JP2019071775A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体スイッチング素子で小型に構成されたモータ開放スイッチの保護を、確実に信頼性高く行うことができるモータ制御装置を提供する。【解決手段】異常の有無を検出する制御部120と、モータ回転数検出部132と、エネルギー演算部121と、判定部122と、異常の有無を検出する状態検出部125と、FETの温度を電気的に検出するサーミスタ141とを具備し、異常を検出していないときにインバータ制御をONし、異常を検出したときにインバータ制御をOFFし、温度情報に基づいて正確な安全動作領域を演算し、安全動作領域外になったとき、タイマー122Aをリセットし、安全動作領域内になったとき、タイマー122Aをアップし、インバータOFF後、モータ回転数が閾値以下に低下した以降、タイマー122Aにより安全動作領域内にある時間を計測し、安全動作領域内にある時間が所定時間継続したときにFETをOFFする。【選択図】図6

Description

本発明は、モータが外力によって回転したとき、モータ回転に伴う回生電力(逆起電圧と回生電流によって求まる)のエネルギー(電力)及び温度から、モータを駆動するインバータに接続された半導体スイッチング素子(例えばFET)で成るモータ開放スイッチを、回生電力により生じるスイッチング素子遮断時のスイッチング損失が安全動作領域内である回転数以下の状態が所定時間継続したときにOFFして、半導体スイッチング素子を確実に保護する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。また、本発明は、モータ開放スイッチを異常モードに応じて保護するか、或いは回生電力が安全動作領域内になったときにモータ開放スイッチをOFF又はONして保護する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。
電動パワーステアリング装置は、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、車両の操舵系にモータによるアシスト力を付与するものであり、半導体スイッチング素子のブリッジ回路で成るインバータによりモータが駆動制御される。
モータ制御装置を搭載した装置として電動パワーステアリング装置(EPS:Electric Power steering)があり、電動パワーステアリング装置は、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)を付与するものであり、インバータから供給される電力で制御されるモータの駆動力を、ギア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。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、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(Pulse Width Modulation)(パルス幅変調)制御のデューティの調整で行っている。
電動パワーステアリング装置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及び操舵角θを検出する舵角センサ14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:Electronic Control Unit)100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100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Vs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、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Vrefによって、EPS用モータ20に供給する電流を制御する。
なお、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、また、モータ20に連結されたレゾルバ等の回転センサから操舵角を取得することも可能である。
コントロールユニット100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Vs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100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。
コントロールユニット100は主としてCPU(Central Processing Unit)(MPU:Micro Processing UnitやMCU:Micro Controller Unit等も含む)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図2のようになる。
図2を参照してコントロールユニット100を説明すると、トルクセンサ10で検出された操舵トルクTh及び車速センサ12で検出された(若しくはCAN40からの)車速Vsは、電流指令値Iref1を演算する電流指令値演算部101に入力される。電流指令値演算部101は、入力された操舵トルクTh及び車速Vsに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ20に供給する電流の制御目標値である電流指令値Iref1を演算する。電流指令値Iref1は加算部102Aを経て電流制限部103に入力され、最大電流を制限された電流指令値Irefmが減算部102Bに入力され、フィードバックされているモータ電流値Imとの偏差ΔI(=Irefm−Im)が演算され、その偏差ΔIが操舵動作の特性改善のためのPI制御部104に入力される。PI制御部104で特性改善された電圧制御指令値VrefがPWM制御部105に入力され、更にインバータ106を介してモータ20がPWM駆動される。モータ20の電流値Imはモータ電流検出器107で検出され、減算部102Bにフィードバックされる。インバータ106は、半導体スイッチング素子としてのFET(Field Effect Transistor)のブリッジ回路で構成されている。
モータ20にはレゾルバ等の回転センサ21が連結されており、回転センサ21からモータ回転角度θが出力され、更にモータ速度ωがモータ速度演算部22で演算される。
また、加算部102Aには、補償信号生成部110からの補償信号CMが加算されており、補償信号CMの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部110は、セルフアライニングトルク(SAT:Self-Aligning Torque)113と慣性112を加算部114で加算し、その加算結果に更に収れん性111を加算部115で加算し、加算部115の加算結果を補償信号CMとしている。
モータ20が3相ブラシレスモータの場合、PWM制御部105及びインバータ106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105は、電圧制御指令値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105A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105Bとで構成されている。インバータ106は半導体スイッチング素子としてのFETの3相ブリッジ(FET1〜FET6)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。また、インバータ106とモータ20との間の電力供給線には、電力供給を行い(ON)又は遮断(OFF)するためのモータリレー23が各相に接続されている。
このような電動パワーステアリング装置について、システム異常検出時(例えばトルクセンサの断線、モータ制御段FETの短絡事故等)の予期しない事態に遭遇する場合がある。この場合の対応として、電動パワーステアリング装置のアシスト制御を即座に中止し、駆動制御系とモータとの接続を遮断することが最優先に行われる。
一般に、図3に示すように、モータ20と、モータ20に流れる電流を制御するインバータ106との間には、モータ電流を供給/遮断するためのモータリレー23が介挿されている。モータリレー23には安価な有接点のリレーが使用され、電磁的に有接点を開放してモータ20に流れる電流をハード的に遮断するようになっている(例えば特開2005−199746号公報(特許文献1))。
しかし、近年では小型化や信頼性の向上、更にコストの低減化を図るべく、有接点の電磁的なモータリレーに代えて無接点の半導体スイッチング素子(アナログスイッチ)、例えばFETで成るモータ開放スイッチに置換されている。しかし、システム異常によりアシスト継続不可能になると、インバータを停止してもモータは回転している場合、そのモータ回転中にモータ開放スイッチをOFFすると、モータの回生電力がモータ開放スイッチの安全動作領域を逸脱してしまい、モータ開放スイッチが破損したり、破壊したりすることがある。この問題は電源遮断などにより、MCUにリセットが発生してモータ開放スイッチが一旦OFFした後に電圧が復帰し、スイッチが再ONするときにも同様に発生する。
モータリレーに半導体スイッチング素子を使用した装置として、例えば特開2013−183462号公報(特許文献2)に開示されたものがある。特許文献2の装置では、電力変換器(インバータ)の故障が検出されるとインバータの駆動を停止し、第1電源リレーをOFFし、第2電源リレーをONする。そして、インバータの駆動が停止した状態で、モータが外力によって回転して回生電圧が発生すると、回生電圧はインバータからON状態の第2電源リレー及び第1電源リレーの寄生ダイオードを通って電源(バッテリ)に回生される。
電動パワーステアリング装置では、モータ回転に伴う逆起電圧の発生やモータ回生電流によるモータリレーをOFFしたときのスイッチング損失による半導体素子の安全動作領域の逸脱による素子破壊に特に注意する必要があり、車載素子の破壊対策はできるだけハード部品を追加することなく安価に、かつ確実に行うことが強く望まれる。
また、特許第5120041号公報(特許文献3)では、全ての相開放手段(モータリレー)が開作動し、かつ特定の1相についてのみ電圧が印加されている場合に、その特定相以外の相において電圧の印加に基づく端子電圧が検出される場合には、上記特定相に設けられた相開放手段に短絡故障が発生したと判定している。従って、特許文献3の装置は相開放手段自体の故障を検出するものであり、積極的に半導体スイッチング素子のデバイス保護を図るものではない。
特開2005−199746号公報 特開2013−183462号公報 特許第5120041号公報 特開2011−239489号公報 特開2008−141868号公報
半導体スイッチング素子を保護するモータ装置として、特開2011−239489号公報(特許文献4)や特開2008−141868号公報(特許文献5)に示されるものが提案されている。特許文献4では、回路異常検出からOFF処理のPWM制御を、ある所定時間(アバランシェエネルギー放出の間)行うことでスイッチング素子を保護するようになっている。また、特許文献5では、異常検出からのOFF処理において、回路遮断条件にモータ回転数とモータ温度が低温側のときに相対的に閾値を高回転側に設定するようにしている。
しかしながら、特許文献4の装置では、インバータの各半導体スイッチング素子のOFF後に、所定時間が経過したときに、安全動作領域を考慮することなく一様にモータ開放スイッチの半導体スイッチング素子をOFFしているので、素子保護の確実性に問題がある。また、特許文献5のモータシステムは、高回転状態中に弱め界磁制御による交流モータの駆動制御を継続することにより、モータに誘起される過大な逆起電圧がインバータに印加されて機器損傷が発生することを防止しており、モータ開放スイッチの半導体スイッチング素子を保護することを開示していないし、半導体スイッチング素子の再ONについての記載もない。
また、いずれの装置でも異常(故障を含む)モードを判定しておらず、異常モードによって、発生する回生電流が異なることへの対応がなされておらず、最適な制御が実施できていない問題がある。
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、新たなデバイス部品を追加することなく、半導体スイッチング素子で小型に構成されたモータ開放スイッチの保護を、温度にも関連させて、異常モードに応じて確実に信頼性高く行うことができる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。また、半導体スイッチング素子の再ONにおける保護を、確実に信頼性高く行うことも目的とする。
本発明は、トルクセンサからの操舵トルクで演算された電流指令値に基づいてインバータによってモータを駆動制御し、前記インバータと前記モータとの間にFETで成るモータ開放スイッチが接続されているモータ制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記トルクセンサを含むセンサ類の状態及び前記インバータのアシスト状態を検出し、検出結果に基づいて前記インバータの制御をON/OFFすると共に、異常の有無を検出する制御部と、前記モータのモータ回転数を検出するモータ回転数検出部と、前記モータ回転数に基づいて、不揮発性メモリのデータテーブルによりモータ逆起電圧及び回生電流を選択し、選択されたモータ逆起電圧及び回生電流を用いてエネルギーを演算するエネルギー演算部と、前記エネルギーを前記FETの安全動作領域と比較し、前記エネルギーが前記安全動作領域の領域内になったときに、前記モータ開放スイッチの全てのFETをOFFすると共に、時間を計測するタイマーを有する判定部と、前記センサ類及び前記インバータの異常を検出する異常検出部からの情報に基づいて異常の有無を検出する状態検出部と、前記FETの温度若しくはその周辺の温度を電気的に検出して温度情報を出力するサーミスタとを具備し、前記制御部は、前記状態検出部が異常を検出していないときに前記インバータの制御をONし、前記状態検出部が異常を検出したときに前記インバータの制御をOFFし、前記制御部で、前記温度情報に基づいて前記FETの安全動作領域を演算することで、前記温度情報に応じてより正確な安全動作領域を演算し、前記エネルギーが前記安全動作領域外になったとき、前記タイマーをリセットし、前記エネルギーが前記安全動作領域内になったとき、前記タイマーをカウントアップし、前記インバータのOFF後、前記モータ回転数が閾値以下に低下した以降、前記タイマーにより前記エネルギーが前記安全動作領域内にある時間を計測し、前記安全動作領域内にある時間が所定時間継続したときに前記FETをOFFする信号を出力するようになっていることにより達成される。
本発明に係るモータ制御装置(第1実施形態)によれば、モータ回転数が高い(モータ逆起電圧及び回生電流のエネルギー(回生電力)が安全動作領域を超える)場合には、モータ開放スイッチONを継続して回生電流を電源に戻す制御を行い、回転中のモータにブレーキ力を与え、このブレーキ力によりモータ回転数が徐々に低下し安全領域(モータ逆起電圧及び回生電流のエネルギー(回生電力)が安全動作領域の領域内)に入ったときに直ぐにではなく、安全動作領域に入ったとき以降の時間経過を計測し、所定時間連続して経過したときにモータ開放スイッチの全ての半導体スイッチング素子(FET)をOFFするようにしている。また、第2実施形態によれば、モータ開放スイッチONを継続して回生電流を電源に戻す制御を行うと共に、異常モードに応じて演算に用いるパラメータ(回生電流量)を変更することで、より正確な回生エネルギーを算出できるようにし、モータ回転数が徐々に低下し安全領域に入った以降の確実な時期に、モータ開放スイッチをOFFしている。更に、第3実施形態では、モータ開放スイッチのOFF後、或いはMCUリセットによりOFFされた後、故障などの異常が検出されず、正常だと判断された場合、パワー基板上の温度検出素子の温度情報と、モータ回転数と、OFF後の経過時間を監視しながら、逆起電圧と回生電流から算出される回生電力により生じるON時のスイッチング損失が、安全動作領域に収まるモータ回転数になった時点で、半導体スイッチング素子を再ONするようにしている。
このため、本発明によれば新たなデバイス部品を付加することなく、また、新たな保護回路を付加することなく安価な構成で、半導体スイッチング素子で成るモータ開放スイッチを一層確実に保護することができる。
また、安全動作領域の演算に、保護対象となるモータ開放スイッチの温度若しくはその周辺温度を加味しているので、モータ開放スイッチの温度特性に合致したON/OFF制御の保護を実現することができる。
本発明に係るモータ制御装置を搭載した電動パワーステアリング装置によれば、モータとインバータとの間に介挿されたモータ開放スイッチの半導体スイッチング素子の保護を確実かつ容易に図ることができ、操舵の安全性及び信頼性を一層向上することができる。
電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット(ECU)の構成例を示すブロック図である。 電動パワーステアリング装置のモータ制御部の構成例を示す線図である。 FETのドレイン−ソース間電圧Vdsとドレイン電流Idの特性例を示す特性図である。 FETの許容損失Pdの温度特性の例を示す特性図である。 本発明の構成例(第1実施形態)を示すブロック図である。 データテーブルの特性例を示す特性図である。 モータ回転数の変動によるリレー故障の一例を示すタイミングチャートである。 モータ回転数の変動に対する本発明の動作例を示すタイミングチャートである。 本発明の動作例(第1実施形態)を示すフローチャートである。 本発明の構成例(第2実施形態)を示すブロック図である。 異常モードによる電流経路の相違を説明するための線図である。 本発明の動作例(第2実施形態)を示すフローチャートである。 本発明の構成例(第3実施形態)を示すブロック図である。 本発明(第3実施形態)の原理を示すタイミングチャートである。 本発明の動作例(第3実施形態)を示すフローチャートである。
本発明では、モータ開放スイッチ(モータリレー)の小型化、信頼性の向上、コストの低減化のために、モータ開放スイッチを半導体スイッチング素子(例えばFET)で構成する。そして、トルクセンサなどのセンサ類やインバータ等の異常(故障を含む)発生によってアシスト制御の継続が不可能となったとき(モータ回転中にイグニションキーをOFFとした場合も含む)に、外力によるモータの回転時に発生するモータ回生電力(逆起電圧と回生電流から算出される)によってモータ開放スイッチのデバイス破壊を保護するために、モータ回転数からデータテーブル等に基づいて、モータ逆起電圧及び回生電流のエネルギーを演算すると共に、モータ開放スイッチの温度若しくは周辺の温度に基づいてモータ開放スイッチの安全動作領域を演算し、モータ回転数が高い(モータ逆起電圧及び回生電流のエネルギーが安全動作領域を超えている)場合には、モータ開放スイッチのONを継続して、回生電流を電源に戻す制御を行う。回生電流の電源への戻し制御によって回転中のモータにブレーキ力を与え、モータ回転数が徐々に低下し、安全動作領域(モータ逆起電圧及び回生電流のエネルギーが安全動作領域の領域内)に入った以降で所定時間連続したときに、モータ開放スイッチの全ての半導体スイッチング素子をOFFする。その後、アシスト制御停止に必要な処理を行う。
本発明の第2実施形態では特に、異常モードによりモータの回生電流が異なることに着目し、回生電力演算時の電流を異常モードにより変更することで、より正確に回生電力を算出し、より最適な時期にOFFすることで安全に半導体スイッチング素子を保護する。モータ制御段FETの短絡故障が疑われる異常検出時に、演算に用いる回生電流を高めにセットする。例えば、モータ制御段のLow側FETが短絡故障を起こした場合、モータ端子間で発生した逆起電圧は短絡故障を起こしたFETを経由して地絡することになるため、回生電流が増える。また、モータ制御段FETの短絡故障以外の異常検出時(センサ断線等)には、演算に用いる回生電流を低めにセットする。このように異常モードで回生電流に差異が生じるので、異常モードを判定部に取り込み、異常モードに応じて演算に用いるパラメータ(回生電流量)を変更することにより、より正確な回生電力を算出することができ、モータリレーに相当するFETをより安全なタイミングでOFFすることが可能となる。
本発明の第3実施形態は、EPSなどに使用されるモータ開放スイッチの半導体スイッチング素子(FET)について、MCUのリセット等による強制OFF状態から復帰して再ONするときに、モータの回転によって発生する回生電力(逆起電圧と回生電流によるエネルギー)から、半導体スイッチング素子を安全かつ確実に保護する。第3実施形態では、モータ開放スイッチの全ての半導体スイッチング素子をOFFした後、或いはMCUリセットによってOFFした後、故障などの異常が検出されず、正常だと判断されて再度ONする場合に、エネルギー(回生電力)と安全動作領域を比較し、エネルギーが安全動作領域外となってデバイス破壊を起こすと判断された時はFETをOFF状態のままとし、エネルギーが安全動作領域内に入り、デバイス破壊の可能性がなくなった以降にモータ開放スイッチのFETを再ONする。
このように温度情報及びモータ回転数をモニターしながら、逆起電圧と回生電流から算出される回生電力により生じるFET遮断時のスイッチング損失が安全動作領域内に入るモータ回転数になった時点以降、安全動作領域内に連続して留まっている時間が所定時間を超えたときに、モータ開放スイッチの半導体スイッチング素子を全てOFFするか、或いはそのOFF後、又は異常発生以外の理由でMCUがリセットされた後に復帰する時にも、エネルギーが安全動作領域内に入り、デバイス破壊の可能性がなくなった以降に半導体スイッチング素子を全て再ONようにしている。このため、半導体スイッチング素子のOFF時及びON時のエネルギーによる安全動作領域逸脱による破損や破壊もなく、半導体スイッチング素子を確実に保護することができ、信頼性の高いモータ制御装置及び電動パワーステアリング装置を提供することができる。
一般に、動作中のFETの安全動作領域(AOS:Area Of Safety operation)は、図4に示すようなドレイン電流Idとドレイン−ソース間電圧Vdsの関係と、図5に示すような最大許容損失Pdの温度特性によって決まる。しかし、実際に使用される動作条件(FETケース温度Tc、動作周波数f、オン幅tなど)で変化する。特に最大許容損失Pdは、ケース温度が上がると低下するため、正確な安全動作領域を求めるには温度情報は重要であり、パワー基板上の温度検出素子による温度を知ることができれば、FETのケース温度Tcが推定できるので、温度に対応した最大許容電力Pdを算出することができる。
よって、本発明ではモータ回転数による(回生電力)判断だけでなく、(パワー基板上の)半導体スイッチング素子(FET)の温度若しくはその周辺の温度情報を判断条件に加味することにより、更に日時情報(タイムスタンプ)を考慮して、正確な安全動作領域の内外を判断しているので、モータ単体の回転数による判定よりも、より安全かつ確実に半導体スイッチング素子(FET)をスイッチOFF及びスイッチONすることができる。
なお、緊急のアシストOFF時にはモータはフリーランとなる。また、アシストOFFの要因には、インバータの異常、イグニションキーのOFF、ソフト・ハードの異常検出、センサ類の異常等がある。
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図6は本発明の構成例(第1実施形態)を図3に対応させて示しており、本発明では制御部120に、エネルギー演算部121、判定部122、データテーブル123、電流制御部124、状態検出部125、安全動作領域演算部126を設けている。判定部122はタイマー122Aを具備しており、以下で説明する時間の経過を計測し、所定時間を経過したときにモータ開放スイッチ140のFETU〜FETWを全てOFFするFET−OFF信号を出力する。データテーブル123はモータ回転数rpmに対応したエネルギーW、つまりモータ回転数rpmに対するモータ逆起電圧及び回生電流のエネルギーWを予め求めてテーブル化しており、例えば図7に示すような特性を有している。従って、モータ回転数rpmを検出することによって、モータ逆起電圧及び回生電流のエネルギーWを演算することができる。図7では、例えばモータ回転数rpmがω1のとき、エネルギーWはW1と演算される。
なお、データテーブル123として、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)などの不揮発性メモリに格納するようにしても良い。
また、トルクセンサ等のセンサ類の異常(故障を含む)を検出するセンサ異常検出部131と、インバータ106の異常(故障を含む)を検出するインバータ異常検出部135と、センサ異常検出部131及びインバータ異常検出部135などに基づいて異常その他の状態を検出し、必要な処理を行う状態検出部125とが設けられている。状態検出部125はアシストOFF指令を入力し、アシストOFF動作の全てを対象にして検出しており、例えばモータ回転中にイグニションキーがOFFされたような状態も検出する。
更に、制御部120内の電流制御部124で制御されるインバータ106とモータ20との間の電力供給線(U相,V相、W相)に、半導体スイッチング素子としてのFETで成るモータ開放スイッチ140(140U、140V、140W)が介挿され、モータ開放スイッチ140は制御部120で制御されるモータ開放スイッチ制御部133でON/OFFされる。また、モータ開放スイッチ140(140U、140V、140W)の温度若しくはその周辺温度を検出するための温度検出部の温度センサとしてサーミスタ141が配設されており、電気的に検出された温度情報Tpは制御部120に入力される。サーミスタ141の配設は、モータ開放スイッチ140(140U、140V、140W)が装着されているパワー基板上であっても良い。インバータ106のFET1〜FET6と、モータ開放スイッチ140のFET(140U〜140W)とは、同一基板に装着されている。
安全動作領域演算部126は、サーミスタ141からの温度情報Tpに基づいて安全動作領域を演算する。演算された安全動作領域は判定部122に入力される。
更に、回転センサ21からの回転角度θに基づいてモータ回転数rpmを検出するモータ回転数検出部132が設けられている。
モータ逆起電圧及び回生電流のエネルギーが安全動作領域に入って直ぐに、モータ開放スイッチ140のFETをOFFしてしまうと、その後にモータ回転数rpmが再上昇した場合にデバイスが破壊されることがある。図8のタイミングチャートはその様子を示しており、時点t2にインバータ停止となり、以降PWM駆動信号が停止されるため、図8(A)に示すようにモータ回転数rpmがランプダウンする。そして、時点t3にモータ回転数rpmが閾値に達して、図8(C)に示すようにモータ開放スイッチ140の駆動信号をOFFにすると、図8(A)に示すように外的要因によりモータ回転数rpmが変動する場合がある。電動パワーステアリング装置では、道路の状況により操舵輪のタイヤが受ける力によりハンドルが回されることも推測される。一例としては、そのタイミング時に、操舵輪タイヤが路肩に接触するようなことが考えられる。このようにモータ回転数rpmが再上昇した場合、FETが破壊される恐れがある。
そこで、本発明では図9に示すように、インバータ停止(時点t11)後、モータ回転数rpmがランプダウンして閾値に達した時点t12以降、所定時間が経過した時点t13にモータ開放スイッチ140の駆動信号をOFFする。駆動信号のOFFは、図9(D)に示すようにタイマーカウントのカウント値が閾値になったときに行う。これにより、より安全にモータ開放スイッチ140のFETをOFFすることが可能となる。
このような構成において、その動作例を図10のフローチャートを参照して説明する。
制御動作がスタートすると、先ずモータ開放スイッチ140(140U,140V,140W)が、制御部120を介してモータ開放スイッチ制御部133によりONされ(ステップS1)、制御部120内の電流制御部124によりインバータ106の制御をONにしてアシスト制御がスタートする(ステップS2)。状態検出部125は、センサ異常検出部131やインバータ異常検出部135において異常(故障を含む)が検出されているか否かを判定し(ステップS3)、異常が検出されていない場合には、アシスト制御をそのまま継続する。
また、上記ステップS3で異常が検出された場合には、アシスト制御の継続が不可能と判断し、制御部120によりインバータ106の制御をOFFにする(ステップS20)。インバータ106の制御がOFFにされると、モータ回転数検出部132は外力で回転されるモータ20のモータ回転数rpmを検出し(ステップS21)、制御部120内のエネルギー演算部121はモータ回転数rpmに基づいて、モータ逆起電圧E及び回生電流のエネルギーWを、データテーブル123を用いて演算する(ステップS22)。モータ逆起電圧Eは下記数1に従って求められ、回生電流の計測と共に予め実測してテーブル化してある。
(数1)
E=k・単位時間当たりモータ回転数
ただし、kは、モータ20の磁束密度やロータ径等によって定まるモータ定数である。

サーミスタ141によりモータ開放スイッチ140の温度(若しくはその周辺温度)Tpが検出され(ステップS23)、更に最大許容損失Pdが演算され(ステップS24)、制御部120に入力される。制御部120内の安全動作領域演算部126は、温度Tp及び最大許容損失Pdに基づいてモータ開放スイッチ140の安全動作領域を演算する(ステップS25)。
演算された安全動作領域は判定部122に入力され、判定部122は演算されたエネルギーWがモータ開放スイッチ140を構成するFETの安全動作領域を逸脱しているか否かを判定する(ステップS30)。つまり、“エネルギー演算結果>安全動作領域”であるか否かを判定し、演算されたエネルギーWが、演算された安全動作領域を逸脱している場合、つまりモータ回転数rpmが高い場合は回生電力がFET破壊を起こす危険領域であり、また、回生電流によるスイッチング損失が安全動作領域以上であり、OFFタイマーをリセットしてモータ開放スイッチ140のON動作を継続する。これにより回生電流を電源に戻す制御が行われ、回転中のモータにブレーキ力を与える。
そして、ブレーキ力によってモータ回転数rpmが徐々に低下し、モータ開放スイッチ140の安全遮断領域、つまりエネルギーWが、回生電流によるスイッチング損失が安全動作領域の領域内に入った以降に、OFFタイマーをカウントアップし(ステップS31)、OFFタイマーのカウント値がスイッチOFF判定用閾値以上となったか否かを判定する(ステップS32)。そして、OFFタイマーのカウント値がスイッチOFF判定用閾値以上となったときに、モータ開放スイッチ140をOFFすると共に、OFFタイマーをリセットする(ステップS33)。OFFタイマーのカウント値がスイッチOFF判定用閾値未満のときは、上記ステップS21にリターンして上記動作を繰り返す。
これにより、モータ開放スイッチ140を構成するFETが破壊されることはなく、モータ開放スイッチ140のOFFの後にアシスト制御停止に必要な処理を実行する。
次に、本発明の第2実施形態の構成を図11に示して説明する。
図11は図6に対応させて示しており、本実施形態においても制御部120に、エネルギー演算部121、判定部122、データテーブル123、電流制御部124、状態検出部125、安全動作領域演算部126を設けている。例えば不揮発性メモリのデータテーブル123はモータ回転数rpmに対応したエネルギーWを予め求めてテーブル化しており、例えば図7に示すような特性を有している。
また、図6で説明したセンサ異常検出部131と、インバータ異常検出部135と、状態検出部125とが設けられている。制御部120内の電流制御部124で制御されるインバータ106とモータ20との間の電力供給線にモータ開放スイッチ140が介挿され、モータ開放スイッチ140はモータ開放スイッチ制御部133でON/OFFされる。また、モータ開放スイッチ140の温度若しくはその周辺温度である温度情報Tpは制御部120に入力される。
図12は、異常モードによる回生電流経路の違いを示す線図であり、異常を検出した際、インバータ106の制御信号はOFFされるが、その際、モータ20が外力などによって回転された場合、モータ端子間には逆起電圧VMが発生する。なお、逆起電圧VMは、数1で示されるようにモータ回転数に比例する。
この時、異常モードによって回生電流の経路はAとBの2つに変化する。
(1)経路A:インバータFET短絡故障以外の異常
回生電圧が電源電圧(+インバータの内部寄生ダイオードの順方向電圧)を超えたとき、回生電流は、インバータ106のHigh側FET(FET1〜FET3)の内部寄生ダイオードを通って電源電圧に向かって流れる。この時の電流量Ir1は、数2で求められる。
(数2)
Ir1=(VM−VR−Vf)/R
ただし、VfはFETの内部寄生ダイオードの順方向電圧、Rは回生電流が流れる回路抵抗である。
(2)経路B:インバータFET短絡故障の異常
一方、インバータ106のLow側FET(FET4〜FET6)が短絡故障を起こした場合、回生電流は短絡故障を起こしたFETと電流検出回路133を通ってGND(接地)に流れる。この時の電流量Ir2は、数3で求められる。
(数3)
Ir2=VM/(R+Rsh)
ただし、Rshは電流検出回路133内の抵抗であり、一般的に極小抵抗が用いられる。

上記2種類の回生電流Ir1及びIr2を比較すると、同一の逆起電圧VMが発生した場合において、一般的に数4となる。
(数4)
Ir2>Ir1
この回生電流Ir1,Ir2をモータ回転数に応じて事前に計測し、テーブルとしてECU等のメモリに格納して、回生電力の算出に用いる。
Figure 2019071775

このような構成において、その動作例を図13のフローチャートを参照して説明する。図13のフローチャートは図10に対応しており、同一動作には同一のステップ番号が付されている。
制御動作がスタートすると、ステップS1からステップS3までは、前述の第1実施形態と同一であり、本実施形態ではステップS3において異常が検出された場合、異常モードを判定する(ステップS10)。即ち、状態検出部125はセンサ異常検出部131やインバータ異常検出部135の検出結果に基づいて、制御段FETの短絡が疑われる異常であるか、それ以外の異常であるかを判定し、制御段FETの短絡が疑われる異常である場合にはパラメータ1をセットし、それ以外の異常である場合にはパラメータ2をセットする。ただし、パラメータ1>パラメータ2とする。即ち、下記数5に従ってパラメータ1及び2をセットする。
(数5)
(a)制御段FETの短絡が疑われる異常 → パラメータ1をセット
(b)上記以外の異常 → パラメータ2(<パラメータ1)をセット

そして、異常が検出された場合には、いずれもアシスト制御の継続が不可能と判断し、制御部120によりインバータ106の制御をOFFにし(ステップS30)、以降は前述の第1実施形態と同一である。ただし、第2実施形態では異常に応じてパラメータ1及び2がセットされているので、ステップS22におけるエネルギー演算では、同一のモータ回転数でも異なるエネルギー値が演算される。
これにより、モータ開放スイッチ140を構成するFETが破壊されることはなく、モータ開放スイッチ140のOFFの後にアシスト制御停止に必要な処理を実行する。
次に、本発明の第3実施形態を図14に示して説明する。
図14は図6及び図11に対応しており、第3実施形態では制御部120に、エネルギー演算部121、判定部122、データテーブル123、電流制御部124、状態検出部125、安全動作領域演算部126、記録装置127、各部全体の制御を行うMCU128を設けており、制御部120には日時データ(タイムスタンプ)も入力されている。データテーブル123はモータ回転数rpmに対応したエネルギーWを予め求めてテーブル化しており、図7に示すような特性を有している。また、前述と同様にセンサ異常検出部131と、インバータ異常検出部135と、状態検出部125とが設けられている。
記録装置127は、異常検出時やMCU128のリセット発生時に、少なくとも温度情報Tp及び発生日時の情報(タイムスタンプ)を記録し、判定部122は、MCU128のリセット時に記録された温度情報及び発生日時と、リセット復帰時の温度検出値及び復帰日時の比較を行い、発生日時と復帰日時との差分、温度情報と温度検出値との差分がいずれも各所定範囲内にあるか否かを判定するようになっている。
クランキング等による予期せぬMCUリセットの発生要因としては、(1)信号停止等によるアイドリングストップからのエンジン再スタート時、(2)長い下り坂走行検出によるエンジン停止(燃費改善のため)からのエンジン再スタート時、(3)所定速度(例えば14km/h程度)以下の走行検出によるエンジン停止(燃費改善のため)からのトルク要求によるエンジン再スタート時、(4)ノイズやデバイスのラッチアップ等の影響、などが考えられる。このうち、要因(1)〜(3)については、バッテリの劣化が重なった時に、MCUリセットが発生することがある。
MCU128の瞬停リセット時の割込み処理では、温度検出部のサーミスタ141からの温度情報とモータ推定温度情報、及びタイムスタンプ情報(△年△月△日、○時○分○秒)を記録装置127に記録する。
また、モータ開放スイッチのFET再ONの条件は、以下の通りである。
MCU128の再スタート(リセット解除)後、モータ20の回転数rpmからエネルギーを、サーミスタ141の温度情報Tpから最大許容損失を演算してより正確にエネルギーを算出し、エネルギーが安全動作領域内となった以降にモータ開放スイッチ140のFETU〜FETWを再ONすることで、安全に保護することが可能である。更に、MCU128の瞬停リセットに伴い、モータ推定温度は一旦リセットされるが、万が一温度が一定温度以上に上昇していた場合、そのまま電流を通電すると、モータコイル焼損などの異常が発生する恐れがある。
そこで、本実施形態では、モータ開放スイッチのFET再ON後、タイムスタンプ情報(日時情報)を読み込み、以下の処理を行う。ただし、サーミスタ141の温度情報Tpがあまり変化しない任意の時間をTaとする。下記数6のときは、温度変化は殆どないと判断して、記録したモータ推定温度情報を用いて制御を継続する。
(数6)
現在のタイムスタンプ−記録したタイムスタンプ < Ta
(数7)
現在のタイムスタンプ−記録したタイムスタンプ ≧ Ta

また、上記数7のときで、「現在の温度情報≒記録した温度情報」の場合には温度変化は殆どないと判断して、記録したモータ推定温度情報を用いて制御を継続し、「現在の温度情報≠記録した温度情報」の場合にはモータの温度情報不確定と判断して、トルク制限(電流制限)を行い、温度上昇を抑える制御を実行する。
図15(D)に示すように時点t20にMCU128がリセットされると、図15(B)に示すようにインバータ停止(OFF)となると共に、図15(C)に示すようにモータ開放スイッチ140の駆動信号がOFFされる。このようにMCU128のリセットにより、インバータ106及びモータ開放スイッチ140は一旦停止(OFF)するが、図15(D)に示すようにMCU128のリセット復帰後(時点t21以降)、特に異常がなければ再起動する必要がある。その際、モータ開放スイッチ140を再ONするときに、図15(A)に示すように外力などでモータ20が回転し、その時の回生電力(逆起電圧と回生電流)がFETの安全動作領域を超えていた場合、OFF時と同様にデバイス破壊の恐れがある。
そのため、本実施形態では、回生電力(エネルギー)と安全動作領域を比較し、回生電力が安全動作領域外となってデバイス破壊を起こすと判断された場合は、図15(C)に示すようにFETをOFF状態のままとし(時点t22近辺)、回生電力が安全動作領域内に入り、デバイス破壊の可能性がなくなった以降(時点t23)にモータ開放スイッチ140のFETを再ONする。
更に、インバータ106を再駆動する際には、下記の条件(a)〜(c)が必要となる。
(a)サーミスタ141の温度を正常に測定できること。
(b)リセット期間が所定の時間内であること。
(c)リセット発生時に記録した温度情報とリセット解除後に取得した温度情報が所定の温度差内であること。

もし上記条件(a)〜(c)が整わない場合は、モータ20のトルク制限を設定後(記録した温度情報と検出した温度情報の差に応じて制限は可変とする)、インバータ106を駆動する。トルク制限する理由は、動作時のモータ温度はECU内部の温度情報とモータ制御電流の積算値などから推定するのが一般的であるが、MCUリセットなどにより積算情報がクリアされると、温度推定が正確にできなくなり、推定温度が実モータ温度より低いまま通常の制御を行った場合、モータのコイル損傷が発生する恐れがあるため電流制限を行い、モータを保護する必要があるからである。
このような構成において、その動作例を図16のフローチャートを参照して説明する。
アシスト制御が実施されている段階(モータ開放スイッチ140(140U,140V,140W)はON)でMCU128をリセットする要因が検出されると(ステップS40)、MCU128がリセットされると共に(ステップS41)、インバータ制御及びモータ開放スイッチ140がOFFされる(ステップS42)。リセット時に、日時情報(タイムスタンプ)とサーミスタ141からの温度情報が記録装置127に記録される。そして、MCU128のリセットが解除されるまで(ステップS43)、リセット状態が継続される(ステップS44)。
上記ステップS43でリセット解除となると復帰制御となり、モータ回転数検出部132はモータ20のモータ回転数rpmを検出し(ステップS50)、制御部120内のエネルギー演算部121はモータ回転数rpmに基づいて、モータ逆起電圧E及び回生電流のエネルギーWを、データテーブル123を用いて演算する(ステップS51)。モータ逆起電圧Eは前記数1に従って求められ、回生電流の計測と共に予め実測してテーブル化してある。
サーミスタ141によりモータ開放スイッチ140の温度(若しくはその周辺温度)Tpが検出され(ステップS52)、更に最大許容損失Pdが演算され(ステップS53)、制御部120に入力される。制御部120内の安全動作領域演算部126は、温度Tp及び最大許容損失Pdに基づいてモータ開放スイッチ140の安全動作領域を演算する(ステップS54)。
演算された安全動作領域は判定部122に入力され、判定部122は演算されたエネルギーWがモータ開放スイッチ140を構成するFETの安全動作領域を逸脱しているか否かを判定する(ステップS60)。つまり、“エネルギー演算結果>安全動作領域”であるか否かを判定し、演算されたエネルギーWが、演算された安全動作領域を逸脱している場合、つまりモータ回転数rpmが高い場合は回生電力がFET破壊を起こす危険領域であり、モータ開放スイッチ140のOFF動作を継続する。これにより回生電流を電源に戻す制御が行われ、回転中のモータにブレーキ力を与える。
そして、ブレーキ力によってモータ回転数rpmが徐々に低下し、モータ開放スイッチ140の安全遮断領域、つまりエネルギーWが、回生電流によるスイッチング損失が安全動作領域の領域内に入ったとき(図15の時点t23)に、モータ開放スイッチ140をONする(ステップS61)。その後、上述した数6若しくは数7の成立を判断し(ステップS62)、数7が成立する場合には温度変化の可能性があり、更に「現在の温度≒記録した温度」であるか否かを判断し(ステップS63)、「現在の温度≒記録した温度」ではない場合は、温度変化が大きい可能性があるのでモータ電流を制限する設定を行い(ステップS64)、インバータ制御をONして制限された電流でアシストする(ステップS65)。
上記ステップS62において数6が成立する場合は温度変化が小さく、上記ステップS63において「現在の温度≒記録した温度」の場合も温度変化は僅かであり、いずれの場合もインバータ制御をONしてアシストする(ステップS65)。
なお、判定部122が判定する耐電圧データや安全動作領域等の数値は、耐電圧データや安全動作領域等と比較してモータ開放スイッチをOFFするモータ回転数は、使用するモータの種類やFET、配線抵抗などで大きく変動するので、実機での計測等によって導き出す。また、モータ電流を制限した場合の電流制限解除は、イグニションキーをOFFして通常の状態に復帰したことを確認して行われる。
なお、上述の実施形態では回転センサ(レゾルバ)に基づいてモータ回転数を検出しているが、モータ端子電圧、シャント抵抗による電流検出によってもモータ回転数を推定することができる。
また、上述の実施形態では温度センサとしてサーミスタを例に挙げているが、測温抵抗体、熱電対、トランジスタの温度特性を利用したIC化温度センサ、水晶のYカットを利用した水晶温度計等を利用することも可能である。
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
20 モータ
100 コントロールユニット(ECU)
106 インバータ
120 制御部
121 エネルギー演算部
122 判定部
122A タイマー
123 データテーブル
125 状態検出部
126 安全動作領域演算部
127 記録装置
128 MCU
131 センサ異常検出部
132 モータ回転数検出部
133 モータ開放スイッチ制御部
140 モータ開放スイッチ
141 サーミスタ

Claims (4)

  1. トルクセンサからの操舵トルクで演算された電流指令値に基づいてインバータによってモータを駆動制御し、前記インバータと前記モータとの間にFETで成るモータ開放スイッチが接続されているモータ制御装置において、
    前記トルクセンサを含むセンサ類の状態及び前記インバータのアシスト状態を検出し、検出結果に基づいて前記インバータの制御をON/OFFすると共に、異常の有無を検出する制御部と、
    前記モータのモータ回転数を検出するモータ回転数検出部と、
    前記モータ回転数に基づいて、不揮発性メモリのデータテーブルによりモータ逆起電圧及び回生電流を選択し、選択されたモータ逆起電圧及び回生電流を用いてエネルギーを演算するエネルギー演算部と、
    前記エネルギーを前記FETの安全動作領域と比較し、前記エネルギーが前記安全動作領域の領域内になったときに、前記モータ開放スイッチの全てのFETをOFFすると共に、時間を計測するタイマーを有する判定部と、
    前記センサ類及び前記インバータの異常を検出する異常検出部からの情報に基づいて異常の有無を検出する状態検出部と、
    前記FETの温度若しくはその周辺の温度を電気的に検出して温度情報を出力するサーミスタと、
    を具備し、
    前記制御部は、前記状態検出部が異常を検出していないときに前記インバータの制御をONし、前記状態検出部が異常を検出したときに前記インバータの制御をOFFし、
    前記制御部で、前記温度情報に基づいて前記FETの安全動作領域を演算することで、前記温度情報に応じてより正確な安全動作領域を演算し、
    前記エネルギーが前記安全動作領域外になったとき、前記タイマーをリセットし、前記エネルギーが前記安全動作領域内になったとき、前記タイマーをカウントアップし、
    前記インバータのOFF後、前記モータ回転数が閾値以下に低下した以降、前記タイマーにより前記エネルギーが前記安全動作領域内にある時間を計測し、前記安全動作領域内にある時間が所定時間継続したときに前記FETをOFFする信号を出力するようになっているモータ制御装置。
  2. 前記判定部では、前記状態検出部で検出された異常が、前記インバータの短絡故障が疑われる異常の場合には、前記回生電流としてより大きいものを選択し、それ以外の異常の場合には、前記回生電流としてより小さいものを選択する請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記判定部では、前記異常モードに応じて選択された回生電流により演算された、より正確なエネルギーに基づいて判定することにより、前記FETをより安全に保護することができる請求項1又は2に記載のモータ制御装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載のモータ制御装置を搭載し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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