JP7331724B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、多相モータを駆動する装置に関する。

車両のシフト機構の制御をモータ駆動装置で行うものとして、シフトバイワイヤ（Shift By Wire ：以下、ＳＢＷと称する）制御を行うものがある。ＳＢＷ制御では、モータ制御部に含まれるモータ駆動回路によって三相モータであるＳＲＭ（スイッチト・リラクタンス・モータ）を駆動制御し、ギアを介してモータ回転をシャフトへ伝達することで、シフトレンジ切替機構を特定の角度だけ駆動させる。これによって、パーキング（Ｐ）、リバース（Ｒ）、ニュートラル（Ｎ）、ドライブ（Ｄ）等のシフト位置を切り替える構成である。

このような駆動制御を行うモータ駆動装置は、例えば、駆動電流の立ち上げ時に通電相のコイルの通電路にあるスイッチをオン状態に維持することで上記電流の立ち上り時間を短縮し、通電開始時に素早く十分なトルクを確保することで、高速なモータ駆動を実現している。また、上記駆動電流の立ち下げ時には、通電相のスイッチをオフ状態に維持することで、迅速に電流が消失しトルクがゼロになる。

この場合、モータへの通電回路としてＨブリッジ回路を使用したものでは、モータ駆動電流の還流に対応して還流用のダイオードを用いた構成としている。これにより、モータコイルに通電している間の還流時にもダイオードの順方向電圧Ｖｆが生じ、駆動電流×順方向電圧で示される電力の時間積分に依る発熱がダイオードに継続的に発生する。このため、還流用のダイオードには耐熱性の高いものを使用する必要があり、コストアップやサイズアップを招いていた。

これに対して出願人は、還流用のダイオードを、例えばＭＯＳＦＥＴのような還流用スイッチに置き換えて、還流電流が流れるタイミングで還流用スイッチをＯＮすることで、発熱により損失を低減する構成を提案している。

特開２０１２－１２５０９６号公報 特願２０１９－１３８７９５号

上記の構成において、還流用スイッチがＯＦＦで固定された状態を、電流を検出し故障として判定することを想定する。この場合、モータを回転制御している期間では、コイルに流れる電流が変動するため、検出した電流を所定の値と比較して判定することができないという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、還流用スイッチがＯＦＦで固定された状態を、電流を検出することで故障と判定できるモータ駆動装置を提供することにある。

請求項１記載のモータ駆動装置によれば、多相モータを駆動する駆動回路として、それぞれ還流用ダイオードを有する還流用スイッチ及び駆動用スイッチの直列回路を各相に対応して駆動用電源とグランドとの間に接続し、直列回路の共通接続点を多相モータの各相コイルにそれぞれ接続する。電流検出部は、駆動回路と各相コイルとの通電経路に配置され、通電される各相電流を検出する。制御部は、電流検出部により検出された電流に基づいて駆動回路を構成する各スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する。また、制御部は、多相モータのロータの回転を抑止し、且つ前記コイルに一定の目標電流を通電するように制御しつつ駆動用スイッチを交互にＯＮ／ＯＦＦする際に、少なくとも駆動用スイッチをＯＮした場合に出力した駆動信号のＯＮデューティ値に基づいて還流用スイッチのＯＦＦ固定故障を検出する。

駆動用スイッチをＯＮしてコイルに通電を行った後、同スイッチをＯＦＦした際に還流電流は、（１）還流用スイッチがＯＮしていれば同スイッチを介して流れ、（２）還流用スイッチがＯＦＦしていれば同スイッチの還流用ダイオードを介して流れる。そして、（２）のケースで流れる電流は、還流用ダイオードにおいて消費される電力の分だけより速く減少するので、同じ目標電流を流そうとすると、（１），（２）のケースでは駆動用スイッチに出力する駆動信号のＯＮデューティ値が相違する。したがって、前記ＯＮデューティ値に基づけば還流用スイッチがＯＦＦで固定された状態か否かを判別できるので、ＯＦＦ固定故障を検出することが可能になる。

具体的には、請求項２記載のモータ駆動装置のように、制御部は、駆動信号のＯＮデューティ値を、所定の基準値と比較して還流用スイッチのＯＦＦ固定故障を検出する。上述の内容に基づき、還流用スイッチがＯＦＦで固定されていれば、（１），（２）のケースで駆動信号のＯＮデューティ値が略等しくなるはずである。したがって、目標電流に応じたＯＮデューティ値を所定の基準値と比較すれば、ＯＦＦ固定故障を検出できる。

また、請求項３記載のモータ駆動装置によれば、制御部は、駆動用スイッチをＯＦＦする間に、還流用スイッチをＯＮする第１通電パターンで出力した駆動信号のＯＮデューティ値と、還流用スイッチをＯＦＦした場合の第２通電パターンで出力した駆動信号のＯＮデューティ値とを比較した結果に基づいて還流用スイッチのＯＦＦ固定故障を検出する。この場合も、請求項１，２で述べたように還流用スイッチをＯＮ，ＯＦＦした際のＯＮデューティ値の差によって、ＯＦＦ固定故障を検出できる。

第１実施形態であり、モータ駆動装置の電気的構成を示す図 ＳＢＷシステムの概略構成図 制御回路の処理内容を示すフローチャート 第１，第２通電パターンとＯＦＦ固定故障の有無に応じた電流波形及びＯＮデューティ比を示す図 第２実施形態であり、ＯＦＦ固定故障の有無に応じた電流波形を示す図 第３実施形態であり、制御回路の処理内容を示すフローチャート ＯＦＦ固定故障の有無に応じた電流波形及びＯＮデューティ比を示す図 第４実施形態であり、モータ駆動装置の電気的構成を示す図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１から図４を参照して説明する。図１において、モータ駆動装置１００は、モータ部２０及びモータ制御部３０を備え、車両電源１から電源線Ｌ１，Ｌ２を介し給電を受けてモータ部２０のモータ２１を駆動制御し、駆動力伝達部２を介してＳＢＷシステムを駆動制御している。駆動力伝達部２は、モータ２１から出力軸であるシャフト３を介してシフトレンジ切替機構４に伝えられた駆動力，つまり回転力が伝達される。以下、単に「切替機構４」と称する。モータ２１は、多相モータの一例である。

モータ部２０は、モータ２１、エンコーダセンサ２２を備え、モータ２１の回転力は、ギアを組み合わせた減速機構２３により減速されてシャフト３に伝達される。モータ２１は三相ＳＲＭであり、ロータは所定個数の突極部を有する磁性体から構成される。モータ２１には、ステータとしてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相に対応したコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃが設けられ、これらコイル２１ａ～２１ｃへの直流通電により発生した吸引力でロータが回転する。コイル２１ａ～２１ｃの一端側は共通に電源ラインＬ１に接続されている。コイル２１ａ～２１ｃの他端側には、モータ制御部３０によりそれぞれ選択的に通電が行われる。
エンコーダセンサ２２は、モータ２１のロータの回転位置を検出するもので、当該センサ２２が出力する回転位置信号はモータ制御部３０により読込まれる。

モータ制御部３０は、ｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタからなる６個のスイッチ３１～３６を備えると共に制御回路４０を備える。６個のスイッチ３１～３６は、それぞれボディダイオード３１ａ～３６ａを有する。以下、これらを単にダイオード３１ａ～３６ａと称する。また、スイッチ３１～３６は、電源線Ｌ２側のローサイドに接続される駆動用スイッチ３１～３３、及び電源線Ｌ１側のハイサイドに接続される還流用スイッチ３４～３６からなる。駆動用スイッチ３１及び還流用スイッチ３４、駆動用スイッチ３２及び還流用スイッチ３５、駆動用スイッチ３３及び還流用スイッチ３６は、それぞれ直列に接続されている。すなわち、６個のスイッチ３１～３６は三相ブリッジ接続されており、これらが駆動回路３０Ｄを構成している。

電源線Ｌ１には、モータ電源リレー３８を介して車両電源１の正側端子が接続され、電源線Ｌ２は、車両電源１の負側端子と共通にグランドに接続されている。これにより、モータ制御部３０に、駆動用電源に相当する車両電源１の直流電圧が給電される。電源線Ｌ１は、モータ２１のコイル２１ａ～２１ｃで共通の一端側に接続される。還流用スイッチ３４～３６と駆動用スイッチ３１～３３とのそれぞれの共通接続点は、電流検出抵抗３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗを介してコイル２１ａ～２１ｃの他端側に接続される。

制御回路４０は、マイクロコンピュータ４１と制御ＩＣ４２とを備える。以下、マイコン４１と称す。スイッチ３１～３６の各ゲートには、制御ＩＣ４２からゲート駆動信号が与えられる。マイコン４１は、制御ＩＣ４２を介して駆動用スイッチ３１～３３及び還流用スイッチ３４～３６を駆動制御すると共に、電流検出抵抗３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗそれぞれの端子電圧を取り込んで、モータ駆動電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。電流検出抵抗３７は電流検出部の一例である。

また、車両電源１の正側端子は、イグニッションリレー３９を介して制御ＩＣ４２の電源端子に接続されている。イグニッションリレー３９のＯＮ／ＯＦＦは、車両のイグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦに応じて、上位ＥＣＵ５０により制御される。また、モータ電源リレー３８のＯＮ／ＯＦＦは、マイコン４１が制御ＩＣ４２を介して行う。

図２に示すように、モータ部２０はモータ制御部３０により駆動制御され、切替機構４の駆動源として機能する。切替機構４は、シャフト３に固定されたディテントプレート５及びディテントスプリング６などを備え、減速機構２３から出力されたシャフト３の回転駆動力を、駆動力伝達部２のマニュアルバルブ７及びパーキングロック部８へ伝達する。ディテントプレート５には、シャフト３の方向に突出するピン５ａが設けられ、マニュアルバルブ７の先端部の溝部で係合されている。

マニュアルバルブ７は、ディテントプレート５がモータ部２０により回転駆動されることでピン５ａが回転移動し、マニュアルバルブ７のピン５ａに係合する部分を介して伝わる駆動力により軸方向に往復移動される。マニュアルバルブ７は、バルブボディ９に設けられ、マニュアルバルブ７が軸方向に往復移動することでシフトレンジが変更される。

ディテントプレート５の外周側のディテントスプリング６と接触する位置には、マニュアルバルブ７を各レンジに対応する位置に保持するための４つの凹部５ｂが設けられる。ディテントプレート５の回動位置は、ディテントスプリング６の付勢力によりいずれかの凹部５ｂの位置に保持される。

凹部５ｂは、ディテントスプリング６の基部側から、Ｄ（ドライブ）、Ｎ（ニュートラル）、Ｒ（リア）、Ｐ（パーキング）の各レンジに対応している。すなわち、ディテントプレート５が最も正回転方向に回転した位置がＤ位置であり、最も逆回転方向に回転した位置がＰ位置である。

パーキングロック部８は、パーキングロッド１０、円錐体１１、パーキングロックポール１２、軸部１３及びパーキングギア１４を有する。パーキングロッド１０は、ディテントプレート５が逆回転方向，すなわち図中の「正回転方向」と逆の回転方向に揺動すると、円錐体１１を矢印Ｐの方向に移動させる。これにより、パーキングロックポール１２が矢印Ｌ方向に押し上げられ、凸部１２ａとパーキングギア１４とが噛み合う状態となってパーキングギア１４をロック状態にする。

次に、本実施形態の作用について説明する。本実施形態では、制御回路４０において、還流用スイッチ３４～３６がＯＦＦで固定された状態を「ＯＦＦ固定故障」として検出するための処理を行う。その際には、モータ２１のロータを回転させない条件となる電流を、モータ２１の各相コイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃに通電する。

図３に示すように、マイコン４１は、回転位置信号としてエンコーダセンサ２２が出力するパルス信号と、モータ２１の駆動電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとのモニタを開始する（Ｓ１）。そして、パルス信号の出力間隔に基いてモータ２１の回転速度の算出を開始する（Ｓ２）。次に、モータ２１への通電を停止すると（Ｓ３）、モータ２１の回転が停止したか否かを判断する（Ｓ４）。

モータ２１の回転が停止すると（ＹＥＳ）、マイコン４１はステップＳ５において、各相の電流をモニタしながら、それらの電流値が一定の目標電流となるように、各相の駆動用スイッチ３１～３３をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動する。これにより、コイル２１ａ～２１ｃにロータを回転させない条件下で通電を行うが、還流用スイッチ３４～３６はＰＷＭ駆動せずＯＦＦ状態に維持する。

そして、各相の電流値が略目標電流となった場合のＰＷＭ信号のＯＮデューティ比Ｄ１を検出し（Ｓ６）、マイコン４１内部のメモリ等に記録する（Ｓ７）。尚、電流値は、電流波形の波高値を検出する。ステップＳ５において、駆動用スイッチ３１～３３をＯＦＦした際の還流電流は、還流用スイッチ３４～３６のダイオード３４ａ～３６ａを介して流れる。ここでの通電パターンは第２通電パターンに相当する。

続くステップＳ８，Ｓ９ではステップＳ３，Ｓ４と同様の処理を行う。それから、ステップＳ５と同様に、駆動用スイッチ３１～３３を目標電流に応じたデューティ比でＰＷＭ駆動するが、ここでは、還流用スイッチ３４～３６を相補的にＰＷＭ駆動する（Ｓ１０）。そして、駆動用スイッチ３１～３３のＯＮデューティ比をＤ２として検出する（Ｓ１１）。ステップＳ１０において、例えば駆動用スイッチ３１をＯＦＦした際の還流電流は、還流用スイッチ３４を介して流れる。ここでの通電パターンは第１通電パターンに相当する。

それから、モータ２１への通電を停止すると（Ｓ１２）、マイコン４１は、デューティ比Ｄ２とＤ１との差分を計算し（Ｓ１３）、求めた差分が所定値ΔＸ以上か否かを判断する（Ｓ１４）。差分が所定値ΔＸ以上であれば（ＹＥＳ）還流用スイッチ３４～３６は正常と判定し（Ｓ１５）、差分が所定値ΔＸ未満であれば（ＮＯ）還流用スイッチ３４～３６は異常，つまり「ＯＦＦ固定故障」と判定する（Ｓ１６）。そして、例えば上位ＥＣＵ５０に対してダイアグ通知を行う（Ｓ１７）。

図４に示すように、ステップＳ５における第２通電パターンでは、還流電流が例えばＵ相のダイオード３４ａを介して流れるので、順方向電圧Ｖｆに応じた損失が発生する。その結果、電流が減少する傾きが急になる。一方、ステップＳ１０における第１通電パターンでは、還流電流が還流用スイッチ３４を介して流れるので、第２通電パターンのような損失は発生せず、その分だけ電流が減少する傾きが緩やかになる。

したがって、第１通電パターンにおいて、還流用スイッチ３４がＰＷＭ駆動に伴い正常にＯＮ，ＯＦＦすれば、デューティ比Ｄ１はデューティ比Ｄ２よりも大きくなる。そして、還流用スイッチ３４～３６の何れかが「ＯＦＦ固定故障」していれば、第１通電パターンは第２通電パターンに等しくなり、デューティ比Ｄ１はデューティ比Ｄ２と略同じ値となる。これにより、還流用スイッチ３４～３６の故障判定を行う。

以上のように本実施形態によれば、モータ２１を駆動する駆動回路３０Ｄとして、還流用スイッチ３４～３６及び駆動用スイッチ３１～３３の直列回路を各相に対応して車両電源１とグランドとの間に接続し、直列回路の共通接続点をモータ２１の各相コイル２１ａ～２１ｃにそれぞれ接続する。電流検出抵抗３７Ｕ，３７Ｖ，３７Ｗを、駆動回路３０Ｄと各相コイル２１ａ～２１ｃとの通電経路に配置し、これらにより通電される各相電流を検出する。制御回路４０は、電流検出抵抗３７により検出された電流に基づいて駆動回路３０Ｄを構成する各スイッチ３１～３６のＯＮ／ＯＦＦを制御する。また、制御回路４０は、モータ２１のロータの回転を抑止し、且つコイル２１ａ～２１ｃに一定の目標電流を通電するように制御しつつ駆動用スイッチ３１～３３を交互にＯＮ／ＯＦＦする際に、少なくとも駆動用スイッチ３１～３３をＯＮした場合に出力した駆動信号のＯＮデューティ比に基づいて還流用スイッチ３４～３６のＯＦＦ固定故障を検出する。

具体的には、駆動用スイッチ３１～３３をＯＦＦする間に、還流用スイッチ３４～３６をＯＮする第１通電パターンで出力したＯＮデューティ比Ｄ２と、還流用スイッチをＯＦＦした場合の第２通電パターンで出力したＯＮデューティ比Ｄ１とを比較した結果，つまりデューティ比Ｄ１，Ｄ２の差分に基づいてＯＦＦ固定故障を検出できる。
また、制御回路４０は、モータ２１の各相コイル２１ａ～２１ｃに対し同一の通電パターンにより同時に通電を行うことで、ロータを回転させない条件下で、各相コイル２１ａ～２１ｃに通電される電流を略定常的な状態で検出できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第２実施形態では、図５に示すように、ステップＳ６，Ｓ１１においてデューティ比Ｄ１，Ｄ２を検出するため、各相電流が目標電流に等しくする制御を行う際に、各相電流を、それぞれ複数の検出値を平均した値として求める。

（第３実施形態）
第３実施形態では、図６及び図７に示すように、ステップＳ１０における第１通電パターンのみを実行してＯＦＦ固定故障を検出する。図６に示すように、ステップＳ１～Ｓ４に続いてステップＳ１０～Ｓ１２を実行する。そして、ステップＳ１１で検出したＯＮデューティ比Ｄ２と、予め設定した所定の基準値Ｄｃとの差分を計算する（Ｓ２１）。以降は、第１実施形態と同様にステップＳ１４～Ｓ１７を実行する。

以上のように第３実施形態によれば、マイコン４１は、第１通電パターンを実行して還流用スイッチ３４～３６をＯＮした場合に出力したデューティ比Ｄ２を基準値Ｄｃと比較してＯＦＦ固定故障を検出するので、第１実施形態等よりも簡単な制御によってＯＦＦ固定故障を検出できる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、モータ２１のロータの回転を抑止するために電流制限抵抗を用いる構成を示す。図８に示すように、電源線Ｌ２とグランドとの間に、切替スイッチ５１及び電流制限抵抗５２を接続する。切替スイッチ５１の固定端子の一方を、電流制限抵抗５２を介してグランドに接続し、他方を直接グランドに接続する。そして、マイコン４１が切替スイッチ５１の切替えを制御する。

モータ２１を駆動する通常の制御では、切替スイッチ５１をグランド側に切り替えておき、例えば第１実施形態において、ステップＳ５，Ｓ１０を実行する直前に切替スイッチ５１を電流制限抵抗５２側に切り替える。このように制御すれば、駆動用スイッチ３１～３３をＯＮ／ＯＦＦする際のＰＷＭデューティ比を設定する自由度を、より大きくすることができる。

（その他の実施形態）
三相のモータ２１を用いたが、４相以上の多相モータにも適用できる。
駆動用スイッチをハイサイド、還流用スイッチをローサイドに配置することもできる。この場合には、コイル２１ａ～２１ｃは、共通に接続した一端側をグランド側に接続すれば良い。
駆動用スイッチ及び還流用スイッチには、ＭＯＳトランジスタ以外に例えばＩＧＢＴなどのスイッチング素子を用いることができる。

還流経路を形成するダイオードは、ボディダイオードに替えて外付けのダイオードを用いても良い。
第３実施形態に、第２実施形態を適用しても良い。
第４実施形態において、切替スイッチ及び電流制限抵抗を、電源線Ｌ１側に配置しても良い。
マイコン４１及び制御ＩＣ４２により実現される機能は、ハードウェア，ソフトウェアの何れか又はハードウェアとソフトウェアとの協働により実現しても良い。
ＳＢＷシステムに限ることなく、その他のシステム等に適用しても良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は車両電源、２は駆動力伝達部、４はシフトレンジ切替機構、５ディテントプレート、７はマニュアルバルブ、２０はモータ部、２１はモータ、２１ａ～２１ｃはコイル、２３は減速機構、３０、５０、６０、７０はモータ制御部、３０Ｄは駆動回路、３１～３３は駆動用スイッチ、３４～３６は還流用スイッチ、４０は制御回路、４１はマイクロコンピュータ、４２は制御ＩＣを示す。

Claims (9)

1. 多相モータ（２１）を駆動するもので、
   それぞれ還流用ダイオード（３４ａ～３６ａ）を有する還流用スイッチ（３４～３６）及び駆動用スイッチの直列回路（３１～３３）が、各相に対応して前記駆動用電源とグランドとの間に接続され、前記直列回路の共通接続点が前記多相モータの各相コイル（２１ａ～２１ｃ）の各相端子にそれぞれ接続される駆動回路（３０Ｄ）と、
   この駆動回路と前記各相コイルとの通電経路に配置され、通電される各相電流を検出する電流検出部（３７Ｕ～３７Ｗ）と、
   この電流検出部により検出された電流に基づいて、前記駆動回路を構成する各スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御部（４０）とを備え、
   前記制御部は、前記多相モータのロータの回転を抑止し、且つ前記コイルに一定の目標電流を通電するように制御しつつ前記駆動用スイッチを交互にＯＮ／ＯＦＦする際に、少なくとも前記駆動用スイッチをＯＮした場合に出力した駆動信号のＯＮデューティ値に基づいて、前記還流用スイッチのＯＦＦ固定故障を検出するモータ駆動装置。
2. 前記制御部は、前記駆動信号のＯＮデューティ値を、所定の基準値と比較して前記還流用スイッチのＯＦＦ固定故障を検出する請求項１記載のモータ駆動装置。
3. 前記制御部は、前記駆動用スイッチをＯＦＦする間に、
   前記還流用スイッチをＯＮする第１通電パターンにおいて出力した駆動信号のＯＮデューティ値と、前記還流用スイッチをＯＦＦした場合の第２通電パターンにおいて出力した駆動信号のＯＮデューティ値とを比較した結果に基づいて、前記還流用スイッチのＯＦＦ固定故障を検出する請求項１記載のモータ駆動装置。
4. 前記制御部は、前記第１通電パターンにおいて出力した駆動信号のＯＮデューティ値と、前記第２通電パターンにおいて出力した駆動信号のＯＮデューティ値との差が所定値未満であれば、前記還流用スイッチのＯＦＦ固定故障を検出する請求項３記載のモータ駆動装置。
5. 前記制御部は、前記目標電流を通電するための制御を、検出される電流の平均値に基づいて行う請求項１から４の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
6. 前記制御部は、前記目標電流を通電するための制御を、検出される電流の波高値に基づいて行う請求項１から４の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
7. 前記制御部は、前記コイルに通電する電流量を制限して前記ロータの回転を抑止する請求項１から６の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
8. 前記制御部は、前記各相コイルに対して同一の通電パターンにより同時に通電することで前記ロータの回転を抑止する請求項１から６の何れか一項に記載のモータ駆動装置。
9. 前記多相モータは、スイッチト・リラクタンス・モータ（ＳＲＭ）であり、全相のコイルの一端側が共通に駆動用電源の一端子に接続される請求項１から８の何れか一項に記載のモータ駆動装置。

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