JP2012091769A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡素な構成にて、大電力の電源装置の出力を遮断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】電源装置２０と、電源装置２０の作動を制御する電源管理部３０と、電源装置２０の出力先に異常がある出力異常を検出し、出力異常の検出結果を記憶する異常管理部４０と、を備え、電源装置２０は、主電源１７と、主電源１７に直列に接続される補助電源１８と、主電源１７の出力電圧Ｖ１を昇圧して補助電源１８に印加することにより補助電源１８を充電する昇圧回路３３と、主電源１７の出力端子Ｖ１に接続されたリレースイッチ３１と、を有し、電源管理部３０は、出力異常の検出結果が記憶された場合に、リレースイッチ３１をオフ状態にし、スイッチング素子３５をオフ状態にし、及びスイッチング素子３４をオン状態にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、車両用のパワーステアリング装置には、モータを駆動源とした電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）があり、このようなＥＰＳには、従来の油圧式のパワーステアリング装置と比較して、レイアウト自由度が高く、且つエネルギー消費量が小さいという利点がある。このため、近年では、車種や車格等を問わず、幅広い範囲において、その採用が進められるようになっている。

しかしながら、バッテリ（及び充電器としてのオルタネータ）を主電源とする車両においては、その出力電力の大きさに限りがある。このため、大型車両では、停止状態におけるステアリング操作時（所謂据え切り時）等、大電力が必要とされる状況において、そのアシスト力に不足が生じ、これが所謂引っ掛かり感等、操舵フィーリングを悪化させる要因となる可能性がある。

そこで、従来、主電源とは別に補助電源を設けることにより、主電源のみによる通常の電力供給形態以外に、その補助電源を用いた電力供給形態として、主電源及び補助電源を直列に接続した状態での電力供給形態を選択可能な電源装置が提案されている。例えば、このような主電源と補助電源とを備えた電動パワーステアリング装置が特許文献１に開示されている。

また、このような電動パワーステアリング装置の電源装置は大電力を扱うため、電源装置の出力先に異常（例えば、操舵補助用モータの駆動回路が短絡故障）が発生した場合に出力先への電流を遮断して出力先の破損を防ぐ必要がある。この電源装置から出力先への電流を遮断する手段として、電源装置と操舵補助用モータの駆動回路との間に、駆動回路への給電を制御するリレースイッチを配置する遮断回路が知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００７−２２３５１０号公報 特開２００９−７８７６７号公報

しかしながら、近年、車両においては、燃費向上と低コスト化のため、より一層の小型化と部品数削減が進められ、上記のＥＰＳについても同様な要求がある。
しかし、特に、大電力を扱う上記のＥＰＳにおいては、電源装置の出力先が異常の場合に電源装置の出力遮断が、電源装置と操舵補助用モータの駆動回路との間にリレースイッチを用いた遮断回路による構成のため、電源装置の小型化と低コスト化（部品数削減）が課題となっていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、電源装置の出力先が異常の場合に電源装置の出力の遮断をより簡素な構成で行い、大電力の電源を備えた電動パワーステアリング装置の小型化及び低コスト化を実現できるようにすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る電動パワーステアリング装置の構成上の特徴は、電源装置と、
前記電源装置の作動を制御する電源管理手段と、
前記電源装置の出力先に異常がある出力異常を検出し、検出した前記出力異常の検出結果を記憶する異常管理手段と、を備え、
前記電源装置は、
主電源と、
前記主電源に直列に接続される補助電源と、
前記主電源の出力電圧を昇圧して前記補助電源に印加することにより前記補助電源を充電する昇圧回路と、
前記主電源の出力端子を昇圧回路に接続する第３のスイッチング手段と、を有し、
前記昇圧回路は、
一端に前記主電源の出力電圧が印加される昇圧コイルと、
オン作動により導通して前記昇圧コイルの他端を接地可能な第１のスイッチング手段と、
オン作動により導通して前記昇圧コイルの他端と前記補助電源の出力端子間を接続する第２のスイッチング手段と、を含み、
前記第１のスイッチング手段のオフ作動により前記昇圧コイルに生ずる誘起電圧に基づく昇圧電圧を前記補助電源に印加するものであって、
前記電源管理手段は、
前記補助電源の出力電圧が所定の電圧閾値以下である場合に、前記第１のスイッチング手段をオン／オフさせるとともに、前記出力異常の検出結果が記憶された場合に、前記第３のスイッチング手段をオフ状態にし、前記第１のスイッチング手段をオフ状態にし、及び前記第２のスイッチング手段をオン状態にするものである。

請求項１の電動パワーステアリング装置は、第１のスイッチング手段がオン作動した場合に、主電源の出力電圧が印加される昇圧コイルが接地され、第１のスイッチング手段がオフ作動した場合に昇圧コイルに生ずる誘起電圧に基づく昇圧電圧を補助電源に印加する。そして、電源管理手段は補助電源の出力電圧が所定の電圧閾値以下である場合に第１のスイッチング手段をオン／オフさせることにより、主電源の出力電圧を昇圧して補助電源を充電する。

ここで、請求項１の電動パワーステアリング装置は、電源装置の出力先に異常（例えば、操舵補助用モータの駆動回路が短絡故障）が発生した場合、異常管理手段は出力異常として検出しその検出結果を記憶する。そして、請求項１の電動パワーステアリング装置は、出力異常の検出結果が記憶された場合に、主電源の出力端子に接続された第３のスイッチング手段をオフ状態にし、昇圧コイルを補助電源の出力端子に接続して、電源装置内部に閉回路を形成し、補助電源に蓄えられた電荷を、補助電源の出力端子から第２のスイッチング手段及び昇圧コイルを介して補助電源の低電位側へと放電することで、異常が発生している電源装置の出力先への電流を遮断する。

これにより、請求項１の電動パワーステアリング装置は、電源装置の出力先の異常を検出した場合に、新たな部品（例えば、リレースイッチ）や回路を追加することなく簡素な構成で出力先への電流を遮断することができる。そのため電動パワーステアリング装置の小型化及び低コスト化を実現できる。

本発明によれば、専用の部品を追加して特別な回路を作成することなく、より簡素な構成で電源装置の出力先が異常の場合に電源装置の出力を遮断できる。そのため電動パワーステアリング装置の小型化及び低コスト化を実現できる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図である。 ＥＰＳ及び電源装置の電気的構成を示すブロック図である。 異常管理部の異常管理処理手順を示すフローチャートである。 電源管理部の短絡異常検出時の制御手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１の概略構成図である。このＥＰＳ１は、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３が、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されている。そして、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト３a、インターミデイエイトシャフト３b、及びピニオンシャフト３cを連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド６を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪７の舵角、即ち車両の進行方向が変更される。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵角補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ１０と、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

ＥＰＳアクチュエータ１０は、駆動源であるモータ１２が減速機構１３を介してコラムシャフト３ａと駆動連結された所謂コラム型のＥＰＳアクチュエータとして構成されている。尚、本実施形態では、モータ１２には、ブラシ付の直流モータが採用されている。そして、ＥＰＳアクチュエータ１０は、このモータ１２の回転を減速してコラムシャフト３ａに伝達することにより、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する構成となっている。

一方、ＥＣＵ１１には、トルクセンサ１４及び車速センサ１５が接続されている。尚、トルクセンサ１４は、ステアリングシャフト３を構成する上記コラムシャフト３ａの途中に設けられたトーションバー１６の捩れ、即ち操舵系を伝達する操舵トルクに応じて、そのセンサ信号の出力レベルが変化するように構成されている。そして、ＥＣＵ１１は、これらトルクセンサ１４及び車速センサ１５により検出される操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、操舵系に付与すべきアシスト力（目標アシスト力）を演算する。

また、ＥＰＳ１は、主電源１７（バッテリ）及び当該主電源１７とは別体に設けられた補助電源１８を用いて電力供給を行う電源装置２０を備えている。尚、本実施形態では、補助電源１８には、大容量のキャパシタ（電気二重層コンデンサ：ＥＤＬＣ）が用いられている。そして、ＥＣＵ１１は、この電源装置２０からの電力供給を受けることにより、上記の目標アシスト力をＥＰＳアクチュエータ１０に発生させるべく、モータ１２に対する駆動電力の供給を通じて、当該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する構成となっている（パワーアシスト制御）。

次に、本実施形態のＥＰＳにおけるパワーアシスト制御の態様について説明する。
図２は、ＥＰＳ１の電気的構成を示すブロック図である。
図２に示すように、ＥＣＵ１１は、モータ制御信号を生成するモータ制御部２１を備えたマイコン２２と、そのモータ制御信号に基づいて、ＥＰＳアクチュエータ１０の駆動源であるモータ１２に駆動電力を供給する駆動回路２３とを備えている。また、ＥＣＵ１１には、モータ１２に通電される実電流（モータ電流Ｉｍ）を検出する電流センサ２４が設けられている。そして、マイコン２２は、この電流センサ２４により検出されるモータ電流Ｉｍに基づく電流フィードバック制御の実行により上記モータ制御信号を演算する。

具体的には、マイコン２２は、上記トルクセンサ１４により検出される操舵トルクτが大きいほど、また上記車速センサ１５により検出される車速Ｖが遅いほど、より大きな値（絶対値）の目標アシスト力を演算する。そして、マイコン２２は、その目標アシスト力に対応する電流指令値に上記モータ電流値Ｉｍを追従させるべく演算したモータ制御信号を駆動回路２３に出力する。

一方、駆動回路２３は、複数（４つ）のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）をブリッジ状に接続してなる周知の構成を有している。駆動回路２３は、上段側のスイッチング素子の一端が電路Ｌ１を介して電源装置２０の出力に接続され、下段側のスイッチング素子の一端が接地側電路ＬＧに接続される。駆動回路２３は、マイコン２２の出力するモータ制御信号に基づいて、対角に位置する各組二つのスイッチング素子を交互にオン／オフさせることにより、電源装置２０の出力電圧Ｖｐｉｇに基づく駆動電力を、電路Ｌ１からモータ１２に出力する。

また、マイコン２２には、上記モータ制御部２１とともに、電源管理部３０（電源管理手段）及び異常管理部４０（異常管理手段）が設けられている。ＥＣＵ１１は、この電源管理部３０が生成する各種制御信号（Ｓ＿ｂｃ１，Ｓ＿ｂｃ２，Ｓ＿ｒｌ）を電源装置２０に出力することにより、電源装置２０の作動を制御する。また、異常管理部４０は、ＥＣＵ１１にて検出される異常を管理し、図示しないメモリ部に異常の検出結果を記憶する。異常管理部４０の詳細は、後述する。

次に、本実施形態における電源装置の構成について説明する。
電源装置２０は、主電源１７及び補助電源１８が直列に接続されて構成されている。また、主電源１７とその出力側（高電位側）に接続された補助電源１８との間には、リレースイッチ３１（第３のスイッチング手段）及び抵抗３２が介在されている。尚、リレースイッチ３１は、ＥＣＵ１１の出力するリレー制御信号Ｓ＿ｒｌに基づき作動する。ＥＣＵ１１（電源管理部３０）は、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がオンされたことを検知した場合に、リレースイッチ３１をオンさせるべき旨のリレー制御信号Ｓ＿ｒｌを出力する。

また、電源装置２０には、出力電圧Ｖ１を昇圧して補助電源１８の出力端子(接続点Ｐ２)に印加することにより当該補助電源１８を充電可能な昇圧回路３３が設けられている。ここで、出力電圧Ｖ１は、リレースイッチ３１及び抵抗３２を介した主電源１７と補助電源１８との間の接続点Ｐ１における、主電源１７の電圧（バッテリ電圧）Ｖｂに基づく電圧である。

さらに、電源装置２０には、補助電源１８の出力電圧Ｖ２（接続点Ｐ２の電圧）を検出する電圧センサ３７が設けられている。ＥＣＵ１１（電源管理部３０）は、電圧センサ３７により検出される補助電源１８の出力電圧Ｖ２に基づいて、制御信号（Ｓ＿ｂｃ１，Ｓ＿ｂｃ２）を昇圧回路３３に出力することにより、昇圧回路３３の作動を制御する。

昇圧回路３３は、直列に接続された一対のスイッチング素子３４，３５（第２のスイッチング手段，第１のスイッチング手段）と、昇圧コイル３６と、で構成される。昇圧コイル３６は、一端が接続点Ｐ１に接続され、他端がスイッチング素子３４，３５の間の接続点Ｐ３に接続される。そのため、昇圧コイル３６の一端には、主電源１７の電圧Ｖｂに基づく出力電圧Ｖ１が印加される。尚、本実施形態の各スイッチング素子３４，３５にはＮチャンネルＭＯＳＦＥＴが採用されている。そして、その上段側のスイッチング素子３４の一端は、補助電源１８の出力端子（接続点Ｐ２）に接続されるとともに、下段側のスイッチング素子３５の一端は接地されている。

ＥＣＵ１１（電源管理部３０）は、電圧センサ３７により検出される補助電源１８の出力電圧Ｖ２が所定の電圧閾値以下である場合に、各昇圧制御信号Ｓ＿ｂｃ１，Ｓ＿ｂｃ２を出力してそれぞれのスイッチング素子３４，３５をオン／オフする。各スイッチング素子３４，３５が同期して交互にオン／オフされることにより、昇圧回路３３は、出力電圧Ｖ１を昇圧させることができる。具体的に、昇圧回路３３は、その一端が接地された下段側のスイッチング素子（下段ＦＥＴ）３５がオフ作動することにより生ずる昇圧電圧Ｖ３を補助電源１８の出力端子（接続点Ｐ２）に印加する。即ち、昇圧回路３３は、下段側のスイッチング素子３５のオン作動により昇圧コイル３６の他端を接地して、続くスイッチング素子３５のオフ作動により生ずる昇圧コイル３６の誘起電圧を主電源１７の出力電圧Ｖ１に重畳することで昇圧電力Ｖ３を出力する。

ここで、補助電源１８の出力電圧Ｖ２を検出する手段は、本実施形態では電圧センサ３７としたが、電圧検出機能を有するマイコン２２に備える電源管理部３０に変更してもよい。これにより、構成品を削減できＥＰＳ１の小型化及び低コスト化を実現できる。

次に、電源装置２０の出力先である駆動回路２３において電源装置２０の出力である電路Ｌ１が接地側電路ＬＧに短絡する短絡異常（出力異常）が発生した場合の異常管理処理について説明する。
図３は、異常管理部４０の異常管理処理手順を示すフローチャートである。
図３に示すように、異常管理部４０は、異常管理処理を常時実行する。
異常を検出したか否かを判定する（ステップＳ１）。異常を検出した場合、（ステップＳ１：ＹＥＳ）、駆動回路２３において、電路Ｌ１と電路ＬＧの短絡異常を検出したか否かを判定する（ステップＳ２）。電路Ｌ１と電路ＬＧの短絡異常を検出した場合、（ステップＳ２：ＹＥＳ）、短絡異常の検出結果を図示しないメモリ部に記憶する（ステップＳ３）。一方、ステップＳ２において電路Ｌ１と電路ＬＧの短絡異常を検出しなかった場合（ステップＳ２：ＮＯ）、詳細は省略するが異常内容に応じた処理をする（ステップＳ４）。

ここで、ステップＳ１〜Ｓ４の処理が本発明の異常管理手段が実行する処理に相当する。これにより、電源装置の出力先である駆動回路２３の短絡故障を検出できる。

次に、電源管理部３０にて、駆動回路２３での電路Ｌ１と電路ＬＧの短絡異常を検出した場合の動作について、図４のフローチャートを参照しつつ説明する。図４は、電源管理部の短絡異常検出時の制御手順を示す。
電源管理部３０は、メモリ部を常時監視し、駆動回路２３での電路Ｌ１と電路ＬＧの短絡異常の検出結果が記憶されているか否かを判定する（ステップＳ１０）。そして、短絡異常の検出が記憶されている場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、電源管理部３０は、リレー制御信号Ｓ＿ｒｌを出力することによりリレースイッチ３１をオフにするとともに（ステップＳ１１）昇圧制御信号Ｓ＿ｂｃ１を出力することによりスイッチング素子３４をオンし（ステップＳ１２）、昇圧制御信号Ｓ＿ｂｃ２を出力することによりスイッチング素子３５をオフする（ステップＳ１３）。

これにより、電源装置２０内部に閉回路が形成され、補助電源１８のキャパシタに蓄えられた電荷は、補助電源１８の出力端子（接続点Ｐ２）からスイッチング素子３４、及び昇圧コイル３６を介して接続点Ｐ１を経て補助電源１８の低電位側へと流れて放電し、異常が発生している電源装置２０の出力先への電流が遮断される。
ここで、ステップＳ１０〜Ｓ１３の処理が本発明の電源管理手段が実行する処理に相当する。

以上のように、本実施の形態に係るＥＰＳ１によれば、電源装置２０の出力の短絡故障を検出した場合に、新たな部品（例えば、リレースイッチ）や回路を追加することなく簡素な構成で出力先への電流を遮断することができる。そのため本実施形態のＥＰＳ１は、従来のＥＰＳに比べ小型化及び低コスト化を実現できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、本発明を所謂コラム型のＥＰＳ１に具体化したが、本発明は、所謂ピニオン型やラックアシスト型のＥＰＳに適用してもよい。
・上記実施形態では、本発明をブラシ付の直流モータを駆動源とするＥＰＳ１に具体化したが、ブラシレスモータを駆動源とするＥＰＳに適用してもよい。
・上記実施形態では、補助電源１８は、大容量のキャパシタ（ＥＤＬＣ：電気二重層コンデンサ）により構成されることとした。しかし、これに限らず、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池、或いはその他の蓄電装置を補助電源の構成要素とするものに適用してもよい。そして、上記実施形態のようにキャパシタ（コンデンサ）を用いる場合についても、その種類については、例えば、セラミックコンデンサ等、必ずしも電気二重層キャパシタに限るものではない。
・上記実施形態では、第３のスイッチング手段は、リレースイッチ３１により構成されることとした。しかし、これに限らず、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子による構成としてもよい。

１：電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、 １０：ＥＰＳアクチュエータ、 １１：ＥＣＵ、 １２：モータ、 １７：主電源、 １８：補助電源、 ２０：電源装置、 ２１：モータ制御部、 ２２：マイコン、 ２３：駆動回路、 ３０：電源管理部（電源管理手段）、 ３１：リレースイッチ（第３のスイッチング手段）、 ３３：昇圧回路、 ３４，３５：スイッチング素子（スイッチング手段）、 ３６：昇圧コイル、 ３７：電圧センサ、 ３８：電流センサ、 ４０：異常管理部（異常管理手段）、 Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３：接続点、 Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖｐｉｇ：出力電圧、 Ｌ１，ＬＧ：電路

Claims (1)

1. 電源装置と、
   前記電源装置の作動を制御する電源管理手段と、
   前記電源装置の出力先に異常がある出力異常を検出し、検出した前記出力異常の検出結果を記憶する異常管理手段と、を備え、
   前記電源装置は、
   主電源と、
   前記主電源に直列に接続される補助電源と、
   前記主電源の出力電圧を昇圧して前記補助電源に印加することにより前記補助電源を充電する昇圧回路と、
   前記主電源の出力端子を昇圧回路に接続する第３のスイッチング手段と、を有し、
   前記昇圧回路は、
   一端に前記主電源の出力電圧が印加される昇圧コイルと、
   オン作動により導通して前記昇圧コイルの他端を接地可能な第１のスイッチング手段と、
   オン作動により導通して前記昇圧コイルの他端と前記補助電源の出力端子間を接続する第２のスイッチング手段と、を含み、
   前記第１のスイッチング手段のオフ作動により前記昇圧コイルに生ずる誘起電圧に基づく昇圧電圧を前記補助電源に印加するものであって、
   前記電源管理手段は、
   前記補助電源の出力電圧が所定の電圧閾値以下である場合に、前記第１のスイッチング手段をオン／オフさせるとともに、前記出力異常の検出結果が記憶された場合に、前記第３のスイッチング手段をオフ状態にし、前記第１のスイッチング手段をオフ状態にし、及び前記第２のスイッチング手段をオン状態にすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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