JP2006149145A - 無結線式モータの駆動制御装置及び無結線式モータの駆動制御装置を使用した電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 昇圧回路を使用することなく、電圧不足を解消して、モータの高出力化を図ることができる無結線モータの駆動制御装置及び無結線モータを使用した電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】 永久磁石を配設したロータと、該ロータと対向して複数N相の電機子巻線Lu〜Lwを互いに独立して配設したステータとを有する無結線式モータ12と、各電機子巻線に個別に且つ当該電機子巻線の両端に夫々接続された一対のインバータ回路34a,34bと、該一対のインバータ回路34a,34bを所定数(例えば2N個)のPWM駆動制御信号で駆動する駆動制御回路15とを備えている。
【選択図】 図5
【解決手段】 永久磁石を配設したロータと、該ロータと対向して複数N相の電機子巻線Lu〜Lwを互いに独立して配設したステータとを有する無結線式モータ12と、各電機子巻線に個別に且つ当該電機子巻線の両端に夫々接続された一対のインバータ回路34a,34bと、該一対のインバータ回路34a,34bを所定数(例えば2N個)のPWM駆動制御信号で駆動する駆動制御回路15とを備えている。
【選択図】 図5
Description
本発明は、ステータの電機子巻線を結線することなく独立させた無結線式モータの駆動制御装置及び無結線式モータの駆動制御装置を使用した電動パワーステアリング装置に関する。
小型車向けの電動パワーステアリング装置は、ブラシ付きDCモータを使用した構成が一般滴であるが、ブラシ機構による発熱による損失と耐久性から、実用化できる電流値には限界があり、電動パワーステアリング装置の高出力化の妨げとなる。
近年、高速演算可能な中央演算処理装置(CPU)やデジタル信号処理装置(DSP)の実用化、モータ制御技術の進化、モータ駆動用のパワーMOSFET等の半導体素子の進化により、ブラシ機構を半導体素子と高性能マイクロコンピュータに置き換えたインバータ回路及びその駆動制御装置によって、Y結線型又はΔ結線型の高効率ブラシレスモータを駆動して電動パワーステアリング装置に要求される高度なトルク制御性、静音性、低フリクション性を満足できるようになり、中型車への電動パワーステアリング装置の普及に繋がっている。
近年、高速演算可能な中央演算処理装置(CPU)やデジタル信号処理装置(DSP)の実用化、モータ制御技術の進化、モータ駆動用のパワーMOSFET等の半導体素子の進化により、ブラシ機構を半導体素子と高性能マイクロコンピュータに置き換えたインバータ回路及びその駆動制御装置によって、Y結線型又はΔ結線型の高効率ブラシレスモータを駆動して電動パワーステアリング装置に要求される高度なトルク制御性、静音性、低フリクション性を満足できるようになり、中型車への電動パワーステアリング装置の普及に繋がっている。
電動パワーステアリング装置のモータに要求される出力性能は、大別すると、ラック推力特性を満足するために必要な最大モータトルクと、高速転舵特性を満足するために必要な最大モータ回転速度である。
モータトルクTは、T=Kt×Iq(Kt:トルク定数)で表され、トルクを増やすにはモータ電流又はトルク定数Ktを増やすことが必要であるが、そのモータ電流は、インバータ回路部で使用されるパワーMOSFETやリレーやモータハーネスの最大電流容量で制限されている。
モータトルクTは、T=Kt×Iq(Kt:トルク定数)で表され、トルクを増やすにはモータ電流又はトルク定数Ktを増やすことが必要であるが、そのモータ電流は、インバータ回路部で使用されるパワーMOSFETやリレーやモータハーネスの最大電流容量で制限されている。
また、トルク定数Ktを増やした場合は、モータ駆動電圧が同一の場合、モータ回転速度が低くなり高速転舵特性を満足できなくなる。つまり、モータにとって、最大出力トルクと最大回転速度は相反する特性である。
上記の課題を解決ために従来、12ボルトバッテリーとインバータ回路の間に昇圧電源を追加し、電圧不足を改善する手法が知られている。
上記の課題を解決ために従来、12ボルトバッテリーとインバータ回路の間に昇圧電源を追加し、電圧不足を改善する手法が知られている。
すなわち、操舵トルクセンサで検出した操舵トルク及び車速センサで検出した車速検出値に基づいてモータに供給する目標電流値Itを算出し、目標電流値Itと電流検出値Isとの偏差を算出してフィードバック制御のための指令値Vを生成し、指令値Vに基づいて算出デューティ比Dcを算出し、算出デューティ比Dcが100%等の閾値D0を超える場合、リアクトル、直列に接続されたスイッチング素子を構成するHi−MOS、リアクトル及びHi−MOSとの接続点と接地との間に接続されたスイッチング素子を構成するLo−MOS及びHi−MOSの出力側と接地との間に接続された平滑用コンデンサを有する昇圧チョッパで構成される昇圧回路を起動して出力デューティ比Dpを算出し、閾値D0以下の場合、昇圧回路を停止して、算出デューティ比Dcを出力デューティ比Dpとし、算出された出力デューティ比DpをPWM信号生成回路に供給するようにした電動パワーステアリング装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−200838号公報(第1頁、図5)
しかしながら、上記特許文献1に記載の従来例にあっては、昇圧回路は、モータ駆動電圧を上げることで、モータのトルク定数Ktを増やすことができ、その結果、モータ電流を低く抑えられ、モータハーネス、モータ駆動素子などの電力損失を抑えることができる。一方、バッテリーから昇圧回路への入力電流は、(昇圧回路の出力電流×出力電圧)/(入力電圧×昇圧効率)で表現され、消費電流が大きい電動パワーステアリング装置の昇圧回路は、入力エネルギーの約20%を昇圧損失として消費してしまう。この結果、エネルギー収支を考えると、モータラインの電力損失低減効果を、昇圧回路の損失増加が相殺してしまい、モータの高出力化を妨げてしまうという未解決の課題がある。
また、入力電流が通電されるラインには、バッテリー内部抵抗、ハーネス抵抗、ヒューズ抵抗、ノイズ除去用コイル抵抗、リレー接点抵抗及び各部の接触抵抗などが存在し、これらの合計値は概ね25mΩ前後となるので、バッテリー電流を増やしても、バッテリーラインの電力損失が増加してしまい、電動パワーステアリング装置の効率を低下させてしまうという未解決の課題もある。
また、12ボルトバッテリーが許容できる出力電流にも制限があり、概ね85A程度が限界と言われているので、この点もモータの高出力化の妨げとなるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、昇圧回路を使用することなく、電圧不足を解消して、モータの高出力化を図ることができる無結線モータの駆動制御装置及び無結線モータを使用した電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、昇圧回路を使用することなく、電圧不足を解消して、モータの高出力化を図ることができる無結線モータの駆動制御装置及び無結線モータを使用した電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項1に係る無結線モータの駆動制御装置は、永久磁石を配設したロータと、該ロータと対向して複数N相の電機子巻線を互いに独立して配設したステータとを有する無結線式モータと、各電機子巻線に個別に且つ当該電機子巻線の両端に夫々接続された一対のインバータ回路と、該一対のインバータ回路を駆動制御する駆動制御回路とを備え、前記駆動制御回路は、前記一対のインバータ回路を所定数のPWM駆動制御信号で駆動するようにしたことを特徴としている。
また、請求項2に係る無結線式モータの駆動制御装置は、請求項1に係る発明において、前記駆動制御回路は、前記一対のインバータ回路を2N個のPWM駆動制御信号で駆動するようにしたことを特徴としている。
さらに、請求項3に係る無結線式モータの駆動制御装置は、請求項1に係る発明において、前記駆動制御回路は、2N個のPWM駆動制御信号を一対のインバータ回路に出力し、この内N本のPWM駆動制御信号を一方のインバータ回路の上アーム及び他方のインバータ回路の下アームに供給し、残りのN本のPWM駆動制御信号を前記一方のインバータ回路の下アーム及び前記他方のインバータ回路の上アームに供給するように構成されていることを特徴としている。
さらに、請求項3に係る無結線式モータの駆動制御装置は、請求項1に係る発明において、前記駆動制御回路は、2N個のPWM駆動制御信号を一対のインバータ回路に出力し、この内N本のPWM駆動制御信号を一方のインバータ回路の上アーム及び他方のインバータ回路の下アームに供給し、残りのN本のPWM駆動制御信号を前記一方のインバータ回路の下アーム及び前記他方のインバータ回路の上アームに供給するように構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項4に係る無結線式モータの駆動制御装置は、請求項1乃至3の何れか1項に係る発明において、前記駆動制御回路は、前記各電機子巻線の端子間電圧を調整可能に構成されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項5に係る無結線式モータの駆動制御装置は、前記請求項4に係る発明において、前記駆動制御回路は、ベクトル制御を用いて前記各電機子巻線に対する相電流指令値を算出するベクトル制御相指令値算出部と、前記各電機子巻線の相電流を検出するモータ電流検出回路と、前記相電流指令値及び前記相電流に基づいて各電機子巻線に対する駆動電流を制御する電流制御部とを備えていることを特徴としている。
なおさらに、請求項5に係る無結線式モータの駆動制御装置は、前記請求項4に係る発明において、前記駆動制御回路は、ベクトル制御を用いて前記各電機子巻線に対する相電流指令値を算出するベクトル制御相指令値算出部と、前記各電機子巻線の相電流を検出するモータ電流検出回路と、前記相電流指令値及び前記相電流に基づいて各電機子巻線に対する駆動電流を制御する電流制御部とを備えていることを特徴としている。
また、請求項6に係る無結線式モータの駆動制御装置は、前記請求項5に係る発明において、前記電流制御部は、前記相電流指令値と前記相電流との偏差に基づいて相電圧指令値を算出する演算制御部と、該演算制御部で算出した相電圧指令値の最大値を制限する電圧制限部と、該電圧制限部で制限した相電圧指令値に基づいてデューティ指令値を算出するデューティ指令値算出部と、該デューティ指令値算出部で算出したデューティ指令値を電機子巻線数に相変換して相デューティ指令値を算出する相変換部と、該相変換部から出力される相デューティ指令値に基づいて前記一対のインバータに供給する所定数のPWM駆動制御信号を形成する駆動制御信号形成部とを備えていることを特徴としている。
さらに、請求項7に係る無結線式モータの駆動制御装置は、請求項5に係る発明において、前記駆動制御信号形成部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に基づいて一方のインバータに対する第1の相デューティ指令値を演算する第1の演算部と、前記相デューティ指令値に基づいて他方のインバータに対する第2の相デューティ指令値を演算する第2の演算部と、前記第1の演算部から出力される第1の相デューティ指令値に基づいて前記一方のインバータに対するPWM駆動制御信号を形成する第1のPWM回路と、前記第2の演算部から出力される第2の相デューティ指令値に基づいて前記他方のインバータに対するPWM駆動制御信号を形成する第2のPWM回路とを備えていることを特徴としている。
さらにまた、請求項8に係る無結線式モータの駆動制御装置は、前記請求項7に係る発明において、前記第1の演算部及び前記第2の演算部の何れか一方は、デューティ比50%の相デューティ指令値を対応するPWM回路に出力するように構成されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項9に係る電動パワーステアリング装置は、前記請求項7に係る発明において、前記相デューティ指令値に対するゲインを設定するゲイン設定部を有し、前記第2の演算部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に前記ゲインを乗算した値に基づいて前記第2の相デューティ指令値を演算するように構成されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項9に係る電動パワーステアリング装置は、前記請求項7に係る発明において、前記相デューティ指令値に対するゲインを設定するゲイン設定部を有し、前記第2の演算部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に前記ゲインを乗算した値に基づいて前記第2の相デューティ指令値を演算するように構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項10に係る電動パワーステアリング装置は、請求項9に係る発明において、前記ゲイン設定部は、前記電流制御部で形成されるq軸相電圧指令値に基づいてゲインを設定するように構成されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項11に係る電動パワーステアリング装置は、請求項4乃至10の何れか1項に記載の無結線式モータの駆動装置を使用したことを特徴としている。
なおさらに、請求項11に係る電動パワーステアリング装置は、請求項4乃至10の何れか1項に記載の無結線式モータの駆動装置を使用したことを特徴としている。
また、請求項12に係る電動パワーステアリング装置は、操舵トルクを検出する操舵トルク検出部と、永久磁石を配設したロータ及び該ロータと対向して複数N相の電機子巻線を互いに独立して配設したステータを有し、操舵系に対して操舵補助力を発生する無結線式モータと、各電機子巻線に個別に且つ当該電機子巻線の両端に夫々接続された一対のインバータ回路と、前記操舵トルク検出部で検出した操舵トルクに基づいて前記一対のインバータ回路に対して所定数の駆動制御信号を出力する駆動制御回路とを備えていることを特徴としている。
さらに、請求項13に係る電動パワーステアリング装置は、前記請求項12に係る発明において、前記駆動制御回路は、2N個のPWM駆動制御信号を一対のインバータ回路に出力し、この内N本の駆動制御信号を一方のインバータ回路の上アーム及び他方のインバータ回路の下アームに供給し、残りのN本の駆動制御信号を前記一方のインバータ回路の下アーム及び前記他方のインバータ回路の上アームに供給するように構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項14に係る電動パワーステアリング装置は、前記請求項12又は13に係る発明において、前記駆動制御回路は、ベクトル制御を用いて前記操舵トルク検出値に基づいて前記各電機子巻線に対する相電流指令値を算出するベクトル制御相指令値算出部と、前記各電機子巻線の相電流を検出するモータ電流検出回路と、前記相電流指令値及び前記相電流に基づいて各電機子巻線に対する駆動電流を制御する電流制御部とを備えていることを特徴としている。
なおさらに、請求項15に係る電動パワーステアリング装置は、前記請求項14に係る発明において、前記電流制御部は、前記相電流指令値と前記相電流との偏差に基づいて相電圧指令値を算出する演算制御部と、該演算制御部で算出した相電圧指令値の最大値を制限する電圧制限部と、該電圧制限回路で制限した相電圧指令値に基づいてデューティ指令値を算出するデューティ指令値算出部と、該デューティ指令値算出部で算出したデューティ指令値を電機子巻線数に相変換して相デューティ指令値を算出する相変換部と、該相変換部から出力される相デューティ指令値に基づいて前記一対のインバータに供給する所定数のPWM駆動制御信号を形成する駆動制御信号形成部とを備えていることを特徴としている。
また、請求項16に係る電動パワーステアリング装置は、請求項14に係る発明において、前記駆動制御信号形成部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に基づいて一方のインバータに対する第1の相デューティ指令値を演算する第1の演算部と、前記相デューティ指令値に基づいて他方のインバータに対する第2の相デューティ指令値を演算する第2の演算部と、前記第1の演算部から出力される第1の相デューティ指令値に基づいて前記一方のインバータに対するPWM駆動制御信号を形成する第1のPWM回路と、前記第2の演算部から出力される第2の相デューティ指令値に基づいて前記他方のインバータに対するPWM駆動制御信号を形成する第2のPWM回路とを備えていることを特徴としている。
さらに、請求項17に係る電動パワーステアリング装置は、請求項16に係る発明において、前記第1の演算部及び前記第2の演算部の何れか一方は、デューティ比50%の相デューティ指令値を対応するPWM回路に出力するように構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項18に係る電動パワーステアリング装置は、請求項16に係る発明において、前記相デューティ指令値に対するゲインを設定するゲイン設定部を有し、前記第2の演算部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に前記ゲインを乗算した値に基づいて前記第2の相デューティ指令値を演算するように構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項18に係る電動パワーステアリング装置は、請求項16に係る発明において、前記相デューティ指令値に対するゲインを設定するゲイン設定部を有し、前記第2の演算部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に前記ゲインを乗算した値に基づいて前記第2の相デューティ指令値を演算するように構成されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項19に係る電動パワーステアリング装置は、請求項16に係る発明において、前記無結線式モータの回転速度を検出する回転速度検出部を有し、前記ゲイン設定部は、前記操舵トルク検出部で検出した操舵トルクと前記回転速度検出部で検出したモータ回転速度とに基づいて前記ゲインを設定するように構成されていることを特徴としている。
また、請求項20に係る電動パワーステアリング装置は、請求項19に係る発明において、記ゲイン設定部は、前記ゲインをパラメータとして前記操舵トルクとモータ回転速度との関係を表すゲイン算出テーブルを備えていることを特徴としている。
さらに、請求項21に係る電動パワーステアリング装置は、請求項18に係る発明において、前記ゲイン設定部は、前記電流制御部で形成されるq軸相電圧指令値に基づいてゲインを演算するように構成されていることを特徴としている。
さらに、請求項21に係る電動パワーステアリング装置は、請求項18に係る発明において、前記ゲイン設定部は、前記電流制御部で形成されるq軸相電圧指令値に基づいてゲインを演算するように構成されていることを特徴としている。
本発明によれば、ステータに所定相数の電機子巻線を互いに独立して配設し、独立した各電機子巻線に個別に駆動信号を供給する構成の無結線式モータと、各電機子巻線の両端に接続した一対のインバータ回路とを設け、一対のインバータ回路を1つの駆動制御回路で駆動制御することが可能となり、全体の回路構成を簡略化することができるという効果が得られる。
また、駆動制御回路で、各電機子巻線の端子間電圧を調整可能に構成することにより、任意の端子間電圧を発生させることができ、無結線式モータの出力特性を調整することができるという効果が得られる。
また、無結線式モータを駆動する駆動制御装置を、ベクトル制御をもとに各相電流指令値を算出すると共に、電流フィードバック制御することにより、小型で、トルクリップルが小さく、出力が大きい無結線式モータの駆動制御装置を提供することができるという効果が得られる。
さらに、無結線式モータを使用して電動パワーステアリング装置を構成することにより、ステアリングホイールの急操舵時にも滑らかに追従する操舵補助力を発生してステアリングホイールの操作を違和感なく、且つ騒音の少ない電動パワーステアリング装置を提供することができるという効果が得られる。
また、無結線式モータを駆動する駆動制御装置を、ベクトル制御をもとに各相電流指令値を算出すると共に、電流フィードバック制御することにより、小型で、トルクリップルが小さく、出力が大きい無結線式モータの駆動制御装置を提供することができるという効果が得られる。
さらに、無結線式モータを使用して電動パワーステアリング装置を構成することにより、ステアリングホイールの急操舵時にも滑らかに追従する操舵補助力を発生してステアリングホイールの操作を違和感なく、且つ騒音の少ない電動パワーステアリング装置を提供することができるという効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の第1の実施形態を示す全体構成図であって、図中、1は、ステアリングホイールであり、このステアリングホイール1に運転者から作用される操舵力が入力軸2aと出力軸2bとを有するステアリングシャフト2に伝達される。このステアリングシャフト2は、入力軸2aの一端がステアリングホイール1に連結され、他端は操舵トルク検出手段としての操舵トルクセンサ3を介して出力軸2bの一端に連結されている。
図1は、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の第1の実施形態を示す全体構成図であって、図中、1は、ステアリングホイールであり、このステアリングホイール1に運転者から作用される操舵力が入力軸2aと出力軸2bとを有するステアリングシャフト2に伝達される。このステアリングシャフト2は、入力軸2aの一端がステアリングホイール1に連結され、他端は操舵トルク検出手段としての操舵トルクセンサ3を介して出力軸2bの一端に連結されている。
そして、出力軸2bに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント4を介してロアシャフト5に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント6を介してピニオンシャフト7に伝達される。このピニオンシャフト7に伝達された操舵力はステアリングギヤ8を介してタイロッド9に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ8は、ピニオンシャフト7に連結されたピニオン8aとこのピニオン8aに噛合するラック8bとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン8aに伝達された回転運動をラック8bで直進運動に変換している。
ステアリングシャフト2の出力軸2bには、操舵補助力を出力軸2bに伝達する操舵補助機構10が連結されている。この操舵補助機構10は、出力軸2bに連結した減速ギヤ11と、この減速ギヤ10に連結された操舵補助力を発生する電動機としての無結線式モータ12とを備えている。
ステアリングシャフト2の出力軸2bには、操舵補助力を出力軸2bに伝達する操舵補助機構10が連結されている。この操舵補助機構10は、出力軸2bに連結した減速ギヤ11と、この減速ギヤ10に連結された操舵補助力を発生する電動機としての無結線式モータ12とを備えている。
操舵トルクセンサ3は、ステアリングホイール1に付与されて入力軸2aに伝達された操舵トルクを検出するもので、例えば、操舵トルクを入力軸2a及び出力軸2b間に介挿した図示しないトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位をポテンショメータで検出するように構成されている。この操舵トルクセンサ3は、図2に示すように、入力される操舵トルクが零のときには、“0”の中立電圧V0 となり、この状態から右切りすると、操舵トルクの増加に応じて中立電圧V0 より正方向に増加する電圧となり、操舵トルクが零の状態から左切りすると操舵トルクの増加に応じて中立電圧V0 より負方向に減少する電圧となるトルク検出値Tを出力するように構成されている。
また、無結線式モータ12は、図3に示すように、ハウジング21に対して一対の軸受22,23を介して回転軸24が回転可能に支持されている。一対の軸受22,23間で回転軸24の周囲には、円板状の複数枚の電磁鋼板25,26を積層して形成されるロータコア27が装着され、このロータコア27の外周面には、ロータマグネット28が固定されている。ロータマグネット28は、界磁発生用永久磁石としてセグメントマグネットが使用されている。また、図4に示すように、ロータマグネット18の外側には、一端に形成されたフランジ部29aをロータマグネット28の端面と当接させ、ロータマグネット28の飛散及びずれを防止する円筒状のマグネットカバー29が設けられている。そして、これら回転軸24、ロータコア27、ロータマグネット28及びマグネットカバー29はロータ20を構成している。
ハウジング21内には、ロータ20と半径方向に対向するようにしてステータ31が配設されており、ハウジング21の内周面に固定された環状のステータコア32と、ステータコア32に巻回された電機子巻線としての励磁コイル33とを有する。この励磁コイル33は、図5に示すように、例えば三相の励磁コイルLu、Lv及びLwで構成され、これら励磁コイルLu〜Lwは、互いに結線されることなく独立して巻装され、各励磁コイルLu、Lv及びLwの両端間に一対のインバータ回路34a及び34bが接続されて、個別に駆動電流Iu、Iv及びIwが供給される。
インバータ回路34aは、図5に示すように、励磁コイルLu、Lv及びLwに対応して直列に接続されたNチャンネルMOSFETで構成されるスイッチング素子Qua,Qub、Qva,Qvb及びQwa,Qwbを並列に接続された構成を有し、スイッチング素子Qua,Qubの接続点、Qva,Qvbの接続点及びQwa,Qwbの接続点が夫々励磁巻線Lu、Lv及びLwの一方の端子tua、tva及びtwaに接続されている。
また、インバータ回路34bも、インバータ回路34aと同様に、励磁コイルLu、Lv及びLwに対応して直列に接続されたNチャンネルMOSFETで構成されるスイッチング素子Qua,Qub、Qva,Qvb及びQwa,Qwbを並列に接続された構成を有し、スイッチング素子Qua,Qubの接続点、Qva,Qvbの接続点及びQwa,Qwbの接続点が夫々励磁巻線Lu、Lv及びLwの他方の端子tub、tvb及びtwbに接続されている。
そして、インバータ回路34aの上アームを構成するスイッチング素子Qua、Qva及びQwaのゲートに増幅回路Aua、Ava及びAwaを介して後述する駆動制御回路15から出力されるPWM(パルス幅変調)信号PuH、PvH及びPwHが供給され、下アームを構成するスイッチング素子Qub、Qvb及びQwbのゲートに増幅回路Aub、Avb及びAwbを介して後述する駆動制御回路15から出力されるPWM(パルス幅変調)信号PuL、PvL及びPwLが供給されている。
同様に、インバータ回路34bの上アームを構成するスイッチング素子Qua′、Qva′及びQwa′のゲートに増幅回路Aua′、Ava′及びAwa′を介して後述する駆動制御回路15から出力されるPWM(パルス幅変調)駆動制御信号PuL、PvL及びPwLが供給され、下アームを構成するスイッチング素子Qub′、Qvb′及びQwb′のゲートに増幅回路Aub′、Qvb′及びAwb′を介して後述する駆動制御回路15から出力されるPWM(パルス幅変調)駆動制御信号PuH、PvH及びPwHが供給されている。
結局、駆動制御回路15から出力される励磁コイル数の相数N(3以上の整数)の2倍の本数のPWM信号PuH〜PwH及びPuL〜PwLによって一対のインバータ回路34a及び34bが逆位相で駆動される。
結局、駆動制御回路15から出力される励磁コイル数の相数N(3以上の整数)の2倍の本数のPWM信号PuH〜PwH及びPuL〜PwLによって一対のインバータ回路34a及び34bが逆位相で駆動される。
また、一方の軸受22の近傍には、ロータ20の位相検知部35が配置されている。この位相検知部35は、回転軸24に取付けられた環状の位相検出用永久磁石36と、この永久磁石36と対向し、ハウジング21側に固定された位相検出素子37とから構成されている。この位相検知部35は、モータ12が機械的な整流子(ブラシとコンミテータ)を含まないブラシレスモータであるため、ロータ20の位相を検知して、駆動制御回路15の制御により位相に応じて励磁コイル33に通電するためのものである。また、位相検知部としては、レゾルバやエンコーダなどを適用することもできる。
そして、操舵トルクセンサ3から出力されるトルク検出値Tは、図6に示すように駆動制御回路15に入力される。この駆動制御回路15には、例えば12ボルトのバッテリー16からイグニッションキー17を介して電力が供給され、トルク検出値Tの他に車速センサ18で検出した車速検出値Vと、モータ電流検出部19u〜19wで検出した無結線式モータ12の各励磁コイルLu〜Lwに流れる駆動電流Iu〜Iwと、位相検知部35で検出したロータ20の位相検知信号が入力される。
この駆動制御回路15は、図6に示すように、操舵トルクセンサ3で検出した操舵トルク検出値Tと車速センサ18で検出した車速検出値Vとが入力され、これらに基づいてベクトル制御演算によって指令電流指令値Iq及びIdを出力するベクトル制御相指令値算出部40と、各励磁コイルLu〜Lwの相電流Idq及びIddを検出するモータ電流検出回路43と、ベクトル制御相指令値演算部40から出力される相電流指令値Iq及びIdとモータ電流検出回路43で検出した相電流検出値Idq及びIddとに基づいて一対のインバータ34a及び34bに対するPWM駆動制御電流を形成する電流制御部44とを備えている。
ベクトル制御相指令値算出部40は、操舵トルクセンサ3で検出した操舵トルク検出値Tと車速センサ18で検出した車速検出値Vとが入力され、これらに基づいて車速検出値Vをパラメータとして操舵トルク検出値Tと操舵補助力指令値T*との関係を表す操舵補助力指令値算出テーブルを参照して操舵補助力指令値を算出する操舵補助力算出部41と、この基本操舵補助力算出部41で算出した操舵補助力指令値T*が入力され、これに基づいて無結線式モータ12に対するd−q軸上での相電流指令値Iq及びIdを決定して出力するベクトル電流指令値決定部42とを有する。
また、モータ電流検出回路43は、モータ電流検出部19u〜19wから入力される駆動電流Iu〜Iwを3相−2相座標変換してd−q軸上のモータ検出電流Idq及びIddを出力する3相/2相座標変換部45を有する。そして、位相検知部35で検出したロータ位相検出値を電気角変換部47で電気角θに変換し、この電気角θがベクトル電流指令値決定部42及び3相/2相座標変換部45に供給されている。
さらに、電流制御部44は、ベクトル制御相指令値算出部40のベクトル電流指令値決定部42から出力される相電流指令値Iq及びIdからモータ電流検出回路43の3相/2相座標変換部45から出力される相電流検出値Idq及びIddを減算器46q及び46dで減算して偏差ΔIq及びΔIdを算出し、算出した偏差ΔIq及びΔIdが個別にPI制御部49q及び49dに供給される。
このため、PI制御部49q及び49dでは、下記(1)式及び(2)式の演算を行って電圧指令値Vq及びVdを算出する。
Vq=Kp×ΔIq+Ki×∫ΔIq/dt ……(1)
Vd=Kp×ΔId+Ki×∫ΔId/dt ……(2)
ここで、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインである。ここで、減算器46q及び46dとPI制御部49q及び49dとで演算制御部が構成されている。
Vq=Kp×ΔIq+Ki×∫ΔIq/dt ……(1)
Vd=Kp×ΔId+Ki×∫ΔId/dt ……(2)
ここで、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインである。ここで、減算器46q及び46dとPI制御部49q及び49dとで演算制御部が構成されている。
そして、PI制御部49q及び49dから出力される電圧指令値Vq及びVdが電圧制限部としてのリミッタ50に供給されて、電源電圧Vq及びVdを正負の電源電圧(バッテリ電圧±Vb)の範囲に制限し、この制限した電圧指令値VqLIM及びVdLIMをデューティ指令値算出部としての乗算器51q及び51dに供給する。
この乗算器51q及び51dでは、制限された電圧指令値VqLIM及びVdLIMに1/2Vb(Vb:バッテリー電圧)を乗算することにより、除算を行ってデューティ指令値Dq及びDdを算出し、これらデューティ指令値Dq及びDdを相変換部としての2相−3相座標変換部52でU相、V相及びW相の各相デューティ指令値Dtu、Dtv及びDtwを算出する。
この乗算器51q及び51dでは、制限された電圧指令値VqLIM及びVdLIMに1/2Vb(Vb:バッテリー電圧)を乗算することにより、除算を行ってデューティ指令値Dq及びDdを算出し、これらデューティ指令値Dq及びDdを相変換部としての2相−3相座標変換部52でU相、V相及びW相の各相デューティ指令値Dtu、Dtv及びDtwを算出する。
そして、2相−3相座標変換部52から出力される各相デューティ指令値Dtu、Dtv及びDtwを一対のインバータ34a及び34bに対するPWM駆動制御信号を形成する駆動制御信号形成部53に供給する。
この駆動制御信号形成部53は、入力される正負の相デューティ指令値Dtj(j=u,v,w)を加算器54に供給して、これに入力されている50%の中間デューティ指令値Dnに加算することにより励磁コイルLjに対する0〜100%の相デューティ指令値Djに変換するデューティ指令値変換部53jと、これらデューティ指令値変換部53jから出力される相デューティ指令値Djが入力され、これら相デューティ指令値Djに応じたデューティ比のパルス信号でなるPWM駆動制御信号PuH〜PwHとそのオン・オフが反転されたPWM駆動制御信号PuL〜PwLを形成するPWM回路としてのPWMパルスジェネレータ55とを有する。
この駆動制御信号形成部53は、入力される正負の相デューティ指令値Dtj(j=u,v,w)を加算器54に供給して、これに入力されている50%の中間デューティ指令値Dnに加算することにより励磁コイルLjに対する0〜100%の相デューティ指令値Djに変換するデューティ指令値変換部53jと、これらデューティ指令値変換部53jから出力される相デューティ指令値Djが入力され、これら相デューティ指令値Djに応じたデューティ比のパルス信号でなるPWM駆動制御信号PuH〜PwHとそのオン・オフが反転されたPWM駆動制御信号PuL〜PwLを形成するPWM回路としてのPWMパルスジェネレータ55とを有する。
そして、PWMパルスジェネレータ55から出力されるPWM駆動制御信号PuH〜PwH及びPuL〜PwLを前述した図5に示すようにインバータ回路34a及び34bに出力する。このように、1つのPWMジェネレータ55によってインバータ回路34a及び34bが互いに逆位相に駆動されるので、PWM信号は従来の6個の信号がそのまま使用できる。
次に、上記第1の実施形態の動作を説明する。
今、イグニッションキー17がオフ状態であるときには駆動制御回路15及びインバータ回路34a及び34bにバッテリー16の電力が供給されておらず、インバータ回路34a及び34bの各スイッチング素子Qua〜Qwb及びQua′〜Qwb′がオフ状態を維持し、無結線式モータ12の各励磁コイルLu〜Lwに通電されることがなく、無結線式モータ12が停止状態にある。
今、イグニッションキー17がオフ状態であるときには駆動制御回路15及びインバータ回路34a及び34bにバッテリー16の電力が供給されておらず、インバータ回路34a及び34bの各スイッチング素子Qua〜Qwb及びQua′〜Qwb′がオフ状態を維持し、無結線式モータ12の各励磁コイルLu〜Lwに通電されることがなく、無結線式モータ12が停止状態にある。
この車両の停止状態で、イグニッションキー17をオン状態とすると、バッテリー16の電力が駆動制御回路15及びインバータ回路34a,34bに供給されて、これらが作動状態となる。
この状態で、ステアリングホイール1を操舵していない状態では、操舵トルクセンサ3で検出される操舵トルク検出値Tが零であり、車両が停止状態であるので、車速センサ18で検出される車速検出値Vも零となっており、操舵補助力算出部41で零の操舵補助力指令値T*が算出され、これがベクトル電流指令値決定部42に供給されることにより、このベクトル電流指令値決定部42から共に零の指令電流Iq及びIdが出力される。
この状態で、ステアリングホイール1を操舵していない状態では、操舵トルクセンサ3で検出される操舵トルク検出値Tが零であり、車両が停止状態であるので、車速センサ18で検出される車速検出値Vも零となっており、操舵補助力算出部41で零の操舵補助力指令値T*が算出され、これがベクトル電流指令値決定部42に供給されることにより、このベクトル電流指令値決定部42から共に零の指令電流Iq及びIdが出力される。
一方、無結線式モータ12が停止状態にあるので、電流検出器19u〜19wで検出されるモータ電流Iu〜Iwも零となっており、これが3相/2相座標変換部45に供給されるので、この3相/2相座標変換部45から出力されるd−q軸検出電流Idq及びIddも零となり、加算器46q及び46dから出力される偏差ΔIq及びΔIdも零となる。
このため、PI制御部49q及び49dから出力される電圧指令値Vq及びVdも零となり、これらがリミッタ50を介して乗算器51q及び51dに供給され、これら乗算器51q及び51dで2倍のバッテリー電圧Vbで除算することにより、正及び負値をとるデューティ指令値Dq及びDdを算出するが、これらデューティ指令値Dq及びDdも零となり、これが2相/3相座標変換部52に供給されてU相、V相及びW相の各相デューティ指令値Dtu、Dtv及びDtwを算出する。この場合の各相デューティ指令値Dtu、Dtv及びDtwも零となり、これらがデューティ指令値変換部53u、53v及び53wに供給されるので、これらデューティ指令値変換部53u、53v及び53wから共に50%の相デューティ指令値Du、Dv及びDwがPWMパルスジェネレータ55に供給される。このため、PWMパルスジェネレータ55からデューティ比が略50%のPWM駆動制御信号PuH〜PwH及びそのオン・オフが反転されたPuL〜PwLがインバータ回路34a及び34bに出力される。
このため、例えば無結線式モータ12の励磁コイルLuについて見ると、図7に示すように、インバータ回路34a及び34bのスイッチング素子Qua,Qubの直列回路とスイッチング素子Qub′及びQua′の直列回路とがバッテリー電圧Vbと接地との間に並列に接続され、両直列回路のスイッチング素子Qua,Qubの接続点及びスイッチング素子Qub′及びQua′の接続点に夫々励磁コイルLuの一方の端子tua及び他方の端子tubを接続した所謂Hブリッジ回路が構成される。
このとき、スイッチング素子Qua及びQub′に供給されるPWM信号PuHとスイッチング素子Qub及びQua′に供給されるWM信号PuLとが共にデューティ比が略50%で互いにオン・オフが反転し、両者間にデッドタイムが設けられているので、励磁コイルLuには電流が流れることはなく、同様に励磁コイルLv及びLwにも電流が流れることはないので、無結線式モータ12は停止状態を継続する。
この無結線式モータ12の停止状態からステアリングホイール12を例えば右操舵して据え切り状態とすると、これによって操舵トルクセンサ3で大きな正値の操舵トルク検出値Tが出力されると共に、車速検出値Vが“0”となることにより、操舵補助力算出部41から大きな正値の操舵補助力指令値T*が出力され、これがベクトル電流指令値決定部42に供給されて相電流指令値Iq及びIdを決定する。このとき、励磁コイルLu〜Lwには通電されていないので、3相/2相座標変換部45から出力される相電検出値Idq及びIddは零を維持しているので、減算器46q及び46dから指令電流Iq及びIdに応じた偏差ΔIq及びΔIdがPI制御部49q及び49dに出力される。
これらPI制御部49q及び49dでは、前記(1)式及び(2)式のPI演算を行って、比較的大きな値の電圧指令値Vq及びVdを算出し、これらがリミッタ50に出力される。
リミッタ50では、電圧指令値Vq及びVdをバッテリ電圧+Vb及び−Vbに制限し、この制限された電圧指令値が乗算器51q及び51dでバッテリ電圧の2倍の電圧2Vbで除算することにより、正値の例えば50%に近いデューティ指令値Dq及びDdが出力され、これらが2相/3相座標変換部52に供給されて120°位相がずれたU相、V相及びW相の各相デューティ指令値Dtu、Dtv及びDtwを算出する。
リミッタ50では、電圧指令値Vq及びVdをバッテリ電圧+Vb及び−Vbに制限し、この制限された電圧指令値が乗算器51q及び51dでバッテリ電圧の2倍の電圧2Vbで除算することにより、正値の例えば50%に近いデューティ指令値Dq及びDdが出力され、これらが2相/3相座標変換部52に供給されて120°位相がずれたU相、V相及びW相の各相デューティ指令値Dtu、Dtv及びDtwを算出する。
この各相デューティ指令値Dtu、Dtv及びDtwが相デューティ指令値変換部53u、53v及び53wに供給されるので、これら相デューティ指令値変換部53u、53v及び53wで100%に近い相デューティ指令値Du、Dv及びDwが出力され、これらがPWMジェネレータ55に供給されるので、このPWMジェネレータ55から無結線式モータ12を正転駆動するPWM駆動制御信号PuH,PvH及びPwH及びこれらのオン・オフが反転されたPWM駆動制御信号PuL,PvL及びPwLがインバータ回路34a及び34bに互いに逆位相となるように供給される。
このため、励磁コイルLuについてみると、PWM駆動制御信号PuHのデューティ比がPWM駆動制御信号PuLのデューティ比より大きいときには、図7において、バッテリー17からの駆動電流が実線矢印で示すように、スイッチング素子Qua、励磁コイルLu及びスイッチング素子Qua′をその順に通って流れることになり、これによって無結線式モータ12がステアリングホイール1の右操舵を補助するように例えば正転駆動されて、大きな操舵補助力を発生し、ステアリングホイール1の据え切りを軽い操舵力で行うことができる。このときの、励磁コイルLuの電圧波形は、図8に示すように、励磁コイルLuにおける一方の端子tuaの端子電圧Vaが細い実線で示すように例えば0〜10ボルトの範囲の正弦波となり、他方の端子tubの端子電圧Vbが破線で示すように端子電圧Vaに対して180°の位相差を有する正弦波となるので、励磁コイルLuの両端電圧Vabは太い実線図示のようにバッテリー電圧の+10〜−10ボルトの範囲の正弦波となり、従来例のように昇圧回路を設けることなくバッテリ電圧Vbの約2倍まで有効利用することができ、高出力駆動することができる。
この結果、電動パワーステアリング装置で最大出力を確保しながら最大回転速度を増加させることができ、急操舵時にモータ回転速度が不足することを解消することができる。
しかも、上記効果を一対のインバータ回路34a及び34bに対して駆動制御回路15から出力される通常の励磁コイルをY結線又はΔ結線した結線式モータを駆動する1つのインバータ回路を適用する場合と同様の6本のPWM信号で駆動することができ、一対のインバータ回路34a及び34bを個別の駆動制御回路で駆動する場合に比較して、マイクロコンピュータ、デジタル信号処理装置、モータ駆動IC等のコスト低減と選択の自由度とを向上させることができる。
しかも、上記効果を一対のインバータ回路34a及び34bに対して駆動制御回路15から出力される通常の励磁コイルをY結線又はΔ結線した結線式モータを駆動する1つのインバータ回路を適用する場合と同様の6本のPWM信号で駆動することができ、一対のインバータ回路34a及び34bを個別の駆動制御回路で駆動する場合に比較して、マイクロコンピュータ、デジタル信号処理装置、モータ駆動IC等のコスト低減と選択の自由度とを向上させることができる。
また、ステアリングホイール1を左切りする据え切り状態とした場合には、そのときの操舵トルク検出値Tに応じた操舵補助トルクを発生するように無結線式モータ12が逆転駆動されて、軽い操舵を行うことができ、また、車両が停車状態から走行状態となったときには、そのときの車速検出値Vが増加するにつれて操舵トルク検出値Tに対する操舵補助トルク指令値T*が小さい値となり、無結線式モータ12で発生する操舵補助力も小さく抑制される。
次に、本発明の第2の実施形態を図9及び図10について説明する。
この第2の実施形態は、無結線式モータ12の高出力駆動とPWM駆動制御信号のデューティ比の分解能が影響する微小電流制御領域の緻密な電流制御駆動とを両立させるようにしたものである。
すなわち、第2の実施形態では、図9に示すように、駆動制御回路15に図10(c)に示すデューティ比が50%で互いにオン・オフが反転されたパルス信号P1及びP2を形成するパルス信号生成回路61を設けると共に、例えばモータ角速度ωが設定閾値ωs以下であるときにローレベル、設定閾値ωsを超えているときにハイレベルの選択信号SLを出力する選択信号形成回路62を設け、さらにインバータ回路34bの増幅器Aua′〜Awa′及びAub′〜Awb′の入力側に駆動制御回路15から出力されるPWM駆動制御信号Pub〜Pwb及びPua〜Pwaとパルス信号P1及びP2とを選択する信号選択回路63a及び63bが設けられていることを除いては前述した第1の実施形態における図5と同様の構成を有し、図5との対応部分には同一符号を付しその詳細説明はこれを省略する。
この第2の実施形態は、無結線式モータ12の高出力駆動とPWM駆動制御信号のデューティ比の分解能が影響する微小電流制御領域の緻密な電流制御駆動とを両立させるようにしたものである。
すなわち、第2の実施形態では、図9に示すように、駆動制御回路15に図10(c)に示すデューティ比が50%で互いにオン・オフが反転されたパルス信号P1及びP2を形成するパルス信号生成回路61を設けると共に、例えばモータ角速度ωが設定閾値ωs以下であるときにローレベル、設定閾値ωsを超えているときにハイレベルの選択信号SLを出力する選択信号形成回路62を設け、さらにインバータ回路34bの増幅器Aua′〜Awa′及びAub′〜Awb′の入力側に駆動制御回路15から出力されるPWM駆動制御信号Pub〜Pwb及びPua〜Pwaとパルス信号P1及びP2とを選択する信号選択回路63a及び63bが設けられていることを除いては前述した第1の実施形態における図5と同様の構成を有し、図5との対応部分には同一符号を付しその詳細説明はこれを省略する。
ここで、信号選択回路63aは、図10(a)に示すように、一方の非反転入力側にPWM駆動制御信号PuL,PvL及びPwLが入力され、他方の非反転入力端に選択信号SLが入力されたアンドゲート64u、64v及び64wと、一方の非反転入力側にパルス信号P1が入力され、他方の反転入力側に選択信号SLが入力されたアンドゲート65と、一方の入力側にアンドゲート64u、64v及び64wの出力信号が個別に入力され、他方の入力側にアンドゲート65の出力信号が入力されたオア回路66u、66v及び66wとを備えている。そして、選択信号SLがローレベルであるときに、駆動制御回路15から出力されるPWM駆動制御信号PuL、PvL及びPwLを、選択信号SLがハイレベルであるときに、駆動制御回路15のパルス信号生成回路61から出力されるパルス信号P1を夫々PWM駆動制御信号PuL′、PvL′及びPwL′としてインバータ回路34bの上アームを構成するスイッチング素子Qua′、Qva′及びQwa′に出力する。
また、信号選択回路63bは、図10(b)に示すように、一方の非反転入力側にPWM駆動制御信号PuH,PvH及びPwHが入力され、他方の非反転入力端に選択信号SLが入力されたアンドゲート67u、67v及び67wと、一方の非反転入力側にパルス信号P2が入力され、他方の反転入力側に選択信号SLが入力されたアンドゲート68と、一方の入力側にアンドゲート67u、67v及び67wの出力信号が個別に入力され、他方の入力側にアンドゲート68の出力信号が入力されたオア回路69u、69v及び69wとを備えている。そして、選択信号SLがローレベルであるときに、駆動制御回路15から出力されるPWM信号PuH、PvH及びPwHを、選択信号SLがハイレベルであるときに、駆動制御回路15のパルス信号生成回路61から出力されるパルス信号P2を夫々PWM信号PuH′、PvH′及びPwH′としてインバータ回路34bの下アームを構成するスイッチング素子Qub′、Qvb′及びQwb′に出力する。
この第2の実施形態によれば、ステアリングホイール1を急操舵することにより、モータ角速度ωが設定閾値ωsを超えた場合には、選択信号形成回路62で選択信号SLをハイレベルとすることにより、各信号選択回路63a及び63bでアンドゲート64u〜64w及び67u〜67wが開かれてPWM信号PuL〜PwL及びPuH〜PwHが選択されて、これらがインバータ回路34bに供給されるので、前述した第1の実施形態と同様にバッテリー電圧Vbの2倍の電圧で無結線式モータ12を高出力且つ高速回転駆動することができる。
しかしながら、ステアリングホイール1を比較的緩やかに操舵していて、モータ角速度ωが設定閾値ωs以下であるときには、選択信号形成回路62で選択信号SLがローレベルに制御されるので、信号選択回路63a及び63bでパルス信号生成回路61で生成されたデューティ比が50%で互いにオン・オフが反転されたパルス信号P1及びP2が選択され、これらがインバータ回路34bに供給される。
このため、インバータ回路34bの直列回路を構成するスイッチング素子の一方がオン状態であるときに他方がオフ状態となり、仮想的にモータ駆動電圧の半分を固定出力する電源回路として動作し、図11に示すように、励磁コイルLuの端子tub、励磁コイルLvの端子tvb及び励磁コイルLwの端子twbを互いに接続した通常のY結線式モータと等価な構成となる。このため、励磁コイルLu〜Lwの両端電圧Vu〜Vwは図12に示すようにバッテリー電圧Vbの半分の+1/2Vb及び−1/2Vbの範囲の正弦波となり、PWM駆動制御信号PuH〜PwH及びPuL〜PwLのデューティ比の分解能が顕著に現れることになり、微小電流領域の制御性を向上させることができる。
次に、本発明の第3の実施形態を図13及び図14について説明する。
この第3の実施形態は、無結線式モータ12の励磁コイルLu〜Lwの端子間電圧を所定段階に変更できるようにしたものである。
すなわち、第3の実施形態では、前述した第1の実施形態における駆動制御回路15の相デューティ変換部53u〜53wが、図13に示すように、前述した加算器54で構成される第1の演算部70Aと、この第1の演算部70Aと並列に設けられた第2の演算部70Bとで構成され、第1の演算部70Aで算出される相デューティ指令値DQjaがインバータ回路34aを駆動制御するPWMパルスジェネレータ55aに供給され、第2の演算部70Bで算出される相デューティ指令値Djbがインバータ回路34bを駆動制御するPWMパルスジェネレータ55bに供給されることを除いては前述した第1の実施形態と同様の構成を有し、図6との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
この第3の実施形態は、無結線式モータ12の励磁コイルLu〜Lwの端子間電圧を所定段階に変更できるようにしたものである。
すなわち、第3の実施形態では、前述した第1の実施形態における駆動制御回路15の相デューティ変換部53u〜53wが、図13に示すように、前述した加算器54で構成される第1の演算部70Aと、この第1の演算部70Aと並列に設けられた第2の演算部70Bとで構成され、第1の演算部70Aで算出される相デューティ指令値DQjaがインバータ回路34aを駆動制御するPWMパルスジェネレータ55aに供給され、第2の演算部70Bで算出される相デューティ指令値Djbがインバータ回路34bを駆動制御するPWMパルスジェネレータ55bに供給されることを除いては前述した第1の実施形態と同様の構成を有し、図6との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
ここで、第2の演算部70Bは、相デューティ指令値Dtj(j=u,v,w)をゲインK倍する可変利得増幅器71とその出力に50%のデューティ指令値を加算する加算器72との直列回路で構成され、この可変利得増幅器71のゲインKがゲイン設定器73で操舵トルク検出値T及び電気角変換部47から出力される電気角θを角速度変換部48で変換したモータ角速度ωに基づいて設定される。
ここで、ゲイン設定器73は、入力された操舵トルク検出値Tとモータ角速度ωとに基づいて図14に示すゲイン算出マップを参照してゲインKを算出する。このゲイン算出マップは、図14に示すように、横軸に操舵トルク検出値Tをとり、縦軸にモータ角速度ωをとって構成されている。そして、モータ角速度ωが零で操舵トルク検出値Tが最大トルクTmaxの1/3程度の所定値T1及び操舵トルク検出値Tが零でモータ角速度ωが最大角速度ωmaxの1/5程度のモータ角速度ω1を結ぶ線L1と横軸及び縦軸で囲まれる領域であるときにゲインKが“0.5”に設定される。また、モータ角速度ωが零で操舵トルク検出値Tが最大トルクTmaxの2/3程度の所定値T2及び操舵トルク検出値Tが零でモータ角速度ωが最大角速度ωmaxの1/2程度の所定値ω2を結ぶ線L1に平行な線L2と線L1、横軸及び縦軸とで囲まれる領域であるときにゲインKが“0”に設定される。さらに、モータ角速度ωが零で操舵トルク検出値Tが最大トルクTmaxに近い所定値T3及び操舵トルク検出値Tが零でモータ角速度ωが最大角速度ωmaxの4/5程度の所定値ω3を結ぶ線L2に平行な線L3と線L2、横軸及び縦軸とで囲まれる領域であるときにゲインKが“−0.5”に設定される。さらに、操舵トルク検出値Tがモータ角速度ω零〜ω1より小さいω0までの間最大トルクTmaxを維持する線L4と、この線L4の上端と操舵トルク検出値Tが零でモータ角速度ωが最大角速度ωmaxの点とを結ぶ線L3に平行な線L5と、線L3、横軸及び縦軸とで囲まれる領域であるときにゲインKが“−1”に設定される。
次に、上記第3の実施形態の動作を説明する。
今、車両が比較的高速で走行している状態で、ステアリングホイール1を緩やかに操舵した場合には、操舵トルクセンサ3で検出する操舵トルク検出値tが小さく、モータ角速度ωも遅く、ゲイン設定器73で、図14に示すゲイン算出マップを参照したときに、ゲインK=0.5が選択されたものとすると、例えば図15に示すように励磁コイルLuを例にとると、励磁コイルLuの一方の端子tuaの端子電圧をVua、他方の端子tubの端子電圧をVubとし、励磁コイルLuの端子間電圧をVuabとしたときに、端子電圧Vuaが図15に示すように、所定振幅Aの正弦波であるものとすると、他方の端子電圧Vubは、端子電圧VuaにゲインKを乗算した値はVub=K・Vua=0.5Vuaとなり、図16に示すように、振幅が端子電圧Vuaの半分の正弦波となる。このため、励磁コイルLuの端子間電圧Vuabは、下記(3)式で表されるので、この端子間電圧Vuabも端子電圧Vuaの半分の振幅の正弦波となる。
Vuab=Vua−Vub=(1−K)Vua …………(3)
今、車両が比較的高速で走行している状態で、ステアリングホイール1を緩やかに操舵した場合には、操舵トルクセンサ3で検出する操舵トルク検出値tが小さく、モータ角速度ωも遅く、ゲイン設定器73で、図14に示すゲイン算出マップを参照したときに、ゲインK=0.5が選択されたものとすると、例えば図15に示すように励磁コイルLuを例にとると、励磁コイルLuの一方の端子tuaの端子電圧をVua、他方の端子tubの端子電圧をVubとし、励磁コイルLuの端子間電圧をVuabとしたときに、端子電圧Vuaが図15に示すように、所定振幅Aの正弦波であるものとすると、他方の端子電圧Vubは、端子電圧VuaにゲインKを乗算した値はVub=K・Vua=0.5Vuaとなり、図16に示すように、振幅が端子電圧Vuaの半分の正弦波となる。このため、励磁コイルLuの端子間電圧Vuabは、下記(3)式で表されるので、この端子間電圧Vuabも端子電圧Vuaの半分の振幅の正弦波となる。
Vuab=Vua−Vub=(1−K)Vua …………(3)
このため、分解能を従来のY結線式モータの分解能より向上させることができる。
この緩い操舵状態からステアリングホイール1に作用させる操舵トルク及び又は操舵速度を高めて、ゲイン設定器73で算出されるゲインKが“0”に設定されると図16に示すように前述した第2の実施形態における選択信号SLをローレベルとした場合と同様に従来のY結線式モータと同様の端子電圧Vuaと同一の振幅の端子間電圧Vuabが得られ、通常の分解能が得られる。
この緩い操舵状態からステアリングホイール1に作用させる操舵トルク及び又は操舵速度を高めて、ゲイン設定器73で算出されるゲインKが“0”に設定されると図16に示すように前述した第2の実施形態における選択信号SLをローレベルとした場合と同様に従来のY結線式モータと同様の端子電圧Vuaと同一の振幅の端子間電圧Vuabが得られ、通常の分解能が得られる。
この状態からさらにステアリングホイール1に作用させる操舵トルク及び又は操舵速度を増加させて、ゲイン設定器73で算出されるゲインKを−0.5に設定すると、励磁コイルLuの端子間電圧Vuabは、端子電圧Vuaの1.5倍となり、バッテリー電圧Vbの1.5倍の端子間電圧を励磁コイルLuに印加することができる。
さらに、ステアリングホイール1に作用させる操舵トルク及び又は操舵速度を増加させて、ゲイン設定器73で算出されるゲインKを−1に設定すると、前述した第1の実施形態及び第2の実施形態と同様に端子電圧Vuaの2倍の端子間電圧Vuabを励磁コイルLuに印加することができ、より大きな出力特性で且つ高速回転で無結線式モータ12を駆動することができる。
さらに、ステアリングホイール1に作用させる操舵トルク及び又は操舵速度を増加させて、ゲイン設定器73で算出されるゲインKを−1に設定すると、前述した第1の実施形態及び第2の実施形態と同様に端子電圧Vuaの2倍の端子間電圧Vuabを励磁コイルLuに印加することができ、より大きな出力特性で且つ高速回転で無結線式モータ12を駆動することができる。
このように、上記第3の実施形態によると、操舵トルク検出値Tとモータ角速度ωとに基づいてゲインKを設定することにより、無結線式モータ12の励磁コイルLu〜Lwの端子間電圧を端子電圧Vua〜Vwaの0.5倍、1倍、1.5倍及び2倍に変更することができ、ステアリングホイール1の操舵状態に応じた最適の出力性能及び回転速度性能を発揮することができる。
なお、上記第3の実施形態においては、ゲイン設定演算器73で図14に示すゲイン算出マップを参照してゲインKを設定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ゲインKを下記(4)式に示すように操舵トルク検出値T及びモータ角速度ωの関数として方程式に基づいてゲインKを算出するようにしてもよい。
K=f(T,ω)=aT+bω+c …………(4)
ここで、a,b,cは定数である。
K=f(T,ω)=aT+bω+c …………(4)
ここで、a,b,cは定数である。
また、上記第3の実施形態においては、ゲイン設定器73で操舵トルク検出値T及びモータ角速度ωに基づいてゲインKを設定するようにした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図13で点線図示のようにPI制御部45qから出力される電圧指令値Vqをゲイン設定器73に供給して、この電圧指令値Vqに基づいてゲインKを設定するようにしてもよい。
さらに、上記第3の実施形態においては、駆動制御回路15で2つのPWMパルスジェネレータ455a及び55bを駆動制御する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第2の演算部70Bを省略した駆動制御回路と、第1の演算部70Aを省略した駆動制御回路との2つの駆動制御回路でPWMパルスジェネレータ55a及び55bを個別に駆動制御するようにしてもよく、駆動制御回路の機能に対応するプログラムを有する2つのマイクロコンピュータで個別にPWMパルスジェネレータ55a及び55bを駆動するようにしてもよく、さらには2つのモータを個別に制御可能なマイクロコンピュータを適用してPWMパルスジェネレータ55a及び55bを駆動制御するようにしてもよい。
さらにまた、上記第3の実施形態においては、第2の演算部70Bに可変利得増幅器71及び加算器72で構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図17に示すように、各相デューティ変換部53u〜53wで、第2の演算部70Bを省略して前述した第1の実施形態と同様の構成とし、これに代えてデューティ比を50%に固定するデューティ指令値Dnを出力する共通の第2の演算部70Cを設け、このデューティ指令値DnをPWMパルスジェネレータ55bに供給し、このPWMパルスジェネレータ55bからデューティ比50%のPWM駆動制御信号PbH及びそのオン・オフを反転させたPWM駆動制御信号PbLを増幅器AbH及びAbLを介してインバータ回路34bの上アームを構成するスイッチング素子Qua′、Qva′及びQwa′及び下アームを構成するスイッチング素子Qub′、Qvb′及びQwb′に個別に供給することにより、前述した第2の実施形態と同様に従来のY結線式モータと同様の駆動制御を行うようにしてもよい。
さらにまた、上記各実施形態においては、PWM信号PuH〜PwH及びPuL〜PwL、パルス信号P1,P2を、説明を簡単にするため、完全にオン・オフを反転させた反転信号であるものとして説明したが、実際には、インバータ回路34a及び34bでの直列回路の短絡状態が発生することを防止するために、一方の信号がオン状態からオフ状態に反転したときに他方の信号がオフ状態からオン状態に反転するまでの間にデットタイムを設けるようにしている。
なおさらに、上記各実施形態においては、駆動制御回路15でベクトル制御する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ベクトル電流指令値演算部40のベクトル電流指令値決定部42から出力される電流指令値Iq及びIdを2相/3相座標変換部で3相電流指令値Iu*、Iv*及びIw*に変換し、電流制御部44で3相電流指令値Iu*、Iv*及びIw*と無結線式モータ12の各相電流を検出する電流センサ19u、19v及び19wで検出した相電流とに基づいて電流フィードバック制御するようにしてもよく、さらにはベクトル電流指令値決定部42を省略して、操舵補助力算出部41から出力される操舵補助トルク指令値T*と無結線式モータ12の各相の誘起電圧に対応する電流指令値を算出する相電流目標値算出部から出力される相電流目標値とを乗算器で乗算して各相電流指令値を算出するようにしてもよい。
また、上記各実施形態においては、無結線式モータが3相モータである場合について説明したが、これに限定されるものではなく、4相以上の多相モータに本発明を適用することができる。この場合、前述した第1及び第2の実施形態では、駆動制御回路15では相数Nに対して2N本のPWM駆動制御信号をインバータ回路34a及び34bに出力するようにすればよい。
さらに、上記各実施形態においては、駆動制御回路15をハードウェアで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、駆動制御回路15の機能を有するプログラムを格納したマイクロコンピュータを適用してソフトウェアで制御するようにしてもよい。
さらに、上記各実施形態においては、駆動制御回路15をハードウェアで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、駆動制御回路15の機能を有するプログラムを格納したマイクロコンピュータを適用してソフトウェアで制御するようにしてもよい。
1…ステアリングホイール、2…ステアリングシャフト、3…操舵トルクセンサ、8…ステアリングギヤ、10…操舵補助機構、12…無結線式モータ、15…駆動制御回路、16…バッテリー、17…イグニッションキー、18…車速センサ、19u,19w…モータ電流検出器、20…ロータ、21…ハウジング、27…ロータコア、28…ロータマグネット、31…ステータ、33…励磁コイル、Lu,Lv,Lw…三相励磁コイル、34a,34b…インバータ回路、35…位相検知部、40…ベクトル制御相指令値算出部、41…操舵補助力算出部、42…ベクトル電流指令値決定部、43…モータ電流検出回路、44…電流制御部、49q,49d…PI制御部、50…リミッタ、51q,51d…乗算器、52…2相−3相座標変換部、53u〜53w…相デューティ変換部、61…パルス信号生成装置、62…選択信号形成回路、63a,63b…信号選択回路、70A…第1の演算部、70B,70C…第2の演算部、K71…可変利得増幅器、73…ゲイン設定部
Claims (21)
- 永久磁石を配設したロータと、該ロータと対向して複数N相の電機子巻線を互いに独立して配設したステータとを有する無結線式モータと、各電機子巻線に個別に且つ当該電機子巻線の両端に夫々接続された一対のインバータ回路と、該一対のインバータ回路を駆動制御する駆動制御回路とを備え、前記駆動制御回路は、前記一対のインバータ回路を所定数のPWM駆動制御信号で駆動するようにしたことを特徴とする無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記駆動制御回路は、前記一対のインバータ回路を2N個のPWM駆動制御信号で駆動するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記駆動制御回路は、2N個のPWM駆動制御信号を一対のインバータ回路に出力し、この内N本のPWM駆動制御信号を一方のインバータ回路の上アーム及び他方のインバータ回路の下アームに供給し、残りのN本のPWM駆動制御信号を前記一方のインバータ回路の下アーム及び前記他方のインバータ回路の上アームに供給するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記駆動制御回路は、前記各電機子巻線の端子間電圧を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記駆動制御回路は、ベクトル制御を用いて前記各電機子巻線に対する相電流指令値を算出するベクトル制御相指令値算出部と、前記各電機子巻線の相電流を検出するモータ電流検出回路と、前記相電流指令値及び前記相電流に基づいて各電機子巻線に対する駆動電流を制御する電流制御部とを備えていることを特徴とする請求項4に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記電流制御部は、前記相電流指令値と前記相電流との偏差に基づいて相電圧指令値を算出する演算制御部と、該演算制御部で算出した相電圧指令値の最大値を制限する電圧制限部と、該電圧制限部で制限した相電圧指令値に基づいてデューティ指令値を算出するデューティ指令値算出部と、該デューティ指令値算出部で算出したデューティ指令値を電機子巻線数に相変換して相デューティ指令値を算出する相変換部と、該相変換部から出力される相デューティ指令値に基づいて前記一対のインバータに供給する所定数のPWM駆動制御信号を形成する駆動制御信号形成部とを備えていることを特徴とする請求項5に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記駆動制御信号形成部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に基づいて一方のインバータに対する第1の相デューティ指令値を演算する第1の演算部と、前記相デューティ指令値に基づいて他方のインバータに対する第2の相デューティ指令値を演算する第2の演算部と、前記第1の演算部から出力される第1の相デューティ指令値に基づいて前記一方のインバータに対するPWM駆動制御信号を形成する第1のPWM回路と、前記第2の演算部から出力される第2の相デューティ指令値に基づいて前記他方のインバータに対するPWM駆動制御信号を形成する第2のPWM回路とを備えていることを特徴とする請求項5に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記第1の演算部及び前記第2の演算部の何れか一方は、デューティ比50%の相デューティ指令値を対応するPWM回路に出力するように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記相デューティ指令値に対するゲインを設定するゲイン設定部を有し、前記第2の演算部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に前記ゲインを乗算した値に基づいて前記第2の相デューティ指令値を演算するように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記ゲイン設定部は、前記電流制御部で形成されるq軸相電圧指令値に基づいてゲインを設定するように構成されていることを特徴とする請求項9に記載の無結線モータの駆動制御装置。
- 前記請求項4乃至10の何れか1項に記載の無結線式モータの駆動装置を使用したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
- 操舵トルクを検出する操舵トルク検出部と、永久磁石を配設したロータ及び該ロータと対向して複数N相の電機子巻線を互いに独立して配設したステータを有し、操舵系に対して操舵補助力を発生する無結線式モータと、各電機子巻線に個別に且つ当該電機子巻線の両端に夫々接続された一対のインバータ回路と、前記操舵トルク検出部で検出した操舵トルクに基づいて前記一対のインバータ回路に対して所定数の駆動制御信号を出力する駆動制御回路とを備えていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
- 前記駆動制御回路は、2N個のPWM駆動制御信号を一対のインバータ回路に出力し、この内N本の駆動制御信号を一方のインバータ回路の上アーム及び他方のインバータ回路の下アームに供給し、残りのN本の駆動制御信号を前記一方のインバータ回路の下アーム及び前記他方のインバータ回路の上アームに供給するように構成されていることを特徴とする請求項12に記載の無結線式モータの駆動制御装置。
- 前記駆動制御回路は、ベクトル制御を用いて前記操舵トルク検出値に基づいて前記各電機子巻線に対する相電流指令値を算出するベクトル制御相指令値算出部と、前記各電機子巻線の相電流を検出するモータ電流検出回路と、前記相電流指令値及び前記相電流に基づいて前記一対のインバータ各電機子巻線に対する駆動電流を制御する電流制御部とを備えていることを特徴とする請求項12又は13記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記電流制御部は、前記相電流指令値と前記相電流との偏差に基づいて相電圧指令値を算出する演算制御部と、該演算制御部で算出した相電圧指令値の最大値を制限する電圧制限部と、該電圧制限回路で制限した相電圧指令値に基づいてデューティ指令値を算出するデューティ指令値算出部と、該デューティ指令値算出部で算出したデューティ指令値を電機子巻線数に相変換して相デューティ指令値を算出する相変換部と、該相変換部から出力される相デューティ指令値に基づいて前記一対のインバータに供給する所定数のPWM駆動制御信号を形成する駆動制御信号形成部とを備えていることを特徴とする請求項14に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記駆動制御信号形成部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に基づいて一方のインバータに対する第1の相デューティ指令値を演算する第1の演算部と、前記相デューティ指令値に基づいて他方のインバータに対する第2の相デューティ指令値を演算する第2の演算部と、前記第1の演算部から出力される第1の相デューティ指令値に基づいて前記一方のインバータに対するPWM駆動制御信号を形成する第1のPWM回路と、前記第2の演算部から出力される第2の相デューティ指令値に基づいて前記他方のインバータに対するPWM駆動制御信号を形成する第2のPWM回路とを備えていることを特徴とする請求項14に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記第1の演算部及び前記第2の演算部の何れか一方は、デューティ比50%の相デューティ指令値を対応するPWM回路に出力するように構成されていることを特徴とする請求項16に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記相デューティ指令値に対するゲインを設定するゲイン設定部を有し、前記第2の演算部は、前記相変換部から出力される相デューティ指令値に前記ゲインを乗算した値に基づいて前記第2の相デューティ指令値を演算するように構成されていることを特徴とする請求項16に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記無結線式モータの回転速度を検出する回転速度検出部を有し、前記ゲイン設定部は、前記操舵トルク検出部で検出した操舵トルクと前記回転速度検出部で検出したモータ回転速度とに基づいて前記ゲインを設定するように構成されていることを特徴とする請求項16に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記ゲイン設定部は、前記ゲインをパラメータとして前記操舵トルクとモータ回転速度との関係を表すゲイン算出テーブルを備えていることを特徴とする請求項19に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記ゲイン設定部は、前記電流制御部で形成されるq軸相電圧指令値に基づいてゲインを演算するように構成されていることを特徴とする請求項18に記載の電動パワーステアリング装置。
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