KR101748541B1 - 구동 제어 장치 및 연료 펌프 구동 시스템 - Google Patents

Abstract

브러시리스 모터(4)의 구동을 제어하는 구동 제어 장치(90)의 마이크로컴퓨터(91)는 위치 결정부(920) 및 토크 가속도 제어부(93)를 갖는다. 위치 결정부(920)는 브러시리스 모터(4)의 구동 제어를 개시하기 전, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어함으로써, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어를 개시 가능한 스테이터에 대한 로터의 위치인 구동 개시 위치에 로터를 위치 결정한다. 토크 가속도 제어부(93)는 로터를 위치 결정할 때, 브러시리스 모터(4)의 샤프트로부터 출력되는 토크의 가속도인 토크 가속도가, 샤프트 단부의 외벽이 임펠러(회전 부재)의 구멍부의 내벽에 충돌할 때의 충돌 응력이 소정값 이하로 되는 정도의 소정 범위 내가 되도록, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어한다. 이에 의해, 임펠러의 마모, 파손 등을 억제한다.

Description

구동 제어 장치 및 연료 펌프 구동 시스템{DRIVE CONTROL DEVICE AND FUEL PUMP DRIVING SYSTEM}

본 개시는, 2013년 11월 12일에 출원된 일본출원번호 제2013-233828호와, 2014년 10월 23일에 출원된 일본출원번호 제2014-216139호에 기초한 것으로, 여기에 그 기재 내용을 원용한다.

본 개시는, 구동 제어 장치 및 이것을 사용한 연료 펌프 구동 시스템에 관한 것이다.

종래, 회전자의 위치를 검출하는 센서를 구비하지 않은 브러시리스 모터를 구동 제어하는 구동 제어 장치가 알려져 있다. 예를 들어 특허문헌 1에는, 연료 펌프의 구동원으로서 사용되는 브러시리스 모터의 구동을 구동 제어 장치에 의해 제어하는 예가 기재되어 있다.

회전자의 위치를 검출하는 센서를 구비하지 않은 센서리스의 브러시리스 모터의 경우, 구동 제어의 개시 전의 회전자가 정지되어 있는 상태에서는 고정자에 대한 회전자의 위치가 불분명하기 때문에, 구동 제어를 개시 가능한 고정자에 대한 회전자의 위치인 구동 개시 위치에 회전자를 강제적으로 위치 결정한 후에 구동 제어를 개시할 필요가 있다. 특허문헌 1의 구동 제어 장치에서는, 복수상의 권선에 대한 통전을 전환함으로써, 고정자에 대한 회전자의 위치를 검출하고, 검출한 회전자의 위치에 기초하여 구동 개시 위치를 결정하고, 결정한 구동 개시 위치에 회전자를 위치 결정함으로써, 브러시리스 모터의 구동 제어 개시까지 필요로 하는 시간의 단축화를 도모하였다.

특허문헌 1의 구동 제어 장치에서는, 상술한 위치 검출 및 위치 결정을 행할 때, 회전자는, 통전 시의 고정자에 대한 회전자의 위치에 의해, 일방향(정회전 방향) 또는 타방향(역회전 방향)으로 회전한다. 일반적으로, 브러시리스 모터를 연료 펌프의 구동원으로서 사용하는 경우, 브러시리스 모터의 샤프트를 임펠러의 구멍부에 삽입 끼움하여, 브러시리스 모터를 구동함으로써 임펠러를 회전시킨다. 또한, 샤프트의 단부 및 임펠러의 구멍부는, 단면 형상이 D자 형상으로 형성되는 것이 일반적이다. 또한, 임펠러의 제조 오차 및 조립 오차를 흡수하기 위해, 샤프트의 단부와 임펠러의 구멍부 사이에는 소정의 클리어런스가 형성된다. 그로 인해, 샤프트가 회전을 개시할 때, 소정의 가속도를 수반하여 샤프트 단부의 외벽의 코너부가 임펠러의 구멍부의 내벽의 평면부에 충돌하는 경우가 있다.

특허문헌 1의 구동 제어 장치에서 연료 펌프의 브러시리스 모터를 구동하는 경우, 구동 제어 개시 전의 위치 결정 시에, 권선에 대한 통전 전환할 때마다 샤프트가 정회전 방향 또는 역회전 방향으로 회전한다. 그로 인해, 예를 들어 회전자의 위치 결정이 필요없어, 정회전 방향으로밖에 회전하지 않는 브러시를 갖는 모터를 구동하는 경우와 비교하여, 샤프트 단부의 외벽이 임펠러의 구멍부의 내벽에 충돌하는 횟수 및 충돌 시의 충돌 응력이 증대하고, 이에 의해, 임펠러가 마모 또는 파손될 우려가 있다. 특히, 최근에 보급되고 있는 아이들링 스톱차나 하이브리드차량에서는 소정 기간 내에 연료 펌프를 온 오프하는 횟수가 많기 때문에, 샤프트의 충돌에 의한 임펠러의 마모의 촉진 또는 파손의 증대가 염려된다.

일본 특허 공개 제2011-36083호 공보

본 개시는, 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 브러시리스 모터에 의해 회전 구동하는 회전 부재의 마모 및 파손을 억제할 수 있는 구동 제어 장치 및 이것을 사용해서 연료 펌프의 브러시리스 모터를 구동하는 연료 펌프 구동 시스템을 제공하는 데 있다.

본 개시의 일 형태에 따르면, 구동 제어 장치는, 복수상의 권선이 권회된 고정자, 당해 고정자에 대해 상대 회전 가능하게 설치되는 회전자, 및 당해 회전자의 중심에 설치되어 단부가 회전 부재의 구멍부에 삽입 끼움되어 회전자와 함께 회전하는 샤프트를 갖는 브러시리스 모터의 구동을 제어한다. 구동 제어 장치는, 제어부를 구비하고 있다.

제어부는, 전류, 전압, 또는 전력 중 적어도 하나를 포함하는 통전 출력을 조작해서 권선에 공급하는 전력을 제어함으로써 회전자의 회전을 제어할 수 있다.

제어부는, 위치 결정부 및 토크 가속도 제어부를 갖는다.

위치 결정부는, 브러시리스 모터의 구동 제어를 개시하기 전, 권선에 공급하는 전력을 제어함으로써, 브러시리스 모터의 구동 제어를 개시 가능한 고정자에 대한 회전자의 위치인 구동 개시 위치에 회전자를 위치 결정한다.

토크 가속도 제어부는, 위치 결정부에 의해 회전자를 위치 결정할 때, 브러시리스 모터의 샤프트로부터 출력되는 토크의 시간적 변화인 토크 가속도가, 「샤프트 단부의 외벽이 회전 부재의 구멍부의 내벽에 충돌할 때의 충돌 응력이 소정값 이하로 되는 정도」의 소정 범위 내가 되도록, 권선에 공급하는 전력을 제어한다.

그로 인해, 본 개시에서는, 브러시리스 모터의 구동 제어를 개시하기 전, 회전자의 위치 결정을 할 때, 샤프트의 외벽이 회전 부재의 내벽에 충돌할 때의 충돌 응력을 소정값 이하로 할 수 있다. 이에 의해, 샤프트의 외벽이 회전 부재의 내벽에 충돌하는 것에 의한 회전 부재의 마모 및 파손 등을 억제할 수 있다. 이 효과는, 특히 소정 기간 내의 온 오프 횟수가 많은 브러시리스 모터를 구동 제어하는 경우에 현저해진다.

또한, 본 개시의 연료 펌프 구동 시스템은, 연료 펌프와, 브러시리스 모터의 구동을 제어하는 상술한 구동 제어 장치를 포함한다.

연료 펌프는, 샤프트가 회전하여 토크를 출력 가능한 브러시리스 모터, 브러시리스 모터를 수용하는 하우징, 흡입부를 가지며 하우징의 한쪽 단부를 막는 펌프 커버, 토출부를 가지며 하우징의 다른 쪽 단부를 막는 커버 엔드 및 중앙에 형성된 구멍부에 샤프트의 단부가 삽입 끼움되어 샤프트와 함께 회전함으로써 흡입부로부터 유입된 연료를 가압하고 토출부로부터 토출하는 회전 부재를 구비하고 있다.

본 개시의 연료 펌프 구동 시스템에서는, 구동 제어 개시 전의 로터의 위치 결정 시에, 샤프트의 외벽이 회전 부재의 내벽에 충돌할 때의 충돌 응력을 소정값 이하의 작은 값으로 할 수 있다. 그로 인해, 연료 펌프의 회전 부재의 마모 및 파손을 억제할 수 있다.

도 1은 본 개시의 제1 실시 형태에 따른 구동 제어 장치 및 연료 펌프를 도시하는 단면도.
도 2는 도 1의 II-II선 단면도.
도 3은 본 개시의 제1 실시 형태에 따른 연료 펌프의 임펠러를 도시하는 도면.
도 4는 본 개시의 제1 실시 형태에 따른 구동 제어 장치의 회로 구성을 도시하는 모식도.
도 5a는 로터가 구동 개시 위치에 대응하는 위치에 있을 때의 상태를 도시하는 모식도.
도 5b는 로터가 구동 개시 위치에 대응하는 위치 이외에 있을 때의 상태를 도시하는 모식도.
도 6a는 브러시리스 모터의 정지 시에 있어서의 샤프트와 임펠러의 위치 관계를 설명하는 모식도.
도 6b는 브러시리스 모터의 위치 결정 시에 있어서의 샤프트와 임펠러의 위치 관계를 설명하는 모식도.
도 6c는 브러시리스 모터의 위치 결정 시에 있어서의 샤프트와 임펠러의 위치 관계를 설명하는 모식도.
도 6d는 브러시리스 모터의 기동 시에 있어서의 샤프트와 임펠러의 위치 관계를 설명하는 모식도.
도 7은 본 개시의 제1 실시 형태에 따른 연료 펌프의 샤프트의 토크 가속도와, 샤프트의 충돌 시에 임펠러에 작용하는 충돌 응력의 관계를 도시하는 도면.
도 8은 본 개시의 제1 실시 형태 및 비교예의 구동 제어 장치에 있어서, 연료 펌프의 브러시리스 모터에 흐르는 전류를 나타내는 타임차트.
도 9는 본 개시의 제1 실시 형태에 따른 로터 위치 결정 시의 충돌 응력 완화 제어 및 비교예의 위치 결정 제어를 나타내는 타임차트.
도 10은 본 개시의 제2 실시 형태에 따른 충돌 응력 완화 제어를 나타내는 타임차트.
도 11은 본 개시의 제3 실시 형태에 따른 충돌 응력 완화 제어를 나타내는 타임차트.
도 12는 본 개시의 제4 실시 형태에 따른 충돌 응력 완화 제어를 나타내는 타임차트.

이하, 본 개시의 복수의 실시 형태에 따른 구동 제어 장치 및 이것을 사용해서 연료 펌프의 브러시리스 모터를 구동 제어하는 연료 펌프 구동 시스템을 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 도면의 기재가 번잡해지는 것을 피하기 위해, 1개의 도면에 있어서 동일한 부재 또는 부위 등에는, 복수 중 1개 또는 수개에만 부호를 붙이는 경우가 있다.

(제1 실시 형태)

본 개시의 제1 실시 형태에 대해서, 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

도 1에 도시하는 연료 펌프 구동 시스템(100)은, 차량(9)에 탑재되며, 연료 펌프(1) 및 구동 제어 장치(90)를 포함한다. 연료 펌프(1)는, 예를 들어 차량(9)의 배터리(96)로부터 공급되는 전력에 의해 구동되고, 도시하지 않은 연료 탱크의 연료를 흡입하고, 연료 공급 대상으로서의 내연 기관(8)에 토출 공급한다. 특히 차량(9)이 아이들링 스톱차나 하이브리드차인 경우, 연료 펌프(1)는, 차량(9)의 상정 사용 기간 등에 상당하는 소정 기간 내의 온 오프 횟수, 바꿔 말하면 정지 후의 재기동 횟수가 많아진다.

연료 펌프(1)는, 브러시리스 모터(4), 하우징(5), 펌프 커버(10), 커버 엔드(20) 및 「회전 부재」로서의 임펠러(80) 등을 구비하고 있다.

브러시리스 모터(4)는, 스테이터(30), 권선(40), 로터(50) 및 샤프트(60) 등을 구비하고 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 스테이터(30)는, 세그먼트(31) 및 인슐레이터(34)를 갖고 있다.

세그먼트(31)는, 자성 재료의 박판을 적층한 적층 철심으로 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 세그먼트(31)는 6개 설치되어 있다. 세그먼트(31)는, 요크부(32) 및 티스부(33)를 갖고 있다. 스테이터(30)는, 6개의 요크부(32)가 6각통을 형성하도록 통 형상으로 형성되어 있다. 티스부(33)는, 요크부(32)의 중앙으로부터 직경 방향 내측으로 연장되도록 형성되어 있다. 인슐레이터(34)는, 수지에 의해 형성되고, 세그먼트(31)의 티스부(33)에 설치되어 있다.

권선(40)은, 예를 들어 구리 등의 금속에 의해 형성되고, U상 권선(41), V상 권선(42), W상 권선(43)으로 이루어지고, 인슐레이터(34)에 권회됨으로써 스테이터(30)의 티스부(33)에 설치되어 있다. U상 권선(41)은 브러시리스 모터(4)의 U상을 구성하고, V상 권선(42)은 V상을 구성하고, W상 권선(43)은 W상을 구성하고 있다.

로터(50)는, 원통 형상으로 형성되고, 코어(51), 자석(52, 53, 54, 55)을 갖고 있다. 로터(50)는, 스테이터(30)의 내측에서 회전 가능하게 설치되어 있다.

코어(51)는, 대략 원통 형상으로 형성되고, 중심에 구멍부(511)를 갖고 있다. 자석(52, 53, 54, 55)은, 코어(51)의 외벽에 둘레 방향으로 배열하도록 설치되어 있다. 자석(52, 54)은, 로터(50)의 직경 방향 외측의 자성이 S극이 되도록 착자되어 있다. 자석(53, 55)은, 로터(50)의 직경 방향 외측의 자성이 N극이 되도록 착자되어 있다. 즉, 로터(50)의 외벽은, 자성이 둘레 방향으로 교대로 다르게 착자되어 있다.

이와 같이 본 실시 형태에서는, 브러시리스 모터(4)는, 4극(2극쌍) 6슬롯의 3상 브러시리스 모터이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 브러시리스 모터(4)의 로터(50)의 위치를 검출할 수 있는 위치 센서를 구비하고 있지 않다. 즉, 브러시리스 모터(4)는, 위치 센서리스(이하, 간단히 「센서리스」라고 함) 타입의 브러시리스 모터이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 연료 펌프(1)의 소정 기간 내의 온 오프 횟수가 많기 때문에, 브러시리스 모터(4)의 소정 기간 내의 온 오프 횟수도 많다.

샤프트(60)는, 예를 들어 스테인리스 등의 금속에 의해 막대 형상, 즉 긴 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 샤프트(60)는, 로터(50)의 코어(51)의 구멍부(511)에 끼워 맞추도록 설치되어 있다. 이에 의해, 샤프트(60)는 로터(50)와 일체로 회전 가능하다.

본 실시 형태에서는, 샤프트(60)의 한쪽 단부(61)는, 축에 수직인 면에 의한 단면이 D자 형상으로 되도록 형성되어 있다(도 3 참조). 이에 의해, 샤프트(60)의 한쪽 단부(61)에는, 평면 형상의 외벽(611) 및 곡면 형상의 외벽(612)이 형성되어 있다. 또한, 외벽(611)과 외벽(612)의 경계를 포함하는 코너부(613, 614)는, 매끄러운 곡면 형상이 되도록 모따기되어 있다.

하우징(5)은, 예를 들어 철 등의 금속에 의해, 대략 원통 형상으로 형성되어 있다. 또한, 하우징(5)의 표면에는, 예를 들어 아연 또는 주석 등에 의한 도금이 실시되어 있다.

펌프 커버(10)는, 예를 들어 알루미늄 등의 금속에 의해 대략 원판 형상으로 형성되어, 하우징(5)의 일단부를 막고 있다. 펌프 커버(10)는, 하우징(5)의 일단부가 직경 방향 내측으로 코킹됨으로써, 하우징(5)의 내측에서 고정되며, 축방향으로의 빠짐이 규제되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 펌프 커버(10)는, 통형상의 흡입부(11)를 갖고 있다. 흡입부(11)의 내측에는, 펌프 커버(10)를 판 두께 방향으로 가로지르는 흡입 통로(111)가 형성되어 있다.

커버 엔드(20)는, 예를 들어 수지에 의해 원판 형상으로 형성되어, 하우징(5)의 타단부를 막고 있다. 커버 엔드(20)는, 외측 테두리부가 하우징(5)의 타단부 내측에 압입된다. 또한, 커버 엔드(20)는, 하우징(5)의 타단부가 직경 방향 내측에 코킹됨으로써, 하우징(5)의 내측에서 고정되어, 축방향으로의 빠짐이 규제되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 스테이터(30)를 구성하는 세그먼트(31), 인슐레이터(34) 및 권선(40)은, 커버 엔드(20)를 형성하는 수지에 의해 몰드되어 있다. 즉, 스테이터(30)는, 수지에 의해 몰드됨으로써, 커버 엔드(20)와 일체로 형성되어 있다. 이와 같이, 스테이터(30)는, 하우징(5)과 동축에, 하우징(5)의 내측에 수용되어 있다.

펌프 커버(10)와 스테이터(30) 사이에는, 펌프 케이싱(70)이 설치되어 있다. 펌프 케이싱(70)은, 예를 들어 알루미늄 등의 금속에 의해, 대략 원판 형상으로 형성되어 있다. 펌프 케이싱(70)의 중심부에는, 펌프 케이싱(70)을 판 두께 방향으로 가로지르는 구멍부(71)가 형성되어 있다. 펌프 케이싱(70)의 구멍부(71)에는, 베어링 부재(72)가 감입되어 있다. 베어링 부재(72)은, 예를 들어 구리계의 소결 금속에 의해 원통 형상으로 형성되어 있다.

커버 엔드(20)의 로터(50)의 측단부면의 중앙에는, 베어링부(22)가 형성되어 있다. 베어링부(22)는, 커버 엔드(20)의 중앙에, 로터(50)측으로 통 형상으로 돌출되도록 형성되어 있다. 베어링부(22)의 중심축은, 커버 엔드(20)의 중심축과 일치하고 있다. 즉, 베어링부(22)는, 커버 엔드(20)의 중심축 상에 설치되어 있다. 베어링부(22)의 내측에는, 베어링 부재(23)가 감입되어 있다. 베어링 부재(23)는, 베어링 부재(72)와 마찬가지로, 예를 들어 구리계의 소결 금속에 의해 원통 형상으로 형성되어 있다.

펌프 케이싱(70)의 구멍부(71)는, 펌프실(73) 내에 위치하는 샤프트(60)의 한쪽 단부(61)측을, 베어링 부재(72)를 개재시켜 축 지지되어 있다. 커버 엔드(20)의 베어링부(22)는, 샤프트(60)의 다른 쪽 단부(62)측을, 베어링 부재(23)를 개재시켜 축 지지되어 있다. 이에 의해, 로터(50) 및 샤프트(60)는, 베어링 부재(72) 및 구멍부(71), 및 베어링 부재(23) 및 베어링부(22)를 개재시켜, 펌프 케이싱(70) 및 커버 엔드(20)에 회전 가능하게 지지되어 있다.

임펠러(80)는, 예를 들어 PPS 등의 수지에 의해 대략 원판 형상으로 형성되고, 펌프 커버(10)와 펌프 케이싱(70) 사이에 형성된 대략 원판 형상의 펌프실(73)에 수용되어 있다. 임펠러(80)는, 중심을 판 두께 방향으로 가로지르는 구멍부(81)를 갖고 있다. 구멍부(81)는, 샤프트(60)의 한쪽 단부(61)의 단면 형상에 대응하도록 D자 형상으로 형성되어 있다. 이에 의해, 구멍부(81)에는, 평면 형상의 내벽(811) 및 곡면 형상의 내벽(812)이 형성되어 있다.

샤프트(60)의 한쪽 단부(61)는, 임펠러(80)의 구멍부(81)에 삽입 끼움되어 있다. 이에 의해, 샤프트(60)가 로터(50)와 함께 회전하면, 임펠러(80)는, 펌프실(73) 내에서 회전한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 샤프트(60)의 단부(61)가 구멍부(81)에 삽입 끼움된 상태에서, 샤프트(60)의 단부(61)와 구멍부(81) 사이에 소정의 클리어런스가 형성되어 있다(도 3 참조). 당해 클리어런스에 의해, 임펠러(60)의 제조 오차 및 조립 오차를 흡수할 수 있다.

펌프 커버(10)의 임펠러(80)측의 면에는, 대략 C자 형상의 홈(12)이 형성되어 있다. 이 홈(12)과 흡입 통로(111)는 접속되어 있다. 또한, 펌프 케이싱(70)의 임펠러(80)측의 면에는, 대략 C자 형상의 홈(74)이 형성되어 있다. 이 홈(74)에는, 펌프 케이싱(70)을 판 두께 방향으로 가로지르는 통로(75)가 형성되어 있다. 임펠러(80)에는, 홈(12) 및 홈(74)에 대응하는 위치에 블레이드부(82)가 형성되어 있다.

커버 엔드(20)에는, 토출부(21)가 설치되어 있다. 토출부(21)는, 커버 엔드(20)의 펌프 커버(10)와는 반대측 단부면으로부터 통 형상으로 돌출되도록 커버 엔드(20)와 일체로 수지에 의해 형성되어 있다. 토출부(21)의 내측에는, 토출 통로(211)가 형성되어 있다. 토출 통로(211)는, 하우징(10) 내측의 펌프 커버(10)와 커버 엔드(20) 사이의 공간(6)에 연통되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 토출부(21)에는, 일단부가 내연 기관(8)에 접속하는 공급관(7)의 타단부가 접속되어 있다. 임펠러(80)의 회전에 의해 공간(6)에서 가압된 연료는, 토출 통로(211)를 유통하여 토출부(21)로부터 토출되고, 공급관(7)을 경유해서 내연 기관(8)에 공급된다.

커버 엔드(20)에는, 단자(44)가 설치되어 있다(도 1 참조). 단자(44)는, 예를 들어 구리 등의 금속에 의해 막대 형상으로 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 단자(44)는 3개 설치되고, 각각 일단부가 U상 권선(41), V상 권선(42) 및 W상 권선(43)에 접속하고, 타단부가 커버 엔드(20)의 펌프 커버(10)와는 반대측 단부면으로부터 노출되도록 커버 엔드(20)에 매설되어 있다.

구동 제어 장치(90)는, 연료 펌프(1)의 브러시리스 모터(4)의 구동을 제어하는 Fuel Pump Controller(FPC)이다. 구동 제어 장치(90)는, 단자(44) 및 배터리(96)에 접속하도록 설치되고, 배터리(96)로부터 입력되는 전력을 3상 전력으로 변환해서 브러시리스 모터(4)에 공급한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 구동 제어 장치(90)는, 마이크로컴퓨터(91), 구동 회로(94) 및 3상 인버터(95)를 갖고 있다.

3상 인버터(95)는, 권선(40)[U상 권선(41), V상 권선(42), W상 권선(43)]에의 통전을 전환하기 위해, 6개의 스위칭 소자(951 내지 956)가 브리지 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는, 스위칭 소자(951 내지 956)로서, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 사용한다. 이하, 스위칭 소자(951 내지 956)를, 적절히, MOS(951 내지 956)라고 한다.

3개의 고전위측 MOS(951 내지 953)는, 드레인이, 배터리(96)의 정극측에 접속되어 있다. 또한, MOS(951 내지 953)의 소스가, 각각 MOS 저전위측(954 내지 956)의 드레인에 접속되어 있다. MOS(954 내지 956)의 소스는, 배터리(96)의 부극측 즉 접지에 접속되어 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 쌍으로 되어 있는 MOS(951)와 MOS(954)의 접속점은, U상 권선(41)의 일단부에 접속되어 있다. 또한 쌍으로 되어 있는 MOS(952)와 MOS(955)의 접속점은, V상 권선(42)의 일단부에 접속되어 있다. 또한, 쌍으로 되어 있는 MOS(953)와 MOS(956)의 접속점은, W상 권선(43)의 일단부에 접속되어 있다.

「제어부」로서의 마이크로컴퓨터(91)는, CPU, ROM, RAM, I/O 등을 갖는 소형 컴퓨터이고, 입력된 신호 등에 기초하여, ROM에 저장된 프로그램에 따라서 연산을 행하고, 제어 신호를 생성해서 구동 회로(94)에 출력한다.

구체적으로는, 마이크로컴퓨터(91)는, 전류, 전압 또는 전력 중 적어도 하나를 포함하는 통전 출력을 조작해서 3상 인버터(95)로부터 권선(40)으로 공급하는 전력을 제어함으로써, 브러시리스 모터(4)의 회전수 및 토크를 제어한다.

또한, 본 실시 형태의 마이크로컴퓨터(91)는, U상 권선(41), V상 권선(42), W상 권선(43)에 인가되어 있는 전압을 취득한다. 이에 의해, 예를 들어 2상 통전 시에 비통전상에 발생하는 유기 전압을 검출할 수 있다.

또한 마이크로컴퓨터(91)는, 브러시리스 모터(4)를 센서리스 제어하기 위한 구성으로 하여, 브러시리스 모터(4)를 기동하기 전에 로터(50)를 위치 결정하는 위치 결정부(920) 및 위치 결정 시에 있어서의 샤프트(60)의 토크 가속도가 소정 범위 내가 되도록, 통전 출력을 조작해서 권선(40)에 공급하는 전력을 제어하는 토크 가속도 제어부(93)를 갖고 있다. 위치 결정부(920)는, 위치 검출부(921), 위치 결정부(922) 및 위치 결정 처리부(923)를 포함한다.

이들 각 부는 물리적으로 독립된 형태로 설치될 필요는 없고, 하나의 마이크로컴퓨터(91)가, 수시로, 위치 결정부(920)로서 기능하거나, 토크 가속도 제어부(93)로서 기능하거나 하면 된다. 각 부에 관한 상세한 작용에 대해서는 후술한다.

구동 회로(94)는, 마이크로컴퓨터(91)로부터 입력된 제어 신호에 기초하여, 3상 인버터(95)를 구성하는 MOS(951 내지 956)의 온 오프를 전환하는 신호를 생성하고, MOS(951 내지 956)의 게이트에 출력한다. 이에 의해, MOS(951 내지 956)가 스위칭 작동하고, 배터리(96)로부터 권선(40)[U상 권선(41), V상 권선(42), W상 권선(43)]으로 전력이 공급된다.

마이크로컴퓨터(91)가 구동 회로(94) 및 MOS(951 내지 956)를 경유하여, U상 권선(41), V상 권선(42), W상 권선(43)에의 통전을 전환하면, 스테이터(30)에 회전자계가 형성되어, 로터(50)가 회전한다. 로터(50)가 샤프트(60)와 함께 회전하면, 샤프트(60)가 삽입 끼움되어 있는 임펠러(80)가 회전한다.

이어서, 브러시리스 모터(4)의 「구동 제어의 개시」에 대해서 설명한다. 이하, 「구동 제어의 개시」는 「기동」과 같은 의미로 사용한다.

본 실시 형태의 브러시리스 모터(4)는, 센서리스 타입을 위해, 구동 제어의 개시 전의 로터(50)가 정지되어 있는 상태에서는 스테이터(30)에 대한 로터(50)의 위치가 불분명하다. 그로 인해, 구동 제어를 개시 가능한 스테이터(30)에 대한 로터(50)의 위치인 「구동 개시 위치」[권선(40)에 통전했을 때에 스테이터(30)에 있어서 N극이 되는 위치]에 로터(50)를 강제적으로 위치 결정한 후에 구동 제어를 개시할 필요가 있다. 구동 제어 개시 전에 마이크로컴퓨터(91)가 실행하는 로터(50)의 위치 결정에 관한 제어를 「위치 결정 제어」라고 한다.

본 실시 형태의 브러시리스 모터(4)는, 4극 6슬롯 구성이기 때문에, 도 5a, 도 5b에 도시한 바와 같이, 「구동 개시 위치」는, 12군데[위치(각도) P1 내지 P12] 중 어느 하나에 설정될 수 있다. 따라서, 로터(50)의 자석(52 내지 55)의 중앙이 위치 P1 내지 P12 중 어느 하나에 위치하고 있는 경우, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어를 개시할 수 있다(도 5a).

도 5a, 도 5b에 도시하는 「정회전 방향」은 임펠러(80)가 연료를 가압할 수 있는 로터(50)[샤프트(60)]의 회전 방향이고, 「역회전 방향」은 임펠러(80)가 연료를 가압할 수 없는 로터(50)[샤프트(60)]의 회전 방향이다. 또한, 회전 방향의 정역은, 각 상 권선(41, 42, 43)의 배치나 임펠러(80)의 시 방향에 따라, 적절히, 설정된다.

여기서, 도 6a 내지 도 6d를 참조하여, 브러시리스 모터(4)의 정지 시, 위치 결정 시, 기동 시에 있어서의 샤프트(60)와 임펠러(80)의 상대 회전의 위치 관계에 대해서 설명한다. 샤프트(60) 및 임펠러(80)는, 회전축 O에 대하여 동축으로 상대 회전한다. 또한, 후술하는 도 9 내지 도 12에 있어서, 정지 시에는, 시각 t0 내지 t1의 구간 I에 대응하고, 위치 결정 시에는, 시각 t2 내지 t6의 구간 III, IV에 대응한다. 기동 시에는, 시각 t7 이후의 구간 VI에 대응한다.

도 6a에 도시한 바와 같이, 브러시리스 모터(4)의 정지 시에는, 샤프트(60)는 임펠러(80)의 구멍부(81)에 대하여 중립 위치에 있다.

도 6b, 도 6c에 나타낸 바와 같이, 위치 결정 시에는, 로터(50)의 위치에 따라, 샤프트(60)는 구동 개시 위치까지 정회전 또는 역회전한다. 정회전의 경우(도 6b), 샤프트(60)의 한쪽 코너부(613)가 임펠러(80)의 구멍부(81)의 내벽(811)에 충돌하고, 역회전의 경우(도 6c), ☆표시부에서 샤프트(60)의 다른 쪽 코너부(614)가 임펠러(80)의 구멍부(81)의 내벽(811)에 충돌한다.

도 6d에 나타낸 바와 같이, 기동 시에는, 샤프트(60)의 한쪽 코너부(613)가 임펠러(80)의 구멍부(81)의 내벽(811)에 접촉한 상태에서 정회전한다.

회전 방향이 일방향(정회전 방향)의 브러시를 갖는 모터인 경우, 항상 샤프트(60)의 한쪽 코너부(613)가 임펠러(80)의 구멍부(81)의 내벽(811)에 접촉한 상태로 되는 데 반해, 브러시리스 모터에서는, 기동마다 위치 결정을 위해 회전 방향이 변화된다. 그 때마다 샤프트(60)의 어느 하나의 코너부(613, 614)가 구멍부(81)의 내벽(811)에 충돌하기 때문에, 임펠러(80)의 마모나 파손이 촉진되기 쉬워진다.

이하, 충돌에 관한 기술로서, 정확하게는 「샤프트(60) 단부(61)의 외벽이 임펠러(80)의 구멍부(81)의 내벽에 충돌한다」라고 기술하는 바, 적절히 「샤프트(60)(의 외벽)가 임펠러(80)(의 내벽)에 충돌한다」라고 하는 바와 같이 생략한다.

계속해서, 본 실시 형태에 있어서의 마이크로컴퓨터(91)의 각 부 작용을 설명한다.

위치 결정부(920)는, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어를 개시하기 전, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어함으로써, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어를 개시 가능한 구동 개시 위치(위치 P1 내지 12)에 로터(50)를 위치 결정한다.

토크 가속도 제어부(93)는, 위치 결정부(920)가 로터(50)를 위치 결정할 때, 샤프트(60)로부터 출력되는 토크의 가속도인 토크 가속도가, 「샤프트(60)의 외벽(611)이 임펠러(80)의 내벽(811)에 충돌할 때의 충돌 응력이 소정값 이하로 되는 정도」의 소정 범위 내가 되도록, 통전 출력을 조작해서 권선(40)에 공급하는 전력을 제어한다.

이와 같이, 본 실시 형태는, 위치 결정 제어에 있어서, 샤프트(60)와 임펠러(80)의 충돌 응력을 완화하는 「충돌 응력 완화 제어」를 실행하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 소정 범위는, 도 7에 나타내는 실험 결과에 기초하여 설정되는 것이 바람직하다.

도 7은, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌할 때의 샤프트(60)의 토크 가속도와 충돌 응력의 관계를 나타내는 것이다. 토크 가속도[mN·m/ms]는 토크의 시간 변화율이며, 예를 들어 마이크로컴퓨터(91)가 출력하는 전류 변화율[A/ms] 등의 통전 출력이 반영된다. 충돌 응력[J/㎟]은, 토크 가속도에 비례하는 충돌 에너지를 충돌 시의 수력 면적으로 제산한 값이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 토크 가속도가 6.6mN·m/ms 이상인 영역에서는 토크 가속도가 클수록 충돌 에너지가 커져서, 충돌 응력이 증가한다. 한편, 토크 가속도가 3.6mN·m/ms 이하인 영역에서는 샤프트(60)의 코너부(613, 614)만이 구멍부(81)의 내벽(811)에 충돌하고, 수력 면적이 작아지는 효과가 현저해져서 충돌 응력이 증가한다. 토크 가속도가 3.6 내지 6.6mN·m/ms의 영역에서는, 충돌 응력이 소정값 σ0 이하가 된다. 따라서, 상기 「소정 범위」는, 3.6 내지 6.6mN·m/ms로 설정되는 것이 바람직하다.

본 실시 형태의 위치 결정부(920)는, 위치 검출부(921), 위치 결정부(922) 및 위치 결정 처리부(923)를 갖는다. 위치 검출부(921)는, 권선(40)에 통전함으로써, 정지되어 있는 로터(50)를 회전시켜, 로터(50)의 스테이터(30)에 대한 위치를 검출한다. 구체적으로는, 위치 검출부(921)는, U상 권선(41), V상 권선(42), W상 권선(43) 중 2상에 통전하여, 로터(50)를 강제적으로 회전시킨다. 그리고, 로터(50)가 회전함으로써 비통전상의 권선(40)에 발생하는 유기 전압을 검출함으로써, 로터(50)의 스테이터(30)에 대한 위치를 검출한다. 이때, 위치 검출부(921)는, 검출한 유기 전압의 변화에 따라, 로터(50)의 회전 방향을 검출할 수 있다.

위치 결정부(922)는, 검출한 로터(50)의 위치 및 회전 방향에 기초하여, 「구동 개시 위치」를 결정한다. 구체적으로는, 예를 들어 도 5b에 도시한 바와 같이, 로터(50)의 자석(52)의 중앙 C1(S극)이 위치 P11과 위치 P12 사이에 위치하고 로터(50)가 역방향으로 회전하고 있는 것을 검출한 경우, 위치 P11을 「구동 개시 위치」로서 결정한다.

위치 결정 처리부(923)는, 위치 결정부(922)에 의해 결정된 「구동 개시 위치」에 로터(50)를 위치 결정하도록 권선(40)에 대한 통전을 전환함으로써, 로터(50)를 회전시킨다. 구체적으로는, 3상에 통전함으로써, 예를 들어 도 5b에 나타내는 위치 P11(위치 결정부에 의해 결정)에 로터(50)의 자석(52)의 중앙 C1이 겹치도록 로터(50)를 위치 결정한다.

이와 같이, 위치 결정부(920)는, 로터(50)가 정지되어 있는 상태로부터, 로터(50)를 「구동 개시 위치」에 위치 결정할 때까지의 사이에, 로터(50)의 위치 검출을 위해서 1회, 위치 결정을 위해서 1회의 적어도 계 2회, 권선(40)에 대해서 통전한다. 즉, 권선(40)에 대한 통전을 적어도 1회 전환한다.

또한, 토크 가속도 제어부(93)는, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌한 후의 토크 가속도가, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌하기 전의 토크 가속도보다 커지도록, 통전 출력을 조작해서 권선(40)에 공급하는 전력을 제어한다. 이에 의해, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌할 때의 충돌 응력을 억제하면서, 로터(50)를 「구동 개시 위치」에 빠르게 위치 결정할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(91)는, 예를 들어 권선(40)에 발생하는 유기 전압의 변화를 검출함으로써, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌한 것을 검출할 수 있다.

또한, 토크 가속도 제어부(93)는, PI 제어에 의해 토크 가속도가 소정의 목표값이 되도록, 통전 출력을 조작해서 권선(40)에 공급하는 전력을 제어한다.

이어서, 제1 실시 형태에 따른 구동 제어 장치(90)의 작동에 대해서, 도 8에 기초하여 설명한다.

도 8에, 구동 제어 장치(90)에 의해 브러시리스 모터(4)를 구동 제어했을 때에 브러시리스 모터(4)에 흐르는 전류값(검출값)의 시간의 경과에 수반하는 변화를 실선으로 나타낸다.

도 8에 나타내는 시각 t0에서는 로터(50)는 정지하고 있기 때문에, 전류값은 0이다. 이후의 시각의 기호는, 후술하는 도 9 내지 도 12와의 정합을 위해 「t1, t4, t6, t7」을 사용한다. 또한, 도 9 내지 도 12에서 사용하는 구간 기호 I 내지 VI를 참고로 해서 기재한다.

시각 t1에서 마이크로컴퓨터(91)가 로터(50)의 위치 결정 제어를 개시하면, 전류값은 서서히 증대한다. 본 실시 형태에서는, 로터(50)의 위치 결정을 행할 때, 샤프트(60)로부터 출력되는 토크의 가속도인 토크 가속도가, 「샤프트(60)의 외벽(611)이 임펠러(80)의 내벽(811)에 충돌할 때의 충돌 응력이 소정값 이하로 되는 정도」의 소정 범위 내가 되도록, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어하기 위해서, 시각 t1 이후의 전류값의 기울기는, 비교적 작아진다.

또한, 본 실시 형태에서는, 토크 가속도 제어부(93)는, PI 제어에 의해 토크 가속도가 소정의 목표값이 되도록, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어하기 때문에, 시각 t4에서 전류값이 소정의 목적값 Ia에 수렴된다.

시각 t6에서 로터(50)의 위치 결정이 완료되면, 마이크로컴퓨터(91)는 권선(40)에의 통전을 정지하기 때문에, 전류값은 0이 된다.

시각 t6의 시점에서 로터(50)는 「구동 개시 위치」에 위치 결정된 상태이기 때문에, 시각 t7에서 브러시리스 모터(4)의 통상의 구동 제어를 개시할 수 있다. 시각 t7 이후, 브러시리스 모터(4)의 통상의 구동 제어 개시(기동)에 수반하여, 브러시리스 모터(4)에 전류가 흐른다.

여기서, 비교예의 구동 제어 장치의 작동예를 도 8에 나타내는 것에 의해, 제1 실시 형태의 비교예에 대한 유리한 점을 밝힌다.

도 8에, 비교예의 구동 제어 장치에 의해, 로터(50)가 정지되어 있는 상태로부터, 브러시리스 모터(4)의 통상의 구동 제어가 개시된 후까지의, 브러시리스 모터(4)에 흐르는 전류의 값(전류값)의 시간의 경과에 수반하는 변화를 나타낸다. 비교예의 구동 제어 장치는, 물리적인 구성은 본 실시 형태의 구동 제어 장치(90)와 마찬가지이지만, 로터(50)의 위치 결정 시, 샤프트(60)의 충돌 에너지를 완화시키는 제어를 행하지 않는다. 그 때문에 비교예에서는, 본 실시 형태의 전류 목적값 Ia에 대하여 약 2배의 전류값 Ib를 목적값으로 하고 있다. 또한, PI 제어를 행하지 않는 제1 비교예를 파선으로 나타내고, PI 제어를 행하는 제2 비교예를 이점쇄선으로 나타낸다.

제1 비교예에서는, 전류값이 목적값 Ib에 대하여 오버슈트, 언더슈트를 반복하면서 가까워진다. 시각 t1 이후, 전류값은, 본 실시 형태의 목적값 Ia의 3배 이상인 최댓값 IbMAX까지 급상승한다. 그 후, 시각 t6까지의 사이, 전류값은, Ia 보다 큰 범위에서 변동된다. 제2 비교예에서는, 전류값은, 시각 t1부터 시각 t6의 사이에 전체적으로 본 실시 형태의 약 2배가 되어, 목적값 Ib에 수렴된다.

이와 같이, 비교예의 구동 제어 장치의 경우, 로터(50)의 위치 결정 시에 브러시리스 모터(4)에 흐르는 전류값이 크기 때문에, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌할 때의 충돌 응력이 커질 우려가 있다. 그에 비해 본 실시 형태의 구동 제어 장치(90)에서는, 로터(50)의 위치 결정 시에 브러시리스 모터(4)에 흐르는 전류값이 작기 때문에, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌할 때의 충돌 응력을 작게 할 수 있다.

이상 설명한 제1 실시 형태의 작용 효과에 대해서 설명한다.

본 실시 형태의 구동 제어 장치(90)는, 복수상의 권선(40)[U상 권선(41), V상 권선(42), W상 권선(43)]이 권회된 스테이터(30), 당해 스테이터(30)에 대하여 상대 회전 가능하게 설치되는 로터(50) 및 당해 로터(50)의 중심에 설치되어 단부(61)가 임펠러(80)의 구멍부(81)에 삽입 끼움되어 로터(50)와 함께 회전하는 샤프트(60)를 갖는 브러시리스 모터(4)의 구동을 제어하는 구동 제어 장치(90)이며, 마이크로컴퓨터(91)를 구비하고 있다.

마이크로컴퓨터(91)는, 전류, 전압, 또는 전력 중 적어도 하나를 포함하는 통전 출력을 조작해서 권선(40)에 공급하는 전력을 제어함으로써 로터(50)의 회전을 제어할 수 있다.

마이크로컴퓨터(91)는, 위치 결정부(920) 및 토크 가속도 제어부(93)를 갖는다.

위치 결정부(920)는, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어를 개시하기 전, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어함으로써, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어를 개시 가능한 스테이터(30)에 대한 로터(50)의 위치인 구동 개시 위치에 로터(50)를 위치 결정한다.

토크 가속도 제어부(93)는, 위치 결정부(920)에 의해 로터(50)를 위치 결정할 때, 브러시리스 모터(4)의 샤프트(60)로부터 출력되는 토크의 가속도인 토크 가속도가, 「샤프트(60)의 단부(61)의 외벽이 임펠러(80)의 구멍부(81)의 내벽에 충돌할 때의 충돌 응력이 소정값 이하로 되는 정도」의 소정 범위 내가 되도록, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어한다.

그로 인해, 본 실시 형태에서는, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어를 개시하기 전, 로터(50)의 위치 결정을 할 때, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌할 때의 충돌 응력을 소정값 이하로 할 수 있다. 이에 의해, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌하는 것에 의한 임펠러(80)의 마모 및 파손 등을 억제할 수 있다. 이 효과는, 특히 소정 기간 내의 온 오프 횟수가 많은 브러시리스 모터(4)를 구동 제어하는 경우에 현저해진다.

또한, 본 실시 형태에서는, 위치 결정부(920)는, 위치 검출부(921), 위치 결정부(922) 및 위치 결정 처리부(923)를 갖는다. 위치 검출부(921)는, 권선(40)에 통전함으로써, 정지되어 있는 로터(50)를 회전시켜, 로터(50)의 스테이터(30)에 대한 위치를 검출한다. 위치 결정부(922)는, 위치 검출부(921)가 검출한 로터(50)의 위치에 기초하여, 「구동 개시 위치」를 결정한다. 위치 결정 처리부(923)는, 위치 결정부(922)가 결정한 「구동 개시 위치」에 로터(50)를 위치 결정하도록, 권선(40)에 대한 통전을 전환하여 로터(50)를 회전시킨다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 로터(50)의 위치를 검출하고, 검출한 로터(50)의 위치에 기초하여 「구동 개시 위치」를 결정하고, 결정한 「구동 개시 위치」에 로터(50)를 위치 결정한다. 그로 인해, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어 개시까지 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 브러시리스 모터(4)는, 스테이터(30)에 3상 권선(40)이 권회된 3상 브러시리스 모터이다. 위치 검출부(921)는, 2상의 권선(40)에 통전하여, 비통전상에 발생하는 유기 전압에 기초하여 로터(50)의 위치를 검출한다. 위치 결정 처리부(923)는, 3상의 권선(40)에 통전하여, 로터(50)를 위치 결정한다. 이와 같이, 본 개시는, 일반적으로 널리 사용되는 3상 브러시리스 모터에 적절하게 적용된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 토크 가속도 제어부(93)는, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌한 후의 토크 가속도가, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌하기 전의 토크 가속도보다 커지도록, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어한다.

이에 의해, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌할 때의 충돌 응력을 억제하면서, 로터(50)를 「구동 개시 위치」에 빠르게 위치 결정할 수 있다. 그로 인해, 브러시리스 모터(4)의 구동 제어 개시까지 필요로 하는 시간을 더욱 단축할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 토크 가속도 제어부(93)는, PI 제어에 의해 토크 가속도가 소정의 목표값이 되도록, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어한다. 그로 인해, 샤프트(60)의 토크 가속도를 목표값에 원활하게 접근시키는 동시에 목표값과의 잔류 오차를 없앨 수 있다. 또한, 대폭적인 오버슈트를 회피함으로써, 샤프트(60)의 토크 가속도를 소정값(목표값) 이하로 유지할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 연료 펌프 구동 시스템(100)은, 연료 펌프(1)와, 브러시리스 모터(4)의 구동을 제어하는 상술한 구동 제어 장치(90)를 구비한다.

연료 펌프(1)는, 샤프트(60)가 회전하여 토크를 출력 가능한 브러시리스 모터(4), 브러시리스 모터(4)를 수용하는 하우징(5), 흡입부(11)를 가지며 하우징(5)의 한쪽 단부를 막는 펌프 커버(10), 토출부(21)를 가지며 하우징(5)의 다른 쪽 단부를 막는 커버 엔드(20), 및 중앙에 형성된 구멍부(81)에 샤프트(60)의 단부(61)가 삽입 끼움되어 샤프트(60)와 함께 회전함으로써 흡입부(11)로부터 유입된 연료를 가압하여 토출부(21)로부터 토출하는 임펠러(80)를 구비하고 있다.

본 실시 형태의 연료 펌프 구동 시스템(100)에서는, 구동 제어 개시 전의 로터(50)의 위치 결정 시, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌할 때의 충돌 응력을 소정값 이하의 작은 값으로 할 수 있다. 그로 인해, 연료 펌프(1)의 임펠러(80)의 마모 및 파손을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 연료 펌프(1)의 샤프트(60)의 단부(61)는, 축에 수직인 면에 의한 단면이 D자 형상으로 되도록 형성되어 있다. 또한, 임펠러(80)의 구멍부(81)는, 샤프트(60)의 단부(61)의 단면 형상에 대응하도록 D자 형상으로 형성되어 있다. 또한, 샤프트(60)의 단부(61)가 구멍부(81)에 삽입 끼움된 상태에서, 샤프트(60)의 단부(61)와 구멍부(81) 사이에 소정의 클리어런스가 형성되어 있다. 이와 같은 구성의 연료 펌프(1)에 대하여 상술한 구동 제어 장치(90)에 의한 충돌 응력 완화 제어에 의해 로터(50)의 위치 결정을 행하면, 임펠러(80)의 마모 및 파손을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

(제2 내지 제4 실시 형태)

이어서, 본 개시의 제2 내지 제4 실시 형태의 구동 제어 장치에 의한 로터 위치 결정 시의 충돌 응력 완화 제어에 대해서, 도 9 내지 도 12를 참조하여 설명한다.

처음에, 각 실시 형태에 공통되는 기술적 사상이나 용어 및 각 도면에서 공통되게 사용하는 기호에 대해서 설명한다. 도 9 내지 도 12는, 시간의 경과에 수반하는 통전 출력의 변화를 나타내는 타임차트이다. 상술한 도 8에서는, 브러시리스 모터(4)에 실제로 흐르는 전류값을 종축에 나타내고 있는 데 반해, 도 9 내지 도 12의 종축에는, 마이크로컴퓨터(91)가 「통전 출력」으로서 3상 인버터(95)에 명령하는 전류(목표값)을 나타내고 있다. 단, 피드백(PI) 제어가 행해지는 것을 전제로 해서, 실제값과 목표값은 일치하고 있는 것으로 한다.

각 실시 형태의 위치 결정 제어에 있어서, 위치 검출부(921)에 의해 로터(50)의 위치를 검출할 때의 통전 출력의 값을 「제1 출력값」이라고 한다. 예를 들어, 제1 출력값은, 2상 통전에 의해 비통전상에 발생하는 유기 전압을 검출하고, 그 유기 전압에 기초하여 로터(50)의 위치를 검출할 때의 통전 출력의 값에 상당한다.

또한, 위치 결정부(922)가 구동 개시 위치를 결정하고, 통전을 전환한 후, 위치 결정 처리부(923)에 의한 위치 결정 처리에 있어서, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌할 때까지의 3상 통전의 통전 출력의 값을 「제2 출력값」이라 한다.

제1 내지 제4 실시 형태에서는, 마이크로컴퓨터(91)는, 통전 출력으로서 「전류」를 조작함으로써 3상 인버터(95)로부터 권선(40)으로 공급하는 전력을 제어한다. 따라서, 제1 출력값의 기호를 「I1」, 제2 출력값의 기호를 「I2」라 나타낸다. 이 예 외에, 마이크로컴퓨터(91)는, 통전 출력으로서, 전압 또는 전력을 조작해도 된다.

제1 출력값 I1이 너무 작으면, 샤프트(60)의 토크 가속도가 충분히 올라가지 않아, 비통전상의 유기 전압을 검출하기 위해 필요한 회전수에 도달하지 못할 가능성이 있다. 그러면, 브러시리스 모터(4)의 기동성이 저하되게 되기 때문에, 적어도 제1 출력값 I1의 최댓값이, 유기 전압을 검출할 수 있는 회전수에 도달하기 위한 하한값을 상회하도록 설정할 필요가 있다. 이 제1 출력값 I1의 하한값을 「I1MIN」이라 한다.

또한, 제2 출력값 I2가 너무 크면, 샤프트(60)의 외벽이 충돌했을 때의 충돌 응력에 의해, 임펠러(80)가 마모 또는 파손될 우려가 있다. 따라서, 제2 출력값 I2는, 임펠러(80)의 마모 및 파손을 회피할 수 있도록, 어느 상한값을 하회하도록 설정할 필요가 있다. 이 제2 출력값 I2의 상한값을 「I2MAX」라 한다.

계속해서, 도 9 내지 도 12의 횡축에 공통으로 나타내는 시각 t0 내지 t7의 의미에 대해서 설명한다.

시각 t0 내지 t1(구간 I)은 로터(50)의 정지 시간이다.

시각 t1에서 위치 검출을 위한 2상 통전이 개시되고, 시각 t1 내지 t2(구간 II)에, 유기 전압에 기초하여 로터(50)의 위치가 검출된다. 이때의 통전 출력의 값이 제1 출력값 I1이다.

시각 t2에서 2상 통전으로부터 3상 통전으로 전환되어, 시각 t2 내지 t4(구간 III) 사이에 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌한다. 여기서, 통전을 전환한 시각 t2에 있어서의 샤프트(60)의 초기 위치에 따라서, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌할 때까지의 시간은 변화되기 때문에, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌하는 「가장 느린 타이밍」을 시각 t4에 설정한다. 이때의 통전 출력의 값이 제2 출력값 I2이다.

시각 t4 내지 t6(구간 IV)에서는, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌한 후, 로터(50)가 회전하고, 구동 개시 위치에 위치 결정된다. 이 단계에서의 통전 출력의 허용 최댓값은, 제2 출력값 I2보다 큰 제3 출력값 I3으로 한다.

시각 t6에서 로터(50)의 위치 결정이 완료되면, 시각 t6 내지 t7(구간 V)에서 전류값을 일단 0으로 한 후, 시각 t7에서 브러시리스 모터(4)를 기동(구동 제어를 개시)한다. 시각 t7 이후(구간 VI), 브러시리스 모터(4)는 구동 제어되면서 정회전 방향으로 회전한다.

시각 t0 내지 t1 및 시각 t6 내지 t7에 있어서의 거동은, 도 9 내지 도 12에서 공통이다. 또한, 도 9에서만 사용되는 시각 t3 및 도 10에서만 사용되는 시각 t5에 대해서는, 각 도면의 설명에서 기술한다.

도 9에는, 제1 실시 형태에 따른 전류 변화를 실선으로 나타내고, 도 8과 마찬가지인 비교예의 전류 변화를 이점쇄선으로 나타내고 있다. 제1 실시 형태 및 비교예에서는, 2상 통전으로부터 3상 통전으로의 전환 시각 t2에서의 전후에서 전류를 변화시키지 않고 있다. 따라서, 시각 t2에서의 전류의 기울기는 일정해서, 시각 t1 내지 t2에 있어서의 제1 출력값 I1의 증가 구배를 그대로 시각 t2 후로 연장한 값이 제2 출력값 I2로 되어 있다. 즉, 제1 실시 형태 및 비교예에서는, 결과적으로 제2 출력값 I2는 제1 출력값 I1보다 크게 설정되어 있다.

비교예에서는, 시각 t1에서의 제1 출력값 I1의 개시값 I1s로부터 시각 t3에서 제3 출력값 I3에 도달할 때까지, 전류를 일정 구배로 증가시키고 있고, 시각 t4에 있어서의 전류는, 제2 출력값 I2의 상한값 I2MAX를 초과하고 있다. 그로 인해, 시각 t2 내지 t4(구간 III) 사이의 어느 시점의 타이밍 C에서 임펠러(80)에 크랙이 발생할 가능성이 있다.

한편, 제1 실시 형태에서는, 임펠러(80)의 마모나 파손을 회피하기 위해서, 제1 출력값 I1의 개시값 I1s로부터의 전류 구배를 작게 함으로써, 시각 t4에 있어서의 제2 출력값 I2(t4)인 종료값 I2e가 제2 출력값 I2의 상한값 I2MAX를 하회하도록 설정되어 있다. 따라서, 샤프트(60)의 충돌 시에 있어서의 충돌 응력을 완화시킬 수 있다.

여기서, 제1 출력값 I1의 하한값이 파선으로 나타내는 I1'MIN과 같이 비교적 작은 경우, 제1 실시 형태에서도 브러시리스 모터(4)의 기동성을 확보할 수 있다. 그러나, 제1 출력값 I1의 하한값이 실선으로 나타내는 I1MIN과 같이 비교적 큰 경우, 시각 t2에 있어서의 제1 출력값 I1(t2)이 I1MIN을 하회하기 때문에, 유기 전압을 검출할 수 있는 회전수에 도달하지 못할 가능성이 있다.

따라서, 이하의 제2 내지 제4 실시 형태는, 제1 출력값 I1의 하한값 I1MIN이 비교적 큰 경우에도, 브러시리스 모터(4)의 기동성의 향상과, 임펠러(80)의 파손 방지를 적절하게 양립시킬 것을 목적으로 하는 것이다. 이들 실시 형태에서는, 2상 통전으로부터 3상 통전으로 전환하는 시각 t2의 전후에서의 통전 출력을 구별하여, 시각 t2 후의 제2 출력값 I2가 시각 t2 전의 제1 출력값 I1보다 작게 설정되는 것을 특징으로 한다.

도 10에 도시하는 제2 실시 형태에서는, 제1 출력값 I1은, 시각 t1의 개시값 I1s로부터 시각 t2의 종료값 I1e까지 일정 구배로 증가한다.

시각 t2에서 통전을 전환했을 때, 제2 출력값 I2의 개시값 I2s는, 제1 출력값의 종료값 I1e로부터 내려간 값으로 설정된다. 제2 출력값 I2는, 시각 t2의 개시값 I2s로부터 시각 t4의 종료값 I2e까지 일정 구배로 증가한다. 시각 t4 후에도 전류는 동일한 구배로 증가하고, 시각 t5에서 제3 출력값 I3에 도달하고 나서는 시각 t6까지 일정값(I3)을 유지한다.

이와 같이, 제2 실시 형태에서는 전류는 톱 형상으로 변화된다. 또한, 제1 출력값의 종료값 I1e는 하한값 I1MIN을 상회하도록 설정되고, 제2 출력값의 종료값 I2e는 상한값 I2MAX를 하회하도록 설정되어 있다.

이와 같이 제2 실시 형태에서는, 토크 가속도 제어부(93)는, 「위치 검출부(921)에 의해 로터(50)의 위치를 검출할 때의 통전 출력의 값인 제1 출력값 I1」에 대하여, 「위치 결정부(922)가 구동 개시 위치를 결정하고, 통전을 전환한 후, 위치 결정 처리부(923)에 의한 위치 결정 처리에 있어서, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌할 때까지의 통전 출력의 값인 제2 출력값 I2」을 작게 설정한다.

이에 의해, 위치 검출 시에는, 제1 출력값 I1을 크게 해서 유기 전압을 충분히 검출하기 위한 회전수에 도달할 수 있다. 한편, 위치 결정 처리에서의 샤프트(60)의 충돌 시에는, 제2 출력값 I2를 작게 해서 충돌 에너지를 억제하여, 충돌 응력을 완화시킬 수 있다. 따라서, 브러시리스 모터(4)의 기동성의 향상과, 임펠러(80)의 파손 방지를 적절하게 양립시킬 수 있다.

이하의 제3, 제4 실시 형태에 대해서는, 전술한 실시 형태와의 상위점만을 설명한다.

도 11에 도시하는 제3 실시 형태는, 제2 실시 형태에 대하여, 시각 t2 내지 t4에 있어서의 제2 출력값 I2가 일정하게 설정되어 있고, 시각 t4에서, 전류는 제2 출력값 I2부터 제3 출력값 I3까지 스텝 형상으로 증가하고 있다.

상술한 바와 같이, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌하는 시각은, 샤프트(60)의 초기 위치에 따라 변화되기 때문에, 시각 t2부터 제2 출력값 I2를 점증시키는 제2 실시 형태에서는, 충돌 시의 전류에 편차가 발생한다. 따라서, 제3 실시 형태에서는, 제2 출력값 I2를 일정하게 함으로써, 샤프트(60)의 초기 위치에 상관없이 충돌 시의 충돌 에너지를 같은 것으로 해서, 제품 품질을 안정시킬 수 있다. 또한, 상한값 I1MIN을 보다 낮게 설정함으로써, 마모나 파손의 발생에 대한 안전율을 크게 할 수 있다.

도 12에 나타내는 제4 실시 형태는, 제3 실시 형태에 대하여, 시각 t1에서 전류가 0부터 제1 출력값 I1까지 스텝 형상으로 증가하여, 시각 t1 내지 t2에 있어서의 제1 출력값 I1이 일정하게 설정되어 있다. 이에 의해, 위치 검출 시에 회전수를 급격하게 상승시킴으로써, 위치 검출의 시간을 단축할 수 있다.

(다른 실시 형태)

본 개시의 다른 실시 형태에서는, 위치 결정부(920)는, 위치 검출부(921)에 의한 위치 검출이나 위치 결정부(922)에 의한 「구동 개시 위치」의 결정을 행하지 않고, 로터(50)를 위치 결정해도 된다. 예를 들어 일본특허공개 평4-312390호 공보에 기재된 바와 같이, 어떤 고정된 상에 일정 시간 통전해서 제1 위치 결정을 하고, 그 후 나머지 상에도 일정 시간 통전해서 제2 위치 결정을 하는 것에 의해서도 로터(50)를 위치 결정할 수 있다.

또한, 본 개시의 다른 실시 형태에서는, 위치 결정부(920)는, 로터(50)의 위치 결정을 행할 때, 2회에 한하지 않고, 권선(40)에 대하여 몇번 통전해도 된다. 즉, 권선(40)에의 통전을 몇번 전환해도 된다. 예를 들어 로터(50)의 위치 검출을 위해 복수회, 로터(50)의 위치 결정을 위해 복수회 통전해도 된다.

또한, 본 개시의 다른 실시 형태에서는, 토크 가속도 제어부(93)는, 샤프트(60)의 외벽이 임펠러(80)의 내벽에 충돌한 후의 토크 가속도가, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌하기 전의 토크 가속도보다 커지도록, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어하지 않는 것으로 해도 된다. 즉, 샤프트(60)가 임펠러(80)에 충돌하는 전과 후에 있어서 토크 가속도를 동일하게 제어해도 되고, 충돌 전보다 충돌 후의 토크 가속도가 작아지도록 제어하는 것으로 해도 된다.

또한, 본 개시의 다른 실시 형태에서는, 토크 가속도 제어부(93)는, PI 제어에 의해 토크 가속도가 소정의 목표값이 되도록, 권선(40)에 공급하는 전력을 제어하지 않는 것으로 해도 된다. 즉, 적분 제어를 행하지 않는 비례 제어 등, PI 제어 이외의 방법으로 토크 가속도를 제어하는 것으로 해도 된다.

또한, 본 개시의 다른 실시 형태에서는, 연료 펌프의 샤프트 단부의 단면 형상 및 임펠러의 구멍부의 형상은, D자 형상에 한하지 않으며, 예를 들어 I자 형상, 다각 형상 등 어떤 형상이어도 된다. 또한, 샤프트와 임펠러란, 예를 들어 스플라인 결합에 의해 결합되는 것으로 해도 된다.

또한, 본 개시의 구동 제어 장치는, 3상 브러시리스 모터에 한하지 않고, 4상 이상의 복수상의 권선이 권회된 고정자를 갖는 브러시리스 모터의 구동 제어에 사용되어도 된다. 또한, 연료 펌프의 브러시리스 모터의 구동 제어에 한하지 않고, 다른 기기 등에 설치되는 브러시리스 모터의 구동 제어에 사용되어도 된다.

이와 같이, 본 개시는, 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 형태로 적용 가능하다.

Claims (9)

1. 복수상의 권선(40, 41, 42, 43)이 권회된 고정자(30), 당해 고정자에 대해 상대 회전 가능하게 설치되는 회전자(50) 및 당해 회전자의 중심에 설치되어 단부(61)가 회전 부재(80)의 구멍부(81)에 삽입 끼움되어 상기 회전자와 함께 회전하는 샤프트(60)를 갖는 브러시리스 모터(4)의 구동을 제어하는 구동 제어 장치(90)이며,
   전류, 전압, 또는 전력 중 적어도 하나를 포함하는 통전 출력을 조작해서 상기 권선에 공급하는 전력을 제어함으로써 상기 회전자의 회전을 제어 가능한 제어부(91)를 구비하고,
   상기 제어부는,
   상기 브러시리스 모터의 구동 제어를 개시하기 전, 상기 권선에 공급하는 전력을 제어함으로써, 상기 브러시리스 모터의 구동 제어를 개시 가능한 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 위치인 구동 개시 위치에 상기 회전자를 위치 결정하는 위치 결정부(920) 및
   상기 위치 결정부에 의해 상기 회전자를 위치 결정할 때, 상기 샤프트로부터 출력되는 토크의 시간적 변화인 토크 가속도가, 상기 샤프트의 외벽이 상기 회전 부재의 내벽에 충돌할 때의 충돌 응력이 소정값 이하로 되는 정도의 소정 범위 내가 되도록, 상기 권선에 공급하는 전력을 제어하는 토크 가속도 제어부(93)를 갖는 것을 특징으로 하는, 구동 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 위치 결정부는,
   복수상의 상기 권선에 통전함으로써, 정지되어 있는 상기 회전자를 회전시키고, 상기 회전자의 상기 고정자에 대한 위치를 검출하는 위치 검출부(921)와,
   상기 위치 검출부가 검출한 상기 회전자의 위치에 기초하여 상기 구동 개시 위치를 결정하는 위치 결정부(922)와,
   상기 위치 결정부가 결정한 상기 구동 개시 위치에 상기 회전자를 위치 결정하도록, 복수상의 상기 권선에 대한 통전을 전환하여 상기 회전자를 회전시키는 위치 결정 처리부(923)를 갖는 것을 특징으로 하는, 구동 제어 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 토크 가속도 제어부는,
   상기 위치 검출부에 의해 상기 회전자의 위치를 검출할 때의 상기 통전 출력의 값인 제1 출력값에 대하여,
   상기 위치 결정부가 상기 구동 개시 위치를 결정하고, 통전을 전환한 후, 상기 위치 결정 처리부에 의한 위치 결정 처리에 있어서, 상기 샤프트의 외벽이 상기 회전 부재의 내벽에 충돌할 때까지의 상기 통전 출력의 값인 제2 출력값을 작게 설정하는 것을 특징으로 하는, 구동 제어 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2 출력값은, 일정하게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 구동 제어 장치.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 브러시리스 모터는, 상기 고정자에 3상 권선이 권회된 3상 브러시리스 모터이고,
   상기 위치 검출부는, 2상의 상기 권선에 통전하여, 비통전상에 발생하는 유기 전압에 기초하여 상기 회전자의 위치를 검출하고,
   상기 위치 결정 처리부는, 3상의 상기 권선에 통전하고, 상기 회전자를 위치 결정하는 것을 특징으로 하는, 구동 제어 장치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 토크 가속도 제어부는,
   상기 샤프트의 외벽이 상기 회전 부재의 내벽에 충돌한 후의 상기 토크 가속도가, 상기 샤프트가 상기 회전 부재에 충돌하기 전의 상기 토크 가속도보다 커지도록, 상기 권선에 공급하는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는, 구동 제어 장치.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 토크 가속도 제어부는,
   PI 제어에 의해 상기 토크 가속도가 소정의 목표값이 되도록, 상기 권선에 공급하는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는, 구동 제어 장치.
8. 샤프트(60)가 회전하여 토크를 출력 가능한 브러시리스 모터(4), 상기 브러시리스 모터를 수용하는 하우징(5), 흡입부(11)를 가지며 상기 하우징의 한쪽 단부를 막는 펌프 커버(10), 토출부(21)를 가지며 상기 하우징의 다른 쪽 단부를 막는 커버 엔드(20), 및 중앙에 형성된 구멍부(81)에 상기 샤프트의 단부(61)가 삽입 끼움되어 상기 샤프트와 함께 회전함으로써 상기 흡입부로부터 유입된 연료를 가압하여 상기 토출부로부터 토출하는 회전 부재(80)를 구비하는 연료 펌프(1)와,
   상기 브러시리스 모터의 구동을 제어하는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 구동 제어 장치(90)를 포함하는, 연료 펌프 구동 시스템(100).
9. 제8항에 있어서,
   상기 샤프트의 단부는, 축에 수직인 면에 의한 단면이 D자 형상으로 되도록 형성되고,
   상기 구멍부는, 상기 샤프트 단부의 단면 형상에 대응하도록 D자 형상으로 형성되고,
   상기 샤프트의 단부가 상기 구멍부에 삽입 끼움된 상태에서, 상기 샤프트의 단부와 상기 구멍부 사이에 소정의 클리어런스가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 펌프 구동 시스템.

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