JP6526330B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

従来、いわゆる「パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）」又は「パルス振幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＡＭ）」など、矩形波を用いたチョッピング方式によりモータを駆動する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の水中モータポンプは、ＰＷＭインバータ装置と水中モータ間にＬＣフィルタを設けることにより、水中ケーブルから放射される高周波ノイズを抑制している。

水中モータはもちろんのこと、車載用モータの駆動にもチョッピング方式が用いられている。車載用モータをチョッピング方式にて駆動する場合、特許文献１の水中モータポンプと同様に、駆動回路と車載用モータ間にＬＣフィルタ又はＲＬＣフィルタなどのフィルタ回路を設けるのが好適である。これにより、放射ノイズの発生を抑制して、当該放射ノイズが他の車載機器に与える影響を軽減することができる。

特開２００６−４２４４０号公報

一般に、ＬＣフィルタ又はＲＬＣフィルタなどのフィルタ回路は共振周波数を有している。チョッピング方式におけるチョッピングの周波数（以下「チョッピング周波数」という。）が共振周波数と同等の値に設定された場合、フィルタ回路が共振状態となり、大電流が流れてフィルタ回路等が焼損する。このため、例えばフィルタ回路におけるキャパシタンス値及びインダクタンス値が定数である場合は、共振周波数の値を予め算出しておき、この値と異なる値にチョッピング周波数を設定するのが好適である。

ここで、車載用モータと駆動回路間に設けられるフィルタ回路は、小型化及び低コスト化が強く要求されるため、インダクタのコアを小型にするとともに安価な材料を用いている。このようなインダクタは、コアの磁気飽和により、通電電流値が大きくなるにつれて次第にインダクタンス値が小さくなる。また、通電電流値に対するインダクタンス値を示す特性線の傾きが一定でなく、当該特性が非線形である。

すなわち、車載用モータの駆動中、例えば車載用モータに印加される電圧値が変化した場合、フィルタ回路に流れる電流値が変化して、インダクタンス値が非線形に変化し、共振周波数の値も非線形に変化する。共振周波数の値が変化してチョッピング周波数の値に近づくと、フィルタ回路に流れる電流値が大きくなり、インダクタンス値が小さくなるため、共振周波数の値が更に変化する。このため、共振周波数の値を予め算出することが困難である。

これに対して、インダクタンス値の変化により共振周波数となり得る全周波数帯域を回避した値にチョッピング周波数を設定することが考えられる。しかしながら、一般に、チョッピング周波数は、放射ノイズの発生、平滑特性及び発熱などを考慮して適切な値に設定することが求められる。共振周波数となり得る全周波数帯域を回避した値にチョッピング周波数を設定する場合、設定可能な周波数の選択肢が少なく、チョッピング周波数を適切な値に設定することができない問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、チョッピング周波数を任意の値に設定することができ、かつ、フィルタ回路の共振により大電流が流れるのを防ぐことができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明のモータ制御装置は、第１電圧値の出力と第１電圧値よりも低い第２電圧値の出力とを切替自在であり、矩形波を用いたチョッピング方式により車載用モータを駆動する駆動回路と、駆動回路と車載用モータ間に設けられており、キャパシタ部と、通電電流値に対するインダクタンス値の特性が非線形なインダクタ部とを有する出力平滑用のフィルタ回路と、キャパシタ部の端子間電圧値を用いて、駆動回路による第１電圧値と第２電圧値間の切替えを制御する制御回路とを備えるものである。

本発明のモータ制御装置は、上記のように構成したので、チョッピング周波数を任意の値に設定することができ、かつ、フィルタ回路の共振により大電流が流れるのを防ぐことができる。

本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置の要部を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、インダクタ部の通電電流値に対する鎖交磁束数の一例を示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係る制御回路の要部を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、時間に対するキャパシタ部の端子間電圧値の例であって、キャパシタ部の端子間電圧値が第１閾値以上の値となる場合の一例を示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、時間に対するキャパシタ部の端子間電圧値の例であって、キャパシタ部の端子間電圧値が第２閾値以下の値となる場合の一例を示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係る駆動回路の要部を示すハードウェア構成図である。 本発明の実施の形態１に係る制御回路の要部を示すハードウェア構成図である。 本発明の実施の形態１に係る制御回路の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る制御回路の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る駆動回路の動作を示すフローチャートである。 図１に示すモータ制御装置において、駆動回路によるチョッピングを停止するとともにモータを除去した場合の等価回路を示す回路図である。 従来のモータ制御装置における、時間に対する駆動回路の出力電圧値、キャパシタ部の端子間電圧値、インダクタ部の通電電流値、通電電流値のうちの直流成分、及び振動エネルギーの一例を示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、時間に対する駆動回路の出力電圧値、キャパシタ部の端子間電圧値、第１禁止フラグのオンオフ、及び第２禁止フラグのオンオフの一例を示す特性図である。 図１２に示す特性図の一部を拡大した特性図である。 図１２及び図１３に示す状態における、時間に対する駆動回路の出力電圧値、キャパシタ部の端子間電圧値、インダクタ部の通電電流値、通電電流値のうちの直流成分、及び振動エネルギーを示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、時間に対する駆動回路の出力電圧値、キャパシタ部の端子間電圧値、第１禁止フラグのオンオフ、及び第２禁止フラグのオンオフの他の例を示す特性図である。 図１５に示す特性図の一部を拡大した特性図である。 本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、第１閾値が式（５）を満たさない値に設定された場合の時間に対する駆動回路の出力電圧値、キャパシタ部の端子間電圧値、第１禁止フラグのオンオフ、及び第２禁止フラグのオンオフの一例を示す特性図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置の要部を示す説明図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、インダクタ部の通電電流値に対する鎖交磁束数の一例を示す特性図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る制御回路の要部を示す機能ブロック図である。図４は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、時間に対するキャパシタ部の端子間電圧値の例であって、キャパシタ部の端子間電圧値が第１閾値以上の値となる場合の一例を示す特性図である。図５は、本発明の実施の形態１に係るモータ制御装置における、時間に対するキャパシタ部の端子間電圧値の例であって、キャパシタ部の端子間電圧値が第２閾値以下の値となる場合の一例を示す特性図である。図６は、本発明の実施の形態１に係る駆動回路の要部を示すハードウェア構成図である。図７は、本発明の実施の形態１に係る制御回路の要部を示すハードウェア構成図である。図１〜図７を参照して、実施の形態１のモータ制御装置１００について説明する。

第１電源１ａ及び第２電源１ｂは、例えば、自動車に搭載されたバッテリにより構成されている。第１電源１ａ及び第２電源１ｂにより、電源１が構成されている。モータ２は、例えば、当該自動車に搭載された燃料ポンプに設けられている。

駆動回路３は、電源１から供給された電力をモータ２に供給することにより、モータ２を駆動する回路である。すなわち、駆動回路３はスイッチ（図１にて不図示）を有しており、第１電圧値Ｖ１の出力と、第１電圧値Ｖ１よりも低い第２電圧値Ｖ２の出力とを切替自在である。第１電圧値Ｖ１又は第２電圧値Ｖ２のうち、いずれか一方の値は０ボルト（Ｖ）であっても良い。駆動回路３は、矩形波を用いたチョッピング方式、例えばＰＷＭ方式によりモータ２を駆動するものである。

駆動回路３とモータ２間に、出力平滑用のフィルタ回路４が設けられている。図１の例において、フィルタ回路４は、抵抗器４１、インダクタ部４２及びキャパシタ部４３を有するＲＬＣフィルタにより構成されている。インダクタ部４２のコアは小型であり、かつ、安価な材料を用いたものである。

図２に、インダクタ部４２の通電電流値ＩＬに対する鎖交磁束数ΨＬの特性図を示す。図２に示す如く、インダクタ部４２は、コアの磁気飽和により、通電電流値ＩＬが大きくなるにつれて次第に鎖交磁束数ΨＬが大きくなる。通電電流値ＩＬに対する鎖交磁束数ΨＬの特性線は傾きが一定でなく、当該特性は非線形である。具体的には、通電電流値ＩＬが大きくなるにつれて、鎖交磁束数ΨＬが大きくなる割合、すなわち図２に示す特性線の傾きの値が次第に小さくなる。これは、ΨＬ＝Ｌ×ＩＬの関係を踏まえると、通電電流値ＩＬが大きくなるにつれて次第にインダクタンス値Ｌが小さくなることを示している。このように、通電電流値ＩＬに対するインダクタンス値Ｌの特性線（不図示）は傾きが一定でなく、当該特性は非線形である。すなわち、フィルタ回路４は、通電電流値ＩＬに対して共振周波数の値が非線形に変化する回路である。

ここで、インダクタ部４２に用いる「安価な材料」とは、その具体例を安価な順に示すと、鉄ダスト、センダスト、シルダスト、鉄アモルファス、その他になる。通電電流値ＩＬに対するインダクタンス値Ｌの特性線（不図示）も、コアの材料ごとに異なる。インダクタンス値が変化する大きさの順は、安価な順とは異なり、鉄ダスト、センダストは安価であるが、磁気飽和しやすく通電電流値ＩＬに対するインダクタンス値Ｌの変化量が大きい。鉄アモルファスは通電電流値ＩＬに対するインダクタンス値Ｌの変化量が小さく、コアの材料に特に適しているが、比較的高価な材料である。

なお、キャパシタ部４３において、蓄積電荷量Ｑに対する端子間電圧値Ｖｃを示す特性線の傾きは一定であり、当該特性は線形である。これは、Ｑ＝Ｃ×Ｖｃの関係を踏まえると、キャパシタンス値Ｃに対する端子間電圧値Ｖｃを示す特性線の傾きが一定であり、当該特性が線形であることを示している。これらの特性図は図示を省略する。

電圧値検出部５１は、駆動回路３がモータ２を駆動しているとき、キャパシタ部４３の端子間電圧値Ｖｃを検出するものである。電圧値検出部５１は、検出した端子間電圧値Ｖｃを電圧値比較部５２及び極小極大検出部５３に出力するものである。

電圧値比較部５２には、第１電圧値Ｖ１よりも高い第１閾値Ｖｔｈ１と、第２電圧値Ｖ２よりも低い第２閾値Ｖｔｈ２とが予め設定されている。電圧値比較部５２は、端子間電圧値Ｖｃを第１閾値Ｖｔｈ１と比較するとともに、端子間電圧値Ｖｃを第２閾値Ｖｔｈ２と比較して、これらの比較結果を切替禁止設定部５４に出力するものである。電圧値比較部５２は、例えば、演算増幅器を用いた比較器などにより構成されている。

極小極大検出部５３は、端子間電圧値Ｖｃが極小値になったことを検出するとともに、端子間電圧値Ｖｃが極大値になったことを検出して、これらの検出結果を切替禁止設定部５４に出力するものである。極小極大検出部５３は、例えば、演算増幅器を用いた微分回路などにより構成されている。

切替禁止設定部５４は、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１以上の値となったとき、駆動回路３の出力を第１電圧値Ｖ１に固定することにより、第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えを禁止するものである。切替禁止設定部５４は、第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えを禁止した状態にて、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１よりも低い値となり、かつ、端子間電圧値Ｖｃが極小値となったとき、当該固定を解除することにより当該禁止を解除するものである。

また、切替禁止設定部５４は、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以下の値となったとき、駆動回路３の出力を第２電圧値Ｖ２に固定することにより、第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えを禁止するものである。切替禁止設定部５４は、第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えを禁止した状態にて、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２よりも高い値となり、かつ、端子間電圧値Ｖｃが極大値となったとき、当該固定を解除することにより当該禁止を解除するものである。切替禁止設定部５４は、例えば、フリップフロップ回路などにより構成されている。

図４に、時間Ｔに対する端子間電圧値Ｖｃの特性図の一例を示す。図４の例では、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１以上の値となった時刻Ｔ１と、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１よりも低い値にて極小値となった時刻Ｔ２との間の第１時間区間ΔＴ１において、第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えが禁止される。

図５に、時間Ｔに対する端子間電圧値Ｖｃの特性図の他の例を示す。図５の例では、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以下の値となった時刻Ｔ３と、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２よりも高い値にて極大値となった時刻Ｔ４との間の第２時間区間ΔＴ２において、第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えが禁止される。

電圧値検出部５１、電圧値比較部５２、極小極大検出部５３及び切替禁止設定部５４により、制御回路５が構成されている。駆動回路３、フィルタ回路４及び制御回路５により、モータ制御装置１００が構成されている。

図６に示す如く、駆動回路３は専用の処理回路６１及びスイッチ６２により構成されている。処理回路６１は、例えばＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）又はＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などであり、図１に示す駆動回路３の機能をハードウェアにより実現するものである。

図７に示す如く、制御回路５は専用の処理回路６３により構成されている。処理回路６３は、例えばＡＳＩＣ又はＦＰＧＡなどであり、図３に示す電圧値検出部５１、電圧値比較部５２、極小極大検出部５３及び切替禁止設定部５４の機能をハードウェアにより実現するものである。なお、図３に示す電圧値検出部５１、電圧値比較部５２、極小極大検出部５３及び切替禁止設定部５４の各部の機能それぞれを処理回路６３で実現しても良いし、各部の機能をまとめて処理回路６３で実現しても良い。

なお、制御回路５は、駆動回路３によるチョッピング周波数に対応できる程度に高い応答速度が求められる。制御回路５に汎用のコンピュータを用いて、電圧値検出部５１、電圧値比較部５２、極小極大検出部５３及び切替禁止設定部５４の機能をソフトウェアで実現した場合、応答速度が低く、チョッピング周波数に対応することができない可能性がある。よって、制御回路５は、図７に示す如く専用の処理回路６３により構成して、電圧値検出部５１、電圧値比較部５２、極小極大検出部５３及び切替禁止設定部５４の機能をハードウェアで実現するのが好適である。

次に、図８のフローチャートを参照して、制御回路５の動作について、切替禁止設定部５４の動作を中心に説明する。なお、初期状態において、切替禁止設定部５４は第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えを禁止しておらず、第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えを禁止していない。

駆動回路３は、ＰＷＭ方式によりモータ２を駆動している。電圧値検出部５１は、端子間電圧値Ｖｃを検出して、検出した端子間電圧値Ｖｃを電圧値比較部５２及び極小極大検出部５３に出力する処理を継続している。電圧値比較部５２は、端子間電圧値Ｖｃを第１閾値Ｖｔｈ１と比較するとともに、端子間電圧値Ｖｃを第２閾値Ｖｔｈ２と比較して、これらの比較結果を切替禁止設定部５４に出力する処理を継続している。極小極大検出部５３は、端子間電圧値Ｖｃが極小値になったことを検出するとともに、端子間電圧値Ｖｃが極大値になったことを検出して、これらの検出結果を切替禁止設定部５４に出力する処理を継続している。

まず、ステップＳＴ１，ＳＴ１１にて、切替禁止設定部５４は、電圧値比較部５２による比較結果を参照する。端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１以上の値である場合（ステップＳＴ１“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ２にて、切替禁止設定部５４は、駆動回路３の出力を第１電圧値Ｖ１に固定することにより、第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えを禁止する。このとき、駆動回路３の出力が第１電圧値Ｖ１に設定されている場合はそのままの状態で固定され、第２電圧値Ｖ２に設定されている場合は第１電圧値Ｖ１に切り替えてから固定される。

次いで、ステップＳＴ３，ＳＴ４にて、切替禁止設定部５４は、電圧値比較部５２による比較結果、及び極小極大検出部５３による検出結果を監視する。端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１よりも低い値となり（ステップＳＴ３“ＹＥＳ”）、かつ、端子間電圧値Ｖｃが極小値となったとき（ステップＳＴ４“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ５にて、切替禁止設定部５４は、駆動回路３の出力の固定を解除することにより、第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えの禁止を解除する。

なお、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１以上の値である場合（ステップＳＴ３“ＮＯ”）、及び端子間電圧値Ｖｃが極小値となっていない場合（ステップＳＴ４“ＮＯ”）、切替禁止設定部５４は当該固定を解除せずに監視を継続する。

また、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以下の値である場合（ステップＳＴ１“ＮＯ”かつステップＳＴ１１“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ１２にて、切替禁止設定部５４は、駆動回路３の出力を第２電圧値Ｖ２に固定することにより、第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えを禁止する。このとき、駆動回路３の出力が第２電圧値Ｖ２に設定されている場合はそのままの状態で固定され、第１電圧値Ｖ１に設定されている場合は第２電圧値Ｖ２に切り替えてから固定される。

次いで、ステップＳＴ１３，ＳＴ１４にて、切替禁止設定部５４は、電圧値比較部５２による比較結果、及び極小極大検出部５３による検出結果を監視する。端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２よりも高い値となり（ステップＳＴ１３“ＹＥＳ”）、かつ、端子間電圧値Ｖｃが極大値となったとき（ステップＳＴ１４“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ１５にて、切替禁止設定部５４は、駆動回路３の出力の固定を解除することにより、第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えの禁止を解除する。

なお、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以下の値である場合（ステップＳＴ１３“ＮＯ”）、及び端子間電圧値Ｖｃが極大値となっていない場合（ステップＳＴ１４“ＮＯ”）、切替禁止設定部５４は当該固定を解除せずに監視を継続する。

また、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１と第２閾値Ｖｔｈ２間の値である場合（ステップＳＴ１“ＮＯ”かつステップＳＴ１１“ＮＯ”）、切替禁止設定部５４は上記ステップＳＴ２〜ＳＴ５，ＳＴ１２〜ＳＴ１５の処理を実行せず、ステップＳＴ１に戻る。

切替禁止設定部５４は、モータ２の駆動中、ステップＳＴ１〜ＳＴ５，ＳＴ１１〜ＳＴ１５の処理を繰り返し実行する。

次に、図９のフローチャートを参照して、駆動回路３の動作について説明する。なお、切替禁止設定部５４は、駆動回路３によるステップＳＴ２１〜ＳＴ２６の処理のバックグラウンドにて、図８に示すステップＳＴ１〜ＳＴ５，ＳＴ１１〜ＳＴ１５の処理を繰り返し実行している。

駆動回路３には、ＰＷＭにおける矩形波のパルス幅及びパルス周期が予め設定されている。駆動回路３は、第１電圧値Ｖ１の出力を連続している時間（以下「オン時間」という。）を計測するタイマと、第２電圧値Ｖ２の出力を連続している時間（以下「オフ時間」という。）を計測するタイマとを有している。

まず、ステップＳＴ２１，ＳＴ２２にて、駆動回路３は、出力の切替えの要否を判定する。すなわち駆動回路３は、オン時間がパルス幅に対応する時間以上となったとき、出力を第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２に切り替えるタイミングであると判定する（ステップＳＴ２１“ＹＥＳ”）。また、駆動回路３は、オフ時間がパルス周期からパルス幅を減算した値に対応する時間以上となったとき、出力を第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１に切り替えるタイミングであると判定する（ステップＳＴ２１“ＮＯ”かつステップＳＴ２２“ＹＥＳ”）。

第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２に切り替えるタイミングであると判定した場合（ステップＳＴ２１“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ２３にて、駆動回路３は、切替禁止設定部５４により第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えが禁止されているか否かを判定する。第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えが禁止されている場合（ステップＳＴ２３“ＹＥＳ”）、駆動回路３は出力を切り替えずにステップＳＴ２１に戻る。他方、第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えが禁止されていない場合（ステップＳＴ２３“ＮＯ”）、ステップＳＴ２４にて、駆動回路３は第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２に出力を切り替える。

第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１に切り替えるタイミングであると判定した場合（ステップＳＴ２１“ＮＯ”かつステップＳＴ２２“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ２５にて、駆動回路３は、切替禁止設定部５４により第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えが禁止されているか否かを判定する。第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えが禁止されている場合（ステップＳＴ２５“ＹＥＳ”）、駆動回路３は出力を切り替えずにステップＳＴ２１に戻る。他方、第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えが禁止されていない場合（ステップＳＴ２５“ＮＯ”）、ステップＳＴ２６にて、駆動回路３は第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１に出力を切り替える。

出力の切替えが不要であると判定した場合（ステップＳＴ２１“ＮＯ”かつステップＳＴ２２“ＮＯ”）、駆動回路３は上記ステップＳＴ２３〜ＳＴ２６の処理を実行せず、ステップＳＴ２１に戻る。

次に、図１０〜図１６を参照して、モータ制御装置１００の詳細な動作の具体例、及びモータ制御装置１００の効果などについて説明する。

インダクタ部４２の通電電流値ＩＬは、モータ２の駆動中、駆動回路３によるチョッピングに応じて振動する。通電電流値ＩＬのうちの直流成分をＩＬ＿ＤＣとする。図１に示すモータ制御装置１００において、直流成分ＩＬ＿ＤＣはモータ２の通電電流となる。また、直流成分ＩＬ＿ＤＣによるインダクタ部４２の鎖交磁束数をΨＬ＿ＤＣとする。このように定義されたΨＬ＿ＤＣを用いて、インダクタ部４２に蓄えられるエネルギーのうちのキャパシタ部４３との間を行き来するエネルギー（以下「振動エネルギー」という。）ＥＬは、以下の式（１）で表される。

キャパシタ部４３の端子間電圧値Ｖｃは、モータ２の駆動中、駆動回路３によるチョッピングに応じて振動する。端子間電圧値Ｖｃのうちの直流成分をＶｃ＿ＤＣ、交流成分をＶｃ＿ＡＣとして、Ｖｃ＝Ｖｃ＿ＤＣ＋Ｖｃ＿ＡＣと定義する。図１に示すモータ制御装置１００において、直流成分Ｖｃ＿ＤＣは駆動回路３の出力電圧値であるＶ１又はＶ２となる。このように定義すると、キャパシタ部４３に蓄えられるエネルギーのうちのインダクタ部４２との間を行き来するエネルギー（以下「振動エネルギー」という。）Ｅｃは、以下の式（２）で表される。

図１に示すモータ制御装置１００において、駆動回路３によるチョッピングを停止して駆動回路３の出力電圧値を０［Ｖ］にするとともに、モータ２を除去した場合、直流成分ＩＬ＿ＤＣ，Ｖｃ＿ＤＣはいずれも零値となる。この場合の等価回路（以下、単に「等価回路」という。）を図１０に示す。図１０に示す状態において、等価回路内のエネルギーは、インダクタ部４２及びキャパシタ部４３に蓄えられるエネルギー、並びに抵抗器４１にて消費されるエネルギーのみとなる。このうち、インダクタ部４２及びキャパシタ部４３に蓄えられるエネルギーの合計値は振動エネルギーＥｃ，ＥＬとなり、インダクタ部４２とキャパシタ部４３間を往復する。この等価回路は外部とのエネルギー授受がないため、等価回路内のエネルギーは抵抗器４１にて消費される分だけ減少していく。

これに対し、図１に示すモータ制御装置１００の回路においては、インダクタ部４２の通電電流値ＩＬ及びキャパシタ部４３の端子間電圧値Ｖｃともに直流成分を持つ。当該回路において、通電電流値ＩＬの交流成分をＩＬ＿ＡＣ＝ＩＬ−ＩＬ＿ＤＣ、端子間電圧値Ｖｃの交流成分をＶｃ＿ＡＣ＝Ｖｃ−Ｖｃ＿ＤＣとして座標変換を行うことにより、交流成分のみを取り出して直流成分がない場合と等価なエネルギーを算出することができる。このエネルギーが上記式（１）及び上記式（２）に示す振動エネルギーＥｃ，ＥＬとなる。振動エネルギーＥｃ，ＥＬの合計値は、通電電流値ＩＬ及び端子間電圧値Ｖｃが直流成分を持つ場合に図１０と等価になるエネルギーであり、振動の大きさを評価できる量となる。

以上のように、通電電流値ＩＬの振動エネルギーＥＬと端子間電圧値Ｖｃの振動エネルギーＥｃとの合計値（以下「振動エネルギー」という。）Ｅは、フィルタ回路４における振動の度合いを示す指標である。すなわち、フィルタ回路４が共振状態にあるとき、通電電流値ＩＬの振幅及び端子間電圧値Ｖｃの振幅が大きくなり、振動エネルギーＥも大きくなる。

ここで、インダクタ部４２の通電電流をＩＬ＿ＡＣ＝ＩＬ−ＩＬ＿ＤＣにより座標変換すると、インダクタ部４２の特性が上記のとおり非線形であるため、上記（１）のように積分を含む非線形な式となり、容易に計算することができない。他方、キャパシタ部４３の特性は上記のとおり線形であるため、上記（２）のように容易に計算することができる。振動エネルギーの制御において、キャパシタ部４３の端子間電圧値Ｖｃを監視してＥＣの変化を予測することは他の方法よりも容易である。この方法によれば、簡単なロジック回路を用いて、素子の破壊、機器の誤動作等に至る大きな振動を抑えることができる。

図１１は、実施の形態１のモータ制御装置１００に対する比較対象として、図１に示す制御回路５を有しない従来のモータ制御装置の特性図を示している。具体的には、時間Ｔに対する駆動回路３の出力電圧値Ｖｏｕｔ、時間Ｔに対する端子間電圧値Ｖｃ、時間Ｔに対する通電電流値ＩＬ、時間Ｔに対する直流成分ＩＬ＿ＤＣ、及び時間Ｔに対する振動エネルギーＥの一例を示している。

図１１に示す如く、０〜５．０ミリ秒（ｍｓ）の時間区間に亘り、出力電圧値Ｖｏｕｔのチョッピング周波数は略一定である。しかしながら、端子間電圧値Ｖｃの振幅及び通電電流値ＩＬの振幅は一定でなく、０〜０．５［ｍｓ］の時間区間における振幅に対して、０．５〜５．０［ｍｓ］の時間区間における振幅が大きくなっている。特に、１．５〜３．０［ｍｓ］及び３．５〜５．０［ｍｓ］の時間区間において振幅が大きくなっている。すなわち、モータ２の駆動中にフィルタ回路４の共振周波数が変化したことにより、これらの時間区間にてフィルタ回路４が共振状態となり、振動エネルギーＥが大きくなっている。このとき、通電電流値ＩＬのピーク値に応じた大電流が流れて、フィルタ回路４等が焼損する。

ここで、駆動回路３の出力が第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２に切り替わるとき、通電電流値ＩＬの振動エネルギーＥＬは変化せず、端子間電圧値Ｖｃの振動エネルギーＥｃのみが変化する。このときの振動エネルギーＥの変化量ΔＥ１は、キャパシタンス値Ｃ、第１電圧値Ｖ１、第２電圧値Ｖ２及び端子間電圧値Ｖｃに対して、例えば以下の式（３）で表される。

同様に、駆動回路３の出力が第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１に切り替わるとき、通電電流値ＩＬの振動エネルギーＥＬは変化せず、端子間電圧値Ｖｃの振動エネルギーＥｃのみが変化する。このときの振動エネルギーＥの変化量ΔＥ２は、第１電圧値Ｖ１、第２電圧値Ｖ２及び端子間電圧値Ｖｃに対して、例えば以下の式（４）で表される。

上記式（３）により、端子間電圧値Ｖｃが高いときに駆動回路３の出力を第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２に切り替えた場合、振動エネルギーＥが大きくなる。また、上記式（４）により、端子間電圧値Ｖｃが低いときに駆動回路３の出力を第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１に切り替えた場合、振動エネルギーＥが大きくなる。したがって、端子間電圧値Ｖｃが高いときに第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えを禁止するとともに、端子間電圧値Ｖｃが低いときに第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えを禁止することで、チョッピングにより振動エネルギーＥが大きくなるのを防ぐことができる。すなわち、フィルタ回路４の共振周波数にかかわらず、フィルタ回路４等に大電流が流れるのを防いで、フィルタ回路４等の焼損を防ぐことができる。

図１２は、実施の形態１に係るモータ制御装置１００の特性図を示している。具体的には、時間Ｔに対する出力電圧値Ｖｏｕｔ、時間Ｔに対する端子間電圧値Ｖｃ、第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えが禁止されているか否かを示すフラグ（以下「第１禁止フラグ」という。）Ｆ１のオンオフ、及び第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えが禁止されているか否かを示すフラグ（以下「第２禁止フラグ」という。）Ｆ２のオンオフの一例を示している。図１３は、図１２に示す特性図のうち、３．００〜３．５０［ｍｓ］の時間区間を拡大した特性図を示している。

図１２及び図１３の例において、第１電圧値Ｖ１は＋１４［Ｖ］に設定されており、第１閾値Ｖｔｈ１は＋１５［Ｖ］に設定されている。第２電圧値Ｖ２は±０［Ｖ］に設定されており、第２閾値Ｖｔｈ２は−１［Ｖ］に設定されている。

図１３に示す如く、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以下の値となってから第２閾値Ｖｔｈ２よりも高い値にて極大値となるまでの第２時間区間ΔＴ２において、第２禁止フラグＦ２がオンに設定されている。第２時間区間ΔＴ２において、駆動回路３の出力は第２電圧値Ｖ２に固定されている。

図１４は、図１２及び図１３に示す状態における、時間Ｔに対する出力電圧値Ｖｏｕｔ、時間Ｔに対する端子間電圧値Ｖｃ、時間Ｔに対する通電電流値ＩＬ、時間Ｔに対する直流成分ＩＬ＿ＤＣ、及び時間Ｔに対する振動エネルギーＥを示す特性図である。すなわち、図１４は、図１０に対する比較対象となる特性図を示している。

図１２〜図１４の例における出力電圧値Ｖｏｕｔのチョッピング周波数は、図１１の例と同等の値に設定されている。しかしながら、第２時間区間ΔＴ２にて第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えを禁止したことにより、０．５〜５．０［ｍｓ］の時間区間にて振動が抑制されている。特に、図１１の例では、１．５〜３．０［ｍｓ］及び３．５〜５．０［ｍｓ］の時間区間にて端子間電圧値Ｖｃの振幅、通電電流値ＩＬの振幅及び振動エネルギーＥが大きくなっていたが、図１４の例ではいずれも低減されている。したがって、通電電流値ＩＬのピーク値も低減されており、フィルタ回路４等に大電流が流れるのを防いで、フィルタ回路４等が焼損するのを防ぐことができる。

図１５は、実施の形態１に係るモータ制御装置１００の特性図を示している。具体的には、時間Ｔに対する出力電圧値Ｖｏｕｔ、時間Ｔに対する端子間電圧値Ｖｃ、第１禁止フラグＦ１のオンオフ、及び第２禁止フラグＦ２のオンオフの他の例を示している。図１６は、図１５に示す特性図のうち、２．５０〜３．００［ｍｓ］の時間区間を拡大した特性図を示している。

図１５及び図１６の例において、第１電圧値Ｖ１は＋１４［Ｖ］に設定されており、第１閾値Ｖｔｈ１は＋１５［Ｖ］に設定されている。第２電圧値Ｖ２は±０［Ｖ］に設定されており、第２閾値Ｖｔｈ２は−５［Ｖ］に設定されている。

図１６に示す如く、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１以上の値となってから第１閾値Ｖｔｈ１よりも低い値にて極小値となるまでの第１時間区間ΔＴ１において、第１禁止フラグＦ１がオンに設定されている。第１時間区間ΔＴ１において、駆動回路３の出力は第１電圧値Ｖ１に固定されている。

図１５及び図１６の例における出力電圧値Ｖｏｕｔのチョッピング周波数は、図１１の例と同等の値に設定されている。しかしながら、第１時間区間ΔＴ１にて第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えを禁止したことにより、０．５〜５．０［ｍｓ］の時間区間にて振動が抑制されている。特に、図１１の例では、１．５〜３．０［ｍｓ］及び３．５〜５．０［ｍｓ］の時間区間にて端子間電圧値Ｖｃの振幅が大きくなっていたが、図１５の例では低減されている。同様に、通電電流値ＩＬ（不図示）の振幅及び振動エネルギーＥ（不図示）も低減されている。したがって、通電電流値ＩＬのピーク値も低減されており、フィルタ回路４等に大電流が流れるのを防いで、フィルタ回路４等が焼損するのを防ぐことができる。

なお、第１閾値Ｖｔｈ１は、抵抗器４１による電圧降下を考慮した値に設定するのが好適である。すなわち、第１閾値Ｖｔｈ１は、第１電圧値Ｖ１、抵抗器４１の抵抗値Ｒ、及びモータ２に流れる電流値の最大値Ｉｍａｘに対して、以下の式（５）を満たす値に設定するのが好適である。
Ｖｔｈ１≧Ｖ１＋｜Ｒ×Ｉｍａｘ｜ （５）

第１閾値Ｖｔｈ１が上記式（５）を満たさない場合、駆動回路３の出力を第１電圧値Ｖ１に固定した状態にて、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１よりも低い値まで低下しない可能性がある。この場合、駆動回路３のチョッピングが停止したのと等価な状態となり、モータ２を正常に駆動することができなくなる。図１７は、この場合の時間Ｔに対する出力電圧値Ｖｏｕｔ、時間Ｔに対する端子間電圧値Ｖｃ、第１禁止フラグＦ１のオンオフ、及び第２禁止フラグＦ２のオンオフの一例を示している。

同様に、第２閾値Ｖｔｈ２は、抵抗器４１による電圧降下を考慮した値に設定するのが好適である。すなわち、第２閾値Ｖｔｈ２は、第２電圧値Ｖ２、抵抗器４１の抵抗値Ｒ、及びモータ２に流れる電流値の最大値Ｉｍａｘに対して、以下の式（６）を満たす値に設定するのが好適である。
Ｖｔｈ２≦Ｖ２−｜Ｒ×Ｉｍａｘ｜ （６）

第２閾値Ｖｔｈ２が上記式（６）を満たさない場合、駆動回路３の出力を第２電圧値Ｖ２に固定した状態にて、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２よりも高い値まで上昇しない可能性がある。この場合、駆動回路３のチョッピングが停止したのと等価な状態となり、モータ２を正常に駆動することができなくなる。この場合の特性図は図示を省略する。

なお、モータ制御装置１００は、出力平滑用のフィルタ回路４に加えて、ノイズ除去用のフィルタ回路を有するものであっても良い。また、電圧値比較部５２は、第１閾値Ｖｔｈ１及び第２閾値Ｖｔｈ２の各々について、いわゆる「ヒステリシス」が設定されたものであっても良い。また、電圧値比較部５２は、比較結果を安定させるために待ち時間を設定したり、平均化処理を実行したりするものであっても良い。

また、駆動回路３はＰＷＭ方式におけるパルス幅が予め設定されたものに代えて、パルス幅を適応的に設定するものであっても良い。例えば、駆動回路３は、モータ２に印加される電圧値、又はモータ２に流れる電流値などを検出して、モータ２の駆動中、これらの検出値が適切な値となるようにパルス幅を変化させるものであっても良い。図１において、駆動回路３がこれらの値を検出するための回路については図示を省略している。

また、駆動回路３は、矩形波を用いたチョッピング方式によりモータ２を駆動するものであれば良く、ＰＷＭ方式に限定されるものではない。駆動回路３は、例えば、パルスの振幅を制御するＰＡＭ方式、又はパルスの周波数を制御するＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式によりモータ２を駆動するものであっても良い。実施の形態１のモータ制御装置１００は、モータ２の駆動中、フィルタ回路４の共振周波数が変化するとともにＰＦＭ方式によりチョッピング周波数が変化する場合であっても、フィルタ回路４の共振により大電流が流れるのを防ぐことができる。

また、フィルタ回路４は、図１に示す抵抗器４１を除去して、インダクタ部４２及びキャパシタ部４３を用いたＬＣフィルタにより構成されたものであっても良い。この場合、インダクタ部４２が抵抗値Ｒを有するため、この抵抗値Ｒが図１に示す抵抗器４１と同等の機能を果たす。すなわち、上記式（５）及び上記式（６）における抵抗値Ｒは、図１に示す抵抗器４１の抵抗値Ｒに限定されるものではなく、フィルタ回路４におけるこれに相当する抵抗値Ｒであれば良い。

また、モータ２は、車載用のモータであれば良く、自動車用の燃料ポンプに設けられたモータに限定されるものではない。

以上のように、実施の形態１のモータ制御装置１００は、第１電圧値Ｖ１の出力と第１電圧値Ｖ１よりも低い第２電圧値Ｖ２の出力とを切替自在であり、矩形波を用いたチョッピング方式によりモータ２を駆動する駆動回路３と、駆動回路３とモータ２間に設けられており、キャパシタ部４３と、通電電流値ＩＬに対するインダクタンス値Ｌの特性が非線形なインダクタ部４２とを有する出力平滑用のフィルタ回路４と、キャパシタ部４３の端子間電圧値Ｖｃを用いて、駆動回路３による第１電圧値Ｖ１と第２電圧値Ｖ２間の切替えを制御する制御回路５とを備える。端子間電圧値Ｖｃを用いて駆動回路３による出力の切替えを制御することにより、通電電流値ＩＬに対してフィルタ回路４の共振周波数の値が非線形に変化するモータ制御装置１００において、モータ２の駆動中にフィルタ回路４の共振周波数が変化してチョッピング周波数に近づいた場合であっても、フィルタ回路４の共振により大電流が流れるのを防ぐことができる。すなわち、チョッピング周波数を任意の値に設定することができ、かつ、フィルタ回路４の共振により大電流が流れるのを防ぐことができる。

また、制御回路５は、第１電圧値Ｖ１よりも高い第１閾値Ｖｔｈ１が設定されており、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１以上の値となったとき、駆動回路３による第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えを禁止する。これにより、駆動回路３の出力切り替え時に振動エネルギーＥが大きくなるのを防いで、フィルタ回路４等に大電流が流れるのを防ぐことができる。

また、制御回路５は、第１電圧値Ｖ１から第２電圧値Ｖ２への切替えを禁止した状態にて、端子間電圧値Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１よりも低い値となり、かつ、端子間電圧値Ｖｃが極小値となったとき、当該禁止を解除する。これにより、駆動回路３の出力切り替え時に振動エネルギーＥが大きくなるのを防ぎつつ、適切なタイミングにて切替えの禁止を解除することができる。

また、第１閾値Ｖｔｈ１は、第１電圧値Ｖ１、フィルタ回路４の抵抗値Ｒ、及びモータ２に流れる電流値の最大値Ｉｍａｘに対して、上記式（５）を満たす値に設定されている。これにより、駆動回路３の出力を第１電圧値Ｖ１に固定したとき、駆動回路３のチョッピングが停止したのと等価な状態になるのを防ぐことができる。

また、制御回路５は、第２電圧値Ｖ２よりも低い第２閾値Ｖｔｈ２が設定されており、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以下の値となったとき、駆動回路３による第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えを禁止する。これにより、駆動回路３の出力切り替え時に振動エネルギーＥが大きくなるのを防いで、フィルタ回路４等に大電流が流れるのを防ぐことができる。

また、制御回路５は、第２電圧値Ｖ２から第１電圧値Ｖ１への切替えを禁止した状態にて、端子間電圧値Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２よりも高い値となり、かつ、端子間電圧値Ｖｃが極大値となったとき、当該禁止を解除する。これにより、駆動回路３の出力切り替え時に振動エネルギーＥが大きくなるのを防ぎつつ、適切なタイミングにて切替えの禁止を解除することができる。

また、第２閾値Ｖｔｈ２は、第２電圧値Ｖ２、フィルタ回路４の抵抗値Ｒ、及びモータ２に流れる電流値の最大値Ｉｍａｘに対して、上記式（６）を満たす値に設定されている。これにより、駆動回路３の出力を第２電圧値Ｖ２に固定したとき、駆動回路３のチョッピングが停止したのと等価な状態になるのを防ぐことができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本発明のモータ制御装置は、車載用モータの制御に用いることができる。具体的には、例えば、自動車用の燃料ポンプに設けられたモータの制御に適している。

１ 電源、１ａ 第１電源、１ｂ 第２電源、２ モータ、３ 駆動回路、４ フィルタ回路、５ 制御回路、４１ 抵抗器、４２ インダクタ部、４３ キャパシタ部、５１ 電圧値検出部、５２ 電圧値比較部、５３ 極小極大検出部、５４ 切替禁止設定部、６１ 処理回路、６２ スイッチ、６３ 処理回路、１００ モータ制御装置。

Claims (8)

1. 第１電圧値の出力と前記第１電圧値よりも低い第２電圧値の出力とを切替自在であり、矩形波を用いたチョッピング方式により車載用モータを駆動する駆動回路と、
   前記駆動回路と前記車載用モータ間に設けられており、キャパシタ部と、通電電流値に対するインダクタンス値の特性が非線形なインダクタ部とを有する出力平滑用のフィルタ回路と、
   前記キャパシタ部の端子間電圧値を用いて、前記駆動回路による前記第１電圧値と前記第２電圧値間の切替えを制御する制御回路と、
   を備えるモータ制御装置。
2. 前記制御回路は、前記第１電圧値よりも高い第１閾値が設定されており、前記端子間電圧値が前記第１閾値以上の値となったとき、前記駆動回路による前記第１電圧値から前記第２電圧値への切替えを禁止することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記制御回路は、前記第１電圧値から前記第２電圧値への切替えを禁止した状態にて、前記端子間電圧値が前記第１閾値よりも低い値となり、かつ、前記端子間電圧値が極小値となったとき、当該禁止を解除することを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
4. 前記第１閾値をＶｔｈ１、前記第１電圧値をＶ１、前記フィルタ回路の抵抗値をＲ、前記車載用モータに流れる電流値の最大値をＩｍａｘとして、前記第１閾値Ｖｔｈ１は、
   Ｖｔｈ１≧Ｖ１＋｜Ｒ×Ｉｍａｘ｜
   を満たす値に設定されていることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
5. 前記制御回路は、前記第２電圧値よりも低い第２閾値が設定されており、前記端子間電圧値が前記第２閾値以下の値となったとき、前記駆動回路による前記第２電圧値から前記第１電圧値への切替えを禁止することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
6. 前記制御回路は、前記第２電圧値から前記第１電圧値への切替えを禁止した状態にて、前記端子間電圧値が前記第２閾値よりも高い値となり、かつ、前記端子間電圧値が極大値となったとき、当該禁止を解除することを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
7. 前記第２閾値をＶｔｈ２、前記第２電圧値をＶ２、前記フィルタ回路の抵抗値をＲ、前記車載用モータに流れる電流値の最大値をＩｍａｘとして、前記第２閾値Ｖｔｈ２は、
   Ｖｔｈ２≦Ｖ２−｜Ｒ×Ｉｍａｘ｜
   を満たす値に設定されていることを特徴とする請求項５記載のモータ制御装置。
8. 前記車載用モータは、自動車用の燃料ポンプに設けられていることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。

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