JP2010110171A - モータ制御装置及びモータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化によるモータトルクやモータ負荷の推定の誤差を低減することができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】雰囲気温度を得る温度センサ４及び温度検出回路１４と、雰囲気温度に対応する推定負荷算出の際に用いるモータ特性に係る所定の数値を記憶したモータ特性マップ記憶部１６ｅと、モータの回転速度、加速度、駆動電圧及び雰囲気温度に対応してモータ特性マップ記憶部１６ｅから読み出されたモータ特性に係る所定の数値に基づいてモータの推定負荷を求める推定負荷算出部１６ｂとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの制御を行うモータ制御装置及びそのモータ制御装置とモータとからなるモータ装置に関する。

従来、車両のウィンドウやスライドドアなどの車両用開閉体を直流モータで駆動制御するモータ制御装置が知られている。そのようなモータ制御装置では、異物の挟み込みがあった場合にモータの回転を停止したり反転したりする必要がある。異物の挟み込みを検出するためにモータの負荷を検出することが考えられる。モータの負荷は、モータの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る。そこで、モータの電圧、角速度及び角加速度からモータの負荷を推定し、推定負荷が所定の閾値を越えた状態が所定時間（マスク時間とも言う）以上続いた場合に異物の挟み込みがあると判定することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２には、モータ特性の個体毎の差異や経年変化があっても、異物の挟み込みを精度良く、速やかに検出することが可能なモータ制御装置が示されている。このモータ制御装置では、モータトルクマップを開閉体の閉動作毎に算出することで、モータ特性の個体差や経年変化をモータトルクマップに反映するようにしている。そして、特許文献１と同様にしてモータの電圧、角速度及び角加速度に基づいて推定された推定負荷から、モータ位置に基づいてモータトルクマップを参照して得られるモータトルクを減算することで、推定負荷を調節し、この調節された推定負荷に基づいて物体の挟み込み判定を行うこととしている。

また、特許文献３には、周辺温度、印加電圧、通電時間、回転速度、通電状態等に基づいてモータ巻線の推定温度を算出し、推定された温度が再作動禁止温度領域の温度に含まれる場合にモータへの電力供給を禁止するモータ制御装置が示されている。
特開２００４−２４２４２５号公報 特開２００７−２３９２７８号公報 特開２００７−１４０５７号公報

特許文献１や特許文献２に記載されているモータ制御装置では、モータに設置された回転センサから得られる回転速度や回転加速度と、モータ供給電圧とに基づいてモータトルクが算出され、これが挟み込み検出に用いられている。このモータトルクの算出の際には、モータトルクと回転速度や電圧との関係を示すモータ特性が用いられる。この算出で用いられるモータ特性としては、例えば図７に示すようなものが考えられる。ただし、図７に示すモータ特性は、モータの雰囲気温度を一定とした場合のものであり、雰囲気温度の変化に応じてそのモータ特性は例えば図８に示すように変化する。そのため、一定の温度範囲から外れた温度条件でモータが使用された場合、一定温度条件でのモータ特性のみを用いてモータトルクを推定した場合には、推定されたモータトルクと実際のモータトルクの間の誤差が大きくなってしまうことになる。

なお、特許文献３に記載されているモータ制御装置には、雰囲気温度を検出するための温度センサは設けられているものの、その出力は、モータの焼損防止のために使用されていて、モータ特性の温度変化を補正するために用いられているものではない。

すなわち、モータの回転速度や回転加速度と、モータ供給電圧とに基づいて、モータトルクを推定する場合には、温度条件が変化したときに、推定したモータトルクと実際のモータトルクとの間の誤差が大きくなってしまう場合があるという課題がある。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、温度変化によるモータトルクの推定の誤差やそのモータトルクに基づくモータ負荷推定の誤差を低減することができるモータ制御装置及びモータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、モータの駆動電圧を検出する電圧検出手段と、前記回転速度検出手段によって検出されたモータの回転速度から加速度を算出する加速度算出手段と、雰囲気温度を得る温度取得手段と、前記雰囲気温度に対応する推定負荷算出の際に用いるモータ特性に係る所定の数値を記憶した記憶手段と、前記回転速度検出手段によって検出されたモータの回転速度、前記加速度算出手段によって算出された加速度、前記電圧検出手段によって検出された駆動電圧及び前記温度取得手段で得られた雰囲気温度に対応して前記記憶手段から読み出されたモータ特性に係る所定の数値に基づいてモータの推定負荷を求める推定負荷算出手段とを備えることを特徴とする。
この構成により、モータ制御装置は、温度取得手段により得られた雰囲気温度に対応したモータ特性を示す数値に基づいてモータの推定負荷を算出することで、モータの雰囲気温度（モータ近傍の温度）の変化に対応したモータの推定負荷を行うことができる。

請求項２記載の発明は、前記モータは開閉体を駆動するために用いられるものであって、前記推定負荷算出手段によって算出された推定負荷に基づいて物体の挟み込みを判定する挟み込み判定手段をさらに備えることを特徴とする。
この構成により、モータ制御装置は、モータの雰囲気温度の変化に対応したモータの推定負荷に基づいて物体の挟み込み判定を行うことができ、判定の精度を向上させることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のモータ制御装置と、そのモータ制御装置によって制御されるモータとを備えることを特徴とするモータ装置である。
この構成により、モータ装置は、備えられたモータの雰囲気温度の変化に対応したモータの推定負荷を行うことができる。

本発明によれば、モータの雰囲気温度に対応する推定負荷算出の際に用いるモータ特性に係る所定の数値を記憶した記憶手段を使用して、推定負荷算出手段によって、モータの回転速度、加速度、駆動電圧及び温度取得手段で得られた雰囲気温度に対応して記憶手段から読み出されたモータ特性に係る所定の数値に基づいてモータの推定負荷が求められる。したがって、モータの雰囲気温度が変化した場合でも、モータの負荷推定をその温度変化に対応させて精度よく行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明に基づくモータ制御装置の好適実施形態として、本発明を自動車用パワーウィンドウ装置に適用した場合を示すブロック図である。

図に示されるように、モータ制御装置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１１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１２と、モータ３の駆動電圧を検出する電圧検出手段としての電圧検出回路１３と、モータ３の雰囲気温度（あるいは周囲温度）を検出する温度取得手段としての温度センサ４からの信号に基づいて雰囲気温度を表す電圧値を出力する温度検出回路１４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（またはロータリエンコーダ）５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１５と、モータ制御装置１の主制御を行うＣＰＵ（中央処置装置）１６とが設けられている。

ＣＰＵ１６は、例えば、内部にプログラムやテーブル等の各種データを記憶するＲＯＭ（リードオンリメモリ）、一時記憶手段としてのＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、不揮発性記憶手段としてのフラッシュメモリ、クロック発生回路、カウンタ、タイマ、パラレル入出力回路、アナログ・デジタル変換回路等の各種回路の一部あるいは全部を同一半導体チップ内に備え、プログラムに従って各種の処理を実行する。また、回転センサ５は、例えばモータ３の回転部に取り付けられたセンサマグネットと、それに対向して取り付けられたホール素子とから構成することができる。

上記ＣＰＵ１６には、上記角速度算出回路１５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１６ａと、駆動電圧と角速度と角加速度と雰囲気温度とに基づいてモータ３の外部負荷を推定する推定負荷算出手段としての推定負荷算出部１６ｂと、推定負荷に基づいて挟み込みの判定を行う判定部１６ｃと、角速度算出回路１５からの角速度信号とモータの回転方向とから全閉から全開に至るウィンドウ６の位置に対応するモータ３の位置を算出するモータ位置算出部１６ｄと、温度センサ４を用いて検出される雰囲気温度に対応する推定負荷算出の際に用いるモータ特性に係る所定の数値をテーブルとして記憶する記憶手段としてのモータ特性マップ記憶部１６ｅとが設けられている。このモータ特性マップ記憶部１６ｅは、例えばＣＰＵ１６のＲＯＭ内に構成することができる。

そして、駆動回路１２からの駆動信号に応じてモータ３が正逆転して、例えばドアパネル内に設けられているモータ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６が開閉動作する。なお、オート制御回路１１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。またモータ３の制御としては定電圧制御やＰＷＭ制御（パルス幅制御）を用いることができる。

図２は、図１に示す温度センサ４と温度検出回路１４の構成例を示す回路図である。温度センサ４は、モータ３の内部あるいは外部の近接した位置に設置されている例えばサーミスタなどの半導体素子で構成することができる。図２の温度検出回路１４は、温度センサ４をサーミスタで構成した場合の構成例を示したものである。この場合、温度検出回路１４は、一方の端子が一定電圧の電源Ｖｃｃに接続された抵抗素子Ｒを有して構成されている。その抵抗素子Ｒの他方の端子は、温度センサ４を構成するサーミスタの一方の端子と接続されている。また、サーミスタの他方の端子はグランドに接続されている（接地されていると）。この構成において、温度検出回路１４は、サーミスタからなる温度センサ４の温度による抵抗値の変化を電圧値の変化に変換してＣＰＵ１６へ出力する。

次に、このようにして構成されたモータ制御装置１による主要な処理の内容について説明する。
（１）角速度及び角加速度の算出：
角速度算出回路１５は、回転センサ５から図３に示すようなパルス信号を入力し、各パルス信号間の間隔に基づいてアマチュア周期Ｔを算出し、その値から角速度ωを下式（１）に基づいて算出する。

ここで、ωは角速度［ｒａｄ／ｓ］、Ｔはアマチュア周期［ｓ］である。なお、この場合、モータ３には所定の減速比を有する減速機構が設けられていて、回転センサ５は減速後の回転数を検知するように設置されているものとしている。図３は、回転センサ５から出力されるパルス信号の一例を示すタイミング図である。この場合、回転センサ５は、位相のずれた２種類（Ａ相及びＢ相）の信号を出力することで、回転方向を検知することができるようになっている。

角速度算出回路１５は、上記のようにして求めた角速度ωをデジタルあるいはアナログの値としてＣＰＵ１６へ入力する。ＣＰＵ１６では、角加速度算出部１６ａにて角速度算出回路１５から入力された角速度ωの所定時間当たりの変化量を求めることで角加速度・ωを算出する。ここで「・ω」は下記の式（３）の最後尾に示す変数を表すものであるとする。

（２）モータ負荷推定値の算出：モータ負荷推定値の処理は、推定負荷算出部１６ｂにおいて、まずモータトルク推定値を算出し、その算出したモータトルクを用いてモータ負荷推定値を算出するという２つの処理で行うことができる。まず、モータトルク推定値を算出する処理を説明し、次にモータ負荷推定値を算出する処理を説明する。

（ア）モータトルク推定値の算出：
推定負荷算出部１６ｂによるモータトルク推定値の算出は、下式（２）を用いて行うことができる。

ここで、Ｔm（ｎ）はｎ番目のサンプリングタイミングにおけるモータトルク推定値［Ｎｍ］、Ｔmtlkv16はモータ供給電圧が１６Ｖのときのモータロックトルク［Ｎｍ］、ａは基本特性傾き［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］、Ｖmotはモータ供給電圧［Ｖ］、ω（ｎ）はｎ番目のサンプリングタイミングにおけるモータ角速度［ｒａｄ／ｓ］である。

ここで、図４及び図５を参照して式（２）における各変数について説明する。図４は角速度ωとモータトルクＴmとの関係を示す模式図であり、雰囲気温度を２０℃一定としてモータ供給電圧（＝駆動電圧）を８Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖと変化させた場合の特性を示している。また、図５は角速度ωとモータトルクＴmとの関係を示す模式図であり、モータ供給電圧を１６Ｖ一定として雰囲気温度を２０℃より低い温度、２０℃、２０℃より高い温度と変化させた場合の特性を示している。

図４に示すように、モータトルクＴmは角速度ωが大きくなるにつれてほぼ一定の傾き（傾きａとする）で減少する。また、角速度ω＝０のときのトルクすなわちロックトルクの値は、モータ供給電圧（＝駆動電圧）にほぼ比例して大きくなる。すなわち、例えば１６Ｖ時のモータロックトルクＴmtlkv16に対して、１２Ｖ時はその１６分の１２（＝４分の３）、８Ｖ時はその１６分の８（半分）の値となる。本願では、この傾きａを基本特性傾きと呼んでいる。

また、図５に示すように、式（２）における変数である、モータ供給電圧が１６ＶのときのモータロックトルクＴmtlkv16と基本特性傾きａは温度依存性を有している。そこで、本実施の形態では、図１のモータ特性マップ記憶部１６ｅ内に例として図６に示すような雰囲気温度と、モータ供給電圧が１６ＶのときのモータロックトルクＴmtlkv16と基本特性傾きａとの対応関係をテーブルとして記憶し、温度に応じて異なるモータ特性を用いてモータトルクＴmを推定することとしている。すなわち、推定負荷算出部１６ｂは、温度検出回路１４から入力されたモータ３の雰囲気温度を示す値に基づいてモータ特性マップ記憶部１６ｅから対応するモータロックトルクＴmtlkv16と基本特性傾きａの各数値を呼び出し、これらの値と、電圧検出回路１３及び角速度算出回路１５で求められた電圧値Ｖmot及び角速度値ωを用いて、式（２）からモータトルク推定値Ｔmを算出する。

図６に示す例では、テーブル内に３種類の温度範囲（−３０℃以上０℃未満、０℃以上４０℃未満、４０℃以上８０℃未満）を設定し、それぞれの温度範囲に対応するモータ供給電圧が１６ＶのときのモータロックトルクＴmtlkv16（１５Ｎｍ、１１Ｎｍ、８Ｎｍ）と、基本特性傾きａ（−１．３、−０．９、−０．６）とを設定している。これらの値は、モータの設計値に基づくシミュレーション結果から決定したり、あるいは実際に測定をした値を用いて決定したりすることができる。

なお、本実施の形態では、上述したように、モータ特性マップ記憶部１６ｅとして、雰囲気温度と、モータ特性の温度依存性を表すための上記のようなモータ特性に係る所定の数値との関係を示すテーブルを用意することした。しかしながら、これに限らず、例えば雰囲気温度をパラメータとする数式を用意して、この数式を用いてモータ特性に関する各種パラメータ（例えば上記のＴmtlkv16、ａ等のモータ特性に係る所定の数値）を算出するようにしてもよい。この場合、モータ特性マップ記憶部１６ｅには、その数式を表す情報を格納することになる。

（イ）モータ負荷推定値の算出：
次に、推定負荷算出部１６ｂによるモータ負荷推定値の算出は、上式（２）で求めたモータトルクＴmを用いて、下式（３）に従って行うことができる。

ここで、Ｔl（ｎ）はｎ番目のサンプリングタイミングにおける負荷推定値［Ｎｍ］、Ｊmは「アマチュア慣性モーメント」×「減速比」［ｋｇ・ｍ²］、・ω（ｎ）（式（３）の最後の変数）はｎ番目のサンプリングタイミングにおける角加速度［ｒａｄ／ｓ²］を表している。

以上のように、推定負荷算出部１６ｂは、温度変化に応じて適切なモータ特性を使用してモータトルクを算出するようにしているので、モータトルクの推定精度が高くなり、モータトルクに基づいて算出するモータ負荷推定値の推定精度も向上させることができる。

（３）挟み込み判定処理：
判定部１６ｃは、推定負荷算出部１６ｂによって算出された推定負荷に基づいて物体の挟み込みの有無を判定する。判定部１６ｃは、推定負荷算出部１６ｂによって算出された推定負荷の値が、所定の負荷閾値以上であるか否かを判別し、負荷閾値以上である状態が所定時間以上継続した場合に挟み込み状態が発生していると判定する。そして、判定部１６ｃは、挟み込み状態が発生していると判定した場合には、駆動回路１２に対してモータ３の駆動を停止や逆転させるための信号を出力する。

以上のように、本実施の形態のモータ制御装置１によれば、雰囲気温度によって変化するモータトルクの値を、温度に応じて異なるモータ特性に関するパラメータ（モータ特性に係る所定の数値）を用いて推定することで、精度よく算出することが可能となる。これによれば、推定したモータトルクに基づいて算出されるモータ負荷推定値に基づく挟み込み判定の精度を高めることができるので、挟み込み判定における誤判定の可能性を低くすることができる。また、挟み込み判定に用いる閾値に、温度に応じたばらつきを含める必要性が低くなるので、挟み込み検知荷重を低減しやすくなるという効果も得られる。

なお、本発明の実施の形態は、上記に限定されるものではなく、駆動電流を直接検出せずにモータトルクを推定する他のモータ制御システム一般に適用可能であると考えられる。また、上記の構成に、特許文献２に記載されているような図１の位置算出部１６ｄで算出された位置情報を用いる構成を組み合わせることなども可能である。また、雰囲気温度の検出方法も上記に限られず、種々の方法が可能である。例えば、モータ３の内部あるいは近傍から温度センサ４を省略し、例えば車両の他のシステムの温度センサで検出された値を用いることができるようにしたり、温度センサ４の出力以外の他の信号に基づいて雰囲気温度を所定の推定方法で推定するようにしたりする変更が適宜可能である。

本発明のモータ制御装置を自動車用パワーウィンドウ装置に適用した場合の実施の形態の構成例を示すブロック図。 図１の温度センサ４及び温度検出回路１４の構成例を示す回路図。 回転センサ５の出力信号の一例を示すタイミング図。 モータ特性のモータ供給電圧（駆動電圧）による変化を示す図。 モータ特性の温度変化を示す図。 図１のモータ特性マップ記憶部１６ｅに記憶するテーブルの一例を示す図。 モータ特性の駆動電圧変化を説明するための図。 モータ特性の温度変化を説明するための図。

符号の説明

１…モータ制御装置
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…温度センサ、５…回転センサ、６…ウィンドウ
１１…オート制御回路、１２…駆動回路、１３…電圧検出回路
１４…温度検出回路、１５…角速度算出回路、１６…ＣＰＵ
１６ａ…角加速度算出部、１６ｂ…推定負荷算出部、１６ｃ…判定部
１６ｄ…位置算出部、１６ｅ…モータ特性マップ記憶部

Claims (3)

1. モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   モータの駆動電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記回転速度検出手段によって検出されたモータの回転速度から加速度を算出する加速度算出手段と、
   雰囲気温度を得る温度取得手段と、
   前記雰囲気温度に対応する推定負荷算出の際に用いるモータ特性に係る所定の数値を記憶した記憶手段と、
   前記回転速度検出手段によって検出されたモータの回転速度、前記加速度算出手段によって算出された加速度、前記電圧検出手段によって検出された駆動電圧及び前記温度取得手段で得られた雰囲気温度に対応して前記記憶手段から読み出されたモータ特性に係る所定の数値に基づいてモータの推定負荷を求める推定負荷算出手段と
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記モータは開閉体を駆動するために用いられるものであって、
   前記推定負荷算出手段によって算出された推定負荷に基づいて物体の挟み込みを判定する挟み込み判定手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 請求項１又は２記載のモータ制御装置と、
   そのモータ制御装置によって制御されるモータと
   を備えることを特徴とするモータ装置。

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