JP2009201221A

JP2009201221A - モータ負荷制御装置

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Publication number: JP2009201221A
Application number: JP2008039080A
Authority: JP
Inventors: Shunzo Oshima; 俊藏大島
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: US20100327794A1; CN101946398B; US8461793B2; CN101946398A; EP2246971B1; EP2246971A4; EP2246971A1; JP5342153B2; WO2009104713A1

Abstract

【課題】電子スイッチの発熱を抑制し、ファンの振動、及びファンの回転に伴う騒音の発生を抑制することが可能なモータ負荷制御装置を提供する。
【解決手段】第１の電子スイッチ（Ｔ１）と第２の電子スイッチ（Ｔ２）を並列接続したスイッチ手段１７を備え、第１の電子スイッチ（Ｔ１）を所定の周波数、及び所定のデューティ比からなるＰＷＭ信号で駆動し、第２の電子スイッチを第１の電子スイッチ（Ｔ１）を駆動するＰＷＭ信号を所定時間だけ遅延して駆動する。これにより、各電子スイッチの発熱量を、電子スイッチが１個の場合と比較して低減することができ、装置全体の放熱対策を軽減することができる。更に、遅延時間をランダムに変化させることにより、ＰＷＭ制御により発生する振動、騒音を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ制御により半導体素子で構成される電子スイッチを作動させて、該電子スイッチに接続された負荷を駆動するモータ負荷制御装置に係り、特に、発熱、振動、騒音の発生を抑制する技術に関する。

例えば、車両に搭載されるラジエータファンは、エンジン冷却水の温度に応じて回転数が制御され、冷却水の温度が低いときには騒音を低減するために回転数を低下させ、冷却水の温度が高くなると冷却効果を高めるために回転数を高くするように制御している。

図７は、ラジエータファン駆動用のモータＭ１を駆動する負荷制御回路の従来例を示す回路図である。同図に示すように、モータＭ１とバッテリＶＢは、ＭＯＳＦＥＴ等の電子スイッチ（Ｔ１０１）を介して接続されている。また、エンジンコンピュータ１０１と、パルス発生器１０２と、ドライバ１０３を備えており、エンジンコンピュータ１０１よりエンジン冷却水の温度に応じたモータＭ１の回転指令信号がパルス発生器１０２に出力されると、該パルス発生器１０２により所望のデューティ比となるＰＷＭ信号が生成される。即ち、冷却水の温度が低いときには、オン時間が短い（即ち、デューティ比が低い）ＰＷＭ信号が生成され、冷却水の温度が高いときには、オン時間が長い（即ち、デューティ比が高い）ＰＷＭ信号が生成される。

そして、ドライバ１０３は、パルス発生器１０２で生成されたＰＷＭ信号を電子スイッチ（Ｔ１０１）の制御端子（ＭＯＳＦＥＴの場合はゲート）に出力する。

その結果、電子スイッチ（Ｔ１０１）は供給されたＰＷＭ信号によりオン、オフ動作を行い、モータＭ１に電力を供給して、該モータＭ１を所望する回転数で回転させる。即ち、モータＭ１は、エンジン冷却水の温度に応じた回転数で回転駆動することになる。

ここで、パルス発生器１０２より出力されるＰＷＭ信号の周波数は、人間の可聴周波数を超える１９［ＫＨｚ］程度の高い周波数に設定される。また、ＰＷＭ信号の周波数が高く設定されると、電子スイッチ（Ｔ１０１）がオン、オフ動作するときの過渡期間に発生する発熱量が大きくなるので、電子スイッチ（Ｔ１０１）は放熱フィンを備えたユニット内に格納され、更に、放熱フィンは通気性の良好な場所に設置されることとなる。
特開２００５−８０３８４号公報

上述したように、従来におけるモータ負荷制御装置では、電子スイッチ（Ｔ１０１）を可聴周波数を超える周波数でＰＷＭ制御するので、電子スイッチ（Ｔ１０１）の発熱量が大きくなる。このため、耐熱性に優れた電子スイッチを使用する必要があり、また、電子スイッチを冷却するための冷却構造が必要となるので、装置全体が大型化し、大型化に伴うコストアップが発生し、更に、接地場所の制限が生じるという問題が発生する。

上記の問題を解決するために、ＰＷＭ制御の周波数を低下させれば良いことになるが、周波数を低下させるとファンの回転ムラにより振動、騒音が発生する場合がある。

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、電子スイッチの発熱を抑制し、更には、ファンの振動、及びファンの回転に伴う騒音の発生を抑制することが可能なモータ負荷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、本願請求項１に記載の発明は、電源より出力される電力をＰＷＭ制御によりモータ負荷に供給して、該モータ負荷を駆動するモータ負荷制御装置において、前記電源と前記モータ負荷とを接続する回路上に設けられるスイッチ手段と、前記スイッチ手段をＰＷＭ信号により駆動するＰＷＭ制御手段と、を有し、前記スイッチ手段は、並列接続された第１の電子スイッチ、及び第２の電子スイッチを備え、前記ＰＷＭ制御手段は、前記第１の電子スイッチを前記ＰＷＭ信号で駆動し、前記第２の電子スイッチは前記ＰＷＭ信号を所定の遅延時間だけ遅延させた信号で駆動することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記ＰＷＭ制御手段は、前記遅延時間を各周期毎に変化させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記ＰＷＭ制御手段は、前記モータ負荷の回転数を低下させる場合には、前記第１の電子スイッチをオフとし、前記第２の電子スイッチのみを駆動することを特徴とする。

本発明に係るモータ負荷制御装置では、複数の電子スイッチを並列に接続したスイッチ手段を用いて、モータ負荷を所定のデューティ比でＰＷＭ制御するので、各電子スイッチを駆動する周波数を、電子スイッチが１個の場合と比較して低い周波数とすることができ、且つ低いデューティ比とすることができる。このため、各電子スイッチの発熱量を低減することができ、従来と比較して放熱構造を簡素化することができる。

また、遅延時間を各周期毎に変化させることにより、モータ負荷を制御するＰＷＭ信号の周波数がランダムに変化するので、振動、騒音の共振点をずらすことができ、振動、騒音の発生を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ負荷制御装置の構成を示す回路図であり、以下では、モータ負荷の一例として車両に搭載されるラジエータファン駆動用のモータを例に挙げ、電源の一例として車両に搭載されるバッテリを例に挙げて説明する。

図１に示すように、第１実施形態に係るモータ負荷制御装置は、モータＭ１とバッテリＶＢの間に設けられるスイッチ手段１７を有している。更に、該モータ負荷制御装置は、エンジンコンピュータ１１と、該エンジンコンピュータ１１と接続されたパルス発生器１２と、このパルス発生器１２の出力側に設けられる遅延回路１３と、第１ドライバ１４と、第２ドライバ１５と、を備えている。

スイッチ手段１７は、互いに並列接続された例えばＭＯＳＦＥＴ等からなる第１電子スイッチ（Ｔ１）、及び第２電子スイッチ（Ｔ２）を有している。即ち、第１電子スイッチ（Ｔ１）、及び第２電子スイッチ（Ｔ２）のうちの少なくとも一方がオンとなれば、バッテリＶＢより出力される電力がモータＭ１に供給されることとなる。

エンジンコンピュータ１１は、車両に搭載されるエンジンを制御するものであり、エンジン冷却水の温度を検出する温度計（図示省略）による温度検出信号が入力され、該温度検出信号に基づいて、モータＭ１の回転指令信号をパルス発生器１２に出力する。

パルス発生器１２は、回転指令信号が入力されると、該回転指令信号に基づくＰＷＭ信号を生成する。この際、パルス発生器１２は、モータＭ１を所望する回転数で回転駆動するために必要なデューティ比の、１／２のデューティ比となるＰＷＭ信号を生成する。そして、生成されたＰＷＭ信号を第１ドライバ１４、及び遅延回路１３に出力する。

遅延回路１３は、パルス発生器１２より出力されるＰＷＭ信号を所定の遅延時間ｔｄだけ遅延させ、遅延させたＰＷＭ信号を第２ドライバ１５に出力する。

そして、第１ドライバ１４はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号により、第１電子スイッチ（Ｔ１）を駆動し、第２ドライバ１５はパルス発生器１２より出力され、且つ遅延回路１３により所定の遅延時間ｔｄだけ遅延したＰＷＭ信号により、第２電子スイッチ（Ｔ２）を駆動する。

次に、上記の構成を備える第１実施形態に係るモータ負荷制御装置の動作について、図２，図３に示すタイミングチャートを参照して説明する。

図２は、モータＭ１を１００％のデューティ比で駆動させるときの、各信号の変化を示すタイミングチャートであり、図２（ａ）はパルス発生器１２より出力されるＰＷＭ信号を示し、図２（ｂ）は第１ドライバ１４の出力信号を示し、図２（ｃ）は第２ドライバ１５の出力信号を示し、図２（ｄ）はモータＭ１に流れる電流を示している。

そして、図２（ａ）に示すように、パルス発生器１２より周期ｔ１（周波数１／ｔ１）で、オン時間がｔ２（ｔ２＞ｔ１／２）となるデューティ比のＰＷＭ信号が出力されると、図２（ｂ）に示すように第１ドライバ１４の出力信号はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号と同一の信号となり、また、図２（ｃ）に示すように第２ドライバ１５の出力信号はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号を所定の遅延時間ｔｄだけ遅延した信号となる。

従って、常に第１電子スイッチ（Ｔ１）及び第２電子スイッチ（Ｔ２）のうちの少なくとも一方がオン状態となるので、モータＭ１には常にバッテリＶＢより出力される電力が供給されることとなり、モータＭ１に流れる電流は図２（ｄ）に示すように、デューティ比１００％の電流となる。

図３は、モータＭ１を５０％のデューティ比で駆動させるときの、各信号の変化を示すタイミングチャートであり、図３（ａ）はパルス発生器１２より出力されるＰＷＭ信号を示し、図３（ｂ）は第１ドライバ１４の出力信号を示し、図３（ｃ）は第２ドライバ１５の出力信号を示し、図３（ｄ）はモータＭ１に流れる電流を示している。

そして、図３（ａ）に示すように、パルス発生器１２より周期ｔ１（周波数１／ｔ１）で、オン時間がｔ２（ｔ２＝ｔ１／４）となるデューティ比のＰＷＭ信号が出力されると、図３（ｂ）に示すように第１ドライバ１４の出力信号はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号と同一の信号となり、図３（ｃ）に示すように第２ドライバ１５の出力信号はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号を所定の遅延時間ｔｄ（ｔｄ＝２＊ｔ２）だけ遅延した信号となる。

従って、第１電子スイッチ（Ｔ１）は、２５％のデューティ比のＰＷＭ信号により駆動され、第２電子スイッチ（Ｔ２）もやはり２５％のデューティ比のＰＷＭ信号により駆動され、且つ各電子スイッチ（Ｔ１），（Ｔ２）のオンのタイミングは一致しないので、電子スイッチ（Ｔ１）を流れる電流と、電子スイッチ（Ｔ２）を流れる電流を合わせると、合計で５０％のデューティ比の電流がモータＭ１に流れることとなる。

そして、図３に示すタイミングチャートから理解されるように、各電子スイッチ（Ｔ１），（Ｔ２）の周期はｔ１、即ち、駆動周波数は（１／ｔ１）であり、モータ電流に流れる電流の周期はｔ１／２、即ち周波数は（２／ｔ１）であるので、各電子スイッチ（Ｔ１），（Ｔ２）を駆動する周波数の２倍の周波数でモータＭ１が駆動することとなる。

従って、モータ電流を１９［ＫＨｚ］の周波数で駆動させる場合には、その１／２の９．５［ＫＨｚ］の周波数で各電子スイッチ（Ｔ１），（Ｔ２）を駆動すれば良く、また、モータ電流を５０％のデューティ比で駆動させる場合には、その１／２の２５％のデューティ比で各電子スイッチ（Ｔ１），（Ｔ２）を駆動すれば良いことになる。

従って、各電子スイッチ（Ｔ１），（Ｔ２）の発熱量は、図７に示した従来の電子スイッチ（Ｔ１０１）と対比して１／２となる。このため、電子スイッチ（Ｔ１），（Ｔ２）の合計の発熱量は、従来の電子スイッチ（Ｔ１０１）と同一になるものの、発熱を分散させることができるので、全体として放熱構造を簡素化することができ、装置全体の小型化、省スペース化を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係るモータ負荷制御装置の構成を示す回路図である。同図に示すように、第２実施形態では、図１に示した第１実施形態と対比して、ランダム信号発生器１６を備えている点で相違する。それ以外の構成は、図１に示す構成と同一であるので、同一符号を付してその構成説明を省略する。

ランダム信号発生器１６は、遅延回路１３における遅延時間ｔｄを決定する変化量設定信号を、パルス発生器１２より出力されるパルス信号の各周期毎に出力する。具体的には、周期ｔ１の１／２となる（ｔ１／２）に対する変化幅α（「α」はプラス、マイナスの場合がある）をランダムに決定し、この変化幅αを変化量設定信号として遅延回路１３に出力する。

遅延回路１３は、ランダム信号発生器１６より出力される変化幅αに基づき、遅延時間ｔｄを決定する。即ち、各周期毎に決定される変化幅αを、α１，α２，α３，・・とすると、遅延時間ｔｄは、（ｔ１／２）＋α１，（ｔ１／２）＋α２，（ｔ１／２）＋α３，・・のように、ランダムに変化することとなる。なお、各変化幅α１，α２，α３，・・は、遅延時間ｔｄの平均値が周期ｔ１の１／２、即ち、（ｔ１／２）となるように設定される。

次に、第２実施形態に係るモータ負荷制御装置の動作について、図５，図６に示すタイミングチャートを参照して説明する。

図５は、モータＭ１を１００％のデューティ比で駆動させるときの、各信号の変化を示すタイミングチャートであり、図５（ａ）はパルス発生器１２より出力されるＰＷＭ信号を示し、図５（ｂ）は第１ドライバ１４の出力信号を示し、図５（ｃ）は第２ドライバ１５の出力信号を示し、図５（ｄ）はモータＭ１に流れる電流を示している。

そして、図５（ａ）に示すように、パルス発生器１２より周期ｔ１（周波数１／ｔ１）で、オン時間がｔ２（ｔ２＞ｔ１／２＋α）となるデューティ比のＰＷＭ信号が出力されると、図５（ｂ）に示すように第１ドライバ１４の出力信号はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号と同一の信号となる。

また、図５（ｃ）に示すように第２ドライバ１５の出力信号はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号を所定の遅延時間ｔｄだけ遅延した信号となる。この際、上述したように遅延時間ｔｄは、各周期毎に異なるように設定されている。従って、図５（ｃ）に示すように、第２ドライバ１５より出力されるＰＷＭ信号のオン時間ｔ２の発生タイミングは、各周期毎に異なる。

また、ｔ２＞ｔ１／２＋αとなるように設定されているので、第１ドライバ１４、及び第２ドライバ１５より出力されるＰＷＭ信号うちの少なくとも一方はオンとなっており、常に第１電子スイッチ（Ｔ１）、及び第２電子スイッチ（Ｔ２）のうちの少なくとも一方がオン状態となる。このため、モータＭ１には常にバッテリＶＢより出力される電力が供給されることとなり、モータＭ１に流れる電流は図５（ｄ）に示すように、デューティ比１００％の電流となる。

図６は、モータＭ１を５０％のデューティ比で駆動させるときの、各信号の変化を示すタイミングチャートであり、図６（ａ）はパルス発生器１２より出力されるＰＷＭ信号を示し、図６（ｂ）は第１ドライバ１４の出力信号を示し、図６（ｃ）は第２ドライバ１５の出力信号を示し、図６（ｄ）はモータＭ１に流れる電流を示している。

そして、図６（ａ）に示すように、パルス発生器１２より周期ｔ１（周波数１／ｔ１）で、オン時間がｔ２（ｔ２＝ｔ１／４）となるデューティ比のＰＷＭ信号が出力されると、図６（ｂ）に示すように、第１ドライバ１４の出力信号はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号と同一の信号となり、図６（ｃ）に示すように第２ドライバ１５の出力信号はパルス発生器１２より出力されたＰＷＭ信号を所定の遅延時間ｔｄだけ遅延した信号となる。この際、上述したように遅延時間ｔｄは、各周期毎に異なるように設定されている。従って、図６（ｃ）に示すように、第２ドライバ１５より出力されるＰＷＭ信号のオン時間ｔ２の発生タイミングは、各周期毎に異なる。但し、第２ドライバ１５のオン時間ｔ２は、周期ｔ１内に発生し、且つ第１ドライバ１４のオン時間ｔ２と重複しないように設定される。

従って、第１電子スイッチ（Ｔ１）は、２５％のデューティ比のＰＷＭ信号により駆動されるが、一方の第２電子スイッチ（Ｔ２）は、オン時間ｔ２が一定で、遅延時間ｔｄが変化するために周期が上記のｔ１と異なるものになり、デューティ比が毎回変化する。しかし、各電子スイッチ（Ｔ１）、（Ｔ２）のオンタイミングは重複しないので、第１電子スイッチ（Ｔ１）を流れる電流と、第２電子スイッチ（Ｔ２）を流れる電流を合わせると、図６（ｄ）に示すように、合計で５０％のデューティ比の電流がモータＭ１に流れることとなる。

また、図６（ｄ）から理解されるように、モータ電流がオンとなるタイミングは各周期毎にランダムに変化することになる。このため、モータ電流波形の周期は（ｔ１／２）とはならず、（ｔ１／２）を平均値としてプラス側、及びマイナス側にばらつくことになる。その結果、周期（周波数）が一定値ではなく、時間経過に伴って変動することになるので、振動、騒音の共振点をずらすことができ、振動、騒音の発生を低減することができる。従って、上述した第１実施形態の効果に加え、ＰＷＭ信号の周波数を低い周波数に設定した場合でも（周期ｔ１を長くした場合でも）、振動、騒音の発生を抑制することができるという効果を達成できる。

次に、前述した第２実施形態の変形例について説明する。前述した第２実施形態では、モータＭ１の回転数を低下させる必要がある場合には、１周期（ｔ１）の中のオン時間（ｔ２）を短くして対応することになる。即ち、２個の電子スイッチ（Ｔ１）、（Ｔ２）を駆動する際の合計のデューティ比を低下させることになる。

いま、２個の電子スイッチ（Ｔ１）、（Ｔ２）をあるデューティ比で駆動しているときのオン時間をｔ２１とすると、このデューティ比を１／２（即ち、半分）にするには、オン時間ｔ２１を１／２にすれば良い。

ここで、オン時間ｔ２１を維持し、第１ドライバ１４または第２ドライバ１５を停止してもデューティ比を１／２に低下することが可能であり、モータＭ１の回転数を低下させることができる。更に、第１ドライバ１４または第２ドライバ１５を停止すれば、１周期（ｔ１周期）中の、各電子スイッチ（Ｔ１）、（Ｔ２）の合計のオン、オフ回数が半分になるので、ラジオノイズ低減のために有利となる。

しかし、第１ドライバ１４または第２ドライバ１５を停止させると、ｔ１期間中のオフ継続時間が長くなるので、モータＭ１の回転変動が大きくなる。このとき、第２ドライバ１５を停止し、第１ドライバ１４のみを駆動させると、モータＭ１の回転変動は周期性を持つことになるが、第１ドライバ１４を停止し、第２ドライバ１５のみを駆動させると、遅延時間ｔｄがランダムに変化するので回転変動の周期性を乱すことができ、固有振動、固有騒音の発生を防止することができる。

即ち、第２実施形態の変形例では、モータＭ１の回転数を低下させる場合には、周期性を持つ第１ドライバ１４を停止し、遅延時間ｔｄがランダムに変化する第２ドライバ１５を駆動することにより、モータＭ１に生じる振動、騒音を抑制することができる。

以上、本発明のモータ負荷制御装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

発熱を抑制し、且つ振動、騒音の発生を抑制する上で極めて有用である。

本発明の第１実施形態に係るモータ負荷制御装置の構成を示す回路図である。本発明の第１実施形態に係るモータ負荷制御装置に係り、デューティ比１００％のモータ電流を流す場合の各信号の変化を示すタイミングチャートである。本発明の第１実施形態に係るモータ負荷制御装置に係り、デューティ比５０％のモータ電流を流す場合の各信号の変化を示すタイミングチャートである。本発明の第２実施形態に係るモータ負荷制御装置の構成を示す回路図である。本発明の第２実施形態に係るモータ負荷制御装置に係り、デューティ比１００％のモータ電流を流す場合の各信号の変化を示すタイミングチャートである。本発明の第２実施形態に係るモータ負荷制御装置に係り、デューティ比５０％のモータ電流を流す場合の各信号の変化を示すタイミングチャートである。従来におけるモータ負荷制御装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１１エンジンコンピュータ
１２パルス発生器
１３遅延回路
１４第１ドライバ
１５第２ドライバ
１６ランダム信号発生器
１７スイッチ手段
Ｍ１モータ
Ｔ１第１電子スイッチ
Ｔ２第２電子スイッチ
ＶＢバッテリ

Claims

電源より出力される電力をＰＷＭ制御によりモータ負荷に供給して、該モータ負荷を駆動するモータ負荷制御装置において、
前記電源と前記モータ負荷とを接続する回路上に設けられるスイッチ手段と、
前記スイッチ手段をＰＷＭ信号により駆動するＰＷＭ制御手段と、を有し、
前記スイッチ手段は、並列接続された第１の電子スイッチ、及び第２の電子スイッチを備え、
前記ＰＷＭ制御手段は、前記第１の電子スイッチを前記ＰＷＭ信号で駆動し、前記第２の電子スイッチは前記ＰＷＭ信号を所定の遅延時間だけ遅延させた信号で駆動することを特徴とするモータ負荷制御装置。
前記ＰＷＭ制御手段は、前記遅延時間を各周期毎に変化させることを特徴とする請求項１に記載のモータ負荷制御装置。
前記ＰＷＭ制御手段は、前記モータ負荷の回転数を低下させる場合には、前記第１の電子スイッチをオフとし、前記第２の電子スイッチのみを駆動することを特徴とする請求項２に記載のモータ負荷制御装置。