JP2005247078A - 電動ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動パワーステアリング装置のブラシレスモータのロータがロックしたときに、ステータコイルやインバータの発熱による温度上昇を最小限に抑える。
【解決手段】 電動パワーステアリング装置のアシストモータとして使用されるブラシレスモータは、三相のステータコイルと、ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、回転位置検出手段で検出したロータの回転位置に基づいて各相のステータコイルに供給する電流の位相を制御するインバータとを備える。ステアリングハンドルを保舵してブラシレスモータのロータがロックした状態が所定時間継続したとき、例えばＵ相電流Ｉｕがピーク電流（Ａ位置参照）であれば、回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を電気角で９０°進角する方向に変更し、Ｕ相電流Ｉｕをピーク電流から０に低下させる（Ｂ位置参照）。これにより、所定のステータコイルに継続的にピーク電流が流れて強く発熱するのを抑制することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、三相以上のステータコイルと、ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、回転位置検出手段で検出したロータの回転位置に基づいて各相のステータコイルに供給する電流の位相を制御するインバータとを備えたブラシレスモータの駆動力で車輪を転舵する電動ステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置のモータに大電流が流れて温度上昇するのを防止すべく、操舵トルクおよび車速から算出したモータ目標電流とモータ基準電流との偏差を算出し、この偏差のべき関数に基づいてモータ上限電流を設定することで過熱保護を行うものが、下記特許文献１により公知である。
特開２００１−３１５６５１号公報

ところで、直流電流をインバータで変換した交流電流をＵ相、Ｖ相およびＷ相ステータコイルに供給してロータを回転駆動するブラシレスモータでは、それらのステータコイルに流れる電流の最大値が実効値の√２倍になるため、ステータコイルが発熱し易い問題がある。特に、ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置のアシストモータとして用いた場合、ステアリングハンドルの据え切り等によりロータが所定の回転位置でロックし、そのときに所定のステータコイルを流れる電流がたまたまピーク電流であると、そのピーク電流が継続的に流れる前記所定のステータコイルやインバータが強く発熱し、ブラシレスモータの出力が低下して操舵フィーリングが悪化する等の問題が発生する。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、電動ステアリング装置のブラシレスモータのロータがロックしたときに、ステータコイルやインバータの発熱による温度上昇を最小限に抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、三相以上のステータコイルと、ロータの回転位置を検出する回転位置検出手段と、回転位置検出手段で検出したロータの回転位置に基づいて各相のステータコイルに供給する電流の位相を制御するインバータとを備えたブラシレスモータの駆動力で車輪を転舵する電動ステアリング装置において、ロータがロックした状態が所定時間継続したとき、回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を変更して各相のステータコイルの電流を変化させることを特徴とする電動ステアリング装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、所定のステータコイルの電流がピーク値になる回転位置でロータがロックした状態が所定時間継続したとき、前記所定のステータコイルの電流がピーク値から低下するように、回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を変更することを特徴とする電動ステアリング装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を、前記所定のステータコイルの電流がゼロになる回転位置に変更することを特徴とする電動ステアリング装置が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を、前記所定のステータコイルと異なるステータコイルの電流がピーク値になる回転位置に変更することを特徴とする電動ステアリング装置が提案される。

尚、実施例のＵ相、Ｖ相およびＷ相ステータコイル４１，４２，４３は本発明のステータコイルに対応し、実施例のアシストモータＭは本発明のブラシレスモータに対応する。

請求項１の構成によれば、ブラシレスモータのロータがロックした状態が所定時間継続したとき、回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を変更して各相のステータコイルの電流を変化させるので、各相のステータコイルのうちの所定のステータコイルだけに継続的に大電流が流れ、そのステータコイルやインバータが発熱してブラシレスモータの出力が低下するのを抑制することができる。

請求項２の構成によれば、所定のステータコイルの電流がピーク値になる回転位置でロータがロックした場合には、その電流がピーク値から低下するように回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を変更するので、所定のステータコイルに継続的にピーク電流が流れて強く発熱するのを抑制することができる。

請求項３の構成によれば、ピーク電流が流れているステータコイルの電流がゼロになるように回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を変更するので、そのステータコイルの温度を速やかに低下させることができる。

請求項４の構成によれば、ピーク電流が流れているステータコイルが交互に入れ代わるように回転位置検出手段が出力するロータの回転位置を変更するので、各相のステータコイルの温度を均一化して一つのステータコイルの温度だけが上昇するのを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の一実施例を示すものであり、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４は電動パワーステアリング装置の制御系のブロック図、図５はアシストモータのステータコイルに供給される電流の波形を示す図、図６は作用を説明するフローチャートである。

図１に示すように、ステアリングハンドル１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２は、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４および下部ユニバーサルジョイント１５を介して、減速機１６から上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。減速機１６の下端に接続されたステアリングギヤボックス１８の左右両端から突出するタイロッド１９，１９が、左右の車輪ＷＬ，ＷＲの図示せぬナックルに接続される。減速機１６にはブラシレスモータよりなるアシストモータＭが支持されており、このアシストモータＭの作動が、減速機１６の内部に収納した操舵トルク検出手段Ｓｔからの信号が入力される電子制御ユニットＵにより制御される。

図２および図３に示すように、減速機１６はステアリングギヤボックス１８と一体の下部ケース２１と、その上面にボルト２２…で結合された中間ケース２３と、その上面にボルト２４…で結合された上部ケース２５とを備えており、ステアリングギヤボックス１８および上部ケース２５にボールベアリング２６，２７で前記ピニオンシャフト１７が回転自在に支持される。ピニオンシャフト１７の下端に設けられたピニオン２８が、ステアリングギヤボックス１８の内部に左右移動自在に支持したラックバー２９に設けられらラック３０に噛合する。ステアリングギヤボックス１８に形成した貫通孔１８ａに押圧部材３１が摺動自在に収納されており、貫通孔１８ａを閉塞するナット部材３２との間に配置したスプリング３３で押圧部材３１をラックバー２９の背面に向けて付勢することで、ラックバー２９の撓みを抑制してラック３０をピニオン２８に正しく噛合させることができる。

減速機１６の内部に延びるアシストモータＭの回転軸３４は、一対のボールベアリング３５，３６で下部ケース２１に回転自在に支持される。アシストモータＭの回転軸３４に設けられたウオーム３７は、ピニオンシャフト１７に固定されたウオームホイール３８に噛合する。

しかして、アシストモータＭが駆動されると、その回転軸３４に設けたウオーム３７に噛合するウオームホイール３８を介して減速機１６のピニオンシャフト１７が回転し、ピニオン２８に噛合するラック３０が駆動されることで、ドライバーがステアリングハンドル１１に加える操舵トルクがアシストモータＭによってアシストされる。

図４に示すように、アシストモータＭはＵ相ステータコイル４１、Ｖ相ステータコイル４２およびＷ相ステータコイル４３を備えており、これらのステータコイル４１，４２，４３とバッテリＢとの間に複数のスイッチング素子を備えたインバータＩが配置される。インバータＩは、電子制御ユニットＵからの指令でバッテリＢの直流電流を図５に示す三相交流電流に変換し、Ｕ相電流をＵ相ステータコイル４１に、Ｖ相電流をＶ相ステータコイル４２に、Ｗ相電流をＷ相ステータコイル４３にそれぞれ供給する。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相電流は位相が電気角でそれぞれ１２０°ずれた正弦波状のもので、その位相は例えばホール素子を用いた回転位置検出手段Ｓｐによって検出されたアシストモータＭのロータ４４の回転位置に応じて制御される。

ドライバーがステアリングハンドル１１に入力する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段Ｓｔと、アシストモータＭのロータ４４の回転位置をホール素子を用いて検出する回転位置検出手段Ｓｐと、インバータＩからアシストモータＭのＵ相、Ｖ相およびＷ相ステータコイル４１，４２，４３に供給される電流を検出する電流検出手段Ｓｉとが電子制御ユニットＵに接続されており、電子制御ユニットＵは操舵トルク検出手段Ｓｔ、回転位置検出手段Ｓｐおよび電流検出手段Ｓｉからの信号に基づいてインバータＩの作動を制御する。

次に、上記構成を備えた本発明の実施例の作用を説明する。

ドライバーがステアリングハンドル１１に入力した操舵トルクを操舵トルク検出手段Ｓｔが検出すると、アシストモータＭに前記操舵トルクに応じたアシストトルクを発生させるべく、電子制御ユニットＵはアシストモータＭに供給する目標電流を算出し、インバータＩは前記目標電流でアシストモータＭを駆動する。このとき、回転位置検出手段ＳｐによってアシストモータＭのロータ４４の回転位置が検出され、その回転位置に応じてアシストモータＭのＵ相、Ｖ相およびＷ相電流が電気角でそれぞれ１２０°ずれた正弦波状に制御される。

さて、ステアリングハンドル１１を所定の回転角で停止させ、ドライバーがステアリングハンドル１１に入力する操舵トルクおよびアシストモータＭが発生するアシストトルクを路面からの操舵反力に釣り合わせたとき、アシストモータＭのロータ４４は停止した状態でロックされる。このとき、Ｕ相ステータコイル４１、Ｖ相ステータコイル４２およびＷ相ステータコイル４３にそれぞれ供給されるＵ相、Ｖ相およびＷ相電流は、ロックしたロータ４４の回転位置に応じて固定される。例えば、図５のＡ位置でロータ４４がロックすると、そのときのＵ相電流Ｉｕはピーク電流となり、他のＶ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗはピーク電流よりも小さくなる。従って、この状態が長時間継続するとピーク電流が継続的に流れるＵ相ステータコイル４１が強く発熱してアシストモータＭの出力が低下したり、あるいはＵ相ステータコイル４１に対応して継続的にオンするインバータＩのスイッチング素子が強く発熱して故障の原因となったりする可能性がある。

そこで本実施例では、図６のフローチャートに示す制御を行うことで上記問題が解決している。

先ずステップＳ１でステアリングハンドル１１が保舵されているとき、ステップＳ２で回転位置検出手段ＳｐによりアシストモータＭのロータ４４の回転位置を検出し、このロータ４４の回転位置に対応するＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流の電気角の位相を読み取る。続くステップＳ３でＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流の何れかがピーク位相であり、かつステップＳ４で保舵状態が所定時間（数秒ないし数十秒）継続すると、ステップＳ５で回転位置検出手段Ｓｐが検出したアシストモータＭのロータ４４の回転位置を仮想的な回転位置へと変更してＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流の電気角の位相を変更する。

図５において、ステアリングハンドル１１が保舵されたときのロータ４４の回転位置がＡ位置であってＵ相電流Ｉｕがピーク電流であるとき、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗの電気角の位相を９０°進角したＢ位置に変更し、Ｕ相電流Ｉｕをピーク電流からゼロに低下させることで、Ｕ相ステータコイル４１の発熱による温度上昇を抑制して冷却を促進するとともに、インバータＩの損傷を防止することができる。尚、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗの電気角の位相を９０°進角する方向に変更すると、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗは逆に増加するがピーク電流に達することはないために、Ｖ相ステータコイル４２およびＷ相ステータコイル４３が過度に温度上昇する虞はない。

そしてステップＳ６で保舵状態が解除されると、ステップＳ７で前記仮想的なロータ４４の回転位置を回転位置検出手段Ｓｐで検出した実際の回転位置に戻すことで、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗの電気角の位相を本来の位相に復帰させる。回転位置検出手段Ｓｐで検出したロータ４４の回転位置を、実際の回転位置と仮想的な回転位置との間で変化させても、アシストモータＭのトルクは変化しないため、保舵状態が崩れることはない。

尚、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗがピーク電流であるか否かは、回転位置検出手段Ｓｐによって検出されるロータ４４の回転位置により判断される。このとき、電流がピーク電流を含む所定範囲内にある場合に、電流がピーク電流であると判断される。また上記実施例では、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗの電気角の位相を９０°進角する方向に変更しているが、その変更角度はＵ相ステータコイル４１に同じピーク電流が流れ続ける１８０°の倍数の角度以外の任意の角度を採用することができる。

またＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗの電気角の位相を１２０°の倍数だけ変化させると、Ｖ相ステータコイル４２あるいはＷ相ステータコイル４３にピーク電流が流れるが、所定時間が経過する毎にＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗが順番にピーク電流になるように制御しても、全てのステータコイル４１，４２，４３を均等に発熱させて特定のステータコイル４１，４２，４３だけが強く発熱するのを防止することで、同様の効果を達成することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例ではＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗの何れかがピーク電流であるときにそれらの電気角の位相を変更しているが、保舵状態が所定時間経過する毎に無条件で各相の電流の電気角の位相を変更しても良い。また各相の電流値が所定値以上の場合に、各相の電流の電気角の位相を変更しても良い。ただし、その電気角の位相の変更は、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗのうち、最も大きい電流が低下するように行うことが望ましい。

また実施例ではシャフト式ステアリング装置に設けられる電動ステアリング装置を例示したが、本発明はケーブル式ステアリング装置やステア・バイ・ワイヤ式ステアリング装置の電動ステアリング装置に対して適用することができる。

また実施例のブラシレスモータＭは三相であるが、四相以上であっても良い。

電動パワーステアリング装置の全体斜視図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図 電動パワーステアリング装置の制御系のブロック図 アシストモータのステータコイルに供給される電流の波形を示す図 作用を説明するフローチャート

符号の説明

４１ Ｕ相ステータコイル（ステータコイル）
４２ Ｖ相ステータコイル（ステータコイル）
４３ Ｗ相ステータコイル（ステータコイル）
４４ ロータ
Ｉ インバータ
Ｍ アシストモータ（ブラシレスモータ）
Ｓｐ 回転位置検出手段
ＷＬ 車輪
ＷＲ 車輪

Claims (4)

1. 三相以上のステータコイル（４１，４２，４３）と、ロータ（４４）の回転位置を検出する回転位置検出手段（Ｓｐ）と、回転位置検出手段（Ｓｐ）で検出したロータ（４４）の回転位置に基づいて各相のステータコイル（４１，４２，４３）に供給する電流の位相を制御するインバータ（Ｉ）とを備えたブラシレスモータ（Ｍ）の駆動力で車輪（ＷＬ，ＷＲ）を転舵する電動ステアリング装置において、
   ロータ（４４）がロックした状態が所定時間継続したとき、回転位置検出手段（Ｓｐ）が出力するロータ（４４）の回転位置を変更して各相のステータコイル（４１，４２，４３）の電流を変化させることを特徴とする電動ステアリング装置。
2. 所定のステータコイル（４１，４２，４３）の電流がピーク値になる回転位置でロータ（４４）がロックした状態が所定時間継続したとき、前記所定のステータコイル（４１，４２，４３）の電流がピーク値から低下するように、回転位置検出手段（Ｓｐ）が出力するロータ（４４）の回転位置を変更することを特徴とする、請求項１に記載の電動ステアリング装置。
3. 回転位置検出手段（Ｓｐ）が出力するロータ（４４）の回転位置を、前記所定のステータコイル（４１，４２，４３）の電流がゼロになる回転位置に変更することを特徴とする、請求項２に記載の電動ステアリング装置。
4. 回転位置検出手段（Ｓｐ）が出力するロータ（４４）の回転位置を、前記所定のステータコイル（４１，４２，４３）と異なるステータコイル（４１，４２，４３）の電流がピーク値になる回転位置に変更することを特徴とする、請求項２に記載の電動ステアリング装置。
   

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