JP2017060218A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流側の地絡の発生の有無を好適に判定することのできるモータ制御装置を提供する。【解決手段】上限閾値Ｉｍａｘ，下限閾値Ｉｍｉｎを、デューティ信号のデューティ比Ｄに応じて設定する（Ｓ１０１）。そして、モータ電流Ｉの検出値が、上限閾値Ｉｍａｘ以上、又は下限閾値Ｉｍｉｎ以下の場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、モータの電源ラインに地絡が発生したと判定する（Ｓ１０４）ようにした。【選択図】図５

Description

本発明は、電動パワーステアリングシステムに設置されたモータの駆動制御を行うモータ制御装置に関する。

車両において、電動パワーステアリングシステム（以下、ＥＰＳと記載する）では、減速機構を介してモータの回転力をステアリングシャフトやラック軸に伝達することで、運転者のハンドル操作をアシストしている。こうしたＥＰＳでは、正確なアシスト力を発生させるため、モータに流す電流（以下、モータ電流と記載する）をフィードバック制御している。モータ電流のフィードバック制御は、電流指令値とモータ電流の検出値との偏差に応じて、モータの端子電圧を調整するもので、多くの場合、端子電圧の調整は、パルス幅変調（ＰＷＭ：pulse width modulation）制御におけるデューティ信号のデューティ比の調整を通じて行われている。

一方、こうしたＥＰＳのモータに電力を供給する電源ラインに地絡が発生すると、モータやその駆動回路に過大な電流が流れてしまう虞がある。そこで、従来、特許文献１には、モータの端子電圧と上記デューティ比とに基づいて、地絡の発生の有無を判定する地絡判定技術が記載されている。具体的には、特許文献１の地絡判定技術では、上記端子電圧の検出値と、上記デューティ比から推定される同端子電圧の推定値との差が、所定時間以上継続して所定値を超えたとき、地絡有りと判定している。

特開平１１−２６３２４０号公報

ところで、上記のようなモータの電源ラインの地絡には、モータに電流が流れなくなるデッドショート側の地絡と、モータに過剰な電流が流れるようになる過電流側の地絡とがある。上記従来の地絡判定技術では、デッドショート側の地絡については、その有無を判定できるものの、過電流側の地絡については、その有無を判定することができないという問題がある。また、モータの内部抵抗は、モータに加わる負荷により変化するため、正常動作時にも、モータの端子電圧は、デューティ比からの推定値に対してある程度のバラツキをもって変化する。そのため、誤判定を避けるためには、判定値の設定にかかるマージンを大きく取らなければならず、その分、判定の精度が悪化してしまう。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、モータに過剰な電流が流れる過電流側の地絡の発生の有無を好適に判定することのできるモータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するモータ制御装置は、モータへの給電のために演算された電流指令値に応じてデューティ信号を生成するとともに、そのデューティ信号に応じて前記モータの駆動制御を行う。そして、同モータ制御装置は、前記モータを流れる電流を検出する電流検出部と、前記デューティ信号のデューティ比に応じて設定された上限閾値以上の電流が前記電流検出部により検出された場合に、前記モータの電源ラインに地絡が発生したと判定する地絡判定部と、を備える。

モータに流れる電流は、モータに過剰な電流が流れるようになる過電流側の地絡が発生すると、デューティ比から想定される値に対して過大となる側に乖離した値を示す。そのため、デューティ比に応じて上限閾値を設定し、その上限閾値以上の電流がモータに流れたことが検出された場合に地絡が発生したと判定すれば、過電流側の地絡の発生の有無を判定することができる。また、正常動作時には、モータに流れる電流は、デューティ比から想定される値に対してあまり大きく乖離した値を示すことがないため、上記上限閾値の設定に際してあまり大きいマージンを見込まなくても、誤判定を避けることができる。そのため、判定の精度を高くすることができる。また、地絡が発生してからより短い時間でその判定を行うことができるようにもなる。

また、上記モータ制御装置における前記地絡判定部は、前記上限閾値よりも小さい下限閾値を前記デューティ信号のデューティ比に応じてさらに設定するとともに、前記下限閾値以下の電流が前記電流検出部により検出された場合にも、前記モータの電源ラインに地絡が発生したと判定することが望ましい。こうした場合、その発生によりモータに電流が流れなくなるデッドショート側の地絡についても、その発生の有無を好適に判定できるようになる。

なお、上記モータ制御装置において、前記地絡判定部により地絡が発生したと判定されたときに、地絡が発生した前記電源ラインを通じた給電を停止する給電停止部を備えるようにすることが望ましい。このようにすれば、地絡の発生により、モータやその駆動回路に過大な電流が流れることを抑制できるようになる。

本発明のモータ制御装置によれば、過電流側の地絡の発生の有無を好適に判定することができる。

モータ制御装置の一実施形態が適用されるパワーステアリングシステムの構成を模式的に示す略図。 同電動パワーステアリングシステムに設けられたモータ駆動回路の構成を示す図。 上記実施形態のモータ制御装置の構成を模式的に示す略図。 （ａ）はデッドショート側地絡の発生時における上記モータ駆動回路の電流の流れを示す図であり、（ｂ）は過電流側地絡の発生時における同モータ駆動回路の電流の流れを示す図である。 上記実施形態のモータ制御装置において実行される地絡判定処理のフローチャート。 同地絡判定処理で参照される判定マップにおけるモータ電流の検出値及びデューティ比と上限閾値及び下限閾値との関係を示すグラフ。

以下、モータ制御装置の一実施形態を、図１〜図６を参照して詳細に説明する。本実施形態のモータ制御装置は、車両に搭載される電動パワーステアリングシステムに設置されるものとなっている。

図１に示すように、本実施形態のモータ制御装置が設置される電動パワーステアリングシステムにおいて、ハンドル１０には、ステアリングシャフト１１が一体回転可能に連結されている。ステアリングシャフト１１は、ハンドル１０側からコラムシャフト１２、インターミディエイトシャフト１３及びピニオンシャフト１４の順に連結された３つの部分に分割されている。ピニオンシャフト１４のピニオンは、ラック軸１５のラック部１６に噛み合わされている。ラック軸１５の両端はそれぞれタイロッド１７を介して、左右の転舵輪１８のナックルアーム１９に連結されている。ハンドル１０の操作に応じたステアリングシャフト１１の回転は、ピニオンシャフト１４とラック部１６とにより構成されたラック・アンド・ピニオン機構により、ラック軸１５の往復直線運動に変換される。そして、そうしたラック軸１５の往復直線運動がナックルアーム１９に伝達されることで、左右の転舵輪１８の舵角が変更されるようになっている。

一方、コラムシャフト１２には、減速歯車機構２１を介してモータ２０が連結されている。そして、モータ２０の発生する回転力が減速歯車機構２１により減速された上でコラムシャフト１２に伝達されることで、運転者のハンドル操作を補助するためのアシスト力がステアリングシャフト１１に伝達されるようになっている。なお、本実施形態では、モータ２０として、単相の直流モータが採用されている。

こうしたモータ２０の駆動制御を行うモータ制御装置は、モータ２０の駆動制御を行う電子制御ユニット２３を備える。電子制御ユニット２３は、モータ２０の駆動制御にかかる各種演算処理を行う中央演算処理装置、制御用のプログラムやデータが記憶された読出専用メモリ、中央演算処理装置の演算結果や後述する各センサの検出結果などを一時的に記憶する読書可能メモリを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。電子制御ユニット２３には、車速Ｖを検出する車速センサ２４、ハンドル１０に加えられた操舵トルクγを検出するトルクセンサ２５、モータ２０の回転角（モータ回転角θｍ）を検出するモータ回転角センサ２６が接続されている。また、電子制御ユニット２３には、モータ２０への給電を行うモータ駆動回路２２も接続されている。

（モータ駆動回路）
図２に示すように、モータ駆動回路２２は、４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４により構成されたＨブリッジ回路を備える。具体的には、Ｈブリッジ回路は、ＦＥＴ１及びＦＥＴ３の直列回路とＦＥＴ２及びＦＥＴ４の直列回路とが並列接続した回路となっている。そして、このＨブリッジ回路の一端は、バッテリＢＡＴＴに接続され、他端は、シャント抵抗Ｒｓを介して接地されている。

モータ２０のプラス端子（＋）は、電源ラインＬ１を介してＦＥＴ１とＦＥＴ３との間の部分に接続され、モータ２０のマイナス端子は、電源ラインＬ２を介してＦＥＴ２とＦＥＴ４との間の部分に接続されている。さらに、電源ラインＬ１上には、電子制御ユニット２３によって開閉されるモータリレー２７が設置されている。電源ラインＬ１は、モータリレー２７が閉じられたときに導通状態となり、開かれたときに遮断状態となる。

一方、シャント抵抗Ｒｓの両端は、電流検出回路２８を介して電子制御ユニット２３に接続されている。また、モータ２０の両端子はそれぞれ、電圧検出回路２９ａ，２９ｂを介して電子制御ユニット２３に接続されている。そして、電子制御ユニット２３は、電流検出回路２８を通じて、シャント抵抗Ｒｓの両端電圧を、ひいてはモータ２０に流れる電流（モータ電流Ｉ）を取得する。また、電子制御ユニット２３は、電圧検出回路２９ａ，２９ｂを介して、モータ２０のプラス側、マイナス側の端子電圧Ｍ１，Ｍ２をそれぞれ取得する。なお、本実施形態では、電流検出回路２８が電流検出部に相当した構成となっている。

また、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートは、ゲート駆動回路３０に接続されている。ゲート駆動回路３０は、電子制御ユニット２３からのデューティ比Ｄ及び回転方向の指令値に応じてデューティ信号を生成して、各ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４を開閉駆動する。

（電子制御ユニット）
図３に示すように、電子制御ユニット２３は、電流指令値演算部３１、デューティ比演算部３２、地絡判定部３３及び給電停止部３４を備える。なお、これらの構成の代替として、中央演算装置が統合して処理を行うことで、それら構成の機能を実現してもよい。

電流指令値演算部３１は、上述の車速センサ２４、トルクセンサ２５及びモータ回転角センサ２６によりそれぞれ検出された車速Ｖ、操舵トルクγ及びモータ回転角θｍに基づき、付与すべきアシスト力を発生するために必要なモータ電流Ｉの指令値（電流指令値Ｉｐ）及びモータ２０の回転方向を演算する。そして、電流指令値演算部３１は、演算した回転方向をゲート駆動回路３０に指令する。なお、以下の説明では、モータ２０に対してそのプラス端子側からマイナス端子側に電流を流したときの同モータ２０の回転方向を正回転方向と記載し、そのマイナス端子側からプラス端子側に電流を流したときの同モータ２０の回転方向を逆回転方向と記載する。

デューティ比演算部３２は、電流指令値演算部３１が演算した電流指令値Ｉｐと、電流検出回路２８を通じて取得したモータ電流Ｉの検出値とに基づき、デューティ信号のデューティ比Ｄを演算する。デューティ比Ｄは、電流指令値Ｉｐを目標としてモータ電流Ｉをフィードバック制御すべく演算されている。具体的には、デューティ比Ｄの値は、電流指令値Ｉｐから求められたフィードフォワード項と、電流指令値Ｉｐとモータ電流Ｉの検出値との偏差に応じて求められたフィードバック項とを足し合わせることで演算されている。そして、デューティ比演算部３２は、演算したデューティ比Ｄをゲート駆動回路３０に指令する。

ゲート駆動回路３０は、電流指令値演算部３１より指令された回転方向にモータ２０を回転させるために必要なＦＥＴのゲートに対して、デューティ比演算部３２より指令されたデューティ比Ｄのデューティ信号を出力する。具体的には、ゲート駆動回路３０は、正回転方向へのモータ２０の回転が指令されたときには、ＦＥＴ２及びＦＥＴ３のゲートに対してデューティ信号を出力し、逆回転方向へのモータ２０の回転が指令されたときには、ＦＥＴ１及びＦＥＴ４のゲートに対してデューティ信号を出力する。

一方、地絡判定部３３は、デューティ比演算部３２により演算されたデューティ比Ｄとモータ電流Ｉの検出値とに基づき、電源ラインＬ１，Ｌ２の地絡が発生しているか否かを判定する。給電停止部３４は、地絡判定部３３が、地絡が発生していると判定したときにモータリレー２７を開いて電源ラインＬ１を遮断状態とすることで、モータ２０への給電を停止する。

（地絡判定）
続いて、地絡判定部３３による地絡判定の詳細を説明する。電源ラインＬ１，Ｌ２の地絡が発生したときには、次の２つの状態のいずれかが生じる。すなわち、モータ２０に電流が流れなくなるデッドショート状態と、モータ２０に過剰に電流が流れる過電流状態とである。

図４（ａ）は、モータ２０を逆転方向に回転させるべく、ＦＥＴ１及びＦＥＴ４を開閉駆動している状態で、電源ラインＬ２に地絡が発生した場合のモータ駆動回路２２における電流の流れを示している。このときの電流は、バッテリＢＡＴＴからＦＥＴ１、電源ラインＬ２を通った後、地絡経路ＬＥに流れてしまうため、モータ２０に電流が殆ど流れないデッドショートの状態となる。以下では、こうしたモータ電流Ｉの低下を招く地絡をデッドショート側の地絡と記載する。

図４（ｂ）は、モータ２０を正転方向に回転させるべく、ＦＥＴ２及びＦＥＴ３を開閉駆動しているときに、電源ラインＬ２に地絡が発生した場合のモータ駆動回路２２における電流の流れを示している。このときの電流は、バッテリＢＡＴＴからＦＥＴ２、電源ラインＬ１、モータ２０、電源ラインＬ２を通った後、地絡経路ＬＥに流れるようになる。したがって、シャント抵抗Ｒｓを通らずに電流が流れてしまうため、モータ２０に過大な電流が流れ、その結果、モータ２０により発生されるアシスト力が過大となる過アシストの状態となる。以下では、こうしたモータ電流Ｉの増大を招く地絡を、過電流側の地絡と記載する。

本実施形態のモータ制御装置では、地絡判定部３３は、下記の態様で、こうしたデッドショート側、過電流側の双方の地絡の発生の有無を判定するようにしている。
図５は、地絡判定部３３により行われる地絡判定処理のフローチャートである。本処理は、モータ２０の駆動制御が行われている間、規定の制御周期ごとに繰り返し実行されるようになっている。

本処理が開始されると、まずステップＳ１００において、デューティ比演算部３２が演算したデューティ比Ｄ、及び電流検出回路２８を通じて電子制御ユニット２３が取得したモータ電流Ｉの検出値の読込が行われる。続いて、ステップＳ１０１において、デューティ比Ｄに基づき、上限閾値Ｉｍａｘ及び下限閾値Ｉｍｉｎの２つの判定用の閾値が算出される。これら閾値の算出は、電子制御ユニット２３の読込専用メモリに記憶された地絡判定マップＭＡＰを用いて行われる。この地絡判定マップＭＡＰには、デューティ比Ｄと上限閾値Ｉｍａｘ及び下限閾値Ｉｍｉｎとの関係が記憶されている。

図６に、地絡判定マップＭＡＰでのデューティ比Ｄと上限閾値Ｉｍａｘ及び下限閾値Ｉｍｉｎとの関係を示す。同図に示すように、上限閾値Ｉｍａｘ及び下限閾値Ｉｍｉｎは、デューティ比Ｄが大きいほど大きい値を取るように設定される。また、下限閾値Ｉｍｉｎは、上限閾値Ｉｍａｘよりも小さい値となるように設定される。なお、上限閾値Ｉｍａｘは、正常動作時においてデューティ比Ｄから想定されるモータ電流Ｉの値（モータ電流想定値Ｉｓ）に対してマージンΔＩ分を加算した値となるように設定されている。また、下限閾値Ｉｍｉｎは、モータ電流想定値Ｉｓに対してマージンΔＩ分を減算した値として設定されている。

さて、上限閾値Ｉｍａｘ及び下限閾値Ｉｍｉｎが算出されると、ステップＳ１０２において、モータ電流Ｉの検出値が、上限閾値Ｉｍａｘ以上、又は下限閾値Ｉｍｉｎ以下のいずれかであるか否かが判定される。ここで、否定判定された場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、すなわちモータ電流Ｉの検出値が、下限閾値Ｉｍｉｎよりも大きく、且つ上限閾値Ｉｍａｘよりも小さい値である場合には、ステップＳ１０３において、「地絡無し」と判定された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。一方、肯定判定された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、すなわちモータ電流Ｉの検出値が上限閾値Ｉｍａｘ以上であるか、同検出値が下限閾値Ｉｍｉｎ以下である場合、ステップＳ１０４において、「地絡有り」と判定される。そして、ステップＳ１０５において、給電停止部３４に対してモータ２０への給電停止が指令された後、今回の本ルーチンの処理が終了される。

（作用）
以上説明した本実施形態のモータ制御装置では、モータ駆動回路２２のＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートに供給されるデューティ信号のデューティ比Ｄの調整を通じて、モータ電流Ｉのフィードバック制御が行われている。正常動作時には、モータ電流Ｉは、デューティ比Ｄに対して高い相関性を保つ。すなわち、モータ電流Ｉは、デューティ比Ｄから想定される値（モータ電流想定値Ｉｓ）からあまり大きく離れることはない。

一方、電源ラインＬ１又はＬ２の地絡が発生すると、モータ電流Ｉは、モータ電流想定値Ｉｓに対して大きく乖離した値を示すようになる。発生した地絡がデッドショート側の地絡の場合、モータ電流Ｉは、モータ電流想定値Ｉｓに対して過少となる側に大きく乖離した値となり、発生した地絡が過電流側の地絡である場合には、モータ電流Ｉは、モータ電流想定値Ｉｓに対して過大となる側に大きく乖離した値となる。

本実施形態では、地絡判定に際して、上限閾値Ｉｍａｘ及び下限閾値Ｉｍｉｎがデューティ比Ｄに応じてそれぞれ設定される。そして、モータ電流Ｉの検出値が上限閾値Ｉｍａｘ以上であるか、下限閾値Ｉｍｉｎ以下であれば、地絡有りと判定されて、モータ２０の駆動が停止される。そのため、過電流側、デッドショート側のいずれの地絡が発生した場合にも、地絡有りとの判定がなされるようになる。なお、上述のように、正常動作時におけるモータ電流Ｉは、モータ電流想定値Ｉｓからあまり大きく乖離しないため、上限閾値Ｉｍａｘ及び下限閾値Ｉｍｉｎの設定にかかるマージンΔＩをあまり大きくせずとも、誤判定を避けることが可能である。

以上の本実施形態のモータ制御装置によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）過電流側、デッドショート側のいずれの地絡についても好適にその発生の有無を判定することができる。

（２）地絡が発生したとの判定に応じて、モータ２０への給電を停止しているため、地絡によりモータ２０やモータ駆動回路２２に過大な電流が流れることを防止することが、ひいては過電流からそれらの構成部品を保護することが可能となる。

（３）判定値の設定にかかるマージンを小さくしても誤判定を避けることができるため、判定の精度を高めることができる。また、地絡の発生からより短い時間でその判定を行うことができる。

（４）モータ電流Ｉのフィードバック制御を行うモータ制御装置であれば、もとよりモータ電流Ｉの検出を行っているため、既存の装置にハードウェア構成を追加しなくても、その実現が可能である。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態のモータ制御装置は、モータ２０が発生する回転力をコラムシャフト１２に伝達することで、ハンドル操作に対してのアシスト力を付与するように構成されたＥＰＳに適用されていたが、モータ２０の回転力をラック軸１５に伝達するなど、それ以外の構成のＥＰＳにも同様に適用することができる。

・上記実施形態では、車速Ｖ、操舵トルクγ、及びモータ回転角θｍに基づき電流指令値Ｉｐ及びモータ回転方向を演算していた。ハンドル１０の操舵角を検出する舵角センサを設け、その操舵角をモータ回転角θｍの代わりに用いるなど、電流指令値Ｉｐ及びモータ回転方向を上記以外の検出値に基づき演算するようにしてもよい。

・上記実施形態のモータ制御装置のモータ駆動回路２２は、ＦＥＴの開閉駆動によりモータ電流Ｉを調整するよう構成されていたが、ＦＥＴに代えて、それ以外のスイッチング素子をモータ駆動回路２２に設けるようにしてもよい。

・上記実施形態では、モータ２０として単相の直流モータを採用していたが、三相モータなどのそれ以外のモータを採用してもよい。
・上記実施形態では、モータ２０として単相の直流モータを採用し、地絡有りとの判定時には、モータ２０に対する給電を完全に停止しており、その結果として、ＥＰＳによるハンドル操作のアシストも停止されるようになっていた。アシスト力を付与するモータが複数設けられたＥＰＳであれば、地絡が発生したモータのみを停止し、残りのモータでＥＰＳによるハンドル操作のアシストを継続するようにすることもできる。また、三相モータを用いる場合、地絡が発生した電源ラインを通じて給電が行われる相を除いた２つの相を用いてのモータの二相駆動により、ＥＰＳによるハンドル操作のアシストを継続するようにすることもできる。

・上記実施形態では、運転者がハンドル１０に加えた操舵力にモータ動力を付加することで、ハンドル操作をアシストするEPSのモータ制御装置について説明した。上記実施形態での地絡判定は、そうしたEPS以外のシステムに採用のモータ制御装置にも同様に適用することができる。

ＢＡＴＴ…バッテリ、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４…電界効果トランジスタ、Ｌ１，Ｌ２…電源ライン、Ｒｓ…シャント抵抗、１０…ハンドル、１１…ステアリングシャフト、１２…コラムシャフト、１３…インターミディエイトシャフト、１４…ピニオンシャフト、１５…ラック軸、１６…ラック部、１７…タイロッド、１８…転舵輪、１９…ナックルアーム、２０…モータ、２１…減速歯車機構、２２…モータ駆動回路、２３…電子制御ユニット、２４…車速センサ、２５…トルクセンサ、２６…モータ回転角センサ、２７…モータリレー、２８…電流検出回路（電流検出部）、２９ａ，２９ｂ…電圧検出回路、３０…ゲート駆動回路、３１…電流指令値演算部、３２…デューティ比演算部、３３…地絡判定部、３４…給電停止部。

Claims (3)

1. モータへの給電のために演算された電流指令値に応じてデューティ信号を生成するとともに、そのデューティ信号に応じて前記モータの駆動制御を行うモータ制御装置において、
   前記モータを流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記デューティ信号のデューティ比に応じて設定される上限閾値以上の電流が前記電流検出部により検出された場合に、前記モータの電源ラインに地絡が発生したと判定する地絡判定部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記地絡判定部は、前記上限閾値よりも小さい下限閾値を前記デューティ信号のデューティ比に応じてさらに設定するとともに、前記下限閾値以下の電流が前記電流検出部により検出された場合にも、前記モータの電源ラインに地絡が発生したと判定する
   請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記地絡判定部により地絡が発生したと判定されたときに、地絡が発生した前記電源ラインを通じた給電を停止する給電停止部を備える
   請求項１又は２に記載のモータ制御装置。