JP2010202075A

JP2010202075A - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2010202075A
Application number: JP2009050856A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Izumitani; 圭亮泉谷
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: JP5278049B2

Abstract

【課題】充電完了する前に急速な操舵が行われても、操舵中に操舵補助力が急落することのない電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】主電源としてのバッテリ６から又は当該バッテリ６及び補助電源としてのキャパシタ７からモータ４に電力を供給することが可能であり、操舵トルクに応じてモータ４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１において、キャパシタ７から電力を供給する必要があるとき、キャパシタ７の充電率が所定値以下の充電不足状態であれば、制御回路１３により、操舵トルクに応じた本来の操舵補助力を予め抑制可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載される電動パワーステアリング装置に関し、特に、バッテリの他に補助電源としてのキャパシタを搭載した高出力な電動パワーステアリング装置に関する。

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。かかる電動パワーステアリング装置には、近年、高出力化の要請がある。そのため、バッテリとは別に設けたキャパシタを必要に応じてバッテリと直列に接続し、高電圧によって大電力を供給することができる電動パワーステアリング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上記キャパシタとしては電気二重層コンデンサが使用される。この場合、キャパシタとしての性能を十分に発揮させ、かつ、寿命を延ばすためには、イグニッションキーがオフのときは電荷を全て放電させ、イグニッションキーのオン操作（若しくはさらにエンジン始動）により、電荷０の状態から一気に充電するという使用法が好ましい。

特開２００８−６２７１２（図１、段落［００３６］）

完全に放電したキャパシタを、イグニッションキーがオン操作されてから充電するには、充電完了までにある程度の時間（例えば１０秒程度）を要する。しかしながら、充電完了を待たずに運転者が急速な操舵を行い、そのためにキャパシタからも放電する高出力の状態となる場合がある。この場合、充電不足の状態にあるキャパシタの電圧が、操舵中に放電限界値にまで低下することがある。こうなると、キャパシタからの電力供給はできなくなり、モータに供給できる電力が急激に低下する。その結果、操舵補助力が急激に低下し、運転者は、ステアリングホイールの操作が急に重くなったという違和感（引っ掛かるような感じ）を覚えることになる。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、充電完了する前に急速な操舵が行われても、操舵中に操舵補助力が急落することのない電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、主電源としてのバッテリから又は当該バッテリ及び補助電源としてのキャパシタからモータに電力を供給することが可能であり、操舵トルクに応じて当該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、前記キャパシタから電力を供給する必要がある場合において、前記キャパシタの充電率が所定値以下の充電不足状態であれば、操舵トルクに応じた本来の操舵補助力を、予め抑制可能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では、キャパシタが充電不足状態であるのに急操舵によりキャパシタを用いる高出力が求められたときは、予め、操舵補助力を抑制することができる。このように予め操舵補助力を抑制すれば、キャパシタの放電ペースが遅くなって、操舵中に電力不足に陥る可能性が低くなる他、もし、操舵中にキャパシタが放電限界に達して電力不足となっても、元々抑制していたことにより、操舵補助力の低下の度合いを小さくすることができる。

また、本発明は、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してのバッテリと、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源としてのキャパシタと、前記キャパシタの充電率を検出する検出手段と、前記バッテリの消費電力を検出する検出手段と、前記バッテリのみ又は前記バッテリ及びキャパシタを電源として、前記モータへ、操舵トルクに応じて必要な操舵補助力を生じさせるための電力を供給する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記キャパシタから電力を供給する必要がある場合において、前記キャパシタの充電率が所定値以下の充電不足状態であれば、前記消費電力に応じて、操舵トルクに応じた本来の操舵補助力を予め抑制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では、キャパシタが充電不足状態であるのに急操舵によりキャパシタを用いる高出力が求められたときは、バッテリの消費電力に応じて、予め、操舵補助力を抑制する。このように予め操舵補助力を抑制すれば、キャパシタの放電ペースが遅くなって、操舵中に電力不足に陥る可能性が低くなる他、もし、操舵中にキャパシタが放電限界に達して電力不足となっても、元々抑制していたことにより、操舵補助力の低下の度合いを小さくすることができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、制御手段は、充電率に応じて１以下の制限率を規定し、かつ、バッテリの消費電力に応じて当該制限率を下限値とする１以下の制限ゲインを、モータ駆動回路を動作させるための指令値に乗じるようにしてもよい。
この場合、充電率及び消費電力の２点に基づき、適切に、操舵補助力を抑制することができる。すなわち、例えば充電不足状態であっても消費電力が小さいときは抑制不要であるので、制限率をそのまま制限ゲインの値とせず、消費電力を考慮して真に必要なときのみ抑制をすることが好ましいのである。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、キャパシタが充電不足の状態のときは予め操舵補助力を抑制することによって、操舵中に操舵補助力が急落してステアリングホイールの操作に要するトルクが急増するという事態を、防止することができる。

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。図１の電動パワーステアリング装置における制御回路の制御動作を示すフローチャートである。図２のステップＳ１のサブルーチンである。充電率ＣＣＲに対する制限率Ｇ_Cの特性を示すグラフの一例である。（ａ）は、消費電力Ｐ_Bに対する制限ゲインＧ_PBの特性を示すグラフの一例であり、（ｂ）は、他の例である。

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が発生す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、モータ駆動回路５により駆動される。モータ駆動回路５には、主電源としてのバッテリ６から、又は、バッテリ６に直列に補助電源としてのキャパシタ７を接続した電源から、電圧が付与される。キャパシタ７は、電気二重層コンデンサで構成されている。

バッテリ６の電圧は、電源リレー９の接点９ａ及びＭＯＳ−ＦＥＴ１０が介挿された電路Ｌ１を経て、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ１０はＮチャネルであり、ソースがバッテリ６側、ドレインがモータ駆動回路５側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１０ｄは、バッテリ６からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向が順方向となるように構成されている。

キャパシタ７は、電路Ｌ１と、他の電路Ｌ２との間に設けられている。キャパシタ７の高電位側の電路Ｌ２は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１を介してモータ駆動回路５に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１１はＮチャネルであり、ソースがモータ駆動回路５側、ドレインがキャパシタ７側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１１ｄは、キャパシタ７からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向とは逆向きになっている。

上記２つのＭＯＳ−ＦＥＴ１０及び１１は、ゲート駆動回路（ＦＥＴドライバ）１２により、交互にオン状態となるように駆動される。これら２つのＭＯＳ−ＦＥＴ１０，１１及びゲート駆動回路１２によって構成される放電回路２１は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１０がオンのときは、バッテリ６からモータ駆動回路５及びモータ４に電力を供給し、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１がオンのときは、バッテリ６及びキャパシタ７の直列体からモータ駆動回路５及びモータ４に電力を供給する。

上記ゲート駆動回路１２やモータ駆動回路５は、ＣＰＵ、メモリ、インターフェース等を含む制御回路１３によって制御される。
また、上記制御回路１３、モータ駆動回路５及び放電回路２１は、バッテリ６のみ又はバッテリ６及びキャパシタ７を電源として、モータ４へ、操舵トルクに応じて必要な操舵補助力を生じさせるための電力を供給する制御手段を構成するものである。
一方、電路Ｌ１と電路Ｌ２との間には充放電回路１４が設けられている。充放電回路１４は、バッテリ６の電圧を昇圧した電圧をキャパシタ７の端子間に印加するものであり、充電の時期は制御回路１３によって制御される。また、イグニッションキー（ＩＧキー）８がオフのとき、充放電回路１４は、キャパシタ７の残留電荷を放電させる。

バッテリ６と直列に接続された電流検出器１５は、バッテリ６の出力電流を検出してその検出信号を制御回路１３に送る。この電流検出器１５による電圧降下は極めて小さく、無視し得るものとする。また、バッテリ６と並列に接続された電圧検出器１６は、バッテリ６の端子間電圧Ｖ_Bを検出してその検出信号を制御回路１３に送る。一方、キャパシタ７の端子間に接続された電圧検出器１７は、キャパシタ７の端子間電圧Ｖ_Cを検出してその検出信号を制御回路１３に送る。

また、制御回路１３には、前述のイグニッションキー８の他、ステアリングホイール３に付与された操舵トルクを検出するトルクセンサ１８の出力信号、車速を検出する車速センサ１９の出力信号、及び、エンジン回転数を検出する回転数センサ２０の出力信号が、それぞれ入力される。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置１は、イグニッションキー８がオフの間は、電源リレー９がオフ（接点開）の状態であり、充放電回路１４はキャパシタ７を全放電させている。
イグニッションキー８がオン操作されると、電源リレー９が、制御回路１３からの指令信号により、オン（接点閉）の状態となる。また、制御回路１３からの指令信号により、充放電回路１４はキャパシタ７の充電を開始する。充電完了までには、例えば１０秒程度の時間がかかる。また、充電完了後は、キャパシタ７の使用に応じて、随時補充的に充電が行われる。

また、エンジンが始動されると、操舵補助力を発生させることが可能となり、制御回路１３は、操舵トルク及び車速に基づいて、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力がモータ４に供給されるようにモータ駆動回路５を駆動する。この所要電力が基準値以下であるときは、制御回路１３の指令信号により、ＭＯＳ−ＦＥＴ１０がオン状態、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１がオフ状態となり、バッテリ６の電圧がモータ駆動回路５に導かれる。

一方、所要電力が基準値を超えるとき、すなわち、バッテリ６のみでは所要電力をまかないきれないときは、制御回路１３はＭＯＳ−ＦＥＴ１０をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１をオン状態とする。この結果、バッテリ６とキャパシタ７とが互いに直列に接続された状態で、その出力電圧がモータ駆動回路５に供給される。これにより、バッテリ６のみの出力可能電力を超える大電力を、モータ４に供給することができる。なお、このとき、ＭＯＳ−ＦＥＴ１０の寄生ダイオード１０ｄのカソードはアノードより高電位、すなわち、逆電圧であることにより、キャパシタ７からの電流が電路Ｌ１に流入することは、阻止される。

次に、上記電動パワーステアリング装置１における制御回路１３の制御動作について詳細に説明する。
図２は、制御回路１３の制御動作を示すフローチャートである。図において、制御回路１３（図１）は、制御ゲイン算出のステップＳ１と、アシスト制御のステップＳ２とを繰り返し実行する。ステップＳ１で算出された制御ゲインは、ステップＳ２において使用される。

図３は、図２のステップＳ１のサブルーチンである。まず、制御回路１３は、キャパシタ７の充電率ＣＣＲ（Capacitor Charge Ratio）を以下の式（１）により算出する（ステップＳ１１）。ここで、Ｖ_C、Ｖ_H、Ｖ_Lはそれぞれ、キャパシタ７の端子間電圧（変動値）、上限電圧（固定値）、下限電圧（固定値）である。
ＣＣＲ＝（Ｖ_C ²−Ｖ_L ²）／（Ｖ_H ²−Ｖ_L ²）．．．（１）
なお、端子間電圧Ｖ_Cは、電圧検出器１７（図１）により常時検出されており、制御回路１３は電圧検出器１７の出力から端子間電圧Ｖ_Cを読み取っている。上限電圧Ｖ_Hは、キャパシタ７が１００％充電された状態での端子間電圧（例えば１５Ｖ）である。また、下限電圧Ｖ_Lは、放電限界となる実用上の下限値（例えば７〜８Ｖ）である。

次に、制御回路１３は、充電率ＣＣＲに基づいて、制限率Ｇ_Cの算出を行う（ステップＳ１２）。図４は、充電率ＣＣＲに対する制限率Ｇ_Cの特性を示すグラフの一例である。図示のように、ＣＣＲが０．７５〜１の間は、Ｇ_Cは１である。ＣＣＲが０．７５より小さくなると、Ｇ_Cは一定勾配で直線的に低下し、ＣＣＲ＝０のときのＧＣは０．５となる。制御回路１３は予めこのグラフのデータテーブル（又は関数）を記憶しており、充電率ＣＣＲの値に対応した制限率Ｇ_Cを求める。なお、０．７５や０．５の数値は単なる一例に過ぎない。また、グラフの形も一例であり、他に、曲線で構成することもできる。要するに、充電率ＣＣＲが所定値（この例では０．７５）以下になれば、制限率Ｇ_Cが徐々に低下する特性であればよい。

次に、制御回路１３は、バッテリ６（図１）の消費電力Ｐ_B［Ｗ］を以下の式（２）により算出する（ステップＳ１３）。
Ｐ_B＝Ｖ_B×Ｉ_B ．．．（２）
ここで、Ｖ_Bは電圧検出器１６（図１）によって検出され、制御回路１３によって読み取られるバッテリ７の端子間電圧である。また、Ｉ_Bは電流検出器１５によって検出され、制御回路１３によって読みとられるバッテリ７の出力電流である。

次に、制御回路１３は、消費電力Ｐ_Bに基づいて、制限ゲインＧ_PBの算出を行う（ステップＳ１４）。図５の（ａ）は、消費電力Ｐ_Bに対する制限ゲインＧ_PBの特性を示すグラフの一例である。バッテリ７から供給できる最大電力をＰ_Bmaxとすると（なお、図示のように、瞬間的には最大電力を超えて電力が流出する場合があるが、定常的にはＰ_Bmaxが最大値である。）、図示のように、Ｐ_Bが０〜０．７５Ｐ_Bmaxの間は、Ｇ_PBは１である。しかし、Ｐ_Bが０．７５Ｐ_Bmaxを超えると、Ｇ_PBは一定勾配で直線的に低下し、Ｐ_BがＰ_Bmaxになると、Ｇ_PBは下限値Ｇｃすなわち、制限率Ｇｃの値となる。制御回路１３は予めこのグラフのデータテーブル（又は関数）を記憶しており、消費電力Ｐ_Bの値に対応した制限ゲインＧ_PBを求める。

ここで、Ｇ_Cの値は、図４に特性より求まる変数となる。従って、Ｇ_Cが例えば０．５であれば（ａ）に示すような特性となるが、Ｇ_Cがもっと大きい（例えば０．７５）場合は、（ｂ）に示す特性となる。すなわち、Ｇ_Cの値により、所定の消費電力Ｐ_Bの領域におけるＧ_PBの低下の勾配が決まる。
なお、０．７５という数値や、グラフの形は一例であるので、他の数値や、例えば曲線で構成することもできる。要するに、消費電力Ｐ_Bが最大電力Ｐ_Bmaxに近づくほど、制限ゲインＧ_PBが低下する特性であればよい。

このようにして得られた制限ゲインＧ_PBは、アシスト制御（図２のステップＳ２）において、操舵トルク等に基づいて制御回路１３からモータ駆動回路５に与えるべき指令値に乗算される。制限ゲインが１であれば、操舵トルク等に基づいて制御回路１３からモータ駆動回路５に与えるべき指令値がそのまま、出力される。一方、制限ゲインが１より小さい値（最小値はＧ_C）であれば、指令値は乗算によって小さくなる。すなわち、操舵トルクに応じた本来の操舵補助力を予め抑制することになる。

以上のような処理により、制御回路１３及び放電回路２１は、キャパシタ７から電力を供給する必要がある場合において、キャパシタ７の充電率が所定値以下の充電不足状態であれば、キャパシタ７の充電率と消費電力とに応じて、操舵トルクに応じた本来の操舵補助力を予め抑制する、という制御を行うことになる。

このように予め操舵補助力を抑制すれば、キャパシタ７の放電ペースが遅くなって、操舵中に電力不足に陥る可能性が低くなる。また、もし操舵中にキャパシタ７が放電限界に達して電力不足となっても、元々抑制していたことにより、操舵補助力の低下の度合いを小さくすることができる。すなわち、このような電動パワーステアリング装置１によれば、キャパシタ７が充電不足の状態のときは予め操舵補助力を抑制することによって、操舵中に操舵補助力が急落してステアリングホイール３の操作に要するトルクが急増するという事態を、防止することができる。これにより、操舵フィーリングの急激な悪化を、防ぐことができる。

なお、上記実施形態においてキャパシタ７の充電は、イグニッションキー８のオン操作によって開始するものとしたが、これは一例であり、充電開始の契機はこれ以外にもあり得る。例えば、エンジン始動を契機に動作を開始するようにしてもよい。

１電動パワーステアリング装置
４モータ
５モータ駆動回路
６バッテリ
７キャパシタ
１３制御回路
１５電流検出器
１６，１７電圧検出器
２１放電回路

Claims

主電源としてのバッテリから又は当該バッテリ及び補助電源としてのキャパシタからモータに電力を供給することが可能であり、操舵トルクに応じて当該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、
前記キャパシタから電力を供給する必要がある場合において、前記キャパシタの充電率が所定値以下の充電不足状態であれば、操舵トルクに応じた本来の操舵補助力を、予め抑制可能とすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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してのバッテリと、
前記モータに電力を供給することが可能な補助電源としてのキャパシタと、
前記キャパシタの充電率を検出する検出手段と、
前記バッテリの消費電力を検出する検出手段と、
前記バッテリのみ又は前記バッテリ及びキャパシタを電源として、前記モータへ、操舵トルクに応じて必要な操舵補助力を生じさせるための電力を供給する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記キャパシタから電力を供給する必要がある場合において、前記キャパシタの充電率が所定値以下の充電不足状態であれば、前記消費電力に応じて、操舵トルクに応じた本来の操舵補助力を予め抑制することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記制御手段は、前記充電率に応じて１以下の制限率を規定し、かつ、前記バッテリの消費電力に応じて当該制限率を下限値とする１以下の制限ゲインを、前記モータ駆動回路を動作させるための指令値に乗じる請求項２記載の電動パワーステアリング装置。