CN101959742B - 辅助电力供给装置和电动转向装置 - Google Patents

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Abstract

提供了在使用辅助电源时能够一直提供稳定的辅助电力的辅助电力供给装置以及采用这种辅助电力供给装置的电动转向装置。辅助电力供给装置(1)包括放电电路(15)，该放电电路通过执行PWM控制，选择性地建立仅从电池(7)为电动机(5)供电的状态以及从其中辅助电源(10)串联连接到电池(7)的电源为电动机(5)供电的状态。辅助电力供给装置(1)包括用于进行如下控制的控制电路(20)：当电池(7)的电力消耗大于上限时，通过PWM控制、利用占空比作为接通和关断开关元件(12、13)时的操作量来执行电力反馈控制，以使所述电力消耗返回到所述上限。

Description

辅助电力供给装置和电动转向装置
技术领域
本发明涉及能够利用电动机来产生转向辅助力的电动转向装置，更具体而言，涉及电动转向装置的辅助电力供给装置。
背景技术
电动转向装置是利用电动机、根据驾驶者的转向扭矩来产生转向辅助力的装置。进来，对用于大型交通工具的电动转向装置的需求已迅速增长。大型交通工具要求增加转向辅助力。因此，需要向电动机提供更大的电力。但是，作为主电源的电池不能单独地充足提供这样大的电力。鉴于此，提出了为电池提供二次电池的辅助电源的配置，在正常状态下仅利用所述电池，并且所述电池与所述辅助电源彼此串联，以在需要较大电力时，从这两个电源来提供电力(例如参见专利文献1)。
专利文献1：JP-A-2005-287222(参见图1)。
发明内容
技术问题
在具有上述配置的已有电动转向装置的辅助电源中，充电状态或端子电压不是恒定的，并且经常变化。因此，不能保证在使用辅助电源时总能提供稳定的辅助电力，并且从辅助电源提供的实际电量不是固定的。
鉴于这个问题，本发明的一个目的在于提供一种在使用辅助电源时能够一直提供稳定的辅助电力的辅助电力供给装置以及采用这种辅助电力供给装置的电动转向装置。
解决问题的方案
根据本发明的一个方面，提供了一种辅助电力供给装置，该辅助电力供给装置包括：辅助电源，该辅助电源串联连接到用于向电动机提供电力的电池；电力检测部，该电力检测部检测所述电池的电力消耗；充电电路，该充电电路通过利用所述电池对所述辅助电源充电；放电电路，该放电电路通过接通和关断开关元件来选择性地建立第一状态和第二状态，在所述第一状态中，仅从所述电池为所述电动机提供电力，在所述第二状态中，从所述电池和所述辅助电源二者向所述电动机提供电力；以及控制电路，该控制电路通过利用基于由所述电力检测部检测到的电力消耗与第一阈值之间的差的占空比(duty)的脉冲宽度调制控制来进行接通和关断所述开关元件的电力反馈控制，其中，当所述电力消耗大于所述第一阈值时，所述控制电路利用基于所述差的占空比来进行所述电力反馈控制，使得所述电力消耗返回到所述第一阈值。所述第一阈值为能够从所述电池提供的电力消耗的最大值。
在具有上述配置的辅助电力供给装置中，当电池的电力消耗大于某个上限(第一阈值)时，通过在电力反馈控制中基于所述差来设置占空比，从所述辅助电源提供对应于所述差的电力，而所述电池的电力消耗平滑地返回到所述上限。在这种情况下，即使当所述辅助电源的电压变化时，也能够从所述辅助电源提供需要的电力。
在所述辅助电力供给装置中，当所述电力消耗在所述第一阈值和小于所述第一阈值的第二阈值的范围内时，所述控制电路利用为零的占空比来进行电力反馈控制，以使所述放电电路建立所述第二状态。
在这种情况下，当所述电池的电力消耗不大于所述上限(第一阈值)但等于或大于某个阈值(第二阈值)时，进行所述电力反馈控制。这样，能够使得在开始电力反馈控制时的控制不连续不在所述辅助电源放电的同时出现。因此，能够防止由于反复开始并停止开关元件的切换而导致的噪声。还能够防止电动机扭矩的变化。
另一方面，通过将占空比设置为零，能够使电力反馈控制在所述电力消耗等于或大于所述阈值并且等于或小于所述上限时无效。也就是说，不可能进行无用控制以使得等于或小于所述上限的电力消耗接近所述上限。
优选地，当所述电力消耗小于所述第二阈值时，所述控制电路停止所述电力反馈控制。
在这种情况下，当所述电池的电力消耗小时，不需要进行无用的电力反馈控制。
优选地，所述控制电路包括用于计算所述差以输出所述占空比的计算单元，并且该计算单元在所述控制电路进行电力反馈控制时计算所述差。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于利用电动机来产生转向辅助力的电动转向装置，该电动转向装置包括：电池，该电池向所述电动机提供电力；辅助电源，该辅助电源串联连接到所述电池；电力检测部，该电力检测部检测所述电池的电力消耗；充电电路，该充电电路通过利用所述电池对所述辅助电源充电；放电电路，该放电电路通过接通和关断开关元件来选择性地建立第一状态和第二状态，在所述第一状态中，仅从所述电池为所述电动机提供电力，在所述第二状态中，从所述电池和所述辅助电源二者为所述电动机提供电力；以及控制电路，该控制电路通过利用基于由所述电力检测部检测到的电力消耗与第一阈值之间的差的占空比的脉冲宽度调制控制来进行接通和关断所述开关元件的电力反馈控制，其中，当所述电力消耗大于所述第一阈值时，所述控制电路利用基于所述差的占空比来进行所述电力反馈控制，使得所述电力消耗返回到所述第一阈值。所述第一阈值为能够从所述电池提供的电力消耗的最大值。
在具有上述配置的电动转向装置中，当所述电池的电力消耗大于上限(第一阈值)时，通过在电力反馈控制中基于所述差来设置占空比，从所述辅助电源提供与所述差对应的电力，而所述电池的电力消耗平滑地返回到所述上限。在这种情况下，即使当所述辅助电源的电压变化时，也能够从所述辅助电源提供需要的电力。
本发明的有益效果
根据本发明的辅助电力供给装置或电动转向装置，通过与所述差对应的辅助电力，所述电池的大于所述上限的电力消耗平滑地返回到所述上限。在这种情况下，即使当辅助电源的电压变化时，也能够从辅助电源提供所需要的电力。因此，能够在使用辅助电源时一直提供稳定的辅助电力。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的包括辅助电力供给装置的电动转向装置的主电路配置的电路图。
图2是示出放电控制的流程的流程图。
图3是示出用于电力反馈控制的控制系统的配置的图。
图4是示出如何根据电池的电力消耗的变化来使用辅助电源的一个示例的图。
图5是示出图1所示的配置的一个变型示例的电路图，其中，用于电动机驱动电路的控制电路和用于辅助电力供给装置的控制电路是分开提供的。
附图标记说明
1：辅助电力供给装置
2：电动转向装置
7：电池
8：电流检测器
9：电压检测器
10：辅助电源
12、13：开关元件
15：放电电路
20、20B：控制电路
21：充电电路
具体实施方式
图1是示出根据本发明的一个实施例的包括辅助电力供给装置1的电动转向装置2的主电路配置的电路图。在图1中，通过施加到转向轮(手柄)4的驾驶者的转向扭矩以及电动机5产生的转向辅助力来驱动转向装置3。电动机5为三相无电刷电动机，并且由电动机驱动电路6来驱动。电动机驱动电路6包括构成三相桥电路的6个开关元件(MOS-FET)61到66和用于切换所述开关元件的驱动电路(FET驱动器)67。驱动电路67由控制电路20来控制。
电动机驱动电路6通过地侧的电路径LG连接到电池7的负极。电池7用作主电源，并向电动机驱动电路6提供电力。电池7与电流检测器8串联连接，并与电压检测器9并联连接。电流检测器8检测从电池7输出的电流(用“IB”表示)并向控制电路20发送检测信号。电压检测器9检测电池7的端子间的电压(用“VB”表示)并向控制电路20发送检测信号。控制电路20基于来自电流检测器8和电压检测器9的两个检测信号进行乘法操作，以计算电力(VB·IB)。也就是说，电流检测器8和电压检测器9与控制电路20一起构成用于检测电池7的电力消耗的电力检测部。严格来说，电池7内会消耗电力，但与输出到外部的电力相比，这种电力消耗非常小。因此，假设输出到外部的电力为电池7的电力消耗。
辅助电源10由双层电容形成，并串联连接到电池7。电压检测器11与辅助电源7并联连接。电压检测器11检测辅助电源7的端子间的电压(用“VC”表示)并向控制电路20发送检测信号。由于电流检测器8中的电压降小，因此假设忽略电流检测器中的电压降。这样，电池7的电压VB被施加到电路径L1而电池7的电压VB和辅助电源10的电压VC的组合电压(VB+VC)被施加到电路径L2。
电路径L1和L2通过开关元件12和13(MOS-FET)连接到电路径L3。电路径L3被连接到电动机驱动电路6。当施加来自驱动电路(FET驱动器)14的PWM(脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation)控制的驱动信号时，开关元件12和13被切换。驱动电路14由控制电路20来控制。包括开关元件12和13以及驱动电路14的放电电路15通过接通和关断开关元件12和13而选择性地建立第一状态和第二状态，在第一状态中，仅从电池7为电动机5供电，在第二状态中从其中辅助电源10串联连接到电池7的电源向电动机5供电。
辅助电源10由充电电路21来充电。充电电路21包括电抗器16、交替接通的开关元件17和18(MOS-FET)、用于切换开关元件17和18的驱动电路(FET驱动器)19和二极管25。驱动电路19由控制电路20来控制。
用于检测施加到转向轮4的转向扭矩的扭矩传感器22的输出信号被输入到控制电路20。用于检测交通工具的速度的车速传感器23的输出信号被输入到控制电路20。电动机5包括用于检测转子的旋转角度位置的角度传感器24。角度传感器24的输出信号被输入到控制电路20。
在具有上述配置的电动转向装置中，控制电路20控制电动机驱动电路6来驱动电动机5，以基于从扭矩传感器22发送的转向扭矩信号、从车速传感器23发送的车速信号和从角度传感器24发送的转子角度位置信号来产生适当的转向辅助力。
另一方面，当充电电路21的开关元件17处于ON(接通)状态而开关元件18处于OFF(关断)状态时，电流从电池7流经电抗器16和开关元件17。当开关元件17从该状态变为OFF状态(同时开关元件18处于ON状态)时，在电抗器16中产生高电压，以防止由于电流阻塞而导致的磁通量的变化，并且利用通过向上推举电池7的输出电压而获得的电压、经由二极管25对辅助电源10进行充电。因此，通过反复地接通和关断开关元件17和18，能够将辅助电源10充电。控制电路20监视辅助电源10的电压VC，并通过驱动电路19来接通和关断开关元件17和18以在电压VC达不到预定的电压时对辅助电源10进行充电。例如，当扭矩传感器22检测不到转向扭矩时，执行该充电操作。
将参考图2的流程图来描述放电电路15的操作。图2的流程图所示的放电控制处理由控制电路20反复执行。首先，控制电路20基于电流检测器8和电压检测器9的输出信号的相乘来检测电池7的当前电力消耗(步骤S1)，并确定所述电力消耗是否等于或小于某个上限(步骤S2)。这里，所述上限是能够仅从电池7提供的电力消耗的最大值。当所述电力消耗大于所述上限时，执行下文将描述的电力反馈控制(步骤S3)。
另一方面，当在步骤S2中确定所述电力消耗等于或小于所述上限时，控制电路20随后确定所述电力消耗是否小于某个阈值(步骤S4)。这里，所述阈值是小于所述上限的预定值。当在步骤S4中确定所述电力消耗小于所述阈值时，结束处理流程。当确定所述电力消耗等于或大于所述阈值时，执行下文将描述的电力反馈控制(包括限制处理)(步骤S5)。
图3是示出用于电力反馈控制的控制系统的配置的图。在该图中，控制电路20中的比较器201比较所述上限与从检测器8和9(电流检测器8和电压检测器9)反馈的电池7的电力消耗，而PI计算单元202基于所述上限和所述电力消耗的差来进行PI计算。当所反馈的电池7的电力消耗大于所述上限时，所述差被限定为正值。相反，当所述电力消耗小于所述上限时，所述差被限定为负值。
PI计算单元202包括限制处理装置203。当所述差不是负值(也就是说，所述差为正值或0)时，限制处理装置203不进行任何操作，而PI计算单元202输出作为控制系统的操作量的占空比(duty)。当所述差为负值时，限制处理装置203强制输出占空比零(限制处理)。该占空比在放电电路15的驱动电路14对开关元件12和13进行PWM控制时使用。例如，当占空比为1时，开关元件13持续处于ON状态而开关元件12持续处于OFF状态。相反，当占空比为零时，开关元件12持续处于ON状态而开关元件13持续处于OFF状态。
当占空比的值在从0到1的范围中时，开关元件13的ON状态(开关元件12的OFF状态)的比依赖于占空比的值而变化。当开关元件13的ON状态的比增加时，从辅助电源10提供的电力增加(但处于可输出的电压范围内)，因而辅助电源10负担的电力增加，从而降低了电池7的负担。因此，能够控制电池7的电力消耗。通过该电力反馈控制，所述差平滑地返回到0，即电池7的电力消耗平滑地返回到所述上限。
图4是示出如何根据电池7的电力消耗的变化来使用辅助电源10的一个示例的图。该附图中的数字对应于图2的流程图中所示的处理路由中的附图标记。在图4中，当电池7的电力消耗如所述曲线那样变化时，在时间点t1之前，所述电力消耗小于所述上限和所述阈值二者。在这种情况下，不使用辅助电源10，图1所示的开关元件12被接通，而开关元件13被关断，由此，仅从电池7向电动机5提供需要的电力。
在时间t1，所述电力消耗到达所述阈值，并且开始电力反馈控制以及限制处理。因此，基于所述差开始PI计算，但是由于所述限制处理，占空比为零。当占空比为零时，图1中的开关元件12被接通，而开关元件13被关断，从而仅从电池7为电动机5提供需要的电力。也就是说，辅助电源10不释放电力。这种状态一直保持到时间t2，而所述电力消耗在时间t2之后的时间点变得大于所述上限。
一旦所述电力消耗变得大于所述上限，则在没有限制处理的情况下执行电力反馈控制，而且驱动电路14的PWM控制中的占空比被设置为消除所述差。因此，从其中辅助电源10串联连接到电池7的电源为电动机5供电，因此减轻了电池7的功率负载。这样，所述电力消耗在时间t3返回到所述上限，而且从时间t3到时间t4执行包括限制处理的电力反馈控制。因此，基于所述差开始PI计算，但是由于所述限制处理，占空比为零。当占空比为零时，图1中的开关元件12被接通，而开关元件13被关断，从而仅从电池7为电动机5提供需要的电力。也就是说，辅助电源10不释放电力。
在时间t4之后，所述电力消耗变得小于所述上限和所述阈值。因此，停止电力反馈控制。这样，所述电力反馈控制在所述电力消耗足够低之后停止，因此，当电池7的电力消耗小时，不需进行无用的电力反馈控制。在这种情况下，不使用辅助电源10，图1中的开关元件12被接通，而开关元件13被关断，从而仅从电池7为电动机5提供需要的电力。
这样，基于电池7的电力消耗，通过在电池7的电力消耗大于所述上限时在电力反馈控制中基于所述差来设置占空比，从辅助电源10提供对应于所述差的电力，因此，电池7的电力消耗平滑地返回到所述上限。在这种情况下，即使当辅助电源10的电压变化时，也能够从辅助电源10提供需要的电力。因此，能够在使用辅助电源10时稳定地提供辅助电力。
由于所述电力反馈控制(具有限制处理)是在所述电力消耗变得大于所述上限之前开始的并且进行了PI计算，因此，能够防止在开始所述电力反馈控制时的控制不连续性在辅助电源10开始放电的同时出现。因此，通过反复地执行开关元件12和13的切换的开始和停止(这不是指PWM控制的切换中的接通ON和关断OFF，而是指是否切换操作状态)，能够防止产生噪声。还能够防止电动机5的扭矩的变化。
相反，当所述电力消耗降低为等于或小于所述上限时(但在所述电力消耗变得小于所述阈值之前)，继续执行所述电力反馈控制(具有限制处理)。因此，即使当所述电力消耗在所述上限附近变化时，也能够如上所述地防止控制的不连续性在辅助电源10的放电重新开始的同时出现。
在上述实施例中，当暂时大于所述上限的所述电力消耗变得等于或小于所述上限时，停止辅助电源10的放电，但是，可以执行不同的控制。例如，当所述电力消耗在所述上限附近发生小的变化且所述电力消耗在辅助电源10一旦始放电就瞬时变得等于或小于所述上限时，不能立即停止放电(即限制处理被阻止)，而辅助电源10的放电可以继续进行，直到占空比变为零。
在上述实施例中，控制电路20还控制电动机驱动电路6，但是，可以独立地提供用于控制电动机驱动电路6的控制电路和用于控制辅助电源10的控制电路。图5是示出了这些控制电路的一个示例的电路图。在这种情况下，控制电路20A控制电动机驱动电路6，而控制电路20B控制辅助电源10。根据该配置，电源控制可以独立于电动机控制来进行，而辅助电力供给装置1可实现所谓的自给功率管理(Self-contained PowerManagement)。因此，不必根据电动机的规格来定制辅助电力供给装置1，从而降低成本。辅助电力供给装置1可以作为一个单元来构建。
本发明基于2008年2月29日提交的第2008-049332号日本专利申请，该专利申请的内容通过引用合并于此。
工业实用性
能够提供在使用辅助电源时能够一直提供稳定的辅助电力的辅助电力供给装置以及采用这种辅助电力供给装置的电动转向装置。

Claims (5)

1.一种辅助电力供给装置，包括：
辅助电源，该辅助电源串联连接到用于向电动机提供电力的电池；
电力检测部，该电力检测部检测所述电池的电力消耗；
充电电路，该充电电路通过利用所述电池对所述辅助电源充电；
放电电路，该放电电路通过接通和关断开关元件来选择性地建立第一状态和第二状态，在所述第一状态中，仅从所述电池为所述电动机提供电力，在所述第二状态中，从所述电池和所述辅助电源二者为所述电动机提供电力；以及
控制电路，该控制电路通过利用基于由所述电力检测部检测到的电力消耗与第一阈值之间的差的占空比的脉冲宽度调制控制来进行接通和关断所述开关元件的电力反馈控制，所述第一阈值为能够从所述电池提供的电力消耗的最大值，
其中，当所述电力消耗大于所述第一阈值时，所述控制电路利用基于所述差的占空比来进行所述电力反馈控制，使得所述电力消耗返回到所述第一阈值。
2.根据权利要求1所述的辅助电力供给装置，其中，当所述电力消耗在所述第一阈值和小于所述第一阈值的第二阈值的范围内时，所述控制电路利用为零的占空比来进行所述电力反馈控制，使得所述放电电路建立所述第二状态。
3.根据权利要求2所述的辅助电力供给装置，其中，当所述电力消耗小于所述第二阈值时，所述控制电路停止所述电力反馈控制。
4.根据权利要求3所述的辅助电力供给装置，其中，所述控制电路包括计算单元，该计算单元计算所述差，以输出所述占空比，并且该计算单元在所述控制电路进行所述电力反馈控制时计算所述差。
5.一种电动转向装置，该电动转向装置用于利用电动机来产生转向辅助力，并且包括：
电池，该电池向所述电动机提供电力；
辅助电源，该辅助电源串联连接到所述电池；
电力检测部，该电力检测部检测所述电池的电力消耗；
充电电路，该充电电路通过利用所述电池对所述辅助电源充电；
放电电路，该放电电路通过接通和关断开关元件来选择性地建立第一状态和第二状态，在所述第一状态中，仅从所述电池为所述电动机提供电力，在所述第二状态中，从所述电池和所述辅助电源二者为所述电动机提供电力；以及
控制电路，该控制电路通过利用基于由所述电力检测部检测到的电力消耗与第一阈值之间的差的占空比的脉冲宽度调制控制来进行接通和关断所述开关元件的电力反馈控制，所述第一阈值为能够从所述电池提供的电力消耗的最大值，
其中，当所述电力消耗大于所述第一阈值时，所述控制电路利用基于所述差的占空比来进行所述电力反馈控制，使得所述电力消耗返回到所述第一阈值。
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