JP2007099038A - パワーステアリング装置 - Google Patents

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哲 高橋
Toshimitsu Sakaki
敏光 榊
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Kazuya Yamano
和也 山野
Michiko Honbo
享子 本棒
Masanori Sakai
政則 酒井
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Abstract

【課題】 非操舵状態から操舵状態へと切り替わる際であっても、電動機の駆動を安定化させたパワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】 操舵機構の操舵力を補助する油圧パワーシリンダと、油圧パワーシリンダを駆動する油圧を供給する油圧ポンプと、油圧ポンプを駆動するモータと、電源と、モータの出力を制御するコントロールユニットとを備え、コントロールユニットは、操舵機構に作用する操舵力と操舵方向とに基づき、電源からモータへ供給される電力を制御することで油圧パワーシリンダによる補助操舵力を制御するよう構成されたパワーステアリング装置であって、電源は、薄板帯状の正極板と、薄板帯状の負極板と、正極板と負極板との間に配置された帯状のセパレータとを備え、これら正極板と負極板とセパレータとを捲回して電解液に浸漬された鉛電池で構成されることとした。
【選択図】 図4

Description

本発明はパワーステアリング装置に関し、特に電動機により操舵アシスト力を得るパワーステアリング装置に関する。
従来、特許文献1に開示される電動式パワーステアリング装置にあっては、電動モータにより駆動される可逆式ポンプから油圧パワーシリンダへ選択的に油圧を供給することにより、操舵アシストを行っている。
特開2003−267233号公報
しかしながら上記従来技術にあっては、このパワーステアリング装置は、電動モータの駆動力を減速ギヤを介して操舵軸に伝達するいわゆる直動型パワーステアリング装置に比べ、電動モータが高回転域で使用される。また、車両直進状態では電動モータがほぼ停止状態となるため、非操舵状態から操舵状態へと切り替わる際に電動モータの回転数変化が非常に大きい。そのため、電動モータに電力を供給する電源の電圧降下幅が大きく、電源電圧降下時に安定した電動機の駆動ができない、という問題があった。
本発明は上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、非操舵状態から操舵状態へと切り替わる際であっても、電動機の駆動を安定化させたパワーステアリング装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明では、操舵機構の操舵力を補助する油圧パワーシリンダと、前記油圧パワーシリンダを駆動する油圧を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動するモータと、電源と、前記モータの出力を制御するコントロールユニットとを備え、前記コントロールユニットは、前記操舵機構に作用する操舵力と操舵方向とに基づき、前記電源から前記モータへ供給される電力を制御することで前記油圧パワーシリンダによる補助操舵力を制御するよう構成されたパワーステアリング装置であって、前記電源は、薄板帯状の正極板と、薄板帯状の負極板と、前記正極板と負極板との間に配置された帯状のセパレータとを備え、これら正極板と負極板とセパレータとを捲回して電解液に浸漬された鉛電池で構成されることとした。
よって、非操舵状態から操舵状態へと切り替わる際であっても、電源電圧降下を抑制して電動機の駆動を安定化させたパワーステアリング装置を提供できる。
以下、本発明のパワーステアリング装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例1に基づいて説明する。
[システム構成]
実施例1につき図1ないし図19に基づき説明する。図1は、本願パワーステアリング装置のシステム構成図である。
運転者がステアリングホイール1を操舵すると、シャフト2を介してピニオン3が駆動され、いわゆるラック&ピニオン機構によりラック軸4が軸方向に移動し、前輪を操舵する。シャフト2には、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサTSが設けられ、コントロールユニット40に対しトルク信号を出力する。
ラック軸4には、運転者の操舵トルクに応じてラック軸4の移動をアシストするパワーステアリング機構が設けられている。パワーステアリング機構は、モータ30、双方向ポンプ20、シリンダ6を備える。
シリンダ6は、軸方向移動可能に設けられたピストン63により第1シリンダ室61及び第2シリンダ室62に画成される。第1、第2シリンダ室61,62は第1、第2通路51,52を介して双方向ポンプ20と接続し、第1、第2シリンダ室61,62の容積変化させることでラック軸4を軸方向移動させる。また、第1、第2通路51,52はそれぞれ電磁切換バルブ50に接続する。
電磁切換バルブ50は常開のフェールセーフバルブであり、システム失陥時に開弁されて第1、第2通路51,52を連通して作動油を高圧側から低圧側へ導入することで第1、第2通路51,52の連通を確保して運転者の操舵負荷を低減するものである。通常時にはコントロールユニット40により励磁されて閉弁される。
コントロールユニット40はバッテリ10から電源供給を受け、トルクセンサTSからのトルク信号(操舵力および操舵方向)に加えてイグニッションIGN(図2参照)からのスイッチ信号、車速センサ7からの車速信号等が入力される。これら各種信号に基づいて操舵アシスト力を決定し、モータ30へ指令信号を出力する。
モータ30はイナーシャ特性に優れたブラシレスモータであり、正・逆回転の変更頻度が高い双方向ポンプ20の応答性を向上させて操舵フィーリングを改善するものである。
[バッテリの詳細]
図2はバッテリ10の斜視図、図3はバッテリ10を構成する鉛電池100の斜視図、図4は鉛電池100の部分断面図である。バッテリ10は複数の鉛電池100から構成される14V系の電池であり、正極11、負極12および鉛電池100同士の電気的接続を行う接続端子13を有する。
鉛電池100は薄板帯状の正極板110と、薄板帯状の負極板120と、正極板110と負極板120との間に配置された帯状のセパレータ130とを備え、これらの正極板110、負極板120、およびセパレータ130を捲回して電槽140に充填された電解液に浸漬されている。正極板110は正極端子101、負極板120は負極端子102とそれぞれ接続する。電解液は注液孔104から注入されて蓋103により液密に充填される。
この鉛電池100は、電解液に浸漬された渦巻状の極板群を構成する正極板110の面積が1500〜15000cm2、鉛電池100の最大外径寸法を直方体として見積もった場合の正極板110の単位体積あたり面積が1700〜17000cm2である。また、鉛電池100は少なくとも100Aの電流が瞬時に出力された場合であっても、12Vよりも高い電圧を出力可能なものとする。
[ポンプの詳細]
(軸方向断面図)
図5はポンプ20の軸方向断面図である。ポンプ20はいわゆる双方向ポンプであり、第1、第2ハウジング21,22、アウタロータ23、インナロータ24、カムリング25、及び駆動軸26を有する。内周側から順にインナロータ24、アウタロータ23、カムリング25の順に配置され、z軸正、負方向から第1、第2ハウジング21,22により挟持されて収装される。
第1ハウジング21のz軸正方向面21a及び第2ハウジング22のz軸負方向面22aであって、I−I直線に対しx軸負方向にはそれぞれ第1、第2吸入ポート210,220が設けられ、x軸正方向にはそれぞれ第1、第2吐出ポート230,240が設けられている。
第1ハウジング21内部には第1、第2通路51,52が設けられ、パワーステアリング装置の油圧回路と第1吸入、吐出ポート210,220とを接続し、油圧回路に作動油を供給する。また、第1ハウジング21のz軸負方向側にはモータ30が設けられ、駆動軸26と接続する。また、第2ハウジング22のz軸正方向側にはリザーバ28が設けられ、第1、第2油路231,241を介して第2吸入、吐出ポート220,240と接続する。
(径方向正面図)
図6は第2ハウジング22を取り去ったポンプ20の上面図である。なお、図2においては図面の法線方向をz軸とする。また、図2では第1ハウジング21のみ図示するが、第1ハウジング21を取り去ったポンプ20の下面図にあっても図6と同様であり、カムリング25等を収装する部分の形態は第1、第2ハウジング21,22は同様であるため、第2ハウジング22についての説明は省略する。
アウタロータ23の内周およびインナロータ24の外周にはそれぞれ内歯歯車23aおよび外歯歯車24aが設けられ、内歯歯車23aおよび外歯歯車24aが噛合わされてインナロータ24はアウタロータ23に収装される。内歯歯車23aの歯数は外歯歯車24aの歯数よりも1つ多く設けられているが、2つ以上多く設けられていてもよく特に限定しない。
第1ハウジング21に設けられた第1吸入ポート210及び第1吐出ポート220は、アウタロータ23に設けられた内歯歯車23aと、インナロータ24に設けられた外歯歯車24aの噛合い部分に対応する位置に開口する。また、I−I直線近傍において開口を閉塞し、かつI−I直線に対し対称に設けられている。なお、第2ハウジング22にも、内歯歯車23aと外歯歯車24aに対応する位置には第2吸入、吐出ポート230,240が設けられている。
収装時には内歯歯車23aと外歯歯車24aが噛合うよう収装されるが、内歯歯車23aの歯数は外歯歯車24aの歯数よりも1つ多いため、内歯歯車23aと外歯歯車24aが噛合う際互いに偏心して噛合うこととなる。偏心により内歯歯車23aと外歯歯車24aにより隔成されたポンプ室27が形成される。
アウタロータ23とインナロータ24の偏心により、内歯歯車23aと外歯歯車24aはそれぞれy軸正方向へ向かうほど密に噛合い、y軸正方向端部Aにおいて完全に噛合ってポンプ室27は最小容積となる。また、y軸負方向へ向かうほど噛合を解かれ、y軸負方向端部Bにおいて完全に噛合を解かれて最大ポンプ容積となる。
すなわち、インナロータ24及びアウタロータ23が反時計回りに回転されると、ポンプ室27におけるI−I直線に対しx軸負方向側領域では回転に伴って容積が増加する吸入領域261となり、x軸正方向側領域では回転に伴って容積が減少する吐出領域262となる。
z軸と平行に設けられた駆動軸26は、図1に示すモータ30に接続されてインナロータ24を駆動する。インナロータ24とアウタロータ23の噛み合いにより、駆動軸26の回転に伴ってインナロータ24及びアウタロータ23は回転駆動され、この駆動軸26が正逆回転を行うことでポンプ20は双方向ポンプとして機能する。
(電磁切換弁付近の詳細)
図7は図6のI−I断面図、図8は図7のII−II断面図である。第1ハウジング21内部にはスプールバルブ60が設けられ、第1、第2通路51,52と接続する。また、第1ハウジング21のy軸負方向側には電磁切換バルブ50が設けられ、バイパス通路53,54を介して第1、第2通路51,52と接続して第1、第2通路51,52同士の連通/遮断を行う。第1、第2通路51,52とリザーバ28とは第2ハウジング22内の戻し油路55により接続される。
[モータの詳細]
(軸方向断面図)
図9はモータ30のz軸方向断面図である。モータ30はステータ310、ロータ320を有し、回転位置センサ330によるロータ320の回転位置検出値に基づいてステータ310に通電を行うブラシレスモータであって、回転位置センサ330はロータ320のz軸正方向側に設けられている。なお、モータ30はブラシ付きモータであってもよく特に限定しない。
ステータ310はステータコア311を有し、このステータコア311にはステータコイル312が捲回されている。また、ステータコイル312はz軸負方向側端部はz軸負方向に突出して結線リングCRと接続し、結線リングCRはパワーケーブル341と接続してバッテリ10からの電力供給を受ける。
ロータ320はシャフト321およびマグネット322を有し、マグネット322はロータ320外周部分に設けられてステータ310に対し空隙を介して対向配置される。また、回転位置センサ330は信号ケーブル342と接続して回転信号を出力する。
(径方向断面図)
図10は、モータ30の径方向断面図である。ステータ310は12極であり、4つのステータコア311を1組としてU,V,Wの各相を有する。ステータ310はステータコア311にステータコイル312を捲回した構造であり、各極全て同一の構造である。ロータ320の外周には10個のマグネット322が設けられ、N,S極が交互に配置される。
U相はU1+、U1−、U2+、U2−の4相から構成され、それぞれのステータコア311にステータコイル312が捲回されてU相の各ステータ310を形成する。U1+相およびU1−相は互いに隣接して配置され、1本のステータコイル312が連続して捲回される。同様にU2+相およびU2−相も隣接配置されて1本のステータコイル312が連続して捲回される。
V相、W相についても、U相と同様にV1+〜V2−、W1+〜W2−の各4相から形成され、V1+,V1−およびV2+,V2−、W1+,W1−およびW2+,W2−はそれぞれ隣接配置されて1本のステータコイル312により捲回される。各相はそれぞれ結線リングCR(図9参照)により接続される。
(結線構造)
図11はモータ30における各相の結線図、図12はモータ30の軸方向正面図である。モータ30のU,V,W各相はそれぞれ結線リングCRにより接続され、この結線リングCRから電力供給を受ける。結線リングCRはデルタ結線であり、板状部材であるCR(UV)、CR(VW)、CR(WU)を備えている。
CR(UV)はU1−,U2−相とV1+,V2+相とを接続し、CR(VW)はV1−、V2−相とW1+,W2+相とを接続する。また、CR(WU)はW1−,W2−相とU1+,U2+相とを接続する。デルタ結線とすることでスター結線とする場合よりも端子電圧を低く設定可能とし、ステータコイル312の小径化を図るものである。
[コントロールユニットの制御構成]
図13はコントロールユニット40の制御ブロック図である。コントロールユニット40はインバータとして機能するパワーモジュール410と、パワーモジュール410を制御する制御モジュール420を備えている。バッテリ10からの直流電流は制御モジュール420およびパワーモジュール410を介して3相交流に変換され、モータ30に供給される。
制御モジュール420はエンジン駆動状態検出部421、警告制御部422、異常検出部423、電流決定部424、3相変換部425を有する。異常検出部423および電流決定部424は、それぞれ異常検出禁止部423a、転舵制御禁止部424aを備えている。
エンジン駆動状態検出部421はエンジン回転数Neに基づきエンジンEngの駆動/停止を判断し、判断結果を警告制御部422および電流決定部424へ出力する。警告制御部422はトルク信号Tおよび操舵角信号θに基づき、運転者により操舵が行われているかどうかを判断する。操舵中かつエンジン停止であればワーニングランプ8を点灯させ、運転者にエンジン停止中の過度な操舵操作の抑制を促す。
異常検出部423はトルクセンサTSの検出値にかかわらず電流決定部424へモータ駆動指令Sを出力する。また、シャント抵抗DRによりモータ30の電流値Imを検出し、この電流値Imに基づきモータ30の異常の有無を検出する。異常が検出された場合、電磁切換バルブ50を開弁する。
また、異常検出部423には電圧検出部9からバッテリ10の電圧Vが入力され、この電圧Vが所定値以下の場合、異常検出禁止部423aによりモータ30の異常検出を禁止する。
電流決定部424は、エンジン駆動/停止状態、バッテリ電圧V、トルク信号T、操舵角θに基づきモータ30への目標電流I*を決定し、3相変換部425へ出力する。バッテリ10は電圧降下幅の小さい捲回電池であるため、エンジン停止中であってもモータ30を駆動させることが可能である。また、エンジン停止状態の場合オルタネータによる発電が行われないため、エンジン駆動中よりも目標電流I*を小さくしてバッテリ電圧Vが過度に低下することを抑制する。
また、電流決定部424内の転舵制御禁止部424aは、エンジン停止時にバッテリ電圧Vが所定値以下となった場合、モータ30の駆動を停止し、操舵アシストを禁止する。エンジン停止中はオルタネータによる発電が行われないため、バッテリ電圧Vの過度の低下を未然に防止するものである。操舵アシスト禁止の際には、操舵フィーリングを損なわないよう目標電流I*を徐々に低下させる。
[コントロールユニットの回路構成]
図14は、コントロールユニット40の回路構成である。太線は導体であるバスバーB、2重丸は溶接接続を示す。
コントロールユニット40は、パワーモジュール410および制御モジュール420に加え、パワーモジュール410に電気的に接続された導体モジュール430を有する。
パワーモジュール410は半導体スイッチング素子SSWによりモータ30へ交流電流を出力するとともに、シャント抵抗DR1,DR2により電流値を検出し、増幅器AP1,AP2を介して制御モジュール420へ出力する。制御モジュール420はモータ30の目標電流I*を演算し、パワーモジュール410へ出力する。また、異常が検出された場合は電磁切換バルブ50を開弁する。
導体モジュール430は回路部品として第1〜第3リレーRY1〜RY3、第1、第2フィルタF1,F2、および第1、第2コンデンサC1,C2を有する。各回路部品RY1〜RY3、F1,F2、およびC1,C2の端子はそれぞれバスバーBと接続し、パワーモジュール410と電気的に接続する。このバスバーBは板状導体であって、各回路部品RY1〜RY3、F1,F2、およびC1,C2の各端子に溶接接続されて電気的接続を達成する。
各リレーRY1〜RY3はそれぞれ過電流保護用リレーであり、第1リレーRY1はバッテリ10からの過電流発生時にバッテリ10−パワーモジュール410間を遮断する。第2、第3リレーRY2,RY3はモータ30への過電流流入時にパワーモジュール410−モータ30間を遮断する。
各フィルタF1,F2はノイズ低減用フィルタであり、第1フィルタF1はバッテリ10と接続する回路のノイズ除去を行う。第2フィルタF2は第1、第2コンデンサC1,C2と連動することでフィルタを形成し、パワーモジュール410内の半導体スイッチング素子SSWの動作によるノイズ除去を行う。
[操舵アシストイニシャルチェック]
エンジン停止時にはオルタネータ(発電機)による発電が行われず、バッテリ10の充電が行われない。そのため、エンジン停止時に操舵アシストを行うとバッテリ10が消耗が早くなり、電圧が降下して正常な操舵アシストが行われないおそれがある。
したがって、エンジン停止時にはモータ30に対する目標電流I*を減少させ、バッテリ10の消費電力を抑制する。バッテリ電圧Vが所定値Va以下となった場合には、目標電流I*=0として操舵アシストを禁止する。
目標電流I*=0とする場合には、操舵アシスト力の急減による操舵フィーリングの悪化を防ぐため目標電流I*を徐々に逓減させ、最終的に0とする。また、エンジン停止中にステアリングホイールSWが操舵された場合は、ワーニングランプを点灯させて運転者に操舵操作の抑制を促す。
さらに、パワーステアリング装置に何らかの異常が発生した場合には、電磁切換バルブ50を開弁し、第1、第2シリンダ室61,62を連通させてマニュアルステアを確保する必要がある。したがって、異常を検出するために操舵トルクTにかかわらずポンプ20を駆動し、装置に異常があるかどうかをチェックする。
ここで、異常検出のためポンプ20を駆動した際、電磁切換バルブ50が閉弁されていると油圧シリンダ6にポンプ圧が作用して転舵輪が転舵されてしまう(図1参照)。したがって、異常検出時には電磁切換バルブ50を開弁し、ポンプ20の吸入/吐出側を連通させてポンプ圧がシリンダ6に作用することを回避する。
本願実施例では放電特性に優れた捲回タイプのバッテリ10を採用しているため、エンジン始動直後においてオルタネータの発電が不十分である場合であっても、モータ30が電力不足となることはない。したがって、エンジン始動直後に異常検出を行う場合であっても、電力不足による装置異常が発生することなく、正確な異常検出を達成するものである。
[イニシャルチェック制御処理]
図15は、イニシャルチェック制御処理の流れを示すフローチャートである。以下、各ステップにつき説明する。
ステップS101ではエンジン回転数Neが0であるかどうかが判断され、TESであればエンジン停止としてステップS102へ移行し、NOであればエンジン駆動中としてステップS103へ移行する。
ステップS102ではエンジン停止フラグFe=1とし、ステップS104へ移行する。
ステップS103ではF1=0とし、ステップS104へ移行する。
ステップS104ではバッテリ電圧V≦所定値Vaであるかどうかが判断され、YESであれば電圧低下としてステップS105へ移行し、NOであればステップS106へ移行する。
ステップS105ではバッテリ電圧低下フラグFv=1とし、ステップS107へ移行する。
ステップS106ではFv=0とし、ステップS107へ移行する。
ステップS107では目標電流I*が演算され、ステップS108へ移行する。
ステップS108ではエンジン停止フラグFe=1であるかどうかが判断され、YESであればステップS109へ移行し、NOであればステップA110へ移行する。
ステップS109では目標電流I*を減少させ、ステップS110へ移行する。
ステップS110ではバッテリ電圧低下フラグFv=1であるかどうかが判断され、YESであればステップSS113へ移行し、NOであればステップS111へ移行する。
ステップS111では異常検出制御が実行され、ステップS112へ移行する。
ステップS112では装置に異常があるかどうかが判断され、TESであればステップS117へ移行し、NOであればステップS116へ移行する。
ステップS113では操舵トルクT≠0であるかどうかが判断され、YESであればステップS114へ移行し、NOであればステップS115へ移行する。
ステップS114ではワーニングランプ8を点灯させ、ステップS115へ移行する。
ステップS115では目標電流I*を0に逓減させ、ステップS116へ移行する。
ステップS116では目標電流I*を出力し、制御を終了する。
ステップS117では目標電流I*=0とし、制御を終了する。
[異常検出制御処理]
図16は、異常検出制御処理制御(図15:ステップS111)の流れを示すフローチャートである。以下、各ステップにつき説明する。
ステップS201では電磁切換バルブ50を開弁し、ステップS202へ移行する。
ステップS202では操舵トルクTとは無関係にモータ30を駆動し、ステップS203へ移行する。
ステップS203ではモータ回転数Nm=0であるかどうかが判断され、YESであればステップS206へ移行し、NOであればステップS204へ移行する。
ステップS204ではカウンタt=0として時間計測を開始し、ステップS205へ移行する。
ステップS205では計測時間t≧所定値αであるかどうかが判断され、YESであればステップS207へ移行し、NOであればステップS206へ移行する。
ステップS206では異常なしとされ、ステップS112(図15参照)へ移行する。
ステップS207では異常ありとされ、ステップS112へ移行する。
[バッテリ特性の経時変化(エンジン始動時)]
図17は従来型のバッテリと本願の捲回型バッテリ10の特性図の対比である。(a)は捲回型、(b)は従来型を示す。捲回型は従来型に比べ容量が大きく、充電特性に優れ、使用時の電圧降下も低いという特性がある。以下、時間を追って説明する。
(時刻t1)
時刻t1においてイグニッションスイッチがONされ、セルモータ(図示せず)の駆動によりバッテリ電圧Vが停止時電圧Vsから低下する。
(時刻t2)
時刻t2においてエンジンEngが始動し、オルタネータによる充電が開始されてバッテリ電圧Vが上昇を開始する。
(時刻t3)
時刻t3において従来型バッテリの容量がほぼ満たされ、電圧が上限値Vmaxとなる。過充電を回避するため従来型においては充電電流が低下する。本願の捲回型バッテリ10は容量が大きいため、時刻t3においては容量が満たされず電圧Vも上限Vmaxに達していない。
(時刻t4)
時刻t4において本願の捲回型バッテリ10の容量が満たされ、電圧Vが上限値Vmaxに到達して充電電流が低下する。
(時刻t5)
時刻t5において運転者による操舵が開始され、モータ30が駆動されて操舵アシスト力が発生する。モータ30の電力消費により、本願、従来型ともにバッテリ電圧Vが低下するが、捲回タイプを採用した本願のバッテリ10は停止時電圧Vsよりも高電位である。一方、従来型はVsよりも低電位となっている。
(時刻t6)
時刻t6において運転者による操舵が終了し、モータ30が停止してオルタネータによる充電が再び行われる。本願の捲回型バッテリ10は充電特性に優れるため、充電開始とほぼ同時にバッテリ電圧Vが上限値Vmaxに達する。一方、充電特性に劣る従来型では、電圧が上限値Vmaxに至るまでタイムラグが生じる。
(時刻t7)
時刻t7において本願のバッテリ10の容量がほぼ満たされ、充電電流が低下する。従来型ではバッテリの容量が満たされないため充電電流は未だ低下しない。
(時刻t8)
時刻t8において従来型バッテリの容量がほぼ満たされ、充電電流が低下する。
(時刻t9以降)
時刻t5〜t9を繰り返す。
[バッテリ特性の経時変化(エンジン停止時)]
図18は、エンジン停止時に操舵アシストを行った際の従来型のバッテリと本願の捲回型バッテリ10の特性図の対比である。(a)は捲回型、(b)は従来型である。なお、エンジン停止時のバッテリ電圧をVs、モータ30を駆動するための必要最低電圧をVminとする。
時刻t11において運転者による操舵が開始され、本願、従来型ともにバッテリ電圧Vが低下する。その際、本願の捲回型バッテリ10では、電圧降下が少ないため必要最低電圧Vinを下回らない。一方、従来型のバッテリでは電圧が大きく降下し、Vminを下回る。
したがって、従来型ではエンジン停止時の操舵アシストは不可能であるが、本願の捲回型バッテリ10を用いることによりエンジン停止中であっても操舵アシストを行うことが可能である。
[パワーステアリング装置における直動型と油圧型のモータ特性の差異]
図19は、直動型パワーステアリング装置と油圧型パワーステアリング装置に要求されるモータ特性の差異を示す図である。図19は高回転低トルク型モータと、低回転高トルク型モータのトルク−効率曲線である。
図19に示すように、高回転低トルク型モータは最高効率に優れるもののトルク増大に伴って効率は急低下する。一方、低回転高トルク型モータは、トルク変動は小さいものの効率面で劣る。
ここで、本願油圧パワーステアリング装置はポンプ20を駆動して油圧を発生させ、シリンダ6内の圧力変化により操舵アシスト力を得るものであるため、モータトルクによりラック軸を直接移動させる直動型パワーステアリング装置に比べ要求されるトルクが小さい。そのため、油圧パワーステアリング装置では高回転低トルク型モータを使用し、高回転高効率領域のみを使用することが望ましい。
高回転高効率領域のみを使用する場合、バッテリ電圧が低下するとモータ回転数が大幅に減少して効率が悪化するため、電圧低下の少ないバッテリが不可欠である。本願実施例では電圧低下の少ない捲回型バッテリ10を搭載しているため、モータ30を高効率領域のみで安定駆動させることが可能である。
[本願実施例の効果]
(1)本願実施例では、モータ30によりポンプ20を駆動して作動油をシリンダ6に給排するパワーステアリング装置において、コントロールユニット40により電流制御を行うとともに、電力源として薄板帯状の正極板110、負極板120と、正極板110、負極板120との間に配置された帯状のセパレータ130とを備え、これら正極板110、負極板120、セパレータ130を捲回して電解液に浸漬された鉛電池で構成された捲回タイプのバッテリ10を用いることとした。
バッテリ10を電圧降下の少ない捲回型とすることで、安定した操舵アシスト力を得ることができる。また、捲回型のバッテリ10を用いることで大型車など大きな操舵アシスト力が必要な車種にも本願パワーステアリング装置を適用することが可能となるため、搭載可能車種の拡大により産業上有用である。
(2)(1)と同様のバッテリ10を動力源とし、モータ30により可逆式ポンプ20を駆動し、シリンダ6に作動油を供給することで操舵アシスト力を得るパワーステアリング装置において、モータ30はステータ310とロータ320とを有し、ステータ310はステータコア311と、ステータコイル312と、結線部材313とを備え、ステータコイル312は複数の相巻線U1+〜W2−から構成され、端部がステータコア311の軸方向片側から軸方向に突出して結線部材313で電気的に接続され、結線部材313は、相巻線U1+〜W2−の端部に接合され、U1+〜W2−を相毎に電気的に接続する板状導体CR(UV)〜CR(WU)を備え、この結線部材313を介してコントロールユニット40からステータコイル312に交流電流を供給することとした。
これにより、上記(1)の効果に加え、結線部材313を板状導体とすることで、ステータコイルに大電流を流し、モータ30の出力を向上させることができる。
(3)バッテリ10は、電解液に浸漬された渦巻状の極板群を構成する正極板110の面積が1500〜15000cm2、バッテリ10の最大外径寸法を直方体として見積もった場合の正極板110の単位体積あたり面積が1700〜17000cm2の鉛電池とした。これにより、バッテリ10のスペックを確保し、パワーステアリング装置の電源としてより適したバッテリとすることができる。
(4)バッテリ10は14V系であり、モータ30のステータコイル312は、複数の相巻線U1+〜W2−を相毎に電気的に接続してなる複数の相巻線群U1+〜W2−がデルタ結線で電気的に接続されることとした。デルタ結線とすることで、スター結線とする場合よりも端子電圧を低く設定し、ステータコイル312の小径化を図ることができる。
(5)コントロールユニット40は、半導体スイッチング素子SSWを備えたパワーモジュール410と、制御モジュール420と、パワーモジュール410に電気的に接続された導体モジュール430とを有し、導体モジュール430は、パワーモジュール410に接続されたバスバーBと、少なくともこのバスバーBに電気的に接続されたフィルタF1,F2およびコンデンサC1,C2とを備える。バスバーBは、バッテリ10側から供給された直流電力をパワーモジュール410に導く回路を形成する。このフィルタF1,F2およびコンデンサC1,C2は、バスバーBとの接続用の端子を備え、各端子とバスバーBとは、面接触するとともに溶接接合されることとした。
パワーモジュール410にはモータ30駆動用の大電流が流れるため、バスバーBと各端子との接続は大電流に耐えられるものでなければならない。そこで、各端子とバスバーBとの接続を溶接接続とし、大電流に対応した接続を達成させることができる。
(6)油圧パワーシリンダ6の両圧力室61,62相互間または両連通路51,52相互間をバイパスするバイパス通路53,54と、バイパス通路53,54の途中に介装された電磁切換バルブ50とをさらに備え、コントロールユニット40は、半導体スイッチング素子SSWを備えたパワーモジュール410と、制御モジュール420と、パワーモジュール410に電気的に接続された導体モジュール430とを有することとした。また、導体モジュール430は、パワーモジュール410に接続されたバスバーBと、少なくともこのバスバーBに電気的に接続されたリレーRY1〜RY3およびコンデンサC1,C2とを備える。バスバーBは、バッテリ10側から供給された直流電力をパワーモジュール410に導く回路を形成し、リレーRY1〜RY3およびコンデンサC1,C2は、バスバーBとの接続用の端子を備え、この端子とバスバーBとは、面接触するとともに溶接接合され、異常発生時には電磁切換バルブ50が開放されるとともに、リレーRY1〜RY3が開放されることとした。
これにより、パワーステアリング装置に何らかの異常が発生した場合には、電磁切換バルブ50を開弁し、第1、第2シリンダ室61,62を連通させてマニュアルステアを確保することができる。
(7)バッテリ10は、電解液に浸漬された渦巻状の極板群を備えるとともに、少なくとも100Aの電流が瞬時に出力された場合であっても、12Vよりも高い電圧を出力可能な鉛電池とした。これにより、高電圧かつ大電流が必要なパワーステアリング装置の電源として適したスペックを確保することができる。
(8)転舵輪FL,FRに連結され、第1、第2シリンダ室61,62を有する油圧パワーシリンダ6と、油圧パワーシリンダ6の第1および第2シリンダ室61,62に対し、第1、第2通路51,52を介して油圧を供給する一対の吐出口210,220を備えた可逆式ポンプ20と、可逆式ポンプ20を正/逆回転させるモータ30と、モータ30を駆動制御するパワーモジュール410と、転舵輪FL,FRを転舵制御するステアリングホイールSWの操舵トルクを検出または推定するトルクセンサTSと、操舵トルクTに基づき、パワーモジュール410に制御信号を出力する制御モジュール420と、電解液と、薄板帯状に形成された正極板110および負極板120と、この正極板110と負極板120との間に設けられた帯状のセパレータ130とからなる積層板が捲回された極板群とから構成され、パワーモジュール410に接続される捲回型のバッテリ10とを備えることとした。
これにより、モータ30の駆動トルクを油圧を介して転舵輪FL,FRに伝達することが可能となり、同形のモータおよびバッテリを使用した直動型パワーステアリング装置に比べてより大きなアシストトルクを発生させることができる。また、直動型パワーステアリング装置に比べ、油圧型パワーステアリング装置ではより高回転低トルク型を用いるため、モータを高回転高効率領域のみで使用することが可能であるが、高回転高効率を達成するためには電源電圧の低下は大きな障害となる。本願では電圧降下の低い捲回型のバッテリ10を使用することにより、モータ30を高効率かつ安定的に駆動させることができる。
(9)操舵トルクTとは無関係にモータ30を駆動し、モータ30の駆動状態に基づき装置の異常を検出する異常検出部423と、異常検出部423による検査中に可逆式ポンプ20内の作動油を吐出側から吸入側へ移動させるバイパス通路53,54および電磁切換バルブ50とを備えることとした。
異常検出のためポンプ20を駆動した際、電磁切換バルブ50が閉弁されていると油圧シリンダ6にポンプ圧が作用して転舵輪が転舵されてしまう。したがって、異常検出時には電磁切換バルブ50を開弁することにより、ポンプ20の吸入/吐出側を連通させてポンプ圧がシリンダ6に作用することを回避することができる。
(10)バッテリ10の電圧値を検出する電圧検出部9と、検出された電圧値Vが所定値Va以下のとき、異常検出部423による装置の異常検出を禁止する異常検出禁止部423aを備えることとした。これにより、バッテリ電圧Vが低く異常検出を実施するには電圧が不十分である場合には異常検出を禁止することにより、バッテリ10の過度な電圧低下を防止するとともに、電圧不足による誤検出を回避することができる。
(11)エンジン停止時においても転舵輪FL,FRの転舵制御を行うこととした。本願実施例では放電特性に優れた捲回タイプのバッテリ10を採用しているため、エンジン始動直後においてオルタネータの発電が不十分である場合であっても、転舵制御を実行することができる。
(12)エンジンEngの駆動状態を検出するエンジン駆動状態検出部421をさらに備え、エンジン駆動状態検出部421によりエンジン停止と判断されたとき、制御モジュール420は、モータ30に供給される目標電流I*をエンジン駆動時における目標電流I*よりも小さくすることとした。これにより、エンジン停止時であってオルタネータによる発電が行われない場合、モータ30への目標電流値I*を抑制することで、過度の電圧低下を回避しつつ転舵制御を実行することができる。
(13)エンジンEngの駆動状態を検出するエンジン駆動状態検出部421と、運転者に対し警告を発するワーニングランプ8に制御信号を出力する警告制御部422とを備え、警告制御部422は、エンジン駆動状態検出部421によりエンジン停止と判断され、かつ転舵輪FL,FRが転舵制御されたとき、ワーニングランプ8に制御信号を出力することとした。これにより、運転者にエンジン停止中の過度な操舵操作の抑制を促すことができる。
(14)エンジンEngの駆動状態を検出するエンジン駆動状態検出部421と、バッテリ10の電圧Vを検出する電圧検出部9と、電圧Vが所定値Va以下のとき、転舵輪FL,FRの転舵制御を禁止する転舵制御禁止部424aとを備えることとした。これにより、エンジン停止中の転舵制御を抑制することで、バッテリ電圧の過度な低下を防止することができる。
(15)転舵制御禁止部424aは、電圧Vが所定値Va以下のとき、モータ30のへ供給される目標電流I*を徐々に低下させることとした。目標電流I*を徐々に低下させることで、操舵フィーリングを損なわずに転舵制御を禁止することができる。
[他の実施例]
以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例1に基づいて説明してきたが、本発明の具体的な構成は各実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
本願パワーステアリング装置のシステム構成図である。 バッテリの斜視図である。 バッテリを構成する鉛電池の斜視図である。 鉛電池の部分断面図である。 ポンプの軸方向断面図である。 第2ハウジングを取り去ったポンプの上面図である。 図6のI−I断面図である。 図7のII−II断面図である。 モータのz軸方向断面図である。 モータの径方向断面図である。 モータにおける各相の結線図である。 モータの軸方向正面図である。 コントロールユニットの制御ブロック図である。 コントロールユニットの回路構成である。 イニシャルチェック制御処理の流れを示すフローチャートである。 異常検出制御処理制御の流れを示すフローチャートである。 エンジン始動時における従来型のバッテリと本願の捲回型バッテリの特性図の対比である。 エンジン停止時に操舵アシストを行った際の従来型のバッテリと本願の捲回型バッテリの特性図の対比である。 高回転低トルク型モータと低回転高トルク型モータのトルク−効率曲線の対比である。
符号の説明
1 ステアリングホイール
2 シャフト
3 ピニオン
4 ラック軸
6 シリンダ
7 車速センサ
8 ワーニングランプ
9 電圧検出部
10 バッテリ
11 正極
12 負極
13 接続端子
20 ポンプ
21,22 第1、第2ハウジング
21a z軸正方向面
22a z軸負方向面
23 アウタロータ
23a 内歯歯車
24 インナロータ
24a 外歯歯車
25 カムリング
26 駆動軸
27 ポンプ室
28 リザーバ
30 モータ
40 コントロールユニット
50 電磁切換バルブ
51,52 連通路
53,54 バイパス通路
55 油路
60 スプールバルブ
61,62 第1、第2シリンダ室
63 ピストン
100 鉛電池
101 正極端子
102 負極端子
103 蓋
104 注液孔
110 正極板
120 負極板
130 セパレータ
140 電槽
210,220 第1吸入、吐出ポート
230,240 第2吸入、吐出ポート
231,241 油路
261 吸入領域
262 吐出領域
310 ステータ
311 ステータコア
312 ステータコイル
313 結線部材
320 ロータ
321 シャフト
322 マグネット
330 回転位置センサ
341 パワーケーブル
342 信号ケーブル
410 パワーモジュール
420 制御モジュール
421 エンジン駆動状態検出部
422 警告制御部
423 異常検出部
423a 異常検出禁止部
424a 転舵制御禁止部
424 電流決定部
425 3相変換部
430 導体モジュール
AP1,AP2 増幅器
B バスバー
C1,C2 コンデンサ
CR 板状導体
DR1,DR2 シャント抵抗
F1,F2 フィルタ
IGN イグニッション
RY1〜RY3 リレー
SSW 半導体スイッチング素子
SW ステアリングホイール
TS トルクセンサ
U1〜W2− 相巻線

Claims (15)

  1. 操舵機構の操舵力を補助する油圧パワーシリンダと、
    前記油圧パワーシリンダを駆動する油圧を供給する油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプを駆動するモータと、
    電源と、
    前記モータの出力を制御するコントロールユニットと
    を備え、
    前記コントロールユニットは、前記操舵機構に作用する操舵力と操舵方向とに基づき、前記電源から前記モータへ供給される電力を制御することで前記油圧パワーシリンダによる補助操舵力を制御するよう構成されたパワーステアリング装置であって、
    前記電源は、薄板帯状の正極板と、薄板帯状の負極板と、前記正極板と負極板との間に配置された帯状のセパレータとを備え、これら正極板と負極板とセパレータとを捲回して電解液に浸漬された鉛電池で構成されること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  2. 操舵機構の操舵力を補助する油圧パワーシリンダと、
    前記油圧パワーシリンダを駆動する油圧を供給する油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプを駆動するモータと、
    電源と、
    前記モータの出力を制御するコントロールユニットと
    を備え、
    前記コントロールユニットは、前記電源からの直流電力を前記モータに供給するための交流電力に変換するとともに、前記操舵機構に作用する操舵力と操舵方向とに基づき、前記電源から前記モータへ供給される電力を制御することで前記油圧パワーシリンダによる補助操舵力を制御するよう構成されたパワーステアリング装置であって、
    前記油圧パワーシリンダは、一方または他方に移動するシリンダ軸と前記シリンダ軸を一方または他方に移動させるための一方および他方の圧力室を備え、
    前記油圧ポンプは可逆式ポンプであって、前記一方および他方の圧力室の作動油を連通路を介して移動するよう構成され、
    前記電動機は、ステータと、このステータに空隙を介して対向配置されたロータとを有し、
    前記ステータは、ステータコアと、このステータコアに組み込まれた多相のステータコイルと、結線部材とを備え、
    前記ステータコイルは、複数の相巻線から構成され、前記複数の相巻線の端部が前記ステータコアの軸方向片側から軸方向に突出して前記結線部材で電気的に接続され、
    前記結線部材は、前記複数の相巻線の端部に接合され、前記複数の相巻線を相毎に電気的に接続する板状導体を備え、
    前記コントロールユニットからの交流電力は、前記結線部材を介して前記ステータコイルに供給され、
    前記電源は、薄板帯状の正極板と、薄板帯状の負極板と、前記正極板と負極板との間に配置された帯状のセパレータとを備え、これら正極板と負極板とセパレータとを捲回して電解液に浸漬された鉛電池で構成されること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  3. 請求項1および請求項2に記載のパワーステアリング装置において、
    前記電源は、電解液に浸漬された渦巻状の極板群を構成する正極板の面積が1500〜15000cm2、電池の最大外径寸法を直方体として見積もった場合の正極板の単位体積あたり面積が1700〜17000cm2の鉛電池であること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のパワーステアリング装置において、
    前記電源は14V系であり、
    前記モータの前記ステータコイルは、前記複数の相巻線を相毎に電気的に接続してなる複数の相巻線群がデルタ結線で電気的に接続されること
    を特徴とする電動パワーステアリング装置。
  5. 請求項4に記載のパワーステアリング装置において、
    前記コントロールユニットは、半導体スイッチング素子を備えたパワーモジュールと、制御モジュールと、前記パワーモジュールに電気的に接続された導体モジュールとを有し、
    前記導体モジュールは、前記パワーモジュールに接続された板状導体と、この板状導体に電気的に接続された回路部品とを備え、
    前記板状導体は、前記電源側から供給された直流電力を前記パワーモジュールに導く回路を形成し、
    前記回路部品は、少なくともフィルタおよびコンデンサを有し、
    前記フィルタおよびコンデンサは、前記板状導体との接続用の端子を備え、この端子と前記板状導体とは、面接触するとともに溶接で接合されること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  6. 請求項4に記載のパワーステアリング装置において、
    前記油圧パワーシリンダの両圧力室相互間または両連通路相互間をバイパスするバイパス通路と、
    前記バイパス通路の途中に介装された開閉弁と
    をさらに備え、
    前記コントロールユニットは、半導体スイッチング素子を備えたパワーモジュールと、制御モジュールと、前記パワーモジュールに電気的に接続された導体モジュールとを有し、
    前記導体モジュールは、前記パワーモジュールに接続された板状導体と、この板状導体に電気的に接続された回路部品と、を備え、
    前記板状導体は、前記電源側から供給された直流電力を前記パワーモジュールに導く回路を形成し、
    前記回路部品は、少なくとも保護リレーおよびコンデンサを有し、
    前記保護リレーおよび前記コンデンサは、前記板状導体との接続用の端子を備え、この端子と前記板状導体とは、面接触するとともに溶接で接合され、
    異常発生時には前記開閉弁が開放されるとともに、前記保護リレーが開放されること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  7. 請求項6に記載のパワーステアリング装置において、
    前記電池は、電解液に浸漬された渦巻状の極板群を備えるとともに、少なくとも100Aの電流が瞬時に出力された場合であっても、12Vよりも高い電圧を出力可能な鉛電池であること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  8. 転舵輪に連結され、第1、第2油圧室を有する油圧パワーシリンダと、
    前記油圧パワーシリンダの前記第1および第2油圧室に対し、第1、第2通路を介して油圧を供給する一対の吐出口を備えた可逆式ポンプと、
    前記可逆式ポンプを正/逆回転させる電動機と、
    前記電動機を駆動制御するパワーモジュールと、
    前記転舵輪を転舵制御するステアリングホイールの操舵負荷を検出または推定する操舵負荷検出手段と、
    前記操舵負荷に基づき、前記パワーモジュールに制御信号を出力する制御モジュールと、
    電解液と、薄板帯状に形成された正極板および負極板と、この正極板と負極板との間に設けられた帯状のセパレータとからなる積層板が捲回された極板群とから構成され、前記パワーモジュールに接続される捲回電池と
    を備えることを特徴とするパワーステアリング装置。
  9. 請求項8に記載のパワーステアリング装置において、
    前記操舵負荷とは無関係に前記電動機を駆動し、この電動機の駆動状態に基づき装置の異常を検出する異常検出回路と、
    前記異常検出回路による検査中に前記可逆式ポンプ内の作動油を吐出側から吸入側へ移動させる循環機構と
    を備えることを特徴とするパワーステアリング装置。
  10. 請求項9に記載のパワーステアリング装置において、
    前記捲回電池の電圧値を検出する電圧値検出回路と、
    前記電圧値が所定値以下のとき、前記異常検出回路による装置の異常検出を禁止する異常検出禁止回路と
    を備えることを特徴とするパワーステアリング装置。
  11. 請求項8に記載のパワーステアリング装置は、
    エンジン停止時においても前記転舵輪の転舵制御を行うこと
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  12. 請求項11に記載のパワーステアリング装置において、
    前記エンジンの駆動状態を検出するエンジン駆動状態検出回路をさらに備え、
    前記エンジン駆動状態検出回路によりエンジン停止と判断されたとき、前記制御モジュールは、前記電動機に供給される電流値を前記エンジンの駆動時における電流値よりも小さくすること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  13. 請求項11に記載のパワーステアリング装置において、
    前記エンジンの駆動状態を検出するエンジン駆動状態検出回路と、
    運転者に対し警告を発する警告器に制御信号を出力する警告器制御回路と
    を備え、
    前記警告器制御回路は、前記エンジン駆動状態検出回路によりエンジン停止と判断され、かつ前記転舵輪が転舵制御されたとき、前記警告器に制御信号を出力すること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
  14. 請求項11に記載のパワーステアリング装置において、
    前記エンジンの駆動状態を検出するエンジン駆動状態検出回路と、
    前記捲回電池の電圧値を検出する電圧値検出回路と、
    前記電圧値が所定値以下のとき、前記転舵輪の転舵制御を禁止する転舵制御禁止回路と
    を備えることを特徴とするパワーステアリング装置。
  15. 請求項14に記載のパワーステアリング装置において、
    前記転舵制御禁止回路は、前記電圧値が所定値以下のとき、前記電動機の供給される電流値を徐々に低下させること
    を特徴とするパワーステアリング装置。
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