JP6410001B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、多相モータのコイル温度を推定する機能を有する電動パワーステアリング装置に関し、特に各相のコイル間の温度差で生じる各相間の伝熱現象及びコイルと制御基板間の伝熱現象を考慮してコイル温度を推定可能な電動パワーステアリング装置に関する。

車両の操舵系にモータの回転力で操舵補助力（アシストトルク）を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、モータの駆動力を、減速機構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操舵補助力として付与し、アシスト制御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、操舵補助指令値（電流指令値）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）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速機構を構成する減速ギア（ウォームギア）３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２にはトーションバーが介挿されており、トーションバーの捩れ角によりハンドル１の操舵角θを検出する舵角センサ１４、操舵トルクＴｈを検出するトルクセンサ１０が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト制御指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。

なお、舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、また、モータ２０に連結されたレゾルバ等の回転角センサから操舵角を取得することも可能である。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）４０が接続されており、車速ＶｅｌはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵ等も含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図２のようになる。

図２を参照してコントロールユニット３０を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ４０からの）車速Ｖｅｌは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流Ｉｍとの偏差Ｉ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差Ｉが操舵動作の特性改善のためのＰＩ（比例積分）制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更にインバータ３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０のモータ電流Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。インバータ３７は、半導体スイッチング素子としてのＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

モータ２０にはレゾルバ等の回転角センサ２１が連結されており、回転角センサ２１から回転角θが検出されて出力される。

また、加算部３２Ａには補償信号生成部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４３と慣性３４２を加算部３４４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４１を加算部３４５で加算し、加算部３４５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

モータ２０が３相ブラシレスモータの場合、ＰＷＭ制御部３６及びインバータ３７の詳細は例えば図３に示すような構成となっており、ＰＷＭ制御部３６は、電圧制御指令値Ｖｒｅｆを所定式に従って３相分のＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６を演算するデューティ演算部３６Ａと、ＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６で駆動素子としてのＦＥＴのゲートを駆動すると共に、デッドタイムの補償をしてＯＮ／ＯＦＦするゲート駆動部３６Ｂとで構成されている。インバータ３７は半導体スイッチング素子としてのＦＥＴの３相ブリッジ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）で構成されており、ＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６でＯＮ／ＯＦＦされることによってモータ２０を駆動する。また、インバータ３７とモータ２０との間の電力供給線には、電力供給を行い（ＯＮ）又は遮断（ＯＦＦ）するためのモータリレー３９が各相に接続されている。

このような電動パワーステアリング装置では、操舵状況によってモータに大きな電流が流れることがあり（例えば、据え切り状態でハンドルの端当てロック状態が長時間保持された場合等）、モータ内のコイルは、例えば１８０℃以上の高温になると、コイルの破損等の問題が発生する。よって、車両の安全面からコイルの過熱への対策を講じる必要があり、そのためにはコイルの温度（コイル温度）を推定又は測定する必要がある。しかし、コイル温度を直接測定するのは難しいので、コイル温度を推定する方法が提案されている。

例えば、特許第５２１１６１８号公報（特許文献１）では、多相コイル間の伝熱現象及びモータ回転速度の関係と、放熱係数及びモータ回転速度の関係とを考慮して温度推定モデルを構築し、コイル温度を推定している。具体的には、モータ回転速度の変化により、多相モータの任意相コイルと外気環境、任意相と他相の間の伝熱係数を同定し、基板温度や各相電流（又は電流指令値）を用いてモータの各相コイル又はマグネットの温度を推定している。また、特許第４４８３２９８号公報（特許文献２）では、モータの発熱はモータコイルに通電する電流の２乗値の積算値に比例するということと、モータコイルの放熱（冷却）の影響を受けるモータコイルの温度変化は実用上の適用温度範囲（−４０〜１８０℃）において一次遅れ関数の関係にあることを利用して、モータコイルの温度を推定している。具体的には、モータコイルに通電する電流値を自乗積算して平均化した後に、１次遅れ関数を２度通過させることにより、モータコイルの温度推定を行っている。

特許第５２１１６１８号公報 特許第４４８３２９８号公報

しかしながら、特許文献１では、各相コイル間の熱伝達を考慮し、入力データとしてＥＣＵの温度を使用しているが、各相コイルとＥＣＵ間の熱伝熱は考慮していないので、ＥＣＵからの影響で推定温度に誤差が生じる可能性がある。特許文献２は、ＥＣＵからの影響については特に考慮していないので、特許文献１の装置以上にＥＣＵからの影響で推定温度に誤差が生じる可能性がある。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、多相コイルの各相間の伝熱現象に加えて、制御基板とコイル間の伝熱現象も考慮して、より精度の高いコイル温度の推定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にある。

本発明は、多相モータを制御する制御基板を備え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、前記制御基板の基板温度を検出する温度センサと、前記多相モータの各相のモータ電流及び前記基板温度により、前記各相のコイル間の温度差で生じる前記各相間の伝熱現象及び前記コイルと前記制御基板間の伝熱現象に基づいて、前記各相のコイル温度を推定するコイル温度推定部とを備えることにより達成される。

本発明の上記目的は、前記伝熱現象は周波数特性で表わされることにより、或いは、前記コイル温度推定部は、前記モータ電流から前記各相のコイル発熱量を求めるコイル発熱量演算部と、前記モータ電流から前記制御基板の基板発熱量を求める基板発熱量演算部と、前記コイル発熱量、前記基板発熱量及び前記基板温度により、前記周波数特性に基づいて前記コイル温度を求めるコイル温度演算部とを具備することにより、或いは、前記コイル発熱量演算部は、前記コイル発熱量を求めるために用いる前記各相のコイル抵抗を、対応する相の前記コイル温度に応じて変更し、前記基板発熱量演算部は、前記基板発熱量を求めるために用いる基板抵抗を、前記基板温度に応じて変更することにより、或いは、前記周波数特性は、前記コイル発熱量又は前記基板発熱量から前記コイル温度又は前記基板温度への周波数特性である発熱量周波数特性及び外気温から前記コイル温度又は前記基板温度への周波数特性である外気温周波数特性を含むことにより、或いは、前記コイル温度演算部は、前記発熱量周波数特性及び前記外気温周波数特性を伝達関数として、前記コイル発熱量、前記基板発熱量及び前記基板温度の線形結合により、前記コイル温度を求めることにより、或いは、前記伝熱現象は微分方程式で表わされることにより、或いは、前記コイル温度推定部は、前記モータ電流から前記各相のコイル発熱量を求めるコイル発熱量演算部と、前記モータ電流から前記制御基板の基板発熱量を求める基板発熱量演算部と、前記コイル発熱量、前記基板発熱量及び前記基板温度により、前記微分方程式に基づいて前記コイル温度を求めるコイル温度演算部とを具備することにより、或いは、前記コイル発熱量演算部は、前記コイル発熱量を求めるために用いる前記各相のコイル抵抗を、対応する相の前記コイル温度に応じて変更し、前記基板発熱量演算部は、前記基板発熱量を求めるために用いる基板抵抗を、前記基板温度に応じて変更することにより、或いは、前記微分方程式は、前記コイル温度と前記基板温度との差分情報を含むことにより、より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、各相のコイル間の温度差で生じる各相間の伝熱現象に加え、コイルと制御基板間の伝熱現象を考慮した関係式を用いて各相のコイル温度を推定しているので、より精度の高い温度推定を行うことができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット（ＥＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 電動パワーステアリング装置のモータ制御部の構成例を示す線図である。 本発明の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 中心軸を含む仮想平面でモータの構成を切って模式的に示す断面図である。 パワー回路基板の底面図である。 コイル温度演算部の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 コイル温度推定の動作例（第１実施形態）を示すフローチャートである。 コイル温度演算部の構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。 本発明の構成例（第３実施形態）を示すブロック図である。 コイル温度演算部の構成例（第３実施形態）を示すブロック図である。 コイル温度推定の動作例（第３実施形態）を示すフローチャートである。

本発明では、多相モータでの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルの温度（コイル温度）の推定を、各相間の伝熱現象（熱伝導、熱輻射、熱対流等）と、各コイルとコントロールユニット（ＥＣＵ）の基板（制御基板）間の伝熱現象に基づいて行っている。多相モータでは、各相のコイルに通電される電流（モータ電流）のバラツキ等により、各コイルでの発熱量に違いが生じ、それにより各コイル間で温度差が生じる。この温度差によって各相間並びに各コイル及び外気環境の間に伝熱現象が発生するが、制御基板と各コイルの間にも温度差が生じており、通常、制御基板とモータは近接しているので、制御基板と各コイル及び外気環境との間にも伝熱現象が発生する。本発明では、この伝熱現象を、例えば周波数特性で表わし、発熱量とコイル温度との関係を数式化し、発熱量はモータ電流から求めることにより、或いは、伝熱現象を微分方程式で表わし、微分方程式にコイル温度と制御基板の温度（基板温度）との差分情報を含ませることにより、モータ電流及び基板温度を用いてコイル温度を推定する。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図４は本発明の実施形態の構成例（第１実施形態）を図２に対応させて示しており、同一構成には同一符号を付して説明は省略する。

本実施形態の電動パワーステアリング装置は３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のブラシレスモータの駆動制御を行い、コイル温度推定の対象となるのは、図５での丸で示された部分のコイルである。図５は、中心軸Ｚｒを含む仮想平面でモータ２０の構成を切って模式的に示した断面図である。モータ２０は、回転角センサ（レゾルバ）２１、ハウジング２２、軸受２３及び２４、ロータ５０並びにステータ６０を備えている。レゾルバ２１は、レゾルバロータ２１ａ及びレゾルバステータ２１ｂを備え、端子台２５によって支持される。ハウジング２２は、筒状ハウジング２２ａ及びフロントブラケット２２ｂを含み、筒状ハウジング２２ａには、フロントブラケット２２ｂとは反対側の端部に、この端部を閉塞するように底部２２ｃが形成される。軸受２３は、筒状ハウジング２２ａの内側に配置されたロータ５０の一部であるシャフト５１の一端を回転可能に支持し、軸受２４は、シャフト５１の他端を回転可能に支持し、これにより、シャフト５１は中心軸Ｚｒを中心に回転する。ロータ５０は、シャフト５１、ロータヨーク５２及びマグネット５３を含む。ステータ６０は、筒状のステータコア６１及びコイル（励磁コイル）６３を含み、ステータコア６１に励磁コイル６３が巻きつけられる。ステータコア６１は複数の分割コア６２を含み、分割コア６２のティース（図示せず）の外周にインシュレータ（励磁コイル６３と分割コア６２とを絶縁するための部材）６４を介して励磁コイル６３が集中巻きされる。そして、上述のように、励磁コイル６３中の丸で示された部分のコイルの温度が推定される。

図４において、温度センサ２００は制御基板の温度を検出し、基板温度Ｔ_Ｅとして出力する。温度センサ２００として、例えばサーミスタを使用する。ＥＣＵ３０は、互いに所定の間隔を保って平行に配設されるパワー回路基板及び制御回路基板を制御基板として備えている。図６は、パワー回路基板３０Ａの底面側を示しており、温度センサ（サーミスタ）２００は、パワー回路基板３０Ａの上面側に実装されるＦＥＴの３相ブリッジ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）の温度を基板温度Ｔ_Ｅとして検出する。パワー回路基板３０Ａの底面側には、リレー回路７１、ノイズ対策用のコイル７２並びに電源平滑用の電解コンデンサ７３ａ及び７３ｂが配設されており、さらに、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６の下面に対向する位置にそれぞれパワー回路基板３０Ａを貫通するスルーホール７４が形成され、これらスルーホール７４に熱伝導部材としての円板状の銅コイン７５がそれぞれ圧入されている。サーミスタ２００は絶縁性の熱伝導グリース（図示せず）を介してＦＥＴ１〜ＦＥＴ６に接触する銅コイン７５の下面に連結されるので、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６との間の熱抵抗を小さくして、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６の発熱温度を低熱抵抗でサーミスタ２００に伝熱することができ、複数のＦＥＴ１〜ＦＥＴ６からサーミスタ２００までの熱抵抗のバラツキが小さくなり、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６の温度を正確に測定することができる。

図２において、モータ電流検出器３８はモータ２０のモータ電流Ｉｍを検出しているが、本実施形態でのモータ２０は３相モータであるから、検出されるのは各相のモータ電流であるＵ相モータ電流ｉ_ｕ、Ｖ相モータ電流ｉ_ｖ及びＷ相モータ電流ｉ_ｗであり、これら３相のモータ電流がモータ電流Ｉｍとしてフィードバックされる。また、Ｕ相モータ電流ｉ_ｕ、Ｖ相モータ電流ｉ_ｖ及びＷ相モータ電流ｉ_ｗは基板発熱量演算部３４０に入力されると共に、それぞれコイル発熱量演算部３１０、３２０及び３３０に入力される。

コイル発熱量演算部３１０、３２０及び３３０は、各相のコイルの発熱量（コイル発熱量）Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗをそれぞれ算出する。発熱量は抵抗に発生する電力の式から求めることができるが、各相のコイルの抵抗（コイル抵抗）は各相のコイル温度に依存して変化する。よって、コイル抵抗をコイル温度の関数として扱い、下記数１〜数３よりコイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗを算出する。

ここで、Ｒ_Ｕ（Ｔ_Ｕ）、Ｒ_Ｖ（Ｔ_Ｖ）及びＲ_Ｗ（Ｔ_Ｗ）はそれぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相のコイル抵抗で、Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_ＷはそれぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相のコイル温度である。また、モータ電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ及びｉ_ｗは時間ｔの関数として表現している。

さらに、コイル温度がＴのときのコイル抵抗Ｒ_Ｕ（Ｔ）、Ｒ_Ｖ（Ｔ）及びＲ_Ｗ（Ｔ）は、基準温度Ｔ_ｂでのコイル抵抗をそれぞれＲ_Ｕ０、Ｒ_Ｖ０、Ｒ_Ｗ０とすると、下記数４〜数６より算出することができる。

ここで、α_Ｕ、α_Ｖ及びα_ＷはそれぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相の温度係数であり、例えばコイルが銅の場合、４．４×１０^−３［１／℃］となるが、実験等により微調整しても良い。

数１〜数３に数４〜数６をそれぞれ代入すると、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗは下記数７〜数９より算出することができる。

コイル発熱量演算部３１０、３２０及び３３０は、それぞれ上記数７から数９を用いて、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗを算出する。

基板発熱量演算部３４０も抵抗に発生する電力の式から制御基板の発熱量（基板発熱量）Ｑ_Ｅを算出するが、算出に必要な電流の大きさはモータ電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ及びｉ_ｗより求める。制御基板の発熱等価抵抗（基板抵抗）は、コイル抵抗と同様に温度（制御基板の場合は基板温度Ｔ_Ｅ）に依存して変化する。また、イグニションがオンの状態においては、コイルに通電していなくても、制御基板には半導体スイッチング素子の微弱な発熱、マイコンやその他の半導体の動作による発熱等、待機電力相当の発熱があるので、発熱量算出ではその分を加味する必要がある。以上より、制御基板の発熱量Ｑ_Ｅは下記数１０より算出される。

ここで、Ｒ_Ｅ（Ｔ_Ｅ）は基板抵抗であり、Ｑ_Ｅ０は待機電力相当の発熱量である。そして、基準温度Ｔ_ｂでの基板抵抗をＲ_Ｅ０、制御基板の温度係数をα_Ｅとすると、基板温度がＴのときの基板抵抗Ｒ_Ｅ（Ｔ）は下記数１１より算出される。

よって、数１０に数１１を代入すると、基板発熱量Ｑ_Ｅは下記数１２より算出することができる。

なお、待機電力相当の発熱量の影響がない場合や、待機電力相当の発熱量が無視できる程度の微量の場合等では、上記数１０及び数１２において、Ｑ_Ｅ０を削除しても良い。

基板発熱量演算部３４０は、上記数１２を用いて、基板発熱量Ｑ_Ｅを算出する。

コイル温度演算部３５０は、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、基板発熱量Ｑ_Ｅ並びに基板温度Ｔ_Ｅから各相のコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗを算出する。それらを算出するための式の導出について説明する。

コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、基板発熱量Ｑ_Ｅ並びに外気温Ｔ_０から、各相のコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗ並びに基板温度Ｔ_Ｅへの伝達関数は下記数１３〜数１６で表わすことができる。

ここで、Ｇ_ＸＹ（ｓ）は発熱量Ｑ_ＸからＹ相のコイル温度Ｔ_Ｙへの周波数特性（発熱量周波数特性）であり（Ｘ及びＹはＵ、Ｖ、Ｗ、Ｅのいずれかである）、Ｇ_０Ｘは外気温Ｔ_０からＸ相のコイル温度Ｔ_Ｘへの周波数特性（外気温周波数特性）であり（ＸはＵ、Ｖ、Ｗ、Ｅのいずれかである）、説明の簡素化のために、制御基板をＥ相としている。ｓはラプラス演算子である。発熱量及び外気温と各相の温度（コイル温度、基板温度）の関係が近似的に線形結合とした場合、上記の周波数特性は所定の値をもつ伝達関数として定義される。

上記数１６をＴ_０について解き、それを上記数１３〜数１５に代入し、整理すると、下記数１７〜数１９が得られる（簡略化して見易くするために、以下では（ｓ）を省略する）。

ここで、Ｇ_ＴＢ＝Ｇ_０Ｂ／Ｇ_０Ｅ、Ｇ_ＡＢ’＝Ｇ_ＡＢ−Ｇ_ＴＢＧ_ＡＥ、Ｇ_ＥＢ’＝Ｇ_ＥＢ−Ｇ_ＴＢＧ_ＥＥである（Ａ及びＢはＵ、Ｖ、Ｗのいずれかである）。

上記数１７〜数１９をブロック図で表わすと、図７のようになり、コイル温度演算部３５０は、図７に示される構成により、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、基板発熱量Ｑ_Ｅ並びに基板温度Ｔ_Ｅからコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗを算出する。即ち、コイル温度演算部３５０は、入力するコイル発熱量Ｑ_Ｕに対して演算部４０１、４０５及び４０２において数１７〜数１９中の乗算を行い、コイル発熱量Ｑ_Ｖに対して演算部４０６、４０４及び４０３において数１７〜数１９中の乗算を行い、コイル発熱量Ｑ_Ｗに対して演算部４０８、４０７及び４０９において数１７〜数１９中の乗算を行い、基板発熱量Ｑ_Ｅに対して演算部４１０、４１２及び４１４において数１７〜数１９中の乗算を行い、基板温度Ｔ_Ｅに対して演算部４１１、４１３及び４１５において数１７〜数１９中の乗算を行う。そして、それらの結果に対して、数１７中の加算を加算部４２０、４２１、４２６及び４２９で行い、数１８中の加算を加算部４２３、４２４、４２５及び４３０で行い、数１９中の加算を加算部４２２、４２７、４２８及び４３１で行う。加算部４２１、４２４及び４２８からの出力がそれぞれコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗとなる。

コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗは異常処理部２１０に入力されると共に、コイル発熱量演算部３１０、３２０及び３３０での次回の発熱量演算に使用するために、それぞれメモリ３６０、３７０及び３８０に保持される。

異常処理部２１０は、例えば特許第４３５６２９５号公報に記載されている異常判定部２５及びモータ電流制限部２３の処理を実行する。即ち、異常判定部２５での処理のように、コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗが予め設定されているモータ２０の許容限界温度を超えているか判定し、超えている場合はモータ２０が過熱状態にあると判定する。そして、過熱状態と判定したら、モータ電流制限部２３での処理のように、電流指令値を時間経過と共に徐々に減少させ、モータ電流を時間経過と共に徐々に減少させるか、或いは電流指令値をゼロとしてモータ電流を遮断する。更に、同公報に記載されている温度検出回路３１及び温度検出部２６を搭載し、温度検出回路３１の異常を判定するようにしても良い。

なお、コイル温度推定部は、上記のコイル発熱量演算部３１０、３２０及び３３０、基板発熱量演算部３４０並びにコイル温度演算部３５０により構成される。

このような構成において、コイル温度推定の動作例を、図８のフローチャートを参照して説明する。

モータ電流検出器３８で検出されたＵ相モータ電流ｉ_ｕ、Ｖ相モータ電流ｉ_ｖ及びＷ相モータ電流ｉ_ｗはそれぞれコイル発熱量演算部３１０、３２０及び３３０に入力されると共に、基板発熱量演算部３４０に入力される（ステップＳ１０）。また、温度センサ２００は制御基板の温度を検出し（ステップＳ２０）、基板温度Ｔ_Ｅを基板発熱量演算部３４０及びコイル温度演算部３５０に出力する。なお、モータ電流検出と基板温度検出の順番は逆でも並行して実行しても良い。

コイル発熱量演算部３１０は、Ｕ相モータ電流ｉ_ｕ及びメモリ３６０に保持されている前回推定されたコイル温度Ｔ_Ｕ’を用いて、数７よりＵ相のコイル発熱量Ｑ_Ｕを算出する。同様に、コイル発熱量演算部３２０は、Ｖ相モータ電流ｉ_ｖ及びメモリ３７０に保持されているコイル温度Ｔ_Ｖ’を用いて、数８よりＶ相のコイル発熱量Ｑ_Ｖを算出し、コイル発熱量演算部３３０は、Ｗ相モータ電流ｉ_ｗ及びメモリ３８０に保持されているコイル温度Ｔ_Ｗ’を用いて、数９よりＷ相のコイル発熱量Ｑ_Ｗを算出する（ステップＳ３０）。なお、基準温度Ｔ_ｂ、基準温度Ｔ_ｂでのコイル抵抗Ｒ_Ｕ０、Ｒ_Ｖ０及びＲ_Ｗ０並びに温度係数α_Ｕ、α_Ｖ及びα_Ｗは、予め設定されている。

基板発熱量演算部３４０は、入力したモータ電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖ及びｉ_ｗ並びに基板温度Ｔ_Ｅを用いて、数１２より基板発熱量Ｑ_Ｅを算出する（ステップＳ４０）。基準温度Ｔ_ｂ、基準温度Ｔ_ｂでの基板抵抗Ｒ_Ｅ０、温度係数α_Ｅ及び発熱量Ｑ_Ｅ０は、予め設定されている。

コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ並びに基板発熱量Ｑ_Ｅは、基板温度Ｔ_Ｅと共にコイル温度演算部３５０に入力される。コイル温度演算部３５は、数１７〜数１９に基づいて、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、基板発熱量Ｑ_Ｅ並びに基板温度Ｔ_Ｅより、コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗを算出する（ステップＳ５０）。コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗは異常処理部２１０に入力されると共に、メモリ３６０、３７０及び３８０にそれぞれ保持される（ステップＳ６０）。

なお、コイル発熱量演算部３１０、３２０及び３３０を１つに纏めて、数７、数８及び数９よりコイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗを算出するようにしても良い。また、メモリ３６０、３７０及び３８０も１つに纏めても良く、共用メモリを使用しても良い。

本発明の第２実施形態について説明する。

第２実施形態の全体構成は第１実施形態と同様であるが、コイル温度演算部の構成が異なる。

第１実施形態のコイル温度演算部３５０での演算の基となる数１７〜数１９に対して、各相の対称性から下記数２０のようにおくことができる。

上記数２０を数１７〜数１９に代入し、整理すると、下記数２１〜数２３が得られる。

上記数２１〜数２３をブロック図で表わすと、図９のようになり、第２実施形態のコイル温度演算部は、図９に示される構成により、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、基板発熱量Ｑ_Ｅ並びに基板温度Ｔ_Ｅからコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗを算出する。即ち、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_ＷへのＧ_Ｌの乗算をそれぞれ演算部４５１、４５３及び４５６で行い、数２１〜数２３中の括弧内の加算をそれぞれ加算部４６２、４６０及び４６１で行い、それら加算結果へのＧ_Ｍの乗算をそれぞれ演算部４５４、４５５及び４５２で行う。また、数２１〜数２３に共通な第３項の乗算及び第４項の乗算をそれぞれ演算部４５７及び４５８で行い、それらの加算を加算部４６６で行う。そして、以上の結果に対して、数２１の加算を加算部４６３及び４６７で行い、数２２の加算を加算部４６４及び４６８で行い、数２３の加算を加算部４６５及び４６９で行う。加算部４６７、４６８及び４６９からの出力がそれぞれコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗとなる。

第２実施形態でのコイル温度推定の動作は、第１実施形態での動作と比べると、上述のコイル温度演算部の動作が異なるだけで、その他の動作は同じである。

上述の実施形態（第１実施形態、第２実施形態）では、コイル温度演算部は図７又は図９に示される構成で演算を行っているが、ＣＰＵ内部においてプログラムで実行しても良い。

本発明の第３実施形態について説明する。

第３実施形態の構成例を図１０に示す。図４に示される第１実施形態の構成例と比べると、コイル温度演算部３５０がコイル温度演算部５５０に置き換わっており、コイル温度演算部５５０には、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、基板発熱量Ｑ_Ｅ並びに基板温度Ｔ_Ｅの他に、メモリ３６０、３７０及び３８０に保持されているコイル温度Ｔ_Ｕ’、Ｔ_Ｖ’及びＴ_Ｗ’が入力されている。なお、コイル温度推定部は、コイル発熱量演算部３１０、３２０及び３３０、基板発熱量演算部３４０並びにコイル温度演算部５５０により構成される。

コイル温度演算部５５０は、熱伝導の微分方程式を基にして、各相のコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗを算出する。

Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のコイルの熱伝導の微分方程式は、それぞれ下記数２４、数２５及び数２６となる。

ここで、Ｃ_Ｌはコイルの熱容量、Ｋ_Ｌはコイルの放熱係数、Ｋ_ＬＬはコイル間の伝熱係数、Ｋ_ＬＥはコイルと制御基板間の伝熱係数である。上記数２４〜数２６での右辺第５項の差分情報が各相と制御基板間の熱伝導を表わしている。

制御基板の熱伝導の微分方程式は、下記数２７となる。

ここで、Ｃ_Ｅは制御基板の熱容量、Ｋ_Ｅは制御基板の放熱係数である。上記数２７での右辺第３項から第５項の差分情報が各相と制御基板間の熱伝導を表わしている。

上記数２４〜数２７を整理し、更に下記数２８のように置くと、下記数２９〜数３２が得られる。

上記数３２を変形し、外気温Ｔ_０について解くと、下記数３３になる。

よって、基板温度Ｔ_Ｅ、コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗ並びに基板発熱量Ｑ_Ｅより、数３３を用いて外気温Ｔ_０を求め、その外気温Ｔ_０と、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗ並びに基板温度Ｔ_Ｅより、数２９〜数３１を用いてコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗの微分値を求め、それらを積分することにより新たなコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗを求めることができる。

コイル温度演算部５５０は、上記数２９〜数３１及び数３３に基づいて、各相のコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗを算出する。コイル温度演算部５５０の構成例を図１１に示す。コイル温度演算部５５０は、微分方程式演算部５５１、外気温演算部５５２、積分部５５３、５５４及び５５５、メモリ５５６並びに加算部５５７及び５５８を備える。微分方程式演算部５５１は、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、基板温度Ｔ_Ｅ、前回推定されたコイル温度Ｔ_Ｕ’、Ｔ_Ｖ’及びＴ_Ｗ’並びに外気温演算部５５２で算出される外気温Ｔ_０より、数２９〜数３１を用いて、コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗの微分値ＤＴ_Ｕ、ＤＴ_Ｖ及びＤＴ_Ｗを算出する。数２９〜数３１中のＣ_Ｌ、τ、τ_ＬＬ、τ_ＬＥ及びτ_Ｌは予め設定されている。微分値ＤＴ_Ｕ、ＤＴ_Ｖ及びＤＴ_Ｗは、それぞれ積分部５５３、５５４及び５５５にて積分され、コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗが算出される。積分部５５３、５５４及び５５５での積分は、例えば各コイル温度の初期値に微分値をそれぞれ累算していくことにより行われる。コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗは出力されると共に、加算部５５７及び５５８で加算され、加算結果はメモリ５５６に保持される。外気温演算部５５２は、メモリ５５６に保持された加算結果（Ｔ_Ｕ＋Ｔ_Ｖ＋Ｔ_Ｗ）と共に、基板発熱量Ｑ_Ｅ及び基板温度Ｔ_Ｅを入力し、数３３を用いて、外気温Ｔ_０を算出する。数３３中のＣ_Ｅ、τ’、τ_ＬＥ’及びτ_Ｅ’は予め設定されている。

コイル温度演算部５５０で算出されるコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗは異常処理部２１０に入力されると共に、次回のコイル発熱量演算及びコイル温度演算に使用するために、それぞれメモリ３６０、３７０及び３８０に保持される。

第３実施形態でのコイル温度推定の動作例を、図１２のフローチャートを参照して説明する。

基板発熱量Ｑ_Ｅを算出するまでは、第１実施形態と同様の動作である（ステップＳ１０〜Ｓ４０）。

コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ並びに基板発熱量Ｑ_Ｅはコイル温度演算部５５０に入力される。

コイル温度演算部５５０内の外気温演算部５５２は、基板発熱量Ｑ_Ｅ及び基板温度Ｔ_Ｅと共に、メモリ５５６に保持されている加算結果（Ｔ_Ｕ＋Ｔ_Ｖ＋Ｔ_Ｗ）を入力し、数３３より外気温Ｔ_０を算出し（ステップＳ４１）、微分方程式演算部５５１に出力する。微分方程式演算部５５１は、コイル発熱量Ｑ_Ｕ、Ｑ_Ｖ及びＱ_Ｗ、基板温度Ｔ_Ｅ、外気温Ｔ_０並びにメモリ３６０、３７０及び３８０にそれぞれ保持されているコイル温度Ｔ_Ｕ’、Ｔ_Ｖ’及びＴ_Ｗ’を用いて、数２９〜数３１よりコイル温度の微分値ＤＴ_Ｕ、ＤＴ_Ｖ及びＤＴ_Ｗを算出する（ステップＳ４２）。積分部５５３、５５４及び５５５はそれぞれ微分値ＤＴ_Ｕ、ＤＴ_Ｖ及びＤＴ_Ｗを入力し、積分して、コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗを算出する（ステップＳ４３）。コイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗは出力されると共に、加算部５５７及び５５８で加算され、加算結果（Ｔ_Ｕ＋Ｔ_Ｖ＋Ｔ_Ｗ）は、次回の外気温演算のために、メモリ５５６に保持される（ステップＳ４４）。

コイル温度演算部５５０から出力されたコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗは異常処理部２１０に入力されると共に、メモリ３６０、３７０及び３８０にそれぞれ保持される（ステップＳ６０）。

なお、コイル温度演算部５５０はコイル温度Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ及びＴ_Ｗの加算結果をメモリ５５６に保持しているが、外気温演算部５５２が外気温Ｔ_０を算出する際に、メモリ３６０、３７０及び３８０にそれぞれ保持されているコイル温度Ｔ_Ｕ’、Ｔ_Ｖ’及びＴ_Ｗ’を加算した結果を使用するようにしても良い。また、コイル温度演算部５５０は、微分方程式を基にしてコイル温度を算出しているが、一般的に用いられ、ＥＣＵに実装可能な差分方程式に変換してから算出することも可能である。或いは、伝達関数に変換してから算出することも可能である。

上述の実施形態（第１〜第３実施形態）は３相モータを対象としているが、３相以外の相数のモータに対しても適用可能である。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１３ バッテリ
２０ モータ
２１ 回転角センサ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３５ ＰＩ制御部
３６ ＰＷＭ制御部
３７ インバータ
３８ モータ電流検出器
２００ 温度センサ
２１０ 異常処理部
３１０、３２０、３３０ コイル発熱量演算部
３４０ 基板発熱量演算部
３５０、５５０ コイル温度演算部
５５１ 微分方程式演算部
５５２ 外気温演算部

Claims (10)

1. 多相モータを制御する制御基板を備える電動パワーステアリング装置において、
   前記制御基板の基板温度を検出する温度センサと、
   前記多相モータの各相のモータ電流及び前記基板温度により、前記各相のコイル間の温度差で生じる前記各相間の伝熱現象及び前記コイルと前記制御基板間の伝熱現象に基づいて、前記各相のコイル温度を推定するコイル温度推定部とを備え、
   前記コイル温度推定部は、少なくとも、前記モータ電流及び前記基板温度より求められる前記制御基板の基板発熱量を用いて、前記コイル温度を推定することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記伝熱現象は周波数特性で表わされる請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記コイル温度推定部は、
   前記モータ電流から前記各相のコイル発熱量を求めるコイル発熱量演算部と、
   前記基板発熱量を求める基板発熱量演算部と、
   前記コイル発熱量、前記基板発熱量及び前記基板温度により、前記周波数特性に基づいて前記コイル温度を求めるコイル温度演算部とを具備する請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記コイル発熱量演算部は、
   前記コイル発熱量を求めるために用いる前記各相のコイル抵抗を、対応する相の前記コイル温度に応じて変更し、
   前記基板発熱量演算部は、
   前記基板発熱量を求めるために用いる基板抵抗を、前記基板温度に応じて変更する請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記周波数特性は、前記コイル発熱量又は前記基板発熱量から前記コイル温度又は前記基板温度への周波数特性である発熱量周波数特性及び外気温から前記コイル温度又は前記基板温度への周波数特性である外気温周波数特性を含む請求項３又は４に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記コイル温度演算部は、
   前記発熱量周波数特性及び前記外気温周波数特性を伝達関数として、前記コイル発熱量、前記基板発熱量及び前記基板温度の線形結合により、前記コイル温度を求める請求項５に記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記伝熱現象は微分方程式で表わされる請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
8. 前記コイル温度推定部は、
   前記モータ電流から前記各相のコイル発熱量を求めるコイル発熱量演算部と、
   前記基板発熱量を求める基板発熱量演算部と、
   前記コイル発熱量、前記基板発熱量及び前記基板温度により、前記微分方程式に基づいて前記コイル温度を求めるコイル温度演算部とを具備する請求項７に記載の電動パワーステアリング装置。
9. 前記コイル発熱量演算部は、
   前記コイル発熱量を求めるために用いる前記各相のコイル抵抗を、対応する相の前記コイル温度に応じて変更し、
   前記基板発熱量演算部は、
   前記基板発熱量を求めるために用いる基板抵抗を、前記基板温度に応じて変更する請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。
10. 前記微分方程式は、前記コイル温度と前記基板温度との差分情報を含む請求項７乃至９のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

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