JP2015033273A - 電動モータの駆動制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、電動モータの駆動制御装置の一例として、電動パワーステアリング装置について説明する。
図1に示すように、電動パワーステアリング装置、所謂EPS(Electric Power Steering)システムは、ステアリングホイール(ハンドル)100、操舵トルク検出センサ110、アシスト用モータ120及び制御装置130などを含んで構成される。ステアリングシャフト140を内包するステアリングコラム150内には、上記操舵トルク検出センサ110及び減速機160が設けられている。
次に、本発明の第1の実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置の回路構成について図2により説明する。図2において、図1に示したEPSシステムにおけるアシスト用モータは、制御装置としてのコントロールユニットによって制御される。図1のアシスト用モータ120を電動モータMに、制御装置130をコントロールユニット300にそれぞれ対応させ、コントロールユニット300内のマイクロコンピュータ(マイコン)6に操舵トルク信号S1及び車速信号S2などを供給する(図示せず)。そして、マイクロコンピュータ6により、インバータ用ドライバ回路2とインバータ回路1を経由して電動モータMを駆動し、走行状態に応じたステアリングアシスト力を発生させる。
ドライバ7aは、マイクロコンピュータ6による制御に基づいて、昇圧回路9で昇圧された電圧レベルの制御信号を力行遮断リレー(半導体リレー)4aに供給してオン/オフ制御する。同様に、ドライバ7bは、マイクロコンピュータ6による制御に基づいて、昇圧回路9で昇圧された電圧レベルの制御信号を回生遮断リレー(半導体リレー)4bに供給してオン/オフ制御する。
電源リレー4(力行遮断リレー4aと回生遮断リレー4b)は、Nチャネル型MOSFETで構成されている。これらMOSFETのドレイン・ソース間とソース・ドレイン間とが直列接続され、バッテリーBAからインバータ回路1に電源ライン15を介して動作電源を供給するようになっている。これらMOSFETにおいて、ソース・ドレイン間に順方向に接続されているダイオードD10,D11は寄生ダイオードである。
MOSFET1UH,1ULは、電源ライン15と接地点間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に上記駆動ライン14Uの一端が接続される。MOSFET1VH,1VLは、電源ライン15と接地点間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に上記駆動ライン14Vの一端が接続される。また、MOSFET1WH,1WLは、電源ライン15と接地点間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に上記駆動ライン14Wの一端が接続されている。
尚、各MOSFET1UH,1UL,1VH,1VL,1WH,1WLにおいて、ソース・ドレイン間に順方向に接続されているダイオードD1〜D6は寄生ダイオードである。
そして、電動モータMの駆動時には、力行遮断リレー4a及び回生遮断リレー4bを構成する各MOSFETをオン状態、相リレー3U,3V,3Wを構成する各MOSFETをオン状態にする。また、インバータ回路1の各MOSFET1UH,1VH,1WH,1UL,1VL,1WLを選択的にオン/オフ制御することで、電動モータMを駆動ライン14U,14V,14Wを介して3相駆動する。この際、必要に応じてPWM信号のデューティを可変し、電動モータMの出力トルクを制御することでアシスト力を変化させる。
これにより、電気ブレーキに繋がる故障が発生しても、電気ブレーキの発生を抑制しつつ、電動モータMの駆動が継続され、アシスト力を発生させることができる。
尚、故障した相が遮断され、正常な2相で電動モータが駆動制御されることになるので、全相が正常である場合と比べて、アシスト力の低下や、ステアリング性能の低下が生じる惧れがあるが、電動モータMが停止してアシスト力がなくなる場合に比べて、運転性が向上できる。
また、本実施形態では3相駆動であるが、異常時に使用される相を追加した電動モータ構成とし、正常な相と該追加された相を用いて電動モータを駆動制御して、正常時と同様のアシスト力を発生させることも可能である。
次に、マイクロコンピュータ6で電気ブレーキに繋がる故障を検出し、電動モータMの駆動状態から相遮断を行う場合の動作について詳しく説明する。通電状態で相リレー3U,3V,3Wを構成する各MOSFETをオフすると、電動モータMのインダクタンスから発生した逆起電力により、負の大きなサージ電圧が発生する。ここで、相リレー3Uを構成するMOSFETのソースに負のサージ電圧、例えば−40〔V〕が印加されたと仮定して説明する。
アクティブクランプ回路10Uを備えない場合には、MOSFETがゲート容量を有するため、ゲート電位Vgが、ソースに印加されたサージ電圧によって、0(V)からソース電位Vs(=−40V)と同じ電位まで変化する。このため、相リレー3Uを構成するMOSFETはオフしつづけ、ドレインとソース間の電位差が−40〔V〕となり、MOSFETの耐圧を越えて故障する惧れがある。
一方、本実施形態では、アクティブクランプ回路10Uを設けたことにより、ゲート電位Vgがソース電位Vs(=−40V)と同じ電位までは変化せず、ツェナーダイオードZD1の降伏電圧−Vzでクランプされる。これによって、ゲートとソースの間の電位差が40−Vz〔V〕となり、相リレー3Uを構成するMOSFETがオンする。
尚、ツェナーダイオードZD1の降伏電圧Vzは、MOSFETの耐圧よりも小さい電圧であり、MOSFETがオンする電圧レベルに設定することが好ましい。
相リレー3V,3Wを構成する各MOSFETに負の大きなサージ電圧が印加された場合も同様であり、対応する相リレー3Vまたは3Wをオンさせることで電位差を解消でき、MOSFETの破壊などの故障を抑制できる。
尚、電動モータMから相リレー3U,3V,3Wに正のサージ電圧が印加された場合には、寄生ダイオードD7〜D9を介してMOSFETのソースからドレイン側に電流が流れる。よって、相リレー3U,3V,3Wを構成するMOSFETには大きな電位差は印加されない。
相遮断状態で、相リレー3U,3V,3Wを構成する各MOSFETがオフ状態のときに、ステアリング操作や縁石への乗り上げなどによる外力が印加されて電動モータMが回動され、発電モードになった場合にもサージ電圧と同様な保護を行うことができる。すなわち、外力が大きく(電動モータMが高速回転)、電動モータMから負の大きな起電力が発生すると、アクティブクランプ回路10U,10V,10Wにより、相リレー3U,3V,3Wを構成するMOSFETがオンして保護動作を行う。
一方、外力が小さく(電動モータが低速回転)、起電力が低い場合は、アクティブクランプ回路10U,10V,10Wは作動せず、MOSFETはオフ状態を維持するので、電気ブレーキを抑制できる。
尚、電動モータMから相リレー3U,3V,3Wに正の起電力が印加された場合には、寄生ダイオードD7〜D9を介してMOSFETのソースからドレイン側に電流が流れる。よって、相リレー3U,3V,3Wを構成するMOSFETには大きな電位差は印加されない。
上述したように、印加されるサージ電圧が大きくても相リレー3U,3V,3Wを保護することができるので、電気ブレーキに繋がる故障を検出したときに、相リレー3U,3V,3Wをオフするタイミングを早めることができ、電気ブレーキを効果的に抑制することが可能となる。
相リレーをオフするタイミングを早くすることは、サージ電圧が発生している状態、すなわち、過大な電流が発生している状態であっても、少なくとも故障した相の相リレーをオフできることであり、可制御範囲を拡大できる。
<コストの抑制効果>
アクティブクランプ回路10U,10V,10Wには、それぞれバックトゥーバックのツェナーダイオードを3組設けるだけで良いので、部品点数の増加によるコストの上昇を抑制できる。
インバータ回路1のMOSFET1UH,1UL,1VH,1VL,1WH,1WLのうち、上アーム側のMOSFET(1UH,1VH,1WH)のいずれか1つが故障した場合、故障した相の相リレー(3U,3V,3W)をオフにして、残りの正常な各相を利用して電動モータMを駆動制御するフェイルセーフ制御を実施することができる。
これにより、電気ブレーキに繋がる故障が発生しても、電気ブレーキの発生を抑制しつつ、電動モータMの駆動が継続され、アシスト力を発生させることができる。
尚、故障した相が遮断されるため、正常である2相で電動モータが駆動制御されることになるので、全相が正常である場合と比べて、アイスト力の低下や、ステアリング性能の低下が生じる惧れがあるが、電動モータMが停止してアシスト力がなくなる場合に比べて、運転性が向上できる。
また、本実施形態では3相駆動であるが、異常時に使用される相を追加した電動モータ構成とし、正常な相と該追加された相を用いてモータを駆動制御して、正常時と同様のアシスト力を発生させることも可能である。
更に、本実施形態では各相毎にドライバ8U,8V,8Wを設けたが、各相のドライバ機能を一体化したパッケージ素子として構成し、各相毎に相リレーを制御する構成としても良い。
また、相遮断状態で、車輪側からの反力やステアリング操作による外力によって、電動モータが回動されて過大な起電力が発生した場合は、相リレーをオンにして耐圧オーバーによる破壊などを抑制することができ、起電力が小さい場合には相リレーのオフ状態を維持することで電気ブレーキの発生を抑制することができる。
従って、半導体リレーを過大なサージ電圧から保護しつつ、電気ブレーキの発生を抑制できる。
上述した第1の実施形態では相リレー3U,3V,3Wにそれぞれ対応するドライバ8U,8V,8Wを設けたのに対し、図3に示す第2の実施形態は、1個のドライバ(ディスクリート)8により、制御ライン16を介して相リレー3U,3V,3Wを一括して制御するものである。
他の基本的な回路構成は図2と同様であるので、図3において図2と同一構成部に同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本第2の実施形態では、ドライバ8を各相リレー3U,3V,3Wで共用することで、回路の簡略化が図れ、制御装置300の低コスト化にも寄与できる。
上述した第2の実施形態では、ドライバ8により相リレー3U,3V,3Wを一括制御したのに対し、図4に示す第3の実施形態では、ドライバ7aにより力行遮断リレー4aと相リレー3U,3V,3Wを制御している。
力行遮断リレー4aと相リレー3U,3V,3Wは、電動モータMの駆動時と電気ブレーキ抑制時には基本的に同様なオン/オフ動作を行う。また、アクティブクランプ回路10U,10V,10Wを設けたことによって、相電流の大小に拘わらず相リレー3U,3V,3Wをオフできる。よって、ドライバ7aにより力行遮断リレー4aと相リレー3U,3V,3Wを同時に制御することが可能となる。
このような構成によれば、ドライバ7aを力行遮断リレー4aと相リレー3U,3V,3Wで共用できるので、第2の実施形態よりも更に回路の簡略化が図れ、制御装置300の低コスト化が図れる。
図5に示す第4の実施形態は、第3の実施形態におけるアクティブクランプ回路をバリスタ10U’,10V’,10W’で構成したものである。バリスタ10U’,10V’,10W’は、両端の電圧が増大すると急速に抵抗が減少するため、ツェナーダイオードZD1〜ZD6を用いた場合と同様に、相リレー3U,3V,3Wを構成するMOSFETを過大なサージ電圧から保護しつつ、印加電圧が低い場合には電気ブレーキの発生を抑制できる。
このような構成であっても、第3の実施形態と実質的に同様な作用効果が得られる。尚、第1及び第2の実施形態におけるアクティブクランプ回路に、ツェナーダイオードに代えてバリスタを用いても良いのはもちろんである。
図6に示す第5の実施形態は、上述した第3の実施形態において、回生遮断リレー4bにアクティブクランプ回路12を設けたものである。アクティブクランプ回路12は、ドライバ7bの制御ライン(第2制御ライン)とインバータ回路1の電源ライン15との間、すなわち、回生遮断リレー4bを構成するMOSFETのゲートとドレイン間に接続している。
上記のような構成において、相遮断時に電動モータMから例えば相リレー3Uに正の過大なサージ電圧、あるいは正の大きな起電力が印加されると、寄生ダイオードD7,D1を介して電源ライン15の電位が上昇する。そして、電源ライン15(回生遮断リレー4bを構成するMOSFETのドレイン側)の電位が、アクティブクランプ回路12におけるツェナーダイオードZD8の降伏電圧よりも高くなると、ドライバ7bの制御ラインの電位が上昇して回生遮断リレー4bを構成するMOSFETがオンする。
相リレー3V,3Wを構成する各MOSFETに正の過大なサージ電圧、あるいは正の大きな起電力が印加された場合も同様である。
他の基本的な回路構成は第3の実施形態と同様であるので、図6において図4と同一構成部に同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
このような構成によれば、相リレー3U,3V,3Wを構成するMOSFETを保護するだけでなく、正の過大なサージ電圧、あるいは正の大きな起電力が印加された場合に回生遮断リレー4bを保護できる。
図7に示す第6の実施形態は、上述した第5の実施形態における相リレー3U,3V,3Wと回生遮断リレー4bに加えて、インバータ回路1の下流側MOSFET(下流側駆動素子)1UL,1VL,1WLにアクティブクランプ回路11U,11V,11Wを設けたものである。
すなわち、L側ドライバ2ULの出力端(第3制御ライン)とMOSFET1UH,1ULの共通接続点(下流側駆動素子の上流側ライン)、L側ドライバ2VLの出力端(第3制御ライン)とMOSFET1VH,1VLの共通接続点、及びL側ドライバ2WLの出力端(第3制御ライン)とMOSFET1WH,1WLの共通接続点にそれぞれ、アクティブクランプ回路11U,11V,11Wを相毎に接続している。換言すれば、インバータ回路1の各接地側MOSFET1UL,1VL,1WLにおけるドレインとゲート間に、アクティブクランプ回路11U,11V,11Wを接続している。
相リレー3V,3Wを構成する各MOSFETに正の過大なサージ電圧あるいは過大な起電力が印加された場合も同様であり、対応するMOSFET1VLまたは1WLをオンさせることで電位差を小さくしてこれらのMOSFET1VLまたは1WLを保護できる。
他の基本的な回路構成は図6と同様であるので、図7において図6と同一構成部に同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。
尚、本第6の実施形態においては、アクティブクランプ回路12は必須ではなく、回生遮断リレー4bの耐圧が低い場合や高い保護効果が必要なときに設ければ良い。
図8に示す第7の実施形態は、上述した第3の実施形態において、力行遮断リレー4aにアクティブクランプ回路13を設けたものである。アクティブクランプ回路13は、ドライバ7aの制御ラインと電源ラインとの間、すなわち、力行遮断リレー4aを構成するMOSFETのゲートとドレイン間に接続している。
上記のような構成において、相遮断時に電動モータMから例えば相リレー3Uに負の過大なサージ電圧が印加されると、アクティブクランプ回路10Uにより相リレー3UのMOSFETがオンする。この際、アクティブクランプ回路10Uを介して制御ライン16の電位が低下し、力行遮断リレー4aを構成するMOSFETのゲート電位が低下する。このMOSFETのゲート電位の低下によって、アクティブクランプ回路13の両端の電位差が大きくなる。そして、ツェナーダイオードZD16の降伏電圧を超えると、力行遮断リレー4aの制御ラインの電位が上昇してオンし、力行遮断リレー4aを構成するMOSFETを保護することができる。
このような構成によれば、相リレー3U,3V,3Wを構成するMOSFETを過大なサージ電圧から保護するとともに、負の過大なサージ電圧に対して保護動作を行った場合に、力行遮断リレー4aも保護できる。相遮断時に電動モータMの起電力により負電圧が印加されて保護動作を行った場合も同様である。
上述した第1乃至第7の実施形態においては、相リレー3U,3V,3WをNチャンネル型MOSFETとし、アクティブクランプ回路10U,10V,10Wをそれぞれ、相リレー3U,3V,3Wのドライバ8U,8V,8W側とインバータ回路1側に接続した。しかし、この構成に限らず、図9に示すように相リレー3をPチャンネル型MOSFETとし、アクティブクランプ回路10を、相リレー3の電動モータM側とドライバ8側とを接続するように構成しても各実施形態と同様の効果を奏する。
また、半導体リレーを構成する半導体素子として、MOSFETを例に取って説明したが、相リレー、インバータ回路及び電源リレーに他の半導体素子、例えばバイポーラトランジスタやIGBTなどを用いた制御装置にも適用可能である。
更に、各実施形態では、電動パーステアリング装置を例に取って説明したが、電動パーステアリング装置に限定されるものではなく、様々な電動モータの駆動制御装置に適用可能であり、例えばシートベルト用電動モータ装置、ブレーキなどの車両用電動モータ装置などにも適用できる。
(イ)請求項1記載の電動モータの駆動制御装置において、前記電動モータが3相駆動の場合に、U相、V相及びW相の前記第1半導体リレーを一括駆動するドライバを更に備える、ことを特徴とする電動モータの駆動制御装置。
上記構成によると、ドライバをU相、V相及びW相で共用して回路の簡略化が図れ、制御装置の低コスト化にも寄与できる。
上記構成によると、第1及び第3半導体リレーを駆動するドライバを第1半導体リレーと第3半導体リレーで共用して回路の簡略化が図れ、制御装置の低コスト化にも寄与できる。
Claims (3)
- 電動モータの駆動を制御する駆動制御装置において、
電動モータを駆動制御する駆動回路と、
前記駆動回路と前記電動モータとの間の駆動ライン上に配置され、前記駆動回路から前記電動モータへの通電を遮断する第1半導体リレーと、
前記第1半導体リレーの前記駆動回路側と前記電動モータ側の電位差が所定値以上になったときに前記第1半導体リレーをオンさせる第1アクティブクランプ回路と、
を備えることを特徴とする電動モータの駆動制御装置。 - 前記駆動回路に電源を供給する電源ライン上に配置され、前記駆動回路への電源の供給/遮断を制御する第2半導体リレーと、前記第2半導体リレーの前記駆動回路側と前記電源側の電位差が所定値以上になったときに前記第2半導体リレーをオンさせる第2アクティブクランプ回路とを更に備える、ことを特徴とする請求項1に記載の電動モータの駆動制御装置。
- 前記駆動回路における下流側駆動素子の上流側ライン部と接地点間の電位差が所定値以上になったときに、前記下流側駆動素子をオンさせる第3アクティブクランプ回路を更に備える、ことを特徴とする請求項1または2に記載の電動モータの駆動制御装置。
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