JP2011148420A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータで発生した回生電力により、駆動ＩＣが破損しないようにする。
【解決手段】モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧を越えて電圧比較器１３３の出力信号がハイレベルになると、ロジック回路１３２は、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号ＵＨ，／ＵＬ，ＶＨ，／ＶＬ，ＷＨ，／ＷＬのうち、モータ駆動回路１２０の上アームＳＨに係るＰＷＭ制御信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨをローレベルに固定した信号に変換し、下アームＳＬに係るＰＷＭ制御信号／ＵＬ，／ＶＬ，／ＷＬをハイレベルに固定した信号に変換する。これにより、電動モータ２０が相間短絡されてブレーキ制動が働き、回生電力が低下する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータの駆動により運転者の操舵操作をアシストする電動パワーステアリング装置に関する。

従来から、電動パワーステアリング装置は、電動モータの出力トルクをステアリング機構のステアリングシャフトやラックバーなどに伝達することによって、運転者の操舵操作をアシストする装置として知られている。車両の走行中において、例えば、タイヤが縁石に衝突したケースなど、タイヤからステアリング機構に大きな力が入力した場合には、車輪が転舵しラックバーに大きな軸力が働く。これにより、ラックバーが軸方向に移動するとともに、ラックバーに連結されたステアリングシャフトが回転する。このようにタイヤからステアリング機構に働く入力を逆入力と呼ぶ。逆入力が発生すると電動モータの回転子が強制的に回され、電動モータが発電機として作用し逆起電力により電源側に電流が戻される。

特許文献１に提案された電動パワーステアリング装置においては、車載バッテリとモータ駆動回路との間に昇圧回路を備えており、昇圧回路を逆起電力から保護する技術が示されている。この装置においては、昇圧回路を迂回するように逆起電力通過用の分岐回路を設けることにより、逆起電力を車載バッテリに回生するようにして、逆起電力から昇圧回路を保護する。以下、逆起電力により電動モータから電源側に戻される電流あるいは電力を回生電流あるいは回生電力と呼ぶが、電源装置（バッテリ）に回生されるものに限定したものを意味するわけではない。

ところで、ハイブリッド車両のように高圧バッテリを搭載し、高圧バッテリから電動パワーステアリング装置の電動モータに電源供給する車両が知られている。こうした車両においては、高圧バッテリの出力電圧を降圧する降圧回路を設け、この降圧回路で降圧した電源を電子制御ユニット（ＥＣＵ）にモータ駆動系電源として供給するシステムを構成している。このシステムでは、ステアリング機構に逆入力が働いたときに、回生電流を高圧バッテリに流して電力回生することが難しい。つまり、高圧バッテリに電力回生するためには、電動モータで発生した回生電力を昇圧する昇圧回路が別途必要となる。しかし、コスト、体格、重量の観点から昇圧回路を設けることは好ましくない。

高圧バッテリに回生電流を流すことができない場合には、ＥＣＵ内のモータ駆動系電源電圧が上昇する。そこで、従来のハイブリッド車両においては、降圧回路の出力段に、抵抗素子とスイッチング素子からなる回生電力消費回路を設け、回生電流を回生電力消費回路に流すことにより、回生電力を抵抗素子の熱に変換して消費し、ＥＣＵ内のモータ駆動系電源電圧がモータ駆動系回路の耐電圧を越えないようにしている。

特開２００４−２８２９６３号

しかしながら、非常に大きな逆入力が働いて、回生電力消費回路の能力（熱変換能力）を超える回生電力が電動モータで発生した場合には、ＥＣＵ内のモータ駆動系電源電圧がモータ駆動系回路の耐電圧を越えてしまい回路破損が生じるおそれがある。

本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、電動モータで発生した回生電力により、モータ駆動系回路が破損しないようにすることにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、ステアリング機構（１０）に設けられて操舵アシストトルクを発生する電動モータ（２０）と、複数のスイッチング素子を備えて前記電動モータを駆動するモータ駆動回路（１２０）と、操舵トルクを表す情報を取得して、前記操舵トルクに基づいて前記電動モータを制御するモータ制御量を算出し、前記モータ制御量に応じたモータ制御信号を出力するマイクロコンピュータ（１１０）と、前記マイクロコンピュータから出力されたモータ制御信号に基づいて前記モータ駆動回路のスイッチング素子を駆動するスイッチ駆動回路（１３１）と、車載高圧バッテリ（３００）の出力電圧を降圧して、降圧したモータ駆動電源を前記モータ駆動回路および前記スイッチ駆動回路に供給する降圧回路（２１０）とを備えた電動パワーステアリング装置において、
前記モータ駆動電源の電圧を検出し、前記検出した電圧と過電圧検出用の設定電圧とを比較する電圧比較回路（１３３）と、前記電圧比較回路により前記モータ駆動電源の電圧が前記設定電圧よりも大きいと判定されたとき、前記電動モータに制動ブレーキが働くように前記スイッチ駆動回路のスイッチング素子の駆動パターンを変更する駆動パターン変更回路（１３２）とを備えたことにある。

本発明においては、ステアリング機構に電動モータが設けられ、この電動モータを駆動することにより操舵アシストトルクを発生する。電動モータの発生する操舵アシストトルクは、マイクロコンピュータにより制御される。また、電動モータは、モータ駆動回路（例えば、インバータ回路）により駆動制御される。マイクロコンピュータは、操舵トルクを表す情報を取得してモータ制御量（例えば、目標電流）を算出し、このモータ制御量に応じたモータ制御信号を出力する。スイッチ駆動回路は、マイクロコンピュータから出力されたモータ制御信号に基づいてモータ駆動回路のスイッチング素子を駆動する。つまり、スイッチング素子にゲート信号を出力して、スイッチング素子の開閉を制御する。こうして、電動モータが駆動されて所望の操舵アシストトルクが発生する。

本発明においては、モータ駆動系電源として、車載高圧バッテリが利用される。車載高圧バッテリは、一般の１２Ｖ系の車載バッテリよりも出力電圧が高いバッテリを意味する。本発明においては、車載高圧バッテリの出力電圧を降圧回路により降圧し、その降圧した電圧をモータ駆動電源として、モータ駆動回路およびスイッチ駆動回路に供給する。

車両の走行中において、例えば、タイヤが縁石に衝突したケースなど、タイヤからステアリング機構に大きな逆入力が働くと、電動モータで大きな逆起電力が発生し、モータ駆動電源の電圧がモータ駆動系回路（例えば、スイッチ駆動回路）の耐電圧を越えるほど上昇するおそれがある。この場合、車載高圧バッテリに回生電流を流して電力回生できればモータ駆動電源の電圧上昇を抑えることができるが、車載高圧バッテリに電力回生するためには、降圧回路側に戻された電力（回生電力と呼ぶ）を昇圧する必要がある。このため、降圧回路とは別に昇圧回路が必要となりシステム構成上好ましくない。そこで、本発明においては、電圧比較回路と駆動パターン変更回路とを備えることにより、モータ駆動電源の電圧上昇を抑制する。

電圧比較回路は、モータ駆動電源の電圧を検出し、検出した電圧と過電圧検出用の設定電圧とを比較する。この過電圧検出用の設定電圧は、ステアリング機構に逆入力が働いていない通常時におけるモータ駆動電源の電圧より高く、かつ、モータ駆動電源により作動する回路（モータ駆動系回路、例えば、スイッチ駆動回路）の耐電圧以下に設定されるものである。駆動パターン変更回路は、電圧比較回路によりモータ駆動電源の電圧が設定電圧よりも大きいと判定されたとき、電動モータに制動ブレーキが働くようにスイッチ駆動回路のスイッチング素子の駆動パターンを変更する。例えば、電動モータの通電端子間を短絡（相間短絡）するようにスイッチング素子の駆動パターンを変更する。従って、電動モータの回転速度が低下して、電動モータで発生する逆起電力を低下させることができる。これにより、電動モータから電源側に戻ろうとする回生電力が減少してモータ駆動電源の電圧上昇が抑えられる。従って、モータ駆動系回路を過電圧から保護することができる。

例えば、駆動パターン変更回路として、ソフトウエア処理を行わないロジック回路を用いるとよい。この場合、駆動パターン変更回路（ロジック回路）は、電圧比較回路の出力する比較判定信号と、マイクロコンピュータの出力するモータ制御信号とを入力し、比較判定信号が設定電圧以下であることを表す信号の場合には、モータ制御信号をそのままスイッチ駆動回路に出力し、比較判定信号が設定電圧を越えていることを表す信号の場合には、マイクロコンピュータの出力するモータ制御信号に関わらず、電動モータに制動ブレーキが働くような（例えば、モータ端子間を短絡する）モータ制御信号をスイッチ駆動回路に出力すればよい。これにより、タイムラグを最小限に抑えることができる。

本発明の他の特徴は、前記モータ駆動回路から前記電動モータへの電力供給路に設けられる開閉リレー（ＲＵ，ＲＶ，ＲＷ）と、前記電動モータに制動ブレーキが働くように前記スイッチ駆動回路のスイッチング素子の駆動パターンが変更された後、前記開閉リレーをオフにして前記電動モータの通電路を遮断するリレー制御手段（１１０）とを備えたことにある。

本発明においては、モータ駆動回路から電動モータへの電力供給路に開閉リレーが設けられている。この開閉リレーは、リレー制御手段に開閉制御されるもので、通常のモータ駆動時においてはオン、つまり、接点が閉じられた状態となっている。リレー制御手段は、電動モータに制動ブレーキが働くようにスイッチ駆動回路のスイッチング素子の駆動パターンが変更された後、開閉リレーをオフにして（接点を開いて）電動モータの電力供給路を遮断する。これにより、電動モータに発電電流が流れないようになり、モータ駆動電源の電圧は、降圧回路の出力電圧に維持される。従って、確実にモータ駆動電源の電圧上昇を防止して、モータ駆動系回路を過電圧から保護することができる。

また、開閉リレーを開くタイミングは、電動モータに制動ブレーキが働くようにスイッチング素子の駆動パターンが変更された後であるため、開閉リレーに流れる電流が低下しており、開閉リレーの接点溶着を回避することができる。尚、例えば、電動モータに流れる電流を検出する電流センサを設け、検出した電流が設定電流（溶着防止用の設定電流）より低下したときに開閉リレーの接点を開くようにすれば、確実に開閉リレーの接点溶着を防止することができる。

尚、上記説明において、括弧内に示した符号は、発明の理解を助けるものであり、発明の各構成要件を前記符号によって規定される実施形態に限定させるものではない。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 アシストＥＣＵの主要部の概略構成図である。 通常通電とモータブレーキ通電との通電パターンの切り替えを説明する説明図である。 逆入力の発生に伴う検出信号の推移と通電パターンの切り替えを表すグラフである。 モータブレーキ通電時における回生電流の流れを説明する説明図である。 変形例に係るアシストＥＣＵの主要部の概略構成図である。 変形例に係る逆入力の発生に伴う検出信号の推移と通電パターンの切り替えを表すグラフである。 変形例に係るリレー制御ルーチンを表すフローチャートである。

以下、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について図面を用いて説明する。図１は、同実施形態に係る車両の電動パワーステアリング装置の概略構成を表している。

この電動パワーステアリング装置は、操舵ハンドル１１の操舵操作により転舵輪を転舵するステアリング機構１０と、ステアリング機構１０に組み付けられ操舵アシストトルクを発生する電動モータ２０と、電動モータ２０を駆動制御するアシスト用電子制御装置１００と、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ２００とを備えている。以下、アシスト用電子制御装置１００をアシストＥＣＵ１００と呼ぶ。

ステアリング機構１０は、操舵ハンドル１１の回転操作により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲを転舵するための機構で、操舵ハンドル１１を上端に一体回転するように接続したステアリングシャフト１２を備える。このステアリングシャフト１２の下端には、ピニオンギヤ１３が一体回転するように接続されている。ピニオンギヤ１３は、ラックバー１４に形成されたラック歯と噛み合って、ラックバー１４とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ラックバー１４の両端には、タイロッド１５Ｌ，１５Ｒを介して左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲのナックル（図示略）が操舵可能に接続されている。左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲは、ステアリングシャフト１２の軸線回りの回転に伴うラックバー１４の軸線方向の変位に応じて左右に操舵される。

ラックバー１４には、操舵アシスト用の電動モータ２０が組み付けられている。電動モータ２０の回転軸は、ボールねじ機構１６を介してラックバー１４に動力伝達可能に接続されていて、その回転により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲに転舵力を付与して操舵操作をアシストする。ボールねじ機構１６は、減速機および回転−直線変換器として機能するもので、電動モータ２０の回転を減速するとともに直線運動に変換してラックバー１４に伝達する。

電動モータ２０にはモータ回転角θｍに応じた信号を出力する回転角センサ２１が設けられている。回転角センサ２１により検出されモータ回転角θｍは、電動モータ２０の電気角の検出に利用される。また、モータ回転角θｍを時間微分することにより電動モータ２０の回転速度（角速度）が得られるため、モータ回転角θｍはモータ回転速度ωの検出にも利用される。

また、ステアリングシャフト１２には操舵トルクセンサ２２が組みつけられている。操舵トルクセンサ２２は、ステアリングシャフト１２の中間部に介装されたトーションバー（図示略）の捩れ角度をレゾルバ等により検出し、この捩れ角に基づいてステアリングシャフト１２に働いた操舵トルクＴｒを検出する。操舵トルクＴｒは、その符号（正負）により操舵トルクの方向が判別され、その絶対値により大きさが判別される。

アシストＥＣＵ１００は、マイクロコンピュータを主要部として構成したマイコン部１１０（以下、ＣＰＵ１１０と呼ぶ）と、電動モータ２０を駆動するためのモータ駆動回路１２０と、モータ駆動回路１２０に駆動信号を出力する駆動ＩＣ１３０と、各種センサ等の外部装置を接続するインタフェース１４０とを備えている。

次に、アシストＥＣＵ１００への電源供給について説明する。アシストＥＣＵ１００は、車両に搭載された高圧バッテリ３００と低圧バッテリ（図示略）とから電源供給される。本実施形態の電動パワーステアリング装置の適用される車両は、車両走行用の内燃機関であるエンジンと、車両走行用の電気アクチュエータである主機モータとを有するハイブリッドシステム（図示略）を備えた車両である。この車両には、ハイブリッドシステムの走行駆動用電源として使用される高圧バッテリ（主機バッテリ）３００と、一般の車両制御システムで使用される低圧バッテリ（図示略）とを備えている。本実施形態における電動パワーステアリング装置は、電動モータ２０の駆動用電源として高圧バッテリ３００を使用し、ＣＰＵ１１０等の制御系電源として低圧バッテリを使用する。高圧バッテリ３００の出力電圧は、例えば、２８８Ｖに設定されている。

降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ２００は、降圧回路２１０と回生電力消費回路２２０とを備えている。降圧回路２１０は、高圧バッテリ３００の出力電圧を入力し、入力した直流電圧をトランジスタブリッジ回路でいったん交流に変換し、巻線トランスにて低電圧に降圧した後、整流処理および平滑化を行って所定電圧の直流電圧を生成する回路である。降圧回路２１０は、その出力ラインである降圧電源ライン２１１の電圧をモニタして出力電圧が目標電圧（例えば、４２〜４６Ｖ）となるように作動する。

回生電力消費回路２２０は、スイッチング素子２２１と抵抗素子２２２とを直列に設けた回路で、降圧電源ライン２１１とグランドとの間に設けられる。回生電力消費回路２２０は、図示しないスイッチ制御回路により、降圧電源ライン２１１の電圧をモニタして、モニタ電圧が設定電圧を超えていない通常時においてはスイッチング素子２２１をオフ状態に維持し、モニタ電圧が設定電圧を越えた回生電力発生時においてスイッチング素子２２１をオン状態に切り替える。これにより、電動モータ２０で発生した回生電力を抵抗素子２２２の発熱により消費できるように構成されている。

降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ２００の出力電圧は、電動モータ２０の駆動用電源としてアシストＥＣＵ１００に供給される。以下、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ２００からアシストＥＣＵ１００に供給された直流電源をモータ駆動電源と呼び、その電源ラインをモータ電源ライン１５０と呼ぶ。またモータ駆動電源の電圧をモータ電源電圧Ｖｍと呼ぶ。

モータ駆動回路１２０は、モータ電源ライン１５０とグランドライン１６０とのあいだに設けられ、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor Ｆield Ｅffect Ｔransistor）からなる６個のスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WLにより３相インバータ回路を構成したものである。具体的には、Ｕ相上スイッチング素子Ｓ_UHとＶ相上スイッチング素子Ｓ_VHとＷ相上スイッチング素子Ｓ_WHとを並列接続した上アームＳＨと、Ｕ相下スイッチング素子Ｓ_ULとＶ相下スイッチング素子Ｓ_VLとＷ相下スイッチング素子Ｓ_WLとを並列接続した下アームＳＬとを直列に接続し、上アームＳＨと下アームＳＬとの間から、電動モータ２０への電力供給ライン１２１Ｕ，１２１Ｖ，１２１Ｗを引き出した構成を採用している。

モータ駆動回路１２０には、電動モータ２０に流れる電流を検出する電流センサ１２２が設けられる。この電流センサ１２２は、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）ごとに流れる電流をそれぞれ検出し、その検出した電流値に対応した検出信号をインタフェース１４０を介してＣＰＵ１１０に出力する。以下、この測定された３相の電流値をモータ電流Ｉｍと総称する。

インタフェース１４０には、回転角センサ２１、操舵トルクセンサ２２、車速センサ２３、電流センサ１２２が接続される。インタフェース１４０は、これらのセンサからモータ回転角θｍ、操舵トルクＴｒ、車速ｖ、モータ電流Ｉｍを表す信号を入力し、ＣＰＵ１１０で読み取り可能な信号に変換する。

ＣＰＵ１１０は、インタフェース１４０から入力した操舵トルクＴｒおよび車速ｖに基づいて運転者の操舵操作に応じた目標操舵アシストトルク（操舵トルクＴｒが大きいほど大きく、車速ｖが大きいほど小さくなる目標操舵アシストトルク）を設定し、目標操舵アシストトルクをトルク定数で除算して目標電流値（モータ制御量）を算出する。そして、ＣＰＵ１１０は、モータ電流Ｉｍをフィードバックして、目標電流値で表される電流が電動モータ２０に流れるように目標電圧を設定し、駆動ＩＣ１３０に目標電圧に応じたデューティ比のＰＷＭ制御信号を出力する。尚、ＣＰＵ１１０は、電動モータ２０を２相回転磁束座標系（ｄ−ｑ座標系）を用いた電流ベクトル制御を行うため、モータ回転角θｍからモータ電気角を算出し、このモータ電気角を使ってｄ−ｑ座標軸を検出する。

ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号は、モータ駆動回路１２０の各スイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WLをオン，オフするために駆動ＩＣ１３０に出力されるパルス信号である。図２、図３においては、ＣＰＵ１１０の出力する各スイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WLに対応するＰＷＭ制御信号をＵ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗという符号を使って表している。

駆動ＩＣ１３０は、スイッチ駆動回路１３１とロジック回路１３２と電圧比較器１３３とを備えている。電圧比較器１３３は、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ２００の出力電圧であるモータ電源電圧Ｖｍと予め設定した過電圧検出用の設定電圧とを比較し、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧を越えていないときに出力信号がローレベルとなり、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧を越えているときに出力信号がハイレベルとなるように構成されている。ＣＰＵ１１０には、車載低圧バッテリ（図示略）から供給された１２Ｖ電源をレギュレータ（図示略）にて一定電圧（例えば、５Ｖ）にした制御系電源（安定電源）が供給されている。電圧比較器１３３は、モータ電源電圧Ｖｍを分圧した電圧と、制御系電源電圧Ｖｃを分圧した電圧とを比較することにより、モータ電源電圧Ｖｍと設定電圧との比較結果を出力する。本実施形態においては、電圧比較器１３３は、デファレンシャルが設定されており、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧ＶrefHを越えると出力信号がローレベルからハイレベルとなり、その後、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧ＶrefHより低いオフ設定電圧ＶrefLにまで低下すると出力信号がハイレベルからローレベルに戻るように構成されている。以下、電圧比較器１３３の出力信号を比較判定信号と呼ぶ。

ロジック回路１３２は、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗと電圧比較器１３３の出力する比較判定信号を入力する。そして、比較判定信号がローレベルである場合は、ＣＰＵ１１０のＰＷＭ制御信号をそのままスイッチ駆動回路１３１に出力する。スイッチ駆動回路１３１は、ロジック回路１３２から出力された信号を増幅してモータ駆動回路１２０の各スイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WLのゲートに出力する。従って、スイッチ駆動回路１３１は、ＣＰＵ１１０のＰＷＭ制御信号を増幅したゲート信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬを各スイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WLに出力する。

一方、比較判定信号がハイレベルである場合は、ロジック回路１３２は、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗのうち、モータ駆動回路１２０の上アームＳＨに係るＰＷＭ制御信号Ｕ，Ｖ，Ｗをローレベルに固定した信号に変換し、モータ駆動回路１２０の下アームＳＬに係るＰＷＭ制御信号／Ｕ，／Ｖ，／Ｗをハイレベルに固定した信号に変換し、それら変換した信号をスイッチ駆動回路１３１に出力する。つまり、ロジック回路１３２は、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗに関わらず、ローレベルに固定したＰＷＭ制御信号Ｕ，Ｖ，Ｗとハイレベルに固定したＰＷＭ制御信号／Ｕ，／Ｖ，／Ｗをスイッチ駆動回路１３１に出力する。従って、スイッチ駆動回路１３１は、ローレベルに固定したゲート信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨをスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_VH，Ｓ_WHに出力し、ハイレベルに固定したゲート信号ＵＬ，ＶＬ，ＷＬをスイッチング素子Ｓ_UL，Ｓ_VL，Ｓ_WLに出力する。

次に、ステアリング機構１０に逆入力が働いたときに発生する逆起電力の処理について説明する。車両の走行中において、例えば、タイヤが縁石に衝突したケースなど、タイヤからステアリング機構１０に大きな逆入力が働くと、電動モータ２０の回転子が回され、電動モータ２０が発電機として作用し逆起電力により電源側に電流が戻される。本明細書においては、電動モータ２０が発電した逆起電力により電動モータ２０から電源側に戻される電力あるいは電流を回生電力あるいは回生電流と呼ぶが、実際に高圧バッテリ３００に電力回生されるものではない。

ステアリング機構１０に逆入力が働いていないときは、電動モータ２０において回生電力が発生しない。電圧比較器１３３では、モータ電源電圧Ｖｍと設定電圧ＶrefHとを比較することにより、回生電力の発生を常時検出している。この設定電圧ＶrefHは、回生電力が発生していない通常時においては、モータ電源電圧Ｖｍよりも大きくなるような値に設定されている。ステアリング機構１０に逆入力が働くと、電動モータ２０の回転子が強制的に回されて電動モータ２０で回生電力が発生する。これによりモータ電源ライン１５０の電圧、つまり、モータ電源電圧Ｖｍが上昇する。このとき、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ２００に設けられた回生電力消費回路２２０においては、スイッチング素子２２１がオンして、回生電流を抵抗素子２２２に流して回生電力を消費する。従って、モータ電源電圧Ｖｍの上昇を抑えることができる。しかし、回生電力が回生電力消費回路２２０の内部電力消費能力を超えるほど大きい場合には、モータ電源電圧Ｖｍが更に上昇してしまう。そうした場合には、モータ電源電圧Ｖｍが、モータ電源ライン１５０から電源供給を受ける駆動ＩＣ１３０の耐電圧を越えてしまうおそれがある。

そこで、本実施形態においては、駆動ＩＣ１３０内に電圧比較器１３３とロジック回路１３２とを備え、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧ＶrefH（駆動ＩＣ１３０の耐電圧以下に設定されている）を超えたときに、モータ駆動回路１２０に対して、電動モータ２０に制動ブレーキが働くような通電パターンのゲート信号を出力するようにする。この場合、ＣＰＵ１００のソフトウエア処理を用いずに、ロジック回路１３２による信号処理にてモータ駆動回路１２０へ出力するゲート信号を生成する。

図３に示すように、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧ＶrefH以下である場合には、電圧比較器１３３の出力する比較判定信号はローレベルを維持する。この場合、ロジック回路１３２は、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗをそのままスイッチ駆動回路１３１に出力する。また、スイッチ駆動回路１３１は、ＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗを増幅したゲート信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬをモータ駆動回路１２０に出力する。従って、各スイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WLが所定のデューティ比でオンオフして、指令された電流が電動モータ２０に流れる。こうして、所望の操舵アシストが得られる。

図４の時刻ｔ１に示すように、ステアリング機構１０に逆入力が働くと、電動モータ２０の回転子が回されて回生電力を発生し、この回生電力によりモータ電源電圧Ｖｍが上昇し始める。そして、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧ＶrefHを越えると（時刻ｔ２）、電圧比較器１３３の出力する比較判定信号はローレベルからハイレベルに切り替わる。この場合、ＣＰＵ１１０は、図３に示すように、そのまま目標電圧に応じたデューティ比のＰＷＭ制御信号を出力するが、ロジック回路１３２は、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗのうち、モータ駆動回路１２０の上アームＳＨに係るＰＷＭ制御信号Ｕ，Ｖ，Ｗをローレベルに固定した信号に変換し、モータ駆動回路１２０の下アームＳＬに係るＰＷＭ制御信号／Ｕ，／Ｖ，／Ｗをハイレベルに固定した信号に変換し、それら変換した信号をスイッチ駆動回路１３１に出力する。従って、スイッチ駆動回路１３１は、図３に示すように、上アームＳＨのスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_VH，Ｓ_WHに対しては、ローレベルのゲート信号ＵＨ，ＶＨ，ＷＨを出力し、下アームＳＬのスイッチング素子Ｓ_UL，Ｓ_VL，Ｓ_WLに対しては、ハイレベルのゲート信号ＵＬ，ＶＬ，ＷＬを出力する。これにより、図４に示すように、上アームＳＨのスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_VH，Ｓ_WHがオフ固定状態（デューティ比０％）となり、下アームＳＬのスイッチング素子Ｓ_UL，Ｓ_VL，Ｓ_WLがオン固定状態（デューティ比１００％）となる。

これにより、電動モータ２０の３相の通電端子がモータ駆動電源から切り離されるとともに、通電端子が互いに短絡される。従って、図５に示すように、電動モータ２０のコイルに回生電流（発電電流）が還流し、電動モータ２０にブレーキ制動力が発生する。この結果、電動モータ２０の回転速度が低下して電動モータ２０で発生する回生電力（逆起電力）が低下する。このように電動モータ２０にブレーキ制動力が発生するようにモータ駆動回路１２０のスイッチング素子を駆動するパターンをモータブレーキ通電パターンと呼び、通常時においてモータ駆動回路１２０のスイッチング素子を駆動するパターンを通常通電パターンと呼ぶ。こうして、モータ電源電圧Ｖｍが低下してオフ設定電圧ＶrefLを下回ると（図４の時刻ｔ３）、電圧比較器１３３の出力する比較判定信号がハイレベルからローレベルに切り替わる。これにより、ロジック回路１３２は、モータ駆動回路１２０の通電パターンを、モータブレーキ通電パターンから通常通電パターンに切り替える。つまり、ＣＰＵ１１０から出力されるＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗをそのままスイッチ駆動回路１３１に出力するパターンに切り替える。従って、スイッチ駆動回路１３１は、ＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗを増幅したゲート信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬをモータ駆動回路１２０に出力する。こうして、電動モータ２０は、ブレーキ制動用の通電が解除されて通常状態に戻る。

電動モータ２０は、モータブレーキ通電が解除されたとき、まだ逆入力が働いている場合には、その力により再び回転速度が増加していく。従って、回生電力の増加によりモータ電源電圧Ｖｍが上昇する（図４の時刻ｔ３〜ｔ４参照）。そして、時刻４において、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧ＶrefHを越えると、再び、駆動ＩＣ１３０は、モータ駆動回路１２０に対して上述したモータブレーキ通電パターンに切り替える。こうして、電動モータ２０の回転速度が低下して電動モータ２０で発生する回生電力（逆起電力）が低下する。そして、時刻ｔ５において、モータ電源電圧Ｖｍが低下してオフ設定電圧ＶrefLを下回ると、駆動ＩＣ１３０は、モータブレーキ通電パターンから通常通電パターンに切り替える。

この結果、モータ電源電圧Ｖｍの上昇が抑えられ、モータ電源電圧Ｖｍが駆動ＩＣ１３０の耐電圧を越えてしまうといった不具合を防止することができる。また、本実施形態においては、モータブレーキ通電パターンと通常通電パターンとの切替は、ＣＰＵ１１０のソフトウエア処理で行わずに、全てロジック回路１３２にて行うようにしているため、ソフトウエア処理の負担がないためタイムラグを最小限に抑えることができる。従って、逆入力により回生電力消費回路２２０の内部電力消費能力を超える回生電力が発生しても、駆動ＩＣ１３０を適切に保護することができる。

次に、変形例に係る電動パワーステアリング装置について説明する。上述した実施形態の電動パワーステアリング装置においては、ステアリング機構１０に大きな逆入力が働いているあいだ、モータブレーキ通電パターンと通常通電パターンとが交互に繰り返される。つまり、モータ駆動回路１２０の通電パターンがハンチングする。そこで、この変形例においては、大きな逆入力が働いている期間が長い場合であっても、通電パターンのハンチングを抑制する構成を採用している。

変形例の電動パワーステアリング装置は、図６に示すように、アシストＥＣＵ１００内に、電力供給ライン１２１Ｕ，１２１Ｖ，１２１Ｗを開閉するリレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷを備えるとともに、このリレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷを駆動するリレー駆動回路１７０を備えている。リレー駆動回路１７０は、ＣＰＵ１１０に接続され、ＣＰＵ１１０から出力されるリレー制御信号に基づいてリレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷを開閉駆動する。具体的には、リレー制御信号がハイレベル信号（以下、リレーオン信号と呼ぶ）の場合には、リレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷをオン状態（接点を閉状態）にして電動モータ２０の通電回路を形成し、リレー制御信号がローレベル信号（以下、リレーオフ信号と呼ぶ）の場合には、リレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷをオフ状態（接点を開状態）にして電動モータ２０の通電回路を遮断する。

このリレー制御信号は、ロジック回路１３２にも出力される。また、ＣＰＵ１１０は、電圧比較器１３３の出力する比較判定信号を入力するように構成されている。この変形例においては、上述した実施形態に、リレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷ、および、リレー駆動回路１７０を追加するとともに、以下に説明するロジック回路１３２の機能およびＣＰＵ１１０の処理を追加したものであり、他の構成については、上述した実施形態のものと同じである。

次に、変形例におけるアシストＥＣＵ１００の動作について説明する。ロジック回路１３２は、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗとリレー制御信号と、電圧比較器１３３の出力する比較判定信号を入力する。そして、比較判定信号がローレベル信号であり、かつ、リレー制御信号がリレーオン信号である場合は、ＣＰＵ１１０のＰＷＭ制御信号をそのままスイッチ駆動回路１３１に出力する。従って、この場合には、上述した通常通電パターンにより電動モータ２０が駆動制御される。

また、ロジック回路１３２は、比較判定信号がハイレベル信号であり、かつ、リレー制御信号がリレーオン信号である場合は、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗのうち、モータ駆動回路１２０の上アームＳＨに係るＰＷＭ制御信号Ｕ，Ｖ，Ｗをローレベルに固定した信号に変換し、モータ駆動回路１２０の下アームＳＬに係るＰＷＭ制御信号／Ｕ，／Ｖ，／Ｗをハイレベルに固定した信号に変換し、それら変換した信号をスイッチ駆動回路１３１に出力する。従って、この場合には、上述したモータブレーキ通電パターンにより電動モータ２０にブレーキ制動が働く。

また、ロジック回路１３２は、リレー制御信号がリレーオフ信号である場合は、比較判定信号のレベルに関わらず、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗを全てローレベルに固定した信号に変換してスイッチ駆動回路１３１に出力する。従って、この場合には、モータ駆動回路１２０の全てのスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WLがオフ状態になる。

次に、ＣＰＵ１１０のリレー制御処理について説明する。図８は、ＣＰＵ１１０の実行するリレー制御ルーチンを表す。リレー制御ルーチンは、操舵アシスト制御と並行してイグニッションスイッチがオンしているあいだ実行される。

リレー制御ルーチンが起動すると、ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１１において、リレー制御信号としてリレーオン信号を出力する。従って、リレー駆動回路１７０がリレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷをオン状態にして、電動モータ２０の通電回路が形成される。続いて、ステップＳ１２において、電圧比較器１３３の出力する比較判定信号を読み込み、ステップＳ１３において、比較判定信号がハイレベルになっているか否かを判断する。ハイレベルになっていない場合（Ｓ１３：Ｎｏ）、つまり、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧ＶrefHを超えていない場合には、その処理をステップＳ１２に戻す。従って、電動モータ２０で大きな回生電力が発生していない状況においては、こうした処理が繰り返される。

逆入力が働いて電動モータ２０が強制的に回されると、回生電力が増加してモータ電源電圧Ｖｍが上昇する。そして、図７の時刻ｔ１１に示すように、モータ電源電圧Ｖｍが設定電圧ＶrefHを越えると、電圧比較器１３３の出力する比較判定信号がハイレベルになり、ステップＳ１３の判断が「Ｙｅｓ」となる。

この場合、ロジック回路１３２は、スイッチ駆動回路１３１への通電を通常通電パターンからモータブレーキ通電パターンに切り替えるため、モータ駆動回路１２０の上アームＳＨのスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_VH，Ｓ_WHがオフ固定状態（デューティ比０％）となり、下アームＳＬのスイッチング素子Ｓ_UL，Ｓ_VL，Ｓ_WLがオン固定状態（デューティ比１００％）となる。従って、電動モータ２０の端子間が短絡されてモータコイルに回生電流が還流し、電動モータ２０に制動ブレーキが働いて回転速度が低下する。

モータブレーキ通電が開始されると、ＣＰＵ１１０は、その処理をステップＳ１４に進めてモータ電流Ｉｍを検出する。リレー制御ルーチンは、操舵アシスト制御と並行して行われるため、ＣＰＵ１１０は、操舵アシスト制御で検出するモータ電流Ｉｍを読み込む。そして、ステップＳ１５において、モータ電流Ｉｍが設定電流Ｉref未満になっているか否かを判断する。モータ電流Ｉｍが設定電流Ｉref以上である場合には、その処理をステップＳ１４に戻す。モータコイルを還流する回生電流は、モータブレーキ通電が開始された時点（時刻ｔ１１）においては大きく、モータ回転速度の低下とともに減少する。従って、モータブレーキ通電が開始された当初においては、ステップＳ１４，Ｓ１５の処理が繰り返される。

こうして、モータ電流Ｉｍが減少して設定電流Ｉref未満となると（図７：時刻ｔ１２）、ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１６において、リレー制御信号をリレーオフ信号に切り替える。従って、リレー駆動回路１７０がリレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷをオフ状態にして電動モータ２０の通電回路を遮断する。これにより、モータコイルに回生電流が流れないようになる。また、リレーオフ信号はロジック回路１３２にも出力される。このため、モータ駆動回路１２０の全てのスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WLがオフ状態になる。この状態においては、電動モータ２０は、逆入力に対して自由に回転できるようになる。このため、逆入力が働いている間は、電動モータ２０の回転速度が増加する。尚、ステップＳ１４，Ｓ１５でモータ電流Ｉｍが設定電流Ｉref未満になるまで待つ理由は、リレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷの溶着を防止するためである。従って、設定電流Ｉrefは、予め設定されたリレー溶着防止用の電圧である。

ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１６でリレー制御信号をリレーオフ信号に切り替えると、続くステップＳ１７において、モータ回転速度ωを検出する。モータ回転速度ωは、回転角センサ２１により検出されるモータ回転角θｍを時間微分することにより求められる。続いて、ステップＳ１８においてモータ回転速度ωが減少しているか否かを判断する。この判断は、モータ回転速度ωの時間微分値、つまり、モータ回転加速度を算出することにより行われる。逆入力が継続中であれば、モータ回転速度ωは増加していくため「Ｎｏ」と判断される。ＣＰＵ１１０は、モータ回転速度ωが減少していない場合は、その処理をステップＳ１７に戻して同様の処理を繰り返す。従って、モータ回転速度ωが減少し始めるまで待機することになる。尚、モータ回転速度ωは、モータ回転方向を区別するものではなく、モータ回転速度の大きさを表すものである。

モータ回転速度ωが減少し始めると、ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１８において「Ｙｅｓ」と判定し、ステップＳ１９において、モータ回転速度ωが設定速度ωref未満になっているか否かを判断する。ＣＰＵ１１０は、モータ回転速度ωが設定速度ωref以上であれば、その処理をステップＳ１７に戻して同様の処理を繰り返す。従って、モータ回転速度ωが設定速度ωref未満になるまで待機することになる。

図７の時刻１３に示すように、モータ回転速度ωが低下して設定速度ωref未満になると、ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１９において「Ｙｅｓ」と判断し、その処理をステップＳ１１に戻す。つまり、逆入力が終了したと判断して、リレーオン信号を出力し、リレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷをオン状態に戻す。この場合、モータ電源電圧Ｖｍは、設定電圧ＶRefＬよりも低下しているため、電圧比較器１３３の出力する比較判定信号はローレベルとなっている。従って、ロジック回路１３２は、リレーオン信号により、ＣＰＵ１１０の出力するＰＷＭ制御信号Ｕ，／Ｕ，Ｖ，／Ｖ，Ｗ，／Ｗをそのままスイッチ駆動回路１３１に出力する通常通電パターンに戻す。

この変形例によれば、モータ駆動回路１２０への通電パターンのハンチングを抑制することができる。また、リレーＲＵ，ＲＶ，ＲＷの溶着を防止することができる。

以上、本実施形態の電動パワーステアリング装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、駆動ＩＣ１３０内にロジック回路１３２と電圧比較器１３３とを内蔵しているが、これらを駆動ＩＣ１３０の外部にディスクリートで構成するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、モータブレーキ通電を行う場合、モータ駆動回路１２０の上アームＳＨのスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_VH，Ｓ_WHをオフ固定状態、下アームＳＬのスイッチング素子Ｓ_UL，Ｓ_VL，Ｓ_WLをオン固定状態にしているが、上アームＳＨのスイッチング素子Ｓ_UH，Ｓ_VH，Ｓ_WHをオン固定状態、下アームＳＬのスイッチング素子Ｓ_UL，Ｓ_VL，Ｓ_WLをオフ固定状態にしてもよい。

また、本実施形態においては、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ２００内に回生電力消費回路２２０を設けているが、回生電力消費回路２２０を省略した構成であってもよい。

また、本実施形態においては、モータ２０の発生するトルクをラックバー１４に付与するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置について説明したが、モータの発生するトルクをステアリングシャフト１２に付与するコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置であってもよい。

１０…ステアリング機構、１１…操舵ハンドル、１２…ステアリングシャフト、１４…ラックバー、２０…電動モータ、２１…回転角センサ、２２…操舵トルクセンサ、２３…車速センサ、１００…アシストＥＣＵ、１１０…ＣＰＵ、１２０…モータ駆動回路、１２１Ｕ，１２１Ｖ，１２１Ｗ…電力供給ライン、１２２…電流センサ、１３０…駆動ＩＣ、１３１…スイッチ駆動回路、１３２…ロジック回路、１３３…電圧比較器、１４０…インタフェース、１５０…モータ電源ライン、１６０…グランドライン、１７０…リレー駆動回路、２００…降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ、２１０…降圧回路、２１１…降圧電源ライン、２２０…回生電力消費回路、２２１…スイッチング素子２２１、２２２…抵抗素子、３００…高圧バッテリ、Ｓ_UH，Ｓ_UL，Ｓ_VH，Ｓ_VL，Ｓ_WH，Ｓ_WL…スイッチング素子、ＳＨ…上アーム、ＳＬ…下アーム、ＲＵ，ＲＶ，ＲＷ…開閉リレー。

Claims (2)

1. ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生する電動モータと、
   複数のスイッチング素子を備えて前記電動モータを駆動するモータ駆動回路と、
   操舵トルクを表す情報を取得して、前記操舵トルクに基づいて前記電動モータを制御するモータ制御量を算出し、前記モータ制御量に応じたモータ制御信号を出力するマイクロコンピュータと、
   前記マイクロコンピュータから出力されたモータ制御信号に基づいて前記モータ駆動回路のスイッチング素子を駆動するスイッチ駆動回路と、
   車載高圧バッテリの出力電圧を降圧して、降圧したモータ駆動電源を前記モータ駆動回路および前記スイッチ駆動回路に供給する降圧回路と
   を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記モータ駆動電源の電圧を検出し、前記検出した電圧と過電圧検出用の設定電圧とを比較する電圧比較回路と、
   前記電圧比較回路により前記モータ駆動電源の電圧が前記設定電圧よりも大きいと判定されたとき、前記電動モータに制動ブレーキが働くように前記スイッチ駆動回路のスイッチング素子の駆動パターンを変更する駆動パターン変更回路と
   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. 前記モータ駆動回路から前記電動モータへの電力供給路に設けられる開閉リレーと、
   前記電動モータに制動ブレーキが働くように前記スイッチ駆動回路のスイッチング素子の駆動パターンが変更された後、前記開閉リレーをオフにして前記電動モータの通電路を遮断するリレー制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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