JP3945224B2 - 自動車の電源システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置を搭載した自動車の電源システムに関し、特にバッテリー電圧の低下等によってハンドルの緊急操舵時の追従性が損なわれないようにした自動車の電源システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助負荷付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク(操舵補助トルク)を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行なっている。フィードバック制御は、電流制御値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM(パルス幅変調)制御のデュ−ティ比の調整で行なっている。
【0003】
ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図5に示して説明すると、操向ハンドル1の軸2は減速ギア3、ユニバーサルジョイント4a及び4b,ピニオンラック機構5を経て操向車輪のタイロッド6に結合されている。軸2には、操向ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ10が設けられており、操向ハンドル1の操舵力を補助するモータ20がクラッチ21、減速ギア3を介して軸2に結合されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット30には、バッテリ14からイグニションキー11を経て電力が供給され、コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクTと車速センサ12で検出された車速Vとに基いてアシスト指令の操舵補助指令値Iの演算を行ない、演算された操舵補助指令値Iに基いてモータ20に供給する電流を制御する。クラッチ21はコントロールユニット30でON/OFF制御され、通常の動作状態ではON(結合)されている。そして、コントロールユニット30によりパワーステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニションキー11によりバッテリ14の電源がOFFとなっている時に、クラッチ21はOFF(切離)される。
【0004】
コントロールユニット30は主としてCPUで構成されるが、そのCPU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図6のようになる。
【0005】
例えば位相補償器31は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、CPUで実行される位相補償機能を示している。コントロールユニット30の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ10で検出されて入力される操舵トルクTは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器31で位相補償され、位相補償された操舵トルクTAが操舵補助指令値演算器32に入力される。又、車速センサ12で検出された車速Vも操舵補助指令値演算器32に入力される。操舵補助指令値演算器32は、入力された操舵トルクTA及び車速Vに基いてモータ20に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Iを決定し、操舵補助指令値演算器32にはメモリ33が付設されている。メモリ33は車速Vをパラメータとして操舵トルクに対応する操舵補助指令値Iを格納しており、操舵補助指令値演算器32による操舵補助指令値Iの演算に使用される。操舵補助指令値Iは減算器30Aに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器34に入力され、減算器30Aの偏差(I−i)は比例演算器35に入力され、その比例出力は加算器30Bに入力されると共にフィードバック系の特性を改善するための積分演算器36に入力される。微分補償器34及び積分補償器36の出力も加算器30Bに加算入力され、加算器30Bでの加算結果である電流制御値Eが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路37に入力される。モータ20のモータ電流値iはモータ電流検出回路38で検出され、モータ電流値iは減算器30Aに入力されてフィードバックされる。
【0006】
モータ駆動回路37の構成例を図7に示して説明すると、モータ駆動回路37は加算器30Bからの電流制御値Eに基いて電界効果トランジスタ(FET)FET1〜FET4の各ゲートを駆動するFETゲート駆動回路371、FET1〜FET4で成るHブリッジ回路、FET1及びFET2のハイサイド側を駆動する昇圧電源372等で構成されている。FET1及びFET2は、電流制御値Eに基いて決定されるデューティ比D1のPWM(パルス幅変調)信号によってON/OFFされ、実際にモータに流れる電流Irの大きさが制御される。FET3及びFET4は、デューティ比D1の小さい領域では所定1次関数式(a,bを定数としてD2=a・D1+b)で定義されるデューティ比D2のPWM信号で駆動され、デューティ比D1の大きい領域ではPWM信号の符号により決定されるモータの回転方向に応じてON/OFFされる。例えばFET3が導通状態にあるときは、電流はFET1、モータ20、FET3、抵抗R1を経て流れ、モータ20に正方向の電流が流れる。又、FET4が導通状態にあるときは、電流はFET2、モータ20、FET4、抵抗R2を経て流れ、モータ20に負方向の電流が流れる。従って、加算器30Bからの電流制御値EもPWM出力となっている。又、モータ電流検出回路38は抵抗R1の両端における電圧降下に基いて正方向電流の大きさを検出すると共に、抵抗R2の両端における電圧降下に基いて負方向の電流の大きさを検出する。モータ電流検出回路38で検出されたモータ電流値iは、減算器30Aに入力されてフィードバックされる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような制御装置での操舵性能に要求される重要な仕様に、操舵補助装置の追従性がある。即ち、緊急回避時の操舵を想定した場合、いかに速く違和感なく転舵できるかが重要だからである。電動パワーステアリングの場合、追従性はモータの性能が支配的である。
【0008】
モータの電源電圧は、通常、オルタネータ、バッテリから供給される電圧(14.5〜12.0V)に制限され、かつモータのサイズも機械的な仕様で制限されるため、モータの設計上実現できる追従性には限度が生じる。一方、追従性が問題になるときは、アシスト(電流)も必要になってくる。
【0009】
従来の自動車の電源システムは、図1のように、オルタネータで発電したものをバッテリーに充電しながら、電動パワーステアリング装置(EPS)や他の負荷(ランプ、エアコン等)に電気を供給している。
【0010】
しかしながら、自動車内の電装品はヘッドライトやエアコン等の負荷の高いものが多く、また最近では電動パワーステアリング装置という非常に高負荷なものが出てきている。
【0011】
このため、ヘッドライトやエアコン等を点けたままで急操舵をすると、バッテリーが高負荷状態になり、バッテリーの電圧が降下する。その結果、モータの追従性が図8に示すようにA(14.5Vの場合)からB(12.0Vの場合)にシフトして低下し、必要な追従性が得られないという問題がある。
【0012】
また、危険回避などのためにハンドルの急操舵を行なうと操舵トルクが増加するため、アシストトルクを発生させる必要があり、モータの能力限界を越えてモータが駆動されると、図9に示すようにモータ電流値の急激な変化が発生し、その結果操舵トルクがインパルス状に変化する。即ち、図9の時点t1に急操舵が行なわれるとモータ角速度ωは同図(A)のように増加するのに対し、モータ電流iは逆起電力のために同図(B)のように急減する。これと共に操舵トルクTは同図(C)のように時間t1以後急増し、系の固有振動が励起され、同図(C)のAで示すような現象が運転者に違和感を与えてしまう。
【0013】
従って、安定した操舵アシストを行えるように、電動パワーステアリング装置のモータに供給する電流が不足しないようにする必要がある。
【0014】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、電動パワーステアリング装置のモータに十分な電力を供給できるようにした自動車の電源システムを供給することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電動パワーステアリング装置を搭載した自動車において、特にバッテリー電圧の低下等によってハンドルの緊急操舵時の追従性が損なわれないようにした自動車の電源システムに関し、本発明の上記目的は、操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置を搭載した自動車の電源システムにおいて、オルタネータと前記電動パワーステアリング装置の駆動電源とを直結するとともに、前記オルタネータとバッテリーとの間に開閉器を設け、スイッチ駆動制御手段により所定の情報に基づいて該開閉器の開閉制御を行うことによって達成される。
【0016】
また、本発明の上記目的は、操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置を搭載した自動車の電源システムにおいて、オルタネータと前記電動パワーステアリング装置の駆動電源とを直結するとともに、前記オルタネータとバッテリーとの間に第1の開閉器を設け、かつ、前記バッテリーと負荷の間に第2の開閉器を設け、スイッチ駆動制御手段により所定の情報に基づいて両開閉器の開閉制御を連動して行うことによって、より効果的に達成される。
【0017】
さらに、前記開閉器の制御に使用される前記所定の情報が、少なくとも電動パワーステアリング装置から出力される急操舵状態信号を含むことにより、さらに効果的に達成される。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明は、操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置を搭載した自動車の、該電動パワーステアリング装置のモータに安定した電力を供給することにより、エンジン回転数が低下している状態で、電動パワーステアリング以外の高い負荷がかかっているときに急操舵を行ったときでも、安定した操舵アシストが得られるようにした自動車の電源システムに関する。
【0019】
以下に、本発明に係る自動車の電源システムを、図面を参照して説明する。
【0020】
図1は従来の自動車の電源システムを示す図であり、エンジンの回転によってオルタネータ(交流発電機)101で発電された電力がバッテリー102に蓄えられるとともに、バッテリー102の出力側に接続された電動パワーステアリング装置(EPS)103やヘッドライト、エアコン等の負荷104に電力が供給される。
【0021】
このような構成の従来の電源システムにおいては、バッテリーの容量に制限があるため、負荷104で大きな電力が消費されている状態、例えばエアコンとヘッドライトとリアデフォッガ等を同時に使用しているとき等は、EPSに供給される電力が少なくなるため、急操舵時のように大きな電流を必要とする場合には正常なアシストが得られず、運転者に違和感(引っかかり感、取られ感等)を与えてしまうという欠点がある。
【0022】
図2は、本発明に係る自動車の電源システムの第1実施例を示す図であり、オルタネータ101で発電された電力は直にEPS103に供給されるとともに、スイッチSW1を介してバッテリー102にも供給され、バッテリー102が充電されるようになっている。さらに、バッテリー102の出力側に接続された負荷104に電力が供給され、エアコン等を稼動させている。
【0023】
本発明の基本的な考え方は、次の通りである。すなわち、オルタネータ101で発電した電力は、EPS103とバッテリー102の両方に供給されるが、EPS103が一時的に大きな電力を必要とする場合(例えば急操舵時)に、バッテリー102への電力供給を一時ストップして、すべての電力をEPS側に供給することにより、EPSの動作の安定を図ろうというものである。
【0024】
ただし、負荷104においてほとんど電力が消費されずにバッテリー102がフル充電状態のときは、オルタネータ101からバッテリー102に流れる電流が少ないため、EPS103のモータで大電流を消費していても、スイッチSW1はOFFにする必要がない。
【0025】
以上より、SW1をOFFにする条件をまとめると、
・ 急操舵時は無条件にOFFとし、
それ以外の場合は、
・ EPS103のモータが大電流を消費している場合(高トルク発生時)であって、かつ、
・オルタネータ101における発電量が少ない(エンジン回転数が少ない)か、又はバッテリー電圧が低いとき(負荷側に大きな電力を必要とする)
ということになる。
【0026】
なお、スイッチSW1は通常は閉じて(ON状態)おり、上記の条件が揃ったときにのみ一時的にOFFになり、前記条件が解除されたときにONに戻るようにスイッチSW1が制御される。
【0027】
なお、前記OFF条件が解除されない場合であっても、バッテリー保護(過放電を防止)の観点から、所定の時間を経過したら強制的にONにするようにスイッチSW1を制御してもよい。
【0028】
図3はスイッチSW1の駆動制御方法の一例を示すものであり、EPS103から出力される急操舵状態信号若しくはモータ電流i(図6)105と、エンジン回転数若しくはバッテリー電圧等のその他情報106を、スイッチ駆動制御手段107に取り込み、該スイッチ駆動制御手段107内に設けられた限界値(基準値)との比較を行い、前記条件が成立した場合にスイッチSW1の接点をオープン(OFF)にするように制御を行う。また、スイッチ駆動制御手段107内に設けたタイマ(図示しない)により、OFFの状態が所定の時間を超過したら強制的にONに戻すようにしてもよい。
【0029】
なお、急操舵時であるか否かは、EPS制御装置内で、トルク入力の微分値かモータ角加速度の値によって判定され、ポート信号(ON/OFF信号)又はシリアル通信によってスイッチ駆動制御手段に伝えられる。
【0030】
スイッチの例としてはリレー等が挙げられる。
【0031】
スイッチSW1がOFFになると、オルタネータ101で発電したものはすべてEPS103に供給されるため、安定したアシストが得られる。
【0032】
スイッチSW1をOFFにするのは主に急操舵のときであり、このときバッテリー102に電気が流れずにバッテリー電圧が下がってしまったとしても、これは急操舵の瞬間だけであるので、スイッチがオープンになる時間は非常に短くすることができ、このためバッテリー電圧低下による他の電装品(負荷)への影響はほとんど無い。
【0033】
図4は本発明に係る自動車の電源システムの第2実施例を示す図であり、負荷104を、常時電気を供給する必要がある負荷A(例えばエンジンやライト等)104aと、瞬間的にOFFになっても支障のない負荷B(例えばパワーウインドウやエアコン等)104bに分け、バッテリー102と負荷B104bとの間にスイッチSW2を設け、スイッチSW1とスイッチSW2を連動させ、上記条件によって駆動制御するようにしたものである。
【0034】
このようにすることにより、スイッチがOFFになっている間のバッテリー102の消耗を減らすことができる。
【0035】
【発明の効果】
この発明によると、エンジン回転数が低下している状態で、電動パワーステアリング装置以外の高い負荷がかかっているときに急操舵を行ったとき、オルタネータから電動パワーステアリング装置だけに電気が供給されるため、モータの電圧低下を防ぐことができ、正常な操舵アシストを行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の自動車の電源システムを示す図である。
【図2】本発明に係る自動車の電源システムの第1実施例を示す図である。
【図3】スイッチの駆動制御方法の一例を示す図である。
【図4】本発明に係る自動車の電源システムの第2実施例を示す図である。
【図5】電動パワーステアリング装置の一例を示すブロック構成図である。
【図6】コントロールユニットの一般的な内部構成を示すブロック図である。
【図7】モータ駆動回路の一例を示す結線図である。
【図8】電源電圧の低下によるモータの性能限界の低下を説明するための図である。
【図9】急操舵を行った場合の従来の動作例を説明するための図である。
【符号の説明】
101 オルタネータ
102 バッテリー
103 電動パワーステアリング装置(EPS)
104 負荷
107 スイッチ駆動制御手段
Claims (2)
- 操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置を搭載した自動車の電源システムにおいて、オルタネータと前記電動パワーステアリング装置の駆動電源とを直結するとともに、前記オルタネータとバッテリーとの間に第1の開閉器を設け、かつ、前記バッテリーと負荷の間に第2の開閉器を設け、スイッチ駆動制御手段により所定の情報に基づいて両開閉器の開閉制御を連動して行うことを特徴とする自動車の電源システム。
- 前記所定の情報が、少なくとも電動パワーステアリング装置から出力される急操舵状態信号を含むことを特徴とする請求項1に記載の自動車の電源システム。
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