JP2009120035A - Electric power steering system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置に関し、特にその電気回路の構成に関する。 The present invention relates to an electric power steering apparatus that generates a steering assist force by a motor, and more particularly to a configuration of an electric circuit thereof.
電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵トルクに応じてモータにより操舵補助力を生じさせる装置である。近年、大型車への電動パワーステアリング装置の需要が急増しており、かかる大型車の場合、必要とされる操舵補助力も増大する。従って、より大きな電力をモータに供給しなければならない。しかし、バッテリによって構成される主電源だけでは、このような大電力を十分にまかなえない場合がある。そこで、主電源とは別に補助電源を設け、通常は主電源のみで対応し、より大きな電力を必要とするときは主電源と補助電源とを互いに直列に接続して両電源で電力を供給する、という構成が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。なお、補助電源の充電は、主電源のみで対応しているときのバッテリによって行われる。 The electric power steering device is a device that generates a steering assist force by a motor in accordance with a driver's steering torque. In recent years, the demand for electric power steering devices for large vehicles has increased rapidly, and the steering assist force required for such large vehicles has also increased. Therefore, more power must be supplied to the motor. However, there are cases where such a large amount of power cannot be adequately provided by using only a main power source constituted by a battery. Therefore, an auxiliary power supply is provided separately from the main power supply. Usually, only the main power supply can be used. When larger power is required, the main power supply and the auxiliary power supply are connected in series to supply power from both power supplies. (For example, refer to Patent Document 1). Note that the auxiliary power supply is charged by a battery when only the main power supply is used.
図3は、電動パワーステアリング装置に必要な電力の経時的変化の一例を示す図である。図において、時刻T1までは、モータに供給すべき電力Pが所定の電力Pth以下である。従って、主電源のみで必要な電力を負担する。時刻T1〜T2においては、所定の電力Pthを超える電力が必要であるため、全電力のうち電力Pthは主電源が負担し、それを超える分の電力(斜線部)は補助電源が負担する。次に、時刻T2〜T3においては、必要な電力は所定の電力Pth以下であるため、主電源のみで電力を負担し、かつ、余裕分の電力(逆斜線部)で、放電した補助電源を充電する。以下同様に、時刻T3〜T4においては、電力Pthを主電源が負担し、それを超える分の電力は補助電源が負担する。時刻T4〜T5においては、主電源のみで電力を負担し、かつ、余裕分の電力で、放電した補助電源を充電する。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a change with time of electric power necessary for the electric power steering apparatus. In the figure, until time T1, the electric power P to be supplied to the motor is equal to or less than a predetermined electric power Pth . Therefore, necessary power is borne only by the main power source. At times T1 and T2, power exceeding a predetermined power P th is required, so the main power bears the power P th out of the total power, and the auxiliary power bears the power exceeding that (shaded portion). To do. Then, at time T2 to T3, since the power required is less than a predetermined power P th, bear power only in the main power supply, and, in surplus of power (inverse shaded area), discharged auxiliary power To charge. Similarly, at time T3 to T4, the power P th and the main power burden, minute power beyond that is borne by the auxiliary power supply. From time T4 to T5, power is borne only by the main power source, and the discharged auxiliary power source is charged with surplus power.
上記のような電動パワーステアリング装置においては、所定の電力を境界点として補助電源を使用するか否か、言い換えれば、補助電源を放電させるか又は充電可能とするか、が決定されることになる。そのため、この境界点の電力(又は電流)は、充放電閾値と称される。この充放電閾値をどこに設定するかによって、バッテリの最大負担や、補助電源に必要とされるエネルギーが異なってくる。補助電源に必要とされるエネルギーは、補助電源のコストに密接に関連する。 In the electric power steering apparatus as described above, it is determined whether or not the auxiliary power source is used with predetermined power as a boundary point, in other words, whether the auxiliary power source is discharged or can be charged. . Therefore, the power (or current) at this boundary point is referred to as a charge / discharge threshold. Depending on where this charge / discharge threshold is set, the maximum battery load and the energy required for the auxiliary power supply differ. The energy required for the auxiliary power source is closely related to the cost of the auxiliary power source.
ところが、かかる重要な数値である充放電閾値を、どのような基準で設定すべきかについては、まだ具体的な提案がなされていない。このような状況下では、充放電閾値を適切な値に設定することは困難である。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、補助電源を使用する電動パワーステアリング装置において、補助電源のコスト増大を抑制しつつ、充放電閾値を適切に設定することを目的とする。
However, no specific proposal has yet been made as to what criteria should be used to set the charge / discharge threshold, which is an important numerical value. Under such circumstances, it is difficult to set the charge / discharge threshold to an appropriate value.
In view of such a conventional problem, an object of the present invention is to appropriately set a charge / discharge threshold while suppressing an increase in cost of an auxiliary power supply in an electric power steering apparatus using the auxiliary power supply.
本発明は、モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置であって、前記モータに電力を供給する主電源と、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、前記主電源に基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記主電源のみによって前記モータへ電力を供給する第1の出力状態と、前記主電源及び補助電源から前記モータへ電力を供給する第2の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、操舵補助に必要な電源出力が所定の充放電閾値以下のときは前記充放電回路を前記第1の出力状態とし、当該充放電閾値を超えるときは前記充放電回路を前記第2の出力状態とする制御回路とを備え、前記制御回路は、前記充放電閾値を変化させた場合の、前記補助電源に必要なエネルギーの特性カーブに基づいて、充放電閾値によるエネルギーの2階微分値がピーク値となるときの充放電閾値より大きい充放電閾値を前記所定の充放電閾値とすることを特徴とするものである。 The present invention is an electric power steering device that generates a steering assist force by a motor, and includes a main power source that supplies power to the motor, an auxiliary power source that can supply power to the motor, and the main power source. A first output state for charging the auxiliary power supply based on the power supply to the motor only by the main power supply, and a second output state for supplying power to the motor from the main power supply and the auxiliary power supply. And when the power output required for steering assist is equal to or lower than a predetermined charge / discharge threshold, the charge / discharge circuit is set to the first output state, and when the charge / discharge threshold is exceeded, the charge / discharge circuit is A control circuit for setting the charge / discharge circuit to the second output state, and the control circuit is based on a characteristic curve of energy required for the auxiliary power supply when the charge / discharge threshold is changed. , Is characterized in that the charging and discharging threshold greater than the discharge threshold value when the second order differential value of the energy due to charging and discharging threshold reaches a peak value and the predetermined charge and discharge threshold.
上記のように構成された電動パワーステアリング装置において、特性カーブは、充放電閾値の増大に伴って、急勾配から緩勾配に変化しながらエネルギーが減少する形となり、かつ、このような変化の途中で、勾配の変化率が最大となる特有のポイントが存在する、という知見が得られた。そこで、エネルギーの2階微分値がピーク値となるときの充放電閾値より大きい充放電閾値を制御回路に設定することにより、
(1)補助電源に必要とされるエネルギーが比較的大きい領域を避けることができる。その結果、補助電源のコストを低く抑えることができる。また、
(2)エネルギーの変化が急勾配な領域を避け、緩勾配な領域の充放電閾値を使用することができる。これにより、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的小さくなり、結果的に、充放電閾値を適切に設定することができる。
In the electric power steering apparatus configured as described above, the characteristic curve has a form in which energy decreases while changing from a steep slope to a gentle slope as the charge / discharge threshold increases, and in the middle of such a change. Thus, it was found that there is a unique point at which the rate of change of the slope is maximum. Therefore, by setting a charging / discharging threshold value larger than the charging / discharging threshold value when the second-order differential value of energy becomes a peak value in the control circuit,
(1) A region where energy required for the auxiliary power source is relatively large can be avoided. As a result, the cost of the auxiliary power source can be kept low. Also,
(2) It is possible to avoid a region where the energy change is steep, and use a charge / discharge threshold value in a region where the energy changes slowly. Thereby, the dispersion | variation of the energy actually required with respect to the set charging / discharging threshold value becomes comparatively small, As a result, a charging / discharging threshold value can be set appropriately.
本発明の電動パワーステアリング装置によれば、補助電源のコストを低く抑えるとともに、充放電閾値を適切に設定することができる。 According to the electric power steering device of the present invention, the cost of the auxiliary power supply can be kept low, and the charge / discharge threshold value can be set appropriately.
図1は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置1の電気回路を主体とした概略構成を示す回路図である。図において、ステアリング装置2は、ステアリングホイール(ハンドル)3に付与される運転者の操舵トルクと、モータ4から操舵軸2aに減速機(図示せず。)を介して伝達される操舵補助力とによって駆動される。モータ4は、3相ブラシレスモータであり、駆動回路5により駆動される。制御回路6はマイクロコンピュータを含むものであり、車速センサ7から入力される車速信号及び、トルクセンサ8から入力される操舵トルク信号に基づいて必要となる操舵補助力を決定し、その操舵補助力が操舵軸2aに付与されるように、駆動回路5を制御する。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration mainly including an electric circuit of an electric power steering apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. In the figure, a steering device 2 includes a driver's steering torque applied to a steering wheel (handle) 3, and a steering assist force transmitted from a motor 4 to a
駆動回路5には、主電源9の電圧又は必要によりこれに補助電源10の電圧を加えた直流電圧が付与される。主電源9は、バッテリ9Bとオルタネータ(整流及びレギュレータ機能を有するもの。)9Aとによって構成され、この主電源9の電圧を駆動回路5に導く電路L1,L3の途中に、放電回路の切り換えのためのスイッチ11が設けられている。一方、補助電源10は、例えば電気二重層コンデンサで構成されており、主電源9に対して直列に接続されている。主電源9に補助電源10を直列接続した出力電圧は、電路L2からスイッチ11、電路L3を介して、駆動回路5に導かれる。
The
上記スイッチ11は制御回路6からの制御により接続を切り換えることができる。実線で示す第1の出力状態では電路L1とL3とが互いに接続され、点線で示す第2の出力状態では電路L2とL3とが互いに接続される。なお、このスイッチ11は、実際にはMOS−FET等の半導体スイッチング素子を用いて、図示のような回路の切り換え機能を実現するよう構成される。 The switch 11 can switch the connection under the control of the control circuit 6. In the first output state shown by the solid line, the electric circuits L1 and L3 are connected to each other, and in the second output state shown by the dotted line, the electric circuits L2 and L3 are connected to each other. The switch 11 is actually configured to realize a circuit switching function as shown in the figure using a semiconductor switching element such as a MOS-FET.
また、上記補助電源10には充電回路12が並列に接続されている。充電回路12は、主電源9の電圧を昇圧して補助電源10に充電する機能を備えている。この充電回路12が充電を行うか否かは、制御回路6によって制御される。なお、電路L1〜L3及びスイッチ11により上記第1,第2の出力状態のいずれかを構成可能な放電回路が構成され、これにさらに充電回路12を加えて、充放電回路13が構成されている。
A
制御回路6は、トルクセンサ8から送られてくる操舵トルク信号及び、車速センサ7から送られてくる車速信号に基づいて、必要とされる操舵補助力を得るための所要電流を推定し、これを所定の充放電閾値と比較する。所要電流が充放電閾値以下であるときは、制御回路6はスイッチ11を図1の実線で示す第1の出力状態とする。従って、主電源7の電圧は電路L1,L3を介して駆動回路5に供給され、駆動回路5は、制御回路6による制御信号に基づいてモータ4を駆動する。この場合、補助電源10の電力は駆動回路5に供給されない。また、制御回路6は、補助電源10の電圧を、充電回路12内に内蔵する電圧センサ(図示せず。)により監視し、一定の電圧に達していない場合には、充電回路12を駆動して補助電源10を充電する。
Based on the steering torque signal sent from the torque sensor 8 and the vehicle speed signal sent from the vehicle speed sensor 7, the control circuit 6 estimates the required current for obtaining the required steering assist force, Is compared with a predetermined charge / discharge threshold. When the required current is less than or equal to the charge / discharge threshold, the control circuit 6 sets the switch 11 to the first output state indicated by the solid line in FIG. Accordingly, the voltage of the main power supply 7 is supplied to the
一方、所要電流が充放電閾値を超えるときは、制御回路6はスイッチ11を点線で示す第2の出力状態とする。この結果、主電源9と補助電源10とが互いに直列に接続された状態で、その高電圧が駆動回路5に供給される。これにより、主電源4の出力電流を充放電閾値に制限しつつ、所要の大電力を、駆動回路5に供給することができる。
On the other hand, when the required current exceeds the charge / discharge threshold, the control circuit 6 sets the switch 11 to the second output state indicated by a dotted line. As a result, the high voltage is supplied to the
次に、上記の充放電閾値を、どのような基準で設定するかについて詳細に説明する。図2は、充放電閾値と、補助電源10に必要とされるエネルギーとの関係を示すグラフである。図2におけるグラフの実線部分は、電流で表した充放電閾値I[A]の変化に対して補助電源10に必要とされるエネルギーE[J]がどのように変化するかを示す特性カーブである。本発明者らは、例えば5Aから45Aまで小刻みに充放電閾値を変化させながら、各閾値で補助電源10に必要なエネルギーを求めることにより、この結果を得た。
Next, the criteria for setting the charge / discharge threshold will be described in detail. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the charge / discharge threshold and the energy required for the
エネルギーの求め方としては、例えば、ある充放電閾値を設定した状態で、必要となる電力が大きい一定の操作(例えば車庫入れ、縦列駐車、据え切り)を行い、その際、補助電源10から失われたエネルギー:
(1/2)C・(V0 2−V2)
(C:キャパシタンス、V0:放電前の端子電圧、V:放電後の端子電圧)
を実測し、その結果に測定のばらつきを考慮したものを、「補助電源10に必要とされるエネルギー」とした。
As a method for obtaining energy, for example, in a state where a certain charge / discharge threshold is set, a certain operation (for example, garage entry, parallel parking, stationary stop) with a large amount of required power is performed, and at that time, the
(1/2) C · (V 0 2 −V 2 )
(C: capacitance, V 0 : terminal voltage before discharge, V: terminal voltage after discharge)
Was measured and the result of taking the measurement variation into account was defined as “energy required for the
図2によれば、特性カーブ(実線)は、充放電閾値Iの増大に伴って、急勾配から緩勾配に変化しながらエネルギーEが減少する形となり、かつ、このような変化の途中で、勾配の変化率が最大となる特有のポイントが存在している、という知見が得られる。 According to FIG. 2, the characteristic curve (solid line) has a shape in which the energy E decreases while changing from a steep slope to a gentle slope as the charge / discharge threshold I increases, and in the middle of such a change, The knowledge that there is a specific point where the rate of change of the slope is the maximum is obtained.
図2において、10A以下の領域では、必要とされるエネルギーが大きく(約5000[J]以上)、そのため、補助電源10のコストが高くなる。また、この領域は急勾配であるため、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的大きくなる。従って、充放電閾値として10A以下の領域は避けたい。一方、20A以上の領域では、必要とされるエネルギーが小さく(約1000[J]以下)、そのため、補助電源10のコストが低くなる。また、この領域は緩勾配であるため、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的小さくなる。従って、充放電閾値として20A以上の領域は、使用に適する。
In FIG. 2, in the region of 10 A or less, the required energy is large (approximately 5000 [J] or more), and therefore the cost of the
しかしながら、バッテリ9Bの負担を軽くするには、できるだけ低い充放電閾値の領域も活用したい。そうすると、10Aから20Aの領域で、充放電閾値の下限値をどこに設定できるか、ということになる。
そこで、特性カーブの勾配が急勾配から緩勾配に(又はその逆に)、最も急速に変化している点を捉え、その点に対応する電流値より大きい電流値を充放電閾値とすることにした。
However, in order to lighten the burden on the
In view of this, the point where the slope of the characteristic curve changes most rapidly from the steep slope to the gentle slope (or vice versa) is taken, and a current value larger than the current value corresponding to that point is set as the charge / discharge threshold. did.
具体的には、エネルギーEを充放電閾値Iで2階微分することにより、充放電閾値Iに対するエネルギーEの2階微分値すなわち、エネルギー勾配の変化率d2E/dI2を求める。破線は、充放電閾値Iに対する変化率d2E/dI2の特性を示すグラフである。なお、2点鎖線は、参考としての、充放電閾値Iに対するエネルギー勾配dE/dIの特性を示すグラフである。そして、エネルギー勾配の変化率d2E/dI2のピーク値が現れる充放電閾値(この例では15A)より大きい充放電閾値を、制御回路6に設定する。これにより、エネルギーEの変化が急勾配な領域を避け、緩勾配の領域を使用することになるので、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的小さくなる。なお、充放電閾値の上限は、想定される最大電力に基づいて設定可能であり、車両や車種によって異なる(この例では45A)。 Specifically, the second-order differential value of the energy E with respect to the charge / discharge threshold I, that is, the rate of change d 2 E / dI 2 of the energy gradient is obtained by second-order differentiation of the energy E with the charge / discharge threshold I. The broken line is a graph showing the characteristic of the rate of change d 2 E / dI 2 with respect to the charge / discharge threshold I. The two-dot chain line is a graph showing the characteristic of the energy gradient dE / dI with respect to the charge / discharge threshold I as a reference. Then, a charging / discharging threshold value larger than the charging / discharging threshold value (15 A in this example) at which the peak value of the energy gradient change rate d 2 E / dI 2 appears is set in the control circuit 6. As a result, a region with a steep change in energy E is avoided and a region with a gentle gradient is used, so that the actually required energy variation with respect to the set charge / discharge threshold becomes relatively small. Note that the upper limit of the charge / discharge threshold can be set based on the assumed maximum power and varies depending on the vehicle and the vehicle type (45A in this example).
以上のように、エネルギーの2階微分値がピーク値となるときの充放電閾値より大きい充放電閾値を制御回路6に設定することにより、
(1)補助電源10に必要とされるエネルギーが比較的大きい領域を避けることができる。その結果、補助電源10のコストを低く抑えることができる。また、
(2)エネルギーの変化が急勾配な領域を避け、緩勾配な領域の充放電閾値を使用することができる。これにより、設定された充放電閾値に対して実際に必要となるエネルギーのばらつきが比較的小さくなり、結果的に、充放電閾値を適切に設定することができる。
As described above, by setting a charging / discharging threshold value larger than the charging / discharging threshold value when the second-order differential value of energy becomes a peak value in the control circuit 6,
(1) A region where the energy required for the
(2) It is possible to avoid a region where the energy change is steep, and use a charge / discharge threshold value in a region where the energy changes slowly. Thereby, the dispersion | variation of the energy actually required with respect to the set charging / discharging threshold value becomes comparatively small, As a result, a charging / discharging threshold value can be set appropriately.
なお、バッテリ9Bの負担を軽くすることを重要視する場合には、エネルギー勾配の変化率d2E/dI2のピーク値が現れる充放電閾値(この例では15A)より大きい値で、かつ、この充放電閾値になるべく近い範囲(例えば15〜30A)を選択すればよい。
When importance is attached to reducing the burden on the
なお、図2のグラフに示す数値は一例であり、車両や車種によって数値は異なるものとなる。 In addition, the numerical value shown in the graph of FIG. 2 is an example, and a numerical value changes with vehicles and vehicle types.
1 電動パワーステアリング装置
4 モータ
6 制御回路
9 主電源
10 補助電源
13 充放電回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric power steering apparatus 4 Motor 6 Control circuit 9
Claims (1)
前記モータに電力を供給する主電源と、
前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、
前記主電源に基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記主電源のみによって前記モータへ電力を供給する第1の出力状態と、前記主電源及び補助電源から前記モータへ電力を供給する第2の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、
操舵補助に必要な電源出力が所定の充放電閾値以下のときは前記充放電回路を前記第1の出力状態とし、当該充放電閾値を超えるときは前記充放電回路を前記第2の出力状態とする制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記充放電閾値を変化させた場合の、前記補助電源に必要なエネルギーの特性カーブに基づいて、充放電閾値によるエネルギーの2階微分値がピーク値となるときの充放電閾値より大きい充放電閾値を前記所定の充放電閾値とすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。 An electric power steering device that generates a steering assist force by a motor,
A main power supply for supplying power to the motor;
An auxiliary power source capable of supplying power to the motor;
A first output state for charging the auxiliary power source based on the main power source and supplying power to the motor only by the main power source; and a second output state for supplying power to the motor from the main power source and auxiliary power source A charge / discharge circuit that selectively configures the output state of
When the power output required for assisting steering is equal to or lower than a predetermined charge / discharge threshold, the charge / discharge circuit is set to the first output state, and when exceeding the charge / discharge threshold, the charge / discharge circuit is set to the second output state. And a control circuit that
The control circuit has a charge / discharge threshold when the second-order differential value of energy by the charge / discharge threshold becomes a peak value based on a characteristic curve of energy required for the auxiliary power supply when the charge / discharge threshold is changed. An electric power steering apparatus characterized in that a larger charge / discharge threshold is set as the predetermined charge / discharge threshold.
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