JP2006292383A - 電流検出装置および電動ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小電流領域における分解能の精度を高めることなどを実現すること。
【解決手段】 ＥＣＵ１２は、電流検出手段１６の電流検知素子に流れる電動機１５の電動機電流を用いて、電動機１５を制御する。電流検出手段１６は、電動機電流に基づく電圧信号の絶対値がゼロ付近での増幅率を他の付近での増幅率に比べて大きくする対数増幅回路を備えている。そして、この対数増幅回路は、電動機電流と前記電圧信号との関係が略対数関係になるように増幅する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流を増幅する電流検出装置およびそれを用いた電動ステアリング装置に関する。

従来における電動ステアリング装置においては、温度特性などにより生じる電流検出装置のオフセット変動を補償して、操舵フィーリングを安定させるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２７８８１７号公報（段落０００９−００１０）

しかしながら、前記した電流検出装置におけるアナログ／デジタル変換の分解能は、最大電流値によって決まるので、最大電流値が大きい電動機の出力電流を検出する場合、電流検出装置の分解能の問題から微小電流での検出精度が十分ではないという不都合があった。例えば、ブラシレスモータの最大電流値は、実効値のルート２倍になるので、最大電流値と実効値とが一致するブラシモータに比べて大きくなる。そのため、ブラシレスモータの場合の方が、ブラシモータの場合に比べて、電流検出装置の分解能が粗くなり、微小電流が検出しにくかった。
また、このような状況下において、ブラシレスモータを用いて電動ステアリング装置の制御をした場合、微小電流での検出精度がブラシモータに比べて低下することから、微小電流領域での電流制御をより正確に行えず、操舵フィーリングが損なわれやすい状況にあった。

そこで、本発明は、このような状況下において、微小電流領域における分解能の精度を高めることができる電流検出装置およびそれを用いた電動ステアリング装置を提供することをその目的とする。

前記課題を解決するため本発明は、電流検出素子に流れる電流に基づく電圧信号を増幅して当該電流を検出する電流検出装置であって、前記電圧信号の絶対値がゼロ付近での増幅率を他の付近での増幅率に比べて大きくする増幅手段を備えた。これにより、ゼロ点付近である微小電流領域における分解能の精度が高くなる。

また、前記課題を解決するため本発明は、操舵トルクに対応した目標電流と電動機に流れる電流とに基づいて、ステアリングの操舵補助力を作用させる当該電動機を制御する制御装置を備えた電動パワーステアリング装置であって、前記制御装置は、前記した電流検出装置によって検出された電動機の電流値を用いて、当該電動機を制御する。これにより、微小電流領域での電流制御をより正確に行なうことが可能となる。

本発明によれば、微小電流領域における分解能の精度を高めたり、また、操舵フィーリングを向上させたりすることができる。

図１は本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１の全体的な構成図である。
図１において、電動パワーステアリング装置１は、ステアリング２を有し、このステアリング２が、これと一体的に設けられたステアリング軸３に自在継ぎ手４ａ，４ｂを備えた連結軸５を介して、ピニオン６に連結されている。そして、ピニオン６には、ラック歯７が噛み合い、この噛み合いにより、ラック軸８が往復運動するように構成されている。ラック軸８の両端には、それぞれ、タイロッド９を介して左右の前輪１０が連結されている。
また、前記した連結軸５には、操舵トルクセンサ１１が取り付けられ、この操舵トルクセンサ１１が、ドライバによるステアリング２の操舵に応じた操舵トルクを検出するようになっている。そして、操舵トルクセンサ１１が、検出した操舵トルクを示す操舵トルク信号ｄ１を制御部１７のＥＣＵ（制御装置）１２に出力する。制御部１７には、ＥＣＵ１２のほか、後記する電動機駆動手段１４および電流検出手段（電流検出装置）１６が搭載されている。

ＥＣＵ１２は、マイクロプロセッサなどで構成された電子制御ユニットであり、操舵トルクセンサ１１からの操舵トルク信号ｄ１のほか、車速センサ１３からの車速信号ｄ２に基づいて、制御信号ｄ３を生成して電動機駆動手段１４に出力し、この電動機駆動手段１４を駆動制御する。制御信号ｄ３は、前記した操舵トルクに対応した目標電流と、後記する電動機１５に流れる電流との偏差に基づいて生成される。
電動機駆動手段１４は、例えば、三相ブリッジ回路で構成され、ＥＣＵ１２からの制御信号ｄ３に基づく電動機電圧Ｖｍを電動機１５に出力し、電動機１５をＰＷＭ制御する。電動機１５としては、例えば、三相ブラシレスモータを用いることとするが、本発明の趣旨を逸脱しない限り、他のモータを用いてもよい。
電流検出手段（電流検出センサ）１６は、後記するシャント抵抗１６ａと電流検出回路１６ｂとを含み、電動機１５に流れる電流（以下「電動機電流」という）を検出し、その電動機電流に基づく電流信号ｄ４をＥＣＵ１２に出力する。このように構成することにより、ＥＣＵ１２が、電流検出手段１６からの電流信号ｄ４に基づいて電動機駆動手段１４を駆動制御して、電動機１５をより正確に制御することが可能となる。以下にこれらの内容を詳述する。

図２は電動機駆動手段１４および電動機１５を含む構成例を示す図である。この構成例では、電動機１５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の三相巻線で構成され、電動機駆動手段１４は、６個のパワーＦＥＴ(電界効果トランジスタ)１４１ａ〜１４１ｆでブリッジ回路が構成されている。パワーＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆの各々には、ダイオードが並列接続されている。そして、ブリッジ回路には電源１４２が接続されている。
ブリッジ回路では、パワーＦＥＴ１４１ａのソースとパワーＦＥＴ１４１ｂのドレインとの間には、電動機１５のＵ相端子が接続され、また、パワーＦＥＴ１４１ｃのソースとパワーＦＥＴ１４１ｄのドレインとの間には電動機１５のＶ相端子が接続されている。さらに、パワーＦＥＴ１４１ｅのソースとパワーＦＥＴ１４１ｆのドレインとの間には電動機１５のＷ相端子が接続されている。
そして、これらの各パワーＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆのゲートには、ステアリング２の操作に応じ、ＰＷＭ信号またはオフ信号のいずれかを示す制御信号ｄ３がＥＣＵ１２から各パワーＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆに入力されるようになっている。そして、この入力により、電動機１５に電動機電圧Ｖｍが印加されて電動機電流Ｉｍが電動機１５に流れ、電動機１５が正回転あるいは逆回転することとなる。これにより、ステアリング２に補助操舵力が作用して、車両が右方向あるいは左方向に操向することとなる。

電流検出手段１６は、シャント抵抗（電流検知素子）１６ａと電流検出回路１６ｂとからなり、前記した電動機電流Ｉｍを検出するように構成されている。この構成例を図３に示す。ここでは１相分の電動機電流Ｉｍの場合について説明するが、他の相についても同様である。この構成例では、電流検出手段１６は、シャント抵抗１６ａ、プレインターフェース１６０、対数増幅回路（増幅手段）１６１および電動機電流信号変換手段１６２を含んで構成されている。プレインターフェース１６０、対数増幅回路（増幅手段）１６１および電動機電流信号変換手段１６２は電流検出回路１６ｂを構成している。
電動機電流信号変換手段１６２は、ＲＯＭなどのメモリで構成され、後記する検出電圧（電圧信号）Ｖｏを目標電流になるレベル信号、すなわち電流信号ｄ４（図１参照）に変換して、ＥＣＵ１２に出力する。
対数増幅回路１６１は、シャント抵抗１６ａに流れる電動機電流Ｉｍに基づき検出された電圧Ｖｍ（＝Ｖｍ１−Ｖｍ２）をプレインターフェース１６０に入力し、さらに、プレインターフェース１６０の出力電圧を対数増幅した検出電圧Ｖｏを電動機電流信号変換手段１６２に出力する。具体的には、対数増幅回路１６１は、反転増幅回路１６１ａのフィードバックにトランジスタ（半導体素子）１６１ｂが接続されている。これにより、電動機１５に流れる電動機電流Ｉｍと出力電圧（ここでは検出電圧Ｖｏを意味する）との関係を対数関数に近くさせることが可能となる。なお、対数増幅回路１６１は、例えば、単一電源Ｖｒ（＝５ｖ）で作動し、図示しないバイアス抵抗でＶｒ／２（＝２．５ｖ）の仮想接地点を形成している。

ここで、対数増幅回路１６１の出力特性の一例を図４に示す。ここでは、反転増幅回路（トランジスタ１６１ｂを接続しないもの）との比較を行うため、両者の出力特性を示した。なお、電流検出手段１６の分解能は１０ビットとした。
まず、比較例における反転増幅回路の出力特性Ｔ２について説明する。この出力特性Ｔ２では、電動機電流Ｉｍと検出電圧Ｖｏとの関係が、リニア関係になっている。
この出力特性Ｔ２においては、電動機電流１アンペアあたりの検出電圧Ｖｏの変化量は、基準電圧５ｖ／（１００Ａ＋１００Ａ）より、０．０２５Ｖ／Ａとなる。したがって、例えば、電動機電流Ｉｍが０．１Ａの場合、Ｖｏの変化量は、０．０２５Ｖ／Ａ×０．１Ａより、０．００２５Ｖとなる。なお、この０．００２５Ｖという値は、後記する出力特性Ｔ１の場合と比較するために用いる。
また、１ビットあたりの出力電圧Ｖｏの分解能は、基準電圧／分解能＝５Ｖ／２¹⁰より、０・００５Ｖとなる。
以上から、例えば、電動機電流Ｉｍが０．１Ａのとき、Ｖｏの変化量０．００２５Ｖが、０．００５Ｖ（１ビットあたりのＶｏの分解能）よりも小さくなってしまう。このため、Ｉｍ＝０．１Ａの場合のＶｏは、分解能の問題から、検出することができない。
さらに、電動機１５の実効値である−７１Ａから＋７１Ａまでの範囲を１０ビットの分解能で検出する場合を考えると（図４の出力特性Ｔ３を参照）、電動機電流１アンペアあたりの検出電圧Ｖｏの変化量は、基準電圧５ｖ／（７１Ａ＋７１Ａ）より０．０３５Ａ／Ａとなり、電動機電流Ｉｍが０．１Ａの場合のＶｏの変化量は、０．０３５Ｖとなる。すなわち実効値の範疇においてもＩｍ＝０．１Ａの場合のＶｏを検出することはできない。

次に、本実施の形態における対数増幅回路の出力特性Ｔ１について説明する。この出力特性Ｔ１では、検出電圧Ｖｏと電動機電流Ｉｍとの関係が、対数関数に近くなっている。具体的には、ＶｏとＩｍとの関係は、次式で表される。

Ｖｍ＝ｋｌｏｇ（Ｉｍ＋１）＋２．５（＝Ｖｒ／２） （１）
ただし、ｋは定数（＝０．５４２）、Ｉｍは電動機電流を表す。（Ｉｍ＞０）

この出力特性Ｔ１においては、電動機電流０．１アンペアあたりの検出電圧Ｖｏの変化量は、前記（１）式より、ｋｌｏｇ（０．１＋１）+２．５＝２．５５２Ｖとなる。したがって、例えば、電動機電流Ｉｍが０．１Ａの場合、Ｖｏの変化量は、２．５５２Ｖ−２．５Ｖ（中点電圧）より、０．０５２Ｖとなる。これは、前記した出力特性Ｔ２の場合（０．００２５Ｖ）に比べて大きい。
１ビットあたりの出力電圧Ｖｏの分解能は、前記した出力特性Ｔ２の場合と同様、基準電圧／分解能＝５Ｖ／２¹⁰より、０．００５Ｖとなる。
以上から、例えば、電動機電流Ｉｍが０．１Ａのとき、前記した出力特性Ｔ２の場合と異なり、Ｖｏの変化量０．０５２Ｖが、１ビットあたりのＶｏの分解能０．００５Ｖよりも大きくなる。このため、分解能の精度に問題がないので、Ｉｍ＝０．１Ａの場合のＶｏを検出することが可能となる。よって、微小電流領域における分解能の精度が比較例の場合に比べて向上することがわかる。

したがって、微小電流領域であっても、対数増幅回路１６１によって仮想接地点である２．５Ｖ付近（電圧信号絶対値がゼロ点近傍）での増幅率が他の付近に比べて大きくなり、微小電流領域での分解能の精度が向上する。よって、微小電流領域での電動機電流Ｉｍをより正確に検出することができる。
また、このような対数増幅回路１６１を含む電流検出手段１６を用いて電動パワーステアリング装置１が制御を行なうので、微小電流領域での電流制御も正確に行なうことが可能となる。よって、操舵フィーリングが向上する。

［電流検出手段の他の構成例］
前記した実施の形態において、電流検出手段１６の対数増幅回路１６１は、図３の場合で説明したが、例えば図５のように構成してもよい。図５に示す対数増幅回路１６１Ａは、シャント抵抗１６ａおよびプレインターフェース１６０のほか、２個のトランジスタ１６１ｄ，１６１ｅおよび反転増幅回路１６１ｂ，１６１ｃを含んで構成されている。例えば、トランジスタ１６１ｄ，１６１ｅは、温度的に結合したデュアルタイプのものを用いる。このように構成すると、トランジスタ１６１ｄ，１６１ｅの各ベースエミッタ間電圧が、温度の影響をキャンセルすることとなり、より正確な電動機電流Ｉｍを検出することが可能となる。

なお、本発明は、前記した実施の形態に限定されない。電動パワーステアリング装置１の構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、変更して構成するようにしてもよい。例えば、対数増幅回路１６１を変更してもよい。
また、電動パワーステアリング装置１を自動車用の場合で説明したが、例えば、航空機などの移動体に適用するようにしてもよい。さらに、ステアリングホイールなどと転蛇輪が機械的に切り離されているステアバイワイヤなどのバイワイヤ技術に広く適用するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の全体的な構成図である。 図１に示した電動機駆動手段および電動機を含む構成例を示す図である。 図１に示した電流検出手段の構成例を示す図である。 対数増幅回路の出力特性の一例を示す図である。 図４に示した対数増幅回路の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
１２ ＥＣＵ（制御装置）
１５ 電動機
１６ 電流検出手段
１６１ 対数増幅回路（増幅手段）
１６１ａ トランジスタ（半導体）

Claims (5)

1. 電流検出素子に流れる電流に基づく電圧信号を増幅して当該電流を検出する電流検出装置であって、
   前記電圧信号の絶対値がゼロ付近での増幅率を他の付近での増幅率に比べて大きくする増幅手段を備えたことを特徴とする電流検出装置。
2. 前記増幅手段は、前記電流検出素子に流れる電流と前記電圧信号との関係が略対数関係になるように増幅する半導体素子を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記増幅手段は、反転増幅回路のフィードバックにトランジスタを接続してなる対数増幅回路であることを特徴とする請求項２に記載の電流検出装置。
4. 操舵トルクに対応した目標電流と電動機に流れる電流とに基づいて、ステアリングの操舵補助力または操舵力を作用させる前記電動機を制御する制御装置を備えた電動ステアリング装置であって、
   前記制御装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電流検出装置によって検出された電動機の電流値を用いて、当該電動機を制御することを特徴とする電動ステアリング装置。
5. 前記電動機は、多相ブラシレスモータであることを特徴とする請求項４に記載の電動ステアリング装置。

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