JP2007008257A - 昇圧回路及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チョッパ回路のスイッチング素子の故障時に該スイッチング素子をスイッチング回路から遮断するようにして、電源入力がチョッパ動作により昇圧されずにそのまま出力されるようにす。
【解決手段】 電動パワーステアリング装置のＥＣＵ１０６に設けられるモータ制御部Ｐは、昇圧動作を行うチョッパ回路１０３と、チョッパ回路１０３内の第１のスイッチング素子ＴＲ１の故障を検出する検出検出回路１２と、遮断用リレースイッチ１４とを備えている。制御部１０は、第１のスイッチング素子ＴＲ１をオンオフ制御し、検出検出回路１２が該スイッチング素子ＴＲ１の故障を検出すると遮断用のリレースイッチ１４をオフして第１のスイッチング素子ＴＲ１をチョッパ回路１０３から切り離す。このとき、バッテリ電圧Ｖｉｎは、チョッパ回路で昇圧されることなく、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。
【選択図】図２

Description

本発明は、チョッパ回路を用いた昇圧回路と、その昇圧回路を用いた電動パワーステアリンク装置に関する。

電動パワーステアリング装置は、油圧系を使用せず、モータ駆動によりステアリングの操作力をアシストするため構造が簡単化し、また、必要なときだけモータを駆動するために燃費を改善でき、さらに、車速に応じてステアリングの操作力を重くしたり軽くしたりできる利点がある。

このような電動パワーステアリング装置では、車載バッテリの電源電圧は電子制御回路を介してモータに供給され、その電流の大きさは車両の運転状態に応じて制御される。具体的には、電子制御回路は、操舵（操舵速度、操舵トルク）を検出して予め設定された操舵感応特性（操舵に応じて供給電力の大きさを制御する特性）を参照して、適切な制御信号を出力したり、車速を検出して予め設定された車速感応特性（車速に応じて供給電力の大きさを制御する特性）を参照して、適切な制御信号を出力する。電動パワーステアリング装置は、上記制御信号により、車速の増加に伴って操舵アシスト力（操舵補助力）を減少させ、又は、操舵速度や操舵トルクの増加に伴って操舵アシスト力を増加させる。

上記電動パワーステアリングの電子制御回路に流れる電流は、通常、その補助アシスト時の負荷の大きさに応じて数アンペア〜数１０アンペアの範囲で変動するため、駐車時のハンドル切り返し時又は超低速走行時等、モータに大きな電流を供給するときには電流制御素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子）やワイヤケーブルによる電圧降下が無視できなくことがある。すなわち、この電圧降下によりモータの入力電圧も降下することになり通電効率が著しく低下するとともに、モータに対して必要な電流を供給できなくなり、操舵アシストも十分に出来なくなるという問題がある。

そこで、特許文献１では、チョッパ回路により電源電圧を昇圧し、車速や操舵に応じてその昇圧する電圧の大きさを制御する手段を設けたものが提案されている。

また、特許文献２では、２つのスイッチング素子と２つのコンデンサをブリッジ状に接続した倍電圧電源回路を用い、車速や操舵に応じてスイッチング素子のオン・オフデューテイ比を変更して出力電圧の大きさを電源電圧よりも高い所定の電圧に制御する装置が提案されている。

また、特許文献３には、チョッパ回路を用いた昇圧回路において、スイッチング素子の短絡又はオープン故障判定を行う場合は、インダクタと電源間を切断して所定の故障判定を行う装置が提案されている。
特開平８−１２７３５０号公報 特許３２０５６５１号公報 特開２００５−５１９５１号公報

しかしながら、上記特許文献１の装置では、チョッパ回路のスイッチング素子が短絡故障すると、出力ショート状態となるため電源出力はモータ側に供給されなくなってしまう。電動パワーステアリング装置に用いられるチョッパ回路は、上記のように数アンペア〜数１０アンペアの電流が流れるために、高耐圧スイッチング素子（パワーＭＯＳＦＥＴ等）を用いたとしても、数１０アンペア程度の大電流を長期間流すような状況が発生すると、素子の許容耐量によっては破壊してしまう可能性がある。チョッパ回路のスイッチング素子が短絡故障して電源出力がモータ側に供給されなくなってしまうと、操舵アシスト力が急にゼロとなってしまうため、ステアリング操作が急にしかも非常に重くなる。例えば、交差点前の右旋回車線にいる状態で停止から発進に切り換わるとき上記スイッチング素子が短絡故障していると、右方向へのステアリング操作が非常に重くなってしまい十分に操作できなくなる可能性がある。

特許文献２では、ブリッジ接続のスイッチング回路を構成しているという点で上記特許文献１と異なるが、この回路構成であっても、大電流により２つのスイッチング素子のいずれかが故障する可能性があり、また、故障すると安全回路により電源出力がモータ側に供給されなくなってしまう。

特許文献３では、チョッパ回路のスイッチング素子の短絡又はオープン故障判定を効率的に行うことを示しているが、故障時には、上記と同様に電源出力がモータ側に供給されなくなってしまうと考えられる。

本発明は、チョッパ回路のスイッチング素子が故障したときも操舵アシストが継続して行われる昇圧回路、及び同回路を用いた電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、インダクタとスイッチング素子が直列接続され、さらにこの接続点に整流素子を介して平滑コンデンサが接続されたチョッパ回路により電源電圧を昇圧する。チョッパ回路では、前記スイッチング素子をオンオフ駆動することにより、スイッチング素子のオン時にインダクタに蓄積されたエネルギーを、そのオフ時に平滑コンデンサに放出する。そこで、オン時間をオフ時間よりも長くすることにより、チョッパ回路の入力電圧である電源電圧を昇圧して出力することができる。

本発明では、前記スイッチング素子の故障を検出する故障検出回路を設けている。この故障検出回路は、例えば、電源電圧の入力側に直列に電流検出用抵抗を接続し、この抵抗の両端電圧を監視することにより電源入力電流が過電流状態（異常電流状態）がどうかを見ることで故障有無を検出する。そして、前記故障検出回路が前記スイッチング素子の故障を検出したときの信号に基づいて前記スイッチング素子を前記インダクタから遮断する遮断回路を設ける。このように、スイッチング素子がインダクタから遮断されると、電源入力電流は、インダクタの作用を受けることなくそのまま出力されることになり、その結果、電源電圧は昇圧されることなくそのまま出力される。なお、本発明の遮断回路は、スイッチやヒューズ等の他、高抵抗値を示すポジスタ等、回路を実質的に遮断する回路も含む。

したがって、スイッチング素子が故障しても、出力側に接続されるモータには電圧が供給されることになるから、低出力にはなるがモータの駆動が停止されることはない。

そこで、上記昇圧回路を電動パワーステアリングに組み込むことにより、チョッパ回路のスイッチング素子が故障した場合に、操舵アシスト力が急にゼロとなる不具合を防ぐことができる。

本発明によれば、チョッパ回路のスイッチング素子が故障した場合に、低出力にはなるが負荷に対して電圧供給を継続して行うことができる。

図１は、本発明の実施形態である電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。

この電動パワーステアリング装置は、操舵のためのハンドル１００と、ハンドル１００に一端が固定されているステアリングシャフト１０１と、ステアリングシャフト１０１の他端に連結されたラックピニオン機構１０２と、前記ステアリングシャフト１０１途中に設けられ、ハンドル１００の操作によりステアリングシャフト１０１に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ１０３と、モータ１０４の回転駆動力を操舵アシスト力（操舵補助力）としてステアリングシャフト１０１に対し与えるウォームホイール機構１０５とを備えている。

車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０６には、前記トルクセンサ１０３、モータ１０４、及び車速センサ１０７が接続され、ＥＣＵ１０６は、トルクセンサ１０３、車速センサ１０７の検出信号に基づいてモータ１０４の駆動電流を制御する。このＥＣＵ１０６は、モータ制御部Ｐを含み、１２ＶバッテリＥの電圧を最大２００Ｖに昇圧する昇圧制御機能とモータ１０４の駆動電圧を形成するモータ駆動電圧形成機能とを備えている。

なお、ステアリンクギアボックス１０２にはタイロッド１０８が連結され、その両端には車輪（図示しない）に連結するためのタイロッドエンド１０８、１０９が設けられている。

以上の構成で、ＥＣＵ１０６は、ハンドル１００により操舵されたときのトルクセンサ１０３から得られる操舵トルクの検出信号、及び車速センサ１０７から得られる車速の検出信号に基づいて、予め設定されているテーブルを参照して、該検出信号に対応したモータ駆動電圧をモータ１０４に印加する。

これにより、モータ１０４によりステアリングシャフト１０１に対して操舵アシスト力が与えられることになる。
なお、本実施形態では、操舵トルクと車速に基づいてモータ駆動電圧をモータ１０４に印加するようにしているが、操舵トルクは車速に相関するために、簡易的に、操舵トルクだけに基づいてモータ駆動電圧を形成するようにしても良い。

図２は、上記モータ制御部Ｐの回路構成図である。また、図３は、モータ駆動回路を示している。

車両内のバッテリＥは、イグニッションスイッチ１１と故障検出回路１２とを介して、チョッパ回路１３に接続されている。チョッパ回路１３は、インダクタＬ１とパワーＭＯＳＦＥＴで構成される第１のスイッチング素子ＴＲ１と、これらの接続点に接続される第２のスイッチング素子ＴＲ２と、この出力側に接続される平滑コンデンサＣ１とで構成される。スイッチング素子ＴＲ１の制御端子（ゲート端子）は制御部１０に接続されている。故障検出回路１２は、インダクタＬ１とイグニッションスイッチ１１との間に接続されている電流検出用の抵抗Ｒ１と、この抵抗Ｒ１の両端電圧を検出するオペアンプＯＰ１とで構成され、オペアンプＯＰ１の出力信号は制御部１０に入力される。

前記インダクタＬ１と第１のスイッチング素子ＴＲ１の間には遮断用リレースイッチ１４が接続され、そのオンオフ制御は制御部１０で行われる。また、昇圧された出力電圧Ｖｏｕｔは、平滑コンデンサＣ１から出力され、モータ駆動回路１５（図３参照）に印加される。

上記構成において、制御部１０は、イグニッションスイッチ１１がオンすると、第１のスイッチング素子ＴＲ１をＰＷＭ制御して昇圧制御を行う。また、制御部１０は、故障検出回路１２からの信号を監視し、抵抗Ｒ１で検出される電圧が予め設定した値を超える過電流（異常電流）に対応する大きさになれば、第１のスイッチング素子ＴＲ１が短絡故障したものとみなして、リレースイッチ１４をオフする。これにより、スイッチング素子がインダクタから遮断される。

なお、第２のスイッチング素子ＴＲ２は、インダクタＬ１に蓄えられたエネルギーを平滑コンデンサＣ１に放出するときの整流素子として機能するが、負荷が大きい場合（操舵トルクが大きいために、モータ１０４に対して大きな電流を供給する場合）にスイッチング素子ＴＲ２をオンのままにしておくと、インダクタＬ１へのエネルギー蓄積時（スイッチング素子ＴＲ１のオン時）において電源からの電流が一部平滑コンデンサＣ１に流れるために効率が悪くなる。そこで、負荷の大きさが一定値以上の場合は、第２のスイッチング素子ＴＲ２を、スイッチング素子ＴＲ１がオンのときにオフし、スイッチング素子ＴＲ１がオフのときにオンする制御を行う。反対に、負荷の大きさが一定値未満であると、インダクタＬ１へのエネルギー蓄積時（スイッチング素子ＴＲ１のオン時）における第２のスイッチング素子ＴＲ２のスイッチング損失の相対的比率が大きくなるため、効率低下を避ける見地から同スイッチング素子ＴＲ２を完全オン状態（ダイオード状態）に制御する。

制御部１０は、さらに、所定の操舵感応特性テーブル及び車速感応特性テーブルを参照して、トルクセンサ１０３及び車速センサ１０７からの信号に対応する操舵アシスト力となるように、モータ駆動回路１５に出力するＰＷＭ信号を制御する。

図３に示すように、モータ駆動回路１５は、３相のモータ１０４を駆動するための６個のパワーＭＯＳＦＥＴのＴＲＡ〜ＴＲＦで構成され、これによって相回転制御が行われる。各パワーＭＯＳＦＥＴの通電時間を制御することでモータトルクの大きさを制御できるから、この制御により、操舵アシスト力が所定の大きさになるように制御されることになる。
上記の構成において、正常時には、遮断用リレースイッチ１４がオンしている。このときには、チョッパ回路１３はバッテリＥの電圧Ｖｉｎ（１２Ｖ）を昇圧する動作を行う。制御部１０は、スイッチング素子ＴＲ１のオンオフデューティ比を適切な値に制御（ＰＷＭ制御）して第１のスイッチング素子ＴＲ１をオンオフ駆動する。一方、上記の昇圧動作中、又は、その動作の停止中において、故障検出回路１２がスイッチング素子ＴＲ１の短絡破壊を検出すると、異常時であるとして、直ちにリレースイッチ１４をオフする。このため、バッテリＥの電源電圧は、昇圧されることなく、略そのまま（抵抗Ｒ１とインダクタＬ１の抵抗成分による電圧降下が若干存在する）出力電圧Ｖｏｕｔとしてモータ駆動回路１５に供給される。

一方、制御部１０は、正常時及び異常時において、トルクセンサ１０３及び車速センサ１０７からの信号に基づいて操舵感応特性テーブル及び車速感応特性テーブルを参照してＰＷＭ信号（Ａ）〜（Ｆ）を形成し、これをモータ駆動回路１５に出力する。本実施形態では、以下に述べるように、上記テーブルは、昇圧動作が停止される異常時において変更されるようになっている。

説明を簡単にするため、以下、ＰＷＭ信号（Ａ）〜（Ｆ）が操舵トルクだけに基づいて形成されるものとする。この場合、操舵感応特性テーブルが参照される。図４は、操舵感応特性テーブルを特性曲線として表したものである。横軸は操舵トルク、縦軸は、ＰＷＭ信号（Ａ）〜（Ｆ）でモータ１０４に供給されるパワー（電力）を示している。曲線Ａは、正常時（昇圧動作が行われているとき）の特性曲線、曲線Ｂは、異常時（昇圧動作が行われていない）の特性曲線を示す。曲線Ａでは、モータ１０４に供給される最大電力は、２００Ｖ×１００Ａとなる。すなわち、昇圧電圧が２００Ｖに設定されているとすれば、操舵トルクが最大のときにモータ電流（平均値）が１００ＡとなるようにＰＷＭ信号（Ａ）〜（Ｆ）の制御が行われる。操舵トルクが最大のときと最小のときとの間において、概ね二次曲線で供給電力が変化するようにＰＷＭ信号（Ａ）〜（Ｆ）が制御される。

一方、曲線Ｂでは、モータ１０４に供給される最大電力は１２Ｖ×１００Ａとなる。すなわち、昇圧動作が行われていないために、モータ１０４に印加される電圧はバッテリ電圧の１２Ｖとなり、操舵トルクが最大のときにモータ電流（平均値）が１００Ａとなり、最大の操舵トルクから最小の操舵トルクの間において、曲線Ａよりも供給電力が小さくなるようにＰＷＭ信号（Ａ）〜（Ｆ）の制御が行われる。

正常時と異常時とで特性曲線を変えているのは、ステアリング操作時の安全性を高めるためである。異常時に曲線Ａのまま制御を行うと、操舵トルクが小さい状況では大きな問題は生じないが、異常時において大きな操舵トルクが生じた場合、例えば急ハンドルの操作が行われた場合に、曲線Ａに基づいて制御を行おうとするとモータに印加されている電圧が昇圧されていない低電圧であるために十部な電力を供給することができなくなる。この場合、操作者は異常が生じているかどうか認識していない可能性があるため、結果として、急ハンドルを切る操作をしたにもかかわらず、思ったようにハンドルを切れなかったということになり、事故につながる可能性がでてくる。そこで、本実施形態のように、異常時に曲線Ａから曲線Ｂに切り替えると、操舵トルクの大小にかかわらずハンドル操作時の操舵アシスト力低下が体感できるために、操作者に、異常状態であることを知らせることができる。これにより、操作者は、正常時に比して、より大きな力で操舵するようになるから、事故の発生を防ぐことができる。

なお、図４において、横軸の中央位置より右方向は、ハンドルを右方向に回転したときの操舵トルク（＋方向）、左方向は、ハンドルを左方向に回転したときの操舵トルク（マイナス方向）を示し、特性曲線は左右対称となっている。また、上記の説明は、操舵感応特性テーブルだけを参照するものとしたが、実際は車速感応特性テーブルも参照されるため、図４の特性曲線は、車速もパラメータとして設定される。すなわち、図４において曲線Ａ、Ｂは、車速をパラメータとする複数のものが存在し、そのときの車速に対応する曲線が制御用に選択される。

以上の構成により、チョッパ回路１３の第１のスイッチング素子ＴＲ１が、動作中に破壊して短絡したときでも、モータ１０４による操舵アシスト力が急にゼロとなって危険な状態になるのを防ぐことができる。また、そのときの操舵アシスト力を制御するための操舵感応特性テーブルと車速感応特性テーブルとを変更することにより、安全性をより高めることができる。

図５は、本発明の他の実施形態を示す。

構成において、図２と相違する点は、遮断用のリレースイッチ１４を、第１のスイッチング素子ＴＲ１と接地間に接続した点である。

このような構成であっても、昇圧動作の停止時にはバッテリ電圧Ｖｉｎをそのままモータ駆動回路１５に出力することができる。

以上の実施形態では、故障検出回路１２として、インダクタＬ１に直列接続した抵抗Ｒ１に流入する電流が過電流（異常電流）かどうかを検出することで第１のスイッチング素子ＴＲ１が故障しているかどうかを判断しているが、第１のスイッチング素子ＴＲ１の放熱部に温度センサ（サーミスタ素子）を取り付け、この温度センサにより異常温度を検出したときに同スイッチング素子ＴＲ１の故障を判断するようにしても良い。また、遮断回路には、リレーの他、半導体スイッチング素子を使用することも可能である。

本発明の実施形態である電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図。 モータ制御部Ｐの回路構成図。 モータ駆動回路の構成図 操舵感応特性テーブルを特性曲線として表した図 本発明の他の実施形態を示す図

Claims (3)

1. インダクタとスイッチング素子が直列接続され、さらにこの接続点に整流素子を介して平滑コンデンサが接続されたチョッパ回路と、
   前記スイッチング素子の故障を検出する故障検出回路と、
   前記故障検出回路が前記スイッチング素子の故障を検出したことに基づいて前記スイッチング素子を前記インダクタから遮断する遮断回路と、
   を備えてなる昇圧回路。
2. 接地されているスイッチング素子とインダクタとが直列接続され、さらにこの接続点に整流素子を介して平滑コンデンサが接続されたチョッパ回路と、
   前記スイッチング素子の故障を検出する故障検出回路と、
   前記故障検出回路が前記スイッチング素子の故障を検出したことに基づいて前記スイッチング素子を接地から遮断する遮断回路と、
   を備えてなる昇圧回路。
3. ハンドルに加えられる操舵トルクの大きさに応じた電力をモータに供給し、それにより該操舵トルクの大きさに応じた操舵補助力を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おいて、
   直流電源回路からの電圧を昇圧して前記モータに印加する昇圧回路と、
   前記昇圧回路の異常を検出する異常検出回路と、を備え、
   前記昇圧回路は、前記異常検出回路が該昇圧回路の異常を検出すると該昇圧回路の昇圧動作を停止して電源回路からの電流を前記モータに供給する昇圧停止回路を含み、
   前記異常検出回路が前記昇圧回路の異常を検出すると、前記操舵トルクの大きさに応じてモータに供給される電力を低下させる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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