JP2018148690A - モータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】負荷から逆入力されるトルクによって保護対象部材が受ける回転ストレスの異常を適切に判定するモータ制御装置を提供する。
【解決手段】モータ制御装置６０は、ロータに固定されたシャフトの回転により、負荷であるラック軸９５にトルクを出力するモータ１０の駆動を制御する。モータ制御装置６０は、シャフトの回転又は負荷へのトルク伝達に関わる、シャフト、ベアリング、オイルシール等の保護対象部材が負荷９５から逆入力されるトルクによって受ける回転ストレスに関し、回転ストレス判定部６５を備える。回転ストレス判定部６５は、モータの回転角速度ω、回転角加速度α、又はそれらの相関量である回転評価量の絶対値が、ストレス閾値を超えたことに基づいて、回転ストレスが過大状態である回転ストレス異常を判定する。ストレス閾値は、通常の駆動制御によって実現される回転評価量の絶対値の上限値を超える値に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷にトルクを出力するモータの駆動を制御するモータ制御装置に関する。
従来、モータを駆動する装置に対し外部から加わる機械的衝撃を検出する技術が知られている。例えば特許文献１に開示されたパワーステアリング装置の衝突検出部は、ロータの回転角速度ωが所定の衝突判定閾値ωａ１を超えた場合、パワーステアリング装置に対する周辺部品の衝突が発生したと判断する。また、特許文献１には、回転角速度信号の平均値や周波数スペクトルを用いて、周辺部品の衝突によるロータの回転角速度の変動を、車輪からの逆入力によるロータの回転角速度の変動と判別する技術が開示されている。
特許第４２２２３５８号公報
特許文献１の従来技術では、パワーステアリング装置に対する周辺部品の衝突を検出することに注目しているに過ぎず、車輪からの逆入力によるロータの回転角速度の変動は、通常に起こり得る現象として認識されている。
しかし、例えば車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げた場合等、ラック軸が急激に移動し、通常の駆動制御における上限値を超える回転角速度やトルクがロータに逆入力される可能性がある。この逆入力が繰り返されると、ロータのシャフトや、シャフトを軸支するベアリング、オイルシール等の部材に回転ストレスが蓄積し、破損に至るおそれがある。ただし、過度に安全率を高く見込んで部材の強度を設計すると、製品の体格や重量が増大し、コストアップを招くおそれがある。
本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、負荷から逆入力されるトルクによって保護対象部材が受ける回転ストレスの異常を適切に判定するモータ制御装置を提供することにある。
本発明のモータ制御装置は、ロータ（３１）に固定されたシャフト（３５）の回転により、負荷（９５）にトルクを出力するモータ（１０）の駆動を制御する。
このモータ制御装置は、シャフトの回転又は負荷へのトルク伝達に関わる保護対象部材が負荷から逆入力されるトルクによって受ける回転ストレスに関し、回転ストレス判定部（６５）を備える。
回転ストレス判定部は、モータの回転角速度（ω）、回転角加速度（α）、又はそれらの相関量である回転評価量の絶対値が、ストレス閾値を超えたことに基づいて、回転ストレスが過大状態である回転ストレス異常を判定する。ストレス閾値は、通常の駆動制御によって実現される回転評価量の絶対値の上限値を超える値に設定される。
ここで、回転評価量は、中立位置に対する回転方向によって、例えば右方向が正、左方向が負というように正負が定義される。回転ストレス判定部は、回転方向によらず、回転評価量の絶対値とストレス閾値とを比較する。
本発明では、回転評価量の絶対値を、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える値に設定されるストレス閾値と比較することにより、回転ストレス異常を適切に判定することができる。ここで、回転ストレス異常と判定された状態は、保護対象部材の強度が耐久限度に近づいており、部品交換が必要な状態であると考えられる。
したがって、回転ストレス異常と判定されたとき部品交換を行うことを前提とすれば、必要最低限の強度を確保するように保護対象部材を設計することができる。過剰品質となる設計を回避することで、モータを小型軽量に設計することができる。
好ましくは、本発明のモータ制御装置は、回転ストレス判定部により回転ストレス異常であると判定されたとき、その情報を外部に通知する。例えば、車両に搭載されるモータ制御装置では、回転ストレス判定部は、回転ストレス異常の情報を、車内ＬＡＮを経由して車両制御装置（７１）に通知する。通知を受けた車両制御装置は、例えば警報を出力して運転者に異常を知らせる。
また好ましくは、回転ストレス判定部は、回転評価量の絶対値が前記ストレス閾値を超えたとき、その値を内部の記憶装置（６６）に記憶する。例えばメンテナンス時に記憶装置の情報が読み出されることで、回転ストレスの診断が可能となる。
この場合、記憶装置は、ストレス閾値を超えた回転評価量の絶対値の最大値のみを記憶してもよい。これにより、記憶装置の記憶機能を最小限にすることができる。
一実施形態のモータ制御装置の構成図。 各実施形態のモータ制御装置が適用されるＥＰＳ（電動パワーステアリングシステム）の一例であるラックパラレル式ＥＰＳの全体構成図。 ＥＰＳの別の例であるデュアルピニオン式ＥＰＳの全体構成図。 ＥＰＳの別の例であるコラム式ＥＰＳの全体構成図。 プーリを用いて負荷へトルク伝達するモータの概略断面図。 ジョイントを用いて負荷へトルク伝達するモータの概略断面図。 ストレス閾値（短期閾値及び常用閾値）の設定を説明する図。 （ａ）車両の仕向地、（ｂ）環境温度、（ｃ）使用期間に対するストレス閾値の設定例を示す図。 判定処理例１のフローチャート。 回転角加速度と許容繰り返し回数（疲労限度）との関係を示す特性図。 判定処理例２のフローチャート。 回転角加速度が初めてストレス閾値を超えた起算時からの積算回転量と判定閾値との関係を示す図。
以下、モータ制御装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のモータ制御装置は、車両の電動パワーステアリングシステム（以下「ＥＰＳ」）において操舵アシストモータの駆動を制御する装置であり、具体的にはＥＰＳ−ＥＣＵとして構成される。
（一実施形態）
図１に示すように、モータ制御装置６０は、駆動制御部６１、インバータ６２、微分器６３、二階微分器６４、回転ストレス判定部６５、記憶装置６６等を備え、モータ１０の駆動を制御する。例えば、図２に示すラックパラレル式ＥＰＳでは、モータ１０が出力したアシストトルクは、負荷であるラック軸９５に伝達される。
駆動制御部６１は、トルクセンサから操舵トルクＴｓを取得する。また、モータ１０からモータ電流Ｉｍ及びロータの回転角θがフィードバックされる。なお、図１の回転角θは、機械的な１回転を基準とした角度を想定している。複数の極対を有する交流モータの場合、駆動制御部６１は、回転角θを電気角に換算してベクトル制御の座標変換演算等に用いる。
駆動制御部６１は、取得した操舵トルクＴｓ及びフィードバック電流の情報に基づき、インバータ６２に指令する駆動信号を演算する。電流フィードバック制御によるモータ駆動制御は周知技術であるため、詳細な説明を省略する。
インバータ６２は、駆動制御部６１から指令された駆動信号に基づき動作することで、駆動電圧Ｖｄをモータ１０に印加する。
ところでＥＰＳでは、例えば車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げたとき、外力によって車輪が急激に転舵され、ラック軸９５等の負荷からモータ１０にトルクが逆入力される可能性がある。そのとき、モータ１０の回転角速度やトルクが、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える場合がある。
そのため、ＥＰＳのモータ１０において、特にシャフトの回転又は負荷へのトルク伝達に関わる部材は、通常の駆動制御によって実現される回転範囲内での耐久強度が要求されることはもちろん、更に負荷から逆入力されるトルクを考慮した強度設計が必要となる。
以下、逆入力トルクに対する耐久強度の設計対象となる、シャフトの回転又は負荷へのトルク伝達に関わるモータ１０の構成部材を総括して「保護対象部材」という。具体的な保護対象部材の種類は、図５、図６を参照して後述する。また、負荷からの逆入力トルクによって保護対象部材が受ける機械的なストレスを「回転ストレス」という。回転ストレスの蓄積により、保護対象部材の摩耗や劣化等が生じる。
車両の耐用年数である数年間にわたって発生する回転ストレスを正確に予測することは困難であり、十分な安全率を見込んで保護対象部材の強度を設計しようとすると、製品の体格や重量が増大し、コストアップを招くこととなる。
そこで、本実施形態のモータ制御装置６０は、保護対象部材が受ける回転ストレスを適切に評価し、回転ストレスが過大である場合に異常と判定する回転ストレス判定部６５を備える。また、回転ストレス判定部６５へ入力される情報として回転角速度ωを算出する微分器６３、及び、回転角加速度αを算出する二階微分器６４を備える。
微分器６３は、回転角θを時間で微分し、モータ１０の回転角速度ωを算出する。回転角速度ω［ｒａｄ／ｓ］は、適宜、回転数［ｒｐｍ］等の単位に換算される。ただし、本明細書では、直接的に［ｒａｄ／ｓ］単位で表される量に限らず、回転数［ｒｐｍ］等を含めて、「回転角速度」の用語、及び、記号ωを用いることとする。
その理由は、「回転数」の用語が単位時間当たりに回転した回数を示すのか、或いは、時間と関係なく単に回転した回数を示すのかが区別しにくいためである。また、後述の判定処理において繰り返し回数に記号Ｎを用いることから、回転数としての記号Ｎの使用を避けるためである。そこで本明細書では、単位時間当たりに回転した回数を、単位に関係なく「回転角速度ω」と記す。
二階微分器６４は、回転角θを時間で二階微分し、モータ１０の回転角加速度αを算出する。回転角速度ωと同様に、本明細書では、直接的に［ｒａｄ／ｓ2］単位で表される量に限らず、換算され得る各単位の量を含めて、「回転角加速度」の用語、及び記号αを用いる。
例えば、「トルク＝力×距離＝質量×距離×加速度」の関係にあることから、質量及び距離が一定の条件のもと、トルクを回転角加速度の相関量として扱うことができる。
以下、回転ストレス判定部６５に入力される回転角速度ω及び回転角加速度αの情報をまとめて「回転評価量」という。
モータ１０に過大な角速度ωの回転が加わると、ロータに遠心力が作用し、ロータの半径方向に回転ストレスが印加される。過大な回転角速度に耐えられる回転体の遠心強度を確保するには、肉盛り等の補強が必要であり、回転体の質量が増大する。
また、モータ１０に回転角加速αが加わり回転変動が生じると、例えばシャフトとロータコアとの間にトルクが印加される。過大なトルクに耐える固定力を確保するためには、シャフト径アップ等の補強が必要であり、回転体の質量や慣性モーメントが増大する。
そこで本実施形態の回転ストレス判定部６５は、回転評価量として、モータ１０に実際に加わる回転角速度ω及び回転角加速度αの情報に基づいて回転ストレスを評価する。
なお、ＥＰＳにおいて回転評価量は、ステアリングホイールの中立位置に対する回転方向によって、例えば右方向が正、左方向が負というように正負が定義される。本実施形態の回転ストレス判定部６５による判定では、基本的に回転評価量の絶対値を用いる。つまり、回転方向によって判定レベルを変えることはない。
回転ストレス判定部６５は、微分器６３及び二階微分器６４から取得した回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜をストレス閾値と比較する。このストレス閾値は、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える値に設定されている。そして、回転ストレス判定部６５は、回転評価量の絶対値がストレス閾値を超えたことに基づいて、回転ストレス異常を判定する。回転ストレス判定部６５が実施する具体的な判定処理例については後述する。
回転ストレス判定部６５が判定した回転ストレス異常の情報は、例えば、車内ＬＡＮであるＣＡＮバス７０を経由して車両制御装置７１に通知される。車両制御装置７１は、具体的には車両ＥＣＵとして構成され、車両の各部から通知される情報に基づき、車両の動作を統括的に制御する。
図１に示す構成では、回転ストレス判定部６５が回転ストレス異常を判定すると、その情報が車両制御装置７１に通知される。通知を受けた車両制御装置７１は、操作パネルへの表示、警告音の発生等により警報を出力し、運転者に異常を知らせる。
また、モータ制御装置６０は、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜がストレス閾値を超えたとき、その値を記憶する不揮発性ＲＯＭ等の記憶装置６６を内部に備える。例えば、車両の定期点検等のメンテナンス時に記憶装置６６のデータが読み出されることで、回転ストレスの診断が可能となる。
図１に示すように、記憶装置６６は、ストレス閾値を超えた回転評価量の絶対値の最大値｜ω｜ｍａｘ、｜α｜ｍａｘのみを記憶してもよい。これにより、記憶装置６６の記憶機能を最小限にすることができる。
続いて、図２〜図４を参照し、本実施形態のモータ制御装置が適用される各種ＥＰＳの全体構成について、図２〜図４を参照する。図２にはラックパラレル式ＥＰＳ９０１、図３にはデュアルピニオン式ＥＰＳ９０２、図４にはコラム式ＥＰＳ９０３を示す。
各図のＥＰＳに共通して、運転者による操舵トルクは、ステアリングホイール９１からコラム軸９２に伝達され、ピニオンギア９４にて回転運動がラック軸９５の直線運動に変換される。そして、ラック軸９５の直線運動変位に応じた角度について一対の車輪９９が操舵される。
コラム軸９２の途中には、操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ７５が設けられている。モータ１０は、操舵トルクＴｓに基づいて、運転者の操舵をアシストするアシストトルクを出力する。
図２のラックパラレル式ＥＰＳ９０１では、モータ１０は、ラック軸９５に設けられたハウジング９６に取り付けられ、回転軸であるシャフト３５がラック軸９５に平行に配置される。シャフト３５の回転は、モータ側のプーリ８１からベルト８２を介して、減速しつつラック軸側プーリ８３に伝達される。ラック軸側プーリ８３の回転は、図示しない変換機構によりラック軸９５の直線運動をアシストする。なお、プーリに代えてギアにより回転動力を伝達してもよい。
図３のデュアルピニオン式ＥＰＳ９０２では、コラム軸９２の回転を直線運動に変換するピニオンギア９４に加えて、モータ１０の回転を直線運動に変換するＥＰＳ用ピニオンギア９７がラック軸９５に設けられる。モータ１０のシャフト３５の回転は、ＥＰＳ用ピニオンギア９７によって減速しつつ変換され、ラック軸９５の直線運動をアシストする。
図４のコラム式ＥＰＳ９０３では、モータ１０は、コラム軸９２の近傍に配置される。モータ１０のシャフト３５の回転は、動力伝達機構９８を介して、コラム軸９２とピニオンギア９４との間の出力軸９３に減速しつつ伝達される。操舵トルクにアシストトルクが加えられた出力軸９３のトルクがピニオンギア９４で変換され、ラック軸９５を直線運動させる。
次に、モータ１０の内部の構成、及び、出力トルクの伝達構成の例について、図５、図６を参照して説明する。ここでは、回転機構部と制御部とが一体に構成された、いわゆる機電一体式の三相ブラシレスモータを例示する。図５、図６において、下側に記載された出力軸側をフロント、上側に記載された制御部側をリアと称する。
モータ１０の回転機構部２０は、フロントフレーム１１、リアフレーム１３、及び、モータケース１６で形成された筐体内部に組み立てられている。各部材は、シャフト３５を中心軸とする回転体状に設けられている。
フロントフレーム１１の中心には、フロントベアリング収容部１２が形成されている。フロントベアリング収容部１２には、フロントベアリング４１及びオイルシール４２が収容されている。
モータケース１６は、筒部１７及び底部１８を有する有底筒状を呈している。筒部１７の開口端はフロントフレーム１１に当接している。底部１８は、リアフレーム１３のフロント側底面１４に当接し、中心にリアベアリング収容部１９が形成されている。リアベアリング収容部１９には、リアベアリング４３及びワッシャ４４が収容されている。
リアフレーム１３のリア側端面１５には制御部５０のヒートシンク５１が当接する。
ステータ２１は、ステータコア２２、各相の巻線２３及びリード線２４を含む。ステータコア２２は、モータケース１６の筒部１７の内壁に沿って設けられ、巻線２３が巻回される。各相の巻線２３の端部は、リード線２４を介してパワー基板５３に接続される。
ロータ３１は、ロータコア３２及び複数の永久磁石３３を含み、ステータ２１の内側に回転可能に設けられる。永久磁石３３は、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配置され、ステータコア２２の内面に対向する。巻線２３に三相交流が通電されステータ２１に回転磁界が形成されることにより、ロータ３１が回転し、モータ１０はトルクを発生する。
シャフト３５は、ロータコア３２の中心に形成されたシャフト孔３４に挿入され、軸方向の中間部がロータコア３２に固定される。
ロータコア３２に対しフロント側で、シャフト３５は、フロントベアリング４１により回転可能に軸支される。オイルシール４２は、フロントベアリング４１の更にフロント側で潤滑油をシールする。
また、ロータコア３２に対しリア側で、シャフト３５は、リアベアリング４３により回転可能に軸支される。ワッシャ４４は、リアベアリング４３を介して、シャフト３５及びロータコア３２をフロント側に押し付ける。
シャフト３５のリア側の端部には、センサマグネット４５が設けられる。
制御部５０は、カバー５８の内部の空間に収容され、ヒートシンク５１、複数の半導体モジュール５２、パワー基板５３、制御基板５４、回転角センサ５５等を含む。
インバータ等を構成する複数の半導体モジュール５２は、ヒートシンク５１の側面に沿って設けられる。各種電子部品が実装されたパワー基板５３及び制御基板５４は、ヒートシンク５１の軸方向両端面に沿って設けられる。
制御基板５４の中心には、磁気抵抗素子等の回転角センサ５５がセンサマグネット４５と対向するように設けられる。
この種の機電一体モータの構成は、例えば特開２０１４−２２５９９８号公報等に開示された周知技術であるため、詳細な説明を省略する。
ここで、シャフト３５の回転に伴って回転ストレスを受ける部材として、シャフト３５及びロータコア３２の他、フロントベアリング４１、リアベアリング４３、オイルシール４２、センサマグネット４５等がある。つまり、これらの部材が「保護対象部材」に該当する。
また、図５に示す出力トルクの伝達構成では、シャフト３５のフロント側端部にプーリ８１が設けられている。プーリ８１は、例えば図２のラックパラレル式ＥＰＳにおいて、ベルト８２を介してラック軸側プーリ８３にトルクを伝達する部材である。
一方、図６に示す出力トルクの伝達構成では、シャフト３５のフロント側端部にジョイント８５が設けられている。ジョイント８５は、負荷側の連結軸８６と、Ｄ字状やＩ字状等、相対的な回転を規制する形状の嵌合部で連結されており、例えば図３のデュアルピニオン式ＥＰＳや図４のコラム式ＥＰＳにおいて、トルクを伝達する部材である。
このように、負荷へのトルク伝達に関わるプーリ８１、ジョイント８５の部材も、シャフト３５の回転に伴って回転ストレスを受けるため、「保護対象部材」に該当する。
次に、回転ストレス判定部６５による判定処理例について、図７〜図１２を参照する。
＜判定処理例１＞
判定処理例１について、図７〜図１０を参照する。
図７を参照し、判定処理例１で用いられるストレス閾値の設定について説明する。
判定処理例１では、ストレス閾値として、短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１、及び、常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２の二水準の値が設定される。なお、常用閾値は複数の段階に設定されてもよく、その場合、短期閾値と合わせて三水準以上のストレス閾値が設定される。
保護対象部材の破壊強度、繰り返し強度に相当する回転評価量の値を、それぞれ、破壊強度相当値ω０、α０、繰り返し強度相当値ωRP、αRPと表す。例えばシャフト３５について、破壊強度はシャフト材料破壊強度であり、繰り返し強度はシャフト疲労強度に置き換えられる。なお、「モータ駆動時応力積算値＜シャフト疲労強度＜衝突時応力＜シャフト材料強度」の関係にある。
また、通常の駆動制御によって実現される回転評価量の上限値をωUL、αULと表す。
短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１及び常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２は、各物性値に対し、次のような関係に設定される。
ωUL＜ωｔｈ２＜ωRP＜ωｔｈ１＜ω０
αUL＜αｔｈ２＜αRP＜αｔｈ１＜α０
回転ストレス判定部６５は、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜が短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１を１回超えたとき、短期ストレス異常であると判定する。また、回転ストレス判定部６５は、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜が常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２を超えたとき、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜に基づく換算値を算出し、当該換算値の積算値が判定閾値を超えたとき、積算ストレス異常であると判定する。
例えば、Ａ、Ｂ、Ｃの３パターンの回転評価量が取得された場合を想定する。
Ａのパターンでは、回転評価量の絶対値｜ωＡ｜、｜αＡ｜が短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１を１回超えたときに短期ストレス異常と判定される。
Ｂのパターンでは、回転評価量の絶対値｜ωＢ｜、｜αＢ｜は常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２及び繰り返し強度相当値ωRP、αRPを超え、短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１未満である。常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２に対する回転評価量の絶対値｜ωＢ｜、｜αＢ｜の超過量を｜ωＢ＃｜、｜αＢ＃｜と表す。
Ｃのパターンでは、回転評価量の絶対値｜ωＣ｜、｜αＣ｜は常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２を超え、繰り返し強度相当値ωRP、αRP及び短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１未満である。常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２に対する回転評価量の絶対値｜ωＣ｜、｜αＣ｜の超過量を｜ωＣ＃｜、｜αＣ＃｜と表す。
Ｂ及びＣのパターンでは、回転評価量の絶対値に基づいて換算値が算出され、さらに、その換算値が積算される。換算値の算出、積算の具体例については後述する。
ところで、車両の仕向地、環境温度、使用期間等に応じて、回転ストレスの発生頻度や保護対象部材が受ける影響の程度が異なることが考えられる。そこで、それらの要因により、ストレス閾値の設定を調整する例について図８を参照して説明する。図８では、短期閾値と常用閾値とを区別せず、単にωｔｈ、αｔｈと記す。また、図８は、判定処理例２についても共通に適用される。
図８（ａ）に、車両の仕向地によるストレス閾値ωｔｈ、αｔｈの設定例を示す。例えば、道路の舗装率が高い都市部を想定した仕向地Ｄでは、回転ストレス発生頻度が低く、保護対象部材が劣化しにくい環境にあるため、ストレス閾値ωｔｈ、αｔｈを比較的高く設定可能である。一方、海岸に近く、塩分を含んだ風が車両に当たる地域や、道路の舗装率が低く車輪が頻繁に縁石に衝突する地域を想定した仕向地Ｆでは、保護対象部材の劣化を早期に判定するために、ストレス閾値ωｔｈ、αｔｈは低めに設定される。それらの中間の仕向地Ｅでは、ストレス閾値ωｔｈ、αｔｈは中程度に設定される
図８（ｂ）に、環境温度によるストレス閾値ωｔｈ、αｔｈの設定例を示す。ゴム部品等を含む保護対象部材や潤滑油が塗布される保護対象部材は、適正温度範囲に対して低温側、高温側のいずれでも劣化しやすくなる。そのため、下限温度ＴｃＬから上限温度ＴｃＨまでの範囲ではストレス閾値ωｔｈ、αｔｈは基準値に設定され、下限温度ＴｃＬ以下では温度が低いほど、上限温度ＴｃＨ以上では温度が高いほど、ストレス閾値ωｔｈ、αｔｈは、基準値よりも低くなるように設定される。
図８（ｃ）に使用期間によるストレス閾値ωｔｈ、αｔｈの設定例を示す。使用期間が長くなるに連れ、全ての保護対象部材が経年劣化するため、ストレス閾値ωｔｈ、αｔｈが徐々に低下するように設定されることが好ましい。
このように設定されたストレス閾値ωｔｈ、αｔｈを回転ストレス判定部６５に記憶させる具体的な方法として、例えば仕向地別の設定については、車両の製造時に仕向地毎にデフォルト値を変更すればよい。環境温度については、回転ストレス判定部６５が温度センサから取得した環境温度に基づいてマップを参照し、随時、記憶値を変更してもよい。使用期間については、タイマの情報を基に回転ストレス判定部６５が随時、記憶値を変更してもよく、或いは、定期点検毎に回転ストレス判定部６５の記憶値を更新してもよい。
図９に、判定処理例１のフローチャートを示す。以下のフローチャートの説明で記号Ｓは「ステップ」を表す。この例では、回転評価量としての回転角速度｜ω｜及び回転角加速度｜α｜に対し、それぞれ短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１、及び、一つの常用閾値ωｔｈ２、αｔｈ２が設定されている。
以下の説明では、「回転角速度の絶対値｜ω｜」又は「回転角加速度の絶対値｜α｜」を適宜省略し、「回転角速度｜ω｜」又は「回転角加速度｜α｜」と記す。
回転ストレス判定部６５は、Ｓ１１で、微分器６３及び二階微分器６４からモータ１０の回転角速度ω及び回転角加速度αを取得する。
回転ストレス判定部６５は、Ｓ１２で、回転角速度｜ω｜が短期閾値ωｔｈ１を超えたか、又は、回転角加速度｜α｜が短期閾値αｔｈ１を超えたか判断する。Ｓ１２でＹＥＳと判断された場合、Ｓ１８に移行し、ＮＯの場合、Ｓ１３に移行する。
回転ストレス判定部６５は、Ｓ１３で、回転角速度｜ω｜が常用閾値ωｔｈ２を超えたか、又は、回転角加速度｜α｜が常用閾値αｔｈ２を超えたか判断する。Ｓ１３でＹＥＳと判断された場合、Ｓ１４に移行し、ＮＯの場合、Ｓ１１の前に戻る。
Ｓ１４では、常用閾値ωｔｈ２を超えた回転角速度｜ω｜、又は、常用閾値αｔｈ２を超えた回転角加速度｜α｜が記憶される。
なお、回転評価量として回転角速度｜ω｜及び回転角加速度｜α｜のいずれを用いるかは、保護対象部材として想定される部品の劣化特性等に基づいて、適宜選択すればよい。
例えばオイルシール４２に対しては、回転角速度｜ω｜が短期閾値ωｔｈ１（すなわち瞬時許容限界値）又は常用閾値ωｔｈ２を超えたことを判定するのが適当である。一方、センサマグネット４５に対しては、回転角加速度｜α｜が短期閾値αｔｈ１又は常用閾値αｔｈ２を超えたことを判定するのが適当である。
回転ストレス判定部６５は、Ｓ１５で、その回転角速度｜ω｜又は回転角加速度｜α｜に基づく換算値を算出し、Ｓ１６で換算値の積算値Ｘを算出する。そして、回転ストレス判定部６５は、Ｓ１７で、積算値Ｘが判定閾値Ｘ０を超えたか判断する。Ｓ１７でＹＥＳと判断された場合、Ｓ１８に移行し、ＮＯの場合、Ｓ１１の前に戻る。
回転ストレス判定部６５は、Ｓ１２でＹＥＳと判定された場合、短期ストレス異常であると判定し、Ｓ１７でＹＥＳと判定された場合、積算ストレス異常であると判定する。
図１に示すように車内ＬＡＮに通信可能な構成では、回転ストレス判定部６５は、異常情報を車両制御装置７１に通知する。通知を受けた車両制御装置７１は、警報を出力し、運転者に異常を知らせる。
Ｓ１５の換算値は、回転角速度｜ω｜又は回転角加速度｜α｜による回転ストレスが、例えば短期閾値ωｔｈ１、αｔｈ１又は破壊強度相当値ω０、α０での回転ストレスの何回分に相当するかという観点から算出される。
回転角加速度αを例として、換算値の算出及び積算例を説明する。
（１）回転角加速度｜α｜が常用閾値αｔｈ２を超える毎に、換算値Ｘとして「１」が積算される。つまり、回転角加速度｜α｜が常用閾値αｔｈ２を超えた回数に基づいて、ストレス異常が判定される。
（２）回転角加速度｜α｜が常用閾値αｔｈ２を超えた超過量、すなわち、図７に示す｜αＢ＃｜、｜αＣ＃｜が換算値Ｘとして積算される。
（３）保護対象部材がシャフト３５である場合に適した換算値算出例について、図１０を参照する。回転ストレス判定部６５は、疲労限度を意味する許容繰り返し回数Ｎｌｉｍと、回転角加速度｜α｜との関係が規定された反比例型のマップを有している。
短期閾値αｔｈ１に相当する許容繰り返し回数Ｎｌｉｍは１回である。また、常用閾値αｔｈ２に相当する許容繰り返し回数Ｎｌｉｍは、ｐ回（１＜ｐ）である。
回転ストレス判定部６５は、常用閾値αｔｈ２を超えたｋ回目、（ｋ＋１）回目の回転角加速度｜α｜（ｋ）、｜α｜（ｋ＋１）に相当する許容繰り返し回数Ｎｌｉｍ（ｋ）、Ｎｌｉｍ（ｋ＋１）をマップ又は計算式により算出する。そして、回転ストレス判定部６５は、式（１）により許容繰り返し回数Ｎｌｉｍの逆数を換算値Ｘとして積算し、積算値が１を超えたとき、ストレス異常と判定する。つまり、許容繰り返し回数Ｎｌｉｍとなる回転評価量が１回生じたとき、（１／Ｎｌｉｍ）分の回転ストレスが蓄積されたと考える。
Figure 2018148690
＜判定処理例２＞
判定処理例２について、図１１のフローチャート、及び、図１２の特性図を参照する。
判定処理例２は、特に保護対象部材がベアリング４１、４３である場合に有効である。回転ストレス判定部６５は、回転評価量として回転角加速度αを用い、また、一つのストレス閾値αｔｈを用いる。ストレス閾値αｔｈが、通常の駆動制御によって実現される上限値ωUL、αULを超える値に設定される点は、判定処理例１と同様である。
ベアリング４１、４３の構造上、ベアリングレース面に傷が付いた場合、回転するに連れて傷が広がっていく。レース面の傷が多ければ多いほど、ベアリング４１、４３の寿命は短くなる。そこで、この劣化特性に基づき、判定処理例２では、回転角加速度｜α｜が初めて常用閾値αｔｈ２を超えた後、何回の回転に耐えられるかという観点からストレス異常が判定される。ここで、モータ１０のシャフト３５が回転した距離又は角度の積算量を「積算回転量Ｑ」と定義する。
図１２の上側の図は、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３において回転角加速度｜α｜が閾値αｔｈを超えたことを示す。なお、各時刻に回転角加速度｜α｜が瞬時に増加するように図示されているが、プロファイルはこれに限らず、回転角加速度｜α｜が徐々に増加減少してもよい。図１２の下側の図は、時刻ｔ１を起算時とする積算回転量Ｑと判定閾値ＱＸｔｈとの関係を示し、詳しくは、以下に説明する。
回転ストレス判定部６５は、Ｓ２１で、二階微分器６４からモータ１０の回転角加速度αを取得する。
回転ストレス判定部６５は、回転角加速度｜α｜が初めて閾値αｔｈを超えた時刻ｔ１に、Ｓ２２でＹＥＳと判断し、Ｓ２３で、時刻ｔ１を起算時として積算回転量Ｑの積算を開始する。図１２に太い破線で示すように、積算回転量Ｑは起算時の積算回転量ＱEX１を０として直線的に増加する。
なお、図１２の横軸のスケールは回転した距離又は角度を表し、時間の長さとは関係ない。つまり、横軸の一定長さに対応する時間は、Ｓ字カーブ走行時のようにモータ１０が連続的に回転する場合は短くなり、ほとんど直線走行し、時々カーブするときのみモータ１０が回転するような場合は長くなる。
また、回転ストレス判定部６５は、Ｓ２４で初期警報値ＱAL１を設定する。初期警報値ＱAL１は、起算時以後に回転角加速度｜α｜が再び閾値αｔｈを超えることが無いと仮定したとき、ベアリング４１、４３を耐久使用可能な積算回転量Ｑを意味する。
言い換えれば、破線の縦軸の値が判定閾値ＱＸｔｈに達するときの横軸の値が初期警報値ＱAL１である。破線の傾きを１とすると、初期警報値ＱAL１は判定閾値ＱＸｔｈに等しくなる。
次に回転ストレス判定部６５は、Ｓ２５で、積算回転量Ｑが現在の警報値ＱALに到達したか、すなわち、耐久限界まで使用されたか判断する。１回目のループでは、現在の警報値ＱALは初期警報値ＱAL１である。Ｓ２５でＮＯの場合、Ｓ２６に移行する。
Ｓ２６では、回転角加速度｜α｜が再び閾値αｔｈを超えたか判断される。Ｓ２６でＹＥＳと判断された場合、Ｓ２７で警報値ＱALが更新されてからＳ２５の前に戻る。Ｓ２６でＮＯと判断された場合、現在の警報値ＱALのままＳ２５の前に戻る。こうして、Ｓ２５でＹＥＳと判断されるまで、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７のループが繰り返される。
時刻ｔ２に、回転角加速度｜α｜が２回目に閾値αｔｈを超えた場合、その時点での積算回転量ＱEX２から初期警報値ＱAL１までの残量に１未満の正の係数ｍ（０＜ｍ＜１）を乗じた値を残量とするように警報値ＱALが更新される。更新後の警報値ＱAL２は、式（２）で表される。
ＱAL２＝ＱEX２＋ｍ（ＱAL１−ＱEX２） ・・・（２）
警報値ＱAL２の更新後、積算回転量Ｑは、破線よりも傾きの大きい一点鎖線に沿って直線的に増加する。
その後、さらに時刻ｔ３に、回転角加速度｜α｜が３回目に閾値αｔｈを超えた場合、その時点での積算回転量ＱEX３から警報値ＱAL２までの残量に係数ｍを乗じた値を残量とするように警報値ＱALが再更新される。再更新後の警報値ＱAL３は、同様の式（３）で表される。
ＱAL３＝ＱEX３＋ｍ（ＱAL２−ＱEX３） ・・・（３）
警報値ＱAL３の更新後、積算回転量Ｑは、一点鎖線よりも傾きの大きい二点鎖線に沿って直線的に増加する。要するに、回転角加速度｜α｜が閾値αｔｈを超える度に、警報値ＱALは減少する。
Ｓ２５でＹＥＳと判断された場合、Ｓ２８に移行する。Ｓ２８では、図９に示す判定処理例１のＳ１８と同様に、異常情報が通知され、警報が発生される。
このように、判定処理例２では、「レース面の傷が多ければ多いほど寿命が短くなる」というベアリング４１、４３の劣化特性に適合した思想を用いることで、回転ストレスが適切に判定される。
なお、ベアリング４１、４３に対し判定処理例２を簡略化した方法として、回転角加速度｜α｜が初めて閾値αｔｈを超えた後、再び閾値αｔｈを超えた回数が所定回数に達したらストレス異常を通知し警報出力するようにしてもよい。
（効果）
本実施形態によるモータ制御装置６０の回転ストレス判定部６５は、モータ１０の回転角速度の絶対値｜ω｜又は回転角加速度の絶対値｜α｜がストレス閾値ωｔｈ、αｔｈを超えたことに基づいて、保護対象部材が受ける回転ストレスの異常を判定する。ここで、ストレス閾値ωｔｈ、αｔｈは、通常の駆動制御によって実現される回転角速度又は回転角加速度の上限値ωUL、αULを超える値に設定される。
これにより、回転ストレス判定部６５は、実際に発生した回転ストレスの大きさや頻度に応じて、保護対象部材の交換が必要となるストレス異常に至ったことを適切に判定することができる。
特にＥＰＳでは、車両の走行中に車輪が縁石に乗り上げた場合等、ラック軸９５側から過大なトルクが急激にモータ１０に逆入力される可能性がある。ただし、その可能性は、走行地域の道路状況や運転者の運転技術等によって千差万別であり、標準的な範囲を想定することが困難である。仮に、安全率を高く見込んで保護対象部材の強度を設計すると、多くの車両にとっては過剰品質となり、モータ１０の体格や重量が増大し、コストアップを招くおそれがある。
それに対し、本実施形態では、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜を、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える値に設定されるストレス閾値と比較することにより、回転ストレス異常を適切に判定することができる。ここで、回転ストレス異常と判定された状態は、保護対象部材の強度が耐久限度に近づいており、部品交換が必要な状態であると考えられる。
したがって、回転ストレス異常と判定されたとき部品交換を行うことを前提とすれば、必要最低限の強度を確保するように保護対象部材を設計することができる。過剰品質となる設計を回避することで、モータ１０を小型軽量に設計することができる。
また、回転ストレス判定部６５は、車両の仕向地、環境温度、使用期間等に応じて閾値を設定したり、保護対象部材の劣化特性等に応じて換算値の算出方法や判定処理の方法を選択したりすることで、より実情に適合した判定をすることができる。
なお、回転ストレス判定部６５は、複数のパターンの判定処理方法を併行して実行し、それらの判定結果を総合して、異常通知及び警報出力するようにしてもよい。
（その他の実施形態）
（ａ）図１に示す構成では、モータ制御装置６０は車両制御装置（車両ＥＣＵ）７１とは独立のＥＰＳ−ＥＣＵとして構成され、ＥＰＳ−ＥＣＵに含まれる回転ストレス判定部６５が回転ストレス異常を判定する。ただし、例えば判定処理例１を実施するとき、ＥＰＳ−ＥＣＵ側で回転評価量が常用閾値を超えたことまでを判定して、その情報を車両制御装置７１に通知し、車両制御装置７１が換算値の算出や積算を行って異常を確定し警報を出力するようにしてもよい。その場合、車両制御装置が「回転ストレス判定部」の機能の一部を構成するものとして解釈される。また、「モータ制御装置」は、ＥＰＳ−ＥＣＵ及び車両制御装置の一部を含むものとして解釈される。
（ｂ）上記実施形態では、ロータ３１の回転角θを時間微分した回転角速度ω及び回転角加速度αが回転評価量として用いられる。この場合、通常のモータ駆動制御でフィードバック制御に用いる回転角θの情報を有効に利用することができる。ただし、回転角速度ωや回転角加速度αと相関する量が回転評価量として用いられてもよい。例えば車両制御装置７１等からラック軸９５の移動速度や加速度等の情報が取得され、回転評価量に換算されてもよい。
（ｃ）上記の判定処理例では、回転評価量の絶対値｜ω｜、｜α｜とストレス閾値との比較において回転評価量ω、αの正負、すなわち回転方向は考慮されない。他の判定処理例では、回転評価量ω、αの正負を考慮し、例えば、連続的に同方向の回転ストレスが加わった場合と、逆方向の回転ストレスが交互に加わった場合とを区別してもよい。
（ｄ）上記実施形態の図５、図６には、負荷へのトルク伝達に関わる保護対象部材として、モータ１０側の部品であるプーリ８１やジョイント８５が示される。モータ１０を製造販売するメーカーの立場からは、破線で図示する車両側部品であるベルト８２や連結軸８６は保護対象部材から除外される。ただし、車両トータルで考えた場合、ベルト８２や連結軸８６等も「負荷へのトルク伝達に関わる保護対象部材」に含めてもよい。
（ｅ）上記実施形態の図５、図６には機電一体式モータを図示しているが、本発明は、制御部と回転機構部とが別体に構成されたモータにも同様に適用可能である。
また、本発明のモータ制御装置は、ＥＰＳ用の操舵アシストモータに限らず、負荷からトルクが逆入力される可能性のあるどのようなモータにも適用可能である。
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。
１０・・・モータ、
３１・・・ロータ、
３５・・・シャフト、
６０・・・モータ制御装置、
６５・・・回転ストレス判定部、
９０１、９０２、９０３・・・電動パワーステアリングシステム、
９５・・・ラック軸（負荷）。

Claims (10)

  1. ロータ（３１）に固定されたシャフト（３５）の回転により、負荷（９５）にトルクを出力するモータ（１０）の駆動を制御するモータ制御装置であって、
    前記シャフトの回転又は前記負荷へのトルク伝達に関わる保護対象部材が前記負荷から逆入力されるトルクによって受ける回転ストレスに関し、
    前記モータの回転角速度（ω）、回転角加速度（α）、又はそれらの相関量である回転評価量の絶対値が、通常の駆動制御によって実現される上限値を超える値に設定されるストレス閾値を超えたことに基づいて、前記回転ストレスが過大状態である回転ストレス異常を判定する回転ストレス判定部（６５）を備えるモータ制御装置。
  2. 前記回転ストレス判定部により前記回転ストレス異常であると判定されたとき、その情報を外部に通知する請求項１に記載のモータ制御装置。
  3. 車両に搭載されるモータ制御装置であって、
    前記回転ストレス判定部は、前記回転ストレス異常の情報を、車内ＬＡＮを経由して車両制御装置（７１）に通信する請求項２に記載のモータ制御装置。
  4. 前記回転ストレス判定部は、前記回転評価量の絶対値が前記ストレス閾値を超えたとき、その値を内部の記憶装置（６６）に記憶する請求項１に記載のモータ制御装置。
  5. 前記記憶装置は、前記ストレス閾値を超えた前記回転評価量の絶対値の最大値のみを記憶する請求項４に記載のモータ制御装置。
  6. 前記ストレス閾値は、短期閾値、及び、前記短期閾値より小さい値に設定される一つ以上の常用閾値を含む少なくとも二水準の値が設定され、
    前記回転ストレス判定部は、
    前記回転評価量の絶対値が前記短期閾値を１回超えたとき、短期ストレス異常であると判定し、
    前記回転評価量の絶対値が前記常用閾値を超えたとき、前記回転評価量の絶対値に基づく換算値を算出し、当該換算値の積算値が判定閾値を超えたとき、積算ストレス異常であると判定する請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  7. 前記回転ストレス判定部は、
    前記回転評価量の絶対値が前記常用閾値を超えたとき、対応する許容繰り返し回数の逆数を前記換算値として積算する請求項６に記載のモータ制御装置。
  8. 前記シャフトが回転した距離又は角度の積算量を積算回転量と定義すると、
    前記回転ストレス判定部は、
    前記回転評価量の絶対値が初めて前記ストレス閾値を超えた時を起算時として前記積算回転量の積算を開始するとともに、前記保護対象部材を耐久使用可能な前記積算回転量である警報値を設定し、その後、前記回転評価量の絶対値が前記ストレス閾値を超える度に前記警報値を減少させるように更新し、前記積算回転量が現在の前記警報値に到達したとき、回転ストレス異常であると判定する請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
  9. 前記回転ストレス判定部は、
    前記回転評価量の絶対値が２回目以後に前記ストレス閾値を超えたとき、
    現在の前記警報値までの前記積算回転量の残量に１未満の正の係数を乗じた値を前記積算回転量の残量とするように前記警報値を更新する請求項８に記載のモータ制御装置。
  10. 前記モータは、車両の電動パワーステアリング装置（９０１−９０３）において操舵トルクをアシストするモータである請求項１〜９のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
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