JP3577584B2 - 電動モータ駆動装置、パワーステアリング装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

電動モータ駆動装置、パワーステアリング装置及び電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータをPWM制御により駆動する電動モータ駆動装置、電動モータが駆動する油圧ポンプを作動油圧の発生源として操舵補助を行うパワーステアリング装置、及び電動モータにより操舵補助する電動パワーステアリング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電動モータにより操舵補助を行う電動パワーステアリング装置では、電動モータを駆動する駆動回路のスイッチング素子をPWM(Pulse Width Modulation)信号によりスイッチングしている。PWM信号のキャリア(搬送波)周波数は、PWM信号が騒音の要因とならないように、可聴帯域を避けて20kHz程度に固定されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述した駆動回路に使用されているFET(電界効果トランジスタ)等のスイッチング素子は、スイッチングする信号の周波数が高い程、スイッチングロス及び電気ノイズが大きくなる。その為、上述したように、可聴帯域の上限を少し超える周波数である20kHz程度としており、これより周波数を低くすると騒音の要因になるという問題があった。
特開平10−327597号公報には、外部特定情報を受信する受信手段と、この受信手段からの信号に基づいてPWM制御信号の駆動周波数を変更する周波数変更手段とを備えた車両の電動機駆動装置が開示されている。
【0004】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第1発明では、スイッチングロス及び電気ノイズが小さい電動モータ駆動装置を提供することを目的とする。
発明では、スイッチングロス及び電気ノイズが小さい電動モータ駆動装置を備えたパワーステアリング装置を提供することを目的とする。
発明では、スイッチングロス及び電気ノイズが小さい電動モータ駆動装置を備え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する。
【0005】
【課題を解決するための手段】
第1発明に係る電動モータ駆動装置は、電動モータをPWM制御により駆動する電動モータ駆動装置において、異なる可聴周波数のPWM搬送波を作成し出力する複数の搬送波作成回路と、所定の時間毎にランダムに該搬送波作成回路から1つを選択する手段とを備え、該手段が選択した搬送波作成回路が出力したPWM搬送波に基づくPWM制御により前記電動モータを駆動すべくなしてあることを特徴とする。
【0008】
この電動モータ駆動装置では、電動モータをPWM制御により駆動する。複数の搬送波作成回路が、異なる可聴周波数のPWM搬送波を作成し出力する。選択する手段は、所定の時間毎にランダムに搬送波作成回路から1つを選択し、その選択した搬送波作成回路が出力したPWM搬送波に基づくPWM制御により、電動モータを駆動する。
これにより、PWM搬送波に可聴帯域の周波数を使用しても、ホワイトノイズとなって、特定の可聴周波数ノイズとはならず、スイッチング周波数が低く、スイッチングロス及び電気ノイズが小さい電動モータ駆動装置を実現することが出来る。
【0011】
発明に係るパワーステアリング装置は、電動モータが駆動する油圧ポンプを作動油圧の発生源として、操舵補助を行うパワーステアリング装置において、請求項に記載された電動モータ駆動装置を備え、該電動モータ駆動装置が前記電動モータを駆動すべくなしてあることを特徴とする。
【0012】
このパワーステアリング装置では、電動モータが駆動する油圧ポンプを作動油圧の発生源として、操舵補助を行う。請求項に記載された電動モータ駆動装置が電動モータを駆動するので、電動モータ駆動装置のスイッチングロス及び電気ノイズが小さいパワーステアリング装置を実現することが出来る。
【0013】
発明に係る電動パワーステアリング装置は、電動モータと、請求項に記載され、前記電動モータを駆動する電動モータ駆動装置と、該電動モータ駆動装置を操舵手段の操舵に応じて駆動制御する制御部とを備え、前記電動モータにより操舵補助すべくなしてあることを特徴とする。
【0014】
この電動パワーステアリング装置では、請求項に記載された電動モータ駆動装置が、電動モータを駆動し、制御部が、電動モータ駆動装置を操舵手段の操舵に応じて駆動制御し、電動モータにより操舵補助するので、電動モータ駆動装置のスイッチングロス及び電気ノイズが小さい電動パワーステアリング装置を実現することが出来る。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、それを示す図面を参照しながら説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明に係る電動モータ駆動装置及びパワーステアリング装置の実施の形態1の要部構成を示すブロック図である。このパワーステアリング装置は、目標決定部1cが目標値を決定し出力する印加電圧の出力レベル指令に基づき、モータ駆動回路2が電動モータ4を回転駆動させる。電動モータ4は、油圧ポンプ5を駆動して、コントロールバルブ6へ作動油を吐出させ作動油圧を発生させる。
【0016】
コントロールバルブ6は、舵輪7が操作され、舵輪軸の下端に設けられたピニオンギア6cを含むギア装置(図示せず)が作動することにより、油圧シリンダ(図示せず)へ通じるパイプライン6a,6bへ圧送する作動油の圧力を制御する。これにより、油圧シリンダが作動して、舵輪7の操作方向へ操作量に応じた操舵補助力を発生するようになっている。
作動油は、油圧ポンプ5、コントロールバルブ6、油圧シリンダ及び給油タンク5a等で構成される油圧回路を循環する。
【0017】
モータ駆動回路2には、電動モータ4に流れる電流を検出するモータ電流検出回路3が接続され、そのモータ電流検出信号は無負荷電流検出部1aと演算回路1bとへ入力される。無負荷電流検出部1aは、油温によって変化するモータ電流を考慮した、パワーステアリング装置が無負荷のときのモータ電流検出信号を検出保持しており、演算回路1bは、モータ電流検出回路3が出力したモータ電流検出信号から、無負荷電流検出部1aが出力した無負荷電流検出信号を差し引いて、モータ電流検出信号のパワーステアリング装置が無負荷のときからの増加量を目標決定部1cへ入力する。
【0018】
目標決定部1cは、このモータ電流検出信号のパワーステアリング装置が無負荷のときからの増加量により、電動モータ4へ印加する電圧を高低に切り換え制御するようになっている。
電動モータ4はブラシレスモータであり、回転子位置検出器14がその回転子位置を検出し、モータ駆動回路2は、後述するように、回転子位置検出器14が検出した回転子位置に基づき、複数のスイッチング素子をスイッチングする。
【0019】
図2は、モータ駆動回路2、電動モータ4、モータ電流検出回路3及び回転子位置検出器14の構成例を示すブロック図である。電動モータ4は、コイルA,B,Cがスター結線された固定子4aと、コイルA,B,Cが発生させる回転磁界により回転する回転子4bとを備え、回転子位置検出器14(ロータリエンコーダ)が、この回転子4bの回転位置を検出する。
【0020】
モータ駆動回路2は、車載バッテリーPの電源電圧がスイッチング回路8bの正極側端子に接続されている。
スイッチング回路8bは、正極側端子と接地端子との間に直列接続されたトランジスタQ1,Q2と、逆方向に直列接続されたダイオードD1,D2とが並列接続され、直列接続されたトランジスタQ3,Q4と、逆方向に直列接続されたダイオードD3,D4とが並列接続され、直列接続されたトランジスタQ5,Q6と、逆方向に直列接続されたダイオードD5,D6とが並列接続されている。
【0021】
トランジスタQ1,Q2の共通接続節点と、ダイオードD1,D2の共通接続節点とには、スター結線されたコイルAの他方の端子Uが接続され、トランジスタQ3,Q4の共通接続節点と、ダイオードD3,D4の共通接続節点とには、スター結線されたコイルBの他方の端子Vが接続され、トランジスタQ5,Q6の共通接続節点と、ダイオードD5,D6の共通接続節点とには、スター結線されたコイルCの他方の端子Wが接続されている。
【0022】
回転子位置検出器14が検出した、回転子4bの回転位置は、ゲート制御回路8aに通知される。
モータ駆動回路2は、目標決定部1cから与えられた印加電圧の出力レベル指令が、比較回路2bの反転入力端子に入力され、比較回路2bの非反転入力端子には、搬送波選択部2aが選択したPWM搬送波(三角波)が入力される。PWM搬送波は、例えば4つの搬送波作成回路21〜24が、互いに異なる可聴周波数(例えば1〜15kHz)のPWM搬送波を作成する。
搬送波選択部2aは、所定時間毎に、内蔵する乱数発生手段2cが発生した乱数に基づき、搬送波作成回路21〜24がそれぞれ作成するPWM搬送波から1つを選択し出力する。
【0023】
ゲート制御回路8aには、比較回路2bが出力レベル指令とPWM搬送波とを比較し作成したPWM指令値(パルス幅変調されたパルス列)が与えられる。
ゲート制御回路8a、与えられた回転子4bの回転位置に応じて、トランジスタQ1〜Q6の各ゲートをオン/オフし、例えば、U−V,U−W,V−W,V−U,W−U,W−V,U−Vのように、固定子4aに流れる電流の経路を切り換え、回転磁界を発生させる。
【0024】
回転子4bは、永久磁石であり、この回転磁界から回転力を受け回転する。
ゲート制御回路8aは、また、比較回路2bから与えられたPWM指令値に従って、トランジスタQ1〜Q6のオン/オフをPWM(Pulse Width Modulation)制御することにより、ブラシレスモータである電動モータ4の回転トルクを増減制御する。
ダイオードD1〜D6は、トランジスタQ1〜Q6のオン/オフにより発生するノイズを吸収する為のものである。
モータ電流検出回路3は、電動モータ4の各端子U,V,Wに流れる電流を検出して加算し、モータ電流信号として無負荷電流検出部1aと演算回路1bとへ与える。
【0025】
以下に、このような構成のパワーステアリング装置の動作を説明する。
目標決定部1cは、舵輪7が操作されず操舵補助力を必要としないとき(電動モータ4に流れる電流は小さい)は、エネルギー消費量を抑えるため、電動モータ4へ印加する電圧の目標値を低くして、電動モータ4の出力を減少させている。
【0026】
一方、舵輪7が操作されてコントロールバルブ6が作動すると、作動油圧が上昇する。この作動油圧が上昇することにより、電動モータ4の負荷が増大し、電動モータ4に流れる電流が増加して、モータ電流検出回路3が出力するモータ電流検出信号が大きくなる。
演算回路1bが出力するモータ電流検出信号の、パワーステアリング装置が無負荷のときからの増加量が所定値に達すると、目標決定部1cは、電動モータ4へ印加すべき電圧の目標値を高くして、出力レベル指令をモータ駆動回路2に与え、電動モータ4の出力を増加させ、操舵補助力を発生させるようにしている。
【0027】
このとき、モータ駆動回路2の搬送波選択部2aは、図3のフローチャートに示すように、スタート時に、先ず、乱数発生手段2cが乱数を発生し(S2)、発生した乱数に該当する1つの搬送波(作成回路21〜24)を選択する(S4)。次に、選択した搬送波作成回路21〜24が作成したPWM搬送波の出力を開始する(S6)と共に、計時を開始する(S8)。
【0028】
搬送波選択部2aは、計時を開始してから(S8)、所定時間(例えば数ミリ〜数10ミリ秒)が経過すると(S10)、乱数発生手段2cが乱数を発生し(S12)、発生した乱数に該当する1つの搬送波(作成回路21〜24)を選択する(S14)。次に、選択した搬送波作成回路21〜24が作成したPWM搬送波に切替えて出力を開始する(S16)と共に、計時を開始する(S8)。
以下、同様にして、搬送波選択部2aは、所定時間が経過する都度、ランダムに、搬送波作成回路21〜24が作成したPWM搬送波(三角波)から選択し、選択したPWM搬送波に切替えて、比較回路2bへ出力し続ける。
比較回路2bは、出力レベル指令とPWM搬送波とを比較して、PWM指令値(パルス幅変調されたパルス列)を作成し、ゲート制御回路8aに与える。
【0029】
ゲート制御回路8aは、与えられた回転子4bの回転位置に応じて、トランジスタQ1〜Q6の各ゲートをオン/オフし、例えば、U−V,U−W,V−W,V−U,W−U,W−V,U−Vのように、固定子4aに流れる電流の経路を切り換え、回転磁界を発生させ、回転子4bは、この回転磁界から回転力を受け回転する。
ゲート制御回路8aは、このとき、比較回路2bから与えられたPWM指令値に従って、トランジスタQ1〜Q6のオン/オフをPWM(Pulse Width Modulation)制御することにより、ブラシレスモータである電動モータ4の回転トルクを増減制御する。
【0030】
実施の形態2.
図4は、本発明に係る電動モータ駆動装置及びパワーステアリング装置の実施の形態2の要部構成を示すブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵軸(図示せず)に加えられたトルクを検出するトルクセンサ30が検出し出力したトルク検出信号が、インターフェイス回路31を介してマイクロコンピュータ32へ与えられ、車速を検出する車速センサ40が検出し出力した車速信号が、インターフェイス回路41を介してマイクロコンピュータ32へ与えられる。
【0031】
マイクロコンピュータ32から出力されるリレー制御信号がリレー駆動回路35へ入力され、リレー駆動回路35はリレー制御信号に従ってフェイルセーフリレー接点35aをオン又はオフさせる。
マイクロコンピュータ32から出力されるクラッチ制御信号はクラッチ駆動回路36へ入力され、クラッチ駆動回路36はクラッチ制御信号に従ってクラッチ39をオン又はオフさせる。クラッチ39の駆動電源は、フェイルセーフリレー接点35aのモータ駆動回路33側端子から与えられる。
【0032】
マイクロコンピュータ32は、トルク検出信号、車速信号及び後述するモータ電流信号に基づき、トルク/電流テーブル38を参照することにより、出力レベル指令値を作成し、作成した出力レベル指令値はモータ駆動回路33へ与えられる。モータ駆動回路33は、フェイルセーフリレー接点35aを通じて、車載バッテリーPの電源電圧が印加され、与えられた出力レベル指令値に基づき、操舵補助用の電動モータ34(ブラシレスモータ)を回転駆動させる。
【0033】
電動モータ34が回転する際、回転子位置検出器44がその回転子位置を検出し、モータ駆動回路33は、この検出した回転子位置信号に基づき、電動モータ34を回転制御する。
電動モータ34に流れるモータ電流は、モータ電流検出回路37により検出され、モータ電流信号としてマイクロコンピュータ32に与えられる。
【0034】
図5は、電動モータ34、モータ駆動回路33、モータ電流検出回路37及び回転子位置検出器44の構成例を示すブロック図である。電動モータ34は、コイルA,B,Cがスター結線された固定子34aと、コイルA,B,Cが発生させる回転磁界により回転する回転子34bとを備え、回転子位置検出器44が回転子34bの回転位置を検出する。
【0035】
モータ駆動回路33は、スイッチング回路8bが、正極側端子と接地端子との間に直列接続されたトランジスタQ1,Q2と、逆方向に直列接続されたダイオードD1,D2とが並列接続され、直列接続されたトランジスタQ3,Q4と、逆方向に直列接続されたダイオードD3,D4とが並列接続され、直列接続されたトランジスタQ5,Q6と、逆方向に直列接続されたダイオードD5,D6とが並列接続されている。
【0036】
トランジスタQ1,Q2の共通接続節点と、ダイオードD1,D2の共通接続節点とには、スター結線されたコイルAの他方の端子Uが接続され、トランジスタQ3,Q4の共通接続節点と、ダイオードD3,D4の共通接続節点とには、スター結線されたコイルBの他方の端子Vが接続され、トランジスタQ5,Q6の共通接続節点と、ダイオードD5,D6の共通接続節点とには、スター結線されたコイルCの他方の端子Wが接続されている。
【0037】
回転子位置検出器44が検出した、回転子34bの回転位置は、ゲート制御回路8cに通知される。
モータ駆動回路33は、マイクロコンピュータ32から与えられた出力レベル指令が、比較回路2bの反転入力端子に入力され、比較回路2bの非反転入力端子には、搬送波選択部2aが選択したPWM搬送波(三角波)が入力される。PWM搬送波は、例えば4つの搬送波作成回路21〜24が、互いに異なる可聴周波数(例えば1〜15kHz)のPWM搬送波を作成する。
搬送波選択部2aは、所定時間毎に、内蔵する乱数発生手段2cが発生した乱数に基づき、搬送波作成回路21〜24がそれぞれ作成するPWM搬送波から1つを選択する。
【0038】
ゲート制御回路8cには、比較回路2bが出力レベル指令とPWM搬送波とを比較し作成したPWM指令値(パルス幅変調されたパルス列)、及びマイクロコンピュータ32から与えられた回転方向の指示信号が与えられる。
ゲート制御回路8c、与えられた回転子34bの回転位置及び回転方向の指示信号に応じて、トランジスタQ1〜Q6の各ゲートをオン/オフし、例えば、U−V,U−W,V−W,V−U,W−U,W−V,U−Vのように、固定子34aに流れる電流の経路を切り換え、回転磁界を発生させる。
【0039】
回転子34bは、永久磁石であり、この回転磁界から回転力を受け回転する。ゲート制御回路8cは、また、比較回路2bから与えられたPWM指令値に従って、トランジスタQ1〜Q6のオン/オフをPWM(Pulse Width Modulation)制御することにより、ブラシレスモータである電動モータ34の回転トルクを増減制御する。
ダイオードD1〜D6は、トランジスタQ1〜Q6のオン/オフにより発生するノイズを吸収する為のものである。
モータ電流検出回路37は、電動モータ34の各端子U,V,Wに流れる電流を検出して加算し、モータ電流信号としてマイクロコンピュータ32へ与える。
【0040】
以下に、このような構成の電動パワーステアリング装置の動作を説明する。
マイクロコンピュータ32は、トルクセンサ30が検出したトルク検出信号をインターフェイス回路31を介して読込み、車速センサ40が検出した車速信号をインターフェイス回路41を介して読込む。
マイクロコンピュータ32は、読込んだ車速信号及び読込んだトルク検出信号から、トルク/電流テーブル38を参照して、目標モータ電流を決定する。
【0041】
次いで、マイクロコンピュータ32は、モータ電流検出回路37からモータ電流信号を読込み、決定した目標モータ電流と読込んだモータ電流信号との差を演算し、演算した差に基づき、モータ34に目標モータ電流を流すべく、出力レベル指令値を決定する。
【0042】
次に、マイクロコンピュータ32は、回転方向を決定し、決定した出力レベル指令値及び回転方向の指示信号をモータ駆動回路33へ与える。
モータ駆動回路33は、与えられた出力レベル指令値及び回転方向の指示信号に基づき、モータ34を回転駆動させる。
【0043】
このときのモータ駆動回路33の搬送波選択部2aの動作は、実施の形態1において説明したモータ駆動回路2の搬送波選択部2aの動作(図3)と同様であるので、説明を省略する。
比較回路2bは、出力レベル指令と搬送波選択部2aが出力したPWM搬送波(三角波)とを比較して、PWM指令値(パルス幅変調されたパルス列)を作成し、ゲート制御回路8cに与える。
【0044】
ゲート制御回路8cは、与えられた回転子34bの回転位置及び回転方向の指示信号に応じて、トランジスタQ1〜Q6の各ゲートをオン/オフし、例えば、U−V,U−W,V−W,V−U,W−U,W−V,U−Vのように、固定子34aに流れる電流の経路を切り換え、回転磁界を発生させ、回転子34bは、この回転磁界から回転力を受け回転する。
ゲート制御回路8cは、このとき、比較回路2bから与えられたPWM指令値に従って、トランジスタQ1〜Q6のオン/オフをPWM(Pulse Width Modulation)制御することにより、ブラシレスモータである電動モータ34の回転トルクを増減制御する。
【0045】
【発明の効果】
第1発明に係る電動モータ駆動装置によれば、PWM搬送波に可聴帯域の周波数を使用しても、ホワイトノイズとなって、特定の可聴周波数ノイズとはならず、スイッチング周波数が低く、スイッチングロス及び電気ノイズが小さい電動モータ駆動装置を実現することが出来る。
【0048】
発明に係るパワーステアリング装置によれば、電動モータ駆動装置のスイッチングロス及び電気ノイズが小さいパワーステアリング装置を実現することが出来る。
【0049】
発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、電動モータ駆動装置のスイッチングロス及び電気ノイズが小さい電動パワーステアリング装置を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電動モータ駆動装置及びパワーステアリング装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【図2】モータ駆動回路、電動モータ、モータ電流検出回路及び回転子位置検出器の構成例を示すブロック図である。
【図3】搬送波選択部の動作を示すフローチャートである。
【図4】本発明に係る電動モータ駆動装置及び電動パワーステアリング装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【図5】モータ駆動回路、電動モータ、モータ電流検出回路及び回転子位置検出器の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1c 目標決定部
2,33 モータ駆動回路
2a 搬送波選択部
2b 比較回路
2c 乱数発生手段
3,37 モータ電流検出回路
4,34 電動モータ
5 油圧ポンプ
6 コントロールバルブ
7 舵輪
8a,8c ゲート制御回路
8b スイッチング回路
14,44 回転子位置検出器
21〜24 搬送波作成回路
30 トルクセンサ
32 マイクロコンピュータ
38 トルク/電流テーブル
40 車速センサ

Claims (3)

  1. 電動モータをPWM制御により駆動する電動モータ駆動装置において、
    異なる可聴周波数のPWM搬送波を作成し出力する複数の搬送波作成回路と、所定の時間毎にランダムに該搬送波作成回路から1つを選択する手段とを備え、該手段が選択した搬送波作成回路が出力したPWM搬送波に基づくPWM制御により前記電動モータを駆動すべくなしてあることを特徴とする電動モータ駆動装置
  2. 電動モータ駆動する油圧ポンプを作動油圧の発生源として、操舵補助を行うパワーステアリング装置において、
    請求項1に記載された電動モータ駆動装置を備え、該電動モータ駆動装置が前記電動モータを駆動すべくなしてあることを特徴とするパワーステアリング装置
  3. 電動モータと、請求項1に記載され、前記電動モータを駆動する電動モータ駆動装置と、該電動モータ駆動装置を操舵手段の操舵に応じて駆動制御する制御部とを備え、前記電動モータにより操舵補助すべくなしてある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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