(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に複数配列されたセグメントを有した整流子とこれらのセグメントと当接するブラシからなる整流装置を設けた直流電動機の駆動装置であって、４個以上のブラシ、４極以上の極数を有する直流電動機にたいして、極数以上の個数のブラシからパワー線を引き出しこれらのパワー線をそれぞれパワー素子に接続し、極数以上の個数のブラシに異なる印加電圧を与えて極数以上の個数のブラシ電流をそれぞれに制御する制御手段を備えたことを特徴とする直流電動機の駆動装置。
【請求項２】
上記制御手段が、１番目からＮ番目までのブラシの電圧ドロップをｖdk、ブラシに流れる電流をｉk(ｋ＝１，・・・，Ｎ)としたときにｖdk・ｉkで表されるブラシの発熱量が各々等しく、
ｖd1・ｉ1＝ｖd2・ｉ2＝・・・＝ｖdk・ｉk＝・・・＝ｖdN・ｉN
となるようにブラシ電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電動機の駆動装置。
【請求項３】
極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出する電流検出手段を有し、上記制御手段が印加電圧と電流から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電動機の駆動装置。
【請求項４】
極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出する電流検出手段、および(Ｐ−１)個以上のブラシの温度を検出する温度検出手段を有し、上記制御手段が、電流と温度から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電動機の駆動装置。
【請求項５】
上記制御手段が、同極性ブラシの合計電流を電流指令値に一致させるようにフィードバック制御し、複数の同極性ブラシに流れる電流の比をブラシ印加電圧の比によってオープンループ制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電動機の駆動装置。
【請求項６】
極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上のブラシ電流を検出する電流検出手段を有し、上記制御手段が電流検出したブラシをｋ＝１，・・・，Ｐ−１と番号付けし、ｋ番目のブラシの検出電流ｉkとｋ番目のブラシの電流指令値ｉk*の偏差に制御ゲインを乗じてｋ番目のブラシの印加電圧とすることを特徴とする請求項１に記載の直流電動機の駆動装置。
【請求項７】
２つの端子を有するコネクタを２個以上介して直流電動機のブラシからのパワー線とパワー素子とを接続したことを特徴とする請求項１に記載の直流電動機の駆動装置。
【請求項８】
周方向に複数配列されたセグメントを有した整流子とこれらのセグメントと当接するブラシからなる整流装置を設けた直流電動機の駆動方法であって、４個以上のブラシ、４極以上の極数を有する直流電動機にたいして、極数以上の個数のブラシからパワー線を引き出しこれらのパワー線をそれぞれパワー素子に接続し、極数以上の個数のブラシに異なる印加電圧を与えて極数以上の個数のブラシ電流をそれぞれに制御することを特徴とする直流電動機の駆動方法。
【請求項９】
１番目からＮ番目までのブラシの電圧ドロップをｖdk、ブラシに流れる電流をｉk(ｋ＝１，・・・，Ｎ)としたときにｖdk・ｉkで表されるブラシの発熱量が各々等しく、
ｖd1・ｉ1＝ｖd2・ｉ2＝・・・＝ｖdk・ｉk＝・・・＝ｖdN・ｉN
となるようにブラシ電流を制御することを特徴とする請求項８に記載の直流電動機の駆動方法。
【請求項１０】
極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出し、印加電圧と電流から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御することを特徴とする請求項８に記載の直流電動機の駆動方法。
【請求項１１】
極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出し、かつ(Ｐ−１)個以上のブラシの温度を検出し、電流と温度から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御することを特徴とする請求項８に記載の直流電動機の駆動方法。
【請求項１２】
同極性ブラシの合計電流を電流指令値に一致させるようにフィードバック制御し、複数の同極性ブラシに流れる電流の比をブラシ印加電圧の比によってオープンループ制御することを特徴とする請求項８に記載の直流電動機の駆動方法。
【請求項１３】
極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上のブラシ電流を検出し、電流検出したブラシをｋ＝１，・・・，Ｐ−１と番号付けし、ｋ番目のブラシの検出電流ｉkとｋ番目のブラシの電流指令値ｉk*の偏差に制御ゲインを乗じてｋ番目のブラシの印加電圧とすることを特徴とする請求項８に記載の直流電動機の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、操舵力を補助するパワーステアリング装置の電動機等に用いられる直流電動機の駆動装置および駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術１．
図１１は例えば特公平５−１０２７０号公報に示されている従来の電動式パワーステアリング装置および電動機駆動装置を示す概略構成図である。図１１において、１０１は入力軸、１０２は操舵速度検出部、１０３は操舵トルク検出部、１０４はラック軸、１０５はボールリサキュレーティングナット(ボールねじ)、１は直流電動機、１０８はマイクロコンピュータユニット(ＭＣＵ)、１０９は電動機駆動回路、１０９Ａは電源回路である。
【０００３】
上記入力軸１０１の一端は図示しないユニバーサルジョイントを介してステアリングホイールに連結され、その他端にはピニオンギヤ１０１ｂが一体に取り付けられている。また入力軸１０１のピニオンギヤ１０１ｂの両側には軸受１１０ａ、１１１ａを介してピニオンホルダ１１２が取り付けられている。このピニオンホルダ１１２は円筒板１１０と１１１およびこれらを一体に連結した支柱１１３とからなり、円筒板１１０と１１１はその中心から偏心した位置で軸受１１０ａ、１１１ａに設けられている。また、ピニオンホルダ１１２はニードル軸受１１４により図外のラックケースに回転自在に支承される一方、円筒板１１１の回転中心には、トーションバー１１５の一端が固着されており、このトーションバー１１５の他端がラックケースに固着されている。
【０００４】
さらに、円筒板１１１の回転中心から偏心した位置にはピン１１１ｂが突設され、このピン１１１ｂの先端には端部に円筒形状の磁性体１１６ａを有する非磁性体の可動鉄心１１６が固着されている。この可動鉄心１１６は、ラックケースに一体に固着された円筒状のコイル部１１７に軸方向移動可能に遊挿されており、コイル部１１７とともに差動変圧器を構成している。したがって、ピニオンホルダ１１２の回転に伴って、その変位が可動鉄心１１６の軸方向変位に変換され、この軸方向変位が電気信号として差動変圧器から出力される。
【０００５】
入力軸１０１を矢印Ｘの方向にトルクを作用させ回転させると、そのトルクの大きさに応じてトーションバー１１５がねじられ、ピニオンホルダ１１２を矢印Ｙの方向に回転させる。このときの回転変位は、入力軸１０１に与えたトルク、即ち操舵トルクに比例する。したがって、ピン１１１ｂにより可動鉄心１１６を軸方向の変位Ｚに変換する。すなわち、操舵トルクは可動鉄心１１６の軸方向変位に比例し、この軸方向変位はコイル部１１７により検出される。このように、トルク検出部１０３は、ピニオン１０１ｂ、ラック軸１０４、ピニオンホルダー１１２、ピン１１１ｂ、可動鉄心１１６とコイル部１１７でなる差動変圧器より構成され、操舵トルクの大きさと、その方向が検出される。
【０００６】
制御回路は電源回路１０９Ａ、ＭＣＵ１０８および電動機駆動回路１０９とからなる。入力軸１０１には多数のスリット１１８ａを周方向に有する遮光板１１８が一体的に設けられており、この遮光板１１８を挟む位置にフオトカプラ１１９、１２０がピニオンホルダー１１２に一体的に固着されている。フオトカプラ１１９、１２０にはＭＣＵ１０８を通じて電源が供給され、フオトカプラ１１９、１２０からの出力がＭＣＵ１０８へ入力される。また、上記差動変圧器のコイル部１１７の一次巻線１１７ａにはＭＣＵ１０８からパルス状の電圧が供給され、２次コイル１１７ｂ、１１７ｃからの出力がＭＣＵ１０８に入力されている。
【０００７】
上記電源回路１０９Ａは車載のバッテリ１２６の＋端子にヒューズ１２７を介して接続されるリレー回路１２８を備えており、このリレー回路１２８は、ＭＣＵ１０８からの制御信号Ｔ１によってオンオフ制御され、リレー回路１２８の出力側から後述する電動機駆動回路１０９に電源が供給されている。
【０００８】
また、上記電動機駆動回路１０９は、４個のＦＥＴ１３０Ａ、１３０Ｂ、１３１Ａ、１３１Ｂにより構成されたブリッジ回路を備えている。ブリッジ回路の互いに対向する対辺に位置するＦＥＴ１３０Ａと１３０Ｂ、ＦＥＴ１３１Ａと１３１Ｂがそれぞれ一組となって動作する。ＦＥＴ１３０Ａと１３１Ａのドレイン端子が接続され、この接続部がリレー回路１２８の出力側に接続される一方、電界トランジスタ１３０Ｂと１３１Ｂのソース端子が接続され、この接続部が抵抗１３２を介してコモン側(アース)に接続されており、これらの接続部が入力端子となる。ＦＥＴ１３０Ａのゲート端子には抵抗１３３を介してエミッタ接地のトランジスタ１３４のコレクタが接続され、そのベースにはＭＣＵ１０８からの制御信号Ｔ４が入力される。
【０００９】
他方のＦＥＴ１３１Ａのゲート端子には、同様に抵抗１３５を介してエミッタ接地のトランジスタ１３６のコレクタが接続され、そのベースにはＭＣＵ１０８からの制御信号Ｔ５が入力される。また、これらのトランジスタ１３４と１３６のコレクタには、抵抗１３７または１３８を介してリレー回路１２８の出力側に接続された昇圧回路１３９に接続され、この昇圧回路１３９により約２倍に昇圧された動作用電源電圧が供給されている。したがって、マイクロコンピュータ１０８からの制御信号Ｔ４またはＴ５により、トランジスタ１３４または１３６が動作し、これに伴ってそれぞれのＦＥＴ１３０Ａまたは１３１Ａがオフ動作する。
【００１０】
また、ＦＥＴ１３０Ｂのゲート端子には、抵抗１４０を介してＭＣＵ１０８からのＰＷＭ駆動制御信号Ｔ２が入力される一方、ＦＥＴ１３１Ｂのゲート端子には抵抗１４１を介してＭＣＵ１０８からのＰＷＭ制御信号Ｔ３が入力され、ＰＷＭ制御信号Ｔ２またはＴ３によりＦＥＴ１３０Ｂまたは１３１ＢがＰＷＭ駆動される。
【００１１】
したがって、例えば、制御信号Ｔ４を”Ｌ”、ＰＷＭ制御信号Ｔ２を”ＰＷＭ信号”とし、この場合他の制御信号Ｔ５を”Ｈ”、Ｔ３を”Ｌ”にしたり、反対に制御信号Ｔ５を”Ｌ”、ＰＷＭ制御信号Ｔ３を”ＰＷＭ信号”とし、この場合他の制御信号Ｔ４を”Ｈ”、Ｔ２を”Ｌ”にすることにより、電動機１の回転方向を制御するとともに、ＰＷＭ制御信号Ｔ４またはＴ５のパルス幅制御により電動機１に供給する制御電力を調整する。
【００１２】
従来の技術２．
図１２は実開昭５８−１５３５４６号に示されている従来のブラシまわりの構造図、図１３はその回路図である。四個のブラシ１１〜１４のうち同極性の二個のブラシを導体２５０で接続し、同電位としている。すなわち、正側ブラシ２本を接続し、負側ブラシ２本を接続し、それぞれを正側の端子と負側の端子に接続している。したがって、この正側と負側の端子２箇所から２本の導線により駆動装置と接続されることになる。正極性のブラシ２本は正の同電位、また、負極性のブラシ２本も負の同電位となる。
【００１３】
従来の技術３．
図１４は特願平１０−２２６３１７号および特願平１１−００３０６８号に記載の直流電動機１の全体構成図である。９１はハウジング、７１は固定子ヨーク、７２は固定子ヨークの内周面に固定された永久磁石、７３は固定子ヨーク７１内に回転自在に設けられた回転軸、７４は回転軸７３に固定された鉄心、７５は鉄心７４のスロットに銅線が巻回されて構成された電機子コイル、１１、１３は整流子７８の表面を押圧したブラシ、１９は整流子７８の片側に設けられた均圧線である。
【００１４】
整流子７８は、周方向に等分間隔で複数個配設されたセグメント７９と、セグメント７９の端部に設けられたライザ８１と、セグメント７９の内側に設けられたセグメント７９の固定およびセグメント７９間の絶縁を行う整流子モールド部８０とから構成されている。
【００１５】
なお、鉄心７４および電機子コイル７５により電機子を構成し、整流子７８およびブラシ１１、１３により整流装置を構成している。
【００１６】
電機子コイル７５は自動巻線可能なエナメル被覆の銅製の導線で構成されており、セグメント７９の端部に設けられたフック状のライザ８１によってセグメント７９と電気的に接続されている。自動巻線工程において電機子コイル７５の巻線性の向上を図り、あるいはライザ８１に過大なストレスがかかるのを防ぎ、かつ電機子、コイル端部の軸方向長さを短くする目的で、電機子コイル７５の巻線経は必要な導体部断面積の１／２が得られる程度の細線を二重にして巻回した、いわゆるダブル巻としている。
【００１７】
図１５は、図１４の整流子７８およびその近傍の正面図、図１６は電機子側から整流子７８を見た側面図である。また、電機子コイル７５などは表記を省き、要部のみを表記している。
【００１８】
均圧線１９は、ライザ８１とは別の部材でからなり、電機子コイル７５と同一の線材すなわちエナメル被覆の銅製導線からなる。電機子コイル７５がダブル巻きであり、均圧線１９は１重であるため、均圧線１９の導体部断面積は電機子コイル７５の導体部断面積の１／２となっている。このように均圧線１９はライザ８１とは別部材であるため、電機子コイル７５よりも小さい電流容量で設計することができる。
【００１９】
均圧線１９の両端はセグメント７９に設けられたフック状のライザ８１にそれぞれ係止される。この均圧線１９を係止した後、電機子コイル７５の導線も同様にライザ８１に係止し、ヒュージングなどによりそれらをすべて電気的に接続する。すなわち、同一のライザ８１に、電機子コイル７５の導線と均圧線１９とが接続された状態でヒュージング加工などを行うことになる。
【００２０】
この均圧線１９は、電機子位置によらず常に同電位となるべきセグメント７９間を接続している。この従来の技術は４極２２スロット機における例であり、機械角で互いに１８０度離れた位置にあるセグメント７９を接続している。
【００２１】
上記構成の整流子付直流電動機では、均圧線１９を用いて同電位であるべきセグメント７９同士を電気的に接続してあり、電機子コイル７５のブラシ間の各回路間に生じる誘導起電力の差により回路を通じてブラシに流れる循環電流を防止し、かつ各回路間のコイル数の差により生じる磁気吸引力のアンバランスを防止する。
【００２２】
図１７は上記整流子付直流電動機の電気回路図である。４極、２４スロット、セグメント数２４の場合について示している。本来、第１のブラシ１１〜第４のブラシ１４には、それぞれ２個のセグメント７９が当接すべきときに、例えばほんの一瞬であるが、第３のブラシ１２には３個のセグメント７９ｋ、７９ｌ、７９ｍが当接したときの様子を示す図である。
【００２３】
なお、第１のセグメント７９ａは第１３のセグメント７９ｍと、第２のセグメントは７９ｂは第１４のセグメント７９ｎと、第３のセグメント７９ｃは第１５のセグメント７９ｏと、第４のセグメント７９ｄは第１６のセグメント７９ｐと、第５のセグメント７９ｅは第１７のセグメント７９ｑと、第６のセグメント７９ｆは第１８のセグメント７９ｒと、第７のセグメント７９ｇは第１９のセグメント７９ｓと、第８のセグメント７９ｈは第２０のセグメント７９ｔと、第９のセグメント７９ｉは第２１のセグメント７９ｕと、第１０のセグメント７９ｊは第２２のセグメント７９ｖと、第１１のセグメント７９ｋは第２３のセグメント７９ｗと、第１２のセグメント７９ｌは第２４のセグメント７９ｘとそれぞれ均圧線１９によって電気的に接続されている。ただし図１７では、第１１のセグメント７９ｋと第２３のセグメント７９ｙとを電気的に接続した均圧線１９だけが示されており、他の均圧線の図示は省略されている。
【００２４】
この場合、本来第１〜第４のブラシ１１〜１４間の第１〜第４の各回路２７０ａ〜２７０ｄでは、コイル７５の数が５個で等しくあるべきであるが、第２の回路２７０ｂでは第７のコイル７５ｇないし第１０のコイル７５ｊの４個のコイル７５が介在する。このように整流タイミングの狂いが生じたときに、均圧線１９がないときには、第２の回路２７０ｂと第４の回路２７０ｄでコイル数に差が生じ、電流値が異なってしまうので、磁気吸引力のアンバランスが生じてしまう。しかしながら、セグメント７９ｋと７９ｙとが均圧線１９で電気的に接続されているので、第２の回路２７０ｂと第４の回路２７０ｄでコイル数が等しくなり、磁気吸引力がバランスするため加振力は生じず、作動音は発生しない。
【００２５】
図１８は均圧線を有する直流電動機の回路図である。４極、２２スロット、セグメント数２２において、すべてのセグメントに均圧線を配置している。たとえば正極性の二つのブラシ１１、１２の抵抗値が等しければ、電機子コイルのインピーダンス１７３はすべてほぼ等しいので、電流ｉ１１、ｉ１２、ｉ１３、ｉ１４はほぼ等しくなり、正極性のブラシ１１、１２に流れる電流も等しい。ところが、ブラシ抵抗はセグメントとの接触状態に依存するため、ばらつきがある。たとえばブラシ１１の抵抗値がブラシ１２の抵抗値より大きい場合、ｉ１１、ｉ１２となる電流にはブラシ１２と均圧線１９を経由して流れる成分が含まれ、ブラシ１１を流れる電流よりもブラシ１２を流れる電流が大きくなる。このようにブラシ電流にアンバランスを生じると、アンバランス分だけブラシの許容電流容量を大きくしなければならない。また、均圧線１９はブラシ抵抗にアンバランスがあるとき、ブラシ電流のアンバランスをより大きくするように作用している。
【００２６】
ここで均圧線１９は、回転軸７３に数回にわたり巻回されている。このような構成とすることで、電機子コイル７５の導線と同一の線材を用いつつ、抵抗値を大きくすることができる。例えば、セグメント７９に設けられたライザ部８１の回転半径が１２ｍｍ、回転軸がφ１２ｍｍのとき、均圧線１９を整流子７８に沿って半円状に配置した場合の均圧線の長さは約４０ｍｍであるが、回転軸７３に３回巻き付けることで均圧線１９の長さは約１５０ｍｍとなり、約３．７５倍の長さを得る。同一材料の使用を仮定すれば、抵抗率は同一であるので、導体部断面積比を考慮しても基準抵抗値の２．５倍以上の抵抗値を得ることができる。このとき、正負それぞれ２つずつ設けられた同極性のブラシ１１とブラシ１３の間において、電流のアンバランスを許容範囲にまで抑制する。
【００２７】
従来の技術４．
図１９は従来の直流電動機と駆動装置の接続形態を示す斜視図である。１５４、１５５は直流電動機１のブラシ１１〜１４(図１９には図示せず)から引き出されたパワー線であり、パワー線１５４は正側のブラシ１１、１２に接続し、パワー線１５５は負側のブラシ１３、１４に接続している。１５３はパワー線１５４、１５５をひとまとめに保持するチューブ、１５１はパワー線１５４、１５５に接続されたコネクタ(メス側)、１５２はこのコネクタ(メス側)とはまり合うコネクタ(オス側)、１５０は駆動装置である。
【００２８】
パワー線１５４、１５５は、コネクタ(メス側)１５１、コネクタ(オス側)１５２を介して、駆動装置１５０の内部のパワー素子１３０Ａ、１３０Ｂ、１３１Ａ、１３１Ｂ(図１１参照)と接続している。直流電動機の最大出力は３００Ｗ〜１．２ｋＷ程度であるが、バッテリ電圧１２Ｖを用いているため、供給電流はかなり大きく、２５Ａ〜１００Ａ程度となる。このような大電流が駆動装置１５０から直流電動機１へコネクタ１５１、１５２を介して供給される。標準的なコネクタの電流容量は６０Ａ〜８０Ａであり、１００Ａ程度を供給する場合には、発熱などによって信頼性が低下する。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の直流電動機の駆動装置ではそれぞれ以下のような問題があった。
まず、従来の技術１および従来の技術２においては、ブラシ電位が等しいためにブラシ抵抗の差異によってブラシ電流にアンバランスが生じて、ブラシ発熱にアンバランスを生じ、一部のブラシが異常に加熱するという問題があった。
【００３０】
次に従来の技術３においては、均圧線は直流電動機の騒音、特に回転動作中のセグメント周波数の整数倍の作動音を低減する効果がある。しかしながら同時に均圧線はブラシ抵抗の差異によるブラシ電流のアンバランスを増大させる副作用もある。このため従来の技術３においては、均圧線の抵抗を大きくすることによって、騒音低減効果とブラシ電流アンバランスのトレードオフを行っていた。すなわち、ブラシ電流アンバランスを低減するために、騒音低減効果を多少犠牲にしていたという問題があった。
【００３１】
そして従来の技術４においては、２つの端子を有するコネクタ１個で電流を供給していたため、供給電流が１００Ａに近づくと、コネクタに流れる電流が大きいため発熱などにより信頼性が低下するという問題があった。
【００３２】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、ブラシ発熱量のアンバランスを抑制しつつ作動音を低減する直流電動機の駆動装置および駆動方法を得ることを目的とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、周方向に複数配列されたセグメントを有した整流子とこれらのセグメントと当接するブラシからなる整流装置を設けた直流電動機の駆動装置であって、４個以上のブラシ、４極以上の極数を有する直流電動機にたいして、極数以上の個数のブラシからパワー線を引き出しこれらのパワー線をそれぞれパワー素子に接続し、極数以上の個数のブラシに異なる印加電圧を与えて極数以上の個数のブラシ電流をそれぞれに制御する制御手段を備えたことを特徴とする直流電動機の駆動装置にある。
【００３５】
またこの発明は、上記制御手段が、１番目からＮ番目までのブラシの電圧ドロップをｖdk、ブラシに流れる電流をｉk(ｋ＝１，・・・，Ｎ)としたときにｖdk・ｉkで表されるブラシの発熱量が各々等しく、
ｖd1・ｉ1＝ｖd2・ｉ2＝・・・＝ｖdk・ｉk＝・・・＝ｖdN・ｉN
となるようにブラシ電流を制御することを特徴とする直流電動機の駆動装置にある。
【００３６】
またこの発明は、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出する電流検出手段を有し、上記制御手段が印加電圧と電流から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御することを特徴とする直流電動機の駆動装置にある。
【００３７】
またこの発明は、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出する電流検出手段、および(Ｐ−１)個以上のブラシの温度を検出する温度検出手段を有し、上記制御手段が、電流と温度から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御することを特徴とする直流電動機の駆動装置にある。
【００３８】
またこの発明は、上記制御手段が、同極性ブラシの合計電流を電流指令値に一致させるようにフィードバック制御し、複数の同極性ブラシに流れる電流の比をブラシ印加電圧の比によってオープンループ制御することを特徴とする直流電動機の駆動装置にある。
【００３９】
またこの発明は、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上のブラシ電流を検出する電流検出手段を有し、上記制御手段が電流検出したブラシをｋ＝１，・・・，Ｐ−１と番号付けし、ｋ番目のブラシの検出電流ｉkとｋ番目のブラシの電流指令値ｉk*の偏差に制御ゲインを乗じてｋ番目のブラシの印加電圧とすることを特徴とする直流電動機の駆動装置にある。
【００４０】
またこの発明は、２つの端子を有するコネクタを２個以上介して直流電動機のブラシからのパワー線とパワー素子とを接続したことを特徴とする直流電動機の駆動装置にある。
【００４１】
またこの発明は、周方向に複数配列されたセグメントを有した整流子とこれらのセグメントと当接するブラシからなる整流装置を設けた直流電動機の駆動方法であって、４個以上のブラシ、４極以上の極数を有する直流電動機にたいして、極数以上の個数のブラシからパワー線を引き出しこれらのパワー線をそれぞれパワー素子に接続し、極数以上の個数のブラシに異なる印加電圧を与えて極数以上の個数のブラシ電流をそれぞれに制御することを特徴とする直流電動機の駆動方法にある。
【００４２】
またこの発明は、１番目からＮ番目までのブラシの電圧ドロップをｖdk、ブラシに流れる電流をｉk(ｋ＝１，・・・，Ｎ)としたときにｖdk・ｉkで表されるブラシの発熱量が各々等しく、
ｖd1・ｉ1＝ｖd2・ｉ2＝・・・＝ｖdk・ｉk＝・・・＝ｖdN・ｉN
となるようにブラシ電流を制御することを特徴とする直流電動機の駆動方法にある。
【００４３】
またこの発明は、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出し、印加電圧と電流から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御することを特徴とする直流電動機の駆動方法にある。
【００４４】
またこの発明は、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出し、かつ(Ｐ−１)個以上のブラシの温度を検出し、電流と温度から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御することを特徴とする直流電動機の駆動方法にある。
【００４５】
またこの発明は、同極性ブラシの合計電流を電流指令値に一致させるようにフィードバック制御し、複数の同極性ブラシに流れる電流の比をブラシ印加電圧の比によってオープンループ制御することを特徴とする直流電動機の駆動方法にある。
【００４６】
またこの発明は、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上のブラシ電流を検出し、電流検出したブラシをｋ＝１，・・・，Ｐ−１と番号付けし、ｋ番目のブラシの検出電流ｉkとｋ番目のブラシの電流指令値ｉk*の偏差に制御ゲインを乗じてｋ番目のブラシの印加電圧とすることを特徴とする直流電動機の駆動方法にある。
【００４７】
この発明にかかわる直流電動機の駆動装置および駆動方法は極数以上の個数のブラシから導線を引き出し、極数以上の個数のブラシに異なる印加電圧を与えて極数以上の個数のブラシ電流を制御するものである。
【００４８】
また、ブラシ電圧ドロップをｖｄ、ブラシに流れる電流をｉとしたときにｖｄ・ｉで表されるブラシの発熱量が複数のブラシについて互いに等しくなるようにブラシ電流を制御する。
【００４９】
また、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出し、印加電圧と電流から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御する。
【００５０】
また、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上のブラシの温度を検出し、この(Ｐ−１)個以上のブラシ温度またはブラシ発熱量が互いに等しくなるようにブラシ電流を制御する。
【００５１】
また、同極性ブラシの合計電流を電流指令値に一致させるようにフィードバック制御し、複数の同極性ブラシに流れる電流の比をブラシ印加電圧の比によってオープンループ制御する。
【００５２】
また、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上のブラシ電流を検出し、電流検出したブラシをｋ＝１，・・・，Ｐ−１と番号付けし、ｋ番目のブラシの検出電流ｉkとｋ番目のブラシの電流指令値ｉk*の偏差に制御ゲインを乗じてｋ番目のブラシの印加電圧とする。
【００５３】
また、２個の端子を有するコネクタを２個以上用いて、駆動装置から直流電動機へ電流を供給し、大きな電流に対してもコネクタ信頼性を保つものである。
【００５４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における直流電動機の駆動装置の回路図である。１は直流電動機、１１、１２、１３、１４はこの直流電動機１のブラシ、１５、１６、１７、１８は直流電動機１のコイル、１９ａ、１９ｂは直流電動機１の均圧線、６１〜６４は直流電動機１の上記ブラシ１１、１２、１３、１４から引き出したパワー線、２１ａ〜２４ｂは直流電動機１への電流を制御するパワー素子である電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)、２５は直流電源である。３１、３２、３３はブラシ１１、１２、１３の電流を検出する電流検出手段である電流検出器、６、７、８は電流検出器３１、３２、３３の出力電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、２はこのＡ／Ｄ変換器６、７、８の信号をもとに電流を制御するＣＰＵ、４、５、９、１０はこのＣＰＵ２からの電圧指令値をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器、３はＰＷＭ駆動の３角波キャリアを発生するキャリア発生回路、２６ａはこのキャリア発生回路３が生成した３角波キャリアとＤ／Ａ変換器４のアナログ電圧指令信号を比較して、ＰＷＭ信号を生成するコンパレータ、２６１と２６２はＮＡＮＤゲート、２６３はインバータ、ＳはＣＰＵ２が生成する駆動方向信号、２７ａはコンパレータ２６ａのＰＷＭ信号と駆動信号Ｓを論理演算処理した信号をもとにＦＥＴ２１ａを駆動するゲート駆動回路、２７ｂはコンパレータ２６ａのＰＷＭ信号と駆動信号Ｓを論理演算処理した信号をもとにＦＥＴ２３ａを駆動するゲート駆動回路である。他のＦＥＴ２１ｂと２３ｂ、ＦＥＴ２２ａと２４ａ、ＦＥＴ２２ｂと２４ｂについても同様な構造が設けられているが説明は省略する。
【００５５】
次に図１の動作について説明する。正回転方向にトルクを発生させるとき、ＣＰＵ２は駆動信号２５のＴＴＬレベルを”Ｈ”とし、ＦＥＴ２１ａ、２２ａをＰＷＭ駆動してブラシ１１、１２に印加する正電圧を制御し、ＦＥＴ２３ｂ、２４ｂをＰＷＭ駆動してブラシ１３、１４に印加する負電圧を制御し、ＦＥＴ２３ａ、２４ａ、２１ｂ、２２ｂはオフとする。正極性のブラシ１１、１２から負極性のブラシ１３、１４へコイル１５、１６、１７、１８を経て電流が流れる。そしてコイル１５、１６、１７、１８に流れる電流は永久磁石(図示せず)で形成した界磁によってトルクが発生する。このとき、ブラシ１１、ブラシ１２に印加する電圧をＦＥＴ２１ａ、２２ａによって各々独立に制御することにより、ブラシ１１の電流とブラシ１２の電流の比を任意に制御する。また同時に、ブラシ１３、ブラシ１４に印加する電圧の比をＦＥＴ２３ｂ、２４ｂで制御することにより、ブラシ１３の電流とブラシ１４の電流の比を任意に制御することができる。
【００５６】
逆回転方向にトルクを発生させるとき、ＣＰＵ２は駆動信号２５のＴＴＬレベルを”Ｌ”とし、ＦＥＴ２３ａ、２４ａをＰＷＭ駆動してブラシ１３、１４に印加する正電圧を制御し、ＦＥＴ２１ｂ、２２ｂをＰＷＭ駆動してブラシ１１、１２に印加する負電圧を制御し、ＦＥＴ２１ａ、２２ａ、２３ｂ、２４ｂはオフとする。正極性のブラシ１３、１４から負極性のブラシ１１、１２へコイル１５、１６、１７、１８を経て電流が流れる。そして正方向回転のときとは逆の方向に流れるコイル１５、１６、１７、１８の電流によって逆回転方向のトルクが発生する。
【００５７】
図２は４極、４ブラシの直流電動機において、４個のブラシから導線を引き出すときの構造図である。１１〜１４は整流子７８に当接されたブラシであり、９２はこのブラシに接続したピグテール、９３はこのピグテールに接続した導通プレート、９４はこの導通プレートに接続したパワー線である。ブラシ１１〜１４は炭素約６０％、銅約４０％からなる金属黒鉛ブラシである。ピグテール９２は細い導線のより線であり、可撓性があるため、ブラシ１１〜１４を拘束することなく、ブラシ１１〜１４と整流子７８の接触状態を良好に保つことができる。このピグテール９２の先端部分は、ブラシ１１〜１４に埋め込む形でブラシと一体成形されている。ピグテールの他端は鉄板の導通プレート９３に係止されている。導通プレート９３にはパワー線９４が接続されており、パワー線９４の他端は、図１のＦＥＴ２１ａ〜２４ａおよび２１ｂ〜２４ｂに接続されている。導通プレートは絶縁性の合成樹脂(図示せず)を介し、ハウジング９１によって保持する。
【００５８】
このように構成することにより、４個のブラシに異なる電圧を印加でき、各ブラシの発熱量を制御することが可能となる。
【００５９】
なお、本実施の形態１では均圧線１９を備えた直流電動機１について記述したが、均圧線１９を備えない直流電動機であっても、ブラシ抵抗のバラツキによってブラシ電流にアンバランスを生じ、ブラシ発熱量がアンバランスとなる場合がある。このような場合においても、各ブラシへの異なる印加電圧を与える本実施の形態１を適用することによって、ブラシ発熱量のアンバランスを低減し、さらに印加電圧を適正な値にすることによりブラシ発熱量を低減することが可能である。
【００６０】
実施の形態２．
図３は実施の形態２による各ブラシ電流の制御手順フローチャートであり、これらの動作は予め準備されたプログラムに従ってＣＰＵ２により行われる。ステップｓ１にて、電流検出器３１、３２、３３によってブラシ１１、１２、１３に流れる電流値ｉ1、ｉ2、ｉ3を検出する。ステップｓ２にて、ステップｓ１で検出した電流値ｉ1、ｉ2、ｉ3から次式によって電流値ｉ4を算出する。
【００６１】
ｉ4＝ｉ1＋ｉ2−ｉ3                                    (１)
【００６２】
ステップｓ３では、Ｄ／Ａ変換器４、５、６から出している電圧指令値ｖ1*、ｖ2*、ｖ3*、ｖ4*とステップｓ１の電流値ｉ1、ｉ2、ｉ3、ｉ4に基づいて、ブラシ抵抗を算出する。
【００６３】
ステップｓ４で各ブラシの発熱量の最大値を最小化するような最適電流を次式で設定する。
【００６４】
0003859923.tif 000002
【００６５】
ステップｓ５では、各ブラシの電流値ｉ1、ｉ2、ｉ3、ｉ4がｉ1*、ｉ2*、ｉ3*、ｉ4*に等しくなるように電圧指令値ｖ1*、ｖ2*、ｖ3*、ｖ4*を調節する。
【００６６】
直流電動機の定格トルクは、ブラシの温度上昇によって制限される。ブラシはセグメントと機械的に接触するので、同極性のブラシ間で接触抵抗が異なり、発熱量も異なる。各ブラシごとの発熱量の最大値を最小化すれば、直流電動機１の定格トルクを大きくできる。
【００６７】
ブラシの電圧降下特性は文献、電気学会大学講座「直流機(電気機器各論Ｉ)」電気学会発行(初版昭和４２年)、の頁７５〜７６にも記載されているように、次の二つの場合に大別される。
(１)  電流比例型      電流に対して電圧降下が比例し、ｖd＝ｒｉの関係にある。
(２)  一定型          電流が増えても電圧降下は一定である。ｖd＝const.
上記(１)の特性は整流子が静止しているときに生じやすく、上記(２)は整流子が回転中に生じやすい。
【００６８】
ブラシ１１、１２、１３、１４の発熱量をＷ1、Ｗ2、Ｗ3、Ｗ4とする。各ブラシの電圧ドロップｖd1、ｖd2、ｖd3、ｖd4がブラシ抵抗とブラシ電流の積に等しいとき、次の関係が成り立つ。
【００６９】
0003859923.tif 000003
【００７０】
また、同極性のブラシ電流の和をｉ0とすれば、次の関係式が成り立つ。
【００７１】
ｉ1＋ｉ2＝ｉ3＋ｉ4＝ｉ0                              (４)
【００７２】
ここで、ｉ0はコイルに流れる電流であり、トルクに寄与するトルク電流。
【００７３】
このトルクに寄与するトルク電流ｉ0を一定に保ったまま、ブラシ発熱量Ｗ1、Ｗ2、Ｗ3、Ｗ4の最大値が最小となるのは、次式が成り立つときである。
【００７４】
Ｗ1＝Ｗ2、    Ｗ3＝Ｗ4                                (５)
【００７５】
このとき、電流に関しては次の関係が成り立つ。
【００７６】
0003859923.tif 000004
【００７７】
式(５)、(６)が成り立つときに、ブラシ発熱量Ｗ1、Ｗ2、Ｗ3、Ｗ4の最大値が最小となることの証明は次のようである。
【００７８】
式(６)を満たす電流値ｉ1、ｉ2、ｉ3、ｉ4を最適電流値ｉ1o、ｉ2o、ｉ3o、ｉ4oとする。ｉ1o＋ｉ2o＝ｉ0、  ｉ1o＝(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2oであるから、トルク電流ｉ0を最適電流ｉ1o、ｉ2oを用いて表せば、次のようである。
【００７９】
ｉ0＝{１＋(ｒ2／ｒ1)1/2}・(ｒ2／ｒ1)-1/2・ｉ1o            (７)
【００８０】
したがって、次式が成り立つ。
【００８１】
ｉ1＋ｉ2＝{１＋(ｒ2／ｒ1)1/2}・(ｒ2／ｒ1)-1/2・ｉ1o        (８)
【００８２】
ｉ1＞(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2のとき、αpをある正数とすれば次のように表せる。
【００８３】
ｉ2＝(ｒ1／ｒ2)1/2・ｉ1−αp                            (９)
【００８４】
これを式(８)に代入すれば、次式が得られる。
【００８５】
0003859923.tif 000005
【００８６】
両辺を{１＋(ｒ1／ｒ2)1/2}で割って、整理すると次式が得られる。
【００８７】
ｉ1＝ｉ1o＋αp／{１＋(ｒ1／ｒ2)1/2}                    (１１)
【００８８】
式(１１)より、αp、ｒ1、ｒ2が正数であるから次の関係が成り立つ。
【００８９】
ｉ1＞ｉ1o
【００９０】
したがって、ｉ1＞(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2のとき、発熱量Ｗ1＝ｒ1・ｉ12は最適電流ｉ1oにおける発熱量Ｗ1o＝ｒ1・ｉ1o2より大きい。ｉ1＜(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2のとき、αmをある正数とすれば次のように表せる。
【００９１】
ｉ1＝(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2−αm                          (１２)
【００９２】
一方、式(６)から、トルク電流ｉ0を最適電流ｉ2oを用いて表せば、次のようである。
【００９３】
ｉ0＝{１＋(ｒ2／ｒ1)1/2}・ｉ2o                        (１３)
【００９４】
式(１２)、(１３)から、次の関係が得られる。
【００９５】
(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2−αm＋ｉ2＝{１＋(ｒ2／ｒ1)1/2}・ｉ2o    (１４)
式(１４)を整理すれば次式となる。
【００９６】
ｉ2＝ｉ2o＋αm／{１＋(ｒ2／ｒ1)1/2｝                    (１５)
【００９７】
式(１５)から、αm、ｒ1、ｒ2が正数であるから次の関係が成り立つ。
【００９８】
ｉ2＞ｉ2o                                            (１６)
【００９９】
したがって、ｉ1＜(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2のとき、発熱量Ｗ2＝ｒ2・ｉ22は最適電流ｉ2oにおける発熱量Ｗ2o＝ｒ2・ｉ2o2より大きい。
【０１００】
以上より、ｉ1＞(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2およびｉ1＜(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2のとき、すなわち電流が式(６)のｉ1＝(ｒ2／ｒ1)1/2・ｉ2を満たさないとき、発熱量は式(６)が成り立つときよりも大きくなることが証明された。式(６)が成り立つとき、発熱量Ｗ1、Ｗ2の最大値は最小となる。
また、同様にして、発熱量Ｗ3、Ｗ4についても、式(７)が成り立つとき、これらの最大値が最小となることを証明できる。
【０１０１】
結局、式(６)が成り立つとき、発熱量Ｗ1、Ｗ2、Ｗ3、Ｗ4の最大値が最小となる。ブラシの電圧ドロップ特性が一定型のとき、次のような関係式が成り立つ。
【０１０２】
0003859923.tif 000006
【０１０３】
ブラシ発熱量Ｗ1、Ｗ2、Ｗ3、Ｗ4の最大値が最小となるのは、式(６)が成り立つときであり、電流に関しては次の関係式が成り立つ。
ｉ1＝(ｖd1／ｖd2)ｉ2、  ｉ3＝(ｖd3／ｖd4)ｉ4            (１８)
【０１０４】
実施の形態３．
図４は、本実施の形態による直流電動機１の回路モデルである。均圧線１９ａ、１９ｂがコイル１５、１６、１７、１８に比べて十分小さければ、図４のようにモデル化できる。ｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4はブラシ１１、１２、１３、１４の抵抗、ｒ0はコイル抵抗、ｉ1、ｉ2、ｉ3、ｉ4はブラシ１１、１２、１３、１４に流れる電流、ｉ0はコイル電流、ｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4はブラシ１１、１２、１３、１４に印加される電圧である。
【０１０５】
図４のモデルにおいて、キルヒホッフの法則より、式(５)が成り立つことが陽にわかる。また、ブラシの印加電圧は平均電圧が直流電源電圧Ｖdcの１／２となるように、
【０１０６】
(ｖ1＋ｖ2＋ｖ3＋ｖ4)／４＝Ｖdc／２                    (１９)
【０１０７】
とする。各ブラシについて、次の関係がある。
【０１０８】
0003859923.tif 000007
【０１０９】
また、コイルについて、次の関係がある。
【０１１０】
ｅp−ｅm＝ｒ0・ｉ0                                      (２１)
【０１１１】
ブラシ抵抗ｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4を算出する方法について述べる。同極性のブラシ抵抗の和の比をγとする。
(ｒ1＋ｒ2)／(ｒ3＋ｒ4)＝γ                            (２２)
【０１１２】
このγの値は、実験等によりある値に予め設定する。駆動方向によりγの値を切り換えてもよい。電流検出器３１、３２、３３で検出した電流値ｉ1、ｉ2、ｉ3およびこれらのｉ1、ｉ2、ｉ3から式(４)で算出したｉ4、Ｄ／Ａ変換器４、５、９、１０への電圧指令値から換算したｖ1、ｖ2、ｖ3、ｖ4を基に、式(１８)、(１９)から、ｅmを次式で算出できる。
【０１１３】
0003859923.tif 000008
【０１１４】
このｅmを基に式(２０)、(２１)から、抵抗ｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4を次式で算出できる。
【０１１５】
0003859923.tif 000009
【０１１６】
本実施の形態３．では、ｅmを算出したが、直接、電位を検出してもよい。
【０１１７】
実施の形態４．
図２において、９５はブラシ１１〜１４をしゅう動自由に保持するブラシホルダであり、９６はこのブラシホルダ９５に取り付けた温度検出手段である温度センサ(たとえばサーミスタ)である。ブラシホルダ９５はブラシ１１〜１４と接触するためブラシとの温度差は小さく、温度センサ９６によってブラシの温度を測定できる。なお、図２においてブラシ１１〜１４はハッチングで示している。
【０１１８】
図５はブラシ温度に基づくブラシ電流制御の手順を示したフローチャートである。ステップｓ１１では、図２に示したように４個のブラシホルダ９５に取り付けた温度センサ９６によってブラシ１１、１２、１３、１４の温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4を検出する。ステップｓ１２では、ステップｓ１１で検出した温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4をもとに、ブラシ抵抗の比を算出する。ブラシ発熱量Ｗ1、Ｗ2からブラシ温度Ｔ1、Ｔ2までの伝達関数は次のような一次遅れ系でモデル化できる。
【０１１９】
Ｔ1＝α1Ｗ1／(１＋τ1ｓ)
Ｔ2＝α2Ｗ2／(１＋τ2ｓ)                                (２５)
【０１２０】
ここで、ｓはラプラス演算子である。
【０１２１】
図２に示したようにブラシ１１、１３およびその周辺はは機械的に同様な形状であるため、α1＝α2、τ1＝τ2とすれば、式(２５)の第１式を第２式で除して次式が得られる。
【０１２２】
Ｔ1／Ｔ2＝Ｗ1／Ｗ2
【０１２３】
ブラシの電圧ドロップモデルとして電流比例型を選ぶとき、発熱量Ｗ1＝ｒ1・ｉ12、Ｗ2＝ｒ2・ｉ22を上式に代入して整理すれば、次式が得られる。
【０１２４】
ｒ1／ｒ2＝(Ｔ1・ｉ22)／(Ｔ2・ｉ12)
【０１２５】
ブラシ１３、１４についても同様にして次式が得られる。
【０１２６】
ｒ3／ｒ4＝(Ｔ3・ｉ42)／(Ｔ4・ｉ32)
【０１２７】
これらがステップｓ１２のブラシ抵抗比の算出式である。
【０１２８】
ステップｓ１３では、ステップｓ１２で算出した抵抗比と式(７)から電流指令を設定してブラシ電流を制御する。ブラシの電圧ドロップモデルとして一定型を選ぶとき、発熱量Ｗ1＝ｖd1・ｉ1、Ｗ2＝ｖd2・ｉ2を上式に代入して整理すれば、次式が得られる。
【０１２９】
ｖd1／ｖd2＝(Ｔ1・ｉ2)／(Ｔ2・ｉ1)
【０１３０】
ブラシ１３、１４についても同様にして次式が得られる。
【０１３１】
ｖd3／ｖd4＝(Ｔ3・ｉ4)／(Ｔ4・ｉ3)
【０１３２】
これらがステップｓ１４のブラシ電圧ドロップ比の算出式である。
【０１３３】
ステップｓ１５では、ステップｓ１４で算出したブラシ電圧ドロップ比と式(１９)から電流指令を設定してブラシ電流を制御する。
実施の形態３では、γの値を予め設定してブラシ抵抗比を推定したが、本実施の形態４では温度を検出しているため、より正確にブラシ抵抗を推定できる。
【０１３４】
実施の形態５．
電動パワーステアリングシステムのトルク指令に基づいて、ｉ0*を設定しながら、ブラシ発熱を最小にするには、式(７)からブラシ電流指令値ｉ1*、ｉ2*、ｉ3*、ｉ4*を次のように定めればよい。
【０１３５】
0003859923.tif 000010
【０１３６】
式(２６)の電流に対応するブラシ印加電位をｖ1+、ｖ2+、ｖ3+、ｖ4+とすれば、次の関係がある。
【０１３７】
0003859923.tif 000011
【０１３８】
ここで、
【０１３９】
ｅm＝ｒ3・ｉ3*＋ｖ3+  、ｅp＝ｅm＋ｒ0・ｉ0*+
【０１４０】
式(２７)より、ｖ1+、ｖ2+、ｖ4+をｖ3+で表せば、次のようである。
【０１４１】
ｖ1+＝ｒ1・ｉ1*＋ｒ0・ｉ0*+＋ｒ3・ｉ3*＋ｖ3+
ｖ2+＝ｒ2・ｉ2*＋ｒ0・ｉ0*+＋ｒ3・ｉ3*＋ｖ3+
ｖ4+＝ｒ3・ｉ3−ｒ4・ｉ4＋ｖ3+                        (２８)
【０１４２】
ブラシ印加電圧の平均値が直流電源Ｖdcの１／２となるとき、式(２０)より、次式が成り立つ。
【０１４３】
0003859923.tif 000012
【０１４４】
式(２８)、式(２９)を満たすブラシ印加電圧を電圧指令ｖ1*、ｖ2*、ｖ3*、ｖ4*とする。式(２９)を式(２８)に代入し、式(２９)とともに整理すれば次式(Ａ)が得られる。
【０１４５】
【数１】
0003859923.tif 000013
【０１４６】
図６は、直流電動機２の電流制御系のブロック線図である。トルク電流ｉ0をＰＩ(比例・積分)制御する。４１は比例制御器、４２は積分制御器であり、４３〜５２はゲイン(器)、５３は直流電動機２の電圧電流特性(器)である。トルク電流指令値ｉ0*とトルク電流値ｉ0の偏差にＫpを乗じ、また、この偏差を積分してＫiを乗じ、これらの和をトルク電圧指令ｖ0*とする。ゲイン４３によりｖ0*を抵抗Ｒで除してトルク電流指令中間値ｉ0*+とする。ここで、抵抗Ｒはコイル抵抗ｒ0とブラシ抵抗のノミナル値ｒnの和、すなわちＲ＝ｒ0＋ｒnで与える。式(１４)を踏まえ、ゲイン４４によってｉ0*+を{１＋(ｒ2／ｒ1)1/2}で除して最適電流ｉ2*とする。
【０１４７】
式(Ａ)から、ゲイン４５、４６、４７によってｉ2*にｚ1、ｚ2、ｚ3乗じ、Ｖdc／２を足して最適電圧指令ｖ1*、ｖ2*、ｖ3*とする。また、式(２０)から、ｖ4*を算出する。ｖ1*、ｖ2*、ｖ3*、ｖ4*の値をＤ／Ａ変換器４、５、９、１０に送り、前述したようなＦＥＴのＰＷＭ駆動によって直流電動機２へ電流を供給する。すなわち、直流電動機２の電圧電流特性４８によって電流ｉ1、ｉ2、ｉ3、ｉ4が定まる。電流検出器３１、３２によってｉ1、ｉ2を検出し、ｉ1とｉ2の和からトルク電流ｉ0を算出する。このｉ0をトルク電流検出値として、フィードバック制御する。
【０１４８】
ｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4の値には、図３のフローチャートで述べたような推定値を用いる。したがって、ゲイン４４、４５、４６、４７はｒ1、ｒ2、ｒ3、ｒ4の推定値によって変化させる。このとき、ブラシ発熱による温度上昇の時定数は、１分以上である。一方、ＰＩ制御の交差周波数は数十Ｈｚ以上であり、温度上昇の時定数よりも時間スケールの短い制御である。したがって、ゲイン４４、４５、４６、４７の更新はＰＩ制御の制御周期よりも長い周期で行ってもよい。ゲイン４５、４６、４７の演算量はＰＩの演算量より大きいので、ＣＰＵ１のプログラムにおいて、多数サイクルをかけて演算することにより、ＣＰＵ１への演算負荷を軽減できる。
【０１４９】
実施の形態６．
図７は各ブラシ電流をＰＩ制御する電流制御系のブロック線図である。ブラシ１１、１２、１３の電流ｉ1、ｉ2、ｉ3を検出し、各々を電流指令ｉ1*、ｉ2*、ｉ3*に一致させるようにＰＩ(比例・積分)制御する。５５は比例ゲイン行列、５６は積分器行列であり、いずれも対角要素のみである。比例ゲイン行列５５と積分器行列５６の出力の和を電圧指令ベクトルｖ*とする。電圧指令ベクトルの要素ｖ1*、ｖ2*、ｖ3*はブラシ１１、１２、１３の印加電圧である。
【０１５０】
例えば、ブラシ１１の電流指令ｉ1*とブラシ電流ｉ1の偏差に比例ゲインＫp1と積分補償Ｋi1／ｓをかけて印加電圧ｖ1*としている。６０は直流電動機２の電圧・電流特性である。ブラシ１１、１２、１３に印加電圧ｖ1*、ｖ2*、ｖ3*を加えたとき、直流電動機２のブラシ１１、１２、１３には電流ｉ1、ｉ2、ｉ3が流れる。
【０１５１】
電流指令ｉ1*、ｉ2*、ｉ3*はトルク電流ｉ0*から式(２６)によって与える。また、ｖ4*は式(２０)から与える。すなわち、式(２０)のｖ1、ｖ2、ｖ3にｖ1*、ｖ2*、ｖ3*を代入して定まるｖ4をｖ4*とする。このようにして、電流ｉ1、ｉ2、ｉ3を制御した結果、ｉ4は式(５)のキルヒホッフ関係式から定まる。結局、ＰＩ制御によって、電流ｉ1、ｉ2、ｉ3をｉ1*、ｉ2*、ｉ3*に一致させることにより、ブラシ発熱量を最小にすることができる。
【０１５２】
電圧・電流特性６０は一般の直流電動機すべてについて成り立つが、一例として、図４に示したモデルに基づく詳細を示している。式(２０)〜(２２)から、ｉ0、ｉ4、ｖ4、ｅp、ｅmを消去して次式(Ｂ)に示す関係式が得られ、ゲイン行列５８のＧpは式(Ｂ)の右辺の逆行列部分である。
【０１５３】
【数２】
0003859923.tif 000014
【０１５４】
図７の電流制御系の制御特性をシミュレーションする。  直流電動機２のコイルの自己インダクタンスを考慮し、ｒ0をＬ(ｄ／ｄｔ)＋ｒ0で置き換える。ここで、Ｌはコイルの自己インダクタンス、ｄ／ｄｔは時間微分の演算子である。式(Ｂ)の関係式について、自己インダクタンスを考慮し、ｉ0、ｉ1、ｉ3で表せば、ｉ2＝ｉ0−ｉ1より、次式(Ｃ)の関係式が得られる。
【０１５５】
【数３】
0003859923.tif 000015
【０１５６】
式(Ｃ)の３行目からｉ3について解けば次式が得られる。
【０１５７】
ｉ3＝(ｒ4ｉ0−ｖ1*−ｖ2*−２ｖ3*＋２Ｖdc)／(ｒ3＋ｒ4)      (３０)
【０１５８】
また、式(Ｃ)の１行目から２行目を引いて、次式が得られる。
【０１５９】
ｉ1＝(ｖ1*−ｖ2*＋ｒ2・ｉ0)／(ｒ1＋ｒ2)                  (３１)
【０１６０】
式(３１)を式(Ｃ)の１行目に代入して、ｉ0に関する電圧電流方程式が次のように得られる。
【０１６１】
0003859923.tif 000016
【０１６２】
式(３０)、(３１)、(３２)および図７からシミュレーションのブロック線図は図８のように表すことができる。周波数特性を計算するため、Ｖdcなどの直流成分は省略している。シミュレーションに用いた諸元は次のようである。ｒ0＝０.２Ω、ｒ1＝０.０５Ω、ｒ2＝０.０５Ω、ｒ3＝０.０５Ω、ｒ4＝０.０５Ω、Ｌ＝０.４ｍＨ、Ｋp1＝０.２５、Ｋp2＝０.２５、Ｋp3＝０.２５、Ｋi1＝１５.７、Ｋi2＝１５.７、Ｋi3＝１５.７。
図９はシミュレーションで求めたｉ1*からｉ1およびｉ2までの周波数伝達関数であり、(ａ)はゲイン、(ｂ)は位相を示す。
【０１６３】
ｉ1*からｉ1の開ループ伝達関数における交差周波数は１００Ｈｚ付近、積分補償の折れ点周波数は１０Ｈｚ付近に設定している。１Ｈｚ以下において、ｉ1までの伝達関数のゲインは０ｄＢで、位相は０〜−５ｄｅｇであり、電流指令値ｉ1*と電流ｉ1が一致していることがわかる。ｉ2までの伝達関数のゲインは０．１Ｈｚ以下で−４０ｄＢ以下すなわち１／１００以下であり、直流成分に着目すれば、ｉ1*はｉ2にほとんど影響しないことがわかる。ｉ1*からｉ2への干渉の度合いが低周波になるほど小さくなるのは、積分補償の効果であると考えられる。１０Ｈｚから１００Ｈｚは主に比例制御が作用する周波数帯域であるが、ｉ1とｉ2の比は約１０ｄＢすなわち約３：１である。
【０１６４】
一方、１ｋＨｚ以上は、フィードバック制御が作用しない周波数帯域であり、この帯域では、ｉ1とｉ2の大きさは同程度である。したがって、比例制御によってもｉ1*からｉ2のクロストーク成分をある程度抑制できていることがわかる。積分補償器は開ループ伝達関数の位相を９０ｄｅｇ遅らせるのに対し、比例制御は位相を遅らせないため、比例制御は安定性を確保するのに有効となる。本実施の形態６では、デジタル処理の遅れを省略しているが、図１に示したように、デジタル制御系を用いるときには、デジタル処理の遅れが入るため比例制御は安定性の確保にさらに有効となる。つまり、積分補償で低周波数帯域でのブラシ電流間の相互干渉を抑制し、比例制御で安定性を確保することによって、ブラシ発熱を最小にするような低周波数帯域の電流分配を設定しつつ、トルク制御に必要な周波数帯域幅が確保できる。
【０１６５】
また、伝達関数行列５８のＧｐは対角行列ではなく、各ブラシへの電圧と各ブラシの電流は複雑に連成している。しかしながら、本実施の形態６では、比例ゲイン行列および列積分行列を対角行列とし、簡明で調整が容易な制御方式を取っている。制御演算を簡略化でき、ブラシ発熱量のアンバランスを解消する駆動装置を安価に構成できる利点がある。
【０１６６】
なお、本実施の形態１では均圧線１９を備えた直流電動機１について記述したが、均圧線１９を備えない直流電動機であっても、ブラシ抵抗のばらつきによってブラシ電流にアンバランスを生じ、ブラシ発熱量がアンバランスとなる場合がある。このような場合においても、各ブラシへの異なる印加電圧を与える本実施の形態１を適用することによって、ブラシ発熱量を低減することが可能である。
【０１６７】
また、本実施の形態６では均圧線１９を備えた直流電動機１について記述したが、均圧線１９を備えない直流電動機であっても、ブラシ抵抗のばらつきによってブラシ電流にアンバランスを生じ、ブラシ発熱量がアンバランスとなる場合がある。このような場合においても、各ブラシ電流を制御する本実施の形態６を適用することによって、ブラシ発熱量を低減することが可能である。
【０１６８】
実施の形態７．
図１０は実施の形態７による直流電動機と駆動装置の接続状況を示す斜視図である。パワー線６１、６２は正側のブラシ１１、１２に接続し、パワー線６３、６４は負側のブラシ１３、１４に接続している。１５１Ａはパワー線６１、６３に接続されたコネクタ(メス側)、１５２Ａはこのコネクタ(メス側)とはまり合うコネクタ(オス側)、１５１Ｂはパワー線６２、６４に接続されたコネクタ(メス側)、１５２Ｂはこのコネクタ(メス側)とはまり合うコネクタ(オス側)である。
【０１６９】
パワー線６１〜６４はコネクタ(メス側)１５１Ａ、１５１Ｂ、コネクタ(オス側)１５２Ａ、１５２Ｂを介して駆動装置１５０の内部のパワー素子２１ａ〜２４ａおよび２１ｂ〜２４ｂと接続している。直流電動機の最大出力は３００Ｗ〜１.２ｋＷ程度であるが、バッテリ電圧１２Ｖを用いているため、供給電流はかなり大きく、２５Ａ〜１００Ａ程度となる。しかしながら、本実施の形態７ではコネクタを２個用いているために、コネクタ１個に流れる電流は半分の１２．５Ａ〜５０Ａ程度となる。５０Ａ程度であれば標準的なコネクタを用いることができ、安価に、しかも信頼性を損なうことなく駆動装置１５０と直流電動機１を接続できる。
【０１７０】
【発明の効果】
以上のように、この発明の第１の発明に係わる直流電動機の駆動装置および駆動方法によれば、極数以上の個数のブラシからパワー線を引き出し、極数以上の個数のブラシに異なる印加電圧を与えて極数以上の個数のブラシ電流を制御するため、同極性の複数ブラシ間の発熱量ばらつきを解消することができ、ブラシ発熱によるブラシ周辺部材、ブラシ自身の溶融などを防止することができる。
【０１７１】
また、この発明の第２の発明に係わる直流電動機の駆動装置および駆動方法によれば、接触抵抗を含むブラシ抵抗をｒ、ブラシに流れる電流をｉとしたときにｒ・ｉ2で表されるブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御するため、同極性の複数ブラシの発熱量の最大値を最小にすることができる。
【０１７２】
また、この発明の第３の発明に係わる直流電動機の駆動装置および駆動方法によれば、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上の電流を検出し、印加電圧と電流から各ブラシの抵抗を推定し、この推定した抵抗値に基づいて、各ブラシの発熱量が等しくなるようにブラシ電流を制御するため、種々の使用条件下において、常に、ブラシ発熱量のアンバランスを解消することができる。
【０１７３】
また、この発明の第４の発明に係わる直流電動機の駆動装置および駆動方法によれば、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上のブラシの温度を検出し、この(Ｐ−１)個以上のブラシ温度またはブラシ発熱量が互いに等しくなるようにブラシ電流を制御するため、ブラシ発熱量を精度良く推定でき、ブラシ発熱量を最小化する制御の信頼性を高めることができる。
【０１７４】
また、この発明の第５の発明に係わる直流電動機の駆動装置および駆動方法によれば、同極性ブラシの合計電流を電流指令値に一致させるようにフィードバック制御し、複数の同極性ブラシに流れる電流の比をブラシ印加電圧の比によってオープンループ制御するため、電動パワーステアリングシステムのトルク制御を実現すると同時に、ブラシ発熱量のアンバランスを解消する駆動装置が得られる。
【０１７５】
また、この発明の第６の発明に係わる直流電動機の駆動装置および駆動方法によれば、極数をＰとしたとき、(Ｐ−１)個以上のブラシ電流を検出し、電流検出したブラシをｋ＝１，・・・，Ｐ−１と番号付けし、ｋ番目のブラシの検出電流ｉｋ  とｋ番目のブラシの電流指令値ｉｋ＊の偏差に制御ゲインを乗じてｋ番目のブラシの印加電圧とするため、制御演算を簡略化でき、ブラシ発熱量のアンバランスを安価に解消する駆動装置が得られる。
【０１７６】
また、この発明の第７の発明に係わる直流電動機の駆動装置によれば、この発明の請求項７にかかわる直流電動機の駆動装置によれば、コネクタを２個以上用いるため、コネクタ１個当たりの電流値を１／２以下に低減でき、コネクタを安価に構成でき、また、コネクタの信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施の形態における直流電動機および駆動装置の回路図である。
【図２】  この発明の実施の形態１および実施の形態４によるブラシまわりの構造図である。
【図３】  この発明の実施の形態２による各ブラシ電流の制御手順フローチャート図である。
【図４】  この発明の実施の形態３による直流電動機の回路モデル図である。
【図５】  この発明の実施の形態４による制御手順のフローチャート図である。
【図６】  この発明の実施の形態５による直流電動機の電流制御系のブロック線図である。
【図７】  この発明の実施の形態６による各ブラシ電流のＰＩ制御系ブロック線図である。
【図８】  この発明の実施の形態６による電流制御系のシミュレーションのブロック線図である。
【図９】  この発明の実施の形態６による電流制御系のシミュレーション結果を示すボード線図である。
【図１０】  この発明の実施の形態７による直流電動機と駆動装置の接続状況を示す斜視図である。
【図１１】  従来の技術１による電動式パワーステアリング装置および電動機駆動装置を示す概略構成図である。
【図１２】  従来の技術２によるブラシまわりの構造図である。
【図１３】  従来の技術２によるブラシまわりの回路図である。
【図１４】  従来の技術３による直流電動機の構造断面図である。
【図１５】  従来の技術３による整流子まわりの構造図である。
【図１６】  従来の技術３による均圧線まわりの構造図である。
【図１７】  従来の技術３による直流電動機の回路図である。
【図１８】  従来の技術３による直流電動機の回路図である。
【図１９】  従来の技術４による直流電動機と駆動装置の接続状況を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１〜１４  ブラシ、６１〜６４  パワー線、２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂ  ＦＥＴ、３１、３２、３３  電流検出器、９６  温度センサ、１５１Ａ、１５１Ｂ  コネクタ(メス側)、１５２Ａ、１５２Ｂ  コネクタ(オス側)。
【図１】
0003859923.tif 000017
【図２】
0003859923.tif 000018
【図３】
0003859923.tif 000019
【図４】
0003859923.tif 000020
【図５】
0003859923.tif 000021
【図６】
0003859923.tif 000022
【図７】
0003859923.tif 000023
【図８】
0003859923.tif 000024
【図９】
0003859923.tif 000025
【図１０】
0003859923.tif 000026
【図１１】
0003859923.tif 000027
【図１２】
0003859923.tif 000028
【図１３】
0003859923.tif 000029
【図１４】
0003859923.tif 000030
【図１５】
0003859923.tif 000031
【図１６】
0003859923.tif 000032
【図１７】
0003859923.tif 000033
【図１８】
0003859923.tif 000034
【図１９】
0003859923.tif 000035