JP2016063625A - 電子制御装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冗長型の電子制御装置において、電源回路のインダクタンスを低減させて、スィッチング損失低減、ノイズレベル低減、及びバッテリ電源の電圧利用率改善を図ること。
【解決手段】モータを動作制御する電子制御装置であって、モータを駆動させるパワーモジュール１１ａ，１１ｂを備える。パワーモジュール１１ａの電源端子３２ｐｕａ，３２ｐｖａ，３２ｐｗａは、これらの電源端子とは異極のパワーモジュール１１ｂの電源端子３２ｎｕｂ、３２ｎｖｂ、３２ｎｗｂの近傍にてこれらの端子と各々対向して配置されている。パワーモジュール１１ａの長手方向端部３１１から導出された電源端子３２ｎｕａ、３２ｎｖａ、３２ｎｗａは、これらの電源端子とは異極のパワーモジュール１１ｂの長手方向端部３１１から導出された電源端子３２ｐｕｂ，３２ｐｖｂ，３２ｐｗｂの近傍にてこれらの端子と各々対向して配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明はモータの電子制御装置及びこの制御装置を備えた装置に関する。

電動パワーステアリング装置としては、インバータとして機能するパワーモジュールを２系統実装させた冗長型のものが知られている（例えば、特許文献１〜３）。

特許文献１のパワーステアリング装置は、装置の径方向に互い対向してパワーモジュールが配置されている。本態様においては、装置の動作時に発生する熱を分散させる観点から二つのパワーモジュールを意図的に離間させているので、この二つのモジュール間の端子も必然的に離れた配置となっている。

特許文献２のパワーステアリング装置は、複数のパワーモジュールを同一平面上に配置させている。一方のモジュールの電源正極端子は他方のモジュールの電源負極端子と離れた配置となっている。

特許文献３のパワーステアリング装置は、扇形のパワーモジュールを同一平面上に複数配置させている。これらのパワーモジュールも、特許文献２のパワーモジュールと同様に、一方のモジュールの電源正極端子が他方のモジュールの電源負極端子と離れた状態で配置されている。

特開２０１３−２０７９６９号公報 特開２０１１−２２９２２９号公報 特開２０１３−１５１２０６号公報

従来の冗長型の電動パワーステアリング装置は、一方のパワーモジュールの正極側電源端子と他方のパワーモジュールの負極側電源端子とが離間しているので、同装置の電源回路のインダクタンスが大きくなり、スィッチング損失が大きく、ノイズレベルも高かった。また、バッテリ電源の電圧利用率が劣るものとなっている。

本発明は、上記の事情に鑑み、冗長型の電子制御装置において、電源回路のインダクタンスを低減させて、スィッチング損失低減、ノイズレベル低減、及びバッテリ電源の電圧利用率改善を図ることを課題とする。

そこで、本発明の電子制御装置は、モータを動作制御する電子制御装置であって、モータを駆動させるパワーモジュールを複数備え、この複数のパワーモジュールのうち、少なくとも一つのパワーモジュールの電源端子は、この電源端子とは異極の他のパワーモジュールの電源端子の近傍にてこの端子と対向して配置されている。

また、本発明の電動パワーステアリング装置は、モータを駆動させるパワーモジュールを複数備えた電動パワーステアリング装置であって、前記複数のパワーモジュールのうち、少なくとも一つのパワーモジュールの電源端子は、この電源端子とは異極の他のパワーモジュールの電源端子の近傍にてこの端子と対向して配置されている。

本発明によれば、一つのパワーモジュールの電源端子が、この端子とは異極の他のパワーモジュールの電源端子の近傍にてこの端子と対向し、装置の動作時に各パワーモジュールで発生する磁界が相殺されるので、電源回路のインダクタンスが低減する。

本発明によれば、冗長型の電子制御装置において、その電源回路のインダクタンスが低減するので、スィッチング損失低減、ノイズレベル低減、及びバッテリ電源の電圧利用率が改善する。

本発明の第一実施形態の電子制御装置の縦断面図。 同電子制御装置の斜視図。 同電子制御装置におけるパワーモジュールの配置形態を示した斜視図。 同電子制御装置におけるパワーモジュールの配置形態を示した平面図。 同電子制御装置に具備された制御基板の背面を示した平面図。 同電子制御装置が具備された電動パワーステアリング装置の斜視図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１に示された本実施形態の電子制御装置９は、図６に例示された操舵機構１に具備された電動パワーステアリング装置６に適用される電子制御装置の一例である。

図６に示された操舵機構１において、ステアリングホィール（図示省略）に連結されたステアリングシャフト２の下端には、ピニオン（図示省略）が設けられ、このピニオンは車体左右方向へ長いラック（図示省略）と噛み合っている。このラックの両端には前輪を左右方向へ操舵するためのタイロッド３が連結されている。また、前記ラックはラックハウジング４に収容されており、さらに、このラックハウジング４とタイロッド３との間にはゴムブーツ５が設けられている。そして、前記ステアリングホィールを回動操作する際のトルクを補助するために電動パワーステアリング装置６が設けられている。

電動パワーステアリング装置６は、ステアリングシャフト２の回動方向と回動トルクとを検出するトルクセンサ７と、このトルクセンサ７の検出値に基づいて前記ラックにギア１０を介して操舵補助力を付与する電動モータ８、この電動モータ８を制御する電子制御装置９とを備える。電動モータ８は、出力軸側の外周部の３箇所が図示しないボルトを介してギア１０に接続され、電動モータ８の出力軸とは反対側に電子制御装置９が設けられている。

電動モータ８は、一つの固定子の内部に２系統の３相巻線が巻回されており、それぞれの系統の３相端子が外部に引き出されている、いわゆる２巻線モータである。ここではそれぞれの巻線を便宜上ａ巻線、ｂ巻線と呼ぶことにする。ａ巻線及びｂ巻線に略同一の３相電流を通電することにより、任意の回転状態及び負荷状態において、２系統が略同等のトルク及び逆起電力を発生し、２つの同一特性のモータが同一動作を行っているように制御がなされる。

電子制御装置９は、図１に示したように、２系統のパワーモジュール１１を備えることにより前記の２巻線モータを駆動する並列冗長型のインバータ機能を実装した態様となっている。

すなわち、電子制御装置９は、電動モータ８を駆動させる２組のパワーモジュール１１ａ，１１ｂと、このパワーモジュール１１ａ，１１ｂと電気的に接続される電源基板１２と、パワーモジュール１１ａ，１１ｂと電気的に接続される制御基板１３とを備える。

電源基板１２は、図１，２に示したように、フレームエンド１４の端部に設けられた台座部１５において、取り付け金具２０によってフレームエンド１４と略同心（同軸）に固定されている。

電源基板１２には、外部の電源から供給された電力を平滑コンデンサに充電し、パワーモジュール１１ａ，１１ｂを経由して駆動電流として電動モータ８の２系統の三相巻線に流れるように、パワーモジュール１１ａ，１１ｂの電源端子３２に接続する配線が形成されている。図２に示したように、電源基板１２には、平滑コンデンサ１６、コネクタ１７，１８、図示省略のチョークコイル等が適宜に実装されている。平滑コンデンサ１６は、例えば、前記電源を共有する他の装置から伝わるノイズを低減するためのフィルタ回路の一要素としても機能する。コネクタ１７は、例えば前記電源から電力を供給するためのハーネスが接続されるコネクタである。コネクタ１８は、例えば、車両のメインコントローラから制御信号等を供給するためのハーネスや、制御基板１３から制御信号、センサ信号等を当該メインコントローラに供給するためのハーネス等が接続されるコネクタである。

制御基板１３は、電源基板１２と導通してパワーモジュール１１ａ，１１ｂを動作制御するための制御回路基板である。図１に示したように、制御基板１３は、図６に示した電動モータ８の図示省略のモータケーシングの一端側に取り付けられるフレームエンド１４内に収容されている。制御基板１３はこのフレームエンド１４内の台座部１９において取り付け金具２０によってこのフレームエンド１４と略同心（同軸）に配置固定されている。

制御基板１３には、回転角センサ２１の他に、図示省略の周知のカスタムＩＣ，マイコン及びプリドライバ等が適宜実装されている。尚、回転角センサ２１は、図５に示したように、電動モータ８と対向する制御基板１３の面の略中央部に具備されている。

また、制御基板１３には、パワーモジュール１１ａ，１１ｂの要素であるインバータ主回路素子、具体的には、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に対して制御信号を供給する回路が形成される。このように制御基板１３にはパワーモジュール１１ａ，１１ｂが電気的に接続されて電動モータ８を制御する制御電流が流れるようになっている。

パワーモジュール１１ａ，１１ｂは、図３に示したように、電動モータ８を駆動させるインバータ回路が実装された本体部３１を備える。

パワーモジュール１１ａの本体部３１の一方の長手方向端部３１１からは三対の電源端子３２ｐｕａ，３２ｎｕａ，３２ｐｖａ，３２ｎｖａ，３２ｐｗａ，３２ｎｗａが導出されている。また、この本体部３１の他方の長手方向端部３１２からは、制御端子３３と三相のモータ端子３４ｕａ，３４ｖａ，３４ｗａが導出されている。

パワーモジュール１１ｂの本体部３１の一方の長手方向端部３１１からは３２ｐｕｂ，３２ｎｕｂ，３２ｐｖｂ，３２ｎｖｂ，３２ｐｗｂ，３２ｎｗｂが導出されている。また、この本体部３１の他方の長手方向端部３１２からは、制御端子３３と三相のモータ端子３４ｕｂ，３４ｖｂ，３４ｗｂとが導出されている。

電源端子３２ｐｕａ，３２ｎｕａ，３２ｐｖａ，３２ｎｖａ，３２ｐｗａ，３２ｎｗａ，並びに３２ｐｕｂ，３２ｎｕｂ，３２ｐｖｂ，３２ｎｖｂ，３２ｐｗｂ，３２ｎｗｂは、図３に示したように、本体部３１の長手方向端部３１１から当該本体部３１の幅方向に突出しその中途から上方に向かって鉛直に屈曲された形態となっている。

特に、負極側の電源端子３２ｎｕａ，３２ｎｖａ，３２ｎｗａ，並びに３２ｎｕｂ，３２ｎｖｂ，３２ｎｗｂは、各々、前記幅方向の突出長さが正極側の電源端子３２ｐｕａ，３２ｐｖａ，３２ｐｗａ，並びに３２ｐｕｂ，３２ｐｖｂ，３２ｐｗｂの当該幅方向の突出長さよりも短小に形成されている。

モータ端子３４ｕａ，３４ｖａ，３４ｗａ，並びに３４ｕｂ，３４ｖｂ，３４ｗｂは、図１，３に示したように、本体部３１の他方の長手方向端部３２２から当該本体部３１の幅方向に突出しその中途から上方に向かって鉛直に屈曲された形態となっている。

制御端子３３は、長手方向端部３２２から本体部３１の幅方向に突出しその中途から下方に向かって鉛直に屈曲された形態となっている。

パワーモジュール１１ａ，１１ｂは、図１に示したように、フレームエンド１４の端部に設けられた台座部１４１において、同一平面上に並列に配置される。

このとき、図１，４に示したように、パワーモジュール１１ａの本体部３１の長手方向端部３１１から導出された正極側の電源端子３２ｐｕａ，３２ｐｖａ，３２ｐｗａは、当該長手方向端部３１１と対向するパワーモジュール１１ｂの長手方向端部３１１から導出された負極側の電源端子３２ｎｕｂ、３２ｎｖｂ、３２ｎｗｂの近傍にて、これらの端子と各々対向した状態となる。

一方、パワーモジュール１１ａの長手方向端部３１１から導出された負極側の電源端子３２ｎｕａ、３２ｎｖａ、３２ｎｗａは、当該長手方向端部３１１と対向するパワーモジュール１１ｂの長手方向端部３１１から導出された正極側の電源端子３２ｐｕｂ，３２ｐｖｂ，３２ｐｗｂの近傍にて、これらの端子と各々対向した状態となる。

パワーモジュール１１ａ，１１ｂの前記各電源端子３２並びに前記各モータ端子３４は、図１，２に示したように電源基板１２に対して半田付けにより電気的に接続固定されている。

前記各モータ端子３４は、電動モータ８と組み立てる時にモータリードと中空接続してもよいので、必ずしも電源基板１２に接続しなくてもよい。また、電源基板１２，制御基板１３の回路設計に応じて前記各モータ端子は制御基板１３に接続される場合もある。

一方、パワーモジュール１１ａ，１１ｂの制御端子３３は、フレームエンド１４の端部における端子導入用の開口部１４０からフレームエンド１４内に導入されて、制御基板１３に対して半田付けにより電気的に接続固定されている。

さらに、電源基板１２と制御基板１３は、制御基板１３の制御回路と電源基板１２の電源回路とを導通させるリードフレーム２２によって電気的に接続されている。リードフレーム２２も電源基板１２、制御基板１３に対して半田付けにより接続固定されている。

そして、電源基板１２には、三相のバスバー２３が半田付けにより電気的に接続されている。バスバー２３は、フレームエンド１４の開口部１４０からフレームエンド１４内に導入されて、図６の電動モータ８と電気的に接続されている。

以上のパワーモジュール１１ａ，１１ｂ、電源基板１２、制御基板１３、フレームエンド１４は図１に示されたケース２４内に収容される。ケース２４の天板部２４０には、コネクタ１７，１８が導出される図示省略の開口部２４１が形成されている。

図１，６を参照しながら電動パワーステアリング装置６の動作例について説明する。

ステアリングホィールが操作されてステアリングシャフト２がいずれかの方向へ回動すると、このステアリングシャフト２の回動方向と回動トルクとがトルクセンサ７によって検出される。制御基板１３の制御回路はトルクセンサ７並びに回転角センサ２１の検出値に基づき電動モータ８の駆動操作量を算出する。パワーモジュール１１ａ，１１ｂは前記演算された駆動操作量の値に基づく制御信号に基づき電動モータ８を駆動させる。このとき、パワーモジュール１１ａ及びパワーモジュール１１ｂの対応する３相端子には、任意の時点において同一の電流が流れるように制御がなされる。これにより、電動モータ８の２系統の巻線は略同一のトルクを発生して、電動モータ８の出力軸はステアリングシャフト２を操作方向と同じ方向へ駆動するように回動する。そして、この出力軸の回動は図示省略のピニオンからギア１０を介して図示省略のラックへと伝達される。

特に、本実施形態においては、図４に示したように、パワーモジュール１１ａの正極側の電源端子３２ｐｕａ，３２ｐｖａ，３２ｐｗａは、パワーモジュール１１ｂの負極側の電源端子３２ｎｕｂ、３２ｎｖｂ、３２ｎｗｂの近傍にてこれらの端子と対向した状態となっている。また、パワーモジュール１１ａの負極側の電源端子３２ｎｕａ，３２ｎｖａ，３２ｎｗａは、パワーモジュール１１ｂの正極側の電源端子３２ｐｕｂ、３２ｐｖｂ、３２ｐｗｂの近傍にてこれらの端子と対向した状態となっている。

以上のように２系統のパワーモジュール１１ａ，１１ｂ間で互いに異極の電源端子が対向しているので、この両者のパワーモジュール１１ａ，１１ｂの同相電流が相殺される。これにより、パワーモジュール１１ａ，１１ｂの発生磁界の影響が相殺する効果が増大し、電源基板１２における電源回路のインダクタンスが低減するので、スイッチング損失が低減、ノイズレベルが低減、及びバッテリ電源の電圧利用率が改善する。

換言すると、単一のパワーモジュールを備えた態様においては、正極側の電源端子と負極側の電源端子とを近接して得られるインダクタンスの低減には限界がある。

これに対して、本実施形態のような２系統のパワーモジュールを備えた態様においては、一方のパワーモジュールの電源端子が他方のパワーモールの当該端子とは異極の電源端子と面対面で近接（ラミネート）することにより、単一のパワーモジュールを備えた態様と比べて、電源回路のインダクタンスを大幅に低減できる。

具体的な事例を挙げると、単一のパワーモジュールを備えた態様の場合、一対の銅製電源端子ｐ，ｎ間の距離が例えば０．９ｍｍであると、インダクタンスの値が約１１ｎＨとなることが実験的に確認されている。さらに、同距離が約０．５ｍｍであると、インダクタンスの値が約９ｎＨとなることが実験的に確認されている。

これに対して、２系統のパワーモジュールを備えた態様の場合、本実施形態のように一方のモジュールの一対の銅製電源端子（端子間距離は０．９ｍｍ）と他方のモジュールの一対の銅製電源端子（端子間距離０．９ｍｍ）とが双方異極端子同士で対向する距離が例えば約２０ｍｍであると、インダクタンスの値が約１１ｎＨとなることが実験的に確認されている。さらに、同距離が約０．５ｍｍであると、インダクタンスの値が６ｎＨ未満となることが実験的に確認されている。

以上のように、２系統のパワーモジュールを備えて一方のパワーモジュールの正極側電源端子を他方のパワーモジュールの負極側電源端子と近傍する位置にて当該負極側端子と対向させることにより、単一のパワーモジュールを備えた場合と比べて、インダクタンスの値を６０％近辺まで低減できることが実証されている。

また、特に本実施形態においては、パワーモジュール１１ａ，１１ｂが同一平面上に配置され、パワーモジュール１１ａの電源端子３２は、パワーモジュール１１ｂの本体部３１の長手方向端部３１１と対向する本体部３１の長手方向端部３１１から導出されている。この態様により、パワーモジュール１１ａ，１１ｂの電源端子３２を互いに近傍の位置にて双方異極の端子同士で対向させることができるので、装置の大型化を回避しながらも、電源回路のインダクタンスの低減を図ることができる。

さらに、パワーモジュール１１ａ，１１ｂの電源端子３２は負極側端子の本体部３１幅方向突出長さが正極側端子の当該突出長さよりも短小に形成されている。本態様のように、電源端子３２は正極側端子，負極側端子の本体部３１幅方向の突出長さが相違するので、図３に示したように、パワーモジュール１１ａ，１１ｂを、同一平面上において、より一層互いに近傍の位置に配置できる。したがって、電源回路におけるインダクタンスの低減効果をさらに高めることができる。そして、これに伴い電子制御装置９のさらなる小型化も図ることができる。

そして、図１に示されたように、パワーモジュール１１ａ，１１ｂはフレームエンド１４の端部における同一平面上に配置され、パワーモジュール１１ａ，１１ｂの制御端子３３は、互いに対向しないパワーモジュール１１ａ，１１ｂの端部（パワーモジュール１１ａ，１１ｂを収容するケース２４の内面２４２と対向するパワーモジュール１１ａ，１１ｂの端部）から導出された態様となっている。本態様によれば、制御基板１３の縁部寄りの位置にて制御端子３３を制御基板１３に接続固定させることができるので、制御基板１３の実装面の有効利用が可能となる。

また、パワーモジュール１１ａ，１１ｂの各モータ端子３４も、制御端子３３と同様に、互いに対向しないパワーモジュール１１ａ，１１ｂの端部から導出されている。本態様によっても、電源基板１２または制御基板１３の縁部寄りの位置にて各モータ端子３４を電気的に接続させることができる。これにより、電源基板１２上または制御基板１３上のデッドスペースを最小限に抑えることができるので、同基板１２，１３の実装面を有効利用できる。

以上説明した本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

例えば、上述の実施形態は２系統のパワーモジュールを備えた電子制御装置であるが、４系統、６系統などに例示される複数系統のパワーモジュールを備えた電子制御装置おいて本発明のパワーモジュールの配置態様を適用しても、前記実施形態と同様の効果が得られることは明らかである。

また、本発明のパワーモジュールの配置形態は、上述のようなラック搭載型の電動パワーステアリング装置の電子制御装置に限定することなく、例えば、コラム搭載型の電動パワーステアリング装置にも同様に適用可能であるし、ブレーキ制御装置に例示されるような電動モータを有する装置システムの電子制御装置においても適用できる。

１…操舵機構
９…電子制御装置
８…電動モータ（モータ）
１１ａ，１１ｂ…パワーモジュール
１２…電源基板
１３…制御基板
３１…本体部（モジュール本体部）、３１１…一方の長手方向端部、３１２…他方の長手方向端部
３２ｐｕａ，３２ｐｖａ，３２ｐｗａ，３２ｐｕｂ，３２ｐｖｂ，３２ｐｗｂ…電源端子（正極側端子）
３２ｎｕａ，３２ｎｖａ，３２ｎｗａ、３２ｎｕｂ，３２ｎｖｂ，３２ｎｗｂ…電源端子（負極側端子）
３３…制御端子
３４ｕａ，３４ｖａ，３４ｗａ、３４ｕｂ，３４ｖｂ，３４ｗｂ…モータ端子
２４…ケース、２４２…内面

Claims (9)

1. モータを動作制御する電子制御装置であって、
   モータを駆動させるパワーモジュールを複数備え、
   この複数のパワーモジュールのうち、少なくとも一つのパワーモジュールの電源端子は、この電源端子とは異極の他のパワーモジュールの電源端子の近傍にてこの端子と対向して配置されたこと
   を特徴とする電子制御装置。
2. 前記複数のパワーモジュールは同一平面上に配置され、
   前記一つのパワーモジュールの電源端子は、前記他のパワーモジュールと対向するモジュール本体部の端部から導出されたこと
   を特徴とする請求項１に記載の電子制御装置。
3. 前記電源端子の正極側端子並びに負極側端子は、モジュール本体部幅方向の突出長さが相違すること
   を特徴とする請求項２に記載の電子制御装置。
4. 前記一つのパワーモジュールの制御端子は、前記他のパワーモジュールと対向しないモジュール本体部の端部から導出された
   を特徴とする請求項２または３に記載の電子制御装置。
5. 前記一つのパワーモジュールのモータ端子は、前記他のパワーモジュールと対向しないモジュール本体部の端部から導出されたこと
   を特徴とする請求項４に記載の電子制御装置。
6. 前記パワーモジュールの電源端子と電気的に接続される電源基板と、
   前記パワーモジュールの制御端子と電気的に接続される制御基板と、
   前記パワーモジュール、電源基板、制御基板を収容するケースと
   を備え、
   前記ケースの内面と対向する前記パワーモジュールのモジュール本体部の端部から当該パワーモジュールの制御端子が導出されたこと
   を特徴とする請求項４または５に記載の電子制御装置。
7. 前記パワーモジュールの電源端子及びモータ端子と電気的に接続される電源基板と、
   前記パワーモジュールの制御端子と電気的に接続される制御基板と、
   前記パワーモジュール、電源基板、制御基板を収容するケースと
   を備え、
   前記ケースの内面と対向する前記パワーモジュールのモジュール本体部の端部から当該パワーモジュールの制御端子及びモータ端子が導出されたこと
   を特徴とする請求項４または５に記載の電子制御装置。
8. 前記パワーモジュールの電源端子と電気的に接続される電源基板と、
   前記パワーモジュールの制御端子及びモータ端子と電気的に接続される制御基板と、
   前記パワーモジュール、電源基板、制御基板を収容するケースと
   を備え、
   前記ケースの内面と対向する前記パワーモジュールのモジュール本体部の端部から当該パワーモジュールの制御端子及びモータ端子が導出されたこと
   を特徴とする請求項４または５に記載の電子制御装置。
9. モータを駆動させるパワーモジュールを複数備えた電動パワーステアリング装置であって、
   前記複数のパワーモジュールのうち、少なくとも一つのパワーモジュールの電源端子は、この電源端子とは異極の他のパワーモジュールの電源端子の近傍にてこの端子と対向して配置されたこと
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。

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