JP2004161118A

JP2004161118A - パワーステアリング装置

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Publication number: JP2004161118A
Application number: JP2002328730A
Authority: JP
Inventors: Yuji Karizume; 裕二狩集; Takashi Kageyama; 孝影山
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】ＰＷＭ制御方式に特有の騒音の発生を抑えつつ、駆動素子の温度がモータダウン温度まで上昇することを防止できるパワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】電動モータ２９の駆動制御は、電子制御ユニット３が駆動回路４をＰＷＭ制御することにより達成される。電子制御ユニット３は、駆動素子温度センサ９によって検出されるパワー駆動素子４１の温度（駆動素子温度）に応じて、駆動回路４に与えるＰＷＭ信号のキャリア周波数（ＰＷＭ周波数）を変更する。すなわち、駆動素子温度が所定の周波数切換温度Ｔ（たとえば、Ｔ＝８０℃）未満であるときには、ＰＷＭ周波数を予め定める高周波数ＦＨ（たとえば、ＦＨ＝１６ｋＨｚ）に設定し、駆動素子温度が所定の周波数切換温度Ｔ以上であるときには、ＰＷＭ周波数を予め定める低周波数ＦＬ（たとえば、ＦＬ＝２ｋＨｚ）に設定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ステアリング操作を補助するパワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリング操作を補助するパワーステアリング装置には、電動モータによりオイルポンプを駆動して、オイルポンプからパワーシリンダに作動油を供給し、このパワーシリンダの発生トルクを操舵補助力としてステアリング機構に与える電動油圧ポンプ式のものや、電動モータの発生トルクを操舵補助力としてステアリング機構に与える電動式のものがある。
【０００３】
これらの種類のパワーステアリング装置では、たとえば、電動モータとして３相ＤＣブラシレスモータが採用され、この電動モータに駆動電流を供給するための駆動回路には、２個のパワーＦＥＴ（駆動素子）の直列回路を３つ並列接続した構成の３相ブリッジインバータ回路が採用されている。そして、ステアリングホイールの操作に基づいて、マイクロコンピュータを含む構成の電子制御ユニットが駆動回路をＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することにより、電動モータの駆動制御が達成されるようになっている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
電動油圧ポンプ式のパワーステアリング装置を例にとると、電子制御ユニットのマイクロコンピュータは、たとえば、ステアリングホイールの舵角速度に応じた目標回転速度を定め、さらに、その目標回転速度に基づいて、電動モータの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の目標端子電圧値を求める。そして、各相の目標端子電圧値に応じたデューティのＰＷＭ信号を作成し、その作成したＰＷＭ信号を駆動回路の各直列回路の一方のパワーＦＥＴに与える。これにより、パワーＦＥＴがそれぞれに与えられたＰＷＭ信号のデューティでオン／オフし、その結果、駆動回路から電動モータの各相界磁コイルに適当な駆動電圧が印加されて、電動モータがステアリングホイールの舵角速度および車速に応じた目標回転速度で回転駆動される。
【０００５】
パワーＦＥＴは、スイッチングの際に電力損失（スイッチング損失）を発生する。このスイッチング損失による発熱と、ステアリングホイールの激しい操作が続き、パワーＦＥＴの電流が増加することによる発熱とにより、パワーＦＥＴが異常高温状態になって破壊されるおそれがある。そこで、電動式および電動油圧ポンプ式のパワーステアリング装置では、パワーＦＥＴの温度を検出するための温度センサが設けられていて、この温度センサによる検出温度が所定のモータダウン温度よりも高いときには、パワーＦＥＴの保護のために、電動モータが停止（モータダウン）されるようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１４２４３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
モータダウンした状態では操舵補助を行えないので、パワーＦＥＴの電流を抑制して発熱を小さく抑えるか、パワーＦＥＴのスイッチング時の発熱を小さく抑えて、パワーＦＥＴの電流が増加しても、パワーＦＥＴの温度がモータダウン温度まで上昇しないようにすることが望ましい。
パワーＦＥＴのスイッチング時の発熱を抑えるためには、たとえば、ＰＷＭ信号のキャリア周波数（ＰＷＭ周波数）を低くして、パワーＦＥＴでのスイッチング損失を低減させればよい。ところが、ＰＷＭ周波数を低くすると、パワーＦＥＴのスイッチング時の発熱が小さくなる反面、ＰＷＭ制御方式に特有の騒音（とくに、可聴周波数帯域の騒音）が大きくなってしまう。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、ＰＷＭ制御方式に特有の騒音の発生を抑えつつ、駆動素子の温度がモータダウン温度まで上昇することを防止できるパワーステアリング装置を提供することである。
【０００９】
【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、ステアリング機構（１）に操舵補助力を与えるために駆動される電動モータ（２９）と、複数の駆動素子のブリッジ回路を備え、上記電動モータに駆動電力を供給するための駆動回路（４）と、上記複数の駆動素子をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段（３５）と、上記駆動素子（４１）の温度を検出する駆動素子温度検出手段（９）と、この駆動素子温度検出手段による検出温度に応じて、上記ＰＷＭ信号生成手段が生成するＰＷＭ信号のキャリア周波数を可変設定する周波数設定手段（３５）とを含むことを特徴とするパワーステアリング装置である。
【００１０】
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。以下、この項において同じ。
上記の構成によれば、駆動回路内の駆動素子の温度に応じて、駆動素子をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号のキャリア周波数が可変設定される。
たとえば、駆動素子の温度が低い状態で相対的に高いキャリア周波数を設定し、駆動素子の温度が高い状態で相対的に低いキャリア周波数を設定するようにしておけば、駆動素子の温度が低いときには、ＰＷＭ制御方式に特有の騒音の発生を抑えることができ、駆動素子の温度が高いときには、駆動素子でのスイッチング損失による発熱を小さくすることができ、駆動素子の温度上昇を抑えることができる。
【００１１】
よって、駆動素子の温度が所定のモータダウン温度よりも高くなると、駆動素子の保護のために電動モータを停止（モータダウン）させる機能を有するパワーステアリング装置に本発明を適用した場合には、駆動素子の温度がモータダウン温度に達することを防止でき、これにより、パワー駆動素子の熱破壊防止のために操舵補助が中断される事態が生じる頻度を少なくすることができる。
上記周波数設定手段は、請求項２記載のように、上記駆動素子温度検出手段による検出温度が所定の周波数切換温度（Ｔ）未満であるときには、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を予め定める高周波数（ＦＨ）に設定し、上記駆動素子温度検出手段による検出温度が上記周波数切換温度以上であるときには、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を予め定める低周波数（ＦＬ）に設定するものであってもよい。また、請求項３記載のように、上記駆動素子温度検出手段による検出温度が所定の周波数切換温度未満であるときには、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を予め定める高周波数（ＦＨ）に設定し、上記駆動素子温度検出手段による検出温度が上記周波数切換温度以上であるときには、上記高周波数と予め定める低周波数（ＦＬ）との間で上記駆動素子温度検出手段による検出温度が高いほどＰＷＭ信号のキャリア周波数を低い周波数に設定するものであってもよい。
【００１２】
上記パワーステアリング装置は、電動モータにより駆動されるポンプの発生油圧によって操舵補助力を発生させる電動油圧ポンプ式のパワーステアリング装置であってもよいし、電動モータの発生トルクを操舵補助力とする電動パワーステアリング装置であってもよい。
【００１３】
【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パワーステアリング装置の基本的な構成を示す概念図である。このパワーステアリング装置は、車両のステアリング機構１に関連して設けられ、このステアリング機構１に操舵補助力を与えるためのものである。
【００１４】
ステアリング機構１は、運転者によって操作されるステアリングホイール１１と、このステアリングホイール１１に連結されたステアリング軸１２と、ステアリング軸１２の先端部に設けられたピニオンギヤ１３と、車両の左右方向に延びたラック軸１４とを備えている。ラック軸１４には、ラックギヤ部１４ａが形成されていて、このラックギヤ部１４ａにピニオンギヤ１３が噛合している。ラック軸１４の両端には、タイロッド１５がそれぞれ結合されており、このタイロッド１５は、それぞれ、舵取り車輪としての前左輪ＦＬおよび前右輪ＦＲを支持するナックルアーム１６に結合されている。ナックルアーム１６は、キングピン１７まわりに回動自在に設けられている。
【００１５】
この構成により、ステアリングホイール１１が操作されてステアリング軸１２が回転されると、この回転がピニオンギヤ１３およびラック軸１４によって車両の左右方向に沿う直線運動に変換される。この直線運動は、ナックルアーム１６のキングピン１７まわりの回動に変換されて、前左輪ＦＬおよび前右輪ＦＲの転舵が達成される。
ステアリング軸１２には、ステアリングホイール１１に加えられた操舵トルクの方向および大きさに応じてねじれを生じるトーションバー２１と、このトーションバー２１のねじれの方向および大きさに応じて開度が変化する油圧制御弁２２とが組み込まれている。油圧制御弁２２は、ステアリング機構１に操舵補助力を与えるパワーシリンダ２３に接続されている。パワーシリンダ２３は、ラック軸１４に一体的に設けられたピストン２３１と、ピストン２３１によって区画された一対のシリンダ室２３２，２３３とを有しており、シリンダ室２３２，２３３は、それぞれ、オイル供給／帰還路２４，２５を介して、油圧制御弁２２に接続されている。
【００１６】
また、油圧制御弁２２は、リザーバタンク２６およびオイルポンプ２７を通るオイル循環路２８の途中部に介装されている。オイルポンプ２７は、電動モータ２９によって駆動され、リザーバタンク２６に貯留されている作動油を汲み出して油圧制御弁２２に供給する。
ステアリングホイール１１が左方向Ｌへ回転操作されると、トーションバー２１にねじれが生じ、オイル供給／帰還路２５を介して、油圧制御弁２２からパワーシリンダ２３のシリンダ室２３３に作動油が供給される。すると、シリンダ室２３２，２３３間に油圧差が生じ、この油圧差によって、パワーシリンダ２３のピストン２３１が左方向へ移動する。これにより、ラック軸１４に左方向の操舵補助力が作用することになる。逆に、ステアリングホイール１１が右方向Ｒへ回転操作されたときには、オイル供給／帰還路２４を介して、油圧制御弁２２からパワーシリンダ２３のシリンダ室２３２に作動油が供給される。そして、シリンダ室２３２，２３３間に生じる油圧差によって、パワーシリンダ２３のピストン２３１が右方向へ移動し、ラック軸１４に右方向の操舵補助力が作用する。オイルポンプ２７から油圧制御弁２２に供給された作動油のうち、余剰分の作動油は、油圧制御弁２２からオイル循環路２８を介してリザーバタンク２６に帰還される。また、トーションバー２１にねじれがほとんど加わっていない状態では、油圧制御弁２２は、いわば平衡状態となり、作動油は、パワーシリンダ２３に供給されることなく、オイル循環路２８を循環する。
【００１７】
電動モータ２９は、たとえば、３相ＤＣブラシレスモータで構成されており、この電動モータ２９の駆動制御は、マイクロコンピュータを含む構成の電子制御ユニット３が駆動回路４をＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することにより達成されるようになっている。駆動回路４は、電源としての車載バッテリ５とアースとの間に接続された３相ブリッジインバータ回路であり、電動モータ２９のＵ相に対応した一対のパワー駆動素子（たとえば、パワーＭＯＳＦＥＴ）の直列回路と、Ｖ相に対応した一対のパワー駆動素子の直列回路と、Ｗ相に対応した一対のパワー駆動素子の直列回路とを並列に接続した構成を有している。そして、各直列回路の一対のパワー駆動素子の接続点に、それぞれ対応する電動モータ２９の各相界磁コイルが接続されている。
【００１８】
電子制御ユニット３には、操舵角センサ６、車速センサ７およびモータ角センサ８の出力信号が与えられるようになっている。操舵角センサ６は、たとえば、ステアリング軸１２に関連して設けられていて、そのステアリング軸１２（ステアリングホイール１１）が一定角度回転する度にパルス信号を出力する。また、車速センサ７は、一定周期で車速を検出し、その検出した車速に応じた信号を出力する。モータ角センサ８は、たとえば、電動モータ２９のロータが一定角度回転する度にパルス信号を出力するものであってもよいし、ロータの回転位置に応じた信号を出力するものであってもよい。
【００１９】
電子制御ユニット３にはさらに、駆動回路４内のパワー駆動素子４１の温度を検出する駆動素子温度センサ９の出力信号が与えられるようになっている。駆動素子温度センサ９は、たとえば、サーミスタなどの感熱素子を有しており、所定のパワー駆動素子４１の近傍に配置されていて、そのパワー駆動素子４１の温度（駆動素子温度）に応じた信号を出力する。
図２は、電子制御ユニット３の構成を説明するためのブロック図である。電子制御ユニット３は、マイクロコンピュータが実行するプログラム処理により、操舵角センサ６から与えられる信号に基づいて、単位時間あたりの操舵角変化量（ステアリングホイール１１の操舵角の時間微分値）に相当する操舵角速度を演算する操舵角速度演算部３１、この操舵角速度演算部３１が演算する操舵角速度および車速センサ７が検出する車速に基づいて、電動モータ２９の目標回転速度を設定する目標回転速度設定部３２、モータ角センサ８から与えられる信号に基づいて、電動モータ２９の単位時間あたりの回転数（回転角）であるモータ回転速度を演算するモータ回転速度演算部３３、目標回転速度設定部３２が設定した目標回転速度とモータ回転速度演算部３３が演算したモータ回転速度との偏差を演算する偏差演算部３４、ならびに、偏差演算部３４が演算する偏差および駆動素子温度センサ９が検出する駆動素子温度に基づいてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部３５の各機能を実現する。
【００２０】
ＰＷＭ信号生成部３５は、偏差演算部３４によって演算された偏差に基づいて、電動モータ２９の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の目標端子電圧値を求め、その求めた各相目標端子電圧値にそれぞれ応じたＰＷＭデューティを演算する。また、ＰＷＭ信号生成部３５は、駆動素子温度センサ９によって検出された駆動素子温度に応じたキャリア周波数を設定する。そして、その設定したキャリア周波数の基本パルス信号のパルス幅を各相目標端子電圧値にそれぞれ応じたＰＷＭデューティで変調することにより、Ｕ相ＰＷＭ信号、Ｖ相ＰＷＭ信号およびＷ相ＰＷＭ信号を生成し、その生成したＵ相ＰＷＭ信号、Ｖ相ＰＷＭ信号およびＷ相ＰＷＭ信号を駆動回路４に与える。すると、駆動回路４を構成する各直列回路の一方のパワー駆動素子が、それぞれ対応するＵ相ＰＷＭ信号、Ｖ相ＰＷＭ信号およびＷ相ＰＷＭ信号のデューティでオン／オフし、その結果、駆動回路４から電動モータ２９に適当な駆動電流が供給されて、電動モータ２９がステアリングホイールの舵角速度および車速に応じた目標回転速度で回転駆動される。
【００２１】
また、ＰＷＭ信号生成部３５は、駆動素子温度センサ９によって検出される駆動素子温度が予め定めるモータダウン温度（たとえば、１２０℃）を超えると、駆動回路４のパワー駆動素子が異常高温状態となって破壊されることを防止するために、ＰＷＭ信号の出力を直ちに停止する。ＰＷＭ信号の出力が停止されている間は、電動モータ２９の駆動が停止（モータダウン）され、このパワーステアリング装置による操舵補助が中断される。
【００２２】
図３は、駆動素子温度とＰＷＭ周波数との関係を示す図である。ＰＷＭ信号生成部３５は、駆動素子温度センサ９によって検出される駆動素子温度が所定の周波数切換温度Ｔ（たとえば、Ｔ＝８０℃）未満であるときには、ＰＷＭ信号のキャリア周波数（ＰＷＭ周波数）を予め定める高周波数ＦＨ（たとえば、ＦＨ＝１６ｋＨｚ）に設定する。これにより、駆動素子温度が周波数切換温度Ｔ未満であるときには、駆動回路４のパワー駆動素子がＰＷＭ周波数に等しい高周波数でスイッチングするので、ＰＷＭ制御方式に特有の騒音（とくに、可聴周波数帯域の騒音）の発生を抑えることができる。
【００２３】
一方、ＰＷＭ信号生成部３５は、駆動素子温度センサ９によって検出される駆動素子温度が所定の周波数切換温度Ｔ以上であるときには、ＰＷＭ周波数を予め定める低周波数ＦＬ（たとえば、ＦＬ＝２ｋＨｚ）に設定する。
たとえば、ステアリングホイール１１の激しい操作が続き、駆動回路４の各パワー駆動素子に大電流が流れる状況とパワー駆動素子が頻繁に高周波数でスイッチングする状況が続くと、各パワー駆動素子の温度が上昇し、駆動素子温度センサ９によって検出される駆動素子温度が周波数切換温度Ｔを超える場合がある。この場合に、その後も駆動回路４の各パワー駆動素子が高周波数でスイッチングする状況が続くと、各パワー駆動素子の温度がさらに上昇して、駆動素子温度センサ９によって検出される駆動素子温度がモータダウン温度に達してしまう。そこで、この実施形態では、駆動素子温度センサ９によって検出される駆動素子温度が所定の周波数切換温度Ｔ以上になると、ＰＷＭ周波数が高周波数ＦＨから低周波数ＦＬに切り換えられる。ＰＷＭ周波数が低いほど、パワー駆動素子でのスイッチング損失による発熱が小さくなり、パワー駆動素子の温度上昇を抑えることができる。したがって、この実施形態によれば、パワー駆動素子の温度がモータダウン温度に達することを防止でき、これにより、パワー駆動素子の熱破壊防止のために操舵補助が中断される事態に陥ることを少なくできる。
【００２４】
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可能である。たとえば、上記の実施形態では、駆動素子温度が周波数切換温度Ｔ未満のときには、ＰＷＭ周波数が高周波数ＦＨに設定され、駆動素子温度が周波数切換温度Ｔ以上のときには、ＰＷＭ周波数が低周波数ＦＬに設定されるとしたが、図４に示すように、駆動素子温度が周波数切換温度Ｔ未満のときには、ＰＷＭ周波数が高周波数ＦＨに設定され、駆動素子温度が周波数切換温度Ｔ以上のときには、ＰＷＭ周波数が高周波数ＦＨと低周波数ＦＬとの間で駆動素子温度が高いほど低い周波数に設定されるようにしてもよい。この場合、駆動素子温度が周波数切換温度Ｔ以上になった後も、ＰＷＭ制御方式特有の騒音の発生をなるべく小さく抑えることができる。
【００２５】
また、この発明は、電動油圧ポンプ式のパワーステアリング装置に限らず、操舵トルクおよび車速などに基づいて電動モータを駆動制御し、この電動モータの発生トルクを操舵補助力としてステアリング機構に与える電動パワーステアリング装置に適用することもできる。
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パワーステアリング装置の基本的な構成を示す概念図である。
【図２】電子制御ユニットの構成を説明するためのブロック図である。
【図３】駆動素子温度に対するＰＷＭ周波数の関係の一例を示す図である。
【図４】駆動素子温度に対するＰＷＭ周波数の関係の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１ステアリング機構
３電子制御ユニット
４駆動回路
５車載バッテリ
６操舵角センサ
７車速センサ
８モータ角センサ
９駆動素子温度センサ
２７オイルポンプ
２９電動モータ
３５ＰＷＭ信号生成部（ＰＷＭ信号生成手段、周波数設定手段）
４１パワー駆動素子

Claims

ステアリング機構に操舵補助力を与えるために駆動される電動モータと、
複数の駆動素子のブリッジ回路を備え、上記電動モータに駆動電力を供給するための駆動回路と、
上記複数の駆動素子をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、
上記駆動素子の温度を検出する駆動素子温度検出手段と、
この駆動素子温度検出手段による検出温度に応じて、上記ＰＷＭ信号生成手段が生成するＰＷＭ信号のキャリア周波数を可変設定する周波数設定手段と
を含むことを特徴とするパワーステアリング装置。
上記周波数設定手段は、上記駆動素子温度検出手段による検出温度が所定の周波数切換温度未満であるときには、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を予め定める高周波数に設定し、上記駆動素子温度検出手段による検出温度が上記周波数切換温度以上であるときには、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を予め定める低周波数に設定するものであることを特徴とする請求項１記載のパワーステアリング装置。
上記周波数設定手段は、上記駆動素子温度検出手段による検出温度が所定の周波数切換温度未満であるときには、ＰＷＭ信号のキャリア周波数を予め定める高周波数に設定し、上記駆動素子温度検出手段による検出温度が上記周波数切換温度以上であるときには、上記高周波数と予め定める低周波数との間で上記駆動素子温度検出手段による検出温度が高いほどＰＷＭ信号のキャリア周波数を低い周波数に設定するものであることを特徴とする請求項１記載のパワーステアリング装置。