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CN101194080B - 开关体驱动装置 - Google Patents

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CN101194080B
CN101194080B CN2006800207316A CN200680020731A CN101194080B CN 101194080 B CN101194080 B CN 101194080B CN 2006800207316 A CN2006800207316 A CN 2006800207316A CN 200680020731 A CN200680020731 A CN 200680020731A CN 101194080 B CN101194080 B CN 101194080B
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Abstract

提供一种开关体驱动装置，该装置当磁极传感器发生故障时，能够不使用磁极传感器而再次起动无刷电动机，确实地向任意方向驱动开关体。CPU1如果对于磁极传感器9的检测模式检测出异常逻辑，则判定传感器故障，使DC无刷电动机5的驱动暂时停止，当电动机驱动部4再次起动DC无刷电动机5时，生成使某一种通电模式延长的相切换信号，来进行无传感器驱动。

Description

开关体驱动装置
技术领域
本发明主要涉及一种车辆用的活动车顶、自动窗等的开关体驱动装置。
背景技术
作为车辆用的开关体驱动装置的一个例子，来说明活动车顶装置。活动车顶驱动装置，是在固定车顶的开口处安装滑动板，并使其能够前后移动且使后端侧在上下方向上能够自由地倾斜，滑动板与推拉缆线连接并被驱动。通过正反转驱动带减速器的电动机，从而对滑动板进行推拉动作，进行滑动板的开关。作为驱动源，主要采用DC有刷电动机。有刷电动机通过电刷、换向器(切换器)、继电器来进行通电，从而进行旋转驱动，通过利用霍尔集成电路检测出转速，从而能够进行开关体的位置控制。
当为车辆所使用的开关体时，例如如果电动机发生故障而停止旋转，则开关体有可能在途中停止。因此，设置所谓的安全机构，从而即使电动机故障时，也能使开关体移动到安全的位置。例如在活动车顶驱动装置中，因为不能在保持车顶打开的状态下放置，所以利用手动手柄使驱动传递机构的齿轮旋转，而强制地使电动机旋转，从而关闭车顶。
近些年，力图降低车辆的发动机周围的噪音、实现整个车辆的静音化的要求不断提高。如果抑制有刷电动机转速，则能够将电动机声音抑制到感觉不到的程度。但是，如果想要将开关体的移动速度维持在高速状态不变，则要增加转速，电刷与切换器的滑动音容易变成噪音。特别是当电动机在驾驶员附近区域工作时，要求在利用电动机驱动的开关体的移动速度不下降的情况下能够尽可能抑制噪音。
因此，作为开关体的驱动源探讨利用DC无刷电动机。DC无刷电动机为了检测出转子磁铁的磁极位置来切换对定子线圈的通电，在转子的附近设置多个(例如3个)磁极传感器(霍尔集成电路)。当是无刷电动机的情况下，根据霍尔集成电路的检测信号，除了进行电动机的转速(车顶位置控制)控制以外，还进行旋转方向(移动方向)的控制。
当磁极传感器发生故障时，因为不知道转子磁铁的磁极位置，所以不能进行为了得到最大的转矩而必需的通电，使得电动机的旋转变得不稳定。如果电动机的旋转变得不稳定，则为了安全而必须使电动机紧急停止。暂时停止了的电动机由于不能判断转子磁极位置，所以不能够再次起动。因此，虽然过去在紧急停止之后用车内手动手柄将开关体关闭，但是由于提高了汽车内装饰的要求，而变得不能在车辆内设置手动手柄，所以要求手柄以外的紧急驱动单元。
发明内容
本发明是为了解决这些问题而设计的，其目的在于提供一种开关体驱动装置，该装置当磁极传感器发生故障时，能够不用磁极传感器而再次起动无刷电动机，并且能够确实地向任意方向驱动开关体。
本发明为了达成上述目的，具有下面的结构。
在利用电动机驱动来开关车载用的开关体的开关体驱动装置中，其特征在于，具有：驱动源即DC无刷电动机；根据利用检测转子磁铁的磁极位置的多个磁极传感器所检测出来的转子的旋转位置以及转速、切换向定子线圈所施加的驱动电压的电动机驱动部；以及根据磁极传感器的检测信号来推定开关体的位置并通过电动机驱动部来控制开关体的开关动作的控制部，控制部如果作为磁极传感器的检测模式而检测出异常逻辑，则判定传感器故障，并使DC无刷电动机的驱动暂时停止，当电动机驱动部再次起动DC无刷电动机时，生成使某一种通电模式延长的相切换信号，进行无传感器驱动。
另外，上述控制部的特征在于：当再次起动无刷电动机时，从转子磁铁与定子相互磁吸引的任意停止位置，生成3相定子线圈之中使最初的2相的通电模式比通常旋转时更长的相切换信号，并且每当转子旋转1圈时利用相同的通电模式进行无传感器驱动。
另外，上述控制部的特征在于：利用开关用的开关操作，只在按下该开关期间，进行电动机的无传感器驱动。
另外，上述控制部的特征在于：当检测出最初的异常逻辑后，重复规定次数的再确认后仍然检测出异常时，使电动机的驱动停止，并切换到无传感器驱动。
如果采用上述的开关体驱动装置，则因为对驱动源采用DC无刷电动机，所以与采用DC有刷电动机的情况相比，不仅能够使开关体驱动时的刺耳的工作声消失，而且能够起到下面的作用效果。
即，控制部如果作为多个磁极传感器的检测模式检测出异常逻辑，则判定为传感器的故障，则使DC无刷电动机的驱动暂时停止，且电动机驱动部根据输入指令从传感器驱动切换到无传感器驱动，并再次起动电动机。这时，电动机驱动部通过生成使某一种通电模式延长的相切换信号，并进行无传感器驱动，从而不会由于失步而使电动机停止旋转，且能够使开关体确实地向规定方向移动。
附图说明
图1是开关体驱动装置的方框结构图。
图2是三相DC无刷电动机的说明图。
图3A以及图3B是进行传感器驱动时的传感器检测信号与对定子线圈的通电模式的时序图。
图4是传感器故障时的传感器检测信号的说明图。
图5是传感器驱动时的电动机控制动作的流程图。
图6是无传感器驱动时的电动机控制动作的流程图。
图7是进行无传感器驱动时的对定子线圈的通电模式的时序图。
图8是无传感器驱动时的通电控制动作的流程图。
图9是检测出异常逻辑时的时序图。
具体实施方式
下面参照附图来说明与本发明相关的开关体驱动装置的最佳实施形态。本实施形态能够广泛地适用于利用电动机驱动来开关车辆用的开关体(例如活动车顶、顶棚、自动窗等)的开关体驱动装置。
作为一个例子，如果说明活动车顶驱动装置，则滑动板和与由电动机驱动所旋转的输出齿轮啮合的齿轮缆线(形成螺旋状的齿轮槽的缆线)、树脂带等的推拉单元连接，活动车顶驱动装置进行使该滑动板在全开位置与全闭位置之间滑动的滑动动作、以及从全闭位置使后端侧上升的倾斜动作，从而对固定车顶的开口进行开关。作为该活动车顶驱动装置的驱动源，最好如后所述采用3相DC无刷电动机。
参照图1的框图，说明车辆用的开关体驱动装置的简要结构。装置电源采用安装在车辆上的蓄电池、燃料电池等，将电源电压(例如蓄电池电压12V)降低，将电压提供给控制部(CPU)1。
CPU1是驱动控制例如活动车顶等的开关体驱动装置的部分，将进行开关体的速度控制·位置控制的开关体动作控制部2与用于形成电动机的旋转磁场的旋转磁场产生控制部(三相PWM控制部)3合在一起来进行。即，将开关体动作控制部2与旋转磁场发生控制部3和CPU1设置在1个芯片中。从设置在车辆的操作面板上的开关等向CPU1中输入动作开始信号，开关体动作控制部2通过旋转磁场发生控制部3，并通过发动机驱动部(前置驱动器)4来起动驱动源即DC无刷电动机5。对电动机驱动部4提供由蓄电池电压下降的电压。保护电路6防止在开关体动作控制部2及旋转磁场产生控制部3中流过过电流。
另外，在开关体动作控制部2中设置非易失性存储器(例如EEPROM等)。向该非易失性存储器中写入现在开关体的位置信息和预先写入与开关体的动作控制所必须知道的开关位置、减速位置及电动机转速等相关的控制数据，根据需要能够改写数据。例如，当电源接通时及再次起动时，读出对非易失性存储器上一次存储的位置信息，当检测出电源电压较低时，向非易失性存储器中写入开关体位置信息。
另外，电动机驱动部4根据在旋转磁场产生控制部3中所生成的相切换信号，通过设置了FET(场效应晶体管)UH、UL、VH、VL、WH、WL(或者晶体管、IGBT等开关元件)的驱动电路(3相桥式电路)7，向3相DC无刷电动机5的定子线圈8输出相切换信号(驱动电压)。
对开关体动作控制部2及旋转磁场产生控制部3，分别从设置在DC无刷电动机5中的磁极传感器(霍尔元件、霍尔集成电路、MR传感器等磁电变换元件)9输入3相检测脉冲信号。另外，开关体动作控制部2根据控制程序，监视开关体的移动速度(电动机转速)与相切换信号的脉冲数，当移动速度(电动机转速)过于不足时，向旋转磁场产生控制部3发出指令，更新相切换信号。另外，开关体动作控制部2采用3相检测脉冲信号，来生成开关体的位置信息。
向CPU1提供将蓄电池电源降压后的电压·电流，利用操作开关或串行通信(通过ECU的与其它车载设备的通信)的输入信号，通过外部接口10来进行输入。CPU1根据输入信号，根据来自开关体动作控制部2的开关体的移动速度及位置信息，使旋转磁场产生控制部3中产生旋转磁场，并通过电动机驱动部(前置驱动器)4起动驱动源即DC无刷电动机5。如果起动DC无刷电动机5，则当例如是活动车顶的情况下，推拉驱动通过减速部连接的车顶驱动用缆线、树脂带(推拉单元)。
接着，参照图2来说明DC无刷电动机5的结构。
作为DC无刷电动机5，最好采用例如4极6槽的内转子型的3相DC无刷电动机。定子铁心11采用例如层叠铁心，面向径向内侧并在6处突出设置定子T形铁心部12。在各定子T形铁心部12上卷绕定子线圈8。在被该定子铁心11包围的空间内组装转子13。因为通过采用这样的转子直径较小的内转子型的电动机，从而转动惯量较小，旋转振动较少，所以不仅促进了静音化，而且也不需要进行转子13平衡加工。在转子外周附近与转子13对向在3处设置磁极传感器(霍尔传感器、霍尔集成电路、MR传感器等磁电变换元件)9。在与电动机轴14垂直地配置的传感器基板15上设置磁极传感器9。传感器基板15与未图示的控制基板进行布线连接，而与控制电路连接。另外，DC无刷电动机5不仅限于4极6槽，也可以是例如8极12槽等的电动机。
接着，说明开关体驱动装置的通常的传感器驱动动作与霍尔集成电路故障时的无传感器驱动。
图3是表示在通常的传感器驱动中被磁化为4极的转子磁铁16以机械角度旋转180度期间的磁传感器9的输出模式a～f的时序图。转子磁铁16向着开关体打开方向旋转，从每偏移120度相位配置的磁极传感器(霍尔集成电路；C1、C2、C3)9输出检测信号(霍尔信号)。在本实施例中，由于是4极电动机，因此从各磁极传感器9以每转2个脉冲的方式输出，输出电角度有120度相位移的3相的量(在本电动机中电角度360度＝机械角度180度)。
接着，参照图3A、B的模式图以及传感器或者通电模式的时序图来说明3相DC无刷电动机5的相切换动作。对于U相、V相、W相之中的某2相的定子线圈8输出电角度有120度相位移的3相的量(在本电动机中电角度360度＝机械角度180度)。例如，在磁极传感器9的输出是C1为High(高)电平、C2为Low(低)电平、C3为High(高)电平的情况下(参照图3A)，向VH相与UL相的定子线圈8通电(参照图3B)。另外，如果磁极传感器9的输出切换到C1为High(高)电平、C2及C3为Low(低)电平(参照图3A)，则向WH相与UL相的定子线圈8通电(参照图3B)。
接着，说明当某一个磁极传感器9(例如霍尔集成电路；C3)发生故障时的无传感器驱动。在图4的输出模式a～f中，如果设霍尔集成电路；C3发生故障，则无论转子磁铁16的旋转位置怎样变化，传感器输出都变成Low(低)电平(或者High(高)电平)。因此，由于C1、C2、C3的输出电平全部变成Low(低)电平(或者High(高)电平)，所以检测出异常逻辑(参照图4f)。
另外，在图9中，当CPU1检测出最初的异常逻辑(例如霍尔集成电路IC；C1、C2、C3全部为High电平)后再确认规定次数之后，具体地说当重复进行逻辑再确认N次(N≥1；N为自然数)，并在该第N次检测出异常时，使电动机的驱动停止，并切换为无传感器驱动。通过这样，不会发生由于机械振动及噪声的影响而发生的误检测，能够提高驱动可靠性。
如果CPU1检测出磁极传感器9的异常逻辑，则判定为故障，当使DC无刷电动机5的驱动暂时停止之后，等待通过开关用的开关操作产生的输入指令，将电动机驱动部4从传感器驱动切换为无传感器驱动，来驱动开关体。另外，当电动机驱动部4利用无传感器驱动再次起动DC无刷电动机5时，生成相切换信号，使得3相的定子线圈之中的某一个的通电模式延长。通过这样，电动机5不会发生失步而停止旋转的情况，能够使开关体确实地向着规定方向移动。
另外，关于由CPU1产生的开关体的位置信息，通过例如在由磁极传感器9所输出的3相检测脉冲之中，对各脉冲的上升沿以及下降沿的两边缘进行计数，从而将每转12模式设定为开关体的位置信息。
这里，在图5的流程图中表示传感器驱动时的电动机控制动作。
CPU1根据电动机的旋转检测出从霍尔集成电路输入的磁极信号(步骤S1)，并判定磁极逻辑是否有异常(步骤S2)。因为如果磁极逻辑没有异常，则进行通电相的切换(步骤S3)，所以在旋转磁场产生控制部3(参照图1)中所生成的3相PWM信号通过前置驱动器4向电动机输出(步骤S4)。在步骤S2中，当磁极逻辑具有异常时，使电动机5停止驱动(步骤S5)，且将开关体动作控制部2(参照图1)的驱动控制例行程序切换为无传感器驱动(步骤S6)。
接着，在图6的流程图中表示无传感器驱动时的电动机控制动作。
CPU1用内装的计时器对每一相的通电时间进行测量，经过预先设定的规定时间后进行相切换。如果该计时器所测量的时间超过设定的规定时间(步骤S11)，则CPU1使计时器计数值复位一次之后(步骤S12)，将通电相进行切换到新的通电模式(步骤S13)。即在旋转磁场产生控制部3(参照图1)中所生成的无传感器驱动用的3相PWM信号通过前置驱动器4向电动机输出(步骤S14)。
在图7中表示无传感器驱动用的通电模式a～g的例子。
CPU1生成相切换信号，从而使3相定子线圈8之中的某一个的通电模式延长。当再次起动无刷电动机时，从转子磁铁16与定子铁心11(T形铁心12)相互磁吸引的任意停止位置开始，生成3相定子线圈8之中的最初2相部分的通电模式比通常旋转时延长的相切换信号。然后，转子13每旋转1周利用相同的通电模式来进行无传感器驱动。
即，在图7中，从传感器驱动的每转12模式的通电模式变更为每转14模式的通电模式，从通电开始用计时器计数值向例如VH相与UL相的定子线圈8通电2个模式部分(通电模式a、b)。通过这样，因为与定子T形铁心12对向的转子磁铁16的磁极位置是稳定的，所以能够防止电动机5的失步，进行稳定地驱动。从第3模式(通电模式c)的向WH相与UL相的定子线圈8通电开始，每次计时器计数1个模式就进行相切换。然后，如果到第7模式(通电模式g)为止的通电结束，则再重复进行从第1模式(通电模式a)开始到第7模式(通电模式g)为止的通电，从而能够使暂时停止了的开关体向规定方向移动，打开(关闭)开口部。这样，通过转子13每旋转1圈利用相同的通电模式来进行无传感器驱动，从而假定即使在第1次旋转的通电中转子13不能跟踪定子线圈8的相切换信号来进行旋转，但在第2次以后的旋转中因为也在转子磁铁16与定子T形铁心12取得了磁平衡的状态之后开始旋转，所以能够进行确实的开关动作。另外，CPU1只在通过开关用的开关操作来按下该开关期间，进行电动机的无传感器驱动。虽然作为开关体较多的是向关闭方向的动作，但是也设定作为车辆翻转时逃脱用而打开的情况。因此，作为开关操作变成有打开方向情况与关闭方向情况的某一种情况。
图8是无传感器驱动时的电动机控制动作的流程图。如果根据来自用户的输入指令而开始无传感器驱动，则在CPU1的旋转磁场产生控制部3(参照图1)中所生成的3相PWM信号从前置驱动器4向电动机输出。以第N(1～7)个通电模式施加驱动电压，向定子线圈8通电(步骤S21)。如果向定子线圈8的通电开始，则计时器开始计数，并判定计数值是否超过了预先设定的换流指令值(步骤S22)。当计时器计数值没有超过换流指令值时，进入到步骤S27，确认来自用户的驱动指令输入。
如果计时器计数值超过了换流指令值，则从第N(1～7)个通电模式切换到第N+1个通电模式，并进行通电(步骤S23)。接着，判定通电模式是否达到第7个(步骤S24)，当不是第7个通电模式时，进入步骤S27，如果来自用户的驱动指令继续的话，则以第N个通电模式继续进行通电，直到计时器计数值达到换流指令值为止。
当通电模式达到第7个时，返回第N＝1个通电模式(步骤S25)，且计时器计数值复位(步骤S26)。然后，如果解除来自用户的驱动指令输入(开关输入)，则使电动机5的旋转停止(步骤S27)。利用以上的无传感器驱动，能够使磁极传感器发生故障的无刷电动机再次起动，用户能够用开关操作使开关体移动到所希望的位置。
除了由于无刷而实现静音化以外，电动机驱动部4为了抑制电动机的转矩波动，降低旋转振动，从而促进静音化，最好向定子线圈8施加流过正弦波电流或者准正弦波电流那样的驱动电压。另外，如果对转子磁铁16沿径向进行斜向磁化或者正弦波磁化，则因为通过减少电动机的转矩波动及齿槽转矩，而能够降低旋转振动，所以能够使其与向定子线圈8的正弦波通电或者准正弦波通电一起，力图更加实现静音化。

Claims (4)

1.一种开关体驱动装置，其特征在于，
在利用电动机驱动来开关车载用的开关体的开关体驱动装置中，
具有：
驱动源即DC无刷电动机；
根据利用检测转子磁铁的磁极位置的多个磁极传感器所检测出的转子的旋转位置及转速、从而切换向定子线圈施加的驱动电压的电动机驱动部；以及
根据磁极传感器的检测信号并通过电动机驱动部来控制开关体的开关动作的控制部，
控制部如果在磁极传感器的检测模式检测出异常逻辑，则判定传感器故障，并使DC无刷电动机的驱动暂时停止，电动机驱动部当DC无刷电动机再次起动时，生成使某一种通电模式延长的相切换信号，并进行无传感器驱动。
2.如权利要求1中所述的开关体驱动装置，其特征在于，
当再次起动无刷电动机时，所述控制部从转子磁铁与定子相互磁吸引的任意停止位置开始，生成使3相定子线圈之中最初的2相的通电模式比通常旋转时更长的相切换信号，且转子每旋转1圈就利用相同的通电模式进行无传感器驱动。
3.如权利要求1中所述的开关体驱动装置，其特征在于，
所述控制部只在利用开关用的开关操作按下该开关期间，进行电动机的无传感器驱动。
4.如权利要求1中所述的开关体驱动装置，其特征在于，
所述控制部当检测出最初的异常逻辑后，重复规定次数的再确认后仍然检测出异常时，使电动机的驱动停止，并切换为无传感器驱动。
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