CN104903178A - 电动动力转向装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种电动动力转向装置，其通过简易的结构和控制能稳定地驱动逆变器的FET。本发明的电动动力转向装置，其基于PWM的各相占空比指令值经由由FET电桥构成的逆变器来驱动控制电动机，对转向系统进行辅助控制，该电动动力转向装置具备产生用来驱动FET电桥的高侧FET的升压电源电压的电荷泵电路及自举电路，由电荷泵电路及自举电路产生的电压中的高的电压被作为升压电源电压。

Description

电动动力转向装置
技术领域
本发明涉及通过基于PWM(脉宽调制)的占空比(Duty)指令值由逆变器驱动控制的电动机对车辆的转向系统进行辅助控制的电动动力转向装置，特别是涉及一种电动动力转向装置，其通过简易的结构和控制能稳定地驱动逆变器。
背景技术
利用电动机的旋转力对车辆的转向系统进行辅助控制的电动动力转向装置，将电动机的驱动力经减速机由齿轮或者皮带等传递机构，向转向轴或者齿条轴施加转向辅助力。并且，为了向电动机供应电流来使该电动机产生所希望的扭矩，在电动机驱动电路中使用由FET电桥构成的逆变器。
在此，如图1所示，对现有的电动动力转向装置的一般结构进行说明，驾驶盘1的柱轴(转向轴)2经由减速齿轮3、万向节4a和4b、齿臂机构5、转向横拉杆6a和6b，再通过轮毂单元7a和7b，与转向车轮8L和8R连接。另外，在柱轴2上设有检测驾驶盘1的转向扭矩的扭距传感器10，对驾驶盘1的转向力进行辅助的电动机20经由减速齿轮3与柱轴2连接。电池13对控制电动动力转向装置的控制单元(ECU)100进行供电，同时，经由点火开关11，点火信号被输入到控制单元100。控制单元100基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩T和由车速传感器12检测出的车速V，进行辅助(转向辅助)指令的电流指令值的运算，在电流控制单元通过对电流指令值施加补偿等得到的电压指令值E，控制供给电动机20的电流I。此外，车速V也能够从CAN(Controller Area Network，控制器局网络)等处获得。
控制单元100主要由CPU(也包含MPU或MCU)构成，该CPU内部由程序执行的一般功能如图2所示。
参照图2说明控制单元100的功能和动作，由扭矩传感器10检测出的转向扭矩T和由车速传感器12检测出的车速V被输入到运算电流指令值Iref1的电流指令值运算单元101中。电流指令值运算单元101基于输入的转向扭矩T和车速V，利用辅助图表等决定作为供给电动机20的电流I的控制目标值的电流指令值Iref1。电流指令值Iref1经过加法运算单元102A作为电流指令值Iref2被输入到电流限制单元103，限制了最大电流的电流指令值Iref3被输入到减法运算单元102B，运算Iref3与被反馈回来的电动机电流值Im的偏差Is(＝IIref3-Im)，该偏差Is被输入到进行PI控制等的电流控制单元104。在电流控制单元104中改善了特性的电压指令值E被输入到PWM控制单元105，再经过作为驱动单元的逆变器106对电动机20进行PWM控制。由逆变器106内的电流检测器106A检测出电动机20的电流值Im，该电流值Im被反馈到减法运算单元102B。逆变器106作为开关元件一般使用场效应管(FET)，由FET的电桥电路构成。
另外，加法运算单元102A进行来自补偿单元110的补偿信号CM的加法运算，通过补偿信号CM的加法运算进行系统的补偿，改善收敛性和惯性特性等。补偿单元110先将自对准扭矩(SAT)113和惯性112在加法运算单元114进行加法运算，然后，该加法运算结果再与收敛性111在加法运算单元115进行加法运算，最后，将加法运算单元115的加法运算结果作为补偿信号CM。
在电动机20为三相(U、V、W)无刷电动机的情况下，PWM控制单元105及逆变器106的详细结构如图3所示。电池13经由电源开关14对PWM控制单元105及逆变器106进行供电。PWM控制单元105由占空比运算单元105A、高侧FET门驱动单元105B1、低侧FET门驱动单元105B2和升压电源电路105C构成，其中占空比运算单元105A是将电压指令值E按照规定公式运算三相的PWM占空比指令值D1～D6；高侧FET门驱动单元105B1是用PWM占空比指令值D1～D3来驱动高侧FET1～FET3各门的开或关；低侧FET门驱动单元105B2是用PWM占空比指令值D4～D6来驱动低侧FET4～FET6各门的开或关；升压电源电路105C用于进行高侧FET门驱动单元105B1的电源电压的升压。高侧FET门驱动单元105B1和低侧FET门驱动单元105B2分别由U相门驱动单元、V相门驱动单元和W相门驱动单元构成。另外，逆变器106是由由U相的高侧FET1及低侧FET4构成的上下分路、由V相的高侧FET2及低侧FET5构成的上下分路、和由W相的高侧FET3及低侧FET6构成的上下分路组成的三相桥式结构，FET1～FET6通过PWM占空比指令值D1～D6控制开或关来驱动电动机20。
在这样的电动动力转向装置中，作为升压电源电路(105C)，例如在日本特开2004-173336号公报(专利文献1)中，利用电荷泵电路产生升压电源电压(升压电源)，还有，例如在日本特开2005-51926号公报(专利文献2)中，利用自举电路产生升压电源电压(升压电源)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-173336号公报
专利文献2：日本特开2005-51926号公报
专利文献3：日本特开2009-220766号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，像专利文献1那样，在把电荷泵电路的电压作为高侧FET的驱动电源的时候，在因为电荷泵电路发生单一的故障或异常而不能产生升压电源电压的情况下，会产生变得不能驱动所有分路的高侧FET的问题。因为当电动动力转向装置中的电荷泵电路发生故障(异常)时，会变得不能控制逆变器的开或关，所以会产生电流不在电动机中流动，并变成辅助控制停止的状态的问题。
另外，专利文献2中的自举电路的结构如下所示，即，通过打开低侧FET，来用电压给自举电容器充电；当关闭低侧FET并打开高侧FET时，使用自举电容器的充电电压来驱动高侧FET。因此，如果不在一定的时间里打开低侧FET的话，由于打开高侧FET的时间变长，所以会产生自举电容器的充电电压下降，变得不能驱动高侧FET的问题。具体地说，在通过PWM用20KHz来驱动EFT的情况下，优选高侧FET使用90％以下的电压(优选低侧FET使用10％以上的电压)(考虑到控制器的驱动单元的电阻值及FET的电容器容量的话，最好限制电压到90％以下。)，会发生占空比指令值的限制。也就是说，如果限制占空比指令值的话，因为能够施加到电动动力转向装置的电动机的最大电压从100％变成例如90％，由于最大电压下降了10％，所以会产生电动机输出下降的问题。
在由于上述电荷泵电路发生单一的故障而不能产生升压电源电压的情况下，为了防止变得不能驱动所有分路的高侧FET的问题的发生，例如，如日本特开2009-220766号公报(专利文献3)所示，即，通过将电荷泵电路设置为双系统，并把这两个电荷泵电路所产生的电压中的高的电压当作升压电源电压使用，即使两个电荷泵电路中有一个电路发生了单一的故障，也可以确保升压电源电压并继续进行辅助控制。
但是，因为专利文献3中记载的装置设置电荷泵电路为双系统，所以会产生成本提高和电路规模变大的问题。另外，由于在电动动力转向装置中，同样的方式的故障发生的可能性很高，所以存在设置电荷泵电路为双系统的技术效果较小的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种电动动力转向装置，其通过其通过简易的结构和控制能稳定地驱动逆变器的FET。
解决技术问题的手段
本发明涉及一种电动动力转向装置，其基于PWM的各相占空比指令值经由由FET电桥构成的逆变器来驱动控制电动机，对转向系统进行辅助控制，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：具备产生用来驱动所述FET电桥的高侧FET的升压电源电压的电荷泵电路及自举电路，由所述电荷泵电路及自举电路产生的电压中的高的电压被作为所述升压电源电压。
另外，本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即：判定所述电荷泵电路的故障，当判定发生了所述故障时，使用由所述自举电路产生的电压来驱动所述FET电桥的高侧FET，继续进行所述辅助控制；或，
基于系统电压和所述电荷泵电路的输出电压进行所述电荷泵电路的故障的判定；或，
当判定发生了所述电荷泵电路的故障时，限制所述高侧FET的各相占空比指令值。
发明的效果
本发明的电动动力转向装置设置电荷泵电路和自举电路作为高侧FET门驱动单元的升压电源电路，并把电荷泵电路及自举电路产生的电压中的高的电压当作升压电源电压使用。另外，即使在因为电荷泵电路和自举电路中有一个电路发生了故障等而变得不能产生高侧FET门驱动单元的电源电压的情况下，也可以通过没有发生故障的另一个电路连续供给升压电源电压。因此，可以防止由单一故障造成不能驱动FET的问题的发生，并可以稳定地继续进行电动动力转向装置的辅助控制。
此外，本发明的电动动力转向装置判定电荷泵电路的故障(包括异常)，当判定发生了电荷泵电路的故障时，限制占空比指令值的最大值。因此，可以防止由占空比指令值变大而造成不能通过自举电路产生电压并不能驱动高侧FET的不良状况的发生，同时，可以防止辅助变动。
附图说明
图1是表示一般的电动助力转向装置的结构示例图。
图2是表示控制单元的一个示例的结构框图。
图3是表示PWM控制单元及逆变器的结构例的接线图。
图4是表示本发明的结构例的接线图。
图5是表示占空比控制单元的动作例的流程图。
具体实施方式
本发明设置电荷泵电路(charge pump circuit)和自举电路(bootstrap circuit)两个电路作为升压电源电路，并把由电荷泵电路及自举电路产生的电压中的高的电压当作升压电源电压使用。然后，即使在电荷泵电路和自举电路中有一个电路发生了单一故障(包括异常)的情况下，也可以通过没有发生故障的另一个电路产生升压电源电压并连续供给升压电源电压。因此，即使在电荷泵电路和自举电路中有一个电路发生了单一故障的情况下，也可以稳定地继续进行辅助控制。另外，因为电荷泵电路由开关电路、电容器和二极管构成，与由电容器和二极管构成的简易的自举电路相比，电荷泵电路的电路规模较大，比起设置电荷泵电路为双系统来，本发明具有可以减少电路规模的优点。
下面，参照各图来详细说明本发明的实施方式。
图4对应图2表示本发明的结构例。如图4所示，本发明设置电荷泵电路130和自举电路140作为高侧FET门驱动单元120的升压电源电路，同时，设置用来限制由占空比运算单元105A运算出的占空比指令值D1～D3的最大值的占空比控制单元150。
高侧FET门驱动单元120由U相高侧FET门驱动单元121、V相高侧FET门驱动单元122及W相高侧FET门驱动单元123构成；二极管D11和D12按反方向与U相高侧FET门驱动单元121的升压电源电压单元连接；二极管D13和D14按反方向与V相高侧FET门驱动单元122的升压电源电压单元连接；二极管D15和D16按反方向与W相高侧FET门驱动单元123的升压电源电压单元连接。因此，二极管D11及二极管D12的升压电压中的高的电压被施加到U相高侧FET门驱动单元121；二极管D13及二极管D14的升压电压中的高的电压被施加到V相高侧FET门驱动单元122；二极管D15及二极管D16的升压电压中的高的电压被施加到W相高侧FET门驱动单元123。
另外，电荷泵电路130由开关电路131、由二极管D21～D23组成的串联电路和与开关电路131及由二极管D21～D23组成的串联电路并联连接的电容器C21～C24构成。由电池(电压Vb)供给的系统电压Vbs被施加到电荷泵电路130。电荷泵电路130的输出电压Vcp被施加到高侧FET门驱动单元120中的二极管D11、D13、D15，同时，也被输入到用来监控电压的开关电路131。
自举电路140由由二极管D31和电容器C31组成的串联连接、由二极管D32和电容器C32组成的串联连接和由二极管D33和电容器C33组成的串联连接构成，其中，由二极管D31和电容器C31组成的串联连接被连接在系统电压Vbs和逆变器106的W相的上下连接点之间；由二极管D32和电容器C32组成的串联连接被连接在系统电压Vbs和逆变器106的V相的上下连接点之间；由二极管D33和电容器C33组成的串联连接被连接在系统电压Vbs和逆变器106的U相的上下连接点之间。然后，电容器C31～C33的充电电压被分别施加到高侧FET门驱动单元120中的二极管D12、D14、D16。
电荷泵电路130通过经由开关电路131用由电池13产生的系统电压Vbs给被连接成并联连接的电容器C21～C24充电和对被连接成并联连接的电容器C21～C24进行放电，这样一来，无论是否可以驱动逆变器106的FET1～FET6，均产生升压电压(Vcp)。因为本实施方式的电荷泵电路130是一种电池电压Vb可以被升到约3倍的结构，所以可以产生输出电压Vcp＝3×(Vbs－Vf)。另外，Vf是二极管D21～D23的电压下降成分。一般说来，在驱动FET的情况下，为了确实打开FET，优选门极至源极电压为10V以上。因此，开关电路130监控输出电压Vcp，并通过进行开关电路131的开关操作以使输出电压Vcp变为“Vbs+12V”。也就是说，当输出电压Vcp为“Vbs+12V”以上的时候，停止开关操作；当输出电压Vcp比“Vbs+12V”小的时候，进行开关操作，操作到以使输出电压Vcp变为“Vbs+12V”。
另一方面，若以U相为例的话，自举电路140在逆变器106的低侧FET6被打开的时候，经由二极管D31用系统电压Vbs给电容器C31充电。也就是说，用针对高侧FET1～FET3的源极电压作为二极管D31的电压下降成分Vf的小电压给电容器C31充电。然后，在低侧FET6被关闭和高侧FET3被打开的情况下，电容器C31的充电电压变为源极电压，即，变为系统电压Vbs。
如上所述，利用二极管D11及D12的导通和截止功能，由电荷泵电路产生的输出电压Vcp和由自举电路140产生的输出电压(＝2Vbs－Vr)中的高的电压被稳定地供给U相高侧FET门驱动单元121的升压电源。Vr是二极管的下降电压。关于V相和W相，和U相完全一样。
归纳而言，本发明把由电荷泵电路130及自举电路140产生的电压中的高的电压当作升压电源电压使用，同时，即使在这两个电路(即，电荷泵电路130及自举电路140)中有一个升压电源电路变得不能产生高侧FET门驱动单元121～123的升压电源电压的情况下，因为可以通过另一个电路供给升压电源电压，所以可以防止由单一故障造成不能驱动FET的问题的发生，并可以稳定地继续进行电动动力转向装置的辅助控制。
在使用自举电路140的情况下，如果不在一定的时间里打开低侧FET4～FET6的话，由于打开高侧FET1～FET3的时间变长，所以会产生自举电容器的充电电压下降，变得不能驱动高侧FET，同时也变得不能让电流流过电动机20。因此，有电流变动和辅助变动的可能性，所以需要限制占空比指令值D1～D3。但是，因为无论FET1～FET6的开关动作如何，电荷泵电路130均能产生升压电压(Vcp)，所以没有必要限制占空比指令值D1～D3。
为了限制占空比指令值D1～D3的最大值，本发明设置占空比控制单元150。即，占空比控制单元150输入系统电压Vbs和电荷泵电路130的输出电压Vcp，监控电荷泵电路130是否为正常，在判定电荷泵电路130发生了故障(包括异常)的情况下，输入占空比限制指令Ld到占空比运算单元105A；占空比运算单元105A限制占空比指令值D1～D3的最大值(例如最大90％)。
图5表示占空比控制单元150的动作例，首先，输入系统电压Vbs和电荷泵电路130的输出电压Vcp(步骤S1)，判定输出电压Vcp是否比“Vbs+12V”小(步骤S2)。当输出电压Vcp比“Vbs+12V”小的时候，因为不能正常驱动FET，所以判定电荷泵电路130发生了故障(步骤S3)。在电荷泵电路130为正常的情况下，不发生占空比指令值的限制。但是，在电荷泵电路130发生了故障的情况下，如上所述，因为有必要限制占空比指令值，所以在占空比控制单元150判定电荷泵电路130发生了故障的情况下，占空比控制单元150输入占空比限制指令Ld到占空比运算单元105A，并限制占空比指令值D1～D3的最大值(例如最大90％)(步骤S4)。
归纳而言，通过判定电荷泵电路130的故障，当判定发生了电荷泵电路130的故障时，限制占空比指令值，因为可以防止由占空比指令值变大而造成不能通过自举电路产生电压并不能驱动高侧FET的不良状况的发生，所以可以防止辅助变动。
此外，尽管在上述针对三相电动机进行了说明，本发明也可以同样适用于二相电动机或其他的电动机。还有，尽管在上述说明了设有补偿单元的电动动力转向装置，补偿单元不一定是必需的结构。
附图标记说明
1    驾驶盘
2    柱轴(转向轴)
10   扭矩传感器
12   车速传感器
20   电动机
100  控制单元
101  电流指令值运算单元
103  电流限制单元
104  电流控制单元
105  PWM控制单元
105A 占空比运算单元
106  逆变器
106A 电流检测器
110  补偿单元
120  高侧FET门驱动单元
130  电荷泵电路
140  自举电路
150  占空比控制单元

Claims (4)

1.一种电动动力转向装置，其基于PWM的各相占空比指令值经由由FET电桥构成的逆变器来驱动控制电动机，对转向系统进行辅助控制，其特征在于：
具备产生用来驱动所述FET电桥的高侧FET的升压电源电压的电荷泵电路及自举电路，
由所述电荷泵电路及自举电路产生的电压中的高的电压被作为所述升压电源电压。
2.根据权利要求1所述的电动动力转向装置，其特征在于，判定所述电荷泵电路的故障，当判定发生了所述故障时，使用由所述自举电路产生的电压来驱动所述FET电桥的高侧FET，继续进行所述辅助控制。
3.根据权利要求2所述的电动动力转向装置，其特征在于，基于系统电压和所述电荷泵电路的输出电压进行所述电荷泵电路的故障的判定。
4.根据权利要求2或者3所述的电动动力转向装置，其特征在于，当判定发生了所述电荷泵电路的故障时，限制所述高侧FET的各相占空比指令值。
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