JP2014133433A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の衝突時に感電を回避し、操舵アシストを持続し安全に退避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】ＥＣＵ６の内部に設けられるモータ制御回路は、電源リレー１１、コイル２１、コンバータ部１４、コンデンサ１２、制御回路１５、およびモータ駆動回路１３を備え、高圧電源であるバッテリ１００および電動モータ１に接続されている。バッテリ１００は、高電圧（例えば、２８８Ｖなど）の走行用バッテリが接続されている。コンバータ部１４内の降圧回路１６は、この高電圧を低電圧（例えば、３６Ｖなど）に降圧して、モータ駆動回路１３に駆動電力を供給している。車両の衝突が発生した場合、検出された加速度の値により制御回路１５が衝突と認識すると降圧回路１６側の出力電圧に切り換え、低電圧がモータ駆動回路１３に接続される。
【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、運転者の操舵力に対して電動モータ等を利用して補助操舵力を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）が広く使用されている。また、近年、二次電池やキャパシタなどの蓄電装置を搭載し、この蓄電装置に蓄えられた電力から生じる駆動力を用いて走行する、例えば、電気自動車やハイブリッド車といった電動車両において、電動パワーステアリング装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１４３４８３号公報

このような電動車両において、大容量の蓄電機構である高電圧の走行用バッテリを用いて電動パワーステアリング装置に電力を直接供給する場合がある。ところが、上記のような電動パワーステアリング装置を設けたハイブリッド車両において、車両走行中に衝突が発生した場合に高電圧による感電の危険を回避するため、電動パワーステアリング装置への電源供給を停止する必要がある。しかしながら、電源供給を停止させるとステアリング操作が続行できなくなり、車両の退避走行をおこなうことができない可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両の衝突時に感電を回避し、操舵アシストを持続し安全に退避でき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、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置は、高圧電源と、車両のステアリング機構に与える操舵補助力を発生させる電動モータと、複数のスイッチング素子を含み、前記電動モータに駆動電流を供給するモータ駆動回路と、前記モータ駆動回路を制御する制御回路と、前記高圧電源と前記モータ駆動回路との間の接続を開閉する電源リレーと、前記モータ駆動回路に電力を供給するコンバータ部と、電流リップル吸収用のコンデンサと、を備え、前記コンバータ部は、前記高圧電源を低電圧に降圧して低圧電源に変換する降圧回路を有し、車両の衝突検知時に前記降圧回路を介して低電圧電力を前記モータ駆動回路に供給することを要旨とする。

上記構成によれば、高圧電源を用いた電動パワーステアリング装置を搭載した車両の衝突が発生した場合、コンバータ部が降圧回路によりモータ駆動回路に供給する電源電圧を高電圧から低電圧に降圧して低圧電源に切り換えるので、運転者の感電事故の発生を回避し、電動パワーステアリング装置を停止させることなくステアリング操作を継続できる。これにより、車両を安全に退避走行させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、前記制御回路は、車両に設置された加速度センサからの衝突検出信号に基づいて、前記降圧回路に切り換えることを要旨とする。上記構成によれば、制御回路は、加速度センサからの衝突検出信号に基づいて車両の衝突を検知し、確実に運転者の安全を確保することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置において、前記制御回路は、低電圧駆動移行後においては、前記電動モータの電流制限値を大きくすることを要旨とする。上記構成によれば、低電圧駆動時に電動モータに流れる電流値を大きくすることができるので、スムーズなステアリング操作が可能となる。

本発明によれば、車両の衝突時に感電を回避し、操舵アシストを持続し安全に退避できる電動パワーステアリング装置を提供できる。

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概略構成を示す模式図。 電動パワーステアリング装置に含まれるモータ制御回路のブロック図。 図２の降圧回路の一例を示す構成図。 モータ制御回路で実行される車両衝突時の処理手順を示すフローチャート。

次に、本発明の実施形態に係る車両に搭載される電動パワーステアリング装置について、図に基づいて説明する。
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の概略構成を示す模式図である。図１に示す電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ１、減速機２、トルクセンサ３、車速センサ４、モータ回転角センサ５（以下、回転角センサという）、および電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）６を備えたコラムアシストタイプの電動パワーステアリング装置である。

図１に示すように、ステアリングシャフト１０２の一端にはステアリングホイール１０１が固着されており、ステアリングシャフト１０２の他端はラックアンドピニオン機構１０３を介してラック軸１０４に連結されている。ラック軸１０４の両端は、タイロッドおよびナックルアームからなる連結部材１０５を介して車輪１０６に連結されている。運転者がステアリングホイール１０１を回転させると、ステアリングシャフト１０２は回転し、これにともないラック軸１０４は往復運動を行う。ラック軸１０４の往復運動にともない、車輪１０６の向きが変わる。

電動パワーステアリング装置１０は、運転者の負荷を軽減するために、以下に示す操舵補助を行う。トルクセンサ３は、ステアリングホイール１０１の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクτを検出する。車速センサ４は、車速Ｖを検出する。回転角センサ５は、電動モータ１のロータの回転位置（モータ回転角）θを検出する。回転角センサ５は、例えばレゾルバで構成されている。

一方、ＥＣＵ６には、操舵角検出手段を構成する操舵角センサ（図示せず）や車両にかかる横方向加速度を検出する加速度センサ（例えば、圧電型、容量型など）８が接続されている。そして、ＥＣＵ６は、各センサの出力信号に基づいて、操舵角θｓおよび加速度Ｇを検出する。

また、ＥＣＵ６は、車載バッテリ（高圧電源、以下、バッテリという）１００から電力の供給を受け、操舵トルクτ、車速Ｖおよびモータ回転角θに基づき電動モータ１を駆動する。電動モータ１は、ＥＣＵ６によって回転駆動されると、操舵補助力を発生させる。減速機２は、電動モータ１とステアリングシャフト１０２との間に設けられる。電動モータ１で発生した操舵補助力は、減速機２を介して、ステアリングシャフト１０２を回転させるように作用する。ここで、電動パワーステアリング装置１０の定格電圧が車両の主電源としての走行用バッテリの定格電圧と同じ程度の場合に、バッテリ１００として、電気自動車やハイブリッド車の走行用モータに電力を供給する高電圧の走行用バッテリが接続されている。

この結果、ステアリングシャフト１０２は、ステアリングホイール１０１に加えられる操舵トルクτと、電動モータ１で発生した操舵補助力の両方によって回転する。このように電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ１で発生した操舵補助力を車両のステアリング機構に与えることにより操舵補助を行う。

次に、図２は、電動パワーステアリング装置１０に含まれるモータ制御回路のブロック図である。図２に示すモータ制御回路は、電源リレー１１、コイル２１、コンバータ部１４、コンデンサ１２、制御回路１５、モータ駆動回路１３を備え、このモータ制御回路は、ＥＣＵ６の内部に設けられ、高圧電源であるバッテリ１００および電動モータ１に接続されている。なお、制御回路１５の電源となる制御電圧（例えば、１２Ｖ）＋Ｂは、バッテリ１００からＤＣ／ＤＣコンバータなどを介して生成されている。

図２において、電動モータ１は、３相の巻線（Ｕ相巻線，Ｖ相巻線，Ｗ相巻線）を有する３相ブラシレスモータである。電源リレー１１は、コンデンサ１２およびモータ駆動回路１３をバッテリ１００に接続するか否かを切り替える電源スイッチである。電源リレー１１は、電動パワーステアリング装置１０の動作時にはオン状態（導通状態）、停止時にはオフ状態（非導通状態）となる。コイル２１は、サージ吸収用のコイルとして作用している。

モータ駆動回路１３は、スイッチング素子として、６個のＭＯＳ−ＦＥＴ（図示せず）を含んでいる。６個のＭＯＳ−ＦＥＴを２個ずつ直列に接続して形成された３つの回路は、電源線１９とアース線２０との間に並列に設けられている。ＭＯＳ−ＦＥＴのそれぞれの接続点は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線の一端に直接接続される。電動モータ１の３相の巻線の他端は、共通の接続点（中性点）に接続されている。

制御回路１５は、モータ駆動回路１３に含まれる６個のＭＯＳ−ＦＥＴを制御する。より詳細には、制御回路１５には、操舵トルクτ、車速Ｖおよびモータ回転角θが入力される。制御回路１５は、これらのデータに基づき、電動モータ１に供給すべき３相の駆動電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、およびＷ相電流）の目標値（目標電流）を決定し、電流センサにより検出した電流（各相電流値）を目標電流に一致させるためのＰＷＭ信号を出力する。制御回路１５から出力された各相のＰＷＭ信号は、モータ駆動回路１３に含まれる６個のＭＯＳ−ＦＥＴのゲート端子にそれぞれ供給されている。

コンデンサ１２は、電源線１９とアース線２０との間に設けられている。コンデンサ１２は電荷を蓄積し、バッテリ１００からモータ駆動回路１３に流れる電流が不足するときには蓄積した電荷を放電する。このように、コンデンサ１２は、電流リップル吸収用の平滑コンデンサとして機能している。

本実施形態の電動パワーステアリング装置１０では、電源リレー１１がオフ状態となった後、コンデンサ１２に蓄積された電荷は、オン状態のＭＯＳ−ＦＥＴ、および降圧回路１６、すなわち後述する図３中のコイルＬ１を通って放電される。

また、制御回路１５には、車両に設置された加速度センサ８（図１参照）から検出された加速度Ｇ信号が入力され、この加速度Ｇの値から車両の衝突が検知される。バッテリ１００は、電気自動車やハイブリッド車の走行用モータを駆動するための高電圧（例えば、２８８Ｖなど）の走行用バッテリ（例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池など）が接続されている。降圧回路１６は、この高電圧を低電圧（例えば、３６Ｖなど）に降圧し、コンバータ部１４内のリレー（スイッチ）ＳＲ１，ＳＲ２がＳＲ１をオフ、ＳＲ２をオンに切り換えられることにより、モータ駆動回路１３に駆動電力が供給される。なお、車両の衝突が検知されても、電源リレー１１は瞬時にはオフされないで降圧回路１６へのバッテリ１００からの電源供給が継続されるようになっている。

ここで、平常時は、バッテリ１００から高電圧が直接モータ駆動回路１３に接続されているが、車両の衝突が発生した場合、加速度センサ８から出力される加速度Ｇの値により制御回路１５が衝突と認識すると降圧回路１６側の出力電圧に切り換え、低電圧がモータ駆動回路１３に接続される（電源線１９、アース線２０間）。なお、衝突時の加速度Ｇは、通常の急発進、急加速に比べはるかに大きいため、加速度センサ８からの信号により容易に区別が可能となっている、

次に、図３は、図２の降圧回路の一例を示す構成図である。図３に示すように、降圧回路１６は、コイルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子（以下、スイッチング素子という）Ｑ１，Ｑ２と、平滑用コンデンサ（以下、コンデンサという）Ｃ１，Ｃ２とを含んでいる。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、バッテリ１００側の電源線およびアース線の間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン・オフは、ＥＣＵ６からのスイッチング制御信号によって制御される。本実施形態において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴなどを用いることができる。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の内部には、逆並列された寄生ダイオードが形成されている。コイルＬ１は、一端がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続され、コンデンサＣ１、Ｃ２は、スイッチング素子Ｑ１側の電源線およびコイルＬ１の他端と、アース線との間にそれぞれ接続されている。

そして、ＥＣＵ６（図２参照）からスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲート端子にそれぞれ供給されるスイッチング制御信号に応答して、スイッチング素子Ｑ１のみがオンする期間と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の両方がオフする期間とが交互に設けられる。降圧回路１６は、上記オン期間のデューティ比に応じた降圧比に基づいて、平常時、バッテリ１００から供給された直流電圧ＶＨを直流電圧ＶＬに降圧して、コンデンサＣ２を充電している。

次に、図４は、モータ制御回路で実行される車両衝突時の処理手順を示すフローチャートである。本実施形態おいて、制御回路１５は、図４のフローチャートに示すステップ４０１〜ステップ４０４の各処理を実行する。なお、以下に示すフローチャートにおける処理は、所定の時間間隔毎に実行される。図４に示すように、ＥＣＵ６内の制御回路１５のＣＰＵ（図示せず）は加速度センサ８により検出された加速度Ｇを取得する（ステップＳ４０１）。次に、検出された加速度Ｇが所定値以上か否か（ステップＳ４０２）を判定する。加速度Ｇが所定値以上（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）の場合、車両の衝突が発生したと判断し、ステップＳ４０３へ移行し高電圧から低電圧駆動への切り換え処理を実行する。加速度Ｇが所定値より小さい（ステップＳ４０２：ＮＯ）場合、処理を終了しフローを抜ける。

続いて、ＣＰＵは、コンバータ部１４内のリレーＳＲ１をオフ、リレーＳＲ２をオンし、バッテリ１００を降圧回路１６側に切り換える（ステップＳ４０３）。これにより、降圧回路１６の出力電圧が有効となり、モータ駆動回路１３に低電圧が入力される。次に、ＣＰＵは、低電圧駆動移行後の電動モータ１の各相電流の電流制限値を高電圧時の設定値より大きくし（ステップＳ４０４）、この処理を終了する。

次に、上記のように構成された本実施形態である電動パワーステアリング装置１０の作用および効果について説明する。

上記構成によれば、高圧電源を用いた電動パワーステアリング装置１０を搭載した車両の衝突が発生した場合、モータ制御回路を構成するＥＣＵ６内の制御回路１５は、モータ駆動回路１３に供給する電源電圧を高電圧から低電圧の降圧回路１６の出力電圧に切り換えモータ駆動回路１３に駆動電力を供給する。このとき、制御回路１５内のＣＰＵは、加速度センサ８からの検出信号（加速度Ｇ）に基づいて車両の衝突を検知し電動モータ１を低電圧駆動に切り換えることが可能となる。さらに、電動モータ１の各相電流の電流制限値を大きくすることにより、低電圧駆動時に電動モータ１に流れる電流値を増大させることができる。

これにより、電動パワーステアリング装置１０を設ける電動車両の走行中に車両の衝突が発生した場合でも、運転者の感電事故の発生を回避し、電動パワーステアリング装置１０の操舵アシストを停止させることなくスムーズなステアリング操作を継続することができる。その結果、確実に運転者の安全を確保することができるとともに、車両を安全に退避走行させることができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、車両の衝突時に感電を回避し、操舵アシストを持続し安全に退避できる電動パワーステアリング装置を提供できる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、車両に設置された加速度センサ８により衝突を検知するようにしたが、これに限らず、エアバッグの作動により衝突を検知してもよいし、他の衝突検出信号による方法を用いてもよい。

上記実施形態では、走行用バッテリの高圧電源（バッテリ１００）から降圧回路１６を介して低圧電源を生成し、衝突時に低電圧に切り換えるようにしたが、これに限らず、補助バッテリなどの低圧電源を用いて切り換えるようにしてもよい。また、衝突検知と並行して、バッテリ１００の電源電圧の供給停止を検知したことにより、直流電圧ＶＬに切り換えるようにしてもよい。

上記実施形態では、電動パワーステアリング装置１０として、いわゆるコラムアシストタイプを例に挙げて説明したが、これに限らず、ピニオンアシストタイプやラックアシストタイプの電動パワーステアリング装置に適用してもよい。

１：電動モータ、２：減速機、３：トルクセンサ、４：車速センサ、５：回転角センサ、
６：ＥＣＵ、８：加速度センサ、１０：電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、１１：電源リレー、１２：コンデンサ、１３：モータ駆動回路、１４：コンバータ部、１５：制御回路、１６：降圧回路、１９：電源線、２０：アース線、２１：コイル、１００：バッテリ（高圧電源）、１０１：ステアリングホイール、１０２：ステアリングシャフト、
１０３：ラックアンドピニオン機構、１０４：ラック軸、１０５：連結部材、１０６：車輪、τ：操舵トルク、Ｖ：車速、θ：モータ回転角、Ｇ：加速度、θｓ：操舵角、ＳＲ１，ＳＲ２：リレー、＋Ｂ：制御電圧、ＶＨ，ＶＬ：直流電圧、Ｑ１，Ｑ２：スイッチング素子、Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ、Ｌ１：コイル

Claims (3)

1. 高圧電源と、
   車両のステアリング機構に与える操舵補助力を発生させる電動モータと、
   複数のスイッチング素子を含み、前記電動モータに駆動電流を供給するモータ駆動回路と、
   前記モータ駆動回路を制御する制御回路と、
   前記高圧電源と前記モータ駆動回路との間の接続を開閉する電源リレーと、
   前記モータ駆動回路に電力を供給するコンバータ部と、
   電流リップル吸収用のコンデンサと、を備え、
   前記コンバータ部は、前記高圧電源を低電圧に降圧して低圧電源に変換する降圧回路を有し、車両の衝突検知時に前記降圧回路を介して低電圧電力を前記モータ駆動回路に供給することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記制御回路は、車両に設置された加速度センサからの衝突検出信号に基づいて、前記降圧回路に切り換えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記制御回路は、低電圧駆動移行後においては、前記電動モータの電流制限値を大きく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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