JP3638682B2

JP3638682B2 - 電動式パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP3638682B2
Application number: JP25519395A
Authority: JP
Inventors: 寛隆梅田; 健司古川; 敬田中
Original assignee: ティーアールダブリュオートモーティブジャパン株式会社
Priority date: 1995-10-02
Filing date: 1995-10-02
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2015-10-02
Also published as: JPH0995249A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動式パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、電動式パワーステアリング装置において、モータ駆動回路を保護するため、駆動回路のパワー素子周辺に温度センサを設けておき、パワー素子の許容温度以上になったら駆動電流を低減するようにしたものが知られている（以下、「温度センサ方式」という。）。
【０００３】
また、パワー素子のオン抵抗がチップ温度と比例関係にあることを利用し、オン抵抗が設定値を越えた場合に保護を行うようにしたものも知られている（以下、「オン抵抗検出方式」という。）。
ところが、温度センサ方式には、次の様な欠点があった。
【０００４】
パワー素子の直近にはなかなかセンサを配置できないため、温度検出に応答遅れがある。このため、ラックエンドまで操舵が完了している状態の様に、駆動電流が急上昇した様な過負荷の場合のパワー素子の発熱に対して追従性が悪く、保護が不十分になるという問題があるのである。
【０００５】
また、オン抵抗方式には、次の様な欠点があった。
駆動回路を構成する各パワー素子チップ毎に特性のバラツキがある。このため、設定値を高めにすると温度上昇の生じ易いチップについては保護が不十分となってしまう。そこで、設定値を低めにする必要があるのであるが、今度は、必要以上に保護動作が実施されるという誤動作の問題が出て来る。また、駆動電流が定格以下の場合には、長時間駆動され続けても異常なしと判定されてしまうため、山道走行等によって操舵が頻繁に繰り返されるような場合における駆動回路の保護が不十分となるという問題があった。
【０００６】
このように、従来の方式では、ある特定の負荷状態に対してしか保護ができないとという問題があった。
そこで、本発明は、電動式パワーステアリング装置のモータ駆動回路に対する保護を行うに当り、種々の負荷状態に対して適切な保護を行うことができるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段、発明の実施の形態及び発明の効果】
本発明の電動式パワーステアリング装置は、操舵入力に応じてアシストトルク指令値を演算する指令値演算手段と、該演算されたアシストトルク指令値に基づいてモータ駆動回路へ通電し、電動モータによる操舵アシスト力を発生させるアシスト力発生手段とを備える電動式パワーステアリング装置において、前記モータ駆動回路の周辺温度を検出し、該温度が所定以上となったときにモータ駆動回路に対する保護動作を行う第１の保護手段と、前記モータ駆動回路へのエネルギー蓄積量を演算し、該エネルギー蓄積量に着目してモータ駆動回路に対する保護動作を行う第２の保護手段と、前記モータ駆動回路へ入力される駆動電流を検出し、該駆動電流が所定以上となったときにモータ駆動回路に対する保護動作を行う第３の保護手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このため、例えば、定格電流近傍の様な負荷率の場合には、第１の保護手段が有効に機能し、モータ駆動回路の温度上昇を検知して適切な保護を行うことができる。また、モータ巻線のショートなどによる過電流が加わった様な場合には、第３の保護手段が速やかに作動し、やはり適切な保護を達成できる。そして、ラックエンド保舵時のようなこれらの間の状態においても、第２の保護手段が、駆動回路へのエネルギー蓄積量を監視して保護を行うので、ここにも手落ちは生じない。
【００１３】
ここで、第１の保護手段による保護動作では、所定温度未満では全く保護動作を行わず、所定温度になったら駆動電流を一定レベルに低減するようにするとよい。温度の上昇に伴って徐々に駆動電流の減少量を増加させる方式をとると、必要以上に保護が働いて本来のパワーアシストの効果が薄れるからである。
【００１４】
一方、第２の保護手段による保護動作は、定格電流以上の状態を狙ったものであるから、このように段階的に行うよりも、エネルギー蓄積量が増大するに従って、次第に駆動電流の減少量が増大するように連続的な保護動作を行うのがよい。これによれば、ラックエンドまで操舵して保舵しているようなとき、運転者に対してガクンとハンドルの重さを感じさせることがなく、違和感を与えない点で有利となるからである。
【００１５】
なお、第３の保護手段による保護動作は、過電流を検出したら直ちに駆動電流をゼロとするのがよい。過電流の生じるような状態であれば、モータ巻線のショートなどの故障の状態であるから、駆動回路への電流を直ちに遮断するのがよいからである。
【００１６】
そこで、上記の電動式パワーステアリング装置において、前記第１の保護手段を、所定温度以上になったときにモータ駆動回路を予め定めた低レベルの駆動条件に切り換える手段として構成し、前記第２の保護手段を、（エネルギー蓄積量）／（モータ駆動回路の許容エネルギー量）が１に近づくほど、モータ駆動回路の駆動条件を連続的に低下させる手段として構成し、前記第３の保護手段を、駆動電流が所定以上になったときに駆動電流を遮断する手段として構成するとよい。
【００１７】
なお、駆動電流を低下させる方法としては、入力トルクと車速等から算出されたアシストトルク指令値を減少補正することによって実現してもよいし、これとは別個に駆動電流を直接低下させる指令を行う様にしてもよい。
なお、第１，第２の保護手段が干渉し合わない様に、前記第２の保護手段を、エネルギー蓄積量が所定レベル以上となった場合に作動する手段として構成するとよい。こうすることで、長時間の連続駆動や過負荷による駆動の場合にだけアシスト力を犠牲にするだけに留まり、電動式パワーステアリング装置本来の操舵アシストの快適性を損なうことがないという効果がある。
【００１８】
なお、これらの電動式パワーステアリング装置において、前記エネルギー蓄積量を、モータ駆動回路への入力エネルギーから放熱等による拡散エネルギーを減じたエネルギーを積算することにより演算するようにするとよい。
この場合、入力エネルギーをＰとし、モータ駆動回路へ入力される駆動電流をＩとし、駆動回路の抵抗をＲとし、電流Ｉが供給される時間をｔとすると、
【００１９】
【数１】
Ｐ＝Ｉ² Ｒｔ …（１）
の計算により入力エネルギーを求めることができる。
ここで、駆動電流Ｉは、そもそもアシストトルク指令値に比例するものであることを考慮すると、前記入力エネルギーを、モータ駆動回路へのアシストトルク指令値の２乗に比例する値として演算することができる。こうすれば、駆動電流自体を検出する必要がない。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を適用した電動式パワーステアリング装置の実施例について説明する。
実施例の電動式パワーステアリング装置では、図１に示すように、タイヤ１，１とタイロッド３，３を介して両端を連結されたラック軸５に、ラック歯７とスクリュー溝９とを設けてある。ラック歯７には操舵軸１１の下端に設けられたピニオン歯車１３を噛み合わせ、マニュアルステアリングを可能にしている。また、スクリュー溝９には、これを取り囲む様にラック軸５と同軸的にステッピングモータ１５を取り付け、両者の間にボール１７を介在させてアシスト用のボールスクリューを構成している。
【００２１】
このステッピングモータ１５は、電子制御装置（ＥＣＵ）３０によって駆動制御される。ＥＣＵ３０には、操舵軸１１に取り付けられて入力トルクの大きさを検出するトルクセンサ２１、ステッピングモータ１５のポジションを検出するポジションセンサ２３及び車速センサ２５からの検出信号が入力される。ＥＣＵ３０は、これら検出信号に基づいて、アシストトルク指令値を演算し、この指令値に従って、ステッピングモータ１５に対してバッテリ２７からの駆動電力を供給する。
【００２２】
トルクセンサ２１は、操舵軸上部と下部とを連結するトーションバーのねじれによって生じる歪の大きさに対応するアナログ信号を出力するものである。ポジションセンサ２３は、ステッピングモータ１５に装着されたレゾルバであり、ステッピングモータ１５の位相角に対応する波形信号を出力するものである。車速センサ２５は、スピードメータケーブル用の出力軸が１回転する毎に１パルスの信号を出力するものである。
【００２３】
ＥＣＵ３０にはまた、モータ駆動回路のパワー素子のオン抵抗を検出するオン抵抗検出センサ２８からの検出信号と、モータ駆動回路の近くに配置されている温度センサ２９からの検出信号も入力されている。これらのセンサ２８，２９は、オン抵抗及び温度に対応するアナログ電圧を出力するものである。
【００２４】
ステッピングモータ１５は、ＶＲ型の４相励磁方式のものであり、その駆動回路の概略を示すと、図２の様に構成される。
第１相と第３相、第２相と第４相がそれぞれグループに分けられている。そして、各グループについてバッテリ２７の正側とを結ぶコモンラインが設けられ、そこにそれぞれ１個ずつのＭＯＳ型ＦＥＴ（ＱＡ，ＱＢ）が配置されている。また、各相は独立ラインでバッテリ２７の負側と接続され、そこに各１個のＭＯＳ型ＦＥＴ（Ｑ１〜Ｑ４）が配置されている。なお、駆動回路内には、転流用として、ダイオードＤＡ，ＤＢ，Ｄ１〜Ｄ４が配置されている。
【００２５】
この駆動回路により、左操舵及び右操舵に対して、それぞれ定められている順番に各相を励磁し、左右へのアシスト力を発生する様になっている。
ＥＣＵ３０は、その果たす役割に着目してブロック図に表すと図３の様になる。
【００２６】
まず、入力部４０として、トルクセンサ２１からの検出信号を入力し、これを入力トルクデータに換算するための入力トルク換算部４１と、車速センサ２５からの車速パルス信号を入力し、これを車速データに換算するための車速換算部４２と、ポジションセンサ２３からの波形信号を入力し、これを位相角に換算する位相角換算部４３とを備えている。また、オン抵抗検出信号を入力し、これを駆動回路に入力されているモータ駆動電流に換算する駆動電流換算部４４と、温度検出信号を入力し、これを温度に換算する温度換算部４５とを備えている。
【００２７】
演算部５０には、入力トルクデータと車速データに基づいてアシストトルク指令値を演算する指令値演算部５１と、このアシストトルク指令値を補正するための指令値補正部５２と、位相角の変化に基づいてステッピングモータの回転角速度を演算する角速度演算部５３と、位相角に回転角速度を加味して位相角を補正する位相角補正部５４と、アシストトルク指令値に基づいて駆動電流値を算出すると共に、入力トルクの正負により操舵方向を特定して励磁順を決定し、補正された位相角に基づいて励磁相を特定する励磁相＆電流値演算部５５とを備えている。
【００２８】
指令値演算部５１が実行する演算は、従来公知のものと同じであり、車速を加味しつつ、入力トルクに比例したアシストルク指令値を算出する。
角速度演算部５３は、前回演算タイミングにおける位相角と今回演算された位相角との差分からモータ回転角速度を算出する。そして、位相角補正部５４は、今回検出された位相角に、このモータ回転角速度を加味して、次の演算タイミングまでの位相角の変化を予測するのである。
【００２９】
指令値補正部５２は、本実施例の特徴部であり、次の様な処理によりアシストトルク指令値の補正を行っている。
図４に示すように、まず、駆動電流Ｉが所定値Ｉ_cr（例えば、定格電流の２倍）以上になっているか否かを判定する（Ｓ１０）。「ＹＥＳ」と判定された場合には、直ちにアシストトルク指令値Ｔ２（ｎ）を０に設定する（Ｓ２０）。一方、「ＮＯ」と判定された場合には、現在までのエネルギー蓄積量Ｅ（ｎ）を下記（３）式に従って算出し（Ｓ３０）、Ｅ（ｎ）／Ｅｍａｘが０．１以下であるか否かを判定する（Ｓ４０）。０．１を越える場合には、下記（２）式に基づいて、Ｔ２（ｎ）を算出する（Ｓ５０）。
【００３０】
【数２】
Ｔ２（ｎ）＝Ｔ１（ｎ）×（１−Ｅ（ｎ）／Ｅｍａｘ） …（２）
Ｅ（ｎ）＝Ｅ（ｎ−１）＋Ｔ２（ｎ−１）² −Ｋ・△ｔ …（３）
ここで、
Ｔ１（ｎ）：入力トルク及び車速に基づいて算出されたアシストトルク指令値
Ｔ２（ｎ）：補正後のアシストトルク指令値（最終的なアシストトルク指令値）
Ｔ２（ｎ−１）：前回の最終的なアシストトルク指令値
Ｅ（ｎ）：今回までにＦＥＴに蓄積されたエネルギー
Ｅ（ｎ−１）：前回までにＦＥＴに蓄積されたエネルギー
Ｅｍａｘ：ＦＥＴの許容温度から換算される許容エネルギー
Ｋ：単位時間当りの拡散エネルギー
△ｔ：演算間隔
を意味する。なお、（３）式は、前回までの入力エネルギーの累積値Ｅ（ｎ−１）に、前回のアシストトルク指令値に基づいて入力されたエネルギーＴ２（ｎ−１）² を加えると共に、前回演算タイミングから今回演算タイミングまでの間に放熱等によって拡散していったエネルギーを減算するものである。従って、ＦＥＴに蓄積されてきた熱エネルギーを表し、これをＦＥＴの質量と比熱で除算してやれば、ＦＥＴの現在の温度を推定することもできる。
【００３１】
一方、Ｅ（ｎ）／Ｅｍａｘが０．１以下であるなら、温度ｔｈが所定値ｔｈ_cr以上になっているか否かを判定する（Ｓ６０）。ｔｈ＜ｔｈ_crなら、アシストトルク指令値Ｔ２（ｎ）として指令値演算部５１が演算した値Ｔ１（ｎ）をそのまま設定する（Ｓ７０）。しかし、ｔｈ≧ｔｈ_crなら、アシストトルク指令値Ｔ２（ｎ）に対して固定値Ｔ２を設定する（Ｓ８０）。この固定値Ｔ２には、予め一定の低レベルの値を定めておく。
【００３２】
以上の様に構成した結果、本実施例によれば、図５の様な関係にてモータ駆動回路の保護動作が行われる。即ち、定格電流近傍（負荷率約１００％）においては（図示のＡ領域）、Ｓ６０の判定結果に左右される第１のモードによりモータ駆動回路に対する保護動作が行われる。この領域については、温度センサ２９によって温度上昇が検出されるまでに時間遅れが生じるから、必然的に判定時間は長くなる。このことは、逆に、定格電流近傍のようなそれほど深刻でない状態においてはアシスト力の発生を重視した制御となり、パワーステアリング本来の機能をフルに発揮させるという利点がある。
【００３３】
一方、負荷率でいうと１００〜２００％のＢ領域においては、Ｓ３０〜Ｓ５０の処理による第２のモードによりモータ駆動回路に対する保護動作が行われる。この領域は、例えば、フル操舵で保舵した状態の様に、ラック軸５がラックエンドまで動作された状態などに当り、入力エネルギーが駆動エネルギーとして消費されなくなる結果、モータ駆動回路に対してエネルギーが次第に蓄積されていく状態にある。
【００３４】
例えば、図６に例示するように、フル操舵に伴って、ラック軸５がラックエンドまでストロークされるとき、最初は入力エネルギーが駆動エネルギーとして消費されるし、仮に発熱があっても放熱もあるので、ＦＥＴへのエネルギーの蓄積がなく、Ｅ（ｎ）がほぼゼロとなる。このため、アシストトルク指令値Ｔ２（ｎ）は演算値Ｔ１（ｎ）と同一となる。ラックエンドに到達すると（時刻ｔ１）、入力されたエネルギーが駆動エネルギーとして消費されずにそのまま残るので、拡散エネルギーを上回り、Ｅ（ｎ）が増加し始める。これに伴い、アシストトルク指令値Ｔ２（ｎ）が演算値Ｔ１（ｎ）よりも徐々に減少し始める。こうして、アシストトルク指令値Ｔ２（ｎ）が減少していくと、あるところで入力エネルギーと拡散エネルギーとがバランスし（時刻ｔ２）、Ｅ（ｎ）がほぼ一定になる。この後は、アシストトルク指令値Ｔ２（ｎ）は一定となる。
【００３５】
この様に、第２のモードにおいては、エネルギー蓄積量の大小に応じてアシストトルクを減少するので、連続的に補正がなされ、運転者に対してアシスト力の急変を感じさせない。また、過剰なアシスト状態から最適なアシスト状態へと自然に移行していく。また、判定時間という観点で見ると、負荷率が上昇するに従って短くなっていく。
【００３６】
最後に、図５の負荷率でいうと２００％以上のＣ領域においては、Ｓ１０，Ｓ２０の処理による第３のモードによりモータ駆動回路に対する保護動作が行われる。この領域は、例えば、モータ巻線がショートするなどして過大な駆動電流Ｉが流れた状態に相当する。従って、過電流が検出されると直ちにアシストトルク指令値Ｔ２（ｎ）をゼロにし、迅速な保護を図っているのである。この領域は保護の必要性が緊急となっていることから、その判定時間はきわめて短くなっている。
【００３７】
なお、Ｓ４０にてＥ（ｎ）が一定レベル以下の場合には、第２のモードの処理が行われないようにすることで、第１のモードと第２のモードとが干渉し合うのを防止している。
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々なる態様に変形することが可能である。
また、操舵入力に応じてアシストトルク指令値を演算する指令値演算手段と、該演算されたアシストトルク指令値に基づいてモータ駆動回路へ通電し、電動モータによる操舵アシスト力を発生させるアシスト力発生手段と、該モータ駆動回路に対する保護動作を行う回路保護手段とを備える電動式パワーステアリング装置において、前記モータ駆動回路に対する負荷率に応じて、前記回路保護手段による保護動作の要否の判定条件を変更するようにすれば、以下のような作用効果を得ることができる。
すなわち、負荷率に応じて保護動作を行うための判定条件を変更するので、定格近傍と過電流状態、また、これらの中間の状態に対して、それぞれ適切な保護を行うことができる。
特に、定格近傍では保護動作の遅れがそれほど問題とならないので、判定時間を長めにするような判定条件を選んで誤動作を防止し、過電流状態の様に迅速な保護が必要な場合には短時間で判定できるように条件を設定することで保護の遅れを防止し、これらの中間部では短かすぎず長すぎずといった判定時間を採用するとよい。
そして、この様に判定時間を設定することで、保護のタイミングが適切となるので、モータ駆動回路を設計する上で、より定格電流の低い安価なチップを使用することができるようになる。
具体的には、例えば、１０Ａを定格電流とするチップを使用した場合にラックエンドで保舵した場合に１５Ａまで電流が上昇するとしても、１５０％の負荷率に対して保護動作が遅れない範囲内で判定できるようにしてやりさえすれば、この１０Ａのチップを用いて駆動回路を限界設計することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の電動式パワーステアリング装置の全体を示す構成図である。
【図２】実施例におけるステッピングモータ駆動回路の回路構成図である。
【図３】実施例におけるＥＣＵの機能ブロック図である。
【図４】実施例におけるアシストトルク補正処理のフローチャートである。
【図５】実施例の作用・効果を示すグラフである。
【図６】実施例の第２のモードにおける作用・効果を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１・・・タイヤ、３・・・タイロッド、５・・・ラック軸、７・・・ラック歯、９・・・スクリュー溝、１１・・・操舵軸、１３・・・ピニオン歯車、１５・・・ステッピングモータ、１７・・・ボール、２１・・・トルクセンサ、２３・・・ポジションセンサ、２５・・・車速センサ、２７・・・バッテリ、２８・・・オン抵抗検出センサ、２９・・・温度センサ、３０・・・ＥＣＵ、４１・・・入力トルク換算部、４２・・・車速換算部、４３・・・位相角換算部、４４・・駆動電流換算部、４５・・・温度換算部、５１・・・指令値演算部、５２・・・指令値補正部、５３・・・角速度演算部、５４・・・位相角補正部、５５・・・位相角＆電流値演算部。

Claims

操舵入力に応じてアシストトルク指令値を演算する指令値演算手段と、
該演算されたアシストトルク指令値に基づいてモータ駆動回路へ通電し、電動モータによる操舵アシスト力を発生させるアシスト力発生手段と
を備える電動式パワーステアリング装置において、
前記モータ駆動回路の周辺温度を検出し、該温度が所定以上となったときにモータ駆動回路に対する保護動作を行う第１の保護手段と、
前記モータ駆動回路へのエネルギー蓄積量を演算し、該エネルギー蓄積量に着目してモータ駆動回路に対する保護動作を行う第２の保護手段と、
前記モータ駆動回路へ入力される駆動電流を検出し、該駆動電流が所定以上となったときにモータ駆動回路に対する保護動作を行う第３の保護手段と
を備えることを特徴とする電動式パワーステアリング装置。
請求項１記載の電動式パワーステアリング装置において、
前記第１の保護手段を、所定温度以上になったときにモータ駆動回路を予め定めた低レベルの駆動条件に切り換える手段として構成し、
前記第２の保護手段を、（エネルギー蓄積量）／（モータ駆動回路の許容エネルギー量）が１に近づくほど、モータ駆動回路の駆動条件を連続的に低下させる手段として構成し、
前記第３の保護手段を、駆動電流が所定以上になったときに駆動電流を遮断する手段として構成すること
を特徴とする電動式パワーステアリング装置。
請求項１又は２記載の電動式パワーステアリング装置において、前記第２の保護手段を、エネルギー蓄積量が所定レベル以上となった場合に作動する手段として構成することを特徴とする電動式パワーステアリング装置。