JP2012125048A - モータ駆動装置、及び、これを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 モータ駆動装置2の昇圧回路20は、サブ昇圧回路30とサブ昇圧回路35とが直列に接続される。サブ昇圧回路30は、昇圧コイル31、昇圧用スイッチング素子32、降圧用スイッチング素子33、出力用コンデンサ34を備え、バッテリ電圧Vinを昇圧してサブ昇圧回路35に出力する。サブ昇圧回路35は、サブ昇圧回路30と同様の構成であり、サブ昇圧回路30が昇圧した電圧をさらに昇圧して昇圧電圧Voutをモータ駆動回路25に出力する。これにより、昇圧回路20全体の昇圧比は、2つのサブ昇圧回路30、35のサブ昇圧比を掛け合わせた値となり、十分に高い昇圧電圧Voutを発生することができる。よって、高電力要求時の昇圧電圧の低下を防ぐことができる。
【選択図】図1
Description
したがって、このモータ駆動装置を電動パワーステアリング装置に適用した場合、急操舵時等でも必要なアシストトルクを発生することができ、良好な操舵フィーリングが得られる。また、電動パワーステアリング装置を、出力性能が要求される大型車に採用する場合に有効である。
これにより電流のロスを減らすことができ、大電流での使用に有利となる。
これにより、制御が単純となり、昇圧制御部の負荷を低減することができる。
これにより、状況に応じた多様な制御が可能となる。また、駆動開始前に各サブ昇圧回路が正常であるか否かの初期チェックを行う場合などに、デューティの値によってサブ昇圧回路を判別することができる。
これにより、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制し、迅速で精度のよい制御をすることができる。
例えば、スイッチング素子の短絡故障または断線故障が発生したとき、故障の発生を検出して、対象となるサブ昇圧回路のスイッチング動作を停止することにより過電流の発生や誤作動を防止することができ、モータ駆動装置の信頼性が向上する。
(一実施形態)
図2は、電動パワーステアリング装置を備えたステアリングシステムの全体構成を示す。ステアリングシステム90に備えられる電動パワーステアリング装置1は、ハンドル91に接続されたステアリングシャフト92に「操舵トルク検出手段」としてのトルクセンサ94を設置している。
ステアリングシャフト92の先端にはピニオンギア96が設けられており、ピニオンギア96はラック軸97に噛み合っている。ラック軸97の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪98が回転可能に連結されている。
この構成により、電動パワーステアリング装置1は、ハンドル91の操舵を補助するための操舵アシストトルクを発生し、ステアリングシャフト92に伝達する。
CPU21は、特許請求の範囲に記載の「昇圧制御部」に相当する。CPU21は、モータ駆動回路25に供給される昇圧回路20の昇圧電圧Voutをフィードバックされ、PID(比例、積分、微分)制御によって目標昇圧電圧Vaを設定する。そして、昇圧電圧Voutが目標昇圧電圧Vaとなるように昇圧回路20のスイッチング素子32、33、42、43のオンオフ信号を制御する。具体的には、後述するように、昇圧デューティおよび降圧デューティを指定するPWM信号を出力する。
電源スイッチ23は、バッテリ22と昇圧回路20との間に接続される。電源スイッチ23は、例えばリレーにより構成され、昇圧回路20へのバッテリ電圧Vinの供給をオンオフする。
入力用コンデンサ24は、電源ノイズを除去する。
最後に昇圧回路20は、サブ昇圧回路30とサブ昇圧回路35とが直列に接続される。ここで、サブ昇圧回路30、35の構成を説明する前に、従来技術の昇圧回路について、図7を参照して説明する。
昇圧用スイッチング素子72および降圧用スイッチング素子73は、例えばMOS電解効果トランジスタ等により構成され、CPU21からの電気信号によってオンオフする。昇圧用スイッチング素子72は、昇圧コイル71の出力端とグランドとの間に接続される。降圧用スイッチング素子73は、昇圧コイル71の出力端とモータ駆動回路25との間に接続される。
出力用コンデンサ74は、降圧用スイッチング素子73の出力端とグランドとの間に接続され、昇圧電圧Voutを平滑化する。
以上の構成により、昇圧回路70は、バッテリ22のバッテリ電圧Vinを昇圧し、昇圧電圧Voutをモータ駆動回路25に出力する。
以上の構成により、一段目のサブ昇圧回路70は、バッテリ22のバッテリ電圧Vinを昇圧してサブ昇圧回路35に出力する。二段目のサブ昇圧回路35は、サブ昇圧回路30が昇圧した電圧をさらに昇圧して昇圧電圧Voutをモータ駆動回路25に出力する。
次に、本発明の一実施形態のモータ駆動装置2の作用を、従来技術のモータ駆動装置7と比較して説明する。
まず、従来技術のモータ駆動装置7における昇圧動作を説明する。
昇圧回路70の昇圧用スイッチング素子72と降圧用スイッチング素子73とは、CPU21からの指令に応じて、一方がオンのとき他方がオフというように交互にオンオフする。これは、昇圧用スイッチング素子72と降圧用スイッチング素子73とが同時にオンすると、過電流が流れ、素子が破損するおそれがあるためである。厳密には、オンオフ切換時のわずかな時間のずれによって瞬間的に両方のスイッチング素子72、73がオンとなることを防止するため、両方のスイッチング素子72、73がオフとなるデッドタイムが設定される。しかし、以下の説明ではデッドタイムは考慮しないものとする。
その後、昇圧用スイッチング素子72をオフし、降圧用スイッチング素子73をオンすると、昇圧コイル71の誘導電圧が、バッテリ電圧Vinに重畳される。そして、昇圧コイル71は、蓄積されたエネルギーを放出しながら出力用コンデンサ74を充電する。
このスイッチング動作が繰り返され、昇圧電圧Voutが上昇する。
CPU21は、昇圧電圧Voutが目標昇圧電圧Vaに対して不足しているとき、昇圧デューティD1を増加して昇圧動作を促進し、昇圧電圧Voutが目標昇圧電圧Vaに近づいたとき、昇圧デューティD1を減少して昇圧動作を抑制する。
Vout=Vin×α ・・・(式1−1)
α=(D1+D2)/(100−D1) ・・・(式1−2)
D1+D2=100 ・・・(式1−3)
α=(D1+D2)/D2 ・・・(式1−4)
例えば、D1=D2=50%のとき、α=2となる。すなわち、バッテリ電圧Vinの2倍の昇圧電圧Voutが得られる。
一段目のサブ昇圧回路30の昇圧用スイッチング素子32の昇圧デューティをD11とし、降圧用スイッチング素子33の降圧デューティをD12とする。二段目のサブ昇圧回路35の昇圧用スイッチング素子37の昇圧デューティをD21とし、降圧用スイッチング素子38の降圧デューティをD22とする。また、サブ昇圧回路30の入力電圧と出力電圧の比であるサブ昇圧比をβ1とし、サブ昇圧回路35の入力電圧と出力電圧の比であるサブ昇圧比をβ2とする。
Vout=Vin×β1×β2 ・・・(式2−1)
β1=(D11+D12)/(100−D11) ・・・(式2−2)
β2=(D21+D22)/(100−D21) ・・・(式2−3)
Vout=Vin×β2 ・・・(式3−1)
β=(D1+D2)/(100−D1) ・・・(式3−2)
D1+D2=100 ・・・(式3−3)
β=(D1+D2)/D2 ・・・(式3−4)
例えば、D1=D2=50%のとき、β=2、β2=4となる。すなわち、バッテリ電圧Vinの4倍の昇圧電圧Voutが得られる。
次に、図3、図4を参照して、本発明の一実施形態のモータ駆動装置2を、従来技術のモータ駆動装置7と比較して説明する。
図3は、従来技術の昇圧回路70における出力電圧およびデューティ特性を示すイメージ図である。図3の横軸はインバータ出力、すなわちモータ駆動回路25への出力(単位:W)を示し、縦軸は各種電圧(単位:V)および各種デューティ(単位:%)を示す。各種電圧は、バッテリ電圧Vin、昇圧電圧Vout、および目標昇圧電圧Vaを含む。各種デューティは、昇圧デューティD1、降圧デューティD2および飽和デューティDmaxを含む。
そして、目標昇圧電圧Vaを約33Vで一定とすると、CPU21は、要求されるインバータ出力の増加に伴って昇圧デューティD1を増加させ、昇圧電圧Voutを目標昇圧電圧Vaに一致させようとする。また、昇圧デューティD1の増加に応じて降圧デューティD2は減少する。
ここで、サブ昇圧回路30とサブ昇圧回路35との昇圧デューティD1および降圧デューティD2は等しい値であるとする。そのため、制御が単純となり、CPU21の負荷を低減することができる。
したがって、モータ駆動装置2はモータ80を十分に駆動することができ、電動パワーステアリング装置1は、急操舵時等でも必要なアシストトルクを発生することができる。よって、良好な操舵フィーリングが得られる。また、電動パワーステアリング装置1を、出力性能が要求される大型車に採用する場合に有効である。
(ア)本発明のその他の実施形態によるモータ駆動装置を図5、図6に基づいて説明する。図5では、上述の一実施形態のサブ昇圧回路30、35に相当するサブ昇圧回路を一つのブロックで表示する。
昇圧回路全体での昇圧比は、各サブ昇圧回路における昇圧比を掛け合わせた値となるため、直列に接続されるサブ昇圧回路が増えるほど、昇圧電圧Voutを高くすることができる。例えば、各サブ昇圧回路における昇圧比がいずれも2倍であるとすると、サブ昇圧回路をn個直列に接続することで、全体の昇圧比は、2n倍となる。
このように、複数のサブ昇圧回路の直列接続および並列接続を自由に組み合わせることができ、少なくとも1つの直列接続が含まれる場合は本発明の技術的範囲に含まれる。
この構成により、図5(b)、(c)に記載の昇圧回路50A、60に対し素子点数を減らすことができ、コストを低減することができる。
これにより、状況に応じた多様な制御が可能となる。また、駆動開始前に各サブ昇圧回路が正常であるか否かの初期チェックを行う場合などに、デューティの値によってサブ昇圧回路を判別することができる。
例えば、スイッチング素子の短絡故障または断線故障が発生したとき、故障の発生を検出して、対象となるサブ昇圧回路のスイッチング動作を停止することにより過電流の発生や誤作動を防止することができ、モータ駆動装置の信頼性が向上する。
(オ)モータ駆動装置は、トルクセンサ94が検出する操舵トルクに加え、回転角センサが検出するモータ回転角や車速センサが検出する車速に応じて目標昇圧電圧を設定してもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
2、4、5A、5B、6、7・・・モータ駆動装置、
20、40、50A、50B、60、70・・・昇圧回路、
21 ・・・CPU(昇圧制御部)、
22 ・・・バッテリ、
23 ・・・電源スイッチ、
24 ・・・入力用コンデンサ、
25 ・・・モータ駆動回路、
30、35、41〜43、51〜55・・・サブ昇圧回路、
31、36、71 ・・・昇圧コイル、
32、37、72 ・・・昇圧用スイッチング素子、
33、38、73 ・・・降圧用スイッチング素子、
34、39、74 ・・・出力用コンデンサ、
80 ・・・モータ、
89 ・・・減速ギア(動力伝達手段)、
90 ・・・ステアリングシステム、
94 ・・・トルクセンサ(操舵トルク検出手段)、
Vin ・・・バッテリ電圧(電源電圧)、
Vout ・・・昇圧電圧、
Va ・・・目標昇圧電圧、
D1、D11、D21・・・昇圧デューティ、
D2、D12、D22・・・降圧デューティ、
Dmax ・・・飽和デューティ。
Claims (7)
- モータを駆動するモータ駆動回路と、
電源電圧を昇圧して前記モータ駆動回路に供給する昇圧回路と、
前記昇圧回路を制御する昇圧制御部と、
を備えるモータ駆動装置であって、
前記昇圧回路は、昇圧コイル、出力用コンデンサおよび2個のスイッチング素子からなるサブ昇圧回路を2つ以上直列に接続して構成されることを特徴とするモータ駆動装置。 - 前記昇圧回路は、前記サブ昇圧回路を並列に接続し、かつ、並列に接続された前記サブ昇圧回路群を2つ以上直列に接続して構成されることを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 前記昇圧制御部は、前記昇圧回路の目標昇圧電圧を設定するとともに、当該目標昇圧電圧に応じて前記サブ昇圧回路のスイッチング素子をオンオフするデューティを指令し、
複数の前記サブ昇圧回路のデューティをいずれも等しい値とすることを特徴とする請求項1または2に記載のモータ駆動装置。 - 前記昇圧制御部は、前記昇圧回路の目標昇圧電圧を設定するとともに、当該目標昇圧電圧に応じて前記サブ昇圧回路のスイッチング素子をオンオフするデューティを指令し、
複数の前記サブ昇圧回路のデューティを互いに異なる値とすることを特徴とする請求項1または2に記載のモータ駆動装置。 - 前記昇圧制御部は、前記モータ駆動回路に供給される昇圧電圧をフィードバックされ、比例制御、積分制御、微分制御のいずれか1つ以上の制御によって目標昇圧電圧を設定することを特徴とする請求項3または4に記載のモータ駆動装置。
- 前記昇圧制御部は、少なくとも1つの前記サブ昇圧回路において、スイッチング素子のスイッチング動作を停止可能であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
- 運転者の操舵トルクをアシストする電動パワーステアリング装置であって、
アシシトトルクを出力するモータと、
操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
前記トルク検出手段が検出した操舵トルクに応じて前記モータを駆動する請求項1〜6のいずれか一項に記載のモータ駆動装置と、
前記モータの回転をステアリングシャフトに伝達する動力伝達手段と、
を備えた電動パワーステアリング装置。
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