JP4893248B2

JP4893248B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4893248B2
Application number: JP2006304205A
Authority: JP
Inventors: 友博三浦; 将宏前田; 智昭江渕
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP2008120170A

Description

本発明は、車両用の電動パワーステアリング装置に関し、特に、インバータによってＰＷＭ駆動されるブラシレスモータの相電流検出の精度を向上させた電動パワーステアリング装置に関するものである。

自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で付勢する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト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補助力を付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助トルク）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、電流制御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（パルス幅変調）制御のデューティ比の調整で行われている。従って、電動パワーステアリング装置の制御にとって、モータ電流を正しく検出できるようにすることが重要となる。

かかるモータ（ブラシレスモータ）は、三相ブリッジ構成を持つインバータによって駆動制御されることが知られているが、従来は、特許文献１の図に開示されているように、ブラシレスモータの各相に流れる電流値を検出するために、インバータ回路１２７において、各アームの下側のトランジスタＱ４、Ｑ５、Ｑ６と直流電源１２８のマイナス側（ＧＮＤ）との間ににはそれぞれ電流検出用の抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗが接続されている。
相電流検出回路１３４、１３５、１３６はそれぞれサンプルホールド回路（ホールド用コンデンサを備えている。）１４３、１４４、１４５を備えており、トランジスタＱ４、Ｑ５、Ｑ６がオンしている間は抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗの両端電圧を出力し、オフしている期間はホールド用コンデンサにホールドされた電圧を出力するようになっている。
このとき、サンプルホールド回路にあるスイッチもオフになっており、このスイッチの駆動信号（本明細書ではサンプルホールド信号と呼ぶこととする。）は、トランジスタＱ４、Ｑ５、Ｑ６のベースに入力される駆動制御信号と同期しており、各相毎のＰＷＭ変調信号を発生するＰＷＭ回路１３０からのＰＷＭ変調信号が用いられる。
特許第３２４０５３５号公報特開２００３−３４８８５８号公報

この場合、ＰＷＭ制御されるトランジスタＱ４、Ｑ５、Ｑ６のオン期間が短い（逆に言えば、オフ時間が長い）と、コンデンサにホールドされている電圧がＱ４、Ｑ５、Ｑ６のオフ期間の間に低下するため、サンプルホールド回路からの出力である相電流検出信号Ｉｕａ、Ｉｖａ、Ｉｗａに誤差が生ずる。
特に、ＰＷＭのデューティ比が100％に近づくにつれ、上側トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３のオン時間が長くなり、下側トランジスタＱ４、Ｑ５、Ｑ６のオン時間が短くなると、従来のように下側トランジスタのベースの駆動制御信号と同期したサンプルホールド信号を使用していると、徐々にサンプリングできる時間が短くなってしまい、検出精度も劣化してくるという問題があった。

図５は、モータ電流のインバータへの流出入の状態を説明するための図であるが、モータからインバータに電流が流れ込む場合（流し込み）、各アームの上側FETがONで下側FETがOFFの期間（状態１）、両方ともOFFの期間（状態２）は下側FETのソース端子とGNDの間に挿入された電流検出抵抗（シャント抵抗という。）には電流が流れないので、検出電流は０となる。次に、下側FETがＯＮになるとモータ電流がシャント抵抗に流れるので（状態３）、その両端電圧を測定することによって流れ込むモータ電流を検出することができる。この検出電圧がサンプルホールド回路においてコンデンサに保持される。
なお、上側ＦＥＴと下側ＦＥＴは交互にＯＮ−ＯＦＦを繰り返すように設定されているが、スイッチングの遅れ時間等により切り換え時に瞬間的に両方共ＯＮになると過電流が流れてＦＥＴを破壊する恐れがあるため、デッドタイム期間（両方共ＯＦＦになる期間）を設けてこれを防止している。デッドタイム期間は素子のスイッチング時間よりも長く設定されるが、通常は数μｓに設定される。
図５の下半分はインバータから電流がモータに流れ出る（流し出し）場合を示しているが、流し込みの場合と異なるのは、デッドタイム期間（状態５）において、下側ＦＥＴがＯＦＦであっても寄生ダイオードを介して電流が流れるため、シャント抵抗には負の電圧が生ずることである（図６参照）。従来の技術では、サンプリングのタイミングが下側ＦＥＴがＯＮになるタイミングに同期していたため、状態５の場合の検出電圧はサンプリングされず、状態６になってはじめてサンプリングされていた。なお、図５において点線で囲った部分がシャント抵抗に電圧が発生している期間である。

図７は電流流し出し状態において、ＰＷＭ信号のデューティ比が１００％近くになったときの従来技術におけるサンプリングの状態を示す図である。図において、下側ＦＥＴのＯＮ時間が極めて短く（デッドタイムより短い）なると、サンプルホールド信号はデッドタイムによってLow（０）に固定されてしまうため、シャント抵抗に電圧が生じているにもかかわらずサンプリングされず、電流検出がされなくなるという不都合がある。これはサンプルホールド信号が常に下側FETのＰＷＭ信号に同期しているためである。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み為されたものであり、ＰＷＭのデューティ比が１００％近くになり、サンプルホールド信号が常に０となるような領域であっても、モータ電流のサンプリングを可能とす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する。

本発明は、自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で付勢する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記モータを、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子と前記直流電源のマイナス側に接続される下アームスイッチング素子を三相備えた三相インバータにより駆動されるブラシレスモータとし、
前記三相インバータの各相の下アームスイッチング素子と前記直流電源のマイナス側との間に直列挿入され、前記各相の相電流を電圧として検出するためのシャント抵抗と、ＰＷＭ制御パルスを発生するＰＷＭ発生器と、前記ＰＷＭ制御パルスが入力され、前記ＰＷＭ制御パルスに基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御する信号を出力するゲートドライブ回路と、前記シャント抵抗の電圧をサンプリングしてホールドし、電流検出信号として出力するサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド回路における前記サンプリングとホールドのタイミングの切換えを行うサンプルホールド信号を出力するサンプルホールド信号選択回路とを備えるとともに、前記サンプルホールド信号選択回路が、前記ＰＷＭ制御パルスを入力し、前記電流検出信号の極性が正の場合は前記下アームスイッチング素子のＰＷＭ制御パルスに同期した信号を、前記電流検出信号の極性が負の場合は前記上アームスイッチング素子のＰＷＭ制御パルスに同期した信号をそれぞれ前記サンプルホールド信号として出力する切換手段をさらに具備することによって達成される。
また、本発明の上記目的は、前記スイッチング素子を、ソース−ドレイン間にボディダイオードが内蔵されたパワーMOSFETとすることによって効果的に達成される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、インバータからの電流流し出し期間（電流検出信号の極性が負の場合）については前記上アームスイッチング素子のＰＷＭ制御パルスを用いてサンプルホールドを行うので、従来検出できなかったデューティ比１００％付近での相電流の検出が可能となる。
又、電流流し出し期間に限っていえば、デッドタイムの時間分だけサンプル時間を長く取れるので、デューティ比１００％付近において、従来方式よりもコンデンサへの充電時間を長く取れる分、検出精度も向上するという効果がある。

本発明に係る電動パワーステアリング装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明に係る電動パワーステアリング装置のモータ駆動制御に係る部分の構成を示すブロック図である。
自動車や車両のステアリング装置（ハンドル）をその回転力で付勢するモータ１（ここではブラシレスモータとする。）が直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子と直流電源のマイナス側に接続される下アームスイッチング素子を三相備えた三相インバータ２に接続されている。三相インバータ２の各相の下アームスイッチング素子と直流電源のマイナス側との間には、各相の相電流を電圧として検出するためのシャント抵抗Ｒｓが直列挿入されている。なお、上記スイッチング素子は、ソース−ドレイン間にボディダイオードが内蔵されたパワーMOSFETである。

ＰＷＭ発生器３で生成されるＰＷＭ制御パルスはゲートドライブ回路４に入力され、ＰＷＭ制御パルスに基づいてインバータ２のスイッチング素子をオンオフ制御するＦＥＴ駆動信号が出力される。
シャント抵抗Ｒｓで検出された電圧は、サンプルホールド回路５に入力され、スイッチ５１が閉じている期間（サンプリング期間）はその電圧がコンデンサ５２に充電され、その電圧を保持するとともに、増幅器６で増幅され、Ａ／Ｄ変換器７でアナログ／デジタル変換された電流検出信号が電流制御回路８に入力される。また、シャント抵抗Ｒｓに電流が流れていない期間はスイッチ５１をオフにして、コンデンサ５２に保持されている電圧を増幅器６に入力する。この期間をホールド期間と呼ぶ。このように、スイッチ５１のオンオフの切換えを行う信号をサンプルホールド信号といい、サンプルホールド信号選択回路９から出力される。

電流制御回路８は図示しないトルクセンサ及び車速センサから入力されたトルク信号及び車速信号に基づいて電流指令値を算出するとともに、上記電流検出信号と電流指令値との差が小さくなるようにＰＷＭ発生器３を制御する。
サンプルホールド信号選択回路９は、ＰＷＭ制御パルスを入力し、電流検出信号の極性が正の場合は下アームスイッチング素子のＰＷＭ制御パルスをサンプルホールド信号として出力し、電流検出信号の極性が負の場合は上アームスイッチング素子のＰＷＭ制御パルスの反転信号をサンプルホールド信号として出力する切換スイッチ９１を備えている。切換スイッチ９１の切換え制御は、電流検出信号の極性（符号）を判定する電流制御回路８によって行われる。

図２は従来の電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図であり、本発明と異なるのはサンプルホールド信号選択回路９が無い点のみであり、ＰＷＭ発生器３から出力されるＰＷＭ制御パルスのうち、下アームスイッチング素子（下側ＦＥＴ）の駆動パルスによってスイッチ５１のオンオフが制御されることである。これには上記段落０００６に記載されたような問題がある。

図３は、本発明に係る電動パワーステアリング装置における相電流検出のタイミングチャートを示すものであり、図３（Ａ）はモータ１からインバータに相電流が流れ込む場合（電流極性が正の場合）のタイミングチャートである。この場合、サンプルホールド信号は、従来技術と同様に下側ＦＥＴのＰＷＭ信号に同期している。これに対して、図３（Ｂ）はインバータ２からモータ１に相電流が流れ出す場合（電流極性が負の場合）のタイミングチャートであり、この場合、サンプルホールド信号は、上側ＦＥＴのＰＷＭ信号に同期している。実際には上側ＦＥＴのＰＷＭ信号の反転信号になっている。このため、図１のサンプルホールド信号選択回路９の中にＮＯＴゲートを入れている。

図４は、本発明に係る電動パワーステアリング装置における相電流検出のタイミングチャートのうち、特に、ＰＷＭのデューティ比が１００％付近における状態を示すものである（電流極性が負の場合）。図７の従来例と比較すれば分かるように、下側ＦＥＴのＰＷＭ信号が０となるような領域であってもシャント抵抗の電流の検出が可能であることを示している。

本発明に係る電動パワーステアリング装置のモータ駆動制御に係る部分の構成を示すブロック図である。従来の電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。本発明に係る電動パワーステアリング装置における相電流検出のタイミングチャートの一例である。相電流検出のタイミングチャートのうち、特に、ＰＷＭのデューティ比が１００％付近における状態を示すものである。モータ電流のインバータへの流出入の状態を説明するための図である。電流流し出し時のシャント抵抗の電位を示すタイミングチャートである。ＰＷＭ信号のデューティ比が１００％近くになったときの従来技術におけるサンプリングの状態を示す図である。

符号の説明

１モータ
２三相インバータ
３ＰＷＭ発生器
４ゲートドライブ回路
５サンプルホールド回路
８電流制御回路
９サンプルホールド信号選択回路
５１スイッチ
５２コンデンサ
９１切換スイッチ

Claims

自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で付勢する電動パワーステアリング装置において、前記モータが、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子と前記直流電源のマイナス側に接続される下アームスイッチング素子を三相備えた三相インバータにより駆動されるブラシレスモータであり、
前記三相インバータの各相の下アームスイッチング素子と前記直流電源のマイナス側との間に直列挿入され、前記各相の相電流を電圧として検出するためのシャント抵抗と、
ＰＷＭ制御パルスを発生するＰＷＭ発生器と、
前記ＰＷＭ制御パルスが入力され、前記ＰＷＭ制御パルスに基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御する信号を出力するゲートドライブ回路と、
前記シャント抵抗の電圧をサンプリングしてホールドし、電流検出信号として出力するサンプルホールド回路と、
前記サンプルホールド回路における前記サンプリングとホールドのタイミングの切換えを行うサンプルホールド信号を出力するサンプルホールド信号選択回路とを備えるとともに、
前記サンプルホールド信号選択回路は、前記ＰＷＭ制御パルスを入力し、前記電流検出信号の極性が正の場合は前記下アームスイッチング素子のＰＷＭ制御パルスに同期した信号を、前記電流検出信号の極性が負の場合は前記上アームスイッチング素子のＰＷＭ制御パルスに同期した信号をそれぞれ前記サンプルホールド信号として出力する切換手段をさらに具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記スイッチング素子が、ソース−ドレイン間にボディダイオードが内蔵されたパワーMOSFETである請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。