(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子（回転子）および界磁巻線（固定子）を有する同期モータのための起動制御装置であって、
同期モータの界磁巻線に、与えられる制御信号に基づく所定周波数の交流電流を与えるインバータと、
同期モータの界磁巻線の端部電圧を検出するための電圧検出手段と、
電圧検出手段で検出された電圧の波形を、インバータにより与えられる交流電流に基づく電圧波形の影響を小さくして逆起電力による電圧波形が確認できるように補正する波形補正手段と、
波形補正手段で補正された電圧波形を用いてインバータに与える制御信号を発生する制御信号発生手段と、
を含み、
前記波形補正手段は、同期モータの端部に接続された少なくとも２つの抵抗素子の直列回路を有する分圧回路と、分圧回路の一方の抵抗素子に選択的に並列接続される追加抵抗素子とを含み、追加抵抗素子は、インバータの出力波形に連動して接続／切断が切り換えられる構成を含むことを特徴とする同期モータの起動制御装置。
【請求項２】
自動車の駆動系や操舵系に使われる作動流体を制御するための電動ポンプであって、
作動流体を移動させるためのポンプ本体と、
ポンプ本体を回転させるための同期モータと、
同期モータのドライバとを有し、
前記同期モータのドライバには、請求項１記載の起動制御装置が採用されていることを特徴とする作動流体を制御するための電動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同期モータの起動制御装置、特に、自動車に搭載される同期モータの起動制御に適した装置と、かかる装置が採用された自動車駆動系の作動流体を制御するための電動ポンプに関する。この電動ポンプは、具体的には、ＣＶＴ（Continuously Variable Transmission: 無段変速装置）、自動変速装置等の車載用駆動系や油圧式パワーステアリング装置等の車載用操舵系に使用される作動流体（オイル等）の流量制御を行うための電動ポンプである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に搭載されるＣＶＴ等の変速装置には、オイルを作動流体として用いる油圧方式のものがある。たとえば特開２０００−４６１６６号公報には、かかるＣＶＴの先行技術が開示されている。
先行技術では、エンジン回転数が所定速度以上では、機械式ポンプによって自動変速機に作動流体を供給し、エンジン回転数が所定速度未満では、機械式ポンプに加えて、電動ポンプによって自動変速機に作動流体を供給し、エンジンが停止しているときには電動ポンプによって自動変速機に作動流体を供給する機構になっている。
【０００３】
このように、ＣＶＴ等の変速装置では、従来より電動ポンプが作動流体の供給補助用として利用されている。また、油圧式パワーステアリング装置においても、電動ポンプが作動流体であるオイルの供給補助用として用いられている。
あるいは、最近の自動車の省エネ化要求に応えるために、電動ポンプのみで（つまり、機械式ポンプの補助用ではなくメインポンプとして）作動流体を供給する方式も考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車載用駆動系や操舵系に使用されている作動流体の供給（補助）用の電動ポンプには、従来、その駆動源としてブラシ付モータが用いられていた。しかし、車載用駆動系や操舵系は、エンジンルーム等に配置され、雰囲気温度が１２０℃以上の高温環境下であるため、ブラシ摩耗が激しく、寿命が短いという課題があった。
【０００５】
そこで本願発明者は、電動ポンプの駆動源にブラシレスモータを使用することを検討した。ブラシレスモータとは、直流モータと等価な特性を示すようにした同期モータのことであり、同期モータおよび駆動用ドライバを含む装置である。
同期モータをブラシレスモータとして使用する場合には、一般に、回転子の角度位置を検出するためのセンサが必要であり、このセンサにより検出された回転子の角度位置に対応した交流電流がインバータによって発生され、界磁巻線に与えられる。最も一般的なセンサはホール素子で構成されているが、これは熱に弱く、およそ１２０℃程度で機能しなくなるという課題がある。従って、電動ポンプに組み込む同期モータは、ホール素子をセンサとして使用することはできない。
【０００６】
そこで本願発明者は、電動ポンプの駆動源に、ブラシレスモータで、しかもセンサのないものを使用することを考えた。通常、回転子が回転すると逆起電力を生じるが、この逆起電力は回転に同期した波形であるから、逆起電力を検知することにより、回転子の角度位置を検出することが可能である。ところが、モータ起動時には、回転子の回転速度が遅く、逆起電力が微弱であるために、その検出が困難で、角度位置信号（制御信号）として利用することができないという課題に遭遇した。
【０００７】
つまり、ブラシレスモータにおいて、センサレスの構成にするためには、逆起電力が大きくなりその検出が容易になって以降であり、それ以降はコミュテーションモード（センサレスモード）になるが、従来は、コミュテーションモードになるまで、約１０秒、速いものでも約２秒程度かかっていた（家電製品であるエアコン等に組み込まれたブラシレスセンサレスモータの場合）。
ところが、例えば車載用駆動系に使用する電動ポンプ用モータは、電動ポンプとして油圧が立上がるまでに、たとえば０．２秒以下であることが条件とされ、この場合にはモータの起動性能は、たとえば０．１秒以下との厳しい要求が課せられる。
【０００８】
なぜなら、たとえば自動変速機や無段変速機制御用の油圧の立ち上がりが遅いと、停車状態から急発進する時やシフトチェンジの時等に、変速機の応答遅れにより、運転者に違和感を与えてしまうからである。
そこでこのような応答性の改善策としては、たとえば、油圧回路にアキュムレータを設けて常時所定以上の圧力をかけておく方法が知られているが、油圧装置が大きくなるため、車載用としては好ましくない。また、油圧装置が複雑で高価になる点でも、好ましくない。
【０００９】
応答遅れの別の防止策としては、車の停止中も油圧を一定以上に維持し、急発進等に備える方法も考えられるが、そのためには、停止中も電動ポンプを動作させなければならず、エネルギの消費を抑制する観点からは好ましくない。
この発明は、かかる背景のもとでなされたもので、同期モータがごく短時間で立上がるようにした同期モータの起動制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
この発明の他の目的は、同期モータをブラシレスセンサレスモータとして作動流体制御用の電動ポンプの駆動源に適用できる装置を提供することである。
さらにこの発明の目的は、ブラシレスセンサレスモータを駆動源とする車載用駆動源に使われる作動流体を制御するための電動ポンプを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明は、電機子（回転子）および界磁巻線（固定子）を有する同期モータのための起動制御装置であって、同期モータの界磁巻線に、与えられる制御信号に基づく所定周波数の交流電流を与えるインバータと、同期モータの界磁巻線の端部電圧を検出するための電圧検出手段と、電圧検出手段で検出された電圧の波形を、インバータにより与えられる交流電流に基づく電圧波形の影響を小さくして逆起電力による電圧波形が確認できるように補正する波形補正手段と、波形補正手段で補正された電圧波形を用いてインバータに与える制御信号を発生する制御信号発生手段と、を含み、前記波形補正手段は、同期モータの端部に接続された少なくとも２つの抵抗素子の直列回路を有する分圧回路と、分圧回路の一方の抵抗素子に選択的に並列接続される追加抵抗素子とを含み、追加抵抗素子は、インバータの出力波形に連動して接続／切断が切り換えられる構成を含むことを特徴とする同期モータの起動制御装置。
【００１４】
請求項２記載の発明は、自動車の駆動系や操舵系に使われる作動流体を制御するための電動ポンプであって、作動流体を移動させるためのポンプ本体と、ポンプ本体を回転させるための同期モータと、同期モータのドライバとを有し、前記同期モータのドライバには、請求項１記載の起動制御装置が採用されていることを特徴とする作動流体を制御するための電動ポンプである。
この発明によれば、同期モータ起動時においては、逆起電力が小さいが、その小さな逆起電力を確実に検知できるように構成が工夫されている。すなわち、図１Ａに示すように、同期モータの起動時には、インバータから、周波数の低い交流電流が界磁巻線に供給され、電機子（回転子）が引き込まれて回転が開始する。電機子が回転すると、逆起電力が生じ、逆起電力の振幅は電機子の回転上昇とともに大きくなる。界磁巻線の端部電圧は、インバータから与えられる交流電流に基づく電圧波形と、逆起電力に基づく電圧波形との合成波形である（図１Ｂ）。
【００１５】
この合成波形は、一般に、積分回路で積分して、位相比較に用いるが、逆起電力成分が小さい場合は、合成波形を積分しても、逆起電力成分が積分波形にほとんど反映されないという不具合がある。
すなわち、逆起電力に基づく電圧は、印加される交流電流に基づく電圧波形に比べて位相が進むが、この位相の進み具合が積分された波形に現れず、逆起電力の位相の進み具合が検出できないのである。
【００１６】
そこでこの発明では、インバータから与えられる交流電流波形は、インバータ自身が出力している波形なので既知であるから、その波形成分を合成波形から除くことにより、逆起電力成分を明確にする構成を創作した。
かかる構成により、積分回路に与えられる波形は、図１Ｃのようになり、逆起電力による電圧波形が明確になった波形である。
よって、同期モータ起動時の、電機子（回転子）の回転速度が遅い状態でも、逆起電力成分の位相差（進み位相）をインバータへの制御信号に反映させることができ、起動直後の短時間のうちに、同期モータをコミュテーションモード（センサレスモード）にすることができる。
【００１７】
よって、この発明によれば、起動性能が良く、短時間でコミュテーションモードに入る同期モータの起動制御装置を提供することができる。
また、この発明によれば、駆動系や操舵系等に使用する電動ポンプの駆動源として好適な同期モータ起動制御回路を提供することができる。
さらにこの発明によれば、安価で、起動性の良い駆動系や操舵系等に使用する電動ポンプを提供することができる。
【００１８】
この発明に係る電動ポンプを用いることにより、ポンプ起動後ごく短時間で油圧が所定の値に達するから、たとえば、車の急発進時やシフトチェンジの時でも変速機の応答が遅れることなく円滑に動作し、運転者に違和感を与えることがない。
また、この発明の電動ポンプを用いると、迅速な応答性を得るために従来必要であった油圧アキュムレータ等の油圧部品が不要となるため、油圧装置の大型化，複雑化，高価格化を抑制できる。さらに、油圧を常時一定以上に維持するために、停止中もポンプを動作させる必要がないから、エネルギの消費を低く抑えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明をする。
図２は、この発明の一実施形態に係る作動流体制御用電動ポンプを含む車両の駆動システム（トランスミッション系の駆動システム）の概略構成図である。エンジン１の回転力はトランスミッション２に含まれる主オイルポンプ３に与えられる。つまりエンジン１の駆動中は、エンジン１によって主オイルポンプ３が動作される。主オイルポンプ３は油圧制御部であるコントロールバルブ４にオイルを供給する。そしてコントロールバルブ４はアクチュエータ５に制御油圧を与え、所定の変速制御が実行される。
【００２０】
この駆動システムには、また、補助用電動ポンプ６が含まれている。電動ポンプ６には、ポンプ本体７と、ポンプ本体７を駆動するためのモータ８と、モータ８のドライバ９とが含まれており、ドライバ９およびモータ８はバッテリ１０から供給される電力によって動作される。
電動ポンプ６、より具体的にはポンプ本体７が回転するとコントロールバルブ４にオイルが供給され、コントロールバルブ４によってアクチュエータ５に与えられる制御油圧や油量が変化され、所定の変速制御が実行される。または、ポンプ本体７の回転制御のみによって、あるいはポンプ本体７の回転制御とコントロールバルブ４の制御の組み合わせにより、所定の変速制御が実行される。
【００２１】
エンジン１の作動中は、主オイルポンプ３によってコントロールバルブ４にオイルが供給されるが、エンジン１の回転数が低速であったり、エンジン１が停止しているときには、電動ポンプ６が動作されて、コントロールバルブ４へのオイル供給が行われる。
この実施形態における電動ポンプ６には、モータ８およびドライバ９として、センサレスブラシレスモータ装置が採用されている。すなわち、モータ８として同期モータが用いられ、しかもその回転子の角度位置を検出するためのセンサはなく、ドライバ９によって同期モータ８が直流モータと等価な特性を示すように、高効率で常に運転される。
【００２２】
図３に、ドライバ９および同期モータ８の具体的な回路構成例を示す。
図３を参照して、同期モータ８の界磁巻線８１には、３相のインバータ回路９１から交流電流が与えられる。界磁巻線８１の端部電圧は、電圧検出・波形補正回路１１０で検出され、検出された電圧は、後述するように、逆起電力による電圧波形成分を確認できるように波形補正がされる。
そして補正された電圧波形は積分回路１１１において積分され、さらに方形波変換回路１１２で方形波に変換された後、位相差検出回路１０４の一方入力として与えられる。
【００２３】
一方、発振回路１０１（この発振回路１０１は、たとえばＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator)で構成することができる。）の発振出力は、１２０°通電波形発生回路１０２へ与えられて、同期モータ８を制御するための１２０°通電波形が生成される。この波形は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)回路１０６へ与えられ、その出力によってインバータ回路９１が制御される。
１２０°通電波形発生回路１０２の出力から、電圧の位相が取り出されるようになっており、取り出された電圧位相は位相差検出回路１０４の他方入力として与えられる。位相差検出回路１０４は、方形波変換回路１１２の出力と１２０°通電波形発生回路１０２の出力との２つの電圧の位相差を検出して出力する。その位相差は作動アンプ１０５で増幅されて発振回路１０１へフィードバックされる。これにより、発振回路１０１の発振周波数が制御される。
【００２４】
このようにして同期モータ８の界磁巻線８１の端部電圧に現れる逆起電力が、インバータ９１の制御信号にフィードバックされるから、逆起電力が発生すると直ちにその逆起電力に基づいて１２０°通電波形発生回路１０２の出力が調整されるので、同期モータ８は起動開始後ごく短時間でコミュテーションモード（センサレスモード）になる。
なお、図３に示す回路では、速度設定信号に基づき、作動アンプ１０５の利得が制御される。つまり、同期モータ８が見かけ上滑らかに加速できるよう、速度設定信号に作動アンプ１０５の利得が比例するようにされている。さらに、発振回路１０１の出力周波数と速度設定信号である設定周波数との差が減算器１０７で求められ、それが増幅器１０８で増幅されてＰＷＭ回路１０６へ与えられる。これにより、１２０°通電波形発生回路１０２で発生される波形の波高値が制御される。
【００２５】
図４は、電圧検出・波形補正回路１１０の具体例を示す回路図である。図４に示すように、電圧検出・波形補正回路１１０は、たとえば３つの分圧抵抗素子１２１〜１２３と、アナログスイッチ１２４とを備える回路により構成できる。抵抗素子１２１，１２２は直列接続されており、抵抗素子１２１の一端は同期モータ８の界磁巻線８１の端部に接続されている。また抵抗素子１２２の開放端は接地されている。これにより、抵抗素子１２１，１２２の抵抗比率で分圧された電圧が、界磁巻線８１の端部電圧として検出できる。そしてこの検出電圧は積分回路１１１へ与えられて積分波形となる。
【００２６】
この実施例では、抵抗素子１２２に並列に抵抗素子１２３が接続されている。そして抵抗素子１２３は任意のタイミングで接続されたり、切り離されたりできるように、アナログスイッチ１２４を介して接続されている。アナログスイッチ１２４は、たとえばＭＯＳトランジスタ等の無接点スイッチで構成されている。そしてアナログスイッチ１２４は、インバータ９１の切換信号（ＰＷＭ回路１０６から与えられる信号）により切り換えられる。
【００２７】
かかる構成により、アナログスイッチ１２４のオン，オフにより、電圧検出回路の分圧比が変化するので、インバータ９１から同期モータ８１に電流が与えられる期間だけ、アナログスイッチ１２４をオンすることにより、抵抗の分圧比を変えて、インバータ９１から出力される電流に基づく電圧波形の影響を小さくすることができる。
すなわち、図１で説明したように、界磁巻線８１の端部に現れる電圧波形のうち、インバータにより与えられる交流電流に基づく電圧波形成分を減少させて、逆起電力による電圧波形成分を確認できるように波形補正をすることができる（図１Ｃ）。
【００２８】
なお、図５に、補正された出力波形の測定例を示す。図５の波形は、極数８極、最大出力３１５Ｗの同期モータに、電源電圧ＤＣ４２Ｖを用いた時の測定波形である。図５において、１パルスが６ｍｓｅｃであることから、回転数が２，５００ｒｐｍであることがわかる。
なお、この波形は、図４に示す回路において、抵抗素子１２１（Ｒ１）が４０ＫΩ、抵抗素子１２２（Ｒ２）が２０ＫΩ、抵抗素子１２３（Ｒ３）が３．３ＫΩの回路を用いた場合の測定結果である。
【００２９】
以上のように、補正された電圧波形を積分回路１１１で積分することにより、逆起電力成分の位相進み具合が明確になり、それをフィードバック制御に活用することができる。
図６に、この発明の一実施形態の始動性の測定結果を示す。この図は、通電してから何秒で同期モータ８が最大回転数になるかを、横軸に時間、縦軸に回転数をとって表わしたものである。測定の結果、この実施例に係るブラシレスセンサレスモータ装置は、約０．０６秒でコミュテーションモード（センサレスモード）になることが確認できた。なお、これは無負荷試験の結果であるが、ポンプに負荷を与えたとしても、時間遅れが発生するので、立上がり時は無負荷条件での評価で代表することができる。
【００３０】
以上の構成により、この発明によれば、特に速い油圧の立ち上がりが要求される自動車の自動変速装置や油圧パワーステアリング装置の作動流体供給補助用として好適な電動ポンプを提供することができる。
また、作動流体供給用のメインポンプとしても好適な電動ポンプを提供することができる。
さらに、自動車の上記以外の装置、たとえば自動車のブレーキポンプ等の制動系等、速い起動特性が要求される種々の電動ポンプとしても使用可能な電動ポンプを提供することができる。
【００３１】
また、立上がり速度が速く、迅速にコミュテーションモードになる同期モータの起動制御装置を提供することができる。
この発明は、以上説明した実施形態に特定されるものではなく、請求項記載の範囲内で種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の原理を説明するための図解的な波形図である。
【図２】この発明の一実施形態に係る作動流体制御用電動ポンプを含む車両の駆動システムの概略構成図である。
【図３】図２のシステムにおけるドライバおよび同期モータの具体的な回路構成例を示す図である。
【図４】電圧検出・波形補正回路の具体例を示す回路図である。
【図５】逆起電力による電圧波形成分を確認できるように波形補正された出力波形の測定例を示すグラフである。
【図６】この発明の一実施形態の始動性の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１    エンジン
２    トランスミッション
３    主オイルポンプ
４    コントロールバルブ
５    アクチュエータ
６    補助用電動ポンプ
７    ポンプ本体
８    同期モータ
９    ドライバ
１０  バッテリ
８１    界磁巻線
８２    回転子（電機子）
９１    インバータ回路
１０１    発振回路
１０２    １２０°通電波形発生回路
１０４    位相差検出回路
１０６    ＰＷＭ回路
１１０    電圧検出・波形補正回路
１１１    積分回路
１１２    方形波変換回路
【図１】
0003940267.tif 000002
【図２】
0003940267.tif 000003
【図３】
0003940267.tif 000004
【図４】
0003940267.tif 000005
【図５】
0003940267.tif 000006
【図６】
0003940267.tif 000007