WO2018047342A1

WO2018047342A1 - モータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置

Info

Publication number: WO2018047342A1
Application number: PCT/JP2016/076813
Authority: WO
Inventors: 崇敬市川; 和久高島; 賢太郎瓜本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2019-03-12
Also published as: JPWO2018047342A1; EP3512078B1; EP3512078A1; US11831209B2; US20190207488A1; JP6633213B2; EP3512078A4; CN109690921A

Abstract

モータ（２）を内蔵したモータケース（２５，２２５）と、電源用コネクタ（４２）を載置するとともにモータケースの上部を覆うように設けられたハウジング（４０，４００）と、モータケースとハウジングとで形成された空間において、モータの出力軸上の出力側とは反対側に配置された制御ユニット（１）とを備えるモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置。制御ユニットは、制御ユニットの上部に配置され電源用コネクタに接続されたフィルタ部（１７）と、このフィルタ部の下部に配置されモータに電流を供給するための回路部品（４，３５ａ，３５ｂ）を搭載した制御基板（４ａ）と、フィルタ部と制御基板との間に配置されモータケースに接地されたシールド板（５０，５００）とを有する。

Description

モータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置

　本発明は、モータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置に関し、特にモータと制御ユニットが一体化されたモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置における制御ユニットのノイズ対策に関するものである。

　従来の電動ステアリング装置においては、モータにステータ巻線を有し、制御ユニットにはその巻線に流す電流を制御するインバータ回路を有し、さらにモータの出力軸上に制御ユニットを配置し、かつ出力軸の出力側と反対側に一体化したモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置（特許文献１）がある。

国際公開２０１５／０４９７９１号公報

　特許文献１に開示された電子制御装置では、モータの出力軸の出力側と反対側に制御ユニットを配置し、制御ユニットを覆うコネクタケースに複数のコネクタ及び電源回路部の各部品を搭載したものである。従って、比較的大型部品である電源回路部は、制御ユニット内に配置することなく、制御ユニットから分離配置して電子制御装置の小型化を図っている。電源回路部の各部品（コンデンサ、コイル）は電源用コネクタから伸びた電源用導電バーに接続されたものであり、電源回路部による電子制御装置外部へのノイズ放出に対しては効果があった。

　しかしながら、制御ユニット内の制御基板では大電流をインバータ回路をＰＷＭ制御することからノイズの外部への放出があり、このようなノイズ放出には依然として改善すべき点があった。

　本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、制御ユニット内からのノイズ放出の抑制を図ったモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置を提供することを目的とする。

　上記の目的を達成する為、本発明では、モータを内蔵したモータケースと、電源用コネクタを載置するとともに前記モータケースの上部を覆うように設けられたハウジングと、前記モータケースと前記ハウジングとで形成された空間において、前記モータの出力軸上の出力側とは反対側に配置された制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、前記制御ユニットの上部に配置され前記電源用コネクタに接続されたフィルタ部と、前記フィルタ部の下部に配置され前記モータに電流を供給するための回路部品を搭載した制御基板と、前記フィルタ部と前記制御基板との間に配置され前記モータケースに接地されたシールド板とを有するモータ制御装置が提供される。

　また、上記の目的を達成する為、本発明では、上記のモータ制御装置を備え、前記のモータで操舵補助トルクを発生する電動パワーステアリング制御装置が提供される。

　本発明では、モータと制御ユニットとを一体化したモータ制御装置において、制御ユニットは、電源用コネクタに接続されたフィルタ部と、モータに電流を供給するための回路部品を搭載した制御基板との間にモータケースに接地されたシールド板を設けたので、制御基板の回路部品から発生するノイズの外部への放出をシールド板によって抑制できる効果が有る。

本発明に係るモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置に共通な実施の形態１における全体的な電気回路図である。本発明に係るモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置に共通な実施の形態１における全体的な機械構成を示した断面図である。本発明に係るモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置に共通な実施の形態１におけるフィルタ部周辺の平面図である。本発明に係るモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置に共通な実施の形態２及び３における全体的な機械構成を示した断面図である。

　以下、本発明に係るモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置に共通な各実施の形態を上記の添付図に基づいて詳細に説明する。

　実施の形態１．
　本発明の実施の形態１によるモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置に共通な電気系統を示す図１において、制御ユニット１は、主として、モータ２へ電流を供給するインバータ回路３と、ＣＰＵ１０を搭載した制御回路部４と、電源リレー用スイッチング素子５と、インバータ回路３によるノイズを抑制するためのフィルタ部１７とで構成されている。モータ１は、例えば、電動パワーステアリング操作のために使用される。

　フィルタ部１７には、車両に搭載されたバッテリ６から電源＋Ｂ（バッテリ電源ライン）及びＧＮＤ（グランドライン）が接続され、イグニッションスイッチ７により制御回路部４の電源回路１３を介して電源が投入される。さらに、例えばハンドルの近傍に搭載された操舵トルクを検出する、図示しないトルクセンサ、車両の走行速度を検出する速度センサ等を含むセンサ類８が設けられている。電源回路１３からフィルタ部１７及び電源リレー用スイッチング素子５を経由した電源は、インバータ回路３の電流源となる。なお、フィルタ部１７は、コモンモードコイル１７ｂ、ノーマルモードコイル１７ｄ、及びコンデンサ１７ａ、１７ｃ、１７ｅ１、１７ｅ２で構成されているが、装置が発生するノイズによっては、両コイル１７ｂ、１７ｄのうちのいずれか一方のみでもよく、さらにコンデンサの数も削除可能である。

　センサ類８からの情報は、制御回路部４の入力回路１２を介してＣＰＵ１０に伝達される。ＣＰＵ１０は、それらの情報からモータ２を回転させるための電流に相当する制御量を演算して出力する。ＣＰＵ１０の出力信号は、出力回路を構成する駆動回路１１及びインバータ回路３へ伝達される。この出力回路の内、駆動回路１１はＣＰＵ１０の指令信号を受け、インバータ回路３の各スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する。なお、駆動回路１１は小電流しか流れていないため、制御回路部４内に配置されているが、インバータ回路３内に配置してもよい。

　インバータ回路３は、主として、モータ２の３相の巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のための上下アーム用スイッチング素子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ（以下、符号３１で総称することがある。）及び３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ（以下、符号３２で総称することがある。）と、モータ巻線との配線を接続・遮断するモータリレー用スイッチング素子３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗ（以下、符号３４で総称することがある。）と、電流検出用のシャント抵抗３３Ｕ，３３Ｖ，３３Ｗ（以下、符号３３で総称することがある。）と、さらにはノイズ抑制用コンデンサ３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ（以下、符号３０で総称することがある。）とで構成されている。各相の巻線に対して同一の回路構成を有しており、各相巻線に独立に電流が供給できる。

　また、図示していないが、シャント抵抗３３の両端間の電位差、及びモータ２の巻線端子電圧等も入力回路１２にフィードバックされている。これらの情報もＣＰＵ１０に入力され、算出した電流値に対応する検出値との差異を演算してフィードバック制御を行うことで、所望のモータ電流を供給し、操舵力をアシストしている。

　さらに、駆動回路１１からは、バッテリ＋Ｂラインとインバータ回路３の電源線とを接続・遮断するリレーとして作動する電源リレー用スイッチング素子５の駆動信号も出力されており、このスイッチング素子５によりモータ２自体への電流供給を遮断することができる。モータリレー用スイッチング素子３４もインバータ回路３に配設され、各相をそれぞれ遮断することができる。なお、電源リレー用スイッチング素子５も大電流が流れ発熱を伴うので、インバータ回路３に包含させてもよい。

　ＣＰＵ１０は、センサ類８の他、駆動回路１１、インバータ回路３、モータ巻線等の異常を検出する異常検出機能を有し、異常を検出した場合、その異常に応じて、例えば所定の相のみの電流供給を遮断するために、当該相のスイッチング素子３１、３２、又はモータリレー用スイッチング素子３４をオフする。さらに全電流を遮断するために、電源自体を元から遮断するように電源リレー用スイッチング素子５をオフすることも可能である。

　モータ２は、３相巻線がスター結線されているブラシレスモータである。ブラシレスモータであるために、ロータの回転位置を検出するための回転センサ９が搭載されている。その回転情報も入力回路１２にフィードバックされている。なお、３相スター結線のブラシレスモータでなく、デルタ結線であってもよく、また２極２対のブラシ付きモータであってもよい。また、巻線仕様は従来装置と同様に、分布巻き又は集中巻きも採用できる。

　次に、フィルタ部１７の周辺について説明する。制御ユニット１の特にインバータ回路３のＰＷＭ制御によるいわゆるスイッチングノイズが、本装置から外部に伝わらないようにフィルタ部１７が挿入されている。コイル１７ｂは、コモンモードノイズ用でコモンモードコイルと呼ばれ、コイル１７ｄはノーマルモードノイズ用でノーマルモードコイルと呼ばれている。

　また、コンデンサ１７ａ、１７ｃは、アクロスザラインコンデンサ又はＸコンデンサと呼ばれるもので、コンデンサ類１７ｅ１、１７ｅ２は、ラインバイパスコンデンサ又はＹコンデンサと呼ばれるものである。これのフィルタ素子により伝導ノイズ及び放射ノイズを抑制しており、ＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）フィルタと呼ばれている。なお、Ｙコンデンサ１７ｅのコンデンサ間の中点１７ｆは、ボディーグランドであり、電気的には本装置の一部を介して車体に接続されて接地されているものである。

　以上のような電気回路を有するモータ制御装置及び電動パワーステアリング制御装置に共通なモータ２と制御ユニット１とを一体化した図２の構造を以下に説明する。
　図２の下側にモータ２が配置され、上側に制御ユニット１が配置され、両者はモータ出力軸２１の同軸上に一体化されている。モータ２は、従来装置と同様にモータケース２５に内蔵され、出力軸２１の周囲に永久磁石が複数極対配置されたロータ２３、及びこのロータ２３に間隙を有して巻線２４が巻装されたステータ２２が配置されている。巻線２４は３相それぞれに巻装されており、各相の端部は、接続のために環状の接続リング２７が巻線上直近に配置され、３相の巻線端部は延出された巻線端部２６の３本が制御ユニット１へ伸びている。また、制御ユニット１とモータ２との境界にはフレーム２８が設けられており、この中央には軸受を保持してモータ出力軸２１及び巻線端部２６が貫通できる穴が開いている。

　制御ユニット１は、図１のインバータ回路３、制御回路部４、及び電源リレー用スイッチング素子５を搭載した制御基板４ａを内蔵している。この制御ユニット１の上部はハウジング４０で覆われ、このハウジング４０の略中央にコイル１７ｂ、１７ｄで構成されるフィルタ部１７を収容した、断面が凸状のフィルタ室４１を形成している。さらに、フィルタ室４１の近傍でハウジング４０の最外部には電源用コネクタ４２が配置されている。この電源用コネクタ４２とハウジング４０とフィルタ室４１の上部とは樹脂材料で一体成型されている。

　制御基板４ａは、図１の制御回路部４及びインバータ回路３等のモータ２へ電流を供給するための回路部品を搭載している。すなわち、その上面にはＣＰＵ１０が、下面にはスイッチング素子３１，３２，３４（図１参照。）等が搭載されたパワーモジュール３５ａ、３５ｂ（以下、図１に示す符号３５で総称することがある。）が配置されている。パワーモジュール３５は、例えば、巻線２４の１相分のインバータ回路を内蔵しており、３相用に３個（図２では３５ａ、３５ｂの２個のみ図示。）配置されている。モータ２の巻線２４へ電流を供給するパワーモジュール３５ａ、３５ｂは、制御を受けることにより発熱を伴うため、フレーム２８へ伝熱可能なように当接されている。そのため、フレーム２８はヒートシンクの役目も果たしている。なお、巻線端部２６は制御基板４ａの配線パターン又はターミナル（共に図示せず。）に接続されている。

　フィルタ室４１に内蔵されたフィルタ部１７は、図１に示した各部品から構成されているが、図２では大型部品であるコイル１７ｂ、１７ｄのみが示されている。このフィルタ部１７と、電源用コネクタ４２のターミナル４４から伸びた電源用導電線（＋Ｂ、ＧＮＤライン）とが、絶縁性の樹脂部材４３によって一体に保持されている。さらに、これらの電源用導電線にはコイル１７ｂ、１７ｄ、コンデンサ１７ａ、１７ｃ、１７ｅ１、１７ｅ２のそれぞれの端子が接続されている。

　制御ユニット１の、特にインバータ回路３のパワーモジュール３５ａ、３５ｂ等の主要部品を含む制御基板４ａは、モータケース２５の内部に収容されている。電界ノイズの放出を抑制するため、モータケース２５は、金属製、特にアルミニウム製のものを使用する。さらにモータケース２５には、車体に取り付けるための取付け部２５ａが設けられている。この取付け部２５ａと車体をボルト等で固定することにより、電気的なボディアースが形成されることになる。

　一方、ハウジング４０は、電源用コネクタ４２等を有するために樹脂製が好ましいが、この領域に、制御基板４ａからのノイズ放出抑制のための対策が必要である。そこで、金属製のシールド板５０を、制御基板４ａとハウジング４０の下面との間に配置している。

　このシールド板５０は、図３に示すように、ほぼ円形を成し、その周囲はモータケース２５に当接し、その結果、電気的に接続されることになり、シールド板５０はボディアースされた形になる。そのため、ノイズ放出の抑制度は向上する。

　また、シールド板５０の下面の一部は、図２に示すように、制御基板４ａに搭載された、例えばＣＰＵ１０に当接している。この当接構造により、ＣＰＵ１０の放熱性も向上させている。この場合の熱は、ＣＰＵ１０の上面からシールド板５０を介してモータケース２５より外部へ伝わる。

　以上のように、制御ユニット１の外周部は金属製のモータケース２５で囲繞し、ハウジング４０との間にはシールド板５０を配置することにより、ノイズ放出を抑制することができる。さらに、このシールド板５０がモータケース２５と電気的に接続されるとともに、制御回路部品に当接させることにより放熱性をも向上させる構造となっている。

　実施の形態２．
　次に、実施の形態２について、図３を用いて説明する。実施の形態１と同等な部位には同一符号を付している。なお、図３は、ハウジング４０を省略し、シールド板５０の上面が見えるように示したものである。

　シールド板５０の上面に、樹脂部材４３を固定する役目も有し、図示のようにネジ締め用の穴５０ａが４カ所開いている。また、フィルタ部１７と樹脂部材４３内の導電線との接続部に対向する部分には、凹部５０ｅ、５０ｆを設けて直接当たらないように間隙を設けている。さらに、電源用コネクタ４２のターミナル４４の複数のターミナル端部が貫通する穴も開けられている。すなわち、穴５０ｂ、５０ｃは、センサ類８のためのコネクタのターミナル貫通孔である。穴５０ｄは、電源用コネクタ４２のターミナル４４から延出されフィルタ部１７を通る電源用の導電線を通すための孔である。

　このように、シールド板５０には複数の穴が開いているが、穴の無いシールド板５０と比較して、ノイズ放出抑制面では、互いに差異が無い程度の小穴とすることは設計上困難ではない。

　さらにまた、シールド板５０の外周近傍には、例えば樹脂製又はゴム製の外周壁５１が設けられている。この外周壁５１に、ハウジング４０の外周縁部を挿入し、ハウジング４０の固定に利用することができる。また、この外周壁５１とモータケース２５の内壁に防水用のゴム製パッキン５２（図４参照。）を配置、又はシール剤塗布を行うことにより、ハウジング外周縁部との防水性を確保することも可能となる。

　以上のように制御ユニット１の外周部は、金属製のモータケース２５で囲繞し、ハウジング４０との間にはシールド板５０を配置することにより、ノイズ放出を抑制することができる。さらにこのシールド板５０のモータケース２５との電気的接続、樹脂部材４３の固定、及び制御ユニット１の防水性確保に簡単に利用できる構造とすることもできる効果がある。

　実施の形態３．
　次に実施の形態３について、図４を用いて説明する。なお、図２と同等な部位には同一符号を付している。
　本実施の形態３と、図２に示す実施の形態２との差異は、モータケース及び制御ユニット１のためのケースである。すなわち、モータ２を内蔵しているモータケース２２５は、例えば鉄系材料で構成され、その内部には同様にロータ２３、モータ出力軸２１、ステータ２２等が保持されている。車体との取付け部２２５ａは、モータケース２２５と別体で構成され、両者は複数のボルトで固定されている。従って、車体との機械的及び電気的接続は、モータケース２２５と当接すれば確保できる。

　次に、制御ユニット１は、その外層を成すケース状のフレーム２２８に収容され、上部が蓋状のハウジング４００で覆われている。すなわち、フレーム２２８は、内部空間である上側凹部と下側凹部とを有し、上側凹部には制御ユニット１の各種電子部品の大半を内蔵する構造となっている。このフレーム２２８の下側凹部は、モータケース２２５の上部外壁と当接し、以てモータ２と機械的及び電気的に接続されている。

　このフレーム２２８には、中央にモータ出力軸２１が貫通しており、さらに周辺部にはモータ２の巻線端部２６が貫通している。また、フレーム２２８の上側凹部の上面にはパワーモジュール３５ａ、３５ｂが当接している。さらに、図示されていないが、フレーム２２８の一部には凹部があり、この凹部には図１の回路に示した複数のコンデンサ３０が別々に収容されている。

　さらに、フレーム２２８の凹部の上部には制御基板４ａが配置され、その上部にはシールド板５００が配置され、さらに、ハウジング４００との取付部を周囲に備えている。シールド板５００は、その一部が制御基板４ａの電子部品、例えばＣＰＵ１０と当接することにより電子部品の放熱性を向上させている。シールド板５００の周囲は、フレーム２２８の内周と当接することにより電気的及び機械的に両者は接続・固定されている。

　ハウジング４００には、図１に示したフィルタ部１７の一部であるコイル１７ｂ他が収容され、上部部には電源用コネクタ４２を有している。電源用コネクタ４２とフィルタ部１７との電気的接続は、導電線を内蔵した樹脂部材４３及び基板４５により行われる。

　コイル１７ｂの脚部及び電源用コネクタ４２のターミナルは、樹脂部材４３で固定された導電線に接続され、図１に示すコンデンサ１７ａ、１７ｃ、１７ｅ１、１７ｅ２と導電線は基板４５の配線パターンにより接続されている。そして、基板４５の端部からは、制御基板４ａ及びパワーモジュール３５ａ，３５ｂ用の電源系端子へそれぞれ複数の端子が延出されている。樹脂部材４３から伸びた導電線の端部のために、シールド板５００は凹部、さらには複数の端子のための穴が開けられている。特に穴は、シールド板５００の極一部にまとまって小穴が開けられているので、シールドの性能に対して影響を及ぶすほどではない。

　フレーム２２８は、上記のように上側の凹部に加えて下側にも凹部があり、上側の凹部の内周部は、ハウジング４００、さらにはシールド板５００とそれぞれ密着しており、下側の凹部の内周部は、モータケース２２５と密着している。

　図４に示すように、フレーム２２８とモータケース２２５との当接部に一部に防水構造、例えばパッキン５２ａを挿入することにより防水性を確保できる。同様にフレーム２２８とハウジング４００との当接部にも防水構造に、例えばシール剤５２ｂを塗布することで防水性、固着性の確保が簡単である。なお、フレーム２２８の一部に車両との取付け部を有し、この取付け部により車両と固定する構造の場合であっても、同様にシールド性は確保できることは言うまでもない。

　以上のようにフレーム２２８は構成されており、制御ユニット１のケースの役目と、パワーモジュール３５ａ、３５ｂの放熱用ヒートシンクの役目との複数の役目を担っており、例えばアルミニウム製でできている。

　一方、シールド板５００も同様に、シールド以外に放熱用ヒートシンク、基板４５の保持、さらには制御基板４ａ、及びパワーモジュール３５ａ、３５ｂで構成される制御回路部の蓋の役目を成し、アルミニウム製であれば、フレーム２２８と熱による膨張収縮率が同じであるので、両者の密着性は良い。シールド性についてはシールド板５００によりフィルタ部と制御回路部と分離され、シールド板５００はフレーム２２８、モータケース２２５を介して車体に接地されているので、図２と同様にシールド性もよい。

Claims

　モータを内蔵したモータケースと、
　電源用コネクタを載置するとともに前記モータケースの上部を覆うように設けられたハウジングと、
　前記モータケースと前記ハウジングとで形成された空間において、前記モータの出力軸上の出力側とは反対側に配置された制御ユニットとを備え、
　前記制御ユニットは、前記制御ユニットの上部に配置され前記電源用コネクタに接続されたフィルタ部と、前記フィルタ部の下部に配置され前記モータに電流を供給するための回路部品を搭載した制御基板と、前記フィルタ部と前記制御基板との間に配置され前記モータケースに接地されたシールド板とを有する
　モータ制御装置。
　前記モータケースは、金属製であり、前記モータケースを車体に機械的に固定するとともに電気的にも接続する取付け部を有する
　請求項１記載のモータ制御装置。
　前記シールド板の外周部は、前記モータケースの内周壁部に当接している
　請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
　前記ハウジングと前記モータケースとの間にフレームを配置し、前記フレームには上側凹部と下側凹部とが設けられ、前記上側凹部内に前記制御ユニットが収容されるとともに前記シールド板は、前記上側凹部の上部の内周に当接しており、前記下側凹部が前記モータケースと当接している
　請求項１に記載のモータ制御装置。
　前記シールド板には、前記フィルタ部を通った電源用導電線及び信号用導電線の通し穴と、前記フィルタ部を構成する部品の一部を、間隙を持って前記シールド板に対向配置させるための凹部が設けられている
　請求項１又は４に記載のモータ制御装置。
　前記シールド板の外周には外周壁が円周状に設けられており、この外周壁と前記モータケースの壁部との間に隙間が設けられ、この隙間には防水用部材が配置され、この防水用部材に前記ハウジングの外周縁部が挿入されるようになっている
　請求項１に記載のモータ制御装置。
　前記シールド板の外周には外周壁が円周状に設けられており、この外周壁と前記フレームの壁部との間に隙間を設け、この隙間には防水用部材が配置され、この防水用部材に前記ハウジングの外周縁部が挿入されるようになっている
　請求項４に記載のモータ制御装置。
　前記シールド板の前記モータケースの側の面は、前記制御基板上の部品と当接して放熱させる構造を有する
　請求項１又は４に記載のモータ制御装置。
　前記シールド板の前記ハウジング側の面には、前記フィルタ部又は前記フィルタ部に接続される導電線を構成する部品の固定部を有する
　請求項１又は４に記載のモータ制御装置。
　請求項１から９のいずれか一項に記載のモータ制御装置を備え、
　前記モータで操舵補助トルクを発生する
　電動パワーステアリング制御装置。