JP2007091045A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー損失や重量増を招くことなく立ち上がり特性の改善及びアシスト力の強化を図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。
【解決手段】バッテリ１３と駆動回路１２との間の電力供給経路２０の途中には、出力電流値Ｉchを所定の値Ｉmaxに制限するとともに電源電圧Ｖbを昇圧して出力可能な昇圧機能を有する電流源２１と、該電流源２１の出力電力を蓄電して駆動回路１２に供給可能なキャパシタ２２とが設けられる。そして、その出力電流値Ｉchが所定の値Ｉmaxに制限された電流源２１の出力電力によりキャパシタ２２を充電し、アシスト力付与時には、このキャパシタ２２から放出される電力、即ち同キャパシタ２２の端子間電圧に基づいてモータ２に対する駆動電力の供給を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

近年、車両用パワーステアリング装置として、モータを駆動源とする電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）が広く採用されるようになっている。そして、こうしたＥＰＳには、電源電圧を昇圧した電圧に基づくモータ駆動により、その立ち上がり特性（追従性）及びアシスト力を強化したものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３１９７００号公報 特開２００３−３２０９４２号公報

しかしながら、実際には、そのような大電力が要求される状況は、緊急操舵時や素早い据え切り時等の限られた場合のみであり、必ずしも大電力を必要としない通常操舵時（非操舵時を含む）には、その昇圧制御によりエネルギー損失が発生することになる。そして、その大電力に合わせて昇圧回路と駆動回路との間の配線径を太くすることにより配線重量が増加するといった問題がある。

尚、上記特許文献２には、電源であるバッテリと駆動回路との間にキャパシタ（コンデンサ）を並列接続することによりバッテリの負荷を軽減するとともに、据え切り時等、特に大きな電力が要求される場合には、バッテリとキャパシタを直列接続することでより高い電圧に基づくモータ駆動を可能としたＥＰＳが開示されている。しかしながら、このような構成では、その直列接続時の電圧であっても電源電圧の２倍を超えることはなく、結局のところ、要求される水準を完全に満たそうとすれば、電源電圧自体を高く設定しなければならない。このため、バッテリ容量の増大に伴う重量増は避けられず、上記問題を根本的に解決するものとはならない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、エネルギー損失や重量増を招くことなく立ち上がり特性の改善及びアシスト力の強化を図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にある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、モータを駆動源として操舵系にアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置であって、電源と前記モータに駆動電力を供給する駆動回路との間の電力供給経路の途中に、出力電流値を所定の値に制限するとともに電源電圧を昇圧して出力可能な昇圧機能を有する電流源と、該電流源の出力電力を蓄電して前記駆動回路に供給可能なキャパシタとを設けたこと、を要旨とする。

上記構成によれば、キャパシタの端子間電圧、即ち電流源の出力電圧の最大値を電源電圧よりも高く設定することで、緊急操舵時や素早い据え切り時等に要求される大電力の供給が可能になるとともに、キャパシタへの充電の完了後は、電流源からの電流出力を停止することができる。従って、電源電圧の昇圧に伴うエネルギー損失を最小限に抑えつつ、その立ち上がり特性の改善及びアシスト力の強化を図ることができる。また、アシスト力付与時に電源から一度に大電力を引き出すことがないことから電源の負荷を軽減することができ、これにより電源容量を小さなものとして電源の小型化及びその重量の低減を図ることが可能になる。加えて、電流源（の昇圧回路部）の負荷も軽減することから同電流源を小型化することができ、これにより電源の小型化とも併せてコストの低減を図ることができる。更に、電流源の出力電流値が所定の値に制限されるため、電流源とキャパシタとの間を接続する配線ついては、その配線径を電力供給経路を構成するその他の配線の配線径よりも細く設定することが可能になり、これにより、配線重量を大幅に低減することができる。

請求項２に記載の発明は、前記電流源と前記キャパシタとの間の配線径は、前記電力供給経路におけるその他の部分の配線径よりも細く設定されること、を要旨とする。
上記構成によれば、配線重量を大幅に低減することができる。尚、こうした電流源とキャパシタとの間の配線径を細くする効果は、電流源とキャパシタとの間の距離が離れているほど顕著なものとなる。従って、車両搭載時においては、電流源は、できる限りバッテリの近くに、キャパシタは、できる限り駆動回路の近くに設置するのが望ましい。

請求項３に記載の発明は、前記電流源は、出力電圧が所定電圧以上となった場合には電流出力を停止すること、を要旨とする。
上記構成によれば、電源電圧の昇圧に伴うエネルギー損失を最小限に抑えることができるとともに、その昇圧回路部の負荷を軽減して同電流源の小型化及び低コスト化を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、前記所定電圧は、緊急操舵時において前記モータの駆動に要求される電圧よりも高く設定されること、を要旨とする。
上記構成によれば、緊急操舵時に要求される大電力を供給することが可能になる。

請求項５に記載の発明は、前記キャパシタは、電気二重層キャパシタであること、を要旨とする。
上記構成によれば、その蓄電容量を高めて、より安定的に電力供給を行うことができる。

本発明によれば、エネルギー損失や重量増を招くことなく立ち上がり特性の改善及びアシスト力の強化を図ることが可能な電動パワーステアリング装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１は、車両の操舵系にアシスト力を付与する駆動源としてのモータ２と、該モータ２を制御するＥＣＵ３とを備えている。ステアリングホイール（ステアリング）４は、ステアリングシャフト５を介してラック６に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト５の回転は、ラックアンドピニオン機構（図示略）を介してラック６の往復直線運動に変換され操舵輪８に伝達される。また、本実施形態のＥＰＳ１は、モータ２がラック６と同軸に配置された所謂ラックアシスト型のＥＰＳであり、モータ２の発生するアシストトルクは、ボール送り機構（図示略）を介してラック６に伝達される。そして、ＥＣＵ３は、このモータ２が発生するアシストトルクを制御することにより、操舵系に付与するアシスト力を制御する。

次に、本実施形態のＥＰＳの電気的構成について説明する。
図２に示すように、ＥＣＵ３は、モータ制御信号Ｓmを出力するマイコン１１と、モータ制御信号に基づいてモータ２に駆動電力を供給する駆動回路１２とを備えている。尚、本実施形態のモータ２はブラシレスモータであり、駆動回路１２は、モータ制御信号Ｓmに基づき電源であるバッテリ１３の出力する電源電圧（直流電圧）を三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に変換してモータ２に供給する。

詳述すると、マイコン１１には、操舵トルクτを検出するためのトルクセンサ１４、及び車速センサ１５が接続されており（図１参照）、マイコン１１は、入力された操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて操舵系に付与するアシスト力、即ちモータ２が発生するアシストトルクを決定する。

また、マイコン１１には、モータ２に通電される電流値を検出するための電流センサ１７，１８、及びモータ２の回転角θmを検出するための回転角センサ１９が接続されており、マイコン１１は、これら各センサの出力信号に基づいてモータ２の各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw、及びその回転角θmを検出する。そして、マイコン１１は、この検出された各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw及び回転角θmに基づいて、モータ２に上記決定されたアシストトルクを発生させるべくモータ制御信号Ｓmを出力する。

尚、本実施形態では、マイコン１１は、相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ／ｑ変換し、そのｑ軸電流値をアシストトルクの目標値であるｑ軸電流指令値に追従させるべくモータ制御信号Ｓmを決定する。そして、マイコン１１から出力されるモータ制御信号Ｓmは、駆動回路１２を構成する各スイッチング素子（ＦＥＴ、図示略）のゲート端子に印加され、このモータ制御信号Ｓmに応答して各ＦＥＴがオン／オフすることにより、バッテリ１３の出力する直流電圧が三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に変換されてモータ２へと供給されるようになっている。

また、本実施形態のＥＰＳ１では、バッテリ１３と駆動回路１２との間の電力供給経路２０の途中には、出力電流値Ｉchを所定の値Ｉmax（本実施形態では１Ａ）に制限するとともに電源電圧Ｖbを昇圧して出力可能な昇圧機能を有する電流源２１と、該電流源２１の出力電力を蓄電して駆動回路１２に供給可能なキャパシタ２２とが設けられている。即ち、本実施形態のＥＰＳ１は、その出力電流値Ｉchが所定の値Ｉmaxに制限された電流源２１の出力電力によりキャパシタ２２を充電する。そして、アシスト力付与時には、このキャパシタ２２から放出される電力、即ち同キャパシタ２２の端子間電圧に基づいてモータ２に対する駆動電力の供給を行う。

尚、本実施形態では、キャパシタ２２には、所謂スーパーキャパシタと称される電気二重層キャパシタ（電気二重層コンデンサ）が採用されている。また、電流源２１の出力電流値Ｉchの最大値、即ち所定の値Ｉmaxに合わせて、電流源２１とキャパシタ２２との間を接続する配線２３ａ，２３ｂの配線径は、電力供給経路２０を構成するその他の配線の配線径よりも細く設定されている。具体的には、配線２３ａ，２３ｂ以外の配線、即ち、バッテリ１３と電流源２１との間の配線２４ａ，２４ｂ、及びキャパシタ２２と駆動回路１２との間を接続する配線２５ａ，２５ｂの配線径が８ｓｑ（平方ｍｍ）であるのに対し、配線２３ａ，２３ｂの配線径は１ｓｑに設定されている。

詳述すると、図３に示すように、本実施形態の電流源２１は、昇圧回路２６と、該昇圧回路２６の作動を制御するコントローラ２７とにより構成されている。具体的には、本実施形態の昇圧回路２６は、コイル２８、二つのＦＥＴ２９ａ，２９ｂ、及び平滑コンデンサ３０により構成されており、コイル２８は、一端がバッテリ１３に接続されるとともに他端がＦＥＴ２９ａの一端に接続され、ＦＥＴ２９ａの他端は電力供給経路２０の接地側（グランド側）に接続されている。また、コイル２８とＦＥＴ２９ａと間の接続点ａは、ＦＥＴ２９ｂの一端に接続されており、同ＦＥＴ２９ｂの他端（接続点ｂ）は、平滑コンデンサ３０を介して電力供給経路２０の接地側と接続されている。そして、昇圧回路２６の出力端子となるこの接続点ｂは、配線２３ａを介してキャパシタ２２の一端に接続されている。尚、キャパシタ２２の他端は、電力供給経路２０の接地側と接続されている（図２参照）。

また、各ＦＥＴ２９ａ，２９ｂのゲート端子は、コントローラ２７と接続されており、コントローラ２７は、各ＦＥＴ２９ａ，２９ｂのゲート端子に制御信号を出力することにより、該各ＦＥＴ２９ａ，２９ｂを交互にオン／オフ制御する。そして、昇圧回路２６は、電源電圧Ｖbに各ＦＥＴ２９ａ，２９ｂのオン／オフに伴いコイル２８に発生する逆起電力を重畳した電圧を出力電圧Ｖoutとして出力するように構成されている。

また、コントローラ２７には、電源電圧Ｖb及び昇圧回路２６の出力電圧Ｖoutを検出する電圧センサ３１，３２と、同昇圧回路２６の出力電流値Ｉchを検出する電流センサ３３とが接続されている。尚、本実施形態では、電流センサ３３とコントローラ２７との間にはローパスフィルタ（図示略）が介在されている。そして、コントローラ２７は、これら各電圧センサ３１，３２及び電流センサ３３により検出される電源電圧Ｖb、出力電圧Ｖout、及び出力電流値Ｉchに基づいて、その出力電流値Ｉchが所定の値Ｉmax以下となるように昇圧回路２６の各ＦＥＴ２９ａ，２９ｂに対して出力する制御信号のＤｕｔｙ比を変化させる。

さらに詳述すると、コントローラ２７は、検出された出力電流値Ｉchが目標値である所定の値Ｉmaxよりも小さいほど上記制御信号のＤｕｔｙ比を大とすることにより、同昇圧回路２６の出力電流値Ｉchを所定の値Ｉmaxに制限する。

具体的には、本実施形態のコントローラ２７は、検出された出力電流値Ｉchに基づいて同出力電流値Ｉchと所定の値Ｉmaxとの間の差の大きさを示す評価値Ｉaを演算する。尚、本実施形態では、評価値Ｉaは、Ｉa＝Ａ（Ｉmax−Ｉch）の式により演算される（Ａは定数）。また、コントローラ２７は、評価値ＩaとＤｕｔｙ比とが関連付けられたマップ３４ａ〜３４ｃを備えている（図４（ａ）〜（ｃ）参照）。図４（ａ）（ｂ）に示すマップ３４ａ，３４ｂは、それぞれ出力電圧Ｖoutが電源電圧Ｖb以下の場合、並びに出力電圧Ｖoutが電源電圧Ｖbよりも大きく所定電圧Ｖ２よりも小さい場合に対応し、これら各マップ３４ａ，３４ｂにおいて、Ｄｕｔｙ比は、評価値Ｉaが大きいほど大となるように設定されている。一方、図４（ｃ）に示すマップ３４ｃは、出力電圧Ｖoutが所定電圧Ｖ２以上である場合に対応し、同マップ３４ｃにおいて、Ｄｕｔｙ比は評価値Ｉaに関わらずゼロに設定されている。そして、コントローラ２７は、検出される出力電圧Ｖoutの値に応じてこれら各マップ３４ａ〜３４ｃの何れかを選択し、そのマップに評価値Ｉaを照合することにより、昇圧回路２６の出力電流値Ｉchが所定の値Ｉmax以下となるようなＤｕｔｙ比を決定する。

つまり、図５に示すように、本実施形態の電流源２１は、その出力電圧Ｖout、即ちキャパシタ２２の端子間電圧が所定電圧Ｖ２に満たない場合においては、所定の値Ｉmaxを最大値とする電流を出力することによりキャパシタ２２を充電する。そして、キャパシタ２２の端子間電圧が所定電圧Ｖ２以上となった場合には、その電流出力、即ちキャパシタ２２の充電を停止する。そして、アシスト力の付与、即ちモータ２の作動に伴いキャパシタ２２の電位が低下した場合には、再び上記のようにキャパシタ２２の充電を行うようになっている。

尚、図６に示すように、本実施形態では、上記所定電圧Ｖ２は、緊急操舵時においてモータ２の駆動に要求される電圧（緊急操舵時要求ポイント）よりも高く設定されている（例えば４０Ｖ程度）。そして、キャパシタ２２の容量は、このような緊急操舵後、連続して据え切りが行われた場合においても、その際に要求される電圧（据え切り時要求ポイント）よりも高い端子間電圧（所定電圧Ｖ１）が確保されるように設定されている（例えば３０Ｖ程度）。

以上、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）バッテリ１３と駆動回路１２との間の電力供給経路２０の途中には、出力電流値Ｉchを所定の値Ｉmaxに制限するとともに電源電圧Ｖbを昇圧して出力可能な昇圧機能を有する電流源２１と、該電流源２１の出力電力を蓄電して駆動回路１２に供給可能なキャパシタ２２とが設けられる。そして、その出力電流値Ｉchが所定の値Ｉmaxに制限された電流源２１の出力電力によりキャパシタ２２を充電し、アシスト力付与時には、このキャパシタ２２から放出される電力、即ち同キャパシタ２２の端子間電圧に基づいてモータ２に対する駆動電力の供給を行う。

上記構成によれば、キャパシタ２２の端子間電圧、即ち電流源２１の出力電圧Ｖoutの最大値を電源電圧Ｖbよりも高く設定することで、緊急操舵時や素早い据え切り時等に要求される大電力の供給が可能になるとともに、キャパシタ２２への充電の完了後は、電流源２１からの電流出力を停止することができる。従って、電源電圧Ｖbの昇圧に伴うエネルギー損失を最小限に抑えつつ、その立ち上がり特性の改善及びアシスト力の強化を図ることができる。また、アシスト力付与時にバッテリ１３から一度に大電力を引き出すことがないことからバッテリ１３の負荷を軽減することができ、これにより電源容量を小さなものとしてバッテリ１３の小型化及びその重量の低減を図ることが可能になる。加えて、電流源２１（の昇圧回路２６）の負荷も軽減することから同電流源２１を小型化することができ、これによりバッテリ１３の小型化とも併せてコストの低減を図ることができる。

（２）電流源２１とキャパシタ２２との間を接続する配線２３ａ，２３ｂの配線径は、電力供給経路２０を構成するその他の配線の配線径よりも細く設定される。即ち、電流源２１の出力電流値Ｉchは、最大でも所定の値Ｉmaxに制限されるため、電流源２１とキャパシタ２２との間を接続する配線２３ａ，２３ｂは、その所定の値Ｉmaxに対応する配線径があれば十分である。そして、上記構成により、配線重量を大幅に低減することができる。尚、こうした電流源２１とキャパシタ２２との間の配線径を細くする効果は、電流源２１とキャパシタ２２との間の距離が離れているほど顕著なものとなる。従って、車両搭載時においては、電流源２１は、できる限りバッテリ１３の近くに、キャパシタ２２は、できる限り駆動回路１２（ＥＣＵ３）の近くに設置するのが望ましい。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明をラックアシスト型のＥＰＳ１に具体化したが、コラム型等、その他の型式のＥＰＳに具体化してもよい。尚、コラム型ＥＰＳでは、モータ（ＥＰＳアクチュエータ）及びＥＣＵが車室内に設置されるため、電力供給経路が長くなる。従って、本発明を適用して電流源とキャパシタとの間の配線径を細くする効果（上記（１）参照）はより顕著なものとなる。

・本実施形態では、ＥＰＳ１のモータ２にはブラシレスモータが採用されることとしたが、これに限らず直流モータを駆動源とするＥＰＳに具体化してもよい。
・また、電流源の構成は、本実施形態に記載したものに限らない。即ち、例えば、本実施形態では、昇圧回路２６はコイル２８、二つのＦＥＴ２９ａ，２９ｂ、及び平滑コンデンサ３０により構成されることとしたが、これ以外の構成を有する昇圧回路を用いてもよい。

・本実施形態では、キャパシタ２２には、所謂スーパーキャパシタと称される電気二重層キャパシタを採用したが、その他の形式のキャパシタを用いてもよい。

本実施形態の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 本実施形態のＥＰＳの電気的構成を示すブロック図。 電流源の構成を示すブロック図。 （ａ）〜（ｃ）マップの概略構成図。 本実施形態のＥＰＳの作用を示す説明図。 設定された所定電圧の説明図。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２…モータ、３…ＥＣＵ、１２…駆動回路、１３…バッテリ、２０…電力供給経路、２１…電流源、２２…キャパシタ、２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂ…配線、２６…昇圧回路、２７…コントローラ、Ｖb…電源電圧、Ｖout…出力電圧、Ｖ１，Ｖ２…所定電圧、Ｉch…出力電流値、Ｉmax…所定の値。

Claims (5)

1. モータを駆動源として操舵系にアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置であって、
   電源と前記モータに駆動電力を供給する駆動回路との間の電力供給経路の途中に、出力電流値を所定の値に制限するとともに電源電圧を昇圧して出力可能な昇圧機能を有する電流源と、該電流源の出力電力を蓄電して前記駆動回路に供給可能なキャパシタとを設けたこと、を特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記電流源と前記キャパシタとの間の配線径は、前記電力供給経路におけるその他の部分の配線径よりも細く設定されること、を特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記電流源は、出力電圧が所定電圧以上となった場合には電流出力を停止すること、
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記所定電圧は、緊急操舵時において前記モータの駆動に要求される電圧よりも高く設定されること、を特徴とする電動パワーステアリング装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記キャパシタは、電気二重層キャパシタであること、
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。

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