JP7206679B2

JP7206679B2 - 電気モータの駆動装置および電動ポンプ装置

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Publication number: JP7206679B2
Application number: JP2018143183A
Authority: JP
Inventors: 裕章宮本; 浩一相澤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: US11128243B2; CN110798100A; JP2020022245A; US20200044586A1

Description

本発明は、位置検出センサを有しない電気モータの駆動装置および電動ポンプ装置に関し、特に、電気モータが脱調していると判断する脱調判断部を備える電気モータの駆動装置および電動ポンプ装置に関する。

従来、電気モータが脱調していると判断する脱調判断部を備える位置検出センサを有しないブラシレスモータの制御装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載のブラシレスモータの制御装置は、軸誤差が所定の基準値を超えたことに基づいて、ブラシレスモータが異常であると判断する異常検出手段（脱調判断部）を備えている。ここで、「軸誤差」とは、ブラシレスモータの磁束軸をｄ軸とし、ｄ軸に直交する軸をｑ軸とした場合、回転座標軸であるｄ－ｑ軸と、制御上の仮想のｄ－ｑ軸との軸ずれ角を意味する。具体的には、上記特許文献１では、電圧指令値と、電流値と、回転速度と、ブラシレスモータ定数とに基づいて、所定の計算式を用いて軸誤差が演算される。そして、軸誤差が、予め設定された基準値を超えたことに基づいて、ブラシレスモータが異常であると判断される。

また、ブラシレスモータの場合、軸誤差が±９０度の範囲であれば、ブラシレスモータは安定する。また、弱め界磁制御を行う場合、軸誤差が±６０度の範囲で制御される。そこで、上記特許文献１では、軸誤差が±６０度を超えた場合、異常であると判断するように構成されている。

また、位置検出センサを有しないブラシレスモータでは、ブラシレスモータに発生する誘起電圧に基づいて、ロータの位置が検出されている。しかしながら、ブラシレスモータの回転数が比較的低い領域では、ブラシレスモータの誘起電圧が発生していない（または、誘起電圧が微弱である）ため、ブラシレスモータ（ロータ）の位置を検出することができない。このため、ブラシレスモータの回転数が比較的低い領域において、脱調（入力の指令値に同期しない状態でロータが回転すること）する可能性がある。また、ブラシレスモータの回転数が比較的高い領域でも、ロータの回転数の急激な変化に起因して脱調する可能性がある。上記特許文献１では、電圧指令値に基づいて、軸誤差が演算されている。このため、ブラシレスモータの回転数が比較的低い領域（電圧指令値のデューティ比の小さい領域）の脱調だけでなく、ブラシレスモータの回転数が比較的高い領域（電圧指令値のデューティ比の大きい領域）の脱調も検出していると考えられる。つまり、上記特許文献１では、複数のブラシレスモータの回転数の領域において脱調を検出可能に構成されていると考えられる。

特開２０１２－６０７８１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のブラシレスモータの制御装置では、複数の回転数の領域におけるブラシレスモータの異常（脱調など）を判断するために、電圧指令値と、電流値と、回転速度と、ブラシレスモータ定数とに基づいて、所定の計算式を用いて軸誤差を演算する必要がある。ここで、一般的に、電流値を検出するためには、検出された電流の信号を増幅するためのアンプが必要になる。このため、上記特許文献１に記載の構成では、ブラシレスモータの異常を検出するための構成が比較的複雑になるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、構成が複雑になるのを抑制しながら、複数の回転数の領域において脱調を検出することが可能な電気モータの駆動装置および電動ポンプ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面における電気モータの駆動装置は、位置検出センサを有しない電気モータの駆動装置であって、外部から入力される指令値に基づいて、電気モータを駆動する駆動部と、駆動部により駆動される電気モータの回転数を検出する回転数検出部と、回転数検出部により検出された回転数が所定のしきい値未満の場合に、電気モータが脱調していると判断する脱調判断部とを備え、所定のしきい値は、外部から入力される指令値に基づいて、変更されるように構成されており、所定のしきい値は、外部から入力される指令値に基づき、指令値が所定の値以上の場合、第１しきい値が選択され、外部から入力される指令値が所定の値未満の場合、第１しきい値よりも小さい第２しきい値が選択される。

この発明の第１の局面における電気モータの駆動装置では、上記のように、回転数検出部により検出された回転数が所定のしきい値未満の場合に、電気モータが脱調していると判断する脱調判断部を備え、所定のしきい値は、外部から入力される指令値に基づいて、変更されるように構成されている。これにより、所定のしきい値が外部から入力される指令値に基づいて変更されるので、複数の指令値（つまり、回転数）の領域において、指令値に応じた所定のしきい値に基づいて脱調を検出することができる。また、回転数のみに基づいて（回転数が所定のしきい値未満か否か）によって脱調が判断されるので、脱調の判断に回転数以外に電流値などが用いられる場合と異なり、電流値を検出するためのアンプなどを設ける必要もない。これらによって、構成が複雑になるのを抑制しながら、複数の回転数の領域において脱調を検出することができる。また、回転数検出部により検出された回転数と所定のしきい値との比較（回転数が所定のしきい値未満か否か）によって脱調か否かが判断されるので、比較的複雑な計算式を用いて演算を行う必要がない。これにより、駆動装置の負荷が大きくなるのを抑制することができる。

また、外部から入力される指令値が所定の値以上の場合（回転数が比較的高い領域）では、回転数検出部により検出された回転数と第１しきい値との比較に基づいて、容易に、電気モータが脱調しているか否かを判断することができる。また、外部から入力される指令値が所定の値未満の場合（回転数が比較的低い領域）では、回転数検出部により検出された回転数と第２しきい値との比較に基づいて、容易に、電気モータが脱調しているか否かを判断することができる。

上記第１の局面における電気モータの駆動装置において、好ましくは、脱調判断部により電気モータが脱調していると判断された場合、電気モータへの電圧指令を停止させて、電気モータを停止させるように構成されている。

このように構成すれば、電気モータが脱調していると判断された場合、電気モータが停止されるので、電気モータが脱調している状態で、電気モータの駆動が継続されるのを抑制することができる。

この場合、好ましくは、脱調判断部により電気モータが脱調していると判断された場合、停止された状態の電気モータを再起動させるように構成されている。

ここで、一般的に、電気モータが停止された場合、永久磁石の磁界によって、ロータは予め定められた所定の位置に停止されるように構成されている。そして、ロータが予め定められた所定の位置に停止された状態の電気モータを再起動することによって、脱調を抑制しながら電気モータを起動させることができる。

この発明の第２の局面における電動ポンプ装置は、位置検出センサを有しない電気モータに駆動される電動ポンプと、電気モータの駆動装置とを備え、電気モータの駆動装置は、外部から入力される指令値に基づいて、電気モータを駆動する駆動部と、駆動部により駆動される電気モータの回転数を検出する回転数検出部と、回転数検出部により検出された回転数が所定のしきい値未満の場合に、電気モータが脱調していると判断する脱調判断部とを含み、所定のしきい値は、外部から入力される指令値に基づいて、変更されるように構成されており、所定のしきい値は、外部から入力される指令値に基づき、指令値が所定の値以上の場合、第１しきい値が選択され、外部から入力される指令値が所定の値未満の場合、第１しきい値よりも小さい第２しきい値が選択される。

この発明の第２の局面における電動ポンプ装置では、上記のように、電動ポンプを駆動する電気モータの駆動装置は、回転数検出部により検出された回転数が所定のしきい値未満の場合に、電気モータが脱調していると判断する脱調判断部を備え、所定のしきい値は、外部から入力される指令値に基づいて、変更されるように構成されている。これにより、所定のしきい値が外部から入力される指令値に基づいて変更されるので、複数の指令値（つまり、回転数）の領域において、指令値に応じた所定のしきい値に基づいて脱調を検出することができる。また、回転数のみに基づいて（回転数が所定のしきい値未満か否か）によって脱調が判断されるので、脱調の判断に回転数以外に電流値などが用いられる場合と異なり、電流値を検出するためのアンプなどを設ける必要もない。これらによって、構成が複雑になるのを抑制しながら、複数の回転数の領域において脱調を検出することが可能な電動ポンプ装置を提供することができる。また、回転数検出部により検出された回転数と所定のしきい値との比較（回転数が所定のしきい値未満か否か）によって脱調か否かが判断されるので、比較的複雑な計算式を用いて演算を行う必要がない。これにより、駆動装置の負荷が大きくなるのを抑制することが可能な電動ポンプ装置を提供することができる。

なお、本出願では、上記第１の局面による電気モータの駆動装置とは別に、以下のような他の構成も考えられる。

（付記項）
すなわち、本出願の他の構成による電気モータの駆動装置では、外部から入力される指令値は、電気モータの目標の回転数に対応するデューティ比である。このように構成すれば、脱調は電気モータの回転数に起因して生じるので、脱調を判断するための所定のしきい値を、外部から入力される指令値に基づいて適切に選択することができる。

一実施形態による電気モータの駆動装置（電動ポンプ装置）のブロック図である。一実施形態による入力指示と脱調しているか否かを判断する所定のしきい値との関係を示す図である。一実施形態による電気モータの駆動装置の動作を説明するためのフロー図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１および図２を参照して、本実施形態による電気モータ１１０の駆動装置１００（電動ポンプ装置２００）の構成について説明する。なお、電気モータ１１０は、位置検出センサを有しない直流ブラシレスモータである。

図１に示すように、電動ポンプ装置２００は、電気モータ１１０によって駆動されるように構成されている。また、電動ポンプ装置２００は、たとえば、インバーター冷却用電動ウォーターポンプ装置である。

また、駆動装置１００は、ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）１０を備えている。ＩＣ１０には、指令値が入力されるように構成されている。具体的には、指令値は、電気モータ１１０の目標の回転数に対応するデューティ比（％）である。

また、ＩＣ１０は、電源電圧補正部１１を備えている。電源電圧補正部１１には、ＩＣ１０に供給される電源の電圧が入力される。なお、ＩＣ１０に供給される電源の電圧は、変動する場合がある。そこで、電源電圧補正部１１は、ＩＣ１０に供給される電源の電圧の変動が電気モータ１１０の回転数に影響しないように、補正に関する信号を出力ＰＷＭデューティ演算部１２に出力するように構成されている。

また、ＩＣ１０は、出力ＰＷＭデューティ演算部１２を含んでいる。出力ＰＷＭデューティ演算部１２は、入力された指令値と、電源電圧補正部１１から出力された補正に関する信号に基づいて、ＰＷＭ信号を生成するように構成されている。

また、駆動装置１００は、駆動部２０を備えている。駆動部２０は、外部から入力される指令値に基づいて、電気モータ１１０を駆動するように構成されている。具体的には、駆動部２０は、出力ＰＷＭデューティ演算部１２から出力されたＰＷＭ信号に基づいて、駆動部２０の内部のスイッチング素子（図示せず）を駆動する。これにより、電気モータ１１０が所望の回転数で駆動される。

また、駆動装置１００は、位置検出部３０を備えている。位置検出部３０は、電気モータ１１０に発生する誘起電圧に基づいて、ロータ（図示せず）の位置を検出（推定）するように構成されている。

また、ＩＣ１０は、回転数検出部１３を含む。回転数検出部１３は、位置検出部３０により検出（推定）されたロータ（図示せず）の位置に基づいて、ロータの回転数を検出（推定）するように構成されている。また、回転数検出部１３により検出されたロータの回転数は、ＩＣ１０の外部に出力されるように構成されている。

また、ＩＣ１０は、しきい値決定部１４を備えている。しきい値決定部１４は、電気モータ１１０が脱調しているか否かを判断するしきい値（回転数）を決定するように構成されている。ここで、本実施形態では、所定のしきい値は、外部から入力される指令値（デューティ比（％））に基づいて、変更されるように構成されている。具体的には、図２に示すように、所定のしきい値は、外部から入力される指令値が所定の値以上の場合の第１しきい値と、外部から入力される指令値が所定の値未満の場合の、第１しきい値よりも小さい第２しきい値とを含む。たとえば、指令値（デューティ比）の所定の値は、３０％である。たとえば、第１のしきい値は、８００ｒｐｍである。たとえば、第２のしきい値は、１６０ｒｐｍである。そして、所定のしきい値は、外部から入力される指令値に基づいて、第１しきい値と第２しきい値とのうちのいずれかが選択されるように構成されている。たとえば、第１しきい値と第２しきい値とが予め記憶部（図示せず）に記憶されており、指令値に基づいて、第１しきい値と第２しきい値とのうちのいずれかが選択される。なお、脱調は電気モータの回転数に起因して生じるので、脱調を判断するための所定のしきい値を、外部から入力される指令値（デューティ比）に基づいて適切に選択することができる。

また、図１に示すように、本実施形態では、ＩＣ１０は、脱調判断部１５を含んでいる。脱調判断部１５は、回転数検出部１３により検出された回転数が所定のしきい値未満の場合に、電気モータ１１０が脱調していると判断するように構成されている。そして、脱調判断部１５は、指令値（デューティ比）が、たとえば３０％以上の場合、第１のしきい値（たとえば、８００ｒｐｍ）を選択する。そして、脱調判断部１５は、回転数検出部１３により検出された回転数が第１のしきい値未満の場合に、電気モータ１１０が脱調していると判断する。詳細には、脱調判断部１５は、回転数検出部１３により検出された回転数が、所定の時間の間（たとば、３秒間）、第１のしきい値未満の場合、電気モータ１１０が脱調していると判断する。これにより、電気モータ１１０の回転数が比較的高い領域において、脱調を検出することが可能になる。また、脱調判断部１５は、たとえば、指令値（デューティ比）が、３０％未満の場合、第２のしきい値（たとえば、１６０ｒｐｍ）を選択する。そして、脱調判断部１５は、回転数検出部１３により検出された回転数が第２のしきい値未満の場合に、電気モータ１１０が脱調していると判断する。詳細には、脱調判断部１５は、回転数検出部１３により検出された回転数が、所定の時間の間（たとば、３秒間）、第２のしきい値未満の場合、電気モータ１１０が脱調していると判断する。これにより、電気モータ１１０の回転数が比較的低い領域において、脱調を検出することが可能になる。

また、本実施形態では、脱調判断部１５により電気モータ１１０が脱調していると判断された場合、電気モータ１１０への電圧指令を停止させて、電気モータ１１０を停止させるように構成されている。具体的には、脱調判断部１５により電気モータ１１０が脱調していると判断された場合、出力ＰＷＭデューティ演算部１２から駆動部２０へのＰＷＭ信号の出力が停止される。これにより、電気モータ１１０が停止される。また、電気モータ１１０は、たとえば、１秒間停止される。この際、電気モータ１１０のロータは、予め定められた所定の位置において停止される。

そして、脱調判断部１５により電気モータ１１０が脱調していると判断された場合、停止された状態の電気モータ１１０が再起動されるように構成されている。つまり、電気モータ１１０のロータが予め定められた所定の位置において停止された状態で、電気モータ１１０が再起動される。つまり、出力ＰＷＭデューティ演算部１２から駆動部２０へのＰＷＭ信号の出力が再開される。これにより、脱調を抑制しながら電気モータ１１０が起動される。

次に、図３を参照して、電気モータ１１０の駆動装置１００の動作について説明する。

まず、ステップＳ１において、ＩＣ１０に指令値が入力される。

次に、ステップＳ２において、しきい値決定部１４によって所定のしきい値が決定される。具体的には、指令値が所定の値以上の場合、第１しきい値が選択される。また、指令値が所定の値未満の場合、第２しきい値が選択される。

次に、ステップＳ３において、電源電圧補正部１１に、ＩＣ１０に供給される電源の電圧が入力されることにより、電源電圧補正部１１は、ＩＣ１０に供給される電源の電圧を認識する。そして、電源電圧補正部１１は、補正に関する信号を出力ＰＷＭデューティ演算部１２に出力する。

次に、ステップＳ４において、出力ＰＷＭデューティ演算部１２は、入力された指令値と、電源電圧補正部１１から出力された補正に関する信号と基づいて、ＰＷＭ信号を生成する。そして、生成されたＰＷＭ信号に基づいて、駆動部２０によって電気モータ１１０が駆動される。

次に、ステップＳ５において、回転数検出部１３は、位置検出部３０により検出（推定）されたロータ（図示せず）の位置に基づいて、ロータの回転数を検出（推定）する。そして、検出されたロータの回転数が脱調判断部１５に入力されることにより、脱調判断部１５は、ロータの回転数を認識する。

次に、ステップＳ６において、脱調判断部１５は、回転数検出部１３により検出された回転数が、たとえば、３秒間、所定のしきい値未満か否かを判断する。脱調判断部１５が、回転数が所定のしきい値未満でないと判断した場合、ステップＳ１に戻る。また、脱調判断部１５が、回転数が所定のしきい値未満であると判断した場合、電気モータ１１０が脱調していると判断する。そして、ステップＳ７に進む。

次に、ステップＳ７において、電気モータ１１０への電圧指令が停止されて、電気モータ１１０が、たとえば、１秒間停止される。

次に、ステップＳ８において、電気モータ１１０が再起動される。

（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、脱調判断部１５が脱調を判断するための所定のしきい値は、外部から入力される指令値に基づいて、変更されるように構成されている。これにより、所定のしきい値が外部から入力される指令値に基づいて変更されるので、複数の指令値（つまり、回転数）の領域において、指令値に応じた所定のしきい値に基づいて脱調を検出することができる。また、回転数のみに基づいて（回転数が所定のしきい値未満か否か）によって脱調が判断されるので、脱調の判断に回転数以外に電流値などが用いられる場合と異なり、電流値を検出するためのアンプなどを設ける必要もない。これらによって、構成が複雑になるのを抑制しながら、複数の回転数の領域において脱調を検出することができる。また、回転数検出部１３により検出された回転数と所定のしきい値との比較（回転数が所定のしきい値未満か否か）によって脱調か否かが判断されるので、比較的複雑な計算式を用いて演算を行う必要がない。これにより、駆動装置１００の負荷が大きくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、外部から入力される指令値が所定の値以上の場合（回転数が比較的高い領域）では、回転数検出部１３により検出された回転数と第１しきい値との比較に基づいて、容易に、電気モータ１１０が脱調しているか否かを判断することができる。また、外部から入力される指令値が所定の値未満の場合（回転数が比較的低い領域）では、回転数検出部１３により検出された回転数と第２しきい値との比較に基づいて、容易に、電気モータ１１０が脱調しているか否かを判断することができる。

また、本実施形態では、上記のように、電気モータ１１０が脱調していると判断された場合、電気モータ１１０が停止されるので、電気モータ１１０が脱調している状態で、電気モータ１１０の駆動が継続されるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ロータが予め定められた所定の位置に停止された状態の電気モータ１１０を再起動することによって、脱調を抑制しながら電気モータ１１０を起動させることができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、電気モータが脱調していると判断するために２つのしきい値（第１しきい値および第２しきい値）が用いられる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、電気モータが脱調していると判断するために、３つ以上のしきい値を用いてもよい。また、電気モータが脱調していると判断するためのしきい値を、指令値に応じて連続的に変化させてもよい。

また、上記実施形態では、第１しきい値および第２しきい値を選択するための所定の値（デューティ比）が、３０％である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、所定の値は、３０％以外でもよい。

また、上記実施形態では、第１のしきい値が８００ｒｐｍであり、第２のしきい値が１６０ｒｐｍである例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第１のしきい値および第２のしきい値は、上記の値以外の値でもよい。

また、上記実施形態では、脱調判断部により電気モータが脱調していると判断された場合、電気モータが１秒間停止される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、電気モータが停止される期間は、１秒以外であってもよい。

また、上記実施形態では、電動ポンプ装置が電動ウォーターポンプ装置である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、電動オイルポンプ装置等の電動ポンプ装置にも本発明を適用することは可能である。

１３回転数検出部
１５脱調判断部
２０駆動部
１００駆動装置
１１０電気モータ
２００電動ポンプ装置
２１０電動ポンプ

Claims

位置検出センサを有しない電気モータの駆動装置であって、
外部から入力される指令値に基づいて、前記電気モータを駆動する駆動部と、
前記駆動部により駆動される前記電気モータの回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部により検出された回転数が所定のしきい値未満の場合に、前記電気モータが脱調していると判断する脱調判断部とを備え、
前記所定のしきい値は、外部から入力される前記指令値に基づいて、変更されるように構成されており、
前記所定のしきい値は、外部から入力される前記指令値に基づき、前記指令値が所定の値以上の場合、第１しきい値が選択され、外部から入力される前記指令値が前記所定の値未満の場合、前記第１しきい値よりも小さい第２しきい値が選択される、電気モータの駆動装置。
前記脱調判断部により前記電気モータが脱調していると判断された場合、前記電気モータへの電圧指令を停止させて、前記電気モータを停止させるように構成されている、請求項１に記載の電気モータの駆動装置。
前記脱調判断部により前記電気モータが脱調していると判断された場合、停止された状態の前記電気モータを再起動させるように構成されている、請求項２に記載の電気モータの駆動装置。
位置検出センサを有しない電気モータに駆動される電動ポンプと、
前記電気モータの駆動装置とを備え、
前記電気モータの前記駆動装置は、
外部から入力される指令値に基づいて、前記電気モータを駆動する駆動部と、
前記駆動部により駆動される前記電気モータの回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部により検出された回転数が所定のしきい値未満の場合に、前記電気モータが脱調していると判断する脱調判断部とを含み、
前記所定のしきい値は、外部から入力される前記指令値に基づいて、変更されるように構成されており、
前記所定のしきい値は、外部から入力される前記指令値に基づき、前記指令値が所定の値以上の場合、第１しきい値が選択され、外部から入力される前記指令値が前記所定の値未満の場合、前記第１しきい値よりも小さい第２しきい値が選択される、電動ポンプ装置。