JP6354466B2

JP6354466B2 - 車両空調機用モータ制御装置

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Publication number: JP6354466B2
Application number: JP2014177005A
Authority: JP
Inventors: 秀宣鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: JP2016052203A

Description

本発明は、車両空調機用モータ制御装置に関する。

車両空調機用モータであるブロアモータ（以下、「モータ」と略記）の駆動制御を行う回路にはスイッチング素子としてＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の半導体が実装されている。これらＦＥＴ等の半導体は、所定の温度以上になると損傷するおそれがある。

ＦＥＴ等の半導体の熱による損傷を防止すために、回路が過熱した場合には、一時的にモータの回転を停止することが行われているが、モータを停止すると車両用空調機も停止するので、車室内の快適性が損なわれる。また、モータを停止させると、モータの回転による回路への送風も停止するので、過熱した回路の冷却に時間がかかり、車両空調機の再作動が遅延するという問題があった。

特許文献１には、回路が過熱してもモータを停止させず、モータの回転を一時的に低下させて、過熱状態を解消する自動車用空調装置のパワートランジスタ過熱防止装置の発明が開示されている。

特開平８−２０４０７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の自動車用空調装置のパワートランジスタ過熱防止装置は、回路の過熱状態が解消した場合には、過熱状態になる前の回転速度になるように、モータに印加する電圧を制御している。その結果、一時的に低下したモータの回転速度が、急加速して低下前の回転速度に復帰するため、ユーザに違和感を与えるという問題があった。

図５は、過熱状態になったモータの回転制御における目標回転速度９０及び実際の回転速度である実回転速度９２の各々の変化の一例を示した概略図である。図５では、時刻ｔ１でモータ又はモータの駆動制御を行う回路が過熱状態になったので、時刻ｔ２までにモータの回転速度を所定の速度まで低下させて、過熱状態が解消するまで、当該所定の速度での回転を維持させる。

図５の時刻ｔ３で過熱状態が解消した場合、モータの回転速度を目標回転速度９０まで復帰させるが、時刻ｔ３における目標回転速度９０と実回転速度９２との偏差が大きいので、モータの回転速度を急激に上げる制御が実行される。その結果、時刻ｔ４でモータの実回転速度９２は目標回転速度９０に達するものの、急激な回転速度の上昇は、ユーザに違和感を与える。また、回転速度の急激な上昇は、モータの回転速度の安定性を損なう場合があり、図５の時刻ｔ４以降の実回転速度９２の変化に見られるように、モータの回転速度が小刻みに変動するリップルと呼ばれる現象が発生する場合があった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、低下したモータの回転速度を違和感なく復帰させる車両空調機用モータ制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１記載の車両空調機用モータ制御装置は、モータの負荷を示す物理量を検知する物理量検知部と、前記モータを駆動する駆動部と前記モータの実回転速度を検知する回転速度検知部と、前記モータの起動時に前記物理量検知部で検知された物理量が閾値未満の場合には、指令値が示す指令目標回転速度に基づいて、前記モータの回転速度が停止状態から前記指令目標回転速度まで予め定めた加速度で上昇して前記指令目標回転速度で回転し、前記モータの起動後、前記物理量検知部で検知された物理量が前記閾値以上になった場合には、前記モータの回転速度を前記指令目標回転速度より低い所定回転速度に低下させ、かつ前記モータの回転速度が低下した後、前記物理量検知部で検知された物理量が前記閾値未満となった場合に前記回転速度検知部が検知した前記モータの実回転速度を暫定目標回転速度に設定し、該暫定目標回転速度に所定の速度操作量を所定の実行タイミング毎に逐次加算して該暫定目標回転速度を前記指令目標回転速度まで徐々に上昇させると共に、前記モータの実回転速度が、前記指令目標回転速度まで徐々に上昇させる前記暫定目標回転速度になるように前記駆動部を制御する前記モータに取り付けられた制御部と、を含んでいる。

この車両空調機用モータ制御装置は、モータの負荷を示す物理量が閾値を超えたことで低下させたモータの実回転速度を指令値まで徐々に上昇させることにより、低下したモータの回転速度を違和感なく復帰させることができる。

請求項２記載の車両空調機用モータ制御装置は、請求項１記載の車両空調機用モータ制御装置において、前記物理量は、前記モータ又は前記モータの回路の温度、前記駆動部の電流及び電源電圧のうちのいずれか１つである。

この車両空調機用モータ制御装置によれば、検知が容易な温度、電流又は電圧に基づいて、モータの負荷を判定できる。

本発明の実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置を用いたモータユニットの構成を示す概略図である。本発明の実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置の概略を示す図である。本発明の実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置におけるフェール検出後のモータの回転制御における目標回転速度、実際の回転速度である実回転速度及び指令値の各々の変化の一例を示した概略図である。本発明の実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置の目標回転速度演算処理の一例を示すフローチャートである。過熱状態になったモータの回転制御における目標回転速度及び実際の回転速度である実回転速度の各々の変化の一例を示した概略図である。

図１は、本実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置２０を用いたモータユニット１０の構成を示す概略図である。図１の本実施の形態に係るモータユニット１０は、一例として車載エアコンの送風に用いられる、いわゆるブロアモータのユニットである。

本実施の形態に係るモータユニット１０は、ステータ１４の外側にロータ１２が設けられた、アウターロータ構造の三相モータに係るものである。ステータ１４はコア部材に導線が巻かれた電磁石であって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相を構成している。ステータ１４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各々は、後述する車両空調機用モータ制御装置２０の制御により、電磁石で発生する磁界の極性が切り替えられることにより、いわゆる回転磁界を発生する。

ロータ１２の内側（図示せず）にはロータマグネットが設けられており、ロータマグネットは、ステータ１４で生じた回転磁界に対応することにより、ロータ１２を回転させる。ロータ１２にはシャフト１６が設けられており、ロータ１２と一体になって回転する。図１には示していないが、本実施の形態ではシャフト１６には、いわゆるシロッコファン等の多翼ファンが設けられ、当該多翼ファンがシャフト１６と共に回転することにより、車載エアコンにおける送風が可能となる。

ステータ１４は、上ケース１８を介して、車両空調機用モータ制御装置２０に取り付けられる。車両空調機用モータ制御装置２０は、車両空調機用モータ制御装置２０の基板２２と、基板２２上の素子から生じる熱を放散するヒートシンク２４とを備えている。ロータ１２、ステータ１４及び車両空調機用モータ制御装置２０を含んで構成されるモータユニット１０には、下ケース６０が取り付けられる。

図２は、本実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置２０の概略を示す図である。インバータ回路４０は、モータ５２のステータ１４のコイルに供給する電力をスイッチングする。例えば、インバータＦＥＴ４４Ａ，４４ＤはＵ相のコイル１４Ｕに、インバータＦＥＴ４４Ｂ，４４ＥはＶ相のコイル１４Ｖに、インバータＦＥＴ４４Ｃ，４４ＦはＷ相のコイル１４Ｗに、各々供給する電力のスイッチングを行う。

インバータＦＥＴ４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃの各々のドレインは、ノイズ除去用のチョークコイル４６を介して車載のバッテリ８０の正極に接続されている。また、インバータＦＥＴ４４Ｄ，４４Ｅ，４４Ｆの各々のソースは、逆接防止ＦＥＴ４８を介してバッテリ８０の負極に接続されている。

本実施の形態では、シャフト１６と同軸に設けられたロータマグネット１２Ａ又はセンサマグネットの磁界をホール素子１２Ｂが検出する。マイコン３２は、ホール素子１２Ｂにより検出された磁界に基づいてロータ１２の回転速度及び位置（回転位置）を検出し、ロータ１２の回転速度及び回転位置に応じてインバータ回路４０のスイッチングの制御を行う。

マイコン３２には、エアコンのスイッチ操作に対応してエアコンを制御するエアコンＥＣＵ８２からのロータ１２の回転速度に係る指令値を含む制御信号が入力される。また、マイコン３２には、サーミスタ５４Ａと抵抗５４Ｂとで構成された分圧回路５４と、インバータ回路４０とバッテリ８０の負極との間に設けられた電流センサ５６とが接続されている。

分圧回路５４を構成するサーミスタ５４Ａは、回路の基板２２の温度に応じて抵抗値が変化するので、分圧回路５４が出力する信号の電圧は基板２２の温度に応じて変化する。マイコン３２は、分圧回路５４から出力される信号の電圧の変化に基づいて、基板２２の温度を算出する。本実施の形態では、便宜上、分圧回路５４から出力される信号をサーミスタ５４Ａの検知結果に基づく信号とする。また、本実施の形態では、サーミスタ５４Ａの検知結果に基づいて算出された回路の基板２２の温度を、サーミスタ５４Ａが検知した回路の基板２２の温度とする。

電流センサ５６は、例えば、シャント抵抗５６Ａとシャント抵抗５６Ａの両端の電位差を増幅するアンプ５６Ｂとを有している。マイコン３２は、アンプ５６Ｂが出力した信号に基づいて、インバータ回路４０の電流を算出する。

本実施の形態では、サーミスタ５４Ａからの信号、電流センサ５６が出力した信号、及びホール素子１２Ｂが出力した信号は、マイコン３２内の温度保護制御部６２に入力される。温度保護制御部６２は、各々入力された信号に基づいて基板２２の素子の温度、インバータ回路４０の電流、及びロータ１２の回転速度等を算出する。また、温度保護制御部６２には、電源であるバッテリ８０が接続されており、温度保護制御部６２は、バッテリ８０の電圧を電源電圧として検知する。

エアコンＥＣＵ８２からの制御信号は、マイコン３２内の速度制御部６４に入力される。速度制御部６４には、ホール素子１２Ｂが出力した信号も入力される。速度制御部６４は、エアコンＥＣＵ８２からの制御信号並びにホール素子１２Ｂからの信号に基づくロータ１２の回転速度及び回転位置に基づいて、インバータ回路４０のスイッチングの制御に係るＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御のデューティ比を算出する。

速度制御部６４が算出したデューティ比を示す信号は、ＰＷＭ出力部６６と温度保護制御部６２とに入力される。温度保護制御部６２は、基板２２の温度、ロータ１２の回転速度及び車両空調機用モータ制御装置２０の回路の負荷に基づいて、速度制御部６４が算出したデューティ比を補正して、速度制御部６４にフィードバックする。回路の負荷は、例えば、インバータ回路４０の電流、電源電圧及びＰＷＭ出力部６６がインバータ回路４０に生成させモータ５２に印加する電圧のデューティ比である。本実施の形態では、一例として、インバータ回路４０の電流、電源電圧及び基板２２の温度を、負荷を示す物理量とする。なお、本実施の形態では、モータ５２の負荷及び車両空調機用モータ制御装置２０の回路の負荷を、モータの負荷として総称する。

温度保護制御部６２は、回路の基板２２の温度が所定の温度閾値以上に、インバータ回路４０の電流が所定の電流閾値以上に、電源電圧が所定の電源電圧閾値以上に、各々なった場合にモータ５２又は及び回路にフェールが検出されたと判定する。フェールを検出した場合、温度保護制御部６２は、モータ５２の回転速度を低下させるように、速度制御部６４が算出したデューティ比を補正して、速度制御部６４にフィードバックする。所定の温度閾値、所定の電流閾値及び所定の電源電圧閾値は、モータ５２及び車両空調機用モータ制御装置２０の仕様によって異なるので、コンピュータを用いたシミュレーション及び実機を用いた実験等を通じて具体的に決定する。

温度保護制御部６２には、記憶装置であるメモリ６８が接続されている。メモリ６８には、前述の所定の温度閾値、所定の電流閾値及び所定の電源電圧閾値並びにフェール検出時にモータ５２の回転速度を低下させるためのデューティ比の補正値等が記憶されている。

速度制御部６４は、温度保護制御部６２による補正を、例えばＰＩ制御によって自身が算出したデューティ比にフィードバックし、当該フィードバックを行ったデューティ比を示す信号をＰＷＭ出力部６６に出力する。ＰＷＭ出力部６６は、入力された信号が示すデューティ比の電圧を生成するようにインバータ回路４０のスイッチングを制御する。

続いて、本実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置２０の作用並びに効果について説明する。図３は、本実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置２０におけるフェール検出後のモータ５２の回転制御における目標回転速度９４、実際の回転速度である実回転速度９６及び指令値９８の各々の変化の一例を示した概略図である。

図３の時刻ｔ１まで目標回転速度９４は、エアコンＥＣＵ８２から入力される制御信号の指令値９８と同一の指令目標回転速度９４Ａである。時刻ｔ１までは、実回転速度９６が指令目標回転速度９４Ａになるようにモータ５２に印加される電圧のデューティ比が制御される。

図３の時刻ｔ１で回路の基板２２の温度が温度閾値以上になった等によってフェールが検出された場合、マイコン３２の温度保護制御部６２は、メモリ６８に記憶されているフェール検出時の補正値に基づいて速度制御部６４が算出したデューティ比を補正して、速度制御部６４にフィードバックする。その結果、モータ５２の実回転速度９６は時刻ｔ２までにＳ１からＳ２まで低下する。Ｓ１及びＳ２の具体的な数値は、モータ５２及び車両空調機用モータ制御装置２０の仕様によって異なるが、一例として、Ｓ１は４０００ｒｐｍ、Ｓ２は１０００ｒｐｍである。実回転速度９６がＳ１からＳ２まで低下する態様は、メモリ６８に記憶されている補正値に基づく。当該補正値がフェール検出後にデューティ比を急激に低下させるものの場合、モータ５２の実回転速度はＳ１からＳ２へ短時間で変化する。また、当該補正値がフェール検出後にデューティ比を緩慢に低下させるものの場合、モータ５２の実回転速度９６はＳ１からＳ２へと徐々に低下していく。

図３では、時刻ｔ１以降、指令値９８は時刻ｔ１以前と同じだが、目標回転速度９４は実回転速度９６と共に低下している。本実施の形態では、フェールが検出された場合、目標回転速度９４は指令値９８と同一にせず、低下した実回転速度９６に一致させた暫定目標回転速度９４Ｂとする。具体的には、フェール検出時に速度制御部６４は、指令値９８に代えて実回転速度９６を目標回転速度９４としている。すなわち、目標回転速度９４に実回転速度９６を代入して暫定目標回転速度９４Ｂを算出している。

図３の時刻ｔ１から時刻ｔ３までが目標回転速度９４に実回転速度９６を代入して暫定目標回転速度９４Ｂを算出する代入期間１００である。代入期間１００は、例えば、回路の基板２２の温度等の負荷を示す物理量が所定の閾値未満になったことによって、フェールが検出されなくなった時刻ｔ３まで継続される。

図３の時刻ｔ３からｔ４までは、モータ５２の実回転速度９６を指令値９８まで向上させる復帰期間１０２である。復帰期間１０２では、モータ５２の実回転速度９６を、モータ５２を起動させる場合と同様の予め定めた加速度で暫定目標回転速度９４Ｂを指令値９８まで徐々に上昇させ、徐々に上昇させた暫定目標回転速度９４Ｂに従ってモータ５２の回転速度をＳ２からＳ１まで加速する。具体的には、目標回転速度を演算処理する際の実行タイミング゛毎の速度操作量（以下、「速度操作量」と略記）を現在の暫定目標回転速度９４Ｂに逐次加算して新たな暫定目標回転速度９４Ｂを逐次算出する。そして、逐次算出された暫定目標回転速度９４Ｂに従ってモータ５２の回転速度が徐々に向上して時刻ｔ４で指令値９８が示す回転速度であるＳ１になるようにデューティ比を制御する。

上述の速度操作量は、例えば、モータ５２の回転速度を０ｒｐｍから指令値が示す回転速度まで向上させる際の目標回転速度の演算処理において、当該演算処理の実行タイミング毎に可能な速度変更量の上限値であり、本実施の形態ではメモリ６８に記憶される。

図４は、本実施の形態に係る車両空調機用モータ制御装置２０の目標回転速度演算処理の一例を示すフローチャートである。スイッチオンにより、車両空調機が作動を開始した場合、ステップ４００では、エアコンＥＣＵ８２からの指令値及びホール素子１２Ｂが検知したモータ５２の回転速度を取り込む。

ステップ４０２では、取り込んだ回転速度に基づいて、モータ５２が停止している状態からの起動か、すなわちモータ５２が起動時の段階か、起動後で回転が安定した段階かを判定する。

ステップ４０２で起動後と判定した場合には、ステップ４１６で、所定の加速度で実回転速度を指令値が示す目標回転速度である指令目標回転速度まで上昇させる。ステップ４１６におけるモータ５２の起動時の加速では、回転速度０に前述の速度操作量を加算して得た暫定目標回転速度を設定し、モータ５２の実回転速度が暫定目標回転速度になるように制御する。さらに、暫定目標回転速度に速度操作量を加算して新たな暫定目標回転速度を算出し、実回転速度を新たな目標回転速度に合わせ、以後、暫定目標回転速度が指令目標回転速度に達するまで、新たな暫定目標回転速度の算出及び当該新たな暫定目標回転速度に実回転数を合わせる制御を継続する。

また、ステップ４１６では、暫定目標回転速度が指令目標回転速度に近似してきた場合には、以下の制御によってモータ５２の目標回転速度を設定することにより、モータ５２の円滑な回転を制御している。例えば、指令目標回転速度と暫定目標回転速度とを比較し、指令目標回転速度と暫定目標回転速度とが一致する場合には、指令目標回転速度を目標回転速度とし、以後、指令目標回転速度に従ってモータ５２の回転速度を制御する。また、暫定目標回転速度よりも指令目標回転速度が大きい場合は、暫定目標回転速度に前述の速度操作量を加算して新たな暫定目標回転速度を算出する。暫定目標回転速度よりも指令目標回転速度が小さい場合は、暫定目標回転速度から速度操作量を減算して新たな暫定目標回転速度を算出することによって、目標回転速度を調整する。

モータ５２の回転が起動後で安定している場合には、ステップ４０２で肯定判定を行い、ステップ４０４でフェール検出の有無を判定する。フェール検出の有無は、例えば、回路の基板２２の温度が所定の温度閾値以上になったか否かによって判定する。

ステップ４０４で、例えば基板２２の温度が所定の温度閾値以上となってフェールが検出されたと判定した場合には、ステップ４０６でモータ５２の実回転速度を所定回転速度Ｓ２まで低下させる。ステップ４０６では、図３の時刻ｔ１から時刻ｔ３までの代入期間１００のように目標回転速度９４に実回転速度９６を代入して減速後の暫定目標回転速度を算出する。そして、ステップ４０８では所定回転速度Ｓ２を維持させる。

ステップ４１０では、フェールが解消したか否かを判定する。フェール解消は、例えば、回路の基板２２の温度が所定の温度閾値未満になったか否かによって判定する。ステップ４１０でフェールが解消していないと判定した場合には、手順をステップ４０８に戻してモータ５２の回転速度を所定回転速度Ｓ２で維持する。

ステップ４１０でフェールが解消したと判定した場合には、ステップ４１２で、モータ５２の起動時と同じ所定の加速度で実回転速度を所定回転速度Ｓ２から指令目標回転速度まで上昇させる。ステップ４１０での加速は、所定回転速度Ｓ２に低下した実回転速度を暫定目標回転速度とし、当該暫定目標回転速度に前述の速度操作量を加算して新たな暫定目標回転速度を算出し、実回転速度を算出した暫定目標回転速度に合わせることで行う。以後、ステップ４１６の場合と同様に、暫定目標回転速度が指令目標回転速度に達するまで、新たな暫定目標回転速度の算出及び当該新たな暫定目標回転速度に実回転数を合わせる制御を継続する。

また、暫定目標回転速度が指令目標回転速度に近似してきた場合は、ステップ４１６と同様に、指令目標回転速度と暫定目標回転速度とを比較し、指令目標回転速度と暫定目標回転速度とが一致する場合には、指令目標回転速度を目標回転速度とする。また、暫定目標回転速度よりも指令目標回転速度が大きい場合は、暫定目標回転速度に前述の速度操作量を加算して新たな暫定目標回転速度を算出し、暫定目標回転速度よりも指令目標回転速度が小さい場合は、暫定目標回転速度から速度操作量を減算して新たな暫定目標回転速度を算出することによって、目標回転速度を調整する。

ステップ４１４では、車両空調機のスイッチがオフになったか否かを判定し、スイッチオフの場合には処理を終了する。ステップ４１４でスイッチオフではないと判定した場合には、手順をステップ４００に戻して、一連の手順を再度実行する。

以上、説明したように、本実施の形態は、フェール検出後にモータ５２の回転速度を低下させた場合には、目標回転速度を低下させた実回転速度に合わせると共に実回転速度に合わせた目標回転速度を徐々に向上させている。その結果、指令値が示す回転速度まで実回転速度を徐々に向上させることができ、低下したモータの回転速度を違和感なく復帰させることが可能となる。

また、本実施の形態では、低下した回転速度を指令値が示す回転速度まで復帰させるフェール復帰時には、モータ５２の起動時と同じペースで回転速度を向上させている。その結果、モータ起動時の手順をフェール復帰時に援用でき、フェール復帰時の回転速度の向上のための特別なプログラム等を要しないという効果を奏する。

１０…モータユニット、１２…ロータ、１２Ａ…ロータマグネット、１２Ｂ…ホール素子、１４…ステータ、１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗ…コイル、１６…シャフト、１８…上ケース、２０…車両空調機用モータ制御装置、２２…基板、２４…ヒートシンク、３２…マイコン、４０…インバータ回路、４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ，４４Ｅ，４４Ｆ…インバータＦＥＴ、４６…チョークコイル、４８…逆接防止ＦＥＴ、５２…モータ、５４…分圧回路、５４Ａ…サーミスタ、５４Ｂ…抵抗、５６…電流センサ、５６Ａ…シャント抵抗、５６Ｂ…アンプ、６０…下ケース、６２…温度保護制御部、６４…速度制御部、６６…ＰＷＭ出力部、６８…メモリ、８０…バッテリ、８２…エアコンＥＣＵ、９０…目標回転速度、９２…実回転速度、９４…目標回転速度、９４Ａ…指令目標回転速度、９４Ｂ…暫定目標回転速度、９６…実回転速度、９８…指令値、１００…代入期間、１０２…復帰期間

Claims

モータの負荷を示す物理量を検知する物理量検知部と、
前記モータを駆動する駆動部と、
前記モータの実回転速度を検知する回転速度検知部と、
前記モータの起動時に前記物理量検知部で検知された物理量が閾値未満の場合には、指令値が示す指令目標回転速度に基づいて、前記モータの回転速度が停止状態から前記指令目標回転速度まで予め定めた加速度で上昇して前記指令目標回転速度で回転し、前記モータの起動後、前記物理量検知部で検知された物理量が前記閾値以上になった場合には、前記モータの回転速度を前記指令目標回転速度より低い所定回転速度に低下させ、かつ前記モータの回転速度が低下した後、前記物理量検知部で検知された物理量が前記閾値未満となった場合に前記回転速度検知部が検知した前記モータの実回転速度を暫定目標回転速度に設定し、該暫定目標回転速度に所定の速度操作量を所定の実行タイミング毎に逐次加算して該暫定目標回転速度を前記指令目標回転速度まで徐々に上昇させると共に、前記モータの実回転速度が、前記指令目標回転速度まで徐々に上昇させる前記暫定目標回転速度になるように前記駆動部を制御する前記モータに取り付けられた制御部と、
を含む車両空調機用モータ制御装置。
前記物理量は、前記モータ又は前記モータの回路の温度、前記駆動部の電流及び電源電圧のうちのいずれか１つである請求項１記載の車両空調機用モータ制御装置。