JP4527793B2

JP4527793B2 - モータ制御装置

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Publication number: JP4527793B2
Application number: JP2008166889A
Authority: JP
Inventors: 友章小澤; 隆広土屋; 洋川上; 政行新井
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP2010011610A; US20090322272A1; US8174228B2

Description

本発明は、機構を駆動するモータを制御するモータ制御装置に関し、特に、モータの温度を推定する機能を有するモータ制御装置に関する。

機構（例えば、スライド機構、昇降機構など）を駆動するモータを通電している時に、モータがロックしたような状況が発生した場合、モータに過大な電流が流れ、モータが焼損するおそれがある。モータの焼損を防止（モータを保護）するため、以下のような装置が開示されている。

例えば、特許文献１では、モータに流れるモータ電流を検出すると共に、モータの起動からの通電時間を検出し、モータ電流と通電時間によって、モータの発熱温度を推定して、推定した発熱温度に基づき、モータへの通電を規制（操作スイッチからの操作入力を許可または禁止）する駆動切替装置が開示されている。

また、特許文献２では、モータの推定温度を算出し、算出された推定温度を記憶し、通電時にモータの作動条件に応じて推定温度の温度上昇値を算出し、算出された温度上昇値を、記憶された推定温度に加算して、新たな推定温度に更新し、更新された推定温度が所定の温度を超えた場合にモータの焼損保護を行うモータ制御装置が開示されている。温度上昇値の算出では、複数の温度上昇算定式を用いて最適な温度上昇値を算出し、算出した温度上昇値のうち最も大きいものを最適な温度上昇値として選択している。

特開２００３−２８９６９４号公報特開２００７−４３８３５号公報

特許文献１、２では、通電時間、電流等に基づいてモータの温度を推定し、推定温度が予め設定された規定値（所定温度）を超えた場合に通電を規制しているが、低温環境で使用していても、高温環境で使用していても、同一の規定値を用いている。そして、規定値は、安全性を確保するために、高温環境を基準に設定されることになる。高温環境を基準に設定された規定値を低温環境で使用した場合、実際に焼損するより余力のある状況でモータへの通電が規制されてしまい、モータが本来的に有する性能を出し切れないおそれがある。

本発明の主な課題は、安全性を確保しつつ低温環境で使用した場合でもモータが本来的に有する性能を出し切れるようにすることである。

本発明の一視点においては、モータ制御装置において、モータと、前記モータを制御するとともに、前記モータの電流値と通電時間又は停止時間に基づいて前記モータの発熱温度を推定し、推定された前記発熱温度が、規制値以上となったときに前記モータに流す通電量を規制する制御部と、車両の所定の位置の温度を検出する１又は複数の温度センサと、を備え、前記制御部は、システム起動時に前記温度センサからの温度信号に基づいて前記モータの初期温度を推定するとともに、推定された前記初期温度に応じて前記規制値を決定し、前記制御部は、システム起動後の経過時間及び通電回数の一方又は両方に応じて前記規制値が低くなるように変化させることを特徴とする。

本発明によれば、推定したモータの初期温度に応じて規制値を決定、つまり、モータ２１の焼損に対する余力に応じて規制値を決定することで、モータが本来的に有する性能を出し切ることができる。また、経過時間や通電回数に応じて規制値を高温側へ変化するように決定することで、モータ保護を確実に実施することができる。

本発明の実施形態に係るモータ制御装置では、モータ（図１の２１）と、前記モータ（図１の２１）を制御するとともに、前記モータ（図１の２１）の電流値と通電時間又は停止時間に基づいて前記モータ（図１の２１）の発熱温度を推定し、推定された前記発熱温度が、規制値以上となったときに前記モータ（図１の２１）に流す通電量を規制する制御部（図１の３０）と、車両の所定の位置の温度を検出する１又は複数の温度センサ（図１の５１〜５３）と、を備え、前記制御部（図１の３０）は、システム起動時に前記温度センサ（図１の５１〜５３）からの温度信号に基づいて前記モータ（図１の２１）の初期温度を推定するとともに、推定された前記初期温度に応じて前記規制値を決定し、前記制御部（図１の３０）は、システム起動後の経過時間及び通電回数の一方又は両方に応じて前記規制値が低くなるように変化させることを特徴とする。

本発明の実施例１に係るモータ制御装置について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係るモータ制御装置を適用した駆動切替装置の構成を模式的に示したブロック図である。図２は、本発明の実施例１に係るモータ制御装置によって制御されるモータを含むアクチュエータの構成を示した模式図である。図３は、本発明の実施例１に係るモータ制御装置における規定値のイメージを示した図である。

図１を参照すると、モータ制御装置は、駆動切替機構１０の切替動作を行うアクチュエータ２０内のモータ２１を制御する装置である。モータ制御装置は、アクチュエータ２０と、制御部３０と、操作部４０と、温度センサ５１〜５３と、を有する。

駆動切替機構１０は、車両の駆動状態を切り替える機構である。駆動切替機構１０は、アクチュエータ２０の動作により、駆動状態を２輪駆動、デフロックされた４輪駆動、及び、デフロックされていない４輪駆動の３つの状態のいずれか１つに切り替えることか可能なものである。駆動切替機構１０は、特許文献１に記載の駆動切替機構と同様なものを用いてもよい。

アクチュエータ２０は、制御部３０の制御に基づいてモータ２１を駆動することにより機構２２（図２の２３、２４、２５、２６Ａ〜２６Ｄに相当）を介して駆動切替機構１０の切替動作を行う装置である（図１参照）。アクチュエータ２０は、ハウジング２８内において、モータ２１と、出力機構２３と、ロッド２４と、サイクロイドギヤ２５と、回転吸収機構２６Ａ〜２６Ｄと、リミットスイッチ２７と、を有する（図２参照）。

モータ２１は、制御部３０の制御により出力軸２１Ａからの回転トルクを出力する。出力機構２３は、モータ２１の出力軸２１Ａの回転トルクを軸方向（出力軸２１Ａの直角方向）の推力に変換して出力する機構である。ロッド２４は、モータ２１の回転トルクに応じた推力が出力機構２３を介して伝達され、伝達された推力に応じて位置が軸方向に変位する棒状の出力部材である。サイクロイドギヤ２５は、モータ２１の出力軸２１Ａと出力機構２３との間に配設され、ロッド２４側（出力機構２３側）から出力軸２１Ａ側へ伝達される動力によって、出力軸２１Ａの逆回転を禁止する逆回転禁止機構である。なお、サイクロイドギヤ２５の代わりにウォームギアを用いることも可能である。回転吸収機構２６Ａ〜２６Ｄは、サイクロイドギヤ２５と出力機構２３との間に配設され、モータ２１が回転している時にロッド２４の往復動が不能となった場合におけるモータ２１の回転を吸収する機構である。リミットスイッチ２７は、出力軸２１Ａの回転角度を検出するスイッチ（センサ）であり、回転吸収機構２６Ａ〜２６Ｄと出力軸２１Ａとの間に配設され、制御部３０と電気的に接続されている。

回転吸収機構２６Ａ〜２６Ｄは、モータ側回転部材２６Ａと、スパイラルスプリング２６Ｂと、出力側回転部材２６Ｃと、プレート２６Ｄと、を有する。モータ側回転部材２６Ａは、スパイラルスプリング２６Ｂの一端に固定され、モータ２１の出力軸２１Ａの回転力がサイクロイドギヤ２５を介して入力され、入力された回転力をスパイラルスプリング２６Ｂを介して出力側回転部材２６Ｃに伝達する回転部材である。スパイラルスプリング２６Ｂは、一端がモータ側回転部材２６Ａに固定されるとともに、他端が出力側回転部材２６Ｃに固定され、モータ側回転部材２６Ａがモータ２１により回転を行う回転方向に弾縮可能なスパイラル状の弾性部材である。出力側回転部材２６Ｃは、スパイラルスプリング２６Ｂの他端に固定されるとともに、モータ側回転部材２６Ａからの回転力がスパイラルスプリング２６Ｂを介して入力され、入力された回転力を出力機構２３に伝達する回転部材である。プレート２６Ｄは、モータ側回転部材２６Ａと出力側回転部材２６Ｃとの間に配設された部材である。

制御部３０は、モータ２１を制御するコントローラである。制御部３０は、所定のプログラムに基づいて情報処理を行うコンピュータ機能を有する。制御部３０は、リミットスイッチ２７、及び、操作部４０、と電気的に接続されており、リミットスイッチ２７の状態信号と、操作部４０の切替信号とが入力される。制御部３０は、入力された信号に基づいて通電（モータ２１を正転または逆転させる通電）制御を行い、モータ２１を駆動させる。

また、制御部３０は、モータ２１の発熱を防止するために、モータ２１に流す通電量を規制する機能（通電量規制機能）を有する。制御部３０の通電量規制機能では、エンジン始動時において、温度センサ５１〜５３の全て又は一部から温度信号に基づいてモータ２１の初期温度（エンジン始動時のモータ２１の温度）を推定し、推定された初期温度に応じて規制値（例えば、極低温用、低温用、高温用の規制値）を決定し（図３の上段参照）、モータ２１の電流値と通電時間又は停止時間に基づいてモータ２１の発熱温度を推定し、推定された発熱温度が、決定された規制値以上となったときにモータ２１に流す通電量を規制する。なお、規制値は、初期温度が高くなるにつれて段階的に低くなるように設定されている。また、制御部３０の通電量規制機能では、モータ２１に通電の繰り返しや、車両雰囲気温度の影響を受けてモータの温度が上昇するため、経過時間や通電回数に応じて規制値が高温側へ変化する（規制値が低くなる）ように決定し（図３の下段参照）、推定された発熱温度が、決定された規制値以上となったときにモータ２１に流す通電量を規制する。なお、制御部３０の詳細な構成及び動作については後述する。

操作部４０は、手動で駆動状態（２輪駆動、デフロックされた４輪駆動、及び、デフロックされていない４輪駆動）を切り替えるスイッチであり、切替信号を制御部３０に向けて出力する。

第１温度センサ５１は、車両の外気温を検出する温度センサであり、温度信号を制御部３０に向けて出力する。

第２温度センサ５２は、車両におけるラジエタ（図示せず）の水温を検出する温度センサであり、温度信号を制御部３０に向けて出力する。

第３温度センサ５３は、アクチュエータ２０の温度を検出する温度センサであり、温度信号を制御部３０に向けて出力する。

なお、図１では温度センサ５１〜５３が３個となっているが、温度センサが１個以上（４個以上でも可）あればよい。

ＥＣＵ（Engine Control Unit）６０は、エンジンを制御する装置である。ＥＣＵ６０は、エンジン停止時から次に始動するまでの時間（ソーク時間）をカウントする機能を有し、エンジン始動時（システム起動時）にソーク時間を制御部３０に提供する。

本発明の実施例１に係るモータ制御装置の動作について図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施例１に係るモータ制御装置における制御部のモータ制御動作を示したフローチャートである。図５は、本発明の実施例１に係るモータ制御装置の通電・非通電のイメージを示した模式図である。なお、モータ制御装置の各構成部については、図１、図２を参照されたい。

図４を参照すると、まず、制御部３０は、電源がＯＮ（イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ）になると、ＥＣＵ６０からエンジン停止時から次に始動するまでの時間（ソーク時間）を取得する（ステップＡ１）。なお、制御部３０は、エンジン始動直後ではモータ２１が発熱していないので、操作部４０の操作状態を示すフラグを操作許可としておく。

ステップＡ１の後、制御部３０は、温度センサ５１〜５３から温度信号を取得する（ステップＡ２）。なお、温度信号の取得では、温度センサ５１〜５３が全て正常であれば全ての温度信号を取得し、温度センサ５１〜５３のいずれかが故障していれば正常な温度センサ５１〜５３の温度信号を取得することになる。

ステップＡ２の後、制御部３０は、取得したソーク時間、及び温度信号（取得可能な温度信号）に応じてモータ温度推定用の関数を決定する（ステップＡ３）。

モータ温度推定用の関数の決定では、例えば、ソーク時間が所定値以上であればソーク状態用の関数（複数種類の関数）が選択され、ソーク時間が所定値未満であれば暖機状態用の関数（複数種類の関数）が選択され、最終的には、取得可能な温度信号に応じて、ソーク状態用又は暖機状態用の１つの関数が決定される。ソーク状態用の関数は、取得可能な温度信号に応じて、複数種類の関数がある。暖機状態用の関数も、取得可能な温度信号に応じて、複数種類の関数がある。

ステップＡ３の後、制御部３０は、決定されたモータ温度推定用の関数に基づいてモータ２１の初期温度を推定する（ステップＡ４）。なお、初期温度は、エンジン始動時（システム起動時）のモータ２１の温度である。

ステップＡ４の後、ステップＡ１８の後、又は、ステップＡ１９の後、制御部３０は、推定された初期温度と、カウントされた通電回数又は経過時間と、に基づいて、規制値を決定する（ステップＡ５）。例えば、規制値の初回の決定は図５の時間Ａで行われ、その次の規制値の決定は図５の時間Ｃで行われる。なお、通電回数は、エンジン始動直後のモータを駆動していない状態では「０」である。経過時間は、エンジンを始動してからの時間である。

規制値の決定に関して、規制値の初回の決定では、推定した初期温度が、例えば、極低温（−２０℃未満）の場合は極低温用の規制値を使用し、低温（−２０℃〜＋２０℃）の場合は低温用の規制値（＜極低温用の規制値）を使用し、高温（＋２０℃超）の場合は高温用の規制値（＜極低温用の規制値）を使用するように決定する（図３の上段参照）。また、規制値の初回以外の決定では、例えば、初回に極低温用の規制値に決定した場合でも、モータ２１に通電の繰り返しや、車両雰囲気温度の影響を受けてモータの温度が上昇するため、経過時間が所定時間以上となった場合、又は、通電回数が所定回数以上となった場合は、規定値を高温側へ変化する（規制値が低く抑える）ように決定する（図３の下段参照）。これにより、モータ保護を確実に実施することができる。

ステップＡ５の後、制御部３０は、操作部４０の操作があるか否か判定する（ステップＡ６）。この判定では、２輪駆動、デフロックされた４輪駆動、及び、デフロックされていない４輪駆動の３つの状態のいずれかの状態にあるかが判定される。操作がない場合（ステップＡ６のＮＯ）、ステップＡ６に戻る。

操作があった場合（ステップＡ６のＹＥＳ）、制御部３０は、フラグが操作禁止になっているか否かを判定する（ステップＡ７）。操作禁止になっている場合（ステップＡ７のＹＥＳ）、ステップＡ１４に進む

操作禁止になっていない場合（ステップＡ７のＮＯ）、制御部３０は、操作部４０の操作内容に応じてモータ２１を制御し、モータ２１の電流値、通電時間、停止時間を検出する（ステップＡ８）。なお、制御部３０は、モータ２１を制御している間、モータ２１の起動を開始してからの経過時間をカウントする。

ステップＡ８の後、制御部３０は、モータ２１の制御状態に応じて、ロッド（図２の２４）の移動が完了しているか否かを判定する（ステップＡ９）。ロッドの移動が完了している場合（ステップＡ９のＹＥＳ）、ステップＡ１３に進む。

ロッドの移動が完了していない場合（ステップＡ９のＮＯ）、制御部３０は、モータ２１が通電中であるか否かを判定する（ステップＡ１０）。通電中でない場合（ステップＡ１０のＮＯ）、ステップＡ１７に進む。

通電中である場合（ステップＡ１０のＹＥＳ）、制御部３０は、モータ２１の停止時間をクリアし（０に戻し）、モータ２１の通電時間をカウントする（ステップＡ１１）。

ステップＡ１１の後、制御部３０は、検出されたモータ２１の電流値と、カウントされた通電時間と、に基づいて、増加方向でモータ２１の発熱温度を推定する（ステップＡ１２）。なお、モータ２１の発熱温度の推定では、予め実験的に求められた温度上昇に関する関数に電流値と通電時間を代入することで上昇係数を求め、１つ前に推定された発熱温度（初回の場合は初期温度）に上昇係数を加算することによって求められる。ステップＡ１２の後、ステップＡ１７に進む。尚、一定周期で電流値から上昇係数を算出するようにしてもよい。

ロッドの移動が完了している場合（ステップＡ９のＹＥＳ）、制御部３０は、モータ２１の通電時間をクリア（０に戻す）する（ステップＡ１３）。

ステップＡ１３の後、又は、操作禁止になっている場合（ステップＡ７のＹＥＳ）、制御部３０は、モータ２１を非通電（停止）にする（ステップＡ１４）。

ステップＡ１４の後、制御部３０は、モータ２１の停止時間をカウントする（ステップＡ１５）。

ステップＡ１５の後、制御部３０は、検出されたモータ２１の電流値と、カウントされた停止時間と、に基づいて、減少方向でモータ２１の発熱温度を推定する（ステップＡ１６）。なお、モータ２１の発熱温度の推定では、予め実験的に求められた温度下降値を求め、１つ前に推定された発熱温度から減算することによって求められる。その後、ステップＡ１７に進む。

通電中でない場合（ステップＡ１０のＮＯ）、ステップＡ１２の後、又は、ステップＡ１６の後、制御部３０は、推定されたモータ２１の発熱温度が、決定された規制値よりも小さいか否かを判定する（ステップＡ１７）。規制値よりも小さくない場合（規制値以上の場合；ステップＡ１７のＮＯ）、ステップＡ１９に進む。

規制値よりも小さい場合（ステップＡ１７のＹＥＳ）、制御部３０は、フラグを操作許可にする（ステップＡ１８）。例えば、図５のＡ−Ｂ間のように発熱温度が規制値よりも小さいとき、操作許可（通電許可）にする。その後、ステップＡ５に戻る。

規制値よりも小さくない場合（規制値以上の場合；ステップＡ１７のＮＯ）、制御部３０は、フラグを操作禁止にする（ステップＡ１９）。例えば、図５の時間Ｂ、Ｄのように発熱温度が規制値に達したときには、操作禁止（通電禁止）にする。その後、ステップＡ５に戻る。尚、上記実施態様では、エンジン停止時から次に始動するまでのソーク時間、及び温度信号に基づいて初期温度を推定したが、ソーク時間を考慮せず、測定した温度信号のみに基づいて初期温度を推定するようにしてもよい。

本発明によれば、推定したモータ２１の初期温度に応じて規制値を決定、つまり、モータ２１の焼損に対する余力に応じて規制値を決定することで、モータ２１が本来的に有する性能を出し切ることができる。また、経過時間や通電回数に応じて規制値を高温側へ変化するように決定することで、モータ保護を確実に実施することができる。また、車両の温度センサ５１〜５３から取得する温度信号を使用することで、モータ専用の温度センサがない状況や、一部の温度センサが故障した状況でもモータ２１の初期温度を推定することができるので、モータ保護を確保することができる。さらに、新たな温度センサを追加しないことも可能なため、システムのコストを削減することもできる。

本発明の実施例１に係るモータ制御装置を適用した駆動切替装置の構成を模式的に示したブロック図である。本発明の実施例１に係るモータ制御装置によって制御されるモータを含むアクチュエータの構成を示した模式図である。本発明の実施例１に係るモータ制御装置における規定値の決定のイメージを示した図である。本発明の実施例１に係るモータ制御装置における制御部のモータ制御動作を示したフローチャートである。本発明の実施例１に係るモータ制御装置の通電・非通電のイメージを示した模式図である。

符号の説明

１０駆動切替機構
２０アクチュエータ
２１モータ
２１Ａ出力軸
２２機構
２３出力機構
２４ロッド
２５サイクロイドギヤ
２６Ａモータ側回転部材
２６Ｂスパイラルスプリング
２６Ｃ出力側回転部材
２６Ｄプレート
２７リミットスイッチ
２８ハウジング
３０制御部
４０操作部
５１第１温度センサ
５２第２温度センサ
５３第３温度センサ
６０ＥＣＵ

Claims

モータと、
前記モータを制御するとともに、前記モータの電流値と通電時間又は停止時間に基づいて前記モータの発熱温度を推定し、推定された前記発熱温度が、規制値以上となったときに前記モータに流す通電量を規制する制御部と、
車両の所定の位置の温度を検出する１又は複数の温度センサと、
を備え、
前記制御部は、システム起動時に前記温度センサからの温度信号に基づいて前記モータの初期温度を推定するとともに、推定された前記初期温度に応じて前記規制値を決定し、
前記制御部は、システム起動後の経過時間及び通電回数の一方又は両方に応じて前記規制値が低くなるように変化させることを特徴とするモータ制御装置。
前記制御部は、前記初期温度が高くなるにつれて低くなるように前記規制値を決定することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記制御部は、前記温度センサが複数ある場合に、いずれかの温度センサが故障したときに、故障していない温度センサの温度信号に基づいて前記初期温度を推定することを特徴とする請求項１又は２記載のモータ制御装置。
前記制御部は、エンジン停止時から次に始動するまでのソーク時間、及び前記温度信号に基づいて前記初期温度を推定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のモータ制御装置。
前記モータは、駆動切替機構の切替動作を行うアクチュエータに内蔵されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載のモータ制御装置。