JP4719218B2 - 開閉体駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に車両用のサンルーフ、パワーウィンドウなどの開閉体駆動装置に関する。

車両用の開閉体駆動装置の一例として、サンルーフ装置について説明する。サンルーフ駆動装置は、固定ルーフの開口にスライドパネルが前後動かつ後端側を上下にチルト自在に装着され、スライドパネルがプッシュプルケーブルに連繋して駆動されるようになっている。プッシュプルケーブルは減速機付きモータを正逆回転駆動することにより押し引き動作が行われスライドパネルの開閉が行われる。駆動源としては、ＤＣブラシ付モータが主流となっている。ブラシ付モータは、ブラシ、整流子（コミュテータ）、リレーを通じて通電することにより回転駆動され、ホールＩＣにより回転数を検出することで開閉体の位置制御がなされる。
車両に用いられる開閉体の場合、例えばモータが故障して回転停止すると、開閉体が途中で停止する可能性がある。このため、モータ故障時でも開閉体を安全な位置に動かせるようにいわゆるフェイルセーフ機構が設けられている。例えばサンルーフ駆動装置においては、ルーフが開放したまま放置することができないため、手動ハンドルにより駆動伝達機構のギヤを回転させてモータを強制的に回転させ、ルーフが閉められるようになっている。
近年、車両のエンジン回りの騒音が低減し、車両全体の静音化を図るニーズが高まっている。ブラシ付モータも回転数を抑えれば、モータ音は気にならないレベルに抑えることができる。しかしながら、開閉体の移動速度を高速のまま維持しようとすると回転数も増大し、ブラシとコミュテータの摺動音が騒音となり易い。特にモータが運転者に近いエリアで作動する場合には、モータ駆動による開閉体の移動速度を低下させずに騒音をできるだけ抑えたいという要求がある。
このため、開閉体の駆動源としてＤＣブラシレスモータを利用することが検討されている。ＤＣブラシレスモータは、ロータマグネットの磁極位置を検出してステータコイルへの通電が切替えられるため、ロータの近傍には磁極センサ（ホールＩＣ）が複数（例えば３箇所）設けられる。ブラシレスモータの場合、ホールＩＣの検出信号によりモータの回転数（ルーフ位置制御）のほか、回転方向（移動方向）の制御が行なわれる。

磁極センサが故障した場合、ロータマグネットの磁極位置がわからないため、最大トルクを得るのに必要な通電を行なうことができず、モータの回転が不安定になる。モータの回転が不安定になると、安全のためにモータを緊急停止させる必要がある。一旦停止したモータは、ロータ磁極位置が判らないため再起動することができない。したがって、従来は緊急停止後に車内手動ハンドルで開閉体を閉じるようになっていたが、自動車内装向上の要求から車両内に手動ハンドルの設置が行なわれなくなっており、ハンドル以外の緊急駆動手段が求められている。
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、磁極センサが故障した場合、磁極センサを用いずにブラシレスモータを再起動して、開閉体を任意の方向へ確実に駆動することができる開閉体駆動装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
車載用の開閉体をモータ駆動により開閉する開閉体駆動装置であって、駆動源であるＤＣブラシレスモータと、ロータマグネットの磁極位置を検出する複数の磁極センサにより検出されたロータの回転位置や回転数に応じてステータコイルへ印加する駆動電圧を切り換えるモータ駆動部と、磁極センサの検出信号によりモータ駆動部を通じて開閉体の開閉動作を制御する制御部を備え、前記制御部は、磁極センサの検出パターンとして最初の異常論理を検出してから所定回数再確認を繰り返して再度異常論理を検出するとセンサの故障と判定してＤＣブラシレスモータの駆動を一旦停止させ、モータ駆動部はＤＣブラシレスモータを再起動する際に、ロータマグネットと固定子とが磁気的に吸引し合う任意の停止位置から、３相ステータコイルのうちセンサ駆動時に１回転当たり１２パターン生成される相切替え信号に最初に通電する２相分の通電パターンを加えた１回転当たり１４パターンの相切替え信号を生成してセンサレス駆動を繰り返し行なうことを特徴とする。
また、前記制御部は、開閉用のスイッチ操作により当該スイッチが押されている間だけ、モータのセンサレス駆動を行なうことを特徴とする。

発明の効果
上述した開閉体駆動装置を用いれば、駆動源にＤＣブラシレスモータを用いたので、ＤＣブラシ付モータを用いた場合に比べて開閉体駆動時の耳障りな作動音を静音化することができるうえに以下の作用効果を奏する。
即ち、制御部は、複数の磁極センサの検出パターンとして異常論理を検出するとセンサの故障と判定してＤＣブラシレスモータの駆動を一旦停止させ、入力指令によりモータ駆動部はセンサ駆動からセンサレス駆動に切り換えてモータを再起動する。このとき、モータ駆動部はいずれかの通電パターンを長くする相切替え信号を生成してセンサレス駆動することにより、脱調によりモータが回転停止することもなく開閉体を所定方向へ確実に移動させることができる。

開閉体駆動装置のブロック構成図である。 三相ＤＣブラシレスモータの説明図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、センサ駆動を行う場合のセンサ検出信号とステータコイルへの通電パターンのタイミングチャート図である。 センサ故障時のセンサ検出信号の説明図である。 センサ駆動時のモータ制御動作のフローチャートである。 センサレス駆動時のモータ制御動作のフローチャートである。 センサレス駆動を行う場合のステータコイルへの通電パターンのタイミングチャート図である。 センサレス駆動時の通電制御動作のフローチャートである。 異常論理を検出する際のタイミングチャート図である。

以下、本発明に係る開閉体駆動装置の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態は車両用の開閉体（例えばサンルーフ、サンシェード、パワーウィンドウなど）をモータ駆動により開閉する開閉体駆動装置に広く適用できる。
一例としてサンルーフ駆動装置について説明すると、サンルーフ駆動装置はモータ駆動により回転する出力ギヤに噛み合うギヤードケーブル（スパイラル状のギヤ溝が形成されたケーブル）、樹脂ベルト等の押し引き手段に連繋するスライドパネルを全開位置と全閉位置との間でスライドさせるスライド動作及び全閉位置から後端側を上昇させるチルト動作を行って、固定ルーフの開口を開閉するようになっている。このサンルーフ駆動装置の駆動源としては後述するように３相のＤＣブラシレスモータが好適に用いられる。
図１のブロック図を参照して、車両用の開閉体駆動装置の概略構成について説明する。装置電源は車両に搭載されているバッテリー、燃料電池等が用いられ、電源電圧（例えばバッテリー電圧１２Ｖ）を降圧して電圧が制御部（ＣＰＵ）１へ供給される。
ＣＰＵ１は、例えばサンルーフなどの開閉体駆動装置を駆動制御するもので、開閉体の速度制御・位置制御を行なう開閉体動作制御部２とモータの回転磁界を形成するための回転磁界発生制御部（三相ＰＷＭ制御部）３とを合せて行うようになっている。即ち、ＣＰＵ１には、開閉体動作制御部２と回転磁界発生制御部３が一つのチップに設けられている。ＣＰＵ１には車両の操作パネルに設けられたスイッチなどから動作開始信号が入力され、開閉体動作制御部２は回転磁界発生制御部３を通じてモータ駆動部（プリドライバ）４を通じて駆動源であるＤＣブラシレスモータ５を起動する。モータ駆動部４には、バッテリー電圧より降圧した電圧が供給される。保護回路６は開閉体動作制御部２や回転磁界発生制御部３に過電流が流れるのを防ぐ。
また、開閉体動作制御部２には不揮発性メモリ（例えばＥＥＰＲＯＭなど）が設けられている。この不揮発性メモリには、現在の開閉体の位置情報と予め開閉体の動作制御に必要な開閉位置、減速位置やモータ回転数などに関する制御データが書き込まれており、必要に応じてデータを書き換えることができるようになっている。例えば、電源投入時や再起動時に不揮発性メモリへ前回記憶した位置情報を読み出し、電源電圧低下を検出したときに不揮発性メモリに開閉***置情報を書き込むようになっている。
また、モータ駆動部４は回転磁界発生制御部３で生成された相切替え信号に応じて、ＦＥＴ（電解効果トランジスタ）ＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬ（或いはトランジスタ、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子）を設けた駆動回路（３相ブリッジ回路）７を通じて３相ＤＣブラシレスモータ５のステータコイル８へ相切替え信号（駆動電圧）を出力する。
開閉体動作制御部２及び回転磁界発生制御部３にはＤＣブラシレスモータ５に設けられる磁極センサ（ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲセンサなどの磁電変換素子）９から３相の検出パルス信号が各々入力される。また、開閉体動作制御部２は制御プログラムに基づいて開閉体の移動速度（モータ回転数）と相切替え信号のパルス数を監視しており、移動速度（モータ回転数）に過不足がある場合には、回転磁界発生制御部３に指令して相切替え信号を更新する。また、開閉体動作制御部２は、３相の検出パルス信号を用いて開閉体の位置情報を生成している。
ＣＰＵ１には、バッテリー電源を降圧した電圧・電流が供給され、操作スイッチやシリアル通信（ＥＣＵを通じた他の車載機器との通信）による入力信号が、外部インターフェース１０を通じて入力される。ＣＰＵ１は、入力信号に応じて開閉体動作制御部２から開閉体の移動速度や位置情報に応じて回転磁界発生制御部３において回転磁界を発生させてモータ駆動部（プリドライバ）４を通じて駆動源であるＤＣブラシレスモータ５を起動するようになっている。ＤＣブラシレスモータ５を起動すると、例えばサンルーフの場合には減速部を通じて連繋するルーフ駆動用ケーブル、樹脂ベルト（押し引き手段）を押し引き駆動するようになっている。
次に、図２を参照してＤＣブラシレスモータ５の構成について説明する。
ＤＣブラシレスモータ５としては、例えば４極６スロットのインナーロータ型の３相ＤＣブラシレスモータが好適に用いられる。ステータコア１１は例えば積層コアが用いられ、径方向内側に向かってステータティース部１２が６カ所に突設されている。各ステータティース部１２にはステータコイル８が巻き回されている。このステータコア１１に囲まれた空間内にロータ１３が組み込まれている。このような、ロータ径が小さいインナーロータ型のモータを用いることでイナーシャが小さく、回転振動が少ないので静音化を促進するうえにロータ１３の回転バランス取り加工も不要となる。ロータ外周付近にはロータ１３に対向して磁極センサ（ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲセンサなどの磁電変換素子）９が３箇所に設けられている。磁極センサ９はモータ軸１４と直交して配置されるセンサ基板１５に設けられている。センサ基板１５は図示しない制御基板と配線接続され、制御回路に接続されている。尚、ＤＣブラシレスモータ５は、４極６スロットに限らず、例えば８極１２スロット等のモータであっても良い。
次に、開閉体駆動装置の通常のセンサ駆動動作とホールＩＣ故障時のセンサレス駆動について説明する。
図３は通常のセンサ駆動において４極着磁されたロータマグネット１６が機械角で１８０度回転する間の磁気センサ９の出力パターンａ〜ｆを示すタイミングチャートである。ロータマグネット１６は開閉体オープン方向へ回転し、１２０度ずつ位相がずれて配置された磁極センサ（ホールＩＣ；Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）９から検出信号（ホール信号）が出力される。本実施例では、４極モータのため各磁極センサ９から２パルス／回転で出力され、電気角で１２０度位相がずれて３相分出力される（本モータでは電気角３６０度＝機械角１８０度）。
次に、３相ＤＣブラシレスモータ５の相切替え動作について、図３Ａ、Ｂの模式図及びセンサ又は通電パターンのタイミングチャートを参照して説明する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちいずれか２相のステータコイル８に対して電気角で１２０度位相がずれて３相分出力される（本モータでは電気角３６０度＝機械角１８０度）。例えば、磁極センサ９の出力が、Ｃ１がＨｉｇｈ（ハイ）レベル、Ｃ２がＬｏｗ（ロー）レベル、Ｃ３がＨｉｇｈ（ハイ）レベルの場合には（図３Ａ参照）、ＶＨ相とＵＬ相のステ−タコイル８へ通電される（図３Ｂ）参照）。また、磁極センサ９の出力が、Ｃ１がＨｉｇｈ（ハイ）レベル、Ｃ２及びＣ３がＬｏｗ（ロー）レベルに切り替わると（図３Ａ参照）、ＷＨ相とＵＬ相のステ−タコイル８へ通電するようになっている（図３Ｂ参照）。
次に、いずれかの磁極センサ９（例えばホールＩＣ；Ｃ３）が故障発生した場合のセンサレス駆動について説明する。図４の出力パターンａ〜ｆにおいて、ホールＩＣ；Ｃ３が故障したとすると、ロータマグネット１６の回転位置によらずセンサ出力はＬｏｗ（ロー）レベル（或いはＨｉｇｈ（ハイ）レベル）となる。よって、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の出力レベルがすべてＬｏｗ（ロー）レベル（或いはＨｉｇｈ（ハイ）レベル）となるため、異常論理が検出される（図４ｆ参照）。
また、図９において、ＣＰＵ１は最初の異常論理（例えばホールＩＣ；Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３がすべてＨｉｇｈレベル）を検出してから所定回数再確認した後、具体的には論理再確認をＮ回（Ｎ≧１；Ｎは自然数）繰返し行なって当該Ｎ回目に異常を検出した場合に、モータの駆動を停止させてセンサレス駆動に切り替えるようになっている。これにより、機械振動やノイズの影響による誤検知をなくして、駆動信頼性を向上させることができる。
ＣＰＵ１は磁極センサ９の異常論理を検出すると故障と判定して、一旦ＤＣブラシレスモータ５の駆動を停止させた後、開閉用のスイッチ操作による入力指令を待って、モータ駆動部４をセンサ駆動からセンサレス駆動に切り換えて開閉体を駆動する。また、モータ駆動部４はセンサレス駆動によりＤＣブラシレスモータ５を再起動する際に、３相のステータコイルのうちいずれかの通電パターンを長くするように相切替え信号を生成する。これにより、モータ５が脱調し回転停止することなく、開閉体を所定方向へ確実に移動させることができる。
尚、ＣＰＵ１による開閉体の位置情報は、例えば磁極センサ９から出力される３相検出パルスのうち、各パルスの立ち上がり及び立ち下がりの両エッジをカウントすることで、１２パターン／回転を開閉体の位置情報とする。
ここで、センサ駆動時のモータ制御動作を図５のフローチャートに示す。
ＣＰＵ１はモータの回転に従ってホールＩＣから入力される磁極信号を検出し（ステップＳ１）、磁極論理に異常があるか否かを判定する（ステップＳ２）。磁極論理に異常がなければ通電相の切替えを行なうため（ステップＳ３）、回転磁界発生制御部３（図１参照）で生成された３相ＰＷＭ信号がプリドライバ４を通じてモータへ出力される（ステップＳ４）。ステップＳ２において、磁極論理に異常があった場合には、モータ５を駆動停止させ（ステップＳ５）、開閉体動作制御部２（図１参照）の駆動制御ルーチンをセンサレス駆動に切り替える（ステップＳ６）。
次にセンサレス駆動時のモータ制御動作を図６のフローチャートに示す。
ＣＰＵ１は1相あたりの通電時間を内蔵されたタイマーで計測し、予め設定された所定時間の経過により相切替えを行なう。このタイマー計測時間が設定された所定時間を越えると（ステップＳ１１）、ＣＰＵ１はタイマーカウント値を一旦リセットした後（ステップＳ１２）、新たな通電パターンへ通電相の切替えが行なわれる（ステップＳ１３）。即ち、回転磁界発生制御部３（図１参照）で生成されたセンサレス駆動用の３相ＰＷＭ信号がプリドライバ４を通じてモータへ出力される（ステップＳ１４）。
図７にセンサレス駆動用の通電パターンａ〜ｇを例示する。
ＣＰＵ１は、３相ステータコイル８のうちいずれかの通電パターンを長くするように相切替え信号を生成する。ＣＰＵ１は、ブラシレスモータを再起動する際に、ロータマグネット１６とステータコア１１（ティース部１２）とが磁気的に吸引し合う任意の停止位置から、３相ステータコイル８のうち最初の２相分の通電パターンを通常回転時より長くする相切替え信号を生成する。そしてロータ１３が１回転するごとに同様の通電パターンによりセンサレス駆動を行なう。
即ち、図７において、センサ駆動時の１２パターン／回転の通電パターンから、１４パターン／回転の通電パターンへ変更し、通電開始から例えばＶＨ相とＵＬ相のステ−タコイル８へタイマーカウント値で２パターン分(通電パターンａ,ｂ)通電される。これにより、ステータティース部１２に対向するロータマグネット１６の磁極位置が安定するのでモータ５の脱調を防ぎ安定駆動できる。３パターン目(通電パターンｃ)のＷＨ相とＵＬ相のステ−タコイル８へ通電からタイマーが１パターンカウントするごとに相切替えを行なうようになっている。そして、７パターン目(通電パターンｇ)までの通電が終了すると再度１パターン目(通電パターンａ)から７パターン目(通電パターンｇ)までの通電を繰り返すことで、一旦停止した開閉体を所定方向へ移動させて開口部を開ける（閉じる）ことができる。このように、ロータ１３が１回転するごとに同様の通電パターンによりセンサレス駆動を行なうことにより、仮に１回転目の通電でロータ１３がステータコイル８の相切替え信号に追従して回転できなくても、２回目以降の回転においてロータマグネット１６とステータティース部１２とが磁気的バランスがとれた状態となってから回転し始めるため、確実な開閉動作が行える。また、ＣＰＵ１は、開閉用のスイッチ操作により当該スイッチが押されている間だけ、モータのセンサレス駆動を行なう。開閉体としては閉じる方向への動作が多いが、車両がロールーオーバーした際の脱出用として開放する場合も想定される。よって、スイッチ操作としては、開方向の場合と閉方向の場合のいずれかとなる。
図８はセンサレス駆動時のモータ制御動作のフローチャートである。ユーザーからの入力指令によりセンサレス駆動を開始すると、ＣＰＵ１の回転磁界発生制御部３（図１参照）で生成された３相ＰＷＭ信号がプリドライバ４からモータへ出力される。Ｎ（１〜７）番目の通電パターンで駆動電圧を印加してステータコイル８へ通電する（ステップＳ２１）。ステータコイル８への通電を開始するとタイマーがカウントを開始してカウント値が予め設定された転流指令値を超えたか否か判定する（ステップＳ２２）。タイマーカウント値が転流指令値を超えない場合には、ステップＳ２７へ進み、ユーザーからの駆動指令入力を確認する。
タイマーカウント値が転流指令値を超えるとＮ（１〜７）番目の通電パターンからＮ＋１番目の通電パターンへ切り換えて通電する（ステップＳ２３）。次いで、通電パターンが７番目まで到達したか否かを判定し（ステップＳ２４）、７番目の通電パターンでない場合にはステップＳ２７に進み、ユーザーからの駆動指令が継続していれば、タイマーカウント値が転流指令値に到達するまでＮ番目の通電パターンで通電を続行する。
通電パターンが７番目まで到達した場合には、Ｎ＝１番目の通電パターンに戻り（ステップＳ２５）、タイマーカウント値をリセットする(ステップＳ２６)。そして、ユーザーからの駆動指令入力（スイッチ入力）が解除されていれば、モータ５の回転を停止させる（ステップＳ２７）。以上のセンサレス駆動により、磁極センサが故障したブラシレスモータを再起動させてユーザーが望む位置までスイッチ操作で開閉体を移動させることができる。
モータ駆動部４は、ブラシレスによる静音化に加えて、モータのトルクリップルを抑制して回転振動を低減し静音化を促進するため、ステータコイル８に正弦波電流若しくは擬似正弦波電流が流れるように駆動電圧を印加するのが好ましい。また、ロータマグネット１６が、ラジアル方向にスキュー着磁若しくは正弦波着磁されていると、モータのトルクリップルやコギングトルクを減らすことで回転振動を低減できるので、ステータコイル８への正弦波通電若しくは擬似正弦波通電と合わせて更なる静音化が図れる。

Claims (2)

1. 車載用の開閉体をモータ駆動により開閉する開閉体駆動装置であって、
   駆動源であるＤＣブラシレスモータと、
   ロータマグネットの磁極位置を検出する複数の磁極センサにより検出されたロータの回転位置や回転数に応じてステータコイルへ印加する駆動電圧を切り換えるモータ駆動部と、
   磁極センサの検出信号によりモータ駆動部を通じて開閉体の開閉動作を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、磁極センサの検出パターンとして最初の異常論理を検出してから所定回数再確認を繰り返して再度異常論理を検出するとセンサの故障と判定してＤＣブラシレスモータの駆動を一旦停止させ、モータ駆動部はＤＣブラシレスモータを再起動する際に、ロータマグネットと固定子とが磁気的に吸引し合う任意の停止位置から、３相ステータコイルのうちセンサ駆動時に１回転当たり１２パターン生成される相切替え信号に最初に通電する２相分の通電パターンを加えた１回転当たり１４パターンの相切替え信号を生成してセンサレス駆動を繰り返し行なうことを特徴とする開閉体駆動装置。
2. 前記制御部は、開閉用のスイッチ操作により当該スイッチが押されている間だけ、モータのセンサレス駆動を行なうことを特徴とする請求項１記載の開閉体駆動装置。

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