JP2010012913A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補助電源のエネルギーを節約し、効率よく補助電源を使用する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】制御回路２は、モータ５に流れる実電流と目標電流とに基づいてモータ駆動回路６に供給する駆動電圧の指令値を求め、当該指令値が、バッテリ７による供給のリミット値を下限とする前回値を超えた場合、その差に応じて補助電源７の放電量を、スイッチング素子１２，１３のデューティ増減によって制御する。
【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。）。

特開２００８−６２７１２（図１）

上記の補助電源としては例えば電気二重層コンデンサが使用される。このような補助電源は、常に、使用に備えて充電しておかなければならないが、残り電荷の少ない状態からの充電にはある程度時間がかかり、充電制御も電動パワーステアリング装置の制御回路には負担になる。従って、なるべく補助電源のエネルギーを無駄に消費しないようにするべきである。一方、補助電源は、バッテリのみでは電力が不足する場合に必要とされるが、どの程度不足するかに関わらず、とにかく不足すれば使用される。しかし、不足の程度が低い場合において、補助電源が持てる力をフルに発揮すると、いわば過剰に補助電源が活躍する結果となり、補助電源のエネルギーを必要以上に使用してしまう。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、補助電源のエネルギーを節約し、効率よく補助電源を使用する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、前記モータを駆動するモータ駆動回路と、前記モータ駆動回路から前記モータに供給される実電流を検出する電流検出器と、前記モータ駆動回路に駆動電圧を供給するバッテリと、前記バッテリに対して直列に接続され、前記モータ駆動回路に駆動電圧を供給することが可能な補助電源と、前記バッテリのみから前記モータ駆動回路に駆動電圧を供給する第１電路と、前記バッテリ及び補助電源の直列電源から前記モータ駆動回路に駆動電圧を供給する第２電路とを交互に開閉するスイッチング素子を有する放電回路と、前記モータ駆動回路を制御して前記モータに操舵補助力を生じさせるとともに、前記実電流と目標電流とに基づいて前記モータ駆動回路に供給する駆動電圧の指令値を求め、当該指令値が、前記バッテリによる供給のリミット値を下限とする前回値を超えた場合、その差に応じて前記補助電源の放電量を制御す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、制御回路は、駆動電圧の指令値が、リミット値を下限とする前回値を超えた場合、その差に応じて補助電源の放電量を制御するので、必要以上の電圧を補助電源から供給することを防止し、適切な電圧を供給することができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、制御回路は、指令値が、リミット値を下限とする前回値より大きいときは第２電路を閉じる期間に相当する放電デューティを逐次増加させ、逆に、当該指令値が、リミット値を下限とする前回値より小さく、かつ、放電デューティが０より大きいときは当該放電デューティを逐次減少させるようにしてもよい。
この場合、放電デューティの増加によりバッテリと補助電源との直列電源から電圧を供給する時間的割合が多くなることにより駆動電圧は上昇する。逆に、放電デューティの減少によりバッテリのみから電圧を供給する時間的割合が多くなることにより駆動電圧は下降する。逐次増加・減少の積算処理により、駆動電圧の変化が円滑になる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、補助電源の端子間に生じる補助電源電圧を検出する電圧検出器と、バッテリの電圧に基づいて補助電源の充電を行う充電回路とを備え、制御回路は、指令値が、リミット値を下限とする前回値より小さいときは、放電デューティを逐次減少させ、その結果当該放電デューティが０に達し、かつ、補助電源電圧が所定の閾値を下回ると、充電回路により補助電源の充電を行わせるようにしてもよい。
この場合、充電は、放電の必要がないときに行われるので無駄がない。また、補助電源電圧が閾値以上であれば充電しないことにより、むやみに充電を行うことを、回避することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、必要以上の電圧を補助電源から供給することを防止し、適切な電圧を供給することができるので、補助電源のエネルギーを節約し、効率よく補助電源を使用する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（インバータ）６により駆動される。モータ駆動回路６の内部構成については図示を省略するが、３相ブリッジ回路を構成する６個のスイッチング素子と、これらをスイッチングする駆動回路とによって構成されている。このモータ駆動回路６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。

補助電源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、補助電源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は補助電源１０の端子間に生じる電圧（キャパシタ電圧Ｖ_Cとする。）を検出して、検出信号を制御回路２に送る。

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_Cとの和の電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C）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、補助電源１０を使用した場合には最大（Ｖ_B＋Ｖ_C）となり、補助電源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１２及び１３（ＭＯＳ−ＦＥＴ）からリアクトル１６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１７が接続されている。スイッチング素子１２，１３は、駆動回路（ＦＥＴドライバ）１４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、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_C）と、電圧Ｖ_Bとの間で任意の電圧を作り出すことができる。また、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１２，１３の一方を常時オン、他方を常時オフとすることもできる。

駆動回路１４は、制御回路２によって制御される。スイッチング素子１２，１３及び駆動回路１４は、放電回路１５を構成している。すなわち、この放電回路１５は、バッテリ７のみからモータ駆動回路６に駆動電圧を供給する第１電路Ｌ１と、バッテリ７及び補助電源１０の直列電源からモータ駆動回路６に駆動電圧を供給する第２電路Ｌ２とを交互に開閉するスイッチング素子１２，１３を有するものである。
なお、スイッチング素子１２，１３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１９，２０も同様である。）。

補助電源１０は、充電回路２２によって充電される。この充電回路２２は、リアクトル１８と、交互にオンとなるスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）１９，２０と、スイッチング素子１９，２０をスイッチングする駆動回路（ＦＥＴドライバ）２１とを備えている。スイッチング素子１９，２０は、駆動回路２１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２１は、制御回路２によって制御される。

モータ駆動回路６とモータ５とを繋ぐ３相の電路のうちの２相分には、電流検出器２３が設けられており、制御回路２と接続されている。制御回路２は、これらの電流検出器２３の出力に基づいて、モータ駆動回路６からモータ５に供給される実電流を検出することができる。
一方、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２４から、その出力信号が制御回路２に入力される。また、車速を検出する車速センサ２５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２６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１において、制御回路２は、回転数センサ２６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２４から送られてくる操舵トルク信号、及び、車速センサ２５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１２，１３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、補助電源１０の充電回路２２において、スイッチング素子１９がオン状態であって、スイッチング素子２０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１８、スイッチング素子１９を通って電流が流れる。その状態からスイッチング素子１９がオフ状態（スイッチング素子２０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１８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、補助電源１０が充電される。従って、スイッチング素子１９，２０のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源１０を充電することができる。制御回路２は、補助電源１０の電圧Ｖ_Cを監視し、一定の電圧に達していない場合には、駆動回路２１を介してスイッチング素子１９，２０をオン・オフさせ、補助電源１０を充電する。

図２は、モータ制御、駆動電圧制御、及び充電制御に関する制御系の線図である。制御回路２は、内部機能として、操舵トルクや車速に基づいて定められた目標電流とモータ５に流れる実電流のフィードバック信号との差をとる減算部２ａ、ＰＩ（比例・積分）制御部２ｂ、リミット処理部２ｃ、ＰＩ制御部２ｂの出力であるＰＩ電圧指令（駆動電圧の指令値）とリミット処理部２ｃの出力電圧指令との差をとる減算部２ｄ、及び、その差の積算処理部２ｅを含んでいる。

このような内部機能により、目標電流に追従するＰＩ電圧指令がリミット処理を経てモータ駆動回路６の駆動信号となり、これにより、モータ５が駆動される。また、ＰＩ電圧指令が、リミット処理におけるリミット値を下限とする前回値（リミット値を下限とする前回のＰＩ電圧指令値）と比較され、その大小関係に応じた積算処理が逐次行われる。積算処理の結果に応じて、放電回路１５の放電デューティが制御される。これにより、モータ駆動回路６及びモータ５へ供給される駆動電圧が決まる。また、一定の条件で充電回路２２が駆動され、補助電源１０の充電が行われる。

図３は、上述のＰＩ制御、リミット処理及び積算処理に関するフローチャートである。このフローチャートの処理は繰り返し実行される。まず、ステップＳ１において、ＰＩ電圧指令と、リミット値を下限とする前回値との比較が行われる。ここで、ＰＩ電圧指令が当該前回値以下であれば、ステップＳ２において、放電デューティＤが０又は負であるか否かの判断が行われる。ここで、放電デューティＤが０又は負であれば、ステップＳ３において、補助電源１０の電圧Ｖ_Cが閾値以上であるか否かの判断が行われる。電圧Ｖ_Cが閾値以上であるときは処理終了となる。

一方、ステップＳ１において、ＰＩ電圧指令が、リミット値を下限とする前回値より大きい場合には、ステップＳ４において放電デューティＤに所定の値Δｄを加算する処理が行われる。この処理が繰り返されることにより、ＰＩ電圧指令が、リミット値を下限とする前回値より大きい場合には、放電デューティＤが積算され、逐次増加する。放電デューティの増加によりスイッチング素子１３がオン状態である時間の割合が大きくなり、モータ駆動回路６に供給される駆動電圧は、Ｖ_B〜（Ｖ_B＋Ｖ_C）の範囲内で上昇する。なお、ステップＳ６において前回値がリミット値より大きいときは、そのまま処理終了となり、逆に、前回値がリミット値以下であれば前回値をリミット値に設定して（ステップＳ７）、処理終了となる。

具体的には、例えば、バッテリ電圧の１２Ｖがリミット値として設定されているとするとき、ＰＩ電圧指令が１５Ｖ、すなわちバッテリ電圧を超える電圧を供給しようとするときは、ＰＩ電圧指令が１２Ｖ以下になるまで、放電デューティＤは０より大きな値となり、モータ駆動回路６に供給される電圧は上昇する。
なお、ここでは、補助電源１０が十分に充電されているものとして説明している。充電が不十分な補助電源を放電させると、却って電力効率が損なわれることになるので、実際には、放電させる前に補助電源１０の電圧Ｖ_Cを確認することが好ましい。

また、ＰＩ電圧指令が、リミット値を下限とする前回値以下であって、かつ、ステップＳ２において放電デューティＤが０より大きいとき（すなわち正の値であるとき）は、ステップＳ５において放電デューティＤから所定の値Δｄを減算する処理が行われる。この処理が繰り返されることにより、放電デューティが正の値である限り、放電デューティＤがマイナス方向に積算され、逐次減少する。放電デューティの減少によりスイッチング素子１３がオン状態である時間の割合が小さくなり、モータ駆動回路６に供給される駆動電圧は、Ｖ_B〜（Ｖ_B＋Ｖ_C）の範囲内で下降する。なお、ステップＳ６において前回値がリミット値より大きいときは、そのまま処理終了となり、逆に、前回値がリミット値以下であれば前回値をリミット値に設定して（ステップＳ７）、処理終了となる。

具体的には、例えば、バッテリ電圧の１２Ｖがリミット値として設定されているとして、リミット値を下限とする前回値を超えていたＰＩ電圧指令が、今回は前回値以下に低下したときは、その状態が続く限り、放電デューティＤが減少し続け、モータ駆動回路６に供給される電圧は下降する。

一方、ＰＩ電圧指令が、リミット値を下限とする前回値以下で、放電デューティＤは０以下（０又は負）で、かつ、電圧Ｖ_Cが閾値に満たない場合には、ステップＳ８において、補助電源１０の充電が行われる。充電は制御回路２が駆動回路２１を介してスイッチング素子１９，２０を開閉することにより行われ、電圧検出器１１が所定の電圧を検出すれば充電完了となる。すなわち、補助電源１０を使用する必要のないときに、補助電源１０の充電が行われることになる。なお、ここでは、バッテリ７が正常であるものとして説明している。実際には、充電前にバッテリ７の電圧Ｖ_Bを確認することが好ましい。

以上のように、本実施形態の電動パワーステアリング装置１において、制御回路２は、駆動電圧の指令値が、リミット値を下限とする前回値を超えた場合に、その差に応じて補助電源１０の放電量を制御するので、必要以上の電圧を補助電源１０から供給することを防止し、適切な電圧を供給することができる。従って、補助電源１０のエネルギーを節約し、効率よく補助電源１０を使用することができる電動パワーステアリング装置１を提供することができる。

また、放電デューティＤの増加によりバッテリ７と補助電源１０との直列電源から電圧を供給する時間的割合が多くなって駆動電圧は上昇し、逆に、放電デューティＤの減少によりバッテリ７のみから電圧を供給する時間的割合が多くなって駆動電圧は下降する、という逐次増加・減少の積算処理により、駆動電圧の変化が円滑になる。

また、制御回路２は、指令値が、リミット値を下限とする前回値より小さいときは、放電デューティＤを逐次減少させ、その結果当該放電デューティＤが０に達し、かつ、補助電源電圧が所定の閾値を下回ると、充電回路２２により補助電源１０の充電を行わせるようにしたので、充電は、放電の必要がないときに行われ、無駄がない。また、補助電源電圧が閾値以上であれば充電しないことにより、むやみに充電を行うことを、回避することができる。

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。 モータ制御、駆動電圧制御、及び充電制御に関する制御系の線図である。 ＰＩ制御、リミット処理及び積算処理に関するフローチャートである。

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
６ モータ駆動回路
７ バッテリ
１０ 補助電源
１１ 電圧検出器
１２，１３ スイッチング素子
１５ 放電回路
２２ 充電回路
２３ 電流検出器

Claims (3)

1. 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、
   前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
   前記モータ駆動回路から前記モータに供給される実電流を検出する電流検出器と、
   前記モータ駆動回路に駆動電圧を供給するバッテリと、
   前記バッテリに対して直列に接続され、前記モータ駆動回路に駆動電圧を供給することが可能な補助電源と、
   前記バッテリのみから前記モータ駆動回路に駆動電圧を供給する第１電路と、前記バッテリ及び補助電源の直列電源から前記モータ駆動回路に駆動電圧を供給する第２電路とを交互に開閉するスイッチング素子を有する放電回路と、
   前記モータ駆動回路を制御して前記モータに操舵補助力を生じさせるとともに、前記実電流と目標電流とに基づいて前記モータ駆動回路に供給する駆動電圧の指令値を求め、当該指令値が、前記バッテリによる供給のリミット値を下限とする前回値を超えた場合、その差に応じて前記補助電源の放電量を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。
2. 前記制御回路は、前記指令値が、リミット値を下限とする前回値より大きいときは前記第２電路を閉じる期間に相当する放電デューティを逐次増加させ、逆に、当該指令値が、リミット値を下限とする前回値より小さく、かつ、放電デューティが０より大きいときは当該放電デューティを逐次減少させる請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記補助電源の端子間に生じる補助電源電圧を検出する電圧検出器と、
   前記バッテリの電圧に基づいて前記補助電源の充電を行う充電回路とを備え、
   前記制御回路は、前記指令値が、リミット値を下限とする前回値より小さいときは、前記放電デューティを逐次減少させ、その結果当該放電デューティが０に達し、かつ、前記補助電源電圧が所定の閾値を下回ると、前記充電回路により前記補助電源の充電を行わせる請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。

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