JP2020103005A - 電動ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】電圧制御の有効性を損なうことなく、モータ部の負荷が上昇する状況でも過剰な電流が供給される不都合を抑制できる電動ポンプを構成する。【解決手段】回転作動により流体を送り出すポンプ部１と、ポンプ部１を回転駆動するブラシレスＤＣ型のモータ部２と、モータ部２に供給する電流を制御する制御部１０とを備えている。制御部１０が、目標電圧に基づきモータ部２に供給する電流を制御する電圧制御と、目標電流に基づきモータ部に供給する電流を制御する電流制御との切り換えを可能に構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、流体を送り出すポンプ部と、ポンプ部を回転駆動する電動モータ部と、電動モータ部に供給する電力を制御する制御部とを備えている電動ポンプに関する。

上記構成の電動ポンプとして特許文献１には、モータを定電流制御と、定電圧制御とに切換可能な制御部が記載されている。

また、特許文献２には、ブラシレスＤＣモータを、電流フィードバック制御と、回転数制御との何れかで制御する制御装置が記載されている。

特開２０１５−１７５２９０号公報 特開２００４−１６６４３６号公報

特許文献１に記載される定電圧制御は、モータに供給する電力の電圧値を一定に維持する制御であるため、負荷が上昇した場合には、モータに供給される電流値が上昇し、場合によってはモータを含むシステムが許容する電流値を超えることも考えられるものであった。

また、特許文献２に記載される電流フィードバック制御では、高負荷でモータを駆動する場合には、消費電流量が一定値に抑えられるため、モータの回転数を低下させ、モータの脱調を招くことも考えられた。

このような理由から、電圧制御の有効性を損なうことなく、モータ部の負荷が上昇する状況で過剰な電流が供給される不都合を抑制できる電動ポンプが求められる。

本発明に係る電動ポンプの特徴構成は、回転作動により流体を送り出すポンプ部と、前記ポンプ部を回転駆動するブラシレスＤＣ型のモータ部と、前記モータ部に供給する電流を制御する制御部とを備え、前記制御部が、目標電圧に基づき前記モータ部に供給する電流を制御する電圧制御と、目標電流に基づき前記モータ部に供給する電流を制御する電流制御との切り換えを可能に構成されている点にある。

この特徴構成によると、電圧制御として、例えば、電源からの電流をパルス幅変調（ＰＷＭ）で目標とする電圧に変換してブラシレスＤＣ型のモータ部に供給することにより、ブラシレスＤＣ型のモータ部の回転速度（単位時間あたりの回転数）の制御を容易に行える。また、例えば、ポンプ部に作用する負荷が増大した場合には、電流制御によってモータ部に供給する電流を制御することにより、過剰な電流をモータ部に供給する不都合を抑制できる。
従って、電圧制御の有効性を損なうことなく、モータ部の負荷が上昇する状況では過剰な電流が供給される不都合を抑制できる電動ポンプが構成された。

他の構成として、前記制御部は、前記電圧制御において、前記電圧制御と前記電流制御との切り換えを可能にする制限可能モードと、前記電圧制御のみを行う非制限モードとの何れか一方を動作モードとして選択して決定する決定処理を行っても良い。

これによると、動作モードとして制限可能モードの選択を決定した場合には、例えば、モータ部に作用する負荷が増大した場合に電流制御に切り換えることにより、モータ部に対し過剰な電流の供給を抑制できる。これに対し、動作モードとして非制限モードの選択を決定することにより、例えば、モータ部に作用する負荷が多少変動する状況でもモータ部に対して電流を継続して供給することにより、ポンプ部での流体の吐出量を大きく低減することや、モータ部の脱調の抑制を可能にする。

他の構成として、前記制限可能モードでは、前記モータ部に供給される上限の電流値が限界値として設定されると共に、前記制御部は、前記モータ部に供給される電流が前記限界値未満である場合には、前記電圧制御を行い、前記モータ部に供給される電流が前記限界値以上となる状況では、前記電圧制御に代えて前記電流制御として前記限界値未満の電流を供給しても良い。

これによると、限界値を予め設定しておくことにより、モータ部に供給される電流が限界値未満である場合に電圧制御を行い、モータ部に供給される電流が限界値以上となる状況では、電圧制御に換えて電流制御として限界値未満の電流を供給することが可能となる。つまり、モータ部に供給される上限の電流値を限界値として設定するだけで、電圧制御から電流制御への自動的な切り換えが可能となり、電流制御では、限界値を超える電流がモータ部に供給されることがない。

他の構成として、前記制御部は、前記電圧制御において、前記モータ部の単位時間あたりの回転数が、第１設定値未満である場合に前記非制限モードを選択し、前記回転数が前記第１設定値を超える場合に前記制限可能モードを選択し、前記制限可能モードでの制御の実行時に前記回転数が前記第１設定値未満に低下した際に前記非制限モードに移行して前記限界値を超える電流を供給可能にしても良い。

これによると、モータ部の単位時間あたりの回転数が、第１設定値未満である場合に、動作モードが非制限モードに決定される。このため、モータ部が低速で回転してもモータ部に対して充分な電流を供給し、低速化を抑制して脱調を抑制できる。これとは逆にモータ部の単位時間あたりの回転数が、第１設定値を超える場合に、動作モードが制限可能モードに決定される。このため、例えば、電圧制御の実行時にモータ部に供給される電流が限界値まで上昇する場合には、電流制御に切り換わることでモータ部に対して限界値を超える過剰な電流の供給が抑制される。特に、制限可能モードで制御が行われる際に回転数が第１設定値未満に低下した場合には、動作モードが非制限モードに移行し、限界値を超える電流の供給が可能となり、脱調を抑制できる。

他の構成として、前記非制限モードにある状況で、前記回転数が前記第１設定値より大きい第２設定値を超えた場合に前記制限可能モードに移行しても良い。

これによると、非制限モードにある状況で、モータ部の単位時間あたりの回転数が第２設定値を超えた場合に、制限可能モードに移行することにより、非制限モードと制限可能モードとの切り換えを適正に行える。

電動ポンプの構成を示すブロック図である。 ポンプ制御のフローチャートである。 モータ制御ルーチンのフローチャートである。 回転制御ルーチンのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１に示すように、回転作動により流体を送り出すポンプ部１と、ポンプ部１を回転駆動するブラシレスＤＣ型のモータ部２と、モータ部２に供給する電流を制御する制御部１０とを備えて電動ポンプＰが構成されている。

この電動ポンプＰは、車両の走行駆動系のミッションケース等に貯留されるオイルを供給するために用いられるものを例に挙げている。この電動ポンプＰは、車両に備えられるバッテリーで成る直流電源３から供給される電流を、制御部１０を介してモータ部２に供給する。尚、この電動ポンプＰによって供給する流体はオイルに限るものではなく、冷却水等の液体を対象としても良い。

モータ部２は、三相モータと共通する構成の界磁コイルと、界磁コイルから作用する磁力により回転するように永久磁石を有するロータ（図示せず）とを備えており、ロータの駆動力によりポンプ部１が駆動される。また、モータ部２は、ロータの回転位置を検出するためのセンサを備えないセンサレス型として構成されている。

〔制御部〕
図１に示すように、制御部１０は、ドライバユニット１１と、電流制御ユニット１２と、回転位置検出ユニット１３と、制御管理ユニット１４とを備えている。

ドライバユニット１１は、モータ部２に電流を供給する際にＯＮ制御される複数のＦＥＴを有している。電流制御ユニット１２は、目標とする駆動電圧に対応した目標デューティ比の制御信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）の技術により生成し、回転位置検出ユニット１３の検出信号と同期するタイミングでドライバユニット１１の複数のＦＥＴを個別に駆動する駆動回路を有している。尚、電流制御ユニット１２は、ベクトル制御も可能に構成されている。

回転位置検出ユニット１３は、ロータの回転時にモータ部２の各コイルに生ずる誘起電圧からロータの回転位置を検知する。

制御管理ユニット１４は、温度センサ４で検知されるミッションケースの温度情報、及び、目標とするオイルの供給量等の目標情報、電源電圧、電源電流等に基づいてＰＷＭによるＦＥＴ駆動デューティ比の上限値Ｄｍａｘと下限値Ｄｍｉｎとを設定すると共に、モータ部２の電圧制御と電流制御との切り換えが可能に構成されている。

制御部１０は、ドライバユニット１１と、電流制御ユニット１２と、回転位置検出ユニット１３とがハードウエアで構成されるものであり、制御管理ユニット１４がハードウエアとソフトウエアとの組み合わせで構成される。

〔制御形態〕
制御管理ユニット１４では、図２のフローチャートに示すように、ポンプ部１の制御（以下、ポンプ制御と称する）を実行する。このポンプ制御では、制御情報を取得し、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙを算出する（＃１０１、＃１０２ステップ）。

この制御において、制御情報はオイルの単位時間あたりの目標吐出量や、温度センサ４で取得される温度情報等である。特に、＃１０２ステップには、同ステップにおいて横軸に入力値（単位はデューティ比（％））を取り、縦軸にＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙ（単位はデューティ比（％））を取り、制御情報としての入力ＳＩＧに基づき所定の特性ラインＬからＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの値としてのＤｓｉｇを取得するグラフを示している。

尚、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙは、電流制御ユニット１２がドライバユニット１１の複数のＦＥＴを駆動することにより、モータ部２の界磁コイルが現実に駆動される際のＰＷＭのデューティ比の駆動信号である。

次に、回転位置検出ユニット１３からの信号に基づき、ロータの回転位置が検出した場合にロータの回転数を取得すると共に、ロータの概算回転数を演算し、この概算回転数に基づいて動作モード決定処理を行う（＃１０３〜＃１０７ステップ）。

＃１０４ステップでロータの回転を検出するためには、モータ部２のロータが回転状態にあることが条件となる。また、＃１０５ステップでは単位時間あたりの回転数を算出し、＃１０６ステップでは概算回転数を算出する。

概算回転数とは、例えば、移動平均のように設定時間内における平均回転数の値、あるいは、所定の桁の数値を四捨五入した値、あるいは、所定インターバルで取得したロータの回転数の平均値のようにリアルタイムで取得した現実の回転数の変動による影響の抑制が可能となる値を想定している。

モード決定処理（＃１０７ステップ）では、モータ部２のロータが停止状態から回転を開始した直後やロータが低回転で回転を継続する場合のように、例えば、概算回転数が第２設定値としての８００ｒｐｍを超えない状況では、動作モードとして非制限モードＭａの選択が決定される。これに対して、ロータの回転の概算回転数が８００ｒｐｍを超えた後には、動作モードとして制限可能モードＭｂの選択が決定される。

非制限モードＭａは、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの上限を１００％に設定することが可能で、電圧制御が行われるモードである。また、制限可能モードＭｂは、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの上限が１００％以下に設定され、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙが上限に達するまでは電圧制御を行われ、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙが上限にする場合には、電流制御によりＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙを上限に維持するモードである。

特に、この制御では、制限可能モードＭｂが決定された後において、例えば、概算回転数が第１設定値としての５００ｒｐｍ未満に低下するまでは、制限可能モードＭｂが維持される。また、概算回転数が５００ｒｐｍ未満に低下した場合には、動作モートとして非制限モードＭａが決定され、この非制限モードＭａは、概算回転数が８００ｒｐｍを超えるまで維持される。このようにヒステリシスを設定することでモードが頻繁に切り換わる不都合を抑制している。

尚、５００ｒｐｍ（第１設定値）と８００ｒｐｍ（第２設定値）とは、特定の電動ポンプＰを制御する際に設定される値であり、動作モードを決定するための回転数として任意の値を設定することも可能である。例えば、非制限モードＭａと制限可能モードＭｂとの切り換えを、いずれも５００ｒｐｍで行っても良い。

次に、＃１０４ステップでロータの回転が検出されない場合、及び、＃１０７のモード決定処理が行われた後には、ドライバユニット１１の情報を取得し（＃１０８ステップ）、モータ制御ルーチン（＃２００ステップ）を実行し、この後に、制御全体がリセットされない限り＃１０１ステップからの処理が反復して行われる。

モータ制御ルーチン（＃２００ステップ）は、サブルーチンとして設定されるものであり、その制御形態を図３のフローチャートに示している。

図３に示すように、ＦＥＴ制御情報は、モータ部２の界磁コイルが現実に駆動される際に電流制御ユニット１２からドライバユニット１１に出力される駆動信号の出力状況を示す情報であり、このＦＥＴ制御情報からＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙが０％を超えない場合（＃２０１のＮｏ）には、モータ部２の停止状態が維持される（＃２０１、＃２０２ステップ）。

次に、＃２０１ステップにおいて、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙ０％を超える場合（＃２０１のＹｅｓ）には、更に、モータ部２においてロータの位置が検出可能か否かを判定する。この判定によりロータが検出されない場合（＃２０３のＮｏ）には、モータ部２を起動する（＃２０３、＃２０４ステップ）。

そして、＃２０３ステップでロータの位置が検出された場合（＃２０３のＹｅｓ）には、ロータは既に回転状態にあるため、回転制御ルーチン（＃３００ステップ）を実行する。

この回転制御ルーチン（＃３００ステップ）は、モータ制御ルーチン（＃２００ステップ）において、更に、サブルーチンとして設定されるものであり、その制御形態を図４のフローチャートに示している。

図４に示すように、回転制御ルーチン（＃３００ステップ）ではモータ部２の動作モードを判定する。動作モードが非制限モードＭａである場合には、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの上限を１００％に設定する（＃３０１、＃３０２ステップ）。これに対し、動作モードが制限可能モードＭｂである場合にはＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの上限を演算によって求める（＃３０１、＃３０３ステップ）。

非制限モードＭａでは、ロータが低速で回転する状況にあるため、＃３０２ステップでＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの上限を１００％に設定することにより、ロータ回転の高速化を可能にしている。

これに対し、＃３０３ステップでは、ロータが既に高速で回転する状況にあるため、＃３０３ステップに示すように、モータ部２に供給される電流の目標電源電流値が例えば、５．９Ａに設定された際に、ＰＩ制御で設定されるＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの値を演算によって求め、このＤｕｔｙを上限値Ｄｍａｘとして制御管理ユニット１４に記憶する。

尚、＃３０３ステップは、上限値Ｄｍａｘを設定する処理形態の一例であり、目標電源電流値は５．９Ａに限るものではなく任意の値を設定することが可能である。また、上限値Ｄｍａｘを求めるための処理として、複数の情報を記憶したテーブルデータから上限値Ｄｍａｘを求めても良い。

このように設定される上限値Ｄｍａｘが、制限可能モードＭｂにおいてモータ部２に供給される電流値の限界値であり、後述するように、モータ部２に供給される電流が上限値Ｄｍａｘ（限界値）を超えることがない電流制御を可能にしている。

また、＃３０２、＃３０３ステップにおいてＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの上限値Ｄｍａｘが設定された後には、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙの下限値Ｄｍｉｎ（％）を演算により設定する（＃３０４ステップ）。

＃３０４ステップでは、電源電圧値（１２Ｖとしている）を所定の電圧値（ＢＶとしている）で除し、３０％を乗ずる演算により、下限値Ｄｍｉｎを求めている。尚、この演算の結果、下限値Ｄｍｉｎ≦２５（％）である場合には、下限値Ｄｍｉｎ＝２５（％）とする。

＃３０４ステップは、下限値Ｄｍｉｎを設定する処理形態の一例であり、演算式は同ステップに記載したものに限るものではなく、演算に用いる数値も任意の値を用いることが可能である。

次に、＃１０２ステップで演算された目標値Ｄｓｉｇ（ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙ）と上限値Ｄｍａｘとの比較の結果、Ｄｓｉｇ＜Ｄｍａｘが成立しない場合（＃３０５のＮｏ）で、更に、目標値Ｄｓｉｇと下限値Ｄｍｉｎとの比較の結果、Ｄｓｉｇ＜Ｄｍｉｎが成立しない場合（＃３０６のＮｏ）には、上限値ＤｍａｘをＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙに設定する（＃３０５〜＃３０７ステップ）。

これにより、＃３０２ステップ、又は、＃３０３ステップで設定された上限値ＤｍａｘがＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙとして電流制御ユニット１２に与えられ、この上限値Ｄｍａｘのディティ比でドライバユニット１１が駆動される。

これに対して、＃３０５ステップにおいて、Ｄｓｉｇ＜Ｄｍａｘが成立した場合（＃３０５のＹｅｓ）には、更に、目標値Ｄｓｉｇと下限値Ｄｍｉｎとを比較した結果、Ｄｓｉｇ＞Ｄｍｉｎが成立しない場合（＃３０８のＮｏ）、又は、＃３０６ステップにおいて、Ｄｓｉｇ＜Ｄｍｉｎが成立した場合（＃３０６のＹｅｓ）には、下限値ＤｍｉｎをＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙに設定する（＃３０８、＃３０９ステップ）。

これにより、＃３０４で設定された下限値ＤｍｉｎがＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙとして電流制御ユニット１２に与えられ、この下限値Ｄｍｉｎでドライバユニット１１が駆動される。

更に、＃３０８ステップにおいて、Ｄｓｉｇ＞Ｄｍｉｎが成立する場合（＃３０８のＹｅｓ）には、目標値ＤｓｉｇをＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙに設定する（＃３１０ステップ）。

これにより、＃１０２ステップで演算された目標値ＤｓｉｇがＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙとして電流制御ユニット１２に与えられ、この目標値Ｄｓｉｇでドライバユニット１１が駆動される。

〔電圧制御と電流制御〕
この電動ポンプＰでは、制御管理ユニット１４において、外部から伝えられる目標情報や、温度センサ４の計測値に基づき、モータ部２に供給すべき電流の目標電圧に対応するＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙを設定する電圧制御によりポンプ部１において必要とするオイルの吐出量を得ている。

制御管理ユニット１４では、駆動モードが非制限モードＭａにある場合には、必ず電圧制御が実行される。また、駆動モードが制限可能モードＭｂにある場合でも、図４に示すフローチャートの＃３０３ステップで設定された上限値Ｄｍａｘを超えないデューティ比の駆動信号がＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙに設定される場合には電圧制御が実行される。

これに対して、図２のフローチャートに示す＃１０２ステップで設定される目標値Ｄｓｉｇが、図４のフローチャートに示す＃３０３ステップで設定された上限値Ｄｍａｘを超える場合には、この上限値Ｄｍａｘに等しいデューティ比の電圧を印加したときの駆動電流がＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙに設定される。これが電流制御である。

つまり、図４のフローチャートに示す＃３０３ステップでは、目標電源電流（実施形態では５．９Ａの電流）をモータ部２の界磁コイルに供給するためにＰＩ制御を実行した際に設定されるデューティ比を上限値Ｄｍａｘとして演算しているため、目標値Ｄｓｉｇがどのような値であっても、ＦＥＴ駆動Ｄｕｔｙが上限値Ｄｍａｘを超えることはなく、電流制御が実現するのである。

〔実施形態の作用効果〕
電圧制御として、例えば、直流電源３からの電流をパルス幅変調（ＰＷＭ）によって目標とする電圧に変換してブラシレスＤＣ型のモータ部２に供給する電圧制御により、ブラシレスＤＣ型のモータ部２の回転速度の制御を容易に行える。

また、例えば、ポンプ部１に作用する負荷が増大し、モータ部２の界磁コイルに供給される電流の電流値が上昇する状況では、電流制御を行うことによりモータ部２に供給する電流の電流値の上限が決まることになり、過剰な電流をモータ部に供給する不都合を抑制できる。

この電動ポンプＰでは、モータ部２のロータの回転速度に基づいて非制限モードＭａと制限可能モードＭｂとの切換を行うため、モータ部２に作用する負荷が多少変動する状況でもモータ部２に対し、電圧制御により電流を継続して供給することが可能となり、モータ部の脱調の抑制できる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）実施形態では、モータ部２に供給される電流が上限値Ｄｍａｘを超えないように電流制御の制御形態が設定されていたが、例えば、モータ部２の界磁コイルに供給される電流値を検知する電流センサを備え、この電流センサの検出値に基づいて界磁コイルに供給する電流を制御するように電流制御の制御形態を設定することも可能である。

この別実施形態（ａ）のように電流センサを用いる構成では、モータ部２の界磁コイルに対して現実に供給されている電流値を取得できるので、制御の精度が向上する。

この別実施形態（ａ）の変形例として、実施形態と同様に電流センサを用いずに、例えば、このように電流制御を行う際に、例えば、入力ＳＩＧの値が、予め設定された値を超えた場合に電流制御を行うように、入力ＳＩＧの値に対応して上限値Ｄｍａｘと下限値Ｄｍｉｎとを設定することにより電流制御を実現するように制御形態を設定しても良い。

（ｂ）図４の＃３０３ステップで上限値Ｄｍａｘを演算する際に、モータ部２の界磁コイルの温度から界磁コイルの抵抗値を演算に反映させることも考えられる。つまり、界磁コイルは温度によって電気抵抗が変化することから、例えば、温度に対する抵抗値をテーブルデータ等で参照するように処理形態を設定することにより、上限値Ｄｍａｘの値の精度を高めることが可能となる。

本発明は、モータ部で駆動されるポンプ部を備えた電動ポンプに利用できる。

１ ポンプ部
２ モータ部
１０ 制御部
Ｍａ 非制限モード
Ｍｂ 制限可能モード

Claims (5)

1. 回転作動により流体を送り出すポンプ部と、
   前記ポンプ部を回転駆動するブラシレスＤＣ型のモータ部と、
   前記モータ部に供給する電流を制御する制御部とを備え、
   前記制御部が、目標電圧に基づき前記モータ部に供給する電流を制御する電圧制御と、目標電流に基づき前記モータ部に供給する電流を制御する電流制御との切り換えを可能に構成されている電動ポンプ。
2. 前記制御部は、前記電圧制御において、前記電圧制御と前記電流制御との切り換えを可能にする制限可能モードと、前記電圧制御のみを行う非制限モードとの何れか一方を動作モードとして選択して決定する決定処理を行う請求項１に記載の電動ポンプ。
3. 前記制限可能モードでは、前記モータ部に供給される上限の電流値が限界値として設定されると共に、
   前記制御部は、前記モータ部に供給される電流が前記限界値未満である場合には、前記電圧制御を行い、前記モータ部に供給される電流が前記限界値以上となる状況では、前記電圧制御に代えて前記電流制御として前記限界値未満の電流を供給する請求項２に記載の電動ポンプ。
4. 前記制御部は、前記電圧制御において、前記モータ部の単位時間あたりの回転数が、第１設定値未満である場合に前記非制限モードを選択し、前記回転数が前記第１設定値を超える場合に前記制限可能モードを選択し、
   前記制限可能モードでの制御の実行時に前記回転数が前記第１設定値未満に低下した際に前記非制限モードに移行して前記限界値を超える電流を供給可能にする請求項３に記載の電動ポンプ。
5. 前記非制限モードにある状況で、前記回転数が前記第１設定値より大きい第２設定値を超えた場合に前記制限可能モードに移行する請求項４に記載の電動ポンプ。

Images