JP5309535B2

JP5309535B2 - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP5309535B2
Application number: JP2007297596A
Authority: JP
Inventors: 茂樹長瀬
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: EP2208660B1; US20100211266A1; JP2009120081A; CN101772449B; EP2208660A1; EP2208660A4; WO2009063773A1; US8301342B2; CN101772449A

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、バッテリとは別に補助電源を設け、通常はバッテリのみで対応し、より大きな電力を必要とするときはバッテリ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。）。

特開２００５−２８７２２２号公報（図１）

上記のような従来の電動パワーステアリング装置においては、バッテリのみで電力を供給する状態と、バッテリに補助電源を加えた両電源で電力を供給する状態との境界点となる閾値付近で所要電力の小幅な上下変動があると、制御のハンチングが生じるという問題点がある。
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、補助電源を使用するか否かの制御のハンチングを防止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力に応じて、前記充放電回路の出力状態を選択する制御回路とを備え、前記制御回路には、操舵補助に必要な電力と比較するための、第１の閾値及び当該第１の閾値より低い値である第２の閾値がそれぞれ設定されており、前記制御回路は、操舵補助に必要な電力が増加して前記第１の出力状態から前記第２の出力状態へ切り替えるときは前記第１の閾値以上であることを条件とし、操舵補助に必要な電力が減少して前記第２の出力状態から前記第１の出力状態へ切り替えるときは前記第２の閾値以下であることを条件とするものである。

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、充放電回路が第１の出力状態から第２の出力状態へ変化するときは所要電力が第１の閾値以上であることが条件となり、逆に、第２の出力状態から第１の出力状態へ変化するときは、所要電力が第１の閾値より低い第２の閾値以下であることが条件となるので、出力状態の変化にヒステリシスが設けられる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、充放電回路には、第１の出力状態及び第２の出力状態のいずれか一方を選択するためのスイッチが設けられており、制御回路は、当該スイッチを、ＰＷＭ制御されたスイッチング動作を経て動作させる、という構成を採用してもよい。
この場合、補助電源を使用する状態から使用しない状態への変化、又はその逆の変化による急激な電圧変化を緩和し、モータのトルク変動を抑制することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、充放電回路の出力状態の変化にヒステリシスが設けられるので、いずれかの閾値付近で操舵補助力の小幅な変動があっても、補助電源を使用するか否かの制御のハンチングを防止することができる。

以下、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について、図面を参照して説明する。補助電源を使用する電動パワーステアリング装置の回路構成は、大別して以下の３タイプがある。
《タイプ１》
バッテリの電圧で補助電源を充電し、補助電源使用時は、補助電源を主電源のバッテリと直列に接続するタイプ
《タイプ２》
バッテリの電圧を昇圧して補助電源を充電し、補助電源使用時は、補助電源を主電源のバッテリと直列に接続するタイプ
《タイプ３》
バッテリの電圧で補助電源を充電し、補助電源使用時は、補助電源を主電源のバッテリと並列に接続するタイプ

図１は、上記タイプ１の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に電力を供給するための回路は、主電源としてのバッテリ９と、リレー１０と、ダイオード１１及びスイッチ１２を含む充電回路１３と、補助電源１４と、スイッチ１５とを、図示のように接続して構成されている。これらによって構成される回路のうち、バッテリ９、リレー１０及び補助電源１４を除く回路部分は、充放電回路１６を構成している。この充放電回路１６は、バッテリ９に基づいて補助電源１４の充電を行う他、バッテリ９のみによってモータ４へ電力を供給する第１の出力状態と、バッテリ９及び補助電源１４からモータ４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ことができるようになっている。

なお実際には、バッテリ９に並列に、図示しないオルタネータ（整流及びレギュレータ機能を有するもの）が接続され、バッテリ９と共に主電源を構成するが、ここでは簡略化して、主電源はバッテリ９であるとして説明する。
上記リレー１０及びスイッチ１２，１５は、制御回路６により制御される。補助電源１４は、電気二重層コンデンサや、リチウムイオン電池によって構成されている。
スイッチ１２，１５は、実際にはＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を用いて、図示の接点と等価な動作をするように構成される。また、スイッチ１２，１５は互いに同期して動作し、一方が図の実線で示す接点接続状態にあるときは、他方も図の実線で示す接点接続状態にある。

リレー１０は、電動パワーステアリング装置１の正常動作中においては閉じており、何らかの異常が発生した場合にのみ、フェールセーフの観点から、開くように制御される。スイッチ１２が図示の実線の接点接続状態にあるときは、バッテリ９の＋側からリレー１０の接点１０ａ、ダイオード１１、補助電源１４及びスイッチ１２を経由してバッテリ９の接地側に戻る回路が形成され、補助電源１４が充電される。また、スイッチ１２が図示の点線の接点接続状態にあるときは、充電停止となる。

また、スイッチ１２，１５が図示の実線の接点接続状態にあるときは、バッテリ９から接点１０ａ及びスイッチ１５（電路Ｌ１からＬ３）を経由して駆動回路５に至る回路が構成され、バッテリ９から駆動回路５及びモータ４に電力が供給される（第１の出力状態）。このとき、補助電源１４から駆動回路５へ至る電路は、スイッチ１５により断路されている。一方、スイッチ１２，１５が図示の点線の接点接続状態にあるときは、バッテリ９から接点１０ａ、スイッチ１２、補助電源１４及びスイッチ１５（電路Ｌ２からＬ３）を経由して駆動回路５に至る回路が構成され、バッテリ９と補助電源１４とを互いに直列に接続した電圧により、駆動回路５及びモータ４に電力が供給される（第２の出力状態）。

図２は、上記タイプ２の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図である。図１との違いは充放電回路１７であり、その他の構成は同一である。このタイプ２の構成において、充電回路１８は、バッテリ９の電圧を昇圧して補助電源１４を充電する機能を備えている。充電回路１８は、制御回路６の制御により、補助電源１４の充電を行う。また、バッテリ９の電圧は、リレー１０の接点１０ａを介してスイッチ１５に至る電路Ｌ１に付与され、補助電源１４の低電位側が、この電路Ｌ１に接続されている。

スイッチ１５が図示の実線の接点接続状態にあるときは、バッテリ９から接点１０ａ及びスイッチ１５（電路Ｌ１からＬ３）を経由して駆動回路５に至る回路が構成され、バッテリ９から駆動回路５及びモータ４に電力が供給される（第１の出力状態）。このとき、補助電源１４から駆動回路５へ至る電路は、スイッチ１５により断路されている。一方、スイッチ１５が図示の点線の接点接続状態にあるときは、バッテリ９から接点１０ａ、補助電源１４及びスイッチ１５（電路Ｌ２からＬ３）を経由して駆動回路５に至る回路が構成され、バッテリ９と補助電源１４とを互いに直列に接続した電圧により、駆動回路５及びモータ４に電力が供給される（第２の出力状態）。

図３は、上記タイプ３の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図である。図１との違いは充放電回路１９であり、その他の構成は同一である。このタイプ３の構成において、充放電回路１９は、（ａ）バッテリ９を補助電源１４に接続して補助電源１４を充電する機能と、（ｂ）バッテリ９の電圧のみを駆動回路５に付与する機能と、（ｃ）バッテリ９と補助電源１４とを互いに並列に接続して駆動回路５に電圧を付与する機能とを備えている。充放電回路１９、制御回路６の制御により、上記の機能を選択する。

上記機能（ａ）が選択されたときは、バッテリ９から接点１０ａ及び充放電回路１９を経由して、バッテリ９の電圧により補助電源１４が充電される。上記機能（ｂ）が選択されたときは、バッテリ９から接点１０ａ及び充放電回路１９を経由して駆動回路５に至る回路が構成され、バッテリ９から駆動回路５及びモータ４に電力が供給される（第１の出力状態）。このとき、補助電源１４から駆動回路５へ至る電路は、充放電回路１９内で断路されている。機能（ａ）及び（ｂ）は単独でも、また、両者同時でも、選択可能である。一方、上記機能（ｃ）が選択されたときは、充放電回路１９内で互いに並列に接続されたバッテリ９及び補助電源１４から、駆動回路５及びモータ４に電力が供給される（第２の出力状態）。

次に、上記各タイプ１〜３の回路構成に共通な、補助電源１４を使用するか否かに関する制御回路６の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。図４のフローチャートに示される処理は、制御回路６（図１〜３）において、操舵補助力を生じさせるためのアシスト制御と共に、繰り返し実行される。
図５は、必要な操舵補助力を得るための所要電力の変化の一例を示すグラフである。この例では、必要な電力が図示のように直線的に増加してピークを迎え、その後、直線的に減少するように変化する。このような電力の変化に対して、図４のフローチャートに示す処理を適用する。

まず、図４において、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に必要な電力を推定する（ステップＳ１）。そして、現時点の出力状態が、「第１」であるか「第２」であるかにより、異なる処理を行う（ステップＳ２）。ここで、制御回路６は、充放電回路１６，１７，１９に対して現時点で第１の出力状態を指示しているのであれば、電力が上り閾値以上であるか否かの判断を行う（ステップＳ３）。上り閾値とは、第１の出力状態から第２の出力状態へ変化するときの電力の閾値であり、図５の例では、Ｐ１である。この場合、時刻Ｔ１より前の時点では、電力が上り閾値Ｐ１に達していないので、図４の処理は終了となる。従って、第１の出力状態が維持される。なお、電動パワーステアリング装置１の始動直後は、第１の出力状態が選択されている。

次に、時刻Ｔ１以降（Ｔ２より前）は、電力が上り閾値Ｐ１以上となるので、制御回路６は、第２の出力状態を選択する。この選択指示を受けた充放電回路１６，１７，１９は、バッテリ９と共に補助電源１４を使用する第２の出力状態となる。その後の制御回路６は、ステップＳ２からＳ５へ進み、電力が下り閾値以下であるか否かの判断を行う。下り閾値とは、第２の出力状態から第１の出力状態へ変化するときの電力の閾値であり、図５の例では、Ｐ２である。このＰ２は、Ｐ１より小さい。時刻Ｔ１以降でＴ２より前の時点では、電力が下り閾値Ｐ２以下ではないので、図４の処理は終了となる。従って、第２の出力状態が維持される。

一方、時刻Ｔ２以降は、電力が下り閾値Ｐ２以下となるので、制御回路６は、第１の出力状態を選択する（ステップＳ６）。この選択指示を受けた充放電回路１６，１７，１９は、補助電源１４の使用を停止し、バッテリ９のみを電源として使用する第１の出力状態に戻る。
こうして、図５の斜線を付した領域の電力は、バッテリ９及び補助電源１４により供給され、それ以外の領域での電力は、バッテリ９のみにより供給される。上り閾値Ｐ１より下り閾値Ｐ２の方が小さいので、一旦、第２の出力状態になると、電力が下り閾値Ｐ２以下になるまで出力状態の変化は起こらない。
なお、上り閾値Ｐ１と下り閾値Ｐ２との差は、最大負荷電力の１０〜２０％とすることが好ましい。

図６は、必要な操舵補助力を得るための所要電力の変化の他の例を示すグラフである。この例では、必要な操舵補助力の変動によって、所要電力が図示のように直線的に増加して一旦上り閾値Ｐ１以上となった後、上り閾値Ｐ１付近で小幅な増減を繰り返す。このような電力の変化に対して図４のフローチャートに示す処理を適用すると、時刻Ｔ１で第１の出力状態から第２の出力状態へ変化し、その後、電力は小幅な増減を繰り返すが、時刻Ｔ２より前の時点では下り閾値Ｐ２以下にならないため、第２の出力状態が安定して維持される。そして、時刻Ｔ２において電力が下り閾値Ｐ２以下になると、第２の出力状態から第１の出力状態へ変化する。

図７は、必要な操舵補助力を得るための所要電力の変化の、さらに他の例を示すグラフである。この例では、必要な操舵補助力の変動によって、所要電力が図示のように直線的に下降して一旦下り閾値Ｐ２以下となった後、下り閾値Ｐ２付近で小幅な増減を繰り返す。このような電力の変化に対して図４のフローチャートに示す処理を適用すると、時刻Ｔ３で第２の出力状態から第１の出力状態へ変化し、その後、電力は小幅な増減を繰り返すが、時刻Ｔ４より前の時点では上り閾値Ｐ１以上にならないため、第１の出力状態が安定して維持される。そして、時刻Ｔ４において電力が上り閾値Ｐ１以上になると、第１の出力状態から第２の出力状態へ変化する。

以上のように、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１では、充放電回路１６，１７，１９が第１の出力状態から第２の出力状態へ変化するときは所要電力が上り閾値Ｐ１（第１の閾値）以上であることが条件となり、逆に、第２の出力状態から第１の出力状態へ変化するときは、所要電力が、上り閾値Ｐ１より低い下り閾値Ｐ２（第２の閾値）以下であることが条件となるので、出力状態の変化にヒステリシスが設けられる。従って、いずれかの閾値（Ｐ１，Ｐ２）付近で操舵補助力の小幅な変動があっても、補助電源１４を使用するか否かの制御のハンチングを防止することができる。

図８は、例えば図１又は図２のスイッチ１５についてＭＯＳ−ＦＥＴを使用した場合の回路の一例である。図８において、バッテリ９（図１，図２）に接続される電路Ｌ１と、駆動回路５に接続される電路Ｌ３との間には、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５１が設けられている。このＭＯＳ−ＦＥＴ１５１はＮチャネルであり、ソースが電路Ｌ１、ドレインが電路Ｌ３に、それぞれ接続されている。また、寄生ダイオード１５１ｄは、電路Ｌ１から電路Ｌ３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。

また、補助電源１４（図１，図２）の高電位側電路Ｌ２から電路Ｌ３へ至る途中には、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５２が介挿されている。このＭＯＳ−ＦＥＴ１５２はＮチャネルであり、ソースが電路Ｌ３、ドレインが電路Ｌ２に、それぞれ接続されている。また、寄生ダイオード１５２ｄは、電路Ｌ２から電路Ｌ３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。ＭＯＳ−ＦＥＴ１５１，１５２は、ゲート駆動回路１５３により、一方がオンのときは他方がオフとなるようにスイッチングされる。ゲート駆動回路１５３は、制御回路６により制御される。

また、制御回路６がゲート駆動回路１５３に対してＰＷＭ信号を与えることにより、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５１，１５２のスイッチング動作をＰＷＭ制御することができる。図９は、ＰＷＭ制御によるスイッチング動作の一例を示すタイムチャートである。時刻Ｔ１より前の時点ではＭＯＳ−ＦＥＴ１５１がオン、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５２がオフとなっている。次に、時刻Ｔ１において、第１の出力状態から第２の出力状態へ変化するとき、一旦、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５１がオフ、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５２がオンとなるが、その後もＰＷＭ制御によりオン・オフの反転が高速に繰り返される。すなわち、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５１は、次第にパルス幅を狭くしながら最終的に安定したオフの状態となる。ＭＯＳ−ＦＥＴ１５２は、次第にパルス幅を拡げながら最終的に安定したオンの状態となる。

さらに、時刻Ｔ２において、第２の出力状態から第１の出力状態へ戻るとき、一旦、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５１がオン、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５２がオフとなるが、その後もＰＷＭ制御によりオン・オフの反転が高速に繰り返される。すなわち、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５１は、次第にパルス幅を拡げながら最終的に安定したオンの状態となる。ＭＯＳ−ＦＥＴ１５２は、次第にパルス幅を狭くしながら最終的に安定したオフの状態となる。

このようなＰＷＭ制御を用いたスイッチング動作により、特に、補助電源１４をバッテリ９と直列に接続して使用する電動パワーステアリング装置１（図１，図２）において、出力状態の変化すなわち、補助電源１４を使用する状態から使用しない状態への変化、又はその逆の変化による急激な電圧変化を緩和し、モータ４のトルク変動を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、モータ４への電力供給に補助電源１４を使用するか否かを決めるに当たって、制御回路６は、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力を推定し、これを閾値と比較するとしたが、これ以外の決め方も可能である。例えば、駆動回路５に供給される電流は、制御回路６によるアシスト制御によって、必要とされる操舵補助力に応じて変化する。従って、バッテリ９の電圧と、駆動回路５に供給される電流とを実際に検出して、これらを乗じて電力の現在値を求め、この現在値を、閾値と比較して出力状態を選択するようにしてもよい。

バッテリの電圧で補助電源を充電し、補助電源使用時は、補助電源を主電源のバッテリと直列に接続するタイプの、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図である。バッテリの電圧を昇圧して補助電源を充電し、補助電源使用時は、補助電源を主電源のバッテリと直列に接続するタイプの、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図である。バッテリの電圧で補助電源を充電し、補助電源使用時は、補助電源を主電源のバッテリと並列に接続するタイプの、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図である。補助電源の使用に関する制御回路の動作を示すフローチャートである。必要な操舵補助力を得るための、所要電力の変化の一例を示すグラフである。必要な操舵補助力を得るための、所要電力の変化の他の例を示すグラフである。必要な操舵補助力を得るための、所要電力の変化のさらに他の例を示すグラフである。図１又は図２のスイッチについてＭＯＳ−ＦＥＴを使用した場合の回路の一例である。ＰＷＭ制御によるスイッチングの一例を示すタイムチャートである。

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バッテリ（主電源）
１４補助電源
１５スイッチ
１６，１７，１９充放電回路

Claims

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力に応じて、前記充放電回路の出力状態を選択する制御回路とを備え、
前記制御回路には、操舵補助に必要な電力と比較するための、第１の閾値及び当該第１の閾値より低い値である第２の閾値がそれぞれ設定されており、
前記制御回路は、操舵補助に必要な電力が増加して前記第１の出力状態から前記第２の出力状態へ切り替えるときは前記第１の閾値以上であることを条件とし、操舵補助に必要な電力が減少して前記第２の出力状態から前記第１の出力状態へ切り替えるときは前記第２の閾値以下であることを条件とすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記充放電回路には、前記第１の出力状態及び第２の出力状態のいずれか一方を選択するためのスイッチが設けられており、前記制御回路は、当該スイッチを、ＰＷＭ制御されたスイッチング動作を経て動作させる請求項１の電動パワーステアリング装置。