(57)【要約】【課題】  ブラシレスモータの動作異常を的確に検出可能なブラシレスモータ駆動装置を提供することを目的とする。【解決手段】  ブラシレスモータに流れる電流値が、ブラシレスモータへ通電される定格交流電流値の波形に対応して変化する、その定格交流電流値より大きい電流値を、前記ブラシレスモータの異常検出のための電流閾値に設定し、該ブラシレスモータに流れる電流値が電流閾値よりも大きい状態となった場合に、ブラシレスモータが動作異常であると判定することを特徴とするブラシレスモータ駆動装置により提供可能となる。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルを備えたブラシレスモータの各相のコイルに流す電流を切り替えることで前記ブラシレスモータを回転駆動するブラシレスモータ駆動装置において、
前記ブラシレスモータに流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記ブラシレスモータへ通電される定格交流電流値の波形に対応して変化する、その定格交流電流値より大きい電流値を、前記ブラシレスモータの異常検出のための電流閾値に設定する電流閾値設定手段と、
前記電流検出手段により検出された電流値が前記電流閾値よりも大きい場合に、前記ブラシレスモータが動作異常であると判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とするブラシレスモータ駆動装置。
【請求項２】
複数のコイルを備えたブラシレスモータの各相のコイルに流す電流を切り替えることで前記ブラシレスモータを回転駆動するブラシレスモータ駆動装置において、
前記ブラシレスモータに流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記ブラシレスモータの電気角を検出する電気角検出手段と、
その電気角の関数として変化する前記ブラシレスモータの定格交流電流値より一定量大きい値となる電流閾値が、前記電気角の関数として変化するように設定される電流閾値設定手段と、
前記電流検出手段により検出された検出電流の値が前記電流閾値よりも大きい場合に、前記ブラシレスモータが動作異常であると判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とするブラシレスモータ駆動装置。
【請求項３】
複数のコイルを備えたブラシレスモータの各相のコイルに流す電流を切り替えることで前記ブラシレスモータを回転駆動するブラシレスモータ駆動装置において、
前記ブラシレスモータに流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記ブラシレスモータへ通電される定格交流電流値より大きく、かつ、その定格交流電流値の波形に沿うように変化する電流閾値が設定される電流閾値設定手段と、
前記電流検出手段により検出された検出電流の値が前記電流閾値よりも大きい場合に、前記ブラシレスモータが動作異常であると判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とするブラシレスモータ駆動装置。
【請求項４】
前記異常判定手段は、前記電流検出手段により検出される電流値が前記電流閾値よりも大きい状態が所定の時間経過した場合に、前記ブラシレスモータが動作異常であると判定するものである請求項１ないし３のいずれか１項に記載のブラシレスモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ブラシレスモータ駆動装置に関するものであり、特にブラシレスモータの負荷短絡故障の検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ブラシレスモータは、エアコンの室内機や室外機に搭載されたファンモータや、その他各種の電気機器のモータとして幅広く用いられている。このブラシレスモータでは、永久磁石などを含んで構成されたロータの位置を、ロータの回転軌道近傍に等間隔で配置された複数の位置検出器(ホール素子など)で検出し、該検出信号のオンオフタイミングに基づいて複数の駆動用のコイル巻線への通電状態を切り換えてロータを回転駆動している。
【０００３】
ブラシレスモータ（以下、単にモータと称することもある）駆動装置における負荷（モータ）短絡故障の検出方法としては、例えば、モータ駆動回路内に電流検出手段を設け、上記モータの駆動電流（負荷電流）を検出し、上記検出された電流値が設定された所定の範囲内にあるかどうかを判別することで、負荷であるモータが短絡状態になったかどうかを判定する方法が行なわれている。さらに、モータの短絡故障時には負荷短絡故障を確実に検出するとともに、目標電流の急激な変化等によって過渡的に過大な負荷電流が流れた場合には誤検出することのない負荷短絡故障の検出方法及びその装置が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９１５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ブラシレスモータの駆動電流（負荷電流）はブラシレスモータの電気角によって変化する。しかし、前述の負荷電流異常の検出方法は、電気角によらず負荷電流検出値が一定の閾値（最大電流）を超えなければ異常と判定しない。ところが、負荷電流異常時には必ず閾値以上の負荷電流が流れるわけではないので、負荷電流が少ない電気角の領域の異常検出が困難である。よって、負荷電流が少ない電気角の領域で異常が発生した場合、モータが閾値を越える電気角領域まで回転するまで異常を検出できないことになり、異常発生から異常検出までの時間が長いと部品の損傷につながる可能性がある。
【０００６】
また、電源からブラシレスモータ駆動回路に供給される電流と、従来の検出回路で検出される電流との差を比較して異常を検出する方法もあるが、電源とブラシレスモータ駆動回路の間に新たに電流検出回路を設ける必要があり、回路を追加することにより製造コストが上昇してしまう。
【０００７】
上記問題を背景として、本発明の課題は、低コストで短絡故障を確実に検出するブラシレスモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためのブラシレスモータ駆動装置を提供するものである。即ち、請求項１では、複数のコイルを備えたブラシレスモータの各相のコイルに流す電流を切り替えることでブラシレスモータを回転駆動するブラシレスモータ駆動装置において、ブラシレスモータに流れる電流値を検出する電流検出手段と、ブラシレスモータへ通電される定格交流電流値の波形に対応して変化する、その定格交流電流値より大きい電流値を、ブラシレスモータの異常検出のための電流閾値に設定する電流閾値設定手段と、電流検出手段により検出された電流値が電流閾値よりも大きい場合に、ブラシレスモータが動作異常であると判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とするブラシレスモータ駆動装置として構成される。
【０００９】
また、請求項２では、複数のコイルを備えたブラシレスモータの各相のコイルに流す電流を切り替えることでブラシレスモータを回転駆動するブラシレスモータ駆動装置において、ブラシレスモータに流れる電流値を検出する電流検出手段と、ブラシレスモータの電気角を検出する電気角検出手段と、その電気角の関数として変化するブラシレスモータの定格交流電流値より一定量大きい値となる電流閾値が、電気角の関数として変化するように設定される電流閾値設定手段と、電流検出手段により検出された検出電流の値が前記電流閾値よりも大きい場合に、前記ブラシレスモータが動作異常であると判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とするブラシレスモータ駆動装置という構成によっても上記課題を解決可能である。
【００１０】
さらに、請求項３では、複数のコイルを備えたブラシレスモータの各相のコイルに流す電流を切り替えることでブラシレスモータを回転駆動するブラシレスモータ駆動装置において、ブラシレスモータに流れる電流値を検出する電流検出手段と、ブラシレスモータへ通電される定格交流電流値より大きく、かつ、その定格交流電流値の波形に沿うように変化する電流閾値が設定される電流閾値設定手段と、電流検出手段により検出された検出電流の値が電流閾値よりも大きい場合に、ブラシレスモータが動作異常であると判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とするブラシレスモータ駆動装置という構成によっても上記課題を解決可能である。
【００１１】
図５は、三相ブラシレスモータにおける各相の電気角と定格電流の関係を表したものである。この場合、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相には隣接する相に対して電気角で１２０度の位相差をもって電流が流れる。図５の場合の最大定格電流は５０Ａであるため、従来はモータ異常判定のための電流閾値を例えば一律６０Ａとしていた。しかし、電気角１５０度の位置（Ｕ相電流とＶ相電流が交わる点）では、Ｕ相あるいはＶ相の定格電流値は約２５Ａである。このとき、例えばＵ相において異常が発生した場合、Ｕ相に流れる電流（すなわち異常電流）は必ずしも６０Ａを超えるとは限らない。具体的には、異常電流値（６０Ａ）の正常時の最大定格電流値（５０Ａ）時に対する余裕幅は２０％であり、単純に異常時には正常時の２０％増の電流が流れるとすると、電気角１２０度の場合は３０Ａ（２５Ａ×１．２）で、異常時であってもモータ異常判定のための電流閾値（６０Ａ）を超えない。このため、モータが電気角９０度の位置に回転するまで異常を検出できない可能性がある。
【００１２】
図６は本発明におけるモータ異常判定に用いるモータ電流閾値を表したものである。なお、各相の算出式は以下の通りである。
Ｕ相電流閾値＝Ａ＋ａｂｓ（ｓｉｎ（電気角）×Ｂ）・・・・・・・（１）
Ｖ相電流閾値＝Ａ＋ａｂｓ（ｓｉｎ（電気角−１２０）×Ｂ）・・・（２）
Ｗ相電流閾値＝Ａ＋ａｂｓ（ｓｉｎ（電気角＋１２０）×Ｂ）・・・（３）
【００１３】
ここで、Ａは閾値オフセット，Ｂは閾値調整係数で、本実施例では、図５のようにモータ電流の最大値は５０Ａで最大許容電流は６０Ａであるので、Ａ＝２５，Ｂ＝３５とする。また、ａｂｓは絶対値のことで、電流値の絶対値を用いるのは、以下の理由によるものである。例えば図５の電気角とモータ電流値の関係を示した図のＵ相において、電気角が１８０度のときはモータ電流が理論上は０Ａとなる。しかし、センサあるいは機器等の精度によって、電気角あるいはモータ電流値にばらつきが生じ、電気角が１８０度のときにモータ電流が０Ａとはならない場合もある。このときのモータ電流値は、正負いずれの値もとり得る。よって、電流値異常閾値判定において電流値の符号を考慮して処理を行なうことで、処理が煩雑になり処理時間が増大することを回避するため電流値の絶対値を用いるものである。
【００１４】
図６において、一点鎖線で示される従来の電流値異常閾値１０１は６０Ａで電気角によらず一定であるが、本発明の上記式（１）により求められる電流値異常閾値（Ｕ相電流閾値）１０２はＵ相電流１０３の値によって変化している。これによって、例えば、電気角１５０度の場合、従来はＵ相電流が６０Ａ（点Ａ）を超えないと異常と判定されなかったが、本発明ではＵ相電流が約４２Ａ（点Ｂ：正常時の電流値の約１．１９倍）を超えると異常と判定されるようになる。このように、本発明では、電気角に対し電流異常判定の閾値が変わるため、従来、異常検出が困難であった、モータに流れる電流が少ない電気角領域での異常検出を容易に行なうことが可能である。
【００１５】
また、請求項４では、異常判定手段は、電流検出手段より検出される電流値が電流閾値よりも大きい状態が所定時間経過したときに、ブラシレスモータが動作異常であると判定する構成をとることもできる。本構成によって、動作状況の急激な変化等によってブラシレスモータに過渡的に過大な負荷電流が流れた場合に、誤検出することを抑制できる。
【００１６】
さらに本発明のブラシレスモータ駆動装置は、既存のブラシレスモータ駆動装置の回路構成を変更することなく実現可能であり、製造コストの上昇を招かないという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
従来よりも高精度なブラシレスモータ駆動装置におけるブラシレスモータの動作異常検出方法を、新たなセンサあるいは部品を追加することなく実現した。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例を参照して説明する。
図１は、本発明が適用されるモータ駆動装置１の構成の一例を示す回路図である。本モータ駆動装置１は、モータ駆動制御部４０，ブラシレスモータ（以下、単にモータと称する）５１，スイッチングドライバ５２，モータ角度位置検出部５３，電流センサ７０を含む電流検出部，および図示しないその他の周辺回路から構成される。
【００１９】
モータ駆動制御部４０は周知のＣＰＵ４１，ＲＡＭ４２，ＲＯＭ４３，入出力インターフェースであるＩ／Ｏ４４およびこれらの構成を接続するバスライン４５が備えられている。ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４３およびＲＡＭ４２に記憶されたプログラムおよびデータにより制御を行なう。ＲＯＭ４３は、プログラム格納領域４３ａとデータ記憶領域４３ｂとを有している。プログラム格納領域４３ａにはモータ駆動制御プログラム４３ｐが格納される。データ記憶領域４３ｂにはモータ駆動制御プログラム４３ｐの動作に必要なデータが格納されている。なお、ＣＰＵ４１が本発明の電流閾値設定手段および異常判定手段に相当する。
【００２０】
モータ駆動制御部４０はＲＯＭ４３に格納されたモータ駆動制御プログラム４３ｐの実行により、モータ５１が発生すべき要求トルクを計算して、そのトルクに応じた電圧をＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation：パルス幅変調）制御によりスイッチングドライバ５２に印加してモータ５１を駆動する。一方、電流センサ７０で検出されたモータ電流値からモータ５１が実際に発生している実トルクを算出し、算出された実トルクが該要求トルクに一致するようにスイッチングドライバ５２への印加電圧を調整するフィードバック制御を実施する。
【００２１】
モータ５１はブラシレスモータ、本実施形態では３相ブラシレスモータにて構成されている。３相ブラシレスモータは、図２の例では、電気角１２０゜間隔で配置された３相のコイルＵ，Ｖ，Ｗからなり、これらのコイルＵ，Ｖ，Ｗと、回転子５４との相対的な角度関係が、コイル内に設けられた角度センサをなすホールＩＣにより検出される。そして、これらホールＩＣの出力を受けて、図１のスイッチングドライバ５２は、図２示すように、コイルＵ，Ｖ，Ｗの通電を、Ｗ→Ｕ（１）、Ｕ→Ｖ（３）、Ｖ→Ｗ（５）のごとく循環的に順次切り換える（正方向回転の場合：逆方向回転の場合は、上記の逆順のスイッチングとなる）。
【００２２】
モータ５１の回転制御は、上記コイルＵ，Ｖ，Ｗの各相の通電切り替えシーケンスに、モータ駆動制御部４０からのＰＷＭ信号によるデューティ比制御シーケンスが重畳された形で行なわれる。図３は、スイッチングドライバ５２の回路例を示すもので、コイルＵ，Ｖ，Ｗの各端子ｕ，ｕ’，ｖ，ｖ’，ｗ，ｗ’に対応したＦＥＴ（スイッチング素子）７５〜８０が、周知のＨ型ブリッジ回路を構成するように配線されている（符号８７〜９２は、コイルＵ，Ｖ，Ｗのスイッチングに伴なう誘導電流のバイパス経路を形成するフライホイールダイオードである）。ＡＮＤゲート８１〜８６によりアシスト用モータ側のホールＩＣ（角度センサ）からのスイッチング信号とモータ制御部４０からのＰＷＭ信号との論理積信号を作り、これを用いてＦＥＴ７５〜８０をスイッチング駆動すれば、通電に関与する相のコイルを選択的にＰＷＭ通電することができる。
【００２３】
図１に戻り、過電流発生の有無など、モータ５１の通電状態を監視するために、モータ５１への通電経路上に電流検出部が設けられている。具体的には、経路上に設けられた電流検出抵抗としてのシャント抵抗５８の両端電圧差を電流センサ７０により検出し、Ｉ／Ｏ４４のＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）ポートに入力するようにしている。電流センサ７０は、図４に示すように、シャント抵抗５８の両端電圧を、電圧フォロワ７１，７２を介して取り出し、オペアンプと周辺の抵抗器とからなる差動増幅器７３により増幅して出力するものである。差動増幅器７３の出力は、シャント抵抗５８を流れる電流値に比例したものとなるので、これを電流検出出力として用いることができる。なお、シャント抵抗以外にも、ホール素子や電流検出コイルなど、電磁的な原理に基づいて電流検出するプローブを用いてもよい。なお、電流センサ７０が本発明の電流検出手段に相当する。
【００２４】
また、図１において、モータ５１の回転角度位置は、ロータリエンコーダ等の周知の角度検出部からなるモータ角度位置検出部５３により検出される。なお、角度検出部はロータリエンコーダの他にレゾルバを用いてもよい。モータ角度位置検出部５３から得られる信号を基に、モータ駆動制御部４０で電気角を算出する。なお、ブラシレスモータにおいて、モータの実際の回転角度であるモータ機械角θｍと電気角θｅとの間には、
θｅ＝（ｋ／２）×θｍ
という関係がある。ここで、ｋは２以上の整数でモータ回転子５４の極数である。図２の例では、モータの機械角と電気角とは一致している。なお、モータ角度位置検出部５３が本発明の電気角検出手段に相当する。
【００２５】
図７のフローチャートを用いて、モータ駆動制御部４０のモータ駆動制御プログラムに４３ｐより実行されるモータ電流異常判定処理について説明する。本処理は周期的に実行されるものである。まず、電流センサ７０が出力するモータ５１のＵ，Ｖ，Ｗの各相についての電流検出値を読み込む（Ｓ１）。図４に示すように、電流センサ７０は、既に説明した通り、モータ５１の電源となる車載バッテリー５７から、モータ５１のスイッチングドライバ５２に至るモータ給電経路上に設けられたシャント抵抗５８の両端電圧差に基づいて、モータ電流値を検出するものである。
【００２６】
次に、モータ角度位置検出部５３により検出されるモータ回転角を読み込んで電気角を算出し（Ｓ２）、上記の電流閾値算出のための式（１），（２），および（３）を用いて、各相の該電気角における電流閾値を算出する（Ｓ３）。
【００２７】
本実施例では、電流閾値はモータ電流異常判定処理を行なう際に算出しているが、予め電気角に対応する電流閾値をデータテーブルとしてデータ記憶領域４３ｂに格納しておき、Ｓ２で算出された電気角に対応する電流閾値を該データテーブルから読み出す方法を採ってもよい。算出された電気角に直接対応する電流閾値が該データテーブル上に存在しなかった場合は、テーブル上にある前後の電気角の値から補間演算により電流閾値を求める。
【００２８】
算出した各相電流閾値と、電流センサ７０から読み込んだ各相電流値の絶対値を比較して、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のうちのいずれかの電流値が該当する電流閾値を超えている場合（Ｓ４：Ｙｅｓ）、電流異常と判断して異常判定フラグをセット（Ｓ５）し異常判定カウンタを更新する（Ｓ６）。Ｕ，Ｖ，Ｗ相のうちのいずれの電流値も該当する電流閾値を超えていない場合（Ｓ４：Ｎｏ）は異常判定フラグをクリア（Ｓ７）し異常判定カウンタをリセットする（Ｓ８）。なお、各相電流値の絶対値を用いるのは、先に述べた電流値異常閾値に絶対値を用いるのと同様の理由からである。
【００２９】
最後に、異常判定カウンタの値が異常判定値（例えば２５ｍｓｅｃに相当する値）を超えているかどうかを調べ、異常判定値を超えている場合（Ｓ９：Ｙｅｓ）には、モータ停止などのモータ異常時に対応した処理を行なう（Ｓ１０）。異常判定値を超えていない場合（Ｓ９：Ｎｏ）には、通常のモータ駆動制御処理を行なう（Ｓ１１）。
【００３０】
本発明のブラシレスモータ駆動装置はブラシレスモータを用いる制御機器に用いられるものであるが、車両の電動パワーステアリング装置にも好適である。図８は本発明を用いたブラシレスモータを用いる電動パワーステアリング装置の概略構成図である。電動パワーステアリング装置１０は、操舵用ハンドル１１にハンドル軸１２が結合され、ハンドル軸１２と一体となって回転するピニオンシャフト１３の先端に固定されたピニオン１４が、ラックバー１５のラック歯１５ａと噛み合う。そして、ラックバー１５を軸線方向に往復動させることにより、車輪１６，１６の転舵角が変化する。また、ラックバー１５の往復動すなわちピニオンシャフト１３の回転は、アシスト用モータ２３（ブラシレスモータ）の駆動力により補助される。
【００３１】
ハンドル軸１２とピニオンシャフト１３との間にはトルクセンサ２０が設けられ、トルクセンサ２０はトーションバー２１及びその軸線方向に離間して設置された一対のレゾルバ２２，２２（角度検出センサ）を備えている。トーションバー２１にトルクが印加され、その両端の角度差をレゾルバ２２，２２が検知すると、レゾルバ２２，２２で計測された角度差とトーションバー２１のばね定数とからトーションバー２１に印加されたトルクが検出される。
【００３２】
また、操舵制御部３０は前述のモータ駆動制御部４０と同様の構成をとる。操舵制御部３０はＣＰＵ３１がＲＯＭ３３に格納された操舵制御プログラムを実行することにより、トルクセンサ２０で検出されたトーションバー２１への印加トルクに対応した駆動トルクを算出し、モータドライバ２４を介したＰＷＭ制御によりアシスト用モータ２３に電圧を印加し、電流センサ２６から得られるモータ電流値から実トルクを算出し該駆動トルクに応じたフィードバック制御を行なう。さらに、回転角センサ２５と電流センサ２６により、本発明のモータ電流異常判定を行なう。
【００３３】
この電動パワーステアリング装置１０において、ブラシレスモータが動作異常状態となると、運転者による操舵用ハンドル１１の操作とは全く関係なくアシスト用モータ２３が回転してしまい、事故に結びつくというということも有り得る。本発明によって、ブラシレスモータの動作異常をいち早く検出し所定の異常対応処理を行なえば、事故に結びつく可能性も小さくなる。これは、ブラシレスモータ駆動装置を用いるほかの機器についても同様である。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のブラシレスモータ駆動回路の一例を示す構成図。
【図２】三相ブラシレスモータの動作説明図。
【図３】図２の三相ブラシレスモータを駆動するためのスイッチングドライバの一例を示す回路図。
【図４】電流センサの回路例を示す図。
【図５】三相ブラシレスモータの電気角とモータ電流値の関係を示す図。
【図６】三相ブラシレスモータの電気角とモータ電流値およびモータ電流異常判定閾値を示す図。
【図７】モータ電流異常判定処理を説明するためのフロー図。
【図８】本発明の適用例である電動パワーステアリング装置の構成図。
【符号の説明】
【００３６】
１  ブラシレスモータ駆動装置
４０  モータ駆動制御部（電流閾値設定手段，異常判定手段）
５１  モータ（ブラシレスモータ）
５２  スイッチングドライバ
５３  モータ角度位置検出部（電気角検出手段）
７０  電流センサ（電流検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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