JP6690579B2 - シフトレンジ制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転角センサの異常時にシフトレンジを適切に切り替え可能であるシフトレンジ制御装置を提供することにある。
異常判定部は、モータの回転角度を検出する回転角センサ(13)の異常を判定する。
正常時制御部は、回転角センサが正常である場合、回転角センサの検出値を用いてモータの駆動を制御する。
異常時制御部は、1つの相において同一方向への通電が継続される通電継続期間の少なくとも一部において、デューティが100%より小さい電流低減期間を設ける。
これにより、回転角センサの異常時において、モータの振動を抑制しつつ、回転角センサの検出値を用いずに、要求シフトレンジに応じた目標位置までモータを適切に回転させることができる。
一実施形態によるシフトレンジ制御装置を図1〜図17に示す。
図1および図2に示すように、シフトレンジ切替システムであるシフトバイワイヤシステム1は、モータ10、シフトレンジ切替機構20、パーキングロック機構30、および、シフトレンジ制御装置40等を備える。
モータ10は、図示しない車両に搭載されるバッテリ45(図3参照。)から電力が供給されることで回転し、シフトレンジ切替機構20の駆動源として機能する。モータ10は、フィードバック制御により電流の大きさを変更可能であって、かつ、相ごとに指令を変更可能なものが用いられる。本実施形態のモータ10は、永久磁石式のDCブラシレスモータである。図3に示すように、モータ10は、2組の巻線組11、12を有する。第1巻線組11は、U1コイル111、V1コイル112、および、W1コイル113を有する。第2巻線組12は、U2コイル121、V2コイル122、および、W2コイル123を有する。
減速機14は、モータ10の回転軸であるモータ軸と出力軸15との間に設けられ、モータ10の回転を減速して出力軸15に出力する。これにより、モータ10の回転がシフトレンジ切替機構20に伝達される。出力軸15には、出力軸15の角度を検出する出力軸センサ16が設けられる。出力軸センサ16は、例えばポテンショメータである。
ディテントプレート21は、出力軸15に固定され、モータ10により駆動される。本実施形態では、ディテントプレート21がディテントスプリング25の基部から離れる方向を正回転方向、基部に近づく方向を逆回転方向とする。
ディテントプレート21のディテントスプリング25側には、マニュアルバルブ28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22が設けられる。凹部22は、ディテントスプリング25の基部側から、D、N、R、Pの各レンジに対応している。
ディテントスプリング25は、ディテントローラ26をディテントプレート21の回動中心側に付勢する。ディテントプレート21に所定以上の回転力が加わると、ディテントスプリング25が弾性変形し、ディテントローラ26が凹部22を移動する。ディテントローラ26が凹部22のいずれかに嵌まり込むことで、ディテントプレート21の揺動が規制され、マニュアルバルブ28の軸方向位置、および、パーキングロック機構30の状態が決定され、自動変速機5のシフトレンジが固定される。
パーキングロッド31は、略L字形状に形成され、一端311側がディテントプレート21に固定される。パーキングロッド31の他端312側には、円錐体32が設けられる。円錐体32は、他端312側にいくほど縮径するように形成される。ディテントプレート21が逆回転方向に揺動すると、円錐体32が矢印Pの方向に移動する。
モータドライバ41は、第1巻線組11の通電を切り替える3相インバータであって、スイッチング素子411〜416がブリッジ接続される。対になるU相のスイッチング素子411、414の接続点には、U1コイル111の一端が接続される。対になるV相のスイッチング素子412、415の接続点には、V1コイル112の一端が接続される。対になるW相のスイッチング素子413、416の接続点には、W1コイル113の一端が接続される。コイル111〜113の他端は、結線部115で結線される。
本実施形態のスイッチング素子411〜416、421〜426は、MOSFETであるが、IGBT等の他の素子を用いてもよい。
バッテリ45の高電位側には、バッテリ電圧Vbを検出する電圧センサ48が設けられる。本実施形態では、バッテリ電圧Vbが「入力電圧」に対応する。
また、シフトレンジ制御装置40には、モータ電流Imを検出する図示しない電流センサが設けられる。
速度演算部53は、実カウント値Cenに基づき、モータ10の回転速度であるモータ速度Mspを演算する。
目標モータ速度Msp*は、バッテリ電圧Vbが大きくなるほど大きくなるように設定される。
制御器65は、目標モータ速度Msp*と速度フィードバック値Msp_fbとを一致させるべく、速度偏差ΔMspが0となるように、例えばP制御やPI制御等により、FBデューティD_fbを演算する。
加速制御時のFFデューティD_ffは、図6(a)に示すマップ等に基づいて演算される最大加速デューティであって、モータ速度Mspが大きくなるほど大きくなる。本実施形態では、モータ速度Mspが目標モータ速度Msp*以上となるまでの間、最大デューティとなるように、FFデューティD_ffが演算される。
定常制御時のFFデューティD_ffは、図6(b)に示すマップ等に基づいて演算される速度維持デューティとする。速度維持デューティは、無負荷時にモータ速度Mspを維持するためのデューティであって、モータ速度Mspが大きくなるほど大きくなる。
減速制御時のFFデューティD_ffは、図6(c)に示すマップ等に基づいて演算される減速補正デューティとする。減速補正デューティは、目標モータ速度Msp*を実現するための補正デューティである。減速補正デューティは、モータ10が正方向に回転している場合は負の値であって、モータ速度Mspが大きくなるほど小さくなる。すなわち、減速補正デューティは、モータ速度Mspが大きくなるほど、絶対値としては大きい値となる。
加算器67は、FBデューティD_fbとFFデューティD_ffとを加算し、補正後FBデューティDaを演算する。
本実施形態では、第1相の高電位側のスイッチング素子と、第2相の低電位側のスイッチング素子とをオンにする、いわゆる120°通電により、モータ10を駆動する。120°通電では、第1相および第2相の組み合わせが電気角60°ごとに入れ替わることで、通電相が切り替わる。これにより、巻線組11、12に回転磁界が発生し、モータ10が回転する。本実施形態では、出力軸15を正回転方向に回転させるときのモータ10の回転方向を正方向とする。また、モータ10が正のトルクを出力するときのデューティを正、負のトルクを出力するときのデューティを負とし、取り得るデューティ範囲を−100[%]〜100[%]とする。すなわち、モータ10を正回転させるとき、デューティを正とし、逆回転させるとき、デューティを負とする。なお、正回転しているモータ10を停止させるべく、ブレーキトルク(すなわち負トルク)を発生させるとき、モータ10の回転方向は正回転方向であるが、デューティは負となる。同様に、逆回転しているモータ10を停止させるべく、ブレーキトルクを発生させるとき、デューティは正となる。
PWM信号生成部73は、デューティ指令値および実カウント値Cenに基づき、スイッチング素子411〜416、421〜426のスイッチングに係る指令信号Spwmを生成する。また、モータ電流Imが電流制限値Im_maxを超えないように指令信号Spwmを調整する。
正常信号出力部77は、正常制御時において、モータドライバ41、42に出力される信号を切り替える。本実施形態では、モータ10が、要求シフトレンジに応じた回転方向に回転している場合、すなわち反転前である場合、PWM信号生成部73にて生成された指令信号Spwmを選択し、モータ10が反転した場合、固定相通電制御部75にて生成される指令信号Sfixを選択する。
異常時制御部82は、エンコーダ13に異常が生じた場合、異常時制御として、実カウント値Cenを用いず、通電相をじかに制御するオープン駆動制御を行う。オープン駆動制御では、所定の通電相切替期間Pc(例えば5[ms])ごとに通電相が切り替わるように、スイッチング素子411〜416、421〜426のオンオフを制御する。
図8(a)に示すように、時刻x1以前のシフトレンジはPレンジであり、このときのモータ角度をθpとする。時刻x1にてドライバ要求シフトレンジがPレンジからDレンジに切り替わると、一点鎖線で示すように、モータ角度θmの目標位置が角度θdに設定される。エンコーダ13が正常であるとき、実線で示すように、実カウント値Cenを用いたフィードバック制御によりモータ10を駆動することで、速やかにモータ10を角度θdまで回転させる。
一方、エンコーダ13が異常である場合、エンコーダ13のカウント値を用いたフィードバック制御が行えないので、実カウント値Cenを用いないオープン駆動制御にて、モータ10を角度θdまで回転させる。オープン駆動制御では、破線で示すように、モータ10の振動を抑制すべく、正常時より時間をかけてモータ10を角度θdまで回転させる。
図8(b)に示すように、オープン駆動制御では、通電相切替期間Pcごとに通電相を切り替えることで、ステップ的にモータ10を駆動する。本実施形態では、モータ10として、SRモータと比較してトルクが大きいDCブラシレスモータを用いている。そのため、デューティを100[%]とし、通電継続期間Pk(図9参照)に亘って、通電相のスイッチング素子をオンし続けると、図8(b)に実線で示すように、モータ10の振動が大きく、モータ10の駆動を適切に制御できない虞がある。以下適宜、モータ10の振動が大きく、モータ10の駆動を適切に制御できないことを、「脱調」とする。
モータドライバ42のスイッチング素子421〜426のスイッチングパターンは、モータドライバ41と同様であるので、説明を省略する。なお、モータドライバ41、42にて、通電位相差を持たせてもよい。
なお、図9では、煩雑になることを避けるため、通電相切替期間Pcについては1周期分のみ記載した。
図10に示すように、異常時デューティDfは、バッテリ電圧Vbに応じて設定される。具体的には、バッテリ電圧Vbの正常下限値Vb1のときのデューティを100%より小さい値Df1とし、バッテリ電圧Vbが所定電圧Vb2より小さい場合、バッテリ電圧Vbが大きくなるほど、異常時デューティDfは小さくなる。バッテリ電圧Vbが所定電圧Vb2以上の場合、異常時デューティDfを所定値Df2(例えば30%)とする。
これにより、モータ10の振動が抑制され、脱調を防ぐことができる。
通電継続期間Pkの開始時および終了時のデューティを徐変させることで、通電相の切り替えに伴う電流の急変が抑制される。これにより、モータ10の振動が抑制され、脱調を防ぐことができる。
また、図10および図11では、異常時デューティDfおよびデューティ傾きΔDがバッテリ電圧Vbの上昇に伴って線形的に減少する例を説明したが、非線形的に減少するようにしてもよいし、ステップ的に減少するようにしてもよい。
S200またはS300に続いて移行するS400では、ECU50は、異常判定処理を行う。
正常時制御処理の説明に先立ち、モータ10の制御モードをまとめておく。モード1は「加速制御」であって、モータ10の回転を加速させる。モード2は「定常制御」であってモータ10の回転速度を略一定に保持する。モード3は「減速制御」であって、モータ10の回転を減速させる。モード4は「急ブレーキ制御」であって、モータ10の回転に急ブレーキをかける。モード5は「固定相通電制御」であって、モータ10を停止させる。モード0は「通電オフ制御」であって、モータ10への通電を停止する。
S203では、ECU50は、通電フラグがオンされているか否かを判断する。通電フラグがオフであると判断された場合(S203:NO)、S210へ移行する。通電フラグがオンであると判断された場合(S203:YES)、S204へ移行する。
S204では、目標速度設定部62は、目標モータ速度Msp*をセットする。
S205では、正常時制御部51は、モード判定処理を行う。
S251では、正常時制御部51は、制御モードがモード1か否かを判断する。制御モードがモード1ではないと判断された場合(S251:NO)、S254へ移行する。制御モードがモード1であると判断された場合(S251:YES)、S252へ移行する。
S253では、正常時制御部51は、制御モードを定常制御であるモード2とする。
S256では、正常時制御部51は、制御モードを減速制御であるモード3とする。
S259では、正常時制御部51は、制御モードを急ブレーキ制御であるモード4とする。
S262では、正常時制御部51は、制御モードを固定相通電制御であるモード5とする。
S264では、ECU50は、タイマ値Tcが継続時間判定閾値Tthより大きいか否かを判断する。継続時間判定閾値Tthは、固定相通電制御を継続する固定相通電継続時間Ta(例えば100ms)に応じて設定される値である。タイマ値Tcが継続時間判定閾値Tth以下であると判断された場合(S264:NO)、モード5を継続する。タイマ値Tcが継続時間判定閾値Tthより大きいと判断された場合(S264:YES)、S265へ移行する。
S265では、正常時制御部51は、制御モードを通電オフ制御であるモード0とする。
PWM制御を、図15に基づいて説明する。
S271では、正常時制御部51は、制御モードがモード1〜3のいずれかであるか否かを判断する。制御モードがモード1〜3のとき、モータ10はフィードバック制御される。制御モードがモード1〜3ではない、すなわちモード4であると判断された場合(S271:NO)、S278へ移行する。制御モードがモード1〜3のいずれかであると判断された場合(S271:YES)、S272へ移行する。
S274では、フィードバック値設定部63は、モータ速度Mspの位相進み補償値Msp_plを速度フィードバック値Msp_fbとして、速度偏差演算部64に出力する。
S276では、フィードフォワード項演算部66は、制御モードに応じたフィードフォワードデューティD_ffを演算する。
S277では、加算器67は、フィードバックデューティD_fbとフィードフォワードデューティD_ffとを加算し、補正後フィードバックデューティDaを演算する。
S279では、PWM信号生成部73は、演算された補正後フィードバックデューティDaまたは固定デューティDbに基づいて指令信号Spwmを生成する。ECU50は、生成された指令信号Spwmに基づいてモータ10の駆動を制御する。
S209では、正常時制御部51は、固定相通電制御を行う。詳細には、固定相通電制御部75は、実カウント値Cenに応じた固定相に通電する指令信号Sfixを生成する。ECU50は、生成された指令信号Sfixに基づいてモータ10の駆動を制御する。
S210では、ECU50は、モータ10への通電をオフにする。
S301では、異常時制御部82は、モータ10に通電中か否かを判断する。通電中か否かは、例えば通電フラグに基づいて判断される。通電中ではないと判断された場合(S301:NO)、S309へ移行する。通電中であると判断された場合(S301:YES)、S302へ移行する。
S303では、異常時制御部82は、バッテリ電圧Vbに基づいてデューティ傾きΔDを設定する。
S304では、異常時制御部82は、異常時制御処理開始からの経過時間に応じた各相のデューティを設定する。
S307では、異常時制御部82は、通電相を切り替えずに現在の通電相を継続する。具体的には、制御対象のスイッチング素子を変更せず、S302にて設定された異常時デューティDfでのオンオフ作動を継続する。
S309では、ECU50は、モータ10への通電をオフにする。モータ10への通電がオフであれば、通電オフを継続する。
S401では、異常判定部81は、モータ10に通電中か否かを判断する。通電中か否かは、S301での判断と同様、例えば通電フラグに基づいて判断される。通電中ではないと判断された場合(S401:NO)、S402以降の処理を行わない。通電中であると判断された場合(S401:YES)、S402へ移行する。
S403では、異常判定部81は、エンコーダ異常フラグをリセットする。
S404では、異常判定部81は、エンコーダ異常フラグをセットする。
また、通電相切替時におけるデューティを徐変させることで、通電相の切り替えに伴う電流の急変が抑制される。これにより、通電相の切り替えに伴うモータ10の振動が抑制され、脱調することなく、要求シフトレンジに応じた目標位置まで、モータ10を適切に回転させることができる。
異常判定部81は、モータ10の回転角度を検出するエンコーダ13の異常を検出する。
正常時制御部51は、エンコーダ13が正常である場合、エンコーダ13の検出値を用いてモータ10の駆動を制御する。
異常時制御部82は、エンコーダ13が異常である場合、エンコーダ13の検出値を用いず、通電相切替期間Pcごとに通電相を切り替える異常時制御であるオープン駆動制御を行う。
異常時制御部82は、1つの相において同一方向への通電が継続される通電継続期間Pkの少なくとも一部において、デューティが100%より小さい電流低減期間を設ける。
これにより、エンコーダ13の異常時において、モータ10の振動を抑制しつつ、エンコーダ13の検出値を用いずに、要求シフトレンジに応じた目標位置までモータ10を適切に回転させることができる。
異常時デューティDfは、バッテリ電圧Vbに応じて可変である。これにより、バッテリ電圧Vbに応じ、より適切にモータ10の振動を抑制することができる。
また、異常時制御部82は、通電継続期間Pkの終了時において、オン状態からオフに切り替えるスイッチング素子411〜416、421〜426のデューティを0まで徐変させる。
これにより、通電相の切替時における電流の急変が抑制されるので、モータ10の振動を適切に抑制することができる。
ここで「オン状態」とは、所定のデューティでオンオフが繰り返されている状態を意味する。なお、デューティが100%であれば、該当するスイッチング素子411〜416、421〜426がオンされ続けている。
上記実施形態では、異常時制御において、通電継続期間の全期間に亘るデューティを100%より小さい異常時デューティとするとともに、通電継続期間の開始時および終了時にデューティを徐変させる。他の実施形態では、異常時制御において、通電継続期間の全期間において、デューティを100%より小さい異常時デューティにする場合、通電継続期間の開始時におけるデューティを徐変させず、通電継続期間の開始とともに、デューティを異常時デューティとしてもよい。また、通電継続期間の全期間において、デューティを100%より小さい異常時デューティとする場合、通電継続期間の終了時におけるデューティを徐変させず、通電継続期間の終了とともに、デューティを0としてもよい。
このようにしても、異常時制御において、通電継続期間の少なくとも一部において、デューティが100%より小さい電流低減期間が設けられることになるので、通電継続期間の全期間をデューティ100%で通電したときよりも通電量が低減される。これにより、モータの振動が抑制され、脱調することなくモータ10を目標位置まで回転させることができる。
上記実施形態では、通電継続期間の開始時および終了時におけるデューティ傾きは、入力電圧に応じて可変である。他の実施形態では、通電継続開始時の開始時および終了時の少なくとも一方におけるデューティ傾きは、入力電圧によらず、所定値としてもよい。
上記実施形態では、入力電圧はバッテリ電圧である。他の実施形態では、モータドライバに入力される電圧に係る値であれば、バッテリ電圧以外の値としてもよい。
他の実施形態では、正常時制御は、回転角センサの検出値を用いる制御であれば、どのような制御であってもよい。
また、速度状態の判定は、例えばモータ速度の微分値を用いて判定する等、判定方法は上記実施形態の方法に限らず、どのような方法であってもよい。
上記実施形態では、急ブレーキ制御における固定デューティは、突入速度に応じて設定される。他の実施形態では、固定デューティは、突入速度によらず、所定値(例えば最大デューティ)であってもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
13・・・エンコーダ(回転角センサ)
40・・・シフトレンジ制御装置
41、42・・・モータドライバ(ドライバ回路)
411〜416、421〜426・・・スイッチング素子
50・・・ECU
51・・・正常時制御部
81・・・異常判定部
82・・・異常時制御部
Claims (6)
- ドライバ回路(41、42)の複数のスイッチング素子(411〜416、421〜426)のオンオフ作動を制御してモータ(10)を駆動することでシフトレンジを切り替えるシフトレンジ制御装置であって、
前記モータの回転角度を検出する回転角センサ(13)の異常を判定する異常判定部(81)と、
前記回転角センサが正常である場合、前記回転角センサの検出値を用いて前記モータの駆動を制御する正常時制御部(51)と、
前記回転角センサが異常である場合、前記回転角センサの検出値を用いず、一定の通電相切替期間ごとにオンされる前記スイッチング素子を切り替えることで通電相を切り替え、ステップ的に前記モータを駆動する異常時制御を行う異常時制御部(82)と、
を備え、
前記異常時制御部は、1つの相において同一方向への通電が継続される通電継続期間の少なくとも一部において、デューティが100%より小さい電流低減期間を設けるシフトレンジ制御装置。 - 前記異常時制御部は、前記通電継続期間の全期間において、デューティを100%より小さい異常時デューティとする請求項1に記載のシフトレンジ制御装置。
- 前記異常時デューティは、前記ドライバ回路の入力電圧に応じて可変である請求項2に記載のシフトレンジ制御装置。
- 前記異常時制御部は、前記通電継続期間の開始時において、オフからオン状態に切り替える前記スイッチング素子のデューティを0から所定のデューティまで徐変させる請求項1〜3のいずれか一項に記載のシフトレンジ制御装置。
- 前記異常時制御部は、前記通電継続期間の終了時において、オン状態からオフに切り替える前記スイッチング素子のデューティを0まで徐変させる請求項1〜4のいずれか一項に記載のシフトレンジ制御装置。
- 前記通電継続期間の開始時または終了時におけるデューティ徐変時の単位時間あたりのデューティ変化量であるデューティ傾きは、前記ドライバ回路の入力電圧に応じて可変である請求項4または5に記載のシフトレンジ制御装置。
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