JP6191472B2 - 電機制御装置 - Google Patents

Description

発電機として機能する電機の駆動を制御するとともに、電機が生じた電力によって充電される外部電源から電圧が供給される電機制御装置に関する。

従来、発電機として機能する電機の駆動を制御するとともに、電機が生じた電力によって充電される外部電源から、第１電圧が供給される電機制御装置が知られている。この電機制御装置は、第１電圧を第２電圧に変換するスイッチング電源と、電機の駆動を制御する電機制御部と、を備える。

ところで、電機が発電機として駆動して外部電源を充電すると、第１電圧が変動する。これによれば、第１電圧の変動に伴い、第２電圧も変動することとなる。

これに対し、特許文献１には、スイッチング電源の後段にシリーズ電源を設けることで、第２電圧を安定させることが記載されている。また、スイッチング電源の後段に大容量のコンデンサを設けることで、第２電圧を安定させることが知られている。

特開２００４−１４７３９１号公報

しかしながら、スイッチング電源に加えて、シリーズ電源や大容量のコンデンサを用いることは、電機制御装置が大型化するとともに、製造コストが高くなる。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、シリーズ電源及び大容量のコンデンサを用いること無く、スイッチング電源の出力電圧を安定させることができる電機制御装置を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として下記の実施形態の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示された発明のひとつは、少なくとも発電機として機能する電機（３００）の駆動を制御するとともに、電機が生じた電力によって充電される外部電源（２００）から、第１電圧が供給される電機制御装置であって、複数の制御モードを有し、制御モードに応じて電機の駆動を制御する電機制御部（１４０）と、スイッチング素子（１１２）と該スイッチング素子をＰＷＭ制御するスイッチング制御部（１１８）とを有し、第１電圧を該第１電圧よりも低い第２電圧に変換するスイッチング電源（１１０）と、を備え、電機制御部は、制御モードとして、電機を発電機として機能させる発電制御モードを有するとともに、制御モードに応じたフィードフォワード信号をスイッチング制御部に出力し、制御モードを発電制御モードに切り換えると、発電制御モード以外の制御モードで制御する場合に対して、ＰＷＭ制御のデューティ比が所定期間小さくなるように、フィードフォワード信号をスイッチング電源に出力することを特徴とする。

制御モードを発電制御モードに切り換えると、電機が発電機として機能して外部電源が充電され、第１電圧が上昇する。これに対し、本発明では、発電制御モードへ切り換えると、デューティ比が小さくなる。したがって、第１電圧の上昇に伴って第２電圧が上昇することを抑制することができる。つまり、第２電圧を安定させることができる。

これによれば、シリーズ電源及び大容量のコンデンサを用いること無く、スイッチング電源の出力電圧を安定させることができる。

第１実施形態に係る電機制御装置の概略構成を示すブロック図である。 ＰＷＭ制御を説明するためのタイミングチャート図である。 第２実施形態に係る電機制御装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。

（第１実施形態）
先ず、図１に基づき、本実施形態に係る電機制御装置１００の概略構成について説明する。

本実施形態において、電機制御装置１００は、スイッチング電源１１０と、平滑用コンデンサ１３０と、マイコン１４０と、を備える。外部電源２００から電機制御装置１００に第１電圧Ｖ１が供給され、電機制御装置１００はスタータモータ３００の駆動を制御する。外部電源２００としては、例えば鉛バッテリを採用することができる。

スタータモータ３００は、外部電源２００から電力を供給され、車両のエンジン４００を始動する電動機として機能する。さらに、スタータモータ３００は、エンジン４００の回転により外部電源２００を充電する発電機として機能する。なお、スタータモータ３００は、特許請求の範囲の電機に相当する。また、スイッチング電源１１０、平滑用コンデンサ１３０、及び、マイコン１４０は、同一基板上に配置される。

スイッチング電源１１０は、外部電源２００が出力する第１電圧Ｖ１を、第１電圧Ｖ１よりも低い第２電圧Ｖ２に変換する。スイッチング電源１１０は、チョッパ式の定電圧電源であって、スイッチング素子１１２と、コイル１１４と、ダイオード１１６と、スイッチング制御部１１８と、を有する。

スイッチング素子１１２は、電源経路に直列に接続されるバイポーラトランジスタである。スイッチング制御部１１８が出力するＰＷＭ信号に基づいてベース電流が増減することで、スイッチング素子１１２がオンオフ動作する。

コイル１１４は、スイッチング素子１１２の後段であって、電源経路に直列に接続される。スイッチング素子１１２のオン時にエネルギーを蓄積し、オフ時に蓄積されたエネルギーを放出する。

ダイオード１１６は、カソードがスイッチング素子１１２とコイル１１４との接続点に接続され、アノードがグランドと接続される。ダイオード１１６は、スイッチング素子１１２のオフ時にのみ導通する整流ダイオードである。

スイッチング制御部１１８は、スイッチング素子１１２に対しＰＷＭ信号を出力することでＰＷＭ制御を行う。スイッチング制御部１１８は、フィードバック信号及びフィードフォワード信号に基づき、スイッチング素子１１２をＰＷＭ制御する。スイッチング制御部１１８は、比較器１２０と、ＰＷＭ制御部１２２と、を有する。

比較器１２０は、電源経路との接続点から、フィードバック信号として第２電圧を取得する。比較器１２０の反転入力側に第２電圧Ｖ２が入力され、非反転入力側に予め設定された参照電圧Ｖｒが入力される。比較器１２０は、第２電圧Ｖ２と、参照電圧Ｖｒと、を比較し、比較結果をＰＷＭ制御部１２２に出力する。参照電圧Ｖｒは、マイコン１４０が作動するための所望の電圧である。

ＰＷＭ制御部１２２は、第２電圧Ｖ２が参照電圧Ｖｒとなるように、比較器１２０の比較結果及びフィードフォワード信号に基づいて、ＰＷＭ信号を生成する。そして、ＰＷＭ制御部１２２は、スイッチング素子１１２に対し、生成したＰＷＭ信号を出力することでＰＷＭ制御を行う。ＰＷＭ制御の詳細な説明は、下記に示す。

平滑用コンデンサ１３０は、スイッチング電源１１０の後段であって、比較器１２０における電源経路との接続点と一方の極が接続され、グランドと他方の極が接続される。平滑用コンデンサ１３０は、スイッチング電源１１０が出力する第２電圧Ｖ２を平滑化して、マイコン１４０に第２電圧Ｖ２を印加する。

マイコン１４０は、第２電圧Ｖ２が供給され、スタータモータ３００を制御する。マイコン１４０は、複数の制御モードを有し、制御モードに応じて、スタータモータ３００を制御する。上記のように、スタータモータ３００は、電動機及び発電機として機能する。

マイコン１４０は、制御モードとして回転制御モードを有する。回転制御モードの場合に、スタータモータ３００は、エンジン４００と接続され、電動機として機能する。このとき、スタータモータ３００は、外部電源２００から図示しないインバータを介して電力供給を受けて回転し、エンジン４００を始動させる。

また、マイコン１４０は、制御モードとして発電制御モードを有する。発電制御モードの場合に、スタータモータ３００は、エンジン４００と接続され、発電機として機能する。このとき、スタータモータ３００は、エンジン４００が回転することによって回転し、回転により生じた電力を、インバータを介して外部電源２００に充電する。

また、マイコン１４０は、制御モードとして無負荷モードを有する。無負荷モードの場合に、スタータモータ３００は、エンジン４００と接続されず、回転しない。マイコン１４０は、制御モードに応じたフィードフォワード信号をＰＷＭ制御部１２２に出力する。なお、マイコン１４０は、特許請求の範囲の電機制御装置に相当する。

次に、図２に基づき、ＰＷＭ制御部１２２によるＰＷＭ制御について説明する。

本実施形態において、ＰＷＭ制御部１２２は、閾値電圧Ｖｔｈと、三角波Ｖｔｒと、を比較することによりＰＷＭ制御のデューティ比を算出する。三角波Ｖｔｒよりも閾値電圧Ｖｔｈのほうが大きい場合に、スイッチング素子１１２をオンにするようなＰＷＭ信号を出力する。また、三角波Ｖｔｒよりも閾値電圧Ｖｔｈのほうが小さい場合に、スイッチング素子１１２をオフにするようなＰＷＭ信号を出力する。

三角波Ｖｔｒは、一定の周期及び振幅を有する。ＰＷＭ制御部１２２は、閾値電圧Ｖｔｈの大きさを変えることによって、ＰＷＭ制御のデューティ比を変える。なお、閾値電圧Ｖｔｈは、特許請求の範囲の閾値に相当し、三角波Ｖｔｒは、特許請求の範囲の基準波に相当する。

フィードフォワード信号は、それぞれの制御モードに応じて異なる値を有する信号である。ＰＷＭ制御部１２２は、フィードフォワード信号に基づいて、制御モードが切り換えられたか否かを判定する。

ここで、制御モードが切り換えられた場合、第１電圧Ｖ１が変動する。詳しくは、時間Ｔ１において、マイコン１４０が制御モードを回転制御モードに切り換えると、一定値であった第１電圧Ｖ１が一時的に降下し、所定期間経つと上昇して元の一定値に回復する。また、時間Ｔ２において、発電制御モードに切り換えると、第１電圧Ｖ１が一時的に上昇し、所定期間経つと降下して元の一定値に回復する。

図２では、時間Ｔ１まで、制御モードとして無負荷モードが設定される。ＰＷＭ制御部１２２は、比較器１２０の比較結果に基づいて、第２電圧Ｖ２が参照電圧Ｖｒとなるように、閾値電圧Ｖｔｈの大きさを算出する。ここで、算出した閾値電圧Ｖｔｈをフィードバック電圧Ｖｆｂとする。

時間Ｔ１において、マイコン１４０が制御モードを無負荷モードから回転制御モードに切り換える。ＰＷＭ制御部１２２は、フィードフォワード信号に基づいて、制御モードが切り換えられたと判定する。

回転制御モードに切り換えられると、時間Ｔ１から時間ｄＴ１が経過するまでは、閾値電圧Ｖｔｈを補正して、ＰＷＭ制御のデューティ比を変更する。詳しくは、フィードバック電圧Ｖｆｂにフィードフォワード電圧Ｖｆｆを加算する。ここで、フィードフォワード電圧Ｖｆｆは、正の値を有する。

フィードフォワード電圧Ｖｆｆは、時間Ｔ１において最大である。また、フィードフォワード電圧Ｖｆｆは、第１電圧Ｖ１の回復に応じて、時間の経過とともに小さくなり、時間Ｔ１から時間ｄＴ１が経過するとゼロとなる。フィードフォワード電圧Ｖｆｆの大きさ及び時間ｄＴ１は、制御モードの切り換えによる第１電圧Ｖ１の降下量及び元の一定値に回復する時間に応じて決定される。

時間Ｔ１から時間ｄＴ１が経過した後、時間Ｔ２までは、第１電圧Ｖ１の変動が小さい。そのため、フィードフォワード信号に基づき閾値電圧Ｖｔｈを補正しない。つまり、閾値電圧Ｖｔｈは、比較器１２０の比較結果に基づいて算出されたフィードバック電圧Ｖｆｂとされる。

時間Ｔ２において、マイコン１４０が制御モードを発電制御モードに切り換える。ＰＷＭ制御部１２２は、フィードフォワード信号に基づいて、制御モードが切り換えられたと判定する。発電制御モードに切り換えられると、時間Ｔ２から時間ｄＴ２が経過するまでは、閾値電圧Ｖｔｈを補正して、ＰＷＭ制御のデューティ比を変更する。

詳しくは、回転制御モードに切り換えた場合と同様に、フィードバック電圧Ｖｆｂにフィードフォワード電圧Ｖｆｆを加算する。ここで、フィードフォワード電圧Ｖｆｆは、負の値を有する。フィードフォワード電圧Ｖｆｆは、時間Ｔ２において最小である。また、フィードフォワード電圧Ｖｆｆは、第１電圧Ｖ１の回復に応じて、時間の経過とともに大きくなり、時間Ｔ２から時間ｄＴ２が経過するとゼロとなる。フィードフォワード電圧Ｖｆｆの大きさ及び時間ｄＴ２は、制御モードの切り換えによる第１電圧Ｖ１の上昇量及び元の一定値に回復する時間に応じて決定される。

時間Ｔ２から時間ｄＴ２が経過した後は、第１電圧Ｖ１の変動が小さい。そのため、フィードフォワード信号に基づき閾値電圧Ｖｔｈを補正しない。つまり、閾値電圧Ｖｔｈは、比較器１２０の比較結果に基づいて算出されたフィードバック電圧Ｖｆｂとされる。

次に、上記した電機制御装置１００の効果について説明する。

制御モードを回転制御モードに切り換えた場合、第１電圧Ｖ１が降下する。本実施形態では、回転制御モードに切り換えた場合に、デューティ比を大きくする。これによれば、制御モードの切り換えに伴い第１電圧Ｖ１が降下した場合であっても、第２電圧Ｖ２を参照電圧Ｖｒに保つことができる。つまり、第２電圧Ｖ２を安定させることができる。

また、制御モードを発電制御モードに切り換えた場合、第１電圧Ｖ１が上昇する。本実施形態では、発電制御モードに切り換えた場合に、デューティ比を小さくする。これによれば、制御モードの切り換えに伴い第１電圧Ｖ１が上昇した場合であっても、第２電圧Ｖ２を参照電圧Ｖｒに保つことができる。つまり、第２電圧Ｖ２を安定させることができる。

また、本実施形態において、スイッチング制御部１１８は、フィードバック信号として第２電圧Ｖ２を取得し、フィードバック信号及びフィードフォワード信号に基づいてＰＷＭ制御する。これによれば、第２電圧Ｖ２をフィードバックするため、第２電圧Ｖ２が変動する場合に、その変動を抑制するようにＰＷＭ制御することができる。つまり、第２電圧Ｖ２をより安定させることができる。

ところで、マイコン１４０が制御モードを切り換えると第１電圧Ｖ１が変動する。さらに、制御モードを切り換えた後、時間経過とともに、第１電圧Ｖ１が、変動する前の値に回復する。これによれば、閾値電圧Ｖｔｈの補正量を、制御モードを切り換えた後も一定とすると、回復に応じて第２電圧Ｖ２が変動することとなる。

本実施形態によれば、スイッチング制御部１１８が、時間経過とともに、閾値電圧Ｖｔｈの補正量であるフィードフォワード電圧Ｖｆｆを小さくする。すなわち、マイコン１４０が制御モードを回転制御モードに切り換えた後、時間経過とともに、閾値電圧Ｖｔｈを小さくする。また、発電制御モードに切り換えた後、時間経過とともに、閾値電圧Ｖｔｈを大きくする。これによれば、第１電圧Ｖ１の回復に応じて、デューティ比を、制御モードを切り換える前のデューティ比に戻すことができる。したがって、第１電圧Ｖ１の回復に応じて第２電圧Ｖ２が変動することを抑制することができる。つまり、第２電圧Ｖ２をより安定させることができる。

また、本実施形態において、スイッチング電源１１０及びマイコン１４０は、同一の基板上に配置される。これによれば、電機制御装置１００を小型化することができる。

なお、本実施形態では、三角波Ｖｔｒと閾値電圧Ｖｔｈとを比較することにより、デューティ比を算出する例を示したが、これに限定するものではない。

また、基準波として三角波Ｖｔｒを用いる例を示したが、これに限定するものではない。のこぎり波を用いる構成を採用することもできる。

また、本施形態では、時間経過とともに、フィードフォワード信号に基づく閾値電圧Ｖｔｈの補正量を小さくする例を示したが、これに限定するものではない。フィードフォワード信号に基づく閾値電圧Ｖｔｈの補正量を制御モードの切り換えから所定期間一定とする構成を採用することもできる。例えば、制御モードを回転制御モードに切り換えた場合に、次に制御モードが切り換えられるまでは、フィードバック電圧Ｖｆｂに、時間経過によらず一定値のフィードフォワード電圧Ｖｆｆを加算する。

これによれば、制御モードの切り換えによる第１電圧Ｖ１の変動を抑制することができる。また、制御モードの切り換えから所定期間経過すると、第１電圧Ｖ１が上昇して回復する。そのため、第２電圧Ｖ２も上昇するが、ＰＷＭ制御部１２２は、比較器１２０の比較結果に基づき、この上昇を抑制するようにフィードバック電圧Ｖｆｂを降下させる。したがって、閾値電圧Ｖｔｈは、時間経過とともに降下することとなる。これによれば、第１電圧Ｖ１の回復に応じて、第２電圧Ｖ２が変動することを抑制することができる。

（第２実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した電機制御装置１００と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態において、車両内に複数の制御装置がある場合を示す。電機制御装置１００ａは、スタータモータ３００を制御する。また、制御装置１００ｂは、スタータモータ３００のシステムとは異なるシステムを制御する。

電機制御装置１００ａは、スイッチング電源１１０ａ、平滑用コンデンサ１３０ａ，及び、マイコン１４０ａを有する。スイッチング電源１１０ａ、平滑用コンデンサ１３０ａ、及び、マイコン１４０ａは、同一の基板上に配置される。

制御装置１００ｂは、スイッチング電源１１０ｂ、平滑用コンデンサ１３０ｂ、及び、マイコン１４０ｂを有する。スイッチング電源１１０ｂ、平滑用コンデンサ１３０ｂ、及び、マイコン１４０ｂは、電機制御装置１００ａとは異なる基板上に配置される。スイッチング電源１１０ａの構成は、スイッチング電源１１０ｂの構成と同様である。そのため、便宜上、具体的構成を省略して図示する。また、スイッチング電源１１０ｂが、特許請求の範囲のスイッチング電源に相当し、マイコン１４０ａが、特許請求の範囲の電機制御部に相当する。

スイッチング電源１１０ａ及びスイッチング電源１１０ｂは、外部電源２００から第１電圧Ｖ１が供給される。マイコン１４０ａがスタータモータ３００を制御し、マイコン１４０ｂは、図示しない駆動装置を制御する。

マイコン１４０ａは、スイッチング電源１１０ａ及びスイッチング電源１１０ｂのＰＷＭ制御部１２２に対し、通信手段を用いてフィードフォワード信号を出力する。例えば、通信手段としては、ＣＡＮ（登録商標）、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）、ＦｌｅｘＲａｙ（登録商標）の通信プロトコルに準拠したネットワークや、直接信号線をワイヤハーネスで接続する構成を採用することができる。スイッチング電源１１０ｂのＰＷＭ制御部１２２は、フィードフォワード信号に基づきスイッチング素子１１２をＰＷＭ制御する。

本実施形態によれば、第１実施形態に示した電機制御装置１００と同様の効果を奏することができる。さらに、スタータモータ３００を制御しない制御装置１００ｂのスイッチング電源１１０ｂにおいても、フィードフォワード信号が出力される。これによれば、スイッチング電源１１０ｂにおいても、制御モードの切り換えに伴い、ＰＷＭ制御のデューティ比を変更することができる。つまり、マイコン１４０ｂに供給する第２電圧Ｖ２を安定させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

なお、上記実施形態では、電機制御装置１００，１００ａがスタータモータ３００を制御する例を示したが、これに限定するものではない。電機制御装置１００，１００ａは、少なくとも発電機として機能する電機の駆動を制御するとともに、電機で生じた電力によって充電される外部電源から第１電圧Ｖ１が供給される構成であれば採用することができる。

また、上記実施形態では、マイコン１４０，１４０ａによりスタータモータ３００を制御する例を示したが、これに限定するものではない。例えば、ＡＳＩＣによりスタータモータ３００を制御する構成を採用することもできる。

また、上記実施形態において、スイッチング電源１１０，１１０ｂが、コイル１１４と、スイッチング素子１１２と、ダイオード１１６と、スイッチング制御部１１８と、を有する例を示したが、これに限定するものではない。少なくともスイッチング素子１１２と該スイッチング素子１１２を制御するスイッチング制御部１１８とを有し、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に変換する構成であれば採用することができる。

また、上記実施形態において、スイッチング制御部１１８がアナログ回路により構成される例を示したが、これに限定するものではない。デジタル回路により構成される例を採用することもできる。

また、上記実施形態において、スイッチング制御部１１８は、フィードバック信号及びフィードフォワード信号に基づいてＰＷＭ制御する例を示したが、これに限定するものではない。スイッチング制御部１１８が、フィードバック信号を取得しない構成を採用することもできる。例えば、一定値の電圧にフィードフォワード電圧Ｖｆｆを加算することで閾値電圧Ｖｔｈを補正して、ＰＷＭ信号を生成することもできる。

１００・・・電機制御装置、１００ａ・・・電機制御装置、１００ｂ・・・制御装置、１１０・・・スイッチング電源、１１０ａ・・・スイッチング電源、１１０ｂ・・・スイッチング電源、１１２・・・スイッチング素子、１１４・・・コイル、１１６・・・ダイオード、１１８・・・スイッチング制御部、１２０・・・比較器、１２２・・・ＰＷＭ制御部、１３０・・・平滑用コンデンサ、１３０ａ・・・平滑用コンデンサ、１３０ｂ・・・平滑用コンデンサ、１４０・・・マイコン、１４０ａ・・・マイコン、１４０ｂ・・・マイコン、２００・・・外部電源、３００・・・スタータモータ、４００・・・エンジン

Claims (7)

1. 少なくとも発電機として機能する電機（３００）の駆動を制御するとともに、前記電機が生じた電力によって充電される外部電源（２００）から、第１電圧が供給される電機制御装置であって、
   複数の制御モードを有し、前記制御モードに応じて前記電機の駆動を制御する電機制御部（１４０）と、
   スイッチング素子（１１２）と該スイッチング素子をＰＷＭ制御するスイッチング制御部（１１８）とを有し、前記第１電圧を該第１電圧よりも低い第２電圧に変換するスイッチング電源（１１０）と、を備え、
   前記電機制御部は、前記制御モードとして、前記電機を発電機として機能させる発電制御モードを有するとともに、前記制御モードに応じたフィードフォワード信号を前記スイッチング制御部に出力し、前記制御モードを前記発電制御モードに切り換えると、前記発電制御モード以外の前記制御モードで制御する場合に対して、ＰＷＭ制御のデューティ比が所定期間小さくなるように、前記フィードフォワード信号を前記スイッチング制御部に出力することを特徴とする電機制御装置。
2. 前記電機は、前記外部電源から電力が供給される電動機としても機能し、
   前記電機制御部は、前記制御モードとして、前記電機を電動機として機能させる回転制御モードを有し、前記制御モードを前記回転制御モードに切り換えると、前記回転制御モード以外の前記制御モードで制御する場合に対して、前記デューティ比が所定期間大きくなるように、前記フィードフォワード信号を前記スイッチング制御部に出力することを特徴とする請求項１に記載の電機制御装置。
3. 前記スイッチング制御部は、フィードバック信号として前記第２電圧を取得し、前記フィードバック信号及び前記フィードフォワード信号に基づいてＰＷＭ制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電機制御装置。
4. 前記スイッチング制御部は、閾値と、所定の周期及び所定の振幅を有する基準波と、を比較することにより前記デューティ比を算出し、
   前記閾値は、前記フィードバック信号に基づいて算出されるとともに、前記制御モードの切り換えから所定期間、前記フィードフォワード信号に基づき補正されることを特徴とする請求項３に記載の電機制御装置。
5. 前記フィードフォワード信号に基づく前記閾値の補正量は、時間経過とともに小さくされることを特徴とする請求項４に記載の電機制御装置。
6. 前記電機制御部は、同一の基板上に配置される前記スイッチング電源の前記スイッチング制御部に対し、前記フィードフォワード信号を出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電機制御装置。
7. 前記電機制御部は、異なる基板上に配置される前記スイッチング電源の前記スイッチング制御部に対し、前記フィードフォワード信号を出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電機制御装置。

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