JP3756045B2 - 同期電動機の制御装置および制御方法、ならびに駆動系の作動流体制御用電動ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車の駆動系に使われている作動流体を制御するための電動ポンプに関する。より具体的には、ＣＶＴ（Continuously Variable Transmission: 無段変速装置）や油圧式パワーステアリング装置等の車載用駆動系に使用されている作動流体（オイル等）の流量制御を行うための電動ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に搭載されるＣＶＴには、オイルを作動流体として用いる方式のものがある。たとえば特開２０００−４６１６６号公報には、係るＣＶＴの先行技術が開示されている。
先行技術では、エンジン回転数が所定速度以上では、機械式ポンプのみによって自動変速機に作動流体を供給し、エンジン回転数が所定速度未満では、機械式ポンプに加えて、電動ポンプによって自動変速機に作動流体を供給し、エンジンが停止しているときには電動ポンプによって自動変速機に作動流体を供給する構成になっている。
【０００３】
このように、ＣＶＴでは、従来より電動ポンプが作動流体の供給補助用として利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
作動流体の制御を補助するための電動ポンプには、従来、その駆動源としてブラシ付モータが用いられていた。しかし、ＣＶＴは自動車のエンジンルームに配置され、雰囲気温度が１２０℃以上の高温環境下であるため、ブラシ摩耗が激しく、寿命が短いという課題があった。
そこで本願発明者は、電動ポンプの駆動源にブラシレスモータを使用することを検討した。ブラシレスモータとは、直流電動機と等価な特性を示すようにした同期電動機のことであり、同期電動機および駆動用ドライバを含む装置である。
【０００５】
同期電動機をブラシレスモータとして使用する場合には、一般に、回転子の角度位置を検出するためのセンサが必要である。そしてセンサにより検出された回転子の角度位置に対応した交流電流がインバータによって発生され、界磁巻線に与えられる。
上記センサ付のブラシレスモータを電動ポンプに組み込んだ場合、電動ポンプの使用環境は上述のように高温雰囲気であり、しかも雨天等の運転を考えると、多湿雰囲気である。このため、かかる過酷な環境下におけるセンサの耐温度性能を確認しなければ、車載用の電動ポンプとしては実用化することができない。
【０００６】
そこで本願発明者は、電動ポンプの駆動源に、ブラシレスモータで、しかもセンサのないものを使用した作動流体制御用の電動ポンプを発明した。
この発明の目的は、センサおよびブラシのないセンサレスブラシレスモータを駆動源とする車載用駆動源に使われる作動流体を制御するための電動ポンプを提供することである。
この発明の他の目的は、運転効率の良いセンサレスブラシレスモータ装置およびその制御方法を提供することである。
【０００７】
この発明のさらに他の目的は、起動性能の優れたセンサレスブラシレスモータ装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、同期電動機の制御装置であって、同期電動機の回転子の位置検出は行わず、同期電動機に正弦波の電流を加え、そのときの電圧と電流の位相差が零になるように周波数を制御し、さらに、その周波数が設定周波数になるように電流を制御することによりセンサレス駆動制御することを特徴とする、同期電動機の制御装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の制御装置において、前記正弦波の電流を発生する基準波発生器を有し、周波数と設定周波数との差に基づいた電流値を前記基準波発生器へ与え、発生される正弦波の波高値が制御されることを特徴とする同期電動機の制御装置である。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の制御装置において、周波数を制御するための制御ループには、差動増幅器が含まれ、差動増幅器の利得を０から無限大まで電気的な信号で可変する構造を有することを特徴とする同期電動機の制御装置である。
【０００９】
請求項４記載の発明は、同期電動機の制御方法であって、同期電動機の回転子の位置検出は行わず、同期電動機に正弦波の電流を加え、そのときの電圧と電流の位相差が零になるように周波数を制御し、さらに、その周波数が設定周波数になるように電流を制御することによりセンサレス駆動制御することを特徴とする同期電動機の制御方法である。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の制御方法において、周波数と設定周波数との差に基づいた電流値によって前記周波数の制御を行い、それによって同期電動機に加える正弦波電流の波高値が制御されることを特徴とする同期電動機の制御方法である。
請求項６記載の発明は、自動車の駆動系に使われる作動流体を制御するための電動ポンプであって、作動流体を移動させるためのポンプ本体と、ポンプ本体を回転させるためのモータと、モータのドライバとを有し、モータおよびドライバにセンサレスブラシレスモータが用いられる電動ポンプにおいて、前記モータは、回転子が永久磁石タイプの同期電動機であり、前記ドライバは、上記回転子の位置検出は行わず、モータに正弦波の電力を加え、そのときの電圧と電流の位相差が零になるように周波数を制御し、さらに、その周波数が設定周波数になるように電流を制御することによりセンサレス駆動制御をすることを特徴とする作動流体を制御するための電動ポンプである。
【００１０】
請求項１、２、４または５の発明では、同期電動機の駆動対象（たとえば作動流体を移動させるためのポンプ）の負荷が変化しても、同期電動機がその負荷変動に追従し、脱調しないように、周波数と電流との二重ループ制御が行われる。従って、同期電動機の回転数を所望の回転数に好適に制御できる。また負荷変動に対しても同期電動機が脱調することなく、良好に制御できる。
【００１１】
請求項３の構成では、同期電動機の立上がりが滑らかに制御できる。つまり、同期電動機はある一定の回転速度にならないと力率の検出はできない。しかるに、停止状態にある同期電動機に制御周波数の電力を加えても、同期電動機は回転を開始せず、最初から脱調状態となっていて起動しない。そこで、始動時は、停止状態でも十分に大きな引き込みトルクが発生するような超低周波電力を加え、徐々にその電力の周波数を上げてゆく方法がとられる。そして同期電動機がある回転速度に達すると、請求項１に記載の周波数制御を行う。この場合に、一気に差動増幅器の利得を解放すると、同期電動機の速度が急上昇して用途によっては甚だ不都合なことがある。そこで、速度の設定信号に、低い範囲で、差動増幅器の利得が比例するようにしておくことにより、見かけ上滑らかな加速が得られる制御装置とすることができる。
【００１２】
請求項６の構成によれば、自動車の駆動系に使われる作動流体（オイル等）を制御するための電動ポンプを、ブラシレスでかつセンサレスのモータを駆動源とすることができるので、耐温度特性に優れた長寿命な電動ポンプとなる。また、センサがないことから、低コスト化、省スペース化が可能な電動ポンプを構成できる。さらに、モータに対して周波数と電流との二重ループ制御を行うことによって、電動ポンプの負荷が変化しても、脱調することなく良好に制御することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下には、図面を参照して、この発明の一実施形態について説明をする。
図１は、この発明の一実施形態にかかる作動流体制御用電動ポンプを含む車両の駆動システム（トランスミッション系の駆動システム）の概略構成図である。エンジン１の回転力はトランスミッション２に含まれる主オイルポンプ３に与えられる。つまりエンジン１の駆動中は、エンジン１によって主オイルポンプ３が動作される。主オイルポンプ３は油圧制御部であるコントロールバルブ４にオイルを供給する。そしてコントロールバルブ４はアクチュエータ５に制御油圧を与え、所定の変速制御が実行される。
【００１４】
この駆動システムには、また、補助用電動ポンプ６が含まれている。電動ポンプ６には、ポンプ本体７と、ポンプ本体７を駆動するためのモータ８と、モータ８のドライバ９とが含まれており、ドライバ９およびモータ８はバッテリ１０から供給される電力によって動作される。
電動ポンプ６、より具体的にはポンプ本体７が回転するとコントロールバルブ４にオイルが供給され、コントロールバルブ４によってアクチュエータ５に与えられる制御油圧が変化され、所定の変速制御が実行される。
【００１５】
エンジン１の作動中は、主オイルポンプ３によってコントロールバルブ４にオイルが供給されるが、エンジン１の回転数が低速であったり、エンジン１が停止しているときには、電動ポンプ６が動作されて、コントロールバルブ４へのオイル供給が行われる。
この実施形態における電動ポンプ６には、モータ８およびドライバ９として、センサレスブラシレスモータ装置が採用されている。すなわち、モータ８として同期電動機が用いられ、しかもその回転子の角度位置を検出するためのセンサはなく、ドライバ９によってモータ（同期電動機）８が直流電動機と等価な特性を示すように、高効率で常に運転される。
【００１６】
ドライバ９によるモータ８の運転制御は、以下のように行われる。
モータ８の回転子の位置検出にはこだわらず、モータ８に正弦波の電流を加え、その時の電圧と電流の位相を検出してその差が零になるように周波数を制御する。さらに、その周波数が設定された値になるように、電流を制御する。つまり、周波数と電流との二重ループ制御が行われる。
直接電流を制御せずに、周波数と電流との二重ループ制御にする理由は、次の通りである。モータ８の力率は、周波数の変動に対しては俊敏に反応するが、電流の変化に対しては比較的緩慢な反応しかしない。このため、モータ８が軽負荷で、力率１の状態で運転しているときに、急に負荷が重くなると、モータ８は一瞬進み力率になった後、脱調に至る。負荷が重くなったことに対応して、素早くモータ８に与える周波数を下げるような制御をすると、モータ８は脱調しない。ところが、モータ８に与える周波数をそのままにして、モータ８に与える電流を増加させても、モータ８の脱調は免れない。これは結果を見てから原因を制御したのでは間に合わないのであって、原因に対してそれを補正するような逆の原因を加えるといった同じ次元での制御をしなければならないことを教示している。従って、この実施形態では、電流を制御するのではなく、周波数と電流との二重ループ制御を行うようにした。
【００１７】
以下、より具体的に、この発明に使用されているセンサレスブラシレスモータ装置について説明する。
モータ８には小型の同期電動機が用いられ、その回転子は永久磁石タイプである。ドライバ９にはインバータが含まれていて、バッテリ１０から与えられる直流電力を交流電力に変えてモータ８に与える。
モータ８は、与えられる交流電力の電圧Ｖが一定で、周波数が上昇すれば、電流位相が進む。また、与えられる電圧Ｖおよび周波数ｆを一定にし、負荷（ポンプ７によるオイル供給量等）が上昇すると、電流位相が進む。
【００１８】
この関係を利用して、モータ８を周波数制御するのである。
ところで、モータ８が回転子の角度位置センサを有するものの場合は、そのセンサ信号を、ドライバ９に含まれるインバータのオン／オフ信号（発振信号）として用いることができる。
ところが、この実施形態のように、モータ８がセンサレスモータの場合は、回転子の角度位置を検知しようとすると、センサに代えて回転子の位置信号を出力するものを利用しなければならない。一般的な方法としては、モータ８の逆起電力を回転子の位置信号として利用する方法が知られている。
【００１９】
すなわち、モータ８に対して、ドライバ９からまず低い周波数の駆動電力を加え、回転子の引き込みを行って、モータ８の回転を開始させる。次いで、モータ８が回転開始後は、回転数に同期して回転子に逆起電力が生じるから、その逆起電力の波形から回転子の角度位置を検知することができる。
ところが、かかる方法は、モータ８に与える駆動電力が方形波でなければならず、駆動電力が正弦波の場合は回転子の逆起電力を検知することができない。
【００２０】
一方、モータ８にとっては方形波の電圧制御よりも正弦波の電流制御の方が効率その他の特性上のすべての点で望ましいことが知られている。
そこでこの実施形態では、上述したように、モータ８における回転子の位置検出は行わず、ドライバ９からモータ８に対して正弦波の電力を加え、そのときの電圧と電流の位相差を検出してその差が零になるように周波数を制御し、かつ、その周波数が設定された値になるように電流を制御することにした。
【００２１】
図２に、ドライバ９およびモータ８の具体的な回路構成例を示す。図２を参照して、モータ８の界磁巻線８１には、三相のインバータ回路９１から交流電流が与えられる。
一方、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscilator: 電圧制御発振器）１０１（発振回路）の発振出力は基準波発生器１０２へ与えられて、基準波としての正弦波が発生される。このとき、ＶＣＯ１０１の出力周波数と、モータ速度設定に対応した設定周波数との差が基準波発生器１０２へ電流値として与えられる。これにより基準波発生器１０２で発生される正弦波の波高値が制御される。
【００２２】
またインバータ回路９１から界磁巻線８１に与えられる電流は、電流検出用の直流ＣＴ１０３で検出される。この直流ＣＴ１０３が出力する電流検出信号と基準波との偏差をとって誤差信号が作成され、さらに、この誤差信号が増幅される。増幅後の誤差信号は、位相比較器１０４へ与えられる。一方、基準波発生器１０２の出力から電圧の位相が取り出されて、位相比較器１０４へ与えられる。位相比較器１０４では、基準波と誤差信号との位相差を検出することにより、結果として、直流ＣＴ１０３で検出される電流の位相と、モータ８にかかる電圧の位相とが比較されることになり、その差が差動アンプ１０５を介してＶＣＯ１０１にフィードバックされる。これにより、ＶＣＯ１０１の発振周波数が制御される。
【００２３】
直流ＣＴ１０３で検出される電流の位相とモータ８にかかる電圧の位相との比較のためには、直流ＣＴ１０３が出力する電流検出信号を位相比較器１０４に入力し、この位相比較器１０４において、基準波と電流検出信号との位相差を検出することとしてもよい。ただし、モータ８が無負荷の場合には、直流ＣＴ１０３による電流検出ができない。そのため、上述の図２に示された構成のように、誤差信号と基準波との位相差を検出することによって、電流の位相とモータ８にかかる電圧との位相差を検出する構成を採用することが好ましい。
【００２４】
上記増幅された誤差信号は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation: パルス幅変調）１０６へ与えられ、その出力によってインバータ回路９１が制御される。
この回路において、モータ８の負荷が増加すると、ＶＣＯ１０１の出力周波数が下がり、設定周波数との差が増加するから、その周波数差が電流値として基準波発生器１０２へ与えられて、基準波発生器１０２で発生される正弦波の波高値が大きくなるように制御される。
【００２５】
また、位相差検出回路１０４からＶＣＯ１０１へ与えられる位相差信号は、差動アンプ１０５を介して与えられる。この場合、モータ８がある回転速度に達すると差動アンプ１０５を介して位相比較器１０４の出力がＶＣＯ１０１へ与えられるが、一気に差動アンプ１０５の利得を解放すると、モータ８の速度が急上昇するおそれがある。そこで、差動アンプ１０５の利得を０から無限大まで電気的に信号で可変する構成にすれば、見かけ上、滑らかな加速が得られる。つまり、モータ８の速度の設定信号に、低い範囲で、差動アンプ１０５の利得が比例するようにされている。
【００２６】
ドライバ９が以上の構成である結果、モータ８およびドライバ９からなるセンサレスブラシレスモータ装置を、車載用駆動源の作動流体を制御するための電動ポンプ６の駆動源とすることができる。
この発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる作動流体制御用電動ポンプを含む車両の駆動システムの概略構成図である。
【図２】ドライバおよびモータの具体的な構成例を示す図である。
【符号の説明】
６ 電動ポンプ
７ ポンプ本体
８ モータ
９ ドライバ

Claims (6)

1. 同期電動機の制御装置であって、
   同期電動機の回転子の位置検出は行わず、同期電動機に正弦波の電流を加え、そのときの電圧と電流の位相差が零になるように周波数を制御し、さらに、その周波数が設定周波数になるように電流を制御することによりセンサレス駆動制御することを特徴とする、同期電動機の制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   前記正弦波の電流を発生する基準波発生器を有し、
   周波数と設定周波数との差に基づいた電流値を前記基準波発生器へ与え、発生される正弦波の波高値が制御されることを特徴とする同期電動機の制御装置。
3. 請求項１または２記載の制御装置において、
   周波数を制御するための制御ループには、差動増幅器が含まれ、差動増幅器の利得を０から無限大まで電気的な信号で可変する構造を有することを特徴とする同期電動機の制御装置。
4. 同期電動機の制御方法であって、
   同期電動機の回転子の位置検出は行わず、同期電動機に正弦波の電流を加え、そのときの電圧と電流の位相差が零になるように周波数を制御し、さらに、その周波数が設定周波数になるように電流を制御することによりセンサレス駆動制御することを特徴とする同期電動機の制御方法。
5. 請求項４記載の制御方法において、
   周波数と設定周波数との差に基づいた電流値によって前記周波数の制御を行い、それによって同期電動機に加える正弦波電流の波高値が制御されることを特徴とする同期電動機の制御方法。
6. 自動車の駆動系に使われる作動流体を制御するための電動ポンプであって、
   作動流体を移動させるためのポンプ本体と、
   ポンプ本体を回転させるためのモータと、
   モータのドライバとを有し、
   モータおよびドライバにセンサレスブラシレスモータが用いられる電動ポンプにおいて、
   前記モータは、回転子が永久磁石タイプの同期電動機であり、
   前記ドライバは、上記回転子の位置検出は行わず、モータに正弦波の電力を加え、そのときの電圧と電流の位相差が零になるように周波数を制御し、さらに、その周波数が設定周波数になるように電流を制御することによりセンサレス駆動制御をすることを特徴とする作動流体を制御するための電動ポンプ。

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