JP4710528B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵系に対して操舵補助力を発生させる各相コイルがスター結線された３相ブラシレスモータと、該３相ブラシレスモータを前記操舵系に伝達される操舵トルクに応じて駆動制御するモータ制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置に関する。

この種の電動パワーステアリング装置では、モータ駆動回路に異常が発生した場合は、リレー等のスイッチング手段を介して駆動回路とモータとの間を遮断するフェイルセーフ機能により対処するようにしている。この場合は、確かにリレー等のスイッチング手段の遮断機能により、ブラシレスモータのブレーキ状態は回復できるので、電動パワーステアリング装置を有しない通常のマニュアルステアリングとなる構成であるから、運転者による操舵は可能であり、車両の走行が不能となることは回避することができる。
しかしながら、マニュアルステアリングに移行すると、ステアリング操作に必要な操舵力が大幅に増加するため、運転者は著しい違和感を生じて、慣れるまでの間はぎこちない操舵状態となるという可能性があるという問題点がある。

この問題点を解決するために、例えば２つの電界効果トランジスタを直列に接続した直列回路を５相ブラシレスモータの相数に対応する組数分並列に接続してＦＥＴ回路を構成し、各直列回路における電界効果トランジスタの接続点を不導通検出回路を介してスター結線された各相コイルの他端に接続し、不導通検出回路で各相のうちの一つの相が不導通状態である異常を検出したときに、ブラシレスモータに流れる駆動電流を、正常時に比べて小さくすることにより、ブラシレスモータの一つの相が不導通となった場合でも、ブラシレスモータの駆動を継続してステアリングが重くなることを抑制するようにした電動式パワーステアリング装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１８１６１７号公報（第１頁、図２）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、５相ブラシレスモータでは駆動電流を小さくしてもブラシレスモータの回転駆動が可能であるが、３相ブラシレスモータでは、１相が不導通異常となったときに、残りの２相のみの通電で駆動してもモータ内部で発生する磁界ベクトルを回転させることができないため、モータを回転させることができず、また操舵力などの外力によりモータが回転させられたとしてもモータが発生するトルク脈動が大きく、運転者は著しい違和感を生じるという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、スター結線された３相ブラシレスモータで１相に異常が発生したときに、残りの２相における駆動電流の大きさと方向を制御してモータ内部で発生する磁界ベクトルを回転させることができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る電動パワーステアリング装置は、操舵系に対して操舵補助力を発生させる各相コイルがスター結線された３相ブラシレスモータと、該３相ブラシレスモータを前記操舵系に伝達される操舵トルクに応じて駆動制御するモータ制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、前記スター結線の中性点が中性点駆動回路及び中性点用電源の何れか一方に接続されると共に、前記各相コイルの他端が前記モータ制御装置の２つのスイッチング素子を直列に接続した直列回路が各相毎に３組並列に接続された構成を有するモータ駆動回路に接続され、前記各相コイルと直列に相異常時にオフ制御されるスイッチング手段が介挿され、前記モータ制御装置は、前記モータ駆動回路を構成するスイッチング素子のうち１つが異常となったことを検出する異常検出手段と、３相コイルの誘起電圧波形より求めたブラシレスモータの誘起電圧波形をロータの回転座標系に変換したｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）の関係を表す正常時制御マップと、２相のコイルの誘起電圧より求めた前記ブラシレスモータの誘起電圧波形をロータの回転座標系に変換したｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）の関係を表す異常時制御マップと、前記異常検出手段で前記スイッチング素子の異常を検出していない正常時に前記正常時制御マップを選択している状態で、前記異常検出手段で１つのスイッチング素子の異常を検出した異常時に当該スイッチング素子が接続された相コイルのスイッチング手段をオフ制御すると共に、前記異常時制御マップを選択してｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）を算出する異常時制御回路とを備えていることを特徴としている。

また、請求項２に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１に係る発明において、前記スイッチング手段は、各相コイルと前記モータ駆動回路との間に介挿されていることを特徴としている。

さらに、請求項３に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１に係る発明において、前記スイッチング手段は、各相コイルと中性点との間に介挿されていることを特徴としている。

なおさらに、請求項４に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１乃至３の何れか１つの発明において、前記中性点用電源は、前記モータ駆動回路に印加する電圧と接地電位との中間電圧に選定されていることを特徴としている。

さらに、請求項５に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１乃至３の何れか１つの発明において、前記中性点用電源は、前記モータ駆動回路に印加する電圧を分圧抵抗で分圧する分圧回路で構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、３相ブラシレスモータのスター結線されたコイルの中性点を所定の電源又は駆動回路に接続することにより、３相ブラシレスモータの１相に異常が発生した場合でも中性点を異常となった相の代わりに使用してモータ内部で発生する磁界ベクトルを回転させて３相ブラシレスモータの駆動を運転者が違和感を生じることなく継続させることができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の一実施形態を示す全体構成図であって、図中、１は、ステアリングホイールであり、このステアリングホイール１に運転者から作用される操舵力が入力軸２ａと出力軸２ｂとを有するステアリングシャフト２に伝達される。このステアリングシャフト２は、入力軸２ａの一端がステアリングホイール１に連結され、他端は操舵トルク検出手段としての操舵トルクセンサ３を介して出力軸２ｂの一端に連結されている。

そして、出力軸２ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント４を介してロアシャフト５に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。このピニオンシャフト７に伝達された操舵力はステアリングギヤ８を介してタイロッド９に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ８は、ピニオンシャフト７に連結されたピニオン８ａとこのピニオン８ａに噛合するラック８ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン８ａに伝達された回転運動をラック８ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、操舵補助力を出力軸２ｂに伝達する操舵補助機構１０が連結されている。この操舵補助機構１０は、出力軸２ｂに連結した減速ギヤ１１と、この減速ギヤ１１に連結された操舵補助力を発生する３相ブラシレスモータ１２とを備えている。
操舵トルクセンサ３は、ステアリングホイール１に付与されて入力軸２ａに伝達された操舵トルクを検出するもので、例えば、操舵トルクを入力軸２ａ及び出力軸２ｂ間に介挿した図示しないトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位を抵抗変化や磁気変化に変換して検出するように構成されている。

また、３相ブラシレスモータ１２は、図２に示すように、Ｕ相コイルＬｕ、Ｖ相コイルＬｖ及びＷ相コイルＬｗの一端が互いに接続されてスター結線とされ、各コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗの他端が操舵補助制御装置２０に接続されて個別にモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗが供給されると共に、各コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗが接続された中性点Ｐｎも操舵補助制御装置２０に接続されている。また、３相ブラシレスモータ１２は、ロータの回転位置を検出するホール素子、レゾルバ等で構成されるロータ位置検出回路１３を備えている。

操舵補助制御装置２０は、操舵トルクセンサ３で検出された操舵トルクＴ及び車速センサ２１で検出された車速Ｖｓが入力されると共に、ロータ位置検出回路１３で検出されたロータ回転角θが入力され、さらに３相ブラシレスモータ１２の各相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗに供給されるモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗを検出するモータ電流検出回路２２から出力されるモータ駆動電流検出値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ及びＩｗｄが入力されている。

この操舵補助制御装置２０は、操舵トルクＴ及び車速Ｖとモータ電流検出値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ及びＩｗｄとロータ回転角θとに基づいて操舵補助電流目標値を演算して、モータ電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗを出力する制御演算装置２３と、３相ブラシレスモータ１２を駆動する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成されるモータ駆動回路２４と、中性点を駆動する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成される中性点駆動回路２５と、制御演算装置２３から出力される相電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗに基づいてモータ駆動回路２４及び中性点駆動回路２５の電界効果トランジスタのゲート電流を制御するＦＥＴゲート駆動回路２６と、モータ駆動回路２４及び３相ブラシレスモータ１２との間に接続されたスイッチング手段としての遮断用リレー回路２７と、３相ブラシレスモータ１２に供給されるモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗの異常を検出する異常検出回路２８とを備えている。

制御演算装置２３は、図３に示すように、ベクトル制御の優れた特性を利用してベクトル制御ｄ、ｑ成分の電流指令値を決定した後、この電流指令値を各励磁コイルＬｕ〜Ｌｗに対応した各相電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*及びＩｗ^*に変換して出力するベクトル制御相指令値算出回路３０と、このベクトル制御装置指令値算出回路３０から出力される各相電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*及びＩｗ^*とモータ電流検出回路４１で検出したモータ電流検出値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ及びＩｗｄとで電流フィードバック処理を行う電流制御回路４０を備えている。

ベクトル相指令値算出回路３０は、図３に示すように、操舵トルクセンサ３で検出した操舵トルクＴと車速センサ２１で検出した車速Ｖｓとが入力され、これらに基づいて操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*を算出する操舵補助電流指令値演算部３１と、ロータ回転角検出回路１３で検出したロータ回転角θを電気角θｅに変換する電気角変換部３２と、この電気角変換部３２から出力される電気角θｅを微分して電気角速度ωｅを算出する微分回路３３と、操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*と電気角速度ωｅとに基づいてｄ軸指令電流Ｉｄ^*を算出するｄ軸指令電流算出部３４と、電気角θｅに基づいてｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）を算出するｄ−ｑ軸電圧算出部３５と、このｄ−ｑ軸電圧算出部３５から出力されるｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）とｄ軸指令電流算出部３４から出力されるｄ軸指令電流Ｉｄ^*と操舵補助電流指令値演算部３１から出力される操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*とに基づいてｑ軸指令電流Ｉｑ^*を算出するｑ軸指令電流算出部３６と、ｄ軸指令電流算出部３４から出力されるｄ軸指令電流Ｉｄ^*とｑ軸指令電流算出部３６から出力されるｑ軸指令電流Ｉｑ^*とを３相電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*及びＩｗ^*に変換する２相／３相変換部３７とを備えている。

上述した操舵補助電流指令値演算部３１は、操舵トルクＴ及び車速Ｖｓをもとに図４に示す操舵補助電流指令値算出マップを参照して操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*を算出する。ここで、操舵補助電流指令値算出マップは、図４に示すように、横軸に操舵トルクＴをとり、縦軸に操舵補助指令値Ｉ_M ^*をとると共に、車速検出値Ｖをパラメータとした放物線状の曲線で表される特性線図で構成され、操舵トルクＴが“０”からその近傍の設定値Ｔ１までの間は操舵補助指令値Ｉ_M ^*が“０”を維持し、操舵トルクＴが設定値Ｔ１を超えると最初は操舵補助指令値Ｉ_M ^*が操舵トルクＴの増加に対して比較的緩やかに増加するが、さらに操舵トルクＴが増加すると、その増加に対して操舵補助指令値Ｉ_M ^*が急峻に増加するように設定され、この特性曲線が車速が増加するに従って傾きが小さくなるように設定されている。

また、ｄ軸指令電流算出部３４は、図５に示すように、操舵補助電流指令値演算部３１から出力される操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*を３相ブラシレスモータ１２へのベース角速度ωｂに換算する換算部５１と、操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*の絶対値｜Ｉ_M ^*｜を算出する絶対値部５２と、モータの電気角速度ωｅとモータの磁極数Ｐとからモータの機械角速度ωｍ（＝ωｅ／Ｐ）を算出する機械角算出部５３と、ベース角速度ωｂと機械角速度ωｍとに基づいて進角Φ＝ａｃｏｓ（ωｂ／ωｍ）を算出するａｃｏｓ算出部５４と、進角φに基づいてｓｉｎΦを求めるｓｉｎ算出部５５と、絶対値部５２からの絶対値｜Ｉ_M ^*｜とｓｉｎ算出部５５から出力されるｓｉｎφとを乗算して−１倍することによりｄ軸電流指令値Ｉｄ^*（＝−｜Ｉ_M ^*｜ｓｉｎφ）を求める乗算器５６とを備えている。

このように、ｄ軸指令電流算出部３４を構成することにより、ｄ軸指令電流Ｉｄ^*は、
Ｉｄ^*＝−｜Ｉ_M ^*｜・ｓｉｎ（ａｃｏｓ（ωｂ／ωｍ） …………（１）
となり、この（１）式のａｃｏｓ（ωｂ／ωｍ）の項に関し、モータの回転速度が高速でない場合、つまり３相ブラシレスモータ１２の機械角速度ωｍがベース角速度ωｂより低速次の場合は、ωｍ＜ωｂとなるのでａｃｏｓ（ωｂ／ωｍ）＝０となり、よってＩｄ^*＝０となる。しかし、高速回転時、つまり機械角速度ωｍがベース角速度ωｂより高速になると、電流指令値Ｉｄ^*の値が現れて、弱め開示制御を始める。上記（１）式に表されるように、電流指令値Ｉｄ^*は３相ブラシレスモータ１２の回転速度によって変化するため、高速度回転時の制御をつなぎ目なく円滑に行うことが可能であるという優れた効果がある。

また、別の効果としてモータ端子電圧の飽和の問題に関しても効果がある。モータの相電圧Ｖは、一般的に、
Ｖ＝Ｅ＋Ｒ・Ｉ＋Ｌ（ｄｉ／ｄｔ） …………（２）
で表される。ここで、Ｅは逆起電圧、Ｒは固定抵抗、Ｌはインダクタンスであり、逆起電圧Ｅはモータが高速回転になるほど大きくなり、バッテリー電圧などの電源電圧は固定であるから、モータの制御に利用できる電圧範囲が狭くなる。この電圧飽和に達する角速度がベース角速度ωｂで、電圧飽和が生じるとＰＷＭ制御のデューティ比が１００％に達し、それ以上は電流指令値に追従できなくなり、その結果トルクリップルが大きくなる。

しかし、上記（１）式で表される電流指令値Ｉｄ^*は極性が負であり、上記（２）式のＬ（ｄｉ／ｄｔ）に関する電流指令値Ｉｄ^*の誘起電圧成分は、逆起電圧Ｅと極性が反対となる。よって、高速回転になるほど値が大きくなる逆起電圧Ｅを、電流指令値Ｉｄ^*によって誘起される電圧で減じる効果を示す。その結果、３相ブラシレスモータ１２が高速回転になっても、電流指令値Ｉｄ^*の効果によってモータを制御できる電圧範囲が広くなる。つまり、電流指令値Ｉｄ^*の制御による弱め界磁制御によってモータの制御電圧は飽和せず、制御できる範囲が広くなり、モータの高速回転時にもトルクリップルが大きくなることを防止できる効果がある。

さらに、ｄ−ｑ軸電圧算出部３５は、例えば図６に示すｄ−ｑ軸電圧算出処理を実行してｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）を算出する。
このｄ−ｑ軸電圧算出処理は、先ず、ステップＳ１で、後述する異常検出回路２８から出力される相異常検出信号Ｓ_Aを読込み、次いでステップＳ２に移行して、相異常検出信号Ｓ_Aが正常を表す“０”であるか否かを判定し、Ｓ_A＝“０”であるときにはモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗが正常であるものと判断してステップＳ３に移行する。

このステップＳ３では、図７に示す正常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップを選択し、次いでステップＳ４に移行して、電気角θｅを読込み、次いでステップＳ５に移行して、電気角θｅをもとに図７に示す正常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップを参照してｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）を算出し、次いでステップＳ６に移行して、算出したｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）をｑ軸指令電流算出部３６に出力してから前記ステップＳ１に戻る。ここで、正常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップは、図７に示すように、横軸に電気角ωｅをとり、縦軸に各相コイルが発生する誘起電圧波形を回転座標に変換したｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）をとって構成され、３相ブラシレスモータ１２が図８に示すように正常時の誘起電圧波形Ｕ相ＥＭＦ、Ｖ相ＥＭＦ及びＷ相ＥＭＦが夫々１２０度位相の異なる正弦波となる正弦波誘起電圧モータである場合には、図７に示すように、電気角θには関係なくｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）が共に一定値となる。

一方、前述したステップＳ２の判定結果が、相異常検出信号Ｓ_AがＵ相が異常であることを表す“１”、Ｖ相が異常であることを表す“２”及びＷ相が異常であることを表す“３”の何れかであるときにはステップＳ７に移行して、異常となった相に対応する異常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップを選択し、次いでステップＳ８に移行して、前述したステップＳ４と同様に電気角θｅを読込み、次いでステップＳ９に移行して、読込んだ電気角θｅをもとに図９に示す異常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップを参照してｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）を算出してから前記ステップＳ６に移行する。ここで、異常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップは、図９に示すように、例えばＷ相が異常となって図１０に示すようにＷ相誘起電圧ＥＭＦが後述するように零である場合に、正常なＵ相及びＶ相のコイルが発生する誘起電圧波形を回転座標に変換したｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）が共に電気角１８０度で１周期の振動波形となるように設定されている。

この図６のｄ−ｑ軸電圧算出処理において、ステップＳ７〜ステップＳ９の処理が異常時制御回路に対応している。
さらにまた、ｑ軸指令電流算出部３６は、電気角速度ωｅ、ｄ軸電圧ｅｄ（θ）、ｑ軸電圧ｅｑ（θ）、ｄ軸指令電流Ｉｄ^*及び操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*をもとに下記（３）の演算を行ってｑ軸指令電流Ｉｑ^*を算出する。
Ｉｑ^*＝（Ｋｔ×Ｉ_M ^*×ωｅ−ｅｄ（θ）×Ｉｄ^*）÷ｅｑ（θ） …………（３）
ここで、Ｋｔはモータトルク定数である。

電流制御回路４０は、ベクトル制御相指令値算出部３０から供給される電流指令値Ｉｕ^*，Ｉｖ^*，Ｉｗ^*から電流検出回路２２で検出した各相コイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗに流れるモータ相電流検出値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ、Ｉｗｄを減算して各相電流誤差ΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗを求める減算器４１ｕ、４１ｖ及び４１ｗと、求めた各相電流誤差ΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗに対して比例積分制御を行って指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを算出するＰＩ制御部４２とを備えている。
そして、ＰＩ制御部４２から出力される指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗがＦＥＴゲート駆動回路２６に供給される。

モータ駆動回路２４は、図２に示すように、各相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗに対応して直列に接続されたＮチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチング素子Ｑｕａ，Ｑｕｂ、Ｑｖａ，Ｑｖｂ及びＱｗａ，Ｑｗｂを並列に接続されたインバータ構成を有し、スイッチング素子Ｑｕａ，Ｑｕｂの接続点、Ｑｖａ，Ｑｖｂの接続点及びＱｗａ，Ｑｗｂの接続点が夫々相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗの中性点Ｐｎとは反対側に接続されている。

そして、モータ駆動回路２４を構成する各スイッチング素子Ｑｕａ，Ｑｕｂ、Ｑｖａ，Ｑｖｂ及びＱｗａ，ＱｗｂのゲートにＦＥＴゲート駆動回路２６から出力されるＰＷＭ（パルス幅変調）信号が供給されている。
さらに、中性点駆動回路２５は、電源端子と接地との間に直列に接続された電界効果トランジスタＱｐａ及びＱｐｂを有し、電界効果トランジスタＱｐａ及びＱｐｂの接続点に中性点Ｐｎが接続され、両電界効果トランジスタＱｐａ及びＱｐｂがＦＥＴゲート駆動回路２６によって駆動制御される。

さらに、遮断用リレー回路２７は、３相ブラシレスモータ１２の相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗの中性点Ｐｎとは反対側の端子と、モータ駆動回路２４の電界効果トランジスタＱｕａ，Ｑｕｂ、Ｑｖａ，Ｑｖｂ及びＱｗａ，Ｑｗｂの接続点との間に個別に介挿されたリレー接点ＲＬＹ１、ＲＬＹ２及びＲＬ３と、中性点Ｐｎと中性点駆動回路２５の電界効果トランジスタＱｐａ及びＱｐｂとの間に介挿されたリレー接点ＲＬＹ４とで構成されている。そして、各リレー接点ＲＬＹ１〜ＲＬＹ３は、異常検出回路２８で総ての相で異常が検出されない正常状態では閉状態に制御され、何れか１つの相で異常が検出されたときに異常となった相のリレー接点ＲＹＬｉ（ｉ＝１〜３）が開状態に制御される。なお、リレー接点ＲＬＹ４については中性点駆動回路２５の電界効果トランジスタＱｐａ及びＱｐｂが正常であるときには閉状態に制御され、電界効果トランジスタＱｐａ及び又はＱｐｂが異常となったときに開状態に制御される。

さらにまた、異常検出回路２８は、モータ駆動回路２４に供給するパルス幅変調信号と各相のモータ電圧とを比較することによってＵ相、Ｖ相、及びＷ相の異常を検出することができる。さらに、異常検出回路２８は中性点駆動回路２５の電界効果トランジスタＱｐａ及びＱｐｂに供給するパルス幅変調信号と中性点電圧とを比較することにより、中性点駆動回路２５の異常を検出する。そして、異常検出回路２８では、中性点駆動回路２５が正常であり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の全てが正常である場合には、遮断用リレー回路２７のリレー接点ＲＬＹ１〜ＲＬ３を閉状態に制御し、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の何れか１つの異常を検出した場合には、該当する相のリレー接点ＲＬＹｉを開状態且つリレー接点ＲＬＹ４を閉状態に制御すると共に、前述した制御演算装置２３のｄ−ｑ軸電圧算出部３５に、正常時に“０”、Ｕ相異常時には“１”、Ｖ相異常時には“２”、Ｗ相異常時には“３”となる相異常検出信号Ｓ_Aを出力する。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、モータ駆動回路２４を構成する各電界効果トランジスタＱｕａ〜Ｑｗｂが正常であるときには、異常検出回路２８で異常状態が検出されることはなく、各リレー接点ＲＬＹ１〜ＲＬＹ３が閉状態に制御されて、モータ駆動回路２４から出力されるモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗがリレー接点ＲＬＹ１、ＲＬＹ２及びＲＬＹ３を介して３相ブラシレスモータ１２の各相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗに供給される。

この状態で、例えば車両の停止時に、ステアリングホイール１を操舵していない状態では、操舵トルクセンサ３で検出される操舵トルクＴが“０”であるので、制御演算装置２３の操舵補助電流指令値演算部３１で算出される操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*も“０”となると共に、微分回路３３から出力される電気角速度ωｅも“０”となるので、ｄ軸指令電流算出部３４で算出されるｄ軸指令電流Ｉｄ^*も“０”となり、ｑ軸指令電流算出部３６で前記（３）式にしたがって算出されるｑ軸指令電流Ｉｑ^*も“０”となることから、２相／３相変換部３７から出力される相電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*及びＩｗ^*も“０”となる。

このとき、３相ブラシレスモータ１２も停止しているので、モータ電流検出回路２２で検出されるモータ電流検出値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ及びＩｗｄも“０”となることから、電流制御回路４０かの減算器４１ｕ、４１ｖ及び４１ｗから出力される電流偏差ΔＩｕ、ΔＩｖ及びΔＩｗも“０”となり、ＰＩ制御部４２から出力される電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗも“０”となって、ＦＥＴゲート駆動回路２６からモータ駆動回路２４の電界効果トランジスタＱｕａ，Ｑｕｂ、Ｑｖａ，Ｑｖｂ及びＱｗａ，Ｑｗｂのゲートに出力されるパルス幅変調信号のデューティ比が５０％に制御され、且つ上アームの電界効果トランジスタに供給するパルス幅変調信号と下アームの電界効果トランジスタに供給するパルス幅変調信号とにはデッドタイムが設けられているので、上アームの電界効果トランジスタＱｕａ、Ｑｖａ、Ｑｗａと下アームの電界効果トランジスタＱｕｂ、Ｑｖｂ、Ｑｗｂとが導通することはなく、３相ブラシレスモータ１２の各相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗに供給されるモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗは“０”となり、３相ブラシレスモータ１２は停止状態を維持する。

このステアリングホイール１の非操舵状態から、車両の停止時にステアリングホイール１を操舵して所謂据え切り状態とすると、これに応じて操舵トルクセンサ３で検出される操舵トルクＴが大きな値となると共に、車速Ｖｓが“０”であるので、図４の操舵補助電流指令値算出マップで一番急峻な特性曲線が選択されることにより、操舵トルクＴの増加に応じて大きな値の操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*が算出されることになる。このため、ｄ軸指令電流算出部３４で算出されるｄ軸指令電流Ｉｄ^*が負方向に増加する。

一方、異常検出回路２８からは正常を表す“０”の相異常検出信号Ｓ_Aが出力され、これがｄ−ｑ軸電圧算出部３５に供給されるので、このｄ−ｑ軸電圧算出部３５における図６の電圧算出処理で、ステップＳ２からステップＳ３に移行して、図７に示す正常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップが選択される。
このとき、３相ブラシレスモータ１２が停止しているので、電気角速度ωｅは“０”の状態を継続するが、図７の正常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップでは電気角速度ωｅにかかわらずｄ軸電圧ｅｄ（θ）が“０”、ｑ軸電圧ｅｑ（θ）が例えば３．０に維持され、これがｑ軸指令電流算出部３６に供給されるので、このｑ軸指令電流算出部３６で（３）式の演算を行ってｑ軸指令電流Ｉｑ^*を算出する。

そして、算出されたｄ軸指令電流Ｉｄ^*及びｑ軸指令電流Ｉｑ^*が２相／３相変換部３７で三相分相処理が行われて、電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*及びＩｗ^*が算出され、これらが電流制御部４０に供給される。
このため、電流制御部４０では、モータ電流検出回路２２から入力されるモータ電流検出値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ及びＩｗｄが“０”を維持しているので、減算器４１ｕ、４１ｖ及び４１ｗから出力される電流偏差ΔＩｕ、ΔＩｖ及びΔＩｗが正方向に増加し、ＰＩ制御部４２で電流偏差ΔＩｕ、ΔＩｖ及びΔＩｗにＰＩ制御処理を行って指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗを算出し、これらをＦＥＹゲート駆動回路２６に供給することにより、モータ駆動回路２４の各電界効果トランジスタが制御されて、このモータ駆動回路２４から図１１に示す１２０度位相がずれたモータ相電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗを３相ブラシレスモータ１２の相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗに出力することにより、３相ブラシレスモータ１２が回転駆動されて、ステアリングホイール１に入力される操舵トルクに応じた操舵補助力を発生し、これが減速ギヤ１１を介してステアリングシャフト２に伝達されることにより、ステアリングホイール１を軽い操舵力で操舵することができる。

その後、車両が走行を開始すると、これに応じて操舵補助電流指令値演算部３１で算出される操舵補助電流指令値Ｉ_M ^*が低下することにより、ｄ軸指令電流Ｉｄ^*及びｑ軸自励電流Ｉｑ^*が減少して、２相／３相変換部３７から出力されるモータ電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*及びＩｗ^*が減少し、これに応じてモータ駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗが減少して、３相ブラシレスモータ１２で発生する操舵補助力が減少される。

このモータ駆動回路２４の正常状態から、例えばＷ相が不導通となる異常が発生すると、これが異常検出回路２８で検出され、この異常検出回路２８から“３”を表す相異常検出信号Ｓ_Aがｄ−ｑ軸電圧算出部３５に出力されると共に、リレー接点ＲＬＹ３が開状態に制御されて、モータ駆動回路２４と３相ブラシレスモータ１２の相コイルＬｗとの間が遮断される。

この相異常状態では、ｄ軸指令電流算出部３４では、操舵補助電流指令値演算部３１で算出される操舵補助電流Ｉ_M ^*に基づいて正常時と同様にｄ軸指令電流Ｉｄ^*が算出されるが、ｄ−ｑ軸電圧算出部３５における図６の処理では、ステップＳ２からステップＳ７に移行して、異常となったＷ相に対応する異常用ｄ−ｑ軸電圧算出マップが選択され、次いでステップＳ８で電気角θｅが読込まれ、この電気角θｅに基づいて図９の異常用ｄ−ｑ軸算出マップを参照してｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）が算出される。これらｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）は図９に示すように電気角１８０度で１周期の振動波形となる。
そして、算出されたｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）がｑ軸指令電流算出部３６に供給され、このｑ軸指令電流算出部３６で前述した（３）式の演算を行ってｑ軸指令電流Ｉｑ^*が算出される。

そして、ｄ軸指令電流Ｉｄ^*及びｑ軸指令電流Ｉｑ^*が２相／３相変換部３７でモータ電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*及びＩｗ^*に変換されて、これが電流制御部４０に出力されるので、この電流制御部４０で、電流フィードバック処理が行われて、モータ駆動回路２４から図１２に示すように電流の大きさと方向が制御されたＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖが出力される。このとき、中性点Ｐｎは中性点駆動回路２５に接続されているので、この中性点駆動回路２５を、デューティ比５０％固定の状態で駆動することにより、図１２に示すように、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖを加算した値の逆符号となる中性相電流Ｉｐを流すことができる。このため、３相ブラシレスモータ１２におけるモータ内部の磁気ベクトルを回転させて、正常時よりは小さい操舵補助力を大きなリップルを伴うことなく連続して発生することができ、前述した従来例のように運転者に大きな違和感を与えることを確実に防止することができる。

また、１つの相に異常が発生したときに、モータ駆動回路２４とブラシレスモータの相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗとの間に、リレー接点ＲＬＹ１、ＲＬＹ２及びＲＬＹ３が介挿されているので、モータ駆動回路２４を構成するスイッチング素子に短絡異常が発生した場合に形成されてしまう制御できない電流経路を遮断することができ、３相ブラシレスモータ１２が回転する際に発生する誘起電圧により回生電流が流れ、３相ブラシレスモータ１２にブレーキトルクが発生してしまうことを確実に回避することができるという効果がある。

また、中性点駆動回路２５のみで異常が発生した場合には、異常検出回路２８で中性点電圧異常を検出したときに、リレー接点ＲＬＹ４を開状態に制御することにより、３相ブラシレスモータ１２は中性点を他部に接続しない通常の３相ブラシレスモータと同様の構成となり、操舵トルクＴに応じた操舵補助力を発生することができる。
なお、上記実施形態においては、３相ブラシレスモータ１２の中性点Ｐｎと中性点駆動回路２５との間にリレー接点ＲＬＹ４を介挿した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、中性点駆動回路２５の異常を想定しない場合には、リレー接点ＲＬＹ４を省略することができる。

また、上記実施形態においては、３相ブラシレスモータ１２の各相コイルＬｕ〜Ｌｗとモータ駆動回路２４との間に遮断用リレー回路２７を介挿した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１３に示すように、３相ブラシレスモータ１２とモータ駆動回路２４との間の遮断用リレー回路２７を省略し、これに代えて、各相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗのモータ駆動回路２４側とは反対側の接続端と中性点Ｐｎとの間に遮断用リレー回路２７を設けるようにしても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、上記実施形態においては、３相ブラシレスモータ３の中性点Ｐｎを中性点駆動回路２５に接続した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１４に示すように、３相ブラシレスモータ１２の中性点をモータ駆動回路２４に印加する印加電圧Ｖｃｃより低く接地電位より高い中間電圧に設定された中性点用電源Ｖｍに接続するようにしても上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合、中性点電源Ｖｍとしては図１５に示すように、モータ駆動回２４に印加する印加電圧Ｖｃｃと接地との間に分圧用抵抗Ｒ１及びＲ２を接続し、この分圧用抵抗Ｒ１及びＲ２の接続点から得られる印加電圧Ｖｃｃより低く接地電位より高い分圧電圧を３相ブラシレスモータの中性点Ｐｎに供給するようにしてもよく、この場合には、モータ駆動回路２４に印加する印加電圧を供給する電圧源とは別の電圧源を形成する必要がなく、モータ駆動回路２５の構成を簡略化することができる。

なおさらに、上記実施形態においては、ベクトル相指令値算出回路３０の出力側に２相／３相変換部３７を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１６に示すように、２相／３相変換部３７を省略し、これに代えてモータ電流検出回路２２から出力されるモータ電流検出値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ及びＩｗｄを３相／２相変換部６０に供給して、回転座標のｄ軸電流Ｉｄｄ及びｑ軸電流Ｉｑｄに変換し、電流制御部４０の減算器６１ｄ及び６１ｑで電流偏差ΔＩｄ及びΔＩｑを算出し、これらをＰＩ制御部６２でＰＩ制御処理してｄ軸指令電圧Ｖｄ及びｑ軸指令電圧Ｖｑを算出し、これらを２相／３相変換部６３で３相の指令圧Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗに変換して、ＦＥＴゲート駆動回路２６に供給するようにして制御演算装置２３全体をベクトル制御系に構成するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、モータ駆動回路２４及び中性点駆動回路２５を電界効果トランジスタで構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、バイポーラトランジスタ、ＧＴＯ等の任意のスイッチング素子を適用することができる。
また、上記実施形態においては、スイッチング手段として遮断用リレー回路２７を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ、パワートランジスタ等のスイッチング素子を適用するようにしてもよい。

本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の第１の実施形態を示すシステム構成図である。 操舵補助制御装置の具体的構成を示すブロック図である。 図２の制御演算装置２３の具体的構成を示すブロック図である。 操舵トルクと操舵補助電流指令値との関係を表す操舵補助電流指令値算出マップを示す特性線図である。 ベクトル相指令値算出回路のｄ軸指令電流算出部の具体的構成を示すブロック図である。 ｄ−ｑ軸電圧算出部で実行するｄ−ｑ軸電圧算出処理手順の一例を示すフローチャートである。 正常用ｄ−ｑ軸電圧算出用制御マップを示す特性線図である。 正常時の３相ブラシレスモータで発生する誘起電圧波形を示す特性線図である。 Ｗ相異常時の異常用ｄ−ｑ軸電圧算出用制御マップを示す特性線図である。 Ｗ相異常時の３相ブラシレスモータで発生する誘起電圧波形を示す特性線図である。 正常時の３相ブラシレスモータの相電流波形を示す特性線図である。 Ｗ相異常時の３相ブラシレスモータの相電流波形と中性相電流波形とを示す特性線図である。 本発明における遮断用リレー回路の介挿位置を変更した例を示すブロック図である。 本発明における中性点駆動回路を変更した例を示すブロック図である。 本発明における中性点駆動回路を変更した他の例を示すブロック図である。 本発明における制御演算装置の他の例を示すブロック図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…操舵トルクセンサ、８…ステアリングギヤ、１０…操舵補助機構、１２…３相ブラシレスモータ、１３…ロータ位置検出回路、２０…操舵補助制御装置、２１…車速センサ、２２…モータ電流検出回路、２３…制御演算装置、２４…モータ駆動回路、２５…中性点駆動回路、２６…ＦＥＴゲート駆動回路、２７…遮断用リレー回路、２８…異常検出回路、３０…ベクトル相指令値算出回路、３１…操舵補助電流指令値演算部、３２…電気角変換部、３３…微分回路、３４ｄ軸指令電流算出部、３５…ｄ−ｑ軸電圧算出部、ｑ軸指令電流算出部、３７…２相／３相変換部、４０…電流制御部、４１ｕ〜４１ｗ…減算器、４２…ＰＩ制御部

Claims (5)

1. 操舵系に対して操舵補助力を発生させる各相コイルがスター結線された３相ブラシレスモータと、該３相ブラシレスモータを前記操舵系に伝達される操舵トルクに応じて駆動制御するモータ制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記スター結線の中性点が中性点駆動回路及び中性点用電源の何れか一方に接続されると共に、前記各相コイルの他端が前記モータ制御装置の２つのスイッチング素子を直列に接続した直列回路が各相毎に３組並列に接続された構成を有するモータ駆動回路に接続され、前記各相コイルと直列に相異常時にオフ制御されるスイッチング手段が介挿され、
   前記モータ制御装置は、前記モータ駆動回路を構成するスイッチング素子のうち１つが異常となったことを検出する異常検出手段と、３相コイルの誘起電圧波形より求めたブラシレスモータの誘起電圧波形をロータの回転座標系に変換したｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）の関係を表す正常時制御マップと、２相のコイルの誘起電圧より求めた前記ブラシレスモータの誘起電圧波形をロータの回転座標系に変換したｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）の関係を表す異常時制御マップと、前記異常検出手段で前記スイッチング素子の異常を検出していない正常時に前記正常時制御マップを選択している状態で、前記異常検出手段で１つのスイッチング素子の異常を検出した異常時に当該スイッチング素子が接続された相コイルのスイッチング手段をオフ制御すると共に、前記異常時制御マップを選択してｄ軸電圧ｅｄ（θ）及びｑ軸電圧ｅｑ（θ）を算出する異常時制御回路とを備えていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記スイッチング手段は、各相コイルと前記モータ駆動回路との間に介挿されてい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. 前記スイッチング手段は、各相コイルと中性点との間に介挿されてい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。
4. 前記中性点用電源は、前記モータ駆動回路に印加する電圧と接地電位との中間電圧に選定されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記中性点用電源は、前記モータ駆動回路に印加する電圧を分圧抵抗で分圧する分圧回路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。

Images