JP2016086501A - Motor controller and electric power steering device mounting the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータのPWM(パルス幅変調)制御における変調信号(キャリア)の周波数を入力トルク(特に高入力)に応じて変更することにより、熱損失の低減、高出力化と小型化を図ったモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。 In the present invention, the frequency of a modulation signal (carrier) in PWM (pulse width modulation) control of a motor is changed according to input torque (particularly high input), thereby reducing heat loss, increasing output, and reducing size. The present invention relates to a motor control device and an electric power steering device equipped with the motor control device.
モータ制御装置を搭載し、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力(アシスト力)を付与する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置(EPS)は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値(電流指令値)とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM制御のデューティの調整で行っている。 An electric power steering device that is equipped with a motor control device and applies a steering assist force (assist force) to the steering mechanism of a vehicle by the rotational force of the motor is a transmission mechanism such as a gear or a belt that transmits the driving force of the motor via a speed reducer. Thus, a steering assist force is applied to the steering shaft or the rack shaft. Such a conventional electric power steering device (EPS) performs feedback control of the motor current in order to accurately generate the torque of the steering assist force. In feedback control, the motor applied voltage is adjusted so that the difference between the steering assist command value (current command value) and the motor current detection value is small. Generally, the adjustment of the motor applied voltage is a duty of PWM control. It is done by adjusting.
電動パワーステアリング装置(EPS)の一般的な構成を図1に示して説明すると、ハンドル1のコラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)2は減速ギア3、ユニバーサルジョイント4a及び4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a,6bを経て、更にハブユニット7a,7bを介して操向車輪8L,8Rに連結されている。また、コラム軸2には、ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ10が設けられており、ハンドル1の操舵力を補助するモータ20が減速ギア3を介してコラム軸2に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット(ECU)30には、バッテリ13から電力が供給されると共に、イグニションキー11を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクThと車速センサ12で検出された車速Velとに基づいてアシスト(操舵補助)指令の電流指令値の演算を行い、演算された電流指令値に補償等を施した電圧制御値Vrefによってモータ20に供給する電流を制御する。舵角センサ14は必須のものではなく、配設されていなくても良く、モータ20に連結された回転センサから得ることもできる。
A general configuration of an electric power steering device (EPS) is described with reference to FIG. The
コントロールユニット30には、車両の各種情報を授受するCAN(Controller Area Network)40が接続されており、車速VelはCAN40から受信することも可能である。また、コントロールユニット30には、CAN40以外の通信、アナログ/ディジタル信号、電波等を授受する非CAN41も接続可能である。
The
このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット30は主としてCPU(MPUやMCUを含む)で構成されるが、そのCPU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、例えば図2に示されるような構成となっている。
In such an electric power steering apparatus, the
図2を参照してコントロールユニット30の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ10からの操舵トルクTh及び車速センサ12からの車速Velは電流指令値演算部31に入力され、電流指令値演算部31は操舵トルクTh及び車速Velに基づいてアシストマップ等を用いて電流指令値Iref1を演算する。演算された電流指令値Iref1は加算部32Aで、特性を改善するための補償部34からの補償信号CMと加算され、加算された電流指令値Iref2が電流制限部33で最大値を制限され、最大値を制限された電流指令値Irefmが減算部32Bに入力され、モータ電流検出値Imと減算される。
The function and operation of the
減算部32Bでの減算結果I(=Irefm−Im)はPI制御部35でPI制御され、PI制御された電圧制御値Vrefが変調信号(キャリア)CFと共にPWM制御部36に入力されてデューティを演算され、デューティを演算されたPWM信号でインバータ37を介してモータ20をPWM駆動する。モータ20のモータ電流値Imはモータ電流検出手段38で検出され、減算部32Bに入力されてフィードバックされる。
The subtraction result I (= Irefm−Im) in the
補償部34は、検出若しくは推定されたセルフアライニングトルク(SAT)を加算部344で慣性補償値342と加算し、その加算結果に更に加算部345で収れん性制御値341を加算し、その加算結果を補償信号CMとして加算部32Aに入力し、特性改善する。
The
モータ20が3相モータの場合、PWM制御部36及びインバータ37の詳細は例えば図3に示すような構成となっており、PWM制御部36は、電圧制御値Vrefを所定式に従って3相分のPWMデューティ値D1〜D6を演算するデューティ演算部36Aと、PWMデューティ値D1〜D6で駆動素子としてのFETのゲートを駆動すると共に、デッドタイムの補償をしてON/OFFするゲート駆動部36Bとで構成されている。デューティ演算部36Aには発振部36Cから例えば三角波の変調信号(キャリア)CFが入力されており、デューティ演算部36Aは変調信号CFに同期してPWMデューティ値D1〜D6を演算する。インバータ37はFETの3相ブリッジで構成されており、PWMデューティ値D1〜D6でON/OFFされることによってモータ20を駆動する。
When the
なお、インバータ37とモータ20との間には、アシスト制御停止時等に電流の供給を遮断するためのモータスイッチ23が介挿されている。また、モータ20はブラシ付きモータであっても、ブラシレスモータであっても良い。
Note that a motor switch 23 is interposed between the
このような電動パワーステアリング装置では、近年、高出力化(長時間電流を流すことが可能)、小型化(ECUサイズ(ヒートシンクサイズ))の要求が厳しくなって来ている。かかる要求を実現する装置として、例えば特開平9−70195号公報(特許文献1)に示されるモータ制御装置がある。即ち、特許文献1の装置では、モータの回転数が十分低い場合にモータの回転が外力によりロックされているとみなし、PWM信号の変調周波数を通常の10kHzから1.25kHzに切り換え、変調周波数の低下に伴いインバータのスイッチング素子のスイッチング周波数を低下させスイッチング損失を低減させている。このため、モータがロックされていても、インバータの各スイッチング素子に急激な発熱が生じる恐れがない。
In such an electric power steering apparatus, in recent years, demands for high output (a current can flow for a long time) and miniaturization (ECU size (heat sink size)) have become strict. As an apparatus that realizes such a requirement, there is a motor control apparatus disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-70195 (Patent Document 1). That is, in the apparatus of
しかしながら、特許文献1の装置では、発熱の低減はできるものの、低減させる周波数が低過ぎて、つまり10kHzから1.25kHz(87.5%)に急激に低下させているため、作動音等に影響が出る。そのため、このモータ制御装置を、異音発生が大きな問題となる電動パワーステアリング装置へ搭載することは不合理である。また、特許文献1の主目的はモータの焼損防止にあり、電動パワーステアリング装置へ搭載することを考慮していないと思われる。
However, in the device of
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、高負荷時(入力トルクの大きい時)にPWMの変調信号の周波数を低い変化率で低周波数に切り換え、PWM制御のスイッチング損失を軽減して高出力化(長い時間電流を流せる)と小型化(ECUサイズ(ヒートシンクサイズ))を図ったモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置を提供することにある。 The present invention has been made under the circumstances described above, and an object of the present invention is to switch the frequency of a PWM modulation signal to a low frequency at a low change rate when the load is high (when the input torque is large), and to perform PWM control. It is an object of the present invention to provide a motor control device and an electric power steering device equipped with the motor control device that reduce the switching loss and achieve high output (current can flow for a long time) and miniaturization (ECU size (heat sink size)).
本発明は、入力トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づくPWM制御のインバータによってモータを駆動するコントロールユニットを備え、前記コントロールユニットによりモータ系を制御するモータ制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記入力トルクを所定のトルク閾値と比較してトルク判定信号を出力するトルク判定部と、前記トルク判定信号に基づき前記PWM制御の変調信号の周波数を可変する変調周波数可変部とを備え、前記変調周波数可変部は、前記トルク閾値を変位値とする前記トルク判定信号に応じて前記変調信号の周波数を可変し、前記コントロールユニットの熱損失の低減、高出力化と小型化を図ることにより達成される。 The present invention relates to a motor control device that includes a control unit that calculates a current command value based on an input torque, drives a motor by a PWM-controlled inverter based on the current command value, and controls a motor system by the control unit, The object of the present invention is to compare the input torque with a predetermined torque threshold value and output a torque determination signal, and to change the frequency of the modulation signal of the PWM control based on the torque determination signal. The modulation frequency variable unit varies the frequency of the modulation signal in accordance with the torque determination signal having the torque threshold as a displacement value, thereby reducing the heat loss of the control unit, increasing the output, and reducing the size. This is achieved by achieving the above.
また、本発明の上記目的は、前記変調周波数可変部は、前記入力トルクが前記トルク閾値以下において高周波数の前記変調信号を出力し、前記入力トルクが前記トルク閾値よりも大きいときに低周波数の前記変調信号を出力することにより、或いは前記高周波数が20kHzであり、前記低周波数が15kHzであることにより、或いは前記変調周波数可変部が、前記高周波数の変調信号を発振する第1の発振器と、前記低周波数の変調信号を発振する第2の発振器と、前記トルク判定信号に応じて前記高周波数の変調信号及び前記低周波数の変調信号を切り換える切換部とで構成されていることにより、より効果的に達成される。 Further, the object of the present invention is that the modulation frequency variable unit outputs the modulation signal having a high frequency when the input torque is equal to or less than the torque threshold value, and has a low frequency when the input torque is greater than the torque threshold value. A first oscillator that outputs the modulation signal, or the high frequency is 20 kHz, the low frequency is 15 kHz, or the modulation frequency variable unit oscillates the high frequency modulation signal; A second oscillator that oscillates the low-frequency modulation signal, and a switching unit that switches the high-frequency modulation signal and the low-frequency modulation signal according to the torque determination signal. Effectively achieved.
上記モータ制御装置を搭載し、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシスト力を付与するECUを具備した電動パワーステアリング装置により、上記目的は達成される。 The above object is achieved by an electric power steering apparatus equipped with the motor control apparatus and equipped with an ECU that applies an assist force to the steering system of the vehicle based on at least a current command value calculated based on the steering torque.
本発明の変調周波数可変機能を有するモータ制御装置によれば、入力トルクに応じて(高入力トルク時)PWM制御の変調信号(キャリア)の周波数を低い変化率で低減(約25%)し、高出力時のFETのスイッチング損失を低減し、高出力化と小型化を実現できる。本発明では変調信号の周波数の低減を約3/4とし、変化率を約25%としているので、異音等の発生の心配も軽減できる。 According to the motor control device having the modulation frequency variable function of the present invention, the frequency of the modulation signal (carrier) of PWM control is reduced at a low rate of change (about 25%) according to the input torque (at the time of high input torque), The switching loss of FET at the time of high output can be reduced, and high output and miniaturization can be realized. In the present invention, the frequency of the modulation signal is reduced to about 3/4 and the rate of change is about 25%.
上記変調周波数可変機能を有するモータ制御装置を電動パワーステアリング装置に搭載することにより、ECUの高出力化と共に、ECUサイズの小型化を図ることがきる。電動パワーステアリング装置において特に厳しく要請される異音の発生もなく、大きな効果がある。 By mounting the motor control device having the modulation frequency variable function on the electric power steering device, it is possible to increase the output of the ECU and reduce the ECU size. In the electric power steering apparatus, there is no generation of abnormal noise that is particularly strictly required, and there is a great effect.
本発明は、PWM制御の変調信号(キャリア)の周波数を、入力トルク(例えば操舵トルク)に応じて低い変化率で変更する変調周波数可変機能を有している。そして、入力トルクが所定の閾値以上に大きくなったときに、高周波数(例えば20kHZ)の変調信号から低周波数(例えば15kHz)の変調信号に切り換え、スイッチング素子の熱損失の低減を図ると共に、ECU等のコントロールユニットの高出力化と小型化を図ったモータ制御装置及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置である。 The present invention has a modulation frequency variable function that changes the frequency of a modulation signal (carrier) of PWM control at a low change rate in accordance with input torque (for example, steering torque). When the input torque becomes greater than or equal to a predetermined threshold value, the modulation signal is switched from a high frequency (for example, 20 kHz) modulation signal to a low frequency (for example, 15 kHz) to reduce the heat loss of the switching element and the ECU. And the like, and a motor control device that achieves high output and miniaturization of the control unit and the like, and an electric power steering device equipped with the motor control device.
変調信号の変化率を約25%と低くしているので、異音が発生することもなく、効果的にコントロールユニットの高出力化と小型化を図っている。 Since the rate of change of the modulation signal is as low as about 25%, no abnormal noise is generated and the control unit is effectively increased in output and size.
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図4は本発明の構成例を図2に対応させて示しており、操舵トルクThはトルク判定部50に入力され、操舵トルクThは予め設定されている所定のトルク閾値T0(例えば2.5Nm)と比較される。トルク判定部50の比較結果であるトルク判定信号TDは発振部60に入力され、発振部60はトルク判定信号TDに従った周波数の変調信号CFを出力する。変調信号CFは例えば図5に示すように、操舵トルクThがトルク閾値T0よりも小さい範囲では20kHzの高周波数で発振して出力され、操舵トルクThがトルク閾値T0以上の大きい範囲では15kHzの低周波数で発振して出力される。
FIG. 4 shows an example of the configuration of the present invention corresponding to FIG. 2. The steering torque Th is input to the
図6は発振部60の一例を示しており、高周波数の20kHzで発振する第1の発振器61と、低周波数の15kHzで発振する第2の発振器62と、トルク判定信号TDに従って接点a1,a2を切り換えて変調信号CFを出力する切換部63とを備えている。トルク判定信号TDは、操舵トルクThがトルク閾値T0よりも小さい範囲で「0」となり、これにより切換部63の接点をa1とし、操舵トルクThがトルク閾値T0以上の大きい範囲で「1」となり、これにより切換部63の接点をa2とする。即ち、切換部63の接点a1,a2は、トルク判定信号TDによって切り換えられる。
FIG. 6 shows an example of the
なお、低周波数の変調信号を出力する第2の発振器62は、第1の発振器61からの高周波数を分周して低周波数化する分周回路で構成することも可能である。
Note that the
発振部60が図6の構成である場合について、図7のフローチャートを参照して、本発明に関連する動作を説明する。
The operation related to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. 7 in the case where the
動作がスタートすると、発振器61が周波数20kHzで発振されると共に、発振器62が周波数15kHzで発振され(ステップS1)、切換部63の接点は「a1」に接続される(ステップS2)。この状態では、発振器61からの20kHzの発振信号が変調信号CFとして出力されている。
When the operation starts, the
この状態で、トルク判定部50は操舵トルクThを読み取り(ステップS3)、操舵トルクThがトルク閾値T0以上であるか否かを判定し(ステップS4)、操舵トルクThがトルク閾値T0以上である場合には、トルク判定信号TDにより切換部63の接点を「a1」から「a2」に切り換え(ステップS10)、発振器62からの15kHzの低い周波数を変調信号CFとし、これによってPWM制御の駆動を行う(ステップS11)。
In this state, the
その後、トルク判定部50は操舵トルクThを読み取り(ステップS12)、操舵トルクThがトルク閾値T0以上であるか否かを判定し(ステップS13)、操舵トルクThがトルク閾値T0以上である場合には、上記ステップS11にリターンして上記動作を繰り返す。
Thereafter, the
上記ステップS13において、操舵トルクThがトルク閾値T0よりも小さいと判定された場合には、更に終了か否かを判定し(ステップS14)、終了でない場合には上記ステップS10にリターンし、切換部63の接点を「a2」から「a1」に切り換え(ステップS10)、上記動作を繰り返す。上記ステップS14で終了と判定された場合には、終了となる。
In step S13, if the steering torque Th is determined to be smaller than the torque threshold value T 0, it is determined whether further or terminated (step S14), and returns to step S10. If not the end, switching The contact of the
また、上記ステップS4で、操舵トルクThがトルク閾値T0よりも小さいと判定された場合には、20kHzの高い周波数でPWM制御の駆動を行う(ステップS5)。 Further, in step S4, if the steering torque Th is determined to be smaller than the torque threshold value T 0 is, to drive the PWM control at a high frequency of 20 kHz (step S5).
本発明の効果を確認するため、以下の試験を行った。 In order to confirm the effect of the present invention, the following tests were conducted.
熱損失の算出条件として、PWM周波数を20kHZ(波長50μs)、電源電圧を14V、平均電流を30A、FETのON抵抗を3mΩ、デューティを50%、FETのスイッチング時間(ターンON/OFF合算時間)を4μsとした。そして、FETの定常損失Pd_onを下記数1により計算した。
(数1)
Pd_on=(平均電流)2×FETのON抵抗×(ON時間×1/1/f)
また、FETのスイッチング損失Pd_swは下記数2で計算した。
(数2)
Pd_sw={(1/6)×電源電圧×平均電流}
×(FETのスイッチング時間×1/1/f)×2
また、FETの損失Pd_allは下記数3で計算した。
(数3)
Pd_all=(Pd_on+Pd_sw)
次に、ケース体積の試算を行った。即ち、前記熱抵抗(ケース熱放熱定数)を使用し、アルミニウム放熱器の包絡体積と熱抵抗関係(データ:例えば「トランジスタ技術」1990年4月号別冊及び「電子技術」1999年8月号による)から下記数4が導き出される。
(数4)
20KHz変調時:
13.9W 6.11511℃/W
(150−65)/Pd_all
15KHz変調時:
11.1W 7.65766℃/W(熱抵抗)
(150−65)/Pd_all
10((-0.67474)×LOG10(体積)+4.024228)=熱抵抗
このことより、PWMの変調信号の周波数を切り換えて低減することにより、かなり体積減少することが可能となることが分かる。
The calculation conditions of heat loss are as follows: PWM frequency 20kHZ (wavelength 50μs), power supply voltage 14V, average current 30A, FET ON resistance 3mΩ,
(Equation 1)
Pd_on = (average current) 2 × FET ON resistance × (ON time × 1/1 / f)
Further, the switching loss Pd_sw of the FET was calculated by the following
(Equation 2)
Pd_sw = {(1/6) × power supply voltage × average current}
× (FET switching time × 1/1 / f) × 2
Further, the loss Pd_all of the FET was calculated by the following
(Equation 3)
Pd_all = (Pd_on + Pd_sw)
Next, a trial calculation of the case volume was performed. That is, the thermal resistance (case thermal dissipation constant) is used, and the envelope volume and thermal resistance relationship of the aluminum radiator (data: for example, “Transistor Technology”, April 1990 issue and “Electronic Technology”, August 1999 issue. ), The following
(Equation 4)
At 20KHz modulation:
13.9W 6.111511 ° C / W
(150-65) / Pd_all
At 15KHz modulation:
11.1 W 7.65766 ° C./W (thermal resistance)
(150-65) / Pd_all
10 ((-0.67474) x LOG10 (volume) +4.024228) = Thermal resistance
From this, it can be seen that the volume can be considerably reduced by switching and reducing the frequency of the PWM modulation signal.
なお、上述では変調信号の周波数を高低の2種類の周波数としているが、3種以上の周波数の変調周波数可変であっても良い In the above description, the frequency of the modulation signal is two types of high and low frequencies, but the modulation frequency of three or more frequencies may be variable.
1 ハンドル
2 コラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)
10 トルクセンサ
12 車速センサ
13 バッテリ
20 モータ
30 コントロールユニット(ECU)
31 電流指令値演算部
35 PI制御部
36 PWM制御部
50 トルク判定部
60 発振部
61,62 発振器
63 切換部
1
DESCRIPTION OF
31 Current command
Claims (5)
前記入力トルクを所定のトルク閾値と比較してトルク判定信号を出力するトルク判定部と、前記トルク判定信号に基づき前記PWM制御の変調信号の周波数を可変する変調周波数可変部とを備え、
前記変調周波数可変部は、前記トルク閾値を変位値とする前記トルク判定信号に応じて前記変調信号の周波数を可変し、前記コントロールユニットの熱損失の低減、高出力化と小型化を図ることを特徴とするモータ制御装置。 In a motor control device that calculates a current command value based on an input torque, includes a control unit that drives a motor by an inverter of PWM control based on the current command value, and controls a motor system by the control unit,
A torque determination unit that compares the input torque with a predetermined torque threshold and outputs a torque determination signal; and a modulation frequency variable unit that varies the frequency of the modulation signal of the PWM control based on the torque determination signal;
The modulation frequency variable unit varies the frequency of the modulation signal in accordance with the torque determination signal using the torque threshold as a displacement value, thereby reducing the heat loss of the control unit, increasing the output, and reducing the size. A motor control device.
前記高周波数の変調信号を発振する第1の発振器と、前記低周波数の変調信号を発振する第2の発振器と、前記トルク判定信号に応じて前記高周波数の変調信号及び前記低周波数の変調信号を切り換える切換部とで構成されている請求項2又は3に記載のモータ制御装置。 The modulation frequency variable unit is
A first oscillator for oscillating the high-frequency modulation signal; a second oscillator for oscillating the low-frequency modulation signal; and the high-frequency modulation signal and the low-frequency modulation signal according to the torque determination signal. The motor control device according to claim 2, further comprising a switching unit that switches between the two.
A motor control device according to any one of claims 1 to 4 is mounted, and an ECU is provided that applies an assist force to a steering system of a vehicle based on at least a current command value calculated based on a steering torque. Electric power steering device.
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