JP7287218B2

JP7287218B2 - 電動オイルポンプの制御装置、電動オイルポンプ

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Publication number: JP7287218B2
Application number: JP2019175184A
Authority: JP
Inventors: 康弘白井; 孔二樋口
Original assignee: ニデックパワートレインシステムズ株式会社
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: US20210095661A1; CN112555148B; US11286924B2; JP2021050695A; CN112555148A

Description

本発明は、電動オイルポンプの制御装置、電動オイルポンプに関する。

従来から、車両の作動油または冷却油の供給に用いられる電動オイルポンプの制御装置において、例えば特許文献１に開示されるように、油温に応じて動作を切り換える制御装置が知られる。

特許第５８３４５０９号公報

しかし、従来の制御装置では、油温に基づく動作切換のために油温センサが必須であった。そのため、油温センサを備えない電動オイルポンプには適用できない課題があった。

本発明の１つの態様によれば、モータと、モータに連結されるポンプ機構とを備える電動オイルポンプを、上位装置から入力される指令値に基づいて回転数制御する制御装置が提供される。前記指令値と前記モータの回転数との偏差に基づいて前記モータに出力する電流のデューティ値を算出する第１演算部と、前記モータの電流制限値と前記モータの電流値との偏差に基づいて前記モータに出力する電流のデューティ値を算出する第２演算部と、前記第１演算部で算出される第１のデューティ値と、前記第２演算部で算出される第２のデューティ値とを比較し、低い方の前記デューティ値を、前記モータを駆動する電流のデューティ値として選択する駆動電流決定部と、を有する。

本発明の１つの態様によれば、油温センサを備えない電動オイルポンプにおいても油温の変化に応じた適切な動作を可能とする電動オイルポンプの制御装置が提供される。

図１は、電動オイルポンプの断面図である。図２は、電動オイルポンプの制御装置の機能ブロック図である。図３は、電動オイルポンプの動作を示すフローチャートである。図４は、電動オイルポンプの制御状態を示す説明図である。図５は、電動オイルポンプの制御状態を示す説明図である。図６は、電動オイルポンプの制御状態を示す説明図である。

本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
各図においてＺ軸方向は、正の側を上側とし、負の側を下側とする上下方向である。各図に適宜示す中心軸Ｊの軸方向は、Ｚ軸方向、すなわち上下方向と平行である。
以下の説明においては、中心軸Ｊの軸方向と平行な方向を単に「軸方向」と呼ぶ。また、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。

本実施形態において、上側は、軸方向他方側に相当し、下側は、軸方向一方側に相当する。なお、上下方向、水平方向、上側および下側とは、単に各部の相対位置関係を説明するための名称であり、実際の配置関係等は、これらの名称で示される配置関係等以外の配置関係等であってもよい。

本実施形態の電動オイルポンプ１は、例えば車両の駆動装置に搭載される。つまり電動オイルポンプ１は、車両に搭載される。電動オイルポンプ１は、例えば、車両の駆動装置において、駆動装置のハウジング内を循環する冷却用のオイルを吸入し、吐出する。

電動オイルポンプ１は、図１に示すように、モータ１０と、制御基板４０と、ハウジング５０と、ポンプ機構９０と、を備える。本実施形態の場合、ハウジング５０は、モータ１０と、制御基板４０と、ポンプ機構９０とを内部に収容する。ハウジング５０において、モータハウジングとして機能する部分と、基板ハウジングとして機能する部分は、別々の筐体であってもよい。

モータ１０は、ロータ２０と、ステータ３０とを有する。ロータ２０は、上下方向に延びる中心軸Ｊに沿って延びるシャフト２１を有する。
ロータ２０のシャフト２１の上端部には、軸方向から見て環状のセンサマグネット２２が固定される。シャフト２１の下端部は、ポンプ機構９０と接続される。ステータ３０は、ロータ２０を径方向外側から囲む。ステータ３０の外周面は、ハウジング５０の内周面に固定される。ステータ３０は、制御基板４０と電気的に接続される。本実施形態の場合、モータ１０は、三相モータである。

制御基板４０は、プリント基板４１と、回転センサ４２と、制御装置４３と、外部接続端子４４と、コネクタ４５と、を有する。プリント基板４１は、軸方向と直交する方向に広がる。回転センサ４２は、プリント基板４１の下面に実装される。回転センサ４２は、例えばホールＩＣである。回転センサ４２は、センサマグネット２２と上下方向に対向し、シャフト２１の回転方向位置を検出する。

制御装置４３は、モータ１０を駆動制御する。制御装置４３は、例えば、制御回路と、駆動回路とを含む。制御回路は、上位装置ＨＤから入力される回転数指令値に基づいて、モータ１０に供給する駆動電流を演算する。駆動回路は、制御回路の演算結果に基づいて、三相モータであるモータ１０に供給する電流を生成する。

外部接続端子４４は、プリント基板４１からコネクタ４５へ延びる。コネクタ４５は、ハウジング５０を径方向に貫通する貫通孔に設置される。外部接続端子４４の径方向外側の端部は、コネクタ４５内に位置する。外部接続端子４４は、コネクタ４５を介して、上位装置ＨＤから延びるケーブルと接続される。制御基板４０において、外部接続端子４４は、制御装置４３と接続される。すなわち、制御装置４３は、上位装置ＨＤと接続される。

ポンプ機構９０は、モータ１０の下側に位置し、モータ１０の動力により駆動される。ポンプ機構９０は、インナーロータ９１と、アウターロータ９２と、ポンプハウジング９３と、吸入口９６と、吐出口９７と、を有する。ポンプ機構９０は、吸入口９６からオイル等の流体を吸入し、吐出口９７から吐出する。

ポンプ機構９０は、本実施形態の場合、トロコイドポンプ構造を有する。インナーロータ９１およびアウターロータ９２は、それぞれトロコイド歯形を有する。インナーロータ９１は、シャフト２１の下側の端部に固定される。したがって、本実施形態の電動オイルポンプ１では、モータ１０の回転数とポンプ機構９０の回転数は同一である。電動オイルポンプ１は、モータ１０とポンプ機構９０との間に減速機構を備える構成であってもよい。アウターロータ９２は、インナーロータ９１の径方向外側に配置される。アウターロータ９２は、インナーロータ９１を径方向外側から、周方向の全周にわたって囲う。

ポンプハウジング９３は、インナーロータ９１およびアウターロータ９２を内部に収容する。シャフト２１は、ポンプハウジング９３の上面を貫通して、ポンプハウジング９３の内側へ延びる。吸入口９６および吐出口９７は、ポンプハウジング９３の下面に位置する。吸入口９６および吐出口９７は、インナーロータ９１とアウターロータ９２との間に位置する空隙に繋がる。

制御装置４３は、図２に示すように、第１演算部１０１と、第２演算部１０２と、駆動電流決定部１０３と、駆動回路１０４と、電流センサ１０５と、減算器１０６、１０７と、強制停止部１０８と、を備える。制御装置４３は、上位装置ＨＤと、モータ１０と、に接続される。上位装置ＨＤは、制御装置４３のうち第１演算部１０１に接続される。モータ１０は、制御装置４３のうち駆動回路１０４に接続される。

制御装置４３は、モータ１０のステータ３０に接続される。制御装置４３は、ステータ３０のコイルに対して駆動電流を出力し、モータ１０を回転させることによりポンプ機構９０を駆動する。図２では、駆動回路１０４とモータ１０は１本の配線で接続されているが、モータ１０は三相モータであり、実際には、駆動回路１０４とモータ１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の配線で接続される。電流センサ１０５は、駆動回路１０４とモータ１０を接続する配線ごとに配置される。

第１演算部１０１は、上位装置ＨＤから入力される回転数の指令値Ｒｃと、モータ１０の回転数Ｒとの偏差に基づいて、モータ１０に出力する電流のデューティ値を演算する。具体的には、制御装置４３は、回転センサ４２により計測されるモータ１０の回転数Ｒを、減算器１０６にフィードバックとして入力する。減算器１０６は、指令値Ｒｃと回転数Ｒとの偏差を第１演算部１０１に出力する。第１演算部１０１は、回転数Ｒを指令値Ｒｃに一致させるようにモータ１０をフィードバック制御するための第１のデューティ値Ｄｒを算出する。

第２演算部１０２は、モータ１０の電流値を制限する制限値Ｉｍａｘと、モータ１０のコイルに流れる電流値との偏差に基づいて、モータ１０に出力する電流のデューティ値を演算する。具体的に、駆動回路１０４とモータ１０との間には、電流センサ１０５が配置される。電流センサ１０５は、例えば、シャント抵抗を用いる方式の電流センサである。

制御装置４３は、電流センサ１０５で計測される電流値ｉを、減算器１０７にフィードバックとして入力する。減算器１０７は、制限値Ｉｍａｘと電流値ｉとの偏差を第２演算部１０２に出力する。第２演算部１０２は、電流値ｉを制限値Ｉｍａｘに一致させるようにモータ１０をフィードバック制御するための第２のデューティ値Ｄｉを算出する。

第１演算部１０１および第２演算部１０２の出力端子は、いずれも駆動電流決定部１０３に接続される。すなわち、第１演算部１０１および第２演算部１０２は、駆動電流決定部１０３に対して並列に接続される。

駆動電流決定部１０３の出力端子は、駆動回路１０４に接続される。駆動電流決定部１０３は、第１演算部１０１から駆動電流決定部１０３に入力される第１のデューティ値Ｄｒと、第２演算部１０２から駆動電流決定部１０３に入力される第２のデューティ値Ｄｉとを比較する。駆動電流決定部１０３は、第１のデューティ値Ｄｒと第２のデューティ値Ｄｉのうち、低い方のデューティ値を、モータ１０を駆動する電流のデューティ値として選択する。駆動電流決定部１０３は、選択されたデューティ値を、駆動回路１０４に出力する。

駆動回路１０４は、ステータ３０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルに印加する駆動電流を生成するインバータ回路と、インバータ回路に供給されるＰＷＭ（pulse width modulation）信号を生成する信号生成回路と、を含む。信号生成回路は、駆動電流決定部１０３から入力されるデューティ値に基づいてＰＷＭ信号を生成し、インバータ回路に出力する。インバータ回路は、ＰＷＭ信号に基づいて電源電圧を変調し、モータ１０に信号波を出力する。

以下、図３から図６を参照して、電動オイルポンプ１の動作を具体的に説明する。
図３は、電動オイルポンプ１の動作フローチャートである。
図４から図６は、電動オイルポンプ動作時のモータ１０の回転数とコイル電流の変化を時間経過と共に示す図である。図４は、オイル温度が高い場合を示す。図５は、オイル温度が低い場合を示す。図６は、電動オイルポンプが強制停止される場合を示す。

図３に示すように、ステップＳ１において、電源オン状態の電動オイルポンプ１は、上位装置ＨＤからの指令値入力を待機する。上位装置ＨＤから指令値Ｒｃが入力されると、制御装置４３は、第１演算部１０１と第２演算部１０２によるデューティ値の演算を並行して実行する。

制御装置４３は、ステップＳ２１において、回転センサ４２によりモータ１０の回転数Ｒを取得する。ステップＳ２２において、減算器１０６は、指令値Ｒｃと回転数Ｒとの偏差を第１演算部１０１に出力する。第１演算部１０１は、指令値Ｒｃと回転数Ｒとの偏差に基づいて、第１のデューティ値Ｄｒを計算する。第１演算部１０１は、回転数Ｒを指令値Ｒｃに近づけるように、モータ１０に出力される駆動電流のデューティ値を演算する。第１演算部１０１は、算出した第１のデューティ値Ｄｒを駆動電流決定部１０３に出力する。

制御装置４３は、ステップＳ３１において、電流センサ１０５によりモータ１０に出力される駆動電流の電流値を取得する。ステップＳ３２において、減算器１０７は、制限値Ｉｍａｘと電流値ｉとの偏差を第２演算部１０２に出力する。第２演算部１０２は、制限値Ｉｍａｘと電流値ｉとの偏差に基づいて、第２のデューティ値Ｄｉを計算する。第２演算部１０２は、電流値ｉを制限値Ｉｍａｘに近づけるように、モータ１０に出力される駆動電流のデューティ値を演算する。第２演算部１０２は、算出した第２のデューティ値Ｄｉを駆動電流決定部１０３に出力する。

ここで、制御装置４３は、ステップＳ４において、ステップＳ３１で取得した電流値ｉを強制停止部１０８に入力する。ステップＳ４は、ステップＳ３２と並行して実行される。強制停止部１０８は、電流値ｉが電流の上限値Ｉｆａｉｌを上回っているか否かを判断する。電流値ｉが上限値Ｉｆａｉｌを上回っている場合、強制停止部１０８は、モータ１０を停止させる。一方、電流値ｉが上限値Ｉｆａｉｌを下回っている場合、強制停止部１０８は動作しない。

図６は、強制停止部１０８によりモータ１０が停止される場合のモータ１０の回転数とコイル電流の変化を示す図である。図６に示すように、上限値Ｉｆａｉｌは、制限値Ｉｍａｘよりも大きい値である。上限値Ｉｆａｉｌは、モータ１０の電流値ｉが上限値Ｉｆａｉｌを定常的に超える場合、モータ１０が破損するおそれのある値である。一方、制限値Ｉｍａｘは、モータ１０を安全に動作させることが可能な電流値ｉの最大値である。

強制停止部１０８によりモータ１０が停止される場合とは、例えば、オイル温度が極低温であるためにオイルの粘度が極めて高く、オイルの負荷によってモータ１０が回転しない場合である。あるいは、ポンプ機構９０に異物が侵入し、インナーロータ９１およびアウターロータ９２が回転しなくなった場合である。

制御装置４３は、指令値Ｒｃの入力を受けると、モータ１０を指令値Ｒｃに近づけるために駆動電流を上昇させようとする。その過程で、モータ１０をほとんど回すことができないと、電流値ｉが急激に上昇する。電流値ｉの上昇速度によっては、制限値Ｉｍａｘに基づく電流フィードバック制御が間に合わず、モータ１０が破損することもあり得る。そこで、本実施形態のように、強制停止部１０８を備えることで、電流値ｉの急激な上昇によるモータ１０の破損を抑制できる。

制御装置４３は、ステップＳ５において、駆動電流決定部１０３により第１のデューティ値Ｄｒと第２のデューティ値Ｄｉを比較する。
第１のデューティ値Ｄｒが第２のデューティ値Ｄｉよりも小さい場合、ステップＳ６に移行する。すなわち、モータ１０の回転数Ｒに基づいて演算された第１のデューティ値Ｄｒが駆動回路１０４に入力され、駆動回路１０４からモータ１０に電流が供給される。
一方、第２のデューティ値Ｄｉが第１のデューティ値Ｄｒよりも大きい場合、ステップＳ７に移行する。この場合、モータ１０の電流値ｉに基づいて演算された第２のデューティ値Ｄｉがモータ１０に出力される。
ステップＳ６またはステップＳ７以降は、ステップＳ２１、Ｓ３１に戻り、動作が繰り返される。

以下、オイル温度が異なる場合の動作の違いについて具体的に説明する。
図４は、電動オイルポンプ１により搬送されるオイルの温度が高い場合を示す。
電動オイルポンプ１の回転動作が開始されると、モータ１０の回転数Ｒおよび電流値ｉは、いずれも上昇を開始する。回転開始直後は、回転数Ｒと指令値Ｒｃとの差、および電流値ｉと制限値Ｉｍａｘとの差がいずれも大きい。そのため、第１のデューティ値Ｄｒと第２のデューティ値Ｄｉは、いずれも比較的大きな値となる。

図４に示すように第１のデューティ値Ｄｒと第２のデューティ値Ｄｉがほぼ同じ値である場合、回転数Ｒが大きく上昇する時刻ｔ１までの間、ステップＳ５では、第１のデューティ値Ｄｒと第２のデューティ値Ｄｉのいずれが選択されるか不定である。第１のデューティ値Ｄｒと第２のデューティ値Ｄｉのいずれの値が選択されたとしても、ほぼ同じ値であるため、モータ１０の動作状態が大きく変動することはない。
なお、第１演算部１０１および第２演算部１０２のゲインを調整することにより、時刻ｔ１までの期間に、必ず第１のデューティ値Ｄｒが選択されるようにすることも可能であり、第２のデューティ値Ｄｉが選択されるようにすることも可能である。

回転数Ｒがある程度上昇し、指令値Ｒｃとの偏差が小さくなると、第１演算部１０１により算出される第１のデューティ値Ｄｒが小さくなる。一方、モータ１０の電流値ｉは、オイル温度が高い場合、オイルの粘度が低くポンプ機構９０に対する負荷が小さいため、制限値Ｉｍａｘを大きく下回った状態を維持する。したがって、第２演算部１０２により算出される第２のデューティ値Ｄｉは、回転開始直後の値からあまり変化しない。

上記により、回転数Ｒが指令値Ｒｃに近づく時刻ｔ１以降、第１のデューティ値Ｄｒが、第２のデューティ値Ｄｉよりも小さくなり、駆動電流決定部１０３によって第１のデューティ値Ｄｒが選択されるようになる。これにより、回転数Ｒの上昇が緩やかになり、指令値Ｒｃに向かって収束する。電流値ｉの上昇も回転数Ｒの変化に伴って緩やかになる。回転数Ｒが指令値Ｒｃに到達すると、電流値ｉは制限値Ｉｍａｘよりも低い一定値に維持される。

図５は、電動オイルポンプ１により搬送されるオイルの温度が低い場合を示す。
オイル温度が低い場合、オイルの粘度が高くなるため、ポンプ機構９０への負荷が大きくなり、モータ１０を指令値Ｒｃの回転数で回転させるための駆動電流が大きくなる。本実施形態の制御装置４３は、モータ１０の電流値ｉが制限値Ｉｍａｘを超えないようにモータ１０を制御する。

図５に示すように、電動オイルポンプ１の回転動作が開始されると、モータ１０の回転数Ｒおよび電流値ｉは、いずれも上昇を開始する。回転開始直後の動作は図４に示した場合と同様である。

オイル温度が低い場合、オイル温度が高い場合と比較して、電流値ｉが上昇しやすく、回転数Ｒは上昇しにくくなる。そのため、回転数Ｒが指令値Ｒｃに近づく前に、電流値ｉが制限値Ｉｍａｘに接近し、第２演算部１０２により算出される第２のデューティ値Ｄｉが小さくなる。このとき、回転数Ｒと指令値Ｒｃの差はまだ大きいため、第１演算部１０１により算出される第１のデューティ値Ｄｒは、回転開始直後の値からあまり変化しない。

上記により、電流値ｉが制限値Ｉｍａｘに近づく時刻ｔ２以降、第２のデューティ値Ｄｉが、第１のデューティ値Ｄｒよりも小さくなり、駆動電流決定部１０３によって第２のデューティ値Ｄｉが選択されるようになる。これにより、電流値ｉの上昇が緩やかになり、制限値Ｉｍａｘに向かって収束する。回転数Ｒの上昇も電流値ｉの変化に伴って緩やかになる。電流値ｉが制限値Ｉｍａｘに到達すると、回転数Ｒは、指令値Ｒｃよりも低い一定値に維持される。回転数Ｒが収束する値は、オイル温度に応じて変わり、オイル温度が低くなるほど低い値になる。

ただし、制御装置４３の第２演算部１０２は、モータ１０の電流値ｉと制限値Ｉｍａｘとの偏差に基づいて第２のデューティ値Ｄｉを演算するため、第２のデューティ値Ｄｉは必ずゼロより大きい値となる。すなわち、制御装置４３は、指令値Ｒｃでモータ１０を回転させることができないような低温環境においても、可能な限りモータ１０を停止させない。

以上に説明したように、本実施形態の制御装置４３によれば、回転数制御と電流制限制御の低い方のデューティ値を選択するので、オイル温度が低くモータ１０の負荷が過度に大きい場合には、電流値ｉが制限値Ｉｍａｘに近づいた時点で電流制限制御に切り換わり、無理に回転数を上げなくなる。したがって、オイル温度を計測しなくてもモータ１０の状態によって安全に動作させることができる。
電流制限制御においては、モータ１０を安全に動作させることができる制限値Ｉｍａｘでモータ１０を駆動するため、低温環境においても可能な限りモータ１０を回し、電動オイルポンプ１を動作させることができる。

１…電動オイルポンプ、１０…モータ、４３…制御装置、９０…ポンプ機構、１０１…第１演算部、１０２…第２演算部、１０３…駆動電流決定部、１０８…強制停止部、Ｄｉ…第２のデューティ値、Ｄｒ…第１のデューティ値、ＨＤ…上位装置、ｉ…電流値、Ｉｆａｉｌ…上限値、Ｉｍａｘ…制限値、Ｒ…回転数、Ｒｃ…指令値

Claims

モータと、モータに連結されるポンプ機構とを備える電動オイルポンプを、上位装置から入力される指令値に基づいて回転数制御する制御装置であって、
前記指令値と前記モータの回転数との偏差に基づいて前記モータに出力する電流のデューティ値を算出する第１演算部と、
前記モータの電流制限値と前記モータの電流値との偏差に基づいて前記モータに出力する電流のデューティ値を算出する第２演算部と、
前記第１演算部で算出される第１のデューティ値と、前記第２演算部で算出される第２のデューティ値とを比較し、低い方の前記デューティ値を、前記モータを駆動する電流のデューティ値として選択する駆動電流決定部と、
を有する、電動オイルポンプの制御装置。
前記第２のデューティ値はゼロよりも大きい値である、
請求項１に記載の電動オイルポンプの制御装置。
前記モータの電流値が、予め定められる電流上限値を超える場合に、前記モータを停止させる強制停止部を有する、
請求項１または２に記載の電動オイルポンプの制御装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置を備える、電動オイルポンプ。