JP2004242425A

JP2004242425A - 直流モータの負荷検出装置

Info

Publication number: JP2004242425A
Application number: JP2003029156A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Fueki; 正弘笛木; Takayuki Kawakura; 孝之川倉
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】種々の負荷に対応可能な直流モータの負荷検出を実現する。
【解決手段】モータ３の駆動制御を行う制御部１に、モータ駆動電圧検出回路５と、モータ回転センサ６に接続された角加速度算出部８ａと、駆動電圧と角速度と角加速度とに基づいてモータ３の外部負荷となる推定荷重を算出する推定荷重算出部８ｂと、推定荷重に基づいて挟み込みの判定を行う判定部８ｃとを設ける。外部負荷が加わった場合に角速度と電圧とが変化することになるため、それらの項の各係数を適宜定めた推定荷重算出式を用いて外部負荷を推定荷重として算出することができ、速やかにかつ確実な挟み込み判定を行い得る。特に、パワーウィンドウ装置における挟み込み対象物には柔らかい物があるが、モータの内部負荷の粘性係数を回転速度変化項に含めることにより、上記柔らかい物の挟み込み時の推定荷重を高精度に算出し得る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流モータの負荷検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流モータの負荷検出装置にあっては、その負荷を端子電圧と電機子電流とから求めることができるが、電流検出に電流ピックアップコイルを用いたり、微少抵抗のシャント抵抗を用いたりすると部品点数が増加してコストアップになるなどの問題があった。
【０００３】
そのような問題を解決するために、端子電圧と回転数との関数を数式あるいは２次元テーブルとして予め負荷特性記憶手段に記憶しておき、端子電圧及び回転数検出値に基づき負荷特性記憶手段の内容から負荷を推定するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平８−１３１９７号公報（第３頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記負荷特性記憶手段を用いるものにあっては、予め記憶しておく負荷特性を、使用される状態でテストしてデータを取得することが好ましく、さらに高精度に制御するためには測定ポイントを多くする必要があり、それらの作業のため高コスト化するという問題がある。また、例えば自動車のウィンドウの挟み込み防止装置に適用しようとすると、挟み込みの対象となる物体の剛性が種々であり、あらゆるものに対応した測定は極めて困難である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決して、種々の負荷に対応可能な直流モータの負荷検出装置を実現するために、本発明に於いては、外部負荷が無負荷の状態を定常状態として直流モータにより被駆動体を駆動するモータ駆動制御回路と、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記モータの駆動電圧を検出する電圧検出手段と、前記外部負荷の増大を推定荷重として算出するための推定荷重算出手段とを有し、前記推定荷重算出手段が、前記外部負荷の粘性減衰を含めかつ前記回転速度の定常状態からの変化に基づいた回転速度変化項と、前記駆動電圧の定常状態からの変化に基づいた電圧変化項と、前記モータ側の慣性モーメントと前記回転速度の変化から求めた回転加速度とに基づいた慣性項とを求めると共に、前記各項を加減算して前記推定荷重を算出するものとした。
【０００７】
外部負荷が無負荷の状態を定常状態として直流モータにより被駆動体を駆動するものにおいて定電圧制御やＰＷＭ制御があるが、そのような制御における定常状態の駆動に対して被駆動体に外部負荷が加わった場合には、モータの回転速度が低下する。そして、定電圧制御にあってはさらにモータ駆動電圧が低下し、ＰＷＭ制御にあっては、低下したモータの回転速度を目標速度に補正する制御が働くため、モータ駆動電圧に相当するデューティ比が増加する。このように、外部負荷が加わった場合には、推定荷重を算出する項における回転速度変化項と電圧変化項とが変化することになるため、それらの項の各係数を適宜定めることにより、外部負荷を推定荷重として算出することができる。このようにして算出された推定荷重をしきい値と比較することにより、例えば自動車用パワーウィンドウ装置における挟み込みを荷重により検出することができるため、速やかにかつ確実な挟み込み判定を行い得る。
【０００８】
特に、前記回転速度項の係数に、前記モータの内部負荷の粘性係数を含めた係数を用いると良い。パワーウィンドウ装置における挟み込み対象物には粘性減衰が存在するため、単純な速度低下では挟み込み時の荷重を正確に算出することができないが、粘性減衰の影響を考慮して回転速度変化項を求めることにより、高精度な推定荷重を算出し得る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明に基づく直流モータの負荷検出装置を自動車用パワーウィンドウ装置に適用した一例を示すブロック図である。図に示されるように、制御部１には、運転席などに設けられたオート操作スイッチ２ａ及びマニュアル操作スイッチ２ｂの各開閉操作信号に応じて自動または手動開閉制御信号を出力するオート制御回路１ａと、その開閉制御信号に応じて直流モータ３を正逆転駆動制御するためのモータ駆動制御回路としての駆動回路４と、モータ３の駆動電圧を検出する電圧検出回路５と、モータ３の回転に連動する回転速度検出手段としての回転センサ６からのパルス信号の間隔に基づいてモータ３の回転速度を角速度として算出する角速度算出回路７と、制御部１の主制御を行うＣＰＵ８とが設けられている。
【００１１】
ＣＰＵ８には、上記角速度算出回路７からの角速度信号に基づいて角加速度を算出する角加速度算出部８ａと、駆動電圧と角速度と角加速度とに基づいてモータ３の外部負荷となる推定荷重を算出する推定荷重算出手段としての推定荷重算出部８ｂと、推定荷重に基づいて挟み込みの判定を行う判定部８ｃとが設けられている。なお、角加速度算出部８ａと推定荷重算出部８ｂと判定部８ｃとは、ＣＰＵ８内でのプログラム処理で行われるものであって良い。
【００１２】
そして、駆動回路４からの駆動信号応じてモータ３が正逆転して、例えばモータ３にリンクまたはワイヤなどを介して連結された被駆動体としてのウィンドウ９が開閉動作する。なお、オート制御回路１ａでは、オート操作スイッチ２ａの開／閉の信号が入力された場合には連続した開／閉制御信号を出力し、マニュアル操作スイッチ２ｂの開／閉信号が入力された場合には操作されている間だけ開／閉制御信号を出力する。
【００１３】
次に、このようにして構成されたパワーウィンドウ装置による挟み込み判定制御の一例を図２のフロー図を参照して以下に示す。なお、図２のフローは、例えば回転センサ６のパルスカウント毎にＣＰＵ８内のプログラム処理により行うものであって良い。
【００１４】
まず、ステップＳＴ１では一定時間経過したか否かを判別し、一定時間経過していないと判別された場合にはこのステップＳＴ１を繰り返す。一定時間経過したと判別された場合にはステップＳＴ２に進む。ステップＳＴ２ではモータ３の端子電圧Ｖを端子電圧検出回路６で検出してＡ／Ｄ変換し、ステップＳＴ３に進む。
【００１５】
ステップＳＴ３では、回転センサ７からの各パルス信号間の間隔から周期ｔを算出し、その値から角速度ω（＝２π／ｔ）を算出する。この算出にあっては、パルス間隔を時間に換算し、角速度サンプリングレート変換により線形補間して行う。この角速度サンプリングレート変換としては、例えば上記したように求めたモータ３の角速度ωをパルス信号入力毎に算出し、前回値と今回値とから角速度ωの変化を推測し、その推測した変化に基づいて次のパルス信号入力までサンプリングタイミング毎に推定角速度を算出することにより、パルス間隔から時間への変換を行うものであって良い。次のステップＳＴ４では、ステップＳＴ３で算出された角速度ωに基づいて角加速度ｄωを算出し、ステップＳＴ５に進む。
【００１６】
ステップＳＴ５では、推定荷重算出部８ｂにて、端子電圧Ｖ（平均電圧）と角速度ωと角加速度ｄωとに基づいて、モータ３の外部負荷となる推定荷重Ｐに対応する推定トルクＴを次式により求める。
Ｔ＝（Ｂｍ＋ａ）（ω０−ω）＋ｂ（Ｖ−Ｖ０）−Ｊｍ・ｇ・ｄω…（１）
ここで、Ｂｍはモータ内部負荷の粘性係数、ａは定数、（ω０−ω）は角速度差（ω０は外部無負荷時の角速度定常値）、ｂは定数、（Ｖ−Ｖ０）は電圧差（Ｖ０は外部無負荷時のモータ３に印加される電圧定常値）、Ｊｍがモータ３を含む装置（本図示例ではウィンドウ開閉装置）の慣性モーメント、ｇが調整ゲインである。上記（１）式中で、（Ｂｍ＋ａ）（ω０−ω）が角速度差演算項、ｂ（Ｖ−Ｖ０）が電圧差演算項、Ｊｍ・ｇ・ｄωが角加速度演算項となる。
【００１７】
次のステップＳＴ６では、ステップＳＴ５で求められた推定トルクＴから求められる推定荷重Ｐが荷重閾値ＰＬ以上であるか否かを判別し、推定荷重Ｐが荷重閾値ＰＬ以上の場合にはステップＳＴ７に進み、推定荷重Ｐが荷重閾値ＰＬ未満の場合にはステップＳＴ８に進む。ステップＳＴ７では、検知状態を継続する回数をカウントアップするべく、検知状態継続回数に１を加える。ステップＳＴ８では、検知状態継続回数をクリアして０にして、ステップＳＴ１に戻る。
【００１８】
ステップＳＴ７の次のステップＳＴ９では、検知状態継続回数が所定の判定回数以上になったか否かを判別する。この判定回数を２以上としておくことにより、推定荷重Ｐが荷重閾値ＰＬ以上の状態が継続した場合を判断することができる。突発的なノイズなどにより推定荷重Ｐが一瞬荷重閾値ＰＬ以上になった場合には、ステップＳＴ８で検知状態継続回数がクリアされるため、瞬間的な推定荷重Ｐの増大による誤判定を防止することができる。
【００１９】
ステップＳＴ９で検知状態継続回数が判定回数以上になっていないと判別された場合にはステップＳＴ１に戻る。検知状態継続回数が判定回数以上になったと判別された場合にはステップＳＴ１０に進み、そこで挟み込み判定を確定する。なお、挟み込み判定が確定された場合には他の処理ルーチン進み、そこで例えばモータ３を停止する処理を行う。挟み込み対象物が取り除かれた後には、ステップＳＴ６からステップＳＴ８に進み得るため、通常の開閉制御状態に戻ることができる。
【００２０】
次に、上記（１）式の算出について以下に示す。まず、図３に（１）式を導き出すためのモータモデルを示す。図では、モータ３が矢印Ａの向きに角度θ回転した場合に、その時のモータトルクＴｍに対して、Ｂｍ・ωの摩擦トルクと負荷トルクＴＬとが逆向きに作用していることを示している。なお、Ｊｍは上記した慣性モーメントである。
【００２１】
まず、モータモデルから、次式が導き出される。
ω＝∫｛（Ｔｍ−ＴＬ−Ｂｍ・ω）／Ｊｍ｝ｄｔ…（２）
（２）式中のモータトルクＴｍは次式で表せる。
Ｔｍ＝Ｋｔ・ｉ…（３）
ここで、ｉはモータに流れる電流、Ｋｔは電流ｉからトルクを換算する場合のトルク定数。
【００２２】
また、（２）式中の負荷トルクＴＬは次式で表せる。
ＴＬ＝ｋ・θ・Ｒ＋ＴＬ０…（４）
ここで、ｋは挟み込み対象物のばね定数、Ｒは回転体の半径、ＴＬ０は初期負荷トルク（定格負荷）。
【００２３】
上記（２）式をｔで微分して整理すると、
Ｔｍ＝Ｊｍ・ｄω＋Ｂｍ・ω＋ＴＬ…（５）
となり、上記（３）、（４）式を（５）式に代入すると、
Ｋｔ・ｉ＝Ｊｍ・ｄω＋Ｂｍ・ω＋ｋ・θ・Ｒ＋ＴＬ０…（６）
となる。ここで、θ＝０の時、ｄωを０とすることにより、（６）式は、
Ｋｔ・ｉ_０＝Ｂｍ・ω_０＋ＴＬ０
となることから、
ＴＬ０＝Ｋｔ・ｉ_０−Ｂｍ・ω_０…（７）
となる。
【００２４】
上記（７）式を（６）式に代入すると、
Ｋｔ・ｉ＝Ｊｍ・ｄω＋Ｂｍ・ω＋ｋ・θ・Ｒ＋Ｋｔ・ｉ_０−Ｂｍ・ω_０…（８）
となる。この（８）式中で、推定荷重Ｐに対応する推定トルクＴがｋ・θ・Ｒとなるため、
ｋ・θ・Ｒ＝Ｂｍ（ω_０−ω）＋Ｋｔ（ｉ−ｉ_０）−Ｊｍ・ｄω…（９）
と整理される。この（９）式中のＫｔ（ｉ−ｉ_０）を（３）式でモータトルクに置き換えると、
ｋ・θ・Ｒ＝Ｂｍ（ω_０−ω）＋（Ｔｍ−Ｔｍ_０）−Ｊｍ・ｄω…（１０）
となる。
【００２５】
ここで、（Ｔｍ−Ｔｍ_０）を電圧と回転速度とに分解して次式で表すことができる。
Ｔｍ＝−ａ・ω＋ｂ・Ｖ＋ｃ…（１１）
この（１１）式は、図４に示されるモータ特性から求められるものである。図４は、回転速度ωとトルクＴｍとの関係を電圧Ｖの違い（Ｖ０＜Ｖ１＜Ｖ２）で示した図である。このモータ特性を関数化したり、マップにしたりして、定数としてＲＯＭに記憶しておくことができる。なお、同型のモータを使用した装置にあっては、そのモータの特性として同一のデータを用いて良く、装置毎にデータを取る必要はない。
【００２６】
そして、（１１）式を（１０）式に代入すると、
ｋ・θ・Ｒ＝（Ｂｍ＋ａ）（ω_０−ω）＋ｂ（Ｖ−Ｖ０）−Ｊｍ・ｄω…（１２）
となる。この（１２）式の左辺のｋ・θ・Ｒが（１）式の推定荷重Ｐに相当する推定トルクＴとなる。なお、（１）式中での角加速度演算項のゲインｇを１とした場合が（１２）式になる。実用上はゲイン調整器を設けて、装置に応じた高精度な調整を可能にすることができ、その場合には（１）式を用いる。
【００２７】
また、推定トルクＴ（推定荷重Ｐ）を算出する式に、モータ内部負荷の粘性係数Ｂｍを含めた係数（Ｂｍ＋ａ）を速度変化項（ω_０−ω）に用いている。これは、装置別に外部負荷となるものがある程度特定できる場合に有効である。上記例のように自動車用パワーウィンドウ装置における挟み込み対象物として、柔らかい物体を考慮し、上記粘性摩擦係数Ｂｍを用いることにより、挟み込み時の推定荷重を高精度化し得る。他の装置の場合には、それぞれに応じて考えられる外部負荷の粘性摩擦係数を設定すれば良く、使用状態に応じた高精度な推定荷重を算出し得る。
【００２８】
また、上記した例では電源から定電圧が供給される定電圧制御について示したが、本発明によれば、他のモータ駆動制御にも適用可能なものである。その一例としてＰＷＭ制御がある。上記（１）式において、ＰＷＭ制御を行った時の変化として見受けられる項は、速度（角速度）変化を表す項の変数である（ω_０−ω）と、電圧変化を表す項の変数である（Ｖ−Ｖ０）とになる。
【００２９】
まず、速度変化で見た場合には、定電圧制御における速度変化は図５（ａ）に示されるように変化する。図に示されるように、挟み込み前にあっては、外部負荷が無負荷状態であることから定速度で推移し、挟み込み開始から速度が低下していく。例えば、速度で挟み込み検出を行う場合には挟み込み検出レベルωＬを図に示されるように設定する。
【００３０】
それに対して、ＰＷＭ制御における速度変化は図５（ｂ）に示されるように変化する。図に示されるように、挟み込み開始により速度が一端低下するが、ＰＷＭ制御によりデューティ比を高めるように制御した場合には速度の低下が抑制されるようになる。このＰＷＭ制御において、上記定電圧制御と同じ挟み込み検出レベルωＬを設定すると図に示されるようになる。このように挟み込みを速度変化で見ると、ＰＷＭ制御の場合よりも定電圧制御の場合の方が速度の変化量が大きい。
【００３１】
次に、電圧（モータ駆動電圧）変化で見た場合には、定電圧制御における電圧変化は図６（ａ）に示されるように変化する。上記図５（ａ）と同様に挟み込み前にあっては、外部負荷が無負荷状態であることから定電圧で推移する。挟み込みが発生すると、モータ３に負荷が掛かることにより逆起電力により電源に向けて逆起電流が流れるため、挟み込み状態が進むに連れて、図に示されるようにモータ３の端子電圧の低下が起きる。
【００３２】
ＰＷＭ制御では、電源電圧にデューティ比を乗じることによりモータ駆動電圧とすることができるため、上記電圧に相当するものはデューティ比と見なすことができる。そのデューティ比の変化は図６（ｂ）に示されるようになる。図では、挟み込み開始後にデューティ比が増加するようになることが示されている。これは、挟み込みによりモータ回転速度が低下すると、ＰＷＭ制御により目標速度に維持しようとしてデューティ比を上げるためである。このように挟み込みを電圧変化で見ると、定電圧制御では挟み込みが進むに連れて定電圧を維持できなくなって電圧低下してしまい、ＰＷＭ制御では電圧を増加させるようになる。
【００３３】
このように、定電圧制御とＰＷＭ制御とでは、速度変化項（Ｂｍ＋ａ）（ω_０−ω）と電圧変化項ｂ（Ｖ−Ｖ０）との挟み込み時の変化が異なるが、速度変化項にあっては定電圧制御の方が大きく低下するのに対してＰＷＭ制御の方は緩やかに低下し、電圧変化項にあっては定電圧制御の方が低下するのに対してＰＷＭ制御の方は大きく増加する。
【００３４】
定電圧制御では、速度変化項が正の値で大きく増加し、電圧変化項が負の値で緩やかに増加する。ＰＷＭ制御では、速度変化項が正の値で緩やかに増加し、電圧変化項が正の値で大きく増加する。各項の総和に対する影響が電圧変化項よりも速度変化項の方が大きい場合には、各項の総和としての推定トルクＴ（推定荷重Ｐ）が変化しないようになり、制御方法に左右されない直流モータの負荷検出装置を確立することができる。なお、本実施の形態にあっては、自動車のパワーウィンドウ装置に適した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他に自動車のサイドスライドドア、また、バックドアやトランクリッド等の開閉装置に適用することもできる。
【００３５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、外部負荷が加わった場合に推定荷重を算出する項における回転速度変化項と電圧変化項とが変化することになるため、それらの項の各係数を適宜定めた推定荷重算出式を用いて外部負荷を推定荷重として算出することができ、その推定荷重をしきい値と比較することにより、例えば自動車用パワーウィンドウ装置における挟み込みを荷重により検出することができるため、速やかにかつ確実な挟み込み判定を行い得る。特に、パワーウィンドウ装置における挟み込み対象物には柔らかい物があるため、単純な速度低下では挟み込み時の荷重を正確に算出することができないが、モータの内部負荷の粘性係数を回転速度変化項に含めることにより、上記柔らかい物の挟み込み時の推定荷重を高精度に算出し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された自動車用パワーウィンドウ装置のモータ駆動制御回路図。
【図２】本発明に基づく制御フロー図。
【図３】モータモデルを示す斜視図。
【図４】モータ特性を示す図。
【図５】（ａ）は定電圧制御における角速度変化を示す図であり、（ｂ）はＰＷＭ制御における角速度変化を示す図。
【図６】（ａ）は定電圧制御における電圧変化を示す図であり、（ｂ）はＰＷＭ制御における電圧変化を示す図。
【符号の説明】
１制御部
２ａオート操作スイッチ、２ｂマニュアル操作スイッチ
３モータ
４駆動回路
５電圧検出回路
６回転センサ
７角速度算出回路
８ＣＰＵ
８ａ角加速度算出部、８ｂ推定荷重算出部、８ｃ判定部
９ウィンドウ

Claims

外部負荷が無負荷の状態を定常状態として直流モータにより被駆動体を駆動するモータ駆動制御回路と、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記モータの駆動電圧を検出する電圧検出手段と、前記外部負荷の増大を推定荷重として算出するための推定荷重算出手段とを有し、
前記推定荷重算出手段が、前記回転速度の定常状態からの変化に基づいた回転速度変化項と、前記駆動電圧の定常状態からの変化に基づいた電圧変化項と、前記モータ側の慣性モーメントと前記回転速度の変化から求めた回転加速度とに基づいた慣性項とを求めると共に、前記各項を加減算して前記推定荷重を算出することを特徴とする直流モータの負荷検出装置。
前記回転速度項の係数に、前記モータの内部負荷の粘性係数を含めた係数を用いることを特徴とする請求項１に記載の直流モータの負荷検出装置。