JP3966194B2

JP3966194B2 - モータ制御装置

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Publication number: JP3966194B2
Application number: JP2003071829A
Authority: JP
Inventors: 学野村; 聡史吉村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2007-08-29
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチング素子をパルス幅変調信号によりオンオフさせることによりモータ電流を制御するようにしたモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車のエンジン冷却系に用いられるファンモータの制御装置においては、騒音や消費電力の低減などを図るために、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御モジュールを利用してファンモータの回転数を無段階制御することが行われている。このようなモータ制御装置においては、ファンモータのロックや短絡事故により過電流が流れた場合に、ＰＷＭ制御モジュール内に設けられた半導体スイッチング素子の熱破壊を招く可能性が高くなるため、これに対処できる過電流保護回路を設けることが一般的になっている。但し、過電流が流れたときに半導体スイッチング素子のオフ状態をそのまま継続したのでは、ファンモータが停止されたままとなってエンジン冷却機能に重大な悪影響が出てくる。このため、従来では、種々の過電流保護機能を備えたモータ制御装置が提供されている。
【０００３】
具体的には、モータロックなどにより過電流が流れたときには、モータ電流を、半導体スイッチング素子が異常発熱により破壊しない程度のレベルに制限し、この制限状態でファンモータへの連続通電を継続する手段が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、過電流が流れたときにＰＷＭ制御モジュールの出力を断続する手段を採用することも行われている。このものでは、過電流を検出したときにモータ電流を抑制した状態とし、この抑制状態でＰＷＭ制御モジュール内部の温度を監視し、その内部温度が上限温度を越えたときに一旦出力をオフする。その後に、モジュール内部の温度が設定温度未満に下がった時点でＰＷＭ制御モジュールを初期状態にリセットし、このような動作を正常状態に復帰するまで繰り返す構成となっている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１０２３５５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平９−２８４９９９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載された発明では、ファンモータの運転維持並びに半導体スイッチング素子の熱破壊防止という点では有効であるが、ファンモータの連続通電が継続されるため、過電流が流れた原因の如何によっては最終的にファンモータでレヤーショートが発生する可能性があり、この点で問題が残っている。また、特許文献２に記載された発明では、電流検出と温度検出の併用により過電流保護を行っているため、特に、ＰＷＭ制御モジュールの内部温度が上限温度を越えたときに出力をオフする動作に時間遅れが生ずることが避けられない。このため、ファンモータにおいてレヤーショートなどによる急激な温度上昇があった場合には、これに対処することができず、過電流保護動作に対する信頼性が低くなるという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過大なモータ電流が流れたときの保護動作を、モータの運転状態を維持しつつ高い信頼性で行い得るようになるモータ制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の手段によれば、過電流保護回路は、過電流保護動作を行っている期間には、駆動回路を動作停止させるための異常検知信号を、予め設定されたオフ時間だけ出力した後に予め設定されたオン時間だけ出力停止するというタイマ動作を反復する。つまり、駆動回路は、半導体スイッチング素子を、上記オフ時間だけ駆動停止させると共に上記オン時間だけ再駆動するようになり、これに伴い半導体スイッチング素子の温度は、その駆動期間に上昇し、駆動停止期間に低下するものであり、最終的に所定温度で飽和する。
【００１０】
また、過電流保護回路は、上記のようなタイマ動作が行われる期間、換言すれば過電流保護動作を行っている期間には、モータ電流が多い場合ほど上記オフ時間が上記オン時間に比べて相対的に長くなるように制御する。つまり、モータ電流が増大するのに連れて、オフ時間の占める比率がオン時間の占める比率より大きくなる。これにより、過電流保護動作時において、半導体スイッチング素子の温度上昇が飽和する温度を、モータ電流が増大した状況下でも相対的に低く抑制できる。
【００１１】
この結果、過電流保護機能が働いたときの上記飽和温度を、モータ電流の大小に拘らず、半導体スイッチング素子の性能を保持できるレベルに抑制可能となるものであり、以て過電流保護動作に対する信頼性を高め得るようになる。また、過電流保護動作時には、断続的ではあるがモータの運転状態を維持できるから、過電流保護機能が働いた状態でもモータの運転を継続する必要がある用途に好適するようになる。
【００１２】
請求項２記載の手段によれば、モータ電流が第１の設定しきい値を越えた状態にあるときには、第１のオンタイマのタイマ動作及び第１のオフタイマのタイマ動作が交互に行われ、第１のオンタイマのタイムアップによりラッチ回路がセットされ、第１のオフタイマのタイムアップにより当該ラッチ回路がリセットされる。従って、ラッチ回路からは、異常検知信号が周期的に出力される。このため、駆動回路が、半導体スイッチング素子を、第１のオフタイマのタイマ動作時間だけ駆動停止させると共に、第１のオンタイマのタイマ動作時間だけ再駆動するようになり、これに伴い半導体スイッチング素子の温度は、その駆動期間に上昇し、駆動停止期間に低下するものであり、最終的に所定温度で飽和する。
【００１３】
また、モータ電流が、第１の設定しきい値より大きい値の第２の設定しきい値を越えた状態にあるときには、第１のオンタイマ及び第２のオフタイマのタイマ動作が停止されると共に、第２のオンタイマのタイマ動作及び第２のオフタイマのタイマ動作が交互に行われる。これにより、第２のオンタイマのタイムアップによりラッチ回路がセットされ、第２のオフタイマのタイムアップにより当該ラッチ回路がリセットされる。従って、ラッチ回路からは、異常検知信号が周期的に出力される。このため、駆動回路が、半導体スイッチング素子を、第２のオフタイマのタイマ動作時間だけ駆動停止させると共に、第２のオンタイマのタイマ動作時間だけ再駆動するようになり、これに伴い半導体スイッチング素子の温度は、その駆動期間に上昇し、駆動停止期間に低下するものであり、最終的に所定温度で飽和する。
【００１４】
この場合、第２のオンタイマ及び第２のオフタイマは、それらの組合せにおける第２のオフタイマによるタイマ動作時間が占める比率が、前記第１のオンタイマ及び第１のオフタイマの組合せにおける第１のオフタイマによるタイマ動作時間が占める比率より大きくなるように構成されているから、過電流保護動作時において、半導体スイッチング素子の温度上昇が飽和する温度を、モータ電流が増大した状況下でも相対的に低く抑制できる。従って、過電流保護機能が働いたときの上記飽和温度を、モータ電流の大小に拘らず、半導体スイッチング素子の性能を保持できるレベルに抑制可能となる。
【００１５】
請求項３記載の手段によれば、外部からパルス状の出力レベル指示信号が与えられたときには、入力信号変換回路が当該出力レベル指示信号を積分した直流電圧信号を信号処理回路に与えるようになる。この直流電圧信号が入力された信号処理回路は、その入力電圧に応じたデューティ比のパルス幅変調信号を生成して駆動回路に与える。これにより、半導体スイッチング素子によるスイッチング出力が上記出力レベル指示信号に応じたレベルとなるように制御される。この場合、信号処理回路は、過電流保護回路から異常検知信号が出力されたときには、前記直流電圧信号をゼロレベルに落とすようになる。このため、過電流保護動作により半導体スイッチング素子が一旦駆動停止された後には、入力信号変換回路から信号処理回路に与えられる直流電圧信号がゼロレベルから立ち上がる。従って、信号処理回路から駆動回路に与えられるパルス幅変調信号のパルス幅は、電圧指示信号Ｖｃに対応したパルス幅となるまでに徐々に大きくなるものであり、結果的に、モータの再起動時に発生する突入電流が低いレベルに抑制される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるモータ制御装置を自動車用エンジンの冷却系に用いられる電動ファンシステムに適用した一実施例について図面を参照しながら説明する。図１にはシステム全体の電気的構成が示されている。この図１において、直流モータ（以下、単にモータと呼ぶ）１は、ラジエータのような熱交換器内を流れるエンジン冷却媒体をクールダウンするための送風ファン（図示せず）の駆動源となるもので、その回転数はモータ制御装置２により制御される。モータ制御装置２の電源は、車載バッテリ３から図示しないイグニッションスイッチを通じて与えられる。尚、場合によっては、モータ制御装置２の電源を車載バッテリ３から直接与える構成とすることもある。
【００１７】
モータ制御装置２は、車載バッテリ３の出力をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御方式にてスイッチングすることにより、モータ１に供給する電圧のレベル（ひいては送風ファンの回転数）を調節するものである。このモータ制御装置２は、供給電圧のレベルをエンジン制御ＥＣＵ４からの電圧指示信号Ｖｃ（出力レベル指示信号に相当）により決定する構成となっている。尚、エンジン制御ＥＣＵ４とモータ制御装置２との間での信号の授受は、パルス通信により行われるものであり、従って上記電圧指示信号Ｖｃはパルス状の信号である。
【００１８】
エンジン制御ＥＣＵ４は、エンジン制御動作を、これに必要な各種のセンサ信号を取り込んで実行する周知構成のもので、それらのセンサ信号を予め設定された条件で演算処理することにより、エンジン冷却媒体を目標制御温度に保つために必要な電圧指示信号Ｖｃを生成してモータ制御装置２に与える。尚、上記センサ信号は、エンジン冷却媒体の温度を検出する温度センサ、車速センサ、Ａ／Ｃスイッチなどからの信号を含むものである。
【００１９】
モータ制御装置２の内部構成は以下のようになっている。
モータ制御装置２は、ＰＷＭ制御を行うための半導体スイッチング素子としてｎチャネル型パワーＭＯＳＦＥＴ（以下、単にＭＯＳＦＥＴと呼ぶ）５を備えており、このＭＯＳＦＥＴ５のオン状態時に、車載バッテリ３から平滑回路６を通じてモータ１の通電路を形成する接続となっている。尚、平滑回路６は、ＭＯＳＦＥＴ５のスイッチング時に発生する伝導ノイズを抑制するために設けられたものである。また、モータ１の両入力端子間には、逆起電力吸収用のフライホイールダイオード７が接続される。
【００２０】
モータ制御装置２内には、ＭＯＳＦＥＴ５の駆動やモータ１の過電流保護などを行うための回路として、入力信号変換回路８、信号処理回路９、モータ電圧検出回路１０、発振回路１１、駆動回路１２、過電流保護回路１３が設けられている。
【００２１】
入力信号変換回路８は、エンジン制御ＥＣＵ４からのパルス状電圧指示信号Ｖｃを直流電圧信号Ｖｂに変換して信号処理回路９に与えるための入力インタフェースとして機能するものであり、その具体的構成については後で説明する図３に示されている。
【００２２】
モータ電圧検出回路１０は、モータ１の両端電圧（印加電圧）を検出し、その電圧検出信号を信号処理回路９及び過電流保護回路１３に与える。ここで、モータ１をＰＷＭ制御により駆動する場合、そのモータ１の両端電圧はＭＯＳＦＥＴ５のオン・オフに応じて変動する。このような変動に対処するために、モータ電圧検出回路１０は、モータ１の両端電圧の検出を平滑回路６を介して行う構成となっている。
発振回路１１は、所定周波数の基準クロック信号を発生して信号処理回路９及び過電流保護回路１３に与える。
【００２３】
信号処理回路９は、エンジン制御ＥＣＵ４から入力信号変換回路８を通じて与えられる直流電圧信号Ｖｂ及びモータ電圧検出回路１０を通じてフィードバックされるモータ電圧との比較結果、並びに発振回路１１からの基準クロック信号に基づいてパルス状のパルス幅変調信号（以下、ＰＷＭ信号）を生成する動作を行う周知構成のものであり、そのＰＷＭ信号を駆動回路１２及び過電流保護回路１３に与える構成となっている。
【００２４】
駆動回路１２は、上記ＰＷＭ信号を増幅した電圧信号をＭＯＳＦＥＴ５のゲート・ソース間に印加してこれをスイッチングすることにより、モータ１をＰＷＭ駆動する。このようなモータ１のＰＷＭ駆動が行われる結果、当該モータ１に対する印加電圧を平均電圧として制御することができ、当該モータ１の可変速駆動が可能になる。
【００２５】
過電流保護回路１３は、モータロックや負荷配線のショートなどによりモータ１に過電流が流れたときに、これを検出してモータ１及びモータ制御装置２を破壊から保護するために設けられたもので、図２に具体的構成が示されている。
【００２６】
図２において、過電流保護回路１３には、上述したような入力信号（信号処理回路９からのＰＷＭ信号、モータ電圧検出回路１０からの電圧検出信号、発振回路１１からの基準クロック信号）の他に、ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン・ソース間電圧（以下、単にドレイン電圧と呼ぶ）が入力されるようになっており、そのＭＯＳＦＥＴ５がオンした期間のドレイン電圧に基づいてモータ１に流れる負荷電流を検出する構成となっている。
【００２７】
モータ電圧検出回路１０からの電圧検出信号を受ける第１の過電流検出用しきい値電圧設定回路１４は、当該電圧検出信号のレベルが高くなるのに応じて相対的に低い値となるように決定される第１のしきい値電圧Ｖth１を出力する。第１の比較器１５は、第１のしきい値電圧Ｖth１とドレイン電圧とを比較し、ドレイン電圧＞Ｖth１の関係になったときに出力をハイレベル信号に反転させる。
【００２８】
また、モータ電圧検出回路１０からの電圧検出信号を受ける第２の過電流検出用しきい値電圧設定回路１６は、当該電圧検出信号のレベルが高くなるのに応じて相対的に低い値となるように決定される第２のしきい値電圧Ｖth２を出力する。ただし、この第２のしきい値電圧Ｖth２は、第１のしきい値電圧Ｖth１より所定レベルだけ高い値に設定される。第２の比較器１７は、第２のしきい値電圧Ｖth２とドレイン電圧とを比較し、ドレイン電圧＞Ｖth２の関係になったときに出力をハイレベル信号に反転させる。
【００２９】
ここで、第１の比較器１５及び第２の比較器１７の各出力端子は、それぞれに対応して設けられたｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ１５ａ及び１７ａのコレクタ・エミッタ間を介してグランド端子に接続されている。これら各トランジスタ１５ａ及び１７ａのベースには、信号処理回路９からのＰＷＭ信号がインバータ回路１８により反転されて入力される構成となっている。このため、トランジスタ１５ａ及び１７ａは、ＰＷＭ信号が立ち下がっている期間、つまりＭＯＳＦＥＴ５がオフしている期間にオンされるものであり、このようなオンに応じて第１の比較器１５及び第２の比較器１７の出力が強制的にローレベル（グランド電位レベル）に落とされる。
【００３０】
この結果、第１の比較器１５からは、ＭＯＳＦＥＴ５のオン期間において、当該ＭＯＳＦＥＴ５を通じて流れる負荷電流のレベルが第１のしきい値電圧Ｖth１に対応した第１の過電流レベルを越えたときにハイレベル信号が出力されることになる。また、第２の比較器１７からは、ＭＯＳＦＥＴ５のオン期間において、当該ＭＯＳＦＥＴ５を通じて流れる負荷電流のレベルが第２のしきい値電圧Ｖth２に対応した第２の過電流レベル（＞第１の過電流レベル）を越えたときにハイレベル信号が出力されることになる。
【００３１】
つまり、第１の比較器１５及び第２の比較器１７による過電流検出動作に対して、ＭＯＳＦＥＴ５のオフに伴うドレイン電圧の上昇が反映しない構成となっている。そして、第１の比較器１５からは、負荷電流のレベルが第１のしきい値電圧Ｖth１に対応した第１の過電流レベルを越えた状態にあるときにハイレベル信号が間欠的に出力され、第２の比較器１７からは、負荷電流のレベルが第２のしきい値電圧Ｖth２に対応した第２の過電流レベルを越えた状態にあるときにハイレベル信号が間欠的に出力されることになる。
【００３２】
第１のオンタイマ１９及び第１のオフタイマ２０は、クロック端子ＣＫに発振回路１１からの基準クロック信号が与えられるようになっている。第１のオンタイマ１９は、トリガ端子Ｔに対する入力が立ち上がったときに、基準クロック信号を分周したパルスをカウントすることにより設定時間（＝ｔ１）のタイマ動作を開始すると共に、タイマ動作が終了したときに出力端子Ｑからハイレベル信号を出力する構成のものである。
【００３３】
また、第１のオフタイマ２０は、トリガ端子に対する入力が立ち上がったときに、基準クロック信号を分周したパルスをカウントすることにより設定時間（＝ｔ２）のタイマ動作を開始すると共に、タイマ動作が終了したときに出力端子Ｑからハイレベル信号を出力する構成のものである。
尚、第１のオンタイマ１９及び第１のオフタイマ２０は、ハイレベル信号が入力された状態でタイマ動作を禁止するためのディセーブル端子Ｎを備えており、それらのディセーブル端子Ｎは、第２の比較器１７の出力端子に接続されている。
【００３４】
この場合、第１のオンタイマ１９においては、トリガ端子Ｔが第１の比較器１５の出力端子に接続されると共に、出力端子ＱがＲ−Ｓフリップフロップ回路により構成された第１のラッチ回路２１のセット入力端子Ｓに接続されている。従って、第１のオンタイマ１９は、第１の比較器１５が過電流を検出したときに設定時間ｔ１のタイマ動作を開始すると共に、そのタイマ動作が終了したときに第１のラッチ回路２１をセットすることにより、過電流検出状態をラッチする。
【００３５】
第１のラッチ回路２１は、ラッチ解除した定常状態でローレベル信号を出力しているが、そのラッチ状態でハイレベル信号より成る異常検知信号を出力するものである。この第１のラッチ回路２１からの出力信号は、第１のオフタイマ２０のトリガ端子Ｔに与えられると共に、駆動回路１２及び入力信号変換回路８に対しそれぞれに対応したオア回路２２ａ及び２２ｂを介して与えられる。また、第１のオフタイマ２０においては、出力端子Ｑが第１のラッチ回路２１のリセット入力端子Ｒに接続される。
【００３６】
従って、第１のオフタイマ２０は、第１のラッチ回路２１がセットされて前述した異常検知信号が出力されたときに設定時間ｔ２のタイマ動作を開始すると共に、そのタイマ動作が終了したときに第１のラッチ回路２１をリセットすることにより、過電流検出状態のラッチを解除する。
【００３７】
第２のオンタイマ２３及び第２のオフタイマ２４は、クロック端子ＣＫに発振回路１１からの基準クロック信号が与えられるようになっている。第２のオンタイマ２３は、トリガ端子Ｔに対する入力が立ち上がったときに、基準クロック信号を分周したパルスをカウントすることにより、前記第１のオンタイマ１９のタイマ動作時間（ｔ１）より短い設定時間（＝ｔ１′）のタイマ動作を開始すると共に、タイマ動作が終了したときにハイレベル信号を出力する構成のものである。
【００３８】
また、第２のオフタイマ２４は、トリガ端子Ｔに対する入力が立ち上がったときに、基準クロック信号を分周したパルスをカウントすることにより、前記第１のオフタイマ２０のタイマ動作時間（ｔ２）より長い設定時間（＝ｔ２′）のタイマ動作を開始すると共に、タイマ動作が終了したときにハイレベル信号を出力する構成のものである。
【００３９】
この場合、第２のオンタイマ２３においては、トリガ端子Ｔが第２の比較器１７の出力端子に接続されると共に、出力端子ＱがＲ−Ｓフリップフロップ回路により構成された第２のラッチ回路２５のセット入力端子Ｓに接続される。従って、第２のオンタイマ２３は、第２の比較器１７が過電流を検出したときに設定時間ｔ１′（＜ｔ１）のタイマ動作を開始すると共に、そのタイマ動作が終了したときに第２のラッチ回路２５をセットすることにより、過電流検出状態をラッチする。
【００４０】
第２のラッチ回路２５は、ラッチ解除した定常状態でローレベル信号を出力しているが、そのラッチ状態でハイレベル信号より成る異常検知信号を出力するものである。この第２のラッチ回路２５からの出力信号は、第２のオフタイマ２４のトリガ端子Ｔに与えられると共に、駆動回路１２及び入力信号変換回路８に対しそれぞれに対応したオア回路２２ａ及び２２ｂを介して与えられる。また、第２のオフタイマ２４においては、出力端子Ｑが第２のラッチ回路２５のリセット入力端子Ｒに接続される。
【００４１】
従って、第２のオフタイマ２４は、第２のラッチ回路２５がセットされて前述した異常検知信号が出力されたときに設定時間ｔ２′（＞ｔ２）のタイマ動作を開始すると共に、そのタイマ動作が終了したときに第１のラッチ回路２１をリセットすることにより、過電流検出状態のラッチを解除する。
【００４２】
駆動回路１２にあっては、異常検知信号を受けたときにＭＯＳＦＥＴ５を強制的にオフさせ、その後に異常検知信号が消失したときに当該ＭＯＳＦＥＴ５の強制的なオフ状態を解除して初期状態に戻す構成となっている。また、入力信号変換回路８にあっては、後述するように、それら異常検知信号が突入電流抑制動作のための信号として機能する構成となっている。
【００４３】
図３には入力信号変換回路８の具体的構成が示されており、以下これについて説明する。
図３において、エンジン制御ＥＣＵ４の出力端子は、図示しないがオープンコレクタ形式となっており、プルアップ抵抗２６を介して電源端子＋Ｖccに接続されている。比較器２７は、その反転入力端子（−）に対しエンジン制御ＥＣＵ４からのパルス状電圧指示信号Ｖｃを受けるようになっており、当該電圧指示信号Ｖｃの電圧レベルと非反転入力端子（＋）に受ける基準電圧Ｖref とを比較する構成となっている。従って、比較器２７は、エンジン制御ＥＣＵ４からのパルス状電圧指示信号Ｖｃが基準電圧Ｖref 以上に立ち上がった期間にローレベル信号を出力することになる。
【００４４】
この比較器２７による比較出力は、インバータ２８により反転された後にｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ２９のベースに与えられる。従って、このトランジスタ２９は、エンジン制御ＥＣＵ４からの電圧指示信号Ｖｃが基準電圧Ｖref 以上に立ち上がった期間にオンされることになる。
【００４５】
トランジスタ２９は、コレクタが抵抗３０を介して電源端子＋Ｖccに接続され、エミッタが抵抗３１を介してグランド端子に接続されている。これにより、トランジスタ２９のオンオフ（つまり、エンジンＥＣＵ４からの電圧指示信号Ｖｃの入力）に応じて、そのエミッタ側からパルス電圧Ｖａが出力される。このパルス電圧Ｖａのピーク値は、電源端子＋Ｖccの電圧レベル及び抵抗３０、３１の分圧比により決まる。
【００４６】
このように出力されるパルス電圧Ｖａは、抵抗３２及びコンデンサ３３より成る積分回路により直流電圧信号Ｖｂに変換された後に信号処理回路９に与えられる。この場合、コンデンサ３３と並列に抵抗３４及びｎｐｎ型バイポーラトランジスタ３５のコレクタ・エミッタ間の直列回路が接続されており、このトランジスタ３５のベースには、過電流保護回路１３の出力段を構成する前記第１のラッチ回路２１及び２５の各出力端子Ｑからの信号（ハイレベル信号より成る異常検知信号またはローレベル信号）が入力されるようになっている。
【００４７】
従って、過電流保護回路１３から異常検知信号（ハイレベル信号）が出力されたときには、前述したように駆動回路１２がＭＯＳＦＥＴ５を強制的にオフさせると共に、当該異常検知信号によりトランジスタ３５がオンされるのに応じて、信号処理回路９に与えられる直流電圧信号Ｖｂが０Ｖ（グランド電位レベル）に落とされる。また、過電流保護回路１３が異常検知信号を出力停止したとき（ローレベル信号が出力されたとき）には、トランジスタ３５がオフ状態に戻される。このため、駆動回路１２によりＭＯＳＦＥＴ５が強制的にオフされた後において、異常検知信号が出力停止されて駆動回路１２によりＭＯＳＦＥＴ５が再オンされたとき、つまりモータ１の再起動時には、信号処理回路９に与えられる直流電圧信号Ｖｂが０Ｖから徐々に立ち上がるようになる。
【００４８】
以下においては、上記構成の動作について本発明の要旨に関係した部分についてのみ説明する。
図４には、図１中の各部電圧及び電流波形の一例が模式的に示されている。この図４において、（ａ）には車載バッテリ３の出力電圧＋Ｂ、（ｂ）には入力信号変換回路８から信号処理回路９に与えられる直流電圧信号Ｖｂ、（ｃ）にはＭＯＳＦＥＴ５のドレイン電圧ＶＤＳ、（ｄ）にはモータ１の端子電圧に対応したモータ電圧ＶＭ、（ｅ）にはモータ１に流れる負荷電流に対応したモータ電流ＩＭが示されている。尚、図４（ｃ）に示すドレイン電圧ＶＤＳは、時間軸を無視して模式的に示すものであり、実際にはＭＯＳＦＥＴ５のスイッチング周波数に応じた微細な波形となる。
【００４９】
この図４中に示した期間Ａは、車載バッテリ３から給電された状態においてエンジン制御ＥＣＵ４からパルス状電圧指示信号Ｖｃが出力開始された後の所定期間に対応したものである。この期間Ａには、入力信号変換回路８内において直流電圧信号Ｖｂが抵抗３２及びコンデンサ３３の時定数に応じて徐々に立ち上がり、電圧指示信号Ｖｃによる設定電圧レベルで安定するようになる。信号処理回路９は、直流電圧信号Ｖｂ及び発振回路１１からの基準クロック信号に基づいて、当該直流電圧信号Ｖｂによる電圧指示値に追随してデューティ比が徐々に大きくなるＰＷＭ信号を生成し、駆動回路１２に与える。これに応じて、ＭＯＳＦＥＴ５が駆動回路１２により増幅されたＰＷＭ信号によりスイッチングされるようになる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン電圧ＶＤＳは、図４（ｃ）に模式的に示すように変化する。このようにＭＯＳＦＥＴ５がスイッチングされるのに応じて、モータ電圧ＶＭも徐々に増加するようになり、最終的に電圧指示信号Ｖｃによる設定電圧レベルで安定する。また、モータ電流ＩＭも同様に徐々に増加した後に安定するようになる。
【００５０】
図４中に示した期間Ｂは、モータ電圧ＶＭが、エンジン制御ＥＣＵ４からの電圧指示信号Ｖｃに応じた設定電圧レベルで安定し、これに伴いモータ電流ＩＭも安定していることを示している。
【００５１】
図４中に示した期間Ｃは、このような安定状態から、モータロック或いは負荷ショートなどにより過電流が流れた後に、その状態が解消されるまでの期間を示している。
【００５２】
即ち、モータロック或いは負荷ショートなどが発生するのに伴いモータ電流ＩＭ（つまり、ＭＯＳＦＥＴ５を通じて流れる負荷電流）のレベルが増大し、これに応じてモータ電流ＩＭが第１のしきい値電圧Ｖth１に対応した第１の過電流レベル（図４中にＩmaxで示す）を越えたとき（タイミングＴ０）には、第１の比較器１５からハイレベル信号が出力される。
【００５３】
このようにハイレベル信号が出力されると、そのハイレベル信号をトリガ端子Ｔに受けた第１のオンタイマ１９がタイマ動作を開始するようになり、この後に設定時間ｔ１が経過して当該タイマ動作が終了したときには、当該第１のオンタイマ１９の出力により第１のラッチ回路２１がセットされて過電流検出状態をラッチするようになる。
【００５４】
このようにラッチされた第１のラッチ回路２１は、異常検知信号を出力するようになり、当該信号を受けた駆動回路１２がＭＯＳＦＥＴ５を強制的にオフさせるようになり、これに応じてモータ電流ＩＭが遮断された状態となる。
【００５５】
異常検知信号が出力されてＭＯＳＦＥＴ５が強制的にオフされたときには、その異常検知信号により入力信号変換回路８内のトランジスタ３５がオンされるため、当該入力信号変換回路８から信号処理回路９に与えられる直流電圧信号Ｖｂが０Ｖ（グランド電位レベル）に落とされる。このため、その後において異常検知信号が出力停止されたときには、上記直流電圧信号Ｖｂのレベルが０Ｖから所定の時定数で立ち上がるようになる。これにより、信号処理回路９から駆動回路１２に与えられるＰＷＭ信号のデューティ比は、電圧指示信号Ｖｃに対応した値となるまでに徐々に大きくなる。この結果、モータ電流ＩＭは一旦遮断状態となった後に徐々に増大することになる。
【００５６】
また、上記のように第１のラッチ回路２１から異常検知信号が出力されたときには、当該信号をトリガ端子Ｔに受けた第１のオフタイマ２０がタイマ動作を開始するようになる。
【００５７】
この後に設定時間ｔ２が経過して第１のオフタイマ２０のタイマ動作が終了したときには、当該オフタイマ２０の出力により第１のラッチ回路２１がリセットされて過電流検出状態のラッチが解除されるため、そのラッチ回路２１から駆動回路１２に与えられていた異常検知信号が出力停止される。
【００５８】
この場合、第１のオンタイマ１９が設定時間ｔ１のタイマ動作を行っている期間は、電流監視期間として機能するものである。この電流監視期間中にモータ電流ＩＭが第２のしきい値電圧Ｖth２に対応した第２の過電流レベル（＞第１の過電流レベル）を越えなかった場合には、第２の比較器１７の出力がハイレベル信号に反転することがない。このため、第２のオンタイマ２３のタイマ動作が開始されることがなく、第２のラッチ回路２５はラッチ解除状態を保持したままとなる。
【００５９】
従って、モータ電流ＩＭが第２の過電流レベルを越えない状態では、ＭＯＳＦＥＴ５が強制的にオフされた後に設定時間ｔ２が経過したときに、第１のラッチ回路２１が第１のオフタイマ２０の出力によりラッチ解除されて異常検知信号の出力を停止する。このため、駆動回路１２がＭＯＳＦＥＴ５のスイッチング動作（モータ１のＰＷＭ駆動）を再開するようになる。また、この後にモータ電流ＩＭが第１の過電流レベルを越えたときには、第１の比較器１５から出力されるハイレベル信号が第１のオンタイマ１９のトリガ端子Ｔに与えられるため、これがタイマ動作を再開するようになる。
【００６０】
従って、モータ電流ＩＭが第１の過電流レベルを越えた状態にある期間には、第１のオンタイマ１９及び第１のオフタイマ２０のタイマ動作が所定の休止期間τ（図４参照）をおいて交互に行われることになる。これにより、異常検知信号を、予め設定されたオフ時間ｔ２だけ出力した後に、予め設定されたオン時間ｔ１（実際には休止時間τが加算される）だけ出力停止するというタイマ動作が反復実行されるものであり、以て本発明でいうタイマ機能が実現される。尚、上記休止期間τは、モータ電流ＩＭが零レベルから前記第１の過電流レベルまで立ち上がるまでの時間に対応する。
【００６１】
これにより、ＭＯＳＦＥＴ５は、モータ電流ＩＭが第１の過電流レベルを越え且つ第２の過電流レベルを越えない状態にある期間には、最初の電流監視期間の終了後に設定時間ｔ２だけ強制的にオフされた後に、設定時間ｔ１と休止期間τの合計時間だけ再オンされるという動作が繰り返されることになる。
【００６２】
これに対して、上記電流監視期間中にモータ電流ＩＭがさらに増大して第２のしきい値電圧Ｖth２に対応した第２の過電流レベルを越えたときには、第２の比較器１７からハイレベル信号が出力される。すると、そのハイレベル信号をトリガ端子Ｔに受けた第２のオンタイマ２３がタイマ動作を開始するようになり、この後に設定時間ｔ１′が経過して当該タイマ動作が終了したときには、当該第２のオンタイマ２３の出力により第２のラッチ回路２５がセットされて過電流検出状態をラッチするようになる。
【００６３】
このようにラッチされた第２のラッチ回路２５は、異常検知信号を出力するようになり、当該信号を受けた駆動回路１２がＭＯＳＦＥＴ５を強制的にオフさせるようになり、これに応じてモータ電流が遮断された状態となる。尚、第２の比較器１７からハイレベル信号が出力された状態では、そのハイレベル信号が第１のオンタイマ１９及び第１のオフタイマ２０のディセーブル端子Ｎに与えられるため、それらタイマ１９及び２０のタイマ動作が禁止される。
【００６４】
上記のように第２のラッチ回路２５から異常検知信号が出力されたときには、当該信号をトリガ端子Ｔに受けた第２のオフタイマ２４がタイマ動作を開始するようになる。この後に設定時間ｔ２′が経過して第２のオフタイマ２４のタイマ動作が終了したときには、当該オフタイマ２４の出力により第２のラッチ回路２５がリセットされて過電流検出状態のラッチが解除されるため、そのラッチ回路２５から駆動回路１２に与えられていた異常検知信号が出力停止される。
【００６５】
これにより、異常検知信号を、予め設定されたオフ時間ｔ２′だけ出力停止した後に、予め設定されたオン時間ｔ１′（実際には休止時間τが加算される）だけ出力するというタイマ動作が反復実行されるものであり、以て本発明でいうタイマ機能が実現される。
【００６６】
従って、第２のしきい値電圧Ｖth２に対応した第２の過電流レベルより大きなモータ電流ＩＭが流れた場合、第２のオフタイマ２４に設定された時間ｔ２′が経過するまでの期間は、第２のラッチ回路２５からの異常検知信号を受けた駆動回路１２がＭＯＳＦＥＴ５をオフ状態に保持することになる。この場合、上記設定時間ｔ２′は、前記第１のオフタイマ２０の設定時間より長い時間に設定されているから、第２の過電流レベルより大きなモータ電流ＩＭが流れたときには、ＭＯＳＦＥＴ５のオフ期間が延長されることになる。つまり、モータ電流が多い場合ほど前記タイマ機能によるオフ時間がオン時間に比べて相対的に長くなるように制御されるものであり、以て本発明でいうタイマ時間切替機能が実現される。
【００６７】
これにより、ＭＯＳＦＥＴ５は、モータ電流ＩＭが第２の過電流レベルを越えた状態にある期間には、設定時間ｔ２′（＞ｔ２）だけ強制的にオフされた後に、設定時間ｔ１′（＜ｔ１）と前述した休止時間τの合計時間だけ再駆動されるという動作が繰り返されることになる。
【００６８】
図４中に示した期間Ｄは、その後においてモータロック或いは負荷ショートなどのような過電流が流れる要因が解消され、モータ電流ＩＭが第１のしきい値電圧Ｖth１に対応した第１の過電流レベル以下に収まった期間を示している。
【００６９】
図５（ａ）、（ｂ）には、図４中に示した期間ＣにおけるＭＯＳＦＥＴ５の温度ΔＴの変化例が示されている。この図５（ａ）、（ｂ）中に示した期間Ｂは、図４の場合と同様にモータ電圧ＶＭ及びモータ電流ＩＭが安定している期間を示しており、この期間にはＭＯＳＦＥＴ５の温度ΔＴも所定レベルで安定している。
【００７０】
図５（ａ）は、モータ電流ＩＭが第１の過電流レベルを越え且つ第２の過電流レベルを越えない状態にある期間を示すものであり、このような状態では、ＭＯＳＦＥＴ５が、第１のオフタイマ２０の設定時間ｔ２だけ駆動停止された後に、第１のオンタイマ１９の設定時間ｔ１及び休止時間τの合計時間だけ駆動される動作が繰り返される。これに伴い、ＭＯＳＦＥＴ５の温度ΔＴは、その駆動期間に上昇し、駆動停止期間に低下するものであり、最終的にＭＯＳＦＥＴ５の性能を保持できるレベルで飽和するようになる。
【００７１】
また、図５（ｂ）は、モータ電流ＩＭが第２の過電流レベルを越えた状態にある期間を示すものであり、このような状態では、ＭＯＳＦＥＴ５が、第２のオフタイマ２４の設定時間ｔ２′（＞ｔ２）だけ駆動停止された後に、第２のオンタイマ２３の設定時間ｔ１′（＜ｔ１）及び休止時間τの合計時間だけ駆動される動作が繰り返される。このようにモータ電流ＩＭが第２の過電流レベルを越えた状態にあるときには、ＭＯＳＦＥＴ５の駆動状態での温度ΔＴの上昇勾配が図５（ａ）の場合より大きくなるが、そのような駆動期間（ｔ１′＋τ）が図５（ａ）の場合の駆動時間（ｔ１＋τ）より短くなると共に、ＭＯＳＦＥＴ５の駆動停止期間（ｔ２′）、つまり温度ΔＴが低下する期間が図５（ａ）の場合の駆動停止時間（ｔ２）より長くなるから、最終的には、ＭＯＳＦＥＴ５の温度ΔＴは、当該ＭＯＳＦＥＴ５の性能を保持できる温度で飽和するようになる。
【００７２】
要するに、本実施例のように構成された過電流保護回路１３は、ＭＯＳＦＥＴ５を断続的にオンオフさせることにより過電流保護動作を行うものであり、このような過電流保護動作を行っている期間には、モータ電流ＩＭが多い場合ほどＭＯＳＦＥＴ５のオフ時間がそのオン時間に比べて相対的に長くなるように制御する構成となっている。このため、過電流保護動作時には、モータ電流ＩＭが増大するのに連れて、オフ時間の占める比率がオン時間の占める比率より大きくなる。これにより、過電流保護動作時において、ＭＯＳＦＥＴ５の温度上昇が飽和する温度を、モータ電流ＩＭが増大した状況下でも相対的に低く抑制できる。
【００７３】
この結果、過電流保護機能が働いたときの上記飽和温度を、モータ電流ＩＭの大小に拘らず、ＭＯＳＦＥＴ５の性能を保持できるレベルに抑制可能となるものであり、以て過電流保護動作に対する信頼性を高め得るようになる。また、過電流保護動作時には、断続的ではあるがモータ１の運転状態を維持できるから、過電流保護機能が働いた状態でも、本実施例のようにモータ１運転を継続する必要がある用途（自動車用エンジンの冷却系に用いられる電動ファンシステム）に好適するようになる。
【００７４】
また、本実施例によれば、過電流保護回路１３から異常検知信号が出力されてＭＯＳＦＥＴ５が強制的にオフされたときには、その異常検知信号により入力信号変換回路８内のトランジスタ３５がオンされて、当該入力信号変換回路８から信号処理回路９に与えられる直流電圧信号Ｖｂが０Ｖ（グランド電位レベル）に落とされる構成となっている。このため、その後において異常検知信号が出力停止されたときには、上記直流電圧信号Ｖｂのレベルが０Ｖから立ち上がるようになる。これにより、信号処理回路９から駆動回路１２に与えられるＰＷＭ信号のパルス幅は、電圧指示信号Ｖｃに対応したパルス幅となるまでに徐々に大きくなるものであり、結果的に、モータ１の再起動時に発生する突入電流を低いレベルに抑制できるという有益な効果が得られることになる。
【００７５】
（他の実施の形態）
その他、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、以下に述べるような変形或いは拡張が可能である。
オンタイマ及びオフタイマの組合せを２段に設ける構成（第１のオンタイマ１９及び第１のオフタイマ２０の組合せと、第２のオンタイマ２３及び第２のオフタイマ２４の組合せとを設ける構成）としたが、その組合せを３段以上設ける構成も可能である。この構成によればモータ電流ＩＭの大きさに応じた過電流保護動作をさらにきめ細かく行い得るようになる。
【００７６】
上記実施例では、第１のオンタイマ１９及び第２のオンタイマ２３の各タイマ動作時間ｔ１及びｔ１′の関係をｔ１＞ｔ１′に設定し、第１のオフタイマ２０及び第２のオフタイマ２４の各タイマ動作時間ｔ２及びｔ２′の関係をｔ２＜ｔ２′に設定したが、第２のオンタイマ２３及び第２のオフタイマ２４の組合せにおける第２のオフタイマ２４によるタイマ動作時間ｔ２′の占める比率が、第１のオンタイマ１９及び第１のオフタイマ２０の組合せにおける第１のオフタイマ２０によるタイマ動作時間ｔ２の占める比率より大きくなるのであれば、上記のような関係に限定されるものではない。
【００７７】
第１のラッチ回路２１及び第２のラッチ回路２５を設ける構成としたが、これらの機能を一つのラッチ回路で実現する回路構成も可能である。電動ファンシステムのような用途に限らず、電流保護機能が働いた状態でも運転を継続する必要があるモータのための制御装置に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す全体の電気的構成図
【図２】過電流保護回路を示す電気的構成図
【図３】入力信号変換回路の電気的構成図
【図４】各部波形を示すタイミングチャート
【図５】作用説明用のタイミングチャート
【符号の説明】
１はモータ、２はモータ制御装置、３は車載バッテリ、４はエンジン制御ＥＣＵ、５はパワーＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチング素子）、８は入力信号変換回路、９は信号処理回路、１０はモータ電圧検出回路、１１は発振回路、１２は駆動回路、１３は過電流保護回路、１９は第１のオンタイマ、２０は第１のオフタイマ、２１は第１のラッチ回路、２３は第２のオンタイマ、２４は第２のオフタイマ、２５は第２のラッチ回路を示す。

Claims

モータの通電路に介在された半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子をＰＷＭ信号によりオンオフさせる駆動回路と、モータ電流が設定しきい値を越えたときに前記駆動回路を動作停止させるための異常検知信号を出力する過電流保護回路とを備えたモータ制御装置において、
前記過電流保護回路は、
過電流保護動作を行っている期間には、前記異常検知信号を予め設定されたオフ時間だけ出力した後に予め設定されたオン時間だけ出力停止するというタイマ動作を反復実行するタイマ機能と、
このタイマ機能が働いている期間には前記モータ電流が多い場合ほど前記オフ時間が前記オン時間に比べて相対的に長くなるように制御するタイマ時間切替機能と、
を備えた構成とされていることを特徴とするモータ制御装置。
前記過電流保護回路は、
セット状態で前記異常検知信号を出力するラッチ回路と、
前記モータ電流が第１の設定しきい値を越えた状態にあるときに交互にタイマ動作を行う第１のオンタイマ及び第１のオフタイマと、
前記モータ電流が第１の設定しきい値より大きい値の第２の設定しきい値を越えた状態にあるときに交互にタイマ動作を行う第２のオンタイマ及び第２のオフタイマと、
を備え、
前記第１のオンタイマ及び第１のオフタイマは、各タイムアップに応じて前記ラッチ回路をセットする動作及びリセットする動作をそれぞれ行うように構成されると共に、前記モータ電流が前記第２の設定しきい値を越えた状態にあるときにタイマ動作を停止するように構成され、
前記第２のオンタイマ及び第２のオフタイマは、各タイムアップに応じて前記ラッチ回路をセットする動作及びリセットする動作をそれぞれ行うように構成されると共に、それらの組合せにおける第２のオフタイマによるタイマ動作時間が占める比率が、前記第１のオンタイマ及び第１のオフタイマの組合せにおける第１のオフタイマによるタイマ動作時間が占める比率より大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
入力電圧に応じたデューティ比のパルス幅変調信号を生成して前記駆動回路に与える信号処理回路と、
外部から与えられるパルス状の出力レベル指示信号を積分した直流電圧信号を前記信号処理回路に与える入力信号変換回路と、
を備え、
前記入力信号変換回路は、前記過電流保護回路から前記異常検知信号が出力されたときに、前記直流電圧信号をゼロレベルに落とす放電回路を含んだ構成とされていることを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御装置。