JP2009289690A - リレー制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも確実にリレーをオンすることができるリレー制御装置を提供する。
【解決手段】リレー制御装置１は、コイル４に流れる電流の傾きが負の値から正の値に転じた際に、ＤＣ制御を停止し、ＰＷＭ制御を開始する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リレー制御装置に関する。

特許文献１に、リレーを制御するリレー制御装置が記載されている。特許文献１記載のリレー制御装置は、リレーをオンするために必要な電流よりも大きい電流（以下、「初期電流」とも称する）を一定時間コイルに流し、その後、リレーをオン状態に保持するために必要な電流よりも大きい電流（以下、「定常電流」とも称する）をコイルに流す。

特許文献１記載のリレー制御装置は、初期電流を一定時間コイルに流した後は、リレーのコイルに流れる電流の値を初期電流の値よりも低い値に保持することができるので、リレーのコイルの消費電力を低減することができる。
特開２００５−２６８１３４号公報

しかしながら、特許文献１記載のリレー制御装置は、電源電圧、リレー周囲の温度、及びリレー自体の特性によっては、初期電流をコイルに一定時間流しても、リレーがオンしない場合があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、従来よりも確実にリレーをオンすることができるリレー制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願に係る発明は、接点が電源と負荷とを接続し、コイルが電源に接続されたリレースイッチと、コイルに直列に接続されたスイッチ素子と、コイルに流れる電流を検出し、その結果に関する検出信号を出力する電流検出手段と、スイッチ素子をオンする一方で、電流検出手段から出力された検出信号に基づいて、コイルに流れる電流の単位時間あたりの変化率を算出し、算出された変化率が負の値となった時点以降のタイミングで、スイッチ素子のＰＷＭ制御を開始する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本願に係る発明は、コイルに流れる電流の単位時間あたりの変化率が負の値となった時点以降のタイミングまで、ＤＣ制御を継続するので、電源電圧、リレー周囲の温度、及びリレー自体の特性等が変動しても、従来よりもリレースイッチを確実にオンすることができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、第１の実施の形態に係るリレー制御装置１の構成を示す説明図である。リレー制御装置１は、リレースイッチ２と、電流センサ７と、スイッチ素子８と、制御部９とを備え、車両に搭載される。

リレースイッチ２は、接点３と、コイル４とを備える。接点３は、電源５と負荷６とを接続する。接点３がオンオフされることで、リレースイッチ２がオンオフされる。コイル４は、一方の端子が電流センサ７を介して電源５に接続され、他方の端子がスイッチ素子８に接続される。コイル４に電流が流れることで接点３がオンされる。

電源５は車両のバッテリーであり、＋Ｂ（Ｖ）の電圧を発生する。負荷６は、車両に搭載される車載機器、たとえばモータやランプ等である。

電流センサ７は、電源５及びコイル４に直列に接続され、コイル４に流れる電流を検出し、その結果に関する検出信号を制御部９に出力する。なお、このような電流センサ７としては、電源５からの電圧をなるべく下げないもの、たとえば、シャント抵抗を用いたものや、ホール素子を用いたものが用いられる。

スイッチ素子８は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、コイル４に直列に接続される。具体的には、ドレインがコイル４に接続され、ソースが接地され、ゲートがＦＥＴ駆動部１０に接続される。

制御部９は、ＦＥＴ駆動部１０と、電流検出部１１と、電流判定部１２と、ＤＣ（Direct Current）／ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動信号生成部１３（以下、「駆動信号生成部１３」とも称する）とを備える。ＦＥＴ駆動部１０は、駆動信号生成部１３から与えられる信号に基づいて、スイッチ素子８のオンオフを制御する。電流検出部１１は、電流センサ７から与えられた検出信号を電流判定部１２に出力する。電流判定部１２は、検出信号に基づいて、コイル４に流れる電流の単位時間あたりの変化量、すなわち傾きを算出する。さらに、電流判定部１２は、算出された傾きが、駆動信号生成部１３からリレーオン信号が与えられてから最初に負の値から正の値に転じたという条件を判定し、この条件が満たされる場合にのみ、電流変化検出信号を生成し、駆動信号生成部１３に出力する。ここで、コイル４に流れる電流の傾きは、コイル４に流れる電流を時間で微分することで得られる。

駆動信号生成部１３は、リレー制御装置１の外部から与えられたリレーオン信号、リレーオフ信号や、電流判定部１２から与えられた電流変化検出信号に基づいて、ＤＣ駆動信号や、ＰＷＭ駆動信号を生成し、ＦＥＴ駆動部１０に出力する。駆動信号生成部１３は、リレーオン信号を電流判定部１２に出力する。リレーオン信号及びリレーオフ信号は、たとえば、車両の乗員により操作される車載機器から与えられる。ＤＣ駆動信号は、スイッチ素子８を継続してオン状態とする旨の信号であり、ＦＥＴ駆動部１０は、ＤＣ駆動信号を受信した場合には、スイッチ素子８をＤＣ制御する。具体的には、ＦＥＴ駆動部９は、スイッチ素子８を継続してオンする。ＰＷＭ駆動信号は、ＰＷＭオン信号及びＰＷＭオフ信号が交互に繰り返される信号であり、ＦＥＴ駆動部１０は、ＰＷＭオン信号を受信した際にスイッチ素子８をオンし、ＰＷＭオフ信号を受信した際に、スイッチ素子８をオフする。これにより、制御部９は、スイッチ素子８をＰＷＭ制御する。したがって、ＰＷＭ制御は、スイッチ素子のオンオフを繰り返す制御である。デューティ比（ＰＷＭオン信号を出力する時間とＰＷＭオフ信号を出力する時間との比）は、リレースイッチ２がオン状態を維持できるように、設定される。

次に、リレースイッチ２がオンされたか否かを判定する方法について、図２及び図３に基づいて説明する。図２は、リレースイッチ２がオンされる際のタイミングチャートである。図２（ａ）は、スイッチ素子８の状態を示し、図２（ｂ）は、負荷６に印加される電圧の大きさを示し、図２（ｃ）は、コイル４に流れる電流の大きさを示す。図３は、図２（ｃ）の一部拡大図である。なお、この説明では、駆動信号生成部１３は、リレースイッチ２がオンされた以降もＤＣ駆動信号を出力し続けるが、実際の処理はこれとは異なる。

時刻Ｔ１において、駆動信号生成部１３は、外部からリレーオン信号を受信すると、リレーオン信号を電流判定部１２に出力する一方、ＦＥＴ駆動部１０にＤＣ駆動信号を出力し続ける。これに応じて、ＦＥＴ駆動部１０は、スイッチ素子８を継続してオンする。したがって、コイル４に流れる電流は時刻Ｔ１から徐々に増加し、時刻Ｔ３でリレースイッチ２がオンされる。これにより、負荷６に電源５の電圧＋Ｂ（Ｖ）が印加される。ここで、時刻Ｔ３前後にコイル４に流れる電流に着目すると、時刻Ｔ３の直前の時刻Ｔ２から電流が減少し、時刻Ｔ３から再び増加に転じている。これは、接点３の移動によってコイル４周辺の磁界が変化したことにより生じるものである。したがって、コイル４に流れる電流の単位時間あたりの変化量、すなわち傾きは、時刻Ｔ２までは正の値となり、時刻Ｔ２から負の値に転じ、時刻Ｔ３から再び正の値に転じる。そこで、電流判定部１２は、コイル４に流れる電流の傾きを算出する。さらに、電流判定部１２は、算出した傾きが、駆動信号生成部１３からリレーオン信号が与えられてから最初に負の値から正の値に転じたという条件を判定することで、リレースイッチ２がオンされたか否かを判定する。電流判定部１２は、この条件が満たされる場合には、電流変化検出信号を駆動信号生成部１３に出力する。

なお、リレーオン信号が与えられてから最初の変化に限定されるのは、駆動信号生成部１３がスイッチ素子８をＰＷＭ制御する際に、コイル４の電流が同様の変化を示すので、これと区別するためである。これにより、駆動信号生成部１３がスイッチ素子８をＰＷＭ制御している際に、誤って電流変化検出信号が出力されることが防止される。

次に、リレー制御装置１による処理の手順を図４に示すフローチャートに沿って説明する。なお、電流センサ７は、コイル４に流れる電流を常時検出し、検出信号を電流検出部１１に出力している。

ステップＳＴ１において、駆動信号生成部１３は、外部からリレーオン信号が与えられるまで待機し、リレーオン信号が与えられたら、リレーオン信号を電流判定部１２に出力し、ステップＳＴ２に進む。

ステップＳＴ２において、駆動信号生成部１３は、ＤＣ駆動信号を生成してＦＥＴ駆動部１０に出力する。ＦＥＴ駆動部１０は、駆動信号生成部１３から与えられたＤＣ駆動信号に基づいて、スイッチ素子８を継続してオンする。

ステップＳＴ３において、電流検出部１１は、電流センサ７から与えられた検出信号を電流判定部１２に出力し、電流判定部１２は、電流検出部１１から与えられた検出信号に基づいて、コイル４に流れる電流の傾きを算出する。さらに、電流検出部１１は、算出された傾きが、駆動信号生成部１３からリレーオン信号が与えられてから最初に負の値から正の値に転じたという条件を判定する。電流判定部１２は、この条件が満たされる場合には、駆動信号生成部１３に電流変化検出信号を出力し、ステップＳＴ４に進み、この条件が満たされない場合には、ステップＳＴ２に進む。

ステップＳＴ４において、駆動信号生成部１３は、電流判定部１２から電流変化検出信号を与えられた際に、ＤＣ駆動信号の出力を停止し、ＰＷＭ駆動信号の出力を開始する。ＦＥＴ駆動部１０は、駆動信号生成部１３から与えられたＰＷＭ駆動信号に基づいて、スイッチ素子８をＰＷＭ制御する。

ステップＳＴ５において、駆動信号生成部１３は、ＰＷＭ駆動信号の出力を継続する一方で、リレーオフ信号が与えられるまで待機する。駆動信号生成部１３は、リレーオフ信号が与えられたら、ステップＳＴ６に進む。

ステップＳＴ６において、駆動信号生成部１３は、ＰＷＭ駆動信号の出力を停止する。これに応じて、ＦＥＴ駆動部９は、スイッチ素子８のＰＷＭ制御を停止する。これにより、リレースイッチ２がオフされる。その後、リレー制御装置１は、処理を終了する。

図５は、リレー制御装置１による処理のタイミングチャートである。図５（ａ）は、スイッチ素子８の状態を示し、図５（ｂ）は、接点３、すなわちリレースイッチ２の状態を示す。

時刻Ｔ４において、駆動信号生成部１３は、ＤＣ駆動信号の出力を開始する。これに応じて、コイル４に流れる電流が徐々に増加し、時刻Ｔ５において、リレースイッチ２がオンされる。一方、時刻Ｔ５において、コイル４に流れる電流の傾きが負の値から正の値に転じるので、電流判定部１２は、電流変化検出信号を駆動信号生成部１３に出力する。駆動信号生成部１３は、電流変化検出信号を受信した際に、ＤＣ駆動信号の出力を停止し、ＰＷＭ駆動信号の出力を開始する。

図６は、従来のリレー制御装置（具体的には、特許文献１記載のリレー制御装置）による処理のタイミングチャートである。図６（ａ）は、トランジスタ３１の状態を示し、図６（ｂ）は、トランジスタ４１の状態を示し、図６（ｃ）は、リレースイッチ１２（第１の実施の形態の接点３に相当するもの）、すなわちリレー１０（第１の実施の形態のリレースイッチ２に相当するもの）の状態を示す。トランジスタ３１がオンされている間は、リレー１０のリレーコイル１１（第１の実施の形態のコイル４に相当するもの）に初期電流が流れ、トランジスタ４１がオンされている間は、リレーコイル１１に定常電流が流れる。

特許文献１記載のリレー制御装置では、時刻Ｔ７でトランジスタ３１がオンされると、リレーコイル１１に初期電流が流れる。これにより、時刻Ｔ８でリレー１０がオンされるが、その後も、リレーコイル１１に初期電流が流れ続け、時刻Ｔ９から、定常電流が流れる。時刻Ｔ７から時刻Ｔ９までの時間が、上述した一定時間に相当する。

以上により、リレー制御装置１は、コイル４に流れる電流の傾きが負の値となった時点以降のタイミングまで、ＤＣ制御を継続するので、電源電圧、リレー周囲の温度、及びリレー自体の特性等が変動しても、従来よりもリレースイッチ２を確実にオンすることができる。

特に、リレー制御装置１は、コイル４に流れる電流の傾きが負の値から正の値に転じるまで、ＤＣ制御を継続するので、電源電圧、リレー周囲の温度、及びリレー自体の特性等が変動しても、従来よりもリレースイッチ２を確実にオンすることができる。

さらに、リレー制御装置１は、コイル４に流れる電流の傾きが負の値から正の値に転じたタイミングで、ＰＷＭ制御を開始する。したがって、リレー制御装置１は、リレースイッチ２がオンされたら、直ちにＰＷＭ制御を開始することができる。一方、従来のリレー制御装置は、図６に示すように、リレー１０がオンされても、しばらくの間リレーコイル１１に初期電流を流し続ける。したがって、リレー制御装置１は、従来のリレー制御装置よりも、コイル４の消費電力を低減することができる。さらに、電源５の消費電力が減少するので、電源５の充電に必要な燃料が減少し、環境への負荷が減少する。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を説明する。図７は、第２の実施の形態に係るリレー制御装置１による処理の手順を示すフローチャートである。

ステップＳＴ７〜ステップＳＴ９において、リレー制御装置１は、上述したステップＳＴ１〜ステップＳＴ３と同様の処理を行う。

ステップＳＴ１０において、駆動信号生成部１３は、電流判定部１２から電流変化検出信号が与えられてから所定時間△ｔが経過するまで待機する。その後、駆動信号生成部１３は、ステップＳＴ１１に進む。

ステップＳＴ１１において、駆動信号生成部１３は、ＤＣ駆動信号の出力を停止し、ＰＷＭ駆動信号の出力を開始する。ＦＥＴ駆動部１０は、駆動信号生成部１３から与えられたＰＷＭ駆動信号に基づいて、スイッチ素子８をＰＷＭ制御する。

ステップＳＴ１２〜ステップＳＴ１３において、駆動信号生成部１３は、上述したステップＳＴ５〜ステップＳＴ６と同様の処理を行う。その後、リレー制御装置１は、処理を終了する。

図８は、リレー制御装置１による処理のタイミングチャートである。図８（ａ）は、スイッチ素子８の状態を示し、図８（ｂ）は、負荷６に印加される電圧を示し、図８（ｃ）は、コイル４に流れる電流を示す。

時刻Ｔ１０において、駆動信号生成部１３は、ＤＣ駆動信号の出力を開始する。これに応じて、コイル４に流れる電流が徐々に増加し、時刻Ｔ１１において、リレースイッチ２がオンされる。一方、時刻Ｔ１１において、コイル４に流れる電流の傾きが負の値から正の値に転じるので、電流判定部１２は、電流変化検出信号を駆動信号生成部１３に出力する。駆動信号生成部１３は、電流変化検出信号を受信してから所定時間△ｔ経過した時刻Ｔ１２に、ＤＣ駆動信号の出力を停止し、ＰＷＭ駆動信号の出力を開始する。なお、時刻Ｔ１２以降の波線Ｌ１は、時刻Ｔ１２以降もＤＣ制御を続けた場合の電流を示し、実線Ｌ２は、時刻Ｔ１２以降にＰＷＭ制御に切り替えた場合の電流を示す。

以上により第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果の他、以下の効果が得られる。すなわち、リレー制御装置１は、コイル４に流れる電流の傾きが負の値から正の値に転じてから所定時間△ｔ経過した際に、ＤＣ制御を停止し、ＰＷＭ制御を開始するので、第１の実施の形態よりも確実にリレースイッチ２をオンさせることができる。なお、上述した各実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。たとえば、リレー制御装置１は、車両に搭載されるもの以外のものであってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るリレー制御装置を示す説明図である。 リレースイッチがオンされる際のタイミングチャートである。 リレースイッチがオンされる際のタイミングチャートである。 リレー制御装置による処理の手順を示すフローチャートである。 リレースイッチがオンされる際のタイミングチャートである。 従来のリレー制御装置においてリレースイッチがオンされる際のタイミングチャートである。 第２の実施の形態に係るリレー制御装置による処理の手順を示すフローチャートである。 リレースイッチがオンされる際のタイミングチャートである。

符号の説明

１…リレー制御装置
２…リレースイッチ
３…接点
４…コイル
５…電源
６…負荷
７…電流センサ
８…スイッチ素子
９…制御部
１０…ＦＥＴ駆動部
１１…電流検出部
１２…電流判定部
１３…駆動信号生成部

Claims (3)

1. 接点が電源と負荷とを接続し、コイルが電源に接続されたリレースイッチと、
   前記コイルに直列に接続されたスイッチ素子と、
   前記コイルに流れる電流を検出し、その結果に関する検出信号を出力する電流検出手段と、
   前記スイッチ素子をＤＣ制御する一方で、前記電流検出手段から出力された検出信号に基づいて、前記コイルに流れる電流の単位時間あたりの変化率を算出し、算出された変化率が負の値となった時点以降のタイミングで、前記スイッチ素子のＰＷＭ制御を開始する制御手段と、を備えることを特徴とするリレー制御装置。
2. 前記制御手段は、算出された変化率が負の値から正の値に転じたタイミングで、前記スイッチ素子のＰＷＭ制御を開始することを特徴とする請求項１記載のリレー制御装置。
3. 前記制御手段は、算出された変化率が負の値から正の値に転じてから所定時間経過したタイミングで、前記スイッチ素子のＰＷＭ制御を開始することを特徴とする請求項１記載のリレー制御装置。

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