JP6223593B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
以下、この発明を実施の形態1を示す図1〜図5に基づいて説明する。
図1は、電動パワーステアリング装置の電気系の要部構成を示す回路図である。
図において、制御ユニット1a、1bは、3相2組のコイル巻線を備えたモータ2を駆動制御し、ハンドルを操舵するもので、いわゆるインバータ回路3a、3bと、中央処理装置(以下CPUと称する)10a、10bを搭載した制御回路部4a、4bと、電源リレー回路を形成する電源リレー用スイッチング素子5a、5bなどから構成されている。また、車両に搭載されたバッテリ9からイグニッションスイッチ7および電源回路13a、13bを介して制御回路部4a、4bに電源が供給される。
さらに、例えばハンドルの近傍に搭載されてハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサ、車両の走行速度を検出する速度センサ等の情報がセンサ8から制御回路部4a、4bに入力される。なお、制御ユニット1a、1bには、外部装置と接続するための多数の端子(17a、17b、17c)が設けられており、具体的にはコネクタを回路基板に固定することによって配置される。
なお、駆動回路11a、11bには小電流のみが流れるため、制御回路部4a、4bに配置されているが、インバータ回路3a、3bに配置してもよい。
また、インバータ回路3a、3bは、各相のコイル巻線(U1、V1、W1)、(U2、V2、W2)に対して同一の回路構成を有しており、各相コイル巻線に独立して電流を供給するように構成されている。このインバータ回路3a、3bには、それぞれモータ2の3相のコイル巻線(U1、V1、W1)(U2、V2、W2)に出力電流を供給する上下アーム用スイッチング素子(31U、31V、31W)、(32U、32V、32W)と、モータ2のコイル巻線U1、V1、W1との配線を接続または遮断するモータリレー用スイッチング素子34U、34V、34Wと、電流検出用のシャント抵抗33U、33V、33Wと、ノイズ抑制用コンデンサ30U、30V、30Wとが設けられている。
なお、電源リレー用スイッチング素子5a、5bの制御信号も出力されており、この電源リレー用スイッチング素子5a、5bによりモータ2への電流供給を遮断することができる。同様に、モータリレー用スイッチング素子34U、34V、34Wもモータ2への電流供給をそれぞれ独立して遮断することができる。
ここで、インバータ回路3a、3bのパルス幅変調によるノイズの放出を抑制するために、コンデンサ、コイルからなるフィルタ6a、6bがバッテリ9の電源端子(+B、GND)に接続されている。また、電源リレー用スイッチング素子5a、5bに大電流が流れることによって発熱するため、インバータ回路3a、3bにそれぞれ内蔵させてインバータ回路3a、3bの放熱体に結合させ、放熱させるように構成してもよい。
また、両CPU10a、10b間にはデータ、情報を授受できるように通信ライン14が接続されている。この通信ライン14による情報の授受によりそれぞれ相手方CPU10a、10bの動作状態を把握することができる。例えば、CPU10aが異常を検出し、所定のスイッチング素子をオフしたことをCPU10bへ伝達することができる。もし、CPU10a、10b自体に異常が発生した場合は、所定のフォーマットによる定期的な通信信号を授受することができなくなり、これにより一方のCPUが他方のCPUの異常発生を把握することもできる。
図において、モータ2は、出力軸23の周囲に永久磁石(図示せず)が装着されたロータ21と、ロータ21に対向して配置され、3相コイル巻線24が巻装されたステータ22とを円筒状のヨーク26内に装着して構成されている。モータ出力軸23にはモータ2の回転を減速する減速機28が取り付けられ、図中下方向から出力が取り出される。
このパワーモジュール3の出力端子とモータ2のコイル巻線の延長巻線端は、制御基板4cの上面まで引き出され、この部分で溶接されて両者が電気的に接続されている。また、上フレーム50の中央には、出力軸23が貫通して設けられ、この出力軸23の先端には、磁石ロータ9cが装着されている。この磁石ロータ9cに対向して回転センサ9a、9bが制御基板4cに並んで装着されている。
なお、上フレーム50の下面とモータ2コイル巻線との間の空間にはコンデンサ30も装着されており、このコンデンサ30は、中間部材52を介してパワーモジュール3の電源端子に接続されている(図示せず)。従って、上フレーム50の上方に殆どの制御ユニット部1が配置されているが、コンデンサ30などの一部は、モータ2側にも配置することによって空間の有効利用を図ることができる。
図3において、電源用コネクタ53a、53bおよびフィルタ6a、6bが隣接してそれぞれ2個配置されている。電源(+B、GND)は、端子53c、53dから供給され、バスバー53g、53jを介してフィルタ6a、6bのコンデンサ、コイルに接続されている(バスバーは透視図として示している)。
また、センサの信号用コネクタ55a、55bがハウジング51の周辺に配置され、このコネクタ55a、55bの端子55c、55d(透視図)が制御ユニット部1内へ延長されて制御基板4cに結合されている。このため、端子55c、55dは、ハウジング51の内周面を伝って延長され、制御基板4cの周辺まで延びることになる。また、制御基板4cには多数の電子部品が搭載されているため、接続用の端子、バスバーを制御基板4cの周辺部に配置し、配線パターンにより中央へ引き込むように構成することにより、制御基板4cの面積を有効に利用することができる。
図において、単一の制御基板4cに2組の制御回路が装着されており、中心線4dから左右に分離して各部品が配置されている。図中、左側には第1系統、右側には第2系統の制御回路が装着されている。ここで、第2系統の制御回路について説明すると、制御基板4cの上部付近に電源回路13bの部品が装着され、この部品の下方には、CPU10b、さらに下方には入力回路12bが装着されている。駆動回路11b、回転センサ9bは、制御基板4cの裏面に装着されている。制御基板4cの周辺部には各信号用コネクタ端子55d、及びモータ2からの延長巻線25bが3本配置され、これらと当接するように、パワーモジュール3の出力端子も3本伸びている。これらの端子は、溶接により結合され、パワーモジュール3とモータ2のコイル巻線とを電気的に接続する。さらに、制御基板4cの上方には、電源ライン(+B、GND)のバスバー56c、56dを貫通させるための穴が4個設けられている。
なお、制御基板4cの4個の丸印は、中間部材52から延長された基板固定用の柱部52aを挿入するための穴である。また、中間部材52自体は、上フレーム50に固定されている。すなわち、上フレーム50、パワーモジュール3、中間部材52、制御基板4cの積層構造を成してスペースの縮少化を図っている。
なお、車両のバッテリ9は、通常1個であることから電源用コネクタ53a、53bを単一とすることは可能である。また、同様にフィルタ6a、6bまでを単一とし、制御ユニット1a、1b内の電子回路部分から完全に2系統とする配置、配線とするように構成することもできる。また、CPU10a、10b、入力回路12a、12bは、同一パッケージに内蔵され、内部の回路が2重、独立であっても同等の機能を果たすことができる。
各回路の制御は、殆どCPU10のプログラムに従って処理されるため、図5に示すフローチャートに沿って説明する。なお、CPU10a、10bは、ほぼ同一の処理を行っているため、一方のCPU10aについて説明する。
まず、イグニッションスイッチ7が投入されると、CPU10aに電源回路13aを通して電流が供給され、処理が開始される。
ステップS1において、RAM、ROM、ポート等を初期化する。次に、ステップS2において入力回路12aを介して入力されたあらゆる情報を入手し、格納する。この情報の中には相手方のCPU10bの通信データも含まれている。
また、インバータ回路3a、3bの上下アームのスイッチング素子31U、31V、31Wの1個、またはモータリレー用スイッチング素子34U、34V、34Wがオープン故障を生じている場合、その異常が発生している相のみスイッチング素子の駆動を停止し、その他の相は通常どおり制御指令を出力することも可能である。このため、ステップ11においては、全面停止状態の異常時の処理以外に一部の制御を継続処理できるように設定することができる。なお、前述のような2相駆動できる場合は、制御量の演算処理も必要なため、ステップS5、S7で処理した方が効率的な場合もある。
このステップS5では、従来装置と同様に、車速及びトルクに応じて要求される電流値を算出し、これを1/2に分割する。この1/2の電流値が一方の制御ユニットが受け持つ制御量である。さらに、現在供給している電流をシャント抵抗33の電位差から検出し、目標値とこの検出値との差異に応じて、制御指令値として出力する。
さらに、両CPU10a、10bにおいて分配率のみを変更するだけの同一手順で実行することができ、制御ロジックの簡略化を図ることができる。
ステップS9においては、異常の有無をチェックする。具体的には、各スイッチング素子を駆動して流れる電流をシャント抵抗33で検出する方法、ならびにモータのコイル巻線端子電圧をモニタし、所定の電圧がスイッチング素子の駆動に応じて出現することを判別することにより異常を検出することができる。
さらに、目標電流値に対して検出電流値との差異が所定時間経った後にも接近しない場合、漏電の可能性もあるため、異常と判断させることもできる。
以上のように、各部の電圧、電流をモニタして異常を検出することによって、1相のみであっても異常を検出することができる。
次に、ステップS13において、所定時間、例えば5m秒間経つまで待機し、所定時間が経ったならば(Y)、ステップS2へ戻って再度同様な手順で繰り返し、処理を進めることになる。
したがって、異常のない通常状態においては、各制御ユニットが1/2ずつ受け持ってモータ2の制御を行うが、一方に異常が発生した場合、最悪の場合であっても正常なCPUが100%の制御を継続することができることになり、ドライバーの操舵が困難となる状況に陥ることがない。また、自己系統のみならず相手方系統の異常についても報知する機能を付加することが可能で、異常発生時のドライバーへの報知が確実となり、どちら側のモータ2が異常かをも知らせることができる。この報知は、例えば、ステップS9またはステップS11の異常時の出力に基づいて、ステップS10またはステップS12において報知装置15を動作させることにより実現することができる。
さらに、制御基板4cとパワーモジュール3を分離して最も発熱の多いパワーモジュール3を制御基板4cから離して配置することにより放熱性を向上させることができる。
また、パワーモジュール3にヒートシンクを設け、このヒートシンクを放熱面積、容積の大きな別のヒートシンク(上フレーム50)に密着させるとともにヨーク26と当接させて、パワーモジュールの熱をヨーク26にまで伝熱させる構造としている。このため、ヨーク26も放熱性のよいアルミニユーム製として、モータ2自体の放熱性も向上させることができる。
また、一方が異常となった場合、ヒ−トシンク(上フレーム50)が単一のため、一系統のみでヒートシンク全体を使用できることになり、放熱性を向上させることができる。また、この単一のヒートシンク(上フレーム50)により、熱の偏りをなくし均一的な熱分布を成すことも可能となり、さらに、このヒートシンクの外周を装置の最外層として露出させることにより一層の放熱性向上に寄与させることができる。
次に、この発明の実施の形態2について図6〜図8を用いて説明する。
図6は、実施の形態1の図2に相当する図面であり、同一符号は同一又は相当する部分を示している。また、全体回路図も図1と同等である。
図6においては、一対のパワーモジュール3が出力軸23に平行に配置された状態を示している。モータ2は、図2と同一であるため、説明を省略する。なお、モータ2の出力軸23の反出力側の端部には、回転センサのために磁石ロータ9cが装着され、出力軸23と同期して回転される。また、上フレーム50は、ほぼ円筒状を成し、制御ユニット部1とモータ2間を区画する底部が形成されている。
以上のような構成によって、上フレーム50は、パワーモジュール3のためのヒートシンク、軸受27の支持、制御ユニット部1とモータ2との隔壁、制御ユニット部1のハウジングの一部と複数の作用を果たしている。
図7において、電源用コネクタ53a、信号用コネクタ55a、フィルタのカバー54a、電源用カバー56aが図中下側に配置されている。一方、他系統は、ハウジング51の中心点に対してほぼ点対称に各コネクタ類が配置されている。すなわち、第一の系統は、電源用コネクタの図中左側から右側に向かって電気の流れが形成され、第二の系統は、図中右側から左側に向かって電気の流れが形成されている。
図において、外周の上フレーム50の内周側には最上段に制御基板4cが配置され、その下側には図中両側にパワーモジュール3が配置されている。また、制御基板4cの裏面側であってパワーモジュール3間にセンサ基板4eが配置されている。(中間部材52は図示せず)なお、制御基板4cにも中心点に対して点対称の位置に電子部品が配置されている。
なお、電源、グランド端子は、パワーモジュール3の側面に配置されていて、中間部材52からの伸びた端子と接続される(図示せず)ため、上フレーム50にパワーモジュール3を配置した後、センサ基板4e、中間部材52を装着し、最後に制御基板4cを積層する。この制御基板4cの積層時にパワーモジュール3の各制御用、信号用端子を制御基板4cの穴に挿入する。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
3:パワーモジュール(出力回路)、 3a、3b:インバータ回路、
4a、4b:制御回路部、 4c:制御基板、 6a、6b:フィルタ、
5a、5b:電源リレー用スイッチング素子(電源リレー回路)、
8:センサ、 9:バッテリ、 9a、9b:回転センサ、
10a、10b:中央処理装置(CPU)、 11a、11b:駆動回路、
12a、12b:入力回路、 13a、13b:電源回路、
14:通信ライン、 15:報知装置、 21:ロータ、
22:ステータ、 23:出力軸、 24:巻線、 50:上フレーム、
51:ハウジング、 52:中間部材、
53a、53b:信号用コネクタ、 55a、55b:電源用コネクタ。
Claims (7)
- 単一のロータに対して独立した2組のコイル巻線を備えたステータを有し、車両の操舵機構を回転させるモータと、このモータに一体に取付けられた制御ユニット部とを備え、前記制御ユニット部は、定電圧を発生する電源回路、各回路の動作情報を入力する入力回路、前記モータのコイル巻線を駆動するための出力回路、前記出力回路への電流供給を遮断する電源リレー回路、前記入力回路からの情報に基づき制御量を演算して前記出力回路へ制御信号を出力する中央処理装置、および入力または出力するためのコネクタを有し、前記モータのコイル巻線にそれぞれ電流を独立して供給または遮断するように2系統形成され、
前記中央処理装置は、前記各回路または前記コイル巻線の異常を検出する異常検出機能を有するとともに2つの中央処理装置間で通信を行い、一方の系統に異常が検出された場合、他方の系統の前記制御ユニット部で制御を継続するように構成され、
さらに、前記電源回路、前記入力回路、前記出力回路、前記電源リレー回路、前記中央処理装置、および前記コネクタは、2系統にそれぞれ分離独立され、かつ並設配置されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。 - 前記制御ユニット部の前記出力回路は、前記モータのコイル巻線を制御するインバータ回路と、前記中央処理装置の制御信号を前記インバータ回路に伝達する駆動回路とから構成され、前記インバータ回路を前記制御ユニット部の基板から分離するとともに、2つの前記インバータ回路を並設したことを特徴とする請求項1記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記インバータ回路は、ヒートシンクに当接され、前記ヒートシンクの少なくとも一部は、前記モータを収納するヨークに当接されるとともに、前記ヒートシンクにより前記制御ユニット部と前記モータとを仕切るように構成したことを特徴とする請求項2記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記インバータ回路は、ヒートシンクに当接され、前記ヒートシンクの少なくとも外周の一部を露出させ、この露出部の内側に前記インバータ回路を装着するとともに、前記モータを収納するヨークと前記ヒートシンクとを当接させるように構成したことを特徴とする請求項2記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記インバータ回路は、50%の電流を供給するように制御され、電流許容容量、又は熱容量に対して2倍の容量を有するように構成したことを特徴とする請求項2記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記中央処理装置の前記異常検出機能は、自己及び相手方の両方の異常を検出し、自己が正常でかつ相手方が異常と判断した場合、自己の制御指令を100%に設定するとともに、相手方が異常であることを報知することを特徴とする請求項2記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記中央処理装置の前記異常検出機能は、自己または相手方が異常であることを検出した場合、異常を報知する報知装置を備えたことを特徴とする請求項6記載の電動パワーステアリング装置。
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