WO2019202730A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Definitions
- This application is an electric power steering device in which a motor and a control unit are integrated, and relates to noise countermeasures for a control unit including two sets of motor windings and a motor drive circuit.
- a conventional electric power steering apparatus configured by integrating a motor and a control unit that are coaxially arranged in the axial direction of the output shaft of the motor, in the vicinity of the motor in which a stator, a rotor, and the like are built in a motor case
- the arranged control units are assembled by stacking main components in the axial direction.
- a conventional apparatus having two sets of motor windings and two sets of so-called inverter circuits and control boards for driving these sets independently (see, for example, Patent Document 1).
- a control unit is arranged on the opposite side of the motor output shaft, and a plurality of connectors and each component of the power supply circuit unit 20 are mounted on a connector case 3 that covers the control unit 4.
- the power supply circuit unit 20 which is a relatively large component is arranged in a separate manner without being arranged in the control unit 4 and is downsized.
- Each component of the power supply circuit unit 20 is obtained by connecting each component (capacitor, coil) to the power supply conductive bars 13, 14, 15 a to 15 c extending from the power supply connector 1. It was effective against noise emission.
- An electric power steering apparatus disclosed in the present application includes a motor having two independent windings and a plurality of switching elements that supply current to each of the two windings in the control unit. And a control circuit connected to each of the two sets of inverter circuits, the control unit extending from the detection circuit for detecting the current of the inverter circuit Provided with a detection terminal, a metal shielding wall that shields noise emitted by driving one inverter circuit of two sets of inverter circuits is arranged in the vicinity of the detection terminal of the other inverter circuit, and the arranged shielding At least one of the walls has a support member for supporting the control circuit.
- the metal shielding wall is provided in the vicinity of the detection terminal against the radiation noise from one of the noise sources. Accuracy can be improved.
- FIG. 1 is a circuit diagram of an electric power steering device according to Embodiment 1.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electric power steering device according to Embodiment 1.
- FIG. FIG. 3 is a perspective view of the periphery of a control unit in the electric power steering apparatus according to Embodiment 1 as viewed from the non-output side.
- 2 is a perspective view of a power module in the electric power steering apparatus according to Embodiment 1.
- FIG. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the periphery of a control unit in the electric power steering apparatus according to Embodiment 1 as viewed from one side.
- 5 is a cross-sectional view showing an electric power steering device according to Embodiment 2.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electric power steering device according to Embodiment 1.
- FIG. 6 is a perspective view of a power module in an electric power steering apparatus according to Embodiment 2.
- FIG. 8A is a plan view of the relay member in the electric power steering apparatus according to Embodiment 2 as viewed from the control board side, and
- FIG. 8B is a front view.
- FIG. 1 is a circuit diagram of the electric power steering apparatus according to the first embodiment
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing the electric power steering apparatus according to the first embodiment
- FIG. 3 is an electric power steering apparatus according to the first embodiment. It is the perspective view which looked around the control unit in an apparatus from the non-output side.
- the same or equivalent members and parts in the drawings will be described with the same reference numerals.
- the motor winding 24 includes two sets of three-phase motor windings 24a and 24b.
- the motor winding 24a is a first motor winding
- the motor winding 24b is a second motor winding.
- the control unit 1 includes dedicated control units 1a and 1b for each of the two sets of motor windings 24a and 24b.
- the control unit 1a includes a control board 4a that is a first control circuit on which a CPU 10a and various circuits are mounted, an inverter circuit 3a that supplies current to the motor 2, a power relay 5a, a filter 6a, and the like.
- control unit 1b includes a control board 4b that is a second control circuit on which a CPU 10b, various circuits, and the like are mounted, an inverter circuit 3b that supplies current to the motor 2, a power relay 5b, a filter 6b, and the like. .
- control unit 1 The circuit configuration of the control unit 1 will be described. Since the control units 1a and 1b have the same configuration, only the control unit 1a will be described here.
- Electric power is supplied to the control unit 1a from the battery 9 mounted on the vehicle via the ignition switch 7.
- Information from sensors 8 such as a vehicle speed sensor for detecting the traveling speed of the vehicle and a torque sensor for detecting a steering torque mounted in the vicinity of the steering wheel is transmitted to the CPU 10a.
- the CPU 10a calculates a current value that is a control amount for rotating the motor 2 based on these pieces of information, and outputs it to the drive circuit 11a.
- the drive circuit 11a receives an output signal from the CPU 10a and outputs a drive signal for driving each switching element of the inverter circuit 3a to the inverter circuit 3a.
- a filter composed of a capacitor and a coil is used to suppress noise emission due to PWM drive of the inverter circuit 3a or to suppress power supply fluctuation. 6a is inserted. Further, a power relay 5a for opening and closing the + B power line is inserted into the + B power line.
- This power relay 5a includes two switching elements and two parasitic diodes in the forward direction and the reverse direction with respect to the current supply direction. The power supply relay 5a can forcibly cut off the power supply when a failure occurs in the inverter circuit 3a or the motor 2. Furthermore, when the battery 9 is reversely connected, the power supply relay 5a can cut off the line through which the current flows, and also plays a role of so-called battery reverse connection protection.
- the inverter circuit 3a includes three circuit portions 3U, 3V, and 3W corresponding to each phase of the motor winding 24a.
- the circuit unit 3U includes an upper arm switching element 31U and a lower arm switching element 32U.
- the switching elements 31U and 32U for the upper and lower arms are PWM-driven based on a command from the CPU 10a.
- the smoothing capacitor 30U is connected in parallel with the switching elements 31U and 32U for the upper and lower arms for the purpose of noise suppression and power supply fluctuation suppression.
- a shunt resistor 33U for detecting a current flowing through the motor 2 is connected in series with the switching element 32U for the lower arm.
- the circuit units 3U, 3V, and 3W have the same circuit configuration for the U1-phase, V1-phase, and W1-phase windings of the motor winding 24a, and can independently supply current to each winding.
- yen ((circle)) mark in FIG. 1 shows the connection terminal with the external apparatus provided in control unit 1a, 1b.
- the potential difference between both ends of the shunt resistor 33U, the voltage of the motor winding terminal, and the like are also input to the input circuit 12a.
- the shunt resistor 33U corresponds to a detection circuit. Since the shunt resistor 33U is inserted in series with the motor current circuit, the resistance value is very small and the potential difference between both ends thereof is also small, which is amplified by the drive circuit 11a and input to the CPU 10a. For this reason, when noise is mixed into the shunt resistor 33U, noise is amplified, so that it is necessary to block the noise.
- the CPU 10a calculates a difference from the detected current value corresponding to the calculated current value and performs so-called feedback control to supply a desired motor current and assist the steering force. The accuracy of the process greatly affects the control performance.
- the drive signal of the switching element of the power supply relay 5a that operates as a relay that connects or disconnects the battery 9 and the inverter circuit 3a is also output via the drive circuit 11a.
- the switching element of the power relay 5a generates heat because a large current flows. Therefore, the switching element of the power supply relay 5a can be included in the inverter circuit 3a to constitute a power module.
- the CPU 10a has an abnormality detection function for detecting abnormalities of the sensors 8, the drive circuit 11a, the inverter circuit 3a, the motor winding 24a, and the like from various types of input information.
- the CPU 10a turns off the upper and lower arm switching elements of the phase in order to cut off the current supply of only the phase in which the abnormality is detected, for example.
- the CPU 10a can also turn off the switching element of the power supply relay 5a in order to cut off the power supply itself.
- the motor 2 is a brushless motor in which two sets of three-phase motor windings 24a and 24b are delta-connected.
- a rotation sensor for detecting the rotational position of the rotor 23 is mounted.
- This rotation sensor is also composed of two sets of rotation sensors 17a and 17b in order to ensure redundancy.
- the rotation information from the rotation sensors 17a and 17b is input to the input circuits 12a and 12b of the control boards 4a and 4b, respectively.
- the motor is a three-phase motor, it may be a four-phase or more multiphase motor.
- the motor winding is configured by delta connection of three-phase windings, but may be configured by star connection of three-phase windings.
- the motor is a three-phase brushless motor, but it may be a two-pole two-pair brushed motor.
- the motor winding can employ a distributed winding or a concentrated winding.
- the motor may be a tandem motor having so-called two stators. However, it is sufficient that only one set of windings or a combination of two sets can output a desired motor speed and torque.
- this electric power steering apparatus is composed of two independent sets of circuit networks, connectors, sensors, etc. to ensure redundancy.
- the electric power steering apparatus includes a control unit 1 and a motor 2.
- the control unit 1 is arranged coaxially with the motor 2 on one side in the axial direction of the output shaft 21 of the motor 2 and is integrated with the motor 2.
- the electric power steering device is arranged with the axial direction of the output shaft 21 of the motor 2 as the vertical direction and the control unit 1 positioned upward.
- the output of the motor 2 is output from the lower end portion of the output shaft 21 to, for example, a speed reducer (not shown). That is, in FIG.
- the motor 2 is mainly composed of an output shaft 21, a rotor 23, a stator 22, and a motor case 25 incorporating these.
- the motor case 25 has a bottomed cylindrical shape including a cylindrical portion 25a and a bottom portion 25b that closes an opening on the output side of the cylindrical portion 25a.
- the motor case 25 is made of metal, and is preferably made of aluminum in consideration of heat dissipation and outer shape.
- the frame 29 is made of a metal in a disc shape. The frame 29 is inserted and held in the opening on the counter-output side of the cylindrical portion 25a by press fitting, shrink fitting or the like, and closes the opening on the counter-output side of the cylindrical portion 25a.
- the frame 29 serves as a lid for the motor 2.
- the motor 2 is separated and independent from the control unit 1 by a frame 29.
- the stator 22 is inserted and held in the cylindrical portion 25a of the motor case 25 by press fitting, shrink fitting or the like.
- the stator 22 includes three-phase motor windings 24.
- the motor winding 24 includes two sets of three-phase motor windings 24a and 24b.
- An annular wiring portion 27 is disposed on the output side of the frame 29 and in the vicinity of the motor winding 24.
- a terminal of the motor winding 24 is connected to the annular wiring portion 27.
- Three phase terminals 28a and 28b, through which three-phase currents for driving the motor windings 24a and 24b flow, are drawn out from the annular wiring portion 27 three by one, penetrate the frame 29, and are drawn out to the non-output side. . That is, the three phase terminals 28a are connected to the respective phase windings of the motor winding 24a, and the three phase terminals 28b are connected to the respective phase windings of the motor winding 24b.
- the rotor 23 is fixed to the output shaft 21 and is rotatably disposed in the motor case 25.
- the output shaft 21 is supported by a bearing 26a disposed at the axial center position of the frame 29 and a bearing 26b disposed at the axial center position of the bottom portion 25b.
- the rotor 23 is disposed coaxially with the stator 22 in the stator 22.
- the sensor rotor 18 is disposed at the protruding end of the output shaft 21 from the frame 29.
- a plurality of permanent magnets are arranged at a constant pitch on the outer peripheral surface of the rotor 23 or on the inner peripheral side in the vicinity of the outer periphery so that N poles and S poles are alternately arranged in the circumferential direction. ing.
- control unit 1 needs to have an area in the radial direction that is a direction orthogonal to the output shaft 21 (X-axis direction in the drawing) equal to or smaller than that of the motor 2. Therefore, when the control unit 1 is attached, a vertically placed structure in which the main part is arranged in parallel with the output shaft 21 is employed.
- the outer layer of the control unit 1 is covered with a resin housing 15. That is, the housing 15 constitutes an outer shell of the control unit 1.
- the housing 15 is formed in a bottomed cylindrical shape including a cylindrical peripheral wall 15a that covers the components of the control unit 1 and a bottom portion 15b that closes one side opening of the peripheral wall 15a.
- the end surface of the bottom portion 15 b on the side opposite to the output side is a flat surface orthogonal to the axial direction of the output shaft 21.
- the housing 15 is fitted into the opening of the cylindrical portion 25a of the motor case 25 with the opening directed downward (Z-axis minus direction in the drawing), and is attached to the cylindrical portion 25a using a screw (not shown).
- power connectors 43a and 43b connected to the battery 9 as an external power source and a plurality of signal connectors 44a and 44b connected to the sensors 8 are arranged. Furthermore, filters 6a and 6b, which are large components, are mounted on the end surface of the bottom 15b of the housing 15 on the side opposite to the output side.
- the power connectors 43a and 43b are connectors through which a large current flows
- the signal connectors 44a and 44b are connectors through which a small current flows compared to the current flowing through the power connectors 43a and 43b.
- power modules 50a and 50b Inside the housing 15, there are power modules 50a and 50b in which a plurality of switching elements constituting a heat sink 41, control boards 4a and 4b, and inverter circuits 3a and 3b (see FIG. 1) are built, smoothing capacitors 30U, 30V, and 30W. (30aU, 30aV, 30aW, 30bU, 30bV, 30bW) are arranged.
- the power module 50a is equivalent to the inverter circuit 3a
- the power module 50b is equivalent to the inverter circuit 3b.
- the heat sink 41 is made of a metal having a high thermal conductivity material such as aluminum or copper, and includes a disk-like base portion 41a and a rectangular parallelepiped column portion 41b that stands upright at the center of the base portion 41a.
- the base portion 41a of the heat sink 41 is disposed in the opening on the opposite side to the cylindrical portion 25a.
- the base portion 41 a is pressed and clamped between the peripheral wall 15 a of the housing 15 attached to the cylindrical portion 25 a and the frame 29. Thereby, the heat sink 41 is fixed to the motor 2.
- the base portion 41 a is in contact with the inner peripheral wall surface of the cylindrical portion 25 a and is in contact with the end surface on the opposite side of the frame 29.
- the column portion 41 b is located in the extension line of the shaft center of the output shaft 21 and is disposed in the housing 15.
- the column part 41b has four arrangement
- the recess 41c is formed so as to open to the lower part of the base part 41a and the base part 41a side of the column part 41b.
- the projecting end of the output shaft 21 from the frame 29, that is, the opposite end portion of the output shaft 21 is inserted into the concave portion 41c and positioned in the base portion 41a.
- the sensor rotor 18 is attached to the end of the output shaft 21 on the non-output side.
- the sensor rotor 18 is composed of a pair or a plurality of pairs of magnet rotors.
- the circuit board 40 is disposed on the facing surface of the sensor rotor 18 in the recess 41c.
- the rotation sensors 17 a and 17 b are mounted on the circuit board 40 and arranged to face the sensor rotor 18.
- the rotation sensors 17a and 17b independently detect changes in the magnetic field caused by the rotation of the sensor rotor 18. Thereby, the rotation sensors 17a and 17b detect the rotation of the output shaft 21 independently.
- the rotation sensors 17a and 17b are built in one package, but each may be constituted by one package.
- the power supply lines and signal lines of the rotation sensors 17a and 17b are drawn out to the left and right (X axis plus and minus directions) in FIG. 2 via the wiring pattern of the circuit board 40, and connected to the lower sides of the control boards 4a and 4b, respectively. Is done.
- the sensor rotor 18 and the rotation sensors 17a and 17b have been described as magnetic sensor types, but are not limited to this type, and may be resolvers or hall sensors.
- the power modules 50a and 50b are configured by resin-sealing a plurality of switching elements constituting the inverter circuits 3a and 3b (see FIG. 1) mounted on the base wiring. .
- the power modules 50a and 50b are attached in close contact with a pair of opposing placement portions 41f and 41g of the heat sink column 41b (see FIG. 2).
- control board 4a is formed in a rectangular flat plate shape, and the CPU 10a, the drive circuit 11a, the input circuit 12a, the power supply circuit 13a and the like described in FIG. 1 are mounted.
- control board 4b is formed in a rectangular flat plate shape, and is mounted with a CPU 10b, a drive circuit 11b, an input circuit 12b, a power supply circuit 13b, and the like.
- the control boards 4a and 4b are attached with a gap in parallel with each of the other pair of arrangement parts 41d and 41e facing the column part 41b.
- the control board 4a is connected to the signal line 50c of the power module 50a.
- control board 4a is arranged on the arrangement unit 41d so as to protrude from the arrangement unit 41d to the power module 50a side. Thereby, the control board 4a and the power module 50a overlap each other when viewed from the direction orthogonal to the arrangement portion 41d.
- control board 4b it is connected to the signal line 50d of the power module 50b. Therefore, the control board 4b is arranged on the arrangement unit 41e so as to protrude from the arrangement unit 41e toward the power module 50b. Thereby, the control board 4b and the power module 50b overlap each other when viewed from the direction orthogonal to the arrangement portion 41e.
- the signal line 44c of the signal connector 44a is drawn into the housing 15 from the bottom 15b and connected to the upper side of the control board 4a near the signal connector 44a.
- the signal line 44d of the signal connector 44b is also drawn from the bottom 15b into the housing 15 and connected to the upper side of the control board 4b near the signal connector 44b.
- the signal lines 44c and 44d are connected to the input circuits 12a and 12b (see FIG. 1) of the control boards 4a and 4b.
- the power supply line 43c of the power supply connector 43a is pulled out from the bottom 15b into the housing 15 through the filter 6a.
- the power supply line 43c drawn into the housing 15 is connected to the power supply line (not shown) of the inverter circuit 3a or the power supply relay 5a via the bus bar of the relay member 42.
- the power supply line 43d of the power supply connector 43b is also drawn out from the bottom 15b into the housing 15 through the filter 6b.
- the power line 43d drawn into the housing 15 is connected to the power line (not shown) of the inverter circuit 3b or the power relay 5b via the bus bar of the relay member 42.
- the output terminal 51a of the inverter circuit 3a is drawn from the power module 50a to the control board 4b side.
- the output terminal 51 a is connected to the extension terminal 42 a via the bus bar of the relay member 42.
- the extension terminal 42a is drawn out radially outward through the motor 2 side of the control board 4b.
- the output terminal 51b of the inverter circuit 3b is also pulled out from the power module 50b to the control board 4a side.
- the output terminal 51 b is connected to the extension terminal 42 b through the bus bar of the relay member 42.
- the extension terminal 42b is pulled out radially outward through the motor 2 side of the control board 4a.
- phase terminals 28a (28aU, 28aV, 28aW) connected to the respective phase windings of the motor winding 24a are pulled out into the housing 15 through the frame 29 and the base portion 41a.
- the phase terminal 28a (28aU, 28aV, 28aW) is connected to each of the extension terminals 42a on the motor 2 side of the control board 4b and radially outward.
- phase terminals 28b (28bU, 28bV, 28bW) connected to the windings of the respective phases of the motor winding 24b are drawn out into the housing 15 through the frame 29 and the base portion 41a.
- the phase terminal 28b (28bU, 28bV, 28bW) is connected to each of the extension terminals 42b on the motor 2 side of the control board 4a and radially outward.
- smoothing capacitors 30aU, 30aV, and 30aW are fixed to the support member 45a and vertically stacked on the outer side in the radial direction of the control board 4b. That is, the smoothing capacitors 30aU, 30aV, and 30aW have the length direction orthogonal to the axial direction of the output shaft 21 and parallel to the arrangement portion 41e (see FIG. 3), and the axial direction of the output shaft 21 (Z-axis direction). Are arranged in one column.
- the smoothing capacitors 30aU, 30aV, and 30aW are disposed so as to approach the power connector 43a side when viewed from the opposite side of the output shaft 21 in the axial direction (Z-axis plus direction).
- one smoothing capacitor 30aU to 30aW is arranged on the radially outer side of the other control board 4b that is far from one control board 4a, and one power module 50a and the other control board 4b are arranged therebetween. Will be.
- the smoothing capacitors 30bU, 30bV, and 30bW are also fixed to the support member 45b and vertically stacked on the outer side in the radial direction of the control board 4a. That is, the smoothing capacitors 30bU, 30bV, and 30bW are arranged in a line in the axial direction of the output shaft 21 with the length direction orthogonal to the axial direction of the output shaft 21 and parallel to the arrangement portion 41d (see FIG. 3). Is done.
- the smoothing capacitors 30bU, 30bV, 30bW are arranged so as to approach the power supply connector 43b side when viewed from the opposite side of the output shaft 21 in the axial direction (Z-axis plus direction).
- the terminal of each smoothing capacitor 30 is connected to the power supply line (not shown) of the relay member 42 or the power supply line (not shown) wired to the power modules 50a and 50b.
- FIG. 4 is a perspective view showing the internal structure of the power module 50a, and includes the inverter circuit 3a and the power supply relay 5a in the circuit diagram of FIG.
- An alternate long and short dash line indicates an outer portion of the mold resin, and the base plate 37 is used as main wiring, and a large number of terminals extend from the base plate 37 in the vertical direction in the figure.
- the lower side is a control terminal row with a relatively small current, and the power terminal for large current is arranged on the upper side.
- the power relay 5a is disposed at the left end of the power module 50a.
- the base of the FET is connected by wire bonding 35a, and has a jumper line 35b that electrically connects each part.
- current detection shunt resistors 33U, 33V, and 33W are distributed in the vicinity of the upper side (X-axis minus side) in the figure, and the voltage detection wiring is extended to the lower side (X-axis plus side). Yes.
- the detection terminals 36Uu, 36Ud, 36Vu, 36Vd, 36Wu, and 36Wd of the shunt resistors 33U, 33V, and 33W are two in total, and a total of six are on the lower side in FIG. Side). Since the current flowing through them is very small, it has the same shape and material as the control terminal. Since six FETs are PWM-driven in the vicinity of these, many noises are mixed in the voltage detection at the moment when the switching is turned on and off. As for this noise, since the CPU 10a outputs a drive signal, the problem of noise mixing can be solved by monitoring the drive signal and detecting the voltage while avoiding the switching moment.
- the power module 50b is separated from the detection terminals 36Uu, 36Ud, 36Vu, 36Vd, 36Wu, and 36Wd, but noise is mixed in this wiring. There can be fear. If the CPUs 10a and 10b are accurately synchronized and have the same PWM period, noise mixing can be prevented by setting the detection time accurately. However, since both CPUs 10a and 10b exist independently and output independently, it is impossible for the drive signals to accurately match both, and both CPUs 10a and 10b independently output drive signals without synchronization. However, when the CPUs 10a and 10b do not detect the other party, it is necessary to take noise reduction measures for the detection terminals 36Uu, 36Ud, 36Vu, 36Vd, 36Wu, and 36Wd.
- shielding walls 41h and 41j are provided in the oval portions shown in FIG. 4 near the six detection terminals 36Uu, 36Ud, 36Vu, 36Vd, 36Wu, and 36Wd that detect voltages. Since the shielding walls 41h and 41j are extended to other adjacent detection terminals to shield the noise that wraps around, they are set wider than between the detection terminals.
- the shielding walls 41h and 41j will be further described with reference to FIG.
- FIG. 5 is a partial cross-sectional view as viewed from the arrow P side in FIG. 3, that is, from the placement portion 41d which is the control board ground plane of the heat sink 41, and is a view in which the control board 4a and the like are omitted.
- Power modules 50a and 50b are arranged on both sides of the heat sink 41, and a part of the other control board 4b is arranged behind the power modules 50a and 50b.
- the shielding walls 41h, 41j, and 41i are installed on the placement portion 41d that is the control board ground plane.
- the shielding walls 41h, 41j, 41i protrude in the X-axis direction in FIG.
- the shielding walls 41h and 41i have holes for screwing screws 14c, and the shielding walls 41j have no holes. Further, the shielding wall 41h and the shielding wall 41i have different lengths in the Z direction in the figure.
- the broken shielding walls 41k, 41l, 41m are arranged on the control board 4b side.
- the shielding wall 41h arranged in the vicinity of the detection terminals 36Wu and 36Wd of the power module 50a shown in FIG. 4 is in a position where it can also be used for fixing the control board 4a in FIG. Therefore, the number of parts is reduced by using the supporting portion for fixing the control board 4a as a shielding wall to increase the cross-sectional area.
- the shielding walls 41j and 41l are close to the control board 4a, but may not be in contact with each other. When contacted with the control board 4a, wiring other than parts and ground patterns cannot be made at the contact part, so that it is possible to leave a slight gap so as not to contact in order not to reduce the effective area of the control board 4a. It is. In addition, since the shielding walls 41i and 41m do not have a control terminal or a detection terminal to be shielded, a wide cross section is unnecessary, and thus the area of the ellipse is set smaller than the shielding walls 41h and 41k.
- These shielding walls can particularly suppress radiation noise from switching noise of the other power module, and as a result, a current value that is a potential difference between both ends of the shunt resistor can be accurately detected.
- radiation noise is schematically shown by arrows 60a and 60b, and switching noise is shielded by the shielding walls 41h and 41k.
- Embodiment 2 the type in which the structure in the control unit is different from that of the first embodiment will be described with reference to FIG.
- the circuit diagram of the control unit 100 in FIG. 6 is substantially the same as that in FIG.
- the output shaft 21 a penetrates through the center of the control unit 100.
- the structure of the motor 2 is the same as that of the first embodiment, and the rotor 23, the stator 22, the winding 24, etc. are built in the motor case 25, and the annular wiring portion 27a is arranged on the upper side of the winding 24 in the figure.
- the phase terminals 28a and 28b of the winding extend toward the front.
- control unit 100 two sets of control circuits 10a and 10b, a relay member 70, power modules 50e and 50f, and a heat sink 41n configured by one control board 4d are stacked in order from the lower side (motor side) in FIG. Structure.
- the heat sink 41n functions as a lid of the control unit 100 and a connection portion with, for example, a speed reduction mechanism on the vehicle side.
- the connectors 43e and 44e are arranged on the side surface of the control unit 100, and not one set for each set as in the first embodiment, but one power connector 43e and one signal connector 44e. It is assumed that each group is separated internally. Since the capacitors 30a and 30b are in the heat sink 41n, they are indicated by broken lines.
- the relay member 70 is formed of an insulating resin material, and has electrical wiring, for example, a copper plate, stretched inside or on the upper and lower surfaces, and at least positive and negative power lines are installed.
- the terminals of the capacitors 30a and 30b are also connected to the power supply line, and the power supply lines of the power modules 50e and 50f are similarly connected.
- a convex portion 71 is also provided for pressing the power modules 50e and 50f against the heat sink 41n.
- Fig. 7 shows the external shape and internal wiring of the power module 50e. Since the power module 50f has the same structure, the description thereof is omitted here. Unlike Embodiment 1, the power terminal and the control terminal are not completely separated.
- a switching element 34U configured by an FET (Field-Effect-Transistor) not shown in FIG. 1 is added to the inverter circuit configured by the power module 50e.
- the switching element 34U is an FET having a relay function inserted between a connection point between the switching elements 31U and 32U constituted by upper and lower arm FETs and the winding of the motor 2, and is normally always on ( Conduction).
- the output terminal and control terminal for the motor are arranged on the lower side (X-axis minus side) in FIG. 7, and the plus and minus power terminals are arranged on the upper side (X-axis plus side).
- the motor output terminal may be connected to the phase terminal 28a of the motor winding, and the control terminal is arranged by being shifted in the radial direction (Y-axis direction) of the output shaft 21a as shown in FIG. , Have an interval.
- the shunt resistors 33U, 33V, 33W and the detection terminals at both ends thereof are extended in the negative direction of the X-axis in FIG. 7 in the same manner as the other control terminals as in the first embodiment. Therefore, by providing a blocking wall near the detection terminals at both ends of these shunt resistors, noise from the other power module 50f is shielded.
- FIG. 8A described later since the control unit 100 is arranged in a circular space, the power modules 50e and 50f are different in each phase.
- FIG. 8A is a plan view of the relay member 70 viewed from the control board 4c side
- FIG. 8B is a front view.
- a pair of power modules 50e and 50f, connection wirings to a control board, etc., and a number of elliptical holes are provided in a substantially circular insulating member symmetrically on the left and right.
- Power modules 50e and 50f indicated by broken lines are arranged in the vicinity thereof.
- the ground patterns 3c-3 and 3d- are formed of a copper plate and are further electrically connected to the shielding walls 410h to 410m.
- the shielding walls 410h to 410m are made of copper or aluminum metal pillars.
- the shielding walls 410i, 410j, 410l, and 410m have no protrusions, have a slight gap with the control board 4c, and are not in contact with each other.
- the shielding walls 410h and 410k have protrusions at the front end portions for fixing the control boards 4c and 4d.
- the control board 4c is fixed and supported by this protrusion.
- 410n and 410o have the same shape and material as the shielding wall, they are not the purpose of shielding but are merely support pillars for the control board 4d.
- the metal shielding wall connected to the electrical wiring on the insulating relay member 70 in the vicinity of the detection terminal of the power module, it is possible to prevent noise from entering from the other power module and to shield it.
- Part of the wall is also used to support other parts to reduce the number of parts.
- various structures such as outsert, insert, and fitting can be used.
- Shielding walls 410p and 410q are also installed on the lower side (Z-axis plus side) in FIG. 8B, that is, on the power module side. Similarly to the shielding walls 410h to 410m on the control board 4d side, these are also installed on the power modules 50e and 50f side so as to surround the vicinity of the radiation noise generation source. However, the width (length) direction of the shielding wall needs to be as wide as possible from the arrangement of the power modules 50e and 50f and the dispersion of radiation noise. It is particularly necessary to install a shielding wall around the motor winding terminals.
- the shielding walls 410p and 410q are indicated by broken lines in FIG.
- Radiation noise from the power module 50e especially noise when the switching element is turned on / off, includes high-frequency electromagnetic noise, so the shielding walls 410p and 410q need not be electrically connected to the ground or the positive power supply line. There is also a shielding effect.
- the detection circuit is described as detecting the voltage across the shunt resistor in the power module, the detection circuit is not limited to the shunt resistor.
- the detection circuit is a detection circuit for sensors such as a rotation sensor and a torque sensor in FIG. However, it can be adapted depending on the arrangement. Further, even a type that is built in a power module including a circuit that amplifies the potential difference between both ends of the shunt resistor is applicable. In other words, install a metal shielding wall on the detection terminal at a position facing the noise source to suppress radiation noise, and use part of the shielding wall as a part support to reduce the number of parts. Can do. Further, whether or not the metal shielding wall is electrically connected to the positive power source or the ground may be determined based on the type of radiation noise.
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Abstract
電動パワーステアリング装置は、モータ(2)と、制御ユニット(1)がモータ(2)の出力軸端に同軸状で一体化され、モータの巻線(24a、24b)を独立に2組備え、制御ユニット(1)内には、電流を供給する複数のスイッチング素子を有した2組のインバータ回路(3a、3b)、このインバータ回路(3a、3b)にそれぞれ駆動信号を出力する2組の制御回路を備え、インバータ回路(3a、3b)はパワーモジュール(50a,50b)からなり、電流を検出するためのシャント抵抗(33U、33V、33W)の両端の電圧を検出するための検出端子を備え、パワーモジュール(50a、50b)、制御回路を構成する制御基板(4a、4b)を支持するヒートシンク(41)に、ノイズを遮蔽する遮蔽壁(41h、41k)を備えるとともに、この遮蔽壁は制御基板(4a、4b)を支持している。
Description
本願は、モータと制御ユニットが一体化された電動パワーステアリング装置で、2組のモータ巻線、モータ駆動回路を備えた制御ユニットのノイズ対策に関する。
モータの出力軸の軸方向に同軸に配置されたモータと制御ユニットとを一体化して構成された従来の電動パワーステアリング装置において、モータケース内にステータ、及びロータなどが内蔵されたモータの近傍に配置された制御ユニットが、主要構成部品を軸方向に積層して組立てられた構造が散見されている。また、冗長性を考慮して、モータ巻線を2組とし、これらを駆動するいわゆるインバータ回路および制御基板も独立に2組備えた従来装置も現れている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に開示された従来装置は、モータの出力軸と反対側に制御ユニットを配置し、制御ユニット4を覆うコネクタケース3に複数のコネクタ、及び電源回路部20の各部品を搭載したものであり、比較的大型部品である電源回路部20を制御ユニット4内に配置することなく、分離して配置して小型化を図った装置である。電源回路部20の各部品は電源用コネクタ1から伸びた電源用導電バー13、14、15a~15cに各部品(コンデンサ、コイル)を接続させたものであり、電源回路部20による装置外部へのノイズ放出に対しては効果があった。
しかし、近年、大電流をPWM駆動する制御ユニットは、2組存在しており、ノイズ源は増加され、さらに、微小電流を検出する回路を有しており、ノイズ対策には改善すべき点がある。
本願はこのような課題を解決するものであり、ノイズ対策をさらに図った電動パワーステアリング装置を提供する。
本願はこのような課題を解決するものであり、ノイズ対策をさらに図った電動パワーステアリング装置を提供する。
本願に開示される電動パワーステアリング装置は、独立して2組設けられた巻線を有するモータと、制御ユニット内にあって2組設けられた巻線のそれぞれに電流を供給する複数のスイッチング素子を有する2組のインバータ回路と、この2組のインバータ回路のそれぞれに接続された制御回路を備えたものであって、制御ユニットは、インバータ回路の電流を検出する検出回路、この検出回路から伸びる検出端子を備え、2組のインバータ回路の一方のインバータ回路を駆動することにより放出されるノイズを遮蔽する金属製の遮蔽壁を他方のインバータ回路の検出端子近傍に配置するとともに、配置された遮蔽壁の少なくとも1つは制御回路を支持する支持部材を有することを特徴とする。
本願に開示される電動パワーステアリングによれば、一方のノイズ源からの放射ノイズに対して、検出端子の近傍に金属の遮蔽壁を設けたので、簡単な構造でノイズを遮断でき、検出信号の精度を向上することができる。
実施の形態1.
実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置の全体構成及び動作を説明する。図1は、実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置の回路図、図2は、実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置を示す断面図、図3は、実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置における制御ユニット周りを反出力側から見た透視図である。以降、各図において同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置の全体構成及び動作を説明する。図1は、実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置の回路図、図2は、実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置を示す断面図、図3は、実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置における制御ユニット周りを反出力側から見た透視図である。以降、各図において同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
まず、電動パワーステアリング装置の制御につき、図1を使用して説明する。図1において、モータ巻線24は、2組の3相のモータ巻線24a、24bを備える。なお、モータ巻線24aは第1モータ巻線であり、モータ巻線24bは第2モータ巻線である。制御ユニット1は、2組のモータ巻線24a,24bのそれぞれに専用の制御ユニット1a、1bを備える。制御ユニット1aは、CPU10a、各種回路などが搭載された第1の制御回路である制御基板4aと、モータ2に電流を供給するインバータ回路3aと、電源用リレー5a、フィルタ6aなどを備える。
同様に、制御ユニット1bは、CPU10b、各種回路などが搭載された第2制御回路である制御基板4bと、モータ2に電流を供給するインバータ回路3bと、電源用リレー5b、フィルタ6bなどを備える。
制御ユニット1の回路構成について説明する。制御ユニット1a、1bは、同一の構成であるので、ここでは、制御ユニット1aについてのみ説明する。
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を介して電力が制御ユニット1aに供給される。車両の走行速度を検出する車速センサ、ハンドルの近傍に搭載される操舵トルクを検出するトルクセンサなどのセンサ類8からの情報が、CPU10aに伝達される。CPU10aは、これらの情報に基づいてモータ2を回転させるための制御量である電流値を演算し、駆動回路11aに出力する。駆動回路11aは、CPU10aの出力信号を受け、インバータ回路3aの各スイッチング素子を駆動する駆動信号をインバータ回路3aに出力する。
バッテリ9と接続される電源系(+B電源ライン、グランド(GND))には、インバータ回路3aのPWM駆動によるノイズの放出を抑制、又は電源変動を抑制するために、コンデンサとコイルとからなるフィルタ6aが挿入されている。さらに、+B電源ラインを開閉する電源用リレー5aが、+B電源ラインに挿入されている。この電源用リレー5aは、2つのスイッチング素子と、電流供給方向に対して順方向と逆方向の2つの寄生ダイオードと、を備える。電源用リレー5aは、インバータ回路3a又はモータ2に故障が発生した場合などに、電力供給を強制的に遮断することができる。さらに、電源用リレー5aは、バッテリ9を逆接続した場合に、電流が流れるラインを遮断することができ、いわゆるバッテリ逆接続保護の役目も担っている。
インバータ回路3aは、モータ巻線24aの各相に対応する3つの回路部3U、3V、3Wを備える。ここで、3つの回路部3U、3V、3Wは、同一の構成であるので、回路部3Uについてのみ説明する。回路部3Uは、上アーム用のスイッチング素子31Uと、下アーム用のスイッチング素子32Uとを備えている。上下アーム用のスイッチング素子31U、32Uは、CPU10aの指令に基づきPWM駆動される。このため、ノイズ抑制、電源変動抑制の目的で、平滑コンデンサ30Uが、上下アーム用のスイッチング素子31U,32Uと並列に接続されている。さらに、モータ2に流れる電流を検出するためのシャント抵抗33Uが、下アーム用のスイッチング素子32Uと直列に接続されている。
回路部3U、3V、3Wは、モータ巻線24aのU1相、V1相およびW1相の各巻線に対して同一の回路構成を有しており、各巻線に独立に電流供給を行える。なお、図1中丸(〇)印は、制御ユニット1a、1bに設けられた、外部機器との接続端子を示す。
また、シャント抵抗33Uの両端間の電位差、モータ巻線端子の電圧なども入力回路12aに入力される。このシャント抵抗33Uが検出回路に相当する。このシャント抵抗33Uはモータ電流回路に直列に挿入されているので、抵抗値は非常に小さく、その両端の電位差も小さく、駆動回路11aで増幅してCPU10aに入力されている。そのため、シャント抵抗33Uにノイズが混入するとノイズまで増幅されるために、ノイズの遮断が必要である。CPU10aでは、演算した電流値に対応する検出電流値との差異を演算して、いわゆるフィードバック制御を行うことで、所望のモータ電流を供給し、操舵力をアシストしているので、特に検出電流値の精度は制御性能に大きく影響する。
さらに、バッテリ9とインバータ回路3aとを接続または遮断するリレーとして作動する電源用リレー5aのスイッチング素子の駆動信号も、駆動回路11a介して出力される。なお、電源用リレー5aのスイッチング素子は、大電流が流れるため発熱を伴う。そこで、電源用リレー5aのスイッチング素子を、インバータ回路3aに包含させて、パワーモジュールとして構成することもできる。
CPU10aは、入力した各種の情報から、センサ類8、駆動回路11a、インバータ回路3a、モータ巻線24aなどの異常を検出する異常検出機能を有する。CPU10aは、異常を検出した場合、その異常に応じて、例えば異常が検出された相のみの電流供給を遮断するために、当該相の上下アーム用スイッチング素子をオフする。また、CPU10aは、電源自体を元から遮断するために電源用リレー5aのスイッチング素子をオフすることも可能である。
ここで、前述したように、モータ2は、2組の3相のモータ巻線24a,24bがデルタ結線されたブラシレスモータである。ブラシレスモータのために、ロータ23の回転位置を検出するための回転センサが搭載されている。この回転センサも、冗長性を確保するために2組の回転センサ17a、17bから構成されている。回転センサ17a、17bからの回転情報は、それぞれ制御基板4a、4bの入力回路12a、12bに入力される。
なお、モータは、三相モータとしているが、四相以上の多相モータでもよい。また、モータ巻線は、三相の巻線をデルタ結線して構成されているが、三相の巻線をスター結線して構成してもよい。また、モータは、三相のブラシレスモータとしているが、2極2対のブラシ付きモータであってもよい。また、モータ巻線は、分布巻巻線または集中巻巻線を採用できる。また、モータは、いわゆる2個のステータを有するタンデムモータであってもよい。ただし、1組の巻線のみでも、2組協働でも所望のモータ回転数、トルクが出力できる構成であればよい。
以上のように、本電動パワーステアリング装置は、回路網、コネクタ、センサなどがすべて独立した2組で構成され、冗長性を確保している。
次に図2により、電動パワーステアリング装置の構造を説明する。電動パワーステアリング装置は、制御ユニット1と、モータ2とを備えている。制御ユニット1は、モータ2の出力軸21の軸方向の一方側に、モータ2と同軸状に配置されて、モータ2と一体化されている。そして、電動パワーステアリング装置は、モータ2の出力軸21の軸方向を上下方向として、かつ制御ユニット1を上方に位置させて配置される。モータ2の出力が、出力軸21の下端部から、例えば減速機(図示せず)に出力される。つまり、図2において、出力軸21の下端側(Z軸マイナス方向)が出力側、出力軸21の上端側(Z軸プラス方向)が反出力側となる。
まず、モータ2の構成について、説明する。モータ2は、出力軸21、ロータ23、ステータ22、これらを内蔵するモータケース25から主に構成される。
まず、モータ2の構成について、説明する。モータ2は、出力軸21、ロータ23、ステータ22、これらを内蔵するモータケース25から主に構成される。
モータケース25は、円筒部25aと、円筒部25aの出力側の開口を塞ぐ底部25bと、からなる有底円筒状に構成されている。モータケース25は、金属製であり、放熱性、および外形の形状を考慮すると、アルミニウムで作製することが望ましい。フレーム29が、金属で円盤状に作製されている。フレーム29は、円筒部25aの反出力側の開口内に、圧入、焼き嵌めなどにより、挿入、保持され、円筒部25aの反出力側の開口を塞いでいる。フレーム29は、モータ2の蓋の役目を有する。モータ2は、フレーム29により、制御ユニット1と分離、独立されている。
ステータ22は、モータケース25の円筒部25a内に、圧入、焼き嵌めなどにより、挿入、保持されている。ステータ22は、3相のモータ巻線24を備える。前述した通り、モータ巻線24は、2組の3相のモータ巻線24a、24bを備える。環状配線部27が、フレーム29の出力側に、かつモータ巻線24の近傍に配置されている。モータ巻線24の端末が、環状配線部27に接続されている。モータ巻線24a、24bを駆動するための3相の電流が流れる相端子28a、28bが、環状配線部27から3本ずつ引き出され、フレーム29を貫通して、反出力側に引き出されている。つまり、3本の相端子28aがモータ巻線24aの各相の巻線に接続され、3本の相端子28bがモータ巻線24bの各相の巻線に接続される。
ロータ23は、出力軸21に固着され、モータケース25内に回転可能に配置されている。出力軸21は、フレーム29の軸心位置に配置された軸受26aと、底部25bの軸心位置に配置された軸受26bとに支持されている。ロータ23は、ステータ22内に、ステータ22と同軸に配置されている。センサロータ18が、出力軸21のフレーム29からの突出端に配置されている。なお、図示していないが、永久磁石が、周方向にN極とS極とが交互に並ぶように、一定のピッチで、ロータ23の外周面、又は外周近傍の内周側に複数配置されている。
つぎに、制御ユニット1の構成について、図2および図3を用いて説明する。
図2において、制御ユニット1は、出力軸21と直交する方向(図中、X軸方向)である径方向の面積をモータ2と同等、又は小さくする必要がある。そこで、制御ユニット1の取り付けに当たっては、その主要部位を出力軸21と平行に配置する縦置き構造が採用されている。
図2において、制御ユニット1は、出力軸21と直交する方向(図中、X軸方向)である径方向の面積をモータ2と同等、又は小さくする必要がある。そこで、制御ユニット1の取り付けに当たっては、その主要部位を出力軸21と平行に配置する縦置き構造が採用されている。
制御ユニット1は、その外層が樹脂製のハウジング15により覆われている。すなわち、ハウジング15は、制御ユニット1の外殻を構成する。ハウジング15は、制御ユニット1の構成部品を覆う円筒状の周壁15aと、周壁15aの一側開口を塞ぐ底部15bと、からなる有底円筒状に形成されている。底部15bの反出力側の端面は、出力軸21の軸方向と直交する平坦面となっている。ハウジング15は、開口を下方(図中Z軸マイナス方向)に向けて、モータケース25の円筒部25aの開口に嵌め合わされ、ねじ(図示せず)を用いて円筒部25aに取り付けられている。ハウジング15の底部15bの反出力側の端面には、外部電源であるバッテリ9と接続する電源コネクタ43a,43b、およびセンサ類8と接続する複数の信号コネクタ44a,44bが配置されている。さらに、ハウジング15の底部15bの反出力側の端面には、大型部品であるフィルタ6a,6bなどが搭載される。電源コネクタ43a,43bは、大電流が流れるコネクタであり、信号コネクタ44a,44bは、電源コネクタ43a,43bに流れる電流と比較して小電流が流れるコネクタである。
ハウジング15の内部には、ヒートシンク41、制御基板4a,4b、インバータ回路3a,3b(図1参照)を構成する複数のスイッチング素子が内蔵されたパワーモジュール50a,50b、平滑コンデンサ30U、30V、30W(30aU、30aV、30aW、30bU、30bV、30bW)などが配置される。なお、パワーモジュール50aがインバータ回路3a相当であり、パワーモジュール50bがインバータ回路3b相当である。
ヒートシンク41は、アルミニウム、銅などの高熱伝導材料の金属製であり、円盤状のベース部41aと、ベース部41aの中央部に直立する直方体の柱部41bとを備える。ヒートシンク41のベース部41aが、円筒部25aの反出力側の開口内に配置される。ベース部41aは、円筒部25aに取り付けられたハウジング15の周壁15aとフレーム29との間に加圧挟持される。これにより、ヒートシンク41は、モータ2に固定される。ベース部41aは、円筒部25aの内周壁面に接し、フレーム29の反出力側の端面に接する。柱部41bは、出力軸21の軸心の延長線上に位置して、ハウジング15内に配置されている。柱部41bは、出力軸21の軸方向(Z軸方向)と平行な平面からなる4つの配置部41d,41e,41f,41g(図3参照)を有する。
凹部41cが、ベース部41aの下部と柱部41bのベース部41a側とに開口するように形成されている。出力軸21のフレーム29からの突出端、すなわち出力軸21の反出力側の端部が、凹部41cに挿入されて、ベース部41a内に位置している。センサロータ18が、出力軸21の反出力側の端部に装着される。センサロータ18は、1対、又は複数対の磁石ロータにより構成される。回路基板40が、凹部41c内のセンサロータ18の対向面に配置されている。回転センサ17a、17bが、回路基板40に搭載されて、センサロータ18に対向するように配置されている。回転センサ17a,17bは、センサロータ18が回転することによる磁界の変化をそれぞれ独立に検出する。これにより、回転センサ17a,17bが、出力軸21の回転を独立して検出する。回転センサ17a、17bは、1つのパッケージに内蔵されているが、それぞれ、1パッケージで構成されてもよい。
回転センサ17a、17bの電源ラインおよび信号ラインが、回路基板40の配線パターンを介して図2中左右(X軸プラス、マイナス方向)に分かれて引き出され、制御基板4a、4bの下辺にそれぞれ接続される。なお、センサロータ18および回転センサ17a、17bは、磁気センサタイプで説明したが、このタイプに限るものではなく、レゾルバであってもホールセンサであってもよい。
図3に示すように、パワーモジュール50a、50bは、インバータ回路3a、3b(図1参照)を構成する複数のスイッチング素子が、ベース配線上に実装された状態で樹脂封止されて構成される。パワーモジュール50a,50bは、ヒートシンク柱部41b(図2参照)の相対する一対の配置部41f,41gのそれぞれに密着状態に取り付けられる。
また、図3中、制御基板4aは、矩形平板状に形成され、図1で説明したCPU10a、駆動回路11a、入力回路12a、電源回路13aなどが実装される。同様に、制御基板4bは、矩形平板状に形成され、CPU10b、駆動回路11b、入力回路12b、電源回路13bなどが実装される。制御基板4a,4bは、柱部41bの相対するもう一対の配置部41d,41eのそれぞれに平行な状態で隙間をあけて取り付けられる。そして制御基板4aは、パワーモジュール50aの信号ライン50cと接続される。そこで、制御基板4aは、配置部41dからパワーモジュール50a側に突出するようにして、配置部41dに配置される。これにより、配置部41dと直交する方向から見て、制御基板4aとパワーモジュール50aとが重なっている。制御基板4bの同様にパワーモジュール50bの信号ライン50dと接続される。そこで、制御基板4bは、配置部41eからパワーモジュール50b側に突出するようにして、配置部41eに配置される。これにより、配置部41eと直交する方向から見て、制御基板4bとパワーモジュール50bとが重なっている。
図2中、信号コネクタ44aの信号ライン44cが、底部15bからハウジング15内に引き出されて、制御基板4aの信号コネクタ44aに近い上辺に接続される。一方、信号コネクタ44bの信号ライン44dも底部15bからハウジング15内に引き出されて、制御基板4bの信号コネクタ44bに近い上辺に接続される。これにより、信号ライン44c,44dが、制御基板4a,4bの入力回路12a,12b(図1参照)に接続される。
また、図2中、電源コネクタ43aの電源ライン43cが、フィルタ6aを介して底部15bからハウジング15内に引き出される。ハウジング15内に引き出された電源ライン43cが、中継部材42のバスバーを介して、インバータ回路3aまたは電源用リレー5aの電源ライン(図示せず)に接続される。一方、電源コネクタ43bの電源ライン43dもフィルタ6bを介して底部15bからハウジング15内に引き出される。ハウジング15内に引き出された電源ライン43dが、中継部材42のバスバーを介して、インバータ回路3bまたは電源用リレー5bの電源ライン(図示せず)に接続される。
図3で示すように、インバータ回路3aの出力端子51aは、パワーモジュール50aから制御基板4b側に引き出される。出力端子51aは、中継部材42のバスバーを介して延長ターミナル42aに接続される。延長ターミナル42aは、制御基板4bのモータ2側を通って径方向外方に引き出される。一方、インバータ回路3bの出力端子51bもパワーモジュール50bから制御基板4a側に引き出される。出力端子51bは、中継部材42のバスバーを介して延長ターミナル42bに接続される。延長ターミナル42bは、制御基板4aのモータ2側を通って径方向外方に引き出される。
また、モータ巻線24aの各相の巻線に接続された相端子28a(28aU,28aV,28aW)が、フレーム29およびベース部41aを貫通してハウジング15内に引き出される。相端子28a(28aU,28aV,28aW)は、制御基板4bのモータ2側、かつ径方向外方で、延長ターミナル42aのそれぞれに接続される。一方、モータ巻線24bの各相の巻線に接続された相端子28b(28bU,28bV,28bW)が、フレーム29およびベース部41aを貫通してハウジング15内に引き出される。相端子28b(28bU,28bV,28bW)が、制御基板4aのモータ2側、かつ径方向外方で、延長ターミナル42bのそれぞれに接続される。
また図2中、平滑コンデンサ30aU、30aV、30aWが、支持部材45aに固定されて、制御基板4bの径方向外方に縦積み配置されている。つまり、平滑コンデンサ30aU、30aV、30aWは、長さ方向を出力軸21の軸方向と直交させ、かつ配置部41e(図3参照)と平行にして、出力軸21の軸方向(Z軸方向)に1列に配列される。平滑コンデンサ30aU、30aV、30aWは、出力軸21の軸方向の反出力側(Z軸プラス方向)から見て、電源コネクタ43a側に近づくように配置される。また、一方の制御基板4aから遠い対向位置にいる他方の制御基板4bの径方向外側に一方の平滑コンデンサ30aU~30aWが配置され、その間に一方のパワーモジュール50a、他方の制御基板4bは配置されていることになる。
また、平滑コンデンサ30bU、30bV、30bWも支持部材45bに固定されて、制御基板4aの径方向外方に縦積み配置されている。つまり、平滑コンデンサ30bU、30bV、30bWは、長さ方向を出力軸21の軸方向と直交させ、かつ配置部41d(図3参照)と平行にして、出力軸21の軸方向に1列に配列される。平滑コンデンサ30bU、30bV、30bWは、出力軸21の軸方向の反出力側(Z軸プラス方向)から見て、電源コネクタ43b側に近づくように配置される。なお、各平滑コンデンサ30の端子は、中継部材42の電源ライン(図示せず)、又はパワーモジュール50a、50bに配線された電源ライン(図示せず)に接続される。
以上説明した実施の形態1のパワーステアリング装置の制御ユニット1において生ずるノイズとその対策について説明する。
図4は、パワーモジュール50aの内部構造を記載した透視図であり、図1の回路図のインバータ回路3aと電源用リレー5aを内蔵したものである。一点鎖線はモールド樹脂の外形部を示し、主な配線としてベースプレート37を利用し、図中上下方向に多数の端子がベースプレート37から伸びている。下側は比較的電流の小さい制御用端子列で、上側に大電流用のパワー端子を配置している。図5中、電源用リレー5aはパワーモジュール50aの左端に配置されている。FETのベースは、ワイヤボンディング35aで接続され、各部間を電気的に接続するジャンパ線35bを有する。ここで、電流検出用のシャント抵抗33U、33V、33Wが図中、上側(X軸マイナス側)付近に分散配置され、電圧検出のための配線が下側(X軸プラス側)まで延長されている。
すなわち、他の制御端子と同様に、シャント抵抗33U、33V、33Wの検出端子36Uu、36Ud、36Vu、36Vd、36Wu、36Wdが、2本ずつ計6本が図4中の下側(X軸プラス側)に配置される。これらに流れる電流は微小であるので、制御用端子と同一の形状、材料である。これらの近傍にて6個のFETがPWM駆動されるため、このスイッチングのオン、オフの瞬間時の電圧検出は多数のノイズが混入する。このノイズについては、CPU10aが駆動信号を出力しているので、この駆動信号を監視し、スイッチングの瞬間を避けて電圧を検出するようにすればノイズ混入の問題は解決できる。しかし、他方のCPU10bの駆動信号により生ずる、パワーモジュール50bのスイッチングについては、検出端子36Uu、36Ud、36Vu、36Vd、36Wu、36Wdからパワーモジュール50bが離れてはいるが、この配線にノイズが混入する恐れがありうる。CPU10a、10bが正確に同期を取って、かつ同一PWM周期であれば、検出時間を正確に設定すればノイズ混入を防止できる。しかし、両CPU10a、10bは独立で存在し、独立に出力するので駆動信号が正確に両者を一致させることは不可能であり、もし両CPU10a、10bが同期なしにそれぞれが独立に駆動信号を出力し、CPU10a、10bが相手方を検知していない場合は、検出端子36Uu、36Ud、36Vu、36Vd、36Wu、36Wdに対するノイズ除去対策が必要となる。
ノイズ混入を防止するため、電圧検出するこの6本の検出端子36Uu、36Ud、36Vu、36Vd、36Wu、36Wdの近傍の図4で楕円状に示された部分に遮蔽壁41h、41jを設ける。遮蔽壁41h、41jは隣接する他の検出端子まで広げることにより、回り込むノイズをも遮蔽するため、検出端子間以上に幅広く設定する。遮蔽壁41h、41jについては図5によりさらに説明する。図5は図3の矢印P側からの視点、つまりヒートシンク41の制御基板接地面である配置部41dから見た一部断面図であり、制御基板4a等を省略した図である。ヒートシンク41の両側にはパワーモジュール50a、50bが配置され、他方の制御基板4bの一部がパワーモジュール50a、50bの背後に配置されている。遮蔽壁41h、41j、41iが制御基板接地面である配置部41d上に設置されている。遮蔽壁41h、41j、41iは、図5中、X軸方向に突出している。遮蔽壁41h、41iにはネジ14cを螺合するための穴が開いており、遮蔽壁41jには穴がない。また、遮蔽壁41hと遮蔽壁41iでは図中、Z方向の長さが異なる。なお、破線の遮蔽壁41k、41l、41mは制御基板4b側に配置されている。
図4で示した、パワーモジュール50aの検出端子36Wu、36Wdの近傍に配置した遮蔽壁41hは、図5において、制御基板4aの固定として兼用できる位置にある。そのため制御基板4aの固定用支持部を遮蔽壁として断面積を大きくして兼用することで部品点数を削減した。
図4で示した、パワーモジュール50aの検出端子36Wu、36Wdの近傍に配置した遮蔽壁41hは、図5において、制御基板4aの固定として兼用できる位置にある。そのため制御基板4aの固定用支持部を遮蔽壁として断面積を大きくして兼用することで部品点数を削減した。
なお、遮蔽壁41j、41lは制御基板4aと接近はしているが、当接しなくてもよい。制御基板4aに当接させると当接部分には部品、及びグランドパターン以外の配線ができなくなるので、制御基板4aの有効面積を減じないために当接しない程度にわずかに隙間をあけることも可能である。また、遮蔽壁41i、41mは遮蔽すべき制御端子、又は検出端子が存在しないため、幅広い断面は不要であるので、遮蔽壁41h、41kと比べて楕円の面積が小さく設定している。
これらの遮蔽壁により、特に他方のパワーモジュールのスイッチングノイズからの放射ノイズを抑制することができ、その結果シャント抵抗の両端の電位差である電流値を精度よく検出が可能となる。図3に示すように、放射ノイズを矢印60a、60bで模式的に示し、スイッチングノイズが遮蔽壁41h、41kにより遮蔽されている様子を示した。
実施の形態2.
次に図6を用いて制御ユニット内の構造が実施の形態1と異なるタイプについて説明する。図6の制御ユニット100は、回路図は図1とほぼ同等であるが、モータ2の出力軸21aの出力方向側(図中、Z軸プラス側)に配置されている。このため制御ユニット100の中央に出力軸21aが貫通する構造となっている。モータ2の構造は実施の形態1と同等でモータケース25に、ロータ23、ステータ22、巻線24等が内蔵され、巻線24の図中上側に環状配線部27aが配置され、制御ユニット100へ向かって巻線の相端子28a、28bが伸びている。
次に図6を用いて制御ユニット内の構造が実施の形態1と異なるタイプについて説明する。図6の制御ユニット100は、回路図は図1とほぼ同等であるが、モータ2の出力軸21aの出力方向側(図中、Z軸プラス側)に配置されている。このため制御ユニット100の中央に出力軸21aが貫通する構造となっている。モータ2の構造は実施の形態1と同等でモータケース25に、ロータ23、ステータ22、巻線24等が内蔵され、巻線24の図中上側に環状配線部27aが配置され、制御ユニット100へ向かって巻線の相端子28a、28bが伸びている。
制御ユニット100は、図6中下側(モータ側)から1枚の制御基板4dで構成された2組の制御回路10a、10b、中継部材70、パワーモジュール50e、50f、ヒートシンク41nが順に積層された構造である。ヒートシンク41nは、制御ユニット100の蓋、及び車両側の例えば減速機構との接続部の役目をなしている。なお、コネクタ43e、44eは制御ユニット100の側面に配置され、実施の形態1のように各組1個ずつではなく、電源用のコネクタ43eと信号用のコネクタ44eがそれぞれ1個ずつ配置されており、内部で各組に分離されているものとする。コンデンサ30a、30bは、ヒートシンク41n内にあるため、破線で示している。
中継部材70は、絶縁樹脂材で形成され、内部、又は上下の面に電気的配線、例えば銅板が張り巡らされており、少なくともプラス、マイナスの電源ラインが設置されている。コンデンサ30a、30bの各端子もこの電源ラインに接続され、さらにパワーモジュール50e、50fの電源ラインも同様に接続されている。パワーモジュール50e、50fをヒートシンク41nに押さえつけるために凸部71も備えている。
図7にパワーモジュール50eの外形、内部配線を示す。なお、パワーモジュール50fも同様な構造であるので、ここでは説明を省略する。実施の形態1と異なり、パワー端子、制御端子が完全に分離されていない。またパワーモジュール50eにより構成するインバータ回路には図1にはない、FET(Field Effect Transistor)で構成したスイッチング素子34Uが追加されている。このスイッチング素子34Uは、上下アームのFETで構成されたスイッチング素子31U、32Uとの接続点とモータ2の巻線との間に挿入されたリレーの機能を有するFETであり、通常は常時オン(導通)である。FETのショート故障、モータ巻線の短絡、地絡等の異常時にはこのスイッチング素子34Uをオフして回路を分断することで、その他のU相、V相、W相への影響を抑制するものである。また、図1で示された電源用リレー5a、5bは内蔵していない構造である。
モータへの出力端子と制御端子が図7中下側(X軸マイナス側)に配列され、プラス、マイナスの電源端子が上側(X軸プラス側)に配列されている。モータ出力端子はモータ巻線の相端子28aと接続されていることもあり、制御端子とは、図6に示したように出力軸21aの径方向(Y軸方向)にずれて配列することで、間隔を設けている。
シャント抵抗33U,33V、33W、及びその両端の検出端子については、実施の形態1と同様に他の制御端子と同様、図7中、X軸マイナス方向に延出されている。そのためこれらのシャント抵抗の両端の検出端子近傍に遮断壁を設けることで、他方のパワーモジュール50fからのノイズを遮蔽する。ここで遮蔽壁は410h、410i、410jの3か所となる。また、後述する図8Aに示すように円形の空間に制御ユニット100は配置されているので、パワーモジュール50e、50fは各相で段違いになっている。
図8Aは、中継部材70を制御基板4c側から見た平面図、図8Bは正面図である。ほぼ円形の絶縁部材に左右点対称に各組のパワーモジュール50e、50f、制御基板等への接続配線、多数の楕円の穴があいている。図8A中、左右(X軸方向)の端にはモータの巻線との接続用の穴24aU、24aV、24aWと、24bU、24bV、24bWが6か所あいている。その近傍に破線で示したパワーモジュール50e、50fが配置されることになる。
中央の出力軸穴0近傍にはパワーモジュール50e、50fのためのプラス、マイナスの電源端子のための楕円穴が対であいている。また図8Aの下部(Z軸方向)に電源用の端子穴3c+、3c-、3d+、3d-があいており、ここからパワーモジュールに対して各電源端子へ配線が引き回されている。図8Bではマイナス面(グランドパターン、3c、3d)を中継部材70の一方の上面(Z軸マイナス側の面)に、プラス面(電源パターン)は他方の下面(Z軸プラス側の面、図8Aでは破線で示す)に配置している。このグランドパターン3c-、3d-は銅板で形成され、さらに遮蔽壁410h~410mと電気的に接続している。遮蔽壁410h~410mは銅、アルミの金属製柱で形成されている。遮蔽壁410i、410j、410l、410mには突起はなく、制御基板4cとはわずかな隙間を有し、当接はしていない。一方、遮蔽壁410h、410kには制御基板4c、4dを固定するために先端部に突起を有している。この突起により制御基板4cを固定、支持している。なお、410n、410oは遮蔽壁と同様な形状、材質であるが、遮蔽目的ではなく、単に制御基板4dの支持柱である。
以上のように、絶縁性の中継部材70に電気的配線に接続した金属製の遮蔽壁をパワーモジュールの検出端子近傍に配置することで、他方のパワーモジュールからのノイズ混入を防止するとともに、遮蔽壁の一部は他の部品の支持用に兼用し、部品数の削減を図っている。なお遮蔽壁を中継部材に搭載するために、アウトサート、インサート、嵌合の種々の構造を利用できる。
また図8Bの下側(Z軸プラス側)、つまりパワーモジュール側にも遮蔽壁410p、410qが設置されている。これらも制御基板4d側の遮蔽壁410h~410mと同様にパワーモジュール50e、50f側にも設置して放射ノイズ発生源近傍を囲ったものである。ただし、パワーモジュール50e、50fの配置、及び放射ノイズの分散からその遮蔽壁の幅(長さ)方向はできる限り広く取る必要がある。モータの巻線用の端子周囲は遮蔽壁の設置が特に必要である。この遮蔽壁410p、410qを図7に破線で示した。パワーモジュール50eからの放射ノイズ、特にスイッチング素子のオン、オフ時のノイズであっても高周波電磁ノイズを含んでいるので、遮蔽壁410p、410qをグランド、又はプラス電源ラインと電気的接続しなくても、遮蔽効果はある。
検出回路をパワーモジュール内部のシャント抵抗の両端の電圧を検出するもので説明したが、シャント抵抗に限ったものではなく、例えば図1の回転センサ、トルクセンサ等のセンサ類の検出回路であってもその配置によっては適応可能である。またシャント抵抗の両端の電位差を増幅する回路を含めてパワーモジュールに内蔵したタイプであっても適応可能である。つまりノイズ源から対向する位置に検出端子に金属製の遮蔽壁を設置することで放射ノイズを抑制するとともに、その遮蔽壁の一部は部品の支持として兼用し、部品点数の削減を図ってことができる。さらに金属製遮蔽壁を電気的にプラス電源、又はグランドに接続するか否かは、放射ノイズの種類により判断すればよい。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
1、1a、1b、100:制御ユニット、2:モータ、3a、3b:インバータ回路、4a、4b、4c、4d:制御基板、15:ハウジング、21:出力軸、22:ステータ、23:ロータ、24、24a、24b:モータ巻線、25:モータケース、28a、28b:相端子、31U、32U、34U:スイッチング素子、33U、33V、33W:シャント抵抗、36Uu、36Ud、36Vu、36Vd、36Wu、36Wd:検出端子、41、41n:ヒートシンク、41h、41i、41j、41k、41l、41m、410h、410i、410j、410k、410l、410m:遮蔽壁、50a、50b、50e、50f:パワーモジュール、42、70:中継部材
Claims (7)
- 独立して2組設けられた巻線を有するモータと、制御ユニット内にあって前記2組設けられた巻線のそれぞれに電流を供給する複数のスイッチング素子からなる2組のインバータ回路と、前記2組のインバータ回路のそれぞれに接続された制御回路を備えた電動パワーステアリング装置において、
前記制御ユニットは、前記インバータ回路の電流を検出する検出回路、この検出回路から伸びる検出端子を備え、前記2組のインバータ回路の一方のインバータ回路を駆動することにより放出されるノイズを遮蔽する金属製の遮蔽壁が他方のインバータ回路の前記検出端子近傍に配置されているとともに、前記配置されている遮蔽壁の少なくとも1つは前記制御回路を支持する支持部材を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。 - 前記インバータ回路は、前記複数のスイッチング素子と前記検出回路であるシャント抵抗とを内蔵したパワーモジュールであり、前記検出端子は、前記シャント抵抗の両端の電圧を検出するために延ばされた隣接する一対の検出端子であり、前記遮蔽壁は前記一対の検出端子近傍に配置されている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。
- 前記制御回路と前記パワーモジュールはそれぞれが電気的に接続される複数の制御端子を有し、前記検出端子は前記複数の制御端子と共に配列され、前記遮蔽壁は、前記パワーモジュールの、前記制御回路と接続される側の検出端子近傍で、かつ前記検出端子に隣り合う前記制御端子にまたがって配置されてい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。
- 前記制御ユニットは、4辺を有するヒートシンクの各辺にそれぞれ前記制御回路、前記インバータ回路を配置し、前記遮蔽壁は、前記ヒートシンクから前記制御回路に向かって突出している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。
- 前記制御ユニットは、前記制御回路、中継部材、前記インバータ回路、ヒートシンクの順に積載され、前記中継部材は少なくともグランドパターンが配置され、このグランドパターンに電気的に接続して前記遮蔽壁が配置されている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。
- 前記制御ユニットは、前記モータの出力軸と同軸方向に、かつ前記出力軸の出力方向と反対方向に配置されていることを特徴とする請求項4記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記制御ユニットは、前記モータの出力軸と同軸方向に、かつ前記出力軸の出力方向に配置されていることを特徴とする請求項5記載の電動パワーステアリング装置。
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