CN105163999A

CN105163999A - 电动助力转向装置

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Publication number: CN105163999A
Application number: CN201380074827.0A
Authority: CN
Inventors: 中山幸雄; 坂口徹; 星让; 田中真一; 新郷正憲
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: US20160052541A1; US9604666B2; CN105163999B; EP2977295A4; EP2977295A1; WO2014147694A1; EP2977295B1

Abstract

本发明提供一种电动助力转向装置，其即使电源电压下降，也可以通过对FET保护用齐纳二极管的功率损耗进行时间累计，随着累计损耗的增加来逐渐限制占空比，从而不损坏操舵性能，并实现齐纳二极管的保护。本发明的电动助力转向装置基于转向扭矩和车速运算转向辅助指令值，产生PWM信号，通过经由装载了齐纳二极管的FET电桥电路对电动机进行PWM驱动，来对转向系统进行辅助控制；其设置：功率损耗运算单元，在点火电压与逆变器外加电压之差为规定电压以上时，运算功率损耗；累计损耗运算单元，运算功率损耗的累计功率；容许损耗运算单元，基于温度运算容许损耗；最小值选择单元，选择容许损耗与累计损耗的损耗差的最小值；以及，限制值运算单元，基于损耗差的最小值及容许损耗运算PWM信号的限制值。

Description

电动助力转向装置

技术领域

本发明涉及一种电动助力转向装置，其向车辆的转向系统施加由电动机产生的辅助力，特别是涉及一种即使在电源电压(电池电压)下降时，也能够通过限制占空比，以达到不损坏操舵性能，并可以可靠地保护被装载在FET电桥电路上的齐纳二极管的电动助力转向装置。

背景技术

利用电动机的旋转力对车辆的转向机构施加转向辅助力(assist)的电动助力转向装置，将电动机的驱动力经减速机由齿轮或皮带等传送机构，向转向轴或齿条轴施加转向辅助力。为了准确产生转向辅助力的扭矩，现有的电动助力转向装置进行电动机电流的反馈控制。反馈控制调整电动机外加电压，以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值的差变小，电动机外加电压的调整通常用调整PWM(脉宽调制)控制的占空比来进行。

如图1所示，对电动助力转向装置的一般结构进行说明。操舵手柄1的柱轴(转向轴)2经过减速齿轮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上设有检测操舵手柄1的转向扭矩的扭矩传感器10，对操舵手柄1的转向力进行辅助的电动机20通过减速齿轮3与柱轴2连接。电池13对控制电动助力转向装置的控制单元100进行供电，同时，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元100。另外，在具备空转停止功能的车辆中，通过稳压电路30，再经由点火开关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Tr和由车速传感器12检测出的车速Vel，进行作为辅助(转向辅助)指令的转向辅助指令值的运算，通过对转向辅助指令值实施补偿等得到的电流控制值E，控制供给电动机20的电流。此外，车速Vel也能够从CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域网络)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。如图2所示，由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Tr和由车速传感器12检测出的车速Vel被输入到转向辅助指令值运算单元101中；使用辅助图运算转向辅助指令值Iref。基于过热保护条件等，最大输出限制单元102限制运算得到的转向辅助指令值Iref的输出；被限制了最大输出的电流指令值I被输入到减法单元103。

此外，关于在转向辅助指令值运算单元101中进行的转向辅助指令值Iref的运算，也可以在转向扭矩T及车速Vel的基础上，进一步利用转向角进行运算。

减法单元103求出电流指令值I与被反馈回来的电动机20的电动机电流i之间的偏差ΔI(＝I-i)；偏差ΔI由PI等电流控制单元104控制；被控制的电流控制值E被输入到PWM(脉冲宽度调制)控制单元105中，并进行占空比的运算，根据已经运算了占空比的PWM信号PS，通过电动机驱动电路106驱动电动机20。电动机20的电动机电流i在由电动机电流检测电路107来检测，电动机电流i被输入到减法单元103中并被反馈。

如图3所示，对电动机驱动电路106的结构例进行说明，在电动机20为三相电动机的情况下，电动机驱动电路106由FET门驱动电路106A、逆变器106B及升压电路106C等构成，其中，FET门驱动电路106A根据来自PWM控制单元105的PWM信号PS驱动场效应晶体管(FET)FET1～FET6的各门极；逆变器106B由FET1～FET6的三相电桥电路构成；升压电路106C对FET1、FET2及FET3的高侧进行升压。另外，突波吸收用二极管D1～D6被逆并联内置在FET1～FET6的各个源极—漏极之间；在高侧FET1～FET3的门极—源极之间各连接一对门极保护用齐纳二极管ZD1～ZD3。

作为电源的电池13经过电源继电器RL对逆变器106B进行供电。逆变器106B具备串联连接的FET1及FET4、串联连接的FET2及FET5、和串联连接的FET3及FET6，由并联连接这三个串联连接的FET列的电桥电路构成。从该逆变器106B的FET1与FET4的连接点、FET2与FET5的连接点以及FET3与FET6的连接点，分别通过供给路径a、b、c，各相的电动机相电流被供给电动机20。

在这样的电动助力转向装置中，电池13对控制单元100、扭矩传感器10、电动机20等负载机器进行供电。为了正常、稳定地辅助驾驶员的转向操作，需要将电池13的电源电压(电池电压)维持在规定的稳定范围内(例如10～15V)。但是，在启动(cranking)等的情况下，有会产生电源电压下降的可能性。

在电源电压下降的状态下，电动机驱动电路106中所使用的FET的门驱动电压也下降。在这种情况下，如果FET的门极—源极之间的电压(VGS)下降的话，则漏极—源极之间的导通电阻(RDS(ON))会急剧变大。另外，最大驱动电流I_max与FET的容许功率值Pa之间，具有如下述式1所示的关系。

[式1]

Pa＝RDS(ON)·I_max ²

这里，Pa为FET的容许功率值，RDS(ON)为FET的源极—漏极之间的导通电阻，I_max为可以流过FET的电动机最大电流。

根据上述式1的关系可知，当驱动控制电动机20时，如果FET导通电阻RDS(ON)变大的话，则功率损耗就会变大。因此，如果电源电压下降的话，因FET的功率损耗产生热量而使温度上升，甚至，如果电源电压继续下降的话，则可能会发生FET烧损的故障。

另外，如果电源电压显著下降，下降到扭矩传感器10的最低工作电压以下的话，则扭矩传感器10的输出会下降，操舵手柄1的中立位置会发生偏离，电动机20的电流特性也会偏离操舵手柄1的中立位置。因此，产生操舵手柄转向力的左右偏差，严重的话，会发生出现“跑偏(ハンドル取られ)”等转向感变差的问题。即，如果下降至某一个电压值以下的话，扭矩传感器10将变得不能正常工作。

因此，当电源电压下降时，为了保持良好的转向感，需要限制或停止辅助控制。为了解决这样的问题，专利文献1(日本特开2005-193751号公报)中提出了一种电动助力转向装置，其在电源电压下降时，根据电源电压，利用可变的限制值来限制辅助量。另外，在专利文献2(日本特开2007-290429号公报)中提出了一种电动助力转向装置，其具有低电压时低导通电阻的半导体开关元件，当电源电压为工作电压下限值以上时，对电动机进行控制；当电源电压低于工作电压时，停止对电动机的控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特開2005-193751号公報

专利文献2：特開2007-290429号公報

发明内容

本发明要解决的技术问题

但是，近年来，为了满足从环境保护的观点考虑的要求，具备在车辆停止/驻车时令发动机停止运转的功能，也就是所谓空转停止功能的车辆在增加，在这样的车辆(也包括在行驶中启动发动机的混合动力车辆等)中，为了再次启动已经停止了的发动机，要频繁地执行启动。然后，启动时电源电压的变化非常剧烈，有时电源电压会超出可以进行辅助的电压范围，在这种情况下辅助有可能会突然停止。如果发生了辅助停止的话，可能会发生反冲等转向举动或杂音等，将大大地影响电动助力转向装置的整体品质。

专利文献1的电动助力转向装置，由于根据电源电压的数值来辅助水平直至达到工作极限电压，所以具有能够进行平滑的辅助控制的特征。但是，如果电源电压下降至辅助停止电压以下的话，则停止辅助控制，因此存在不能适用于像启动那样电源电压有可能降低至相当低水平的情况的问题。

另外，专利文献2的电动助力转向装置，通过使用低电压时导通电阻低的FET，来减少发热量，使得即使在低电压下也能工作，但在启动时发生电压下降，且变动很大，低于扭矩传感器的工作电压，有可能控制会变得不稳定。

在通过用稳压电路将再次启动发动机时的下降电压升压升至一定电压来对被装载在具备空转停止功能的车辆上的电动助力转向装置的点火电压进行补偿的情况下，如果再次启动发动机的话，由于电池电压下降，所以在电池电压与点火电压之间会产生电位差。

通过升压电路106C使点火电压升压后的电压被外加到高侧FET1～FET3的门极端子上，对应电池电压的逆变器外加电压被外加到源极端子上。因此，电池电压越下降，门极—源极之间的电压越变大，被外加到被连接在门极-源极之间的门极保护用齐纳二极管ZD1～ZD3上的电压也越变大。如果被外加到齐纳二极管ZD1～ZD3上的电压超过齐纳电压的话，则电流流动，产生自发热，因此有必要通过限制PWM信号的占空比，缩短高侧FET1～FET3的导通时间来抑制自发热，或需要提高齐纳二极管ZD1～ZD3的额定功率。

与此相反，在专利文献1中，由于根据电源电压进行辅助限制，因此具有无法有效抑制齐纳二极管自发热的问题。如果提高齐纳二极管的额定功率的话，则成本提高，同时，产生尺寸变大和装载性变差的问题。

本发明是根据上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置即使因启动等导致电源电压剧烈变化并下降，也可以通过对齐纳二极管的功率损耗进行时间累计，随着累计损耗的增加来限制占空比，从而既不提高齐纳二极管的额定功率，又不损坏操舵性能，并可靠地保护被内置在驱动电路中的齐纳二极管。

解决技术问题的技术手段

本发明涉及一种电动动力转向装置，其基于转向扭矩和车速运算转向辅助指令值，基于所述转向辅助指令值产生PWM信号，经由装载了FET保护用齐纳二极管的FET电桥电路，对电动机进行PWM驱动，通过所述电动机的PWM驱动，来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：具备功率损耗运算单元、累计损耗运算单元、容许损耗运算单元、最小值选择单元及限制值运算单元；所述功率损耗运算单元在点火电压与逆变器外加电压之差为规定电压以上时，运算所述齐纳二极管的功率损耗；所述累计损耗运算单元运算所述功率损耗的累计功率；所述容许损耗运算单元基于温度运算所述齐纳二极管的容许损耗；所述最小值选择单元选择所述容许损耗与所述累计损耗的损耗差的最小值；所述限制值运算单元基于所述损耗差的最小值及所述容许损耗运算所述PWM信号的限制值。

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：还设置有限制所述限制值的速率的速率限制器；或，所述差变为所述规定电压以上之后，在所述差变成小于所述规定电压之后的经过时间达到了规定时间的时候，将所述累计损耗运算单元的所述累计损耗清空为0；或，所述限制值运算单元基于与所述损耗差的最小值成正比的关系，输出所述限制值；或，所述限制值运算单元的输出特性增益，随着所述温度的升高而变大。

发明效果

根据本发明的电动助力转向装置，即使由于启动等导致电源电压(电池电压)剧烈变化(下降)，也能够通过对被装载在电动机驱动电路中的逆变器上的齐纳二极管的功率损耗进行时间累计，随着累计损耗的增加，进一步地以温度作为参数来限制占空比，从而可以不损坏操舵性能，并实现齐纳二极管的保护。由于限制占空比，因此不需要提高齐纳二极管的额定功率。

另外，在启动后的发动机工作过程中电源电压恢复，当点火电压与电池电压之差变得比规定电压小的情况下，通过渐变解除对占空比的限制，因而也不会损坏操舵性能。进一步地，在点火电压与电池电压之差变成小于规定电压之后的经过时间经过了规定时间的情况下，齐纳二极管的自发热温度下降，将累计功率清空为0，因此能够使累计功率与自发热温度正确对应。

附图说明

图1是表示电动助力转向装置的概要结构图。

图2是表示控制单元的一般结构例的框图。

图3是表示电动机驱动电路的结构例的接线图。

图4是表示本发明实施方式的控制单元的结构例的框图。

图5是表示本发明中使用的限制值运算单元的特性的一个例子的特性图。

图6是表示本发明的动作例的流程图。

图7是表示本发明的动作例的时间图。

具体实施方式

在通过用稳压电路将再次启动发动机时的下降电压升压升至一定电压来对被装载在具备空转停止功能的车辆上的电动助力转向装置的点火电压进行补偿的情况下，如果再次启动发动机的话，由于电池电压下降，所以在电池电压与点火电压之间会产生电位差。然后，使点火电压升压后的电压被外加到构成逆变器的FET电桥电路的高侧FET的门极端子上，对应电源电压的逆变器外加电压被外加到源极端子上，电源电压越下降，则门极—源极之间的电压越变大，被外加到被连接在门极—源极之间的门极保护用齐纳二极管上的电压也越变大。如果被外加到齐纳二极管上的电压超过齐纳电压的话，则电流流动，产生自发热。由于如果提高齐纳二极管的额定功率的话，会造成成本提高，同时产生尺寸变大和装载性变差的问题，因此在本发明中，当点火电压与电源电压之差达到规定电压以上时，通过限制占空比，缩短高侧FET的导通时间，从而抑制自发热。因此，不需要提高齐纳二极管的额定功率，并能够使用廉价的小型齐纳二极管。

另外，在启动后的发动机工作过程中，电源电压恢复，当点火电压与逆变器外加电压之差变得比规定电压小的情况下，通过渐变解除对占空比的限制，不会损坏操舵性能。另外，在经过了规定时间的情况下，将累计功率清空为0，使累计功率与自发热温度正确对应。

下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。

图4是表示本发明的电动助力转向装置的控制单元100的结构例的框图，由于是与前述图2对应表示的结构图，因此对相同部件附上相同的附图标记，并省略说明。

本实施方式的控制单元100新设置功率损耗运算单元110、累计损耗运算单元112、温度传感器114、容许损耗运算单元115、减法单元113、最小值选择单元120、限制值运算单元130和速率限制器131，其中，功率损耗运算单元110运算三相的各相功率损耗Pz；累计损耗运算单元112运算三相的各相功率的累计损耗Wz；温度传感器114测量周围温度Tf；容许损耗运算单元115基于测量出的温度Tf运算容许损耗AL；减法单元113从容许损耗AL中减去累计损耗Wz；最小值选择单元120从三相中选择并输出容许损耗AL与累计损耗Wz的损耗差的最小值LD；限制值运算单元130基于被选择出的最小值的损耗差LD及容许损耗AL运算对占空比的限制值Lv；速率限制器131限制(渐变)限制值Lv的增减速度(rate(速率))。通过速率限制器131被限制了速率的限制值Lm被输入到PWM控制单元105中；PWM控制单元105输出被限制了占空比的PWM信号PSm。

三相的PWM信号PSm、点火电压Vb及逆变器外加电压Vr被输入到功率损耗运算单元110中；功率损耗运算单元110基于PWM信号PSm、点火电压Vb及逆变器外加电压Vr运算各相的齐纳二极管(DZ1～DZ3)的功率损耗Pz，并输出运算得到的各相功率损耗Pz。仅在齐纳二极管自发热的条件下，即，只在“点火电压Vb-逆变器外加电压Vr≧规定电压Vc”成立时，运算并输出功率损耗Pz；在上述自发热条件不成立时，因为不产生功率损耗Pz，故输出为0。

累计损耗运算单元112将本次(采样)的功率损耗Pz与前次(采样)的功率损耗Pz(Z^-1)相加，运算累计损耗Wz，并将运算得到的累计损耗Wz减法输入到减法单元113中。即，对功率损耗Pz进行时间累计，并根据下述式2，运算齐纳二极管的累计损耗Wz。

[式2]

Wz＝∑Pz·△t

其中，Δt是处理时间。

在“点火电压Vb-逆变器外加电压Vr<规定电压Vc”成立的时间继续了规定时间(T₀)的情况下，因为能够判断由齐纳二极管自发热产生的温度已下降，因此将累计损耗Wz清空为0。

容许损耗运算单元115根据测量出的温度Tf计算对齐纳二极管的容许损耗AL。尽管齐纳二极管的容许损耗由能允许的温度上升的程度来决定，但是如果周围温度变化的话，则齐纳二极管的能允许的温度上升也发生变动，因此需要根据周围温度Tf来计算容许损耗AL。被计算出的容许损耗Al被相加输入到减法单元113中。

减法单元113从用在容许损耗运算单元115运算得到的容许损耗AL中分别减去三相的累计功率Wz，并把减法计算结果(损耗差)输入到最小值选择单元120中。最小值选择单元120选择三相中的最小值的损耗差作为损耗差LD，并输出。

限制值运算单元130基于由最小值选择单元120选择出的最小值的损耗差LD和容许损耗AL运算占空比的限制值Lv。限制值Lv的运算，如图5所示，限制值Lv与损耗差LD之间呈线性关系，容许损耗AL越低，就越增加增益特性，并输出限制值Lv。仅在齐纳二极管自发热的条件下，即，只在“点火电压Vb-逆变器外加电压Vr≧规定电压Vc”成立时，计算并输出限制值Lv；在上述条件不成立时，因为不产生功率损耗Pz，因此输出100％的占空比(限制值Lv＝0)。

速率限制器131为了抑制解除占空比限制时的转向不适感，因此进行渐变。

对这样的结构，参照图6的流程图说明其动作例。

当车辆的点火开关11被导通时，测量并输入点火电压Vb，测量并输入逆变器外加电压Vr，同时输入PWM信号PSm(步骤S1)。接着，判断“点火电压Vb-逆变器外加电压Vr”是否为规定电压Vc以上(步骤S2)，在“点火电压Vb-逆变器外加电压Vr”为规定电压Vc以上的情况下，功率损耗运算单元110基于点火电压Vb、逆变器外加电压Vr及PWM信号PSm，运算功率损耗Pz(步骤S3)，累计损耗运算单元112基于功率损耗Pz运算累计损耗Wz(步骤S10)。

接着，输入由温度传感器114测得的温度Tf(步骤S11)，容许损耗运算单元115基于温度Tf运算容许损耗AL(步骤S12)，在减法单元113中，分别运算各相的“容许损耗AL-累计损耗Wz”(步骤S13)。“容许损耗AL-累计损耗Wz”的减法运算结果被输入到最小值选择单元120中，三相中的最小值的损耗差LD被选择并被输出(步骤S14)。被选择出的损耗差LD被输入到限制值运算单元130中，限制值运算单元130将温度Tf作为参数，如图5所示，基于与损耗差LD成正比的特性运算限制值Lv(步骤S15)。被运算出的限制值Lv在速率限制器131中被进行渐变处理(步骤S16)，被渐变处理后的限制值Lm被输入到PWM控制单元105，并被进行PWM控制。

另一方面，在上述步骤S2中，在判定“点火电压Vb-逆变器外加电压Vr”比规定电压Vc小的情况下，测量从该时刻开始的经过时间(步骤S4)，当经过时间达到规定时间T₀以上时(步骤S5)，将累计损耗运算单元112的累计功率Wz清空为0(步骤S7)，跳到上述步骤S11。另外，在上述步骤S5中，在经过时间不足规定时间T₀的情况下，输出“0”，并跳到上述步骤S10(步骤S6)。

图7(A)～(E)表示本发明的一个动作例，图7(A)表示逆变器外加电压Vr的变化情况，图7(B)通过与规定电压Vc之间的关系来表示点火电压Vb-逆变器外加电压Vr的变化情况。另外，图7(C)表示功率损耗Pz，图7(D)表示累计功率Wz，图7(E)表示占空比的限制值Lm。

在时刻t1开始启动，当逆变器外加电压Vr发生如图7(A)所示那样的变化(下降)时，点火电压Vb-逆变器外加电压Vr发生如图7(B)所示那样的变化(上升)，在时刻t2，差“Vb-Vr”变成规定电压Vc。在差“Vb-Vr”变成规定电压Vc以上的时刻t2以后，逆变器外加电压Vr进一步下降，同时，差“Vb-Vr”上升，功率损耗Pz及累计功率Wz上升(图7(C)及图(D))，限制值Lm下降。之后，逆变器外加电压Vr下降至一定值(例如6V)停止，保持一定值后转为逐渐上升(图7(A))。与这样的逆变器外加电压Vr的变化相对应，如图7(B)所示，差“Vb-Vr”也上升至一定值停止，保持一定值后逐渐下降，最后在时刻t3，差“Vb-Vr”变成规定电压Vc。在时刻t3之后，停止功率损耗Pz的运算(图7(C))，在经过了规定时间T₀的时刻t4，将累计损耗运算单元112的累计损耗Wz清空为0，之后，停止损耗运算(图7(D))。另外，在差“Vb-Vr”变为规定电压Vc的时刻t3之后，限制值Lm被如图7(E)所示那样进行渐变，最后成为100％。

此外，上述实施方式是对三相进行了说明，但是对于其他相数也能同样适用，限制值运算单元130表示与损耗差LD成正比的限制值Lv的例子(图5)，但也可以为非线性函数特性。另外，点火电压Vb、逆变器外加电压Vr、温度Tf、转向扭矩Tr、车速Vel的输入时机可以进行适当更改。

附图标记说明

1操舵手柄

10扭矩传感器

12车速传感器

13电池

20电动机

30稳压电路

100控制单元

101转向辅助指令值运算单元

102最大输出限制单元

103,113减法单元

104电流控制单元

105PWM控制单元

106电动机驱动电路

107电动机电流检测电路

110功率损耗运算单元

112累计损耗运算单元

114温度传感器

115容许损耗运算单元

120最小值选择单元

130限制值运算单元

131速率限制器

Claims

1.一种电动助力转向装置，其基于转向扭矩和车速运算转向辅助指令值，基于所述转向辅助指令值产生PWM信号，经由装载了FET保护用齐纳二极管的FET电桥电路，对电动机进行PWM驱动，通过所述电动机的PWM驱动，来对转向系统进行辅助控制，其特征在于：具备功率损耗运算单元、累计损耗运算单元、容许损耗运算单元、最小值选择单元及限制值运算单元；

所述功率损耗运算单元，在点火电压与逆变器外加电压之差为规定电压以上时，运算所述齐纳二极管的功率损耗；

所述累计损耗运算单元运算所述功率损耗的累计功率；

所述容许损耗运算单元基于温度运算所述齐纳二极管的容许损耗；

所述最小值选择单元选择所述容许损耗与所述累计损耗的损耗差的最小值；

所述限制值运算单元基于所述损耗差的最小值及所述容许损耗运算所述PWM信号的限制值。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，还设置有限制所述限制值的速率的速率限制器。

3.根据权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于，所述差变为所述规定电压以上之后，在所述差变成小于所述规定电压之后的经过时间达到了规定时间的时候，将所述累计损耗运算单元的所述累计损耗清空为0。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的电动助力转向装置，其特征在于，所述限制值运算单元基于与所述损耗差的最小值成正比的关系，输出所述限制值。

5.根据权利要求4所述的电动助力转向装置，其特征在于，所述限制值运算单元的输出特性增益，随着所述温度的升高而变大。