JP3981102B2

JP3981102B2 - モータ駆動回路および電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP3981102B2
Application number: JP2004169701A
Authority: JP
Inventors: 晃治笹嶋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP2005349860A

Description

本発明は、Ｈブリッジ回路に設けられた二対のスイッチング素子のうち、第１の一対のスイッチング素子の一方のスイッチング素子をＰＷＭ制御するとともに他方のスイッチング素子をＯＮ制御してモータを一方向に駆動し、第２の一対のスイッチング素子の一方のスイッチング素子をＰＷＭ制御するとともに他方のスイッチング素子をＯＮ制御してモータを他方向に駆動するモータ駆動回路と、そのモータ駆動回路を用いた電動パワーステアリング装置とに関する。

電動パワーステアリング装置のモータを、４個のスイッチング素子を備えたＨブリッジ回路を介して駆動するものが、下記特許文献１により公知である。このＨブリッジ回路は、その４個のスイッチング素子のうち、第１の対角位置にある２個のスイッチング素子の一方を１００％のデューティ比でＯＮ制御して他方を１００％未満のデューティ比でＰＷＭ制御することによりモータを正転駆動し、第２の対角位置にある２個のスイッチング素子の一方を１００％のデューティ比でＯＮ制御して他方を１００％未満のデューティ比でＰＷＭ制御することによりモータを逆転駆動するようになっている。
特開２０００−１９０８６１号公報

ところで、ステアリングハンドルの操舵方向を切り換えて電動パワーステアリング装置のモータに供給される電流の方向が切り換わっても、モータは慣性で元の回転方向に回転し続けようとする。そのため、発明の詳細な説明の欄で詳述するように、モータがジェネレータとして機能して回生電流が発生し、その回生電流はスイッチング素子のＰＷＭ制御により発生する電流に加算されてモータに流れる実電流が一時的に過剰になり、操舵方向の切換時に異音が発生したり操舵フィーリングが低下したりする可能性がある。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたもので、Ｈブリッジ回路を介して駆動されるモータの回転方向の切換時に発生する異音を、スイッチング素子の制御を複雑化することなく防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、Ｈブリッジ回路に設けられた二対のスイッチング素子のうち、第１の一対のスイッチング素子の一方のスイッチング素子をＰＷＭ制御するとともに他方のスイッチング素子をＯＮ制御してモータを一方向に駆動し、第２の一対のスイッチング素子の一方のスイッチング素子をＰＷＭ制御するとともに他方のスイッチング素子をＯＮ制御してモータを他方向に駆動するモータ駆動回路において、モータの回転方向の切換が指示された後の過渡期に作動する前記第１の一対のスイッチング素子または第２の一対のスイッチング素子のうち、モータの回生電流が流れる回路内に在る前記他方のスイッチング素子をモータの回転数に応じたデューティ初期値を設定してＰＷＭ制御するとともに、前記一方のスイッチング素子をＯＮ制御あるいはＯＦＦ制御することを特徴とするモータ駆動回路が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１に記載のモータ駆動回路を備えた電動パワーステアリング装置であって、前記モータ駆動回路はドライバーのステアリング操作をアシストするモータを駆動することを特徴とする電動パワーステアリング装置が提案される。

尚、実施例の第１〜第４スイッチング素子４５ａ〜４５ｄは本発明のスイッチング素子に対応する。

請求項１の構成によれば、モータの回転方向を切り換えるべく、Ｈブリッジ回路の第１、第２の二対のスイッチング素子の一方の一対のスイッチング素子が作動する状態から他方の一対のスイッチング素子が作動する状態への切換が指示されたとき、その過渡期に作動する側の一対のスイッチング素子の一方および他方のスイッチング素子のうち、モータの回生電流が流れる回路内に在る前記他方のスイッチング素子をモータの回転数に応じたデューティ初期値を設定してＰＷＭ制御するとともに、前記一方のスイッチング素子をＯＮ制御あるいはＯＦＦ制御するので、回転方向が切り換わるときに慣性で従前の方向に回転し続けようとするモータが発生する過剰な回生電流を前記デューティ初期値によりキャンセルし、モータの回転方向の切り換えをスムーズに行わせて異音の発生を防止することができる。しかも一方および他方のスイッチング素子の両方をＰＷＭ制御する必要がなく、その一方はＯＮ／ＯＦＦ制御するだけで良いため、Ｈブリッジ回路の制御を容易化するとともに電流損失を低減することができる。

請求項２の構成によれば、ドライバーのステアリング操作をアシストするモータを前記モータ駆動回路で駆動するので、操舵方向の切換時にモータの回転方向の切り換えをスムーズに行わせて操舵フィーリングを高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の一実施例を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４はモータの駆動回路を示す図、図５はＨブリッジ回路の作用説明図、図６は操舵方向の切換時の作用を説明するフローチャートである。

図１に示すように、ステアリングハンドル１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２は、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４および下部ユニバーサルジョイント１５を介して、減速機１６から上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。減速機１６の下端に接続されたステアリングギヤボックス１８の左右両端から突出するタイロッド１９，１９が、左右の車輪ＷＬ，ＷＲの図示せぬナックルに接続される。減速機１６にはモータＭが支持されており、このモータＭの作動が、減速機１６の内部に収納した操舵トルクセンサＳａからの信号と、車速センサＳｂからの信号と、モータ回転数センサＳｃからの信号とが入力される電子制御ユニットＵにより制御される。

図２および図３に示すように、減速機１６はステアリングギヤボックス１８と一体の下部ケース２１と、その上面にボルト２２…で結合された中間ケース２３と、その上面にボルト２４…で結合された上部ケース２５とを備えており、ステアリングギヤボックス１８および上部ケース２５にボールベアリング２６，２７で前記ピニオンシャフト１７が回転自在に支持される。ピニオンシャフト１７の下端に設けられたピニオン２８が、ステアリングギヤボックス１８の内部に左右移動自在に支持したラックバー２９に設けられたラック３０に噛合する。ステアリングギヤボックス１８に形成した貫通孔１８ａに押圧部材３１が摺動自在に収納されており、貫通孔１８ａを閉塞するナット部材３２との間に配置したスプリング３３で押圧部材３１をラックバー２９の背面に向けて付勢することで、ラックバー２９の撓みが抑制される。

減速機１６の内部に延びるモータＭの回転軸３４は、一対のボールベアリング３５，３６で下部ケース２１に回転自在に支持されており、モータＭの回転軸３４に設けられたウオーム３７が、ピニオンシャフト１７に固定されたウオームホイール３８に噛合する。

従って、モータＭを駆動すると回転軸３４のトルクがウオーム３７およびウオームホイール３８を介してピニオンシャフト１７に伝達され、ドライバーのステアリング操作がモータＭによってアシストされる。

図４には、操舵トルクセンサＳａ、車速センサＳｂおよびモータ回転数センサＳｃが接続された電子制御ユニットＵからの指令でモータＭを駆動するモータ駆動回路Ｃが示される。モータ駆動回路ＣはＨブリッジ回路４１を備えており、その高圧端子ＴＨはシャント抵抗４２および、パワーリレー４３を介して車載の１２Ｖのバッテリ４４のプラス極に接続され、その低圧端子ＴＬは接地されてバッテリ４４のマイナス極に接続される。Ｈブリッジ回路４１の第１出力端子ＴＭ１および第２出力端子ＴＭ２はモータＭに接続されており、高圧端子ＴＨおよび第１出力端子ＴＭ１が第１スイッチング素子４５ａで接続され、低圧端子ＴＬおよび第１出力端子ＴＭ１が第２スイッチング素子４５ｂで接続され、高圧端子ＴＨおよび第２出力端子ＴＭ２が第３スイッチング素子４５ｃで接続され、低圧端子ＴＬおよび第２出力端子ＴＭ２が第４スイッチング素子４５ｄで接続される。第１〜第４スイッチング素子４５ａ〜４５ｄは、例えば電界効果トラジスタ（ＦＥＴ）で構成される。

パワーリレー４３は電子制御ユニットＵによりパワーリレー駆動回路４６を介して開閉駆動される。パワーリレー４３およびＨブリッジ回路４１間に配置されたシャント抵抗４２はモータ電流検出回路４７に接続されており、電子制御ユニットＵに接続されたモータ電流検出回路４７は、シャント抵抗４２の両端の電位差とシャント抵抗４２の抵抗値とに基づいて、バッテリ４４からＨブリッジ回路４１に供給される電流を検出する。スイッチング素子駆動回路４８は、第１〜第４スイッチング素子４５ａ〜４５ｄのデューティ比を０％〜１００％の間でＰＷＭ制御し、モータＭを正転駆動および逆転駆動する。

次に、上記構成を備えた実施例の作用を説明する。

操舵トルクセンサＳａで検出した操舵トルクと、車速センサＳｂで検出した車速とが入力された電子制御ユニットＵがモータＭの目標電流を算出すると、スイッチング素子駆動回路４８が第１〜第４スイッチング素子４５ａ〜４５ｄをＰＷＭ制御してモータＭを駆動する。このとき、モータＭに流れる実電流をシャント抵抗４２に接続されたモータ電流検出回路４７で検出し、この実電流が前記目標電流に一致するようにフィードバック制御が行われる。

Ｈブリッジ回路４１の第１〜第４スイッチング素子４５ａ〜４５ｄは、電子制御ユニットＵに接続されたスイッチング素子駆動回路４８によりＰＷＭ制御される。即ち、図５（Ａ）に示すように、ステアリングハンドル１１を右操舵方向に操作すると、対角位置にある第４スイッチング素子４５ｄがデューティ比１００％でＯＮ制御されて第１スイッチング素子４５ａが所定デューティ比でＰＷＭ制御される、第２出力端子ＴＭ２が低圧端子ＴＬに接続されて０Ｖになり、第１出力端子ＴＭ１が高圧端子ＴＨに接続されて１２Ｖになることで、モータＭが正転する。このように第１、第４スイッチング素子４５ａ，４５ｄのうち、第４スイッチング素子４５ｄのデューティ比を１００％に固定して第１スイッチング素子４５ａのデューティ比をＰＷＭ制御する単極制御を採用することで、スイッチング素子駆動回路４８によるＰＷＭ制御が簡素化される。

また図５（Ｂ）に示すように、ステアリングハンドル１１を左操舵方向に操作すると、対角位置にある第２スイッチング素子４５ｂがデューティ比１００％でＯＮ制御されて第３スイッチング素子４５ｃが１００％未満の所定デューティ比でＰＷＭ制御される、第１出力端子ＴＭ１が低圧端子ＴＬに接続されて０Ｖになり、第２出力端子ＴＭ２が高圧端子ＴＨに接続されて１２Ｖになることで、モータＭが逆転する。このように第２、第３スイッチング素子４５ｂ，４５ｃのうち、第２スイッチング素子４５ｂのデューティ比を１００％に固定して第３スイッチング素子４５ｃのデューティ比をＰＷＭ制御する単極制御を採用することで、スイッチング素子駆動回路４８によるＰＷＭ制御が簡素化される。

さて、ステアリングハンドル１１の操舵方向を右操舵から左操舵に急激に切り換えると、第１〜第４スイッチング素子４５ａ〜４５ｄに作動が図５（Ａ）の状態から図５（Ｂ）の状態に切り換わり、モータＭに流れる電流の方向が逆転する。しかしながらモータＭには慣性が存在するために回転方向は急激に切り換わらず、過渡期においてモータＭの回転方向がモータＭに流れる電流の方向と逆方向になる。このようにモータＭが慣性により回転する間にモータＭがジェネレータとして機能し、図５（Ｃ）に破線矢印で示すように、モータＭよりも低圧端子ＴＬ側の回路に回生電流が発生し、この回生電流が図５（Ｂ）に示す左操舵時の電流に加算されてモータＭに流れる実電流が過剰になる問題がある。

そこで、図５（Ｃ）に示すように、通常は１００％未満のデューティ比でＰＷＭ制御される第３スイッチング素子４５ｃをデューティ比１００％でＯＮ制御するとともに、通常はデューティ比１００％でＯＮ制御される第２スイッチング素子４５ｂを１００％未満のデューティ比でＰＷＭ制御し、その際の第２スイッチング素子４５ｂのデューティ比の初期値をモータＭが発生する回生電力に応じた値、つまり操舵方向を切り換える過渡期におけるモータ回転数に応じた値に設定する。これにより、回生電流の影響を補償してモータＭに過剰な電流が流れるのを防止し、操舵方向の切換時にモータＭが異音が発生したり操舵フィーリングが低下したりするのを防止することができる。

しかも第２、第３スイッチング素子４５ｂ，４５ｃのうちの第２スイッチング素子４５ｂだけをＰＷＭ制御すれば良いため、第２、第３スイッチング素子４５ｂ，４５ｃの両方をＰＷＭ制御する場合（両極制御）に比べて制御が容易であり、かつ電流損失を低減することができる。

操舵方向の切換時における上記作用を、図６のフローチャートに基づいて更に説明する。

先ずステップＳ１でモータＭを右操舵方向に駆動すべく第１スイッチング素子４５ａをＰＷＭ制御し、第４スイッチング素子４５ｄをＯＮ制御する。ステップＳ２でモータＭの目標電流が右操舵方向から左操舵方向に切り換える指令が出力され、ステップＳ３でモータ回転数センサＳｃで検出した慣性によるモータ回転数が所定値以上であれば、つまりモータＭの回生電流が無視できない程度に大きければ、ステップＳ４でモータ回転数に応じたデューティ比の初期値（回生電流をキャンセルするデューティ比の初期値）を設定し、ステップＳ５で第３スイッチング素子４５ｃをデューティ比１００％でＯＮ制御するとともに、第２スイッチング素子４５ｂを前記初期値を用いて目標電流に対応するデューティ比でＰＷＭ制御することで、操舵方向の切換時における異音が発生や操舵フィーリングの低下を防止しながら、第１〜第４スイッチング素子４５ａ〜４５ｄの電流損失を低減することができる。また前記ステップＳ３で慣性によるモータ回転数が所定値未満であれば、つまりモータＭの回生電流が無視できる程度に小さければ、ステップＳ６で第３スイッチング素子４５ｃをデューティ比１００％でＯＮ制御するとともに、第２スイッチング素子４５ｂを初期値なしで目標電流に対応するデューティ比でＰＷＭ制御する。

尚、図５（Ｃ）に示す操舵方向の切換時の制御は、モータＭの左操舵方向の回転数が所定値を越えた場合、あるいは操舵方向の切換制御の開始から所定時間が経過したときに終了し、図５（Ｂ）に示す通常時の制御に移行する。

ここまでステアリングハンドル１１を右操舵から左操舵に切り換えた場合について説明したが、ステアリングハンドル１１を左操舵から右操舵に切り換えた場合には、左右が反転しただけの同様の制御が行われる。

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、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例では電動パワーステアリングについて説明したが、請求項１に記載された発明は電動パワーステアリング用以外の任意の用途のモータＭに対して適用することができる。

また第１〜第４スイッチング素子４５ａ〜４５ｄをＦＥＴで構成する代わりに、ＩＧＢＴで構成しても良い。

また実施例では、図５（Ｃ）に示す過渡期において、第３スイッチング素子４５ｃをデューティ比１００％でＯＮ制御するとともに第２スイッチング素子４５ｂを１００％未満のデューティ比でＰＷＭ制御しているが、回生電流が過大であると判断された場合等においては、図７に示すように、第３スイッチング素子４５ｃを一時的にＯＦＦ制御して破線矢印で示す回生電流を抑制する制御を行っても良い。

電動パワーステアリング装置の全体斜視図図１の２−２線拡大断面図図２の３−３線断面図モータの駆動回路を示す図Ｈブリッジ回路の作用説明図操舵方向の切換時の作用を説明するフローチャート操舵方向の切換時におけるＨブリッジ回路の他の制御を説明する図

符号の説明

４１Ｈブリッジ回路
４５ａ第１スイッチング素子（スイッチング素子）
４５ｂ第２スイッチング素子（スイッチング素子）
４５ｃ第３スイッチング素子（スイッチング素子）
４５ｄ第４スイッチング素子（スイッチング素子）
Ｃモータ駆動回路
Ｍモータ

Claims

Ｈブリッジ回路（４１）に設けられた二対のスイッチング素子（４５ａ〜４５ｄ）のうち、第１の一対のスイッチング素子（４５ａ，４５ｄ）の一方のスイッチング素子（４５ａ）をＰＷＭ制御するとともに他方のスイッチング素子（４５ｄ）をＯＮ制御してモータ（Ｍ）を一方向に駆動し、第２の一対のスイッチング素子（４５ｂ，４５ｃ）の一方のスイッチング素子（４５ｃ）をＰＷＭ制御するとともに他方のスイッチング素子（４５ｂ）をＯＮ制御してモータ（Ｍ）を他方向に駆動するモータ駆動回路において、
モータ（Ｍ）の回転方向の切換が指示された後の過渡期に作動する前記第１の一対のスイッチング素子（４５ａ，４５ｄ）または第２の一対のスイッチング素子（４５ｂ，４５ｃ）のうち、モータ（Ｍ）の回生電流が流れる回路内に在る前記他方のスイッチング素子（４５ｂ，４５ｄ）をモータ（Ｍ）の回転数に応じたデューティ初期値を設定してＰＷＭ制御するとともに、前記一方のスイッチング素子（４５ａ，４５ｃ）をＯＮ制御あるいはＯＦＦ制御することを特徴とするモータ駆動回路。
請求項１に記載のモータ駆動回路（Ｃ）を備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記モータ駆動回路（Ｃ）はドライバーのステアリング操作をアシストするモータ（Ｍ）を駆動することを特徴とする電動パワーステアリング装置。