JP2009126319A

JP2009126319A - 電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置

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Publication number: JP2009126319A
Application number: JP2007302700A
Authority: JP
Inventors: Koji Sasajima; 晃治笹嶋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP5032277B2

Abstract

【課題】制御回路に失陥が発生した際に電動モータの動作を確保するフェイルセイフを低コストに実現する。
【解決手段】コイル２３と、このコイルと接地との間に設けられた第１のＦＥＴ３１と、コイルと電動モータ３との間に設けられた第２のＦＥＴ３３と、第２のＦＥＴの駆動用電力を供給するＦＥＴ制御電源回路４１及びフェイルセイフ用電源回路４２とを備え、第２のＦＥＴの駆動用電力が、通常時はＦＥＴ制御電源回路４１により供給され、制御回路２９の異常時はフェイルセイフ用電源回路４２により供給されるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車において電動パワーステアリング装置を構成する電動モータを駆動するために車載電源の電圧を昇圧する昇圧装置に関するものである。

自動車の電動パワーステアリング装置においては、ドライバがステアリングホイールに加える手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生する電動モータが設けられており、この電動モータには高出力が要求されることから、バッテリからの電流を昇圧して電動モータに供給する昇圧回路が設けられており（特許文献１参照）、これにより電動モータの給電用配線の電流を低減して太線化を避けることができ、また入力側の電圧変化の影響を最小限に抑えることができるため、安定した電力供給が可能となり、良好な操舵フィールを得ることが可能になる。
特開２００３−３１２５２２号公報

しかるに、電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置においては、これを構成する素子や制御回路に発生した失陥により昇圧不能となって電動モータが停止すると、ドライバのステアリング操作性が著しく悪化するため、走行中に電動モータが停止することのないように、高度な自己診断機能を設けたり、あるいは使用素子の定格を下げて使用する、いわゆるディレーティングを大きくとるようにしているが、高度な自己診断機能を実現するには高機能な回路とＣＰＵが必要になり、また使用素子のディレーティングを大きくとるには仕様マージンも大きくなるため、製造コストが嵩む難点があった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、制御回路や構成素子に失陥が発生した際に電動モータの動作を確保するフェイルセイフを低コストに実現することができるように構成された電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明においては、請求項１に示すとおり、コイル（２３）と、このコイルと接地との間に設けられた第１のスイッチング素子（第１のＦＥＴ３１）と、前記コイルと電動モータ（３）との間に設けられた第２のスイッチング素子（第２のＦＥＴ３３）と、を少なくとも備えた電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置において、前記第２のスイッチング素子の駆動用電力を供給する第１・第２の電力供給手段（ＦＥＴ制御電源回路４１・フェイルセイフ用電源回路４２）を備え、前記第２のスイッチング素子の駆動用電力が、通常時は前記第１の電力供給手段（ＦＥＴ制御電源回路４１）により供給され、制御回路（２９）の異常時は前記第２の電力供給手段（フェイルセイフ用電源回路４２）により供給されるようにしたものとした。

これによると、制御回路に失陥が発生して、第２のスイッチング素子の駆動が困難になった場合に、第２のスイッチング素子の駆動用電力が第２の電力供給手段により供給されることで、第２のスイッチング素子の導通が確保されるため、第２のスイッチング素子を介して電源電力をモータに供給することが可能となり、フェイルセイフが実現される。

このとき、スイッチング素子が動作可能なことが条件となるが、スイッチング素子やその駆動回路の故障の頻度は、制御回路の故障に比べて低いため、スルー処理で電動モータの駆動を確保することができれば、複雑な自己診断機能を備えたシステムと同等の信頼性を実現することができる。また第２の電力供給手段は、通常時に使用される第１の電力供給手段と同等の性能を要求されず、比較的簡単な回路で且つ必要最小限の容量とすれば良く、製造コストの上昇を抑えることができる。

この場合、制御回路からの駆動信号がないため、本来の昇圧動作は行われず、電源とモータとの間の導通のみが確保され、昇圧回路への入力電圧がそのまま出力されるスルー処理となる。このため、電動モータは、電源電圧で動作可能なものとし、昇圧回路の昇圧比、すなわち入力電圧に対する出力電圧の比は比較的低く、例えば２倍以下に設定すると良い。

また、第１の電力供給手段は、制御回路により制御され、制御回路からの指示に応じて第１・第２のスイッチング素子に対する電力供給を実行し、制御回路に失陥が発生すると、電力供給を停止する。一方、第２の電力供給手段は、制御回路から独立して動作し、制御回路の異常時に第１の電力供給手段に代わって第２のスイッチング素子に電力を供給する。

なお、スイッチング素子がＮチャンネルのＦＥＴである場合、ゲート駆動用に入力電圧よりも高い電圧が必要となり、第１・第２の電力供給手段は、電源電圧を昇圧する昇圧回路を備えたものとなる。

また、本発明においては、請求項２に示すとおり、コイル（２３）と、このコイルと接地との間に設けられた第１のスイッチング素子（第１のＦＥＴ３１）と、前記コイルと電動モータ（３）との間に設けられた第２のスイッチング素子（第２のＦＥＴ３３）と、を少なくとも備えた電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置において、前記第２のスイッチング素子と並列接続されたダイオード（５１）と、前記第２のスイッチング素子と前記電動モータとの間に設けられた過電流吸収手段（ツェナーダイオード５２）とを有し、前記第２のスイッチング素子の異常時に前記ダイオードを介して前記電動モータに電流を流すようにしたものとした。

これによると、第２のスイッチング素子自身あるいはその制御系に失陥が発生して、第２のスイッチング素子が動作不能となった場合に、第２のスイッチング素子に代わってダイオードが整流動作を行うことで、昇圧処理が継続して行われるため、フェイルセイフが実現される。そして、過電流吸収手段により、Ｈブリッジ回路などからなるモータ駆動回路に過電圧が発生することを抑制することができる。

この場合、過電流吸収手段は、ツェナーダイオードが好適である。

このように本発明によれば、通常時に使用される第１の電力供給手段とは別の第２の電力供給手段により第２のスイッチング素子の導通を確保して、第２のスイッチング素子を介して電源電力をモータに供給するスルー処理を行うことができ、また第２のスイッチング素子と並列接続されたダイオードが、第２のスイッチング素子に代わって整流動作を行うことで昇圧処理を継続して行うことができ、これにより制御回路や構成素子に失陥が発生した際に電動モータの動作を確保するフェイルセイフを低コストに実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明が適用される電動パワーステアリング装置の全体構成図である。この電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイール（操作子）１の手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生する電動モータ３が設けられている。

また、この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１にステアリング軸２を介して一体的に回転可能に連結されたピニオン４と、このピニオン４に噛合して車幅方向に往復動可能に設けられたラック軸５とを有するラック・アンド・ピニオン機構を備え、ラック軸５の両端がタイロッド６を介して操向車輪としての左右の前輪７のナックルアーム８に連結されて、ステアリングホイール１の回転操作に応じて左右の前輪７が転舵されるようになっおり、電動モータ３の駆動力は、ギアボックス１０内にピニオン４と共に収容されたウォームギヤ機構１１を介してステアリング軸２に入力される。

電動モータ３は、ステアリング制御装置（EPS-ECU）１３により制御される。このステアリング制御装置１３には、ステアリングホイール１の操舵角を検出する操舵角センサ１４、ピニオン４に作用する手動操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ１５、及び車速を検出する車速センサ１６などの出力信号が入力されており、これらの信号に基づいて所要の補助操舵力が発生するように電動モータ３が制御される。

また、ステアリング制御装置１３には、バッテリー（電源）１７の電圧を昇圧する昇圧回路１８と、電動モータ３を駆動するＨブリッジ回路などを備えたモータ駆動回路１９とを備えている。

図２は、図１に示した昇圧回路の第１の例を示す構成図である。図３は、図２に示した昇圧回路の制御手順を示すフロー図である。この昇圧回路（昇圧装置）１８は、入力リレー２１と、電流センサ２２と、昇圧コイル（チョークコイル）２３と、温度センサ２４と、昇圧部２５と、同期整流部２６とを有している。

入力リレー２１は、例えば負荷側で発生する過電流から各素子を保護する目的で設けられたものであり、制御回路（ＣＰＵ）２９または別回路からの駆動信号に応じてオンオフされる。電流センサ２２は、昇圧コイル２３の電流を検出し、温度センサ２４は、昇圧回路１８内の温度を検出し、この電流センサ２２及び温度センサ２４の出力信号は制御回路２９に入力される。また制御回路２９は、昇圧回路１８の入力電圧及び出力電圧を監視する。

昇圧部２５は、一端がバッテリ１７に接続された昇圧コイル２３の他端を接地させることでバッテリ１７の電圧を昇圧コイル２３に印加させて昇圧コイル２３を励磁するものであり、ＮチャンネルＭＯＳ型の第１のＦＥＴ（第１のスイッチング素子）３１と、ゲート駆動回路３２とを有している。

第１のＦＥＴ３１は、トランジスタＴｒ１と、寄生ダイオードＤ１とからなっている。トランジスタＴｒ１では、ドレインが昇圧コイル２３の負荷（電動モータ３）側に接続され、ソースが接地されている。トランジスタＴｒ１のゲートは、ゲート駆動回路３２に接続されており、ゲート駆動回路３２には制御回路２９からの制御信号が入力される。

同期整流部２６は、昇圧部２５の第１のＦＥＴ３１のオフ期間に昇圧コイル２３の蓄積エネルギーを放出させるものであり、ＮチャンネルＭＯＳ型の第２のＦＥＴ（第２のスイッチング素子）３３と、ゲート駆動回路３４とを有している。

第２のＦＥＴ３３は、トランジスタＴｒ２と、寄生ダイオードＤ２とからなっている。トランジスタＴｒ２では、ソースが昇圧コイル２３側に接続され、ドレインが負荷（電動モータ３）側に接続されている。トランジスタＴｒ２のゲートは、ゲート駆動回路３４に接続されており、ゲート駆動回路３４には制御回路２９からの制御信号が入力される。

またこの昇圧回路１８には、昇圧部２５のゲート駆動回路３２、及び同期整流部２６のゲート駆動回路３４にゲート駆動用電力を供給するＦＥＴ制御電源回路（第１の電力供給手段）４１と、同期整流部２６のゲート駆動回路３４にのみゲート駆動用電力を供給するフェイルセイフ用電源回路（第２の電力供給手段）４２とを有している。

このＦＥＴ制御電源回路４１及びフェイルセイフ用電源回路４２には、電源制御回路４３を介してバッテリ（電源）１７から電力が供給され、バッテリ１７からの入力電圧（通常１０Ｖ〜１４．５Ｖ）に対してＮチャンネルのＦＥＴ３１・３３のゲート駆動に要する高電圧（例えば２０Ｖ〜３０Ｖ）を発生する昇圧回路が設けられている。

ＦＥＴ制御電源回路４１は、制御回路２９により制御され、制御回路２９から出力される制御信号に基づいてゲート駆動回路３２・３４に電力を供給し、トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２に、制御回路２９からの制御信号に応じたスイッチング動作を行わせる。このＦＥＴ制御電源回路４１においては、制御回路２９に異常が発生すると、電力供給を指示する制御回路２９からの制御信号がなくなるため、ゲート駆動回路３２・３４に対する電力供給が停止する。

一方、フェイルセイフ用電源回路４２は、制御回路２９の異常を検知するウォッチドックタイマー（ＷＤＴ）４５の出力信号に応じて切替動作するトランジスタ（ＦＥＴ）からなる切替部４６によりＦＥＴ制御電源回路４１に代わって同期整流部２６のゲート駆動回路３４に電力を供給する。

なお、フェイルセイフ用電源回路４２は、異常が発生した制御回路２９から独立して動作可能な構成とすれば良く、出力を切り替える切替部４６を、高電圧側を選択するダイオードＯＲ回路で構成したり、あるいはウォッチドックタイマーの異常検知信号に応じてフェイルセイフ用電源回路４２が起動して出力を切り替える構成や、システム監視用のサブＣＰＵが異常を検知するとフェイルセイフ用電源回路４２に出力を切り替える構成など、種々の構成が可能である。

このようにフェイルセイフ用電源回路４２は、制御回路２９からは独立して動作し、昇圧回路１８での正規の動作が不能となったフェイル時に、同期整流部２６のゲート駆動回路３４に電力を供給する。これによりトランジスタＴｒ２は常時オン状態となり、昇圧回路１８において入力電圧を昇圧することなくそのまま出力するスルー処理が実行される。

電動モータ３は、バッテリ１７の電圧（通常１０Ｖ〜１４．５Ｖ）で動作可能なものとし、昇圧回路１８の昇圧比は２倍以下に設定され、例えば入力電圧１０Ｖ〜１４．５Ｖに対して出力電圧１６Ｖとし、これによりフェイル時に行われる昇圧回路１８のスルー処理により昇圧なしで電動モータ３を動作させることができる。

このように構成された昇圧回路１８においては、図３に示すように、昇圧不能でなければ（ステップ１０１でＮｏ）、通常の昇圧制御が実行される（ステップ１０２）。一方、制御回路２９に失陥が発生して、昇圧不能となり（ステップ１０１でＹｅｓ）、さらにスルー処理も不能であれば（ステップ１０３でＮｏ）、出力停止となり（ステップ１０４）、スルー処理が可能であれば（ステップ１０３でＹｅｓ）、スルー処理が実施される（ステップ１０５）。

なお、フェイルセイフ用電源回路４２は、前記のように制御回路２９で発生した失陥に対するフェイルセイフとして機能する他、ＦＥＴ制御電源回路４１で発生した失陥に対するフェイルセイフとして機能させることも可能である。

図４は、図１に示した昇圧回路の第２の例を示す構成図である。ここでは、同期整流部２６の第２のＦＥＴ３３に対してダイオード５１が並列接続されると共に、同期整流部２６の負荷（電動モータ３）側にツェナーダイオード（過電流吸収手段）４２が設けられている。なお、図２に示した第１の例と共通するものには同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

ダイオード５１は、第２のＦＥＴ３３内の寄生ダイオードＤ２と同様に、アノードが昇圧コイル２３側に接続され、カソードが負荷（電動モータ３）側に接続されている。ツェナーダイオード５２は、カソードが同期整流部２６の出力ラインに接続され、アノードが接地されている。

この構成では、同期整流部２６のトランジスタＴｒ２や制御回路２９に失陥が発生して、第２のスイッチング素子が動作不能となった場合に、ダイオード５１により導通が確保され、ダイオード整流方式で昇圧処理が継続して行われる。

また、電動モータ３は、車輪側から作用する外力などにより動作する際に発電機として機能し、このとき発生した高電圧の電流をバッテリ１７側に流すことになるが、同期整流部２６のトランジスタＴｒ２が導通不能になり、電動モータ３が発生した高電圧を流す経路が遮断されると、Ｈブリッジ回路などからなるモータ駆動回路１９の電圧が異常に高くなり、これを構成する素子が損傷を受ける。

このような不具合に対して、本構成のように、同期整流部２６とモータ駆動回路１９との間に、一端が接地されたツェナーダイオード５２を設けることで、モータ駆動回路１９の過電流（サージ）が吸収され、モータ駆動回路１９の構成素子の損傷を回避することができる。

なお、本発明の電動パワーステアリング装置には、電動モータの駆動力を、運転者の操舵をアシストする補助操舵力として利用する構成の他、操向ハンドルと転舵輪とが機械的に切り離されて、転舵輪に対する転舵力の全てを電動モータで発生させる構成のステアバイワイヤ（Steer By Wire）も含まれる。

本発明が適用される電動パワーステアリング装置の全体構成図である。図１に示した昇圧回路の第１の例を示す構成図である。図２に示した昇圧回路の制御手順を示すフロー図である。図１に示した昇圧回路の第２の例を示す構成図である。

符号の説明

３電動モータ
１３ステアリング制御装置
１７バッテリ（電源）
１８昇圧回路
１９モータ駆動回路
２３昇圧コイル
２５昇圧部
２６同期整流部
２９制御回路
３１第１のＦＥＴ（第１のスイッチング素子）
３３第２のＦＥＴ（第２のスイッチング素子）
３２・３４ゲート駆動回路
４１ＦＥＴ制御電源回路（第１の電力供給手段）
４２フェイルセイフ用電源回路（第２の電力供給手段）
５１ダイオード
５２ツェナーダイオード（過電流吸収手段）
Ｔｒ１・Ｔｒ２トランジスタ
Ｄ１・Ｄ２寄生ダイオード

Claims

コイルと、このコイルと接地との間に設けられた第１のスイッチング素子と、前記コイルと電動モータとの間に設けられた第２のスイッチング素子と、を少なくとも備えた電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置であって、
前記第２のスイッチング素子の駆動用電力を供給する第１・第２の電力供給手段を備え、前記第２のスイッチング素子の駆動用電力が、通常時は前記第１の電力供給手段により供給され、制御回路の異常時は前記第２の電力供給手段により供給されるようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置。
コイルと、このコイルと接地との間に設けられた第１のスイッチング素子と、前記コイルと電動モータとの間に設けられた第２のスイッチング素子と、を少なくとも備えた電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置であって、
前記第２のスイッチング素子と並列接続されたダイオードと、前記第２のスイッチング素子と前記電動モータとの間に設けられた過電流吸収手段とを有し、前記第２のスイッチング素子の異常時に前記ダイオードを介して前記電動モータに電流を流すようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置のモータ駆動用昇圧装置。