JP5920438B2 - 駆動制御装置、および、燃料ポンプ駆動システム - Google Patents
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Description
制御部は、電流、電圧、又は電力の少なくとも一つを含む通電出力を操作して巻線に供給する電力を制御することにより回転子の回転を制御可能である。
位置決め手段は、ブラシレスモータの駆動制御を開始する前、巻線に供給する電力を制御することにより、ブラシレスモータの駆動制御を開始可能な固定子に対する回転子の位置である駆動開始位置に回転子を位置決めする。
燃料ポンプは、シャフトが回転しトルクを出力可能なブラシレスモータ、ブラシレスモータを収容するハウジング、吸入部を有しハウジングの一方の端部を塞ぐポンプカバー、吐出部を有しハウジングの他方の端部を塞ぐカバーエンド、および、中央に形成された穴部にシャフトの端部が挿嵌されシャフトとともに回転することで吸入部から流入した燃料を加圧し吐出部から吐出する回転部材を備えている。
本発明の第1実施形態について、図1〜図9を参照して説明する。
図1に示す燃料ポンプ駆動システム100は、車両9に搭載され、燃料ポンプ1および駆動制御装置90を含む。燃料ポンプ1は、例えば車両9のバッテリ96から供給される電力により駆動され、図示しない燃料タンクの燃料を吸入し、燃料供給対象としての内燃機関8に吐出供給する。特に車両9がアイドリングストップ車やハイブリッド車の場合、燃料ポンプ1は、車両9の想定使用期間等に相当する所定期間内のオンオフ回数、言い換えれば停止後の再起動回数が多くなる。
ブラシレスモータ4は、固定子としてのステータ30、巻線40、「回転子」としてのロータ50、およびシャフト60等を備えている。
セグメント31は、磁性材料の薄板を積層した積層鉄心から形成されている。本実施形態では、セグメント31は6つ設けられている。セグメント31は、ヨーク部32およびティース部33を有している。ステータ30は、6つのヨーク部32が6角筒を形成するよう筒状に形成されている。ティース部33は、ヨーク部32の中央から径方向内側へ延びるよう形成されている。インシュレータ34は、樹脂により形成され、セグメント31のティース部33に設けられている。
ロータ50は、円筒状に形成され、コア51、磁石52、53、54、55を有している。ロータ50は、ステータ30の内側で回転可能に設けられている。
ハウジング5は、例えば鉄等の金属により、略円筒状に形成されている。また、ハウジング5の表面には、例えば亜鉛または錫等によるめっきが施されている。
なお、本実施形態では、シャフト60の端部61が穴部81に挿嵌された状態で、シャフト60の端部61と穴部81との間に所定のクリアランスが形成されている(図3参照)。当該クリアランスにより、インペラ60の製造誤差および組み付け誤差を吸収することができる。
図1に示すように、吐出部21には、一端が内燃機関8に接続する供給管7の他端が接続されている。インペラ80の回転によって空間6で加圧された燃料は、吐出通路211を流通し吐出部21から吐出され、供給管7を経由して内燃機関8に供給される。
三相インバータ95は、巻線40(U相巻線41、V相巻線42、W相巻線43)への通電を切り替えるべく、6つのスイッチング素子951〜956がブリッジ接続されている。本実施形態では、スイッチング素子951〜956として、MOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)を用いる。以下、スイッチング素子951〜956を、適宜、MOS951〜956という。
具体的には、マイコン91は、電流、電圧又は電力の少なくとも一つを含む通電出力を操作して三相インバータ95から巻線40に供給する電力を制御することにより、ブラシレスモータ4の回転数及びトルクを制御可能である。
また、本実施形態のマイコン91は、U相巻線41、V相巻線42、W相巻線43に印加されている電圧を取得する。これにより、例えば二相通電時に非通電相に発生する誘起電圧を検出可能である。
これらの各手段は物理的に独立した形態で設けられる必要はなく、一つのマイコン91が、随時、位置決め手段920として機能したり、トルク加速度制御手段93として機能したりすればよい。各手段についての詳細な作用については後述する。
マイコン91が駆動回路94およびMOS951〜956を経由して、U相巻線41、V相巻線42、W相巻線43への通電を切り替えると、ステータ30に回転磁界が形成され、ロータ50が回転する。ロータ50がシャフト60とともに回転すると、シャフト60が挿嵌されているインペラ80が回転する。
本実施形態のブラシレスモータ4は、センサレスタイプのため、駆動制御の開始前のロータ50が停止している状態ではステータ30に対するロータ50の位置が不明である。そのため、駆動制御を開始可能なステータ30に対するロータ50の位置である「駆動開始位置」(巻線40に通電したときにステータ30においてN極となる位置)にロータ50を強制的に位置決めした上で駆動制御を開始する必要がある。駆動制御開始前にマイコン91が実行するロータ50の位置決めに関する制御を「位置決め制御」という。
図5に示す「正転方向」はインペラ80が燃料を加圧可能なロータ50(シャフト60)の回転方向であり、「逆転方向」はインペラ80が燃料を加圧不能なロータ50(シャフト60)の回転方向である。なお、回転方向の正逆は、各相巻線41、42、43の配置やインペラ80の視方向によって、適宜、設定される。
(B)位置決め時には、ロータ50の位置に応じて、シャフト60は駆動開始位置まで正転または逆転する。正転の場合、シャフト60の一方の角部613がインペラ80の穴部81の内壁811に衝突し、逆転の場合、☆印部にてシャフト60の他方の角部614がインペラ80の穴部81の内壁811に衝突する。
(C)起動時には、シャフト60の一方の角部613がインペラ80の穴部81の内壁811に当接した状態で正転する。
以下、衝突に関する記述として、正確には「シャフト60の端部61の外壁がインペラ80の穴部81の内壁に衝突する」と記述するところ、適宜、「シャフト60(の外壁)がインペラ80(の内壁)に衝突する」というように省略する。
位置決め手段920は、ブラシレスモータ4の駆動制御を開始する前、巻線40に供給する電力を制御することにより、ブラシレスモータ4の駆動制御を開始可能な駆動開始位置(位置P1〜12)にロータ50を位置決めする。
このように、本実施形態は、位置決め制御において、シャフト60とインペラ80との衝突応力を緩和する「衝突応力緩和制御」を実行することを特徴とする。
図7は、シャフト60の外壁がインペラ80の内壁に衝突するときのシャフト60のトルク加速度と衝突応力との関係を示すものである。トルク加速度[mN・m/ms]は、トルクの時間変化率であり、例えばマイコン91が出力する電流変化率[A/ms]等の通電出力が反映される。衝突応力[J/mm2]は、トルク加速度に比例する衝突エネルギーを衝突時の受力面積で除した値である。
さらに、トルク加速度制御手段93は、PI制御によりトルク加速度が所定の目標値になるよう、通電出力を操作して巻線40に供給する電力を制御する。
図8に、駆動制御装置90によりブラシレスモータ4を駆動制御したときにブラシレスモータ4に流れる電流値(検出値)の時間の経過に伴う変化を実線で示す。
図8に示す時刻t0ではロータ50は停止しているため、電流値は0である。以後の時刻の記号は、後述の図9〜図12との整合のため「t1、t4、t6、t7」を用いる。また、図9〜図12で用いる区間記号I〜VIを参考として記載する。
時刻t6でロータ50の位置決めが完了すると、マイコン91は巻線40への通電を停止するため、電流値は0になる。
時刻t6の時点でロータ50は「駆動開始位置」に位置決めされた状態のため、時刻t7でブラシレスモータ4の通常の駆動制御を開始可能である。時刻t7以降、ブラシレスモータ4の通常の駆動制御開始(起動)に伴い、ブラシレスモータ4に電流が流れる。
図8に、比較例の駆動制御装置により、ロータ50が停止している状態から、ブラシレスモータ4の通常の駆動制御が開始された後までの、ブラシレスモータ4に流れる電流の値(電流値)の時間の経過に伴う変化を示す。比較例の駆動制御装置は、物理的な構成は本実施形態の駆動制御装置90と同様であるものの、ロータ50の位置決め時、シャフト60の衝突エネルギーを緩和する制御を行わない。そのため比較例では、本実施形態の電流狙い値Iaに対し約2倍の電流値Ibを狙い値としている。また、PI制御を行わない第1比較例を破線で示し、PI制御を行う第2比較例を二点鎖線で示す。
本実施形態の駆動制御装置90は、(1)複数相の巻線40(U相巻線41、V相巻線42、W相巻線43)が巻回されたステータ30、当該ステータ30に対し相対回転可能に設けられるロータ50、および、当該ロータ50の中心に設けられ端部61がインペラ80の穴部81に挿嵌されロータ50とともに回転するシャフト60を有するブラシレスモータ4の駆動を制御する駆動制御装置90であって、マイコン91を備えている。
マイコン91は、電流、電圧、又は電力の少なくとも一つを含む通電出力を操作して巻線40に供給する電力を制御することによりロータ50の回転を制御可能である。
位置決め手段920は、ブラシレスモータ4の駆動制御を開始する前、巻線40に供給する電力を制御することにより、ブラシレスモータ4の駆動制御を開始可能なステータ30に対するロータ50の位置である駆動開始位置にロータ50を位置決めする。
これにより、シャフト60がインペラ80に衝突するときの衝突応力を抑制しつつ、ロータ50を「駆動開始位置」に素早く位置決めすることができる。そのため、ブラシレスモータ4の駆動制御開始までに要する時間をさらに短縮することができる。
燃料ポンプ1は、シャフト60が回転しトルクを出力可能なブラシレスモータ4、ブラシレスモータ4を収容するハウジング5、吸入部11を有しハウジング5の一方の端部を塞ぐポンプカバー10、吐出部21を有しハウジング5の他方の端部を塞ぐカバーエンド20、および、中央に形成された穴部81にシャフト60の端部61が挿嵌されシャフト60とともに回転することで吸入部11から流入した燃料を加圧し吐出部21から吐出するインペラ80を備えている。
次に、本発明の第2〜第4実施形態の駆動制御装置によるロータ位置決め時の衝突応力緩和制御について、図9〜図12を参照して説明する。
最初に、各実施形態に共通する技術的思想や用語、および、各図で共通して用いる記号について説明する。図9〜図12は、時間の経過に伴う通電出力の変化を表すタイムチャートである。上述の図8では、ブラシレスモータ4に実際に流れる電流値を縦軸に示しているのに対し、図9〜図12の縦軸には、マイコン91が「通電出力」として三相インバータ95に指令する電流(目標値)を示している。ただし、フィードバック(PI)制御が行われることを前提として、実値と目標値とは一致しているものとする。
また、位置決定手段922が駆動開始位置を決定し、通電を切り替えた後、位置決め処理手段923による位置決め処理において、シャフト60の外壁がインペラ80の内壁に衝突するまでの三相通電の通電出力の値を「第2出力値」という。
第1〜第4実施形態では、マイコン91は、通電出力として「電流」を操作することで三相インバータ95から巻線40に供給する電力を制御する。そこで、第1出力値の記号を「I1」、第2出力値の記号を「I2」と表す。この例の他、マイコン91は、通電出力として、電圧又は電力を操作してもよい。
時刻t0〜t1(区間I)はロータ50の停止時である。
時刻t1にて位置検出のための二相通電が開始され、時刻t1〜t2(区間II)に、誘起電圧に基づいてロータ50の位置が検出される。このときの通電出力の値が第1出力値I1である。
時刻t6にてロータ50の位置決めが完了すると、時刻t6〜t7(区間V)で電流値を一旦0にした後、時刻t7にてブラシレスモータ4を起動(駆動制御を開始)する。時刻t7以降(区間VI)、ブラシレスモータ4は駆動制御されつつ正転方向に回転する。
時刻t0〜t1、および時刻t6〜t7における挙動は、図9〜図12で共通である。なお、図9でのみ用いられる時刻t3、および、図10でのみ用いられる時刻t5については、各図の説明で述べる。
時刻t2で通電を切り替えたとき、第2出力値I2の始値I2sは、第1出力値の終値I1eから下がった値に設定される。第2出力値I2は、時刻t2の始値I2sから時刻t4の終値I2eまで一定勾配で増加する。時刻t4後も電流は同じ勾配で増加し、時刻t5で第3出力値I3に到達してからは時刻t6まで一定値(I3)を維持する。
このように、第2実施形態では電流は鋸型状に変化する。また、第1出力値の終値I1eは下限値I1MINを上回るように設定され、第2出力値の終値I2eは上限値I2MAXを下回るように設定されている。
これにより、位置検出時には、第1出力値I1を大きくして誘起電圧を十分に検出するための回転数に到達することができる。一方、位置決め処理でのシャフト60の衝突時には、第2出力値I2を小さくして衝突エネルギーを抑制し、衝突応力を緩和することができる。したがって、ブラシレスモータ4の起動性の向上と、インペラ80の破損防止とを好適に両立することができる。
図11に示す第3実施形態は、第2実施形態に対し、時刻t2〜t4における第2出力値I2が一定に設定されており、時刻t4にて、電流は第2出力値I2から第3出力値I3までステップ状に増加している。
本発明の他の実施形態では、位置決め手段920は、位置検出手段921による位置検出や位置決定手段922による「駆動開始位置」の決定を行うことなく、ロータ50を位置決めしてもよい。例えば特開平4−312390号公報に記載されたように、ある固定された相に一定時間通電して第1位置決めをし、その後残りの相にも一定時間通電して第2位置決めをすることによってもロータ50を位置決めすることができる。
このように、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態に適用可能である。
30 ・・・ステータ(固定子)
40 ・・・巻線(41・・・U相巻線、42・・・V相巻線、43・・・W相巻線)
50 ・・・ロータ(回転子)
60 ・・・シャフト 61 ・・・端部
80 ・・・インペラ(回転部材) 81 ・・・穴部
90 ・・・駆動制御装置
91 ・・・マイコン(制御部)
920・・・位置決め手段
93 ・・・トルク加速度制御手段
Claims (9)
- 複数相の巻線(40、41、42、43)が巻回された固定子(30)、当該固定子に対し相対回転可能に設けられる回転子(50)、および、当該回転子の中心に設けられ端部(61)が回転部材(80)の穴部(81)に挿嵌され前記回転子とともに回転するシャフト(60)を有するブラシレスモータ(4)の駆動を制御する駆動制御装置(90)であって、
電流、電圧、又は電力の少なくとも一つを含む通電出力を操作して前記巻線に供給する電力を制御することにより前記回転子の回転を制御可能な制御部(91)を備え、
前記制御部は、
前記ブラシレスモータの駆動制御を開始する前、前記巻線に供給する電力を制御することにより、前記ブラシレスモータの駆動制御を開始可能な前記固定子に対する前記回転子の位置である駆動開始位置に前記回転子を位置決めする位置決め手段(920)、および、
前記位置決め手段により前記回転子を位置決めするとき、前記シャフトから出力されるトルクの時間変化率であるトルク加速度が、「前記シャフトの外壁が前記回転部材の内壁に衝突するときの衝突応力が所定値以下となる程度」の所定範囲内になるよう、前記巻線に供給する電力を制御するトルク加速度制御手段(93)を有することを特徴とする駆動制御装置。 - 前記位置決め手段は、
複数相の前記巻線に通電することにより、停止している前記回転子を回転させ、前記回転子の前記固定子に対する位置を検出する位置検出手段(921)と、
前記位置検出手段が検出した前記回転子の位置に基づき前記駆動開始位置を決定する位置決定手段(922)と、
前記位置決定手段が決定した前記駆動開始位置に前記回転子を位置決めするように、複数相の前記巻線に対する通電を切り替えて前記回転子を回転させる位置決め処理手段(923)と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の駆動制御装置。 - 前記トルク加速度制御手段は、
前記位置検出手段によって前記回転子の位置を検出するときの前記通電出力の値である第1出力値に対し、
前記位置決定手段が前記駆動開始位置を決定し、通電を切り替えた後、前記位置決め処理手段による位置決め処理において、前記シャフトの外壁が前記回転部材の内壁に衝突するまでの前記通電出力の値である第2出力値を小さく設定することを特徴とする請求項2に記載の駆動制御装置。 - 前記第2出力値は、一定に設定されていることを特徴とする請求項3に記載の駆動制御装置。
- 前記ブラシレスモータは、前記固定子に三相巻線が巻回された三相ブラシレスモータであり、
前記位置検出手段は、二相の前記巻線に通電し、非通電相に生じる誘起電圧に基づいて前記回転子の位置を検出し、
前記位置決め処理手段は、三相の前記巻線に通電し、前記回転子を位置決めすることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の駆動制御装置。 - 前記トルク加速度制御手段は、
前記シャフトの外壁が前記回転部材の内壁に衝突した後の前記トルク加速度が、前記シャフトが前記回転部材に衝突する前の前記トルク加速度より大きくなるよう、前記巻線に供給する電力を制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の駆動制御装置。 - 前記トルク加速度制御手段は、
PI制御により前記トルク加速度が所定の目標値になるよう、前記巻線に供給する電力を制御することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の駆動制御装置。 - シャフト(60)が回転しトルクを出力可能なブラシレスモータ(4)、前記ブラシレスモータを収容するハウジング(5)、吸入部(11)を有し前記ハウジングの一方の端部を塞ぐポンプカバー(10)、吐出部(21)を有し前記ハウジングの他方の端部を塞ぐカバーエンド(20)、及び、中央に形成された穴部(81)に前記シャフトの端部(61)が挿嵌され前記シャフトとともに回転することで前記吸入部から流入した燃料を加圧し前記吐出部から吐出する回転部材(80)を備える燃料ポンプ(1)と、
前記ブラシレスモータの駆動を制御する請求項1〜7のいずれか一項に記載の駆動制御装置(90)と、
を含む燃料ポンプ駆動システム(100)。 - 前記シャフトの端部は、軸に垂直な面による断面がD字状となるよう形成され、
前記穴部は、前記シャフトの端部の断面形状に対応するようD字状に形成され、
前記シャフトの端部が前記穴部に挿嵌された状態で、前記シャフトの端部と前記穴部との間に所定のクリアランスが形成されていることを特徴とする請求項8に記載の燃料ポンプ駆動システム。
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