JP2010000903A

JP2010000903A - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2010000903A
Application number: JP2008161412A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Oya; 敏明應矢
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: JP5239542B2

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置において、充電電流の制御を、簡素な構成と、軽負荷な演算とによって実現する。
【解決手段】バッテリ７とは別に補助電源としてのキャパシタ１０，１２を備える電動パワーステアリング装置１において、制御回路２は、予め求めた相関関係からバッテリ電圧及びキャパシタ電圧に基づいて充電電流の上限値に相当するデューティを求め、当該デューティで充電回路１６又は２７に設けられているスイッチング素子１４又は２４，２５を開閉制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載され、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には、近年、大電力化の要請がある。そのため、バッテリとは別に設けた補助電源を必要に応じてバッテリと直列に接続し、高電圧によって大電力を供給することができる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１参照。）。一方、バッテリが故障（失陥）すると、電動パワーステアリング装置としての操舵補助機能が突然、発揮できなくなる。そこで、信頼性を向上させるべく、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、バッテリと並列に接続された補助電源をバックアップ電源として使用する可能性が、併せて提案されている。

特開２００８−６２７１２（図１、段落［００３６］）

上記のような補助電源として使用されるキャパシタ（電気二重層コンデンサ）は、使用前に予め充電を完了させておく必要があり、また、使用後は迅速に充電して次の使用に備えなければならない。ここで、充電を短時間で完了させるには大電流を流す必要があるが、電流が過大な場合は回路構成要素に損傷を与える恐れもある。そこで、充電電流が一定となるように、実際に流れる充電電流を検出しながらフィードバック制御を行うことが考えられる。そのためには、実際にキャパシタに流れ込む充電電流を検出する電流検出器が必要であり、また、制御回路はフィードバック演算を行わなければならない。

しかしながら、充電電流の検出に電流検出器を設けると回路構成要素が増えて、製造コストや製品寸法を増大させる一因となり、好ましくない。また、制御回路（ＣＰＵ）においては、演算負荷が大きくなるという問題点がある。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、電動パワーステアリング装置において、充電電流の制御を、簡素な構成と、軽負荷な演算とによって実現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、前記モータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリに対して直列又は並列に接続され、前記モータに電力を供給することが可能なキャパシタと、回路上に設けられたスイッチング素子を開閉することにより、前記バッテリの電圧に基づいて前記キャパシタの充電を行う充電回路と、前記バッテリ及びキャパシタの少なくとも一方から前記モータに電力を供給する放電回路と、前記バッテリの端子間に生じるバッテリ電圧を検出する第１の電圧検出器と、前記キャパシタの端子間に生じるキャパシタ電圧を検出する第２の電圧検出器と、前記放電回路を制御する他、予め求めた相関関係から前記バッテリ電圧及びキャパシタ電圧に基づいてデューティを求め、当該デューティで前記スイッチング素子を開閉制御する制御回路とを備えたものである。

上記のような本発明の電動パワーステアリング装置によれば、制御回路は、予め求めた相関関係からバッテリ電圧及びキャパシタ電圧に基づいてデューティを求めるので、実電流としての充電電流を検出してフィードバックする回路構成が不要である。

上記電動パワーステアリング装置において、キャパシタがバッテリと直列に接続される高出力用である場合、制御回路は、バッテリ電圧Ｖ_Bとキャパシタ電圧Ｖ_Cとに基づくＶ_C／（Ｖ_C＋Ｖ_B）に応じてデューティを求めるようにしてもよい。
また、キャパシタが、バッテリと並列に接続されるバックアップ用である場合、制御回路は、バッテリ電圧Ｖ_Bとキャパシタ電圧Ｖ_Cとに基づくＶ_C／Ｖ_Bに応じてデューティを求めるようにしてもよい。
これらの場合、キャパシタ電圧が低く大電流が流れやすい充電初期には充電電圧が抑制され、充電の進行によりキャパシタ電圧が上昇すると充電電圧が徐々に増大する。従って、充電電流が概ね一定になる制御を行うことができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、デューティは、キャパシタ電圧が０のときでも所定のオフセットが与えられた値とされることが好ましい。
この場合、完全に放電したキャパシタにも確実に、初期の充電電圧を付与することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、予め求めた相関関係からデューティを求めることにより、実電流としての充電電流を検出してフィードバックする回路構成が不要であるので、充電電流の制御を、簡素な構成と、軽負荷な演算とによって実現することができる。

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構成を示す回路図である。図において、ステアリング装置３は、ステアリングホイール（ハンドル）４に付与される運転者の操舵トルクと、モータ５が発生する操舵補助力とによって駆動される。モータ５は、３相ブラシレスモータであり、モータ駆動回路６により駆動される。モータ駆動回路６は、３相ブリッジ回路を構成する６個のスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）６１〜６６と、これらをスイッチングする駆動回路（ＦＥＴドライバ）６７とを備えている。駆動回路６７は、制御回路２によって制御される。

モータ駆動回路６は、接地側電路ＬＧを介して、バッテリ７の負極と接続されている。バッテリ７は、主電源としてモータ駆動回路６に電力を供給する。バッテリ７には、直列にリレー接点８が、並列に電圧検出器９が、それぞれ接続されている。リレー接点８は制御回路２により開閉され、通常は閉路されている。電圧検出器９はバッテリ７の端子間に生じる電圧（バッテリ電圧Ｖ_Bとする。）を検出して、その検出信号を制御回路２に送る。

高出力用の補助電源としてのキャパシタ１０は、電気二重層コンデンサで構成されており、バッテリ７に対して、直列に接続されている。また、キャパシタ１０に並列に、電圧検出器１１が接続されている。電圧検出器１１はキャパシタ１０の端子間に生じる電圧（キャパシタ電圧Ｖ_C1とする。）を検出して、検出信号を制御回路２に送る。

一方、バックアップ用の補助電源としてのキャパシタ１２も、電気二重層コンデンサで構成されており、バッテリ７に対して、スイッチング素子（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）１４を介して並列に接続されている。また、キャパシタ１２に並列に、電圧検出器１３が接続されている。電圧検出器１３はキャパシタ１２の端子間に生じる電圧（キャパシタ電圧Ｖ_C2とする。）を検出して、検出信号を制御回路２に送る。スイッチング素子１４は、駆動回路（ＦＥＴドライバ）１５によってＰＷＭ制御され、オン時間のデューティ制御が可能である。駆動回路１５は、制御回路２によって制御される。なお、スイッチング素子１４は、その接点に対して、図示しない寄生ダイオードが逆並列（高電位側がカソード、低電位側がアノード）に存在している（他のスイッチング素子も同様である。）。スイッチング素子１４及び駆動回路１５は、キャパシタ１２の充電回路１６を構成している。

リレー接点８が閉路された状態において、電路Ｌ１にはバッテリ電圧Ｖ_Bが印加され、他方、電路Ｌ２には、バッテリ電圧Ｖ_Bとキャパシタ電圧Ｖ_C1との和の電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C1）が印加される。従って、モータ駆動回路６に供給される電圧は、キャパシタ１０を使用した場合には（Ｖ_B＋Ｖ_C1）となり、キャパシタ１０を使用しない場合にはＶ_Bとなる。

電路Ｌ１及びＬ２はそれぞれ、スイッチング素子１７及び１８（ＭＯＳ−ＦＥＴ）からリアクトル２１を介して共に、電路Ｌ３に接続される。この電路Ｌ３が、モータ駆動回路６に接続されている。モータ駆動回路６には並列に平滑コンデンサ２２が接続されている。スイッチング素子１７，１８は、駆動回路（ＦＥＴドライバ）１９によって交互にオンとなるように制御される。この制御とはＰＷＭ制御であり、一方のデューティを１、他方を０とすることによりスイッチング素子１７，１８の一方を常時オン、他方を常時オフとすることができる他、デューティ制御された高速なスイッチングにより、電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C1）と、電圧Ｖ_Bとの間で任意の電圧を作り出すこともできる。駆動回路１９は、制御回路２によって制御される。スイッチング素子１７，１８及び駆動回路１９は、バッテリ７及びキャパシタ１０，１２の少なくとも一方からモータ５に電力を供給する放電回路２０を構成している。

キャパシタ１０は、充電回路２７によって充電される。この充電回路２７は、リアクトル２３と、交互にオンとなるスイッチング素子（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）２４，２５と、スイッチング素子２４，２５をスイッチングする駆動回路（ＦＥＴドライバ）２６とを備えている。スイッチング素子２４，２５は、駆動回路２６によってＰＷＭ制御され、オン・オフのデューティ制御が可能である。駆動回路２６は、制御回路２によって制御される。

その他、制御回路２には、ステアリングホイール４に付与された操舵トルクを検出するトルクセンサ２８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２９の出力信号及び、エンジン回転数を検出する回転数センサ３０の出力信号が、それぞれ、制御回路２に入力される。

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、制御回路２は、回転数センサ３０からの出力信号によりエンジンの始動を検出すると、リレー接点８を閉路してモータ５の駆動が可能な状態とする。そして、制御回路２は、トルクセンサ２８から送られてくる操舵トルク信号、及び、車速センサ２９から送られてくる車速信号に基づいて、適切な操舵補助力を発生させるべく、モータ駆動回路６を動作させ、モータ５を駆動させる。また、制御回路２は、必要な操舵補助力に応じて、スイッチング素子１７，１８の一方がオン、他方がオフとなる電源電圧の制御を行う。

一方、充電は、例えば、エンジン始動後で、操舵トルクが検出されていないときに行われる。
キャパシタ１０の充電回路２７において、スイッチング素子２４がオン状態であって、スイッチング素子２５がオフ状態のときは、バッテリ７から、リレー接点８、リアクトル２３、スイッチング素子２４を通って電流が流れる。その状態からスイッチング素子２４がオフ状態（スイッチング素子２５がオン状態）に転じると、電流遮断による磁束変化を妨げるように高電圧がリアクトル２３に発生し、これにより、バッテリ７の出力電圧を昇圧した電圧で、キャパシタ１０が充電される。従って、スイッチング素子２４，２５のオン・オフを繰り返すことにより、キャパシタ１０を充電することができる。制御回路２は、キャパシタ１０の電圧Ｖ_C1を監視し、一定の電圧に達していない場合には、駆動回路２６を介してスイッチング素子２４，２５をオン・オフさせ、キャパシタ１０を充電する。

スイッチング素子２５をオン（充電）させる際のデューティＤ１は、
Ｄ１＝｛Ｖ_C1・Ａ／（Ｖ_C1＋Ｖ_B）｝＋Ｂ・・・（１）
により求められる。ここで、Ａは比例係数であり、回路の構成に依存する定数である。また、Ｂは、オフセットであり、回路の構成に依存する定数である。予め、このＡ及びＢを求め、記憶することにより、制御回路２は、（１）式の簡単な演算を行うことでデューティＤ１を決定することができる。

Ａ及びＢを求めるには、予め、図１の回路構成にさらに、電流検出器をキャパシタ１０に直列に挿入して、キャパシタ１０に流れる充電電流を測定する。そして、任意のＶ_C1／（Ｖ_C1＋Ｖ_B）の値のとき、デューティ制御を行ってキャパシタ１０に充電電流を流し、実際にキャパシタ１０に流れる電流が、目標値である許容上限値になるようにフィードバック制御を行う。この結果、目標値を許容上限値とする制御において、任意のＶ_C1／（Ｖ_C1＋Ｖ_B）に対するデューティが決まる。そこで、多数のＶ_C1／（Ｖ_C1＋Ｖ_B）の値に対するデューティをそれぞれ求め、横軸をＶ_C1／（Ｖ_C1＋Ｖ_B）の値とし、縦軸をデューティＤ１とする座標上のプロット点を作成し、最小二乗法で一次関数回帰することにより、傾きＡと切片Ｂとを求めることができる。

このようにして求めたＡ，Ｂにより特定される（１）式を用いて、制御回路２は、電圧Ｖ_B及びＶ_C1に基づいてデューティＤ１を求めることができる。一旦（１）式が決まれば、同一仕様の回路構成を有する量産品には、充電電流の電流検出器は不要である。すなわち、予め求めた（１）式を制御回路２に記憶させれば、実際の量産品の電動パワーステアリング装置は、図１の回路構成でよい。従って、キャパシタ１０の充電に関する回路構成が簡素になる。また、制御回路２は、（１）式の簡単な演算を行うだけであり、これは、軽負荷な演算である。

一方、キャパシタ１２の充電回路１６においては、スイッチング素子１４のオン・オフを繰り返すことにより、キャパシタ１２を充電することができる。制御回路２は、キャパシタ１２の電圧Ｖ_C2を監視し、一定の電圧に達していない場合には、駆動回路１５を介してスイッチング素子１４をオン・オフさせ、キャパシタ１２を充電する。
なお、電圧Ｖ_C2は、スイッチング素子１４を開いた状態で電圧検出器１３により検出すれば、バッテリ電圧Ｖ_Bの影響を排除して正確に検出することができる。

スイッチング素子１４をオン動作させるデューティＤ２は、
Ｄ２＝（Ｖ_C2／Ｖ_B）・Ｃ＋Ｄ・・・（２）
により求められる。ここで、Ｃは比例係数であり、回路の構成に依存する定数である。また、Ｄは、オフセットであり、回路の構成に依存する定数である。予め、このＣ及びＤを求め、記憶することにより、制御回路２は、（２）式の簡単な演算を行うことでデューティＤ２を決定することができる。

Ｃ及びＤを求めるには、予め、図１の回路構成にさらに、電流検出器をキャパシタ１２に直列に挿入して、キャパシタ１２に流れる充電電流を測定する。そして、任意のＶ_C2／Ｖ_Bの値のとき、デューティ制御を行ってキャパシタ１２に充電電流を流し、実際にキャパシタ１２に流れる電流が、目標値である許容上限値になるようにフィードバック制御を行う。この結果、目標値を許容上限値とする制御において、任意のＶ_C2／Ｖ_Bに対するデューティが決まる。そこで、多数のＶ_C2／Ｖ_Bの値に対するデューティをそれぞれ求め、横軸をＶ_C2／Ｖ_Bの値とし、縦軸をデューティＤ２とする座標上のプロット点を作成し、最小二乗法で一次関数回帰することにより、傾きＣと切片Ｄとを求めることができる。

このようにして求めたＣ，Ｄにより特定される（２）式を用いて、制御回路２は、電圧Ｖ_B及びＶ_C2に基づいてデューティＤ２を求めることができる。一旦（２）式が決まれば、同一仕様の回路構成を有する量産品には、充電電流の電流検出器は不要である。すなわち、予め求めた（２）式を制御回路２に記憶させれば、実際の量産品の電動パワーステアリング装置は、図１の回路構成でよい。従って、キャパシタ１２の充電に関する回路構成が簡素になる。また、制御回路２は、（２）式の簡単な演算を行うだけであり、これは、軽負荷な演算である。
なお、キャパシタ１２の充電完了後のスイッチング素子１４は、常時オンの状態とすることができる。

図２は、上記のような充電に関する制御系の線図である。制御回路２は、許容上限値、キャパシタ電圧及びバッテリ電圧を入力として受けて、充電回路２７又は１６に対し、デューティを指示する。充電回路２７又は１６は、デューティに応じた充電電圧を出力し、キャパシタ１０又は１２に与える。これにより、キャパシタ１０又は１２には実電流（充電電流）が流れる。このように、制御系は、フィードバック制御ではなく、フィードフォワード制御を行う。

上記実施形態の電動パワーステアリング装置によれば、制御回路２は、予め求めて記憶している相関関係からバッテリ電圧及びキャパシタ電圧に基づいて充電電流の上限値に相当するデューティを求めるので、実電流としての充電電流を検出してフィードバックする回路構成（電流検出器その他）が不要である。従って、充電電流の制御を、簡素な構成と、軽負荷な演算で実現することができる。

また、上記（１）、（２）式によりデューティが決定されるので、キャパシタ電圧Ｖ_C（Ｖ_C1，Ｖ_C2の総称）が低く大電流が流れやすい充電初期には充電電圧が抑制され、充電の進行によりキャパシタ電圧が上昇すると充電電圧が徐々に増大する。従って、充電電流が概ね一定になる制御を行うことができる。
また、（１）、（２）式におけるオフセットＢ，Ｄにより、キャパシタ電圧Ｖ_Cが０のときでも所定のオフセット値が与えられる。すなわち、完全に放電したキャパシタにも確実に、初期の充電電圧を付与することができる。

なお、上記実施形態では操舵トルクが検出されていないときにキャパシタ１０，１２の充電を行うとしたが、操舵トルクが検出され、モータ５が操舵補助力を生じさせているとき、すなわちアシスト中であっても、バッテリ７の余力に応じて充電を行うことは可能である。

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構成を示す回路図である。充電に関する制御系の線図である。

符号の説明

１電動パワーステアリング装置
２制御回路
５モータ
７バッテリ
９，１１，１３電圧検出器
１０キャパシタ（高出力用）
１２キャパシタ（バックアップ用）
１４スイッチング素子
２０放電回路
２４，２５スイッチング素子

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、
前記モータに電力を供給するバッテリと、
前記バッテリに対して直列又は並列に接続され、前記モータに電力を供給することが可能なキャパシタと、
回路上に設けられたスイッチング素子を開閉することにより、前記バッテリの電圧に基づいて前記キャパシタの充電を行う充電回路と、
前記バッテリ及びキャパシタの少なくとも一方から前記モータに電力を供給する放電回路と、
前記バッテリの端子間に生じるバッテリ電圧を検出する第１の電圧検出器と、
前記キャパシタの端子間に生じるキャパシタ電圧を検出する第２の電圧検出器と、
前記放電回路を制御する他、予め求めた相関関係から前記バッテリ電圧及びキャパシタ電圧に基づいてデューティを求め、当該デューティで前記スイッチング素子を開閉制御する制御回路と
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。
前記キャパシタが前記バッテリと直列に接続される高出力用である場合、前記制御回路は、バッテリ電圧Ｖ_Bとキャパシタ電圧Ｖ_Cとに基づくＶ_C／（Ｖ_C＋Ｖ_B）に応じて前記デューティを求める請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記キャパシタが前記バッテリと並列に接続されるバックアップ用である場合、前記制御回路は、バッテリ電圧Ｖ_Bとキャパシタ電圧Ｖ_Cとに基づくＶ_C／Ｖ_Bに応じて前記デューティを求める請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記デューティは、前記キャパシタ電圧が０のときでも所定のオフセットが与えられた値とされる請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。