JP2691190B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

モータ駆動装置

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JP2691190B2 JP63025257A JP2525788A JP2691190B2 JP 2691190 B2 JP2691190 B2 JP 2691190B2 JP 63025257 A JP63025257 A JP 63025257A JP 2525788 A JP2525788 A JP 2525788A JP 2691190 B2 JP2691190 B2 JP 2691190B2
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    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/03—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for controlling the direction of rotation of DC motors
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、パルス幅変調信号（以下PWM信号という）
によりモータの通電を制御（以下PWM制御という）する
モータ駆動装置に関し、特に、過電流の防止に関する。
（従来の技術） パワーステアリング装置や産業用ロボット等に駆動源
としてモータを用いたものがある。それらにおいては、
モータの出力トルクを細かく制御するためにPWM制御を
行なうことが多い（例えば、特公昭60−131093号公
報）。
第７図は従来の電動パワーステアリング装置に用いら
れているモータ駆動回路の一例であり、図示を省略した
制御用のマイクロコンピュータに接続される。すなわ
ち、第７図に示したOP0〜９およびIP2はマイクロコンピ
ュータの入出力ポートであり、OP0〜７からはPWM制御の
オンデューティを示すデータ（以下PWMデータという）
が、OP8〜およびOP9からはモータ８の正逆転付勢を制御
する制御信号（以下方向制御信号という）が与えられ
る。ここで、PWMデータは２進数で与えられる０〜100の
データであり、方向制御信号は正転付勢時にはOP8側が
Ｈレベル,OP9側がＬレベルとなり、逆転付勢時にはOP8
側がＬレベル,OP9側がＨレベルとなり、消勢時にはとも
にＬレベルとなる。
PWMデータはPWMユニット210に与えられる。PWMユニッ
ト210は、PWMデータを保持するレジスタ211,1.5％MHzの
クロックパルスを発生するクロックCLK,クロックパルス
をカウントする100進カウンタ212,レジスタ211が保持し
ているPWMデータとカウンタ212のカウントデータとを比
較するコンパレータ213およびアンドゲートAN3よりな
る。カウンタ212は０〜99の値を繰返しカウントし、コ
ンパレータ213はカウントデータがPWMデータ未満のとき
にはＨレベルを、カウントデータがPWMデータ以上にな
るとＬレベルを出力する。このようにしてオンデューテ
ィの間Ｈレベルが継続する15kHzのPWM信号が生成され
る。
PWM信号は２入力アンドゲートAN3の一方の入力端子に
入力される。アンドゲートAN3の他方の入力端子には電
流制限ユニット230よりの電流制限信号が入力される
が、いまはこれがＨレベルであると想定されたい。
PWMユニット210の出力、すなわちアンドゲートAN3の
出力（以下電流制御信号という）は２入力アンドゲート
AN1およびAN2の各一方の入力端子に与えられる。アンド
ゲートAN1の他方の入力端子は出力ポートOP8に接続され
ており、アンドゲートAN2の他方の入力端子は出力ポー
トOP9に接続されている。つまり、方向制御信号のOP8側
がＨレベルであればアンドゲートAN1から電流制御信号
が出力され、OP9側がＨレベルであればアンドゲートAN2
から電流制御信号が出力される。
アンドゲートAN1の出力はFETドライバ222に与えら
れ、アンドゲートAN2の出力はFETドライバ224に与えら
れる。FETドライバ222はＨレベルが与えられている間FE
T T2をオンドライブし、FETドライバ224はＨレベルが与
えられている間FET T4をオンドライブする。
一方、FET T1をドライブするFETドライバ221は出力ポ
ートOP8に接続されており、FET T3をドライブするFETド
ライバ223は出力ポートOP9に接続されている。FETドラ
イバ221はＨレベルが与えられている間FET T1をオンド
ライブし、FETドライバ223はＨレベルが与えられている
間FET T3をオンドライブする。つまり、方向制御信号の
OP8側がＨレベルのときにはFET T1が常時オンとなり、
電流制御信号がＨレベルとなる間のみFET T2がオンとな
るのでモータ８に電流制御信号に比例した正転付勢電流
が流れ、方向制御信号のOP9側がＨレベルのときにはFET
T3が常時オンとなり、電流制御信号がＨレベルとなる
間のみFET T4がオンとなるのでモータ８に電流制御信号
に比例した逆転付勢電流が流れる。
モータ付勢電流IMはシャント抵抗Ｒの両端の電圧とし
て電流制限ユニット230で検出される。この電圧はサー
ジ等が除去された後、演算増幅器231を中心としてなる
直線増幅器で増幅され、演算増幅器232を中心としてな
るコンパレータ（以下負荷制限コンパレータという）お
よび演算増幅器231を中心としてなるコンパレータ（以
下駆動禁止コンパレータという）にそれぞれ与えられ
る。これらのコンパレータはヒステリシス特性を有して
おり、前者においては負荷制限電圧V1との比較を行な
い、後者においては負荷制限電圧V1より高い駆動禁止電
圧V2との比較を行なっている。つまり、モータ付勢電流
IMが負荷制限値（V1に対応する電流値）を超えると負荷
制限コンパレータの出力がＬレベルに転じ、駆動禁止値
（V2に対応する電流値）を超えると駆動禁止コンパレー
タの出力がＬレベルに転ずる（なお、駆動禁止コンパレ
ータの出力は入力ポートIP2に与えられて他の制御に用
いられるのでここでは説明を行なわない）。
負荷制限コンパレータの出力はPWMユニット210のアン
ドゲートAN3に与えられているので、これがＬレベルに
転ずるとアンドゲートAN3においてPWM信号が阻止され
る。いいかえると、PWM信号のオンデューティであって
もモータ８のロック等によりモータ付勢電流IMが増大
し、負荷制限値を超えたときには強制的にモータ８を消
勢して構成各素子を保護している。
これについて第８図に示した各部の波形図を参照して
詳細に説明する。ラインａを流れるPWM信号のオンデュ
ーティでモータ８の過負荷が発生するとモータ付勢電流
IMが増大し、点ｂの電位が増大する。この電位が負荷制
限電圧V1を超えると負荷制限コンパレータの出力、すな
わち点ｃのレベルがＬレベルに転じ、アンドゲートAN3
の出力、すなわち点ｄを通る電流制御信号がＬレベルに
なる。これにより、FETドライバ222または224がFET T1
またはT2をオフドライブするのでモータ付勢電流IMがカ
ットされ、点ｂの電位は減少を開始する。この点ｂの電
位が負荷制限電圧V1より負荷制限コンパレータのヒステ
リシス特性で定まる所定値αだけ低い値以下になると負
荷制限コンパレータは出力をＨレベルに転ずる。
（発明が解決しようとする課題） ところで、モータ８の過負荷状態が継続しているとき
のオンデューティでは負荷制限コンパレータが出力をＨ
レベルに転ずることにより点ｄを通る電流制御信号がＨ
レベルに戻ると直ちにモータ付勢電流IMが増大を開始す
るので発振状態となり、このモータ駆動回路においては
主として電流制限ユニット230の応答速度に依存する速
度でモータ８のオンオフが繰返されることになる。
一般に、電流制限ユニット230の応答速度は、構成各
素子の保護という面からも高速に設定される（遅いと電
流のオーバシュートにより保護されない）。このため、
モータ８の過負荷状態ではオンオフの周波数はかなり高
い値となる（ただし、第８図では表記の都合から模式的
に粗い波形図で示している）。
一方、PWM信号は、モータ駆動回路を構成する各素子
の応答性等を鑑みて最適の周波数に設定されているた
め、オンデューティが高速でチョップされることによ
り、スイッチング素子のスイッチングロスや放射ノイズ
の増大等を惹起することになる。
本発明は、モータの過負荷時に、最適な状態で通電電
流を制限するモータ駆動装置を提供することを目的とす
る。
〔発明の構成〕
（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明は、モータ；パルス
幅変調された２値信号を発生する信号発生手段；およ
び、該２値信号が第１レベルにあるときに限り前記モー
タに通電する通電制御手段；を備えるモータ駆動装置に
おいて： 前記モータの通電電流を検出する電流検出手段；およ
び、 該通電電流が所定値を超えると所定時間モータの通電
を阻止する、前記２値信号の交番周期に同期して初期化
される通電阻止手段；を備えることを特徴とする。
（作用） これによれば、モータの通電電流が所定値を超えたと
きにモータの通電を所定時間止めるので、構成各素子の
保護を行ないつつ装置が発振状態に陥ることを防ぐこと
が可能になる。更に、パルス幅変調された２値信号の周
期に同期して通電阻止手段が初期化されるので、最適に
設定されたPWM周期（例えば、放射ノイズが聞えにくい1
5KHzの周波数）を変化させることなくモータの過負荷時
の通電電流が制限される。
本発明の他の目的および特徴は以下の図面を参照した
以下の実施例説明より明らかになろう。
（実施例） 第1a図は本発明を一例で実施する電動パワーステアリ
ング装置の電気制御系を示すブロック図であり、第1b図
はその一部を詳細に示すブロック図、第２図は電動パワ
ーステアリング装置の機械構成を示す斜視図である。ま
ず、第２図を参照して機構構成から説明する。
ステアリングホイール１が固着されたステアリングア
ッパーシャフト２にはトルクセンサ３が装着されてお
り、第１ユニバーサルジョイント４、インターミデイエ
ントシャフト５および第２ユニバーサルジョイントを介
してステアリングロワーシャフト７に結合されている。
ステアリングロワーシャフト７には図示されていないピ
ニオンギアが結合されており、このピニオンギアはタイ
ロッド11に固着されたラック11aに噛合っている。タイ
ロッド11はホイール12を固着するナックルから伸びたナ
ックルアーム13に係合されている。ナックルはストラッ
ト14を介して車体に回動および上下動自在に結合されて
いる。
ステアリングホイール１の回動は、ステアリングアッ
パーシャフト2,第１ユニバーサルジョイント4,インター
ミディエイトシャフト5,第２ユニバーサレジョイント６
およびステアリングロワーシャフト７を介してピニオン
ギアに伝達され、ラック11aによりタイロッド11の軸方
向の運動に変換される。ナックルアーム13はストラット
14からずれているため、タイロッド11の軸方向の運動に
より、ホイール12がストラット14回りに回動する。
一方、ラック11aと噛合うピニオンギアには、さらに
減速機10およびクラッチ９を介してモータ８が結合され
ている。つまり、クラッチ９が継がっていればモータ８
の正逆転によりピニオンギアが回動され、上記同様にホ
イール12がストラット14回りに回動する。
モータ８およびクラッチ９は制御ユニット20により制
御される。
制御ユニット20およびその周辺について第1a図を参照
して説明する。
制御ユニット20はマイクロコンピュータ（以下CPUと
いう）100,モータ駆動ユニット200およびトルク検出ユ
ニット300等よりなる。構成各部へは、バッテリBTおよ
びバッテリBTに接続された定電圧ユニット500より所定
の電圧が供給される。
トルク検出ユニット300には、前述したステアリング
アッパーシャフト２に装着されたトルクセンサ３および
車速検出ユニット400が接続されている。
トルクセンサ３は２組の歪抵抗素子でなり、各組には
ステアリングホイール１から加えられたステアリングト
ルクによるステアリングアッパーシャフト２のねじれが
互いに逆に作用する。これらは抵抗ブリッジを構成して
おり、各組の中点電位はトルク検出ユニット300の差動
増幅器310に入力される。差動増幅器310はこれらの間の
電位差を線形増幅し、PID補償回路320および異常検出回
路340に与える。
PID補償回路320はステアリング装置の機械的な構成よ
り生じる検出トルクの位相ずれを補償する回路であり、
その出力はA/Dコンバータ330に与えられる。A/Dコンバ
ータ330ではこれをデジタル変換し、ステアリングホイ
ール１より加えられたステアリングトルクを示すトルク
データとしてCPU100のシリアル入力ポートIP1に転送す
る。
異常検出回路340は、許容範囲を超えるトルク検出で
異常を設定する回路である。つまり、差動増幅器310よ
り出力された検出トルクに対応する電圧信号は正負の値
を含むので絶対値回路341においてこれに絶対値処理を
施し、さらに増幅器342においてレベル調整を施した
後、コンパレータ345において検出トルクの許容値を示
す参照電位と比較する。コンパレータ345は、検出トル
クが許容範囲（絶対値では許容値）を超えるとＬレベル
を出力する。
ところで、本実施例においては、この許容範囲を車速
に応じて設定している。具体的には、車速と参照電位と
を対応付したテーブルを備えるコンバータ343に車速検
出ユニット400から与えられた車速データを入力すると
それに対応する参照電位データを出力するので、それを
D/Aコンバータ344においてアナログ変換し、参照電位と
してコンパレータ345に与えている。
コンパレータ345の出力は積分回路346を介してCPU100
の入力ポートIP0に与えられる。この積分回路346では、
路面の状態や振動等によるトルクセンサ３の瞬時的な異
常出力を除去している。
モータ駆動ユニット200の詳細を第1b図に示した。こ
れにおいて、前述した第７図に同じ要素には同一の記号
を用いている。前述の説明に異なる部分についてのみ説
明を行なう。
この実施例においては、PWMユニット210にモノステー
ブルマルチバイブレータ214が備わっている。このモノ
ステーブルマルチバイブレータ214は、セット端子Ａに
印加される信号のネガティブエッジでトリガされてＱ端
子（図面ではオーバラインで示している：以下同じ）よ
り抵抗ｒおよび容量Ｃで定まる次定数τのＬレベルパル
スを出力する。この間、RESET端子にＬレベルが印加さ
れると出力を初期化する。セット端子Ａには前述した電
流制限ユニット230の演算増幅器232を中心としてなる負
荷制限コンパレータの出力が、RESET端子には前述した
コンパレータ213の出力であるPWM信号がそれぞれ印加さ
れている。また、Ｑ端子出力は２入力アンドゲートAN3
に印加される。なお、本実施例においては、時定数τを
PWM信号の周期より長く設定している。
以上の構成によりもたらされる各部の動作を第３図に
示した波形図を参照して説明する。ラインａを流れるPW
M信号（周期ｔ）のオンデューティでモータ８の過負荷
が発生するとモータ付勢電流IMが増大し、点ｂの電位が
増大する。この電位が負荷制限電圧V1を超えると負荷制
限コンパレータの出力、すなわち点ｃのレベルがＬレベ
ルに転じ、モノステーブルマルチバイブレータ214をト
リガする。これにより、モノステーブルマルチバイブレ
ータ214はＱ端子出力をＬレベルに転じ、これを受ける
アンドゲートAN3はPWM信号を阻止する。つまり、点ｄを
通る電流制御信号がＬレベルになるので、FETドライバ2
22または224はFET T1またはT2をオフドライブし、モー
タ付勢電流IMがカットされる。
この後、点ｂの電位が減少してもモノステーブルマル
チバイブレータ214の時定数τがPWM信号の周期ｔよりも
長く設定されているので、その周期においてモータ８が
再付勢されることはない。また、モノステーブルマルチ
バイブレータ214は、自励的にＱ出力をＨレベルに転ず
る前にRESET端子に印加されるPWM信号のオフデューティ
でリセットされるので、上記が繰り返し実行される。
すなわち、モータ８は１回のPWM信号の周期におい
て、モータ８の過負荷ありなしにかかわらず１回だけ通
電されるので、常時PWM信号の周期ｔが維持される。つ
まり、モータ８に過負荷が発生しても最適な状態で通電
電流を制限することが可能になる。
再度第1a図を参照する。
CPU100の出力ポートOP10にはリレードライバDr1が、O
P11にはクラッチドライバDr2が、OP12には異常表示器WN
Gが、それぞれ接続されている。リレードライバDr1はCP
U100の指示に応答してモータ８の電源供給ラインに介挿
されたリレー接点を有するリレーRLを付勢／消勢制御
し、クラッチドライバDr2はCPU100の指示に応答してク
ラッチ９を付勢／消勢制御する。また、異常表示器WNG
はインスツルメントクラスタに備わり、CPU100の指示に
応答して異常表示を行なう。
次に、第４図に示したフローチャートを参照してCPU1
00の制御動作を説明する。
イグニッションスイッチSWが投入されると、S1（フロ
ーチャートに付したステップ番号を示す：以下同義）に
おいて入出力ポートおよび各部の状態を初期化する。次
に、S2においてドライバDr1およびDr2にリレーRLおよび
クラッチ９の付勢をそれぞれ指示すると、S3において入
力の読取りを行なう。これにおいては、前述したトルク
検出ユニット300より与えられるトルクデータおよび検
出トルクの異常を示す信号、ならびに、前述した電流制
限ユニット230の駆動禁止コンパレータより与えられる
モータ付勢電流の異常を示す信号を読み取る。このと
き、検出トルクおよびモータ付勢電流に異常がなけれ
ば、S6においてトルクデータの符号よりモータ８の付勢
方向（ステアリングホィール１の回動方向に対応）を判
別し、S7においてトルクデータの大きさよりモータ８の
オンデューティを算出した後、S8においてモータ駆動ユ
ニット200に向けて方向制御信号およびデューティデー
タを出力する。
検出トルクおよびモータ付勢電流に異常がない限りは
以上のS3〜S8の処理を繰返し実行するので、モータ８か
らドライバがステアリングホィールに加えたステアリン
グトルクの大きさに比例した補助トルクが、その回動方
向に加えられる。
検出したトルクおよび／またはモータ付勢電流に異常
を生ずるとS4あるいはS5からS9に進み、ドライバDr1お
よびDr2にリレーRLおよびクラッチ９の消勢をそれぞれ
指示し、異常表示器WNGに異常表示を指示する。これに
より、モータ８は機構上ステアリング装置から分離さ
れ、また電源ラインからも遮断される。この後は、イグ
ニッションスイッチSWの再投入（エンジンを一旦停止す
る）がない限りCPU100は再動作しない。つまり、トルク
検出の異常やモータ８の異常付勢をもたらすような重大
な異常が発生した場合においては、モータ８のパワーア
シストを完全に遮断し、マニュアルステアリング装置を
構成している。
ところで、上記の第1b図に示したモータ駆動ユニット
200においては、構成上PWM制御の周期ｔが維持されない
例外的な場合が１つだけ存在することがわかった。それ
は第４図に示すようにオンデューティが100となる場合
である。その場合にはPWM信号によりモノステーブルマ
ルチバイブレータ214がリセットされないためにその時
定数τを周期とするPWM制御が行なわれることになる。
勿論、デューティ100を禁止すれば何ら問題とはならな
いが、モータ８の駆動制御をフルレンジで行ないたい場
合には障害となる。
そこで、上記実施例の一部構成を変更してモータ８の
フルレンジの駆動制御を可能にしたモータ駆動ユニット
200を第５図に示す。これにおいては、PWMユニット210
の100進カウンタ212の最上位ビットの出力を独立に取り
出し、トリガ回路TRGに印加している。トリガ回路TRGは
最上位ビット出力のネガティブエッジ、すなわち、カウ
ンタ212のカウントデータが99から０に変るときにトリ
ガされてリセットパルスを出力する。このリセットパル
スはモノステーブルマルチバイブレータ214のRESET端子
に印加される。
第６図に示した波形図を参照されたい。上記説明に重
複する部分についての説明は省略するが、これによれ
ば、モノステーブルマルチバイブレータ214はPWM信号に
よってリセットされるのではなく、ラインｅに乗るPWM
信号の交番周期ｔに同期したリセットパルスによりリセ
ットされるので、Ｑ端子の出力が周期ｔで繰り返される
ことがわかる。つまり、モータ８の過負荷ありなしにか
かわらず、いかなる場合にも通電周期がPWM信号の周期
ｔに維持される。
〔発明の効果〕
以上説明したとおり、本発明によれば、モータの過負
荷発生時においてもPWM信号の周期を維持し、最適な状
態で通電電流を制御することができる。したがって、従
来技術に見られた、モータ駆動回路を構成する各素子の
応答特性等を鑑みてPWM制御の最適周波数を設定してお
いてもモータの過負荷時にそれが高周波に変更されてス
イッチングロスや放射ノイズの増大を生じてしまう欠点
は解決される。
【図面の簡単な説明】
第1a図は本発明を一例で実施する電動パワーステアリン
グ装置の電気制御系を示すブロック図、第1b図はその一
部を詳細に示すブロック図、第２図は電動パワーステア
リング装置の機構構成を示す斜視図である。 第３図は第1b図に示したブロック図の各部の動作を示す
波形図である。 第４図は第1a図に示したマイクロコンピュータ100の動
作を示すフローチャートである。 第５図は変形例を示すブロック図、第６図はその各部の
動作を示す波形図である。 第７図は従来例を示すブロック図、第８図はその各部の
動作を示す波形図である。 1:ステアリングホイール 2:ステアリングアッパーシャフト 3:トルクセンサ 4:第１ユニバーサルジョイント 5:インターミディエイトシャフト 6:第２ユニバーサルジョイント 7:ステアリングロワーシャフト 8:モータ（モータ） 9:クラッチ、10:減速機 11:タイロッド、11a:ラック 12:ホイール、13:ナックルアーム 14:ストラット、20:制御ユニット 100:マイクロコンピュータ 200:モータ駆動ユニット 210:PWMユニット、211:レジスタ 212:カウンタ、213:コンパレータ 214:モノステーブルマルチバイブレータ 221,222,223,224:FETドライバ 230:電流制限ユニット 231,232,233:演算増幅器 300:トルク検出ユニット 310:差動増幅器、320:PID補償回路 330:A/Dコンバータ、340:異常検出回路 341:絶対値回路、342:増幅器 343:コンバータ、344:D/Aコンバータ 345:コンパレータ、346:積分回路 400:車速検出ユニット、500:定電圧ユニット BT:バッテリ、Dr1,Dr2:ドライバ RL:リレー、WNG:異常表示器 R:シャンフト抵抗、230,R:（電流検出手段） CLK:クロック 211,212,213,CLK:（信号発生手段） AN1,AN2,AN3:アンドゲート 214,230,AN3:（通電阻止手段） T1,T2,T3,T4:FET 211〜214,T1〜T4,AN1,AN2:（通電制御手段）

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】モータ；パルス幅変調された２値信号を発
    生する信号発生手段；および、該２値信号が第１レベル
    にあるときに限り前記モータに通電する通電制御手段；
    を備えるモータ駆動装置において： 前記モータの通電電流を検出する電流検出手段；およ
    び、 該通電電流が所定値を超えると所定時間モータの通電を
    阻止する、前記２値信号の交番周期に同期して初期化さ
    れる通電阻止手段；を備えることを特徴とする、モータ
    駆動装置。
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