JP5742887B2 - 誘導性負荷駆動制御装置および誘導性負荷駆動制御方法 - Google Patents
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Description
図21は、従来の誘導性負荷駆動制御装置が適用される閉ループ制御系の概略構成の一例を示すブロック図である。
図21において、リニアソレノイドなどの誘導性負荷15の一端には、誘導性負荷15を駆動する駆動回路13が接続され、誘導性負荷15の他端には、電流検出抵抗17が直列接続されている。そして、駆動回路13の前段には、PWM制御をアナログ処理で行う駆動制御回路102が接続され、駆動制御回路102の前段には、D/Aコンバータ101が接続されている。
そして、誘導性負荷15に流れる電流の目標値を示す電流値制御情報FCは、D/Aコンバータ101にてアナログデータに変換された後、駆動制御回路102に入力される。また、誘導性負荷15のインダクタンスLに流れる電流Ifは電流検出抵抗17に流れ、誘導性負荷15に流れる電流Ifの平均値IAVRが平均電流検出回路14にて検出され、駆動制御回路102に入力される。
そして、駆動制御回路102は、誘導性負荷15に流れる電流Ifの平均値IAVRが電流値制御情報FCで示される目標値に一致するようにPWM信号を生成し、駆動回路13のスイッチング素子をオン/オフ制御することで、誘導性負荷15に流れる電流IfをPWM制御する。
図22において、誘導性負荷15の一端には駆動回路13が接続され、誘導性負荷15の他端には電流検出抵抗17が直列接続されている。そして、駆動回路13の前段には、PWM制御をデジタル処理で行う駆動制御回路112が接続されている。
また、電流検出抵抗17の両端には平均電流検出回路114が接続され、平均電流検出回路114の出力側はA/Dコンバータ111を介して駆動制御回路112に接続されている。
そして、駆動制御回路112は、誘導性負荷15に流れる電流Ifの平均値IAVRが電流値制御情報FCで示される目標値に一致するようにPWM信号を生成し、駆動回路13のスイッチング素子をオン/オフ制御することで、誘導性負荷15に流れる電流IfをPWM制御する。
図23において、誘導性負荷15の電流Ifは、PWM信号がハイレベルの時に増加するとともに、PWM信号がロウレベルの時に減少し、その電流Ifの平均値IAVRが電流値制御情報FCで示される目標値に一致するように制御される。
なお、PWM信号の状態(ハイレベル、ロウレベル)は、駆動回路13に使用されるスイッチング素子の機能によって決定され、上の例では、PWM信号の状態がハイレベルの時にオン、PWM信号の状態がロウレベルの時にオフに移行するスイッチング素子を前提としている。
また、電流リップル量(IH−IL)は、平均電流検出回路14にて検出される平均値IAVRの誤差が発生しないようにするために、平均電流検出回路14の電流検出可能範囲の仕様内に収まるように設定される。
ここで、特性が異なる誘導性負荷15に流れる電流Ifを制御する場合、ピーク電流IHおよびボトム電流ILが変化することから、誘導性負荷15に流れる電流Ifが平均電流検出回路14の電流検出可能範囲を超えることがある。
図24において、誘導性負荷15のインダクタンスLが小さくなると、その誘導性負荷15に流れる電流If´の電流リップル量(IH−IL)が増大し、従来の電流Ifの電流リップル量(IH−IL)に対応して平均電流検出回路14の電流検出可能範囲を設定すると、電流If´の電流リップル量(IH−IL)は、平均電流検出回路14の電流検出可能範囲を超えるようになる。
また、例えば、特許文献1には、電磁弁の駆動電流をパラメータとして電磁弁の種々の印加電圧に対するディザ周波数をマップから求めることにより、電磁弁のヒステリシス動作の低減と可動部分の摩耗の低減の双方を充分満足させる方法が開示されている。
また、例えば、特許文献2には、パルス幅変調回路にセットされる制御目標およびディザ周波数設定値を変えることで、電磁比例制御弁に対する制御目標に加えてディザ周波数も自動で可変されるようにして、ディザ周波数の可変な電磁比例制御弁の制御を安価に実現する方法が開示されている。
図25において、PWM信号よりも周波数の高いディザ信号(その周期を△tとする)をPWM信号に重畳することにより、PWM信号のオン時間およびオフ時間が細分化され、細分化された区間の中でさらにオン/オフの時比率Rを設定することでピーク電流IHおよびボトム電流ILが調整される。すなわち、PWM信号のオン時間内であっても、細分化された区間△tにおけるスイッチング素子がオフしている時間△t・(1−R)では電流Ifが下がり、PWM信号のオフ時間であっても細分化された区間△tにおけるスイッチング素子がオンしている時間△t・(1−R)では電流Ifが上がる。このため、誘導性負荷15の特性の違いに応じてディザ信号の時比率Rを変化させることにより、誘導性負荷15に流れる電流Ifの電流リップル量(IH−IL)の違いを吸収することができ、誘導性負荷15の特性が異なる場合においても、平均電流検出回路14の電流検出可能範囲内に電流リップル量(IH−IL)を収めることができる。時比率R=1とすると、電流リップル量(IH−IL)が最大となる。
また、考え得る範囲のピーク電流IHおよびボトム電流ILに対応した電流検出可能範囲を持つ平均電流検出回路14を用意する方法では、平均電流検出回路14の電流検出可能範囲の仕様が一意に決められるため、その仕様外の誘導性負荷15を使用できなくなる上に、電流リップル量(IH−IL)の小さな誘導性負荷15を使用すると、平均電流検出回路14の電流検出可能範囲のごく一部しか使用されなくなることから、回路上の無駄が生じるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、リニアソレノイドの摺動抵抗を低減しつつ、誘導性負荷に流れる電流の検出可能範囲に適合するように電流リップル量を同一回路上で変化させることが可能な誘導性負荷駆動制御装置および誘導性負荷駆動制御方法を提供することである。
また、請求項3記載の誘導性負荷駆動制御装置によれば、前記電流リップル情報は、前記目標電流値の電流リップル量を指定することを特徴とする。
図1は、本発明の第1実施形態に係る誘導性負荷駆動制御装置が適用される閉ループ制御系の概略構成を示すブロック図である。
図1において、誘導性負荷15の一端には駆動回路13が接続され、誘導性負荷15の他端には、電流検出抵抗17が直列接続されている。そして、駆動回路13の前段には、PWM制御をアナログ処理で行う駆動制御回路12が接続され、駆動制御回路12の前段には、目標値制御部11aが接続されている。
ここで、駆動制御回路12は、誘導性負荷15に流れる電流IfをPWM制御により変動させて目標電流値I*に近づくよう(追従するよう)に誘導性負荷15の駆動制御を行うことができる。例えば、駆動制御回路12は、誘導性負荷15に流れる電流Ifの平均値IAVRと目標電流値I*との偏差に基づいて、PWM制御によるパルス幅を設定することができる。
また、誘導性負荷15のインダクタンスLに流れる電流Ifは電流検出抵抗17に流れ、誘導性負荷15に流れる電流Ifの平均値IAVRが平均電流検出回路14にて検出され、駆動制御回路12に入力される。
そして、駆動制御回路12は、誘導性負荷15に流れる電流Ifが目標電流値I*に追従するようにPWM信号を生成し、駆動回路13のスイッチング素子をオン/オフ制御することで、誘導性負荷15に流れる電流IfをPWM制御する。
図2において、駆動制御回路12には、三角波発振器21、D/Aコンバータ22、オペアンプ23およびコンパレータ24が設けられ、駆動回路13には、電界効果トランジスタ25が設けられている。
そして、オペアンプ23の一方の入力端子にはD/Aコンバータ22の出力端子が接続され、オペアンプ23の他方の入力端子には平均電流検出回路14の出力端子が接続され、コンパレータ24の一方の入力端子には三角波発振器21の出力端子が接続され、コンパレータ24の他方の入力端子にはオペアンプ23の出力端子が接続され、コンパレータ24の出力端子は電界効果トランジスタ25のゲートに接続されている。
そして、目標値制御部11aにて生成された目標電流値I*は、D/Aコンバータ22にてアナログデータに変換された後、オペアンプ23に入力されるとともに、平均電流検出回路14にて検出された誘導性負荷15のインダクタンスLに流れる電流Ifの平均値IAVRはオペアンプ23に入力される。そして、目標電流値I*と電流Ifの平均値IAVRとの偏差がオペアンプ23にて検出された後、コンパレータ24に入力される。また、コンパレータ24には、三角波発振器21にて生成された三角波が入力され、目標電流値I*と電流Ifの平均値IAVRとの偏差が三角波発振器21にて生成された三角波と比較される。
図3において、電界効果トランジスタ25は、スイッチング素子SWとオン抵抗RONで等価的に表現することができ、誘導性負荷15は、インダクタンスLとソレノイド抵抗RLで等価的に表現することができる。
そして、電源Vbat、スイッチング素子SW、オン抵抗RON、ソレノイド抵抗RLおよびインダクタンスLが順次直列接続されている。
図4において、図3のインダクタンスLの電流Ifは、PWM信号がハイレベルの時に増加するとともに、PWM信号がロウレベルの時に減少する。
IH−IL=VBAT/L・TR=VF/L・TF ・・・(1)
T=TR+TF ・・・(2)
IAVR=(IH+IL)/2 ・・・(3)
IH=IAVR+VBAT・VF・T/(2L・(VBAT+VF)) ・・・(4)
IL=IAVR−VBAT・VF・T/(2L・(VBAT+VF)) ・・・(5)
TR=VF・T/(VBAT+VF) ・・・(6)
このため、駆動制御回路12に与えられる目標電流値I*の変動周期T2をPWM信号の変動周期T1よりも大きくし、目標電流値I*の周波数をf2に設定することにより、PWM信号の周期T1を小さくした場合においても、リニアソレノイドの摺動抵抗を極小化することができ、リニアソレノイドの摺動抵抗を低減しつつ、誘導性負荷15に流れる電流Ifの検出可能範囲に適合するように電流リップルを同一回路上で変化させることが可能となる。
図7において、目標値制御部11aには、目標電流値I*の周期・時刻情報(時刻情報は非正弦波のための情報)を固定値として保持する周期・時刻情報保持部31a、目標電流値I*の電流リップル情報((IH−IL)に限らず、ピーク電流IHおよびボトム電流ILの場合もある。また、後述のIRIPPLEの場合もある。なお、ここでIHおよびILは、電流検出可能範囲の上限および下限をPWM制御による電流Ifの変動幅の最大値だけ狭めたものになっている。以下、同様。)を固定値として保持する電流リップル情報保持部32a、設定電流値情報FIを変数として保持する設定電流値情報保持部33a、目標電流値I*の発生タイミングを生成するタイミング発生回路34aおよび目標電流値I*の波形を発生する信号発生回路35aが設けられている。
ここで、図1の目標値制御部11aは、図2のD/Aコンバータ22によるアナログデータ変換後の状態で、図8に示すように、設定電流値情報FIにて平均値IAVRが指定されたサインカーブ状の目標電流値I*の波形を生成してもよいし、図9に示すように、設定電流値情報FIにて平均IAVRが指定された三角波状の目標電流値I*を生成してもよい。
Iamp=IRIPPLE*sin(2πft)+IAVR ・・・(7)
なお、周期1/fは図7の周期・時刻情報保持部31a、電流リップル振幅IRIPPLEは図7の電流リップル情報保持部32a、平均値をIAVRは図7の設定電流値情報保持部33aに保持することができる。そして、信号発生回路35aは、(7)式に基づいて目標電流値I*の波形を発生することができる。
あるいは、目標電流値I*として図9の波形が与えられた場合には、駆動制御回路12は、誘導性負荷15に流れる電流Ifが図9の周期T2の目標電流値I*に追従するように図5の周期でPWM信号を生成し、駆動回路13のスイッチング素子をオン/オフ制御することで、図12に示すような電流Ifを誘導性負荷15に流すことができる。
図13において、この第2実施形態では、図1の目標値制御部11aの代わりに目標値制御部11bが設けられている。ここで、図1の目標値制御部11aでは、設定電流値情報FIが変数として入力されるのに対し、図13の目標値制御部11bでは、設定電流値情報FIおよび電流リップル波形制御情報FRが変数として入力される。なお、電流リップル波形制御情報FRは、目標電流値I*の電流リップル量を指定することができる。
図14において、目標値制御部11bには、目標電流値I*の周期・時刻情報を固定値として保持する周期・時刻情報保持部31b、目標電流値I*の電流リップル情報を変数として保持する電流リップル情報保持部32b、設定電流値情報FIを変数として保持する設定電流値情報保持部33b、目標電流値I*の発生タイミングを生成するタイミング発生回路34bおよび目標電流値I*の波形を発生する信号発生回路35bが設けられている。
bに入力されると、設定電流値情報FIは設定電流値情報保持部33bに保持されるとともに、電流リップル波形制御情報FRは電流リップル情報保持部32bに保持される。そして、信号発生回路35bは、タイミング発生回路34bにて発生された発生タイミングに従いつつ、電流リップル情報保持部32bに保持されている電流リップル情報FRおよび設定電流値情報保持部33bに保持されている設定電流値情報FIに基づいて目標電流値I*の波形を発生し、図13の駆動制御回路12に出力する。
図15において、目標値制御部11cには、目標電流値I*の波形制御情報FR1を変数として保持する周期・時刻情報保持部31c、目標電流値I*の電流リップル情報FR2を変数として保持する電流リップル情報保持部32c、設定電流値情報FIを変数として保持する設定電流値情報保持部33c、目標電流値I*の発生タイミングを生成するタイミング発生回路34cおよび目標電流値I*の波形を発生する信号発生回路35cが設けられている。なお、波形制御情報FR1は、目標電流値I*の周期・時刻を指定することができ、電流リップル情報FR2は目標電流値I*の電流リップル量を指定することができる。
図16において、目標値制御部11dには、目標電流値I*の周期・時刻情報を固定値として保持する周期・時刻情報保持部31d、目標電流値I*の電流リップル情報を固定値として保持する電流リップル情報保持部32d、設定電流値情報FIを変数として保持する設定電流値情報保持部33d、目標電流値I*の発生タイミングを生成するタイミング発生回路34d、目標電流値I*の波形を発生する信号発生回路35d、波形選択情報FSを変数として保持する波形選択情報保持部36dおよび目標電流値I*の波形を制御する波形制御回路37dが設けられている。
図17は、本発明の一実施形態に係る周期・時刻情報の一例を示す図である。
図17において、周期・時刻情報としては、例えば、周期を2ms、周波数を500Hzに設定することができる。
図18は、本発明の一実施形態に係る電流リップル情報の一例を示す図である。
図18において、電流リップル情報としては、例えば、電流リップル振幅(IRIPPLE)を50mAに設定することができる。
図19において、設定電流値情報FIを100mAに設定し、周期・時刻情報を図17に示したように設定し、電流リップル情報を図18に示したように設定した場合、周波数が500Hz、電流リップル量(IH−IL)が100mA、平均値IAVRが100mAの目標電流値I*を得ることができる。
図20において、目標電流値I*が図19の波形で与えられる場合、スイッチング素子SWのスイッチング周波数を5kHzに設定すると、500Hzの電流リップル波形に5kHzの電流リップル波形が重畳された電流Ifを誘導性負荷15に流すことができる。 なお、図5に示すように、PWM信号の周期T1を小さくすることにより、電流リップル量(IH−IL)を小さくすることができ、平均電流検出回路14に用いられるA/Dコンバータに入力される最大電流値を小さくすることが可能となることから、A/Dコンバータのビット数を削減することができる。
また、本発明の実施例の構成では、誘導性負荷15に流れる電流Ifが目標電流値I*に追従し、そのPWM制御による電流変動幅も一定範囲に収まることから、ウィンドウAD方式(US2006/0055574A1)を利用したA/D変換が利用でき、A/Dコンバータの回路規模を小さくすることができる。
12 駆動制御回路
13 駆動回路
14 平均電流検出回路
15 誘導性負荷
17 電流検出抵抗
21 三角波発振器
22 D/Aコンバータ
23 オペアンプ
24 コンパレータ
25 電界効果トランジスタ
Di ダイオード
L インダクタンス
RL ソレノイド抵抗
RON オン抵抗
SW スイッチング素子
Vbat 電源
31a、31b、31c、31d 周期・時刻情報保持部
32a、32b、32c、32d 電流リップル情報保持部
33a、33b、33c、33d 設定電流値情報保持部
34a、34b、34c、34d タイミング発生回路
35a、35b、35c、35d 信号発生回路
36d 波形選択情報保持部
37d 波形制御回路
Claims (4)
- 誘導性負荷に流れる電流の一定期間におけるPWM制御による変動量が目標電流値に近づくように前記誘導性負荷の駆動制御を行う駆動制御手段と、
前記誘導性負荷に流れる電流のPWM制御による変動周期よりも大きくなるように前記目標電流値の変動周期を制御する目標値制御手段とを備え、
前記目標値制御手段は、設定電流値情報と電流リップル情報とが入力され、前記誘導性負荷の摺動抵抗を極小とする前記目標電流値の周期情報を保持する周期・時刻情報保持部、前記目標電流値の前記電流リップル情報を保持する電流リップル情報保持部、前記設定電流値情報を保持する設定電流情報保持部、前記目標電流値の発生タイミングを生成するタイミング発生回路および前記目標電流値の波形を発生する信号発生回路とを有し、
前記タイミング発生回路は前記周期・時刻情報保持部に保持されている情報に基づいて前記目標電流値の発生タイミングを生成し、前記信号発生回路は前記タイミング発生回路にて発生された発生タイミングに従いつつ前記電流リップル情報保持部および設定電流値情報保持部に保持されている情報に基づいて前記目標電流値の波形を発生することを特徴とする誘導性負荷駆動制御装置。 - 前記電流リップル情報保持部は、前記目標電流の前記電流リップル情報が外部から与えられることを特徴とする請求項1記載の誘導性負荷駆動制御装置。
- 前記電流リップル情報は、前記目標電流値の電流リップル量を指定することを特徴とする請求項1記載の誘導性負荷駆動制御装置。
- 誘導性負荷に流れる電流の一定期間におけるPWM制御による変動量が目標電流値に近づくように前記誘導性負荷の駆動制御を行う駆動制御ステップと、
前記誘導性負荷に流れる電流のPWM制御による変動周期よりも大きくなるように前記目標電流値の変動周期を制御する目標値制御ステップとを備え、
前記目標値制御ステップは、設定電流値情報と電流リップル情報とが入力され、周期・時刻情報保持部で前記誘導性負荷の摺動抵抗を極小とする前記目標電流値の周期情報を保持し、電流リップル情報保持部で前記目標電流値の前記電流リップル情報を保持し、設定電流値情報保持部で前記設定電流値情報を保持し、タイミング発生回路で前記目標電流値の発生タイミングを生成し、信号発生回路で前記目標電流値の波形を発生し、
前記タイミング発生回路は前記周期・時刻情報保持部に保持されている情報に基づいて前記目標電流値の発生タイミングを生成し、前記信号発生回路は前記タイミング発生回路にて発生された発生タイミングに従いつつ前記電流リップル情報保持部および設定電流値情報保持部に保持されている情報に基づいて前記目標電流値の波形を発生することを特徴とする誘導性負荷駆動制御方法。
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