JP5440120B2 - モータ制御装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置、および、モータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置に関する。

従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が用いられている。電動パワーステアリング装置の電動モータには従来からブラシモータが広く使用されているが、信頼性および耐久性の向上や慣性の低減などの観点から、近年ではブラシレスモータも使用されている。

一般にモータ制御装置は、モータで発生するトルクを制御するために、モータに流れる電流を検出し、モータに供給すべき電流と検出した電流との差に基づきＰＩ制御（比例積分制御）を行う。３相ブラシレスモータを駆動するモータ制御装置には、２相以上の電流を検出するために、２個または３個の電流センサが設けられる。この電流センサは、モータ制御装置の小型化の妨げになる。そこで、モータ制御装置を小型化するために、電流センサを可能な限り除去し、モータの回路方程式に従いオープンループ制御（フィードフォワード制御）を行う方法が知られている。

車両に搭載される電動パワーステアリング装置では、モータ制御装置は車載バッテリから電力の供給を受ける。車載バッテリはモータ制御装置から離れた位置に設けられるので、モータに電流を素早く供給して電源電圧を安定化させるために、モータ制御装置には平滑用コンデンサとして電解コンデンサが設けられる。平滑用コンデンサは、車載バッテリによって常に充電された状態にあり、モータ駆動回路に含まれるスイッチング素子の状態が変化したときに、電荷を充放電してモータ駆動回路に素早く電流を供給する。

なお、本願発明に関連して、特許文献１には、コンデンサの等価直列抵抗により生じるサージ電圧に基づき最大許容モータ電流値を求めること、および、コンデンサの温度に対応して初期許容モータ電流値のマップを設けることが記載されている。

特開２００８−１３６３２７号公報

平滑用コンデンサを備えたモータ制御装置では、平滑用コンデンサの等価抵抗の値が変動すると、モータ駆動回路への印加電圧も変動する。ところが、電解コンデンサの等価抵抗の値は、周囲温度に応じて変動する。また、周囲温度が高いときほど電解コンデンサは速く劣化し、劣化が進むほど等価抵抗の値は大きくなる。

ＰＩ制御ではモータに指令電流が流れるようにフィードバック制御が行われるので、モータ駆動回路への印加電圧が変動したときには、その変動を補正するモータ指令電圧が自動的に算出され、モータ電流は補正される。このため、ＰＩ制御を行う場合には、モータ駆動回路への印加電圧が変動しても、モータ制御に大きな支障は生じない。

これに対して、オープンループ制御ではモータに指令電流が流れるようにフィードフォワード制御が行われるので、モータ駆動回路に対する印加電圧が変動すると、その変動を補正することなくモータ指令電圧が算出され、モータ電流は補正されない。このため、オープンループ制御を行う場合には、インバータ回路への印加電圧が変動すると、モータ制御の精度が低下し、トルクリップルなどが発生する。

それ故に、本発明は、電源平滑用コンデンサの特性を考慮してモータ制御を高い精度で行うモータ制御装置、および、これを備えた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。

第１の発明は、モータを駆動するモータ制御装置であって、
前記モータに供給すべき電流の量を示す指令電流値と前記モータのロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従い、前記モータの駆動に用いられる指令電圧のレベルを求めるオープンループ制御手段と、
前記モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサと、
前記平滑用コンデンサの周囲温度を検出するための温度検出手段と、
前記温度検出手段で検出された温度に基づき、前記平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮して、前記オープンループ制御手段で求めた指令電圧のレベルを補正する補正手段と、
前記補正手段で補正されたレベルの電圧を用いて前記モータを駆動するモータ駆動手段とを備える。

第２の発明は、モータを駆動するモータ制御装置であって、
前記モータに供給すべき電流の量を示す指令電流値と前記モータのロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従い、前記モータの駆動に用いられる指令電圧のレベルを求めるオープンループ制御手段と、
前記モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサと、
前記平滑用コンデンサに流れる電流に基づき前記平滑用コンデンサの温度を推定するための温度推定手段と、
前記温度推定手段で推定された温度に基づき、前記平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮して、前記オープンループ制御手段で求めた指令電圧のレベルを補正する補正手段と、
前記補正手段で補正されたレベルの電圧を用いて前記モータを駆動するモータ駆動手段とを備える。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記補正手段は、前記平滑用コンデンサの周囲温度または推定温度に基づき前記平滑用コンデンサの等価抵抗の値を求め、求めた抵抗値に基づき前記指令電圧のレベルを補正することを特徴とする。

第４の発明は、第１または第２の発明において、
前記補正手段は、前記平滑用コンデンサの周囲温度または推定温度を積算し、温度積算値に基づき前記平滑用コンデンサの等価抵抗の値を求め、求めた抵抗値に基づき前記指令電圧のレベルを補正することを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４のいずれかの発明に係るモータ制御装置を備えた電動パワーステアリング装置である。

上記第１の発明によれば、モータの回路方程式に従いオープンループ制御によってモータの駆動電圧を求めるときに、モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮した補正を行う。したがって、平滑用コンデンサの特性が温度によって変動するときでも、モータ制御を高い精度で行い、トルクリップルを抑制することができる。

上記第２の発明によれば、モータの回路方程式に従いオープンループ制御によってモータの駆動電圧を求めるときに、モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサに流れる電流に基づき推定される平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮した補正を行う。したがって、平滑用コンデンサの特性が温度によって変動するときでも、モータ制御を高い精度で行い、トルクリップルを抑制することができる。

上記第３の発明によれば、平滑用コンデンサの等価抵抗の値が温度に応じて変動することを考慮してモータの駆動電圧を補正することにより、モータ制御を高い精度で行い、トルクリップルを抑制することができる。

上記第４の発明によれば、平滑用コンデンサは温度に応じた速度で劣化し、平滑用コンデンサの等価抵抗の値は劣化によって大きくなることを考慮してモータの駆動電圧を補正することにより、モータ制御を高い精度で行い、トルクリップルを抑制することができる。

上記第５の発明によれば、平滑用コンデンサの等価抵抗の値が温度によって変動するときでも、モータ制御を高い精度で行いトルクリップルを抑制できるので、スムーズな操舵補助が可能となる。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両の構成と共に示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図２に示すモータ制御装置の電源回路を示す図である。 ３相ブラシレスモータにおける３相交流座標とｄｑ座標を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 電解コンデンサの寿命を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図７に示すモータ制御装置の電源回路を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両の構成と共に示す概略図である。図１に示す電動パワーステアリング装置は、ブラシレスモータ１、減速機２、トルクセンサ３、車速センサ４、位置検出センサ５、および、電子制御ユニット（Electronic Control Unit ：以下、ＥＣＵという）１０を備えたコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置である。

図１に示すように、ステアリングシャフト１０２の一端にはハンドル（ステアリングホイール）１０１が固着されており、ステアリングシャフト１０２の他端はラックピニオン機構１０３を介してラック軸１０４に連結されている。ラック軸１０４の両端は、タイロッドおよびナックルアームからなる連結部材１０５を介して車輪１０６に連結されている。運転者がハンドル１０１を回転させると、ステアリングシャフト１０２は回転し、これに伴いラック軸１０４は往復運動を行う。ラック軸１０４の往復運動に伴い、車輪１０６の向きが変わる。

電動パワーステアリング装置は、運転者の負荷を軽減するために、以下に示す操舵補助を行う。トルクセンサ３は、ハンドル１０１の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクＴｏを検出する。車速センサ４は、車速Ｓを検出する。位置検出センサ５は、ブラシレスモータ１のロータの回転位置Ｐを検出する。位置検出センサ５は、例えばレゾルバで構成される。

ＥＣＵ１０は、車載バッテリ１００から電力の供給を受け、操舵トルクＴｏ、車速Ｓおよび回転位置Ｐに基づきブラシレスモータ１を駆動する。ブラシレスモータ１は、ＥＣＵ１０によって駆動されると、操舵補助力を発生させる。減速機２は、ブラシレスモータ１とステアリングシャフト１０２との間に設けられる。ブラシレスモータ１で発生した操舵補助力は、減速機２を介して、ステアリングシャフト１０２を回転させるように作用する。

この結果、ステアリングシャフト１０２は、ハンドル１０１に加えられる操舵トルクと、ブラシレスモータ１で発生した操舵補助力の両方によって回転する。このように電動パワーステアリング装置は、ブラシレスモータ１で発生した操舵補助力を車両のステアリング機構に与えることにより操舵補助を行う。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、ブラシレスモータ１を駆動する制御装置（モータ制御装置）に特徴がある。そこで以下では、各実施形態に係る電動パワーステアリング装置に含まれるモータ制御装置について説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図２に示すモータ制御装置は、ＥＣＵ１０を用いて構成されており、ｕ相、ｖ相およびｗ相の３相巻線（図示せず）を有するブラシレスモータ１を駆動する。ＥＣＵ１０は、位相補償器１１、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する）２０、３相／ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調器１２、モータ駆動回路１３、電流センサ１４、電解コンデンサ１５、および、温度センサ１６を備えている。

ＥＣＵ１０には、トルクセンサ３から出力された操舵トルクＴｏ、車速センサ４から出力された車速Ｓ、および、位置検出センサ５から出力された回転位置Ｐが入力される。位相補償器１１は、操舵トルクＴｏに対して位相補償を施す。マイコン２０は、ブラシレスモータ１の駆動に用いられる指令電圧のレベルを求める制御手段として機能する。マイコン２０の機能の詳細については、後述する。

３相／ＰＷＭ変調器１２とモータ駆動回路１３は、ハードウェア（回路）で構成されており、マイコン２０で求めたレベルの電圧を用いてブラシレスモータ１を駆動するモータ駆動手段として機能する。３相／ＰＷＭ変調器１２は、モータを駆動制御するための信号として、マイコン２０で求めた３相の電圧のレベルに応じたデューティ比を有する３種類のＰＷＭ信号（図２に示すＵ、Ｖ、Ｗ）を生成する。モータ駆動回路１３は、スイッチング素子として６個のＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）を含むＰＷＭ電圧形インバータ回路である。６個のＭＯＳ−ＦＥＴは、３種類のＰＷＭ信号とその否定信号によって制御される。ＰＷＭ信号を用いてＭＯＳ−ＦＥＴの導通状態を制御することにより、ブラシレスモータ１に対して３相の駆動電流（ｕ相電流、ｖ相電流およびｗ相電流）が供給される。

電流センサ１４は、ブラシレスモータ１に流れる電流を検出する電流検出手段として機能する。電流センサ１４は、例えば抵抗体やホール素子で構成され、モータ駆動回路１３と電源の間に１個だけ設けられる。図２に示す例では、電流センサ１４はモータ駆動回路１３と電源のマイナス側との間に設けられているが、電流センサ１４をモータ駆動回路１３と電源のプラス側との間に設けてもよい。電流センサ１４で検出された電流値Ｉ_T は、マイコン２０に入力される。

ＥＣＵ１０は車載バッテリ１００に接続され、ＥＣＵ１０内の回路（マイコン２０やモータ駆動回路１３など）は車載バッテリ１００から電力の供給を受ける。電解コンデンサ１５は２個の端子を有し、一方の端子は車載バッテリ１００のプラス側端子に接続され、他方の端子は車載バッテリ１００のマイナス側端子に接続される。このようにブラシレスモータ１の電源に並列に接続された電解コンデンサ１５は、平滑用コンデンサとして機能する。なお、図２からモータ駆動回路１３の電源回路を抽出して示すと、図３のようになる。

温度センサ１６は、電解コンデンサ１５の周囲温度を検出する温度検出手段として機能する。温度センサ１６は、例えば、電解コンデンサ１５の近傍に設置される。温度センサ１６で検出された温度Ｔは、マイコン２０に入力される。なお、電解コンデンサ１５の周囲温度を検出するための温度検出手段として、ＥＣＵ１０内の他の箇所の温度を検出する温度センサを用いてもよい。また、温度センサを用いることなく、電流センサ１４で検出された電流値などに基づき、マイコン２０で電解コンデンサ１５の周囲温度を求めてもよい。

マイコン２０は、ＥＣＵ１０に内蔵されたメモリ（図示せず）に格納されたプログラムを実行することにより、指令電流算出部２１、オープンループ制御部２２、ｄｑ軸／３相変換部２３、３相電圧補正部２４、角度算出部２５、角速度算出部２６、および、抵抗値算出部２７として機能する。マイコン２０は、以下に示すように、ブラシレスモータ１に供給すべき電流の量を示す指令電流値とブラシレスモータ１のロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従い、モータ駆動回路１３に与えるべき電圧（以下、指令電圧という）のレベルを求める。

角度算出部２５は、位置検出センサ５で検出した回転位置Ｐに基づき、ブラシレスモータ１のロータの回転角（以下、角度θという）を求める。角速度算出部２６は、角度θに基づき、ブラシレスモータ１のロータの角速度ω_e を求める。なお、図４に示すようにブラシレスモータ１に対してｕ軸、ｖ軸およびｗ軸を設定し、ブラシレスモータ１のロータ６に対してｄ軸およびｑ軸を設定したとき、ｕ軸とｄ軸のなす角が角度θとなる。

指令電流算出部２１は、位相補償後の操舵トルクＴｏ（位相補償器１１の出力信号）と車速Ｓに基づき、ブラシレスモータ１に供給すべきｄ軸電流とｑ軸電流を求める（以下、前者をｄ軸指令電流ｉ_d ^*、後者をｑ軸指令電流ｉ_q ^*という）。より詳細には、指令電流算出部２１は、車速Ｓをパラメータとして、操舵トルクＴｏと指令電流との対応づけを記憶したテーブル（以下、アシストマップという）を内蔵しており、アシストマップを参照して指令電流を求める。アシストマップを用いることにより、ある大きさの操舵トルクが与えられたときに、その大きさに応じた適切な大きさの操舵補助力を発生させるためにブラシレスモータ１に供給すべきｄ軸指令電流ｉ_d ^*とｑ軸指令電流ｉ_q ^*を求めることができる。

なお、指令電流算出部２１で求めるｑ軸指令電流ｉ_q ^*は符号付きの電流値であり、その符号は操舵補助の方向を示す。例えば、符号がプラスのときには右方向へ曲がるための操舵補助が行われ、符号がマイナスのときには左方向へ曲がるための操舵補助が行われる。また、ｄ軸指令電流ｉ_d ^*は、典型的にはゼロに設定される。

オープンループ制御部２２は、ｄ軸指令電流ｉ_d ^* 、ｑ軸指令電流ｉ_q ^* および角速度ω_e に基づき、ブラシレスモータ１に供給すべきｄ軸電圧とｑ軸電圧を求める（以下、前者をｄ軸指令電圧ｖ_d 、後者をｑ軸指令電圧ｖ_q という）。ｄ軸指令電圧ｖ_d とｑ軸指令電圧ｖ_q は、次式（１）と（２）に示すモータの回路方程式を用いて算出される。
ｖ_d＝（Ｒ＋ＰＬ_d）ｉ_d ^*−ω_eＬ_qｉ_q ^* …（１）
ｖ_q＝（Ｒ＋ＰＬ_q）ｉ_q ^*＋ω_eＬ_dｉ_d ^*＋ω_eΦ …（２）
ただし、式（１）と（２）において、ｖ_d はｄ軸指令電圧、ｖ_q はｑ軸指令電圧、ｉ_d ^*はｄ軸指令電流、ｉ_q ^*はｑ軸指令電流、ω_e はロータの角速度、Ｒは電機子巻線抵抗を含む回路抵抗、Ｌ_d はｄ軸の自己インダクタンス、Ｌ_q はｑ軸の自己インダクタンス、ΦはＵ、Ｖ、Ｗ相電機子巻線鎖交磁束数の最大値の√（３／２）倍、Ｐは微分演算子である。このうちＲ、Ｌ_d 、Ｌ_q およびΦは、既知のパラメータとして扱われる。なお、上記回路抵抗には、ブラシレスモータ１とＥＣＵ１０との間の配線抵抗やＥＣＵ１０内でのモータ駆動回路１３の抵抗および配線抵抗などが含まれる。この点は、他の実施形態でも同様である。

ｄｑ軸／３相変換部２３は、オープンループ制御部２２で求めたｄ軸指令電圧ｖ_d とｑ軸指令電圧ｖ_q を３相交流座標軸上の指令電圧に変換する。より詳細には、ｄｑ軸／３相変換部２３は、ｄ軸指令電圧ｖ_d とｑ軸指令電圧ｖ_q に基づき、次式（３）〜（５）を用いてｕ相指令電圧Ｖ_u 、ｖ相指令電圧Ｖ_v およびｗ相指令電圧Ｖ_w を求める。
Ｖ_u＝√（２／３）×｛ｖ_d×ｃｏｓθ−ｖ_q×ｓｉｎθ｝ …（３）
Ｖ_v＝√（２／３）×｛ｖ_d×ｃｏｓ（θ−２π／３）
−ｖ_q×ｓｉｎ（θ−２π／３）｝ …（４）
Ｖ_w＝−Ｖ_u−Ｖ_v …（５）
なお、式（３）と（４）に含まれる角度θは、角度算出部２５で求めたものである。

抵抗値算出部２７は、温度センサ１６で検出された電解コンデンサ１５の周囲温度Ｔ（以下、検出温度という）に基づき、電解コンデンサ１５の等価抵抗の値Ｒ_C （以下、等価抵抗値という）を求める。例えば、抵抗値算出部２７は、検出温度Ｔと等価抵抗値Ｒ_C の関係を記憶したテーブルを内蔵し、当該テーブルを参照することにより等価抵抗値Ｒ_C を求めてもよい。この場合、検出温度Ｔに対応した等価抵抗値Ｒ_C がテーブルに記憶されていないときには、抵抗値算出部２７は内挿補間を行う。あるいは、検出温度Ｔから等価抵抗値Ｒ_C を求めるための計算式が予め定められており、抵抗値算出部２７はこの計算式を用いて等価抵抗値Ｒ_C を求めてもよい。

３相電圧補正部２４は、ｄｑ軸／３相変換部２３で求めた３相の指令電圧Ｖ_u 、Ｖ_v 、Ｖ_w を補正して、補正後の指令電圧Ｖ_uc、Ｖ_vc、Ｖ_wcを求める。より詳細には、３相電圧補正部２４は、電流センサ１４で検出された電流値Ｉ_T と、抵抗値算出部２７で算出された等価抵抗値Ｒ_C とに基づき、モータ駆動回路１３への印加電圧低下分（実測値）を求める。ここで、検出された電流値Ｉ_T に代えて、推定電流値を用いてモータ駆動回路１３への印加電圧低下分を推定してもよい。モータ駆動回路１３への印加電圧については、この低下分を補正した指令電圧Ｖ_uc、Ｖ_vc、Ｖ_wcを算出する。例えば、Ｕ相指令電圧の低下分が０．１Ｖの場合、Ｖ_uc＝Ｖ_u ＋０．１Ｖとする。

このようにマイコン２０は、ｄｑ座標軸上の指令電流ｉ_d ^* 、ｉ_q ^* を求める処理と、モータの回路方程式に従いｄｑ座標軸上の指令電圧ｖ_d 、ｖ_q を求める処理と、求めた指令電圧ｖ_d 、ｖ_q を３相の指令電圧Ｖ_u 、Ｖ_v 、Ｖ_w に変換する処理と、３相の指令電圧Ｖ_u 、Ｖ_v 、Ｖ_w を補正して補正後の指令電圧Ｖ_uc、Ｖ_vc、Ｖ_wcを求める処理とを行う。３相の指令電圧Ｖ_u 、Ｖ_v 、Ｖ_w を補正するときには、温度センサ１６で検出された電解コンデンサ１５の周囲温度Ｔに基づき、電解コンデンサ１５の等価抵抗の温度変化を考慮した補正を行う。

３相／ＰＷＭ変調器１２は、マイコン２０で求めた補正後の指令電圧Ｖ_uc、Ｖ_vc、Ｖ_wcに基づき、３種類のＰＷＭ信号を出力する。例えば、モータ駆動回路１３への印加電圧の設定値が１２Ｖ、実測値が１１Ｖのときには、ＰＷＭ信号の幅は実測値が１２Ｖのときの１２／１１倍になる。ブラシレスモータ１の３相巻線には、各相の指令電圧に応じた正弦波状の電流が流れ、ブラシレスモータ１のロータは回転する。これに伴い、ブラシレスモータ１の回転軸には、ブラシレスモータ１を流れる電流に応じたトルクが発生する。発生したトルクは、操舵補助に用いられる。

以上に示すように、本実施形態に係るモータ制御装置は、モータの回路方程式に従いオープンループ制御によってモータの駆動電圧を求めるときに、モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮した補正を行う。また、モータの駆動電圧は、平滑用コンデンサの等価抵抗の値が周囲温度に応じて変動することを考慮して補正される。したがって、平滑用コンデンサの等価抵抗が温度によって変動するときでも、モータ制御を高い精度で行い、トルクリップルを抑制することができる。

また、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置によれば、平滑用コンデンサの等価抵抗の値が周囲温度によって変動するときでも、モータ制御を高い精度で行いトルクリップルを抑制できるので、スムーズな操舵補助が可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るモータ制御装置を示すブロック図である。図５に示すモータ制御装置は、第１の実施形態に係るモータ制御装置において、抵抗値算出部２７を含むマイコン２０を、温度積算部３１および抵抗値算出部３２を含むマイコン３０に置換したものである。本実施形態の構成要素のうち、第１の実施形態と同一の要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

温度積算部３１は、モータ制御を初めて行ったときから、温度センサ１６で検出された電解コンデンサ１５の周囲温度Ｔを積算し、温度積算値Ｔｓを出力する。抵抗値算出部３２は、温度積算値Ｔｓに基づき、電解コンデンサ１５の等価抵抗の値Ｒ_C を求める。例えば、抵抗値算出部３２は、温度積算値Ｔｓと等価抵抗値Ｒ_C の関係を記憶したテーブルを内蔵し、当該テーブルを参照することにより等価抵抗値Ｒ_C を求めてもよい。この場合、温度積算値Ｔｓに対応した等価抵抗値Ｒ_C がテーブルに記憶されていないときには、抵抗値算出部３２は内挿補間を行う。あるいは、温度積算値Ｔｓから等価抵抗値Ｒ_C を求めるための計算式が予め定められており、抵抗値算出部３２はこの計算式を用いて等価抵抗値Ｒ_C を求めてもよい。

以下、温度積算値Ｔｓに基づき、等価抵抗値Ｒ_C を求める方法の具体例を説明する。一般に、部品の経年劣化の主因が温度である場合、部品の寿命τは次式（６）を用いて推定される。なお、式（６）はアレニウスの式と呼ばれる。
τ＝Ａ・ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴ） …（６）
ただし、式（６）において、ＡおよびＥａは故障モードごとに固有の定数、Ｔは絶対温度、ｋはボルツマン定数である。

式（６）から、周囲温度が１０℃下がると寿命は２倍になるという１０℃２倍則が導かれる。図６は、アルミ電解コンデンサの寿命を１０℃２倍則を用いて推定した結果を示す図である。例えば、温度が１０５℃のときに２０００時間の寿命を持つアルミ電解コンデンサの寿命は、９５℃では４０００時間、８５℃では８０００時間、７５℃では１６０００時間、６５℃では３２０００時間と推定される。

例として、温度が２０℃のときに１００００時間の寿命を持ち、寿命が尽きるときに等価抵抗値が初期値の２倍になる電解コンデンサを考える。この電解コンデンサを２０℃で２００時間、５０℃で３００時間使用したときの等価抵抗値は、以下のようにして算出される。５０℃のときの寿命は、２０℃のときの寿命の１／８になる。このため、２０℃での２００時間に５０℃での３００時間を加算すると、２０℃での２６００時間に相当する（２００＋３００×８＝２６００）。したがって、等価抵抗値の初期値をＲ_CINIとしたとき、２０℃で２００時間、５０℃で３００時間使用した後の等価抵抗値Ｒ_C は、次式（７）で与えられる。
Ｒ_C＝Ｒ_CINI×（２６００／１００００＋１）＝１．２６×Ｒ_CINI …（７）

以上に示すように、本実施形態に係るモータ制御装置では、第１の実施形態と同様に、モータの回路方程式に従いオープンループ制御によってモータの駆動電圧を求めるときに、モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮した補正が行われる。また、モータの駆動電圧は、平滑用コンデンサは周囲温度に応じた速度で劣化し、平滑用コンデンサの等価抵抗の値は劣化によって大きくなることを考慮して補正される。したがって、平滑用コンデンサの劣化特性が温度によって変動するときでも、モータ制御を高い精度で行い、トルクリップルを抑制することができる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係るモータ制御装置を示すブロック図である。図７に示すモータ制御装置は、第１の実施形態に係るモータ制御装置において、モータ駆動回路１３の電源回路に対して開閉器６０を新たに設けるとともに、温度センサ１６を温度センサ１７に置換し、さらにマイコン２０を、温度推定部４１、温度上昇量算出部４２、および電流差分値演算部４３を含むマイコン４０に置換したものである。本実施形態の構成要素のうち、第１の実施形態と同一の要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

温度センサ１７は、装置の動作開始時点における電解コンデンサ１５の初期温度を検出または推定する初期温度検出・推定手段として機能する。この温度センサ１７は、雰囲気温度（例えば室温）Ｔｃを測定するセンサである。装置起動時において電解コンデンサ１５の温度は雰囲気温度Ｔｃに等しいと推定されるからである。もっともこの温度センサ１７に代えて、電解コンデンサ１５の近傍に設置される温度センサ１６を用いてもよいし、開閉器６０に温度検出機能が備えられている場合にはこれを用いてもよいし、ＥＣＵ１０内または車内の他の箇所の温度を検出する温度センサを用いてもよい。温度センサ１７で検出された温度Ｔｃは、マイコン４０に入力される。なお、室温がほぼ一定である場合など、装置の動作開始時点における電解コンデンサ１５の温度が予め定まっている場合には、上記温度センサ１７を省略することができる。

開閉器６０は、モータ駆動回路１３への電源電圧の供給および遮断を制御するものであって、典型的には故障発生時等の異常検出時に直流電源としてのバッテリ１００から過大な電流が流れるのを防止する電源開放手段として機能する。

またこの開閉器６０には電流検出機能が備えられている。一般的に電源開放手段として機能する開閉器は、バッテリ１００と繋がるＥＣＵ１０の端子近傍に配置されており、電解コンデンサに流れる電流を検出するものではない。しかし、本実施形態では電解コンデンサ１５に流れる電流を検出することができるように特徴的な回路配置がなされている。以下、この開閉器６０の構成について、図８を参照して説明する。なお、上記故障発生時等の異常検出を行う手法には周知の手法が採用されるものとし、ここではその説明を省略する。

図８に示されるように、開閉器６０は、バッテリ１００の正極とモータ駆動回路１３との間の部分に挿入されており、第１の電界効果トランジスタ素子（以下「第１ＦＥＴ」という）６１と第２の電界効果トランジスタ素子（以下「第２ＦＥＴ」という）６２とから構成されている。第１および第２ＦＥＴ６１，６２は、それらの寄生ダイオード６１ｄ，６２ｄが接続点Ｐｊで互いに逆向きとなるように直列接続されている。すなわち、バッテリ１００に対し第１ＦＥＴ６１の寄生ダイオード６１ｄが逆方向となり第２ＦＥＴ６２の寄生ダイオード６２ｄが順方向となるように、第１ＦＥＴと第２ＦＥＴとが互いに直列に接続されている。そして、第１および第２ＦＥＴ６１，６２のゲート端子には、図示されない開閉制御部によって生成される開閉制御信号Ｓｓｗが与えられ、図示されない故障検出部により異常検出が行われると、開閉制御部からの開閉制御信号ＳｓｗがＨレベルからＬレベルへと変化する。これにより、上記第１および第２ＦＥＴ６１，６２は共にオフ状態、すなわち開閉器６０が開成状態となる。その結果、バッテリ１００から過大な電流が流れるのが防止される。なお開閉器６０の構成はこれに限定されず、例えば、第１ＦＥＴ６１の寄生ダイオード６１ｄがバッテリ１００に対し順方向となり、第２ＦＥＴ６２の寄生ダイオード６２ｄがバッテリ１００に対し逆方向となるように、第１および第２ＦＥＴ６１，６２を接続してもよい。

第１および第２ＦＥＴ６１，６２にはそれぞれ電流検出機能が備えられており、第１ＦＥＴ６１（におけるソース・ドレイン間）に流れる電流量Ｉａおよび第２ＦＥＴ６２に流れる電流量Ｉｂを検出することができる。なお、ＦＥＴ素子に電流検出機能を与えるための構成は、例えば電流検出用の小さなＦＥＴを並列接続するなどの周知の構成が採用されるものとし、その詳しい説明は省略する。

このようにＦＥＴ素子に備えられる電流検出機能は周知であるが、一般的にこの電流検出機能は過電流を検出するために用いられる。しかし上述したように、本実施形態における第１および第２ＦＥＴ６１，６２は、それらの寄生ダイオード６１ｄ，６２ｄが電解コンデンサ１５に接続される接続点Ｐｊで互いに逆向きとなるように直列接続されている。このように接続することにより、新たに電流センサなどを設けることなく、電解コンデンサ１５に流れる電流量を検出することができる。

すなわち図８を参照すればわかるように、電解コンデンサ１５に流れる電流量Ｉｃは、電流則より第１ＦＥＴ６１を通って接続点Ｐｊに流れ込む電流量Ｉａに対する、第２ＦＥＴ６２を通って接続点Ｐｊから流れ出す電流量Ｉｂの差分値（の絶対値）である。図７に示す電流差分値演算部４３は、この差分値を求める。すなわち、第１および第２ＦＥＴ６１，６２から電流量Ｉａ，Ｉｂを受け取り、その差分値である電流量Ｉｃを算出する。

温度上昇量算出部４２は、電流差分値演算部４３から上記電流量Ｉｃを受け取り、所定の単位時間毎の温度上昇量ΔＴｕを算出する。この温度上昇量ΔＴｕは、電解コンデンサ１５の温度係数に相当する係数をｋとし、所定の単位時間をｔとするとき、次式（８）で与えられる。
ΔＴｕ＝Ｉｃ² ・ｋ・ｔ …（８）

もっとも正確に温度上昇量ΔＴｕを算出するためには、電解コンデンサ１５から自然対流や輻射、物質間熱伝導などにより失われる放熱エネルギーを、電解コンデンサ１５に電流が流れることによる発熱エネルギーから差し引く必要がある。この放熱エネルギーは、自然対流放熱や輻射による放熱、物質間熱伝導による放熱などについてそれぞれ算出式を定めることができる。これらの算出式は周知であるためここでは記載を省略するが、端的にはΔＴｕの関数として表すことができる。

以上のように、温度上昇量算出部４２は、受け取った電流量Ｉｃに対して式（８）を実現するフィルタ演算などを行うことにより、単位時間あたりの温度上昇量ΔＴｕを算出する。

温度推定部４１は、装置起動時に温度センサ１７から雰囲気温度Ｔｃを（典型的には１回だけ）受け取り、これを初期温度として、装置起動時から単位時間毎に受け取った温度上昇量ΔＴｕを積算した温度を上記初期温度に加算することにより推定温度Ｔａを算出する。このように温度推定部４１は、直接に測定することが困難な電解コンデンサ１５（内部）の温度推定手段として機能する。

なお、第１の実施形態における抵抗値算出部２７は、温度センサ１６により測定された電解コンデンサ１５の周囲温度と、電解コンデンサ１５内部の温度とをほぼ同一であるものとみなしているが、温度センサ１６と電解コンデンサ１５との熱伝導が理想状態でない限り、装置動作中にこれらの温度が同一に維持されることはない。したがって、電解コンデンサ１５を流れる電流に基づきその内部温度を推定する本実施形態の構成の方が、第１の実施形態の構成よりも複雑となる反面、より正確な温度を得ることができる。

このように算出された推定温度Ｔａは、抵抗値算出部２７に与えられ、抵抗値算出部２７は、第１の実施形態の場合（すなわち温度センサ１６で検出された電解コンデンサ１５の周囲温度Ｔを受け取る場合）と同様、推定温度Ｔａに基づき、電解コンデンサ１５の等価抵抗値Ｒ_C を求める。ここで所定のテーブルや算出式が用いられることについては前述したとおりである。

以上に示すように、本実施形態に係るモータ制御装置では、第１の実施形態と同様に、モータの回路方程式に従いオープンループ制御によってモータの駆動電圧を求めるときに、モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮した補正が行われる。

また、モータの駆動電圧は、平滑用コンデンサの等価抵抗の値が温度に応じて変動することを考慮して、平滑用コンデンサに流れる電流に基づき推定される平滑用コンデンサの推定温度に基づき補正される。したがって、平滑用コンデンサの等価抵抗が温度によって変動するときでも、正確な温度推定によりモータ制御を非常に高い精度で行い、トルクリップルを抑制することができる。

さらに、電流検出機能を有する２つのＦＥＴ素子をそれらの寄生ダイオードが平滑用コンデンサに接続される接続点で互いに逆向きとなるように直列接続した構成の開閉器が使用される。このことにより、新たな電流センサ等を設けることなく平滑用コンデンサに流れる電流を計測することができる。

さらにまた、本実施形態の構成を第２の実施形態の構成に適用することもできる。そうすれば、平滑用コンデンサの劣化特性が温度によって変動するときでも、正確な温度推定によりモータ制御を非常に高い精度で行い、トルクリップルを抑制することができる。

なお、本発明は、上述したコラムアシスト型の電動パワーステアリング装置だけでなく、ピニオンアシスト型やラックアシスト型の電動パワーステアリング装置にも適用できる。また、本発明は、電動パワーステアリング装置以外のモータ制御装置にも適用できる。

１３…モータ駆動回路、１５…電解コンデンサ、２０、３０、４０…マイコン、６０…開閉器、６１…第１ＦＥＴ、６２…第２ＦＥＴ、６１ｄ、６２ｄ…寄生ダイオード

Claims (5)

1. モータを駆動するモータ制御装置であって、
   前記モータに供給すべき電流の量を示す指令電流値と前記モータのロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従い、前記モータの駆動に用いられる指令電圧のレベルを求めるオープンループ制御手段と、
   前記モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサと、
   前記平滑用コンデンサの周囲温度を検出するための温度検出手段と、
   前記温度検出手段で検出された温度に基づき、前記平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮して、前記オープンループ制御手段で求めた指令電圧のレベルを補正する補正手段と、
   前記補正手段で補正されたレベルの電圧を用いて前記モータを駆動するモータ駆動手段とを備えた、モータ制御装置。
2. モータを駆動するモータ制御装置であって、
   前記モータに供給すべき電流の量を示す指令電流値と前記モータのロータの角速度とに基づき、モータの回路方程式に従い、前記モータの駆動に用いられる指令電圧のレベルを求めるオープンループ制御手段と、
   前記モータの電源に並列に接続された平滑用コンデンサと、
   前記平滑用コンデンサに流れる電流に基づき前記平滑用コンデンサの温度を推定するための温度推定手段と、
   前記温度推定手段で推定された温度に基づき、前記平滑用コンデンサの等価抵抗の温度変化を考慮して、前記オープンループ制御手段で求めた指令電圧のレベルを補正する補正手段と、
   前記補正手段で補正されたレベルの電圧を用いて前記モータを駆動するモータ駆動手段とを備えた、モータ制御装置。
3. 前記補正手段は、前記平滑用コンデンサの周囲温度または推定温度に基づき前記平滑用コンデンサの等価抵抗の値を求め、求めた抵抗値に基づき前記指令電圧のレベルを補正することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記補正手段は、前記平滑用コンデンサの周囲温度または推定温度を積算し、温度積算値に基づき前記平滑用コンデンサの等価抵抗の値を求め、求めた抵抗値に基づき前記指令電圧のレベルを補正することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置。
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備えた、電動パワーステアリング装置。

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