CN101939207B - 电动动力转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电动动力转向装置(1)，其根据转向转矩利用电动机(4)产生转向助力，具有从电池(4)和辅助电源(7、8)中至少一方向电动机供给电力的输出电路(21)，并且设置有控制电路(13)，其在检测出电池(4)的故障时或之后，基于积蓄于辅助电源(7、8)的充电能量决定直至转向辅助结束的时间(递减时间(t1))，并且进行经过该时间，使得用于转向辅助的供给电力的上限值以一定梯度下降至实质为0的输出递减控制。由此，能够提供在电池发生故障时，有效利用能够使用的充电能量并且不会产生转向助力的急剧下降的电动动力转向装置。

Description

电动动力转向装置
技术领域
本发明涉及根据驾驶员的转向转矩利用电动机产生转向助力的电动动力转向装置。
背景技术
电动动力转向装置是根据驾驶员的转向转矩利用电动机产生转向助力的装置。对于该电动动力转向装置近年来存在大电力化的要求。因此，提出了一种电动动力转向装置，其能够根据需要使与电池不同的另外设置的辅助电源(电容器)与电池串联连接，能够由高电压供给大电力(例如参照专利文献1)。另一方面，当电池发生故障(失效)时，作为电动动力转向装置的转向辅助功能不能够突然发挥出来。于是，为了提高可靠性，在电池故障时也不会突然失去转向助力，也提出了将辅助电源用作备用电源的可能性的方案。
在将辅助电源用作备用电源时，也从辅助电源提供控制电源电压(Vcc)。于是，即使将积蓄的充电能量向电动动力转向装置的电动机供给，也不得不残留能够维持控制电源电压的程度的电荷。即，在辅助电源中存在成为放电极限的下限电压。但是，如果无限制地引出电力直至该放电极限，则在到达放电极限时放电停止，迅速失去转向助力。此时，驾驶员会有方向盘操作突然变重的不舒服的感觉。
专利文献1：日本特开2008-62712(图1，段落[0036])
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电动动力转向装置，其在电池发生故障时，能够有效利用能够使用的充电能量，而且不会产生转向助力的急剧下降。
(1)本发明提供一种电动动力转向装置，其根据转向转矩利用电动机产生转向助力，其包括：电池，其向上述电动机供给电力；辅助电源，其被上述电池充电，能够向上述电动机供给电力；输出电路，其从上述电池和辅助电源中的至少一方向上述电动机供给电力；故障检测器，其检测上述电池的故障；以及控制电路，其在上述故障检测器检测出上述电池的故障的情况下，将积蓄于上述辅助电源的充电能量用于转向辅助，并进行使该供给电力的上限值随着时间的经过下降的输出递减控制。
在上述(1)的电动动力转向装置中，在检测出电池的故障的情况下，能够由辅助电源进行转向辅助，通过使用于转向辅助的供给电力的上限值随着时间的经过而下降，能够防止转向助力的急剧下降。根据这样的电动动力转向装置，能够提供有效利用辅助电源的充电能量并且不会产生转向助力的急剧下降的电动动力转向装置。
(2)此外，在上述(1)的电动动力转向装置中，控制电路，在故障检测器检测出电池的故障时或之后，基于积蓄于辅助电源的充电能量决定直至转向辅助结束的时间，进行直至该时间经过，使得用于转向辅助的上述供给电力的上限值以一定梯度下降至实质为0的输出递减控制。
在上述(2)的电动动力转向装置中，在检测出电池的故障时或之后，基于积蓄于辅助电源的充电能量决定直至转向辅助结束的时间，因此根据充电能量的大小，时间也发生变化。此外，经过该时间，用于转向辅助的供给电力的上限值以一定梯度下降至实质为0，由此，进行转向辅助直至供给电力为0，于是，转向辅助的结束与转向助力为0的时刻一致。
(3)此外，在上述(1)的电动动力转向装置中，控制电路在故障检测器检测出电池的故障时或之后，在最开始施加规定值以上的转向转矩时，基于积蓄于辅助电源的充电能量决定直至转向辅助结束的时间，进行直至该时间经过，使得用于转向辅助的上述供给电力的上限值以一定梯度下降至实质为0的输出递减控制。
在上述(3)的电动动力转向装置中，控制电路不是仅根据电池故障的检测就开始输出递减控制，而是在施加规定值以上的转向转矩之后才开始输出递减控制。换言之，不会发生在电池发生故障之后，即使没有转向供给电力(转向助力)的上限值也已经下降的现象。由此，能够防止在电池故障后的最开始的转向时，由转向助力急剧下降导致的转向的不舒服的感觉。
(4)此外，在上述(1)的电动动力转向装置中，控制电路在故障检测器检测出电池的故障时或之后，在积蓄于辅助电源的充电能量变得比阈值小时，进行使得用于转向辅助的上述供给电力的上限值随着时间的经过而下降的输出递减控制。
在上述(4)的电动动力转向装置中，在检测出电池的故障之后，能够由辅助电源进行转向辅助，此时的供给电力的上限值只要积蓄于辅助电源的充电能量为阈值以上就没有限制，在比阈值小以后随着时间的经过而下降。
附图说明
图1是表示本发明的第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；
图2是表示第一实施方式的电动动力转向装置的控制动作的流程图；
图3(a)是表示第一实施方式的供给电力的上限值的时间变化的图表，图3(b)是表示转向中的供给电力受到上限值的限制并下降的状态的图表；
图4是表示第二实施方式的电动动力转向装置的控制动作的流程图；
图5(a)是表示第二实施方式的供给电力的上限值的时间变化的图表；图5(b)是表示转向中的供给电力受到上限值的限制并下降的状态的图表；
图6是表示本发明的第三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；
图7是表示第三实施方式的电动动力转向装置的控制动作的流程图；以及
图8(a)、(b)、(c)分别是表示第三实施方式的供给电力上限值、转向助力上限值和电压Vc在电池发生了故障后如何变化的图表。
具体实施方式
图1是表示本发明的第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。在图中，转向装置2由驾驶员施加于转向盘(方向盘)3的转向转矩和电动机4产生的转向助力驱动。电动机4是三相无刷电动机，由电动机驱动电路5驱动。从电池6或从与电池6串联地连接有辅助电源7的电源，对电动机驱动电路5施加电压。辅助电源7由双电层电容器构成。另一个辅助电源8作为备用电源具有与电池6并联、与辅助电源7串联连接的关系。辅助电源8也由双电层电容器构成。
电池6的电压经由插入有电源继电器9的触点9a和MOS-FET10的电路L1，被引导至电动机驱动电路5和电动机4。该MOS-FET10是N沟道，以源极在电池6侧、漏极在电动机驱动电路5侧的方式连接。此外，寄生二极管10d构成为在从电池6向电动机4供给电力时电流流动的方向为顺方向。
辅助电源7设置在电路L1与另一电路L2之间。辅助电源7的高电位侧的电路L2经由MOS-FET11与电动机驱动电路5连接。MOS-FET11是N沟道，以源极在电动机驱动电路5侧、漏极在辅助电源7侧的方式连接。此外，寄生二极管11d构成为在从辅助电源7向电动机4供给电力时电流流动的方向为逆方向。
上述两个MOS-FET10和11通过栅极驱动电路(FET驱动器)12以交替成为导通状态的方式被驱动。由该两个MOS-FET10、11和栅极驱动电路12构成的输出电路21，在MOS-FET10导通时，从电池6向电动机4供给电力，在MOS-FET11导通时，从电池6和辅助电源7的串联体向电动机4供给电力。而且，即使电池6发生故障(失效)，在MOS-FET11导通时，也能够从辅助电源7、8的串联体向电动机4供给电力。即，输出电路21构成从电池6和辅助电源7、8的至少一方向电动机4供给电力的电路。
上述栅极驱动电路12、上述电动机驱动电路5由包含CPU、存储器、接口等的控制电路13控制。
另一方面，在电路L1与电路L2之间设置有充电电路14。充电电路14将使电池6的电压升压后的电压施加在辅助电源7的端子间，在充电的时期由控制电路13控制。
与电池6串联连接的电流检测器15检测电池6的输出电流并将该检测信号送至控制电路13。由该电流检测器15引起的电压下降极小，可以忽略。此外，与电池6并联连接的电压检测器16检测电池6的端子间电压并将该检测信号送至控制电路13。
另一方面，在电路L2与接地电路之间连接的电压检测器17检测电路L2的电压Vc并将该检测信号送至控制电路13。电源继电器9的触点9a闭合时的电路L2的电位是在电池6的端子间电压(或辅助电源8的端子间电压)上加上了辅助电源7的端子间电压而得的。在触点9a断开时的电路L2的电位是在辅助电源7的端子间电压上加上了辅助电源8的端子间电压而得的。
此外，检测施加于转向盘3的转向转矩的转矩传感器18的输出信号、检测车速的车速传感器19的输出信号和检测发动机转速的转速传感器20的输出信号分别输入控制电路13。
另外，虽然没有图示，但电池6提供控制电路13的控制电源电压(Vcc：例如5V)等的控制电源电压(以下简称为控制电源电压)。此外，在电池6发生故障时，能够从电路L2提供控制电源电压。控制电路13例如在内部具有电压的限制功能，能够接受比较宽范围的电压电平。
上述这样构成的电动动力转向装置1，通过点火键(未图示)的导通操作和发动机转速的上升而开始动作，电源继电器9根据来自控制电路13的指令信号成为导通(触点闭合)的状态。控制电路13基于转向转矩和车速驱动电动机驱动电路5，以便向电动机4供给用于得到需要的转向助力的所需电力。在该所需电力为基准值以下时，根据控制电路13的指令信号，MOS-FET10为导通状态，MOS-FET11为断开状态，电池6的电压被引导至电动机驱动电路5。
此外，辅助电源7由充电电路14充电。该充电例如在转矩传感器18没有检测转向转矩时进行。
另一方面，当所需电力超过基准值时，即，在仅由电池6不能够完全供给所需电力时，控制电路13使MOS-FET10为断开状态，使MOS-FET11为导通状态。结果，在电池6和辅助电源7相互串联连接的状态下，其输出电压被供给至电动机驱动电路5。由此，能够向电动机4供给超过仅利用电池6的输出可能电力的大电力。另外，此时，MOS-FET10的寄生二极管10d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7的电流流入电路L1。
图2是表示第一实施方式的电动动力转向装置1的控制动作的流程图。
接着，参照图2的流程图说明电池故障时的处理。在图中，控制电路13重复进行上述通常的控制直至检测出电池6的故障(失效)(步骤S1、S2)。电池6的故障能够通过下述情况检测出：虽然电动机驱动电路5还在动作但是由电流检测器15检测出的电池6的输出电流为0、由电压检测器16检测出的电池6的端子间电压急剧下降。即，电流检测器15和/或电压检测器16能够检测出由电池6的故障产生的电压或电流的变化，与控制电路13一同构成检测电池6的故障的故障检测器。
在步骤S2中由控制电路13检测出电池6的故障的情况下，控制电路13进行充电能量的计算(步骤S3)。具体地说，使辅助电源7的电容为C7，使辅助电源8的电容为C8，两个辅助电源7、8的串联体(以下称为电容器串联体)的电容C(一定值)为：
C＝(C7·C8)/(C7+C8)
此外，如果使故障检测时的电压Vc的初始值为V1(变动值)，使电容器串联体的下限电压(放电极限)为V2(一定值)，则电容器串联体中积蓄的并且能够使用的充电能量为：
  E＝(C/2)·(V12-V22)......(1)
另一方面，由电动动力转向装置1的规格决定能够向电动机4供给的最大电力，如果使该最大电力(一定值)为Pmax(W)，使以一定梯度限制供给电力的上限值的时间(以下称为递减时间)为t1(秒)，则
E＝Pmax·t1/2......(2)
图3(a)是表示供给电力的上限值的时间变化的图表。式(2)的充电能量E表示为斜线部的面积。
根据上述式(1)、(2)，能够求取递减时间t1为：
t1＝2E/Pmax＝(C/Pmax)(V12-V22)......(3)
于是，控制电路13根据式(3)的运算计算出递减时间t1(步骤S4)。接着，控制电路13进行输出递减控制(步骤S5)。具体地说，控制电路13使MOS-FET11导通(使MOS-FET10断开)，使电源继电器9断开，由此进行转向辅助的控制(辅助控制)。而且，对供给电力施加限制，使上限值递减。即，以从电池故障开始的经过时间为t(t1)时供给电力的上限值P为：
P＝Pmax-(Pmax/t1)·t......(4)的方式使上限值P以一定梯度递减。于是，在t＝t1时P＝0，即供给电力实质上为0。图3(b)是表示通过这样的输出递减控制，转向中的供给电力(实线)在受到上限值的控制的同时下降的状态的图表。
上述的第一实施方式的电动动力转向装置1，在检测出电池6的故障时，基于积蓄于辅助电源7、8中的充电能量决定直至转向辅助结束的递减时间t1，因此根据充电能量的大小时间也发生变化。此外，经过该时间t1使用于转向辅助的供给电力的上限值以一定梯度下降至实质为0，由此进行转向辅助直至供给电力为0，于是转向辅助的结束与转向助力为0的时刻一致。由此，能够提供有效利用能够使用的充电能量并且不会产生转向助力的急剧下降的电动动力转向装置。
图4是表示第二实施方式的电动动力转向装置的控制动作的流程图。本实施方式的电路结构与第一实施方式相同。与图2的不同点在于，在步骤S2与S3之间，设置步骤S2a，其它步骤的处理与第一实施方式相同。
根据本流程的处理，在步骤S2中检测出电池6的故障时，控制电路13不是立即进行输出递减控制，而是等待进行转向(步骤S2a)。转向是否进行是通过基于来自转矩传感器18的转向转矩信号是否检测出规定值以上的转向转矩而进行判定的。另外，除了转向转矩信号以外，也可以基于施加于电动机驱动电路5的驱动电流指令、流过电动机4的实际电流而间接地检测转向已进行。
图5(a)是表示第二实施方式的供给电力的上限值的时间变化的图表，图5(b)是表示转向中的供给电力(实线)在受到上限值的限制的同时下降的状态的图表。
根据这样的第二实施方式的控制，控制电路13不是仅根据检测出电池6的故障就开始输出递减控制，而是在施加了规定值以上的转向转矩之后才开始输出递减控制。换言之，在电池故障发生后，不会发生即使没有进行转向，供给电力(转向助力)的上限值也已经下降的现象。于是，能够防止在电池故障后的最开始的转向时，由转向助力的急剧下降导致的转向的不舒服的感觉。
另外，在图1中，用于输出高电压的辅助电源7和用于备用的辅助电源8相互串联连接，在电池故障时从该串联体供给电力，但是也可以采用仅设置任意一方的辅助电源的电路结构。例如，如果采用仅设置用于备用的辅助电源8的电路结构，则使MOS-FET10导通，对于辅助电源8的充电能量能够如上述各实施方式所示进行输出递减控制。此外，如果采用仅设置用于输出高电压的辅助电源7的电路结构，则对于辅助电源7的充电能量能够如上述各实施方式所示地进行输出递减控制。但是，在后者的情况下，需要设置在电池故障发生时，能够使作为辅助电源7的一端的电路L1接地的开关。
图6是表示本发明的第三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。该电路图与图1的不同之处在于，将用于检测电动机4的转速的传感器22的输出信号送至控制电路13，除此以外与图1的结构相同。另外，作为传感器22也可以使用原本设置于无刷电动机的旋转角传感器。
图7是表示第三实施方式的电动动力转向装置1的控制动作的流程图。在图中，控制电路13重复进行通常的控制直至电池6的故障(失效)(步骤S1、S2)。在步骤S2中由控制电路13检测出电池6的故障的情况下，控制电路13首先判定由电压检测器17检测出的电压Vc是否小于规定的阈值(步骤S2b)。此处，在为阈值以上的情况下，回到步骤S1，进行通常的控制。即，即使电池6发生故障，只要电压Vc为阈值以上就继续进行通常的控制。由此，能够有效地利用积蓄于辅助电源7、8中的能够使用的充电能量。
图8(a)、(b)、(c)是分别表示供给电力上限值、转向助力上限值和电压Vc在电池故障后如何变化的图表。如图8(c)所示，在时间T1电池发生故障之后，若使用辅助电源7、8的充电能量，则电压Vc逐渐下降。但是，只要电压Vc为阈值以上，向电动机4的供给电力上限值和转向助力上限值就不受限制。即，向电动机4的供给电力上限值为Pmax直至电压Vc小于阈值。电压Vc在时刻T2达到阈值。
另一方面，在图7的步骤S2b中，在电压Vc小于规定的阈值时(时刻T2之后)，控制电路13进行充电能量的计算(步骤S3)。具体地说，利用上述(1)式求取充电能量E。
另一方面，如果根据电动动力转向装置1的规格使能够向电动机4供给的最大电力(一定值)为Pmax(W)，使以一定梯度限制供给电力的上限值的时间(以下称为递减时间)为td(秒)，则
E＝(Pmax-Pmin)·(td/2)......(5)
此处，Pmin是在第一实施方式中为0的最小值，此处并不限定于0，是作为供给电力上限值的最小值设定而得到的值。
根据式(1)和上述式(5)，能够求取递减时间td为
td＝2E/(Pmax-Pmin)＝(C/(Pmax-Pmin))(V12-V22)......(6)
于是，控制电路13根据式(6)的运算计算出递减时间td(步骤S4)。接着，控制电路13进行输出递减控制(步骤S5)。具体地说，控制电路13使MOS-FET11导通(使MOS-FET10断开)，使电源继电器9断开，进行转向辅助的控制(辅助控制)。但是对供给电力施加限制，使上限值递减。即，令从时刻T2的经过时间为t(≤td)，以使供给电力的上限值P为：
P＝Pmax-((Pmax-Pmin)/td)·t......(7)
的方式使上限值P以一定梯度递减。于是，在t＝td，即时刻T3时，P＝Pmin即供给电力上限值成为最小值。
另外，即使是相同的供给电力如果转向速度不同，则转向助力也不同。即，供给电力P基本上为：
P＝Tm·N......(8)
此处，Tm为电动机转矩，N为电动机转速。于是，转向速度越快，电动机转矩Tm变得越小，因此需要提高电动机转矩上限值的递减的速度，相反地，转向速度越慢，电动机转矩Tm变得越大，能够延迟电动机转矩的递减的速度。于是，基于从电动机4的传感器22输出的信号(基于转速的计数的脉冲信号)，求取电动机转速，以与转向速度对应的梯度使转向助力的上限值递减。
例如，在图8(b)中，在转向速度较慢，即电动机转速较慢的情况下，以实线所示的梯度使转向助力上限值递减，在转向速度较快，即电动机转速较快的情况下，以虚线所示的梯度使转向助力上限值递减。
在上述的第三实施方式的电动动力转向装置1中，在检测出电池6的故障之后，能够由辅助电源7、8进行转向辅助，但此时的供给电力的上限值，如果积蓄在辅助电源7、8中的充电能量(电压Vc)为阈值以上则没有限制，在变得比阈值小以后随着时间的经过而下降。由此，与第一、第二实施方式同样，能够提供有效利用能够使用的充电能量并且不会产生转向助力的急剧下降的电动动力转向装置。
另外，在上述各实施方式中，在发生电池故障时，优选向驾驶员进行警告显示等(灯点亮、由声音通知)。
此外，在图1或图6的电路中，例如在由虚线所示的信号线的信号发送接收中，可以使用CAN(Controller Area Network，控制局域网)通信。

Claims (4)

1.一种电动动力转向装置，其根据转向转矩利用电动机产生转向助力，其包括：
电池，其向所述电动机供给电力；
辅助电源，其被所述电池充电，能够向所述电动机供给电力；
输出电路，其从所述电池和辅助电源中的至少一方向所述电动机供给电力；
故障检测器，其检测所述电池的故障；以及
控制电路，其在所述故障检测器检测出所述电池的故障的情况下，将积蓄于所述辅助电源的充电能量用于转向辅助，此时，基于积蓄于所述辅助电源的充电能量决定直至转向辅助结束的时间，并且直至该时间经过，进行使所述辅助电源的供给电力的上限值随着时间的经过下降的输出递减控制。
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，在所述故障检测器检测出所述电池的故障时或之后，基于积蓄于所述辅助电源的充电能量决定直至转向辅助结束的时间，进行直至该时间经过，使得用于转向辅助的所述供给电力的上限值以一定梯度下降至实质为0的输出递减控制。
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，在所述故障检测器检测出所述电池的故障时或之后，在最开始施加规定值以上的转向转矩时，基于积蓄于所述辅助电源的充电能量决定直至转向辅助结束的时间，进行直至该时间经过，使得用于转向辅助的所述供给电力的上限值以一定梯度下降至实质为0的输出递减控制。
4.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，在所述故障检测器检测出所述电池的故障时或之后，在积蓄于所述辅助电源的充电能量变得比阈值小时，进行使得用于转向辅助的所述供给电力的上限值随着时间的经过而下降的输出递减控制。
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