JP3945224B2 - 自動車の電源システム - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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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