JP4654765B2 - 負荷駆動装置及び負荷駆動装置の出力調整方法 - Google Patents

負荷駆動装置及び負荷駆動装置の出力調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、負荷と、この負荷を駆動する駆動回路とが一体となるように構成される負荷駆動装置、及びその装置における出力調整方法に関する。
従来、モータやソレノイド等のアクチュエータを駆動することで目標とするトルクや駆動力を得るには、駆動回路を介してそれらに一定以上の電流を供給する必要がある。しかし、駆動回路の電流供給能力を向上させると当該回路の発熱量が増加するため、電流供給能力に応じた放熱構造を採用する必要がある。そして、高い発熱量に対応する放熱構造は大型化すると共にコストアップを招くため、駆動回路の電流供給能力については、上記のトレードオフ関係を考慮して最適となる値を設定するようにしている。尚、上記のような負荷駆動装置の一構成例は、特許文献1などに開示されている。
特開2001−58578号公報
ところが、従来、アクチュエータとその駆動回路とは、夫々が独立の製造工程において管理されており、夫々が部品若しくは製品として出来上がったものを組み合わせて駆動装置が構成されるようになっている。従って、アクチュエータが目標とする駆動力を出力するために必要な電流に対して、アクチュエータの公差と駆動回路の公差とを加味して電流値を設計することになる。その結果、駆動回路には、最適な値を大幅に上回る電流駆動能力が付与されているという問題があった。
以下、具体的な数値例について図7を参照して説明する。例えば、モータの駆動電流と駆動力とは線形な関係にある。そして、モータに必要とされるトルクを得るための、最悪条件下での駆動電流値を算出した上で、駆動回路が設計される。しかしながら、図7に示す例では、必要とされるトルク3kgfに対して、駆動電流のTyp条件で5kgf近くのトルクが得られるようになっている。即ち、この差分に応じて不要な電流が熱に変換されて無用に消費されている。
また、駆動電流のMax値は2.5A近くになっており、最低必要な電流値約1.7Aに対して約1.4倍の値となっている。発熱は、電流の2乗に比例するので、この場合、駆動回路における発熱は約2倍となる。従って、駆動回路の放熱性を2倍向上させる必要があり、放熱用部品等の追加により駆動回路が大型化してコストアップすることになる。
ここで、駆動電流が2.5Aの場合と1.8Aの場合とで発熱を同等にするとした場合に、駆動回路を構成するパワーMOSFET(以下、単にFETと称す)の面積を比較してみる。FETの温度上昇を50℃、熱抵抗を25℃/Wという条件で実装を行うものとすると、消費可能電力は2Wとなる。駆動回路がHブリッジで構成されるとすれば、電流が2.5Aの場合のFETのオン抵抗RON1は、
RON1=2W/(2.5A×2.5A)/2ch=160mΩ
電流が1.8Aの場合のFETのオン抵抗RON2は、
RON2=2W/(1.8A×1.8A)/2ch=309mΩ
となる。
200mΩ・mm2で規格化されるオン抵抗デバイスを使用すると仮定すると、電流が2.5Aの場合のFETの面積S1は、
S1=200mΩ・mm2/160mΩ=1.25mm2
電流が1.8Aの場合のFETの面積S2は、
S2=200mΩ・mm2/309mΩ=0.647mm2
となる。
以上のように、駆動電流をより多く流すにはFETの面積を大幅に増加させて低インピーダンス化する必要があり、駆動回路のコストアップを招来する。
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、負荷が目標値を出力するように駆動するための電流を、夫々の製品に応じて適切に設定するように調整が可能な負荷駆動装置及び負荷駆動装置の出力調整方法を提供することにある。
請求項1記載の負荷駆動装置によれば、通電される駆動電流に応じて駆動力を出力する負荷と、駆動電流を供給する駆動回路とが一体となるように構成し、負荷が目標駆動力を出力するように駆動した場合に、補正手段は、電流検出手段によって検出される駆動電流を、制御回路が実際の制御上で想定している電流値に補正する。そして、制御回路は、補正手段によって補正された駆動電流に応じて駆動回路に駆動指令を出力する。
即ち、負荷を、駆動回路と一体化した状態で実際に駆動し、当該負荷が目標値を出力している場合に検出される駆動電流には、負荷及び駆動回路等が含んでいる公差が反映されている。そして、上記駆動電流は、設計上、制御回路が負荷に前記目標値を出力させるために設定したデータ値とは異なっている場合がある。そこで、実際の制御時には、補正手段が駆動電流値を設定データ値に等しくなるように補正する。従って、負荷駆動装置の個別の構成に応じて、実際に負荷が目標値を出力するのに必要十分な電流を供給できるようになるから、不要に多くの駆動電流が流れることなく、駆動回路の放熱構造を過剰に大型化する必要がなくなり、装置を小型に構成することができコストアップを抑制できる。
そして、補正手段の記憶回路には、負荷が目標駆動力を出力するように駆動した場合に、データ出力回路により出力される電流データを、制御回路が実際の制御上で想定している期待値に補正するための補正データが予め記憶される。そして、演算回路は、上記補正データに基づいて電流データを補正する演算を行ない、制御回路は、演算回路によって補正された電流データに応じて駆動指令を出力する。従って、各データを演算処理することで駆動電流を補正できる。
請求項記載の負荷駆動装置によれば、記憶回路には、データ入出力手段を介して外部よりデータが書き込み可能であり、また、データ出力回路により出力される電流データを外部に出力することもできる。従って、記憶回路に書き込んだ調整データをマルチプレクサを介して出力し、補正データによる補正を無効化して制御回路に与え、負荷が目標駆動力を出力した状態になった時点でデータ出力回路により出力される電流データを読み出せば、その電流データと期待値とから補正データを演算して決定できる。そして、決定した補正データを記憶回路に書き込んで、マルチプレクサにデータ出力回路の出力データ側を選択させれば、実際の動作時に補正が行なわれるようになる。
請求項記載の負荷駆動装置によれば、選択切換え手段を、記憶回路に選択切換え用のデータビットを書き込む領域を設けて、データビットの値に応じて、マルチプレクサの選択切換えを行うように構成するので、マルチプレクサの切替え制御が、データ入出力手段を介してデータビットの書き込みを外部より行なうことで可能となる。
以下、本発明を、車両に搭載されるDCモータを負荷とした場合の一実施例について図1乃至図6を参照して説明する。図1は、負荷駆動装置たるスマートアクチュエータの全体構成を示すものである。スマートアクチュエータ1は、DCモータ(負荷)2、負荷駆動回路3、制御回路4、ゲート駆動回路5、電流制限回路(電流検出手段)6、調整回路(補正手段)7、演算回路(補正手段)8等が一体となって構成されており、スマートアクチュエータ1の電源端子9及びグランド端子10には、車両のバッテリ11が接続されている。
制御回路4は、外部の図示しないコントローラ(ECUなど)より、制御端子12を介して与えられる制御指令に応じて、ゲート駆動回路5に駆動指令を出力する。負荷駆動回路3は、4つのNチャネルパワーMOSFET13(A〜D)をHブリッジ接続して構成され、モータ2を駆動するようになっている。そして、ゲート駆動回路5は、負荷駆動回路3を構成する4つのFET13にゲート駆動信号を出力する。電流制限回路6は、後述するように負荷駆動回路3を介してモータ2に供給される電流を検出すると、その検出電流に応じたデータを、調整回路7及び演算回路8を介して制御回路4に出力する。制御回路4は、上記経路を介して与えられる電流データに応じて駆動電流を制御する。
図2は、ゲート駆動回路5及び電流制限回路6を中心とする詳細な構成を示すものである。ゲート駆動回路5においては(但し、FET13Aに対応する構成部分のみを示す)、電源線とグランド線との間に、抵抗14及び15並びにNチャネルMOSFET16の直列回路が接続されている。抵抗14及び15の共通接続点には、PNPトランジスタ17のベースが接続されており、そのトランジスタ17のエミッタは、電源線に接続されている。また、トランジスタ17のコレクタは、昇圧回路部18及びダイオード19を介してFET13Aのゲートに接続されている。
尚、FET13Aのドレイン,ゲートには、電流センス用のNチャネルパワーMOSFET20のドレイン,ゲートが夫々接続されている。そして、ダイオード19のアノードとFET20のソースとの間には、2つのツェナーダイオード21及び22が互いに逆方向となるよう直列に接続されている。昇圧回路部18は、必要なゲート電圧を得るために昇圧動作を行なうもので、ダイオード及びコンデンサの組み合わせよりなるチャージポンプ回路で構成されている。
FET20のソースは、ダイオード23及びNPNトランジスタ24のコレクタ−エミッタ、並びに抵抗25を介してグランド線に接続されていると共に、オペアンプ26の非反転入力端子に接続されている。そのオペアンプ26の反転入力端子は、FET13Aのソースに接続されており、出力端子は、トランジスタ24のベースに接続されている。また、トランジスタ24のエミッタは、ADコンバータ(ADC)27の入力ポートに接続されている。
即ち、FET16のゲートにハイレベルのゲート駆動信号が与えられると、FET16がオンすることでトランジスタ17もオンする。すると、FET13A及び20のゲートには、FET20のソースを基準とするゲート駆動電圧が印加され、FET13A及び20はオンするようになっている。
これらのFET13A及び20はカレントミラーを構成しており、夫々を介して流れる電流比は、例えば、1000:1となるように設定されている。そして、オペアンプ26の作用(イマジナリーショート)により双方のソース電圧は等しくなるので、電流センス用のFET20側に抵抗25が接続されていても、両者の電流比は設定通りに維持されるようになっている。
従って、FET13A及び20がオンした場合、FET20を介して流れる電流は、ダイオード23及びトランジスタ24を介して抵抗25に流れる。そして、抵抗25の端子電圧レベルがADコンバータ(データ出力回路)27によりAD変換され、検出電流に応じたデジタルデータが調整回路7に出力される。
制御回路4は、ADコンバータ27によりAD変換された電流データを、調整回路7及び演算回路8を介して読み込み、その電流データが所定値Ilordに達するとゲート駆動回路5をOFFさせる。DCモータ2はL負荷であるため、遅れ電流が発生して駆動電流は直ちに「0」にならず、L負荷のインダクタンスなどで決まる時定数に応じて低下する。そして、所定時間Toffが経過すると、制御回路4はゲート駆動回路5を再度ONさせてDCモータ2に駆動電流を通電させる。その結果、駆動電流は、図3に示すようにある範囲に制限される。
図4は、調整回路7及び演算回路8の詳細構成を示すものである。調整回路7は、シリアルインターフェイス(I/F)31,メモリ(記憶回路,選択切替え手段)32,マルチプレクサ(MPX)33により構成され、演算回路8は、加算器34及び乗算器35で構成されている。シリアルI/F(データ入出力手段)31は、外部とシリアル通信を行うためのインターフェイス回路であり、外部より送信されたデータはメモリ32に書き込まれて記憶されるようになっている。また、シリアルI/F31は、ADコンバータ27の出力データをパラレル/シリアル変換して外部に出力することも可能となっている。
メモリ32は、例えばEEPROMなどの不揮発性メモリで構成される。そして、メモリ32に書き込まれたデータは、動作電源が投入されている場合は常時外部に出力されるようになっている。メモリ32の内部には、調整データ書込み領域、補正係数データ書込み領域、及びモードビット格納領域が用意されており、これらには、シリアルI/F31を介して夫々に対応するアドレスを指定することで書き込みが行われる。但し、モードビットについては、何れかのデータ書込み領域に書き込みを行う際にデータ値を指定して同時に書き込むようにしても良い。尚、補正係数データは符号付きデータとして取り扱われる。
メモリ32に書き込まれた調整データは、マルチプレクサ33の一方の入力端子に出力され、補正係数データは、演算回路8の加算器34に出力されている。そして、モードビットは、マルチプレクサ33の選択切替えを行なうために出力される。即ち、マルチプレクサ33は、ADコンバータ27の出力データと、メモリ32に書き込まれた調整データとの何れかをモードビットの値「0,1」に応じて選択し、演算回路8の乗算器35に出力するようになっている。
演算回路8において、加算器34は、固定データ値「1」と、メモリ32に書き込まれた調整データとを加算して乗算器35に出力する。そして、乗算器35は、マルチプレクサ33より出力されるデータに、加算器34の出力データを乗じることで補正した電流データを制御回路4に出力する。
次に、本実施例の作用について図5及び図6も参照して説明する。図5は、メモリ32に記憶させる補正係数データを決定するためにユーザが行なう作業手順を示すフローチャートである。ユーザは、先ずシリアルI/F31を介してメモリ32のモードビット「1」をセットすると共に、補正係数データ「0」を書き込む(ステップS1)。すると、調整回路7のマルチプレクサ33は、メモリ32より出力される調整データ側を選択する。そして、補正係数データが「0」であるから、演算回路8は、メモリ32より出力される調整データを制御回路4にそのまま出力するようになる。
続いて、制御回路4によるスマートアクチュエータ1の駆動制御を開始させると(ステップS2)、メモリ32に調整データを書き込む(ステップS3)。そして、DCモータ2の駆動電流を例えば電流トランスなどにより直接検出し、例えば必要な出力トルクを得るための目標電流値が出力されているか否かを判断する(ステップS4)。目標電流値が出力されていなければ(「NO」)、調整データを修正して(ステップS5)ステップS3に戻り、メモリ32のデータを更新する。
駆動電流が目標値に達すると(ステップS4,「YES」)、ユーザは、シリアルI/F31を介してその時点のADコンバータ27の出力データを読み出す(ステップS6)。そして、制御回路4が駆動電流の目標値を出力する制御条件として予め設計された検出電流の期待値データと上記出力データとから、補正係数データを演算して決定する(ステップS7)。
補正係数データを決定すると、ユーザは、シリアルI/F31を介してメモリ32のモードビット「0」をセットすると共に、決定した補正係数データを書き込む(ステップS8)。すると、調整回路7のマルチプレクサ33は、ADコンバータ27の出力データ側を選択する。そして、演算回路8は、上記出力データに、(1+「補正係数」)を乗じて補正した電流データを制御回路4に出力するようになる。以上で作業は終了する。
次に、図5に示す処理について具体数値の一例を提示する。例えば、ADコンバータ27が10ビットで、動作電圧が5Vであるとする。また、ADコンバータ27の入力側におけるオペアンプ26等のアナログ回路の出力特性が1V/1Aであるとする。更に、DCモータ2が必要な出力トルクを得るための目標電流値を2.000Aとすると、制御回路4がその目標電流値を出力させる場合に、ADコンバータ27に入力される電圧の期待値は2.000Vとなる(設計値)。
上記設計値に対して、回路のばらつきなどにより実際の入力電圧が1.900V(5%のずれ)になったものとする。この場合、ADコンバータ27によって変換されるデジタルデータ値は以下のようになる。
1.900/5.000×1024=389
また、入力電圧が2.000Vの場合、制御回路4に出力されるデジタルデータ値は以下のようになる。
2.000/5.000×1024=410
即ち、制御回路4に2.000Aの駆動電流を出力させるには、電流フィードバックデータ「410」(期待値)を与える必要がある。従って、補正係数データは、以下のように決定される。
1−(410/389)=0.0540
斯様にして補正係数データを決定し、メモリ32に書き込めば、実際の制御において演算回路8より出力されるデータは、
389×(1+0.0540)=410
と制御回路4の期待値通りに調整される。
以上のようにスマートアクチュエータ1を構成して調整を行なう結果、図6に示すように、DCモータ2の実際の駆動力が最小値であった場合でも、設計上必要とされるトルクを得るために最低限必要となる駆動電流を、従来に比較して大幅に低減することが可能となる。尚、図6は、上記の具体数値例とは異なり、必要とされる駆動電流値が図7相当の1.7A程度の場合である。
尚、このようなDCモータ2の出力トルク−駆動電流の測定は、スマートアクチュエータ1が車両に搭載されて組み付けられる前の状態であれば容易に行うことができる。スマートアクチュエータ1が車両に搭載された状態では、上記のように測定を行いながら調整作業を行うのは極めて困難である。
以上のように本実施例によれば、スマートアクチュエータ1を、DCモータ2とゲート駆動回路5とが一体となるように構成し、電流制限回路6において、DCモータ2に流れる駆動電流を検出し、DCモータ2が目標駆動力を出力するように駆動した場合に、演算回路8は、検出される駆動電流を制御回路4が実際の制御上で想定している電流値に補正して、制御回路4は、補正された駆動電流に応じてゲート駆動回路5に駆動指令を出力する。
即ち、上記構成のスマートアクチュエータ1において、DCモータ2が必要なトルクを出力している場合に検出される駆動電流には、DCモータ2及びゲート駆動回路5等が含んでいる公差が反映されているので、その駆動電流を検出して制御回路4の期待値に等しくなるように補正すれば、スマートアクチュエータ個別の構成に応じて、実際にDCモータ2が必要なトルクを出力するのに十分な電流を供給できるようになる。従って、駆動電流が不要に流れることがなく、ゲート駆動回路5の放熱構造を過剰に大型化する必要がなくなり、スマートアクチュエータ1を小型に構成することができ、コストアップを抑制できる。
また、メモリ32には、DCモータ2が必要なトルクを出力するように駆動した場合に、ADコンバータ27により出力される電流データを、制御回路4が実際の制御上で想定している期待値に補正するための補正係数データを予め記憶し、演算回路8は、上記補正係数データに基づいて上記電流データを補正する演算を行ない、制御回路4は、その補正された電流データに応じて駆動指令を出力するので、各データを演算処理することで駆動電流を補正できる。
また、メモリ32には、シリアルI/F31を介して外部よりデータを書き込み可能とし、また、ADコンバータ27より出力される電流データを外部に出力するように構成した。従って、メモリ32に書き込んだ調整データをマルチプレクサ33を介してそのまま制御回路4に与え、DCモータ2が必要なトルクを出力した状態になった時点でADコンバータ27より出力される電流データを読み出せば、その電流データと期待値とから補正係数データを演算して決定できる。そして、決定した補正係数データをメモリ32に書き込んで、マルチプレクサ33にADコンバータ27の出力データ側を選択させれば、実際の動作時に補正が行なわれるようになる。
更に、メモリ32にモードビットの格納領域を設けて、そのビットデータ値に応じて、マルチプレクサ33の選択切換えを行うようにしたので、マルチプレクサ33の切替え制御を、シリアルI/F31を介して外部より行なうことが可能となる。
本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
記憶回路としては、その他、EPROM,ワンタイムPROM(OTP),フラッシュROM,FeRAM(Ferroelectric RAM),MRAM(Magnetoresistive RAM)など、要は不揮発性のメモリを用いれば良い。また、記憶回路に対するデータの書き込みは、必ずしもデータ入出力手段を介して行う必要はなく、外部でデータの書き込みを行ったものを駆動装置に搭載しても良い。
補正係数データを決定する場合には、駆動電流を直接検出することに替えて、DCモータ2の出力トルクを直接検出しても良い。或いは、モータの回転数をロータリエンコーダやホールICなどで検出しても良い。
マルチプレクサ33の切替え制御は、例えば外部より操作可能なスイッチ(選択切替え手段)などにより行っても良い。
また、電流値の調整は、データを演算処理して行なうものに限ることなく、例えば、半導体基板上に形成される薄膜抵抗、セラミック基板上に形成される厚膜抵抗などをレーザトリミングしても良いし、半導体ヒューズ、ツェナーザップダイオードなどを用いて調整を行っても良い。
負荷はDCモータ2に限ることなく、ソレノイドなどであっても良い。
本発明を、車両に搭載されるDCモータを負荷とした場合の一実施例であり、スマートアクチュエータの全体構成を示す図 ゲート駆動回路及び電流制限回路を中心とする詳細な構成を示す図 駆動電流波形の一部を示す図 調整回路及び演算回路の詳細構成を示す図 メモリに記憶させる補正係数データを決定するためにユーザが行なう作業手順を示すフローチャート モータ駆動電流とモータ駆動力との関係を示す図 従来技術を示す図6相当図
符号の説明
図面中、1はスマートアクチュエータ(負荷駆動装置)、2はDCモータ(負荷)、4は制御回路、5はゲート駆動回路、6は電流制限回路(電流検出手段)、7は調整回路(補正手段)、8は演算回路(補正手段)、27はADコンバータ(データ出力回路)、31はシリアルI/F(データ入出力手段)、32はメモリ(記憶回路,選択切替え手段)、33はマルチプレクサを示す。

Claims (4)

  1. 通電される駆動電流に応じて駆動力を出力する負荷と、この負荷に駆動電流を供給する駆動回路とが一体となるように構成される負荷駆動装置において、
    前記負荷に流れる駆動電流を検出する電流検出手段と、
    この電流検出手段によって検出される駆動電流に応じて、前記駆動回路に駆動指令を出力する制御回路と、
    前記負荷が目標駆動力を出力するように駆動した場合に、前記電流検出手段によって検出される駆動電流を、前記制御回路が実際の制御上で想定している電流値に補正するための補正手段と
    前記電流検出手段によって検出される駆動電流に相当する電流データを出力するデータ出力回路とを備え、
    前記補正手段は、
    前記負荷が目標駆動力を出力するように駆動した場合に、前記データ出力回路により出力される電流データを、前記制御回路が実際の制御上で想定している期待値に補正するための補正データが予め記憶される記憶回路と、
    前記補正データに基づいて前記電流データを補正するための演算を行なう演算回路とで構成され、
    前記制御回路は、前記演算回路によって補正された電流データに応じて前記駆動回路に駆動指令を出力することを特徴とする負荷駆動装置。
  2. 前記記憶回路には、前記補正データを決定するための調整データを記憶する領域が設けられ、
    前記補正手段は、
    外部より与えられるデータを前記記憶回路に書き込むと共に、前記データ出力回路により出力される電流データを外部に出力するためのデータ入出力手段と、
    前記データ出力回路により出力される電流データと、前記記憶回路に記憶されている調整データとの何れかを選択して前記演算回路に出力するマルチプレクサと、
    このマルチプレクサの選択切換えを行うための選択切換え手段とを備えることを特徴とする請求項1記載の負荷駆動装置。
  3. 前記選択切換え手段は、
    前記記憶回路に選択切換え用のデータビットを書き込む領域を設け、
    前記データビットの値に応じて、前記マルチプレクサの選択切換えを行うように構成されることを特徴とする請求項2記載の負荷駆動装置。
  4. 通電される駆動電流に応じて駆動力を出力する負荷と、この負荷に駆動電流を供給する駆動回路とが一体となるように構成される負荷駆動装置について、前記負荷の出力を調整する方法であって、
    前記負荷が目標値を出力するように駆動した場合に、前記負荷に流れる電流に相当する電流データを取得し、
    前記電流データを、実際の制御で想定している期待値に補正するための補正データを演算して記憶させ、
    前記補正データに基づいて前記電流データを補正するための演算を行ない、
    前記演算によって補正された電流データに応じて前記駆動回路に駆動指令を出力させることを特徴とする負荷駆動装置の出力調整方法
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