CN101883707B

CN101883707B - 电动动力转向装置

Info

Publication number: CN101883707B
Application number: CN200880118573.7A
Authority: CN
Inventors: 长濑茂树
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP5157429B2; CN101883707A; US8240425B2; EP2226237A1; EP2226237A4; JP2009154758A; EP2226237B1; WO2009084342A1; US20100263960A1

Abstract

本发明提供电动动力转向装置。在从电池(7)和辅助电源(9)的串联电源向电动机(4)供给电力时，防止辅助电源(9)的电压引起的电流向上游侧逆流的MOS-FET(13)，如果是正常状态则应为断开状态，因此其两端的电压应该产生与辅助电源(9)的电压值相应的差。于是，在从辅助电源(9)向电动机(4)供给电力时，由两个电压检测器(23、25)检测MOS-FET(13)的两端的电压，如果该电位差为规定值以下，则控制电路(24)判断在MOS-FET(13)发生短路故障并输出故障信号。MOS-FET(15)也是同样的。

Description

电动动力转向装置

技术领域

本发明涉及利用电动机产生转向助力的电动动力转向装置，特别是涉及其电路的结构。

背景技术

电动动力转向装置是根据驾驶者的转向转矩利用电动机产生转向助力的装置。近年来，对于大型车的电动动力转向装置的需要急剧增大，在为大型车的情况下，需要的转向助力也增大。由此，不得不向电动机供给更大的电力。但是，仅是电池的话，可能无法充分提供这样的大电力。于是，提出以下结构，设置与电池不同的辅助电源，通常情况下由电池应对，在需要更大的电力时利用电池和辅助电源相互串联连接的高电压供给电力(例如，参照日本特开2005-287222号公报(图1))。

作为上述那样根据需要使用辅助电源的电动动力转向装置的电路，一般考虑到的是下述方式：将由电池和辅助电源的串联电源进行电力供给的电路，设置为与仅由电池进行电力供给的电路不同的系统，使两个电路在中途相互合流，而导入电动机的驱动电路。而且，在各电路中分别插入MOS-FET等开关元件，两个开关元件被控制为交替地成为导通状态。

但是，例如，如果插入仅由电池进行电力供给的电路的开关元件发生短路故障(例如，MOS-FET的源极和漏极短路的状态)，则由串联电源以高电压进行电力供给，此时，辅助电源的电压产生的电流从合流点向上游侧逆流，以辅助电源作为电源，在包含均为导通状态(但是，一方短路)的两个开关元件的闭合电路中回流。于是，不能够进行高电压的电力供给，成为由于回流而导致进行无用的放电的状态。而且，当回到仅由电池进行通常的电力供给的状态时，由于故障的开关元件的状态与正常的导通状态实质上是相同的，因此难以发觉已发生故障的事实。

发明内容

鉴于上述现有的问题，本发明的目的在于提供一种能够迅速地检测开关元件的短路故障的电动动力转向装置。

本发明是一种利用电动机产生转向助力的电动动力转向装置，其包括：(a)电池，其向上述电动机供给电力；(b)辅助电源，其与上述电池串联连接，能够向上述电动机供给电力；(c)充电电路，其以上述电池作为电源，对上述辅助电源进行充电；(d)电动机驱动电路，其驱动上述电动机；(e)第一开关元件，其插入于将上述电池的电压导向上述电动机驱动电路的第一电路；(f)第二开关元件，其插入第二电路的与上述第一电路合流的合流点的上游侧，该第二电路将在上述电池上串联连接有上述辅助电源的电压导向上述电动机驱动电路，并且在上述第一开关元件的下游侧与上述第一电路合流；(g)电压检测单元，其针对上述第一开关元件和第二开关元件中的至少一方，检测其两端的电位差；以及(h)控制电路，其进行控制，使得根据需要的转向助力，使上述第一开关元件和第二开关元件中的任意一方为断开状态、使另一方为导通状态，此外，在上述辅助电源具有一定值以上的电压，并且另一方的开关元件为导通状态时的一方的开关元件的两端的电位差为规定值以下的情况下，判断为该一方的开关元件发生故障并输出故障信号。

在以上述方式构成的电动动力转向装置中，控制电路对辅助电源具有一定值以上的电压、并且另一方的开关元件为导通状态时的一方的开关元件的两端的电位差和规定值进行比较。在另一方的开关元件为导通状态时，一方的开关元件本来是为断开状态，因此，作为该电位差，应该检测出辅助电源具有的电压(端子间电压)，但在发生短路故障的情况下，该电位差为规定值以下(接近0的值)。于是，控制电路在该电位差为规定值以下的情况下，判断为一方的开关元件发生故障并输出故障信号。

即，根据这样的电动动力转向装置，通过掌握在规定条件下开关元件的两端的电位差为规定值以下的事实，能够迅速地检测出在现有技术中难以发觉的开关元件的短路故障。

此外，在上述电动动力转向装置中，优选控制电路在判断为一方的开关元件发生故障时，停止充电电路的功能。

如果一方的开关元件发生短路故障，则会由于另一方的开关元件为导通状态而导致流动以辅助电源作为电源在包含两个开关元件的闭合电路回流的放电电流，但是通过停止充电电路的功能，能够防止检测出故障之后的无用的充电。

此外，在上述电动动力转向装置中，控制电路在判断为一方的开关元件发生故障时，也可以继续进行用于转向辅助的控制。

在该情况下，能够经由一方或另一方的开关元件从电池向电动机驱动电路供给电压，驱动电动机。由此，能够防止由于检测出故障而立即丧失转向助力所带来的不便。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的电动动力转向装置的以电路为主体的概略结构的电路图，是特别表示主电路(控制电路以外)的电路图；图2是在图1的基础上，记载有充放电电路的具体结构等的控制用的电路要素和电路连接的电路图；

图3是故障判定的流程图；以及

图4是故障判定的流程图。

具体实施方式

图1是表示本发明的一实施方式的电动动力转向装置1的以电路为主体的概略结构的电路图，是特别表示主电路(控制电路以外)的电路图。在图中，转向装置2被驾驶者施加于方向盘(车把)3的转向转矩和电动机4产生的转向助力驱动。为了进行从电动机4的转子4r向转向装置2的动力传递，使用减速机(未图示)。电动机4是三相无刷电动机，被电动机驱动电路5驱动。电动机驱动电路5是构成三相桥电路的MOS-FET51～56和电阻57如图所示连接而成的。在电动机驱动电路5中并联连接有平滑用的电解电容器6。从电池7向电动机驱动电路5的电力供给经由充放电电路8和电抗器14进行。

辅助电源9相对上述电池7另外设置，与充放电电路8连接。辅助电源9由双电层电容器、锂离子电池构成。

图2是在图1的基础上，记载有充放电电路8的具体结构等的控制用电路要素、电路连接的电路图。在图中，电动机驱动电路5内的MOS-FET51～56(图1)利用栅极驱动电路(例如FET驱动器，以下相同)11进行开关。另外，对该栅极驱动电路11、后述的其它栅极驱动电路17施加将控制电源电压Vcc由升压电路(未图示)升压后的电压。

电池7的电压经由插入继电器触点12、MOS-FET13和电抗器14的电路L1、L3，被引导至电动机驱动电路5和电动机4。该MOS-FET13是N沟道，连接为源极是电池7侧、漏极是电动机驱动电路5侧。此外，寄生二极管13d构成为在从电池7向电动机4供给电力时电流流动的方向为顺方向。电池7的+侧端子经由作为能够开闭控制的开关的继电器触点12，与电路L1连接。

辅助电源9设置在电路L1与另一电路L2之间。辅助电源9的高电位侧的电路L2经由MOS-FET15在MOS-FET13的下游侧与电路L1合流，到达电路L3。从合流点P观察，MOS-FET15位于上游侧。于是，成为如果MOS-FET13、15均为导通状态，则存在它们构成包含辅助电源9的闭合电路的可能性的配置。MOF-FET15是N沟道，连接为源极是电动机驱动电路5侧、漏极是辅助电源9侧。此外，寄生二极管15d与从辅助电源9向电动机4供给电力时电流流动的方向为相反方向。

此外，MOF-FET13和15由栅极驱动电路17驱动为交替成为导通状态。

另一方面，在电路L1经由电抗器18连接有二极管19的阳极。此外，二极管19的阴极与辅助电源9的高电位侧的电路L2连接。在二极管19的阳极与接地侧电路LG之间，设置有P沟道的MOS-FET20。MOS-FET20被栅极驱动电路21驱动。

此外，电池7经由二极管22成为控制电源电压Vcc的供给源。在二极管22的阴极侧连接有电压检测器23。该电压检测器23在MOF-FET13的上游侧检测电池7输出的电压V1，将其检测信号传送至控制电路24。另一方面，在电路L3也连接有电压检测器25，该电压检测器25在MOS-FET的下游侧检测施加于电动机驱动电路5的电压Vo，将其检测信号传送至控制电路24。此处，电压V1与施加于MOS-FET13的源极的电压相等，电压V0与施加于MOS-FET13的漏极的电压相等。两个电压检测器23、25通过与控制电路24的协作，构成检测MOS-FET13的两端(源极、漏极)的电位差的电压检测单元。

另一方面，在电路L2上连接有电压检测器26。该电压检测器26在MOS-FET15的上游侧检测电路L2的电压即在电池7上串联连接有辅助电源9的电压V2，将其检测信号传送至控制电路24。此外，上述的电压检测器25在MOS-FET15的下游侧检测施加于电动机驱动电路5的电压V0，将其检测信号传送至控制电路24。此处，电压V2与施加于MOS-FET15的漏极的电压相等，电压V0与施加于MOF-FET15的源极的电压相等。两个电压检测器26、25通过与控制电路24的协作，构成检测MOS-FET15的两端(源极、漏极)的电位差的电压检测单元。

上述MOS-FET13、MOS-FET15、栅极驱动电路17、电抗器18、二极管19、MOS-FET20和栅极驱动电路21构成图1中的充放电电路8。此外，其中的电抗器18、二极管19、MOS-FET20和栅极驱动电路21构成以电池7作为电源对辅助电源9进行充电的充电电路10。

上述栅极驱动电路11、17、21和继电器触点12接受包含微型计算机的控制电路24的指令信号而动作。从对施加于方向盘3的转向转矩进行检测的转矩传感器27将其输出信号输入该控制电路24。此外，检测车速的车速传感器28的输出信号输入控制电路24。在电动机4上设置有检测转子4r的旋转角度位置的角度传感器29，其输出信号输入控制电路24。

在以上述方式构成的电动动力转向装置1正常动作时，继电器触点12根据来自控制电路24的指令信号，成为导通(ON)状态。于是，来自电池7的电压施加于电路L1。控制电路24基于转向转矩和车速，推测用于得到需要的转向助力的所需电力，将该所需电力与基准值进行比较。在所需电力为基准值以下时，基于控制电路24的指令信号，MOS-FET13为导通状态，MOS-FET15为断开状态，电池7的电压经由继电器触点12、MOS-FET13和电抗器14被导向电动机驱动电路5。

控制电路24基于从转矩传感器27传送来的转向转矩信号、从车速传感器28传送来的车速信号和从角度传感器9传送来的转子角度位置信号，经由栅极驱动电路11使电动机驱动电路5动作，驱动电动机4，以产生适当的转向助力。

另外，在该情况下，N沟道MOS-FET13的导通电阻与寄生二极管13d的顺方向电阻相比非常小(例如为1mΩ左右)，因此，从电池7流至电动机驱动电路5的电流的大部分，从源极通过漏极，流过寄生二极管13d的电流很少。

另一方面，在MOS-FET20为导通状态时，电流从电池7通过继电器触点12、电抗器18和MOS-FET20而流动。如果从该状态转变为MOS-FET20断开的状态，则在电抗器18产生妨碍由电流截断引起的磁通变化的反方向的高电压，由此，经由二极管19，辅助电源9被充电。于是，通过重复MOS-FET20的导通/断开，能够对辅助电源9进行充电。控制电路24监视辅助电源9的电压(V2-V1)，在没有达到一定电压的情况下，经由栅极驱动电路21使MOS-FET20导通/断开，对辅助电源9进行充电。该充电例如在转矩传感器27没有检测出转向转矩时进行。

接着，在所需电力超过基准值时，即，在仅由电池7不能够完全供给所需电力时，控制电路24使MOS-FET13为断开状态，使MOS-FET15为导通状态。结果，在电池7与辅助电源9相互串联连接的状态下，其输出电压被供给电动机驱动电路5。由此，能够将超出仅利用电池7能够提供的输出可能电力的大电力供给至电动机驱动电路5。另外，此时，MOS-FET13的寄生二极管13d的阴极比阳极电位高，即为逆电压，由此，能够阻止来自辅助电源9的电流流入电路L1。

接着，参照图3的流程图，说明在控制电路24中进行的关于MOS-FET13的故障判定。该流程的处理以短周期重复进行。首先，在步骤S0中，控制电路24判断辅助电源9是否具有一定值以上的电压。该一定值是作为是否为能够从辅助电源9向电动机4进行电力供给的状态的基准的电压值，如果低于一定值，则意味着辅助电源9为已放出大部分的电荷的状态，或者是没有正常地充电的状态。于是，如果电压低于一定值，则不进行下一步骤而结束处理。另一方面，如果为一定值以上，则能够进行利用辅助电源9的放电的电力供给，进行下一步骤S1。

接着，在步骤S1中，控制电路24判断MOS-FET15是否为导通状态，即，判断辅助电源9是否处于放电中的状态。此处，如果MOS-FET15为断开状态，则不进行下一步骤而结束处理。如果MOS-FET15为导通状态，则进入步骤S2，进行电压检测器25检测出的电压V0与电压检测器23检测出的电压V1的电位差ΔV(＝V0-V1)是否为规定值以下的判断。

此处，在MOS-FET15为导通状态时，MOS-FET13如果是正常的则应为断开状态。此外，关于寄生二极管13d，阴极侧比阳极侧电位高，因此电路L3的电位不会影响电路L1。于是，电位差ΔV为从相对于接地电路LG的电路L2(L3也相同)的电压减去电池7的电压的值，即成为辅助电源9的端子间电压，为超过规定值(例如至少1V)的电压。由此，步骤S2中的判断为“否”，处理结束。

另一方面，在MOS-FET13在源极-漏极间发生短路故障的情况下，电压V0与V1为相互大致相同的值，电位差ΔV为上述规定值以下。即，如果电位差ΔV为规定值以下，则MOS-FET13发生短路故障。于是，控制电路24输出表示MOS-FET13已发生故障的故障信号(步骤S3)。该故障信号例如在车辆的仪表面板由显示灯显示。此外，根据需要也可以产生警告音。这样，能够将MOS-FET13的短路故障通知驾驶者。

如上所述，通过掌握在步骤S1、S2的规定条件下两个电压检测器23、25检测出的电位差为规定值以下的事实，能够迅速检测出在现有技术中难以发觉的MOS-FET13的短路故障。

另外，在输出故障信号之后，控制电路24还维持继电器触点12的导通状态，继续进行对电动机驱动电路5的辅助控制(用于转向辅助的控制)。由此，能够经由故障的MOS-FET13从电池7向电动机驱动电路5供给电压，驱动电动机4。于是，能够防止由于检测出短路故障而立即丧失转向助力所带来的不便。

此外，控制电路24基于检测出故障的情况，停止之后的充电控制(步骤S4)。由此，充电电路10(图2)的MOS-FET20维持断开状态，为不进行辅助电源9的新的充电的状态。如果在MOS-FET13的短路故障时MOS-FET15为导通状态，则成为通过两个MOS-FET13、15辅助电源9急剧放电的状态，但由于不进行新的充电，能够防止检测出故障之后的无用的充电。

同样，参照图4的流程图，说明在控制电路24中进行的关于MOS-FET15的故障判定。该流程的处理以短周期重复进行。首先，在步骤S0中，控制电路24判断辅助电源9是否具有一定值以上的电压。如果电压低于一定值，则不进行下一步骤而结束处理。另一方面，如果为一定值以上，则进行下一步骤S1。

接着，在步骤S1中，控制电路24判断MOS-FET13是否为导通状态，即，是否为仅从电池7进行电力供给的状态。此处，如果MOS-FET13为断开状态，则不进行下一步骤而结束处理。如果MOS-FET13为导通状态，则进入步骤S2，进行电压检测器25检测出的电压V0与电压检测器26检测出的电压V2的电位差ΔV(＝V2-V0)是否为规定值以下的判断。

此处，在MOS-FET13为导通状态时，MOS-FET15如果是正常的则应为断开状态。此外，关于寄生二极管15d，阴极侧比阳极侧电位高，因此电路L2的电位不会影响电路L3。于是，电位差ΔV为从相对于接地电路LG的电路L2的电压减去电池7的电压的值，即成为辅助电源9的端子间电压，为超过规定值(例如至少1V)的电压。由此，步骤S2中的判断为“否”，处理结束。

另一方面，在MOS-FET15在源极-漏极间发生短路故障的情况下，电压V0与V2为相互大致相同的值，电位差ΔV为上述规定值以下。即，如果电位差ΔV为规定值以下，则MOS-FET15发生短路故障。于是，控制电路24输出表示MOS-FET15已发生故障的故障信号(步骤S3)。该故障信号例如在车辆的仪表面板由显示灯显示。此外，根据需要也可以产生警告音。这样，能够将MOS-FET15的短路故障通知驾驶者。

如上所述，通过掌握在步骤S1、S2的规定条件下两个电压检测器26、25检测出的电位差为规定值以下的事实，能够迅速检测出在现有技术中难以发觉的MOS-FET15的短路故障。

另外，在输出故障信号之后，控制电路24还维持继电器触点12的导通状态，继续进行对电动机驱动电路5的辅助控制(用于转向辅助的控制)。由此，能够经由导通状态的MOS-FET13从电池7向电动机驱动电路5供给电压，驱动电动机4。于是，能够防止由于检测出短路故障而立即丧失转向助力所带来的不便。

此外，控制电路24基于检测出故障的情况，停止之后的充电控制(步骤S4)。由此，充电电路10(图2)的MOS-FET20维持断开状态，为不进行辅助电源9的新的充电的状态。如果在MOS-FET15的短路故障时MOS-FET13为导通状态，则成为通过两个MOS-FET15、13辅助电源9急剧放电的状态，但由于不进行新的充电，能够防止检测出故障之后的无用的充电。

另外，上述实施方式中的两个电压检测器23、25的连接位置是一个例子，简而言之，只要能够检测出MOS-FET13、15各自两端(源极、漏极)的电压即可。但是，图2中的电压检测器23的连接位置能够利用用于从电池7得到控制电源电压Vcc的配线，在这一点上具有意义。

此外，上述实施方式中的各开关元件(13、15、20)全部采用MOS-FET，但也能够使用其它的半导体开关元件。

此外，在上述实施方式中，为了决定在对电动机4的电力供给中是否使用辅助电源9，控制电路24推定为了得到需要的转向助力的所要电力，将其与基准值进行比较，但这之外的决定方法也是可能的。例如，也可以是，供给电动机驱动电路5的电流，通过控制电路24、栅极驱动电路11和电动机驱动电路5的辅助控制，根据需要的转向助力而变化。由此，实际检测出电池7的电压和供给电动机驱动电路5的电流，使它们相乘而求得电力的当前值，如果该当前值为仅从电池7供给电力时的最大电力以下，则仅从电池7供给电力，如果超过该最大电力，则从电池7和辅助电源9的串联电源供给电力。

Claims

1.一种利用电动机产生转向助力的电动动力转向装置，其包括：

电池，其向所述电动机供给电力；

辅助电源，其与所述电池串联连接，能够向所述电动机供给电力；

充电电路，其以所述电池作为电源，对所述辅助电源进行充电；

电动机驱动电路，其驱动所述电动机；

第一开关元件，其插入于将所述电池的电压导向所述电动机驱动电路的第一电路；

第二开关元件，其插入第二电路的与所述第一电路合流的合流点的上游侧，该第二电路将在所述电池上串联连接所述辅助电源后得到的电压导向所述电动机驱动电路，并且在所述第一开关元件的下游侧与所述第一电路合流；

电压检测单元，其针对所述第一开关元件和第二开关元件中的至少一方，检测其两端的电位差；以及

控制电路，其进行控制，使得根据需要的转向助力，使所述第一开关元件和第二开关元件中的任意一方为断开状态、使另一方为导通状态，此外，在所述辅助电源具有一定值以上的电压，并且另一方的开关元件为导通状态时的一方的开关元件的两端的电位差为规定值以下的情况下，判断为该一方的开关元件发生故障并输出故障信号。

2.如权利要求1所述的电动动力转向装置，其中，

所述控制电路在判断为所述一方的开关元件发生故障时，停止所述充电电路的功能。

3.如权利要求1所述的电动动力转向装置，其中，

所述控制电路在判断为所述一方的开关元件发生故障时，继续进行用于转向辅助的控制。