CN1751428A - 马达控制方法及马达控制装置 - Google Patents
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Abstract
检出马达速度与Duty以及电源电压(步骤S1～S3)，参照负载点图取得负载点值(步骤S4、5)。负载点图以马达速度和Duty以及电源电压为参数制作而成，可根据马达的气氛温度进行修正。取得负载点值之后将其累积(步骤S6)，比较累积点值与规定的阈值(步骤S7)。当累积点值超过阈值时判定为过载状态，存储累积点值之后(步骤S8)使马达停止。
Description
技术领域
本发明与电动马达的驱动控制有关，尤其与过载状态的检出及那时的动作控制有关。
背景技术
通常汽车等使用的电动马达为了防止因过载状态下的连续使用而烧坏转子，通常都装有使用双金属的断路器。此外由于在配置了马达控制电路的系统之中，不仅要防止转子受损还需要防止FET等开关元件受损，因而大多采用通过检出电流来保护元件的方式。在此情况下，检出电流时使用根据电流量的变化所伴随的周边磁通量的变化检测电流量的电流传感器等，通过控制器内的电流检出电路即可检出过电流。
还有，在伴随马达的旋转获得脉冲输出进行其驱动控制的方式之中，有一种通过有无检出马达脉冲判断马达状态的方式。在此类马达之中旋转时一直可检出马达脉冲，当尽管施加了电压却未能检出脉冲的情况下，可判断为马达处于锁定状态。因此，当未检出脉冲时停止马达的输出即可避免在过载状态下连续使用，从而防止马达受损。
然而在使用断路器及传感器的方式之中，存在电路需要相应的零件，系统成本高的问题。此外，若设置电流检出电路，其控制器也会相应变大，在汽车等用马达等只有很小安装空间的情况下，也存在受布局限制的问题。从而产生有些情况下控制器中没有设置电流检出器空间的问题。
另一方面在利用马达脉冲判断过载的方式之中，由于不使用电流传感器等因而可用低价构建起系统。但在此类方式之中，马达在未达到锁定范围内长期维持过载状态的情况下，虽是低速但由于马达仍在工作因而可检出马达脉冲。因此，存在马达处于过载状态却无法准确将其检出，有可能使马达受损的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够准确检出马达的过载状态的，价格低廉的马达控制方法及装置。
本发明的马达控制方法，其特征在于：根据施加于马达上的电源电压ON期间的时间比率与上述马达速度计算出负载点值，同时累积计算出的上述负载点值，当上述累积点值超过规定的基准值时对上述马达实施过载控制处理。
由于在本发明之中不使用断路器及电流传感器，即可检测出过载状态并采取相应措施，而可降低成本。此外，由于不需要断路器及电流传感器的安装空间，因而可使装置整体实现小型化，提高其省空间性与布局性的同时，即使在没有断路器等的安装空间的情况下，仍可进行过载检出处理。还有，由于可在软件中设定适当的基准值，因而控制方式的灵活性大，可结合马达的使用环境及周边机器等进行控制设定。
上述马达控制方法也可设定为根据以上述时间比率和上述马达速度为参数设定上述负载点值的负载图，计算出上述负载点值。在此情况下，也可将上述负载点值设定为上述时间比率越大该值越高。也可将上述负载点值设定为上述马达速度越低该值越高。
在上述负载图之中，还可将上述电源电压值作为参数，设定上述负载点值。在此情况下，可将上述负载点值设定为电源电压值越高该值也越高。
此外，还可使上述负载点值根据上述时间比率、上述马达速度以及上述电源电压值连续变化。
还可设定为按照上述马达的气氛温度修正上述负载图。在此情况下，可将上述负载点值设定为上述气氛温度越高该值越高。
在上述马达控制方法之中既可设定为通过上述过载控制处理使上述马达停止。也可设定为通过上述过载控制处理使上述马达的输出功率下降。
除此而外，在上述马达控制方法之中，当上述累积点值超过上述基准值时，存储该时间点上的上述累积负载点值。此外，当上述马达停止之后重新启动时，可将上述存储的累积点值作为上述累积点值的初值。
另一方面，本发明的马达控制装置，其特征在于，包括下述装置：根据给马达施加电压的电源电压ON期间的时间比率和上述马达的速度计算负载点值的计算装置；累积计算出的上述负载点值的点值累积装置；比较上述累积点值与上述基准值的点值比较装置；当上述累积点值超过上述基准值时，对上述马达实施过载控制处理的指令装置。
由于在本发明之中不使用断路器及电流传感器即可检测出过载状态并采取相应措施，因而可降低成本。此外，由于不需要断路器及电流传感器的安装空间，因而可使装置整体实现小型化，提高其省空间性与布局性的同时，即使在没有断路器等的安装空间的情况下，仍可进行过载检出处理。还有，由于可在软件中设定适当的基准值，因而控制方式的灵活性大，可结合马达的使用环境及周边机器等进行控制设定。
上述马达控制装置也可设定为根据以上述时间比率和上述马达速度为参数设定上述负载点值的负载图，计算出上述负载点值。此外，在上述负载图之中还可将上述电源电压值作为参数设定上述负载点值。除此而外还可设定为根据上述马达的气氛温度修正上述负载图。
在上述马达控制装置之中，既可设定为通过上述过载控制处理使上述马达停止。也可设定为通过上述过载控制处理使上述马达的输出功率降低。
此外，在上述马达控制装置之中也可设置上述马达停止之前存储上述累积点值的存储装置。还可在上述马达停止之后重新启动时，参照存储在上述存储装置中的上述累积点值，将该值作为累积点值的初值。
附图说明
图1是表示配置了适用本发明的马达控制方法的马达的马达单元构成的说明图。
图2是表示图1的马达单元中的磁铁与霍尔IC关系以及霍尔IC的输出信号(马达脉冲)的说明图。
图3是表示马达控制系统的构成的说明图。
图4是表示本发明的马达控制装置中的过载检出处理系统构成的框图。
图5是表示过载检出处理中的控制顺序的流程图。
图6是表示电源电压为12V时负载点图构成的说明图。
图7是表示电源电压为15V时负载点图构成的说明图。
图8是表示负载点图(load point map)的整体构成的模型图。
图9是12V用的负载点图的展开图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的具体实施方式。图1是表示配置了适用本发明的马达控制方法的马达的马达单元构成的说明图。图1的马达单元1可作为汽车用刮水器等车用电动件的驱动源使用，可在刮水器水刷(下文简称其为水刷)达到上下反转位置时切换正反旋转方向。
马达单元1由马达2与齿轮箱3构成，马达2的马达轴4的旋转在齿轮箱3内被减速，由输出轴5输出。马达轴4可灵活旋转地支承在有底筒状的磁轭6之上，安装着卷绕了线圈的电枢铁芯7及换向器8。磁轭6的内表面上固定着多个永磁铁9。换向器8上滑动连接着馈电用的电刷10。马达2的速度(转速)受提供给电刷10的电流量控制。
在磁轭6的开口一侧的端部边缘上安装了齿轮箱3的箱架11。马达轴4的端部从磁轭6朝外突出，收容在箱架11内。马达轴4的端部上形成蜗杆12，蜗杆12上啮合着可灵活转动地支持在箱架11上的蜗轮13。在蜗轮13上设有与其同轴的整体性形成的小直径的第1齿轮14。第1齿轮14上啮合着大直径的第2齿轮15。第2齿轮15上整体性安装着可灵活转动地支承在箱架11上的输出轴5。虽未图示，但在马达轴4与上述蜗杆12相邻位置上形成与其转动方向相反的另一根蜗杆，通过与蜗轮13、第1齿轮14相同的减速件给第2齿轮15传递动力。
马达2的驱动力通过蜗杆12、蜗轮13、第1齿轮14、第2齿轮15减速之后由输出轴5输出。输出轴5上安装着刮水器的曲臂(未图示)。马达2一动作，即经输出轴5驱动曲臂，通过与曲臂连接的传动机构使刮水器的摇臂动作。
也可在输出轴5上安装从动板，检出刮水器的位置。从动板与输出轴5同步旋转，当水刷一到达上下反转位置即切换施加给马达2的电压的极性。这样即可使马达2正反转动，使水刷在上下反转位置之间往返运动。
马达轴4上安装了多极磁化磁铁16(下面简称之为磁铁16)。在箱架11内安装了与磁铁16的外周面相向的霍尔IC17。图2是表示磁铁16与霍尔IC17关系以及霍尔IC17的输出信号(马达脉冲)的说明图。
霍尔IC正如图2所示，在相对于马达轴4的中心具有90度的角度差的位置上设置了两个(17A、17B)。在马达2之中，磁铁16被磁化为6极，马达轴4每转一圈即可从各霍尔IC17获得相当于6个周期的脉冲输出。从霍尔IC17A、17B之中，正如图2的右侧所示，可输出其相位偏移1/4周期的脉冲信号。因此，通过检出霍尔IC17A-17B的脉冲的出现时间，即可判定马达轴的旋转方向，并据此判定出刮水器动作的往返。
在霍尔IC17A、17B之中可根据任意一方的脉冲输出的周期检出马达轴4的转速。在马达轴4的转速与水刷的速度之间根据存在减速比以及传送动作比的相关关系，可由马达轴4的转速计算出水刷的速度。
在第2齿轮15的底面上安装了检出绝对位置的磁铁18。箱架11上安装了印刷电路基板19，在其上面配置了与磁铁18相向的霍尔IC20。磁铁18在第2齿轮15的底面上设置了一个，当水刷到达下反转位置时与霍尔IC相向。第2齿轮15如前所述，安装了曲臂，为了使水刷往返运动而旋转180度。第2齿轮15旋转，当水刷一到达下反转位置即可因霍尔IC与磁铁18相向而输出脉冲信号。而用上述从动板也可获得绝对位置信号。
霍尔IC17、20的脉冲输出可发送给刮水器驱动控制装置(马达控制装置)21，图3是表示马达2的控制系统构成的说明图。刮水器驱动控制装置21的CPU22将霍尔IC20的脉冲输出作为绝对位置信号使用，识别水刷的位置。霍尔IC17的脉冲信号可作为水刷的相对位置信号使用，通过计数获得绝对位置信号之后的脉冲数，CPU22识别水刷的现在位置。通过在此处组合霍尔20而来的表示下反转位置的绝对位置信号与从霍尔17而来的脉冲数，检出水刷现在位置。这样一来，刮水器驱动控制装置21即可识别水刷的现在位置与速度并根据该数据控制马达2。
马达2可根据霍尔IC17的马达脉冲检出其速度(转速)进行反馈控制。此外，还可对马达2实行PWM控制，CPU22通过使电源电压开/关将施加电压有效改变，从而改变电刷10的电流量来控制马达2的速度。也就是说，CPU22根据霍尔IC17的马达脉冲计算出马达速度的同时，根据该值设定PWM控制的ON期间的时间比率(Duty)。在CPU22之中是将马达脉冲的周期(Hz)直接作为速度来处理的，但也可通过从脉冲周期求出的转速(rpm)进行控制。
另外，在CPU22之中可根据上述计算与设定的马达速度与Duty进行过载检出处理。在该控制处理之中，根据马达速度与Duty计算出负载点值，并将其累积，当累积值超过规定的基准值时即可判定为过载，实行使马达停止等处理。下面说明该过载检出处理。
图4是表示CPU22中的过载检出处理的系统构成的框图，图5是表示过载检出处理中的控制顺序的流程图。正如图4所示，在CPU22之中首先设置根据马达速度与Duty计算负载点值的点值计算装置23。点值计算装置23访问预先存储在ROM27中的负载点图28，计算出负载点值。
在点值计算装置23之后设有累积计算出的负载点值的点值累积装置24。此外，CPU22中还设有将点值累积装置24累积的负载点值(累积点值)与存储在ROM27中的基准值进行比较的点值比较装置25。还有，在点值比较装置25之后还设有根据比较结果给马达2下达动作指令的指令装置26。
在此类CPU22之中，可在马达2动作期间每隔10ms实施下述过载检出处理。首先在步骤S1中检出马达速度。该处理可根据霍尔IC17的脉冲信号进行，此处将脉冲信号周期直接作为马达速度使用。接着在步骤S2中检出Duty。马达2的Duty根据马达脉冲进行反馈控制，在此处获得现在的Duty。进而在步骤S3中检出电池(电源)电压。
在取得马达速度、Duty以及电源电压之后，前进到步骤S4，参照负载点图28。图6、图7是表示负载点图28构成的说明图。负载点图28以马达速度(Hz)和Duty(％)为参数，在每个电源电压上形成，图6示出电源电压为12V时(负载点图28a)的情况，图7示出电源电压为15V时(负载点图28b)的情况。在负载点图28之中，根据马达速度与Duty值设定点值，在因高负载Duty高的情况下以及转速低下的状态下为高点值。
例如在图6的负载点图28a之中，当Duty为80％，马达速度(马达脉冲)为250Hz时，“+10”成为负载点值。即使Duty同样是80％，马达速度为500Hz时可判断为负载轻，负载点值为“0”，但在马达速度为200Hz时可判断为负载重，其值为“+15”。此外，即使马达速度同是250Hz的情况下，Duty为60％时可判断为正常负载，为“0”，但在Duty为100％时则可判断为负载重负载点值为“+15”。与之相对应，即使在Duty为80％的情况下，若马达速度为1000Hz，仍可判断为负载轻，负载点值为“-5”。当马达停止时作为负载点值可设定为“-20”。
另外，若电源电压变为15V，负载点图28的得点分布也发生了变化，成为负载点图28b所示的样子。在此情况下由于电源电压的上升会引起电流量增加，因而如图7所示，即使在与上述相同的条件(Duty：80％，马达速度：250Hz)下，负载点值为“+15”。与之相反，若电源电压下降，电流量亦减少。因此为了应付电源电压不足12V的情况，准备了即使在同样条件下仍可将负载值设定得较小的负载点图28。低电压时的负载点图28虽未图示，但可设置10V用及11V用等。
如上所述，负载点图28也能以电源电压为参数进行设定，若将其归纳则成为图8所示的结构。图8是表示负载点图28的整体构成的模型，图9是12V用的负载点图28a的展开图。正如图8所示，负载点图28形成图6、图7的图与每种电源电压重迭的三维结构。各种电压值的负载点图28能以图9所示的形态设定负载点值，在图6的纵轴与纵横轴所示的值以外的情况下，也可设定负载点值。例如马达速度为750Hz时，负载点值在Duty为80％时为“-5”，90％时为“0”。
负载点图28还呈随着电源电压的变化，得分分布渐渐偏移的形态。即可设定为以12V为基准，电压越高越向正侧偏移，电压越低越向负侧偏移，在各电压之间负载点值连续变化。例如当电源电压为13.5V时，Duty为100％，马达速度为333Hz时，负载点值可设定为“+15”(12V、13V时相同条件下为“+10”)。
点值计算装置23访问此种负载点图28，边参照此边取得与马达的现状相对应的负载点值(步骤S4)。取得负载点值之后，前进到步骤S5，通过点值累积装置24，将该值累积到至今为止取得的负载点值之上。该累积计算出的累积点值被存储到RAM29之中，在进行下次的步骤S5的处理时可从点值累积装置24中调出。
由于若持续累积点值高负载状态则出现连续的+的负载点值，因而会形成很大的正值。另外，若持续正常负载状态及轻负载状态，则会出现连续0及负的负载点值，因而会在0以下。此处的累积点值将0以下的情况全部设定为0，马达2正常运转时累积点值显示为0。此外，虽一时处于高负载状态但在其后负载减轻到可控制区域的情况下，累积负载点值渐渐被减去，不久之后即恢复到0或很小的正值。因此，只要看一下累积负载点值就可掌握马达2现在处于何种状态，当该值达到规定值以上时可判断为过载。
因此一旦获得累积点值，即前进到下一步骤S7，将该值与判定过载状态的阈值(基准值)进行比较。该阈值可通过试验预先测定出其一旦达到某种值以上即形成过载的点，将此预先存储到ROM27之中。例如当累积点值一超过“100”即可称之为过载状态的情况下，作为阈值设定为“100”。当累积点值未超过阈值的情况下，判断为不到过载状态，结束该程序。与之相反，当累积点值超过阈值时，前进到步骤S8，首先将现在的累积点值存储到非挥发性的ROM27(存储装置)中之后，在步骤S9中进行过载对应处理。
步骤S9的过载对应处理通过指令装置26进行，被判断为处于过载状态的马达2可被直接停止。此时也可开启告警灯或打开告警蜂鸣器。这样即可避免马达2长时间在过载状态下运转，可将马达的损伤防患于未然。由于在此情况下，即使马达2是在锁定之前的低速运转区域内运作，+的负载点仍在继续累积，因而可早期发现过载状态。而作为过载对应处理不仅可停止马达2，还可采取使马达2的输出功率降到最低以维持最低限度功能的措施。
另一方面，当因过载而被强制性停止之后重新启动时，将存储在ROM27中的累积点值作为初值使用。此外，在装置以过载状态进入休眠方式或电源被切断的情况下重新启动时也使用该值。当一度过载，但其后重新启动时该状态已消除的情况下，重新启动后累积点值被减去，不久即成为0。与之相反，当下一个动作时过载状态仍未消除的情况下，则直接前进到步骤S9，使马达2成为停止状态。
将累积点值存储进ROM27不仅可在判断为累积点值超过阈值，处于过载状态后进行，还可在达到阈值的75％以上时等所设定的适当条件下进行。当然也可设定为随时更换为最新值。
如上所述，在该马达2之中，不使用断路器及电流传感器同样可检测出过载并采取对策，因而可降低生产成本。此外，由于不需要断路器及电流传感器的安装空间，因而可使装置整体小型化。正因如此，在可节省空间与提高布局性能的同时，还可在即使没有断路器等的安装空间的情况下仍可进行过载检出处理。
还有，在断路器之中，由于在与断路器的发热特性相对应的跳闸时机切断电流，因而断电时机固定，但若采用该方式，无论怎样设定阈值均可任意设定其时机。也就是说，由于可用软件设定切断电流时机，因而增加了控制方式的灵活性，可结合马达的使用环境与周边机器等情况进行控制设定。也就是说通过结合易发热零件的特性及不易散热零件的特性设定负载点值及阈值，可保护系统中最为脆弱的部分。
例如，当马达附近有FET及继电器等情况下，一般而言FET等的耐热性不及马达。因而也可预先测定马达的发热与FET等的温度特性之间在该装置内的关系，将出现马达的发热量对FET等产生了影响的状态设定为超过阈值。此处，气氛温度一上升，马达自身的输出特性即下降。也就是说出现尽管仍在输出功率，但转速却升不上去的状态，Duty虽高但马达速度低。于是负载点值亦随之而出现很大的值，累积点值亦增加。因此，如果重视气氛温度上升对FET等的影响，设定负载点值及阈值，马达自身虽未过载，但为了保护FET等也可使马达的输出功率降低或使之停止。也就是说在此处马达本身具有温度传感器的作用，此种设定在未能将传感器直接安装到FET等上的情况下最为有效。
本发明并不受上述实施方式的局限，在不超出其主旨的范围内显然可作种种变更。
例如上述负载点图28终究不过是一例，与其点值及参数值的关系可适当变更。此外，在上述负载点图28之中，通过3个参数决定负载点值，但也可设定为根据气氛温度修正图中的负载点值。例如也可设定为在马达2的近旁配置热敏电阻等的同时，将图6至图9作为气氛温度25℃时的基准值，温度每变化10℃即增加或减少5点。即温度为35℃时修正为+5点，温度为15℃时修正为-5点来使用负载点图28。这样即可提高过载检出精度，提高产品的可靠性。
此外，在上述实施方式之中，示出累积点值超过阈值时，将现在的累积点值存储到ROM27中的构成，但也可设定为将累积点值随时更换为最新值，并存储到ROM27之中。在此情况下，不仅可在因过载强制性使马达停止时，以及以过载状态直接进入休眠方式时使用，在正常停止之后的重新启动时也可将累积点值作为初值使用。当然，也可设定为只有累积点值超过阈值时才将累积点值存储进ROM27，只有在马达强制停止时及因过载而休眠时才将存储值作为初值使用。
此外，在上述实施方式之中，就使用靠两个电刷进行正反转的马达时的情况加以了说明，但使用三个电刷(正常、高、低)使马达转速改变类型的马达也可适用本发明。
除此而外，在上述实施方式之中举了刮水器马达的控制中适用本发明的例子，但其适用对象并不局限于此，汽车的后门及滑动门、机动窗、遮阳蓬等使用的马达也可适用。此外，本发明的控制方法与装置不仅可用于汽车，也可用于各种电动机器上的马达。在上述实施方式之中，就配置齿轮箱3的马达单元进行了说明，但是未配制齿轮箱3的马达也可适用本发明。
如上所述，若采用本发明的马达控制方法及装置，由于设定累积根据施加于马达的电源电压ON期间的时间比率和上述马达速度计算出的负载点值，为该累积点值超过规定的基准值时即对马达实施过载控制处理，因而不使用断路器及电流传感器也能检测出过载状态并采取对策，从而可降低生产成本。此外，由于不需要安装断路器及电流传感器的空间，因而可使装置整体实现小型化，实现节省空间与提高布局性的同时，还可在即使没有安装断路器空间的情况下仍可进行过载检出处理。此外，由于可在软件上设定适当的基准值，因而控制方式的灵活性大，可结合马达的使用环境及周边机器等情况进行控制设定。
Claims (21)
1、一种马达控制方法，其特征在于：根据施加于马达上的电源电压ON期间的时间比率与上述马达速度计算出负载点值，同时累积计算出的上述负载点值，当上述累积点值超过规定的基准值时对上述马达实施过载控制处理。
2、根据权利要求1所述的马达控制方法，其特征在于：上述负载点值可根据以上述时间比率与上述马达速度为参数设定的上述负载点值的负载图(map)计算出。
3、根据权利要求1或2所述的马达控制方法，其特征在于：上述负载点值可设定为上述时间比率越大该值越高。
4、根据权利要求1至3任一项所述的马达控制方法，其特征在于：上述负载点值可设定为上述马达速度越低该值越高。
5、根据权利要求1至4任一项所述的马达控制方法，其特征在于：上述负载图还能以上述电源电压值为参数设定上述负载点值。
6、根据权利要求5所述的马达控制方法，其特征在于：上述负载点值可设定为上述电源电压值越高该值也越高。
7、根据权利要求1或2所述的马达控制方法，其特征在于：上述负载点值根据上述时间比率、上述马达速度以及上述电源电压值连续变化。
8、根据权利要求1至7任一项所述的马达控制方法，其特征在于：上述负载图可根据上述马达的气氛温度进行修正。
9、根据权利8所述的马达控制方法，其特征在于：上述负载点值可设定为上述气氛温度越高该值也越高。
10、根据权利要求1至9任一项所述的马达控制方法，其特征在于：通过上述过载控制处理使上述马达停止。
11、根据权利要求1至9任一项所述的马达控制方法，其特征在于：通过上述过载控制处理使上述马达的输出功率下降。
12、根据权利要求1至11任一项所述的马达控制方法，其特征在于：当上述累积点值超过上述基准值时，存储该时间点上的上述累积负载点值。
13、根据权利要求12所述的马达控制方法，其特征在于：当上述马达停止之后重新启动时，将上述存储的累积点值作为上述累积点值的初值。
14、一种马达控制装置，其特征在于包括：
根据给马达施加的电源电压ON期间的时间比率和上述马达的速度计算负载点值的点值计算装置；
累积计算出的上述负载点值的点值累积装置；
比较上述累积点值与上述基准值的点值比较装置；
当上述累积点值超过上述基准值时，对上述马达实施过载控制处理的指令装置。
15、根据权利要求14所述的马达控制装置，其特征在于：上述点值计算装置参照以上述时间比率和上述速度为参数设定上述负载点值的负载图计算出负载点值。
16、根据权利要求15所述的马达控制装置，其特征在于：在上述负载图还以上述电源电压值为参数设定上述负载点值。
17、根据权利要求15或16所述的马达控制装置，其特征在于：上述负载图可根据上述马达的周围气氛温度进行修正。
18、根据权利要求14至17任一项所述的马达控制装置，其特征在于：上述过载控制处理是使上述马达停止的控制处理。
19、根据权利要求14至17任一项所述的马达控制装置，其特征在于：上述过载控制处理是使上述马达的输出功率降低的控制处理。
20根据权利要求14至17任一项所述的马达控制装置，其特征在于：具有在上述马达停止之前存储上述累积点值的存储装置。
21、根据权利要求20所述的马达控制装置，其特征在于：上述马达停止后重新启动时参照存储在上述存储装置中的上述累积点值，将该值作为累积点值的初值。
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