JP2009154833A

JP2009154833A - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2009154833A
Application number: JP2007338422A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Nagase; 茂樹長瀬
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: JP5272406B2

Abstract

【課題】故障したバッテリに代わってモータに電力を供給する補助電源を、できるだけ深い放電深度まで放電させ、保有するエネルギーを十分に引き出すことができる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】バッテリ７が故障したときは、補助電源９からモータ４に駆動用電力を供給するとともに、補助電源９の出力電圧を昇圧回路２５により昇圧して、当該電動パワーステアリング装置１内の電子部品の動作に必要な制御電源電圧を得る構成とする。これにより、補助電源９の出力電圧が低下しても、必要な制御電源電圧を確保することができる。また、補助電源９は、深い放電深度まで放電可能となる。
【選択図】図２

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。

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。かかる電動パワーステアリング装置は、バッテリが故障すると機能停止に至り、手動ステアリング装置となってしまう。そこで、電動パワーステアリング装置としての信頼性を向上させるために、バッテリ故障時にも突然操舵補助力が失われることのないように、バッテリに代わって電力を供給する補助電源を設けた電動パワーステアリング装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

特開２００６−２１３２７３（図１）特開２００３−３２０９４２（図２〜６）

上記のような電動パワーステアリング装置において、補助電源は、故障したバッテリに代わって、モータに駆動用電力を供給するとともに、当該電動パワーステアリング装置内の制御電源電圧（Ｖｃｃ）も提供する。モータへの電力供給により補助電源は放電し、出力電圧は低下する。ここで、出力電圧が大幅に低下しても、電流を増大させることによりモータへの電力供給は可能である。しかしながら、出力電圧の低下により制御電源電圧が低下すると、一定値以上の制御電源電圧を必要とする電子部品が動作しなくなる。電子部品が動作しなくなれば、その時点で補助電源にまだ放電の余力が残っていても、モータに電力を供給することはできなくなる。すなわち、従来の電動パワーステアリング装置では、補助電源を、その放電深度の深いところまで十分に放電させることはできなかった。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、故障したバッテリに代わってモータに電力を供給する補助電源を、できるだけ深い放電深度まで放電させ、保有するエネルギーを十分に引き出す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を目的とする。

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、前記モータへの駆動用電力の供給源であるとともに、当該電動パワーステアリング装置内における制御電源電圧の供給源であるバッテリと、前記バッテリとは別に設けられ、前記モータへの駆動用電力の供給源となり得る補助電源と、前記バッテリの故障を検出する検出器と、前記補助電源の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、前記バッテリの電圧に基づいて前記補助電源を充電し、前記バッテリから前記モータへ駆動用電力を供給し、かつ、前記バッテリから前記制御電源電圧を供給する常用の出力状態と、前記補助電源から前記モータへ駆動用電力を供給し、かつ、前記補助電源の出力電圧が所定値未満であるときには、これを、前記昇圧回路によって昇圧した電圧を前記制御電源電圧として供給する非常用の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、前記バッテリに故障が検出されないときは前記充放電回路に対して前記常用の出力状態を選択させ、前記バッテリに故障が検出されたときは前記充放電回路に対して前記非常用の出力状態を選択させる制御回路とを備えたものである。

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は、バッテリに故障が検出されたとき、制御回路は充放電回路に対して非常用の出力状態を選択させる。これにより、バッテリに代わって、補助電源からモータへ駆動用電力が供給され、かつ、昇圧回路によって昇圧した電圧が制御電源電圧として供給されることになる。すなわち、制御電源電圧として、補助電源の生の出力電圧より高い所要の電圧を作り出して供給することで、生の出力電圧は低下しても、当該電動パワーステアリング装置内の電子部品の動作に必要な制御電源電圧を確保することができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、補助電源の出力電圧を検出する電圧検出器が設けられ、制御回路は、補助電源の放電中に、電圧検出器が検出する補助電源の出力電圧に基づいて、制御電源電圧として所定値が得られるように昇圧回路における昇圧比を制御することが好ましい。
この場合、補助電源の出力電圧が放電により低下するほど昇圧比を増大させることで、補助電源の出力電圧が大幅に低下しても、必要な制御電源電圧を得ることができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、制御電源電圧として、補助電源の生の出力電圧より高い所要の電圧を作り出して供給することで、生の出力電圧は低下しても、当該電動パワーステアリング装置内の電子部品の動作に必要な制御電源電圧を確保することができる。従って、補助電源を深い放電深度まで放電させることができ、それによって、保有するエネルギーを十分に引き出すことができる。

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り、特に、主回路（制御回路以外）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が発生する操舵補助力とによって駆動される。モータ４のロータ４ｒからステアリング装置２への動力伝達には減速機（図示せず。）が使用されている。モータ４は、３相ブラシレスモータであり、モータ駆動回路５により駆動される。モータ駆動回路５は、３相ブリッジ回路を構成するＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６と、抵抗５７とが図示のように接続されたものである。モータ駆動回路５には、平滑用の電解コンデンサ６が並列に接続されている。バッテリ７からモータ駆動回路５への電力供給は、充放電回路８及びリアクトル１４を介して行われる。
補助電源９は、上記バッテリ７とは別に設けられ、充放電回路８に接続されている。補助電源９は、電気二重層コンデンサやリチウムイオン電池で構成されている。

図２は、図１に加えて、充放電回路８の具体的な構成の他、制御用の回路要素や回路接続を記載した回路図である。図において、モータ駆動回路５内のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６（図１）は、ゲート駆動回路（例えばＦＥＴドライバである。以下同様。）１１によってスイッチングされる。なお、このゲート駆動回路１１や、後述の他のゲート駆動回路（１７，２４，２８）には、制御電源電圧Ｖｃｃを昇圧回路（図示せず。）で昇圧した電圧が付与されるようになっている。

バッテリ７の電圧（正常時は１２〜１５Ｖ）は、リレー接点１２、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３及びリアクトル１４が介挿された電路Ｌ１，Ｌ３を経て、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ１３はＮチャネルであり、ソースがバッテリ７側、ドレインがモータ駆動回路５側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１３ｄは、バッテリ７からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向が順方向となるように構成されている。バッテリ７の＋側端子は、開閉制御可能なスイッチとしてのリレー接点１２を介して、電路Ｌ１と接続されている。

補助電源９は、電路Ｌ１と、他の電路Ｌ２との間に設けられている。補助電源９の高電位側の電路Ｌ２は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５を介して、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３のドレインとリアクトル１４との接続点に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１５はＮチャネルであり、ソースがモータ駆動回路５側、ドレインが補助電源９側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１５ｄは、補助電源９からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向とは逆向きになっている。
また、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３及び１５は、ゲート駆動回路１７により、交互にオン状態となるように駆動される。

一方、電路Ｌ１には、リアクトル１８を介してダイオード１９のアノードが接続されている。また、ダイオード１９のカソードは補助電源９の高電位側の電路Ｌ２に接続されている。ダイオード１９のアノードと接地側電路ＬＧとの間には、ＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ２０が設けられている。ＭＯＳ―ＦＥＴ２０は、ゲート駆動回路２１により駆動される。

また、バッテリ７は、ダイオード２２及びＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ２３を介して、制御電源電圧Ｖｃｃの供給源となる。ＭＯＳ−ＦＥＴ２３は、ゲート駆動回路２４により駆動される。また、制御電源電圧Ｖｃｃの電路には、昇圧回路２５が接続されている。昇圧回路２５は、ＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ２６、ＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ２７及びこれらを互いに交互にオン・オフするゲート駆動回路２８とによって構成されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ２６のドレイン及びＭＯＳ−ＦＥＴ２７のソースは、リアクトル３５及びダイオード３６を介して、補助電源９の高電位側の端子に接続されている。この昇圧回路２５は、制御電源電圧Ｖｃｃの供給源となることができる。

上記のＭＯＳ−ＦＥＴ１３、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５、ゲート駆動回路１７、リアクタンス１８、ダイオード１９、ＭＯＳ−ＦＥＴ２０、ゲート駆動回路２１、ダイオード２２、ＭＯＳ−ＦＥＴ２３、及び、ゲート駆動回路２４は、図１における充放電回路８を構成している。充放電回路８は、バッテリ７の電圧に基づいて補助電源９を充電し、バッテリ７からモータ４へ駆動用電力を供給し、かつ、バッテリ７から制御電源電圧Ｖｃｃを供給する常用の出力状態と、補助電源９からモータ４へ駆動用電力を供給し、かつ、補助電源９の出力電圧が所定値未満であるときには、これを、昇圧回路２５によって昇圧した電圧を制御電源電圧Ｖｃｃとして供給する非常用の出力状態と、を選択的に構成するものである。

上記ゲート駆動回路１１，１７，２１，２４，２８及び、リレー接点１２は、マイクロコンピュータを含む制御回路２９の指令信号を受けて動作する。この制御回路２９には、ステアリングホイール３に付与された操舵トルクを検出するトルクセンサ３０から、その出力信号が入力される。また、車速を検出する車速センサ３１の出力信号が、制御回路２９に入力される。モータ４には、ロータ４ｒの回転角度位置を検出する角度センサ３２が設けられており、その出力信号が制御回路２９に入力される。

一方、バッテリ７及び補助電源９にはそれぞれ、電圧検出器３３及び３４が、並列に接続されている。電圧検出器３３は、バッテリ７の電圧Ｖ１を検出してその出力信号を制御回路２９に入力する。この電圧検出器３３は、バッテリ７の故障（例えば失陥）を検出する検出器でもある。また、電圧検出器３４は、補助電源９の電圧（端子間電圧）Ｖ２を検出してその出力信号を制御回路２９に入力する。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置１において、バッテリ７の電圧が正常で、制御回路２９が正常に動作しているとき、リレー接点１２は、制御回路２９からの指令信号により、オン（閉）の状態となっている。従って、バッテリ７からの電圧が電路Ｌ１に印加されている。制御回路２９は、操舵トルク及び車速に基づいて、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力を推定し、これを基準値と比較する。所要電力が基準値以下であるときは、制御回路２９の指令信号により、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３がオン状態、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５がオフ状態となり、バッテリ７の電圧が、リレー接点１２、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３及びリアクトル１４を介して、モータ駆動回路５に供給される。

制御回路２９は、トルクセンサ３０から送られてくる操舵トルク信号、車速センサ３１から送られてくる車速信号、及び、角度センサ３２から送られてくるロータ角度位置信号に基づいて、適切な操舵補助力を発生させるべく、ゲート駆動回路１１を介してモータ駆動回路５を動作させ、モータ４を駆動させる。
なお、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ１３のオン抵抗は、寄生ダイオード１３ｄの順方向抵抗に比べて格段に小さい（例えば１ｍΩ程度）ため、バッテリ７からモータ駆動回路５に流れる電流の大部分は、ソースからドレインを通り、寄生ダイオード１３ｄに流れる電流は僅かである。

一方、ＭＯＳ−ＦＥＴ２０がオン状態のときは、バッテリ７からリレー接点１２、リアクトル１８及びＭＯＳ−ＦＥＴ２０を通って電流が流れる。その状態からＭＯＳ−ＦＥＴ２０がオフ状態に転じると、電流遮断による磁束変化を妨げるように逆向きの高電圧がリアクトル１８に発生し、これにより、ダイオード１９を介して、補助電源９が充電される。従って、ＭＯＳ−ＦＥＴ２０のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源９を充電することができる。制御回路２９は、補助電源９の電圧Ｖ２を監視し、一定の電圧に達していない場合には、ゲート駆動回路２１を介してＭＯＳ−ＦＥＴ２０をオン・オフさせ、補助電源９を充電する。この充電は、例えば、トルクセンサ３０が操舵トルクを検出していないときに行われる。

次に、所要電力が基準値を超えるとき、すなわち、バッテリ７のみでは所要電力をまかないきれないときは、制御回路２９はＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５をオン状態とする。この結果、バッテリ７と補助電源９とが互いに直列に接続された状態で、その出力電圧がモータ駆動回路５に供給される。これにより、バッテリ７のみの出力可能電力を超える大電力を、モータ駆動回路５に供給することができる。なお、このとき、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３の寄生ダイオード１３ｄのカソードはアノードより高電位、すなわち、逆電圧であることにより、補助電源９からの電流が電路Ｌ１に流入することは、阻止される。

一方、車両のイグニッションキー（図示せず。）がオンのときであって、バッテリ７の電圧が正常であるときは、制御回路２９の指令信号により、ゲート駆動回路２４を介してＭＯＳ−ＦＥＴ２３がオン状態となっている。従って、バッテリ７が、ダイオード２２及びＭＯＳ−ＦＥＴ２３を介して制御電源電圧Ｖｃｃの供給源となる。
なお、イグニッションキーがオフのときは、ＭＯＳ−ＦＥＴ２３をオフ状態としておくことにより、微小な暗電流によるバッテリ７の放電を防止することができる。

次に、バッテリ７に失陥等の故障が生じた場合の、電動パワーステアリング装置１の回路動作について説明する。まず、バッテリ７の故障は、その端子電圧の異常（低下）として、電圧検出器３３により検出される。この検出信号を受けた制御回路２９は、リレー接点１２を開くとともに、ゲート駆動回路２１を介して、ＭＯＳ−ＦＥＴ２０をオン状態とする。これにより、補助電源９の片側（電路Ｌ１側）端子が、リアクトル１８及びＭＯＳ−ＦＥＴ２０を介して電路ＬＧと接続される。また、制御回路２９はＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５をオン状態とする。これにより、補助電源９の電圧が、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５及びリアクトル１４を介して、モータ駆動回路５に供給され、モータ４に駆動用電力を供給することができる。すなわち、バッテリ７が故障しても、引き続き、補助電源９からモータ４に駆動用電力を供給することができる。

一方、バッテリ７が故障すると、ＭＯＳ−ＦＥＴ２３がオフ状態となり、バッテリ７から制御電源電圧Ｖｃｃを供給することはできなくなるが、補助電源９の出力電圧を昇圧回路２５によって昇圧した電圧が、制御電源電圧Ｖｃｃとして供給されることになる。ここで、昇圧回路２５の昇圧比（出力電圧／入力電圧）は、交互にオン・オフする２つのＭＯＳ−ＦＥＴ２６，２７のデューティを変化させることにより、自在に変化させることができる。具体的には、ＭＯＳ−ＦＥＴ２６のオン時間をＴ_ON、オフ時間をＴ_OFFとすると、ＭＯＳ−ＦＥＴ２６のデューティＤは、
Ｄ＝｛Ｔ_ON／（Ｔ_ON＋Ｔ_OFF）｝
で表され、デューティＤが大きくなるほど、昇圧比が大きくなる。すなわち、リアクトル３５に電流が流れている時間の割合が長くなるほど、昇圧比が高くなる。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴ２６のオン時間・オフ時間の制御は、制御回路２９から指令信号を受けたゲート駆動回路２８のＰＷＭ制御により実現される。

そこで、制御回路２９は、電圧検出器３４から送られてくる補助電源９の電圧信号に基づき、補助電源９の出力電圧が、放電によって、所定値未満すなわち、制御電源電圧Ｖｃｃの許容最低値Ｖmin（例えば８Ｖ）未満となった場合には、許容最低値以上になるようにデューティＤを選択して、昇圧回路２５に、昇圧を行わせる。従って、昇圧回路２５の出力電圧は、制御電源電圧Ｖｃｃの許容最低値Ｖmin以上とすることができる。なお、昇圧比の最大値をＲmaxとすると、補助電源９の出力電圧が、Ｖmin／Ｒmax以上でさえあれば、制御電源電圧を確保することができる。すなわち、補助電源９の出力電圧が放電により低下するほど昇圧比を増大させることで、補助電源９の出力電圧が大幅に低下しても、必要な制御電源電圧を得ることができる。
なお、補助電源９の出力電圧が、制御電源電圧Ｖｃｃの許容最低値Ｖmin以上である場合には、昇圧を行わず、ＭＯＳ−ＦＥＴ２６をオフ状態、ＭＯＳ−ＦＥＴ２７をオン状態として、補助電源９の出力電圧をそのまま制御電源電圧とすればよい。

以上のように、制御電源電圧として、補助電源９の生の出力電圧より高い所要の電圧を作り出して供給することで、生の出力電圧は低下しても、電動パワーステアリング装置１内の電子部品の動作に必要な制御電源電圧を確保することができる。
また、その間に、補助電源９は放電深度の深いところまで放電することが可能となり、補助電源９の保有するエネルギーを十分に引き出すことができる。従って、バッテリ７故障時に、補助電源９によって操舵補助が可能となる時間を引き延ばすことができる。これにより、運転者にとっては、万一バッテリ７が故障しても、急に操舵補助停止となることなく、車両の停止や退避までの猶予時間を十分に確保することができる。なお、制御回路２９は、バッテリ７の故障時に、これを直ちに運転者に知らせる警告（表示灯や警告音）を行う。

なお、上記実施形態では、所要電力が基準値を超えるとき、補助電源９をバッテリ７と直列に接続して高出力が得られる電動パワーステアリング装置１について説明したが、高出力が特に必要でない場合には、補助電源９を、バッテリ７の故障時のバックアップにのみ用いるようにしてもよい。

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の、電気回路を主体とした概略構成を示す回路図であり、特に、主回路（制御回路以外）を示す回路図である。図１に加えて、充放電回路の具体的な構成の他、制御用の回路要素や回路接続を記載した回路図である。

符号の説明

１電動パワーステアリング装置
４モータ
７バッテリ
８充放電回路
９補助電源
２５昇圧回路
２７制御回路
３３電圧検出器
３４電圧検出器

Claims

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、
前記モータへの駆動用電力の供給源であるとともに、当該電動パワーステアリング装置内における制御電源電圧の供給源であるバッテリと、
前記バッテリとは別に設けられ、前記モータへの駆動用電力の供給源となり得る補助電源と、
前記バッテリの故障を検出する検出器と、
前記補助電源の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記バッテリの電圧に基づいて前記補助電源を充電し、前記バッテリから前記モータへ駆動用電力を供給し、かつ、前記バッテリから前記制御電源電圧を供給する常用の出力状態と、前記補助電源から前記モータへ駆動用電力を供給し、かつ、前記補助電源の出力電圧が所定値未満であるときには、これを、前記昇圧回路によって昇圧した電圧を前記制御電源電圧として供給する非常用の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、
前記バッテリに故障が検出されないときは前記充放電回路に対して前記常用の出力状態を選択させ、前記バッテリに故障が検出されたときは前記充放電回路に対して前記非常用の出力状態を選択させる制御回路と
を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記補助電源の出力電圧を検出する電圧検出器が設けられ、
前記制御回路は、前記補助電源の放電中に、前記電圧検出器が検出する前記補助電源の出力電圧に基づいて、前記制御電源電圧として所定値が得られるように前記昇圧回路における昇圧比を制御する請求項１記載の電動パワーステアリング装置。