JP2007091122A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】副電源（補助電源）の無用な充放電を抑制することによって、補助電源の長寿命化を図ることができ、また、無駄なエネルギー損失を抑制できる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１の操作に応じて車載バッテリ８および高容量コンデンサ９の電力を電動モータＭに供給し、この電動モータＭの動力をステアリング機構３に伝達して操舵補助する。この装置は、操舵トルクを検出するトルクセンサ５と、車速を検出する車速センサ６と、操舵トルクおよび車速に応じて目標電力値を設定する目標駆動値設定部３２と、目標電力値に基づいて高容量コンデンサ９からの電力供給の要否を判定する副電源要否判定部３３と、その判定結果に従って高容量コンデンサ９から電動モータＭへの給電を制御する副電源給電制御部３４とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動モータが発生する駆動力を車両のステアリング機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置に関する。

従来から、ステアリングホイールに加えられた操舵トルクに応じて駆動される電動モータが発生する駆動力を車両のステアリング機構に伝達することによって、操舵補助を行う電動パワーステアリング装置が車両に搭載されて用いられている。
このような電動パワーステアリング装置では、車庫入れ時等のように大きな操舵補助力が必要とされる状況のときに、車載バッテリから供給される電力の不足が生じ、結果として電動モータの出力に不足が生じる場合がある。そこで、下記特許文献１に記載された先行技術では、高容量コンデンサや二次電池からなる補助電源を備え、操舵トルクが所定値を超えるときには、主電源としての車載バッテリと前記補助電源との両方から電動モータへの給電を行うようにしている。また、操舵トルクが所定値以下のときには、車載バッテリから補助電源への充電が行われるようになっている。

一方、電動パワーステアリング装置では、いわゆる車速感応制御が行われることが多い。車速感応制御とは、車速に応じて電動モータの出力を制御し、操舵トルクに対する操舵補助力の大きさの特性を変化させる制御である。より具体的には、低速走行時には大きな操舵補助力をステアリング機構に与えて操舵力の低減を図るとともに、中高速走行時には操舵補助力を小さくして剛性感を高め（操舵入力を大きくし）、走行安定性（中立保持性）を高める制御が行われる。
特開２００３−３２０９４２号公報 特開２００２−３７０９９号公報

ところが、前述の先行技術では、専ら操舵トルクの大きさに基づいて補助電源の使用／不使用が切り換えられる構成であるため、大きな操舵補助力を必要としない中速域以上の車速域でも、補助電源から電動モータへの給電が行われることになる。これにより、次の２つの問題が生じている。
(1) 補助電源に対する必要以上な充放電が繰り返される。蓄電池および二次電池は、いずれも、充放電を繰り返すうちに機能低下を起こす性質がある。したがって、充放電回数が必要以上に多くなる前述の先行技術の構成では、補助電源の寿命が短い。

(2) 補助電源の充放電に伴うエネルギーの熱損失が大きい。補助電源の充放電の際には、数Ａ程度の電流が補助電源に対して流入／流出する。そのため、充放電回路を構成する閉回路での熱損失が大きい。必要以上の充放電が繰り返される前述の先行技術では、熱損失による無駄なエネルギー損失が無視できない。
そこで、この発明の目的は、副電源（補助電源）の無用な充放電を抑制することによって、補助電源の長寿命化を図ることができ、また、無駄なエネルギー損失を抑制できる電動パワーステアリング装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、車両の操作手段（１）の操作に応じて主電源（８）および副電源（９）からの電力を電動モータ（Ｍ）に供給し、この電動モータの動力をステアリング機構（３）に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、前記操作手段に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ（５）と、前記電動パワーステアリング装置が搭載される車両の車速を検出する車速検出手段（６）と、前記トルクセンサによって検出される操舵トルクおよび前記車速検出手段によって検出される車速に応じて、前記電動モータを駆動するための目標駆動値を設定する目標駆動値設定手段（３２）と、前記トルクセンサによって検出される操舵トルクおよび前記車速検出手段によって検出される車速に基づいて、前記副電源からの電力供給の要否を判定する副電源要否判定手段（３３）と、この副電源要否判定手段の判定結果に従って、前記副電源から前記電動モータへの電力の供給を制御する副電源給電制御手段（３４）とを含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。

この構成によれば、操舵トルクだけでなく車速をも考慮して、副電源からの給電の要否が判定され、この判定結果に従って、主電源および副電源から電動モータへの給電制御が行われる。
これにより、たとえば、車速が所定値よりも大きな中速域以上の車速域では、副電源からの給電が行われないようにすることができる。これにより、副電源が無用に放電することがなくなるので、それに伴って、副電源への充電回数が少なくなる。こうして、副電源が必要以上に充放電することを抑制または防止できる結果、補助電源の寿命を長くすることができるとともに、充放電に伴う熱損失に起因する無駄なエネルギー消費を抑制できる。

なお、前記主電源は、車両の電装品に電力を供給する車載バッテリであってもよい。車載バッテリは、通常、エンジンによって駆動されるオルタネータからの電力によって充電されるようになっている。
また、前記副電源は、スーパーキャパシタ（電気二重層コンデンサ）等の高容量コンデンサに代表される蓄電池や二次電池のように、充電可能な電源であることが好ましい。

請求項２記載の発明は、前記副電源要否判定手段は、前記目標駆動値設定手段によって設定される目標駆動値に基づいて前記副電源からの電力供給の要否を判定するものであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置である。
この発明における目標駆動値設定手段は、操舵トルクおよび車速に基づいて目標駆動値を設定する。そこで、この目標駆動値に基づいて副電源からの給電の要否を判定することにより、操舵トルクおよび車速の両方を加味して、副電源からの給電の要否を判定できる。そして、目標駆動値は、電動モータに実際に供給すべき電力に直接的に関係する値であるため、この目標駆動値を判定基準として用いることで、より適切な判定が可能になる。

請求項３記載の発明は、前記主電源の発生電力によって前記副電源を充電する充電回路（１２）と、前記副電源が満充電状態かどうかを判定する充電状態判定手段（３５）と、この充電状態判定手段によって前記副電源が満充電状態であると判定されたときに、前記充電回路による前記副電源の充電を停止させる充電停止手段（３６，ＳＷ１，ＳＷ２）とを含むことを特徴とする請求項１また２記載の電動パワーステアリング装置である。

この構成によれば、副電源が満充電状態のときには副電源への充電は行われず、副電源が満充電状態でなくなると充電が行われる。これにより、副電源への充電が必要以上に行われることを回避できる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この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電気的構成を示すブロック図である。車両の操向のための操作手段としてのステアリングホイール１に加えられた操舵トルクは、ステアリングシャフト２を介して、ステアリング機構３に機械的に伝達される。ステアリング機構３には、電動モータＭからの操舵補助力が、減速機構（図示せず）を介して、またはダイレクトドライブ方式によって、伝達されるようになっている。

ステアリングシャフト２は、ステアリングホイール１側に結合された入力軸２Ａと、ステアリング機構３側に結合された出力軸２Ｂとに分割されていて、これらの入力軸２Ａおよび出力軸２Ｂは、トーションバー４によって互いに連結されている。トーションバー４は、操舵トルクに応じてねじれを生じるものであり、このねじれの方向および量は、トルクセンサ５によって検出されるようになっている。

トルクセンサ５は、たとえば、入力軸２Ａと出力軸２Ｂとの回転方向の位置関係の変化に応じて変化する磁気抵抗を検出する磁気式のもので構成されている。このトルクセンサ５の出力信号は、コントローラ１０（ＥＣＵ）に入力されている。
コントローラ１０には、トルクセンサ５の出力信号のほかに、車速センサ６が出力する車速信号が入力されている。コントローラ１０は、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクおよび車速センサ６によって検出される車速に応じて、目標駆動値としての電力指令値を定め、操舵トルクおよび車速に応じた操舵補助力がステアリング機構３に与えられるように、電動モータＭを駆動制御する。

コントローラ１０は、車両の電装品に電力を供給する主電源としての車載バッテリ８と、副電源（補助電源）としての高容量コンデンサ９（たとえばスーパーキャパシタ）からの電力を電動モータＭに供給することによって、この電動モータＭを駆動制御する。車載バッテリ８の電力は、給電ライン１１を介してコントローラ１０に供給されるようになっている。給電ライン１１には、充電回路を形成する充電ライン１２が分岐接続されている。この充電ライン１２には、第１スイッチング手段ＳＷ１を介して高容量コンデンサ９の一方の端子９ａが接続されている。この高容量コンデンサ９の他方の端子９ｂは、第２スイッチング手段ＳＷ２を介して、接地ライン１３に接続されている。

第１および第２スイッチング手段ＳＷ１，ＳＷ２は、リレーで構成されていてもよいし、パワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体パワーデバイスで構成されていてもよい。これらの第１および第２スイッチング手段ＳＷ１，ＳＷ２は、コントローラ１０によってオン／オフ制御されるようになっている。
コントローラ１０は、マイクロコンピュータ２１と、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)変換回路２２と、モータ駆動回路２４と、電動モータＭに流れる電流値を検出するモータ電流検出回路２５と、偏差演算回路２６とを備えている。また、要求されるアシスト（操舵補助）のエネルギーが大きく、かつ、電動モータＭに流すことができる最大電流値が小さい電動パワーステアリング装置が必要とされる場合には、コントローラ１０の内部に、昇圧回路２３を備えてもよい。昇圧回路２３をコントローラ１０の内部に備える代わりに、図１に示すように、コントローラ１０の外部に昇圧回路２３Ａ（たとえば、ＤＣ−ＤＣコンバータからなるもの）を配置する構成とすることもできる。

マイクロコンピュータ２１は、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクおよび車速センサ６によって検出される車速に基づいて、目標駆動値としての目標電力値を求め（目標電力値の具体的な求め方は後述する。）、昇圧回路２３（２３Ａ）を備えている場合には、その目標電力値に基づいて昇圧回路２３（２３Ａ）を制御し、かつ、偏差演算回路２６にモータ電流目標値を与える。

偏差演算回路２６は、モータ電流目標値とモータ電流検出回路２５によって検出されるモータ電流値との偏差を求め、この偏差をＰＷＭ変換回路２２に与える。ＰＷＭ変換回路２２は、偏差演算回路２６によって求められる偏差に対応したパルス幅のＰＷＭ駆動信号を発生し、モータ駆動回路２４に入力する。モータ駆動回路２４は、ＰＷＭ駆動信号に応じた電流を電動モータＭに供給する。そして、電動モータＭが発生する駆動力が、操舵補助力として、ステアリング機構３に伝達されることになる。

モータ駆動回路２４は、給電ライン１１に接続されており、電流検出用抵抗１５を介して接地ライン１３に接続されている。昇圧回路２３がコントローラ１０に内蔵されている場合には、給電ライン１１上に昇圧回路２３が設けられ、この昇圧回路２３にモータ駆動回路２４が接続される。コントローラ１０の外部に昇圧回路２３Ａが設けられる場合には、この昇圧回路２３Ａは車載バッテリ８の近くに配置され、この昇圧回路２３Ａに、給電ライン１１を介してモータ駆動回路２４が接続される。

なお、図１において、他の箇所よりも太い配線が用いられる配線部分は太線で示されている。太い配線は、大電流が流れる配線部分に用いられ、配線の焼損を防ぐとともに、熱損失を抑制する。太い配線を用いれば、それに応じて配線コストが高くなり、また、配線のねじれによる応力に対応できるように、当該配線に接続される端子の強度を大きく設計する必要がある。そのため、太い配線は、必要部分にのみ配置されている。すなわち、この実施形態では、高容量コンデンサ９から給電ライン１１および接地ライン１３を介してモータ駆動回路２４に至る配線部分に、他の箇所よりも太い配線が適用されている。

昇圧回路２３（２３Ａ）は、たとえば、車載バッテリ８が発生するバッテリ電圧（たとえば１２Ｖ）を所定の高電圧（たとえば４２Ｖ）に昇圧する。マイクロコンピュータ２１は、目標電力値に応じて、昇圧回路２３（２３Ａ）を、バッテリ電圧をそのまま出力する不動作状態と、前記高電圧を出力する動作状態とに切り換え制御する。より具体的には、たとえば、電動モータＭを比較的高回転・高トルクで駆動すべき操舵条件のときには、昇圧回路２３（２３Ａ）を作動させ、その他の場合には昇圧回路２３（２３Ａ）を不動作状態に制御する。

マイクロコンピュータ２１は、ＣＰＵ（中央処理装置）およびメモリを備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能する。この複数の機能処理部は、アシスト特性記憶部３１と、目標駆動値設定部３２と、副電源要否判定部３３と、副電源給電制御部３４と、充電状態監視部３５と、充電制御部３６とを備えている。

アシスト特性記憶部３１は、操舵トルクおよび車速に対応したモータ電流目標値を予め定めた基本アシスト特性（アシストマップ）を記憶している。
目標駆動値設定部３２は、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクおよび車速センサ６によって検出される車速を、アシスト特性記憶部３１に記憶された基本アシスト特性に当てはめて、モータ電流目標値を求める。そして、目標駆動値設定部３２は、昇圧回路２３（２３Ａ）を不作動状態に制御しているときには、アシスト特性記憶部３１から読み出されたモータ電流目標値を電流指令値として偏差演算回路２６に与える。

一方、目標駆動値設定部３２は、昇圧回路２３（２３Ａ）を作動状態としているときには、前記基本アシスト特性から求められたモータ電流目標値（たとえば４９Ａ）に対して、車載バッテリ８が発生する電源電圧（たとえば１２Ｖ）を掛け合わせて、目標電力値（たとえば、５８８Ｗ＝４９Ａ×１２Ｖ）を演算する。さらに、目標駆動値設定部３２は、求められた目標電力値を、昇圧後の電圧（前記高電圧。たとえば４２Ｖ）で目標電力値（たとえば５８８Ｗ）を除算して得られる値（たとえば１４Ａ）を新たな電流指令値として、偏差演算回路２６に与える。

なお、目標駆動値設定部３２は、基本アシスト特性から求められるモータ電流目標値に対して、いわゆる慣性補償制御やダンピング制御などの公知の補償制御演算を施してモータ電流目標値を求めるものであってもよい。
副電源要否判定部３３は、目標駆動値設定部３２によって設定された目標電力値を得て、副電源としての高容量コンデンサ９からの給電の要否を判定する。より具体的には、副電源要否判定部３３は、目標電力値が所定の電力閾値（たとえば、６００Ｗ）未満であれば、高容量コンデンサ９からモータ駆動回路２４への給電は不要であると判定する。また、副電源要否判定部３３は、目標電力値が前記電力閾値以上であれば、高容量コンデンサ９からモータ駆動回路２４への給電が必要であると判定する。

副電源給電制御部３４は、副電源要否判定部３３の判定結果に基づいて、第２スイッチング手段ＳＷ２をオン／オフし、これにより、高容量コンデンサ９からモータ駆動回路２４への給電／非給電を切り換える。すなわち、副電源要否判定部３３が高容量コンデンサ９からの給電が必要であると判定すれば、副電源給電制御部３４は、第２スイッチング手段ＳＷ２を導通させ、高容量コンデンサ９を接地ライン１３に接続させる。一方、副電源要否判定部３３が高容量コンデンサ９からの給電は不要であると判定すれば、副電源給電制御部３４は、第２スイッチング手段ＳＷ２をオフ状態として、高容量コンデンサ９と接地ライン１３との間を開放する。

充電状態監視部３５は、高容量コンデンサ９の両端子間電圧を監視することにより、この高容量コンデンサ９が満充電状態（両端子間電圧が所定の閾値以上である状態）かどうかを判定する。
充電制御部３６は、充電状態監視部３５による判定結果に応じて、第１および第２スイッチング手段ＳＷ１，ＳＷ２を制御し、これにより、高容量コンデンサ９の充電／非充電を制御する。より具体的には、充電状態監視部３５が満充電状態であると判定していなければ、充電制御部３６は、第１および第２スイッチング手段ＳＷ１，ＳＷ２をいずれもオン状態に制御する。これにより、車載バッテリ８からの電力が、充電ライン１２を介して高容量コンデンサ９に供給され、この高容量コンデンサ９が充電されていく。一方、充電状態監視部３５が満充電状態であると判定していれば、充電制御部３６は、第１および第２スイッチング手段ＳＷ１，ＳＷ２をオフ状態とし、車載バッテリ８を高容量コンデンサ９から開放する。これにより、高容量コンデンサ９は、非充電状態となる。

副電源給電制御部３４が第２スイッチング手段ＳＷ２をオン状態とし、これにより高容量コンデンサ９からの電力がモータ駆動回路２４に供給されるときとは、車載バッテリ８および高容量コンデンサ９の両方からモータ駆動回路２４に大電力を供給すべき場合である。したがって、この状況は高容量コンデンサ９の充電には適さないから、副電源給電制御部３４は、第２スイッチング手段ＳＷ２をオン状態とするときには、第１スイッチング手段ＳＷ１をオフ状態に制御することが好ましい。

以上のようにこの実施形態の電動パワーステアリング装置では、目標電力値が所定の電力閾値以上であることを条件に、高容量コンデンサ９からの給電が有効とされる。そのため、高容量コンデンサ９が必要以上に充放電されることがないため、その充放電回数を著しく少なくすることができる。その結果、高容量コンデンサ９の長寿命化を図ることができるとともに、充放電に伴って給電ライン１１および充電ライン１２で熱消費されるエネルギー損失を抑制でき、省エネルギー性を高めることができる。

前述のとおり、目標電力値は、モータ電流目標値および電源電圧を掛け合わせて求められ、モータ電流目標値は、操舵トルクおよび車速を基本アシスト特性に当てはめて求められる。したがって、目標電力値は、結局、操舵トルクおよび車速に従って定められるので、この実施形態は、操舵トルクおよび車速に応じて高容量コンデンサ９からの給電の有効／無効を切り換える構成となっている。

図２に、アシスト特性記憶部３１に記憶されている基本アシスト特性の一例を示す。基本アシスト特性は、操舵トルクＴに対するモータ電流目標値Ｉobjの関係を定めたものである。操舵トルクＴは、たとえば右方向への操舵のためのトルクが正の値にとられ、左方向への操舵のためのトルクが負の値にとられている。また、モータ電流目標値Ｉobjは、電動モータＭから右方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには正の値とされ、電動モータＭから左方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには負の値とされる。

モータ電流目標値Ｉobjは、操舵トルクの正の値に対しては正の値をとり、操舵トルクの負の値に対しては負の値をとる。操舵トルクが−Ｔ１〜Ｔ１（たとえば、Ｔ１＝０．４Ｎ・ｍ）の範囲（トルク不感帯）の微小な値のときには、モータ電流目標値Ｉobjは零とされる。また、モータ電流目標値Ｉobjは、車速センサ６によって検出される車速Ｖが大きいほど、その絶対値が小さく設定されるようになっている。これにより、低速走行時には大きな操舵補助力を発生させることができ、高速走行時には操舵補助力を小さくすることができる。

したがって、中速域以上の車速域では、操舵トルクＴの絶対値が大きくてもモータ電流目標値Ｉobjの絶対値は比較的小さく設定されることになる。そのため、目標電力値もそれに応じて小さくなるので、高容量コンデンサ９からモータ駆動回路２４への給電が無効化されることになる。こうして、中速域以上の車速域（たとえば５０km/h以上）において、高容量コンデンサ９からの無用な給電が行われることを回避でき、高容量コンデンサ９の無用な放電を回避できる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することも可能である。たとえば、前述の実施形態では、目標電力値を電力閾値と比較することによって、高容量コンデンサ９からの給電を有効化するか無効化するかを判定するようにしているが、操舵トルクおよび車速の値に基づいて、同様の判定を直接的に行うこととしてもよい。より具体的には、たとえば、操舵トルクが大きくても、車速が中速域以上である場合には、高容量コンデンサ９からの給電を無効化すればよい。

また、前述の実施形態では、副電源として高容量コンデンサ９を用いた例を挙げたが、二次電池を副電源として用いることもできる。
さらに、前述の実施形態では、目標駆動値として目標電力値を用いた例について説明したが、目標電流値もしくは目標電圧値、または操舵補助力の目標値であるアシストトルク目標値を、目標駆動値として用いてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この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電気的構成を示すブロック図である。 基本アシスト特性の一例を示す図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、５…トルクセンサ、８…車載バッテリ、９…高容量コンデンサ、１０…コントローラ、１１…給電ライン、１２…充電ライン、２１…マイクロコンピュータ、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチング手段

Claims (3)

1. 車両の操作手段の操作に応じて主電源および副電源からの電力を電動モータに供給し、この電動モータの動力をステアリング機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   前記操作手段に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   前記電動パワーステアリング装置が搭載される車両の車速を検出する車速検出手段と、
   前記トルクセンサによって検出される操舵トルクおよび前記車速検出手段によって検出される車速に応じて、前記電動モータを駆動するための目標駆動値を設定する目標駆動値設定手段と、
   前記トルクセンサによって検出される操舵トルクおよび前記車速検出手段によって検出される車速に基づいて、前記副電源からの電力供給の要否を判定する副電源要否判定手段と、
   この副電源要否判定手段の判定結果に従って、前記副電源から前記電動モータへの電力の供給を制御する副電源給電制御手段とを含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記副電源要否判定手段は、前記目標駆動値設定手段によって設定される目標駆動値に基づいて前記副電源からの電力供給の要否を判定するものであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記主電源の発生電力によって前記副電源を充電する充電回路と、
   前記副電源が満充電状態かどうかを判定する充電状態判定手段と、
   この充電状態判定手段によって前記副電源が満充電状態であると判定されたときに、前記充電回路による前記副電源の充電を停止させる充電停止手段とを含むことを特徴とする請求項１また２記載の電動パワーステアリング装置。

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