JP2012116320A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３相インバータ回路において２つの相に配置されたＭＯＳＦＥＴを保護する電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵を補助する。この電動パワーステアリング装置は操舵を補助するためのトルクを発生するモータ１２と、３つの経路からモータ１２に３相の駆動電流を供給する３相インバータ回路５０と、３相インバータ回路５０を制御するＣＰＵ４６と、を備える。３相インバータ回路５０は、６つのＭＯＳＦＥＴと、モータ１２と、出力端子が接地されている１つのＭＯＳＦＥＴのゲートとに接続されるアクティブクランプ回路６０と、モータ１２とアクティブクランプ回路６０との間に設けられる第１リレー４７と、を有する。アクティブクランプ回路６０は、モータ１２側の電圧が所定電圧以上になると１つのＭＯＳＦＥＴをオンする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置に関する。

従来、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置がある（特許文献１等参照）。この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールにトルクを与えるモータと、モータに３相の駆動電流を出力する３相インバータ回路と、３相インバータ回路を制御することでモータの駆動を制御する制御部とを備える。３相インバータ回路には、各相の経路に２つずつ、合計６つのＭＯＳＦＥＴが設けられ、制御部によりスイッチングされる。

特開２００９−０３５１５５号公報 特開２００９−００６９６３号公報 特開２００９−００８２３９号公報 特開２００４−２８２９６３号公報

ところで、大きな段差に乗り上げた場合など、大きな逆回転負荷がモータに作用すると、モータが発電機として作用し、逆起電力が増加する。このとき、３相インバータ回路の各ＭＯＳＦＥＴに逆起電力による過電流が印加されて、各ＭＯＳＦＥＴに不具合が生じる可能性がある。ここで３相の経路のうち２相以上の経路のＭＯＳＦＥＴに不具合が生じると２相駆動制御モードに移行できず、アシストが完全に停止する。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、３相インバータ回路において２つの相に配置されたスイッチング素子を保護する電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置であって、操舵を補助するためのトルクを発生するモータと、３つの経路からモータに３相の駆動電流を供給する３相インバータ回路と、３相インバータ回路を制御するＣＰＵと、を備える。３相インバータ回路は、ＣＰＵの制御によりスイッチングされる少なくとも６つのスイッチング素子と、モータと、出力端子が接地されている１つのスイッチング素子の制御端子と、に接続されるアクティブクランプ回路と、モータとアクティブクランプ回路との間に設けられるリレーと、を有する。このアクティブクランプ回路は、モータ側の電圧が所定電圧以上になると１つのスイッチング素子をオンする。

この態様によると、モータに大きな逆起電力が生じた場合に、アクティブクランプ回路により、接地されたスイッチング素子をオンすることで電流を逃がすことができる。また、最悪の場合であっても、オンしたスイッチング素子以外の相のスイッチング素子を保護することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、３相インバータ回路において２つの相に配置されたスイッチング素子を保護することができる。

実施形態に係る制御装置の機能構成を説明する図である。 実施形態に係るアクティブクランプ回路の作用を説明する図である。 アクティブクランプ回路およびその周りの電圧または電流の変化を示す図である。 実施形態に係る制御装置の変形例を示す図である。

実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、運転者による操舵量に応じてモータを駆動し、車両のステアリング機構に操舵補助力を与える。ステアリング機構は、ステアリングホイール、ステアリングシャフト、連結軸、およびステアリングシャフトの動きを前輪の動きに変換するギヤ装置と、を有する。ステアリング機構は、ハンドルとしてのステアリングホイールの回動を前輪の転舵運動に変換する。

ステアリングホイールは、車両室内に設けられ、運転者によって回動操作される。ステアリングシャフトは、ステアリングホイールとともに回転するように一端がステアリングホイールに連結されており、ステアリングホイールの回転をギヤ装置に伝達する回転軸として機能する。ステアリングシャフトの他端は、ユニバーサルジョイントを介して連結軸の一端に連結されている。連結軸の他端にはピニオンギヤが設けられている。

ギヤ装置の操舵軸にはラックギヤが設けられている。連結軸のピニオンギヤとギヤ装置の操舵軸のラックギヤが噛合し、ステアリングホイールの回転が操舵軸の軸方向の移動に変換される。操舵軸が軸方向に移動すると、前輪が転舵する。

実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、モータ、減速機構、舵角センサと、トルクセンサと、制御装置を備える。モータのモータ軸は減速機構に接続されている。減速機構にはギヤが設けられ、ステアリングシャフトに設けられたギヤ部と噛合する。モータが作動すると、その回転運動が減速機構によって減速されつつ、ステアリングシャフトが回転駆動される。

舵角センサは、ステアリングシャフトに設けられ、ステアリングホイールの操舵角および操舵方向を検出する。舵角センサは制御装置に接続され、舵角センサの検出値は、制御装置に出力される。

トルクセンサは、ステアリングシャフトに設けられ、ステアリングシャフトに与えられる操舵トルクを検出する。トルクセンサは制御装置に接続され、トルクセンサの検出値は制御装置に出力される。

制御装置は、舵角センサおよびトルクセンサの検出値にもとづいてステアリングシャフトを駆動する目標アシストトルクを算出し、算出した目標アシストトルクを発生させるための電流をモータに供給し、モータを駆動させる。このように制御装置は、操舵角や操舵トルクに応じて運転者によるステアリングホイールの操舵をアシストする。

図１は、実施形態に係る制御装置１０の機能構成を説明する図である。制御装置１０は、高電圧バッテリ２０、コンバータ３０および制御部４０を備える。高電圧バッテリ２０は、ステアリングシャフトを回転駆動するモータ１２の駆動電源として機能する。高電圧バッテリ２０は、コンバータ３０と接続し、コンバータ３０に電流を供給する。高電圧バッテリ２０の一端は接地されている。

コンバータ３０は、高電圧バッテリ２０の出力電圧が２００Ｖ以上と高く設定される一方、モータ１２は低い電圧、たとえば３０Ｖから５０Ｖで使用されるため、高電圧バッテリ２０の出力電圧を降圧する。

コンバータ３０は、降圧回路３２および回生電力消費回路３４を有する。降圧回路３２は、高電圧バッテリ２０から入力された電圧を降圧して、モータ駆動用の直流電源電圧として駆動ＩＣ４４および３相インバータ回路５０に出力する。回生電力消費回路３４は、モータ１２から出力された回生電力を熱に変換して消費する。回生電力消費回路３４の一端は降圧回路３２の出力側の回線、たとえば降圧回路３２と駆動ＩＣ４４および３相インバータ回路５０との間に接続され、他端は接地される。

具体的に、降圧回路３２は、高電圧バッテリ２０からの入力電圧を、一定周波数でスイッチングして交流電圧に変換し、この交流電圧を巻線トランスにより電圧変換して降圧させる。そして降圧した交流電圧を整流して直流電圧に変換し、さらに平滑化して直流電流として出力する。

制御部４０は、コンバータ３０から直流電流をモータ１２の電源としてモータ１２に３相の駆動電流を供給する制御を行う。制御部４０は、３相インバータ回路５０、電源回路４２、駆動ＩＣ４４、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４６、Ｉ／Ｆ回路４８、第１リレー４７および第２リレー４９を有する。電源回路４２は、定格出力電圧１２Ｖの車載バッテリ４１に接続され、制御部４０のＣＰＵ４６などに電流を供給する。電源回路４２は、ＣＰＵ４６に電流を供給するときに１２Ｖより小さい電圧に降圧して供給してよい。電源回路用リレー４３は、車載バッテリ４１から電源回路４２への電流の供給をオンおよびオフする。

Ｉ／Ｆ回路４８は、トルクセンサの出力値および舵角センサの出力値を受け取り、ＣＰＵ４６に入力する。ＣＰＵ４６は、トルクセンサの出力値および舵角センサの出力値にもとづいて目標アシストトルクを算出し、目標アシストトルクに応じた指令信号（ＰＷＭ信号）を駆動ＩＣ４４に送出する。

駆動ＩＣ４４は、ＣＰＵ４６から受け取った指令信号に応じて、３相インバータ回路５０に出力する。３相インバータ回路５０は、駆動ＩＣ４４から入力に応じて３相の交流電流をモータ１２に供給する。

具体的に３相インバータ回路５０は、第１ＭＯＳＦＥＴ５２ａ、第２ＭＯＳＦＥＴ５２ｂ、第３ＭＯＳＦＥＴ５２ｃ、第４ＭＯＳＦＥＴ５２ｄ、第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅ、第６ＭＯＳＦＥＴ５２ｆ（これらを区別しない場合は「ＭＯＳＦＥＴ５２」という）からなる６個のスイッチング素子により構成される。

ＭＯＳＦＥＴ５２のゲート、すなわち制御端子は、駆動ＩＣ４４にそれぞれ接続されている。第１ＭＯＳＦＥＴ５２ａ、第２ＭＯＳＦＥＴ５２ｂおよび第３ＭＯＳＦＥＴ５２ｃのドレイン、すなわち入力端子は、コンバータ３０に接続されている。第１ＭＯＳＦＥＴ５２ａ、第２ＭＯＳＦＥＴ５２ｂおよび第３ＭＯＳＦＥＴ５２ｃは、駆動ＩＣ４４から高電圧のパルスが送られるとオンする。

第４ＭＯＳＦＥＴ５２ｄ、第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅおよび第６ＭＯＳＦＥＴ５２ｆのソース、すなわち出力端子は、第１抵抗部５４ａ、第２抵抗部５４ｂおよび第３抵抗部５４ｃを介して接地されている。

第１ＭＯＳＦＥＴ５２ａの出力端子と第４ＭＯＳＦＥＴ５２ｄの入力端子の接続点、第２ＭＯＳＦＥＴ５２ｂの出力端子と第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅの入力端子の接続点、および第３ＭＯＳＦＥＴ５２ｃの出力端子と第６ＭＯＳＦＥＴ５２ｆの入力端子の接続点は、モータ１２にそれぞれ接続されている。第１ＭＯＳＦＥＴ５２ａと第４ＭＯＳＦＥＴ５２ｄをＵ相の経路に設け、第２ＭＯＳＦＥＴ５２ｂと第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅをＶ相の経路に設け、第３ＭＯＳＦＥＴ５２ｃと第６ＭＯＳＦＥＴ５２ｆをＷ相の経路に設ける。

第２ＭＯＳＦＥＴ５２ｂと第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅの接続点と、モータ１２との接続の間には第１リレー４７が設けられる。第１リレー４７は、モータ１２へのＶ相の駆動電流の経路Ｌに設けられる。また第３ＭＯＳＦＥＴ５２ｃと第６ＭＯＳＦＥＴ５２ｆの接続点と、モータ１２との接続の間には第２リレー４９が設けられる。

第１リレー４７および第２リレー４９は、３相インバータ回路５０とモータ１２とのそれぞれの相（Ｖ相、Ｗ相）の接続を切断する。たとえばＣＰＵ４６はＶ相のＭＯＳＦＥＴ５２の短絡を検出すると、第２ＭＯＳＦＥＴ５２ｂとモータ１２との接続を切断するため、第１リレー４７を開放する。これにより、モータ１２が作動しなくなることを防ぐことができる。

３相インバータ回路５０は、ＣＰＵ４６の制御により各ＭＯＳＦＥＴ５２が所定のタイミングでスイッチングすることで、コンバータ３０からの電力を３相の電力に変換し、モータ１２に供給する。

３相インバータ回路５０にはツェナー電圧以上の電圧が加えられると第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅを強制的にオンするアクティブクランプ回路６０が設けられている。アクティブクランプ回路６０の第１端子は第１リレー４７に接続され、第２端子は第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅのゲートと駆動ＩＣ４４との間に接続される。

アクティブクランプ回路６０は、ツェナーダイオード６２およびダイオード６４を有する。ツェナーダイオード６２は、第１リレー４７側に配置され、第１リレー４７側の第１端子がツェナー電圧以上となると通電しはじめる。ダイオード６４はツェナーダイオード６２から第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅ側に向かう電流を通過させ、第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅおよび駆動ＩＣ４４からツェナーダイオード６２に向かう電流を遮断する。

ところで、大きな段差に乗り上げた場合など過大な外力により、ラックギヤが移動して大きな逆回転負荷がモータ１２に作用すると、モータ１２が発電機として作用し、逆起電力が増加する。このとき、各ＭＯＳＦＥＴ５２に逆起電力による過電流が印加されて、各ＭＯＳＦＥＴ５２に不具合が生じる可能性がある。

そこで、実施形態に係る３相インバータ回路５０は、モータ１２から過電流が流れた場合に、３相のうち１相のＭＯＳＦＥＴ５２に過電流が流れるようにすることで、他の相のＭＯＳＦＥＴ５２を保護する。最悪の場合においてアクティブクランプ回路６０を設けた１相のＭＯＳＦＥＴ５２に不具合が生じたとしても、制御部４０は、不具合が生じた相のリレーを開放し、制御を切り替えて他の２相からモータ１２に電流を供給し、モータ１２を駆動することができる。

図２は、実施形態に係るアクティブクランプ回路６０の作用を説明する図である。図２では制御装置１０の一部およびモータ１２を示す。また、図３は、アクティブクランプ回路６０およびその周りの電圧または電流の変化を示す図である。

図３の一番上に示すグラフは第１リレー４７のＶ相端子電圧７０を示し、その次は第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅのゲート側のゲート電圧７２を示し、一番下は第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅのドレイン側のドレイン電流７４を示す。Ｖ相端子電圧７０は図２に示す点Ｐ１での電圧となる。

時刻ｔ０からモータ１２が発電機として作用し始め、Ｖ相端子電圧７０が上昇する。そして時刻ｔ１においてＶ相端子電圧７０がツェナー電圧Ｖ１となると、図２の矢印Ｐ２に示すようにツェナーダイオード６２が通電し、ゲート電圧７２が上昇し始める。ツェナー電圧Ｖ１は、バラツキを含めて他のＭＯＳＦＥＴ５２の耐圧、および駆動ＩＣ４４の電圧より低くなるように設定される。

次に時刻ｔ２となるとゲート電圧７２が第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅをオンする電圧に達し、第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅがオンされる。すると図２の矢印Ｐ３に示すようにモータ１２からの電流が第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅを通るようになり、図３に示すドレイン電流７４が上昇し始める。これにより、モータ１２からの電流をＶ相のみを経由して接地に逃がすことができる。

一方、第４ＭＯＳＦＥＴ５２ｄおよび第６ＭＯＳＦＥＴ５２ｆはオフされており、第４ＭＯＳＦＥＴ５２ｄおよび第６ＭＯＳＦＥＴ５２ｆにモータ１２からの電流は流れない。

モータ１２からの電圧が第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅの耐圧を超えると、第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅに不具合が生じる。ＣＰＵ４６は所定の不具合検出手段により第５ＭＯＳＦＥＴ５２ｅの不具合を検出すると、第１リレー４７を開放し、Ｕ相およびＷ相を用いたモータ１２の駆動制御に切り替える。Ｖ相からモータ１２に電流を供給できなくなるが、その場合でもＵ相およびＷ相からモータ１２に電流を供給できるため、モータ１２の駆動を維持できる。２相でのモータ１２の制御は従来技術を用いてよい。

図４は、実施形態に係る制御装置の変形例を示す。このモータ１２の制御装置１００は、図１に示す制御装置１０と比べて、昇圧回路８０を備える点で異なる。ここで図１に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。

第３リレー９２は、ＣＰＵ４６等の制御系統への電源ラインをオンおよびオフする。第４リレー８８は、昇圧回路８０の駆動系統への電源ラインをオンおよびオフする。

昇圧回路８０は車載バッテリ４１から供給された電流の電圧を所定電圧まで昇圧させて３相インバータ回路５０および駆動ＩＣ４４に供給する。昇圧回路８０は、車載バッテリ４１に直列に設けられる昇圧用コイル８２と、昇圧用コイル８２と接地との間に設けられる第１昇圧用スイッチング素子８４と、第１昇圧用スイッチング素子８４の接続点より昇圧用コイル８２に直列に設けられる第２昇圧用スイッチング素子８６とを備える。第１昇圧用スイッチング素子８４および第２昇圧用スイッチング素子８６はＭＯＳＦＥＴである。

昇圧回路８０は、ＣＰＵ４６により昇圧制御される。ＣＰＵ４６は、第１昇圧用スイッチング素子８４および第２昇圧用スイッチング素子８６のゲートに所定周期のパルス信号を駆動ＩＣ４４を介して出力して第１昇圧用スイッチング素子８４および第２昇圧用スイッチング素子８６をオン・オフし、車載バッテリ４１から供給された電流を昇圧して、３相インバータ回路５０に所定の出力電圧を発生させる。この場合、第１昇圧用スイッチング素子８４および第２昇圧用スイッチング素子８６は、互いにオン・オフ動作が逆になるように制御される。昇圧回路８０は、第１昇圧用スイッチング素子８４をオン、第２昇圧用スイッチング素子８６をオフにして昇圧用コイル８２に短時間だけ電流を流して昇圧用コイル８２に電力をため、その直後に、第１昇圧用スイッチング素子８４をオフ、第２昇圧用スイッチング素子８６をオンにして昇圧用コイル８２にたまった電力を出力するように動作する。

昇圧回路８０の出力電圧（昇圧電圧）は、第１昇圧用スイッチング素子８４および第２昇圧用スイッチング素子８６のデューティ比制御により調整可能となっている。したがって、ＣＰＵ４６から出力されるゲート信号のデューティ比を調整することにより昇圧電圧を調整できる。

制御装置１００の３相インバータ回路５０は、図１に示す３相インバータ回路５０と同様にアクティブクランプ回路６０を有し、アクティブクランプ回路６０によりＵ相およびＷ相のスイッチング素子を保護する。このように、図４に示す昇圧回路８０を備える制御装置１００においても、アクティブクランプ回路６０により所望のスイッチング素子を保護することができ、モータ１２の駆動を維持することができる。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能であり、同様な効果を得ることができる。

１０ 制御装置、 １２ モータ、 ２０ 高電圧バッテリ、 ３０ コンバータ、 ３２ 降圧回路、 ３４ 回生電力消費回路、 ４０ 制御部、 ４１ 車載バッテリ、 ４２ 電源回路、 ４３ 電源回路用リレー、 ４４ 駆動ＩＣ、 ４６ ＣＰＵ、 ４７ 第１リレー、 ４８ Ｉ／Ｆ回路、 ４９ 第２リレー、 ５０ ３相インバータ回路、 ５２ ＭＯＳＦＥＴ、 ５４ 抵抗部、 ６０ アクティブクランプ回路、 ６２ ツェナーダイオード、 ６４ ダイオード、 ７０ Ｖ相端子電圧、 ７２ ゲート電圧、 ７４ ドレイン電流。

Claims (1)

1. ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置であって、
   操舵を補助するためのトルクを発生するモータと、
   ３つの経路から前記モータに３相の駆動電流を供給する３相インバータ回路と、
   前記３相インバータ回路を制御するＣＰＵと、を備え、
   前記３相インバータ回路は、
   前記ＣＰＵの制御によりスイッチングされる少なくとも６つのスイッチング素子と、
   前記モータと、出力端子が接地されている１つのスイッチング素子の制御端子と、に接続されるアクティブクランプ回路と、
   前記モータと前記アクティブクランプ回路との間に設けられるリレーと、を有し、
   前記アクティブクランプ回路は、前記モータ側の電圧が所定電圧以上になると前記１つのスイッチング素子をオン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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