CN107529350A - 电动助力转向装置 - Google Patents

Abstract

在电动助力转向装置中，若为了在电池与桥式电路之间进行电流流路的开关而使用半导体开关元件，则存在因导通电阻导致发热的问题，因此，在半导体开关元件的栅极电压与源极电压之差为规定值以下的情况下，限制流过半导体开关元件的电流。

Description

电动助力转向装置

技术领域

本发明涉及电动助力转向装置，特别涉及具备控制从电源提供给电动机的电流的控制单元的电动助力转向装置。

背景技术

电动助力转向装置用作为产生转向的辅助转矩的单元，构成为利用转矩传感器检测驾驶员的转向力，根据转向力，利用桥式电路控制提供给电动机的电流的大小和方向，以产生转矩，作为一般结构，采用辅助用电动机、电池等电源、以及在电动机与电源之间根据辅助转矩向电动机提供电流量的桥式电路作为主要结构。

在这种结构中，开发、提出有各种技术。例如在国际再公表专利WO2005/081386(专利文献1)中提出有以下问题，即：在将电源的电压升压为规定电压值并提供给电动机的情况下，若使用机械式的继电器触点，则在从接通切换为关断时，在继电器触点间产生放电，导致继电器触点焊接，对电路动作产生重大影响，作为其防止对策，提出了下述方案，即：监视继电器触点的输入侧的电位，并进行控制，以使得在继电器触点的输入侧与输出侧的电压差的值低于规定阈值时，关断继电器触点。在该方案中，以使用机械式的继电器触点作为继电器触点为前提，因此，考虑将该继电器触点从机械式切换为半导体开关元件。该结构中，例如如日本专利第3375502号公报(专利文献2)提出的那样，将N沟道半导体开关元件用作为继电器，因此，通过利用栅极电压控制漏极源极间流过的电流，从而对从电源提供的电流进行接通、关断。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际再公表专利WO2005―081386

专利文献2：日本专利第3375502号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在电动助力转向装置中，在像专利文献2那样利用N沟道的半导体开关元件构成切断向电动机提供的电流的继电器触点的情况下，例如在电池等电源的电压下降的状态下，栅极-源极间电压变为一定值以下，若在此状态下流过规定电流值以上的电流，则导通电阻急剧上升，由于增加的半导体开关元件的导通电阻部分和流过的电流产生的热损耗，产生半导体开关元件热破坏的问题。

本发明的目的在于，在电动助力转向装置中，解决在使用半导体开关元件作为对提供给电动机的电流进行接通、关断的电流开关单元的情况下产生的发热问题，从而提供稳定的动作。

解决技术问题的技术方案

本发明在电动助力转向装置中，使用半导体开关元件来作为对从电源提供给电动机的电流进行接通、关断的开关单元，并在该半导体开关元件的栅极电压与源极电压之差为规定值以下的情况下进行控制，以限制流过该半导体开关元件的电流。

此外，通过利用控制提供给电动机的电流的桥式电路来调整消耗的电流，从而限制流过开关单元的半导体开关元件的电流。

发明效果

根据本发明的电动助力转向装置，基于半导体开关元件的栅极源极间电压，限制流过半导体开关元件的电流，从而可防止因半导体开关元件的导通电阻而产生的热破坏。

附图说明

图1是作为本发明的对象的实施方式1的电动助力转向装置的电路结构图。

图2是表示每一车速的转矩传感器信号与电动机电流的关系的图。

图3是表示常温时N沟道半导体开关元件的每一个不同的栅极源极间电压值的电流与导通电阻的关系的图。

图4是表示本发明实施方式1的流程图的图。

图5是表示本发明实施方式2的流程图的图。

图6是表示DC电动机的输出转矩与旋转速度、及输出转矩与电动机电流的关系的图。

图7是表示本发明实施方式3的流程图的图。

图8是表示高温时N沟道半导体开关元件的每一个不同的栅极源极间电压值的电流与导通电阻的关系的图。

图9是本发明实施方式4的电动助力转向装置的电路结构图。

图10是表示本发明实施方式4的流程图的图。

具体实施方式

实施方式1

图1是作为本发明实施方式1的对象的电动助力转向装置的电路结构图。

如图1所示，电动助力转向装置100基于转矩传感器1的输出和车速传感器2的输出，控制向电动机3提供的电流的大小和方向，产生对转向进行辅助的转矩。

作为电动机3，此处使用DC电刷·电动机。在DC电刷·电动机中，通过改变输入的电压的极性，可进行正转、反转的驱动，且通过利用PWM(脉冲宽度调制)驱动，进行占空比驱动，从而可任意设定启动转矩、旋转转矩等。

向电动机3的电流的供给从外部的电池4通过桥式电路5来进行，电流的大小和方向的控制通过由电动机驱动单元6控制构成桥式电路5的开关元件51、52、53、54来进行。从电池4向桥式电路5的电流的供给及切断由开关单元7来进行。开关单元7由2个半导体开关元件71、72串联连接来构成，构成为对各栅极施加来自升压电源8的栅极电压。

另外，在该电动助力转向装置100中设置有微机9，利用升压电压检测单元10将升压电源8的电压值传送到微机9，利用电池电压检测单元11将电池4的电压值传送到微机9，并利用电动机电流检测电阻12和电动机电流检测单元13将从电池4提供的电动机电流值传送到微机9，且微机9构成为基于来自上述转矩传感器1及车速传感器2的信息，控制电动助力转向装置100的整体动作。即，微机9作为电动助力转向装置100中的控制装置，基于来自转矩传感器1的转矩传感器信号和来自车速传感器2的车速信号，如图2所示那样计算对转向进行辅助的电动机电流的目标值，并控制电动机驱动单元6以成为计算结果的目标值。

在该结构的电动助力转向装置100中，根据开关单元7的半导体开关元件71、72的栅极电压值(升压电源8的电压值)、开关单元7的半导体开关元件71、72的源极电压值(电池4的电压值)、来自电动机电流检测单元13的电动机电流检测值、及利用桥式电路5对电动机3进行PWM驱动时的驱动占空比，利用下面的(1)式来计算电池电流推定值Ib。

Ib＝Im×Vb×Duty÷Vb (1)

此处，

Ib：电池电流推定值

Vb：电池电压检测值

Im：电动机电流检测值

Duty：驱动桥式电路的PWM占空比

利用该计算出的电池电流推定值Ib来限制电池电流，使得电池电流推定值Ib为图3所示的Id＿th(半导体开关元件的导通电阻急剧增加的阈值)以下。

另外，图3示出在使半导体开关元件的栅极源极间电压值变化时半导体开关元件中流过的电流值和导通电阻值的关系，示出了在栅极源极间电压值为Vgs1的情况下，以电流值Id＿th为边界，导通电阻值Ron急剧变大。此外，对于Vgs1、Vgs2及Vgs3，示出了在栅极源极间电压值不同的情况下，Vgs1与Vgs2及Vgs3相比，电压值较小。

另外，导通电阻的变化不仅取决于栅极源极间电压值，还取决于其他参数。例如，已知根据环境温度的变化，导通电阻以约0.6％/℃的比例增加，因此，可区别处理其他参数所产生的变化。

此外，在上述(1)式中，将在电动助力转向装置100的控制系统中消耗的电流作为极小电流来处理，但在将该控制系统中消耗的电流包含在内来考虑的情况下，也可使用下面的(2)式。

Ib＝Im×Vb×Duty÷Vb－Ie÷Vb (2)

此处，

Ie：电动助力转向装置的控制系统中所消耗的电池电流

接下来，基于图4所示的流程图说明本发明实施方式1的控制类系统。

该图4的流程图示出微机9的动作，微机9周期性地重复执行该动作。

在图4的步骤S101中，使用电池电压检测单元11，用内置于微机9的A/D转换器(未图示)读取电池4的电压值，之后执行步骤S102。

在步骤S102中，使用升压电压检测单元10，用内置于微机9的A/D转换器读取由升压电源8内的升压电路对电池电压进行升压后得到的电压值，之后执行步骤S103。

步骤S103中，利用在之前的步骤S101和S102中读取到的升压电压检测值(开关单元7的半导体开关元件71的栅极电压)与电池电压检测值(开关单元7的半导体开关元件71的源极电压)之差的值，计算施加于半导体开关元件71的栅极源极间电压，之后，执行步骤S104。

步骤S104中，判定在之前的步骤S103中计算出的半导体开关元件71的栅极源极间电压值是否为图2所示的导通电阻增加的电压值Vgs1以下，在电压值Vgs1以下的情况下，判定为是下述情况，即：半导体开关元件71的栅极源极间电压值较低，且流过半导体开关元件71的电流、即“电池电流变大时，半导体开关元件71的导通电阻的增加率较高”，前进至步骤S105。

另一方面，在栅极源极间电压值大于阈值的情况下，为半导体开关元件71的导通电阻的增加率较低，导通电阻不会急剧增加的情况，判定为“无需限制电池电流”，前进至步骤S106。

步骤S105中，根据(1)式所示的关系式，将流过电动机3的电动机电流限制在规定值Im＿th以下，使得电池电流为图2所示的Id＿th以下。此处，驱动电动机3的桥式电路5的开关元件51、52、53、54的PWM占空比在0～100％内变化，因此，若设为最大100％，则对(1)式进行变形而求出的电动机电流的阈值Im＿th如(3)式所示那样计算。

即，根据(1)式，

Id＿th＝Im＿th×Vb×Duty÷Vb

此处，若设占空比(Duty)为100％，则

Id＿th＝Im＿th (3)

通过限制为该(3)式所示的电动机电流，其结果是将电池电流限制为Id＿th以下。

另一方面，步骤S106中，无需限制电池电流，因此，将电动机电流控制为额定电流以下。

如上所述，通过在开关单元7的半导体开关元件71的栅极源极间电压值下降时限制电动机电流，从而半导体开关元件71中流过的电池电流得到限制，其结果是，可防止半导体开关元件71的热破坏。

实施方式2

实施方式1中，通过限制提供给桥式电路5的电动机电流，其结果是限制了电池电流，但也可通过限制对桥式电路5的开关元件51、52、53、54进行驱动的PWM驱动的占空比，来限制电池电流。

以下，基于图5所示的流程图说明本实施方式2的控制类系统。

图5所示的流程图是在图4所示的流程图中将限制电动机电流的部分(步骤S105、S106)变更为限制桥式电路5中的PWM驱动的占空比的部分(步骤S205、S206)的图，因此，对该部分进行说明。

在图5中，步骤S104中，在栅极源极间电压、即栅极电压与源极电压之差为Vgs1以下的情况(≤Vgs1)下，判定为是下述情况，即：半导体开关元件71的栅极源极间电压较低，且流过半导体开关元件71的电流、即电池电流变大时，半导体开关元件71的导通电阻的增加率较高，并前进至步骤S205。

另一方面，在栅极源极间电压超过Vgs1的情况(＞Vgs1)下，半导体开关元件71的导通电阻的增加率较低，即判定为无需限制，前进至步骤S206。

步骤S205中，将电动机3的额定电流设为Im＿max代入(1)式，占空比的限制值Duty＿th如(4)式那样计算。

即，根据(1)式，

Id＿th＝Im＿max×Vb×Duty＿th÷Vb

从该公式变形出求出Duty＿th的公式，导出(4)式。

Duty＿th＝Id＿th÷Im＿max (4)

因此，通过对开关元件51、52、53、54的驱动占空比进行(4)式所示的限制，其结果是可将电池电流限制为Id＿th以下。

步骤S206中，不限制桥式电路5的开关元件51、52、53、54的驱动占空比(设限制值为100％)。

如上所述，通过在开关单元7的半导体开关元件71的栅极源极间电压下降时限制桥式电路5的开关元件51、52、53、54的驱动占空比，从而开关单元7的半导体开关元件71中流过的电池电流得到限制，其结果是，可防止开关单元7的半导体开关元件71的热破坏。

实施方式3

电动机3的输出转矩与旋转速度、及输出转矩与电动机电流的关系一般如图6所示，输出转矩越大，旋转速度越小，且输出转矩越大，电动机电流越大。

另一方面，根据电动助力转向装置100的转矩传感器信号和车速求出的电动机电流一般如图2所示。即，车速越低时，辅助电流越大，车速越高时，辅助电流越小。即，在车速较低时，比起对方向盘进行转向的速度，更需要电动机3的输出转矩，在车速较高时，原本需要的电动机电流较小，在紧急回避等时，需要电动机3的旋转速度，因此，通过根据车速来将限制电池电流的手段切换为电动机电流或驱动占空比，从而可提供实际使用上的限制进一步得以消除的电动助力转向装置。

以下，使用图7所示的流程图，对本实施方式3进行说明。

在图7所示的流程图中，仅对图4及图5所示的流程图追加了步骤S301，因此省略上述实施方式中已说明过的地方的说明。

步骤S104中，在半导体开关元件71的栅极源极间电压、即栅极电压与源极电压之差为Vgs1以下的情况(≤Vgs1)下，判定为是下述情况，即：半导体开关元件71的栅极源极间电压较低，且流过半导体开关元件71的电流、即电池电流变大时，半导体开关元件71的导通电阻的增加率较高，并前进至步骤S301。

另一方面，在栅极源极间电压超过Vgs1的情况(＞Vgs1)下，半导体开关元件71的导通电阻的增加率较低，即判定为无需限制，前进至步骤S106。

步骤S301中，在由车速传感器2检测出的车速检测值为需要电动助力转向装置100的辅助的车速阈值(Vsp＿th)以下的情况(≤Vsp＿th)下，例如在汽车的入库等那样以低速驾驶而需要电动机3的输出转矩的情况下，前进至步骤S205，利用占空比限制值限制桥式电路5的开关元件51、52、53、54的驱动占空比，以不限制电动机3的输出转矩，从而其结果是，可限制流过开关单元7的半导体开关元件71的电池电流。

另一方面，在车速检测值比车速阈值(Vsp＿th)要大(＞Vsp＿th)的情况下，没那么需要电动机3的输出。但是，在汽车的驾驶过程中，如紧急回避等那样需要使方向盘急剧旋转，因此，在需要电动机3的旋转速度的情况下，若限制桥式电路5的开关元件51、52、53、54的驱动占空比，则无法获得需要的旋转速度，因此，前进至步骤S105，限制电动机电流。

如上所述，根据车速，限制电动机电流或半导体开关元件71的驱动占空比，从而可限制开关单元7的半导体开关元件71中流过的电池电流，以进一步避免实际使用上的限制，其结果是，可防止半导体开关元件71的热破坏。

实施方式4

高温时的半导体开关元件71的电流与导通电阻的关系因栅极源极间电压而多少有所不同，例如像图8所示那样变化。

因此，本实施方式4中，在电动助力转向装置100中内置温度检测单元15，使用由该温度检测单元15检测出的温度信息，来变更电池电流的阈值，从而提供限制更少的电动助力转向装置。

图9是对图1的电动助力转向装置100追加了检测内部温度的温度检测单元15后的图。

以下，使用图10所示的流程图说明对向实施方式1追加了温度检测单元15后的系统的动作。

图10的流程图是在图4的流程图中追加了步骤S401及步骤S402后的图，省略上述实施方式中已说明的地方的说明。

步骤S104中，在半导体开关元件71的栅极源极间电压、即栅极电压与源极电压之差为Vgs1以下的情况(≤Vgs1)下，判定为是下述情况，即：半导体开关元件71的栅极源极间电压较低，且流过半导体开关元件71的电流、即电池电流变大时，半导体开关元件71的导通电阻的增加率较高，并前进至步骤S401。

另一方面，在栅极源极间电压超过Vgs1的情况(＞Vgs1)下，半导体开关元件71的导通电阻的增加率较低，即判定为无需限制，前进至步骤S106。

步骤S401中，在由温度检测单元15检测出的温度检测值为温度状态的阈值(Thrm＿th)以下的情况(≤Thrm＿th)下，判断为采用图3所示的半导体开关元件71的导通电阻特性，并前进至步骤S105，将电动机电流的限制值设为Im＿th来进行电动助力转向装置100的控制。

另一方面，在温度检测值比温度状态的阈值(Thrm＿th)要大(＞Thrm＿th)的情况下，判断为采用图8所示的开关特性，并前进至步骤S402，利用根据图8所示的Id＿th通过计算求出的Im＿th2，来限制电动机电流。

如上所述，根据电动助力转向装置的内部温度，进一步将电动机电流的判定阈值切换为最佳值来进行控制，从而可限制开关单元7的半导体开关元件71中流过的电池电流，以进一步避免实际使用上的限制，其结果是，可防止开关单元7的半导体开关元件71的热破坏。

另外，本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行自由组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

Claims (6)

1.一种电动助力转向装置，其特征在于，

包括：电动机；桥式电路，该桥式电路向所述电动机提供电流；开关单元，该开关单元具有半导体开关元件，利用所述半导体开关元件进行从电池向所述桥式电路的电流的供给及切断；以及控制装置，该控制装置在所述半导体开关元件的栅极电压与源极电压之差在规定值以下的情况下进行控制，以限制流过所述半导体开关元件的电流。

2.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，

为了限制流过所述半导体开关元件的电流，而限制来自所述电池的电流。

3.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，

为了限制流过所述半导体开关元件的电流，对利用所述桥式电路向所述电动机提供的电流进行控制。

4.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述桥式电路由开关元件构成，为了限制流过所述半导体开关元件的电流，对所述开关元件的驱动占空比进行限制。

5.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，

所述桥式电路由开关元件构成，在车速较低时，限制所述开关元件的驱动占空比，在车速较高时，限制电动机电流，由此来限制流过所述半导体开关元件的电流。

6.如权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，

包括温度检测单元，根据周围温度，使判断所述半导体开关元件的栅极电压与源极电压之差的判定阈值变化。