JPWO2017158681A1 - 電動モータ制御システム及びそれを備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

電動モータ制御システム及びそれを備えた電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Abstract

異常発生時であっても、操舵性能の確保のために、電動モータのトルクを増加させることができる電動モータ制御システム及び電動パワーステアリング装置を提供する。制御装置(4)は、各組の巻線への供給電流を制御する2組の制御系統を備え、一方の組の巻線及び制御系統に異常が発生した場合に、異常発生組の全部又は一部の相の巻線への供給電流を0にすると共に、正常組の巻線への供給電流を、永久磁石の不可逆減磁率が正常時よりも増加する不可逆電流まで増加させる電動モータ制御システム。

Description

本発明は、複数相の巻線を2組設けたステータと永久磁石を設けたロータとを備え、車両の操舵機構を駆動する電動モータ及び電動モータを制御する制御装置を備えた電動モータ制御システム、並びにそれを備えた電動パワーステアリング装置に関するものである。
上記のような電動モータ制御システムに関連して、例えば、下記の特許文献1に記載された技術が既に知られている。特許文献1の技術では、電動モータに設けられた2組の巻線への供給電流を、2組の制御系統により制御するように構成されている。特許文献1の技術では、一方の組に異常が生じた場合に、異常発生組の巻線への供給電流を0にすると共に、正常組の巻線に電力供給を行うことにより、電動モータの駆動を継続するように構成されている。
特開2014−14240号公報
しかしながら、特許文献1の技術では、異常発生時に、異常発生組の巻線に発生する逆起電圧を低減するために、正常組の巻線への供給電流について、d軸電流を正常時よりも負方向に増加させるように構成されているだけであり、異常発生時には、電動モータのトルクが半減してしまう。そのため、異常発生時の電動モータによる操舵アシストが十分でなかった。特に、低車速走行時では、電動モータのアシストトルクの低下により、非力な運転者ではハンドル操作が難しくなり、退避運転が難しくなる問題があった。一方、正常組の巻線への供給電流を、正常時よりも増加させていくと、永久磁石の不可逆減磁率が正常時よりも増加するため、永久磁石の磁力が減少してしまい、電動モータ2の交換が必要になるという問題がある。そのため、通常は、不可逆減磁率が増加するまで、供給電流を増加させないように構成されている。
そこで、異常発生時であっても、操舵性能の確保のために、電動モータのトルクを増加させることができる電動モータ制御システム及び電動パワーステアリング装置が望まれる。
本発明に係る電動モータ制御システムは、車両の操舵機構を駆動する電動モータ及び前記電動モータを制御する制御装置を備えた電動モータ制御システムであって、前記電動モータは、複数相の巻線を2組設けたステータと永久磁石を設けたロータとを備え、前記制御装置は、各組の前記巻線への供給電流を制御する2組の制御系統を備え、双方の組の前記巻線及び前記制御系統が正常である場合に、2組の前記巻線に電流を分担して供給し、一方の組の前記巻線及び前記制御系統に異常が発生した場合に、異常発生組の全部又は一部の相の前記巻線への供給電流を0にすると共に、正常組の前記巻線への供給電流を、前記永久磁石の不可逆減磁率が正常時よりも増加する不可逆電流まで増加させるものである。
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、上記の電動モータ制御システムを備えたものである。
本発明に係る電動モータ制御システムによれば、一方の組に異常が発生した場合に、正常組の巻線への供給電流を、永久磁石の不可逆減磁率が正常時よりも増加する不可逆電流まで増加させるように構成されているので、異常発生時であっても、電動モータのトルクを増加させることができ、操舵性能を確保することができる。よって、永久磁石の不可逆減磁率の悪化を犠牲にして、異常発生時の操舵性能の悪化を抑制し、運転性能の確保を優先させることができる。
本発明の実施の形態1に係る電動モータ制御システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態1に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態1に係る電動モータの断面図である。 本発明の実施の形態1に係る制御回路部の概略ブロック図である。 本発明の実施の形態1に係る制御回路部の処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態5に係る電動モータ制御システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態5に係る電動モータの断面図である。 本発明の実施の形態5に係る巻線の結線を説明するための図である。 本発明の実施の形態6に係る電動モータの断面図である。 本発明の実施の形態5に係る減磁率の悪化率を示す図である。 本発明の実施の形態5に係るトルクの増加率を示す図である。
実施の形態1.
実施の形態1に係る電動モータ制御システム1について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る電動モータ制御システム1の概略構成図である。電動モータ制御システム1は、車両の操舵機構を駆動する電動モータ2、及び電動モータ2を制御する制御装置18を備えている。すなわち、電動モータ制御システム1は、電動モータ2を駆動制御し、ハンドルを操舵する。
図2示すように、電動モータ制御システム1は、電動パワーステアリング装置60に組み込まれている。電動パワーステアリング装置60について説明する。運転者が操作するハンドル61にはステアリングシャフト62が連結されている。ステアリングシャフト62には運転者の操舵力を検知するトルクセンサ63が取り付けられている。ステアリングシャフト62は、インターミディエートシャフト64を通して、ラック軸65内のピニオンギア66に連結されている。操向輪である前輪67a、67bのナックルアーム68a、68bにはラック軸65に連結されたタイロッド69a、69bが接続されており、ラック軸65の動きがタイロッド69a、69bと、ナックルアーム68a、68bを経て前輪67a、67bに伝わることにより、前輪67a、67bが操向される。ラック軸65にはギアを介して電動モータ2が連結されており、電動モータ2の回転駆動力がラック軸65を動かす駆動力となっている。
このように構成された電動パワーステアリング装置60では、運転者がハンドル61を操舵すると、トルクセンサ63から操舵に応じたトルク信号が制御装置18に送られる。制御装置18は、トルク信号と車速等の車両信号から必要なアシストトルクを算出し、電動モータ2がアシストトルクを出力するように、電動モータ2の供給電流を制御する。
図1及び図3に示すように、電動モータ2は、複数相の巻線(本例では3相巻線)を2組設けたステータ20と永久磁石22を設けたロータ23とを備えている。電動モータ2は、各組の3相巻線がそれぞれデルタ結線とされたブラシレスモータとされている。電動モータ2には、ロータの回転位置を検出するための回転センサ9a、9bが搭載されている。回転センサ9a、9bは、冗長系を確保するために2組のセンサが搭載され、それぞれのセンサの出力信号は、制御回路部4の入力回路12に入力される。2組のセンサは1パッケージにまとめて1個実装されていても良いし、2つのパッケージに別々に実装されていても良い。なお、電動モータ2は、3相巻線がスター結線とされたブラシレスモータとされてもよく、或いは2極2対のブラシ付きモータであってもよい。
図3に電動モータ2の軸方向に直交する平面で切断した断面図を示す。ステータ20は、複数(本例では48個)のスロット21が円周状に配置された薄板鋼板を積層して構成されている。このステータ20の径方向内側に同心円状にロータ23が配置されている。ロータ23の外周部には、永久磁石22が周方向にN極、S極の順序で配置されている(本例では8極)。なお、表面磁石構造でなく、ロータ23の内部に永久磁石22が埋め込まれた埋込磁石構造とされてもよい。
ロータ23の中心部には出力軸24が設けられており、出力軸24の先にはハンドルの操舵装置に連結されるギアが配設されている。そのため、出力軸24の回転駆動力によりハンドル操作をアシストするアシスト力が発揮される。制御装置18は、所望のアシスト力が得られるように電動モータ2の出力を制御する。
ステータ20の各スロット21には、複数本(例えば4本)の巻線が配置されている。各スロット21から延出した巻線は、巻回されており、その状態を図3の左半分に一部示している。第1組の巻線と第2組の巻線は、それぞれ隣同士のスロット21に配置されている。例えば、所定のスロット21に挿入された第1組のU相(U1)の巻線は、スロット21の外部に延出した後、5個のスロットを越えた6個目のスロット21に再度挿入されている。第1組のU相(U1)の隣のスロット21には、第2組のU相(U2)の巻線、その隣のスロット21には第1組のV相(V1)の巻線、その隣のスロット21には第2組のV相(V2)の巻線、その隣のスロット21には第1組のW相(W1)の巻線、その隣のスロット21には第2組のW相(W2)の巻線の順に、規則的に挿入されている。このように、2組の巻線が、周方向に互いに違いに巻装されて、予め設定された位相差(本例では、7.5度)を有した分布巻きとされている。
各組の巻線は、各相の巻線の終端がデルタ結線となるように接続されている。巻線の終端は、各組に3本ずつ存在し、それぞれが独立して対応する組のインバータ3a、3b(本例ではモータリレー用スイッチング素子34)に接続されている。なお、2組の巻線が1つのステータの周方向に分散して設けられた構成としたが、1つのロータに対して、第1組の巻線が設けられたステータと、第2組の巻線が設けられたステータとを、2組直列に配置する、いわゆるダンデムタイプのモータとしてもよい。ただし、ダンデムタイプとすると、シングルタイプと比較して、電動モータ2が軸方向に長くなり、搭載性が悪化する場合がある。
制御装置18は、各組の巻線への供給電流を制御する2組の制御系統を備えている。制御装置18は、各組の3相巻線に交流電力を供給する2組のインバータ3a、3bと、各組のインバータ3a、3bを制御する制御回路部4と、を備えている。第1組のインバータ3aは、直流電源6(本例では、車載バッテリー)から供給された直流電力を交流電力に変換して第1組の巻線U1、V1、W1に供給する。第2組のインバータ3bは、直流電源6から供給された直流電力を交流電力に変換して第2組の巻線U2、V2、W2に供給する。制御回路部4の電源回路13には、イグニッションスイッチ7を介して直流電源6から電源が供給される。
第1組のインバータ3aは、直流電源6の正極端子に接続される正極側のスイッチング素子31(上アーム)と、直流電源6の負極端子に接続される負極側のスイッチング素子32(下アーム)と、が直列接続された直列回路(レッグ)を、3相各相の巻線に対応して3セット設けている。すなわち、第1組のインバータ3aは、3つの正極側のスイッチング素子31U、31V、31Wと、3つの負極側のスイッチング素子32U、32V、32Wとの、合計6つの電力変換用のスイッチング素子を備えている。各スイッチング素子には、フリーホイールダイオードが逆並列接続されている。そして、各相の正極側のスイッチング素子31及び負極側のスイッチング素子32の接続ノードが、第1組の3相巻線U1、V1、W1における対応する相の巻線に接続されている。各相のスイッチング素子の接続ノードと巻線とをつなぐ電線上には、それぞれ、リレー回路としてのモータリレー用スイッチング素子34U、34V、34Wが設けられている。各相の直列回路(レッグ)には、それぞれ、電流検出用のシャント抵抗33U、33V、33Wが設けられている。シャント抵抗33U、33V、33Wの両端電位差が、制御回路部4へ入力される。直流電源6から第1組のインバータ3aへの電源線には、第1組の電源リレー用スイッチング素子5aが設けられている。スイッチング素子31U、31V、31W、32U、32V、32W、34U、34V、34W、5aは、それぞれ、制御回路部4の第1の駆動回路11aから出力される制御信号によってオンオフされる。
第2組のインバータ3bは、第1組のインバータ3aと同様に構成されている。すなわち、第2組のインバータ3bは、6つの電力変換用のスイッチング素子31U、31V、31W、32U、32V、32Wと、モータリレー用スイッチング素子34U、34V、34Wと、シャント抵抗33U、33V、33Wと、第2組の電源リレー用スイッチング素子5bと、を設けている。スイッチング素子31U、31V、31W、32U、32V、32W、34U、34V、34W、5bは、それぞれ、制御回路部4の第2の駆動回路11bから出力される制御信号によってオンオフされる。
制御回路部4は、図4に示すように、第1組のインバータ3aを制御することにより、第1組の巻線U1、V1、W1に供給する電流を制御する第1のモータ電流制御部40aと、第2組のインバータ3bを制御することにより、第2組の巻線U2、V2、W2に供給する電流を制御する第2のモータ電流制御部40bと、第1組の制御系統の異常を検出する第1の異常検出部41aと、第2組の制御系統の異常を検出する第2の異常検出部41bと、を備えている。
制御回路部4の各制御部40a、40b、41a、41b等の各機能は、制御回路部4が備えた処理回路により実現される。本実施の形態では、制御回路部4は、図1に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置10(コンピュータ)、演算処理装置10とデータのやり取りする記憶装置17、演算処理装置10に外部の信号を入力する入力回路12、及び演算処理装置10から外部に信号を出力する出力回路等を備えている。記憶装置17として、演算処理装置10からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたRAM(Random Access Memory)や、演算処理装置10からデータを読み出し可能に構成されたROM(Read Only Memory)等が備えられている。入力回路12は、各種のセンサやスイッチが接続され、これらセンサやスイッチの出力信号を演算処理装置10に入力するA/D変換器等を備えている。出力回路は、スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路11、報知装置駆動回路16等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置10から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。本実施の形態では、入力回路12には、電流センサとしてのシャント抵抗33、回転センサ9a、9b、直流電源及び巻線端子の電圧センサ、並びに、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサ63、車両の走行速度を検出する車速センサ等の各種センサ8が接続されている。駆動回路11には、各スイッチング素子が接続されている。
そして、制御回路部4が備える各制御部40a、40b、41a、41b等の各機能は、演算処理装置10が、ROM等の記憶装置17に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行し、記憶装置17、入力回路12、及び出力回路等の制御回路部4の他のハードウェアと協働することにより実現される。
本実施の形態では、制御回路部4は、第1組の制御系統と第2組の制御系統とが互いに独立した処理回路構成となっている。制御回路部4は、第1組の制御系統に係る第1のモータ電流制御部40a及び第1の異常検出部41aの機能を実現する処理回路として、第1の演算処理装置10a(本例ではCPU1)と、第1の演算処理装置10a専用の第1の記憶装置17aと、第1の演算処理装置10a専用の第1の駆動回路11aと、を備えている。制御回路部4は、第2組の制御系統に係る第2のモータ電流制御部40b及び第2の異常検出部41bの機能を実現する処理回路として、第2の演算処理装置10b(本例ではCPU2)と、第2の演算処理装置10b専用の第2の記憶装置17bと、第2の演算処理装置10b専用の第2の駆動回路11bと、を備えている。第1の演算処理装置10aと第2の演算処理装置10bとは、通信ライン14により接続されており、互いに情報を伝達可能に構成されている。入力回路12は、第1及び第2の演算処理装置10a、10b共用とされている。制御回路部4は、報知装置15を駆動する共用の報知装置駆動回路16を備えている。
第1及び第2のモータ電流制御部40a、40bは、トルクセンサ63の出力信号に基づいて検出した操舵トルク及び車速に基づいて、電動モータ2が出力するアシストトルクを算出する。そして、第1及び第2のモータ電流制御部40a、40bは、それぞれ、アシストトルクに各組の分担比(正常時は1/2)を乗算した分担アシストトルクに基づいて、各組の巻線の電流指令を算出する。第1及び第2のモータ電流制御部40a、40bは、それぞれ、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御により各組のスイッチング素子をオンオフ制御する。
詳細には、第1及び第2のモータ電流制御部40a、40bは、それぞれ、分担アシストトルクに基づいて、dq軸の回転座標系で表したdq軸の電流指令を算出する。本実施の形態では、同一電流に対して発生トルクを最大にするようなdq軸の電流指令を算出する最大トルク電流制御方法に従って、dq軸の電流指令が算出される。dq軸の回転座標系は、ロータに設けられた永久磁石のN極の向き(磁極位置)に定めたd軸、及びd軸より電気角で90°(π/2)進んだ方向に定めたq軸からなる、ロータの電気角での回転に同期して回転する2軸の回転座標系である。
第1及び第2のモータ電流制御部40a、40bは、dq軸(2相)の回転座標系において、電流指令と実電流との偏差に基づき、比例積分制御等によりdq軸の電圧指令を算出し、dq軸の電圧指令に対して、固定座標変換及び2相3相変換を行って3相電圧指令を算出する。そして、3相電圧指令と搬送波との比較により、各相のスイッチング素子をオン又はオフさせる矩形パルス波信号のデューティ比を変化させるPWM(Pulse Width Modulation)制御を行う。
第1及び第2の異常検出部41a、41bは、それぞれ、電流検出値等のセンサ情報から各組のインバータ3a、3b及び巻線等の制御系統の異常を検出する。第1及び第2のモータ電流制御部40a、40bは、異常を検出した場合、異常発生組について、異常が発生した相又は全相のモータリレー用スイッチング素子34をオフして、異常が発生した相又は全相の巻線への電流供給を遮断すると共に電動モータ2の回転に伴う逆起電力がインバータ3a、3bに印加されることを防止する。異常発生組の全相のモータリレー用スイッチング素子34U、34V、34Wがオフにされる場合は、異常発生組の巻線に生じる逆起電力を考慮する必要がなくなる。
或いは、第1及び第2のモータ電流制御部40a、40bは、異常が発生した組の電源リレー用スイッチング素子5a、5bをオフしてもよい。または、第1及び第2のモータ電流制御部40a、40bは、異常が発生した組の電流指示を0に設定してもよいし、異常が発生した組のインバータ3a、3bの上下アームのスイッチング素子を開放してもよい。第1及び第2の異常検出部41a、41bは、異常を検出した場合、報知装置駆動回路16を介して、例えばランプなどの報知装置15に電力を供給して点灯させ、一方の組の異常が発生したことを報知する。なお、電源リレー用スイッチング素子5a、5bは、それぞれインバータ3a、3b内に包含されてもよい。
第1及び第2の演算処理装置10a、10bは、それぞれ、通信ライン14を介した相互の情報授受により、相互の動作状態を把握する。例えば、第1の演算処理装置10a(第1の異常検出部41a)が、第1の制御系統の異常を検出し、所定のスイッチング素子をオフしたことを第2の演算処理装置10b(第2のモータ電流制御部40b)へ伝達する。第1及び第2の演算処理装置10a、10bは、それぞれ、相手方から所定のフォーマットによる定期的な通信信号を授受できなくなった場合は、相手方の演算処理装置に異常が発生したと判定し、相手方の制御系統の電流供給が停止していると判定する。第1及び第2の演算処理装置10a、10bは、自己又は他方の演算処理装置の異常を検出した場合に、報知装置15により、異常が発生したことを報知する。
次に、異常検出処理について、図5のフローチャートに沿って説明する。なお、第1及び第2の演算処理装置10a、10bは、同様の処理を行っているため、第1の演算処理装置10aの処理について代表して説明する。
イグニッションスイッチ7が投入されると、第1の演算処理装置10aに電源が供給され、第1の演算処理装置10aは、各制御部の処理を開始する。まず、第1の演算処理装置10aは、ステップS1においては、RAMメモリ、ROMメモリ、入出力ポート等を初期化する。次に、第1のモータ電流制御部40aは、ステップS2で入力回路12を介して入力された各種の情報を入手し、RAMメモリに格納する。その情報の中には相手方の第2の演算処理装置10bの通信データも含まれている。
第1の異常検出部41aは、ステップS3において、相手方の第2組の制御系統の異常検出の有無をチェックする。第2組の制御系統の異常の有無は、第2の演算処理装置10bとの通信データを解読することで判別することができる。第1の異常検出部41aは、第2組の制御系統に異常が発生していない場合は(No)、ステップS4に進み、自己に係る第1組の制御系統の異常検出の有無をチェックする。第1のモータ電流制御部40aは、第1組の制御系統の異常を検知していない場合は(No)、ステップS5に進み、第1組及び第2組の制御系統の異常が発生していない通常の制御量1を演算する。
一方、第1の異常検出部41aは、ステップS3において、相手方の第2組の制御系統に異常が発生している場合は(Yes)、ステップS6に進み、ステップS4と同様に自己に係る第1組の制御系統の異常検出の有無をチェックする。第1のモータ電流制御部40aは、第1組の制御系統に異常が発生している場合は(Yes)、ステップS11に進み、自己の異常時の処理を行う。第1のモータ電流制御部40aは、第1組の制御系統に異常がない場合は(No)、ステップS7に進み、相手方異常、自己正常の条件における制御量2を演算し、ステップS8へ進む。
第1のモータ電流制御部40aは、ステップS4あるいはステップS6において、第1組の制御系統に異常が発生していると判断した場合、ステップS11に進み、第1の駆動回路11aの出力を停止するように制御信号を出力する。なお、発生した異常内容に基づき複数のレベルに分類されてもよい。例えば、電動モータ2の巻線又はインバータ3aのスイッチング素子の地絡あるいは天絡の場合、電源リレー用スイッチング素子5aを含む全スイッチング素子をオフとするように制御信号を出力する。また、インバータ3aの上下アームのスイッチング素子のいずれか1つ、又はモータリレー用スイッチング素子34のいずれか1つにオープン故障を生じている場合、その異常が発生している相のみスイッチング素子の駆動を停止し、その他の相は通常どおり制御指令を出力することも可能である。したがって、ステップ11では、全面停止状態の異常時の処理以外に一部の制御を継続処理できるように構成されている。なお、前述のような2相駆動できる場合は、制御量の演算処理も必要なため、ステップS5、S7で処理した方が効率的な場合もある。
次に、第1の異常検出部41aは、ステップS12において、通信ライン14を使用して第1組の制御系統の異常状態のデータを送信する。そのデータには、異常のレベル、例えば、全スイッチング素子がオフ状態であることも含んで送信する。また、ある相のみオフした状態で、その場合の制御量の正常時と比較した割合等も含んで送信することもできるが、このような異常内容の通信は、ステップS9およびステップS10を通して処理することも可能である。これにより、相手方が異常の内容まで把握することができることになる。したがって、相手方の異常に応じて自己の制御量を補正して出力することが可能となる。
次に、ステップS5における、第1組及び第2組の制御系統の異常が発生していない通常時の制御量の演算方法について説明する。第1のモータ電流制御部40aは、ステップS5で、操舵トルク及び車速に応じて電動モータ2に要求される電流値を算出し、電動モータ2の要求電流値の1/2を、第1組の巻線の電流指令に設定する。本実施の形態では、第1のモータ電流制御部40aは、操舵トルク及び車速に基づいて算出したアシストトルクの1/2を出力するための第1組の巻線の電流指令を算出する。
一方、ステップS7においては、相手方の第2組の制御系統に異常が発生しているため、第2組の異常を考慮して、第1組の巻線の電流指令を制御量2として算出する必要がある。例えば、第1のモータ電流制御部40aは、第2組の全相の電流供給が停止されている場合は、電動モータ2の要求電流値を、第1組の巻線の電流指令に設定する。第1のモータ電流制御部40aは、第2組の1相の電流供給が停止されている場合は、電動モータ2の要求電流値の2/3を、第1組の巻線の電流指令に設定する。本実施の形態では、第1のモータ電流制御部40aは、第2組の全相の電流供給が停止されている場合は、アシストトルクを出力するための第1組の巻線の電流指令を算出する。第1のモータ電流制御部40aは、第2組の1相の電流供給が停止されている場合は、アシストトルクの2/3を出力するための第1組の巻線の電流指令を算出する。
次に、第1のモータ電流制御部40aは、ステップS8で、第1組の巻線の電流指令に基づいて、電流フィードバック制御及びPWM制御により、第1組の各スイッチング素子をオンオフ制御する制御指令を出力する。第1の異常検出部41aは、ステップS9で、第1組の制御系統の異常の有無を判定する。具体的には、第1の異常検出部41aは、各スイッチング素子をオンオフしたときに流れる電流を各シャント抵抗33で検出し、電流値が正常であるか否かを判定することにより、異常個所を判定する。また、第1の異常検出部41aは、電動モータ2の巻線端子電圧を検出し、所定の電圧がスイッチング素子のオンオフに応じて出現するか否かを判定することにより、異常個所を判定する。第1の異常検出部41aは、所定時間経過しても実電流が電流指令に接近しない場合に、漏電の可能性があるので、異常と判断することもできる。
第1の異常検出部41aは、異常状態を記憶しておき、ステップS10において、異常状態を通信ライン14を介して第2の演算処理装置10bに通信する。その他に必要な情報があれば、この処理に含めて送信すると効率的である。例えば、入力回路12の情報、制御量情報を授受して互いの制御量演算の正確性をチェックすることも可能である。
次に、ステップS13において、所定時間、例えば5m秒経つまで待機し、所定時間が経った場合に(Yes)、ステップS2へ戻って再度同様な手順で処理を行う。以上のような第1の演算処理装置10aの処理動作を、第2の演算処理装置10bも同様に実行しており、2重の冗長系を成している。
したがって、異常のない通常状態においては、各演算処理装置10a、10bが、電動モータ2の要求電流値を1/2ずつ受け持って電動モータ2の制御を行う。一方に異常が発生した場合、正常な演算処理装置が、異常が発生した制御系統の分の電動モータ2の要求電流値も受け持って電動モータ2の制御を行うことができる。また、自己の制御系統のみならず相手方の制御系統の異常についても報知する機能を付加することが可能であり、異常発生時の運転者への報知が確実となり、どちら側の制御系統が異常かも知らせることができる。この異常報知は、例えば、ステップS9またはステップS11の異常時の出力に基づいて、ステップS10またはステップS12において行わせることにより実現される。
さらにまた、電動モータ2の駆動は、第1系統と第2系統が図3に示すように電気角で30度ずれて配置された構造となっており、第1系統と第2系統は、制御指令の出力をこの構造に沿ってずらせて出力することが必要である。これによりノイズ、振動を30度位相差制御により低減できる効果が得られる。
本実施の形態では、モータ電流制御部40a、40bは、双方の組の巻線及び制御系統が正常である場合に、2組の巻線に電流を分担して供給し、一方の組の巻線及び制御系統に異常が発生した場合に、異常発生組の全部又は一部の相の巻線への供給電流を0にすると共に、異常発生時に、正常組の巻線への供給電流を、永久磁石の不可逆減磁率が正常時よりも増加する不可逆電流まで増加させるように構成されている。
この構成によれば、正常時よりも不可逆減磁する磁石の体積が大きくなり、不可逆減磁した範囲が出力できるトルクは通常時よりも低下することとなるが、不可逆減磁する範囲はパーミアンス係数の小さな領域、たとえば、エアギャップが大きく、かつ、磁石厚が小さい磁石の周方向両端付近に限られる。よって、不可逆減磁しない大部分の範囲は供給電流を増加した分だけ出力できるトルクが増加する。その結果、電動モータ2全体では、出力できるトルクは増加するため、不可逆電流まで正常時よりも供給電流を増加させることにより、トルクを増加させることができる。本実施の形態では、モータ電流制御部40a、40bは、永久磁石の不可逆減磁率が、正常時よりも少なくとも10%以上増加する(例えば、永久磁石の正常時よりも鎖交磁束が10%以上低下する)不可逆電流まで増加させるように構成されている。
図10に、後述する実施の形態5の10極12スロットの表面磁石型モータにおいて、異常発生時に正常組の巻線への供給電流を正常時の場合よりも増加させた場合の減磁率を示す。図10の横軸は、正常時の電流に対する異常時の電流の増加率(異常時の電流/正常時の電流×100%)を示している。図10の縦軸は、正常時の不可逆減磁率に対する異常時の不可逆減磁率の悪化率(異常時の減磁率/正常時の減磁率×100%)を示している。正常時の減磁率は、一般的には、0.数%から数%までの範囲内になる。例えば、正常時の減磁率が1%である場合は、減磁率の悪化率1000%において、異常時の不可逆減磁率が10%になり、減磁率の悪化率5000%において、異常時の不可逆減磁率が50%になる。電流の増加率の増加に従って、異常時の減磁率が増加していき、電流の増加率300%以上で、減磁率の悪化率がほぼ一定になっている。
図11に、図10の場合のトルク増加率を示している。図11の横軸は、図10の横軸と同じで、正常時の電流に対する異常時の電流の増加率を示している。図11の縦軸は、電流の増加率が100%の場合の異常発生時の電動モータ2のトルクに対する異常発生時の電動モータ2のトルクの増加率(異常発生時トルク/電流の増加率100%時の異常発生時トルク×100%)を示している。電流の増加率が増加するに従って、図10の減磁率の悪化率は悪化するものの、永久磁石における不可逆減磁しない部分が発生するトルクは増加する。そのため、例えば電流の増加率200%では、トルクの増加率は140%を超えるので、正常時のトルクの70%を出力することができる。正常時のトルクの70%を発生可能であれば、運転者による操舵の大部分をカバーすることができる。
本実施の形態とは異なり、不可逆減磁率が悪化しないように、異常発生時に正常組の供給電流を増加させない、或いは異常発生時に正常組の供給電流の増加を制限する場合には、不可逆減磁率の悪化を回避できるものの、異常発生時に電動モータ2のトルクが低下し、操舵性能が悪化する。すなわち、本実施の形態では、不可逆減磁率の悪化を犠牲にして、異常発生時の操舵性能の悪化を抑制し、運転性能の確保を優先させる。
本実施の形態では、モータ電流制御部40a、40bは、供給電流の増加により、不可逆減磁する磁石の体積が増加し過ぎて、電動モータ2のトルクが低下しないような不可逆電流まで増加させるように構成されている。具体的には、モータ電流制御部40a、40bは、異常発生時に増加させる正常組の巻線への供給電流を、予め設定された上限不可逆電流により上限制限するように構成されている。上限不可逆電流は、供給電流が増加するに従って、不可逆減磁する磁石の体積が増加する特性と、供給電流が増加するに従って、電動モータ2のトルクが増加する特性とのバランスにより、供給電流の増加に対して、電動モータ2のトルクが最大になる供給電流に予め設定されている。
しかし、異常発生時に、正常組の巻線の供給電流を正常時よりも増加させると、正常組の巻線及びスイッチング素子の発熱量が正常時よりも増加する。本実施の形態では、この異常発生時の場合に対応して、電動モータ2の冷却性能が設計されており、異常発生時の巻線及びスイッチング素子の温度上昇を抑制することができるため、継続して供給電流を不可逆電流まで増加させることができる。
また、本実施の形態では、上記のように分布巻きとされており、異常発生組の巻線への供給電流を0にする場合、集中巻と比べて固定子の起磁力高調波が小さくなるので、電動モータ2の振動や騒音を低減できる。よって、異常発生時に、急に振動や騒音が大きくなることによるドライバーへ与える不安感を小さくできると共に、操舵フィーリングの変化を小さくできる。特に、永久磁石の不可逆減磁が生じると、回転子の起磁力高調波が大きくなり、振動や騒音が大きくなり易いが、トルクを大きくしても振動や騒音の増加を抑制できる。一方、運転者が異常に気付き難くなるため、上記のように、報知装置15により運手者に異常を知らせるとよい。
実施の形態2.
実施の形態2に係る電動モータ制御システム1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電動モータ制御システム1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、電動モータ2の冷却性能を考慮して、正常組の巻線の供給電流を増加させる点が異なる。
本実施の形態に係る電動モータ2は、異常発生時の正常組の巻線の発熱量の増加に対して、冷却性能が十分でない。そのため、継続して供給電流を不可逆電流まで増加させると、正常組の巻線の温度が上昇し過ぎて、許容温度を超えるおそれがある。そこで、モータ電流制御部40a、40bは、異常が発生した場合に、正常組の巻線への供給電流を不可逆電流まで増加させた後、徐々に減少させるように構成されている。
この構成によれば、継続して供給電流が不可逆電流まで増加されることにより、正常組の巻線温度が上昇し過ぎないようにできる。例えば、モータ電流制御部40a、40bは、異常発生時に、アシストトルクに応じて設定した正常組の巻線の供給電流(電流指令)を、上限電流により上限制限するように構成される。上限電流の初期値は、例えば、上記の上限不可逆電流等の不可逆電流に設定される。そして、モータ電流制御部40a、40bは、正常組の巻線の供給電流を、予め設定された不可逆電流の電流範囲(例えば、不可逆電流の最小値以上)に増加されている期間が予め設定された判定期間を超過した場合に、上限電流を予め設定された傾きで、予め設定された最終値まで徐々に減少させる。この構成によれば、判定期間により、正常組の供給電流を増加させる期間を制限することができ、正常組の巻線温度が上昇し過ぎないようにできる。判定期間の経過後、正常組の供給電流が強制的に徐々に減少されるので、急激な操舵性能の悪化を防止できる。
モータ電流制御部40a、40bは、正常組の巻線への供給電流を、徐々に減少させた後、再び、不可逆電流まで増加させることを許可するように構成されている。この構成によれば、正常組の巻線温度が低下した後、再び、運転者のハンドル操作によりアシストトルクが増加した場合に、正常組の供給電流を増加させ、操舵性能を確保することができる。例えば、モータ電流制御部40a、40bは、上限電流を最終値まで減少させた後、上限電流を上限不可逆電流等の初期値に復帰させ、正常組の巻線への供給電流を不可逆電流まで増加させることを許可する。
実施の形態3.
実施の形態3に係る電動モータ制御システム1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電動モータ制御システム1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、電動モータ2の冷却性能を考慮して、正常組の巻線の供給電流を増加させる点が異なる。
本実施の形態に係る電動モータ2は、実施の形態2と同様に、異常発生時の正常組の巻線の発熱量の増加に対して冷却性能が十分でない。本実施の形態では、モータ電流制御部40a、40bは、正常組の巻線への供給電流を、徐々に減少させた後、再び、不可逆電流まで増加させることを禁止するように構成されている。この構成によれば、再び、不可逆電流まで増加させることを禁止するので、再び、正常組の巻線の供給電流の増加後、供給電流を減少させる必要がなく、半分のアシストトルクによる継続的なアシストを実行することができる。
例えば、モータ電流制御部40a、40bは、上記の実施の形態2と同様に、異常発生時に、アシストトルクに応じて設定した正常組の巻線の供給電流(電流指令)を、上限電流により上限制限するように構成される。上限電流の初期値は、例えば、上記の上限不可逆電流等の不可逆電流に設定される。そして、モータ電流制御部40a、40bは、正常組の巻線の供給電流を、予め設定された不可逆電流の電流範囲(例えば、不可逆電流の最小値以上)に増加されている期間が予め設定された判定期間を超過した場合に、上限電流を予め設定された傾きで、予め設定された最終値まで徐々に減少させる。そして、モータ電流制御部40a、40bは、上限電流を最終値まで減少させた後、上限電流を正常時の最大電流に設定する。特に、電動モータ2の冷却性能が大きく不足している等のため、最終値が正常時の最大電流よりも大幅に低く設定されている場合は、正常組の供給電流は、増加後、正常時の供給電流よりも低下して、一時的に操舵性能が悪化する。上記の構成によれば、供給電流を不可逆電流まで増加させる回避操作を一回確保しつつ、回避操作後の一時的な操舵性能の悪化を一回だけにすることができる。
実施の形態4.
実施の形態4に係る電動モータ制御システム1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電動モータ制御システム1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、電動モータ制御システム1が停止した後の処理が異なる。
本実施の形態では、モータ電流制御部40a、40bは、異常が発生した場合に、一旦、電動モータ制御システム1が停止した後、再び電動モータ制御システム1の再始動を行わないように構成されている。異常発生時に、正常組の巻線の供給電流を不可逆電流まで増加させると、不可逆減磁により永久磁石の磁力が低下する。少なくとも、車両点検、整備が可能な場所等に車両が安全に停車され、イグニッションスイッチ7がオフされ、電動モータ制御システム1が停止するまでは、電動モータ制御システム1による操舵アシストを行い、それ以降は、システムに異常が発生しており、永久磁石の磁力が低下しているため、電動モータ2による操舵アシストを行わないように構成されている。
実施の形態5.
実施の形態5に係る電動モータ制御システム1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電動モータ制御システム1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、制御回路部4が1つのCPUにより構成されている点、及び巻線方式が異なる。
本実施の形態では、図6に、電動モータ制御システム1の概略構成図を示すように、第1組の制御系統と第2組の制御系統とが統合された処理回路構成となっている。制御回路部4は、第1及び第2のモータ電流制御部40a、40b、第1及び第2の異常検出部41a、41bの機能を実現する処理回路として、1つの演算処理装置10(CPU)と、演算処理装置10用の記憶装置17と、を備えている。第1のモータ電流制御部40a及び第2のモータ電流制御部40bは、演算処理装置10内で互いに情報を伝達可能に構成されている。制御回路部4は、第1のモータ電流制御部40a用の第1の駆動回路11aと、第2のモータ電流制御部40b用の第2の駆動回路11bと、を備えている。入力回路12は、第1及び第2の演算処理装置10a、10b共用とされている。制御回路部4は、報知装置15を駆動する共用の報知装置駆動回路16を備えている。
なお、1つの演算処理装置10によって構成した場合であっても、第1組の制御系統のソフトウェアと第2組の制御系統のソフトウェアとの構成を独立して設け、その制御指令値などの演算値も、記憶装置17の異なる領域に格納することによって、冗長系を形成することができる。また、演算処理装置10の出力ポートを、第1の駆動回路11a用と第2の駆動回路11b用とで、異なるポートに分離することにより、一方のポートが異常になった場合であっても、他方のポートで第1又は第2の駆動回路11a、11bへの出力を継続することができる。さらに、演算処理装置10を単一化し、集約することによって実施の形態1と比較して制御回路部4の規模を縮小することができ、また、通信ライン14を省くことによってノイズ等による通信エラーの発生を防ぎ、信頼性を強化することができる。
図7に、本実施の形態に係る電動モータ2の軸方向に直交する平面で切断した断面図を示す。ステータ20は、複数(本例では12個)のスロット21(ティース)が円周状に配置された薄板鋼板を積層して構成されている。このステータ20の径方向内側に同心円状にロータ23が配置されている。ロータ23の外周部には、永久磁石22が周方向にN極、S極の順序で配置されている(本例では10極)。
ステータ20の各ティースには、1つの相の巻線が巻装されている。第1組の巻線と第2組の巻線は、それぞれ隣同士のティースに巻装されている。具体的には、第1組のU相(U1)の巻線は、所定のティースに巻装された後、6個目のティースに巻装されている。第1組のU相(U1)の隣のティースには、第2組のU相(U2)の巻線、その隣のティースには第1組のV相(V1)の巻線、その隣のティースには第2組のV相(V2)の巻線、その隣のティースには第1組のW相(W1)の巻線、その隣のティースには第2組のW相(W2)の巻線の順に、規則的に巻装されている。このように、2組の巻線が、周方向に互いに違いに巻装されて、予め設定された位相差(本例では、30度)を有した集中巻きとされている。
図8に示すように、各組の巻線は、各相の巻線の終端がスター結線となるように接続されている。巻線の終端は、各組に3本ずつ存在し、それぞれが独立して対応する組のインバータ3a、3b(本例ではモータリレー用スイッチング素子34)に接続されている。なお、2組の巻線が1つのステータの周方向に分散して設けられた構成としたが、1つのロータに対して、第1組の巻線が設けられたステータと、第2組の巻線が設けられたステータとを、2組直列に配置する、いわゆるダンデムタイプのモータとしてもよい。
また、異常発生組の巻線への供給電流を0とする場合、集中巻では第1組の巻線と第2組の巻線とが互いに異なるティースに巻装されていることから、異常な組と正常な組との磁気的な結合、すなわち、相互インダクタンスが小さく、正常な組への供給電流による異常な組への起電力が小さくなるので、異常な組へ過負荷電圧の印加が小さい利点がある。そのため、異常な組への過負荷電圧を小さくしたまま、トルクを大きくできる。本実施の形態においては10極12スロットの集中巻について説明したが、10極12スロットに限らず他の極数及びスロット数でもよい。
実施の形態6.
実施の形態6に係る電動モータ制御システム1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電動モータ制御システム1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、巻線方式が異なる。
図9に、本実施の形態に係る電動モータ2の軸方向に直交する平面で切断した断面図を示す。実施の形態5と同様に、10極12スロットの集中巻とされている。しかし、実施の形態5とは異なり、2組の巻線が、周方向に2つに分かれて巻装された集中巻きとされている。第1組の巻線は、図9中の左側の6つのティースに巻装され、第2組の巻線は、図9中の右側の6つのティースに巻装されている。
このように各組の巻線を配置することによって、実施の形態1に示した30度の位相差制御、及び組間の巻線の干渉対策の必要がなくなる。その結果、第1及び第2のモータ電流制御部40a、40b間の厳格な同期を取る必要がなくなる。なお、ステータ20全体を周方向に2分割し、それぞれを各組の巻線に分配したが、周方向に4分割し、それぞれを各組の巻線に分配してもよい。さらに、デルタ結線であってもよい。
実施の形態7.
実施の形態7に係る電動モータ制御システム1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電動モータ制御システム1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、異常発生時の通電位相の設定方法が異なる。
本実施の形態では、モータ電流制御部40a、40bは、異常が発生した場合に、正常組の巻線への供給電流を不可逆電流まで増加させる際に、通電位相を、トルクが最大になる位相に設定するように構成されている。すなわち、異常発生時も、最大トルク電流制御が実行される。正常時と異常発生時では、各組の巻線への通電状態が異なるが、どちらも最大トルクになる電流位相とすることで、異常発生時においても、電動モータ2のアシストトルクを最大限に高めることができる。
実施の形態8.
実施の形態8に係る電動モータ制御システム1について説明する。本実施の形態においては、各組の巻線に、表面に樹脂層が形成された巻線が用いられている。この構成によれば、正常組の巻線への供給電流を不可逆電流まで増加させた場合の、巻線の温度上昇を抑制することができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
この発明は、複数相の巻線を2組設けたステータと永久磁石を設けたロータとを備え、車両の操舵機構を駆動する電動モータ、及び電動モータを制御する制御装置を備えた電動モータ制御システム、並びにそれを備えた電動パワーステアリング装置に好適に利用することができる。
1 電動モータ制御システム、2 電動モータ、3a、3b インバータ、4 制御装置、10a 第1の演算処理装置、10b 第2の演算処理装置、20 ステータ、22 永久磁石、23 ロータ、31、32 スイッチング素子、34 リレー回路

Claims (12)

  1. 車両の操舵機構を駆動する電動モータ及び前記電動モータを制御する制御装置を備えた電動モータ制御システムであって、
    前記電動モータは、複数相の巻線を2組設けたステータと永久磁石を設けたロータとを備え、
    前記制御装置は、各組の前記巻線への供給電流を制御する2組の制御系統を備え、双方の組の前記巻線及び前記制御系統が正常である場合に、2組の前記巻線に電流を分担して供給し、一方の組の前記巻線及び前記制御系統に異常が発生した場合に、異常発生組の全部又は一部の相の前記巻線への供給電流を0にすると共に、正常組の前記巻線への供給電流を、前記永久磁石の不可逆減磁率が正常時よりも増加する不可逆電流まで増加させる電動モータ制御システム。
  2. 前記制御装置は、異常が発生した場合に、正常組の前記巻線への供給電流を前記不可逆電流まで増加させた後、徐々に減少させる請求項1に記載の電動モータ制御システム。
  3. 前記制御装置は、正常組の前記巻線への供給電流を、徐々に減少させた後、再び、前記不可逆電流まで増加させることを許可する請求項2に記載の電動モータ制御システム。
  4. 前記制御装置は、正常組の前記巻線への供給電流を、徐々に減少させた後、再び、前記不可逆電流まで増加させることを禁止する請求項2に記載の電動モータ制御システム。
  5. 前記制御装置は、異常が発生した場合に、一旦、前記電動モータ制御システムが停止した後、再び前記電動モータ制御システムの再始動を行わない請求項1から4のいずれか一項に記載の電動モータ制御システム。
  6. 前記制御装置は、異常が発生した場合に、異常発生組の前記制御系統が有するインバータの全部又は一部の相のスイッチング素子をオフする、異常発生組の全部又は一部の前記巻線への電流指令値を0にする、又は異常発生組の各相の前記巻線に接続される接続線上に設けられたリレー回路をオフする請求項1から5のいずれか一項に記載の電動モータ制御システム。
  7. 前記電動モータは、2組の前記巻線が、周方向に互いに違いに巻装されて、予め設定された位相差を有した分布巻き又は集中巻きとされている請求項1から6のいずれか一項に記載の電動モータ制御システム。
  8. 前記電動モータは、2組の前記巻線が、周方向に2つに分かれて巻装された分布巻き又は集中巻きとされている請求項1から6のいずれか一項に記載の電動モータ制御システム。
  9. 前記制御装置は、異常が発生した場合に、一方の組の異常が発生したことを報知する請求項1から8のいずれか一項に記載の電動モータ制御システム。
  10. 前記制御装置は、第1組の前記巻線への供給電流を制御する第1の演算処理装置と、第2組の前記巻線への供給電流を制御する第2の演算処理装置と、を備え、前記第1及び第2の演算処理装置のそれぞれは、自己又は他方の演算処理装置の異常を検出した場合に、異常が発生したことを報知する請求項1から9のいずれか一項に記載の電動モータ制御システム。
  11. 第1組の前記巻線の前記制御系統と、第2組の前記巻線の前記制御系統とは、互いに独立した制御系統とされている請求項1から10のいずれか一項に記載の電動モータ制御システム。
  12. 請求項1から11のいずれか一項に記載の電動モータ制御システムを備えた電動パワーステアリング装置。
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