(57)【要約】【課題】構造の複雑化と外形の大型化を抑制しつつコギングトルクの低減を図ることができるモータを提供すること。【解決手段】モータ制御回路４０は、モータ５の回転角と、モータ５に発生するコギングトルクの振幅とを記憶した補正マップを記憶し、その補正マップから読み出した振幅値に対応する補正値を演算する。そして、その補正値を電流指令値Ｉq*に加えることにより、所定次数のコギングトルクを低減する。【選択図】図４
2009044913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０極１２スロット又は１４極１２スロットに構成されたブラシレスモータと、このブラシレスモータを制御するモータ制御回路とから構成されたモータ装置であって、
前記モータ制御回路は、
前記ブラシレスモータの回転特性を記憶する記憶部と、
前記ブラシレスモータを制御するための電流指令値を演算する電流指令値演算部と、
前記記憶部に記憶された値に応じて前記回転特性を逆位相にて補正するための補正値を演算する補正値演算部と、
前記電流指令値に前記補正値を加算して補正指令値を算出する加算部と、
前記補正指令値に基づいて前記モータ装置に駆動電圧を供給する電圧供給部と、
を備えたことを特徴とするモータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ装置において、
前記モータのステータは、複数のティースが径方向内側に向かって突出形成されるとともに、各ティースの先端部には周方向に沿って突出部が形成され、ティース１つあたりの周方向の長さに対する周方向に隣り合うティース先端間の間隔の比の値が、コギングトルクとトルクリプルとの特性により決定される所定範囲内となるように形成された、
ことを特徴とするモータ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のモータ装置において、
前記コギングトルクは前記比の変更の影響が大きい次数のコギングトルクであって、その次数のコギングトルクは前記比の値に対して比例的に増大するものであり、前記トルクリプルは前記比の値に対して反比例的に減少するものであり、
前記所定範囲は、前記次数のコギングトルクが第１の所定値よりも小さく、且つトルクリプルが第２の所定値よりも小さいように設定された範囲である、
ことを特徴とするモータ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの何れか１項に記載のモータ装置を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ装置及び電動パワーステアリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両用パワーステアリング装置として、モータを駆動源とする電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）が広く採用されるようになっている。ところで、モータは、コギングトルク、或いは巻線コイルに生ずる誘起電圧波形の歪みに起因するトルクリプル等により、その出力トルクが変動する。また、ＥＰＳにおいては、このような出力トルクの変動がその操舵フィーリングに直接反映されることになる。このため、ＥＰＳに用いられるモータには、その操舵フィーリングを向上させるため、コギングトルクを低減するための対策が数多く提案されている。例えば、特許文献１には、複数のコギング補正機を備えた回転電機が開示されている。この回転電機を組み立て後の調整でコギング補正機を軸方向に移動させることにより、バラツキのあるコギングを除去する。
【特許文献１】特開２００６−０６０８７９号公報（段落［００１７］，第２図）
【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、上記の回転電機は、構造が複雑であり、高コスト化につながるという問題がある。また、上記回転電機は、調整したコギング補正機が位置ずれするのを防ぐために、固定を強固に行わなければならず、ブランケット又はフレームの外形の大型化を招くという問題がある。そして、コギング補正機が位置ずれすると、それにより発生するコギングトルク及びトルクリプルによるモータの出力トルクの変動により、ＥＰＳの低速操舵時の操舵フィーリングが悪化するという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、構造の複雑化と外形の大型化を抑制しつつコギングトルクの低減を図ることができるモータ、及びそのモータを用いた電動パワーステアリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、１０極１２スロット又は１４極１２スロットに構成されたブラシレスモータと、このブラシレスモータを制御するモータ制御回路とから構成されたモータ装置であって、前記モータ制御回路は、前記ブラシレスモータの回転特性を記憶する記憶部と、前記ブラシレスモータを制御するための電流指令値を演算する電流指令値演算部と、前記記憶部に記憶された値に応じて前記回転特性を逆位相にて補正するための補正値を演算する補正値演算部と、前記電流指令値に前記補正値を加算して補正指令値を算出する加算部と、前記補正指令値に基づいて前記モータ装置に駆動電圧を供給する電圧供給部と、を備えたモータ装置である。
【０００６】
この構成によれば、モータ装置に機械的にコギングトルクを補正するための部材を設ける必要がなく、またモータ装置の機械的構造を変更しなくても、コギングトルクを低減することができる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載のモータ装置において、前記モータのステータは、複数のティースが径方向内側に向かって突出形成されるとともに、各ティースの先端部には周方向に沿って突出部が形成され、ティース１つあたりの周方向の長さに対する周方向に隣り合うティース先端間の間隔の比の値が、コギングトルクとトルクリプルとの特性により決定される所定範囲内となるように形成されてなる。
【０００８】
この構成によれば、ティース１つあたりの周方向の長さに対する突出部先端間（スロットオープン）の長さの比（スロットオープン比）を変更すると、それに伴ってコギングトルク及びトルクリプルの特性値が変化する。従って、スロットオープン比を必要とする特性に応じた所定範囲内とすることにより、トルクリプルを低減して所定の次数成分のコギングトルクの増加を抑制し、トルクリプルとコギングトルクの小さいモータ装置を実現できる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のモータ装置において、前記コギングトルクは前記比の変更の影響が大きい次数のコギングトルクであって、その次数のコギングトルクは前記比の値に対して比例的に増大するものであり、前記トルクリプルは前記比の値に対して反比例的に減少するものであり、前記所定範囲は、前記次数のコギングトルクが第１の所定値よりも小さく、且つトルクリプルが第２の所定値よりも小さいように設定された範囲である。
【００１０】
ティース１つあたりの周方向の長さに対する突出部先端間（スロットオープン）の長さの比（スロットオープン比）を大きくするとトルクリプルが低下するとともにスロットオープン比の変更の影響が大きな次数成分のコギングトルクが増加し、スロットオープン比を小さくするとトルクリプルが増加するとともに上記の次数成分のコギングトルクが減少する。従って、スロットオープン比を、コギングトルクに対して設定される第１の所定値よりも小さく、トルクリプルに対して設定される第２の所定値よりも小さいように設定された所定範囲とすることにより、トルクリプルを低減して所定の次数成分のコギングトルクの増加を抑制し、トルクリプルとコギングトルクの小さいモータ装置を実現できる。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載のモータ装置を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置である。
この構成によれば、モータ装置におけるコギングトルクが低減され、ステアリングにコギングトルクによる振動が伝わらないため、操舵フィーリングを向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、構造の複雑化と外形の大型化を抑制しつつコギングトルクの低減を図ることが可能なモータ、及びそのモータを用いた電動パワーステアリング装置を提供するができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
以下、本発明を同軸ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
【００１４】
図１に示すように、ＥＰＳ１のハウジング２は、略円筒形状に形成されている。ハウジング２には、ステアリング操作により回転するピニオン軸３の先端が内挿されている。また、ハウジング２には、ピニオン軸３と噛合されるラック軸４が軸方向に沿って往復動可能に支持されている。ラック軸４は、該ハウジング２の軸方向に沿って貫設されている。ピニオン軸３の一端は、ステアリングシャフト（図示略）等を介してステアリングホイール（図示略）に連結されている。そして、ステアリング操作に伴ってピニオン軸３が回転し、その回転運動がラック軸４の往復運動に変換されることにより、操舵輪（図示略）の舵角が変更される。
【００１５】
更に、ハウジング２には、ラック軸４と同軸にモータ（モータ装置）５が配置されている。本実施形態では、モータ５には、回転子側に界磁用永久磁石が設けられた回転界磁型モータ（ブラシレスモータ）が用いられている。ＥＰＳ１は、ステアリング操作に伴ってモータ５を駆動制御することにより、ラック軸４の往復動にアシスト力を付与する。
【００１６】
図２に示すように、モータ５のステータ１１は円環状に形成され、ハウジング２の内周面２ａに固着されている。ステータ１１のステータコア１２は、円筒部１３が環状に形成され、その円筒部１３から径方向内側に向かって複数のティース１４が突出形成されている。ティース１４は、周方向に等角度間隔に形成されている。各ティース１４にはインシュレータ１５を介して巻線コイル１７が巻回されている。ステータコア１２は、円筒部１３がティース１４毎に周方向に分割された複数（本実施形態では１２個）の分割コア３０により構成されている。そして、ステータコア１２は、円環状に配列した分割コア３０を加熱したハウジング２内に挿入する、所謂焼きばめによりハウジング２に固定されている。
【００１７】
ステータ１１の内側には、ロータ２１が配設されている。ロータ２１のモータシャフト２２は中空筒状に形成され、その外周面には、ティース１４の先端と対向するように周方向に複数の磁極（本実施形態では、１０極）を有する界磁石としてのリング磁石２３が外嵌されている。そして、図１に示すように、ロータ２１は、モータシャフト２２の両端近傍が軸受６ａ，６ｂに軸支されることにより回転可能にハウジング２に支持されている。巻線コイル１７に供給される三相の交流電流によってモータシャフト２２（リング磁石２３）の周囲に回転磁界が形成される。そして、リング磁石２３により形成される界磁磁束とステータ１１の回転磁界との関係により、モータシャフト２２が回転する。
【００１８】
図１に示すように、モータシャフト２２には、ラック軸４が内挿されている。ラック軸４の外周にはネジ部４ａが形成され、モータシャフト２２の内周にはネジ部４ａと対応するナット部２２ａが形成されている。ネジ部４ａとナット部２２ａとの間には複数の鋼球７が挿入され、ネジ部４ａとナット部２２ａと鋼球７によりボールネジ機構８が構成されている。そして、このボールネジ機構８により、モータシャフト２２の回転運動がラック軸４の往復運動に変換されて操舵系にアシスト力が付与される。
【００１９】
図３に示すように、各ティース１４は、軸方向に沿って延びるように形成され、その径方向内側端の周方向両側は周方向に沿って延びる突出部３１ａ，３１ｂが形成されている。更に、各ティース１４の内周側端部は、ステータ１１の中心軸を中心とする円に沿って円弧状に湾曲形成されている。各ティース１４の内周側端部を結んでできる円を内周円という。それぞれ隣接する分割コア３０間には、周方向に沿って隣り合う２つのティース１４と円筒部１３により軸方向に沿って延びるスロット３２が形成される。即ち、このモータ５は、１２個のスロット３２を有する、所謂１０極１２スロットのモータである。
【００２０】
突出部３１ａの先端から突出部３１ｂの先端までの周方向に沿った長さ（円弧長さ）は、１つのスロット３２当たりの内周円の長さ（隣り合うティース１４の周方向中心間の円弧長さ）よりも短く設定されている。従って、隣り合うティース１４に形成された突出部３１ａ，３１ｂ間には隙間３３が形成される。周方向に沿った隙間を、スロットオープンといい、１つのスロット３２当たりの内周円の長さに対するスロットオープン長さの比をスロットオープン比という。このスロットオープン比αは、１つのスロット３２当たりの内周円の長さをＤ１、スロットオープン長さをＤ２とすると、
【００２１】
【数１】
2009044913.tif 000003
により求められる。
【００２２】
そして、本実施形態において、ステータ１１の形状、特に、スロットオープン長さは、このモータ５のコギングトルクとトルクリプルにより決定されている。モータ５の体格、即ちステータ１１の内周円を一定とし、スロットオープン長さを変更した場合、その長さに応じてコギングトルク及びトルクリプルが変化することが実験により得られた。更に、コギングトルクの所定の次数成分は、トルクリプルと逆の特性を示すことが得られた。
【００２３】
図５にスロットオープン比に対するコギングトルクとトルクリプルの関係を示す。尚、図５において、横軸に示したスロットオープン比αは、右側に向かって値が大きくなる、つまりスロットオープン長さが大きい。モータ５の動作に影響するコギングトルクの主な成分は、１０次成分、１２次成分、６０次成分であり、トルクリプルは３０次成分である。コギングトルクの１０次成分及び６０次成分はスロットオープン比αの変更に対してあまり変化しない。スロットオープン比αを大きくするにしたがってコギングトルクの１２次成分は大きくなり、トルクリプルの３０次成分は小さくなる。つまり、コギングトルクの１２次成分とトルクリプルの３０次成分は、スロットオープン比αの変更の影響を大きく受ける特性である。言い換えれば、スロットオープン比αにより、コギングトルクの１２次成分の値とトルクリプルの３０次成分の値が制御可能である。
【００２４】
このモータ５を使用したＥＰＳ１の使用上によりコギングトルクに対する第１の設定値とトルクリプルに対する第２の設定値が設定される。そして、１２次のコギングトルクが第１の所定値より小さく、且つ３０次のトルクリプルが第２の所定値より小さい範囲、つまり、スロットオープン比αが、値α１から値α２までの範囲（例えば、９〜１１［パーセント］）となるようにモータ５を形成する。これにより、コギングトルクを低減するとともにトルクリプルの増加を抑え、操作フィーリングが向上した電動パワーステアリング装置を得ることができる。
【００２５】
スロットオープンとトルクリプルの関係を説明する。
スロットオープンを小さくする、つまり各ティース１４の突出部３１ａ，３１ｂの先端を近づけると突出部３１ａ，３１ｂから隣接するティース１４に漏れる磁束が多くなり、インダクタンスが大きくなる。逆に、スロットオープンを広くする、つまり各突出部３１ａ，３１ｂの先端を離すと漏れ磁束が少なくなり、インダクタンスが小さくなる。そして、インダクタンスは、ロータ２１の回転位置、つまり磁極の回転位置に応じて図７に示すように変化する。尚、図７には、スロットオープンを変更した場合のインダクタンス波形Ｂ１〜Ｂ５を示す。尚、図７において、インダクタンス波形Ｂ１〜Ｂ５は、この順番でスロットオープン比αを大きくしたときの波形を示す。図６には、スロットオープン比αに対するトルクリプル（３０次成分）とインダクタンスの変化率とを示す。
【００２６】
モータ５のインダクタンスとトルク関係は、リング磁石２３が形成する磁界エネルギを一定とし、次式により得られる。
【００２７】
【数２】
2009044913.tif 000004
上記式において、Ｖ：相電圧、Ｒ：相抵抗、Ｌ：インダクタンス、Ｉ：相電流、ωe：モータ角速度（電気角）、ωm：モータ角速度（機械角）、Ｋe：逆起電圧定数、Ｐ：時間微分演算子、Ｔ：トルク、である。
【００２８】
本実施形態では、ステアリングホイールの操作、車速等に基づき目標値であるｄ−ｑ座標系のｄ，ｑ軸電流指令値を算出し、その指令値をＵ，Ｖ，Ｗ系の相電圧指令値に変換（２相／３相変換）し、該相電圧指令値に基づいてモータ制御信号を生成する制御方法を採用している。
【００２９】
ここで、ｄ−ｑ座標系とは、モータの回転子の磁束と同一方向をｄ軸とし、このｄ軸と直交する方向をｑ軸とする直交座標系であり、ｄ／ｑ変換とは、ブラシレスモータに供給される各相電流のベクトルをｄ−ｑ座標系に対して写像することにより、交流を直流として演算可能とする手法である。
【００３０】
ｄ−ｑ軸での回路方程式は、次式で与えられる。
【００３１】
【数３】
2009044913.tif 000005
トルクに寄与するのはｑ軸電流Ｉｑであるため、ｄ軸電流Ｉｄ＝０とすると、式１におけるｑ軸のインダクタンスＬｑは、
【００３２】
【数４】
2009044913.tif 000006
により求められる。このインダクタンスＬｑの変化によりトルクが変動する。従って、スロットオープン比を大きくすることにより、トルクリプルの３０次成分を減少させ得る。
【００３３】
次に、モータ５に対する制御を説明する。
モータ５は、図４に示すモータ制御回路４０により制御される。このモータ制御回路４０は、モータ５のコギングトルクとは逆位相に通電することにより、モータ５の所定の次数成分のコギングトルクを低減する。尚、本実施形態では、コギングトルクの成分のうち、制御可能であり支配的な１０次成分を低減するものである。
【００３４】
図４は、モータ５を制御するモータ制御回路４０の一例を示すブロック回路図である。モータ制御回路４０は、電流指令値演算部４１、加算部４２、２相／３相変換部４３、電圧供給部としてのＰＷＭ駆動部４４、回転角演算部４５、補正値演算部４６を備えている。
【００３５】
電流指令値演算部４１には、各種センサから入力される信号が入力される。センサとして、例えば、ステアリングホイールの中立位置からの絶対角（絶対操舵角）を検出することが可能なトルクセンサ、車速センサ、モータ５に設けられた回転角センサ４７が用いられる。電流指令値演算部４１は、各センサが出力する信号に基づいて操舵トルク、車速、及びモータ回転角（電気角）等を検出し、その検出結果に応じた電流指令値Ｉq*を演算し出力する。尚、電流指令値演算部４１を、検出結果に応じた電流指令値を演算する構成のみとしてもよい。
【００３６】
加算部４２は、電流指令値Ｉq*に補正値を加算し（電流指令値を正の値とすれば、逆位相に制御するため、電流指令値と逆の符号となり、減算）、その補正後の指令値Ｉq** を出力する。
【００３７】
２相／３相変換部４３は、補正後の指令値Ｉq**とｄ軸電流指令値（＝０）とを３相の電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ* に変換し、その電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ* をＰＷＭ（パルス幅変調）駆動部４４へ出力する。ＰＷＭ駆動部４４は、入力した電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ* にそれぞれ対応するパルス幅を有するパルス信号からインバータ構成の駆動回路によってｕ，ｖ，ｗの各相の駆動電圧を生成し、その駆動電圧をモータ５に印加する。
【００３８】
モータ５に設けられた回転角センサ４７の回転位置に応じた信号を出力する。回転角演算部４５は、回転角センサ４７からの信号に基づいて、モータ５のモータ５の回転角（電気角）を演算し、その演算結果を出力する。この演算結果（モータ電気角θ（θm））は、２相／３相変換部４３における変換に用いられる。また、この演算結果は、補正値演算部４６において利用される。
【００３９】
補正値演算部４６には、補正マップが記憶されている。この補正マップは、ＥＥＰＲＯＭ等の書換え可能（着脱可能であっても可）な記憶部により提供される。補正マップには、モータ５の電気角に対するコギングトルクの振幅とが対応付けられて記憶されている。この補正マップの値は、予め組み立てられたモータ５のモータシャフト２２をトルクセンサを介してサーボモータの回転軸に連結し、サーボモータに回転指令を与えてモータシャフト２２を回転させ、モータ５に設けられた回転角センサ４７により得られる電気角と、トルクセンサにより得られるトルクにより、得られる。
【００４０】
補正値演算部４６は、回転角演算部４５の演算結果（電気角）に対応するコギングトルクの振幅を補正マップから読み出し、その振幅値を補正値に変換する。そして、この補正値を加算部４２に出力する。加算部４２において、電流指令値Ｉq*に補正値を加えることで、コギングトルクを低減するように補正された補正指令値Ｉq** が算出され、その補正指令値Ｉq** により供給される駆動電圧によりモータ５が回転する。
【００４１】
上記したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（１）モータ制御回路４０は、モータ５の回転角と、モータ５に発生するコギングトルクの振幅とを記憶した補正マップを記憶し、その補正マップから読み出した振幅値に対応する補正値を演算する。そして、その補正値を電流指令値Ｉq*に加えることにより、所定次数のコギングトルクを低減することができる。従って、モータ５に機械的にコギングトルクを補正するための部材を設ける必要がなく、またモータ５の機械的構造を変更しなくても、コギングトルクを低減することができる。また、ステアリングにコギングトルクによる振動が伝わらないため、操舵フィーリングを向上させることができる。
【００４２】
（２）モータ５のステータ１１を構成するティース１４の先端から周方向に突出部３１ａ，３１ｂを形成する。そして、隣接するティース１４の突出部３１ａ，３１ｂ間のスロットオープンに対して、１つのスロット３２当たりの内周円の長さに対するスロットオープン長さの比であるスロットオープン比αを、所定の次数成分のコギングトルクとトルクリプルとにより規定される所定範囲内の値とするように、ステータ１１を形成した。スロットオープン比αを大きくするとトルクリプルが低下するとともにスロットにより制御可能な次数成分（３０次成分）のコギングトルクが増加し、スロットオープン比αを小さくするとトルクリプルが増加するとともに３０次成分のコギングトルクが減少する。従って、スロットオープン比αを所定範囲とすることにより、トルクリプルを低減して３０次成分のコギングトルクの増加を抑制し、トルクリプルとコギングトルクの小さいモータ５を実現できる。
【００４３】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記形態では、１０極１２スロットのブラシレスモータを用いたＥＰＳ１に具体化したが、他の構成のモータ、例えば１４極１２スロットのブラシレスモータと、これを用いたＥＰＳに具体化してもよい。
【００４４】
・上記形態では、補正マップに記憶された値に基づき電流指令値Ｉq*に加える補正値を演算するようにしたが、トルク指令値などを用いてこの指令値に対する補正値を演算するようにしてもよい。
【００４５】
・上記形態において、モータ制御回路４０の構成を適宜変更してもよい。例えば、モータ５に供給する電流値を検出して指令電流値を補正するフィードバック補正を行うように構成してもよい。
【００４６】
・上記形態では、モータ５（モータシャフト１２）自体が、ラック軸４と同軸に配置された同軸ラックアシスト型のＥＰＳ１に具体化したが、所謂ラッククロス型等、ハウジング外部に設けられたモータにより、ラック軸の挿通された中空シャフトを駆動する形式のＥＰＳに具体化してもよい。また、本発明を、ステアリングシャフトにアシスト力を付与する操舵力補助装置として、コラムシャフトにアシスト力を付与するコラム型、ピニオンシャフトにアシスト力を付与するピニオン型のＥＰＳに具体化してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】電動パワーステアリング装置の断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】ティースの形状を示す平面図。
【図４】電動パワーステアリング装置の電気的構成を示すブロック図。
【図５】スロットオープン比に対するコギングトルク及びトルクリプルを示す特性図。
【図６】スロットオープン比に対するトルクリプル及びインダクタンスを示す特性図。
【図７】電気角とインダクタンスの関係を示す波形図。
【符号の説明】
【００４８】
Ｉq*…電流指令値、Ｉq**…補正指令値、５…モータ、１１…ステータ、１４…ティース、３１ａ，３１ｂ…突出部、４０…モータ制御回路、４１…電流指令値演算部、４２…加算部、４６…補正値演算部。
【図１】
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【図２】
2009044913.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009044913.tif 000011
【図６】
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【図７】
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