WO2018008633A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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WO2018008633A1
WO2018008633A1 PCT/JP2017/024491 JP2017024491W WO2018008633A1 WO 2018008633 A1 WO2018008633 A1 WO 2018008633A1 JP 2017024491 W JP2017024491 W JP 2017024491W WO 2018008633 A1 WO2018008633 A1 WO 2018008633A1
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coil
temperature
substrate
heat generation
generation amount
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PCT/JP2017/024491
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English (en)
French (fr)
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貴弘 椿
友博 三浦
崇 須永
木暮　伸昭
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日本精工株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures
    • B62D5/0496—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures by using a temperature sensor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/046—Controlling the motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/64—Controlling or determining the temperature of the winding

Definitions

  • the present invention relates to an electric power steering device having a function of estimating a coil temperature of a multiphase motor, and in particular, a heat transfer phenomenon between phases and a heat transfer phenomenon between a coil and a control board caused by a temperature difference between the coils of each phase.
  • the present invention relates to an electric power steering apparatus capable of estimating a coil temperature in consideration.
  • An electric power steering device that applies a steering assist force (assist torque) to a steering system of a vehicle by a rotational force of a motor is driven by a transmission mechanism such as a gear or a belt via a speed reduction mechanism.
  • Assist control is performed by applying a steering assist force to the shaft or the rack shaft.
  • Such a conventional electric power steering apparatus performs feedback control of motor current in order to accurately generate assist torque.
  • the motor applied voltage is adjusted so that the difference between the steering assist command value (current command value) and the motor current detection value is small.
  • the adjustment of the motor applied voltage is generally performed by PWM (pulse width). This is done by adjusting the duty of modulation) control.
  • the general configuration of the electric power steering apparatus will be described with reference to FIG.
  • the pinion rack mechanism 5 and the tie rods 6a and 6b are connected to the steering wheels 8L and 8R via the hub units 7a and 7b.
  • a torsion bar is inserted in the column shaft 2
  • a steering angle sensor 14 for detecting the steering angle ⁇ of the steering wheel 1 by a torsion angle of the torsion bar and a torque sensor 10 for detecting the steering torque Th are provided.
  • a motor 20 that assists the steering force of the handle 1 is connected to the column shaft 2 via the reduction gear 3.
  • the control unit (ECU) 30 that controls the electric power steering apparatus is supplied with electric power from the battery 13 and also receives an ignition key signal via the ignition key 11.
  • the control unit 30 calculates the current command value of the assist control command based on the steering torque Th detected by the torque sensor 10 and the vehicle speed Vel detected by the vehicle speed sensor 12, and compensates the current command value.
  • the current supplied to the motor 20 is controlled by the voltage control command value Vref.
  • the steering angle sensor 14 is not essential and may not be provided, and the steering angle can be obtained from a rotation angle sensor such as a resolver connected to the motor 20.
  • the control unit 30 is connected to a CAN (Controller Area Network) 40 that transmits and receives various types of vehicle information, and the vehicle speed Vel can also be received from the CAN 40.
  • the control unit 30 can be connected to a non-CAN 41 that exchanges communications, analog / digital signals, radio waves, and the like other than the CAN 40.
  • the control unit 30 is mainly composed of a CPU (including an MPU, MCU, etc.).
  • FIG. 2 shows general functions executed by a program inside the CPU.
  • the steering torque Th detected by the torque sensor 10 and the vehicle speed Vel detected by the vehicle speed sensor 12 are a current command for calculating a current command value Iref1.
  • the value is input to the value calculation unit 31.
  • the current command value calculation unit 31 calculates a current command value Iref1, which is a control target value of the current supplied to the motor 20, using an assist map or the like based on the input steering torque Th and vehicle speed Vel.
  • the inverter 37 is composed of an FET bridge circuit as a semiconductor switching element.
  • a rotation angle sensor 21 such as a resolver is connected to the motor 20, and the rotation angle ⁇ is detected from the rotation angle sensor 21 and output.
  • the compensation signal CM from the compensation signal generation unit 34 is added to the addition unit 32A, and the compensation of the steering system system is performed by the addition of the compensation signal CM, thereby improving the convergence and inertia characteristics.
  • the compensation signal generation unit 34 adds the self-aligning torque (SAT) 343 and the inertia 342 by the addition unit 344, and further adds the convergence 341 to the addition result by the addition unit 345, and compensates the addition result of the addition unit 345.
  • the signal CM is used.
  • the details of the PWM control unit 36 and the inverter 37 are configured as shown in FIG. 3, for example, and the PWM control unit 36 sets the voltage control command value Vref to a three-phase according to a predetermined formula.
  • the inverter 37 is constituted by a three-phase bridge (FET1 to FET6) of FETs as semiconductor switching elements, and drives the motor 20 by being turned ON / OFF by PWM duty values D1 to D6.
  • a motor relay 39 for supplying (ON) or shutting off (OFF) power is connected to each phase of the power supply line between the inverter 37 and the motor 20.
  • a large current may flow through the motor depending on the steering situation (for example, when the end-locking state of the handle is held for a long time in the stationary state), and the coil in the motor is For example, when the temperature is higher than 180 ° C., problems such as coil breakage occur. Therefore, it is necessary to take measures against overheating of the coil from the safety aspect of the vehicle. For this purpose, it is necessary to estimate or measure the coil temperature (coil temperature). However, since it is difficult to directly measure the coil temperature, a method for estimating the coil temperature has been proposed.
  • Patent Document 1 a temperature estimation model is constructed in consideration of the relationship between the heat transfer phenomenon between the multiphase coils and the motor rotation speed, and the relationship between the heat dissipation coefficient and the motor rotation speed. Coil temperature is estimated. Specifically, the heat transfer coefficient between the arbitrary phase coil and the outside air environment, the arbitrary phase and the other phase of the multiphase motor is identified by the change of the motor rotation speed, and the substrate temperature and each phase current (or current command value) Is used to estimate the temperature of each phase coil or magnet of the motor.
  • Patent Document 1 a temperature estimation model is constructed in consideration of the relationship between the heat transfer phenomenon between the multiphase coils and the motor rotation speed, and the relationship between the heat dissipation coefficient and the motor rotation speed. Coil temperature is estimated. Specifically, the heat transfer coefficient between the arbitrary phase coil and the outside air environment, the arbitrary phase and the other phase of the multiphase motor is identified by the change of the motor rotation speed, and the substrate temperature and each phase current (or current command value) Is used to estimate the temperature of each
  • the heat generated by the motor is proportional to the integrated value of the square value of the current supplied to the motor coil, and the motor is affected by the heat dissipation (cooling) of the motor coil.
  • the temperature of the motor coil is estimated using the fact that the temperature change of the coil has a relationship of a first-order lag function in the practical application temperature range ( ⁇ 40 to 180 ° C.). Specifically, the current value of the current supplied to the motor coil is square-integrated and averaged, and then the temperature of the motor coil is estimated by passing the first-order lag function twice.
  • Patent Document 1 the temperature of the ECU is used as input data in consideration of heat transfer between the phase coils.
  • heat transfer between the phase coils and the ECU is not considered, There is a possibility that an error occurs in the estimated temperature due to the influence of.
  • Patent Document 2 does not particularly take into consideration the influence from the ECU, there is a possibility that an error occurs in the estimated temperature due to the influence from the ECU more than the apparatus of Patent Document 1.
  • the present invention has been made under the circumstances as described above, and the object of the present invention is to consider the heat transfer phenomenon between the control board and the coil in addition to the heat transfer phenomenon between each phase of the multiphase coil.
  • An object of the present invention is to provide an electric power steering device that enables estimation of coil temperature with high accuracy.
  • the present invention relates to an electric power steering apparatus including a control board for controlling a multiphase motor
  • the object of the present invention is to provide a temperature sensor for detecting a board temperature of the control board, and a motor current of each phase of the multiphase motor.
  • the object of the present invention is that the heat transfer phenomenon is represented by frequency characteristics, or the coil temperature estimation unit is configured to obtain a coil heat generation amount of each phase from the motor current; A substrate heating amount calculation unit for determining a substrate heating amount of the control board from a motor current; and a coil temperature calculation unit for determining the coil temperature based on the frequency characteristics based on the coil heating amount, the substrate heating amount and the substrate temperature; Or the coil heat generation amount calculation unit changes the coil resistance of each phase used for obtaining the coil heat generation amount according to the coil temperature of the corresponding phase, and the substrate heat generation amount.
  • the arithmetic unit may change the substrate resistance used for obtaining the substrate heat generation amount according to the substrate temperature, or the frequency characteristic may be determined by the coil By including a calorific value frequency characteristic which is a frequency characteristic from the amount of heat or the substrate heat generation amount to the coil temperature or the substrate temperature and an outside air temperature frequency characteristic which is a frequency characteristic from the outside air temperature to the coil temperature or the substrate temperature, Alternatively, the coil temperature calculation unit obtains the coil temperature by linearly combining the coil heat generation amount, the substrate heat generation amount, and the substrate temperature with the heat generation amount frequency characteristic and the outside air temperature frequency characteristic as transfer functions.
  • the heat transfer phenomenon is represented by a differential equation, or the coil temperature estimating unit calculates a coil heat generation amount of each phase from the motor current, and the motor current from the motor current
  • a substrate heat generation amount calculation unit for obtaining a substrate heat generation amount of the control board, the coil heat generation amount, the substrate heat generation amount, and the substrate temperature.
  • a coil temperature calculation unit for determining the coil temperature based on the differential equation, or the coil heat generation amount calculation unit calculates the coil resistance of each phase used for determining the coil heat generation amount
  • the substrate heat generation amount calculating unit changes the substrate resistance used for obtaining the substrate heat generation amount according to the substrate temperature, or the differential equation is changed according to the coil temperature of the corresponding phase. Is more effectively achieved by including difference information between the coil temperature and the substrate temperature.
  • the electric power steering apparatus of the present invention in addition to the heat transfer phenomenon between the phases caused by the temperature difference between the coils of the respective phases, the relational expression considering the heat transfer phenomenon between the coils and the control board is used. Because the coil temperature is estimated, more accurate temperature estimation can be performed.
  • the estimation of the coil temperature (coil temperature) of each phase (U phase, V phase, W phase) in the multiphase motor is performed, and the heat transfer phenomenon (heat conduction, thermal radiation, thermal convection, etc.) between the phases. And based on the heat transfer phenomenon between the coils and the control unit (ECU) substrate (control substrate).
  • the amount of heat generated in each coil varies due to variations in the current (motor current) energized in each phase coil, thereby causing a temperature difference between the coils.
  • This temperature difference causes a heat transfer phenomenon between each phase and between each coil and the outside air environment.
  • a temperature difference also occurs between the control board and each coil, and the control board and the motor are usually close to each other.
  • this heat transfer phenomenon is expressed by, for example, frequency characteristics, and the relationship between the heat generation amount and the coil temperature is expressed numerically, and the heat generation amount is obtained from the motor current, or the heat transfer phenomenon is expressed by a differential equation, By including the difference information between the coil temperature and the temperature of the control board (substrate temperature) in the equation, the coil temperature is estimated using the motor current and the board temperature.
  • FIG. 4 shows a configuration example (first embodiment) of the embodiment of the present invention corresponding to FIG. 2, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the motor 20 cut along a virtual plane including the central axis Zr.
  • the motor 20 includes a rotation angle sensor (resolver) 21, a housing 22, bearings 23 and 24, a rotor 50, and a stator 60.
  • the resolver 21 includes a resolver rotor 21 a and a resolver stator 21 b and is supported by a terminal block 25.
  • the housing 22 includes a cylindrical housing 22a and a front bracket 22b, and a bottom 22c is formed on the cylindrical housing 22a at an end opposite to the front bracket 22b so as to close the end.
  • the bearing 23 rotatably supports one end of the shaft 51 that is a part of the rotor 50 disposed inside the cylindrical housing 22a, and the bearing 24 rotatably supports the other end of the shaft 51, thereby
  • the shaft 51 rotates around the central axis Zr.
  • the rotor 50 includes a shaft 51, a rotor yoke 52, and a magnet 53.
  • the stator 60 includes a cylindrical stator core 61 and a coil (excitation coil) 63, and the excitation coil 63 is wound around the stator core 61.
  • the stator core 61 includes a plurality of divided cores 62, and the exciting coil 63 is concentrated on the outer periphery of a tooth (not shown) of the divided core 62 via an insulator (a member for insulating the exciting coil 63 and the divided core 62) 64. It is wound. And as mentioned above, the temperature of the coil of the part shown by the circle in the exciting coil 63 is estimated.
  • the temperature sensor 200 detects the temperature of the control board, and outputs as the substrate temperature T E.
  • a thermistor is used as the temperature sensor 200.
  • the ECU 30 includes, as a control board, a power circuit board and a control circuit board that are arranged in parallel at a predetermined interval.
  • FIG. 6 shows the bottom surface side of the power circuit board 30A, and the temperature sensor (thermistor) 200 determines the temperature of the three-phase bridges (FET1 to FET6) of the FET mounted on the top surface side of the power circuit board 30A. It is detected as T E.
  • a relay circuit 71 On the bottom surface side of the power circuit board 30A, a relay circuit 71, a noise countermeasure coil 72, and power supply smoothing electrolytic capacitors 73a and 73b are disposed, and are further provided at positions facing the lower surfaces of the FET1 to FET6, respectively.
  • Through holes 74 penetrating the power circuit board 30A are formed, and disk-shaped copper coins 75 as heat conduction members are press-fitted into the through holes 74, respectively.
  • the thermistor 200 is connected to the lower surface of the copper coin 75 in contact with the FET1 to FET6 via insulating thermal conductive grease (not shown), so that the thermal resistance between the FET1 to FET6 is reduced and the FET1 to FET6 are reduced.
  • the heat generation temperature of the FET 6 can be transferred to the thermistor 200 with a low thermal resistance, variation in the thermal resistance from the plurality of FET 1 to FET 6 to the thermistor 200 is reduced, and the temperature of the FET 1 to FET 6 can be accurately measured.
  • the motor current detector 38 detects the motor current Im of the motor 20, but since the motor 20 in this embodiment is a three-phase motor, the motor current of each phase is detected.
  • the U-phase motor current i u , the V-phase motor current iv and the W-phase motor current i w are fed back as the motor current Im. Further, inputted to the U-phase motor current i u, V-phase motor current i v, and W-phase motor current i w is is inputted to the substrate heating value calculation unit 340, the coil calorific value calculation unit 310, 320 and 330 respectively .
  • the coil heat generation amount calculation units 310, 320, and 330 calculate the heat generation amounts (coil heat generation amounts) Q U , Q V, and Q W of the coils of each phase, respectively.
  • the amount of heat generation can be obtained from the equation of the electric power generated in the resistance, but the resistance of each phase coil (coil resistance) varies depending on the coil temperature of each phase. Therefore, the coil resistance is treated as a function of the coil temperature, and the coil heat generation amounts Q U , Q V and Q W are calculated from the following equations 1 to 3.
  • R U (T U ), R V (T V ), and R W (T W ) are coil resistances of the U phase, V phase, and W phase, respectively, and T U , T V, and T W are U phase, respectively. , V-phase and W-phase coil temperatures.
  • the motor currents i u , i v and i w are expressed as a function of time t.
  • the coil resistances R U (T), R V (T), and R W (T) are assumed to be R U0 , R V0 , and R W0 , respectively, at the reference temperature T b. It can be calculated from the following equations 4 to 6.
  • ⁇ U , ⁇ V and ⁇ W are temperature coefficients of the U phase, the V phase and the W phase, respectively.
  • the coil is copper, it becomes 4.4 ⁇ 10 ⁇ 3 [1 / ° C.] Fine adjustment may be made by experiment or the like.
  • Equations 4 to 6 the coil heat generation amounts Q U , Q V and Q W can be calculated from Equations 7 to 9 below.
  • the coil heat generation amount calculation units 310, 320, and 330 calculate the coil heat generation amounts Q U , Q V, and Q W using Equations 7 to 9 above, respectively.
  • the substrate heat generation amount calculation unit 340 also calculates the heat generation amount (substrate heat generation amount) Q E of the control board from the equation of the electric power generated in the resistor.
  • the magnitudes of currents necessary for the calculation are motor currents i u , i v and i Calculate from w .
  • the heat generation equivalent resistance (substrate resistance) of the control board varies depending on the temperature (the substrate temperature T E in the case of the control board) as well as the coil resistance.
  • the control board when the ignition is on, even if the coil is not energized, the control board generates heat equivalent to standby power, such as weak heat generated by the semiconductor switching element and heat generated by the operation of the microcomputer and other semiconductors.
  • the calorific value must be taken into account.
  • the heating value Q E of the control board is calculated from the following Expression 10.
  • R E (T E ) is a substrate resistance
  • Q E0 is a calorific value corresponding to standby power.
  • the substrate heating value Q E can be calculated from the following equation (12).
  • Q E0 may be deleted in Equations 10 and 12 above.
  • Substrate heating value calculation unit 340 by using the number 12, to calculate the substrate calorific value Q E.
  • the coil temperature calculation unit 350 calculates the coil temperatures T U , T V, and T W of each phase from the coil heat generation amounts Q U , Q V and Q W , the substrate heat generation amount Q E and the substrate temperature T E. Derivation of equations for calculating them will be described.
  • a G XY (s) the frequency characteristics of the coil temperature T Y in the Y-phase from the heating value Q X is (calorific frequency characteristic) (X and Y is either U, V, W, E ), G 0X is the frequency characteristic from the outside air temperature T 0 to the coil temperature T X of X phase (external temperature frequency characteristic) (X is either U, V, W, E) , simplification of description Therefore, the control board is set to the E phase.
  • s is a Laplace operator.
  • G TB G 0B / G 0E
  • G AB ' G AB -G TB G AE
  • G EB' G EB -G TB G EE
  • the above equations 17 to 19 are represented by a block diagram as shown in FIG. 7, and the coil temperature calculation unit 350 has the configuration shown in FIG. 7 and the coil heat generation amount Q U , Q V and Q W, the substrate heat generation amount.
  • the coil temperatures T U , T V and T W are calculated from Q E and the substrate temperature T E.
  • the coil temperature calculating unit 350 performs multiplication in the number of 17 to several 19 in the arithmetic unit 401, 405 and 402 to the coil calorific value Q U inputting
  • calculating unit 406 to the coil calorific value Q V performs multiplication in the number 17 to number 19 at 404 and 403 performs multiplication in the number of 17 to several 19 in the arithmetic unit 408,407 and 409 to the coil calorific value Q W
  • the substrate heating value Q E performs multiplication number 17 in to several 19 in the arithmetic unit 410, 412 and 414, it performs a multiplication in the number of 17 to several 19 in the arithmetic unit 411, 413 and 415 with respect to the substrate temperature T E.
  • the coil temperatures T U , T V, and T W are input to the abnormality processing unit 210 and used for the next heat generation amount calculation in the coil heat generation amount calculation units 310, 320, and 330, respectively. 380.
  • the abnormality processing unit 210 executes processing of the abnormality determination unit 25 and the motor current limiting unit 23 described in, for example, Japanese Patent No. 4356295. That is, as in the process of the abnormality determination unit 25, it is determined whether the coil temperatures T U , T V, and T W exceed the preset allowable limit temperature of the motor 20, and if so, the motor 20 Determined to be in an overheated state. If the overheat state is determined, the current command value is gradually decreased with time and the motor current is gradually decreased with time, or the current command value is set to zero, as in the process in the motor current limiter 23. As the motor current is cut off. Furthermore, the temperature detection circuit 31 and the temperature detection unit 26 described in the publication may be mounted to determine whether the temperature detection circuit 31 is abnormal.
  • the coil temperature estimation unit is configured by the coil heat generation amount calculation units 310, 320, and 330, the substrate heat generation amount calculation unit 340, and the coil temperature calculation unit 350.
  • the U-phase motor current i u , the V-phase motor current iv, and the W-phase motor current i w detected by the motor current detector 38 are input to the coil heat generation amount calculation units 310, 320, and 330, respectively, and the substrate heat generation amount.
  • the data is input to the calculation unit 340 (step S10).
  • the temperature sensor 200 detects the temperature of the control board (step S20), and outputs the substrate temperature TE to the substrate heat generation amount calculation unit 340 and the coil temperature calculation unit 350. Note that the order of motor current detection and substrate temperature detection may be reversed or executed in parallel.
  • the coil heat generation amount calculation unit 310 calculates the U-phase coil heat generation amount Q U from Equation 7 using the U-phase motor current i u and the previously estimated coil temperature T U ′ held in the memory 360.
  • the coil heat generation amount calculation unit 320 calculates the V-phase coil heat generation amount Q V from Equation 8 using the V-phase motor current iv and the coil temperature T V ′ held in the memory 370
  • the heat generation amount calculation unit 330 calculates the W-phase coil heat generation amount Q W from Equation 9 using the W-phase motor current i w and the coil temperature T W ′ held in the memory 380 (step S30).
  • the reference temperature T b, the reference temperature T b coil resistance at R U0, R V0 and R W0 and the temperature coefficient alpha U, alpha V and alpha W is preset.
  • the substrate temperature R E0 , the temperature coefficient ⁇ E and the heat generation amount Q E0 at the reference temperature T b , the reference temperature T b are set in advance.
  • Coil calorific value Q U, Q V and Q W and substrate heating value Q E is input to the coil temperature calculating unit 350 with the substrate temperature T E.
  • the coil temperature calculation unit 35 calculates the coil temperatures T U , T V, and T W from the coil heat generation amounts Q U , Q V, and Q W , the substrate heat generation amount Q E , and the substrate temperature T E based on Equations 17 to 19. Is calculated (step S50).
  • the coil temperatures T U , T V and T W are input to the abnormality processing unit 210 and held in the memories 360, 370 and 380, respectively (step S60).
  • the coil heat generation amount calculation units 310, 320, and 330 may be combined into one, and the coil heat generation amounts Q U , Q V, and Q W may be calculated from Equations 7, 8, and 9. Further, the memories 360, 370, and 380 may be combined into one, and a shared memory may be used.
  • the overall configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration of the coil temperature calculation unit is different.
  • the following equation 20 can be set from the symmetry of each phase with respect to equations 17 to 19 which are the basis of the calculation in the coil temperature calculation unit 350 of the first embodiment.
  • the above formulas 21 to 23 are represented by a block diagram as shown in FIG. 9, and the coil temperature calculation unit of the second embodiment has the configuration shown in FIG. 9 and the coil heat generation amounts Q U , Q V and Q W.
  • the coil temperatures T U , T V, and T W are calculated from the substrate heat generation amount Q E and the substrate temperature T E. That is, the calculation of the coil heat generation amounts Q U , Q V and Q W by GL is performed by the calculation units 451, 453 and 456, respectively, and the addition in parentheses in the equations 21 to 23 is performed by the addition units 462, 460 and carried out at 461, performs multiplication of G M to them addition result in each computation unit 454 and 455 and 452.
  • the operation for estimating the coil temperature in the second embodiment is the same as the operation in the first embodiment except that the operation of the above-described coil temperature calculation unit is different.
  • the coil temperature calculation unit performs the calculation with the configuration shown in FIG. 7 or FIG. 9, but may be executed by a program inside the CPU.
  • FIG. A configuration example of the third embodiment is shown in FIG. Compared to the configuration example of the first embodiment shown in FIG. 4, the coil temperature calculation unit 350 is replaced with a coil temperature calculation unit 550, and the coil temperature calculation unit 550 includes coil heating values Q U , Q V and Q W, in addition to the substrate heating value Q E and the substrate temperature T E, the coil temperature T U, which is held in the memory 360, 370 and 380 ', T V' and T W 'is input.
  • the coil temperature estimation unit includes coil heating value calculation units 310, 320, and 330, a substrate heating value calculation unit 340, and a coil temperature calculation unit 550.
  • the coil temperature calculation unit 550 calculates the coil temperatures T U , T V, and T W of each phase based on the differential equation of heat conduction.
  • C L is the heat capacity of the coil
  • K L is the heat dissipation coefficient of the coil
  • K LL is the heat transfer coefficient between the coils
  • K LE is the heat transfer coefficient between the coil and the control board.
  • Equation 27 The difference information of the third term to the fifth term on the right side in Equation 27 represents the heat conduction between each phase and the control board.
  • the outside air temperature T 0 is obtained using Equation 33, and the outside air temperature T 0 and the coil heat generation amount Q U .
  • the differential values of coil temperatures T U , T V and T W are obtained using Equations 29 to 31 and integrated. As a result, new coil temperatures T U , T V and T W can be obtained.
  • the coil temperature calculation unit 550 calculates the coil temperatures T U , T V, and T W of each phase based on the above equations 29 to 31 and 33.
  • a configuration example of the coil temperature calculation unit 550 is shown in FIG.
  • the coil temperature calculation unit 550 includes a differential equation calculation unit 551, an outside air temperature calculation unit 552, integration units 553, 554, and 555, a memory 556, and addition units 557 and 558.
  • the differential equation calculation unit 551 is calculated by the coil heat generation amounts Q U , Q V and Q W , the substrate temperature T E , the previously estimated coil temperatures T U ′, T V ′ and T W ′ and the outside air temperature calculation unit 552.
  • Equations 29 to 31 calculate the coil temperature T U, the differential value DT U of T V and T W, DT V and DT W.
  • C L , ⁇ , ⁇ LL , ⁇ LE and ⁇ L in Equations 29 to 31 are set in advance.
  • the differential values DT U , DT V, and DT W are integrated by the integration units 553, 554, and 555, respectively, and the coil temperatures T U , T V, and T W are calculated. Integration in the integration units 553, 554, and 555 is performed, for example, by accumulating differential values to initial values of the coil temperatures.
  • Outside air temperature calculating unit 552 along with retained addition result in the memory 556 (T U + T V + T W), enter the substrate heating value Q E and the substrate temperature T E, with the number 33, the outside air temperature T 0 calculate.
  • C E , ⁇ ′, ⁇ LE ′, and ⁇ E ′ are set in advance.
  • the coil temperatures T U , T V, and T W calculated by the coil temperature calculation unit 550 are input to the abnormality processing unit 210 and are used for the next coil heat generation calculation and coil temperature calculation, respectively. 370 and 380.
  • the coil heat generation amounts Q U , Q V and Q W and the substrate heat generation amount Q E are input to the coil temperature calculation unit 550.
  • the outside air temperature calculation unit 552 in the coil temperature calculation unit 550 inputs the addition result (T U + T V + T W ) held in the memory 556 together with the substrate heat generation amount Q E and the substrate temperature T E. calculating the ambient temperature T 0 (step S41), and outputs the differential equations calculating unit 551.
  • the differential equation calculation unit 551 includes the coil heating values Q U , Q V and Q W , the substrate temperature T E , the outside air temperature T 0 , and the coil temperatures T U ′ and T V ′ held in the memories 360, 370 and 380, respectively. and T W using 'differential value DT U coil temperature than the number 29 to number 31, and calculates the DT V and DT W (step S42).
  • the integrators 553, 554, and 555 receive the differential values DT U , DT V, and DT W , respectively, and integrate them to calculate the coil temperatures T U , T V, and T W (step S43).
  • the coil temperatures T U , T V, and T W are output and added by the adders 557 and 558, and the addition result (T U + T V + T W ) is held in the memory 556 for the next outside air temperature calculation. (Step S44).
  • Coil temperature coil temperature T U which is output from the operation unit 550, together with T V and T W are inputted to the abnormality processing unit 210, are respectively held in the memory 360, 370 and 380 (step S60).
  • the coil temperature calculation unit 550 holds the addition result of the coil temperatures T U , T V, and T W in the memory 556, but when the outside air temperature calculation unit 552 calculates the outside air temperature T 0 , the memory 360, A result obtained by adding the coil temperatures T U ′, T V ′, and T W ′ held in 370 and 380, respectively, may be used.
  • the coil temperature calculation unit 550 calculates the coil temperature based on the differential equation.
  • the coil temperature calculation unit 550 can be calculated after converting into a differential equation that is generally used and can be mounted on the ECU. Alternatively, it can be calculated after conversion to a transfer function.
  • first to third embodiments are intended for three-phase motors, but can also be applied to motors having a number of phases other than three phases.

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Abstract

【課題】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。 【解決手段】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、制御基板の基板温度を検出する温度センサと、多相モータの各相のモータ電流及び基板温度により、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に基づいて、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。

Description

電動パワーステアリング装置
　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ＴＥ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ＴＥ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ｉｕ、Ｖ相モータ電流ｉｖ及びＷ相モータ電流ｉｗ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ｉｕ、Ｖ相モータ電流ｉｖ及びＷ相モータ電流ｉｗ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）ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここで、ＲＵ（ＴＵ）、ＲＶ（ＴＶ）及びＲＷ（ＴＷ）はそれぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相のコイル抵抗で、ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ｉｕ、ｉｖ及びｉｗ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ＲＵ（Ｔ）、ＲＶ（Ｔ）及びＲＷ（Ｔ）は、基準温度Ｔｂでのコイル抵抗をそれぞれＲＵ０、ＲＶ０、ＲＷ０とすると、下記数４～数６より算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 ここで、αＵ、αＶ及びαＷ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷは下記数７～数９より算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ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）ＱＥを算出するが、算出に必要な電流の大きさはモータ電流ｉｕ、ｉｖ及びｉｗ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ＴＥ）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ＱＥは下記数１０より算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 ここで、ＲＥ（ＴＥ）は基板抵抗であり、ＱＥ０は待機電力相当の発熱量である。そして、基準温度Ｔｂでの基板抵抗をＲＥ０、制御基板の温度係数をαＥとすると、基板温度がＴのときの基板抵抗ＲＥ（Ｔ）は下記数１１より算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 よって、数１０に数１１を代入すると、基板発熱量ＱＥは下記数１２より算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 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、ＱＥ０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ＱＥを算出する。
　コイル温度演算部３５０は、コイル発熱量ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、基板発熱量ＱＥ並びに基板温度ＴＥから各相のコイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、基板発熱量ＱＥ並びに外気温Ｔ０から、各相のコイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ並びに基板温度ＴＥへの伝達関数は下記数１３～数１６で表わすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 ここで、ＧＸＹ（ｓ）は発熱量ＱＸからＹ相のコイル温度ＴＹ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）、Ｇ０Ｘは外気温Ｔ０からＸ相のコイル温度ＴＸ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Ｔ０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）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 ここで、ＧＴＢ＝Ｇ０Ｂ／Ｇ０Ｅ、ＧＡＢ’＝ＧＡＢ－ＧＴＢＧＡＥ、ＧＥＢ’＝ＧＥＢ－ＧＴＢＧＥＥ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、基板発熱量ＱＥ並びに基板温度ＴＥからコイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＱＵ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ＱＶ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ＱＷ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ＱＥ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ＴＥ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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷとなる。
　コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ｉｕ、Ｖ相モータ電流ｉｖ及びＷ相モータ電流ｉｗ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ＴＥ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ｉｕ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ＴＵ’を用いて、数７よりＵ相のコイル発熱量ＱＵ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ｉｖ及びメモリ３７０に保持されているコイル温度ＴＶ’を用いて、数８よりＶ相のコイル発熱量ＱＶを算出し、コイル発熱量演算部３３０は、Ｗ相モータ電流ｉｗ及びメモリ３８０に保持されているコイル温度ＴＷ’を用いて、数９よりＷ相のコイル発熱量ＱＷを算出する（ステップＳ３０）。なお、基準温度Ｔｂ、基準温度Ｔｂでのコイル抵抗ＲＵ０、ＲＶ０及びＲＷ０並びに温度係数αＵ、αＶ及びαＷ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ｉｕ、ｉｖ及びｉｗ並びに基板温度ＴＥを用いて、数１２より基板発熱量ＱＥを算出する（ステップＳ４０）。基準温度Ｔｂ、基準温度Ｔｂでの基板抵抗ＲＥ０、温度係数αＥ及び発熱量ＱＥ０は、予め設定されている。
　コイル発熱量ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ並びに基板発熱量ＱＥは、基板温度ＴＥ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、基板発熱量ＱＥ並びに基板温度ＴＥより、コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷを算出する（ステップＳ５０）。コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
  
　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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、基板発熱量ＱＥ並びに基板温度ＴＥからコイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷを算出する。即ち、コイル発熱量ＱＵ、ＱＶ及びＱＷへのＧＬ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ＧＭ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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、基板発熱量ＱＥ並びに基板温度ＴＥの他に、メモリ３６０、３７０及び３８０に保持されているコイル温度ＴＵ’、ＴＶ’及びＴＷ’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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
 ここで、ＣＬはコイルの熱容量、ＫＬはコイルの放熱係数、ＫＬＬはコイル間の伝熱係数、ＫＬＥ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
 ここで、ＣＥは制御基板の熱容量、ＫＥ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
 上記数３２を変形し、外気温Ｔ０について解くと、下記数３３になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000033
  
　よって、基板温度ＴＥ、コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ並びに基板発熱量ＱＥより、数３３を用いて外気温Ｔ０を求め、その外気温Ｔ０と、コイル発熱量ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ並びに基板温度ＴＥより、数２９～数３１を用いてコイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、基板温度ＴＥ、前回推定されたコイル温度ＴＵ’、ＴＶ’及びＴＷ’並びに外気温演算部５５２で算出される外気温Ｔ０より、数２９～数３１を用いて、コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷの微分値ＤＴＵ、ＤＴＶ及びＤＴＷを算出する。数２９～数３１中のＣＬ、τ、τＬＬ、τＬＥ及びτＬは予め設定されている。微分値ＤＴＵ、ＤＴＶ及びＤＴＷは、それぞれ積分部５５３、５５４及び５５５にて積分され、コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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（ＴＵ＋ＴＶ＋ＴＷ）と共に、基板発熱量ＱＥ及び基板温度ＴＥを入力し、数３３を用いて、外気温Ｔ０を算出する。数３３中のＣＥ、τ’、τＬＥ’及びτＥ’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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＱＥ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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ並びに基板発熱量ＱＥ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ＱＥ及び基板温度ＴＥと共に、メモリ５５６に保持されている加算結果（ＴＵ＋ＴＶ＋ＴＷ）を入力し、数３３より外気温Ｔ０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ＱＵ、ＱＶ及びＱＷ、基板温度ＴＥ、外気温Ｔ０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ＴＵ’、ＴＶ’及びＴＷ’を用いて、数２９～数３１よりコイル温度の微分値ＤＴＵ、ＤＴＶ及びＤＴＷ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ＤＴＵ、ＤＴＶ及びＤＴＷを入力し、積分して、コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷを算出する（ステップＳ４３）。コイル温度ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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（ＴＵ＋ＴＶ＋ＴＷ）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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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ＴＵ、ＴＶ及びＴＷ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Ｔ０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ＴＵ’、ＴＶ’及びＴＷ’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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