JP2009120035A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補助電源を使用する電動パワーステアリング装置において、補助電源のコスト増大を抑制しつつ、充放電閾値を適切に設定する。
【解決手段】操舵補助に必要な電源出力が所定の充放電閾値以下のときは主電源のみで電力を負担するとともに補助電源は充電可能な状態とし、当該充放電閾値を超えるときは補助電源も使用して主電源と電力の分担を行う電動パワーステアリング装置において、充放電閾値を変化させたときの、補助電源に必要なエネルギーの特性カーブに基づいて、充放電閾値によるエネルギーの２階微分値がピーク値となるときの値より大きい充放電閾値を制御回路に設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置に関し、特にその電気回路の構成に関する。

電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵トルクに応じてモータにより操舵補助力を生じさせる装置である。近年、大型車への電動パワーステアリング装置の需要が急増しており、かかる大型車の場合、必要とされる操舵補助力も増大する。従って、より大きな電力をモータに供給しなければならない。しかし、バッテリによって構成される主電源だけでは、このような大電力を十分にまかなえない場合がある。そこで、主電源とは別に補助電源を設け、通常は主電源のみで対応し、より大きな電力を必要とするときは主電源と補助電源とを互いに直列に接続して両電源で電力を供給する、という構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。なお、補助電源の充電は、主電源のみで対応しているときのバッテリによって行われる。

図３は、電動パワーステアリング装置に必要な電力の経時的変化の一例を示す図である。図において、時刻Ｔ１までは、モータに供給すべき電力Ｐが所定の電力Ｐ_th以下である。従って、主電源のみで必要な電力を負担する。時刻Ｔ１〜Ｔ２においては、所定の電力Ｐ_thを超える電力が必要であるため、全電力のうち電力Ｐ_thは主電源が負担し、それを超える分の電力（斜線部）は補助電源が負担する。次に、時刻Ｔ２〜Ｔ３においては、必要な電力は所定の電力Ｐ_th以下であるため、主電源のみで電力を負担し、かつ、余裕分の電力（逆斜線部）で、放電した補助電源を充電する。以下同様に、時刻Ｔ３〜Ｔ４においては、電力Ｐ_thを主電源が負担し、それを超える分の電力は補助電源が負担する。時刻Ｔ４〜Ｔ５においては、主電源のみで電力を負担し、かつ、余裕分の電力で、放電した補助電源を充電する。

特開２００５−２８７２２２号公報（図１）

上記のような電動パワーステアリング装置においては、所定の電力を境界点として補助電源を使用するか否か、言い換えれば、補助電源を放電させるか又は充電可能とするか、が決定されることになる。そのため、この境界点の電力（又は電流）は、充放電閾値と称される。この充放電閾値をどこに設定するかによって、バッテリの最大負担や、補助電源に必要とされるエネルギーが異なってくる。補助電源に必要とされるエネルギーは、補助電源のコストに密接に関連する。

ところが、かかる重要な数値である充放電閾値を、どのような基準で設定すべきかについては、まだ具体的な提案がなされていない。このような状況下では、充放電閾値を適切な値に設定することは困難である。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、補助電源を使用する電動パワーステアリング装置において、補助電源のコスト増大を抑制しつつ、充放電閾値を適切に設定することを目的とする。

本発明は、モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置であって、前記モータに電力を供給する主電源と、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、前記主電源に基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記主電源のみによって前記モータへ電力を供給する第１の出力状態と、前記主電源及び補助電源から前記モータへ電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、操舵補助に必要な電源出力が所定の充放電閾値以下のときは前記充放電回路を前記第１の出力状態とし、当該充放電閾値を超えるときは前記充放電回路を前記第２の出力状態とする制御回路とを備え、前記制御回路は、前記充放電閾値を変化させた場合の、前記補助電源に必要なエネルギーの特性カーブに基づいて、充放電閾値によるエネルギーの２階微分値がピーク値となるときの充放電閾値より大きい充放電閾値を前記所定の充放電閾値とすることを特徴とするものである。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置において、特性カーブは、充放電閾値の増大に伴って、急勾配から緩勾配に変化しながらエネルギーが減少する形となり、かつ、このような変化の途中で、勾配の変化率が最大となる特有のポイントが存在する、という知見が得られた。そこで、エネルギーの２階微分値がピーク値となるときの充放電閾値より大きい充放電閾値を制御回路に設定することにより、
（１）補助電源に必要とされるエネルギーが比較的大きい領域を避けることができる。その結果、補助電源のコストを低く抑えることができる。また、
（２）エネルギーの変化が急勾配な領域を避け、緩勾配な領域の充放電閾値を使用することができる。これにより、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的小さくなり、結果的に、充放電閾値を適切に設定することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、補助電源のコストを低く抑えるとともに、充放電閾値を適切に設定することができる。

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１の電気回路を主体とした概略構成を示す回路図である。図において、ステアリング装置２は、ステアリングホイール（ハンドル）３に付与される運転者の操舵トルクと、モータ４から操舵軸２ａに減速機（図示せず。）を介して伝達される操舵補助力とによって駆動される。モータ４は、３相ブラシレスモータであり、駆動回路５により駆動される。制御回路６はマイクロコンピュータを含むものであり、車速センサ７から入力される車速信号及び、トルクセンサ８から入力される操舵トルク信号に基づいて必要となる操舵補助力を決定し、その操舵補助力が操舵軸２ａに付与されるように、駆動回路５を制御する。

駆動回路５には、主電源９の電圧又は必要によりこれに補助電源１０の電圧を加えた直流電圧が付与される。主電源９は、バッテリ９Ｂとオルタネータ（整流及びレギュレータ機能を有するもの。）９Ａとによって構成され、この主電源９の電圧を駆動回路５に導く電路Ｌ１，Ｌ３の途中に、放電回路の切り換えのためのスイッチ１１が設けられている。一方、補助電源１０は、例えば電気二重層コンデンサで構成されており、主電源９に対して直列に接続されている。主電源９に補助電源１０を直列接続した出力電圧は、電路Ｌ２からスイッチ１１、電路Ｌ３を介して、駆動回路５に導かれる。

上記スイッチ１１は制御回路６からの制御により接続を切り換えることができる。実線で示す第１の出力状態では電路Ｌ１とＬ３とが互いに接続され、点線で示す第２の出力状態では電路Ｌ２とＬ３とが互いに接続される。なお、このスイッチ１１は、実際にはＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を用いて、図示のような回路の切り換え機能を実現するよう構成される。

また、上記補助電源１０には充電回路１２が並列に接続されている。充電回路１２は、主電源９の電圧を昇圧して補助電源１０に充電する機能を備えている。この充電回路１２が充電を行うか否かは、制御回路６によって制御される。なお、電路Ｌ１〜Ｌ３及びスイッチ１１により上記第１，第２の出力状態のいずれかを構成可能な放電回路が構成され、これにさらに充電回路１２を加えて、充放電回路１３が構成されている。

制御回路６は、トルクセンサ８から送られてくる操舵トルク信号及び、車速センサ７から送られてくる車速信号に基づいて、必要とされる操舵補助力を得るための所要電流を推定し、これを所定の充放電閾値と比較する。所要電流が充放電閾値以下であるときは、制御回路６はスイッチ１１を図１の実線で示す第１の出力状態とする。従って、主電源７の電圧は電路Ｌ１，Ｌ３を介して駆動回路５に供給され、駆動回路５は、制御回路６による制御信号に基づいてモータ４を駆動する。この場合、補助電源１０の電力は駆動回路５に供給されない。また、制御回路６は、補助電源１０の電圧を、充電回路１２内に内蔵する電圧センサ（図示せず。）により監視し、一定の電圧に達していない場合には、充電回路１２を駆動して補助電源１０を充電する。

一方、所要電流が充放電閾値を超えるときは、制御回路６はスイッチ１１を点線で示す第２の出力状態とする。この結果、主電源９と補助電源１０とが互いに直列に接続された状態で、その高電圧が駆動回路５に供給される。これにより、主電源４の出力電流を充放電閾値に制限しつつ、所要の大電力を、駆動回路５に供給することができる。

次に、上記の充放電閾値を、どのような基準で設定するかについて詳細に説明する。図２は、充放電閾値と、補助電源１０に必要とされるエネルギーとの関係を示すグラフである。図２におけるグラフの実線部分は、電流で表した充放電閾値Ｉ［Ａ］の変化に対して補助電源１０に必要とされるエネルギーＥ［Ｊ］がどのように変化するかを示す特性カーブである。本発明者らは、例えば５Ａから４５Ａまで小刻みに充放電閾値を変化させながら、各閾値で補助電源１０に必要なエネルギーを求めることにより、この結果を得た。

エネルギーの求め方としては、例えば、ある充放電閾値を設定した状態で、必要となる電力が大きい一定の操作（例えば車庫入れ、縦列駐車、据え切り）を行い、その際、補助電源１０から失われたエネルギー：
（１／２）Ｃ・（Ｖ₀ ²−Ｖ²）
（Ｃ：キャパシタンス、Ｖ₀：放電前の端子電圧、Ｖ：放電後の端子電圧）
を実測し、その結果に測定のばらつきを考慮したものを、「補助電源１０に必要とされるエネルギー」とした。

図２によれば、特性カーブ（実線）は、充放電閾値Ｉの増大に伴って、急勾配から緩勾配に変化しながらエネルギーＥが減少する形となり、かつ、このような変化の途中で、勾配の変化率が最大となる特有のポイントが存在している、という知見が得られる。

図２において、１０Ａ以下の領域では、必要とされるエネルギーが大きく（約５０００［Ｊ］以上）、そのため、補助電源１０のコストが高くなる。また、この領域は急勾配であるため、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的大きくなる。従って、充放電閾値として１０Ａ以下の領域は避けたい。一方、２０Ａ以上の領域では、必要とされるエネルギーが小さく（約１０００［Ｊ］以下）、そのため、補助電源１０のコストが低くなる。また、この領域は緩勾配であるため、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的小さくなる。従って、充放電閾値として２０Ａ以上の領域は、使用に適する。

しかしながら、バッテリ９Ｂの負担を軽くするには、できるだけ低い充放電閾値の領域も活用したい。そうすると、１０Ａから２０Ａの領域で、充放電閾値の下限値をどこに設定できるか、ということになる。
そこで、特性カーブの勾配が急勾配から緩勾配に（又はその逆に）、最も急速に変化している点を捉え、その点に対応する電流値より大きい電流値を充放電閾値とすることにした。

具体的には、エネルギーＥを充放電閾値Ｉで２階微分することにより、充放電閾値Ｉに対するエネルギーＥの２階微分値すなわち、エネルギー勾配の変化率ｄ²Ｅ／ｄＩ²を求める。破線は、充放電閾値Ｉに対する変化率ｄ²Ｅ／ｄＩ²の特性を示すグラフである。なお、２点鎖線は、参考としての、充放電閾値Ｉに対するエネルギー勾配ｄＥ／ｄＩの特性を示すグラフである。そして、エネルギー勾配の変化率ｄ²Ｅ／ｄＩ²のピーク値が現れる充放電閾値（この例では１５Ａ）より大きい充放電閾値を、制御回路６に設定する。これにより、エネルギーＥの変化が急勾配な領域を避け、緩勾配の領域を使用することになるので、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的小さくなる。なお、充放電閾値の上限は、想定される最大電力に基づいて設定可能であり、車両や車種によって異なる（この例では４５Ａ）。

以上のように、エネルギーの２階微分値がピーク値となるときの充放電閾値より大きい充放電閾値を制御回路６に設定することにより、
（１）補助電源１０に必要とされるエネルギーが比較的大きい領域を避けることができる。その結果、補助電源１０のコストを低く抑えることができる。また、
（２）エネルギーの変化が急勾配な領域を避け、緩勾配な領域の充放電閾値を使用することができる。これにより、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的小さくなり、結果的に、充放電閾値を適切に設定することができる。

なお、バッテリ９Ｂの負担を軽くすることを重要視する場合には、エネルギー勾配の変化率ｄ²Ｅ／ｄＩ²のピーク値が現れる充放電閾値（この例では１５Ａ）より大きい値で、かつ、この充放電閾値になるべく近い範囲（例えば１５〜３０Ａ）を選択すればよい。

なお、図２のグラフに示す数値は一例であり、車両や車種によって数値は異なるものとなる。

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電気回路を主体とした概略構成を示す回路図である。 充放電閾値と、補助電源に必要とされるエネルギーとの関係を示すグラフである。 電動パワーステアリング装置に必要な電力の経時的変化の一例を示す図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
４ モータ
６ 制御回路
９ 主電源
１０ 補助電源
１３ 充放電回路

Claims (1)

1. モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置であって、
   前記モータに電力を供給する主電源と、
   前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、
   前記主電源に基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記主電源のみによって前記モータへ電力を供給する第１の出力状態と、前記主電源及び補助電源から前記モータへ電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、
   操舵補助に必要な電源出力が所定の充放電閾値以下のときは前記充放電回路を前記第１の出力状態とし、当該充放電閾値を超えるときは前記充放電回路を前記第２の出力状態とする制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記充放電閾値を変化させた場合の、前記補助電源に必要なエネルギーの特性カーブに基づいて、充放電閾値によるエネルギーの２階微分値がピーク値となるときの充放電閾値より大きい充放電閾値を前記所定の充放電閾値とすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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