JP6022909B2

JP6022909B2 - 電磁負荷制御装置

Info

Publication number: JP6022909B2
Application number: JP2012261680A
Authority: JP
Inventors: 圭一田中; 光彦渡部; 坂本　英之; 英之坂本
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: JP2014105685A

Description

本発明は、電磁負荷に供給する電流を制御する電磁負荷制御装置に係り、特に、負荷に流す電流のピーク値を保持しようとするタイプに適用するに好適な電磁負荷制御装置に関する。

電磁負荷としては種々のものが知られているが、その一つにインジェクタがある。従来から、ガソリンや軽油等を燃料とする、自動車，オートバイ，農耕機，工機，船舶機等の内燃機関制御装置において、燃費や出力向上の目的で、気筒内に直接燃料を噴射するインジェクタが用いられている。このような気筒内直接噴射型インジェクタは、従来の方式と比べ、高圧に加圧した燃料を使用するインジェクタの開弁動作のために、多くのエネルギーを必要とする。また、制御性能（応答性）の向上や高回転（高速度制御）へ対応するために、短時間にこのエネルギーをインジェクタに供給する必要がある。

このようなインジェクタを駆動する回路は、昇圧回路を用いてバッテリー電圧よりも高い電圧を生成し、そこに接続されたスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ駆動する。昇圧電圧を用いて電流を流して短時間に大電流を通電させることによりインジェクタを駆動し、高圧な筒内直接噴射を実現することができる。

このとき、インジェクタコイルに電流を流す噴射動作を行うことで、電流がピークに達したらそこでピークを維持するために昇圧回路の電圧をスイッチングするものが知られている（例えば、特許文献１の図８の例参照）。

特開２００８−１６９７６２号公報

特許文献１記載の如き電磁負荷制御装置においては、インジェクタ電流ピークを維持することができるが、そのためにはＶＨハイサイド制御をスイッチングせねばならず、電圧昇圧手段によって作られた電荷を使ってしまい電圧昇圧手段の再充電を行う必要がある。そのため複数のインジェクタを高速に次々と動作させる場合に再充電時間が問題となる。

本発明の目的は、より少ない電流量でインジェクタのドライバを高速に駆動可能な電磁負荷制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、電磁負荷に印加する負荷電圧を昇圧する昇圧回路と、前記電磁負荷の上流側に配置され、前記昇圧回路が前記負荷電圧を昇圧する際に蓄積した電荷を放電する第１の上流放電装置と、前記電磁負荷の上流側に配置され、電源電圧によって前記負荷電圧を昇圧する際に蓄積した電荷を放電する第２の上流放電装置と、前記電磁負荷の下流側に配置され、前記昇圧回路が前記負荷電圧を昇圧する際に蓄積した電荷を放電する下流放電装置と、前記電磁負荷に流れる放電電流を検出する電流検出器と、前記第１の上流放電装置，第２の上流放電装置および下流放電装置の放電動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１の上流放電装置と前記下流放電装置を操作して第１の放電を行い、前記電流検出器によって第１のピーク電流値以上の電流が流れたことを検出すると、前記第２の上流放電装置を用いて第２の放電を行う電磁負荷制御装置であって、前記制御部は、前記第１の放電の期間より長い前記第２の放電の期間において、前記第１の上流放電装置をオフ状態、前記第２の上流放電装置をオン状態、且つ、前記下流放電装置をオン状態に保持するようにしたものである。
かかる構成により、より少ない電流量でインジェクタのドライバを高速に駆動可能となる。

本発明によれば、より少ない電流量でインジェクタのドライバを高速に駆動可能となる。

本発明の第１の実施形態による電磁負荷制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態による電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施形態による電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の第３の実施形態による電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の第４の実施形態による電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の第５の実施形態による電磁負荷制御装置の構成を示すブロック図である。

以下、図１および図２を用いて、本発明の第１の実施形態による電磁負荷制御装置の構成および動作について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による電磁負荷制御装置の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態による電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

図１において、駆動負荷２６は電磁負荷であり、例えば、インジェクタ噴射手段である。

駆動負荷２６を制御する電磁負荷制御装置は、電圧昇圧制御手段４，インジェクタドライバ制御手段１１，ＶＨドライバ駆動手段１３，ＶＨハイサイド駆動ＭＯＳ１５，ＶＢドライバ駆動手段１７，ＶＢハイサイド駆動ＭＯＳ１９，ローサイドドライバ駆動手段２１，ローサイド駆動ＭＯＳ２３，保護ダイオード２４，２５，シャント抵抗２８，インジェクタ電流検出手段３１，および回生ダイオード３３を備えている。

以上の一般的な電磁負荷制御装置の構成に加えて、本実施形態では、インジェクタドライバ制御手段１１とＶＢドライバ駆動手段１７との間にスローフォール制御手段３５が備えられている。

電圧昇圧制御手段４は、バッテリー電源１のバッテリー電源電圧ＶＢを昇圧して、昇圧電圧ＶＨを生成する。バッテリー電源電圧ＶＢが１４Ｖとすると、昇圧電圧ＶＨは、例えば、６０Ｖ程度である。

インジェクタドライバ制御手段１１には、マイクロプロセッサ等、外部の制御手段より入力されるインジェクタ噴射制御信号Ｃ（ＩＮＪ）と、インジェクタ電流検出手段３１によって検出されたインジェクタ検出電流Ｉｄ（ＩＮＪ）が入力する。インジェクタドライバ制御手段１１は、入力されたインジェクタ噴射制御信号Ｃ（ＩＮＪ）やインジェクタ検出電流Ｉｄ（ＩＮＪ）に基づいて、昇圧電圧側のハイサイドＭＯＳ１５を駆動制御するＶＨハイサイド制御信号Ｃ（ＶＨ），バッテリー電圧側のハイサイドＭＯＳを駆動制御するＶＢハイサイド制御信号Ｃ（ＶＢ），ローサイドＭＯＳを駆動制御するローサイド制御信号Ｃ（ＶＬ）を出力する。

スローフォール制御手段３５は、ＶＢハイサイド制御信号Ｃ（ＶＢ）に基づいて、スローフォール制御信号Ｃ（ＳＦ）を出力する。ＶＢドライバ駆動手段１７は、スローフォール制御信号Ｃ（ＳＦ）に基づいて、ＶＢハイサイド駆動ＭＯＳ１９を駆動するＶＢハイサイド駆動ゲート信号Ｇ（ＶＨ）を出力する。

ローサイドドライバ駆動手段２１は、ローサイドハイサイド制御信号Ｃ（ＶＬ）に基づいて、ローサイド駆動ＭＯＳ２３を駆動するローサイド駆動ゲート信号Ｇ（ＶＬ）を出力する。

インジェクタ電流検出手段３１は、シャント抵抗２８に流れる、インジェクタを駆動するためのインジェクタ駆動電流Ｉ（ＩＮＪ）を電圧信号として検出して、インジェクタ電流検出信号Ｉｄ（ＩＮＪ）を出力する。

なお、保護ダイオード２４，２５は、ハイサイドドライバ１５，１９の側への逆流を防止するために備えられている。また、回生ダイオード３３は、回生電流を昇圧電圧ＶＨに回生させるために備えられている。

次に、図２を用いて、本実施形態の電磁負荷制御装置の動作について説明する。

図２において、図２（Ａ）はインジェクタドライバ制御手段１１には入力するインジェクタ噴射制御信号Ｃ（ＩＮＪ）を示し、図２（Ｂ）はインジェクタ２６に流れるインジェクタ駆動電流Ｉ（ＩＮＪ）を示し、図２（Ｃ）はインジェクタ２６に印加されインジェクタ電圧を示している。図２（Ｄ）は、インジェクタドライバ制御手段１１の中に備えられるホールドタイマのホールド値を示している。図２（Ｅ）はＶＨハイサイド制御信号Ｃ（ＶＨ）を示し、図２（Ｆ）はＶＢハイサイド制御信号Ｃ（ＨＢ）を示し、図２（Ｇ）はローサイド制御信号Ｃ（ＶＬ）を示している。

時刻ｔ０において、図２（Ａ）に示すインジェクタ制御信号Ｃ（ＩＮＪ）がオンすると、図２（Ｅ）に示すＶＨハイサイド制御信号Ｃ（ＶＨ）と、図２（Ｇ）に示すローサイド制御信号Ｃ（ＶＬ）がオンする。これにより、ＶＨハイサイドＭＯＳ１５とローサイドＭＯＳ２３とがオンし、図２（Ｃ）に示すように、電圧昇圧制御手段４からの高電圧ＶＨがインジェクタ２６に印加され、図２（Ｂ）に示すように、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）が流れ始め、その電流値は速やかに上昇する。

インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）は、シャント抵抗２８で検出され、インジェクタ電流検出手段３１によって得られたインジェクタ電流検出信号Ｉｄ（ＩＮＪ）はスローフォール制御手段３５に入力する。

時刻ｔ１において、インジェクタドライバ制御手段１１は、インジェクタ電流４０がピーク電流閾値Ｉｐに達したら（図２（Ｂ））、スローフォール制御信号Ｃ（ＳＬ）をオンとして、ＶＨハイサイドＭＯＳ１５をオフとしてＶＢハイサイドＭＯＳ１９とローサイドＭＯＳ２３をオンとする（図２（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ））ことで、ピーク電流を緩やかに保持（図２の４２）するスローフォールモードＭ−ＳＦに移行する。スローフォールモードＭ−ＳＦの間は、図２（Ｂ）に示すように、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）は、ピーク電流Ｉｐから緩やかに下降しつつも電流保持を行う。このピーク電流が緩やかに下降しつつも保持されている現象をスローフォールと称する。

従来は、ローサイドＭＯＳ２３をオンしたまま、ＶＨハイサイドＭＯＳ１５をオンオフしている。ＶＨハイサイドＭＯＳ１５をオフすると、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）は急激に減少する。それに対して、本実施形態では、ＶＨハイサイドＭＯＳ１５をオフした時、ＶＢハイサイドＭＯＳ１９をオンしているので、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）の急激な減少が防止され、インジェクタ電流は緩やかに減少して、スローフォール状態を得ることができる。

この後、時刻ｔ２において、ＶＢハイサイドゲートＭＯＳ１９をオフとすることで、通常フォールモードＭ−ＮＦに移行し、図２（Ｂ）に示すように、インジェクタ電流は通常の下降電流となる。

そして、時刻ｔ３において、第１ホールド電流しきい値Ｉｓｅｔ１に達すると、第１のホールド状態へと移行し、図２（Ｆ）に示すように、ＶＢハイサイドゲート１９をオンオフすることで、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）を第１ホールド電流しきい値Ｉｓｅｔ１に保持する。

時刻ｔ４において、図２（Ｄ）に示すホールドタイマ４８が設定時間Ｔｓｅｔに達すると、ＶＢハイサイドゲートＭＯＳ１９をオフし、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）が減少する。

時刻ｔ５において、第２のホールド電流しきい値Ｉｓａｅｔ２に達すると、第２のホールド状態へと移行し、図２（Ｆ）に示すように、ＶＢハイサイドゲート１９をオンオフすることで、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）を第２ホールド電流しきい値Ｉｓｅｔ２に保持する。ここで、ＶＢハイサイドゲート１９をオンオフする際に、オフ期間を時刻ｔ２〜ｔ３の間に比べて長くすることで、１ホールド電流しきい値Ｉｓｅｔ１よりも低い第２のホールド電流しきい値Ｉｓａｅｔ２の値にインジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）を保持することができる。

さらに、時刻ｔ６において、図２（Ａ）に示すインジェクタ制御信号Ｃ（ＩＮＪ）がオフすると、図２（Ｇ）に示すように、ローサイドゲート制御信号がオフし、ローサイドゲート２３がオフして、インジェクタ制御信号Ｃ（ＩＮＪ）に０となり、インジェクタが閉弁する。

このような動作を行うことにより、インジェクタに流れる電流をピークで保持したい場合にＶＨドライバ駆動手段１３をスイッチングしてピーク電流保持するよりも少ない電荷量でピーク電流保持を行うことが可能となり、ＶＨドライバのスイッチングで電流保持を行った場合より昇圧電荷を少なくことができ、高速に複数の気筒のインジェクタを制御することが可能となる。

なお、以上の説明では、インジェクタドライバ制御手段１１とスローフォール制御手段３５とを別構成として説明しているが、インジェクタドライバ制御手段１１の中に、スローフォール制御手段３５の機能を組み入れてもよいものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、より少ない電流量でインジェクタのドライバを高速に駆動可能となる。

次に、図３を用いて、本発明の第２の実施形態による電磁負荷制御装置の構成および動作について説明する。なお、本実施形態による電磁負荷制御装置の構成は、図１に示したものと同様である。
図３は、本発明の第２の実施形態による電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

本実施形態は、スローフォール時にローサイドドライバ駆動手段２１の異常によりローサイドＭＯＳ２３がオフして急激に電流が上昇する現象が発生した場合の保護機能を備えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

図３（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１においてインジェクタ電流が電流ピークＩｐに到達後、スローフォールモードＭ−ＳＦとなっているときに、電源電圧の変動等の影響によってインジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）が現象状態から増加状態に変化したとする。

そして、時刻ｔ２’において、ピークホールド値Ｉｐを上回り、ピークホールド値Ｉｐよりも所定量上部に設定されているしきい値Ｉｐ２にまで到達した場合、スローフォール制御手段３５は、図３（Ｆ）に示すように、時刻ｔ２’において、ＶＢドライバ駆動手段１７を通じてＶＢハイサイドＭＯＳ１９をオフとすることで通常フォールモードＭ−ＮＦに移行する。

これよりスローフォール時に電流上昇をしたとしても、通常フォールモードに切り替わることによって電流下降することになる。

このような動作を行うことにより、異常にインジェクタ電流が上昇電流へと変化した場合であっても、上昇電流を抑制することでインジェクタの過電流による故障を防止し、安定動作が可能となる。

また、スローフォール時に電流が上昇し、所定のしきい値Ｉｐ２を超えた場合には、通常フォールモードＭ−ＮＦに移行することで、上昇電流を抑制することでインジェクタの過電流による故障を防止し、安定動作が可能となる。

次に、図４を用いて、本発明の第３の実施形態による電磁負荷制御装置の構成および動作について説明する。なお、本実施形態による電磁負荷制御装置の構成は、図１に示したものと同様である。
図４は、本発明の第３の実施形態による電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

時刻ｔ１１において、図２（Ｂ）に示すように、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）が第２の実施形態と同様ピークホールド値Ｉｐを上回り、しきい値Ｉｐ２まで達した場合、スローフォール制御手段３５はＶＢドライバ駆動手段１７を通じてＶＢハイサイドＭＯＳ１９をオフとし、通常フォールモードにする。

これにより、電流が落ちて、図２（Ｂ）の時刻ｔ１２において、再びピークホールド値Ｉｐ以下になるようであれば、スローフォール制御手段３５はＶＢドライバ駆動手段１７を通じてＶＢハイサイドＭＯＳ１５をオンにしてスローフォールに切り替える。これよりピークホールド電流Ｉｐを超過している時のみスローフォールを行わないような操作をすることが可能となる。

このような動作を行うことにより、スローフォール中に電流が上昇した場合においても、スローフォールを止めて安全側に電流を落とすことができる。

また、スローフォール時に電流が上昇し、所定のしきい値Ｉｐ２を超えた場合には、通常フォールモードＭ−ＮＦに移行し、上昇電流を抑制するとともに、しきい値Ｉｐより下がったら、スローフォールモードに移行することもでき、インジェクタの過電流による故障を防止し、安定動作が可能となる。

次に、図５を用いて、本発明の第４の実施形態による電磁負荷制御装置の構成および動作について説明する。なお、本実施形態による電磁負荷制御装置の構成は、図１に示したものと同様である。
図５は、本発明の第４の実施形態による電磁負荷制御装置の動作を示すタイミングチャートである。

予め外部ピーク電流しきい値Ｉｐとピーク電流下限値Ｉｐ３を設定しておき、インジェクタ電流４０がピーク電流しきい値Ｉｐに到達するとインジェクタドライバ制御手段１１はＶＨドライバ駆動手段１３を通じてＶＨハイサイドＭＯＳ１５をオフとする一方、ＶＢドライバ駆動手段１７を通じてＶＢハイサイドＭＯＳ１９をオンとする。これより、インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）はピーク電流しきい値から下降する。

そして、ピーク電流下限値Ｉｐ３まで達したら、ＶＨドライバ駆動手段１３を通じてＶＨハイサイドＭＯＳ１５をオンとする。インジェクタ電流Ｉ（ＩＮＪ）は上昇する。そしてピーク電流下限値Ｉｐ３に達したら再びＶＨドライバ駆動手段１３を通じてＶＨハイサイドＭＯＳ１５をオフとする。

ＶＨハイサイドＭＯＳをオフする期間Ｍ−ＳＦ、ＶＨハイサイドＭＯＳをオンンする期間Ｍ−ＳＵを繰り返すことでインジェクタ電流を維持する。オフ期間Ｍ−ＳＦが充分長く、オン期間Ｍ−ＳＵが短い場合、従来例においてＶＨハイサイドＭＯＳのみをスイッチングするより効率よく電磁負荷に電荷を送った上でインジェクタ電流を維持することが可能となる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。

上記の例では、ピーク電流しきい値Ｉｐとピーク電流下限値Ｉｐ３とを独立の値として設定している。それに対して、ピーク電流しきい値Ｉｐを設定すると、しきい値Ｉｐから一定の電流分オフセットした値Ｉｐ３をピーク電流下限値とすることができる。図１に示したインジェクタドライバ制御手段１１は、一般にハードロジックにより形成される。その場合、ピーク電流しきい値Ｉｐとピーク電流下限値Ｉｐ３とを独立の値として設定する場合は、基準電圧源を分圧して、ピーク電流しきい値Ｉｐに相当する第１の基準値を作成し、また、基準電圧源を分圧して、ピーク電流しきい値Ｉｐ３に相当する第２の基準値を作成するため、２つの分圧回路をハードロジックで作成する必要がある。それに対して、しきい値Ｉｐから一定の電流分オフセットした値Ｉｐ３をピーク電流下限値とする場合は、しきい値Ｉｐを作成するための１つの分圧回路と、このしきい値をオフセットする回路だけでよいため、回路構成を簡略化することができる。

また、ＶＨハイサイドＭＯＳをオフする期間Ｍ−ＳＦ、ＶＨハイサイドＭＯＳをオンンする期間Ｍ−ＳＵを繰り返すことでインジェクタ電流を維持することにより、効率よく電磁負荷に電荷を送った上でインジェクタ電流を維持することが可能となる。

次に、図６を用いて、本発明の第５の実施形態による電磁負荷制御装置の構成および動作について説明する。
図６は、本発明の第５の実施形態による電磁負荷制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。

図６において、ピーク電流しきい値Ｉｐとピーク電流下限値Ｉｐ３を通信手段９を用いてインジェクタドライバ制御手段１１Ａに記憶することにより、インジェクタ電流のスローフォール動作を行うことでインジェクタ電流を維持する。

これよりインジェクタ電流のピークを外部から設定しその値を自由に変えることでインジェクタ動作中にピーク値制御の自由度を増すことが可能となる。

２６…駆動負荷
４…電圧昇圧制御手段
１１…インジェクタドライバ制御手段
１３…ＶＨドライバ駆動手段
１５…ＶＨハイサイド駆動ＭＯＳ
１７…ＶＢドライバ駆動手段
１９…ＶＢハイサイド駆動ＭＯＳ
２１…ローサイドドライバ駆動手段
２３…ローサイド駆動ＭＯＳ
２４，２５…保護ダイオード
２８…シャント抵抗
３１…インジェクタ電流検出手段
３３…回生ダイオード

Claims

電磁負荷に印加する負荷電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記電磁負荷の上流側に配置され、前記昇圧回路が前記負荷電圧を昇圧する際に蓄積した電荷を放電する第１の上流放電装置と、
前記電磁負荷の上流側に配置され、電源電圧によって前記負荷電圧を昇圧する際に蓄積した電荷を放電する第２の上流放電装置と、
前記電磁負荷の下流側に配置され、前記昇圧回路が前記負荷電圧を昇圧する際に蓄積した電荷を放電する下流放電装置と、
前記電磁負荷に流れる放電電流を検出する電流検出器と、
前記第１の上流放電装置，第２の上流放電装置および下流放電装置の放電動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第１の上流放電装置と前記下流放電装置を操作して第１の放電を行い、前記電流検出器によって第１のピーク電流値以上の電流が流れたことを検出すると、前記第２の上流放電装置を用いて第２の放電を行う電磁負荷制御装置であって、
前記制御部は、
前記第１の放電の期間より長い前記第２の放電の期間において、前記第１の上流放電装置をオフ状態、前記第２の上流放電装置をオン状態、且つ、前記下流放電装置をオン状態に保持する
ことを特徴とする電磁負荷制御装置。
請求項１記載の電磁負荷制御装置において、
前記制御部は、前記第２の上流放電装置と前記下流放電装置とにより放電している状態において、第２のピーク電流値以上の電流が流れた場合、前記第２の上流放電装置の動作を遮断することを特徴とする電磁負荷制御装置。
請求項１記載の電磁負荷制御装置において、
前記制御部は、前記第２の上流放電装置と前記下流放電装置とにより放電している状態において、第２のピーク電流値以上の電流が流れた場合、前記第２の上流放電装置の動作を遮断するとともに、
当該遮断により放電電流が前記第１のピーク電流値を下回った場合は、再度前記第２の上流放電装置と前記下流放電装置とにより放電することを特徴とする電磁負荷制御装置。
請求項１記載の電磁負荷制御装置において、
前記制御部は、前記第２の上流放電装置を用いて放電させた後、前記電流検出器によって第３のピーク電流値まで電流が減少すると、前記第１の上流放電装置と前記下流放電装置により電流を流し、前記電流検出器によって第１のピーク電流値以上の電流が流れたことを検出すると、再び前記第２の上流放電装置を用いて放電させることを繰り返すことを特徴とする電磁負荷制御装置。