JP2016165174A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同一構成の複数のインバータ回路を用いて電動モータを駆動する場合に、ＥＭＣ性能の低下を抑制できる電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】電動パワーステアリング装置は、電動モータ１２を第１スイッチ素子群３１〜３６の選択的なスイッチングにより駆動する第１のモータ駆動回路２１ａと、電動モータを第１スイッチ素子群と同一回路構成の第２スイッチ素子群４１〜４６の選択的なスイッチングにより駆動する第２のモータ駆動回路２１ｂと、第１、第２のモータ駆動回路を制御する制御装置２４とを備え、電動モータによって操舵力をアシストする。制御装置は、通常動作時に第１、第２スイッチ素子群の対応するスイッチ素子を異なる位相の信号でスイッチング制御して電動モータを駆動する。【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータによって操舵力をアシストする電動パワーステアリング（ＥＰＳ：Electric Power Steering）装置に関する。

ＥＰＳ装置においては、安全性や操作性の向上を図るため、一次故障が発生してもアシストを継続することが望まれる。この要求に応える冗長化技術として、例えば特許文献１に、電動モータのモータ巻線を二重化し、このモータ巻線に対して個別のインバータ回路から電流を供給する多相回転機の制御装置を用いた電動パワーステアリング装置が開示されている。特許文献１では、インバータ回路のスイッチ素子にオープン故障が生じた場合に、故障していないスイッチ素子を制御するとともに、正常なインバータ回路を制御することでトルクの低下を抑制しつつアシストを継続している。

特許第４９９８８３６号公報

しかしながら、同一構成の複数のインバータ回路を用いて電動モータを駆動すると、各インバータ回路中の対応する複数のスイッチ素子のスイッチングが同時になる。複数のスイッチ素子が同時にオン／オフすると、電圧変動によるスイッチングノイズが重畳されて大きくなり、ＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility）性能の悪化が懸念される。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、同一構成の複数のインバータ回路を用いて電動モータを駆動する場合に、ＥＭＣ性能の低下を抑制できる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、電動モータによって操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置であって、前記電動モータを第１スイッチ素子群の選択的なスイッチングにより駆動する第１のモータ駆動回路と、前記電動モータを前記第１スイッチ素子群と同一回路構成の第２スイッチ素子群の選択的なスイッチングにより駆動する第２のモータ駆動回路と、前記第１、第２のモータ駆動回路を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、通常動作時に前記第１スイッチ素子群と前記第２スイッチ素子群の対応するスイッチ素子を異なる位相の信号でスイッチング制御して前記電動モータを駆動することを特徴とする。

本発明によれば、同一構成の第１、第２のモータ駆動回路で電動モータを駆動する際に、第１、第２スイッチ素子群中の対応するスイッチ素子のオン／オフタイミングをずらして同時にスイッチングさせないようにできる。これによって、第１、第２のモータ駆動回路におけるスイッチ素子から発生するスイッチングノイズを小さくしてＥＭＩ（Electromagnetic Interference）対策を行うことができ、ＥＭＣ性能の低下を抑制できる。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 図１における電動モータとモータ制御装置の回路図である。 図１に示した電動パワーステアリング装置の起動時の動作を示すフローチャートである。 図１に示した電動パワーステアリング装置の起動中の動作を示すフローチャートである。 図２に示した回路における電動モータの駆動コイルに供給される駆動信号の波形図である。 図２に示したモータ制御装置の変形例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、ＥＰＳ装置の概略構成を示しており、この装置はステアリングホイール１０、操舵トルク検出センサ１１、アシスト用の電動モータ１２及びモータ制御装置１３などを含んで構成されている。また、ステアリングシャフト１４を内包するステアリングコラム１５内には、上記操舵トルク検出センサ１１及び減速機１６が設けられている。

そして、車両の運転者がステアリング操作を行う際に、ステアリングシャフト１４に発生する操舵トルクを操舵トルク検出センサ１１によって検出し、操舵トルク信号Ｓ１と車速信号Ｓ２などに基づいて、モータ制御装置１３で電動モータ１２を駆動制御することにより、電動モータ１２から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。これによって、ステアリングシャフト１４の先端に設けられたピニオンギア１７が回転すると、ラック軸１８が進行方向左右に水平移動することで、運転者のステアリング操作が車輪（タイヤ）２０に伝達されて車両の向きを変える。

次に、アシスト用の電動モータ１２とモータ制御装置１３について図２により説明する。電動モータ１２は、３相モータであり第１系統のＵ相コイルＵａ、Ｖ相コイルＶａ及びＷ相コイルＷａと、第２系統のＵ相コイルＵｂ、Ｖ相コイルＶｂ及びＷ相コイルＷｂとを備え、それぞれが第１系統のモータ駆動回路２１ａと第２系統のモータ駆動回路２１ｂで個別に駆動可能に構成されている。モータ駆動回路２１ａはインバータ回路２２ａとプリドライバ２３ａを含み、モータ駆動回路２１ｂはインバータ回路２２ｂとプリドライバ２３ｂを含み、両モータ駆動回路２１ａ，２１ｂが制御装置として働くマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）２４によって制御される。

インバータ回路２２ａは、駆動ライン２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗを介して電動モータ１２のＵ相，Ｖ相及びＷ相をそれぞれ相毎に駆動する３組のスイッチ素子を備えた３相ブリッジ回路構成である。本例では、各スイッチ素子がＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ３１〜３６で構成されている。

ＭＯＳＦＥＴ３１，３２は、バッテリＢＡに接続された電源ライン３７と電流検出抵抗３８の一端間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に駆動ライン２５Ｕの一端が接続される。ＭＯＳＦＥＴ３３，３４は、電源ライン３７と電流検出抵抗３８の一端間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に駆動ライン２５Ｖの一端が接続される。また、ＭＯＳＦＥＴ３５，３６は、電源ライン３７と電流検出抵抗３８の一端間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に駆動ライン２５Ｗの一端が接続されている。電流検出抵抗３８の他端は接地され、ＭＯＳＦＥＴ３１〜３６の電流通路を流れる電流を検出してマイクロコンピュータ２４に検出信号Ｓ３を供給する。
ここで、各ＭＯＳＦＥＴ３１〜３６におけるソース・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。

プリドライバ２３ａは、インバータ回路２２ａにおける上流側駆動素子（上アーム）であるＭＯＳＦＥＴ３１，３３，３５にそれぞれ対応するＨ側ドライバと、下流側駆動素子（下アーム）であるＭＯＳＦＥＴ３２，３４，３６にそれぞれ対応するＬ側ドライバを備えている。これらＨ側ドライバとＬ側ドライバには、バッテリＢＡから電源電圧が供給される。各Ｈ側ドライバの出力端にはそれぞれ、ＭＯＳＦＥＴ３１，３３，３５のゲートが接続されて選択的にオン／オフ制御され、各Ｌ側ドライバの出力端にはそれぞれ、ＭＯＳＦＥＴ３２，３４，３６のゲートが接続されて選択的にオン／オフ制御される。

インバータ回路２２ｂは、インバータ回路２２ａと同一回路構成であり、駆動ライン２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗを介して電動モータ１２のＵ相，Ｖ相及びＷ相をそれぞれ相毎に駆動する３組のスイッチ素子を備えた３相ブリッジ回路構成である。本例では、各スイッチ素子がＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ４１〜４６で構成されている。

ＭＯＳＦＥＴ４１，４２は、バッテリＢＡに接続された電源ライン３７と電流検出抵抗４８の一端間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に駆動ライン２６Ｕの一端が接続される。ＭＯＳＦＥＴ４３，４４は、電源ライン３７と電流検出抵抗４８の一端間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に駆動ライン２６Ｖの一端が接続される。また、ＭＯＳＦＥＴ４５，４６は、電源ライン３７と電流検出抵抗４８の一端間にドレイン・ソース間が直列接続され、共通接続点に駆動ライン２６Ｗの一端が接続されている。電流検出抵抗４８の他端は接地され、ＭＯＳＦＥＴ４１〜４６の電流通路を流れる電流を検出してマイクロコンピュータ２４に検出信号Ｓ４を供給する。
ここで、各ＭＯＳＦＥＴ４１〜４６におけるソース・ドレイン間に順方向に接続されているダイオードＤ７〜Ｄ１２は寄生ダイオードである。

プリドライバ２３ｂは、インバータ回路２２ｂにおける上流側駆動素子（上アーム）であるＭＯＳＦＥＴ４１，４３，４５にそれぞれ対応するＨ側ドライバと、下流側駆動素子（下アーム）であるＭＯＳＦＥＴ４２，４４，４６にそれぞれ対応するＬ側ドライバを備えている。これらＨ側ドライバとＬ側ドライバには、バッテリＢＡから電源電圧が供給される。各Ｈ側ドライバの出力端にはそれぞれ、ＭＯＳＦＥＴ４１，４３，４５のゲートが接続されて選択的にオン／オフ制御され、各Ｌ側ドライバの出力端にはそれぞれ、ＭＯＳＦＥＴ４２，４４，４６のゲートが接続されて選択的にオン／オフ制御される。

マイクロコンピュータ２４には、操舵トルク信号Ｓ１、車速信号Ｓ２及び電流検出抵抗３８，４８の検出信号Ｓ３，Ｓ４などが入力され、モータ駆動回路２１ａ，２１ｂを制御して電動モータ１２を駆動することにより、電動モータ１２から車両の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。

次に、上記のような構成において、図３及び図４のフローチャートにより図１に示した電動パワーステアリング装置の動作を説明する。図３に示すように、イグニッションスイッチのオン（Ｓ１１）をマイクロコンピュータ２４が検出するとＥＰＳ装置が起動する（Ｓ１２）。まず、マイクロコンピュータ２４によってモータ駆動回路２１ａ，２１ｂの初期診断が行われ（Ｓ１３）、回路異常の有無が判定される（Ｓ１４）。初期診断では、例えばＭＯＳＦＥＴ３１〜３６，４１〜４６を選択的に駆動し、駆動状態に応じてＭＯＳＦＥＴを流れる電流を電流検出抵抗３８，４８により検出することで、推定される電流と実際の検出信号Ｓ３，Ｓ４とに基づいて異常の有無が判定される。２つのモータ駆動回路２１ａ，２１ｂが異常なしと判定されると、これらモータ駆動回路２１ａ，２１ｂでアシスト用の電動モータ１２を駆動して操舵力のアシストを行う（Ｓ１５）。

２つのモータ駆動回路２１ａ，２１ｂを用いる通常アシスト状態では（Ｓ１６）、マイクロコンピュータ２４は、プリドライバ２３ａ，２３ｂに、例えばパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を出力する。プリドライバ２３ａ，２３ｂ中の各Ｈ側ドライバとＬ側ドライバはそれぞれ、ＰＷＭ信号に基づいて、インバータ回路２２ａ中の各ＭＯＳＦＥＴ３１〜３６のゲートにそれぞれＰＷＭ信号に基づく駆動信号を供給して選択的にオン／オフ制御する。電動モータ１２を駆動ライン２５Ｕ，２５Ｖ，２５Ｗを介してモータ駆動回路２１ａで３相駆動するとともに、駆動ライン２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗを介してモータ駆動回路２１ｂで３相駆動する。そして、必要に応じてＰＷＭ信号のデューティを可変し、電動モータ１２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。

この際、第１スイッチ素子群であるＭＯＳＦＥＴ３１〜３６と、第２スイッチ素子群であるＭＯＳＦＥＴ４１〜４６の対応するＭＯＳＦＥＴが同時にスイッチングしないように、位相のずれた信号を供給してオン／オフ制御する。図５（ａ）に示すように、例えば第１系統のＵ相コイルＵａ、Ｖ相コイルＶａ及びＷ相コイルＷａにそれぞれ、位相が１２０°ずれた電圧を印加する場合に、第２系統のＵ相コイルＵｂ、Ｖ相コイルＶｂ及びＷ相コイルＷｂにそれぞれ、図５（ｂ）に示すような第１系統のＵ相コイルＵａ、Ｖ相コイルＶａ及びＷ相コイルＷａと逆相の電圧を印加して電動モータ１２を駆動する。

このようにすることで、２つのモータ駆動回路２１ａ，２１ｂで電動モータ１２を駆動する際に、ＭＯＳＦＥＴ３１〜３６，４１〜４６中の対応するＭＯＳＦＥＴのオン／オフタイミングをずらして同時にオン／オフさせないようにできる。従って、モータ駆動回路２１ａ，２１ｂにおけるＭＯＳＦＥＴのスイッチングノイズを小さくしてＥＭＩ対策を行うことができ、ＥＭＣ性能の低下を抑制できる。

一方、ステップＳ１４で回路異常有りと判定された場合には、マイクロコンピュータ２４で１つのモータ駆動回路のみが異常か否かを判定する（Ｓ１７）。そして、モータ駆動回路２１ａ，２１ｂの一方に故障が検出されると、故障していない他方のモータ駆動回路で電動モータ１２を駆動して操舵力のアシストを継続させる（Ｓ１８）。このアシスト制限状態では、アシストトルクは半分程度になる（Ｓ１９）。

ステップＳ１７で両モータ駆動回路２１ａ，２１ｂに回路異常有りと判定された場合には、電動モータ１２の駆動を停止し（Ｓ２０）、アシスト停止状態とする（Ｓ２１）。
なお、アシスト制限状態やアシスト停止状態になったときには、マイクロコンピュータ２４は、モータ駆動回路２１ａまたは２１ｂが故障していることを、警告ランプやブザー等により車両の運転者に報知して修理を促すようにする。

次に、図４のフローチャートに示すように、ＥＰＳ装置が起動中の場合には（Ｓ３１）、初期診断に代えて常時診断を行う（Ｓ３２）。常時診断では、電流検出抵抗３８，４８による検出信号Ｓ３，Ｓ４に加えて、例えば操舵トルク信号Ｓ１と車速信号Ｓ２を用い、これらの信号Ｓ１，Ｓ２に基づいてアシストトルクを算出する。この算出したアシストトルクが得られるようにモータ駆動回路２１ａ，２１ｂを制御し、ＰＷＭ信号のデューティを可変して電動モータ１２を駆動することにより、電動モータ１２から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。回路異常の有無や、１つの回路の異常か２つの回路の異常かなどに応じた各アシスト状態（通常アシスト状態、アシスト制限状態、アシスト停止状態）の制御は、上述した起動時と同様である。そして、イグニッションスイッチがオフになるまでステップＳ３２からＳ４０の動作を繰り返す。

上記のような構成によれば、通常動作時（複数のインバータ回路を用いて電動モータを駆動する場合）には同一回路構成のＭＯＳＦＥＴ３１〜３６とＭＯＳＦＥＴ４１〜４６における対応するＭＯＳＦＥＴを異なる位相の信号でスイッチング制御し、ＭＯＳＦＥＴのオン／オフタイミングをずらすことができる。また、一次故障が発生したときには、故障していない方のモータ駆動回路でトルクをほぼ半分に下げてアシストを継続できる。

従って、インバータ回路中のＭＯＳＦＥＴがオン／オフするタイミングを分散させることでＥＭＩ対策を行うことができ、ＥＭＣ性能の低下を抑制できる。また、一次故障が発生した場合に、ＥＰＳ装置のアシストが急停止してステアリング操作が急に重くなるのを抑制できるので、安全性や操作性の向上を図れる。しかも、通常動作時に、２つのモータ駆動回路２１ａ，２１ｂで電動モータ１２を駆動するので、モータ駆動回路２１ａ，２１ｂを構成する各素子の定格が低くても良く、コストの低減も図れる。

図６は、図２に示したモータ制御装置の変形例を示している。図２では２つのモータ駆動回路２１ａ，２１ｂを１つのマイクロコンピュータ２４で制御するようにした。これに対し、本変形例では制御装置として２系統のマイクロコンピュータ２４ａ，２４ｂを設け、マイクロコンピュータ２４ａでプリドライバ２３ａを制御し、マイクロコンピュータ２４ｂでプリドライバ２３ｂを制御するようにしている。これらマイクロコンピュータ２４ａ，２４ｂにはそれぞれ、操舵トルク信号Ｓ１、車速信号Ｓ２及び電流検出抵抗３８，４８の検出信号Ｓ３，Ｓ４などが入力され、相互にデータの授受を行い、連携してモータ駆動回路２１ａ，２１ｂを制御するようにしている。

このようなモータ制御装置の構成であっても、基本的には図２に示したモータ制御装置と同様な動作を行うことができ、実質的に同じ作用効果が得られる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。例えば、第１系統と第２系統のモータ駆動回路から出力される信号の位相が逆相の場合（１８０°ずらす場合）を例に取って説明したが、第１、第２スイッチ素子群中の対応するスイッチ素子が同時にオンまたはオフしなければ良いので、信号の位相をずらすだけでも良い。

また、２つのモータ駆動回路で電動モータを駆動する場合について説明したが、３つ以上のモータ駆動回路で電動モータを駆動するモータ制御装置にも同様にして適用できるのはもちろんである。
更に、マイクロコンピュータに、電流検出抵抗の検出信号を入力してモータ駆動回路の診断動作を制御するようにしたが、これに加えて車両の周囲温度やモータ制御装置の基板温度などを考慮するようにしても良い。
更にまた、スイッチ素子が電界効果トランジスタを例に取ったが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの他の半導体素子でも同様に適用可能である。

１２…電動モータ、１３…モータ制御装置、２１ａ，２１ｂ…モータ駆動回路、２２ａ，２２ｂ…インバータ回路、２３ａ，２３ｂ…プリドライバ、２４，２４ａ，２４ｂ…マイクロコンピュータ（制御装置）、３１〜３６…ＭＯＳＦＥＴ（第１スイッチ素子群）、４１〜４６…ＭＯＳＦＥＴ（第２スイッチ素子群）

Claims (5)

1. 電動モータによって操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置であって、
   前記電動モータを第１スイッチ素子群の選択的なスイッチングにより駆動する第１のモータ駆動回路と、前記電動モータを前記第１スイッチ素子群と同一回路構成の第２スイッチ素子群の選択的なスイッチングにより駆動する第２のモータ駆動回路と、前記第１、第２のモータ駆動回路を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、通常動作時に前記第１スイッチ素子群と前記第２スイッチ素子群の対応するスイッチ素子を異なる位相の信号でスイッチング制御して前記電動モータを駆動する、ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記制御装置は更に、前記第１、第２のモータ駆動回路の一方が故障した場合に、他方のモータ駆動回路で前記電動モータを駆動して前記操舵力のアシストを継続させることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記第１のモータ駆動回路は、前記第１スイッチ素子群を有する第１インバータ回路と、前記第１スイッチ素子群を選択的にオン／オフ制御する第１プリドライバとを含み、前記第２のモータ駆動回路は、前記第２スイッチ素子群を有する第２インバータ回路と、前記第２スイッチ素子群を選択的にオン／オフ制御する第２プリドライバとを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記制御装置は、前記第１、第２プリドライバを制御するマイクロコンピュータを備えることを特徴とする請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記制御装置は、前記第１プリドライバを制御する第１マイクロコンピュータと、この第１マイクロコンピュータと連携し、前記第２プリドライバを制御する第２マイクロコンピュータとを備えることを特徴とする請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。