JP6661509B2 - ブラシレスモータの制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
ここで、モータ回転速度が通電モードの切り替え周期から演算される場合、モータ回転速度の計測データの最新値が指令値を上回る状態でモータが停止して通電モードの切り替えが途絶えると、計測データが更新されずに指令値よりも高い状態を保持するため、モータの入力電圧は減少制御され、モータが停止し続ける場合があった。
また、本願発明に係るブラシレスモータの制御方法は、その一態様として、ブラシレスモータの複数相のうちでパルス幅変調動作によって通電する相を選択する複数の通電モードを非通電相の誘起電圧と閾値との比較により切り替えて、前記ブラシレスモータの回転速度を制御する方法であって、前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間を計測するステップと、計測した、前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間が、所定時間に達したときに、前記ブラシレスモータの入力電圧を上昇させるステップと、を含み、前記ブラシレスモータの入力電圧を上昇させるステップは、前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間が所定時間に達したときに前記ブラシレスモータの回転速度の指令値を一時的に増大補正する。
図1は、本発明に係るブラシレスモータの制御装置及び制御方法の一例として、ブラシレスモータで駆動される電動式ウォータポンプを含む車両用内燃機関の冷却システムを示す。
内燃機関10の冷却システムは、冷却水を循環通路内に循環させる水冷式冷却装置であり、流量制御弁30、ブラシレスモータ45を駆動源とする電動式ウォータポンプ40、ラジエータ50、シリンダヘッド側冷却水通路61、シリンダブロック側冷却水通路62、ヒータコア91、変速機20のオイルウォーマー21、これらを接続する配管群70などを含んで構成される。
また、内燃機関10のシリンダブロック側冷却水通路62は、シリンダヘッド側冷却水通路61から分岐してシリンダブロック12に至り、シリンダブロック12内に延設されてシリンダブロック12に設けた冷却水出口15に接続される冷却水通路である。
一方、シリンダブロック側冷却水通路62の冷却水出口15には、第2冷却水配管72の一端が接続され、第2冷却水配管72の他端は、流量制御弁30の4つの入口ポート31−34のうちの第1入口ポート31に接続される。
更に、第4冷却水配管74は、一端が冷却水出口14と第3冷却水配管73の接続点との間の第1冷却水配管71に接続され、他端が流量制御弁30の第3入口ポート33に接続される。この第4冷却水配管74には、車両空調装置において空調空気を暖めるヒータコア91などの各種の熱交換デバイスが設けられる。
流量制御弁30は、1つの出口ポート35を有し、この出口ポート35には第6冷却水配管76の一端が接続され、第6冷却水配管76の他端は、電動式ウォータポンプ40の吸込口41に接続される。
また、第8冷却水配管78の一端は、第3冷却水配管73、第4冷却水配管74が接続される部分よりも下流側の第1冷却水配管71に接続され、他端は第6冷却水配管76に接続される。
なお、流量制御弁30の入口ポート31−34が全て閉じられても、シリンダヘッド側冷却水通路61を経由した冷却水を第8冷却水配管78によってラジエータ50をバイパスさせて循環させることができるよう構成されている。
制御装置100は、水温センサ81,82で検出される内燃機関10の冷却水温度などに基づき、電動式ウォータポンプ40の吐出流量(ブラシレスモータ45の回転速度)、及び、流量制御弁30の入口ポート31−34の開口面積を制御する。なお、例えば、水温センサ81,82のうちの水温センサ82を省略することができ、水温センサを2つ備える構成に限定されるものではない。
つまり、内燃機関10の冷機始動時には、シリンダヘッド11(シリンダヘッド側冷却水通路61)に流入した冷却水は、ラジエータ50を含む他の熱交換デバイスを経由することなく循環され、かつ、冷却水の循環量が最小限に抑制される。これにより、シリンダヘッド11の温度上昇が促進され、かつ、冷却水循環経路内で温度のばらつきが生じることが抑制される。
その後、制御装置100は、内燃機関10の冷却水温度の上昇に伴って入口ポート31−34を開口させるとともに電動式ウォータポンプ40(ブラシレスモータ45)の回転速度を増加させ、冷却水温度が適正温度範囲内に保持されるようにする。
ブラシレスモータ45を制御する制御装置100は、モータ駆動回路212と制御ユニット213とを備え、制御ユニット213は、A/D変換器213aやマイクロプロセッサ(CPU,MPUなど)などを含んで構成されるマイクロコンピュータ(マイコン)213bを備える。
なお、図2に示したブラシレスモータ45は、3相巻線215u、215v、215wがスター結線されるが、3相巻線215u、215v、215wがデルタ結線されるブラシレスモータを採用することができる。
モータ駆動回路212は、逆並列のダイオード218a〜218fを含んでなるスイッチング素子217a〜217fを3相ブリッジ接続したインバータ回路212aと、電源回路219とを有する。スイッチング素子217a〜217fは例えばFETで構成される。
三角波比較方式のPWM制御において、制御ユニット213は、三角波(キャリア)と、指令デューティ比(指令パルス幅)に応じて設定されるPWMタイマ(PWMデューティ)とを比較することで、各スイッチング素子217a〜217fをオン/オフさせるタイミングを検出する。
ブラシレスモータ45は回転子の位置情報を検出するセンサを備えず、制御ユニット213は、ブラシレスモータ45の駆動制御を回転子の位置情報を検出するセンサを用いないセンサレス駆動方式によって行い、更に、制御ユニット213は、センサレスでの駆動方式をモータ回転速度に応じて正弦波駆動方式と矩形波駆動方式とに切り替える。
この正弦波駆動方式では、制御ユニット213は、回転子が回転することによって発生する誘起電圧(速度起電圧)から回転子の位置情報を得る一方、速度起電圧による回転子位置の検出周期の間で、モータ回転速度に基づき回転子位置を推定し、推定した回転子位置とPWMデューティとから3相出力設定値を算出し、相間電圧の差で電流の向きと強さとを制御して3相交流電流を各相に流す。
なお、制御ユニット213は、モータ回転速度を回転子位置の検出周期に基づき算出する。
この矩形波駆動方式では、制御ユニット213は、通電相に対するパルス状の電圧印加によって非通電相(開放相)に誘起される電圧(変圧器起電圧)と閾値とを比較することで回転子の位置情報を得て、係る位置情報に基づき通電相の選択パターンである通電モードの切り替えタイミングを検出する。
そこで、制御ユニット213は、正弦波駆動方式で位置情報を十分な精度で検出できる高回転領域、つまり、設定値よりもモータ回転速度が高い領域では、正弦波駆動方式でブラシレスモータ45を制御し、正弦波駆動方式では十分な精度で位置情報を検出できない低回転領域では、矩形波駆動方式でブラシレスモータ45を制御する。
更に、制御ユニット213は、ブラシレスモータ45のPWM制御において、例えば、モータ回転速度の検出値と目標モータ回転速度(回転速度指令値)との偏差に応じてPWM制御のデューティ比を決定して、実際のモータ回転速度を目標モータ回転速度に近づける。
図3は、矩形波駆動方式のセンサレス制御を実施する制御ユニット213の機能ブロック図である。
制御ユニット213は、PWM発生部251、ゲート信号切替部252、通電モード決定部253、比較部254、電圧閾値切替部255、電圧閾値学習部256、非通電相電圧選択部257を備えている。
通電モード決定部253は、モータ駆動回路212における通電モードを決定するモード指令信号を出力するデバイスであり、比較部254が出力するモード切替トリガ信号をトリガとして通電モードを6通りに切り替える。
通電モードとして、U相からV相に向けて電流を流す第1通電モードM1、U相からW相に向けて電流を流す第2通電モードM2、V相からW相に向けて電流を流す第3通電モードM3、V相からU相に向けて電流を流す第4通電モードM4、W相からU相に向けて電流を流す第5通電モードM5、W相からV相に向けて電流を流す第6通電モードM6の6種類の通電モードが設定される。
そして、通電モード決定部253は、比較部254が出力するモード切替トリガ信号に応じて、第1通電モードM1〜第6通電モードM6のいずれか1つを指令するモード指令信号を出力する。
電圧閾値切替部255は、非通電相の誘起電圧に基づく通電モードの切り替えタイミングの検出制御において、誘起電圧と比較する閾値を各通電モードに対応させて順次切り替えて出力し、閾値の切り替えタイミングは、通電モード決定部253の出力であるモード指令信号に基づき決定される。
尚、非通電相の端子電圧は、厳密にはグランドGND−端子間の電圧であるが、本実施形態では、中性点の電圧を検出し、この中性点の電圧とグランドGND−端子間電圧との差を求めて、端子電圧Vu,Vv,Vwとする。
また、電圧閾値学習部256は、通電モードの切り替えタイミングの判定に用いる閾値を更新して記憶する機能部である。
そこで、電圧閾値学習部256は、通電モードの切り替えを行う所定磁極位置での誘起電圧を検出し、当該検出結果に基づいて電圧閾値切替部255が記憶する閾値を修正する閾値の学習処理を実施する。
比較部254は、非通電相の誘起電圧が閾値に達したときに次の通電モードへの切り替えを実施する角度を検出したことを示す信号を出力し、係る信号に基づき通電モード決定部253は通電モードの切り替えを実行する。
ここで、制御ユニット213(ゲート信号切替部252)は、例えば、第1通電モードM1で、U相上段のスイッチング素子217a及びV相下段のスイッチング素子217d以外のスイッチング素子217についてはオフに制御することができる。
また、制御ユニット213(ゲート信号切替部252)は、通電相の上アームを、通電相の下アームを駆動するPWM波と逆位相のPWM波で駆動する相補制御方式でインバータ回路212aをPWM制御することができる。
次に、矩形波駆動方式でブラシレスモータ45をセンサレス制御している状態で負荷が急増したときの制御ユニット213の対応処理(電圧上昇手段としてのソフトウェア機能)を、図4のフローチャートに基づき説明する。
まず、制御ユニット213は、ステップS301で、ブラシレスモータ45の回転動作指令状態であるか停止指令状態であるかを判別する。
ステップS302で、制御ユニット213は、矩形波駆動方式でブラシレスモータ45をPWM制御している状態であるか否か、換言すれば、ブラシレスモータ45の回転速度の指令値が矩形波駆動方式を採用する低回転速度領域内であるか否かを判別する。
そして、制御ユニット213は、ステップS303にて、非通電相の誘起電圧が変化しない時間、又は、通電モードが切り替わらない時間の計測を行う。
矩形波駆動方式でブラシレスモータ45をPWM制御している状態で、電動式ウォータポンプ40のポンプ部に異物が噛み込むなどして負荷が急増すると、回転低下に対する印加電圧(入力電圧)の増大制御が間に合わず(回転フィードバック制御の応答遅れにより)、ブラシレスモータ45が停止してしまう場合がある。
このときに、回転速度の指令値よりも回転速度計測値が高い状態であると、制御ユニット213による回転速度フィードバック制御では、回転速度計測値が更新されないにも関わらずブラシレスモータ45の回転速度を下げようとしてブラシレスモータ45の印加電圧(回転トルク)を下げる操作を行い、負荷の急増によって停止したブラシレスモータ45は停止状態を維持し続けることになる。
そして、ブラシレスモータ45が停止状態を維持すると、非通電相の誘起電圧が変化せず、誘起電圧が変化しなければ通電モードの切り替え時期が検出されず通電モードの切り替えは実施されない。
次いで、制御ユニット213は、ステップS304に進み、ステップS303で計測した時間が所定時間(閾値)TSLに達したか否かを判断する。
そして、ステップS303で計測した時間が所定時間TSLに達していない場合、制御ユニット213は、ブラシレスモータ45が停止し続けている状態ではないと判断し、本ルーチンを終了させることで、ブラシレスモータ45の回転速度の計測値と回転速度指令との差に応じて印加電圧を決定する矩形波駆動方式でのPWM制御を継続する。
ステップS305で、制御ユニット213は、ブラシレスモータ45の回転速度の計測値と回転速度指令との差に基づく印加電圧の設定処理を補正することで、ブラシレスモータ45に印加する電圧(入力電圧)を上昇させる。
ステップS305における印加電圧を上昇させる処理として、制御ユニット213は、回転速度フィードバック制御に用いる回転速度指令値(目標回転速度)を一時的に増大補正する処理を実施することができる。
図5のフローチャートは、ステップS305の印加電圧の上昇処理として、回転速度指令値を増大補正する処理の一態様を示す。
次いで、制御ユニット213は、ステップS402に進み、ステップS401にて設定した基準回転速度NBに所定の加算補正分NHOSを加算した結果を、印加電圧を上昇させてモータを再起動させるために一時的に用いるサブ指令値として設定する。
なお、サブ指令値に基づく回転速度フィードバック制御は、後述するサブ指令値を漸減させる処理によってサブ指令値がメイン指令値に一致するようになった時点でキャンセルされ、冷却水温度などから設定される回転速度指令値(メイン指令値)に基づく印加電圧の設定処理に戻る。
そして、制御ユニット213は、サブ指令値を基準回転速度NBよりも高い回転速度に設定するから、サブ指令値は、更新が停止している計測値よりも高い回転速度に設定されることになり、サブ指令値を用いる回転速度フィードバック制御では、サブ指令値に計測値を近づけようとして(モータ回転速度を上げようとして)印加電圧を上昇させることになる。
したがって、制御ユニット213は、電動式ウォータポンプ40を極低回転速度に制御しているときに、異物の混入などによって負荷が急増して電動式ウォータポンプ40が停止しても、電動式ウォータポンプ40を直ぐに再起動させて冷却水の循環を継続させることができる。
なお、制御ユニット213は、サブ指令値を、メイン指令値よりも所定回転速度だけ高い速度に設定することができるが、上記のように、回転速度の計測値と回転速度指令値との高い方を基準回転速度NBとし、この基準回転速度NBよりも所定回転速度だけ高い速度をサブ指令値とすれば、計測値よりも高くかつ高過ぎないサブ指令値を安定して設定できる。
そして、制御ユニット213は、ブラシレスモータ45の回転速度が第1回転速度N1に達するまでステップS403の判別を繰り返すことで、サブ指令値を初期値のままに保持し、ブラシレスモータ45の回転速度が第1回転速度N1に達すると、ステップS404に進む。
次いで、次のステップS405で、制御ユニット213は、漸減処理されるサブ指令値が、前記第1回転速度N1よりも低くメイン指令値よりも高い第2回転速度N2にまで低下したか否かを判別する。
そして、制御ユニット213は、ステップS405で、サブ指令値が第2回転速度N2にまで低下したことを判別すると、ステップS406に進み、サブ指令値の前回値から第2減少補正分ΔN2だけ低下させた回転速度を新たなサブ指令値とする処理を実施し、サブ指令値を漸減させる。
制御ユニット213は、ステップS406でサブ指令値の減少速度を切り替えると、ステップS407に進み、サブ指令値がメイン指令値にまで低下したか否かを判別し、サブ指令値がメイン指令値よりも高い間は、ステップS406に戻って所定時間毎にサブ指令値を第2減少補正分ΔN2だけ低下させる処理を繰り返す。
そして、サブ指令値がメイン指令値にまで低下すると、制御ユニット213は、ステップS408に進み、サブ指令値に基づく制御をキャンセルし、メイン指令値に基づく制御に復帰させる。
なお、図5のフローチャートに示す処理で、制御ユニット213は、サブ指令値の減少速度の切り替えを1回だけ実施して減少速度を段階的により遅くするが、減少速度の切替えを2回以上行うことができる。
時刻t1で、非通電相の誘起電圧が変化しない時間、又は、通電モードが切り替わらない時間が所定時間TSLに達すると、制御ユニット213は、回転速度指令値をメイン指令値からステップ的に増大させる処理を実施する。
そして、回転速度指令値(サブ指令値)がN2まで低下すると、制御ユニット213は、それまでよりも回転速度指令値(サブ指令値)の減少速度を遅く変更し、時刻t4にてメイン指令値にまで低下すると、メイン指令値に基づく通常制御に復帰する。
また、ステップS305における印加電圧を上昇させる処理として、制御ユニット213は、回転速度フィードバック制御に用いる回転速度計測値を減少補正する処理を実施することができる。
図7のフローチャートは、ステップS305の印加電圧の上昇処理として、回転速度計測値を減少補正する処理の一態様を示す。
そして、次のステップS502で、制御ユニット213は、補正した回転速度計測値と回転速度指令値との比較に基づきPWM制御のデューティ比を決定する。
そして、ブラシレスモータ45が再起動すると、制御ユニット213は、ステップS504に進み、回転速度計測値の減少補正をキャンセルし(若しくは、減少補正量を徐々に小さくし)、回転速度の計測結果をそのまま用いた通常制御に復帰させる。
これにより、回転速度フィードバック制御に用いる回転速度計測値が指令値よりも高い状態から時間経過に伴って指令値よりも低くなり、回転速度計測値が指令値よりも低くなることで、制御ユニット213は回転速度フィードバック制御によって回転速度計測値を指令値にまで上昇させようとするため、ブラシレスモータ45を再起動させることができる。
また、ステップS305における印加電圧を上昇させる処理として、制御ユニット213は、回転速度フィードバック制御により決定した印加電圧指令値(入力電圧指令値)を増大補正する処理を実施することができる。
図8のフローチャートは、ステップS305の印加電圧の上昇処理として、印加電圧指令値を増大補正する処理の一態様を示す。
但し、印加電圧指令値の補正値は、予め上限値が設定されていて、時間経過に伴って上限値に達した後は上限値を保持するものとする。
係る印加電圧指令値の増大補正によって、回転速度の計測値及び回転速度指令値(換言すれば、制御偏差)が一定に保持される状態であっても、ブラシレスモータ45に印加される電圧(入力電圧)が増大し、ブラシレスモータ45は再起動されることになる。
そして、ブラシレスモータ45が再起動して、非通電相の誘起電圧が変化し始め、通電モードの切り替えが実施されるようになると、制御ユニット213は、ステップS604に進み、印加電圧指令値の増大補正をキャンセルし(若しくは、印加電圧指令値の増大補正量を徐々に小さくし)、回転速度フィードバック制御によって決定された印加電圧指令値をそのまま用いて指令デューティ比を決定する通常制御に復帰させる。
ところで、制御ユニット213が、ステップS305における印加電圧を上昇させる処理を実施してブラシレスモータ45を再起動させることができても、例えば異物を除去できていない状態では、印加電圧を上昇させる処理をキャンセルすることで再度ブラシレスモータ45が停止し、ブラシレスモータ45の停止と、印加電圧を上昇させる処理による再起動とが繰り返されてしまう場合がある。
そこで、制御ユニット213は、ブラシレスモータ45の停止、再起動が繰り返されることを抑制するための処理として、図9のフローチャートに示した、回転速度指令値の下限値の増大補正処理(換言すれば、繰り返し抑制のための指令値の増大補正処理)を実施することができる。
例えば、制御ユニット213は、ステップS305の印加電圧を上昇させる処理を停止した後から所定時間内に再度ステップS305を実施したときに繰り返し回数をインクリメントし、ステップS305の印加電圧を上昇させる処理を停止した後から所定時間内に再度ステップS305を実施しなかったときには繰り返し回数を零にリセットする。
ブラシレスモータ45の停止と再起動とが所定以上の頻度で繰り返されている場合、制御ユニット213は、ステップS702に進み、回転速度指令値の下限値を初期値(基準値)より高い速度に増大補正する。換言すれば、ステップS305の印加電圧を上昇させる処理をキャンセルした後の制御に用いる回転速度指令値を、メイン指令値よりも高い繰り返し時用の値に設定する。
制御ユニット213は、冷却水温度などに基づき演算した回転速度指令値(メイン指令値)が前記下限値を下回る場合、冷却水温度などに基づき演算した回転速度指令値に代えて前記下限値を回転速度フィードバック制御に用いる指令値として選択する。
なお、制御ユニット213は、下限値をステップ的に増大変更した後に、下限値を増大変更時よりも遅い速度で(増大変更時よりも小さいステップ幅で)漸減させ、過剰に高い回転速度指令値に保持されることを抑制することができる。
時刻t11で、モータ停止に伴って印加電圧を増大補正する処理として回転指令値を増大補正する処理が実施され、係る処理によってモータが再起動し、時刻t12で回転指令値をメイン指令値に戻したもののモータが再度停止したため、時刻t13にて再度回転指令値が増大補正される。
つまり、回転速度指令値の増大補正、回転速度計測値の減少補正、印加電圧指令値の増大補正のうちの複数を並行して実施することができる。
上記実施形態のブラシレスモータ45は、電動式ウォータポンプ40の駆動源として用いられるが、例えば、オイルポンプの駆動源として用いられるブラシレスモータについても同様の処理を実施することで同様の作用効果が得られることは明らかであり、ブラシレスモータ45は電動式ウォータポンプ40の駆動源に限定されない。
ブラシレスモータの制御装置は、その一態様において、ブラシレスモータの複数相のうちでパルス幅変調動作によって通電する相を選択する複数の通電モードを非通電相の誘起電圧と閾値との比較により切り替えて、前記ブラシレスモータの回転速度を制御する制御装置において、前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間が所定時間に達したときに前記ブラシレスモータの入力電圧を上昇させる電圧上昇手段を備える。
別の好ましい態様では、前記電圧上昇手段は、前記ブラシレスモータの回転速度の指令値と、前記ブラシレスモータの回転速度の計測データとのより高い方の回転速度を増大補正して、前記ブラシレスモータの回転速度の制御に用いる指令値とする。
さらに別の好ましい態様では、前記電圧上昇手段は、前記回転速度の指令値の増大補正が繰り返されるときに前記指令値の下限値を上昇させる。
さらに別の好ましい態様では、前記電圧上昇手段は、前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間が所定時間に達したときに、前記回転速度の制御による前記ブラシレスモータの入力電圧に補正電圧を付加して増大させる。
Claims (5)
- ブラシレスモータの複数相のうちでパルス幅変調動作によって通電する相を選択する複数の通電モードを非通電相の誘起電圧と閾値との比較により切り替えて、前記ブラシレスモータの回転速度を制御する制御装置において、
前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間が所定時間に達したときに前記ブラシレスモータの入力電圧を上昇させる電圧上昇手段を備え、
前記電圧上昇手段は、前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間が所定時間に達したときに前記ブラシレスモータの回転速度の指令値を一時的に増大補正する、
ブラシレスモータの制御装置。 - 前記電圧上昇手段は、前記ブラシレスモータの回転速度の指令値と、前記ブラシレスモータの回転速度の計測データとのより高い方の回転速度を増大補正して、前記ブラシレスモータの回転速度の制御に用いる指令値とする、請求項1記載のブラシレスモータの制御装置。
- 前記電圧上昇手段は、前記回転速度の指令値を増大させた後に前記ブラシレスモータの回転速度が所定速度に達した後に前記回転速度の指令値の増大補正量を漸減させて増大補正前の指令値に戻す、請求項1記載のブラシレスモータの制御装置。
- 前記電圧上昇手段は、前記回転速度の指令値の増大補正が繰り返されるときに前記指令値の下限値を上昇させる、請求項1記載のブラシレスモータの制御装置。
- ブラシレスモータの複数相のうちでパルス幅変調動作によって通電する相を選択する複数の通電モードを非通電相の誘起電圧と閾値との比較により切り替えて、前記ブラシレスモータの回転速度を制御する方法であって、
前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間を計測するステップと、
計測した、前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間が、所定時間に達したときに、前記ブラシレスモータの入力電圧を上昇させるステップと、
を含み、
前記ブラシレスモータの入力電圧を上昇させるステップは、前記誘起電圧が変化しない時間又は前記通電モードが切り替わらない時間が所定時間に達したときに前記ブラシレスモータの回転速度の指令値を一時的に増大補正する、
ブラシレスモータの制御方法。
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