JP2010051111A - Motor diving device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動パワーステアリング装置を制御するモータ駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a motor drive device that controls an electric power steering device.
近年、車両の電子制御化が進んでいることに伴い、ステアリングのパワーアシストをモータで行う電動パワーステアリング(EPS)の需要が高まっている。EPSは、走行状態に応じて最適な操舵トルクになるようにモータ電流を電子制御し、必要なときだけ駆動力をアシストできるので、常に油圧ポンプを回す油圧式パワーステアリングと比べて、燃費を向上できるというメリットがある。この電子制御はモータ駆動装置の一部であるEPS用ECUによって行われ、モータ駆動装置に用いる電力は車載バッテリより直接取り込んでいた。 In recent years, with the advancement of electronic control of vehicles, demand for electric power steering (EPS) in which steering power assist is performed by a motor is increasing. EPS improves motor efficiency compared to hydraulic power steering, which always rotates the hydraulic pump, because it can electronically control the motor current to achieve the optimum steering torque according to the driving conditions and can assist the driving force only when necessary. There is an advantage that you can. This electronic control is performed by an ECU for EPS which is a part of the motor driving device, and the electric power used for the motor driving device is taken directly from the in-vehicle battery.
従来、EPSの操舵補助力をより安定化し、かつ、EPS用のモータを小型化するべく、バッテリが低下した際に、モータを駆動するインバータ回路に入力する電圧を昇圧する電動パワーステアリング装置が提案されていた(例えば特許文献1参照)。
しかし、インバータ回路のスイッチング素子に対して駆動信号を生成するドライバICへの供給電圧が低下した場合についての問題点については考慮していなかった。つまり、ドライバICへの供給電圧が低下すると、インバータ回路のスイッチング素子のオン時間が低下し、インバータ回路の出力を低下させてしまう。 However, no consideration has been given to a problem in the case where the supply voltage to the driver IC that generates the drive signal for the switching element of the inverter circuit decreases. That is, when the supply voltage to the driver IC decreases, the on-time of the switching element of the inverter circuit decreases and the output of the inverter circuit decreases.
さらに、従来の構成では、バッテリ電圧が過大になった場合、PWMの分解能が粗くなり、制御特性が劣化するという問題もあった。 Further, the conventional configuration has a problem that when the battery voltage becomes excessive, the resolution of the PWM becomes rough and the control characteristics deteriorate.
本発明は上記課題に鑑み、インバータ回路の出力電圧の変動を抑えつつ、EPSのハンドルフィーリングを向上できるモータ駆動装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a motor drive device that can improve the handle feeling of EPS while suppressing fluctuations in the output voltage of an inverter circuit.
請求項1記載の発明では、バッテリからの直流電力を交流電力に変換してモータに出力するインバータ回路と、インバータ回路を駆動する駆動信号を送信する駆動回路と、駆動回路を制御する制御信号を送信する制御回路と、を備えるモータ駆動装置において、スイッチング素子を駆動してバッテリからの電圧を所定電圧に昇降圧して駆動回路とインバータ回路とに昇降圧した電圧を出力する昇降圧回路を備えることを特徴とする。 In the first aspect of the invention, an inverter circuit that converts DC power from a battery into AC power and outputs the AC power, a drive circuit that transmits a drive signal that drives the inverter circuit, and a control signal that controls the drive circuit are provided. And a control circuit for transmitting, comprising: a step-up / step-down circuit that drives the switching element to step up / down the voltage from the battery to a predetermined voltage and outputs the voltage stepped up / down to the drive circuit and the inverter circuit It is characterized by.
上記構成によれば、駆動回路とインバータ回路との間に同一の昇降圧回路によって、昇降圧された所定電圧が入力される。これにより、インバータ回路に入力される入力電圧及び駆動回路によりスイッチング素子に印加される印加電圧の変動を抑えることができる。これにより、電圧変動を考慮した煩雑な制御が不要となり、電圧変動によるスイッチング素子のオン期間の変動を抑制し、EPSにおけるハンドルフィーリングを向上させることができる。 According to the above configuration, the predetermined voltage stepped up / down by the same step-up / step-down circuit is input between the drive circuit and the inverter circuit. Thereby, the fluctuation | variation of the applied voltage applied to a switching element by the input voltage and drive circuit which are input into an inverter circuit can be suppressed. This eliminates the need for complicated control in consideration of voltage fluctuations, suppresses fluctuations in the ON period of the switching elements due to voltage fluctuations, and improves handle feeling in EPS.
モータの巻線抵抗・巻線インダクタンスの設計は、モータを駆動させる最低電圧を考慮して設計されているため、昇降圧回路によってバッテリ電圧を昇圧することにより、モータの小型化を図ることができる。 Since the winding resistance and winding inductance of the motor are designed in consideration of the minimum voltage for driving the motor, it is possible to reduce the size of the motor by boosting the battery voltage with a step-up / down circuit. .
更に、バッテリ電圧が過大になったときも降圧しているため、バッテリ電圧が高くなったときに、PWMの分解能が荒くなることを防止することができる。 Furthermore, since the voltage is stepped down even when the battery voltage becomes excessive, it is possible to prevent the PWM resolution from becoming rough when the battery voltage increases.
請求項2記載の発明では、制御回路は、昇降圧回路を介することなく電力が供給されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the control circuit is supplied with electric power without going through the step-up / down circuit.
上記構成によれば、バッテリと制御回路とを接続する電源ラインの間に昇降圧回路を介していないため、昇降圧回路に異常が生じた場合であっても、確実に制御回路の動作を確保することができる。この結果、モータ駆動装置の安全性を向上することができる。 According to the above configuration, since the step-up / down circuit is not interposed between the power line connecting the battery and the control circuit, the operation of the control circuit is reliably ensured even when an abnormality occurs in the step-up / down circuit. can do. As a result, the safety of the motor drive device can be improved.
請求項3記載の発明では、制御回路に電力を供給する制御回路用電源ラインに制御回路への電力供給を断続するスイッチを設けたことを特徴とする。
The invention described in
上記構成によれば、制御回路に対する供給電力は、昇降圧回路に対する供給電力よりも小さいため、制御回路用電源ラインに設けるスイッチは、小電流用のスイッチで済み、この結果、簡易かつ低コストのスイッチを用いてモータ駆動回路の動作を停止することができる。 According to the above configuration, since the power supplied to the control circuit is smaller than the power supplied to the buck-boost circuit, the switch provided in the power line for the control circuit may be a switch for small current. The operation of the motor drive circuit can be stopped using the switch.
請求項4記載の発明では、昇降圧回路は、昇降圧回路への入力電圧と昇降圧回路からの出力電圧とに基づいて、入力電圧を所定の目標電圧に一致するように昇降圧を行う昇降圧動作とインバータ回路からバッテリ方向に電流を流す回生動作とを切り替えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the step-up / step-down circuit performs step-up / step-down operation based on the input voltage to the step-up / down step circuit and the output voltage from the step-up / step-down circuit so that the input voltage matches the predetermined target voltage. Switching between a pressure operation and a regenerative operation in which current flows from the inverter circuit toward the battery is characterized.
上記構成によれば、昇降圧回路の入出力電圧に基づいて回生電流が流れる通電路を形成するため、バッテリを充電しつつ、昇降圧回路に過度な電圧がかかることを防止することができる。 According to the above configuration, since the energization path through which the regenerative current flows is formed based on the input / output voltage of the step-up / step-down circuit, it is possible to prevent an excessive voltage from being applied to the step-up / down circuit while charging the battery.
(モータ駆動装置1)
図1はモータ駆動装置1の構成を示す概略図である。モータ駆動装置1は、バッテリ23とモータ21との間に設けられ、バッテリ23の直流電力から三相交流を生成し、モータ21を制御している。
(Motor drive device 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the
モータ駆動装置1に設けられたECU22は、昇降圧回路31と、インバータ回路32と、駆動回路であるドライバIC33と、制御回路であるマイコン34とから構成される。インバータ回路32は、U相、V相、W相毎に直列に接続された一対のスイッチング素子S1〜S6を有し、各相のスイッチング素子の中点において、モータ21の各相の巻き線が接続されている。インバータ回路32は、ドライバIC33が送信する駆動信号によって駆動する。さらに、ドライバIC33は、マイコン34が送信する制御信号によって制御される。
The ECU 22 provided in the
昇降圧回路31は、内蔵されたスイッチング素子を駆動してバッテリ23からの電圧を所定電圧に昇降圧してドライバIC33とインバータ回路32とに昇降圧した電圧を出力する。マイコン34は、操舵角・操舵トルク等に基づき、モータ21に供給すべき電流指令値を算出し、電流指令値に基づきドライバIC33を制御する。ドライバIC33はマイコン34からの制御信号に従って、スイッチング素子S1〜S6に電圧を印加してスイッチング素子S1〜S6をオンオフ駆動する。インバータ回路32は、スイッチング素子S1〜S6をオンオフ駆動することにより、昇降圧回路31を経由したバッテリ23からの直流電力を三相の交流電力に変換してモータ21に出力する。
The step-up / down
マイコン34は、昇降圧回路31を介することなく電力が供給される。更に、マイコン34に電力を供給するマイコン用電源ライン35(制御回路用電源ライン)にマイコン34への電力供給を断続するスイッチ24が設けられている。
The
マイコン34は、昇降圧回路31を介することなくバッテリ23から電力供給を受けているため、昇降圧回路31に異常が生じた場合でも、マイコン34には影響を与えず安全に制御を行うことができる。
Since the
さらに、マイコン34とバッテリ23との間にあるスイッチ24をオフとすることで、マイコン34への電力供給が遮断され、ドライバIC33が停止する結果、インバータ回路32やモータ21を停止することができる。一般にインバータ回路32に供給される電流は50A〜100Aといった大きな電流であるため、インバータ回路32を停止するためにインバータ回路32上に配置するスイッチ24は、大電流用の大型で高価なものとなる。一方、マイコン34に供給される電流は1A程度のものとなるため、マイコン34を停止するためのスイッチ24は耐久性に優れ、かつ、安価なもので済むという利点がある。
(昇降圧回路31)
図2に、モータ駆動装置1が有する昇降圧回路31の構成例を示す。昇降圧回路31は、一端が入力端子INに接続される第一のスイッチング素子Q1と、第一のスイッチング素子Q1の他端とグランドとの間に接続される第二のスイッチング素子Q2と、一端が第一のスイッチング素子Q1の他端と接続されるインダクタLと、インダクタLの他端とグランドとの間に接続される第三のスイッチング素子Q3と、出力端子OUTとインダクタLの他端との間に接続される第四のスイッチング素子Q4とを備える。加えて、出力端子OUTとグランドとの間に平滑コンデンサCを有している。
Further, by turning off the
(Buck-boost circuit 31)
FIG. 2 shows a configuration example of the step-up /
また、昇降圧回路31は、第一から第四のスイッチング素子Q1〜Q4を駆動する駆動信号を生成するPWM回路41を有している。
(昇降圧回路の動作)
昇降圧回路31を昇圧回路として動作させる場合について説明する。この場合は、第三のスイッチング素子Q3と第四のスイッチング素子Q4のオンオフによって、バッテリ23の電圧を昇圧する。第三のスイッチング素子Q3と第四のスイッチング素子Q4の駆動信号は反転同期の関係にある。
The step-up / step-down
(Operation of the buck-boost circuit)
A case where the step-up / step-down
第三のスイッチング素子Q3がオフ・第四のスイッチング素子Q4がオンの場合には、入力端子IN→スイッチング素子Q1→インダクタL→スイッチング素子Q4→出力端子OUTの順で電流が流れる。 When the third switching element Q3 is off and the fourth switching element Q4 is on, current flows in the order of the input terminal IN → the switching element Q1 → the inductor L → the switching element Q4 → the output terminal OUT.
第三のスイッチング素子Q3がオン・第四のスイッチング素子Q4がオフの場合には、インダクタLに蓄積されたエネルギーが放出され、インダクタL→スイッチング素子Q3→グランドと電流が流れる。 When the third switching element Q3 is on and the fourth switching element Q4 is off, the energy accumulated in the inductor L is released, and the current flows through the inductor L → the switching element Q3 → the ground.
この結果、スイッチング素子Q3のデューティ比をD3とすると、出力端子OUTの電圧Voutは入力端子INの電圧Vinを用いると以下のように表せる。 As a result, when the duty ratio of the switching element Q3 is D3, the voltage Vout of the output terminal OUT can be expressed as follows using the voltage Vin of the input terminal IN.
Vout = Vin / D3
ここで、D1は1以下なので、昇圧が行われることとなる。
Vout = Vin / D3
Here, since D1 is 1 or less, boosting is performed.
次に、昇降圧回路31を降圧回路として動作させる場合について説明する。この場合は、第一のスイッチング素子Q1と第二のスイッチング素子Q2のオンオフによって、バッテリ23の電圧を降圧する。第一のスイッチング素子Q1と第二のスイッチング素子Q2の駆動信号は反転同期の関係にある。
Next, a case where the step-up / step-down
第一のスイッチング素子Q1がオン・第二のスイッチング素子Q2がオフの場合には、入力端子IN→スイッチング素子Q1→インダクタL→スイッチング素子Q4→出力端子OUTの順で電流が流れる。 When the first switching element Q1 is on and the second switching element Q2 is off, current flows in the order of input terminal IN → switching element Q1 → inductor L → switching element Q4 → output terminal OUT.
第一のスイッチング素子Q1がオフ・第二のスイッチング素子Q2がオンの場合には、インダクタLに蓄積されたエネルギーが放出され、インダクタL→スイッチング素子Q4→出力端子OUT→グランド→スイッチング素子Q2→インダクタLの閉回路に電流が流れる。 When the first switching element Q1 is off and the second switching element Q2 is on, the energy stored in the inductor L is released, and the inductor L → the switching element Q4 → the output terminal OUT → the ground → the switching element Q2 → A current flows in the closed circuit of the inductor L.
この結果、スイッチング素子Q1のデューティ比をD1とすると、出力端子OUTの電圧Voutは入力端子INの電圧Vinを用いると以下のように表せる。 As a result, when the duty ratio of the switching element Q1 is D1, the voltage Vout of the output terminal OUT can be expressed as follows using the voltage Vin of the input terminal IN.
Vout = Vin * D1
ここで、D1は1以下なので、降圧が行われることとなる。
Vout = Vin * D1
Here, since D1 is 1 or less, step-down is performed.
次に、モータ21において、逆起電力が発生した場合の昇降圧回路31の動作について説明する。モータ21は、操舵状態によっては、逆起電力を発生する状態になることがある。そこで、逆起電力により発電状態となった場合、つまり、出力電圧Voutが入力電圧Vinよりも大きくなった場合には、スイッチング素子Q1及びスイッチング素子Q4をオンにして、回生エネルギーとしてバッテリ23を充電させる。スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q4とがオンになると、スイッチング素子Q4→インダクタL→スイッチング素子Q1の方向に電流が流れ、この結果、モータ21において発生した逆起電力によってバッテリ23が充電される。
(制御フローチャート)
昇降圧回路31は、昇降圧回路31への入力電圧と昇降圧回路31からの出力電圧とに基づいて、入力電圧を所定の目標電圧に一致するように昇降圧を行う昇降圧動作とインバータ回路32からバッテリ23方向に電流を流す回生動作とを切り替える。この点について、図3に示す昇降圧回路31の制御フローチャートを用いて説明する。昇降圧回路31で降圧を行うステップ010において、マイコン34の初期化、入力電圧Vinの検出、出力電圧Voutの検出といった初期設定を行い、ステップ020に移行する。ステップ020では、PWM回路41からの出力電圧Vin2が過小電圧か否かの基準ラインである昇圧閾値Vth21より小さいか否かを判定する。Vin2が昇圧閾値Vth21よりも小さいと判断した場合には、出力電圧が基準電圧に達していないと判断し、ステップ030においてスイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4を駆動し、昇圧動作を行う。一方、Vin2が昇圧閾値Vth21以上と判断した場合には、昇圧は不要と判定し、次の判定条件であるステップ040に移行する。ステップ040では、PWM回路41からの出力電圧Vin2が過大電圧か否かの基準ラインである降圧判定閾値Vth22より大きいか否かを判定する。Vin2が降圧判定閾値Vth22以下の場合、ステップ080に移行して、PWM回路41からの出力電圧は適正値であるとして、昇降圧動作を行わず、スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチ24ング動作を停止する。一方、Vin2が降圧判定閾値Vth22よりも大きい場合、次の判定条件であるステップ050に移行する。ステップ050では、PWM回路41への入力電圧Vin1が回生判定閾値Vth12より小さいか否かを判定する。Vin1が回生判定閾値Vth12より小さいと判断された場合には、ステップ060に移行して、スイッチング素子Q1とQ4をオンにして、モータ21において発生した逆起電力を用いてバッテリ23を充電する。一方、Vin1が回生判定閾値Vth12以上と判断された場合には、ステップ070に移行して、スイッチング素子Q1、Q2を駆動して、入力電圧を降圧する。
Next, the operation of the step-up / down
(Control flowchart)
The step-up / step-
なお、入力電圧および出力電圧との比較に用いる各閾値の大小関係は、「降圧判定閾値Vth22>昇圧判定閾値Vth21>回生判定閾値Vth12」となる。 The magnitude relationship between the threshold values used for comparison with the input voltage and the output voltage is “step-down determination threshold Vth22> step-up determination threshold Vth21> regeneration determination threshold Vth12”.
回生動作への切り替えは、閾値を用いて判定したが、出力電圧と入力電圧の差である相対値を用いて判定してもよい。 Switching to the regenerative operation is determined using a threshold value, but may be determined using a relative value that is a difference between the output voltage and the input voltage.
次に、ドライバIC33への供給電圧の低下がインバータ回路32に与える影響及び本発明に係る昇降圧回路の効果について以下に説明する。
Next, the influence of the drop in the supply voltage to the
図4にドライバIC33とその周辺機器の構成図を示す。ドライバIC33は入力端子IND1とIND2とを介してマイコン34の出力と接続され、電源電圧端子VDD1を介してバッテリ23と接続され、出力端子OUTD1とOUTD2とを介してインバータ回路32のスイッチング素子Siとスイッチング素子Sjと接続される。ここで、入力端子IND1と出力信号OUTD1には、上アームのスイッチング素子Siの駆動に用いる制御信号が伝達され、入力端子IND2と出力端子OUTD2には、下アームのスイッチング素子Sjの駆動に用いる制御信号が伝達される。ドライバIC33はマイコン34からの制御信号を受け取って、駆動信号を生成しする。そして、駆動信号をスイッチング素子Si,Sjに送信し、スイッチング素子Si,Sjを駆動する。
FIG. 4 shows a configuration diagram of the
図5にマイコン34からの制御信号とドライバIC33から出力される駆動信号の対応関係を示す。図5に示される一番上の波形は、IND1端子に入力される制御信号、上から2番目の波形は、OUTD1から出力される駆動信号、上から3番目の波形は、IND2端子に入力される制御信号、一番下の波形は、OUTD2から出力される駆動信号を示す。
FIG. 5 shows a correspondence relationship between the control signal from the
IND1端子に入力される制御信号の立ち上がりをトリガーに、ドライバIC33の出力端子OUTD1の電圧が立ち上がる。一方、IND2端子に入力される制御信号の立ち下がりをトリガーに、ドライバIC33の出力電圧OUTD2の電圧が立ち下がる。ここで、立ち上がった後の電圧値VDD1はバッテリ23からの電圧となる。そのため、バッテリ23の電圧が低下すると、出力端子VDD1の立ち上がり後の電圧も低下する。ここで、図6に示すVDD(1)はバッテリ23電圧が通常時の電圧値、VDD(2)はバッテリ23の電圧が低下した時の電圧値を示す。
The voltage at the output terminal OUTD1 of the
OUTD1及びOUTD2から出力される駆動信号の電圧が閾値電圧THvdd以上となったときに、スイッチング素子Si、SjがONとなる。そのため、バッテリ23の電圧VDDが低下すると、ターンオン時の電圧がOVからTHvddになるまでの立ち上がりの時間が長くなり、また、ターンオフ時の電圧がVDDからTHvddになるまでの立ち下がりの時間は短くなる。この結果、バッテリ23電圧低下時の下アームのスイッチング素子Sjのオン時間(2)はバッテリ23電圧通常時の下アームのスイッチング素子Sjのオン時間(1)よりも短くなり、バッテリ23電圧低下時の上アームのスイッチング素子Siのオン時間(2)もバッテリ23電圧通常時の上アームのスイッチング素子Siのオン時間(1)よりも短くなる。
When the voltage of the drive signal output from OUTD1 and OUTD2 becomes equal to or higher than the threshold voltage THvdd, the switching elements Si and Sj are turned on. Therefore, when the voltage VDD of the
このように、ドライバIC33への供給電圧が変動すると、スイッチング素子Si,Sjのオン時間も変動してしまい、インバータ回路32からの出力電圧も変動する。このため、ドライバIC33への入力電圧が変動する場合には、インバータ回路32は、供給電圧の変動を考慮した制御を行わなければならず、制御が複雑になり、かつ、ハンドルフィーリングを劣化させてしまう。この点、本発明では、昇降圧回路31をドライバIC33とバッテリ23との間に設けているため、ドライバIC33への入力電圧の変動による制御性の劣化を防ぐことができる。
Thus, when the supply voltage to the
1 モータ駆動装置
21 モータ
22 ECU
23 バッテリ
24 スイッチ
31 昇降圧回路
32 インバータ回路
33 ドライバIC(駆動回路)
34 マイコン(制御回路)
35 マイコン用電源ライン(制御回路用電源ライン)
Q1〜Q4 スイッチング素子
L インダクタ
DESCRIPTION OF
23
34 Microcomputer (control circuit)
35 Power line for microcomputer (Power line for control circuit)
Q1 to Q4 Switching element L Inductor
Claims (4)
スイッチング素子を駆動して前記バッテリからの電圧を所定電圧に昇降圧して前記駆動回路と前記インバータ回路とに昇降圧した電圧を出力する昇降圧回路を備えることを特徴とするモータ駆動装置。 An inverter circuit that converts DC power from the battery into AC power and outputs the AC power; a drive circuit that transmits a drive signal that drives the inverter circuit; and a control circuit that transmits a control signal that controls the drive circuit; In a motor drive device comprising:
A motor drive device comprising a step-up / step-down circuit that drives a switching element to step up / down a voltage from the battery to a predetermined voltage and outputs a voltage stepped up / down to the drive circuit and the inverter circuit.
前記昇降圧回路への入力電圧と前記昇降圧回路からの出力電圧とに基づいて、前記入力電圧を所定の目標電圧に一致するように昇降圧を行う昇降圧動作とインバータ回路からバッテリ方向に電流を流す回生動作とを切り替えることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項記載のモータ駆動装置。 The step-up / down circuit is
Based on the input voltage to the step-up / step-down circuit and the output voltage from the step-up / down circuit, the step-up / step-down operation for increasing / decreasing the input voltage to match a predetermined target voltage and the current from the inverter circuit to the battery The motor driving device according to claim 1, wherein the motor driving device is switched between a regenerative operation for flowing a current.
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