JP2005533472A - １２／４２ボルト直流ブラシ付きモーター制御システム - Google Patents

Abstract

システム（１０）は直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給する。システムは、直流ブラシ付きモーター（１４）、直流電圧源（１２）、スイッチ（１８）を有するステップアップ／ステップダウン直流／直流コンバータ（１６）を備えている。直流／直流コンバータは、電圧源からの電圧をステップアップ及びステップダウンしてモーターに０と４２ボルトの間の出力電圧を提供する。制御ユニット（２２）は、入力信号（２０）を受け、その入力信号に基づきスイッチを制御してモーターを制御するように構成されている。

Description

本発明は、直流ブラシ付きモーター制御システムにかかわり、さらに詳細には、１２ボルトまたは４２ボルトのバッテリーを用いる自動車のための１２ボルト／４２ボルト両用モーター可変速駆動制御システムにかかわる。

車両用電圧系統が１２ボルトから４２ボルトへシフトすると、４２ボルトのブラシ付きモーターが必要になる。その結果、エンジン冷却及びＨＶＡＣファンモジュールなどのような種々の用途に用いる４２ボルト直流ブラシ付きモーターの開発が必要となる。現在、かかるモーターは連続して製造されていない。このため、電圧の変化は高電圧モーターを広く公認する必要性を増加させると予想される。

同時に、高効率の１２ボルトインテリジェント可変速モーターが求められている。両方のシナリオ及び開発リスクに対処するための１つのアプローチとして、１２ボルト系統でも使用可能な４２ボルトモーターの設計がある。一方、既存の１２ボルトモーターを４２ボルト系統で使用できるのであれば、４２ボルト系統の公認にとって非常に有利となる。

従って、１２ボルト及び４２ボルトのバッテリー及びモーターの任意の組み合わせにとって好適な可変速駆動を可能にする新規な直流ブラシ付きモーター制御システムを提供することが求められている。

発明の概要

本発明の目的は上述の需要を満たすことである。本発明の原理に従うと、上記目的は直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給するシステムにより達成される。このシステムは、直流ブラシ付きモーター、直流電圧源、スイッチを有するステップアップ／ステップダウン直流／直流コンバータを備えている。直流／直流コンバータは、電圧源からの電圧をステップアップ及びステップダウンしてモーターへ０と４２ボルトの間の出力電圧を供給するように構成されている。このシステムは、入力電圧を受け、該入力電圧に基づきスイッチを制御してモーターを制御するように構成された制御ユニットを有する。

本発明の別の局面によると、直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給する方法が提供される。この方法は１２ボルトの直流電圧を用意する。直流電圧を０乃至１２ボルトの範囲内の第１の出力電圧にステップダウンし、直流電圧を１２乃至４２ボルトの範囲内の第２の出力電圧にステップアップして、０乃至４２ボルトの出力電圧範囲を発生させる。該範囲内の出力電圧を４２ボルト直流ブラシ付きモーターに送る。

本発明の他の目的、特徴及び特性並びに動作方法、構造の関連要素の機能、部品の組み合わせ及び製造経済性は、本願の一部を構成する以下の詳細な説明、頭書の特許請求の範囲並びに添付図面を参照して検討すると明らかになるであろう。

図１を参照して、該図は、本発明の原理に従って構成され、総括的に１０で示す直流ブラシ付きモーター制御システムの実施例を示す。このシステム１０は、入力として１２ボルトまたは４２ボルトのバッテリーのような電圧源１２を有する。従来型直流ブラシ付きモーター１４はシステム１０の負荷を構成する。モーター１４は１２ボルトまたは４２ボルト設計の何れかである。直流／直流コンバータ１６は好ましくは電力ＭＯＳＦＥＴであるスイッチ１８を備えているが、その機能について以下に説明する。コンバータ１６は出力電圧をステップアップしたりステップダウンしたりするように構成されている。１２ボルトモーターを制御するために０乃至１２ボルトの出力電圧範囲を使用し、４２ボルトモーターは制御するために０乃至４２ボルトの出力電圧範囲を使用できる。従って、システム１０は１２ボルトと４２ボルトのバッテリー及びモーターの任意の組み合わせに使用可能である。

制御及び診断入力信号２０は、モーター制御システム１０と中央エンジン制御ユニット（ＥＣＵ−図示せず）との間の通信を行う。信号２０は周波数が１００乃至３００Ｈｚのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号であるのが好ましい。システム１０は、アナログ回路及び／またはマイクロコントローラを有する制御ユニット２２を備えているが、このユニットはＥＣＵに応答して直流／直流コンバータ１６のＭＯＳＦＥＴ１８を制御することにより、モーター１４を制御し、モーターの損傷を回避するように任意の保護機能を実現する。

システム１０は、従来型１２ボルトモーター制御システムのステップダウンコンバータの代わりに、ステップアップ／ステップダウン直流／直流コンバータ１６を有する。出力電圧は入力電圧よりも高くなるようにまたは低くなるように制御できるため、システム１０は１２ボルト及び４２ボルトのバッテリー及びモーターの任意の組み合わせに使用できる。表１はこれらの組み合わせ例を示す。

表１ １２ボルト／４２ボルトのバッテリー及びモーターの組み合わせ
直流／直流コンバータ バッテリー電圧
の動作 １２Ｖ ４２Ｖ
モーター設計 １２Ｖ 出力0-12Ｖ、ステップダウン 出力0-12Ｖ、ステップダウン
４２Ｖ 出力0-12Ｖ、ステップダウン 出力0-42Ｖ、ステップダウン
出力12-42Ｖ、ステップアップ

ステップアップ／ステップダウン直流／直流コンバータの３つの既存技術を表２に示す。これらの技術は全て本願のモーター制御システム１０に適用可能である。

表２ ステップアップ／ステップダウン直流／直流コンバータ
コンポーネント Vout/Vin
ＭＯＳＦＥＴ ダイオード インバータ キャパシタ
Buch-Boost 1 1 1 1 -D/(1-D) *
SEPIC 1 1 2 2 D/(1-D) *
CUK 1 1 2 2 -D/(1-D) *
*Ｄ：ＭＯＳＦＥＴのデューティーサイクル（導通時間）／（スイッチング周期）

ＭＯＳＦＥＴ１８のスイッチング周波数は、音響ノイズを回避するように１８ｋＨｚより高い値に選択するのが好ましい。モーター速度は、ＭＯＳＦＥＴのデューティーサイクル（Ｄ）により決まる直流／直流コンバータの出力電圧により制御される。従って、デューティーサイクル（Ｄ）の制御は制御ユニット２２の主要な仕事の１つである。

制御ユニット２２の入力信号及び出力信号並びにそれらの機能を表３に示す。

表３ 制御ユニットの入力及び出力信号
名称 入力／出力 から／へ 機能
PWM入力 入力 ECUから モーター速度の指令
診断 出力 ECUへ エラー情報
モータービット 入力 ユーザーから ユーザーによりセットされる、
モーター情報、0=12ボルト、1=42ボルト
バッテリー電圧 入力 測定値から Ｄ制御、過電圧及び不足電圧保護
バッテリー電流 入力 測定値から 電流制御 過電流保護
駆動信号 出力 MOSFETへ Ｄ制御
出力電圧 入力 測定値から 電圧制御、オプション

モーター速度を制御するために２つの異なる制御方式が実現可能であるが、それらは、図２に示すような開ループデューティーサイクル制御（Ｄ制御）と、図３に示すような閉ループ電圧制御（Ｖ制御）である。システム１０は、入力電圧（Ｖin）を測定することによりバッテリー系統（１２ボルトまたは４２ボルト）を自動的に認識する。モーター設計（１２ボルトまたは４２ボルト）に従ってユーザーがセットする必要のあるモータービットは、最大出力電圧（Ｖom）を決定する。ＰＷＭ入力２０（Ｄin）のデューティーサイクルは、出力電圧（Ｖout）に比例するモーター速度の設定点をシステム１０に通告する。図４は、直流ブラシ付きモーター制御システム１０の動作を示すフローチャートである。

システム１０を使用するいくつか利点としては、
ｌ）１２ボルトまたは４２ボルトのバッテリーまたはモーターを使用できる柔軟性と、
ｌｌ）モーターを流れる電流が小さい結果、伝達され放射されるノイズが低いことと、
ｌｌｌ）潜在的に高効率のモーター駆動システムが提供されることがある。

以上、好ましい実施例について本発明の構造的及び機能的原理と共に好ましい実施例を用いる方法を説明したが、これらはかかる原理から逸脱することなく変形例及び設計変更が可能である。従って、本発明は頭書の特許請求の範囲の思想に包含される全ての変形例及び全ての設計変更を含むものである。

本発明の原理に従って構成された直流ブラシ付きモーター制御システムのブロック図である。 図１のシステムのモーターの速度制御を行う開ループデューティーサイクル制御装置のブロック図である。 図１のシステムのモーターの速度制御を行う閉ループ電圧制御装置のブロック図である。 図１の制御システムの動作を示すフローチャートである。

Claims (13)

1. 直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給するシステムであって、
   直流ブラシ付きモーターと、
   直流電圧源と、
   スイッチを有し、電圧源からの電圧をステップアップ及びステップダウンしてモーターへ０と４２ボルトの間の出力電圧を供給するように構成されたステップアップ／ステップダウン直流／直流コンバータと、
   入力電圧を受け、該入力電圧に基づきスイッチを制御してモーターを制御するように構成された制御ユニットとより成る、直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給するシステム。
2. 電圧源は１２ボルト電圧源であり、モーターは１２ボルトモーターであり、直流／直流コンバータは電圧源からの電圧を０乃至１２ボルトの出力電圧にステップダウンするように構成されている請求項１のシステム。
3. 電圧源を４２ボルト電圧源であり、モーターは１２ボルトモーターであり、直流／直流コンバータは電圧源からの電流を０乃至１２ボルトの出力電圧にステップダウンするように構成されている請求項１のシステム。
4. 電圧源は１２ボルト電圧源であり、モーターは４２ボルトモーターであり、直流／直流コンバータは電圧源からの電流を０乃至１２ボルトの出力電圧にステップダウンし、電圧源からの電流を１２乃至４２ボルトの出力電圧にステップアップするように構成されている請求項１のシステム。
5. 電圧源は４２ボルト電圧源であり、モーターは４２ボルトモーターであり、直流／直流コンバータは電圧源からの電圧を０乃至４２ボルトの出力電圧にステップダウンするように構成されている請求項１のシステム。
6. スイッチはＭＯＳＦＥＴであり、制御ユニットはパルス幅変調信号を入力信号として受けるように構成されている請求項１の構成システム。
7. パルス幅変調信号は１００乃至３００Ｈｚの周波数範囲内にある請求項１のシステム。
8. 直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給する方法であって、
   ４２ボルトの直流電圧を用意し、
   直流電圧を０乃至１２ボルトの範囲内の出力電圧にステップダウンし、
   該範囲内の出力電圧を１２ボルト直流ブラシ付きモーターに送るステップより成る、直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給する方法。
9. 直流電圧をステップダウンするステップは、ステップアップ／ステップダウン直流／直流コンバータの使用を含む請求項８の方法。
10. 直流／直流コンバータはＭＯＳＦＥＴを含み、モーターを制御するためにＭＯＳＦＥＴの動作を制御するステップを含む請求項９の方法。
11. 直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給する方法であって、
    １２ボルトの直流電圧を用意し、
    直流電圧を０乃至１２ボルトの範囲内の出力電圧にステップダウンし、直流電圧を１２乃至４２ボルトの範囲内の出力電圧にステップアップして、０乃至４２ボルトの出力電圧範囲を発生させ、
    該範囲内の出力電圧を４２ボルト直流ブラシ付きモーターに送るステップより成る、直流ブラシ付きモーターに可変出力電圧を供給する方法。
12. 直流電圧をステップダウンし、ステップアップするステップは、ステップアップ／ステップダウン直流／直流コンバータの使用を含む請求項１１の方法。
13. 直流／直流コンバータはＭＯＳＦＥＴを含み、モーターを制御するためにＭＯＳＦＥＴの動作を制御するステップを含む請求項１２の方法。

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