JP2004058800A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速転舵時にも十分な操舵補助力を発生させる。
【解決手段】電動モータＭは、たとえば、ロータ（回転子）に永久磁石を備え、ステータ（固定子）に３つの界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを備えた３相ＤＣブラシレスモータで構成されている。この３相ＤＣブラシレスモータは、従来から電動パワーステアリング装置に一般に用いられているものとは異なり、３つの界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷが結線されておらず、各界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに単独で電流を流すことができる構成になっている。そして、界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷには、それぞれ車載バッテリとアースＧとの間に接続されたＨブリッジ回路２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗから独立に電圧が印加されるようになっている。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、操舵補助力の発生源としてブラシレスモータを採用した電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリング装置は、図３に示すように、３つの界磁コイル８Ｕ，８Ｖ，８ＷをＹ結線（星形結線）した３相ＤＣブラシレスモータ８を操舵補助力の発生源として採用し、この３相ＤＣブラシレスモータ８を３相インバータ回路９で駆動する構成が一般的である。
３相インバータ回路９は、発生電圧Ｖｂの車載バッテリとアースＧとの間に、スイッチング素子（パワーＭＯＳＦＥＴ）９１，９２の直列回路と、スイッチング素子９３，９４の直列回路と、スイッチング素子９５，９６の直列回路とを並列に有している。スイッチング素子９１，９２の直列回路は、これら２個のスイッチング素子９１，９２の接続点で３相ＤＣブラシレスモータ８のＵ相コイル８Ｕに接続されている。また、スイッチング素子９３，９４の直列回路は、これら２個のスイッチング素子９３，９４の接続点で３相ＤＣブラシレスモータ８のＶ相コイル８Ｖに接続されており、スイッチング素子９５，９６の直列回路は、これら２個のスイッチング素子９５，９６の接続点で３相ＤＣブラシレスモータ８のＷ相コイル８Ｗに接続されている。
【０００３】
各スイッチング素子９１，９２，９３，９４，９５，９６は、マイクロコンピュータによって設定された目標電流値に応じたデューティでオン／オフされる。これにより、そのデューティに応じた電流が３相ＤＣブラシレスモータ８の各相の界磁コイル８Ｕ，８Ｖ，８Ｗに供給されて、操舵補助のためのトルクが３相ＤＣブラシレスモータ８から発生される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
３相ＤＣブラシレスモータ８の出力軸は、ギヤなどを介して、車両のステアリングシャフトまたはステアリングシャフトの回転を舵取り用車輪に伝達するためのラックバーに結合されている。したがって、ステアリングシャフトの先端に設けられたステアリングホイールが素速く操作されて、舵取り用の車輪が高速転舵される時には、それに応じた比較的大きな速度で３相ＤＣブラシレスモータ８が回転することになる。
【０００５】
ところが、ＤＣブラシレスモータは、回転速度が大きくなるにつれて、各相の界磁コイルに生じる誘導起電力（逆起電力）が大きくなり、結果として発生トルクが小さくなるという特性を有している。３相ＤＣブラシレスモータ８の各界磁コイル８Ｕ，８Ｖ，８Ｗに印加可能な最大電圧が大きければ、３相ＤＣブラシレスモータ８の回転速度が大きくなっても、誘導起電力が問題とならないような十分に大きなトルク（操舵補助力）を３相ＤＣブラシレスモータ８から発生させることができる。しかし、上述のような構成では、各相の界磁コイル８Ｕ，８Ｖ，８Ｗに印加可能な最大電圧がバッテリ電圧Ｖｂの約１／２の６ボルト程度と低いため、高速転舵時に、３相ＤＣブラシレスモータ８から十分なトルクを発生させることができず、運転者にステアリングホイールの操作が重たいと感じさせるという問題があった。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、高速転舵時にも十分な操舵補助力を発生させることができる電動パワーステアリング装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、電動モータ（Ｍ）からの発生トルクをステアリング機構（３）に与えて操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、上記電動モータは、互いに結線されていないｎ個（ｎは３以上の整数）の界磁コイル（ＣＵ，ＣＶ，ＣＷ）を有するブラシレスモータであり、当該電動パワーステアリング装置は、上記電動モータの各界磁コイルにそれぞれ一対一に対応づけて設けられて、それぞれ対応する界磁コイルを車両に搭載された直流電源とアース（Ｇ）との間に直列に接続した状態と上記直流電源またはアースから切断した状態とに切り替える駆動回路（２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗ）を含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。
【０００８】
この発明によれば、各界磁コイルには、最大で車両に搭載された直流電源（車載バッテリ）の発生電圧にほぼ等しい電圧を印加することができる。ゆえに、３相ＤＣブラシレスモータの各相の界磁コイルに最大でバッテリ電圧の約１／２の電圧しか印加できない従来構成とは異なり、電動モータが高速回転する高速転舵時においても、電動モータから十分なトルク（操舵補助力）を発生させることができ、良好な操舵フィーリングを達成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成を説明するための図である。この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１の操作に基づいて、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２が電動モータＭを駆動制御し、これにより電動モータＭから発生されるトルクをステアリング機構３に与えて操舵補助を達成するように構成されている。
【００１０】
ステアリング機構３は、ステアリングホイール１に結合されたステアリングシャフト３１と、ステアリングシャフト３１の先端に設けられたピニオンギヤ３２と、車両の幅方向に直線運動可能に設けられたラックバー３３とを含む。ステアリングホイール１を操作すると、ステアリングシャフト３１が回転し、この回転に伴ってピニオンギヤ３２が回転する。ピニオンギヤ３２の回転は、ラックバー３３を車両の幅方向（ラックバー３３の長手方向）に直線運動させる。ラックバー３３の直線運動は、図示しないタイロッドやナックルアームなどによって、舵取り用の前左右車輪の転舵力に変換される。電動モータＭの発生トルクは、たとえば、減速機３４を介してラックバー３３に入力されるようになっている。
【００１１】
ステアリングシャフト３１に関連して、ステアリングホイール１に入力された操舵トルクを検出するトルクセンサ４が設けられている。具体的には、ステアリングシャフト３１は、ステアリングホイール１に結合された入力側シャフト３１Ａとピニオンギヤ３２を介してラックバー３３に結合された出力シャフト３１Ｂとをトーションバー３５で連結した構成となっており、トルクセンサ４は、ステアリングホイール１が操作された時にトーションバー３５に生じる捩れの方向および大きさを操舵トルクとして検出する。
【００１２】
トルクセンサ４が検出した操舵トルクを表す信号は、電子制御ユニット２に与えられるようになっている。電子制御ユニット２には、さらに、車速を検出する車速センサ５の検出信号と、電動モータＭのロータの回転角（モータ角）を検出するためのモータ角センサ６の検出信号とが与えられるようになっている。モータ角センサ６は、たとえば、ロータの回転位置に応じた信号を出力するレゾルバで構成することができる。
【００１３】
図２は、電動モータＭおよび電子制御ユニット２の構成を示す図である。電動モータＭは、たとえば、ロータ（回転子）に永久磁石を備え、ステータ（固定子）に３つの界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷを備えた３相ＤＣブラシレスモータで構成されている。この３相ＤＣブラシレスモータは、従来から電動パワーステアリング装置に一般に用いられているものとは異なり、３つの界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷが結線されておらず、各界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに単独で電流を流すことができる構成になっている。
【００１４】
電子制御ユニット２には、電動モータＭの各界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷにそれぞれ電流を供給するための３つのＨブリッジ回路２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗが備えられている。各Ｈブリッジ回路２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗは、発生電圧Ｖｂ（たとえば、１２ボルト）の車載バッテリとアースＧとの間に、２個のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の直列回路と別の２個のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の直列回路とを並列に有している。そして、Ｈブリッジ回路２１Ｕのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点とスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点との間に、電動モータＭのＵ相の界磁コイルＣＵが接続され、Ｈブリッジ回路２１Ｖのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点とスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点との間に、電動モータＭのＶ相の界磁コイルＣＶが接続され、Ｈブリッジ回路２１Ｗのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点とスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点との間に、電動モータＭのＷ相の界磁コイルＣＷが接続されている。
【００１５】
この構成により、Ｈブリッジ回路２１Ｕのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の対またはスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の対をオンすることによって、車載バッテリからスイッチング素子Ｓ１、電動モータＭのＵ相界磁コイルＣＵおよびスイッチング素子Ｓ４を通ってアースＧに至る経路、または車載バッテリからスイッチング素子Ｓ２、電動モータＭのＵ相界磁コイルＣＵおよびスイッチング素子Ｓ３を通ってアースＧに至る経路に電流を流すことができ、Ｕ相界磁コイルＣＵに車載バッテリの発生電圧Ｖｂにほぼ等しい電圧を印加することができる。同様に、Ｈブリッジ回路２１Ｖのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の対またはスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の対をオンすることによって、電動モータＭのＶ相界磁コイルＣＶに車載バッテリの発生電圧Ｖｂにほぼ等しい電圧を印加することができる。また、Ｈブリッジ回路２１Ｗのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の対またはスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の対をオンすることによって、電動モータＭのＷ相界磁コイルＣＷに車載バッテリの発生電圧Ｖｂにほぼ等しい電圧を印加することができる。
【００１６】
Ｈブリッジ回路２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗの各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン／オフは、電子制御ユニット２に備えられたマイクロコンピュータ２２によって制御される。トルクセンサ４、車速センサ５およびモータ角センサ６から電子制御ユニット２に入力される各検出信号は、マイクロコンピュータ２２に与えられるようになっている。
マイクロコンピュータ２２は、トルクセンサ４および車速センサ５の各検出信号に応じた目標電流Ｉを定め、さらに、モータ角センサ６の検出信号に基づいて、その目標電流Ｉに対して三相分相処理を施すことにより、電動モータＭのロータの回転角θに応じたＵ相目標電流Ｉｕ、Ｖ相目標電流ＩｖおよびＷ相目標電流Ｉｗを求める。そして、Ｕ相目標電流Ｉｕに対応したＰＷＭ制御信号Ｓｕ、Ｖ相目標電流Ｉｖに対応したＰＷＭ制御信号Ｓｖ、およびＷ相目標電流Ｉｗに対応したＰＷＭ制御信号Ｓｗを作成し、これらのＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，ＳｗをそれぞれＨブリッジ回路２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗに与える。
【００１７】
ＰＷＭ制御信号Ｓｕは、たとえば、Ｈブリッジ回路２１Ｕのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の一方またはスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の一方に入力される。また、ＰＷＭ制御信号Ｓｖは、たとえば、Ｈブリッジ回路２１Ｖのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の一方またはスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の一方に入力される。さらに、ＰＷＭ制御信号Ｓｗは、たとえば、Ｈブリッジ回路２１Ｗのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の一方またはスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の一方に入力される。そして、ＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗがスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の一方に与えられるとき、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の他方は常にオンにされ、他のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の対は常にオフにされる。また、ＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗがスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の一方に与えられるとき、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の他方は常にオンにされ、他のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の対は常にオフにされる。
【００１８】
これにより、電動モータＭの各相の界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに、それぞれＰＷＭ制御信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗのデューティに応じた電圧が印加されて、Ｕ相目標電流Ｉｕ、Ｖ相目標電流ＩｖおよびＷ相目標電流Ｉｗが流れることにより、電動モータＭから操舵補助に必要なトルクが発生される。
以上のように、この実施形態によれば、電動モータＭの各相の界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷが結線されておらず、界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷには、それぞれ車載バッテリとアースＧとの間に接続されたＨブリッジ回路２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗから独立に電圧が印加されるようになっている。
【００１９】
これにより、各相の界磁コイルＣＵ，ＣＶ，ＣＷには、最大で車載バッテリの発生電圧Ｖｂにほぼ等しい電圧を印加することができる。ゆえに、３相ＤＣブラシレスモータの各相の界磁コイルに最大でバッテリ電圧Ｖｂの約１／２の電圧しか印加できない従来構成とは異なり、ステアリングホイール１が素速く操作され、これに伴って電動モータＭが高速回転する高速転舵時においても、電動モータＭから十分なトルク（操舵補助力）を発生させることができ、良好な操舵フィーリングを達成することができる。
【００２０】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、電動モータＭは、互いに結線されていない４つ以上の界磁コイルを有していて、各界磁コイルに単独で電流を流すことができる構成であってもよい。４つ以上の界磁コイルを有する構成であっても、各界磁コイルに対応づけてＨブリッジ回路を設けて、各Ｈブリッジ回路から対応する界磁コイルに電力が供給されるようにすることにより、上記の実施形態の場合と同様な効果を達成することができる。
【００２１】
また、電動モータＭの各界磁コイルに電流を供給するための回路は、Ｈブリッジ回路に限らず、電動モータＭの界磁コイルを車載バッテリとアースＧとの間に直列に接続した状態と車載バッテリまたはアースＧから切断した状態とに切り替えることができ、最大で車載バッテリの発生電圧にほぼ等しい電圧を界磁コイルに印加できる構成のものであれば、たとえば、リレーを用いた駆動回路であってもよい。
【００２２】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成を説明するための図である。
【図２】電動モータおよび電子制御ユニットの構成を示す図である。
【図３】従来のパワーステアリング装置の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
１　　　ステアリングホイール
２　　　電子制御ユニット
３　　　ステアリング機構
２１Ｕ　Ｈブリッジ回路
２１Ｖ　Ｈブリッジ回路
２１Ｗ　Ｈブリッジ回路
２２　　マイクロコンピュータ
ＣＵ　　界磁コイル
ＣＶ　　界磁コイル
ＣＷ　　界磁コイル
Ｇ　　　アース
Ｍ　　　電動モータ

Claims (1)

1. 電動モータからの発生トルクをステアリング機構に与えて操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   上記電動モータは、互いに結線されていないｎ個（ｎは３以上の整数）の界磁コイルを有するブラシレスモータであり、
   当該電動パワーステアリング装置は、上記電動モータの各界磁コイルにそれぞれ一対一に対応づけて設けられて、それぞれ対応する界磁コイルを車両に搭載された直流電源とアースとの間に直列に接続した状態と上記直流電源またはアースから切断した状態とに切り替える駆動回路を含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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