JP2020167898A - モータ制御装置、操舵アクチュエータ用モータ制御装置および操舵アクチュエータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】２系統の角度センサを備えたモータ制御装置で簡易な構成で角度検出精度を高く維持する。【解決手段】２系統の角度センサ１１ａ、１１ｂを備えた３相モータ１５を駆動するモータ制御装置であって、２系統の角度センサは、第１角度センサと第２角度センサからなる。モータ制御装置は、２系統の角度センサのそれぞれに励磁信号を出力し、誘起されたそれぞれの検出信号が入力される制御部１２ａ、１２ｂを備え、第１角度センサの第１励磁信号の周波数と、第２角度センサの第２励磁信号の周波数とが異なる、モータ制御装置。【選択図】図２

Description

本発明は、モータ制御装置、操舵アクチュエータ用モータ制御装置および操舵アクチュエータシステムに関する。

従来、大型車両の操舵システムとして、油圧パワーステアリングの油圧をモータで制御する電動油圧パワーステアリングがある。近年は、大型車両の自動運転および自動操舵が望まれている。そこで、操舵アクチュエータシステムは、電動油圧パワーステアリングを操舵アクチュエータ（モータ）で動作させることで自動操舵をおこなう。操舵アクチュエータシステムの故障に対して安全性を高める必要があるため、操舵アクチュエータ（モータ）を制御するためのモータ制御装置は、冗長化する必要がある。そして、モータ制御装置は、モータ回転軸の角度を検出して制御を行う。冗長角度センサとしては、２系統のレゾルバが近接配置された角度センサが知られている。（特許文献１）

特開２００９−２１０２８１号公報

操舵アクチュエータシステムのモータ制御装置は、モータ回転軸の角度センサから角度信号を受け取り、モータ制御を実行している。そのため、角度センサが故障してしまうと角度信号が得られずにモータ制御に支障をきたす恐れがあるので、角度センサを冗長化する必要がある。特許文献１の角度センサは、２つのレゾルバが近接配置され、互いに非同期で励磁する２つの励磁信号が磁気干渉を起こしても角度の検出精度を高く維持することができるが、レゾルバ出力のサンプリングのタイミングを求める必要があるので、角度検出精度を高く維持するには構成が複雑になるという課題がある。

本発明に係るモータ制御装置の一つの態様は、２系統の角度センサを備えた３相モータを駆動するモータ制御装置であって、２系統の角度センサは、第１角度センサと第２角度センサからなる。モータ制御装置は、２系統の角度センサのそれぞれに励磁信号を出力し、誘起されたそれぞれの検出信号が入力される制御部を備え、第１角度センサの第１励磁信号の周波数と、第２角度センサの第２励磁信号の周波数とが異なる、モータ制御装置。

本発明に係る操舵アクチュエータ用モータ制御装置の一つの態様は、上記モータ制御装置を、車両等のハンドル操作を自動化する操舵アクチュエータ用のモータ制御装置とした操舵アクチュエータ用モータ制御装置。

また、本発明に係る操舵アクチュエータシステムの一態様は、上記操舵アクチュエータ用モータ制御装置を備えた操舵アクチュエータシステム。

本発明の例示的な実施形態によれば、モータ制御装置は、２系統の角度センサそれぞれの励磁信号の周波数が異なるので、それぞれの励磁信号がノイズとして干渉しても、それぞれの検出信号から角度を簡単に検出することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る操舵アクチュエータ用モータ制御装置を含む操舵アクチュエータシステムの全体構成を示す図である。 図２は、図１に示す操舵アクチュエータ用のモータ制御装置の詳細構成を示す図である。 図３は、２系統の角度センサの概略構成を示す図である。 図４Ａは、第１系統の角度センサの励磁信号と検出信号を示す図である。 図４Ｂは、第２系統の角度センサの励磁信号と検出信号を示す図である。 図５は、モータ制御装置の角度算出の概略フローチャートを示す図である。 図６Ａは、モータ制御装置のフィルタ処理なしの場合の角度算出誤差をシミュレーションした結果を示す図である。 図６Ｂは、モータ制御装置のバンドパスフィルタ処理をした場合の角度算出誤差をシミュレーションした結果を示す図である。 図６Ｃは、モータ制御装置のバンドパスフィルタ後にバンドストップフィル処理した場合の角度算出誤差をシミュレーションした結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示のモータ制御装置、当該モータ制御装置を有する操舵アクチュエータ用モータ制御装置、および当該操舵アクチュエータ用モータ制御装置を有する操舵アクチュエータシステムの実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

図１は、操舵アクチュエータシステム１０の全体構成の一例を示す図である。操舵アクチュエータシステム１０は、大型車両等の輸送機器において、運転者のハンドル操作を補助する装置である。操舵アクチュエータシステム１０は、電源供給源であるバッテリＢＴ、電子制御ユニット（Electronic Control Unit: ECU)としてのモータ制御装置１、操舵部材であるステアリングハンドル２、ステアリングハンドルに接続された回転軸３、ピニオンギア６、ラック軸７、不図示の油圧源からの油圧を調整するロータリーバルブ８ａ、油圧によりラック軸を駆動させるパワーシリンダ８ｂ等を備える。

回転軸３は、その先端に設けられたピニオンギア６に噛み合っている。ピニオンギア６により回転軸３の回転運動がラック軸７の直線運動に変換される。また、ロータリーバルブ８ａから送出される油圧が、回転軸３の回転を補助するための出力としてパワーシリンダ８ｂに伝達され、パワーシリンダ８ｂのピストンを動作させて、ラック軸７の直線運動に変換される。ラック軸７の変位量に応じた角度に、そのラック軸７の両端に設けられた一対の車輪５ａ，５ｂが操舵される。

回転軸３には、同軸に操舵アクチュエータ用の角度センサを備えたモータ１５が設けられてある。モータ制御装置１は、角度センサより取得したモータの回転軸の角度から回転軸３の操舵角度を求め、不図示のＡＤＡＳ−ＥＣＵ（Advanced Driver-Assistance Systems−Electronic Control Unit）から受信する指示操舵角度になるようにモータ駆動信号を生成し、その信号をモータ１５に出力する。運転者のハンドル操作によらず、ＡＤＡＳ−ＥＣＵが操舵角度の指示することで、操舵アクチュエータシステムで自動操舵を行うことができる。

また、回転軸３には、ステアリングハンドル２が操作された際の操舵トルクを検出するトルクセンサ９が設けられており、検出された操舵トルクはモータ制御装置１へ送られる。モータ制御装置１は、トルクセンサ９より取得した操舵トルクにより、運転者のステアリングハンドル操舵の介入を検知し、モータ駆動信号の減衰や停止信号を生成し、その信号を電動モータ１５に出力する。運転者のハンドル操作介入により、操舵アクチュエータシステムによる自動操舵を停止して、手動操舵を行うことができる。

次に、本実施形態に係るモータ制御装置について説明する。本実施形態に係るモータ制御装置は、図２に示すように、所定部分を除いて同一の構成要素を備えた複数のモータ制御系統からなる冗長構成を有する。ここでは、２系統からなる冗長構成を有するモータ制御装置を例に挙げて説明するが、さらに、３系統、４系統といった多系統からなる冗長構成への展開も可能である。

本実施形態に係るモータ制御装置は、それぞれが制御部（ＣＰＵ）１２ａ，１２ｂを有する、互いに独立した２つの系統からなるモータ制御装置１ａ，１ｂで構成される。モータ制御装置１ａ，１ｂは、２組の３相巻線（Ｕａ，Ｖａ，Ｗａ）１５ａと３相巻線（Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂ）１５ｂを備える電動モータ１５と、これら２組の３相巻線それぞれに駆動電流を供給する２組のインバータ回路１４ａ，１４ｂとからなるダブルインバータ構成となっている。電動モータ１５は、例えば３相ブラシレスＤＣモータである。

以降の説明では、モータ制御装置１ａと３相巻線１５ａを含む構成部分を第１系統、モータ制御装置１ｂと３相巻線１５ｂを含む構成部分を第２系統とする。

第１系統を構成するモータ制御装置１ａは、その装置全体の制御を司る、例えばマイクロプロセッサからなる制御部（ＣＰＵ）１２ａ、ＣＰＵ１２ａからの制御信号よりモータ駆動信号を生成し、ＦＥＴ駆動回路として機能するインバータ制御部１３ａ、電動モータ１５の３相巻線（Ｕａ，Ｖａ，Ｗａ）１５ａに駆動電流を供給するモータ駆動部であるインバータ回路１４ａを備える。

第２系統を構成するモータ制御装置１ｂは、モータ制御装置１ａと同様、その装置全体の制御を司る制御部（ＣＰＵ）１２ｂ、ＣＰＵ１２ｂからの制御信号よりモータ駆動信号を生成し、ＦＥＴ駆動回路として機能するインバータ制御部１３ｂ、電動モータ１５の３相巻線（Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂ）１５ｂに所定の駆動電流を供給するインバータ回路１４ｂを備える。

インバータ回路１４ａには、フィルタ１６ａと電源リレー１７ａを介して外部バッテリＢＴよりモータ駆動用の電源が供給され、インバータ回路１４ｂには、フィルタ１６ｂおよび電源リレー１７ｂを介して、外部バッテリＢＴよりモータ駆動用の電源が供給される。なお、フィルタ１６ａ，１６ｂは、それぞれインバータ回路１４ａ，１４ｂに包含させてもよい。

フィルタ１６ａ，１６ｂは、不図示の電解コンデンサとコイルからなり、供給電源に含まれるノイズ等を吸収して、電源電圧を平滑する。電源リレー１７ａ，１７ｂは、例えば機械式リレーあるいは半導体リレーで構成され、バッテリＢＴからの電力を遮断可能に構成されている。

インバータ回路１４ａは、電動モータ１５の３相巻線（Ｕａ，Ｖａ，Ｗａ）１５ａ各々に対応した半導体スイッチング素子（ＦＥＴ）からなるＦＥＴブリッジ回路である。同様に、インバータ回路１４ｂは、電動モータ１５の３相巻線（Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂ）１５ｂ各々に対応した半導体スイッチング素子（ＦＥＴ）からなるＦＥＴブリッジ回路である。

なお、これらのスイッチング素子（ＦＥＴ）はパワー素子とも呼ばれ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子を用いる。

イグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ）３１は、その一端がバッテリＢＴに接続され、他端はＩＧ電圧検出部２４ａ，２４ｂに接続されている。ＩＧ電圧検出部２４ａ，２４ｂはイグニッション（ＩＧ）電圧値をＡＤ変換し、変換後のデジタル電圧値を、ＩＧ電圧の実電圧値としてＣＰＵ１２ａ，１２ｂに入力する。なお、ＩＧ電圧検出部はＣＰＵに内蔵されていてもよい。

電源部２０ａ，２０ｂは、バッテリＢＴより供給されたバッテリ電圧＋Ｂを、所定の電圧（例えば、ロジックレベルの電圧）に変換し、それを制御部（ＣＰＵ）１２ａ，１２ｂ、インバータ制御部１３ａ，１３ｂ等の動作電源として供給する。

電源部２０ａ，２０ｂと、バッテリＢＴとの間の経路には、イグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ）３１の動作に連動するスイッチ２１ａ，２１ｂがある。イグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ）３１がＯＦＦのときには、スイッチ２１ａ，２１ｂもＯＦＦとなり、イグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ）３１がＯＮのときは、スイッチ２１ａ，２１ｂもＯＮとなる。スイッチ２１ａ，２１ｂがあることで、イグニッションスイッチ（ＩＧ−ＳＷ）３１がＯＦＦのとき、モータ制御装置１ａ，１ｂの暗電流を減らすことができる。暗電流を減らすことにより、バッテリ上がりを防ぐことが可能となる。

モータ制御装置１ａ，１ｂのＣＰＵ１２ａ，１２ｂは、リアルタイムの相互通信が可能に構成されている。また、モータ制御装置１ａ，１ｂは、車両の各種情報を授受する車載ネットワーク（ＣＡＮ）に接続されたＣＡＮ信号線（ＣＡＮ通信バス）２７Ｈ，２７ＬとＣＡＮ Ｉ／Ｆ１９ａ，１９ｂを介して、他の制御ユニット（ＥＣＵ）との間でＣＡＮプロトコルによるデータ通信を行う。

ＣＡＮ信号線２７Ｈ，２７Ｌは、第１系統を構成するＣＡＮ−Ｈライン２７Ｈａ，ＣＡＮ−Ｌライン２７Ｌａと、第２系統を構成するＣＡＮ−Ｈライン２７Ｈｂ，ＣＡＮ−Ｌライン２７Ｌｂからなる各々２線式の通信線である。

電動モータ１５には、モータの回転子（ロータ）の回転位置を検出する角度センサ（レゾルバ）１１ａ，１１ｂが搭載されている。角度センサ（レゾルバ）１１ａからの出力信号は、回転情報として、入力Ｉ／Ｆ１８ａを介してＣＰＵ１２ａへ送信され、角度センサ（レゾルバ）１１ｂからの出力信号は、入力Ｉ／Ｆ１８ｂを介してＣＰＵ１２ｂへ送信される。

電源部２０ａ，２０ｂ、ＣＰＵ１２ａ，１２ｂ、インバータ回路１４ａ，１４ｂ等を有する第１系統１ａ，第２系統１ｂの冗長化することで、高信頼性の故障に対して安全性の高いモータ制御装置を提供することができる。

図３は、２系統の角度センサ（レゾルバ）１１ａ，１１ｂの概略構成を示す図である。１つのレゾルバロータに対して、２系統分の励磁コイルと検出コイルが組み込まれており、冗長構成となっている。相互の励磁信号を区別するため、第１系統の角度センサは例えば１０ｋＨｚ、第２系統の角度センサは例えば５ｋＨｚとなる、それぞれの系統に異なった励磁信号を入力する。

冗長設計となっている角度センサ（レゾルバ）１１ａ，１１ｂは、それぞれ近接配置されているために、第１系統の励磁信号が第２系統の検出コイルを誘起するノイズとなってしまうことがあり、また、第２系統の励磁信号が第１系統の検出コイルを誘起するノイズとなってしまうことがある。

図４Ａは、第１系統の角度センサ（レゾルバ）の励磁信号と検出信号の関係を示す図である。第１系統では、第１励磁信号Ｒ１＿Ａに対し、第１検出信号として正弦波Ｓ２＿Ａと余弦波Ｓ１＿Ａがある。第１検出信号のうち正弦波Ｓ２＿Ａは、第２系統の第２励磁信号Ｒ１＿Ｂにより誘起される信号がノイズとして混在し、正弦波が崩れてしまう。

図４Ｂは、第２系統の角度センサ（レゾルバ）の励磁信号と検出信号の関係を示す図である。第２系統では、第２励磁信号Ｒ１＿Ｂに対し、第２検出信号として正弦波Ｓ２＿Ｂと余弦波Ｓ１＿Ｂがある。第２検出信号のうち、正弦波Ｓ２＿Ｂは、第１系統の第１励磁信号Ｒ１＿Ａにより誘起される信号がノイズとして混在し、正弦波が崩れてしまう。

レゾルバの検出信号は、ロータ角度の正弦波・余弦波の値から来ているので、信号の振幅率はロータ角度の正接の値に一致する。よってロータ角度Θは、正弦信号の振幅Ｖｓを余弦信号の振幅Ｖｃで割った正接の逆三角関数で求めることができる。

＜式１＞

図５は、モータ制御装置の角度算出の概略フローチャートを示している。本実施例では、ノイズ除去フィルタとして、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の後にバンドストップフィルタ（ＢＳＦ）を実施している。

第1励磁信号として１０ｋＨｚを入力されたとする。まず、ステップＳＴ１で、第1検出信号として１０ｋＨｚのバンドパスフィルタを実施する。次に、ステップＳＴ２では、バンドパスフィルタ後の第１検出信号に対して、５ｋＨｚのバンドストップフィルタを実施する。これは第２励磁信号の５ｋＨｚにより誘起されるノイズ成分を除去するためである。さらに次に、ステップＳＴ３で、バンドストップフィルタ後の第１検出信号から、式１により第１角度センサの回転角度が求められる。

同様に、第２励磁信号として５ｋＨｚを入力されたとする。まず、ステップＳＴ１で、第２検出信号として５ｋＨｚのバンドパスフィルタを実施する。次に、ステップＳＴ２では、バンドパスフィルタ後の第２検出信号に対して、１０ｋＨＺのバンドストップフィルタを実施する。これは第１励磁信号の１０ｋＨｚにより誘起されるノイズ信号を除去するためである。さらに次に、ステップＳＴ３で、バンドストップフィルタ後の第２検出信号から、式１により第２角度センサの回転角度が求められる。

バンドパスフィルタＢＰＦは、下記の式により実施できることが知られている。

＜式２＞

式２において、ω₀はピークゲイン角周波数、Ｑは尖鋭度である。

例えば、検出信号として、１０ｋＨｚ帯域を通したい場合、ピークゲイン周波数ｆ_ｐを１０ｋＨｚとすると、ω₀=（２πｆ_ｐ)＝６２８３１．８５３、Ｑ=１０、ω₀ ²=３９４７８４１７５１．４１３６、の値を使うことで、バンドパスフィルタＢＰＦを実施できる。

例えば、検出信号として、５ｋＨｚ帯域を通したい場合、ピークゲイン周波数ｆ_ｐを５ｋＨｚとすると、ω₀=（２πｆ_ｐ）＝３１４１５．９２６５、Ｑ＝１０、ω₀ ²＝９８６９６０４３７．８５３４、の値を使うことで、バンドパスフィルタＢＰＦを実施できる。

バンドストップフィルタＢＳＦは、下記の式により実施できることが知られている。

＜式３＞

式３において、ω₀はカットオフ角周波数、Ｑは尖鋭度である。

例えば、検出信号として、１０ｋＨｚ帯域を遮断したい場合、カットオフ周波数ｆ_ｃを１０ｋＨｚとすると、ω₀＝（２πｆ_ｃ）＝６２８３１．８５３、Ｑ＝１０、ω₀ ²＝３９４７８４１７５１．４１３６、の値を使うことで、バンドストップフィルタＢＳＰを実施できる。

例えば、検出信号として、５ｋＨｚ帯域を遮断したい場合、カットオフ周波数ｆ_ｃを５ｋＨｚとすると、ω₀＝（２πｆ_ｃ）＝３１４１５．９２６５、Ｑ＝１０、ω₀ ²＝９８６９６０４３７．８５３４、の値を使うことで、バンドストップフィルタＢＳＰを実施できる。

なお、バンドパスフィルタとバンドストップフィルタをハードウェア回路により構成することもできるが、コンデンサ等の回路部品の温度特性や物バラによりフィルタ特性が変わってしまうため、ソフトウェアで構成した場合の効果は大きい。

図６Ａは、モータ制御装置のフィルタ処理なしの場合の角度算出誤差をシミュレーションした結果を示す図である。図６Ｂは、モータ制御装置のバンドパスフィルタ処理をした場合の角度算出誤差をシミュレーションした結果を示す図である。図６Ｃは、モータ制御装置のバンドパスフィルタ後にバンドストップフィル処理した場合の角度算出誤差をシミュレーションした結果を示す図である。ここで、第１検出信号をフィルタなしで角度算出した場合の誤差は、理想角度に対して約＋２〜−４ｄｅｇＥの範囲であったが、バンドパスフィルタＢＰＦ後の第１検出信号で角度算出した場合の誤差は約±０．２ｄｅｇＥであった。さらにバンドパスフィルタＢＰＦ後の第１検出信号にバンドストップフィルタＢＳＦを実施した第１検出信号から角度算出した場合の誤差は±０．０１ｄｅｇＥとなっており、バンドパスフィルタＢＰＦとバンドストップフィルタＢＳＦを実施することにより、角度算出を精度アップする効果が確認できた。検出信号に適切なフィルタ処理をするにより、角度算出精度を向上することができる。

操舵アクチュエータシステム用モータ制御装置としては、自動操舵を行うため操舵角度の精度は高いほうが良いので、角度誤差が±１ｄｅｇＥ未満になるのは効果的である。これによって、操舵アクチュエータ用モータ制御装置の制御精度を向上することができる。

さらに、この操舵アクチュエータ用モータ制御装置を備えた操舵アクチュエータシステムによって、高精度に制御可能な操舵アクチュエータシステムを提供することができ、高精度に制御可能な自動操舵システムを提供することが可能になる。

なお、操舵アクチュエータシステム１０が、モータ制御装置１を備える構成としたが、これに限定されない。モータ制御装置１は、車両等における他の部品を制御する制御装置であってもよい。

なお、本実施形態において、第１系統１ａおよび第２系統１ｂは、１つの回路基板内に構成されてもよく、別の回路基板内に構成されてもよい。

１ モータ制御装置
１ａ モータ制御装置（第１系統）
１ｂ モータ制御装置（第２系統）
２ ステアリングハンドル
３ 回転軸
７ ラック軸
８ａ ロータリーバルブ
８ｂ パワーシリンダ
９，９ａ，９ｂ トルクセンサ
１０ 操舵アクチュエータシステム
１１ａ 角度センサ（第１系統）
１１ｂ 角度センサ（第２系統）
１２ａ，１２ｂ 制御部（ＣＰＵ）
１３ａ，１３ｂ インバータ制御部
１４ａ，１４ｂ インバータ回路
１５，１５ａ，１５ｂ 操舵アクチュエータ（モータ）
１６ａ，１６ｂ フィルタ
１７ａ，１７ｂ 電源リレー
１８ａ，１８ｂ 入力Ｉ／Ｆ
１９ａ，１９ｂ ＣＡＮＩ／Ｆ
２７ ＣＡＮ信号線
２７ａ ＣＡＮ−Ｈライン
２７ｂ ＣＡＮ−Ｌライン
３１ イグニッションスイッチ（ＩＧ-ＳＷ）
ＢＴ バッテリ

Claims (6)

1. ２系統の角度センサを備えた３相モータを駆動するモータ制御装置であって、
   前記２系統の角度センサは、第１角度センサと第２角度センサからなり、
   前記モータ制御装置は、
   前記２系統の角度センサのそれぞれに励磁信号を出力し、誘起されたそれぞれの検出信号が入力される制御部を備え、
   前記第１角度センサの第１励磁信号の周波数と、前記第２角度センサの第２励磁信号の周波数とが異なる、モータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記３相モータは、２系統の巻線組からなり、
   前記モータ制御装置は、
   前記２系統の巻線組をそれぞれの系統毎に駆動する２系統のインバータ回路と、
   前記２系統のインバータをそれぞれの系統毎に制御する２系統の制御回路と、
   を備え、
   前記２系統の制御回路は、第１制御回路と第２制御回路からなり、それぞれの系統毎に外部の定電源から内部電源を生成する電源部を有し、
   前記第１制御回路の第１制御部が前記第１励磁信号を出力し、前記第２制御回路の第２制御部が前記第２励磁信号を出力する、モータ制御装置。
3. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記第１励磁信号により誘起された第１検出信号と、
   前記第２励磁信号により誘起された第２検出信号と、
   前記第１検出信号と前記第２検出信号とが、前記制御部でフィルタ処理される、モータ制御装置。
4. 請求項３に記載のモータ制御装置であって、
   前記フィルタは、バンドパスフィルタとバンドストップフィルタである、モータ制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータ制御装置を、車両等のハンドル操作を自動化する操舵アクチュエータ用のモータ制御装置とした操舵アクチュエータ用モータ制御装置。
6. 請求項５に記載の操舵アクチュエータ用モータ制御装置を備えた操舵アクチュエータシステム。