CN107074269A

CN107074269A - 电动助力转向装置

Info

Publication number: CN107074269A
Application number: CN201480082838.8A
Authority: CN
Inventors: 浅尾淑人; 阿久津悟; 森昭彦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2017-08-18
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: US11173952B2; EP3210849A1; WO2016063368A1; EP3210849B1; US20170166248A1; JPWO2016063368A1; CN107074269B; EP3210849A4

Abstract

电动助力转向装置以容易进行通常时及异常发生时的方向盘操作为目的，包括具有2组绕组的电动机(2)、及具有向该电动机(2)的绕组分别提供控制信号的2组控制系统的控制单元(1)，构成为在所述电动机(2)的1组绕组或所述控制单元(1)内的一组系统发生了异常的情况下，使向异常发生组的绕组提供的供给电流为0，并向另一组绕组提供正常时所需的规定的供给电流，驱动所述电动机(2)，且在未发生异常的通常驱动时，构成为向2组绕组分担提供供给电流，驱动所述电动机(2)。

Description

电动助力转向装置

技术领域

本发明特别涉及一种使电动机及控制单元采用冗余系统的结构的电动助力转向装置。

背景技术

在现有的电动转向装置中，存在如下装置：对电动机设置2组线圈绕组，包括具有能独立驱动该2组绕组的2组逆变器电路的控制单元，协同控制2组逆变器电路，在异常时仅利用正常动作的组来继续电动机驱动。此外，还已知有除控制单元的逆变器电路以外也设为双重系统来应对故障的电动助力转向装置(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3839358号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1公开的现有的电动助力转向装置中，在通常时(未发生异常时)，能如规格那样以100％驱动的方式进行电动机驱动，但在异常时，仅能进行约50％的驱动，这将无法充分进行现实车辆中的转向。特别是在低速行驶时，力量不足的驾驶员进行的方向盘操作将无法使方向盘旋转，具有难以确保车辆的安全性的问题。

本发明是为了解决上述现有装置的问题而完成，其提供一种即使在异常时也能与正常时同样地容易进行方向盘操作的电动助力转向装置。

解决技术问题的技术方案

本发明所涉及的电动助力转向装置包括使车辆的转向机构旋转的电动式电动机、以及驱动该电动机的控制单元，所述电动机具有具备相对于单一的转子独立的2组绕组的定子，所述控制单元由向所述电动机的绕组分别提供控制信号的2组控制系统构成，在所述电动助力转向装置中，所述控制单元在所述电动机的1组绕组或所述控制单元内的1组系统发生了异常的情况下，构成为使向异常发生组提供的供给电流为0，并向另1组绕组提供正常时所需的规定的供给电流，以驱动所述电动机，并且在未发生异常的通常驱动时，构成为向2组绕组分担提供供给电流，以驱动所述电动机。

发明效果

根据本发明，在电动机的1组绕组、或控制单元内的1个组发生了异常的情况下，构成为使向异常发生组的电动机提供的供给电流为0，利用另1个组与通常时同样地以规定的所需的供给电流来驱动电动机，在未发生异常的通常驱动时，构成为利用两方的组来驱动电动机，因此，即使在异常时，也能与正常时同样容易地进行方向盘操作。

附图说明

图1是表示本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置的主要部分结构的电路图。

图2是本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置中使用的电动机的俯视图。

图3是说明本发明实施方式1所涉及的电动助力转向装置的动作的流程图。

图4是表示本发明实施方式2所涉及的电动助力转向装置的主要部分结构的电路图。

图5是表示本发明的电动助力转向装置中使用的其它电动机的结构的俯视图(图5A)，是表示绕组的接线状态的图(图5B)。

具体实施方式

实施方式1.

下面，基于表示实施方式1的图1～图3对本发明进行说明。

图1是表示电动助力转向装置的主要部分结构的电路图。

图中，控制单元1对包括3相2组的绕组的电动机2进行驱动控制，并进行方向盘的转向，由所谓逆变器电路3a、3b、装载有中央处理装置(以下称为CPU)10a、10b的控制电路部4、以及电源继电器用开关元件5a、5b等构成。此外，从装载于车辆的电池6提供电源+B、GND，经由点火开关7及电源电路13向控制电路部4提供电源，进一步地，例如装载于方向盘附近且检测方向盘的转向转矩的转矩传感器、检测车辆的行驶速度的速度传感器等的信息从传感器8输入到控制电路部4。

来自传感器8的信息经由控制电路部4的输入电路12传送到CPU10a、10b，CPU10a、10b基于输入的该信息，计算用于使电动机2旋转的电流值，并向驱动电路11a、11b输出控制信号。驱动电路11a、11b分别接收输入信号，并输出驱动逆变器电路3a、3b的各开关元件的控制信号。

在该逆变器电路3a、3b中设置有向电动机2的3相的绕组U1、V1、W1提供输出电流的上下桥臂用开关元件31U、31V、31W、32U、32V、32W、连接或切断与电动机2的绕组U1、V1、W1的布线的电动机继电器用开关元件34U、34V、34W、电流检测用的分流电阻33U、33V、33W、以及噪声抑制用电容器30。另外，逆变器电路3a、3b对于各相的绕组(U1、V1、W1)、(U2、V2、W2)具有相同的电路结构，构成为向各相绕组独立地进行电流供给。

此外，分流电阻33的两端间的电位差及例如电动机2的绕组端子的电压等也输入到输入电路12。这些信息也输入到CPU10a、10b，计算与计算出的电流值所对应的检测值之间的差异，构成为进行所谓的反馈控制，提供所期望的电动机电流，对转向力进行辅助。另外，电源继电器用开关元件5a、5b的控制信号也被输出，可利用该电源继电器用开关元件5a、5b切断向电动机2的电流供给。同样，电动机继电器用开关元件34U、34V、34W也可分别独立切断各相的输出。

然而，CPU10a、10b具有根据输入的各种信息来检测逆变器电路3a、3b、电动机2的绕组U1、V1、W1、U2、V2、W2等的异常的异常检测功能，在检测到异常的情况下，根据该异常，仅将电动机继电器用开关元件34的规定的相断开，来切断电流供给。或者，也可为了从源头切断电池6而将电源继电器用开关元件5a、5b断开。此外，在利用CPU10a、10b检测到异常的情况下，经由驱动电路16向例如灯等通知装置15供电并使其点亮。另外，电源继电器用开关元件5a、5b也可分别包含在逆变器电路3a、3b内。

另一方面，电动机2为将3相2组的绕组进行三角形接线的无刷电动机，装载有用于检测转子的旋转位置的旋转传感器9a、9b。该旋转传感器9a、9b也为了确保冗余系统而将2组传感器装载于各个绕组，其旋转信息分别传送到控制电路部4的输入电路12。另外，电动机2也可以不是3相三角形接线的无刷电动机，而是星形接线的无刷电动机，也可以是2极2对的带刷电动机。

如上所述，控制单元1构成为分别独立地使用输入信息、运算值、检测值，可独立地驱动电动机2。此外，两CPU10a、10b间连接有通信线14，以能够收发数据、信息。通过利用该通信线14的信息的收发，可掌握对方CPU10a、10b的动作状态。例如，CPU10a可检测异常，将已断开规定的开关元件这一情况传送给CPU10b。假设CPU10a、10b自身发生了异常的情况下，无法再收发规定格式的定期的通信信号，由此，一方的CPU也可掌握另一方的异常发生情况。

接着，利用图2对电动机2的结构进行说明。

图2是从输出轴24观察电动机2得到的图。定子20由以圆周状配置有多个(图2中为48个)狭缝21的薄板钢板层叠构成。在该定子20的中心以同心圆状配置有转子23，在转子23的周围将永磁体22以N极、S极的顺序配置于规定位置(图2中为8极)。在转子23的中心延伸出有输出轴24，在该输出轴24的前端设置有与方向盘的转向装置连结的齿轮。因此，通过输出轴24的旋转，发挥出对方向盘进行操作的辅助力。因此，需要控制输出轴24的旋转，以获得所期望的辅助力，需要构成与其规格一致的电动机2及控制单元1。

在定子20的狭缝21配置有多个、例如4个线圈。从该狭缝21延伸出的线圈进行卷绕，在图2的左半部分示出其状态的一部分。如图1的电路图所示，呈3相2组的绕组，但第1系统的绕组和第2系统的绕组分别配置于彼此相邻的狭缝21。

即，若以U1相的线圈来观察，则示出如下情况：插入到规定的狭缝21并延伸出的线圈再次插入到越过5个狭缝的第6个狭缝21。同样，在第1系统U1的相邻的狭缝21插入有第2系统的U2线圈，在其附近，按照第1系统的V1线圈、第2系统的V2线圈、第1系统的W1线圈、第2系统的W2线圈的顺序有规则地插入。

线圈像以上那样以分布卷绕的方式卷绕安装，各自的终端呈三角形接线地进行连接，且线圈的终端部连接到逆变器电路3a、3b的电动机继电器用开关元件34。该终端在各系统中分别存在3根，各自独立连接到逆变器电路3a、3b。另外，相对于单一转子，设定子的绕组为2组，但也可采用将定子本身构成为2组串联的所谓串联型电动机。但是，若为串联型，则与1组电动机相比，电动机长度约为2倍的规模，在装载于车辆的情况下，装置整体大型化，变得非常不利。

接着，说明以上的电路结构及电动机构造中的控制动作。

装置的控制基本按照CPU10的程序来处理，因此，沿着图3的CPU的流程图来说明。另外，两CPU10a、10b基本进行同一处理，因此，对一方的CPU10a进行说明。

若接通点火开关7，则向CPU10a提供电源，开始处理。首先，步骤S1中，将RAM存储器、ROM存储器、输入输出端口等初始化。接着，在步骤S2中获得并存放经由输入电路12而输入的所有信息。该信息中也包含对方的CPU10b的通信数据。

步骤S3中，检查有无检测出对方的CPU10b中的异常。对方有无异常可通过解读与对方CPU10b的通信数据来判别。在对方CPU10b中未发生异常的情况下(N：否)，前进至步骤S4，接着检查自身有无异常。此处，在本身的CPU10a未检测到异常的情况下(N)，前进至步骤S5，计算两CPU10a、10b均未发生异常的通常的控制量1。

另一方面，在步骤S3中，在对方发生了异常的情况下(Y：是)，前进至步骤S6，与步骤S4同样，检查自身有无异常。此处，在本身发生了异常的情况下(Y)，前进至步骤S11，进行自己异常时的处理。在自身没有异常的情况下(N)，前进至步骤S7，计算对方异常、自己正常的条件下的控制量2。之后，前进至步骤S8。

接着，在步骤S4或步骤S6中判断为CPU10a自身发生了异常的情况下，前进至步骤S11，输出控制信号以停止向驱动电路11a的输出。另外，也可基于发生的异常来分类为多个级别。例如，在电动机2的绕组或逆变器电路3a、3b的开关元件的接地短路或电源短路的情况下，输出控制信号，以将包含电源继电器用开关元件5a的所有开关元件断开。此外，在逆变器电路3a、3b的上下桥臂的开关元件31U、31V、31W中的1个、或电动机继电器用开关元件34U、34V、34W发生了开路故障的情况下，也可仅对发生了该异常的相停止开关元件的驱动，其它的相如通常那样输出控制指令。因此，在步骤11中，设定成除全面停止状态的异常时的处理以外，可继续处理一部分的控制。另外，在可进行上述那样的2相驱动的情况下，还需要控制量的运算处理，因此，有时利用步骤S5、S7处理的情况较有效。

接着，在步骤S12中，对于异常状态，使用通信线14来发送数据。在该数据中还包含异常的级别、例如所有开关元件处于断开状态的情况来进行发送。此外，也可在仅某一相断开的状态下，将此时的控制量与正常时比较的比例等也包含在内来进行发送，但这种异常内容的通信也可通过步骤S9及步骤S10来处理。由此，对方连异常的内容也可掌握。因此，可根据对方的异常来修正自己的控制量并输出。

接着，在步骤S5中，对两控制单元均未发生异常的通常时的控制量的运算方法进行说明。

在该步骤S5中，与现有装置同样，根据车速及转矩，计算要求的电流值，并将其分割为1/2。该1/2的电流值为一方的控制单元负责的控制量。而且，根据分流电阻33的电位差，检测当前提供的电流，根据目标值与该检测值之间的差异，作为控制指令值来输出。

另一方面，在步骤S7中，由于对方系统发生了异常，因此，需要将仅自身系统要求的电流值提供作为控制量运算2。或者，若是对方系统仅1相异常而进行2相驱动的情况，则以提供约2/3的电流值的方式进行计算，输出由此计算出的控制指令值。此外，若对方系统完全不处于可驱动电动机的状态，则控制成将计算出的控制量全部在自己的系统中输出。此外，如上述那样仅1相发生了异常的情况下，可利用步骤S5或步骤S7来计算2相驱动用的控制量。即，以与通常是几乎同样的步骤进行计算，最后修正成2相驱动用，从而可求出控制量。

接着，在步骤S8中，基于控制指令值，输出控制指令，使得能够驱动各开关元件。逆变器电路3a、3b的上下开关元件进行PWM(pulse width modulation：脉冲宽度调制)驱动，因此，输出与其相应的控制信号。在步骤S9中，检查有无异常。具体而言，通过利用分流电阻33检测驱动各开关元件而流动的电流的方法，并监视电动机2的绕组端子电压，监视规定电压对应于开关元件的驱动而出现的情况，从而可检测异常。

并且，在经过规定时间后检测电流值相对于目标电流值的差异也没有接近的情况下，也存在漏电的可能性，因此能判断为异常。

如上所述，通过监视各部的电压、电流来检测异常，从而即使仅1相异常也能检测出异常。

在检测出这种异常的情况下，CPU10a将该异常状态包含在内来进行存储，在步骤S10中，经由通信线14将异常状态向对方CPU10b进行通信。若有其它需要的信息，则包含在该处理中进行发送是有效的。例如，也可收发输入电路12的信息、控制量信息，检查彼此的控制量运算的正确性。

接着，在步骤S13中，待机至经过规定时间、例如5m秒，若经过规定时间(Y)，则返回至步骤S2，再次以同样的步骤进行处理。

以上那样的CPU10a的处理动作在CPU10b中也同样执行，形成双重冗余系统。

因而，在没有异常的通常状态下，各控制单元每个负责1/2来进行电动机2的控制，但在一方发生异常的情况下，即使是最差的情况，正常的CPU也可继续进行100％的控制，因此，不会陷入驾驶员难以转向的状况。此外，可附加不仅对自己系统的异常对于对方系统的异常也进行通知的功能，发生异常时向驾驶员的通知变得可靠，也可知道哪一侧的电动机2异常。该通知可通过例如基于步骤S9或步骤S11的异常时的输出，在步骤S10或步骤S12中进行来实现。

此外，即使在未发生异常的通常时，例如在一方的控制单元的温度高于另一方的情况下，也可像1/3比2/3那样进行不平衡的控制。一方经由通信线14向另一方发送求助的信息来通知对方，从而这种状况变得可能。此外，在自己也暴露于高温时，两者均处于高负荷状态，因此，也可能彼此降低目标值，预防故障的发生。此外，控制量的分担比例无论如何变更在逻辑上都是可能的，但仅设为2、3阶段的阶梯式，这在控制规格的简化、及CPU的程序的简化、乃至CPU本身异常时的应对方面是有利的。例如，也可设为正常侧为50、65％、100％，异常侧为50％、35％、0％的3阶等级。

另外，在上述实施例中，将步骤S10、S12的通信1、通信2独立设置于2处，但这是考虑发生了异常这一情况而使输出系统独立，也可汇总为1个。此外，将步骤S9的异常检测单元配置在输出步骤S8之后，但例如也可设置在步骤S2与步骤S3之间。此外，例如也可在逆变器电路3a、3b预先装载作为温度检测单元的热敏电阻，将该温度检测单元的检测温度输入到两CPU10a、10b，掌握温度差，并输出控制量，使得温度较低一方的控制量多于较高一方的控制量。此处，装载多个温度检测单元是不现实的，因此，在设置场所以外，也可采用基于其值、或者基于供给电流来推测温度的方法。特别是在装载于车辆的情况下，有时会因其装载场所、朝向而产生散热性的差异，因此，优选尽可能在发热最多、逆变器电路3a、3b或电动机2的绕组附近设置温度检测单元。

此外，电动机2的驱动采用将第1系统和第2系统如图2所示那样错开电气角30度来配置的构造，第1系统和第2系统需要将控制指令的输出沿着其结构错开输出。由此，获得可利用30度相位差控制来降低噪声、振动的效果。

此外，各控制单元中的尤其是开关元件需要考虑100％驱动的情况来充分确保其散热性。具体而言，需要考虑元件本身的电流容量及散热用散热器构造来进行设计。此外，在电动机中，也需要设计线圈、磁体规格、各部件的规模，使得仅以1组的3相就能够输出相对于所期望的转速的最大转矩。

实施方式2.

接下来，利用图4，对本发明的实施方式2进行说明。

实施方式1中，利用2个CPU10a、10b构成控制单元1，但实施方式2中，利用单一的CPU10来构成CPU10a、10b。其它结构与实施方式1相同，标注相同标号，省略其说明。

通过这样采用单一的CPU10，不使用通信线14就能掌握逆变器电路3a、3b、电动机2的绕组、驱动电路11a、11b的状态，可简化其处理工序。因此，具有可迅速产生来自控制单元1的输出从而可避免方向盘操作的延迟的效果。

另外，即使在利用单一的CPU10来构成的情况下，通过独立设置软件的结构，并且也分别存放其控制指令值等运算结果值，从而可形成冗余系统。此外，通过将CPU10的输出端口分离成不同端口，从而即使在一方的端口变得异常的情况下，也可利用另一方的端口来继续向驱动电路11a、11b的输出。此外，通过将CPU10单一化而集中，从而与实施方式1相比，可缩小规模，此外，通过省去通信线14，可防止因噪声等导致通信错误的产生，可强化可靠性。

图5表示与图2中的电动机2不同的电动机2的结构，由于星形接线的绕组为2组，因此，成为3相2组。图5A是电动机的俯视图，图5B是绕组的接线图。

对于电动机2的线圈卷绕组装方法，与实施方式1大为不同，如图5A所示，电动机2的定子20由10极12狭缝构成，对于绕组U1、V1、W1、U2、V2、W2，第1系统和第2系统分别集合进行卷绕组装。此处，示出了第1系统插入到图中左侧的每6个狭缝、第2系统插入到右侧的每6个狭缝的情况。此外，各绕组为包围1个齿部的多个集中绕组。

通过这样配置绕组，无需实施方式1所示的30度相位差控制、绕组的系统间干扰对策，其结果是，无需获取2个系统的CPU的严格同步。此外，将定子20整体一分为二，分别分配给各系统的绕组，但也可采用一分为四且各系统使用相邻的每3个狭缝的卷绕组装方式。此外，也可以是三角形接线。

如上述那样，电动机2、控制单元1构成为可分别独立控制至最大规格界限，因此，即使在发生了异常的情况下，也可仅利用单方的控制系统来发挥所期望的辅助力。

因而，驾驶员可继续安全地驾驶。

此外，在未发生异常的通常时，使用各系统所具有的能力的约一半，与现有装置相比，不会因例如温度、负载而将最大额定值抑制得较低，可具有余量地继续控制。

此外，逆变器电路3a、3b中的开关元件进行PWM控制，在异常时和通常时，其调制率大幅变化，在通常时，将调制率抑制得较小来进行控制，因此，即使具有2组逆变器电路，异常时、通常时的调制率也不怎么变化。这是由于，将两逆变器电路的最大电流供给量总计后的量相当于现有装置的电流供给量。

如以上那样，设计成即使仅是一方的控制系统，也可提供100％的电流供给，构成为在通常时，2个控制系统根据各自的动作状态来分担驱动电动机，并且，在一方的控制系统发生了异常的情况下，仅利用另一方的正常侧控制系统来进行100％的驱动，从而可继续控制对驾驶员的转向操作的辅助力，可实现更安全的驾驶。

另外，由于假设了驾驶员未注意到异常的情况，因此，构成为在异常时，经由驱动电路16使通知装置15动作，向驾驶员通知异常状态，这也是有效的。

另外，本发明在其发明范围内可对各实施方式进行适当变形、省略。

标号说明

1：控制单元

2：电动机

3a、3b：逆变器电路

4：控制电路部

5a、5b：电源用继电器

8：传感器

9a、9b：旋转传感器

10、10a，10b：中央处理装置(CPU)

11a、11b：驱动电路

12：输入电路

13：电源电路

14：通信线

20：定子

21：狭缝

22：磁体

23：转子

24：输出轴

Claims

1.一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置包括使车辆的转向机构旋转的电动式电动机、以及驱动该电动机的控制单元，所述电动机具有具备相对于单一的转子独立的2组绕组的定子，所述控制单元由向所述电动机的绕组分别提供控制信号的2组控制系统构成，所述电动助力转向装置的特征在于，

构成为所述控制单元在所述电动机的1组绕组或所述控制单元内的1组系统发生了异常的情况下，使向异常发生组的绕组提供的供给电流为0，并向另1组绕组提供正常时所需的规定的供给电流，以驱动所述电动机，并且构成为在未发生异常的通常驱动时，向2组绕组分担提供供给电流，以驱动所述电动机。

2.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，

构成为将未发生异常的通常驱动时的供给电流设为异常时向一方的绕组提供的供给电流的1/2，并提供给各自的绕组，以驱动所述电动机。

3.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述控制单元构成为在未发生异常的通常驱动时，相对于异常时利用1组进行电动机驱动时，减小其控制调制率来进行驱动。

4.如权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述控制单元构成为具有向所述电动机供电的2个逆变器电路，各逆变器电路相对于分别负责1/2供给电流的情况的电流容许容量、或热容量具有2倍的容量。

5.如权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述控制单元构成为通常时检测或推测所述逆变器电路或所述绕组的温度，按照该温度来调整分担比例。

6.如权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述控制单元构成为具有检测各部的异常的单元，在判断为两系统中的一方正常、且另一方异常的情况下，设一方的控制指令为100％，并对另一方异常这一情况进行通知。

7.如权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述电动机构成为即使在仅由一方的系统驱动的情况下，也能输出与转速相对的所期望的转矩。

8.如权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述电动机利用具有规定的相位差的分布绕组或不具有相位差的集中绕组来形成2组绕组。

9.如权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述控制单元由装载有CPU的控制电路部、逆变器电路、电源继电器部构成，将连接所述CPU及所述逆变器电路的驱动电路、所述CPU及所述电源继电器部分别作为2系统的电路结构来形成。