JP4372797B2 - 電動シートベルト装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両等に搭載されて乗員を座席に拘束する電動シートベルト装置に関し、特に、シートベルトを巻き取る電動モータの回生時に流れる回生電流を予測する技術に関する。

従来から、前方車両等の障害物との距離や、運転者によるブレーキの操作状態等の情報に基づいて車両の衝突可能性を予測し、必要に応じて電動モータでシートベルトを巻き取ることにより、運転者に衝突の危険性を警報したり、乗員を座席に拘束して衝突時の被害を軽減させたりする電動シートベルト装置が知られている。
このような電動シートベルト装置では、予測された車両の衝突可能性に応じて、シートベルトを巻き取る電動モータを駆動制御する必要がある。

電動モータを駆動制御する方法のひとつに、４個のスイッチング素子を含むＨブリッジ回路において、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号により電動モータを駆動するチョッパ制御がある。
以下、図４および図５を参照しながら、電動モータのチョッパ制御について説明する。

図４は、一般的なモータ駆動回路を示す構成図である。
図４において、このモータ駆動回路は、４個のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）（スイッチング素子）１〜４から構成されるＨブリッジ回路を備えている。
ＦＥＴ１およびＦＥＴ２は、Ｈブリッジ回路の左側のハイサイドおよびローサイドにそれぞれ接続されている。また、ＦＥＴ３およびＦＥＴ４は、Ｈブリッジ回路の右側のハイサイドおよびローサイドにそれぞれ接続されている。

また、このモータ駆動回路は、４個のＦＥＴ１〜４の各々に接続されたフライホイールダイオード５〜８と、Ｈブリッジ回路のハイサイドとローサイドとの間に接続された電動モータ９と、電動モータ９に駆動電力を供給するバッテリ１０（電源）と、Ｈブリッジ回路とグランドとの間に接続されたシャント抵抗器１１と、シャント抵抗器１１に接続された電流検出回路５１と、電流検出回路５１に接続されたＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）（モータ制御手段）１３と、ＭＰＵ１３に接続されたＦＥＴ駆動回路（駆動手段）１４とを備えている。

電流検出回路５１は、シャント抵抗器１１の両端電圧から電動モータ９に流れる電流を検出し、電流信号を出力する。
ＭＰＵ１３は、電流信号に基づいて、電動モータ９の通電方向および通電電流量を制御するための制御信号を出力する。
また、ＦＥＴ駆動回路１４は、制御信号に基づいてＰＷＭ信号を出力し、ＦＥＴ１〜４をＰＷＭ駆動する。

このモータ駆動回路において、電動モータ９を正転駆動させる場合には、ＦＥＴ１をオンし、ＦＥＴ２、３をオフして、ＦＥＴ４をＰＷＭ信号によりオン−オフ制御（すなわち、ＰＷＭ駆動）する。
このとき、ＦＥＴ４は、ＰＷＭ信号の周期毎に所定時間オンされ、電動モータ９には、ＦＥＴ４がオン状態の場合のみバッテリ１０から駆動電力が供給される。
ここで、ハイサイドのＦＥＴ１をオン−オフ制御せず、オン状態に固定することにより、スイッチングに伴う発熱を防止している。
また、電動モータ９を逆転駆動させる場合には、ＦＥＴ３をオンし、ＦＥＴ１、４をオフして、ＦＥＴ２をＰＷＭ信号によりオン−オフ制御（すなわち、ＰＷＭ駆動）する。

また、４個のＦＥＴ１〜４の各々に接続されたフライホイールダイオード５〜８は、ＦＥＴがオン状態からオフ状態に切り替わった際に、電動モータ９のコイル（図示せず）から発生する誘導電圧（逆起電圧）によって流れる電流を還流させる。
すなわち、例えばＰＷＭ信号によってＦＥＴ４がオン状態からオフ状態に切り替わったとき、電動モータ９の慣性駆動により発生する誘導電圧に応じて流れる電流は、電動モータ９から、フライホイールダイオード７およびＦＥＴ１を通って再び電動モータ９に戻る閉ループ回路を還流（回生）する。
ここで、この閉ループ回路に電流（以下、「回生電流」と称する）を回生させることにより、電力を有効に利用している。

このモータ駆動回路では、スイッチングに伴う発熱を防止するために、ハイサイドのＦＥＴ１、３をオン状態に固定し、電力を有効に利用するために、閉ループ回路に回生電流を回生させている。
そこで、電動モータ９を正転駆動あるいは逆転駆動させる場合には、ハイサイドのＦＥＴ１あるいはＦＥＴ３をオン状態としたまま、ローサイドのＦＥＴ４あるいはＦＥＴ２をＰＷＭ駆動している。

そのため、このモータ駆動回路では、ローサイドのＦＥＴ４あるいはＦＥＴ２がオン状態の場合のみ、バッテリ１０から電動モータ９に駆動電力が供給され、シャント抵抗器１１に電流が流れて両端に電圧が発生する。
したがって、ローサイドのＦＥＴ４あるいはＦＥＴ２がオフ状態で、回生電流が上記の閉ループ回路を回生している場合（電動モータ９の回生時）には、シャント抵抗器１１に電流が流れず両端に電圧が発生しない。

ここで、図４のモータ駆動回路について、ＦＥＴ４に与えられるＰＷＭ信号と、電流検出回路５１から出力される電流信号と、電動モータ９の実電流との関係を図５に示す。
図５において、電動モータ９の回生時には、シャント抵抗器１１の両端に電圧が発生しないので、実際には電動モータ９に回生電流（電動モータの実電流の実線参照）が流れているにもかかわらず、電流検出回路５１から出力される電流信号が零となる。
すなわち、上記の一般的なモータ駆動回路では、電動モータ９の回生時に流れる回生電流を検出することができず、電流信号から得られる平均電流値が、電動モータ９の実電流の平均電流値と大きく異なるという問題点があった。

そこで、上記の問題点を解決するために、従来のハイサイド方式の電流検出回路は、電動モータの駆動を制御する制御手段からの指示信号に同期して、ＦＥＴのオン時にシャント抵抗器の両端間から検出される両端電圧をサンプルし、かつＦＥＴのオフ時に両端電圧を保持するためのアナログスイッチを含むサンプルホールド回路と、指示信号に同期してアナログスイッチをスイッチングするためのスイッチ駆動信号を生成するスイッチ駆動信号生成回路とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

サンプルホールド回路は、指示信号に同期したアナログスイッチのオン動作により、Ｈブリッジ回路内のＦＥＴがオン期間中のシャント抵抗器の両端電圧をコンデンサにサンプルし、ＦＥＴのオフ時においては、アナログスイッチのオフ動作により、コンデンサの両端間の電圧をホールド電圧として出力する。
これにより、電動モータの回生時に流れる回生電流を、直接検出することなく予測している。

特許第３１５４６６５号公報

従来のハイサイド方式の電流検出回路では、ＦＥＴのオン時にシャント抵抗器の両端電圧をサンプルするサンプルホールド回路と、サンプルホールド回路のアナログスイッチをスイッチングするスイッチ駆動信号生成回路とにより電動モータの回生電流を予測している。
そのため、回路構成が複雑になるとともに、コストが高くなるという問題点があった。

ここで、図４に示した一般的なモータ駆動回路を、上記の電動シートベルト装置に適用した場合について説明する。
電動シートベルト装置において、車両の座席に設けられたシートベルト（図示せず）は、ぜんまい機構（リトラクタ）によって引き込まれ、座席に着座した乗員、あるいはチャイルドシート等を固定している。
したがって、車両の衝突可能性に応じて電動モータ９がシートベルトを巻き取る場合であっても、電動モータ９は、ほぼ回転しない状態になっている。

続いて、この状態で、ＭＰＵ１３からの制御信号によってＦＥＴ１〜４がＰＷＭ駆動され、電動モータ９が正転駆動している場合を考える。
ＰＷＭ信号によってＦＥＴ４がオン状態からオフ状態に切り替わったとき、電動モータ９の慣性駆動により発生する逆起電圧の大きさは、電動モータ９の回転数に比例する。
そのため、電動モータ９がほぼ回転しない状態では、逆起電力をほぼ零とみなすことができる。

したがって、電動モータ９の回生電流は、図５の一点鎖線のようになり、また、電動モータ９のインダクタンスＬを電動モータ９の電機子抵抗Ｒａで除算して得られる電気的時定数（Ｌ／Ｒａ）のみで表される１次遅れ要素となる。
すなわち、図４のモータ駆動回路を適用した電動シートベルト装置においては、電動モータ９の回生電流を容易に予測することができる。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、簡素な回路構成で電動モータの回生時に流れる回生電流を予測するとともに、コストダウンを実現することができる電動シートベルト装置を提供することにある。

この発明に係る電動シートベルト装置は、車両の座席に設けられて乗員を座席に拘束するシートベルトを備えた電動シートベルト装置であって、Ｈブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子と、複数のスイッチング素子の各々に接続されたフライホイールダイオードと、Ｈブリッジ回路に接続されてシートベルトを巻き取る電動モータと、電動モータに駆動電力を供給する電源と、Ｈブリッジ回路に接続されたシャント抵抗器と、電動モータに流れる電流を検出し、電流信号を出力するモータ電流検出手段と、電流信号に基づいて、電動モータの通電方向および通電電流量を制御するための制御信号を出力するモータ制御手段と、制御信号に基づいて、複数のスイッチング素子をＰＷＭ駆動する駆動手段とを備え、モータ電流検出手段は、シャント抵抗器の両端電圧に基づいて、電源からの駆動電力供給時に電動モータに流れる駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、駆動電流に基づいて、電動モータの回生時に流れる回生電流を予測し、電流信号として出力する回生電流予測手段とを含み、回生電流予測手段は、駆動電流検出手段からの駆動電流が非反転入力端子に入力されるオペアンプと、オペアンプの出力端子にアノードが接続されたダイオードと、非反転入力端子とダイオードのカソードとの間に接続された抵抗と、ダイオードのカソードとグランドとの間に接続されたコンデンサとを有し、抵抗の抵抗値とコンデンサの静電容量とを互いに乗算して得られる電気的時定数は、電動モータの電気的時定数と等しい値に設定され、回生電流予測手段は、電源からの駆動電力供給時には、駆動電流を電流信号として出力するとともに、電動モータの回生時には、駆動電流に基づいて、電動モータの回生電流を予測し、電流信号として出力するものである。

この発明の電動シートベルト装置によれば、シートベルトを巻き取る電動モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段は、シャント抵抗器の両端電圧に基づいて、電源からの駆動電力供給時に電動モータに流れる駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、駆動電流に基づいて、電動モータの回生時に流れる回生電流を予測する回生電流予測手段とを含むので、簡素な回路構成で電動モータの回生時に流れる回生電流を予測するとともに、コストダウンを実現することができる。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動シートベルト装置を示す構成図である。
図１において、この電動シートベルト装置は、電動モータ９に流れる電流を検出し、電流信号を出力するモータ電流検出回路１２（モータ電流検出手段）を備えている。
また、電動モータ９は、車両の座席に設けられたシートベルト２１を巻き取る。

モータ電流検出回路１２は、駆動電流検出回路１５（駆動電流検出手段）と、回生電流予測回路１６（回生電流予測手段）とを含んでいる。
駆動電流検出回路１５は、シャント抵抗器１１の両端に電圧が発生している場合（ローサイドのＦＥＴ４あるいはＦＥＴ２がオン状態であって、バッテリ１０から電動モータ９に駆動電力が供給されている場合、以下、「バッテリ１０からの駆動電力供給時」と称する）に、シャント抵抗器１１の両端電圧に基づいて、電動モータ９に流れる駆動電流を検出する。なお、電動モータ９の回生時には、駆動電流は零となる。

回生電流予測回路１６は、シートベルト２１を巻き取る電動モータ９がほぼ回転しない状態であることから、駆動電流検出回路１５で検出された駆動電流に基づいて、電動モータ９の回生時に流れる回生電流を予測し、電流信号として出力する。
その他の構成は、前述した図４と同様なので、詳述を省略する。

図２は、図１の回生電流予測回路１６を詳細に示す回路図である。
図２において、回生電流予測回路１６は、駆動電流検出回路１５からの駆動電流が非反転入力端子に入力されるオペアンプ１７と、オペアンプ１７の出力端子にアノードが接続されたダイオード１８と、オペアンプ１７の非反転入力端子とダイオード１８のカソードとの間に接続された抵抗１９と、ダイオード１８のカソードとグランドとの間に接続されたコンデンサ２０とを有している。

回生電流予測回路１６は、バッテリ１０からの駆動電力供給時には、駆動電流検出回路１５からの駆動電流をそのまま電流信号として出力するとともに、コンデンサ２０を充電する。
また、回生電流予測回路１６は、電動モータ９の回生時には一次遅れ系となり、抵抗１９の抵抗値Ｒとコンデンサ２０の静電容量Ｃとを互いに乗算して得られる電気的時定数（ＲＣ）で、コンデンサ２０に蓄積された電荷を放電し、電流信号を出力する。

ここで、回生電流予測回路１６の電気的時定数（ＲＣ）は、電動モータ９の電気的時定数（Ｌ／Ｒａ）と等しい値になるように設定されている。
すなわち、回生電流予測回路１６の電気的時定数（ＲＣ）によるＡ点（図２参照）での電流信号の波形が、電動モータ９の実電流の波形と一致するように、抵抗１９の抵抗値Ｒとコンデンサ２０の静電容量Ｃとが設定されている。

以下、上記構成の電動シートベルト装置の動作について説明する。
まず、前方車両等の障害物との距離や、運転者によるブレーキの操作状態等の情報に基づいて車両の衝突が予測された場合に、ＭＰＵ１３は、モータ電流検出回路１２からの電流信号に基づいて、電動モータ９の通電方向および通電電流量を制御するための制御信号を出力する。

ＦＥＴ駆動回路１４は、制御信号に基づいてＰＷＭ信号を出力し、ＦＥＴ１〜４をＰＷＭ駆動する。
例えば、シートベルト２１を巻き取る場合には、ＦＥＴ１をオンし、ＦＥＴ２、３をオフして、ＦＥＴ４をＰＷＭ信号によりオン−オフ制御（ＰＷＭ駆動）することにより、電動モータ９を正転駆動させる。

また、シートベルト２１は、一度巻き取られると機構的にロック状態となるので、再度シートベルト２１を巻き取る場合には、ロック状態を解除する必要がある。
シートベルト２１のロック状態を解除する場合には、ＦＥＴ３をオンし、ＦＥＴ１、４をオフして、ＦＥＴ２をＰＷＭ信号によりオン−オフ制御（ＰＷＭ駆動）することにより、電動モータ９を逆転駆動させる。

駆動電流検出回路１５は、前述のように、バッテリ１０からの駆動電力供給時に、シャント抵抗器１１の両端電圧に基づいて、電動モータ９に流れる駆動電流を検出する。
また、回生電流予測回路１６は、バッテリ１０からの駆動電力供給時には、駆動電流検出回路１５からの駆動電流をそのまま電流信号として出力し、電動モータ９の回生時には、駆動電流検出回路１５からの駆動電流に基づいて、電動モータ９の回生電流を予測し、電流信号として出力する。

ここで、図１の電動シートベルト装置について、ＦＥＴ４に与えられるＰＷＭ信号と、モータ電流検出回路１２から出力される電流信号と、電動モータ９の実電流との関係を図３に示す。
図３において、電流信号は、バッテリ１０からの駆動電力供給時（電流の立ち上がり時）には、シャント抵抗器１１の両端電圧に基づいて駆動電流検出回路１５で検出された駆動電流となり、電動モータ９の回生時（電流の立ち下がり時）には、駆動電流検出回路１５からの駆動電流に基づいて回生電流予測回路１６で予測された電動モータ９の回生電流となる。

この発明の実施の形態１に係る電動シートベルト装置によれば、シートベルト２１を巻き取る電動モータ９に流れる電流を検出するモータ電流検出回路１２は、駆動電流検出回路１５と、回生電流予測回路１６とを含んでいる。
駆動電流検出回路１５は、シャント抵抗器１１の両端電圧に基づいて、バッテリ１０からの駆動電力供給時に電動モータ９に流れる駆動電流を検出する。
また、回生電流予測回路１６は、シートベルト２１を巻き取る電動モータ９がほぼ回転しない状態であることから、駆動電流検出回路１５で検出された駆動電流に基づいて、電動モータ９の回生時に流れる回生電流を予測する。
そのため、簡素な回路構成で電動モータ９の回生時に流れる回生電流を予測するとともに、コストダウンを実現することができる。

また、回生電流予測回路１６にダイオード１８を設けることにより、簡素な回路構成でバッテリ１０からの駆動電力供給時と、電動モータ９の回生時とを容易に模擬することができる。
また、電動モータ９の電気的時定数（Ｌ／Ｒａ）を、回生電流予測回路１６の電気的時定数（ＲＣ）で模擬することにより、簡素な回路構成で回生電流を予測することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動シートベルト装置を示す構成図である。 図１の回生電流予測回路１６を詳細に示す回路図である。 図１の電動シートベルト装置について、ＦＥＴに与えられるＰＷＭ信号と、モータ電流検出回路から出力される電流信号と、電動モータの実電流との関係を示す説明図である。 一般的なモータ駆動回路を示す構成図である。 図４のモータ駆動回路について、ＦＥＴに与えられるＰＷＭ信号と、電流検出回路から出力される電流信号と、電動モータの実電流との関係を示す説明図である。

符号の説明

１〜４ ＦＥＴ（スイッチング素子）、５〜８ フライホイールダイオード、９ 電動モータ、１０ バッテリ（電源）、１１ シャント抵抗器、１２ モータ電流検出回路（モータ電流検出手段）、１３ ＭＰＵ（モータ制御手段）、１４ ＦＥＴ駆動回路（駆動手段）、１５ 駆動電流検出回路（駆動電流検出手段）、１６ 回生電流予測回路（回生電流予測手段）、１７ オペアンプ、１８ ダイオード、１９ 抵抗、２０ コンデンサ、２１ シートベルト。

Claims (1)

1. 車両の座席に設けられて乗員を前記座席に拘束するシートベルトを備えた電動シートベルト装置であって、
   Ｈブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子と、
   前記複数のスイッチング素子の各々に接続されたフライホイールダイオードと、
   前記Ｈブリッジ回路に接続されて前記シートベルトを巻き取る電動モータと、
   前記電動モータに駆動電力を供給する電源と、
   前記Ｈブリッジ回路に接続されたシャント抵抗器と、
   前記電動モータに流れる電流を検出し、電流信号を出力するモータ電流検出手段と、
   前記電流信号に基づいて、前記電動モータの通電方向および通電電流量を制御するための制御信号を出力するモータ制御手段と、
   前記制御信号に基づいて、前記複数のスイッチング素子をＰＷＭ駆動する駆動手段とを備え、
   前記モータ電流検出手段は、
   前記シャント抵抗器の両端電圧に基づいて、前記電源からの駆動電力供給時に前記電動モータに流れる駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、
   前記駆動電流に基づいて、前記電動モータの回生時に流れる回生電流を予測し、前記電流信号として出力する回生電流予測手段とを含み、
   前記回生電流予測手段は、
   前記駆動電流検出手段からの前記駆動電流が非反転入力端子に入力されるオペアンプと、
   前記オペアンプの出力端子にアノードが接続されたダイオードと、
   前記非反転入力端子と前記ダイオードのカソードとの間に接続された抵抗と、
   前記ダイオードのカソードとグランドとの間に接続されたコンデンサとを有し、
   前記抵抗の抵抗値と前記コンデンサの静電容量とを互いに乗算して得られる電気的時定数は、前記電動モータの電気的時定数と等しい値に設定され、
   前記回生電流予測手段は、前記電源からの駆動電力供給時には、前記駆動電流を前記電流信号として出力するとともに、前記電動モータの回生時には、前記駆動電流に基づいて、前記電動モータの回生電流を予測し、前記電流信号として出力することを特徴とする電動シートベルト装置。

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