JP4482927B2

JP4482927B2 - 昇圧装置

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Publication number: JP4482927B2
Application number: JP2004067995A
Authority: JP
Inventors: 博之茨木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: JP2005261054A

Description

本発明は、電源からの電圧がリレー回路を介して供給され、その電圧を所定の電圧に昇圧する昇圧装置に関するものである。

電子制御装置（以下、ＥＣＵ：Electronic Control Unitと称することもある）では用途に応じて様々な電源電圧が必要とされる。特にモータをスイッチング素子によって構成される周知のブリッジ回路を用いて駆動する場合、該スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のゲート駆動電源として、ＥＣＵに供給される電源の電圧を昇圧回路（あるいは昇圧装置）によって昇圧する方法が一般的に用いられている。

また、昇圧回路にはリレー回路を介して電源からの電圧が供給される構成が一般的であるが、リレー回路は機械式接点を有するため、大電流が印加されている場合にオン状態からオフ状態にすると、リレー接点間で放電を起こし、その放電エネルギーによってリレー接点が溶着し、リレー回路が含まれる回路の動作に重大な影響を及ぼすことがある。このため、リレーの溶着を判定するための回路が設けられている。

リレー溶着検出方法としては、リレー接点電圧（負荷接続側のリレー接点の電圧）を用いる方法が知られている。リレーが溶着している場合、リレー接点電圧は、リレーを介してバッテリ電圧と等しくなることから、リレー接点電圧の大きさから溶着の有無を検出することができる。しかし、リレー開放状態のときリレー接点電圧は、電源とグランドとの間に設けられた平滑用コンデンサのチャージ電圧に等しくなるため、例えば、電動パワーステアリング装置が停止された直後に再起動されるような場合、平滑用コンデンサに帯電した電荷が放電しきれない状態、即ち、リレー接点電圧が大きい状態で、溶着検出が行われてしまうことになり、リレーの溶着故障を誤検知する恐れがある。

この誤検知を避けるために、上記のような従来の電動パワーステアリング装置では、リレー溶着を検出する際、平滑用コンデンサに帯電した電荷が十分に放電するまで待たなければならず、リレー溶着を検出するために時間を要して電動パワーステアリング装置の起動時間が長くなってしまうという問題があった。平滑用コンデンサの放電時間短縮方法としては、平滑用コンデンサと並列に抵抗を挿入して放電させる方法が容易に考えられるが、この方法では、該放電用抵抗に常時電流が流れるために動作時の消費電流が大きくなり、また、放電用抵抗も電力損失の大きいものが必要となってしまうという問題があった。また、電力損失分は放電用抵抗の発熱という形で周囲に放射されるため、該抵抗の周囲の基板および部品に熱対策を施す必要があり、このためのコスト上昇は無視できないものがある。

そこで、専用の放電回路を設けて平滑用コンデンサの放電を行った後に、リレー接点の電圧して該検出された電圧からリレー接点の溶着を検出する方法が考案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−１５３０８６号公報

特許文献１のリレー接点の溶着検出方法では、専用の放電回路を設けなければならず、部品点数も増加しＥＣＵも大型化して部品コストおよび製造コストの上昇を招く。

上記問題を背景として、本発明の課題は、低コストで電源リレーの溶着を確実に判定でき、かつ損失電流の少ない昇圧装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、上記課題を解決するための昇圧装置を提供するものである。即ち、電源に接続されて電圧の供給および遮断を行なうリレー回路と、電源の電圧を所定の電圧に昇圧して出力するためのスイッチング素子，昇圧コイル，および昇圧用コンデンサとを含む昇圧手段と、リレー回路の溶着を判定するために、昇圧コイルと電源との間に接続されたコンデンサを含むリレー溶着判定手段と、を有し、
スイッチング素子は、昇圧コイルとグランドとの間に設けられ、該スイッチング素子のオン状態とオフ状態とが繰り返されることにより、該昇圧コイルおよび昇圧用コンデンサにより電源からの電圧が昇圧され、
リレー回路がオフ状態となったときに、リレー溶着判定手段に含まれたコンデンサに蓄積された電荷が、昇圧コイルおよびスイッチング素子を介してグランドに流れることで放電されることを特徴とする。

上記構成によって、平滑用コンデンサと並列に挿入する放電用の抵抗が不要になり消費電力は増大しない。また、専用の放電回路を設ける必要もなく抵抗も不要のため、部品点数が減少しＥＣＵ全体としても小型化でき部品コストおよび製造コストも低減できる。また、基板および部品に熱対策を施す必要もなくなり、この点からも部品コストおよび製造コストを低減できる。さらに、スイッチング素子の内部抵抗値は放電用の抵抗よりも小さいため、平滑用コンデンサの放電時間も短縮でき、リレー接点の溶着の検出を精度よく行なうことができる。

また、本発明の昇圧装置は、モータと、モータを駆動するモータ駆動手段と、電源とモータ駆動手段との間に設けられたリレー回路と、リレー回路の駆動およびモータ駆動手段を介してモータの駆動を制御する制御手段とを備え、運転者のステアリング動作に基づいて、モータ駆動手段によりモータを駆動して、ステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両における電動パワーステアリング装置におけるモータ駆動手段に電源を供給するために適用する構成もとることができる。

上記構成によって、モータ駆動装置においても、平滑用コンデンサと並列に挿入する放電のための抵抗が不要になり消費電力は増大しない。また、専用の放電回路を設ける必要もなく抵抗も不要のため、部品点数が減少し該モータ駆動装置も小型化でき部品コストおよび製造コストも低減できる。また、基板および部品に熱対策を施す必要もなくなり、この点からも部品コストおよび製造コストを低減できる。さらに、スイッチング素子の内部抵抗値は放電用の抵抗よりも小さいため、平滑用コンデンサの放電時間も短縮でき、リレー接点の溶着の検出を精度よく行なうことができる。

また、上記構成によって、平滑用コンデンサと並列に挿入する放電のための抵抗が不要になり消費電力は増大しない。このため、バッテリ負荷も軽減される。また、専用の放電回路を設ける必要もなく抵抗も不要のため、部品点数が減少し電動パワーステアリング装置の制御ユニットとなるＥＣＵも小型化でき部品コストおよび製造コストも低減できる。また、基板および部品に熱対策を施す必要もなくなり、この点からも部品コストおよび製造コストを低減できる。小型化できることにより、ＥＣＵの取り付け位置についての制約が少なくなり、車両の空きスペースを有効活用できる。さらに、スイッチング素子の内部抵抗値は放電用の抵抗よりも小さいため、平滑用コンデンサの放電時間も短縮でき、リレー接点の溶着の検出を精度よく行なうことができる。

低コストで電源リレーの溶着を確実に判定でき、かつ損失電流の少ない昇圧装置を提供するという目的を、平滑用コンデンサに蓄積された電荷を昇圧回路のスイッチング素子によって放電させる方法によって実現した。

以下、本発明の昇圧装置を車両の電動パワーステアリング装置に応用した一実施例について、図面を用いて説明する。なお、本発明の昇圧装置の適用範囲を車両の電動パワーステアリング装置に限定するものではない。

以下、本発明の実施の形態である車両の電動パワーステアリング装置（以下、単に電動パワーステアリング装置と称する）について、図面を用いて説明する。
図１は、電動パワーステアリング装置１の構成図である。図２は操舵制御部の詳細を示したブロック図である。操舵ハンドル１０が操舵軸１２ａに接続されている。また、この操舵軸１２ａの下端はトルクセンサ１１に接続されており、ピニオンシャフト１２ｂの上端がトルクセンサ１１に接続されている。また、ピニオンシャフト１２ｂの下端には、ピニオン（図示せず）が設けられ、このピニオンがステアリングギヤボックス１６内においてラックバー１８に噛合されている。更に、ラックバー１８の両端には、それぞれタイロッド２０の一端が接続されると共に各タイロッド２０の他端にはナックルアーム２２を介して操舵輪２４が接続されている。また、ピニオンシャフト１２ｂにはモータ１５が歯車（減速機構５）を介して取り付けられていて、いわゆる、コラムタイプの電動パワーステアリング装置を構成している。

モータ１５の取り付け位置は、図１の構成の他にラックバー１８に同軸的に取り付けられるラックタイプ、あるいはモータ１５がステアリングギヤボックス１６に取り付けられ、ピニオンシャフト１２ｂを回転させるピニオンタイプを用いてもよい。

トルクセンサ１１は運転者の操舵ハンドル１０の動きを検出するもので、トーションバーおよびその軸線方向に離間して設置された一対のレゾルバ等の周知のトルク検出部から構成される。操舵軸１２ａが回転すると、その回転量に応じたトルクが検出され、検出された情報は操舵トルク検出回路３９によってＣＰＵ３１が認識できるように変換されて操舵制御部３０に送られ、ＡＤ変換器３１ａによってディジタル信号に変換されＣＰＵ３１の処理に用いられる。

操舵制御部３０（本発明の制御手段，リレー溶着判定手段）は周知のＣＰＵ３１，ＲＡＭ３２，ＲＯＭ３３，入出力インターフェースであるＩ／Ｏ３４およびこれらの構成を接続するバスライン３５が備えられている。ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３３およびＲＡＭ３２に記憶されたプログラムおよびデータにより制御を行なう。ＲＯＭ３３は、プログラム格納領域３３ａとデータ記憶領域３３ｂとを有している。プログラム格納領域３３ａには操舵制御プログラム３３ｐが格納される。データ記憶領域３３ｂには操舵制御プログラム３３ｐの動作に必要なデータが格納されている。

１９は周知のＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable ＆ Programmable Read Only Memory：電気的消去・プログラム可能・読出し専用メモリ）である。ＥＥＰＲＯＭ１９には電動パワーステアリング装置１の動作に必要なデータが記憶される。

電流検出回路８は周知のモータ１５の各相のコイルに直列に接続された図示しないシャント抵抗を含んで構成され、該シャント抵抗の両端の電圧値をモータ１５の各相に流れる電流値として検出する。検出された情報は操舵制御部３０に送られ、ＡＤ変換器３１ａによってディジタル信号に変換されＣＰＵ３１の処理に用いられる。

電源リレー５６（本発明のリレー回路）は、バッテリ５８と昇圧回路６０との間に設けられ、オンされることで、バッテリ５８と昇圧回路６０とを接続させ、オフされることで、バッテリ５８と昇圧回路６０との接続を遮断させる。電源リレー５６は、ＣＰＵ３１からの制御信号によって動作するリレー駆動回路５４により、オンもしくはオフされる。

電源回路５５は、ＩＧスイッチ５９を介してバッテリ５８と接続され、バッテリ５８からの電圧をＣＰＵ３１に供給する。電圧検出回路３６は、バッテリ５８の電圧値を検出し、検出した検出値をＣＰＵ３１に入力している。

図３は図２における昇圧回路６０の詳細および周辺の回路を示したもので、周辺の回路の一部は割愛している。昇圧回路６０（本発明の昇圧手段）は、図３（ａ）のように昇圧コイル１０４，ＭＯＳＦＥＴであるＦＥＴ１０５（本発明のスイッチング素子），ＦＥＴ１０６，昇圧用コンデンサ１０７，およびＦＥＴ駆動回路１０８により構成される。また、１０３はバッテリ５８から供給される電圧の変動を防止するための平滑用コンデンサである。なお、昇圧回路６０の動作の詳細については後述する。ＦＥＴ１０５およびＦＥＴ１０６はスイッチング動作可能な素子であればＦＥＴである必要はない。

モータ駆動回路１４（本発明のモータ駆動手段）は、周知の三相ブリッジ回路を構成する６つのスイッチングトランジスタを含み、ＣＰＵ３１からの駆動信号に基づいて、６つのスイッチングトランジスタをＰＷＭデューティ制御してモータ１５を駆動させるものである。

出力角センサ９は、レゾルバ等の周知の回転検出部を含んで構成され、歯車を含む減速機構５を経由したモータ１５の回転角度を検出し、検出された情報は電気角検出回路５３によってＣＰＵ３１で処理可能なように変換して操舵制御部３０に送られ、ＡＤ変換器３１ａによってディジタル信号に変換されＣＰＵ３１の処理に用いられる。

通信Ｉ／Ｆ（インターフェース）３８は、車載ＬＡＮ（Local Area Network）２１からの車速信号およびエンジン回転数信号等をＣＰＵ３１で処理可能なように変換し、この変換した車速信号およびエンジン回転数信号をＣＰＵ３１に入力している。

操舵制御部３０においてＣＰＵ３１がＲＯＭ３３に格納された操舵制御プログラムを実行することにより、トルクセンサ１１で検出された操舵トルクおよび車載ＬＡＮ２１からの車速信号などに対応したモータ１５で発生させる駆動トルクを算出し、モータドライバ１４を介してブラシレスモータであるモータ１５に、算出した駆動トルクを発生させるための電圧を印加する。なお、モータ１５については、本発明の電動パワーステアリング装置１に使用可能であれば特に種類を問わない。

本発明の内容を分かりやすくするために、従来技術による昇圧手段およびリレー溶着判定手段の構成について図３を用いて説明する。図３（ａ）は本発明による構成、図３（ｂ）は従来技術による構成で、構成が同じ部分は同一の符号を用いている。

まず、リレー溶着判定の方法について説明する。なお、リレー溶着判定の方法は、従来技術による構成（図３（ｂ））および本発明による構成（図３（ａ））とも同様の方法をとる。

イグニッションスイッチ５９がオン状態になると、電源回路５５を介してＣＰＵ３１にバッテリ５８から電圧が供給される。同時にＣＰＵ３１は電圧検出回路３６によってイグニッションスイッチ５９がオン状態になったことを検知する。そして、ＦＥＴ駆動回路１０８に指令を送りＦＥＴ１０５をオフ状態，ＦＥＴ１０６をオン状態として電圧検出回路３６によって検出された電源リレー５６の出力電圧の状態を調べる。このとき電源リレー５６はまだオフ状態のため、出力電圧はゼロあるいはゼロに近い値となるはずであるが、電源リレー５６がオン状態で固着すると出力電圧はバッテリ５８の電圧値あるいはそれに近い値となるため、イグニッションスイッチ５９がオン状態でリレー駆動回路５４が非駆動状態（即ち、電源リレー５６がオフ状態）のときの電源リレー５６の出力電圧が所定の閾値を上回る場合には、オン状態に固着した状態のリレー溶着故障を検出することができる。リレー溶着故障を検出した場合、ＣＰＵ３１は以降の制御を開始しないという仕組みになっている。

一方、イグニッションスイッチ５９がオン状態でリレー駆動回路５４が非駆動状態（即ち、電源リレー５６がオフ状態）のときの電源リレー５６の出力電圧が所定の閾値を下回る場合は、リレーがオン状態で固着していないと判定し、リレー駆動回路５４を駆動状態として電源リレー５６をオン状態とする。このときに、電圧検出回路３６によって検出された電源リレー５６の出力電圧とイグニッションスイッチ５９を経由して電圧検出回路３６によって検出された電圧とを比較して、両者の差が所定の範囲内にない場合には、オフ状態に固着したリレー溶着の故障を検出することができる。

次に、昇圧回路６０における昇圧方法について説明する。なお、昇圧回路６０における昇圧方法は、従来技術による構成（図３（ｂ））および本発明による構成（図３（ａ））とも同様の方法をとる。

イグニッションスイッチ５９がオン状態で電源リレー５６もオン状態となった場合、ＣＰＵ３１はＦＥＴ駆動回路１０８に昇圧を行なうように指令を送る。ＦＥＴ駆動回路１０８は以下のように昇圧制御を行なう。即ち、昇圧コイル１０４に流れる電流を、昇圧コイル１０４および電圧検出回路３６の間に設けられたＦＥＴ１０５により断続し、昇圧コイル１０４に生じる逆起電力をＦＥＴ１０６を介して昇圧用コンデンサ１０７に蓄え、バッテリ５８からの電圧に重畳してモータ駆動回路等に出力する。

ＦＥＴ１０５がオン状態かつＦＥＴ１０６がオフ状態の場合には、昇圧コンデンサ１０７への回路が閉じていないので昇圧コンデンサ１０７には電荷が蓄積されないが、ＦＥＴ１０５がオフ状態かつＦＥＴ１０６がオン状態の場合には、昇圧コイル１０４に発生した逆起電力に応じた電流がＦＥＴ１０６を経由して昇圧コンデンサ１０７に流れ、昇圧コンデンサ１０７に電荷が蓄積される。

（従来技術による放電方法）
図３（ｂ）の構成で、イグニッションスイッチ５９をオフ状態とすると、ＣＰＵ３１では全ての制御処理を終了して電動パワーステアリング装置への電源の供給を遮断するためにリレー駆動回路５４を非駆動状態として電源リレー５６をオフ状態とする。このとき、ＦＥＴ１０５およびＦＥＴ１０６もオフ状態となり、平滑用コンデンサ１０３に蓄積された電荷は抵抗１１０を流れ、接地線（グランド）に流れたり抵抗１１０によって消費され熱として放出される。

（本発明による放電方法）
図３（ａ）の構成で、イグニッションスイッチ５９をオフ状態とすると、ＣＰＵ３１では全ての制御処理を終了して電動パワーステアリング装置への電源の供給を遮断するためにリレー駆動回路５４を非駆動状態として電源リレー５６をオフ状態とする。このとき、ＦＥＴ１０６はオフ状態とするがＦＥＴ１０５をＣＰＵ３１からの指令により、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御によって駆動周波数２０ｋＨｚ，デューティ５０％，駆動時間１０ｍｓｅｃで動作させる。すると、平滑用コンデンサ１０３に蓄積された電荷はＦＥＴ１０５を介して接地線（グランド）に流れる。また、ＦＥＴ１０５をＰＷＭ制御によって駆動することで、昇圧コイル１０４の発生する逆起電力を抑制することができる。また、電源リレー５６をオフ状態とした後も、ＦＥＴ１０５による放電が終了するまでＣＰＵ３１およびＦＥＴ駆動回路１０８が動作可能なように、電源回路５５から電圧が供給される構成となっている。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

電動パワーステアリング装置の全体構成を示すブロック図。操舵制御部の詳細を示すブロック図。昇圧回路の詳細を示す回路図。

符号の説明

１電動パワーステアリング装置
１４モータ駆動回路（モータ駆動手段）
１５モータ
３０操舵制御部（制御手段，リレー溶着判定手段）
５５電源回路
５６電源リレー（リレー回路）
６０昇圧回路（昇圧手段）
１０３平滑用コンデンサ（リレー溶着判定手段のコンデンサ）
１０４昇圧コイル
１０５ＦＥＴ（スイッチング素子）
１０６ＦＥＴ
１０７昇圧用コンデンサ
１０８ＦＥＴ駆動回路

Claims

電源に接続されて電圧の供給および遮断を行なうリレー回路と、
前記電源の電圧を所定の電圧に昇圧して出力するためのスイッチング素子，昇圧コイル，および昇圧用コンデンサとを含む昇圧手段と、
前記リレー回路の溶着を判定するために、前記昇圧コイルと前記電源との間に接続されたコンデンサを含むリレー溶着判定手段と、
を有し、
前記スイッチング素子は、前記昇圧コイルとグランドとの間に設けられ、該スイッチング素子のオン状態とオフ状態とが繰り返されることにより、該昇圧コイルおよび前記昇圧用コンデンサにより前記電源からの電圧が昇圧され、
前記リレー回路がオフ状態となったときに、前記リレー溶着判定手段に含まれたコンデンサに蓄積された電荷が、前記昇圧コイルおよび前記スイッチング素子を介して前記グランドに流れることで放電されることを特徴とする昇圧装置。
前記リレー回路がオフ状態となったときに、前記スイッチング素子はＰＷＭ制御によってオン状態とオフ状態とが制御される請求項１に記載の昇圧装置。
モータと、前記モータを駆動するモータ駆動手段と、前記電源と前記モータ駆動手段との間に設けられた前記リレー回路と、前記リレー回路の駆動および前記モータ駆動手段を介して前記モータの駆動を制御する制御手段とを備え、
運転者のステアリング動作に基づいて、前記モータ駆動手段により前記モータを駆動して、ステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両における電動パワーステアリング制御装置における前記モータ駆動手段に電源を供給するために適用されることを特徴とする請求項１または２に記載の昇圧装置。