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JP7292507B2 - モータ制御装置、及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

モータ制御装置、及び電動パワーステアリング装置 Download PDF

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JP7292507B2 JP2022519854A JP2022519854A JP7292507B2 JP 7292507 B2 JP7292507 B2 JP 7292507B2 JP 2022519854 A JP2022519854 A JP 2022519854A JP 2022519854 A JP2022519854 A JP 2022519854A JP 7292507 B2 JP7292507 B2 JP 7292507B2
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Description

本願は、モータ制御装置、及び電動パワーステアリング装置に関するものである。
モータを用いて操舵を補助する電動パワーステアリング装置が知られている。例えば特許文献1には、2つのマイコンを備え、各マイコンは、それぞれが独立に、その対応相について電流フィードバック制御を実行し、モータ制御量を演算してモータを制御する電動パワーステアリング装置が開示されている。
特開2011-195089号公報
しかし、特許文献1に開示された技術のように、それぞれの系統において個別にモータ制御量を演算してモータを制御する場合、モータ駆動部に供給される電源電圧が異なると系統間でモータ制御量が異なるおそれがある。この系統間でのモータ制御量の違いにより、モータにおいて振動あるいは音が発生することがあり、車両に搭載される電動パワーステアリングなどのモータ制御装置に適用する場合、モータで発生する振動あるいは騒音は運転者に不快感を与える課題がある。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、モータで発生する振動あるいは騒音による不快感の低減を可能とするモータ制御装置、及び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。
本願に開示されるモータ制御装置は、第1モータ巻線及び第2モータ巻線を備えたモータを駆動するモータ制御装置であつて、
上記モータ制御装置は、上記第1モータ巻線を駆動する第1制御ユニットと、上記第2モータ巻線を駆動する第2制御ユニットを備えると共に、上記第1制御ユニットと上記第2制御ユニットのそれぞれは、電源電圧が供給されるモータ駆動部と制御部とを備え、
上記第1制御ユニットと上記第2制御ユニットは、他方の制御ユニットの電源電圧を取得し、上記制御部のそれぞれは、最小値選択部を有する電源電圧選択部とd軸目標電流演算部とを備え、上記最小値選択部は、上記電源電圧選択部に入力される自身の電源電圧の電圧値と他方の制御ユニットの電源電圧の電圧値との低い側を選択して選択後電源電圧として上記電源電圧選択部から出力し、上記選択後電源電圧は、上記d軸目標電流演算部に入力され、上記d軸目標電流演算部は上記選択後電源電圧を用いて目標d軸電流を出力することを特徴とする。
本願に開示されるモータ制御装置によれば、モータで発生する振動あるいは騒音による不快感の低減を可能とするモータ制御装置が得られる。
実施の形態1に係るモータ制御装置の回路ブロック図である。 実施の形態1に係るモータ制御装置の制御部ブロック図である。 実施の形態1に係る電源電圧選択部の内部構成を示すブロック図である。 実施の形態2に係るモータ制御装置の電源電圧選択部の内部構成を示すブロック図である。 実施の形態3に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示すブロック図である。
以下、本願の実施の形態について図を参照しながら説明する。なお、各図において同一または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るモータ制御装置の回路ブロック図で、電動パワーステアリング装置に適用したモータ制御装置を示している。
図1において、モータ制御装置100は、第1制御ユニット1a及び第2制御ユニット1bを備えている。モータ2は、第1モータ巻線3a及び第2モータ巻線3bの2組の三相のモータ巻線を備え、モータ制御装置100により制御される。
モータ制御装置100は、第1モータ巻線3a、第2モータ巻線3bのそれぞれに専用の第1制御ユニット1a、第2制御ユニット1bを備え、第1制御ユニット1aは、制御部であるCPU4a及びモータ2に電流を供給するインバータ回路5aを備えている。同様に、第2制御ユニット1bは、制御部であるCPU4b及びモータ2に電流を供給するインバータ回路5bを備えている。
まず、モータ制御装置100の回路構成について説明する。第1制御ユニット1a、第2制御ユニット1bは同一の構成であり、ここでは第1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6aからの電力が第1制御ユニット1aに供給される。第1制御ユニット1aに供給される電力は、バッテリ6aから直接供給されていてもよいし、例えばバッテリ6aに接続されるイグニッションスイッチ(図示せず)から供給されてもよい。車両の走行速度を検出する車速センサ、及び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7からの情報が、CPU4aに伝達される。CPU4a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、出力する。駆動回路8aは、CPU4aの出力信号を受け、インバータ回路5a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5aに出力する。
インバータ回路5aは、第1モータ巻線3aの各相に対応する3つの回路部9U、9V、9Wを備えている。そして、バッテリ6aの正極側+Bとインバータ回路5aとが接続されおり、バッテリ6aからの電源電圧VBaがインバータ回路5aに供給されている。また、電源電圧VBaは、CPU4aにも入力されており、CPU4aは、CPU4aが有するAD変換機能を用いて電源電圧VBaを測定している。
ここで、3つの回路部9U、9V、9Wは同一の構成であるので、回路部9Uについてのみ説明する。回路部9Uは、上アームスイッチング素子10Uと下アームスイッチング素子11Uを備えている。上アームスイッチング素子10Uと下アームスイッチング素子11Uは、CPU4aの指令に基づきPWM(Pulse Width Modulation)駆動される。さらに、モータ2に流れる電流を検出するシャント抵抗12Uが、上アームスイッチング素子10Uと下アームスイッチング素子11Uとの直列体に直列に接続されている。そして、シャント抵抗12Uの両端間の電位差がCPU4aに入力される。この電位差がモータ2に流れる電流として検出される。なお、回路部9Vの上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との直列体にはシャント抵抗12Vが直列接続され、回路部9Wの上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との直列体にはシャント抵抗12Wが直列接続されている。
回路部9U、9V、9Wは、U1相、V1相、及び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を供給できる。なお、図1における○印は、第1制御ユニット1a、及び第2制御ユニット1bに設けられた外部機器との接続端子を示している。
また、第1モータ巻線3a、及び第2モータ巻線3bの端子電圧もCPU4aに入力される。CPU4aには、これらの情報が入力され、演算した電流値に対応する検出値との差異を演算し、所謂、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、操舵力をアシストする。
CPU4a及びCPU4bは、互いに情報を授受できるように通信ライン13で接続されており、相手方の電源電圧VBa、及びその他の情報を取得している。
ここで、モータ2は、デルタ結線された2組の3相の第1モータ巻線3a、及び第2モータ巻線3bを備えたブラシレスモータで、ロータ(図示せず)の回転位置を検出する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14a、14bから構成されている。回転センサ14a、14bからの回転位置は、それぞれCPU4a及びCPU4bに入力される。
なお、モータ2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、
第1モータ巻線3a、及び第2モータ巻線3b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2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、第1モータ巻線3a、及び第2モータ巻線3bは、分布巻の巻線または集中巻の巻線を採用できる。また、モータ2は、所謂、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、モータ制御装置100は、電源、回路網、センサなどがすべて独立した2組で構成され、冗長性を確保する。
図2は、本実施の形態のモータ制御装置の制御ブロック図である。第1制御ユニット1a、第2制御ユニット1bは同一の構成であるので、ここでは第1制御ユニット1aについてのみ説明する。
第1制御ユニット1aは、CPU4a及びモータ駆動部20を備えている。CPU4aは、dq軸電流変換部21、電源電圧選択部22、d軸目標電流演算部23、q軸目標電流演算部24、目標電圧演算部25、及び三相電圧変換部26を備えている。
dq軸電流変換部21は、回転位置θに基づいて、三相検出電流Iu、Iv、Iwをd軸検出電流Id、q軸検出電流Iqに変換して出力する。回転位置θは、図1に示す回転センサ14aからの入力であり、回転するロータの位置情報である。
三相検出電流Iu、Iv、Iwは、図1に示すシャント抵抗12U、12V、12Wで検出されたU1相、V1相、W1相に流れる電流である。d軸検出電流Idは、回転座標上の互いに直交するd軸とq軸におけるd軸成分である。また、q軸検出電流Iqは、回転座標上の互いに直交するd軸とq軸におけるq軸成分である。
電源電圧選択部22には、図3に示すように電源電圧VBa、VBbが入力される。最小値選択部27は、電源電圧VBa、VBbを比較し、電圧の低い側を選択後電源電圧VBminとして出力する。
ここでは、第1制御ユニット1aについて説明しているので、電源電圧VBaは自系統の電源電圧であり、電源電圧VBbは他系統である第2制御ユニット1bの電源電圧である。他系統である第2制御ユニット1bの電源電圧VBbは、通信ライン13を介して第2制御ユニット1bから取得される。なお、第2制御ユニット1bの場合は、自系統と他系統が入れ替わることになる。また、自系統及び他系統は、電圧の低い側の電源電圧を選択するので、同じ電圧の電源電圧を使用して制御することになる。
なお、本実施の形態では他系統の電源電圧を通信ライン13を介して取得しているが、他系統の電源電圧を取得できるのであれば、通信ライン13はどんな形態でもよい。例えば、1つのパッケージに2つのCPUコアを備えたデュアルコアのマイコンにおいて、メモリを共有し、電源電圧の情報を相互にアクセスして取得してもよい。また、通信データではなく、他系統の電源電圧が電気的な信号線で入力されていてもよい。
図2に戻り、q軸目標電流演算部24は、目標トルクTtrqに基づいてモータ2に供給する目標q軸電流Iq*を演算して出力する。目標トルクTtrqは、図1に示すセンサ7の一部であるトルクセンサと車速センサの入力に基づいて決定される。
d軸目標電流演算部23は、目標q軸電流Iq*、モータ回転速度ω、及び選択後電源電圧VBminに基づいてモータ2に供給する目標d軸電流Id*を演算して出力する。モータ回転速度ωは、回転位置θの変化率であり、回転位置θを時間に対して微分して算出される。モータ回転速度ω、モータ回転子磁束に基づいて算出したモータ誘起電圧、モータインダクタンス、及び電源電圧から、目標q軸電流Iq*を生成すために最適な目標d軸電流Id*が算出される。このd軸目標電流の演算に選択された低い方の電源電圧を用いることで目標d軸電流Id*を系統間でそろえる。
目標d軸電流Id*、目標q軸電流Iq*は、モータ2に給電すべき回転座標上の電流指令である。目標d軸電流Id*は、回転座標上の互いに直交するd軸とq軸におけるd軸成分である。目標q軸電流Iq*は、回転座標上の互いに直交するd軸とq軸におけるq軸成分である。
目標電圧演算部25は、目標d軸電流Id*と目標q軸電流Iq*、d軸検出電流Idとq軸検出電流Iq、及び選択後電源電圧VBminに基づいて、回転座標上の目標q軸電圧Vq*及び目標d軸電圧Vd*を演算して出力する。また、目標電圧演算部25は、選択後電源電圧VBminに基づいて、目標q軸電圧Vq*、及び目標d軸電圧Vd*を制限している。
例えば、「(Vq*)+(Vd*)≦(VBmin)」の式のように目標q軸電圧Vq*の二乗と目標d軸電圧Vd*の二乗との和が、選択後電源電圧VBminの二乗を超えないように制限する。なお、目標q軸電圧Vq*と目標d軸電圧Vd*への電圧の分配は、自系統と他系統で同じ分配方法であればよい。
三相電圧変換部26は、回転位置θに基づいて、目標d軸電圧Vd*、目標q軸電圧Vq*を三相目標電圧Vu*、Vv*、Vw*に変換して出力する。三相目標電圧Vu*、Vv*、Vw*は、それぞれモータ2のU1相、V1相、W1相に印加する電圧である。
モータ駆動部20は、三相目標電圧Vu*、Vv*、Vw*に基づいて、モータ2を駆動する。モータ駆動部20は、図1に示す駆動回路8a及びインバータ回路5aに相当している。モータ駆動部20は、電源電圧VBaが供給されており、三相目標電圧Vu*、Vv*、Vw*に基づいてモータ2に電流を供給する。
なお、第2制御ユニット1bのモータ駆動部では、電源電圧VBbが供給されている。
このように、自系統の電源電圧と他系統の電源電圧の低い側の電圧である選択後電源電圧VBminに基づいて、d軸目標電流演算部23で目標d軸電流Id*を演算することにより、系統間で電源電圧の違いによって生じる目標d軸電流Id*の差を抑制することができる。これによりモータ2の振動あるいは騒音を抑制する効果が得られる。
また、選択後電源電圧VBminに基づいて、目標電圧演算部25で目標d軸電圧Vd*、目標q軸電圧Vq*を制限することにより、目標d軸電圧、目標q軸電圧を同じように制限することができる。これによりモータ2の振動あるいは騒音を抑制する効果が得られる。
実施の形態2.
次に、実施の形態2に係るモータ制御装置について図4を参照して説明する。実施の形態2では、電源電圧選択部が実施の形態1と異なり、その他の部分については、実施の形態1と同様である。以下、実施の形態1との相違点について説明する。
実施の形態2に係るモータ制御装置の電源電圧選択部40は、加算器41、フィルタ部42、及び下限ガード部43のそれぞれにおける3つの処理が追加されている。これらの3つの処理は、他系統の電源電圧である他系統電源電圧VBbが最小値選択部44に入力されるまでの過程に追加されている。
ここでは、これらの3つの処理の組合せで説明するが、何れか1つの処理を追加するだけでもよいし、何れか2つの処理を組み合せて追加してもよい。
加算器41では、他系統電源電圧VBbにオフセット電圧を加算する。オフセット電圧は、選択後電源電圧VBminを用いる処理において、その出力結果に差が生じてもモータ2の振動あるいは騒音を受容可能な電圧である。
オフセット電圧を加算することにより、電源電圧が高い側の制御ユニットは、最大でオフセット電圧分高い電圧でモータ2を駆動することができる。
例えば、VBa=13V、VBb=10V、オフセット電圧=1Vとする。第1制御ユニット1aは、選択後電源電圧VBmin=11Vとして、モータ2を駆動する。第2制御ユニット1bは、選択後電源電圧VBmin=10Vとして、モータ2を駆動する。電源電圧が高い側の第1制御ユニット1aは、第2制御ユニット1bに対してオフセット電圧(=1V)だけ高い電圧でモータ2を駆動することになる。
なお、この例で示したオフセット電圧=1Vは、加算器41の動作を簡単に説明するための値である。
これにより、モータ2の振動あるいは騒音を抑制しつつ、モータ2の出力を大きくすることができる。
フィルタ部42では、他系統電源電圧VBbのノイズの影響などを抑制し、自系統のモータ2への出力への影響を抑制する。例えば、フィルタ部42は一次遅れフィルタで構成される。
下限ガード部43では、他系統電源電圧VBbと下限ガード電圧を比較し、電圧の高い側を出力する。つまり、最大値を選択する処理となる。下限ガード電圧は、モータ2の出力低下を受容可能な電圧である。下限ガード電圧で他系統電源電圧VBbを制限することで、他系統で異常が生じて電源電圧が著しく低下した場合に、それに伴った自系統のモータ2への影響を抑制し、最低限必要なモータ2への出力を維持することができる。
他系統電源電圧VBbは、通信ライン13を介して取得しており、フィルタ部42及び下限ガード部43は、他系統の制御ユニット(ここの説明では、第2制御ユニット1b)の異常の他に、通信ライン13での異常による影響を抑制することができる。
このように、加算器41は、他系統電源電圧VBbにオフセット電圧を加算することにより、モータ2の振動あるいは騒音を抑制しつつ、モータ2の出力を大きくすることができる。
また、フィルタ部42は、他系統電源電圧VBbのノイズの影響などによる自系統のモータ2への出力への影響を抑制することができる。
下限ガード部43は、他系統電源電圧VBbの電圧の著しい低下による自系統のモータ2への出力への影響を抑制し、最低限必要なモータ2への出力を維持することができる。
実施の形態3.
次に、実施の形態3について説明する。実施の形態3は、実施の形態1あるいは実施の形態2において説明したモータ制御装置100を、車両に搭載される電動パワーステアリング装置150に適用した例について説明する。
図5は実施の形態3に係る電動パワーステアリング装置150の全体構成を示すブロック図である。図5において、駆動装置151は、実施の形態1あるいは実施の形態2で説明したモータ制御装置100とモータ2とを一体的に含む装置として図示している。
車両の運転者がハンドル152によって、車両のステアリング機構に操舵トルクを発生させると、トルクセンサ153は、その操舵トルクを検出して駆動装置151に出力する。また、車速センサ154は、車両の走行速度を検出して駆動装置151に出力する。トルクセンサ153及び車速センサ154は、図1に示すセンサ7の一部であり、実施の形態1で説明したトルクセンサと車速センサに相当する。
駆動装置151は、トルクセンサ153から入力される操舵トルク、及び車速センサ154から入力される走行速度に基づいて、操舵トルクを補助する補助トルクをモータ2から発生し、車両の前輪155のステアリング機構に供給する。駆動装置151は、トルクセンサ153及び速度センサ154以外の入力に基づいて補助トルクを発生するように構成してもよい。
実施の形態1あるいは実施の形態2で説明したモータ制御装置100を電動パワーステアリング装置150に適用することにより、モータ2で発生する振動あるいは騒音を抑制し、運転者の不快感を軽減する。
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。
1a 第1制御ユニット、1b 第2制御ユニット、2 モータ、3a 第1モータ巻線、3b 第1モータ巻線、4a、4b CPU、5a、5b インバータ回路、6a バッテリ、7 センサ、8a 駆動回路、9U、9V、9W 回路部、10U 上アームスイッチング素子、11U 下アームスイッチング素子、12U、12V、12W シャント抵抗、13 通信ライン、14a、14b 回転センサ、20 モータ駆動部、21 dq軸電流変換部、22、40 電源電圧選択部、23 d軸目標電流演算部、24 q軸目標電流演算部、25 目標電圧演算部、26 三相電圧変換部、27 最小値選択部、41 加算器、42 フィルタ部、43 下限ガード部、100 モータ制御装置、150 電動パワーステアリング装置、151 駆動装置、152 ハンドル、153 トルクセンサ、154 車速センサ、155 前輪、VBa、VBb 電源電圧、VBmin 選択後電源電圧、θ 回転位置、Iu、Iv、Iw 三相検出電流、Id d軸検出電流、Iq q軸検出電流、Iq* 目標q軸電流、Id* 目標d軸電流、Ttrq 目標トルク、ω モータ回転速度、Vq* 目標q軸電圧、Vd* 目標d軸電圧、Vu*、Vv*、Vw* 三相目標電圧。

Claims (6)

  1. 第1モータ巻線及び第2モータ巻線を備えたモータを駆動するモータ制御装置であつて、
    上記モータ制御装置は、上記第1モータ巻線を駆動する第1制御ユニットと、上記第2モータ巻線を駆動する第2制御ユニットを備えると共に、上記第1制御ユニットと上記第2制御ユニットのそれぞれは、電源電圧が供給されるモータ駆動部と制御部とを備え、
    上記第1制御ユニットと上記第2制御ユニットは、他方の制御ユニットの電源電圧を取得し、上記制御部のそれぞれは、最小値選択部を有する電源電圧選択部とd軸目標電流演算部とを備え、
    上記最小値選択部は、上記電源電圧選択部に入力される自身の電源電圧の電圧値と他方の制御ユニットの電源電圧の電圧値との低い側を選択して選択後電源電圧として上記電源電圧選択部から出力し、
    上記選択後電源電圧は、上記d軸目標電流演算部に入力され、上記d軸目標電流演算部は上記選択後電源電圧を用いて目標d軸電流を出力することを特徴とするモータ制御装置。
  2. 上記制御部は、目標電圧演算部を備え、
    上記目標電圧演算部は、上記選択後電源電圧を用いて目標q軸電圧及び目標d軸電圧を出力することを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 上記電源電圧選択部は、他方の制御ユニットの電源電圧にオフセット電圧を加算する加算器を備え、上記加算器の出力を上記最小値選択部に入力することを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
  4. 上記電源電圧選択部は、他方の制御ユニットの電源電圧を入力するフィルタ部を備え、上記フィルタ部の出力を上記最小値選択部に入力することを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
  5. 上記電源電圧選択部は、他方の制御ユニットの電源電圧を入力する下限ガード部を備え、上記下限ガード部の出力を上記最小値選択部に入力することを特徴とする請求項1または2に記載のモータ制御装置。
  6. 請求項1から5の何れか一項に記載のモータ制御装置と上記モータ制御装置により制御されるモータとを含む駆動装置と、
    車両のステアリング機構に発生した操舵トルクを検出し、上記駆動装置に出力するトルクセンサと、
    上記車両の走行速度を検出し、上記駆動装置に出力する車速センサと、を備え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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