WO2020075693A1 - モータ制御システム、モータおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係るモータ制御システムの一つの態様は、モータに電力を供給するモータ制御システムであり、定電圧を発生する電源回路と、モータのコイル巻線を駆動するためのインバータ回路と、インバータ回路への電力供給を遮断する電源リレー回路と、センサからの情報に基づき制御量を演算し、インバータ回路へ制御信号を出力するＣＰＵと、をそれぞれ１つずつ備える第１モータ制御部および第２モータ制御部を備える。第１モータ制御部は、前記独立した２組のコイル巻線における一方の巻線組である第１コイル巻線に電力を供給し、第２モータ制御部は、独立した２組のコイル巻線における他方の巻線組である第２コイル巻線に電力を供給し、第１モータ制御部は、第２モータ制御部の異常を検出する第１異常検出回路を有し、第２モータ制御部は、第１モータ制御部の異常を検出する第２異常検出回路を有する、モータ制御システム。

Description

モータ制御システム、モータおよび電動パワーステアリング装置

本発明は、モータ制御システム、モータおよび電動パワーステアリング装置に関する。

従来の電動パワーステアリング装置として、モータに２組のコイル巻線を設け、この２組のコイル巻線を独立して駆動できるインバータ回路を２組有した制御ユニットを備え、２組のインバータ回路を制御し、異常時には正常動作している組のみでモータ駆動を継続するものがあった。制御ユニットのインバータ回路以外も２重系として故障に備えた電動パワーステアリング装置が知られている（特許文献１）。

日本国登録特許：第３８３９３５８号公報

特許文献１では、第１ＥＣＵ２１及び第２ＥＣＵ２２は、自らが演算した第１モータ３６及び第２モータ３７のそれぞれの実際の回転位置や、自身のシステムのセンサ類の検出値や、モータ制御に必要な他の情報及びエラー情報αを常に相互に通信して交換する相互監視機能を備えている。　ここで、ＥＣＵ間において異常検出を通信する場合、異常が発生した側のＥＣＵが回路や電源異常を検出した後に、もう一方のＥＣＵに通信により伝達するため、タイムラグが生じる。また、ＥＣＵの通信異常が発生した際に、どちらの系統も相手側の異常を検出する手段が無いため、アシスト異常に繋がる２次故障発生時に他方の異常を検出できない課題や、ＥＣＵ異常とＥＣＵ間異常の切り分けができないなどの課題がある。

本発明に係るモータ制御システムの一つの態様は、ロータと、独立した２組のコイル巻線を有するステータと、ロータの回転角度情報を取得する回転角度センサと、を備えるモータに電力を供給するモータ制御システムであり、定電圧を発生する電源回路と、モータのコイル巻線を駆動するためのインバータ回路と、インバータ回路への電力供給を遮断する電源リレー回路と、センサからの情報に基づき制御量を演算し、インバータ回路へ制御信号を出力するＣＰＵと、をそれぞれ１つずつ備える第１モータ制御部および第２モータ制御部を備える。第１モータ制御部は、前記独立した２組のコイル巻線における一方の巻線組である第１コイル巻線に電力を供給し、第２モータ制御部は、独立した２組のコイル巻線における他方の巻線組である第２コイル巻線に電力を供給し、第１モータ制御部は、第２モータ制御部の異常を検出する第１異常検出回路を有し、第２モータ制御部は、第１モータ制御部の異常を検出する第２異常検出回路を有する。　

本発明に係るモータの一つの態様は、上記モータ制御システムと、中心軸を中心として回転するロータと、ロータの回転角度情報を取得する回転角度センサと、上記モータ制御システムから電力の供給を受けるステータと、を備える。　

また、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一態様は、上記モータ制御システムによって制御されるモータと、電動パワーステアリング装置の動作状態を管理する装置制御部と、トルクセンサと、を備える。

本発明の例示的な実施形態によれば、モータ制御システムは、他系統の出力異常を直接監視することにより、タイムラグなく異常を検出し、失陥後の制御への移行を迅速に行うことができる。そのため、モータは一つの系統が失陥したとしても、駆動を維持することができる。また、電動パワーステアリング装置は、運転手のハンドルの操作性を損なうことなく、操舵をアシストすることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るモータの概略図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本開示のモータ制御システム、当該モータ制御システムを有するモータ、および当該モータを有する電動パワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。　

図１は、電動パワーステアリングシステム１０の概略構成の一例を示す図である。電動パワーステアリングシステム１０は、自動車等の輸送機器において、運転者のハンドル操作を補助する装置である。電動パワーステアリングシステム１０は、図１に示すように、ステアリングホイール（以下「ハンドル」ともいう）１２と、電動パワーステアリング装置２０と、車輪８２とを備える。　

電動パワーステアリング装置２０は、トルクセンサ２２と、モータ７と、装置制御部８０と、を備える。モータ制御システム３０は、モータ７に一体的に取り付けられる。トルクセンサ２２は、ステアリングシャフト１４に取り付けられている。トルクセンサ２２は、運転者によるステアリングホイール１２の操作によりステアリングシャフト１４が回転すると、ステアリングシャフト１４にかかるトルクを検出する。トルクセンサ２２の検出信号であるトルク信号は、モータ制御システム３０へ出力される。装置制御部８０は、パワーステアリング装置２０の動作状態を管理する。また、装置制御部８０は、自動車等における他の構成部品に対して、動作状態を通信または制御する。　

モータ制御システム３０は、モータ７に駆動電流を供給することでモータ７を制御する。なお、モータ制御システム３０は、トルク信号だけではなく、例えば車速等の他の情報等を用いてモータ７を駆動させることができる。　

モータ７から生じる駆動力は、ギアボックス８４を介して車輪８２に伝達される。これにより、車輪８２の舵角が変化する。このように、電動パワーステアリング装置２０は、ステアリングシャフト１４のトルクを、モータ７により増幅させて、車輪８２の舵角を変化させる。したがって、運転者は、軽い力でステアリングホイール１２を操作することができる。　

＜モータ７の構成例＞　図２は、モータ７の構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように、モータ７は、中心軸を中心に回転するロータ（不図示）と、ステータ７０、回転角センサ７６１とを備える。ステータ７０は、独立した２組のコイル巻線における一方の巻線組である第１コイル巻線７１と、独立した２組のコイル巻線における他方の巻線組である第２コイル巻線７２とを備える。第１コイル巻線７１は、Ｕ相の巻線Ｍ１、Ｖ相の巻線Ｍ２およびＷ相の巻線Ｍ３を備える。第２コイル巻線７２は、Ｕ相の巻線Ｎ１、Ｖ相の巻線Ｎ２およびＷ相の巻線Ｎ３を備える。回転角センサ７６１は、ロータの回転角度情報θを検出する。　

モータ制御システム３０は、マイコン及び駆動回路等を含み、二重巻線のモータ７を駆動制御するために２系統で構成される。冗長設計によって２系統の構成を採用することで、一方の系統が故障した場合でも、他方の系統によってモータ７の駆動を継続することができるため、信頼性の向上を図ることができる。モータ制御システム３０は、第１系統側の第１モータ制御部１００と、第２系統側の第２モータ制御部２００と、を備える。　

第１モータ制御部１００は、定電圧を発生する第１電源回路１０１と、モータ７のコイル巻線を駆動するための第１インバータ回路１０２と、第１インバータ回路１０２への電力供給を遮断する第１電源リレー回路１１１と、第１インバータ回路１０２へ制御信号を出力するＣＰＵ１と、第１異常検出回路１０４を備える。また、第２モータ制御部２００は、定電圧を発生する第２電源回路２０１と、モータ７のコイル巻線を駆動するための第２インバータ回路２０２と、第２インバータ回路２０２への電力供給を遮断する第２電源リレー回路２１１と、第２インバータ回路制御２０２へ信号を出力するＣＰＵ２と、第２異常検出回路２０４を備える。すなわち、第１モータ制御部および第２モータ制御部のそれぞれは、電源回路と、インバータ回路と、電源リレー回路と、ＣＰＵと、異常検出回路と、をそれぞれ１つずつ備える。　

第１電源回路１０１は、第１モータ制御部１００の各回路素子を駆動するための電源である。例えば、第１電源回路１０１は、モータのコイル巻線、第１インバータ回路１０２の各素子およびＣＰＵ１に電力を供給する。なお、第２電源回路２０１は、第１電源回路１０１と同様の機能を有するため、説明を省略する。　

第１モータ制御部１００は、第１コイル巻線７１に電力を供給する。第２モータ制御部２００は、第２コイル巻線７２に電力を供給する。第１インバータ回路１０２は、第１コイル巻線７１と接続する。第２インバータ回路２０２は、第２コイル巻線７２と接続する。各インバータ回路１０２、２０２のそれぞれがハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子を含む３つのレグから構成させるブリッジ回路を備える。第１インバータ回路１０２および第２インバータ回路２０２のそれぞれは、３つずつシャント抵抗８１、８２を有する。１つのシャント抵抗は、１つのレグにおけるローサイドスイッチング素子のローサイド側に位置する。それぞれのシャント抵抗は、コイル巻線の各相に接続されるため、電流センサとして機能する。　

第１電源リレー回路１１１は、第１インバータ回路１０２のハイサイド側と接続する。第１電源リレー回路１１１は、スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦすることにより、第１インバータ回路１０２への電力の供給を制御する。なお、第２電源リレー回路２１１も第１インバータ回路と同様の構成であるため、説明を省略する。　

ＣＰＵ１は、マイクロコントローラ、入出力回路、ＡＤコンバータ、負荷駆動回路およびＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎ　Ｍｅｍｏｒｙ）、通信モジュールなどを備える。ＣＰＵ１は、トルクセンサ２２のトルク指令に基づいて、モータ７の駆動を制御する。ＣＰＵ１は、回転角センサ７６１から出力される回転角度情報θに基づいて制御量を演算し、第１インバータ回路１０２へ制御信号を出力する。同様に、ＣＰＵ２は、回転角センサ７６１から出力される回転角度情報θに基づいて制御量を演算し、第２インバータ回路２０２へ制御信号を出力する。　

第１モータ制御部１００および第２モータ制御部２００のそれぞれは、通信部を備える。第１モータ制御部１００は、第１通信部９１を備え、第１モータ制御部２００は、第２通信部９２を備える。ＣＰＵ１は、装置制御部８０に対して、第１通信部９１を介して、通信を行う。同様に、ＣＰＵ２は、装置制御部８０に対して、第２通信部９２を介して、通信を行う。通信部は、例えば、ＣＰＵとは別に設けられた通信ケーブルであってもよく、ＣＰＵに設けられた通信モジュールであってもよい。通信部は、ＣＰＵと通信可能に接続される。通信部は、通信データをＣＡＮ等の通信プロトコルに則り、装置制御部８０と通信する。なお、通信部は、有線か無線かを問わない。　

第１異常検出回路１０４および第２異常検出回路２０４は、比較器等の回路により構成される。異常検出回路は、シャント抵抗８１、８２から出力される電流値を検出する。異常検出回路は、所定の閾値を超えた場合もしくは所定の閾値を超えない場合、スイッチング素子の異常を判定する。このとき、ＣＰＵは、装置制御部８０に対して、通信部を介して、異常の判定を通信する。なお、異常検出回路は、シャント抵抗８１、８２から出力される電流値を検出することに限定されない。例えば、異常検出回路は、シャント抵抗８１、８２のかかる電圧を検出してもよい。また、異常検出回路は、シャント抵抗８１、８２の状態を検出することに限定されない。異常検出回路は、他の部品の駆動状態を検出してもよい。例えば、異常
検出回路は、モータ端子間電圧値又は電流値を検出してもよく、電源回路の電流値又は電圧値を検出してもよい。　

ここで、図３を参照して、本実施形態において、第１コイル巻線７１はＵ相の巻線Ｍ１に、閾値以上の電流値が流れる異常が生じた場合を考える。　（ステップ１：Ｓ１）第１異常検出回路１０４は、シャント抵抗８１の電流値に基づき、異常な電流が流れる相を特定する。　（ステップ２：Ｓ２）第１モータ制御部１００が、第１インバータ回路１０２が正常に駆動できるかどうか判断する。　（ステップ３：Ｓ３）ステップ２において、第１モータ制御部１００が、第１インバータ回路１０２が異常であると判断した場合、第１モータ制御部１００は、第１電源リレー回路１１１のスイッチングを制御し、電力の供給を遮断する。　（ステップ４：Ｓ４）第２異常検出回路２０４は、シャント抵抗８１の電流値に基づき、第１インバータ回路１０２が駆動していないことを判断する。　（ステップ５：Ｓ５）ＣＰＵ２は、第２通信部９２を介して、装置制御部８０に判定した異常状態を通知する。　（ステップ６：Ｓ６）装置制御部８０は、ＣＰＵ２に対して、第１モータ制御部１００の出力を補う指令を出力する。　本実施形態によると、他系統の出力異常を直接監視することができるため、タイムラグなく異常検出、失陥後の制御に移行が可能となる。なお、本実施形態では、第２異常検出回路２０４は、第１インバータ回路１０２の出力のみを監視する構成である。したがって、他系統の出力異常につながる異常の検出及びＡＤポート数の節約が可能である。　

また、本実施形態において、第１インバータ１０２が、電圧等の異常により、駆動できない場合を考える。この場合、上述の例によらず、ステップ１、ステップ２およびステップ３が省略される。　（ステップ４：Ｓ４）第２異常検出回路２０４は、シャント抵抗８１の信号に基づき、第１インバータ回路１０２が駆動していないことを判断する。　（ステップ５：Ｓ５）ＣＰＵ２は、第２通信部９２を介して、装置制御部８０に対して判定した異常状態を通知する。　（ステップ６：Ｓ６）装置制御部８０は、ＣＰＵ２に対して、第１モータ制御部１００の出力を補う指令を出力する。　

なお、本実施形態において、ステップ３では、第１モータ制御部１００が第１電源リレー回路１１１のスイッチングを制御するとしたが、第２モータ制御部２００がスイッチングを制御してもよく、また、装置制御部８０がスイッチングを制御してもよい。上記の例では、任意の相に過電流が生じた場合を考えたが、通信部の通信異常も考えられる。この場合、他方の正常なモータ制御部が、シャント抵抗８１、８２の検出値に基づき、一方のインバータ回路の動作状態を判断してもよい。すなわち、ステップ１において、第２異常検出回路２０４がシャント抵抗８１の電流値に基づき、異常な電流が流れる相を特定してもよい。その後、正常なＣＰＵが、一方の電源リレー回路を制御してもよく、または装置制御部８０が、一方の電源リレー回路を制御してもよい。この構成によると、一方のＣＰ∪に通信異常が起きた場合において、コイル巻線の任意の相が失陥しても、迅速に失陥後の移行が可能となる。　

なお、第１インバータ回路１０２および第２インバータ回路２０２は、コイル巻線の各相への電力供給を制御する３つのモータリレーを備えても良い。それぞれのモータリレーは、各相に対応するハイサイドスイッチング素子とコイル巻線の各相との間に接続する。モータリレーのそれぞれは、一つの相に異常が生じた場合、特定の相のみ電力供給を停止することを可能とする。そのため、一つの相が失陥した場合にあっても、モータ３０の出力が大きく低減することを抑制することができる。この実施形態においては、ステップ１において、異常な電流が流れる相を特定した後、モータ制御部がモータリレーのスイッチングを制御し、異常な電流が流れる相に対して、電力供給を停止する。　

第１モータ制御部１００および第２モータ制御部２００のそれぞれは、さらに、絶縁素子を備える。第１モータ制御部１００は、第１絶縁素子５１を備える。第２モータ制御部２００は、第２絶縁素子５２を備える。第１絶縁素子５１は、第１異常検出回路１０４と第２インバータ回路２０２のシャント抵抗８１との間に接続する。また、第２絶縁素子５２は、第２異常検出回路２０４と第１インバータ回路１０２のシャント抵抗８２との間に接続する。この構成によると、例えば、第１モータ制御部１００に急峻なサージ電流が流れた場合、第２異常検出回路２０４を通じて、サージ電流が第２モータ制御部２００またはＣＰＵ２にも流れ、モータ制御システム３０全体が機能不全となることを防止することができる。また、第２モータ制御部２００が、第１モータ制御部１００とＧＮＤを共通としていない場合、第２異常検出回路２０４のＧＮＤと、第１モータ制御部１００とＧＮＤが異なる。そこで、第２絶縁素子５２を介することで、第２異常検出回路２０４のＧＮＤが、第１モータ制御部１００と共通化するため、シャント抵抗の電流値の測定精度を向上することができる。　

なお、電動パワーステアリング装置２０が、装置制御部８０を備える構成としたが、これに限定されない。装置制御部８０は、車両等における他の部品を制御する制御装置であってもよい。　

なお、本実施形態において、第１モータ制御部１００および第２モータ制御部２００は、１つの回路基板内に構成されてもよく、別の回路基板内に構成されてもよい。また、第１電源回路１０１および第２電源回路２０１は、第１モータ制御部１００および第２モータ制御部２００とは別の構成で、モータ７の外部に設けられても良い。　

なお、本実施形態において、異常検出回路は、シャント抵抗を用いて異常を検出するとしたが、これに限らない。例えば、異常検出回路は、Ａ／Ｄコンバータを用いて電流値又は電圧値を監視してもよい。また、異常検出回路は、ＣＰＵの出力ポートの状態を監視してもよい。より具体的には、第１モータ制御部１００は、スイッチング素子を駆動するためのプリドライバＰｒＤｒ１を備える。また、第２モータ制御部２００は、スイッチング素子を駆動するためのプリドライバＰｒＤｒ２を備える。ＣＰＵ１は、ＰＷＭ信号等の制御信号をプリドライバＰｒＤｒ１または第１インバータ回路１０２に対して出力する。ここで、第２異常検出回路２０４は、ＣＰＵ１が出力するＰＷＭ信号等の制御信号を監視することによって、異常かどうかを判定してもよい。本構成によると、第２異常検出回路２０４は、デジタル信号を監視することができるため、第１モータ制御部と第２モータ制御部とがＧＮＤを共通化していない場合であっても、精度よく検出することができる。また、同様に、第１異常検出回路１０４は、ＣＰＵ２がプリドライバＰｒＤｒ２または第２インバータ回路２０２に対して出力する制御信号を監視してもよい。なお、上記の各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。

１０・・・電動パワーステアリングシステム２０・・・電動パワーステアリング装置３０・・・モータ制御システム７　・・モータ７０・・ステータ７１・・・第１コイル巻線７２・・・第２コイル巻線１００・・・第１モータ制御部１０１・・・第１電源回路１０２・・・第１インバータ回路１１１・・・第１電源リレー回路２００・・・第２モータ制御部２０１・・・第２電源回路２０２・・・第２インバータ回路２１１・・・第２電源リレー回路
 

Claims (12)

1. ロータと、独立した２組のコイル巻線を有するステータと、前記ロータの回転角度情報を取得する回転角度センサと、を備えるモータに電力を供給するモータ制御システムであって、　定電圧を発生する電源回路と、　前記モータのコイル巻線を駆動するためのインバータ回路と、　前記インバータ回路への電力供給を遮断する電源リレー回路と、　前記センサからの情報に基づき制御量を演算し、前記インバータ回路へ制御信号を出力するＣＰＵと、をそれぞれ１つずつ備える第１モータ制御部および第２モータ制御部を備え、　前記第１モータ制御部は、前記独立した２組のコイル巻線における一方の巻線組である第１コイル巻線に電力を供給し、　前記第２モータ制御部は、前記独立した２組のコイル巻線における他方の巻線組である第２コイル巻線に電力を供給し、　前記第１モータ制御部は、前記第２モータ制御部の異常を検出する第１異常検出回路を有し、　前記第２モータ制御部は、前記第１モータ制御部の異常を検出する第２異常検出回路を有する。
2. 請求項１に記載のモータ制御システムであって、　前記第１異常検出回路は、前記第２コイル巻線の異常を検出し、　前記第２異常検出回路は、前記第１コイル巻線の異常を検出する。
3. 請求項１または請求項２に記載のモータ制御システムであって、　前記第１モータ制御部における前記インバータ回路である第１インバータ回路および前記第２モータ制御部における前記インバータ回路である第２インバータ回路のそれぞれは、ハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子を含む３つのレグから構成させるブリッジ回路を備え、　第１インバータ回路および第２インバータ回路のそれぞれは、３つのシャント抵抗を有し、　前記第１異常検出回路は、前記第２インバータのシャント抵抗の信号を検出し、　前記第２異常検出回路は、前記第１インバータのシャント抵抗の信号を検出する。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモータ制御システムであって、　前記第１モータ制御部および前記第２モータ制御部のそれぞれは、通信部をさらに備え、　通信部は、装置制御部へ異常判定結果を出力する。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ制御システムであって、　前記第１異常検出回路は、前記第１コイル巻線の異常を検出し、前記第１モータ制御部は、前記第１電源リレー回路のスイッチングを制御し、　前記第２異常検出回路は、前記第２コイル巻線の異常を検出し、前記第２モータ制御部は、前記第２電源リレー回路のスイッチングを制御する。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のモータ制御システムであって、　前記第１モータ制御部は、前記第２電源リレー回路のスイッチングを制御し、　前記第２モータ制御部は、前記第１電源リレー回路のスイッチングを制御する。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のモータ制御システムであって、　前記第１モータ制御部および前記第２モータ制御部のそれぞれは、絶縁素子をさらに備え、　前記絶縁素子は、前記第１異常検出回路または前記第２異常検出回路と前記シャント抵抗との間に接続される。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のモータ制御システムであって、　前記第１インバータ回路および前記第２インバータ回路のそれぞれは、３つのモータリレーを備え、　前記３つのモータリレーのそれぞれは、各相に対応するハイサイドスイッチング素子とコイル巻線の各相との間に接続し、　前記コイル巻線の各相に対して、電力供給を停止する。
9. モータであって、　請求項１から８のいずれかに記載のモータ制御システムと、　中心軸を中心として回転するロータと、　前記ロータの回転角度情報を取得する回転角度センサと、　前記モータ制御システムから電力の供給を受けるステータと、を備える。
10. 電動パワーステアリング装置であって、　前記電動パワーステアリング装置の動作状態を管理する装置制御部と、　請求項９に記載のモータと、　トルクセンサと、　を備える。
11. 請求項１０に記載の電動パワーステアリング装置であって、　前記装置制御部は、前記第１電源リレー回路および前記第２電源リレー回路のスイッチングを制御する。
12. 請求項１０または１１に記載の電動パワーステアリング装置であって、　前記装置制御部は、前記第１モータ制御部または前記第２モータ制御部のいずれか一方が異常であると通知を受けた場合、　正常である前記第１モータ制御部または前記第２モータ制御部に対して、出力を向上する指令を出力する。
     

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