JP2011004103A - ソレノイドの電流推定方法,自動変速機制御装置およびブレーキ制御装置 - Google Patents

ソレノイドの電流推定方法,自動変速機制御装置およびブレーキ制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電圧をオン,オフするハイサイドMOSFETと、電流還流用のローサイドMOSFETを備えるソレノイド電流制御装置において、ソレノイド駆動時と還流時の両電流を測定するために、ハイサイドMOSFETとローサイドMOSFETの両方に電流測定回路が必要となり、コストや発熱が増大する。
【解決手段】ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間1の電流最大値Imaxと、次に前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間2の電流最小値Iminを用いて、前記オン期間1と前記オン期間2の間にあるオフ期間の平均電流を、Imaxを初期値、Iminを最終値とする指数関数のオフ期間にわたる積分により算出する手段を備える。
【効果】低コスト,低損失かつ高精度な電流検出により、ソレノイド電流制御装置の低コスト化,小型化を実現する。
【選択図】 図1

Description

本発明はソレノイドに流れる電流の推定方法に関する。特には、自動変速機制御装置およびブレーキ制御装置に関する。
従来、自動変速機システムにおいては、油圧制御用ソレノイド電流の制御装置として、特許文献1の図8に示すようなハーフブリッジ回路が用いられていた。前記ソレノイド電流制御装置は、ソレノイドに電圧をオン,オフして電流を制御するハイサイドMOSFETと、前記ハイサイドMOSFETがオフの時、ソレノイドに蓄えられたエネルギーを放出(電流を還流)させるためのローサイドMOSFETと、前記ハイサイドMOSFETと前記ローサイドMOSFETをオン,オフさせるドライバを備える。また、ソレノイド電流のフィードバック制御のため、ソレノイドを流れる電流値を検出する必要があるが、前記ソレノイド電流制御装置では、ソレノイドと直列にシャント抵抗し、前記シャント抵抗に流れる電流による発生電圧を用いて電流を検出する。
前記ソレノイド電流制御装置では、ハイサイドMOSFETがオンの時、電源からハイサイドMOSFET,ソレノイド,シャント抵抗の経路で電流が流れる。また、ハイサイドMOSFETがオフの時、ソレノイド,シャント抵抗,ローサイドMOSFET、またはソレノイド,シャント抵抗,ローサイドMOSFETの内蔵ダイオードの経路で電流が流れる。このように、シャント抵抗を用いた電流検出は、ハイサイドMOSFETがオンの時も、オフの時も常にシャント抵抗に電流が流れるため損失が大きく制御装置を小型化できないという課題があった。また、シャント抵抗の損失が大きいと、その発熱により抵抗値が大きく変動する。その結果、シャント抵抗で検出される電流値も大きく変動し、高精度な電流制御ができないという課題もある。
特許文献2には、この課題を解決するため、ハイサイドMOSFET、またはローサイドMOSFETの少なくともどちらか一方に、センスMOSFETを用いた電流検出部を並列に接続し、低損失でソレノイドの電流検出を行う手段が開示されている。前記センスMOSFETは、前記ハイサイドMOSFET、またはローサイドMOSFETと同一のゲートで、ゲート幅が1/1000から1/100程度に設計され、前記センスMOSFETに流れる電流は前記ハイサイドMOSFET、またはローサイドMOSFETの1/1000から1/100程度になるので、前記電流検出部で発生する損失は特許文献1のシャント抵抗方式と比べて小さい。
特開2004−343426号公報 特開2006−203415号公報
特許文献2の第3の実施例では、ソレノイド電流制御用のローサイドMOSFETと、ソレノイド電流還流用のハイサイドMOSFETの両方に、電流検出部をそれぞれ並列に接続し、ソレノイド駆動時と還流時の両方の電流を検出しているが、高精度な電流検出部が二つ必要になり、ソレノイド電流制御装置のコストが増大する。
また特許文献2の第1,2の実施例では、ソレノイド駆動時と還流時の両電流を測定するために常にオンにしているハイサイドMOSFETに、電流検出部を1つ接続し、2つの電流検出部を用いる第3の実施例と比較して低コストに電流を検出する手段を提供しているが、前記ハイサイドMOSFETは常にオンしているため、第3の実施例と比較して損失が増大する。
本発明は以上説明した従来技術の問題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、低損失,低コスト、かつ高精度のソレノイド電流検出手段、およびそれを用いたソレノイド電流制御装置を提供することである。
前記目的を達成するために本発明では、ソレノイド電流を制御するハイサイドMOSFETと、ソレノイド電流還流用のローサイドMOSFETと、前記ハイサイドMOSFETと並列に接続したセンスMOSFETを含む電流検出部を備え、前記電流検出部より出力される、前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間1の電流最大値Imaxと、次に前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間2の電流最小値Iminを用いて、前記オン期間1と前記オン期間2の間にあるオフ期間の平均電流を、Imaxを初期値、Iminを最終値とする指数関数のオフ期間にわたる積分により算出する手段を備える
本発明によれば、前記ハイサイドMOSFETにのみ電流検出部を接続し、さらに、前記ハイサイドMOSFETがオンとなる期間のみ電流を測定するため、低コストかつ低損失な電流検出が可能となる。また、オフ期間の平均電流は、実際の物理現象に合わせて、電流が指数関数的に減少するとして計算するため、高精度に電流を推定することができる。
本発明の第1の実施形態であるソレノイド電流推定方式を用いた、ソレノイド電流制御装置のブロック図。 ソレノイド(2)を流れる電流波形。 平均電流演算部(10)の詳細ブロック図。 オフ期間電流演算部(32)のフローチャート。 第2の実施形態のオフ期間電流演算部(32)における、Soff演算方法の概念図。 第2の実施形態におけるオフ期間電流演算部(32)のフローチャート。 本発明の第3の実施形態である自動変速機制御装置(70)を含む自動車用自動変速機システムの全体ブロック図。 本発明の第4の実施形態であるブレーキ制御装置(80)を備えた自動車用ブレーキシステムの全体ブロック図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
まず、図1〜図4を用いて第1の実施形態を説明する。
図1は本発明の第1の実施形態であるソレノイド電流推定方式を用いた、ソレノイド電流制御装置のブロック図である。
ソレノイド電流制御装置(1)は、ソレノイド(2)、およびソレノイド(2)に電圧を供給するバッテリー(3)に接続され、PWM(Pulse Width Modulation)により、ソレノイド(2)に印加する電圧をオン,オフし、ソレノイド(2)に流れる電流を制御する。
ソレノイド電流制御装置(1)は、制御部(4),PWM信号発生部(5),ドライバ(6),ハイサイドMOSFET(7),ローサイドMOSFET(8),電流検出部(9),平均電流演算部(10)、から構成される。
電流検出部(9)は内部に(図示していない)センスMOSFETを備え、ハイサイドMOSFET(7)に並列に接続さる。ハイサイドMOSFET(7)がオンの時、同時に電流検出部(9)内部のセンスMOSFETもオンとなり、ハイサイドMOSFET(7)に流れる電流を1/100〜1/1000程度に分流した電流を測定する。これにより、特許文献1に記載のシャント抵抗による電流検出と比較して損失を大幅に削減できる。さらに、ハイサイドMOSFET(7)がオンとなる期間のみ電流が流れるので、特許文献2の第1,2の実施例に記載の常時通電しているセンスMOSFETによる電流検出と比較して損失を約半分に削減することができる。
このように、電流検出部(9)の損失が少ないため、ソレノイド電流制御装置(1)の構成要素である、制御部(4),PWM信号発生部(5),ドライバ(6),ハイサイドMOSFET(7),ローサイドMOSFET(8),電流検出部(9),平均電流演算部(10)は一つのICに集積可能である。さらに、複数のソレノイド電流を制御するため、これらの構成要素を複数組集積したICも実現可能である。
電流検出部(9)が検出した、ハイサイドMOSFET(7)に流れる電流値は、平均電流演算部(10)に入力される。平均電流演算部(10)は電流検出部(9)から入力されたハイサイドMOSFET(7)に流れる電流値と、制御部(4)から入力されたPWMの1周期内でハイサイドMOSFET(7)がオンになる期間の割合を示すDutyを用いてソレノイド(2)を流れる平均電流Iaveを演算する。この演算の詳細については図2以降を用いて後述する。
平均電流演算部(10)が演算したIaveは、制御部(4)に入力され、制御部(4)はソレノイド(2)の電流を目標値に追従させるために最適なDutyを演算し出力する。また、Dutyは平均電流の演算用に平均電流演算部(10)へも出力される。
PWM信号発生部(5)は、制御部(4)からのDutyに応じて、ハイサイドMOSFET(7)をオンするパルスと、ローサイドMOFET(8)をオンするパルスをそれぞれ生成する。
ドライバ(6)は、PWM信号発生部(5)からのパルスを、ハイサイドMOSFET(7)、およびローサイドMOFET(8)を駆動できる電圧にまで昇圧する。
ハイサイドMOSFET(7)はソレノイド(2)に印加するバッテリー(3)電圧のスイッチとなり、オン時はソレノイド(2)に流れる電流が上昇し、オフ時は減少する。ローサイドMOFET(8)は、ハイサイドMOSFET(7)がオフの時、ソレノイド(2)に流れる電流を還流させる経路として使用し、ハイサイドMOSFET(7)がオフの期間、ローサイドMOFET(8)はオンとなる。
図2はソレノイド(2)を流れる電流波形と測定タイミング、および平均電流の演算に必要な電流の積分値を示した図である。
ある時刻にてハイサイドMOSFET(7)がオンになり、それからTon(=Tpwm・Duty,Tpwm:PWM周期)の間(オン期間1)、バッテリー(3)の電圧がソレノイド(2)に印加され、電流が増加する。電流検出部(9)はハイサイドMOSFET(7)に接続されており、オン期間1の任意のタイミングで電流値を測定することができる。図2ではオン期間1における電流最小値(20),二つの中間電流値(21)(22),電流最大値Imax(23)の4点を測定する例を示しているが、測定点数としては少なくともオン期間1における電流最小値(20),Imax(23)の二点を測定し、中間電流値については必要精度に応じて測定点数を変えても良い。
ハイサイドMOSFET(7)がオンしてからTon経過後、ハイサイドMOSFET(7)がオフとなり、それからToff(=Tpwm・(1−Duty))の間(オフ期間)、電流が減少する。
ハイサイドMOSFET(7)がオフしてからToff経過後、再びハイサイドMOSFET(7)がオンとなり、一定時間の間(オン期間2)、電流が増加する。オン期間1と同様に、少なくともオン期間2の電流最小値Imax(24)、電流最大値を含む数点が電流検出部(9)により測定される。
あるPWMの1周期(オン期間1とオフ期間を合わせた期間)に渡る、ソレノイド(2)を流れる平均電流Iaveは、オン期間1の電流積分値Son、オフ期間の電流積分値Soff,Tpwmを用いて式(1−1)の通り計算できる。
Figure 2011004103
ここで、オン期間の平均電流寄与分Iave_on=Son/Tpwm、およびオフ期間の平均電流寄与分Iave_off=Soff/Tpwmを使い、式(1−1)を変形すると、式(1−2)となる。
Figure 2011004103
本実施例では、オン期間の電流値が直接測定可能であるため、電流測定値より台形則を用いて直接Sonを演算し、SonからIave_onを計算できる。一方オフ期間は電流値が測定できないため、Iave_offの演算に必要なSoffは、オン期間で測定した電流値から推定する必要がある。ソレノイド(2)の特性からSoffは、Imaxを初期値、Iminを最終値とする指数関数のオフ期間にわたる積分で表すことができるが、この演算をいかに精度良く行うかがIaveの精度を向上する上で重要となる。
図3は、平均電流演算部(10)の詳細ブロック図である。
平均電流演算部(10)は、電流値保持部(30),オン期間電流演算部(31),オフ期間電流演算部(32),加算器(33)から構成される。
電流値保持部(30)は、オン期間の平均電流の演算用に、電流検出部(9)からの、少なくともオン期間中の電流最大値,最小値を含む、オン期間中の複数の電流値を保持し、オン期間電流演算部(31)に出力する。また、電流値保持部(30)は、オフ期間の平均電流の演算用に、電流検出部(9)から、あるオン期間中の電流最大値Imax、とその次のオン期間中の電流最小値Iminを保持し、オフ期間電流演算部(32)に出力する。
オン期間電流演算部(31)は、電流値保持部(30)からの少なくともオン期間中の電流最大値,最小値を含む、オン期間中の複数の電流値と、制御部(4)から入力されたDutyを用いて、台形則によりSonを演算し、Son/TpwmによりIave_onを演算し、それを加算器(33)へ出力する。
オフ期間電流演算部(32)は、電流値保持部(30)から、あるオン期間中の電流最大値Imaxとその次のオン期間中の電流最小値Iminと、制御部(4)からのDuty値を用いて、Soffを演算し、Soff/TpwmによりIave_onを演算し、それを加算器(33)へ出力する。
加算器(33)は、Iave_onとIave_offを加算してIaveを演算し、その演算値を制御部(4)へ出力する。
図4はオフ期間電流演算部(32)のフローチャートである。
オフ期間電流演算部(32)は、Soffを式(2−1)
Figure 2011004103
の通り、Imaxを初期値、Iminを最終値とする指数関数のオフ期間にわたる積分として解析的に求め、Iave_off=Soff/Tpwmより、Iave_offを式(2−2)を使い演算する。
Figure 2011004103
式(2−2)では、Imax,Iminが取りうる任意の範囲において、Imax,Iminの自然対数ln(Imax),ln(Imin)を精度良く演算する必要があるが、ハードウエアでこの演算を実装すると、回路規模が増大する。これに対応するため、オフ期間電流演算部(32)は、IminをImaxで除算した変数x=Imin/Imaxを演算するステップ1(41)と、変数xの関数f(x)=(x−1)/ln(x)を演算するステップ2(42)と、f・Imax・(1−Duty)を演算するステップ3(43)、の3つのステップを用いて式(2)を演算する。
ステップ1(41)では、変数xを算出するが、Imin<Imaxであることから、変数xの範囲は0<x<1に限定される。これにより、ステップ2(42)では、0<x<1の範囲に限定して最適化したルックアップテーブル、または多項式を用いることにより、少ないハードウエアで自然対数と除算の演算を含むf(x)の演算を実装することができる。以上のことより、本実施例におけるオフ期間電流演算部(32)は、少ないハードウエアで精度良くIave_offを演算することが可能である。
次に、図5,図6を用いて第2の実施形態を説明する。本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、オフ期間電流演算部(32)におけるIave_offの演算方式である。
図5は、第2の実施形態のオフ期間電流演算部(32)における、Soff演算方法の概念図である。第1の実施形態では、Soffを解析的に求めた式(2−1)を用いて演算したが、第2の実施形態ではSoffを、図5のハッチング部分で表される通り、オフ期間における内挿電流値I21(59),I1(51),I22(52)を使い台形則により近似して演算する。
オフ期間における内挿電流値I21(59),I1(51),I22(52)は、以下の式(3−1)〜(3−3)の通り相乗平均を用いて演算される。
Figure 2011004103
Figure 2011004103
Figure 2011004103
Soffは台形則に従い式(4)の通りに計算される。
Figure 2011004103
Iave_off=Soff/Tpwmより、Iave_offは式(5)の通りに計算される。
Figure 2011004103
本実施形態では、Iave_offの計算のため、I21(59),I1(51),I22(52)の3点を相乗平均により内挿しているが、Iave_offの要求精度に応じて、内挿点数を変えても良い。
図6は、第2の実施形態におけるオフ期間電流演算部(32)のフローチャートである。
第2の実施形態におけるオフ期間電流演算部(32)は、ステップ1(60)にて、式(3−1)〜(3−3)を用いてオフ期間の内挿電流値I21,I1,I22を演算する。次にステップ2(61)にて、式(5)を用いてIave_offを演算する。
以上説明した第2の実施形態におけるオフ期間電流演算部(32)の演算は、加算,乗算、および平方根の3つである。ここで、平方根は、ニュートン法を用いることにより、加算と乗算の反復計算で演算できるため、第2の実施形態におけるオフ期間電流演算部(32)が行う演算は加算,乗算のみで済む。
以上のことより、第2の実施形態におけるオフ期間電流演算部(32)は、除算の演算が必要となる、第1の実施形態におけるオフ期間電流演算部(32)よりも、さらに少ないハードウエアでIave_offを精度良く演算することが可能である。
図7は本発明の第3の実施形態である自動変速機制御装置(70)を含む自動車用自動変速システムの全体ブロック図である。
自動変速機制御装置(70)は、マイクロコントローラ(75)とソレノイド電流制御装置a−e(1a−e)から構成される。
マイクロコントローラ(75)は、エンジン回転数センサ(72),シフトレバー位置センサ(73),アクセルペダル位置センサ(74)からセンサ値を入力し、入力されたセンサ値から、最適な変速比を演算し、その変速比を実現するための、自動変速機(71)が備える(図示していない)クラッチa−eの油圧指令値と、その油圧に対応したソレノイドa−e(1a−e)の電流値指令値を演算し、その電流値指令値をソレノイド電流制御装置a−e(1a−e)に出力する。
ソレノイド電流制御装置a−e(1a−e)は、本発明の第1、又は第2の実施形態であるソレノイド電流推定方式を用いてソレノイドa−e(1a−e)を流れる電流値を推定し、ソレノイドa−e(1a−e)を流れる電流値が、入力された電流値指令値に追従するように、ソレノイドa−e(1a−e)をPWM制御する。
本発明の第1,第2の実施形態における説明の通り、ソレノイド電流制御装置a−e(1a−e)は発熱が少ないため、1つのICに集積可能であり、自動変速機制御装置(70)の小型化,低コスト化が実現できる。さらに、ソレノイド電流制御装置a−e(1a−e)は高精度な電流制御ができるため、滑らかな変速が可能となり、自動車の乗り心地が向上する。
なお、図7ではマイクロコントローラ(75)がエンジン回転数センサ(72),シフトレバー位置センサ(73),アクセルペダル位置センサ(74)の3つのセンサからセンサ値を入力しているが、変速制御方式に対応して、入力するセンサの数や種類を変えても良い。また、図7ではマイクロコントローラ(75)がセンサからセンサ値を直接入力しているが、他のマイクロコントローラやICを経由して入力しても良い。また、図7では自動変速機(71)が5つのクラッチa−eを備える例を示しているが、変速機構に対応して、クラッチの数、およびそれに対応したソレノイド電流制御装置の数を変えても良い。
図8は本発明の第4の実施形態であるブレーキ制御装置(80)を備えた自動車用ブレーキシステムの全体ブロック図である。
ブレーキ制御装置(80)は、マイクロコントローラ(84)とソレノイド電流制御装置(1)から構成される。
マイクロコントローラ(84)は、ブレーキペダル位置センサ(82),車速センサ(83)からセンサ値を入力し、入力されたセンサ値から、最適なブレーキの制動力を演算し、その制動力を実現するための、油圧ブレーキ(81)の油圧指令値と、その油圧に対応したソレノイド(2)の電流値指令値を演算し、その電流値指令値をソレノイド電流制御装置(1)に出力する。
ソレノイド電流制御装置(1)は、本発明の第1、又は第2の実施形態であるソレノイド電流推定方式を用いてソレノイド(2)を流れる電流値を推定し、ソレノイド(2)を流れる電流値が、入力された電流値指令値に追従するように、ソレノイド(2)をPWM制御する。
本発明の第1,第2の実施形態における説明の通り、ソレノイド電流制御装置(1)は高精度な電流制御ができるため、滑らかなブレーキが可能となり、自動車の乗り心地が向上する。
なお、図8ではマイクロコントローラ(84)がブレーキペダル位置センサ(82),車速センサ(83)の2つのセンサからセンサ値を入力しているが、制動方式に対応して、入力するセンサの数や種類を変えても良い。また、図8ではマイクロコントローラ(84)がセンサからセンサ値を直接入力しているが、他のマイクロコントローラやICを経由して入力しても良い。
1 ソレノイド電流制御装置
2 ソレノイド
4 制御部
5 PWM信号発生部
6 ドライバ
7 ハイサイドMOSFET
8 ローサイドMOSFET
9 電流検出部
10 平均電流演算部
20 オン期間1における電流最小値
21,22 オン期間1における中間電流値
23 オン期間1における電流最大値Imax
24 オン期間2における電流最小値Imin
30 電流値保持部
31 オン期間電流演算部
32 オフ期間電流演算部
33 加算器
70 自動変速機制御装置
71 自動変速機
72 エンジン回転数センサ
73 シフトレバー位置センサ
74 アクセルペダル位置センサ
75,84 マイクロコントローラ
80 ブレーキ制御装置
81 油圧ブレーキ
82 ブレーキペダル位置センサ
83 車速センサ

Claims (7)

  1. ソレノイドに印加する電圧をオン、又はオフするハイサイドMOSFETと、ソレノイド電流還流用のローサイドMOSFETと、前記ハイサイドMOSFETと並列に接続したセンスMOSFETを含む電流検出部の出力値から前記ソレノイドの平均電流を算出するソレノイド電流推定方法において、
    前記電流検出部より出力される、前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間1の電流最大値Imaxと、後に前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間2の電流最小値Iminとを用いて、前記オン期間1と前記オン期間2の間にあるオフ期間の平均電流を、前記Imaxを初期値、前記Iminを最終値とする指数関数のオフ期間にわたる積分により算出することを特徴とするソレノイド電流推定方式。
  2. 請求項1において、
    前記オフ期間にわたる積分値の算出方法は、前記Iminを前記Imaxで除算した変数x=Imin/Imaxを演算するステップ1と、
    前記変数xの関数f(x)=(x−1)/ln(x)を演算するステップ2とを有することを特徴とするソレノイド電流推定方法。
  3. 請求項2において、
    前記ステップ2はルックアップテーブルを用いてf(x)を近似することを特徴とするソレノイド電流推定方法。
  4. 請求項3において、
    前記ステップ2は多項式を用いてf(x)を近似することを特徴とするソレノイド電流推定方法。
  5. 請求項1において、
    前記オフ期間にわたる積分値の算出方法は、前記Imaxと、前記Iminより、前記オフ期間の電流値を、相乗平均を用いて複数点内挿し、台形則により積分値を算出することを特徴とするソレノイド電流推定方法。
  6. 自動変速機のソレノイドに印加する電圧をオン、又はオフするハイサイドMOSFETと、ソレノイド電流還流用のローサイドMOSFETと、前記ハイサイドMOSFETと並列に接続したセンスMOSFETを含む電流検出部の出力値から前記ソレノイドの平均電流を算出するソレノイド電流推定方式を用いた自動変速機制御装置において、
    前記電流検出部より出力される、前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間1の電流最大値Imaxと、次に前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間2の電流最小値Iminを用いて、前記オン期間1と前記オン期間2の間にあるオフ期間の平均電流を、前記Imaxを初期値、前記Iminを最終値とする指数関数のオフ期間にわたる積分により算出する手段を備えることを特徴とする自動変速機制御装置。
  7. ブレーキのソレノイドに印加する電圧をオン、又はオフするハイサイドMOSFETと、ソレノイド電流還流用のローサイドMOSFETと、前記ハイサイドMOSFETと並列に接続したセンスMOSFETを含む電流検出部の出力値から前記ソレノイドの平均電流を算出するソレノイド電流推定方式を用いたブレーキ制御装置において、
    前記電流検出部より出力される、前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間1の電流最大値Imaxと、次に前記ハイサイドMOSFETがオンとなるオン期間2の電流最小値Iminを用いて、前記オン期間1と前記オン期間2の間にあるオフ期間の平均電流を、前記Imaxを初期値、前記Iminを最終値とする指数関数のオフ期間にわたる積分により算出する手段を備えることを特徴とするブレーキ制御装置。
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