KR20050020623A - 전동 파워 스테어링 장치 - Google Patents

전동 파워 스테어링 장치 Download PDF

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KR20050020623A
KR20050020623A KR1020040063409A KR20040063409A KR20050020623A KR 20050020623 A KR20050020623 A KR 20050020623A KR 1020040063409 A KR1020040063409 A KR 1020040063409A KR 20040063409 A KR20040063409 A KR 20040063409A KR 20050020623 A KR20050020623 A KR 20050020623A
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drive circuit
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KR1020040063409A
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나가세시게키
니시자키카츠토시
우에다타케시
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고요 세이코 가부시키가이샤
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Abstract

구동회로에서 브러시리스(brushless) 모터에 전류를 공급하기 위한 전류 공급 경로중 릴레이가 삽입되어 있지 않은 전류 공급 경로에, 릴레이의 온 상태의 저항에 거의 동일한 저항값을 가지는 저항체를 삽입한다. 또한, 구동회로에 있어서, 전원측 분기점에서 Hi측 FET(의 소스 단자)까지의 배선(접촉 저항)저항이 서로 동일하게 되도록 해당 배선을 형성하는 버스바(bus bar)의 폭을 설정함과 함께, 접지측 분기점 NL에서부터 Lo측 FET(의 소스 단자)까지의 배선저항이 서로 동일하게 되도록 해당 배선을 형성하는 버스바의 폭을 설정한다.

Description

전동 파워 스테어링 장치{ELECTRIC POWER STEERING APPARATUS}
본 발명은 브러시리스 모터에 의하여 차량의 스테어링 기구에 조타(操舵) 보조력을 부여하는 전동 파워 스테어링 장치에 관한 것이다.
종래부터 운전자가 핸들(스테어링 휠)에 가하는 조타 토크에 따라 전동 모터를 구동하는 것에 의하여 스테어링 기구에 조타 보조력을 부여하는 전동 파워 스테어링 장치가 이용되고 있다. 상기 전동 파워 스테어링 장치에는 조타를 위한 조작 수단인 핸들에 가해지는 조타 토크를 검출하는 토크 센서가 마련되어 있고, 토크 센서로 검출되는 조타 토크에 기초하여 전동 모터에 공급해야 하는 전류의 목표값(이하, 목표 전류치라 한다)가 설정된다. 그리고, 상기 목표 전류치와 전동 모터에 실제로 흐르는 전류의 값과의 편차에 기초한 비례 적분 연산에 의하여, 전동 모터의 구동 수단에 부여해야 하는 지령값이 생성된다. 전동 모터의 구동 수단은 그 지령값에 따른 듀티비(Duty Ratio)의 펄스폭 변조신호(이하, PWM신호라 한다)를 생성하는 PWM신호 생성회로와, 그 PWM신호의 듀티비에 따라 온/오프하는 파워 트랜지스터를 이용하여 구성되는 모터 구동회로(이하, 단순히 구동회로라고도 한다)를 구비하고, 그 듀티비에 따른 전압을 전동 모터에 인가한다. 상기 전압 인가에 의하여 전동 모터에 흐르는 전류는 전류검출기에 의하여 검출되고, 목표 전류치와 검출 전류치와의 차이가 상기 지령값을 생성하기 위한 편차로서 사용된다.
이러한 전동 파워 스테어링 장치에 있어서 사용되는 전동 모터(구동원)으로서, 종래는 브러시부착 모터가 많이 이용되어 왔지만, 근래에는 신뢰성 및 내구성의 향상이나 관성의 감소 등의 관점에서 브러시리스 모터도 사용되고 있다. 브러시리스 모터를 이용한 전동 파워 스테어링 장치에서는 통상적으로 구동회로가 고장난 경우에 필요에 따라 구동회로와 모터를 전기적으로 분리하기 위한 개폐수단(전형적으로는 릴레이)이 마련되어 있다. 이 경우, 비용이나 공간의 제약으로 릴레이 등의 개폐 수단의 갯수는 가능한 한 적은 쪽이 바람직하기 때문에, 구동회로에서 모터에 공급되는 전류를 차단하는 것에 필요한 최저한의 갯수의 개폐 수단이 사용되고 있다. 예를 들면, 3상의 브러시리스 모터를 사용한 전동 파워 스테어링 장치에서는 구동회로에서 모터로 공급되는 3상의 전류 중 2상의 전류 공급을 차단하기 위하여 2개의 개폐 수단으로서의 릴레이가 사용된다.
<특허문헌 1>
일본국 특개2001-106098호 공보
상기와 같이 개폐 수단으로서 사용되는 릴레이의 갯수를 최저한으로 한 구성에서는 브러시리스 모터와 구동회로와의 사이의 각 상의 전류 경로에 있어서 릴레이가 개재하는 상과 개재하지 않는 상이 존재한다. 이 때문에, 브러시리스 모터와 구동회로로 이루어지는 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분에 대하여 상간(相間)에 차이가 발생하고, 이러한 회로 구성을 가지는 전동 파워 스테어링 장치에서는 브러시리스 모터에 인가해야 하는 상전압(지령값)을 입력으로 하여 해당 모터에 실제로 흐르는 상 전류를 출력으로 하는 전달 요소로서의 모터·구동회로계의 게인이나 위상이 상간에 달라지게 된다. 그 결과, 브러시리스 모터의 각 상에 대하여 제어상으로 동일한 전압이 인가되었다고 하여도, 브러시리스 모터에 흐르는 전류의 진폭 및 위상에 대하여 상간에 차이가 발생한다. 이러한 모터 전류의 상간에서의 차이는 브러시리스 모터에 있어서 토크리플(torque ripple)을 발생시키는 요인이 되기 때문에, 조타 조작에 있어서 운전자에게 위화감을 느끼게 한다.
그래서, 본 발명에서는 모터·구동회로계의 게인이나 위상의 상간에서의 상위(相違)에 기인하는 토크리플을 억제하는 것에 의하여, 조타 조작에 있어서 운전자에게 위화감을 주지 않도록 한 전동 파워 스테어링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여,
제 1 발명은 차량 조타를 위한 조작에 따라 결정되는 목표값에 기초하여 브러시리스 모터를 구동하는 것에 의하여 해당 차량의 스테어링 기구에 조타 보조력을 부여하는 전동 파워 스테어링 장치이고,
상기 목표값에 기초하여 상기 브러시리스 모터에 인가해야 하는 전압의 지령값을 산출하는 제어 연산 수단과,
상기 지령값에 기초하여 상기 브러시리스 모터를 구동하는 구동회로와,
상기 브러시리스 모터 및 상기 구동회로를 포함하는 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각 상간에서의 차이가 소정값 이하가 되도록, 해당 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분을 조정하는 저항 조정 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
제 2 발명은 제 1 발명에 있어서,
상기 구동회로에서 상기 브러시리스 모터로의 전류 공급을 위한 상기 브러시리스 모터의 상마다에 마련된 전류 공급 경로중 적어도 하나의 전류 공급 경로에 삽입된 개폐 수단을 더 구비하고,
상기 저항 조정 수단은 상기 전류 공급 경로의 저항값의 각 상간에서의 차이가 소정값 이하가 되도록 상기 개폐 수단의 폐쇄 상태에서의 저항값에 따른 저항값을 가지는 저항이고, 상기 개폐 수단이 삽입되어 있지 않은 상기 전류 공급 경로에 삽입된 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 3 발명은 제 1 또는 제 2 발명에 있어서,
상기 구동회로는 전원측에 배치된 스위칭 소자인 Hi측 스위칭 소자와 접지점측에 배치된 스위칭 소자인 Lo측 스위칭 소자로 이루어지는 서로 직렬로 접속된 스위칭 소자쌍을 상기 브러시리스 모터의 상의 수만큼 병렬로 접속하여 구성되고, 상기 Hi측 스위칭 소자와 상기 Lo측 스위칭 소자와의 접속점이 상기 전류 공급 경로를 개재하여 상기 브러시리스 모터에 접속되어 있고,
상기 저항 조정 수단은, 상기 전원에서 상기 Hi측 스위칭 소자까지의 전류 경로인 Hi측 전류 경로의 저항값의 각 상간에서의 차이, 및/또는 상기 Lo측 스위칭 소자에서 상기 접지점까지의 전류 경로인 Lo측 전류 경로의 저항값의 각 상간에서의 차이가 소정값 이하가 되도록, 상기 Hi측 전류 경로 및/또는 상기 Lo측 전류 경로의 저항값을 조정하기 위한 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 4 발명은 제 1 부터 제 3의 발명 어느 것에 있어서,
상기 저항 조정 수단은 상기 전류 공급 경로의 배선 및/또는 상기 구동회로내의 배선을 위한 버스바이고, 상기 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각 상간에서의 차이가 소정값 이하가 되도록 단면적 및/또는 길이가 조정된 버스바를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 발명에 의하면, 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각 상간에서의 차이가 소정값 이하가 되기 때문에, 각 상에 대하여의 모터·구동회로계의 게인 및 위상이 서로 거의 동일해지고, 그 결과, 브러시리스 모터의 어느 위상에 대하여도, 동일의 상전압이 인가된 경우에는 거의 동일의 상전류가 흐른다. 이것에 의하여 브러시리스 모터에 있어서 토크리플을 감소시키고, 조타조작에 있어서 운전자에게 위화감을 주지않도록 할 수 있다.
상기 제 2 발명에 의하면, 구동회로에서 브러시리스 모터로 전류를 공급하기 위한 전류 공급 경로의 저항값의 각 상간에서의 차이가 소정값 이하로 되기 때문에, 모터·구동회로계에서 저항 성분의 각 상간에서의 차이가 해소 또는 감소된다. 이것에 의하여 각 상에 대하여의 모터·구동회로계의 게인 및 위상을 서로 거의 동일한 것으로 하는 것에 의하여, 브러시리스 모터에 있어서 토크리플을 감소시키고, 조타 조작에 있어서 운전자에게 위화감을 주지 않도록 할 수 있다.
상기 제 3 발명에 의하면, Hi측 전류 경로의 저항값의 각 상간에서의 차이, 및/또는 Lo측 전류경로의 저항값의 각 상간에서의 차이가 소정값 이하가 되기 때문에, 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각 상간에서의 차이가 감소 또는 해소된다. 이것에 의하여 각 상에 대하여의 모터·구동회로계의 게인 및 위상을 서로 거의 동일한 것으로 하는 것에 의하여, 브러시리스 모터에 있어서 토크리플을 감소시키고, 조타 조작에 있어서 운전자에게 위화감을 주지 않도록 할 수 있다.
상기 제 4 발명에 의하면, 배선을 위한 버스바의 단면적 및/또는 길이가 적절하게 설정되는 것으로 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각 상간에서의 차이가 소정값 이하가 된다. 이 때문에, 상간에서의 저항 조정을 위한 저항기 등을 별도 부가할 필요가 없기 때문에, 비용 증가를 억제하면서 모터·구동회로계의 게인 및 위상의 각 상간에서의 차이를 해소 또는 감소시킬 수 있다.
<기초 검토>
종래 기술에 있어서의 문제점을 해결함에 있어서 종래 기술에 대하여 기초적인 검토를 행하였다. 이하, 본 발명의 실시형태를 설명하기 전에 이 기초 검토에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.
도 4는 전동 파워 스테어링 장치에 있어서 전류 제어계의 구성을 도시한 블록도이다. 상기 전류 제어계에서는, 모터에 흘려야 하는 전류의 목표값을 입력하고 모터에 흐르는 전류를 출력으로 하고 있고, 전류 목표값과 모터에 흐르는 전류치와의 편차에 대하여 비례 적분 제어 연산(이하, PI제어 연산이라고 한다)이 행하여지고, 그것에 의하여 결정되는 전압이 모터(1)에 인가된다. 여기서, 브러시리스 모터가 사용되는 경우, 해당 모터는 각상에 대하여, 1상분의 인덕턴스(L)와 저항(R)에 의하여 결정되는 1차 지연 요소로서 취급할 수 있고, 그 전달 함수는 K/(L·s+R)로 표현할 수 있다(K는 정수). 그러나, 실제로는 모터나 구동회로의 배선 저항 등을 포함하는 외부 저항도 존재하기 때문에, 이것을 고려하여 구동회로와 모터를 하나의 전달 요소인 모터·구동회로계로서 취급하는 것으로 하면, 상기 모터·구동회로계의 전달 함수 Gm(s)는 다음 식과 같이 된다.
Gm(s)=Km/(L·s+R+R')
여기서, Km은 정수이고, R'는 모터나 구동회로의 배선저항 등을 포함하는 외부 저항이다.
모터·구동회로계에서는 상기 전달 함수 Gm(s)를 결정하는 특성값 L, R, R'중 모터의 인덕턴스(L) 및 내부 저항(R)에 대하여의 각 상간에서의 차이는 거의 무시할 수 있는 정도이다. 그러나, 기술한 바와 같이 개폐수단으로서 릴레이가 삽입되는 경우, 그 릴레이는 통상, 모든 상에 대하여 삽입되는 것이 아니므로, 외부 저항(R')에 대하여 상간에서 차이가 발생하고 있다. 또한, 구동회로에 있어서, 전력용 MOS 트랜지스터 등의 스위칭 소자와 전원 또는 접지점과의 사이의 배선에 사용되는 버스바의 길이를 상간에서 맞추는 것이 곤란한 점 등에 의하여, 상기의 외부 저항(R')이 상간에서 상위한 경우도 있다. 따라서, 브러시리스 모터를 사용하는 종래의 전동 파워 스테어링 장치에서는, 이러한 외부 저항(R')의 상간에서의 차이에 기인하여 전달 요소로서의 모터·구동회로계의 게인이나 위상이 상간에서 상위하다.
본원 발명자는 이와 같은 상위가 모터·구동회로계의 응답성에 대하여 상간에서 무시할 수 없는 차이를 발생시키는 것을 모터·구동회로계의 주파수 특성의 측정에 의하여 확인하고 있다. 즉, 도 6은 브러시리스 모터를 사용한 전동 파워 스테어링 장치에 있어서 모터·구동회로계의 주파수 특성에 대한 2개의 측정예를 나타낸 보드선도이고, 도 6에 있어서 실선으로 도시한 곡선은 제 1 측정예에 있어서 측정 결과로서의 게인 특성 및 위상 특성을 나타내는 것이고, 모터 선간의 인덕턴스(L)가 162[μH]이고, 선간의 내부 저항(R)이 53[mΩ]이고, 선간의 외부 저항(R')이 6[mΩ]일 때의 모터·구동회로계의 선간에 대한 주파수 특성을 나타내고 있다. 상기 측정예에 있어서 외부 저항(R'=6[mΩ])에는 상기 릴레이 2개의 온 상태의 저항인 접촉 저항(=2×1.5[mΩ])이 포함되어 있다. 이것에 대하여, 도 6에 있어서 점선으로 도시한 곡선은 제 2 측정예에 있어서 측정 결과로서의 게인 특성 및 위상 특성을 나타내는 것이고, 모터 선간의 인덕턴스(L)가 162[μH]이고, 선간의 내부 저항(R)이 53[mΩ]이고, 선간의 외부 저항(R')이 4.5[mΩ]일 때의 모터·구동회로계의 선간에 대한 주파수 특성을 나타내고 있다. 상기 측정예는 릴레이(개폐수단)을 1개 포함하지 않는 선간을 대상으로 하는 것이고, 상기 측정예에 있어서 외부 저항(R'=4.5[mΩ])에는 상기 릴레이 1개의 접촉 저항은 포함되지 않는다(다른 측정 조건은 제 1 측정예와 마찬가지이다). 이들 제 1 및 제 2의 측정예의 측정 결과를 나타내는 보드선도(게인 특성 및 위상 특성)에서, 릴레이가 삽입되는 상과 삽입되지 않는 상과의 사이에서는 모터·구동회로계의 응답성(상전류의 진폭 및 위상)에 무시할 수 없는 차이가 발생하는 것을 알 수 있다.
그래서, 본 발명에서는 브러시리스 모터를 사용한 전동 파워 스테어링 장치에 있어서, 모터·구동회로계의 게인이나 위상의 각 상간에서의 차이를 해소하기 위하여, 모터·구동회로계 중 릴레이가 삽입되어 있지 않은 상에 대응하는 전류 경로에 적절한 저항체를 마련하는 등에 의하여 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각 상간의 차이를 해소 또는 감소시키기 위한 저항 조정 수단을 구비한 구성으로 되어 있다. 이하, 이와 같은 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부도면을 참조하면서 설명한다.
<전체 구성>
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 전동 파워 스테어링 장치의 구성을 그것에 관련된 차량 구성과 함께 도시한 개략도이다. 상기 전동 파워 스테어링 장치는 조타를 위한 조작 수단으로서의 핸들(스테어링 휠, 100)에 일단이 고착되는 스테어링 샤프트(102)와, 상기 스테어링 샤프트(102)의 타단에 연결된 랙 피니언 기구(104)와, 핸들(100)의 조작에 의하여 스테어링 샤프트(102)에 가하여지는 조타 토크를 검출하는 토크 센서(3)와, 핸들 조작(조타 조작)에 있어서 운전자의 부하를 경감하기 위한 조타 보조력을 발생시키는 브러시리스 모터(6)와, 상기 조타 보조력을 랙축에 전달하는 볼 나사 구동부(11)와, 모터(6) 로터의 회전 위치를 검출하는 리졸버(resolver) 등의 위치 센서(12)와, 차량 적재 배터리(8)에서 이그니션 스위치(9)를 개재하여 전원의 공급을 바고, 토크 센서(3)나 차속 센서(4), 위치 센서(12)에서의 센서 신호에 기초하여 모터(6)의 구동을 제어하는 전자 제어 유닛(ECU, 5)을 구비하고 있다. 이러한 전동 파워 스테어링 장치를 탑재한 차량에 있어서 운전자가 핸들(100)을 조작하면, 토크 센서(3)는 그 조작에 의한 조타 토크를 검출하고, 조타 토크를 나타내는 조타 토크 신호(Ts)를 출력한다. 한편, 차속 센서(4)는 차량의 주행 속도인 차속을 검출하고, 차속을 나타내는 차속 신호(Vs)를 출력한다. 제어 장치로서의 ECU(5)는 상기 조타 토크 신호(Ts) 및 차속 신호(Vs)와, 위치 센서(12)에 의하여 검출되는 로터의 회전 위치에 기초하여 모터(6)를 구동한다. 이것에 의하여 모터(6)는 조타 보조력을 발생하고, 상기 조타 보조력이 볼 나사 구동부(11)를 개재하여 랙축에 가해지는 것에 의하여, 조타 조작에 있어서 운전자의 부하를 경감시킨다. 즉, 핸들 조작에 의하여 가해지는 조타 토크에 의한 조타력과 모터(6)의 발생하는 조타 보조력과의 합에 의하여, 랙축이 왕복 운동을 행한다. 랙축의 양단은 지지봉(tie rod) 및 너클 아암(knuckle arm)으로 이루어지는 연결부재(106)를 개재하여 차륜(108)에 연결되어 있고, 랙축의 왕복 운동에 따라 차륜(108)의 방향이 변한다.
<제어 장치의 구성>
도 2는 상기 전동 파워 스테어링 장치의 제어 장치인 ECU(5)의 구성을 도시한 블록도이다. 상기 ECU(5)는 모터 제어부(20)와 모터 구동부(30)와 릴레이 구동회로(70)와 2개의 전류 검출기(81, 82)를 구비하고 있다. 모터 제어부(20)는 마이크로 컴퓨터로 구성되는 제어 연산 수단이고, 그 내부의 메모리에 격납된 소정의 프로그램을 실행하는 것에 의하여 작동한다. 모터 구동부(30)는 PWM 신호 생성 회로(40)와 구동 회로(50)로 구성된다.
구동회로(50)는 전원 라인측에 배치되고 모터(6)의 U상, V상, W상에 각각 대응하는 전력용 스위칭 소자인 FET(전계 효과 트랜지스터) 51H, 52H, 53H와, 접지 라인측에 배치되어 모터(6)의 U상, V상, W상에 각각 대응하는 전력용 스위칭 소자인 FET 51L, 52L, 53L을 구비하고 있고, 동일 상에 대응하는 전원 라인측 FET(이하, Hi측 FET라 칭한다) 5jL과 접지 라인측 FET(이하, Lo측 FET라 칭한다) 5jH가 서로 쌍이 되도록 직렬로 접속되어 있다(j=1, 2, 3). 일반적으로, FET 51H~53H를 포함하는 전원 라인측의 회로 부분은 "상부 아암"이라고 하고, FET 51L~53L을 포함하는 접지 라인측의 회로 부분은 "하부 아암"이라고 한다. 상부 아암과 하부 아암과의 각 접속점(Nu, Nv, Nw)은 모터 각상의 단자(61~63)와 전력용의 리드선(구체적으로는 버스바로 구성된다)에 의하여 접속되어 있고, 이것에 의하여 구동회로(50)에서 모터(6)로 구동용의 전류를 공급하기 위한 전류 공급 경로가 상마다에 형성되어 있다. 그리고, u상에 대응하는 접속점(Nu)과 모터 단자(61)를 접속하는 리드선에 의하여 형성되는 전류 공급 경로(이하, u상용 전류 공급 경로라고 한다)에는 릴레이(91)가, v상에 대응하는 접속점(Nv)과 모터 단자(62)를 접속하는 리드선에 의하여 형성되는 전류 공급 경로(이하, v상용 전류 공급 경로라고 한다)에는 릴레이(92)가 각각 삽입되어 있다. 또한, 구동회로(50)에 있어서, Hi측 FET 51H~53H의 소스 단자가 서로 접속되는 접속점(후술하는 전원측 분기점)과 배터리(8)와의 사이에도 릴레이(90)가 삽입되어 있다. 이것에 대하여, w상에 대응하는 접속점(Nw)과 모터 단자(63)를 접속하는 리드선에 의하여 형성되는 전류 공급 경로(이하, w상용 전류 공급 경로라고 한다)에는 릴레이가 삽입되어 있지 않다.
2개의 전류 검출기(81, 82) 중 한쪽의 전류 검출기(81)는 구동회로(50)의 접속점(Nu)과 모터 단자(61)를 연결하는 리드선(u상용 전류 공급 경로)에 흐르는 u상 전류를 검출하고, 다른 쪽의 전류 검출기(82)는 구동회로(50)의 접속점(Nv)과 모터 단자(62)를 연결하는 리드선(v상용 전류 공급 경로)에 흐르는 v상 전류를 검출한다. 이들 전류 검출기(81, 82)에서 검출된 전류치는 각각 u상 전류 검출치(Iu) 및 v상 전류 검출치(Iv)로서 모터 제어부(20)에 입력된다.
모터 제어부(20)는 토크 센서(3)에서 검출된 조타 토크와, 차속 센서(4)에서 검출된 차속과, 전류 검출기(81,82)에서 검출된 u상 및 v상 전류 검출치(Iu, Iv)를 받는다. 또한, 모터 제어부(20)는 어시스트 맵이라는 조타 토크와 목표 전류치를 대응시키는 테이블을 참조하여, 조타 토크와 차속에 기초하여, 모터(6)로 흘러야 하는 목표 전류치를 결정한다. 그리고, 상기 목표 전류치와 상기 모터 전류 검출치(Iu, Iv)에서 산출되는 모터 전류치와의 편차에 기초한 비례 적분 연산에 의하여, 모터(6)에 인가해야 하는 각상 전압의 지령값(U*u, V*v, W*w)을 산출한다.
이러한 각상 전압의 지령값(U*u, V*v, W*w)의 산출에 있어서, 통상 모터 구동에 관한 3상 교류로서의 전압 및 전류가 모터의 로터로서의 계자(界磁)에 의한 자속(磁束) 방향의 d축과, d축에 수직으로 d축에서 π/2만큼 위상이 나아간 q축으로 이루어지는 회전하는 직교 좌표계(d-q좌표라고 한다)로 표현된다. 이러한 d-q좌표에 의하면, 모터로 흘려야하는 전류를 d축 성분과 q축 성분으로 이루어지는 직류 전류로서 취급할 수 있다. 이 경우, 상기의 u상 및 v상 전류 검출치(Iu, Iv)에서 좌표 변환에 의하여 모터 전류치의 d축 성분 및 q축 성분이 산출된 후, 상기 목표 전류치의 d축 성분과 모터 전류치의 d축 성분과의 편차에 기초한 비례 적분 연산에 의하여 d축 전압 지령값이 산출되는 것과 함께, 상기 목표 전류치의 q축 성분과 모터 전류치의 q축 성분과의 편차에 기초한 비례 적분 연산에 의하여 q축 전압 지령값이 산출된다. 그리고, 이들 d축 및 q축 전압 지령값에서 좌표 변환에 의하여 상기 각상 전압의 지령값(U*u, V*v, W*w)가 산출된다. 브러시리스 모터의 제어에 있어서는, 이러한 d-q좌표의 도입에 기초한 수법이 일반적이지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
또한, 모터 제어부(20)는 상기와 같은 각상 전압의 지령값(U*u, V*v, W* w)을 산출하는 외에, 소정의 고장 산출 처리의 결과에 기초하여 릴레이 구동회로(70)를 제어하기 위한 릴레이 제어 신호도 출력한다.
모터 구동부(30)에서는 PWM 신호 생성 회로(40)가 상기 각상 전압의 지령값(U*u, V*v, W*w)를 모터 제어부(20)에서 받아, 상기 지령값(U* u, V*v, W*w)에 따라 듀티비의 변화하는 PWM신호를 생성한다. 구동회로(50)는 전술한 바와 같이 Hi측 FET 51H~53H 및 Lo측 FET 51L~53L을 이용하여 구성되는 PWM 전압형 인버터이고, 상기 PWM 신호로 이들 FET 51H~53H 및 51L~53L을 온/오프시키는 것에 의하여, 모터(6)에 인가해야하는 각상 전압(Vu, Vv, Vw)을 생성한다. 이들 각상 전압(Vu, Vv, Vw)은 ECU(5)에서 출력되어 모터(6)에 인가된다. 이 전압 인가에 따라 모터(6)가 각상(u, v, w)의 코일(미도시)에 전류가 흘러 모터(6)는 그 전류에 따라 조타 보조를 위한 토크(모터 토크)를 발생시킨다.
릴레이 구동회로(70)는 모터 제어부(20)에서 출력되는 릴레이 제어 신호에 기초하여 작동한다. 릴레이 구동회로(70)는 고장이 검출되었음을 나타내는 신호를 모터 제어부(20)로부터 받기까지는 릴레이(90, 91, 92)를 폐쇄상태로 유지하고, 모터 구동부(30) 및 모터(6)에의 전원 공급을 계속한다. 모터 제어부(20)에 있어서 고장 검출 처리로 고장이 검출되면, 릴레이 구동회로(70)는 모터 제어부(20)에서 고장이 검출되었다는 것을 나타내는 신호를 받는다. 이것에 의하여, 릴레이 구동회로(70)는 릴레이(90, 91, 92)를 개방상태로 하고, 모터 구동부(30) 및 모터(6)에의 전원 공급을 차단한다.
<모터·구동회로계의 요부 구성>
본 실시형태에 관한 전동 파워 스테어링 장치는 구동회로(50), 브러시리스 모터(6), 및 그들을 접속하는 리드선 등으로 이루어지는 구성 부분인 모터·구동회로계에 있어서, 저항 성분에 대한 각 상간((u, v, w상의 상호간)에서의 차를 해소 또는 감소시키기 위하여 이하와 같은 구성을 구비하고 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서도, 상기 모터·구동회로계의 전달함수Gm(s)는 각상에 대하여 다음 식과 같이 표현할 수 있다(도 4 참조).
Gm(s)=Km/(L·s+R+R')
여기서, Km은 정수이고, R'는 모터(6)나 구동회로(50), 각 상용 전류 공급 경로를 형성하는 리드선의 배선저항 등을 포함하는 외부 저항이다.
전술한 바와 같이, 구동회로(50)내의 접속점(Nu)과 모터 단자(61)를 접속하는 u상용 전류 공급 경로에는 릴레이(91)가 삽입되고, 구동회로(50)내의 접속점(Nv)과 모터 단자(62)를 접속하는 v상용 전류 공급 경로에는 릴레이(92)가 삽입되어 있지만, 구동회로(50)내의 접속점(Nw)과 모터 단자(63)를 접속하는 w상용 전류 공급 경로에는 릴레이가 삽입되어 있지 않다. 그래서, 본 실시형태에서는 상기 w상용 전류 공급 경로에 도 2에 도시하는 바와 같이, 릴레이(91 또는 92)의 온 상태에 있어서 저항값인 접촉 저항값에 거의 동일한 저항값을 갖는 저항체(Ra)가 삽입되어 있다.
이러한 저항체(Ra)의 삽입에 의하여, 외부 저항(R')중에서 구동회로(50)와 모터(6)와의 전기적 접속에 관련된 저항 성분, 즉 구동회로(50)에서 모터(6)로 전류를 공급하기 위한 전류 공급 경로의 저항값의 u, v, w상의 각 상간에서의 차이가 감소 또는 해소된다. 또한, 저항체(Ra)의 삽입에 대해서는 구체적으로는, 그것에 상당하는 저항기를 릴레이가 삽입되어 있지 않은 w상용 전류 공급 경로에 삽입되면 좋지만, 이것에 대신하여 후술하는 바와 같이 w상용 전류 공급 경로로서의 리드선을 형성하는 버스바의 단면적(폭 또는 두께) 및/또는 길이를 적절하게 설정하는 것에 의하여 상기 저항체(Ra)의 삽입을 실현하여도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 상기 외부 저항(R')의 각상간에서의 차이를 해소하기 위하여, 구동회로(50)내의 배선저항에 대하여도 조정이 실시되어 있다. 즉, 도 3(a)에 도시한 3상 전압형 인버터가 구동회로(50)로서 사용되고 있는 경우, 전원과 Hi측의 스위칭 소자인 FET 51H~53H와의 사이의 배선 길이나, 접지점과 Lo측의 스위칭 소자인 FET 51L~53L과의 사이에서의 배선 길이를 상간에서 맞추는 것이 곤란하다. 그래서 본 실시형태에서는, 전원인 배터리(8)에서 Hi측 FET 51H~53H에 이르는 전류 경로중 Hi측 FET 51H~53H에 각각에 향하여 분기하는 접속점(이하, 전원측 분기점이라 한다)NH 이후의 버스바 55H가 도 3(b)에 도시한 바와 같은 형상으로 되어 있다. 즉, 버스바 55H중 전원측 분기점(NH)에서 Hi측 FET 51H의 소스 단자까지 부분의 폭(W1), 전원측 분기점(NH)에서 Hi측 FET 52H의 소스 단자까지의 부분의 폭(W2), 및 전원측 분기점(NH)에서 Hi측 FET 53H의 소스 단자까지의 부분의 폭(W3)이 전원측 분기점(NH)에서 3개의 Hi측 FET 51H~53H의 소스 단자까지의 배선의 저항값이 서로 거의 동일하게 되도록 설정되어 있다(통상은, W1=W3>W2가 된다). 또한, 접지점에서 Lo측 FET 51L~53L에 이르는 전류 경로중 Lo측 FET 51L~53L에 각각에 향하여 분기하는 접속점(이하, 접지측 분기점이라 한다, NL)이후의 버스바 55L이 도 3(c)에 도시하는 바와 같은 형상으로 되어 있다. 즉, 버스바 55L중 접지측 분기점(NL)에서 Lo측 FET 51L의 소스 단자까지의 부분의 폭(W4), 접지측 분기점(NL)에서 Lo측 FET 52L의 소스 단자까지의 부분의 폭(W5), 및 접지측 분기점(NL)에서 Lo측 FET 53L의 소스 단자까지의 부분의 폭(W6)이 접지측 분기점(NL)에서 3개의 Lo측 FET 51L~53L의 소스 단자까지의 배선의 저항값이 서로 거의 동일하게 되도록 설정되어 있다(통상은, W4=W6>W5가 된다).
상기와 같이 구동회로(50)내의 배선을 형성하는 버스바의 폭(W1~W6)의 설정(조정)에 의하여, 외부 저항(R')중 구동회로(50)내의 배선에 관한 저항 성분의 u, v, w상의 각 상간에서의 차이가 감소 또는 해소된다. 모터(6)의 내부 저항(R)의 상간에서의 차이는 거의 무시할 수 있으므로, 상기와 같이 하여 외부 저항(R')을 각상간으로 조정하는 것으로, 모터·구동회로계에 있어서 내부 저항(R)과 외부 저항(R')의 쌍방을 포함한 저항 성분의 각상간에서의 차이를 소정값 이하(예를 들면, 5%이하)로 할 수 있다.
또한, 일반적으로 버스바의 두께나 길이를 변화시키는 것은 용이하지 않으므로, 본 실시형태에서는, 버스바 55H, 55L의 폭(W1~W3, W4~W6)을 적절하게 설정하는 것에 의하여 배선 저항을 각상간에서 조정하고 있다. 그러나, 폭과 함께 또는 폭에 대신하여 버스바 55H, 55L의 두께(또는 단면적) 및/또는 길이를 조정하는 것에 의하여 배선 저항을 각상간에서 조정하고, 이것에 의하여 구동회로(50)에 있어서 저항 성분의 각상간에서의 차이를 감소 또는 해소하도록 하여도 좋다.
<변형예>
상기 실시형태에서는 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각상간에서의 차이를 감소 또는 해소하기 위하여, 구동회로(50)에서 모터(6)로 전류를 공급하기 위한 전류 공급 경로중 릴레이가 삽입되어 있지 않은 경로에 조정용의 저항체(Ra)를 삽입함과 함께(도 2), 구동회로(50)내의 배선을 형성하는 버스바의 형상을 조정한 구성(도 3)으로 되어 있지만, 이것에 대신하여 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 상간 조정을 위한 이들 2개의 저항 조정수단중 어느 한쪽만을 채용한 구성으로 하여도 좋다. 예를 들면, 구동회로(50)에서 모터(6)에 이르는 모든 전류 공급 경로에 릴레이가 삽입되어 있는 경우에는 구동회로(50)내의 배선저항에 대한 상간에서의 조정(예를 들면, 버스바 폭의 적절한 설정)을 실시하는 것만으로도 좋다. 또한, 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각상간에서의 차이를 감소 또는 해소하기 위한 저항 조정 수단이면, 상기 2개의 저항 조정 수단 이외의 다른 저항 조정 수단을 더 구비하는 구성이라도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 전동 파워 스테어링 장치의 구동원으로서 3상의 브러시리스 모터(6)가 사용되고 있지만, 브러시리스 모터의 상수(相數)는 3에 한정되는 것이 아니고, 본 발명은 4상 이상의 브러시리스 모터를 사용하는 전동 파워 스테어링 장치에도 적용 가능하다.
상기와 같이 본 실시형태에 의하면, 구동회로(50)에서 모터(6)에 전류를 공급하기 위한 전류 공급 경로의 저항값 및 구동회로(50)내의 배선의 저항값에 대하여의 각상간에서의 차이가 해소 또는 감소되고, 이것에 의하여 모터·구동회로계에 있어서 외부 저항(R')의 각상간에서의 차이가 해소 또는 감소된다. 그리고, 모터(6)의 내부 저항(R)이나 인덕턴스(L)의 각상간에서의 상위는 거의 무시할 수 있는 정도인 것에서, 상기에 의하여 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각상간에서의 차이가 해소 또는 감소될 뿐만아니라, 각상에 대한 모터·구동회로계의 게인 및 위상이 서로 거의 동일해진다. 그 결과, u, v, w상의 어느 것에 있어서도, 동일의 상전압이 인가된 경우에는 모터(6)에 대략 동일한 상전류가 흐르므로, 모터(6)에 있어서 토크리플을 감소할 수 있다. 예를 들면, 종래의 전동 파워 스테어링 장치에 있어서 모터 토크의 모터 전기각에 대한 변화는 도 5에 있어서 곡선(C1, 가는 쪽의 곡선)으로 나타내는 바와 같은 파형이 되지만, 본 실시형태에 의하면, 모터 토크의 모터 전기각에 대한 변화는 도 5에 있어서 곡선(C2, 굵은 쪽의 곡선)으로 나타내는 바와 같은 파형이 되고, 토크리플이 대폭적으로 감소되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 5에 있어서 곡선(C2)에서 나타내는 파형으로 표시되는 모터 토크를 출력하는 예에서는, 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각상간에서의 차이는 1%이하로 되어 있다. 이와 같이 본 실시형태에 의하면, 모터에 있어서 토크리플을 감소시키고, 조타 조작에 있어서 운전자에게 위화감을 주지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 배선때문에 사용되는 버스바의 폭 등을 적절하게 설정하는 것에 의하여 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분이 조정되는 것에서 상간에서의 저항 조정용의 저항기 등을 별도 첨가할 필요가 없다. 이 때문에, 비용의 증대를 억제하면서 모터·구동회로계의 게인 및 위상의 각상간에서의 차이를 감소 또는 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 전동 파워 스테어링 장치의 구성을 그것에 관련된 차량 구성과 함께 도시한 개략도이고,
도 2는 상기 실시형태에 관한 전동 파워 스테어링 장치에 있어서 제어장치인 ECU의 구성을 도시한 블록도이고,
도 3은 상기 실시형태에 있어서 구동회로내의 배선 저항의 상간에서의 조정을 설명하기 위한 회로도(a), 그리고 요부 형상을 도시한 모식도(b) 및 (c)이고,
도 4는 전동 파워 스테어링 장치에 있어서 전류제어계를 전달 함수를 이용하여 표현한 블록선도이고,
도 5는 상기 실시형태에 있어서 토크리플의 저감 효과를 설명하기 위한 모터 토크의 파형도이고,
도 6은 종래의 전동 파워 스테어링 장치에 있어서 모터·구동회로계의 주파수 특성을 도시한 보드선도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
3:토크 센서 4:차속 센서
5:ECU 6:모터
8:배터리 9:이그니션 스위치
11:볼 나사 구동부 12:위치 센서
100:핸들(스테어링 휠) 102:스테어링 샤프트
104:랙 피니언 기구 106:연결부재
108:차륜 Ts:조타 토크 신호
Vs:차속 신호

Claims (4)

  1. 차량 조타를 위한 조작에 따라 결정되는 목표값에 기초하여 브러시리스 모터를 구동하는 것에 의하여 해당 차량의 스테어링 기구에 조타 보조력을 부여하는 전동 파워 스테어링 장치에 있어서,
    상기 목표값에 기초하여, 상기 브러시리스 모터에 인가되어야 하는 전압의 지령값을 산출하는 제어 연산 수단과,
    상기 지령값에 기초하여 상기 브러시리스 모터를 구동하는 구동회로와, 그리고
    상기 브러시리스 모터 및 상기 구동회로를 포함하는 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분의 각상간에서의 차이가 소정값 이하가 되도록, 해당 모터·구동회로계에 있어서 저항 성분을 조정하는 저항 조정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스테어링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동회로에서 상기 브러시리스 모터에의 전류 공급을 위하여 상기 브러시리스 모터의 상마다에 마련된 전류 공급 경로중 적어도 하나의 전류 공급 경로에 삽입된 개폐수단을 더 구비하고,
    상기 저항 조정 수단은, 상기 개폐 수단이 삽입되어 있지 않은 상기 전류 공급 경로에 삽입된 저항을 포함하고, 상기 저항은 상기 전류 공급 경로의 저항값의 각상간에서의 차이가 소정값 이하가 되도록, 상기 개폐 수단의 폐쇄상태에 있어서 저항값에 따른 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스테어링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구동회로는, 상기 브러시리스 모터의 상수만큼 병열로 접속된 복수의 스위칭 소자 쌍으로 구성되고, 스위칭 소자 쌍은, 각각 전원측에 배치된 스위칭 소자인 Hi측 스위칭 소자와 접지점측에 배치된 스위칭 소자인 Lo측 스위칭 소자를 가지고, 상기 Hi측 스위칭 소자와 상기 Lo측 스위칭 소자와의 접속점이 상기 전류공급 경로를 개재하여 상기 브러시리스 모터에 접속되고,
    상기 저항 조정 수단은, 상기 전원에서 상기 Hi측 스위칭 소자까지의 전류 경로인 Hi측 전류 경로의 저항값의 각상간에서의 차이, 및 , 상기 Lo측 스위칭소자에서 상기 접지점까지의 전류 경로인 Lo측 전류 경로의 저항값의 각상간에서의 차이는 적아도 한쪽이 소정값이하가 되도록 상기 Hi측 전류 경로 및 상기 Lo측 전류 경로의 적어도 한쪽의 저항을 조정하기 위한 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스테어링 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터·구동회로계는 배선을 위한 버스바를 포함하고, 상기 저항 조정 수단은 상기 모터·구동회로계에 있어서, 저항 성분의 각상간에서의 차이가 소정값 이하가 되도록, 버스바의 단면적 및 길이의 적어도 한쪽이 조정하는 것에 의하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스테어링 장치.
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