボット等の産業用機械やパソコン等のＩＴ機器などにも適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、第１及び第２のセンサ群を有するブラシレスモータにおいて、磁気検出素子が故障した場合、故障した磁気検出素子を含むセンサ群の使用を中止し、故障した磁気検出素子を含まない他のセンサ群によって駆動制御を行うようにしたので、たとえホールセンサが故障してもそれが同一群に属する限り、他の残った正常なセンサ群によりモータが駆動され、モータ機能を維持させることが可能となる。このため、本発明のモータを使用することにより、電動パワーステアリング装置や電子制御式スロットル弁装置等においても、センサ異常に対し冗長性を持つことができ、製品の信頼性向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御方法が適用されるブラシレスモータの構成を示す説明図である。
【図２】ホールセンサの配置状態を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態であるブラシレスモータの制御形態を示すフローチャートである。
【図４】センサ群Ｈ１，Ｈ２間のホールセンサ偏倚角Ｘを３０°に設定した場合におけるモータの正常駆動時の制御形態を示すタイムチャートであり、上段はホールセンサの信号出力、下段は電機子コイルに対する印加電圧波形を示し、（ａ）は正転時、（ｂ）は逆転時の制御形態である。
【図５】ホールセンサH2aが故障した場合におけるモータの制御形態を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１    ブラシレスモータ
２    ロータマグネット
３    ロータ
４    ステータ
５    シャフト
６    ロータコア
７    ハウジング
８    ステータコア
９    電機子コイル
１０    ホールセンサ
Ｈ１    第１のセンサ群
Ｈ２    第２のセンサ群
H1a〜H1c    ホールセンサ
H2a〜H2c    ホールセンサ
Ｒ1     オーバーラップ量
Ｘ      ホールセンサ偏倚角
【図１】
2004194490.tif 000003
【図２】
2004194490.tif 000004
【図３】
2004194490.tif 000005
【図４】
2004194490.tif 000006
【図５】
2004194490.tif 000007