JP5085377B2 - モータ電流検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子のブリッジ回路を介してモータを駆動する回路に於いてモータ電流を検出するための方法に関する。

例えば、車載用の機器のためのモータに於いては、過負荷などによりモータが過度に発熱しないように監視することが望まれる。モータの発熱量は、主にモータのコイルに流される電流の大きさにより支配されていることから、モータに流入する電流を監視すると良い。しかしながら、多くの場合、モータはスイッチング素子のブリッジ回路により駆動され、ワイヤハーネス或いは回路の構成上の都合や、フェールセーフ上の観点から、電流計がブリッジ回路の電源側ライン若しくは接地側ラインに設置される（特許文献１参照）。
特開２００５−７３３７５号公報

しかしながら、実際にモータに流れる電流は、電源ラインからブリッジ回路に流入する電流とは必ずしも等しくない。その要因としては、モータコイルなどの回路中のインダクタンス分による電流や、モータが回転することによりコイルに引き起こされる逆起電圧による電流などがある。従来は、そのような電流成分については考慮されることがなかったため、モータの電流或いは発熱量を正確に判定することが不可能であった。

そのような点に鑑み、本発明の主な目的は、電源からの電流流入量のみに基づき、モータのコイルに流れる実電流を検出可能とする方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、モータの実電流値を正確に検出することにより、モータの発熱量をより正確に判定可能とする方法を提供することにある。

本発明によれば、このような目的は、電源からの電流を、スイッチング素子のブリッジ回路を介してモータに供給する駆動回路に於いてモータ電流を検出するための方法であって、前記駆動回路の抵抗及びインダクタンスを求めるステップと、前記電源の電源電圧を求めるステップと、前記電源からの電流を測定するステップと、前記モータの駆動出力を検出する位置センサの出力を求めるステップと、前記位置センサ出力に基づく前記モータに発生する逆起電圧を算出するステップと、前記抵抗及びインダクタンス、前記電源電流、前記逆起電圧及び電源電圧に基づいてモータ電流を算出するステップとを有することを特徴とする方法を提供することにより達成される。

このように、モータに発生する逆起電圧、インダクタンス等の回路要素による影響を考慮することにより、モータの実電流を正確に判定することができ、それによりモータの発熱量をより正確に判定することが可能となる。特に、モータ電流を算出する前記ステップが、各デューティサイクルに於ける最大電流及び最大電流を逐次的に求めるステップを含むものであるとすると、高い精度をもってモータ電流を算出することができる。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明に基づく方法を実施するためのシステムの概略を示すもので、図２は図１の駆動回路に於いて用いられるスイッチング素子のブリッジ回路を示す。モータＭの出力軸はパワーウィンド、ワイパ、リアトー角アクチュエータなどの駆動対象に結合されている。モータＭの出力軸に関連して位置センサが設けられ、出力軸の運動を示す位置信号を制御回路に供給する。制御回路は、図示外のスイッチなどの指令に従い駆動回路を介してモータＭを、デューティ駆動するための信号を発生する。駆動回路には、図２に示されるようなブリッジ回路が組み込まれており、このブリッジ回路の電源電流を検出する電流センサの出力が制御回路に供給される。

図３（ａ）、（ｂ）は、電源からモータに至る回路の等価回路を示す。この場合、モータは所定のデューティ比をもって駆動されることから、デューティオン時の等価回路が図３（ａ）に、デューティオフ時の等価回路が図３（ｂ）にそれぞれ示されている。このような駆動回路に於いて、電源からの直流が、所定のデューティ比をもってオンオフ制御されるが、回路要素、特にモータコイル等による回路中のインダクタンスの影響により、図４に示されるような概ね鋸刃状の電流がモータを流れることになる。即ち、主に、インダクタンス分の影響により、モータに供給される電流は緩やかに増大する。また、デューティオフとなったときも、モータを流れる電流は、急激に減少するのではなく、インダクタンス分の影響により、緩やかに減少する。回路中に大きなキャパシタンスがあれば、その影響も考慮することができる。更に、モータが継続して回転する場合には、デューティオフ時においても、コイルに逆起電圧が発生し、そのための電流もコイル内を流れる。従って、モータのコイルを流れる電流はこれら３つの要素を合算したものからなる。

即ち、モータを流れる電流と、モータに加わる電圧との間には、一般に、次の方程式により示される関係が成立する。

ここで、Ｖは電源電圧、Ｒは回路中の抵抗、ｉはモータ電流、Ｌは回路中のインダクタンスを表す。

従って、モータに流れる実際の電流は、デューティ比によるオンオフ、デューティオン時の電源電流、デューティオフ時に回路中のインダクタンス分による電流及びモータ発電分による電流を考慮したものとなる。また、一般に、モータの実電流は、電源電流よりも大きいことが理解できる。

そこで、本発明によれば、制御回路に於いて、図５に示されるように、先ず、駆動回路の抵抗及びインダクタンスを予め特定し（ステップ１１）、次に電源電流及び電源電圧を測定し（ステップ１２）、更に位置センサの出力からモータの逆起電圧を算出する（ステップ１３）。これらの測定結果及び算出結果に基づき、上記した式により表される関係に基づきモータ電流を算出する（ステップ１４）。より具体的には、以下のような演算が実行される。

Ｖ（ｔ）≠０、即ちデューティオン時の場合、定数変化法を用いて、

と置き、これをｔで微分すると、

これを回路方程式（１）に代入すると、

となり、このＣ（ｔ）を式（２）に代入すると、

となり、モータ電流ｉを、電源電圧Ｖ及び時間ｔの関数として求めることができる。

Ｖ（ｔ）＝Ｖ０、即ち或る定数であるとした場合、

初期値がある場合、即ち、ｉ（０）＝ｘとした場合、

となる。

従って、図４に示されるデューティオン時にあっては、

となり、図４に示されるデューティオフ時にあっては、

となる。

そこで、電流センサ値の時間平均値は、

により表される。ここで、Ｔはデューティサイクル時間であり、Ｔｏｎはデューティオンの時間を表し、Ｄは０〜１の範囲のデューティ比を表す。また、モータ電流の時間平均値は、

により表される。

ここで、実際の電流センサ値ＩＳ＊から実際のモータ電流ＩＭ＊を推定するには、式（６）と式（７）との比を、電流センサ値に乗じれば良いので、

となる。このことから、ゲインＫを計算しておくことで、実際の電流センサ値ＩＳ＊から実際のモータ電流ＩＭ＊を推定することができる。

図６は、本発明の第１の実施例を示すもので、予め式（８）に基づくマップを準備し、位置センサ出力の微分値に基づき推定されるモータ逆起電圧ＶＭ、実測された電源（バッテリ）電圧ＶＢ及びデューティ比ＤからＫ値を求め得るようにしておく。このマップを準備する際には、ＦＥＴのＯＮ、ＯＦＦ時の回路抵抗Ｒｏｎ、Ｒｏｆｆ及び回路のインダクタンス値Ｌは、回路の諸元から求めることができ、モータ電流の最大値、最高値ｉｏｎ、ｉｏｆｆは、定常運転に於ける値として、予め数値計算或いはシミュレーションにより決定する（図７）。このマップを用いて、各時点に於けるＶＭ、ＶＢ及びＤからＫ値を求め、それを実際の電流センサ値（平均値）ＩＳ＊に乗じることにより、実際のモータ電流の平均値ＩＭ＊を推定することができる。

上記実施例に於いては、Ｋ値を与えるマップを比較的固定したものとしたが、より厳密な計算式を加味したものに置換することができる。本発明の第２の実施例に於いては、図８に示されるように、ｉｏｎ、ｉｏｆｆを逐次的に計算し、Ｋ値を、より正確に算出するようにしている。即ち、式（６）は電流センサ値を表すことから、実測したＩＳ＊を読み込み（ステップ２１）、式（６）を逆算し、ｉｏｆｆ（ｔ１）を以下の式により求める（ステップ２２）。ここで、ｔ１は任意の時点を表す。

これを式（３）に代入することにより、同じ時刻の時のｉｏｎは、

により与えられる（ステップ２３）。これによりＫ値を求め（ステップ２４）、ＩＭ＊を算出する（ステップ２５）。これによれば、より確度の高いｉｏｎ、ｉｏｆｆの決定がなされ、より正確なモータ電流の算出が可能となる。

図９は、本発明の第３の実施例を示すもので、式（４）から、デューティ比がＤである場合、イグニッションオン時から１サンプリングタイム後のｔ１に於いて、イグニッションオン時のｉｏｆｆはゼロであることから、

となる（ステップ３１）。また、ｔ１に於いて、式（５）から、

となる（ステップ３２）。これによりＫ値を求め（ステップ３３）、ＩＭ＊を算出する（ステップ３４）。この次の１サンプリングタイム後のｔ２に於いては、

となり（ステップ３１）、以下同様の手順を繰り返す。このようにして、ｉｏｎとｉｏｆｆを時々刻々計算することで、式（８）を逐次計算することができる。

このように、回路方程式に従って、予め、理論的に電流センサの値と、モータ電流との関係式を求めておくことにより、電流センサがブリッジ回路外に設けられていても、モータ電流の値を推定できる。本発明は、パワーウィンド、サンルーフ、ワイパ、リアトー角アクチュエータ、ラジエータファンモータ、空調用ファンモータ等、あらゆる車載用機器に適用可能である。以上、本発明の特定の実施例について説明したが、本発明は上記に限定されない。

本発明の方法を実施するための装置の全体構成を示すブロック図である。 図１の駆動回路に於いて用いられるスイッチング素子のブリッジ回路を示す。 （ａ）及び（ｂ）からなり、それぞれ、図２のブリッジ回路のデューティオン時及びデューティオフ時の等価回路を示す。 本発明の方法の原理を示す波形図である。 本発明の方法の基本フローを示すフロー図である。 本発明の方法の第１実施例の主な構成を示すブロック図である。 本発明の方法の第１実施例の原理を示すための、モータ電流の波形図である。 本発明の方法の第２実施例を示すフロー図である。 本発明の方法の第３実施例を示すフロー図である。

Claims (3)

1. 電源からの電流を、スイッチング素子のブリッジ回路を介してモータに供給する駆動回路に於いてモータ電流を検出するための方法であって、
   前記駆動回路の抵抗及びインダクタンスを求めるステップと、
   前記電源の電源電圧を求めるステップと、
   前記電源からの電流を測定するステップと、
   前記モータの駆動出力を検出する位置センサの出力を求めるステップと、
   前記位置センサ出力に基づく前記モータに発生する逆起電圧を算出するステップと、
   前記抵抗及びインダクタンス、前記電源電流、前記逆起電圧及び電源電圧に基づいてモータ電流を算出するステップとを有することを特徴とする方法。
2. 前記電源が可変デューティ比電源からなり、モータ電流を算出する前記ステップが、各時点に於けるデューティ比を考慮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. モータ電流を算出する前記ステップが、各デューティサイクルに於ける最大電流及び最大電流を逐次的に求めるステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。

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