CN1893248A - 升压电路及电动动力转向装置 - Google Patents

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Abstract

在斩波电路的开关元件故障时，可将该开关元件从开关电路中断，从而电源输入不因斩波器动作而被升压，仍原封不动输出。电动动力转向装置的ECU(106)中设置的电机控制单元(P)包括：进行升压动作的斩波电路(103)；检测斩波电路(103)内的第1开关元件(TR1)的故障的故障检测电路(12)；以及中断继电器开关(14)。控制单元(10)对第1开关元件(TR1)进行导通/断开控制，故障检测电路(12)检测出该开关元件(TR1)的故障时，将用于中断的继电器开关(14)断开，从而将第1开关元件(TR1)从斩波电路(103)分离。此时，电池电压Vin不被斩波电路升压，而被作为输出电压Vout输出。

Description

升压电路及电动动力转向装置
技术领域
本发明涉及采用斩波电路的升压电路、以及采用该升压电路的电动动力转向装置。
背景技术
电动动力转向装置具有以下优点：由于不使用油压系统，通过电机驱动来辅助转向的操作力，所以构造简单，此外，由于只在必要时驱动电机，所以可以节省燃料费，而且，可以根据车速而加大或减轻转向的操作力。
在这样的电动动力转向装置中，车载电池的电源电压通过电子控制电路供给到电机，其电流的大小依据车辆的行驶状态而受到控制。具体地说，电子控制电路检测转向(转向速度、转向扭矩)并参照预先设定的转向感应特性(根据转向而对供给电力的大小进行控制的特性)，输出合适的控制信号，同时检测车速并参照预先设定的车速感应特性(根据车速而对供给电力的大小进行控制的特性)，输出合适的控制信号。电动动力转向装置根据上述控制信号，随着车速的增加而使转向助推力(转向辅助力)减少，或者随着转向速度或转向扭矩的增加而使转向助推力增加。
流过上述电动动力转向的电子控制电路的电流，通常根据该辅助助推时的负载的大小而在数安培～数十安培的范围内变动，所以在停车时的方向盘回转时或超低速行驶时等、对电机供给大电流时，不能忽略电流控制元件(例如，MOSFET等的开关元件)或电缆造成的电压降。即，电机的输入电压还因这种电压降而下降，通电效率明显地下降，同时对电机不能供给所需的电流，存在转向助推也不能充分产生的问题。
因此，在专利文献1中，提出以下方案：设置通过斩波电路将电源电压升压，根据车速或转向，控制该升压的电压的大小的装置。
此外，在专利文献2中，提出以下装置：采用将两个开关元件和两个电容器电桥状地连接的倍压电源电路，根据车速或转向变更开关元件的导通/断开占空比，从而将输出电压的大小控制到比电源电压高的规定的电压。
此外，在专利文献3中，提出了以下装置：在使用了斩波电路的升压电路中，进行开关元件的短路或开路故障判定的情况下，将电感器和电源间切断，从而进行规定的故障判定。
[专利文献1](日本)特开平8-127350号公报
[专利文献2](日本)专利3205651号公报
[专利文献1](日本)特平2005-51951号公报
但是，在上述专利文献1的装置中，斩波电路的开关元件发生短路故障时，由于变成输出短路状态，所以电源输出不会被供给到电机端。电动动力转向装置中使用的斩波电路，如上述那样，为了流过数安培～数十安培的电流，即使采用高耐压开关元件(功率MOSFET等)，在发生长时间流过数十安培左右的大电流的状况时，也可能因元件的容许容量而损坏。斩波电路的开关元件发生短路故障，从而电源输出没有被供给到电机端时，转向助推力急剧地变成零，所以转向操作也急剧地变得非常沉重。例如，在处于交叉点前的右旋转车线的状态下从停止切换到起动时，如果上述开关元件发生短路故障，则向右方向的转向操作会变得非常沉重，有不能充分地操作的可能性。
在专利文献2中，在构成电桥连接的开关电路方面与上述专利文献1有所不同，但即使是该电路结构，也有两个开关元件的其中一个因大电流而发生故障的可能性，此外，发生故障时电源输出因安全电路而不会被供给到电机端。
在专利文献3中，展示了高效率地进行斩波电路的开关元件的短路或开路故障判定，但在故障时，与上述同样，电源输出不会被供给到电机端。
发明内容
本发明提供一种在斩波电路的开关元件发生故障时也可继续进行转向助推的升压电路、以及使用该电路的电动动力转向装置。
本发明通过斩波电路串联连接电感器和开关元件，而且在该连接点上通过整流元件连接平滑电容器，从而将电源电压升压。在斩波电路中，通过对所述开关元件进行导通/断开驱动，将开关元件导通时积蓄在电感器中的能量在其断开时排放给平滑电容器。因此，通过使导通时间比断开时间长，可以将作为斩波电路的输入电压的电源电压升压输出。
在本发明中，设有用于检测所述开关元件的故障的故障检测电路。该故障检测电路，例如，在电源电压的输入端串联地连接电流检测电阻，通过监视该电阻的两端电压来观察电源输入电流是否为过电流状态(异常电流状态)，从而检测有无故障。而且，所述故障检测电路设有根据检测出所述开关元件的故障时的信号，将所述开关元件从所述电感器中断的中断电路。这样，开关元件从电感器被中断时，电源输入电流不受到电感器的作用而被原封不动输出，其结果，电源电压不被升压而原封不动输出。再有，本发明的中断电路除了包含开关或保险丝等以外，还包含将表示高电阻值的热敏电阻等电路实质性地中断的电路。
因此，即使开关元件发生故障，也对连接到输出端的电机供给电压，所以虽变成低输出，但电机的驱动不停止。
因此，通过将上述升压电路装入电动动力转向，在斩波电路的开关元件发生故障的情况下，可以防止转向助推力急剧地变成零的不适状况。
根据本发明，在斩波电路的开关元件发生故障的情况下，变成低输出，但可以对负载继续进行电压供给。
附图说明
图1表示本发明实施方式的电动动力转向装置的概略结构的图。
图2是电机控制单元P的电路结构图。
图3是电机驱动电路的结构图。
图4是将转向感应特性表作为特性曲线表示的图。
图5是表示本发明的另一个实施方式的图。
具体实施方式
图1是表示本发明实施方式的电动动力转向装置的概略结构的图。
该电动动力转向装置包括：用于转向的方向盘100；一端被固定在方向盘100上的转向轴101；连结到转向轴101的另一端的齿轮齿条机构102；设置在所述转向轴101中途，检测通过方向盘100的操作而施加到转向轴101上的转向扭矩的扭矩传感器103；将电机104的旋转驱动力作为转向助推力(转向辅助力)提供给转向轴101的蜗轮机构105。
在车辆的电子控制组件(ECU)106中，连接所述扭矩传感器103、电机104、以及车速传感器107，ECU106根据扭矩传感器103、车速传感器107的检测信号对电机104的驱动电流进行控制。该ECU106包括电机控制单元P，具备将12V电池E的电压升压到最大200V的升压控制功能和形成电机104的驱动电压的电机驱动电压形成功能。
再有，在转向齿轮箱102中连结了拉杆108，在其两端设有用于连结车轮(未图示)的拉杆108、109。
用以上的结构，ECU106根据方向盘100被转向时从扭矩传感器103获得的转向扭矩的检测信号、以及从车速传感器107获得的车速检测信号，参照预先设定的表，将与该检测信号对应的电机驱动电压施加在电机104上。
由此，通过电机104对转向轴101提供转向助推力。
再有，在本实施方式，根据转向扭矩和车速将电机驱动电压施加在电机104上，但由于转向扭矩与车速相关，所以也可以简单地仅根据转向扭矩而形成电机驱动电压。
图2是上述电机控制单元P的电路结构图。而图3表示电机驱动电路。
车辆内的电池E通过点火开关11和故障检测电路12，连接着斩波电路13。斩波电路13包括：由电感器L1和功率MOSFET构成的第1开关元件TR1；连接到它们的连接点的第2开关元件TR2；以及连接到其输出端的平滑电容器C1。开关元件TR1的控制端子(栅极端子)连接着控制单元10。故障检测电路12包括：连接在电感器L1和点火开关11之间用于电流检测的电阻R1、以及检测该电阻R1的两端电压的运算放大器OP1，运算放大器OP1的输出信号被输入到控制单元10。
在所述电感器L1和第1开关元件TR1之间连接了中断继电器开关14，其导通/断开控制由控制单元10进行。此外，升压后的输出电压Vout从平滑电容器C1输出，施加在电机驱动电路15(参照图3)上。
在上述结构中，控制单元10在点火开关11导通时，对第1开关元件TR1进行PWM控制，从而进行升压控制。此外，控制单元10监视来自故障检测电路12的信号，如果由电阻R1检测的电压达到与超过预先设定的值的过电流(异常电流)对应的大小，则看作第1开关元件TR1发生了短路故障，从而将继电器开关14断开。由此，开关元件被从电感器中断。
再有，第2开关元件TR2具有作为将积蓄在电感器L1中的能量排放给平滑电容器C1时的整流元件而起作用，但在负载大的情况下(由于转向扭矩大，对电机104供给大电流的情况)使开关元件TR2仍然导通时，在对电感器L1的能量积蓄时(开关元件TR1的导通时)因一部分来自电源的电流流过平滑电容器C1而效率变差。因此，在负载的大小为一定值以上的情况下，进行开关元件TR1导通时使第2开关元件TR2断开，开关元件TR1断开时使第2开关元件TR2导通的控制。相反地，负载的大小低于一定值时，由于对电感器L1的能量积蓄时(开关元件TR1导通时)的第2开关元件TR2的开关损失的相对比率大，所以从避免效率下降的观点来说，将该开关元件TR2控制为完全导通状态(二极管状态)。
控制单元10还参照规定的转向感应特性表及车速感应特性表，控制对电机驱动电路15输出的PWM信号，以达到与来自扭矩传感器103及车速传感器107的信号对应的转向助推力。
如图3所示，电机驱动电路15由用于驱动三相电机104的六个功率MOSFET的TRA～TRF构成，由此进行相位旋转控制。通过控制各功率MOSFET的通电时间，可以对电机扭矩的大小进行控制，所以通过这种控制，可以使转向助推力达到规定的大小。
在上述结构中，在正常时，中断继电器开关14导通着。此时，斩波电路13进行将电池E的电压Vin(12V)升压的动作。控制单元10将开关元件TR1的导通/断开占空比控制为合适的值(PWM控制)，从而对第1开关元件TR1进行导通/断开驱动。另一方面，上述升压动作中，或在该动作的停止中，故障检测电路12检测出开关元件TR1的短路击穿时，作为处于异常时，直接将继电器开关14断开。因此，电池E的电源电压没有被升压，作为大致原来的(存在一些因电阻R1和电感器L1的电阻分量造成的电压降)输出电压Vout被供给到电机驱动电路15。
另一方面，控制单元10在正常时及异常时，根据来自扭矩传感器103及车速传感器107的信号并参照转向感应特性表及车速感应特性表而形成PWM信号(A)～(F)，将它输出到电机驱动电路15。在本实施方式，如以下所述，上述表在升压动作停止的异常时可被变更。
为了使说明简单，以下，假设PWM信号(A)～(F)仅基于转向扭矩而形成。这种情况下，参照转向感应特性表。图4是将转向感应特性表作为特性曲线表示的图。横轴表示转向扭矩，纵轴表示按PWM信号(A)～(F)供给到电机104的功率。曲线A表示正常时(进行着升压动作时)的特性曲线，曲线B表示异常时(没有进行升压动作)的特性曲线。在曲线A中，供给到电机104的最大功率为200V×100A。即，如果升压电压被设定为200V，则进行PWM信号(A)～(F)的控制，以在转向扭矩最大时电机电流(平均值)为100A。PWM信号(A)～(F)受到控制，以在转向扭矩为最大时和最小时之间，大概以二次曲线方式改变供给功率。
另一方面，在曲线B中，供给到电机104的最大功率为12V×100A。即，由于不进行升压动作，所以施加在电机104的电压为电池电压的12V，在转向扭矩最大时电机电流(平均值)为100A，在从最大的转向扭矩至最小的转向扭矩之间，进行PWM信号(A)～(F)的控制，以使供给功率比曲线A小。
正常时和异常时改变特性曲线的原因是，为了提高转向操作时的安全性。异常时进行曲线A的原样控制时，在转向扭矩小的状况下不产生大的问题，但在异常时产生了大的转向扭矩的情况下，例如进行了急打方向盘的操作的情况下，根据曲线A进行控制时，电机上施加的电压是未被升压的低电压，所以不能供给足够的功率。这种情况下，由于操作者有可能未意识到是否发生了异常，作为结果，尽管进行了切断急打方向盘操作，但并不是如设想那样切断方向盘，所以仍有可能产生事故。因此，如本实施方式那样，异常时从曲线A切换为曲线B时，无论转向扭矩的大小，都可以感觉到方向盘操作时的转向助推力下降，所以操作者可以知道处于异常状态。由此，操作者与正常时相比，用更大的力进行转向，所以可以防止发生事故。
再有，在图4中，比横轴的中央位置更右的方向表示将方向盘向右方向旋转时的转向扭矩(+方向)，左方向表示将方向盘向左方向旋转时的转向扭矩(负方向)，特性曲线为左右对称。此外，上述的说明仅参照转向感应特性表，但实际上还参照车速感应特性表，所以图4的特性曲线也将车速作为参数进行设定。即，图4中曲线A、B存在多个将车速作为参数的曲线，在控制上选择与当时的车速对应的曲线。
根据以上结构，即使在斩波电路13的第1开关元件TR1动作中发生击穿而短路时，也可以防止电机104的转向助推力急剧地变为零并变成危险的状态。此外，通过变更用于控制此时的转向助推力的转向感应特性表和车速感应特性表，从而可以进一步提高安全性。
图5表示本发明的另一个实施方式。
在结构中，与图2的不同点是，将用于中断的继电器开关14连接在第1开关元件TR1和接地间。
即使是这样的结构，在升压动作停止时，也可以将电池电压Vin原封不动输出到电机驱动电路15。
在以上的实施方式中，作为故障检测电路12，通过检测流入到串联连接到电感器L1的电阻R1中的电流是否为过电流(异常电流)，判断第1开关元件TR1是否发生故障，但也可以在第1开关元件TR1的散热部安装温度传感器(热敏元件)，通过该温度传感器检测出异常温度时判断该开关元件TR1的故障。此外，就中断电路来说，除了继电器以外，也可以使用半导体开关元件。

Claims (3)

1.一种升压电路，包括：
斩波电路，串联连接电感器和开关元件，而且在该连接点通过整流元件连接了平滑电容器；
故障检测电路，检测所述开关元件的故障；以及
中断电路，根据所述故障检测电路检测出所述开关元件的故障，将所述开关元件从所述电感器中断。
2.一种升压电路，包括：
斩波电路，串联连接被接地的开关元件和电感器，而且在该连接点通过整流元件连接了平滑电容器；
故障检测电路，检测所述开关元件的故障；以及
中断电路，根据所述故障检测电路检测出所述开关元件的故障，将所述开关元件从接地中断。
3.一种电动动力转向装置，将与施加在方向盘上的转向扭矩的大小对应的电力供给电机，由此将与该转向扭矩的大小对应的转向辅助力提供给转向机构，其特征在于，
所述电动动力转向装置包括：
升压电路，将来自直流电源电路的电压升压后施加在所述电机上；以及
异常检测电路，检测所述升压电路的异常，
所述升压电路包括在所述异常检测电路检测出该升压电路的异常时停止该升压电路的升压动作，从而将来自电源电路的电流供给所述电机的升压停止电路，
所述异常检测电路检测出所述升压电路的异常时，根据所述转向扭矩的大小，使对电机供给的电力降低。
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