JP2016086501A - モータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷時にＰＷＭの変調周波数を低周波数に切り換え、ＰＷＭ制御のスイッチング損失を軽減して高出力化と小型化を図ったモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】入力トルクに基づいて電流指令値を演算し、電流指令値に基づくＰＷＭ制御のインバータによってモータを駆動するコントロールユニットを備え、コントロールユニットによりモータ系を制御するモータ制御装置において、入力トルクを所定のトルク閾値と比較してトルク判定信号を出力するトルク判定部と、トルク判定信号に基づきＰＷＭ制御の変調信号の周波数を可変する変調周波数可変部とを備え、変調周波数可変部は、トルク閾値を変位値とするトルク判定信号に応じて変調信号の周波数を可変し、コントロールユニットの熱損失の低減、高出力化と小型化を図る。
【選択図】図４

Description

本発明は、モータのＰＷＭ（パルス幅変調）制御における変調信号（キャリア）の周波数を入力トルク（特に高入力）に応じて変更することにより、熱損失の低減、高出力化と小型化を図ったモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。

モータ制御装置を搭載し、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、演算された電流指令値に補償等を施した電圧制御値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、モータ２０に連結された回転センサから得ることもできる。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）４０が接続されており、車速ＶｅｌはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。

このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵを含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、例えば図２に示されるような構成となっている。

図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０からの操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２からの車速Ｖｅｌは電流指令値演算部３１に入力され、電流指令値演算部３１は操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいてアシストマップ等を用いて電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。演算された電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａで、特性を改善するための補償部３４からの補償信号ＣＭと加算され、加算された電流指令値Ｉｒｅｆ２が電流制限部３３で最大値を制限され、最大値を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、モータ電流検出値Ｉｍと減算される。

減算部３２Ｂでの減算結果Ｉ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）はＰＩ制御部３５でＰＩ制御され、ＰＩ制御された電圧制御値Ｖｒｅｆが変調信号（キャリア）ＣＦと共にＰＷＭ制御部３６に入力されてデューティを演算され、デューティを演算されたＰＷＭ信号でインバータ３７を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値Ｉｍはモータ電流検出手段３８で検出され、減算部３２Ｂに入力されてフィードバックされる。

補償部３４は、検出若しくは推定されたセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）を加算部３４４で慣性補償値３４２と加算し、その加算結果に更に加算部３４５で収れん性制御値３４１を加算し、その加算結果を補償信号ＣＭとして加算部３２Ａに入力し、特性改善する。

モータ２０が３相モータの場合、ＰＷＭ制御部３６及びインバータ３７の詳細は例えば図３に示すような構成となっており、ＰＷＭ制御部３６は、電圧制御値Ｖｒｅｆを所定式に従って３相分のＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６を演算するデューティ演算部３６Ａと、ＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６で駆動素子としてのＦＥＴのゲートを駆動すると共に、デッドタイムの補償をしてＯＮ／ＯＦＦするゲート駆動部３６Ｂとで構成されている。デューティ演算部３６Ａには発振部３６Ｃから例えば三角波の変調信号（キャリア）ＣＦが入力されており、デューティ演算部３６Ａは変調信号ＣＦに同期してＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６を演算する。インバータ３７はＦＥＴの３相ブリッジで構成されており、ＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６でＯＮ／ＯＦＦされることによってモータ２０を駆動する。

なお、インバータ３７とモータ２０との間には、アシスト制御停止時等に電流の供給を遮断するためのモータスイッチ２３が介挿されている。また、モータ２０はブラシ付きモータであっても、ブラシレスモータであっても良い。

このような電動パワーステアリング装置では、近年、高出力化（長時間電流を流すことが可能）、小型化（ＥＣＵサイズ（ヒートシンクサイズ））の要求が厳しくなって来ている。かかる要求を実現する装置として、例えば特開平９−７０１９５号公報（特許文献１）に示されるモータ制御装置がある。即ち、特許文献１の装置では、モータの回転数が十分低い場合にモータの回転が外力によりロックされているとみなし、ＰＷＭ信号の変調周波数を通常の１０ｋＨｚから１．２５ｋＨｚに切り換え、変調周波数の低下に伴いインバータのスイッチング素子のスイッチング周波数を低下させスイッチング損失を低減させている。このため、モータがロックされていても、インバータの各スイッチング素子に急激な発熱が生じる恐れがない。

特開平９−７０１９５号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、発熱の低減はできるものの、低減させる周波数が低過ぎて、つまり１０ｋＨｚから１．２５ｋＨｚ（８７．５％）に急激に低下させているため、作動音等に影響が出る。そのため、このモータ制御装置を、異音発生が大きな問題となる電動パワーステアリング装置へ搭載することは不合理である。また、特許文献１の主目的はモータの焼損防止にあり、電動パワーステアリング装置へ搭載することを考慮していないと思われる。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、高負荷時（入力トルクの大きい時）にＰＷＭの変調信号の周波数を低い変化率で低周波数に切り換え、ＰＷＭ制御のスイッチング損失を軽減して高出力化（長い時間電流を流せる）と小型化（ＥＣＵサイズ（ヒートシンクサイズ））を図ったモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、入力トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づくＰＷＭ制御のインバータによってモータを駆動するコントロールユニットを備え、前記コントロールユニットによりモータ系を制御するモータ制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記入力トルクを所定のトルク閾値と比較してトルク判定信号を出力するトルク判定部と、前記トルク判定信号に基づき前記ＰＷＭ制御の変調信号の周波数を可変する変調周波数可変部とを備え、前記変調周波数可変部は、前記トルク閾値を変位値とする前記トルク判定信号に応じて前記変調信号の周波数を可変し、前記コントロールユニットの熱損失の低減、高出力化と小型化を図ることにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記変調周波数可変部は、前記入力トルクが前記トルク閾値以下において高周波数の前記変調信号を出力し、前記入力トルクが前記トルク閾値よりも大きいときに低周波数の前記変調信号を出力することにより、或いは前記高周波数が２０ｋＨｚであり、前記低周波数が１５ｋＨｚであることにより、或いは前記変調周波数可変部が、前記高周波数の変調信号を発振する第１の発振器と、前記低周波数の変調信号を発振する第２の発振器と、前記トルク判定信号に応じて前記高周波数の変調信号及び前記低周波数の変調信号を切り換える切換部とで構成されていることにより、より効果的に達成される。

上記モータ制御装置を搭載し、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシスト力を付与するＥＣＵを具備した電動パワーステアリング装置により、上記目的は達成される。

本発明の変調周波数可変機能を有するモータ制御装置によれば、入力トルクに応じて（高入力トルク時）ＰＷＭ制御の変調信号（キャリア）の周波数を低い変化率で低減（約２５％）し、高出力時のＦＥＴのスイッチング損失を低減し、高出力化と小型化を実現できる。本発明では変調信号の周波数の低減を約３／４とし、変化率を約２５％としているので、異音等の発生の心配も軽減できる。

上記変調周波数可変機能を有するモータ制御装置を電動パワーステアリング装置に搭載することにより、ＥＣＵの高出力化と共に、ＥＣＵサイズの小型化を図ることがきる。電動パワーステアリング装置において特に厳しく要請される異音の発生もなく、大きな効果がある。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 ＰＷＭ制御部及びインバータの構成例を示す結線図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 本発明の動作原理を示す特性図である。 本発明に係る発振部の一例を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。

本発明は、ＰＷＭ制御の変調信号（キャリア）の周波数を、入力トルク（例えば操舵トルク）に応じて低い変化率で変更する変調周波数可変機能を有している。そして、入力トルクが所定の閾値以上に大きくなったときに、高周波数（例えば２０ｋＨＺ）の変調信号から低周波数（例えば１５ｋＨｚ）の変調信号に切り換え、スイッチング素子の熱損失の低減を図ると共に、ＥＣＵ等のコントロールユニットの高出力化と小型化を図ったモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置である。

変調信号の変化率を約２５％と低くしているので、異音が発生することもなく、効果的にコントロールユニットの高出力化と小型化を図っている。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図４は本発明の構成例を図２に対応させて示しており、操舵トルクＴｈはトルク判定部５０に入力され、操舵トルクＴｈは予め設定されている所定のトルク閾値Ｔ_０（例えば２．５Ｎｍ）と比較される。トルク判定部５０の比較結果であるトルク判定信号ＴＤは発振部６０に入力され、発振部６０はトルク判定信号ＴＤに従った周波数の変調信号ＣＦを出力する。変調信号ＣＦは例えば図５に示すように、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０よりも小さい範囲では２０ｋＨｚの高周波数で発振して出力され、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０以上の大きい範囲では１５ｋＨｚの低周波数で発振して出力される。

図６は発振部６０の一例を示しており、高周波数の２０ｋＨｚで発振する第１の発振器６１と、低周波数の１５ｋＨｚで発振する第２の発振器６２と、トルク判定信号ＴＤに従って接点ａ１,ａ２を切り換えて変調信号ＣＦを出力する切換部６３とを備えている。トルク判定信号ＴＤは、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０よりも小さい範囲で「０」となり、これにより切換部６３の接点をａ１とし、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０以上の大きい範囲で「１」となり、これにより切換部６３の接点をａ２とする。即ち、切換部６３の接点ａ１,ａ２は、トルク判定信号ＴＤによって切り換えられる。

なお、低周波数の変調信号を出力する第２の発振器６２は、第１の発振器６１からの高周波数を分周して低周波数化する分周回路で構成することも可能である。

発振部６０が図６の構成である場合について、図７のフローチャートを参照して、本発明に関連する動作を説明する。

動作がスタートすると、発振器６１が周波数２０ｋＨｚで発振されると共に、発振器６２が周波数１５ｋＨｚで発振され（ステップＳ１）、切換部６３の接点は「ａ１」に接続される（ステップＳ２）。この状態では、発振器６１からの２０ｋＨｚの発振信号が変調信号ＣＦとして出力されている。

この状態で、トルク判定部５０は操舵トルクＴｈを読み取り（ステップＳ３）、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０以上であるか否かを判定し（ステップＳ４）、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０以上である場合には、トルク判定信号ＴＤにより切換部６３の接点を「ａ１」から「ａ２」に切り換え（ステップＳ１０）、発振器６２からの１５ｋＨｚの低い周波数を変調信号ＣＦとし、これによってＰＷＭ制御の駆動を行う（ステップＳ１１）。

その後、トルク判定部５０は操舵トルクＴｈを読み取り（ステップＳ１２）、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０以上であるか否かを判定し（ステップＳ１３）、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０以上である場合には、上記ステップＳ１１にリターンして上記動作を繰り返す。

上記ステップＳ１３において、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０よりも小さいと判定された場合には、更に終了か否かを判定し（ステップＳ１４）、終了でない場合には上記ステップＳ１０にリターンし、切換部６３の接点を「ａ２」から「ａ１」に切り換え（ステップＳ１０）、上記動作を繰り返す。上記ステップＳ１４で終了と判定された場合には、終了となる。

また、上記ステップＳ４で、操舵トルクＴｈがトルク閾値Ｔ_０よりも小さいと判定された場合には、２０ｋＨｚの高い周波数でＰＷＭ制御の駆動を行う（ステップＳ５）。

本発明の効果を確認するため、以下の試験を行った。

熱損失の算出条件として、ＰＷＭ周波数を２０ｋＨＺ（波長５０μｓ）、電源電圧を１４Ｖ、平均電流を３０Ａ、ＦＥＴのＯＮ抵抗を３ｍΩ、デューティを５０％、ＦＥＴのスイッチング時間（ターンＯＮ／ＯＦＦ合算時間）を４μｓとした。そして、ＦＥＴの定常損失Ｐｄ＿ｏｎを下記数１により計算した。
（数１）
Ｐｄ＿ｏｎ＝（平均電流）^２×ＦＥＴのＯＮ抵抗×（ＯＮ時間×１／１／ｆ）
また、ＦＥＴのスイッチング損失Ｐｄ＿ｓｗは下記数２で計算した。
（数２）
Ｐｄ＿ｓｗ＝{(１／６)×電源電圧×平均電流}
×（ＦＥＴのスイッチング時間×１／１／ｆ）×２
また、ＦＥＴの損失Ｐｄ＿ａｌｌは下記数３で計算した。
（数３）
Ｐｄ＿ａｌｌ＝（Ｐｄ＿ｏｎ＋Ｐｄ＿ｓｗ）

次に、ケース体積の試算を行った。即ち、前記熱抵抗（ケース熱放熱定数）を使用し、アルミニウム放熱器の包絡体積と熱抵抗関係（データ：例えば「トランジスタ技術」１９９０年４月号別冊及び「電子技術」１９９９年８月号による）から下記数４が導き出される。
（数４）
２０ＫＨｚ変調時：
１３．９Ｗ ６．１１５１１℃／Ｗ
（１５０−６５）／Ｐｄ＿ａｌｌ
１５ＫＨｚ変調時：
１１．１Ｗ ７．６５７６６℃／Ｗ（熱抵抗）
（１５０−６５）／Ｐｄ＿ａｌｌ
１０^{（（-0.67474）×LOG10（体積）+4.024228）}＝熱抵抗

このことより、ＰＷＭの変調信号の周波数を切り換えて低減することにより、かなり体積減少することが可能となることが分かる。

なお、上述では変調信号の周波数を高低の２種類の周波数としているが、３種以上の周波数の変調周波数可変であっても良い

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１３ バッテリ
２０ モータ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１ 電流指令値演算部
３５ ＰＩ制御部
３６ ＰＷＭ制御部
５０ トルク判定部
６０ 発振部
６１，６２ 発振器
６３ 切換部

Claims (5)

1. 入力トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づくＰＷＭ制御のインバータによってモータを駆動するコントロールユニットを備え、前記コントロールユニットによりモータ系を制御するモータ制御装置において、
   前記入力トルクを所定のトルク閾値と比較してトルク判定信号を出力するトルク判定部と、前記トルク判定信号に基づき前記ＰＷＭ制御の変調信号の周波数を可変する変調周波数可変部とを備え、
   前記変調周波数可変部は、前記トルク閾値を変位値とする前記トルク判定信号に応じて前記変調信号の周波数を可変し、前記コントロールユニットの熱損失の低減、高出力化と小型化を図ることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記変調周波数可変部は、前記入力トルクが前記トルク閾値以下において高周波数の前記変調信号を出力し、前記入力トルクが前記トルク閾値よりも大きいときに低周波数の前記変調信号を出力する請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記高周波数が２０ｋＨｚであり、前記低周波数が１５ｋＨｚである請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記変調周波数可変部が、
   前記高周波数の変調信号を発振する第１の発振器と、前記低周波数の変調信号を発振する第２の発振器と、前記トルク判定信号に応じて前記高周波数の変調信号及び前記低周波数の変調信号を切り換える切換部とで構成されている請求項２又は３に記載のモータ制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ制御装置を搭載し、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシスト力を付与するＥＣＵを具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
   
   

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