JP4488235B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、モータにより操舵力を補助する電動パワーステアリング装置に関する。

従来の車両の電動パワーステアリング装置は、操舵ハンドルの回動操作に対してアシスト力を付与するモータ（電動モータ）と、バッテリから供給される電圧により作動して操舵トルクを検出するトルクセンサ装置と、同じくバッテリから供給される電圧により作動して、検出された操舵トルクに応じてモータの回転を制御する制御手段（モータ制御手段）とを備え、トルクセンサ装置の異常を検出する異常検出手段と、バッテリからトルクセンサ装置に供給される電圧が所定電圧以下のとき異常検出手段によるトルクセンサ装置の異常の検出を禁止する異常検出禁止手段とを設けている（例えば、特許文献１参照）。

上記従来装置は、バッテリの出力電圧が何らかの理由で低下した場合に、異常検出禁止手段がトルクセンサ装置の異常の検出を禁止し、制御手段がモータの制御を停止する。

特許第３４０９７５３号公報

従来の車両の電動パワーステアリング装置では、走行中にバッテリの出力電圧が低下した場合に、制御手段がモータの制御を停止して、モータによる操舵力の補助が突然消失する。
そのため、運転者による適切な操舵操作が困難になるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、バッテリの出力電圧が低下した場合であっても、制御手段がモータの制御を継続し、適切な操舵操作を実施することができる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

この発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵力を補助するモータと、モータを電圧パルスによって駆動するインバータと、インバータを介してモータを制御する制御手段と、バッテリから給電されて制御手段に電力を供給する電源回路と、バッテリの出力電圧を監視する電圧監視手段と、バッテリと電源回路との間に挿入されて、出力電圧よりも高い電圧を発生するためのチャージポンプとを備え、チャージポンプは、制御手段から出力される、電圧パルスと同期した駆動パルスによって駆動され、出力電圧が所定電圧よりも低いことを電圧監視手段が検出した場合に、チャージポンプは、出力電圧を昇圧するものである。

この発明の電動パワーステアリング装置によれば、バッテリの出力電圧が所定電圧よりも低いことを電圧監視手段が検出した場合に、チャージポンプは、出力電圧を昇圧する。
そのため、バッテリの出力電圧が低下した場合であっても、制御手段がモータの制御を継続し、適切な操舵操作を実施することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の実施の形態では、電動パワーステアリング装置が車両に搭載されている場合について説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置を示すブロック図である。
図１において、電動パワーステアリング装置は、車両の運転者の操舵力を補助するブラシレスモータ（以下、「モータ」と略称する）１と、モータ１のロータ（図示せず）の回転位置を検出して位置信号を出力する回転位置センサ２と、運転者の操舵力を検出するトルクセンサ３と、トルクセンサ３の出力に基づいて、モータ１に通電する電流を制御するコントローラ４と、車両に設けられてコントローラ４に電力を供給するバッテリ５とを備えている。

コントローラ４は、インバータ６と、制御回路７（制御手段）と、増幅回路８と、電源回路９と、電圧監視回路１０（電圧監視手段）と、チャージポンプ１１と、増幅器１２とを有している。

インバータ６は、モータ１をＰＷＭ変調された電圧パルス（以下、「ＰＷＭパルス」と称する）によって駆動する。
また、インバータ６は、スイッチングによってモータ１に供給する電力を生成するスイッチング素子１３と、モータ１の３つの相に通電される駆動電流を検出する抵抗器１４とを有している。

制御回路７は、インバータ６を介してモータ１を制御する。また、制御回路７は、電圧監視回路１０から出力される監視結果（後述する）に基づいて、バッテリ５の出力電圧が所定電圧よりも低い場合に、チャージポンプ１１に対する駆動パルス（後述する）を出力し、バッテリ５の出力電圧が所定値よりも高い場合に、駆動パルスを出力しない。

増幅回路８は、回転位置センサ２、インバータ６および制御回路７の出力を増幅する。電源回路９は、バッテリ５から給電されて制御回路７、増幅回路８およびトルクセンサ３に電力を供給する。電圧監視回路１０は、バッテリ５の出力電圧を監視して、監視結果を制御回路７に出力する。
チャージポンプ１１は、バッテリ５と電源回路９との間に挿入されて、制御回路７から出力される駆動パルスによって駆動され、バッテリ５の出力電圧よりも高い電圧を発生する。増幅器１２は、トルクセンサ３の出力を増幅する。

また、図１において、制御回路７は、目標電流設定部１５と、位置算出部１６と、電流算出部１７と、電流制御部１８と、ＰＷＭパルス発生部１９と、駆動パルス発生部２０と、電圧判定部２１とを有している。
ここで、制御回路７は、プログラムを格納した記憶部とＣＰＵとを有するマイクロプロセッサ（図示せず）で構成されている。制御回路７を構成する各ブロックは、記憶部にソフトウェアとして記憶されている。

目標電流設定部１５は、トルクセンサ３で検出された運転者の操舵力をＡ／Ｄ変換し、この操舵力に応じて目標電流を設定する。位置算出部１６は、回転位置センサ２から出力された位置信号に基づいて、ロータの回転位置を算出する。電流算出部１７は、抵抗器１４で検出されたモータ１の各相に通電される駆動電流をＡ／Ｄ変換し、この駆動電流とロータの回転位置とに基づいて、モータ１のｑ軸電流（トルク軸電流）を算出する。

電流制御部１８は、目標電流設定部１５で設定された目標電流と、電流算出部１７で算出されたｑ軸電流とが一致するように帰還制御量を算出する。また、電流制御部１８は、この帰還制御量とロータの回転位置とに応じて、モータ１の各相についてのＰＷＭ駆動のデューティ値を算出する。ＰＷＭパルス発生部１９は、電流制御部１８で算出されたＰＷＭ駆動のデューティ値に基づいて、インバータ６のスイッチング素子１３を駆動させる周波数が例えば２０ｋＨｚのＰＷＭパルスを出力する。
以上の制御回路７の処理によって、モータ１は、運転者の操舵力を適切に補助している。

駆動パルス発生部２０は、チャージポンプ１１を駆動させる例えば図２に示す駆動パルスを生成し、電圧判定部２１からの指令に応じて、駆動パルスをチャージポンプ１１に出力する。図２において、駆動パルスは、Ｈｉｇｈレベルの期間Ｔ１とＬｏｗレベルの期間Ｔ２とを交互に繰り返しており、駆動パルスの周期は、ＰＷＭパルスの周期と同期している。
電圧判定部２１は、電圧監視回路１０から出力される監視結果に基づいて、バッテリ５の出力電圧が所定電圧よりも低いか否かを判定する。また、電圧判定部２１は、バッテリ５の出力電圧が所定電圧よりも低いと判定した場合に、駆動パルス発生部２０に対して、駆動パルスを出力するための指令を出力する。

以下、図１、図２とともに、図３および図４を参照しながら、チャージポンプ１１の動作について説明する。
図３は、この発明の実施の形態１に係るチャージポンプ１１の回路を、駆動パルスがＬｏｗの場合の電流経路とともに示す説明図である。
図４は、この発明の実施の形態１に係るチャージポンプ１１の回路を、駆動パルスがＨｉｇｈの場合の電流経路とともに示す説明図である。

図３および図４において、チャージポンプ１１は、入力端子２２と、正電源端子２３と、負電源端子２４と、出力端子２５と、バッファ２６と、第１コンデンサ２７と、第２コンデンサ２８と、第１ダイオード２９と、第２ダイオード３０とを有している。
バッファ２６は、入力端子２２、正電源端子２３、負電源端子２４および出力端子２５にそれぞれ接続されている。第１コンデンサ２７と第２ダイオード３０とは、バッファ２６と出力端子２５との間に挿入されている。第１ダイオード２９は、正電源端子２３と、第１コンデンサ２７および第２ダイオード３０の接続点との間に挿入されている。第２コンデンサ２８は、負電源端子２４と出力端子２５との間に挿入されている。

バッファ２６には、入力端子２２を介して駆動パルス発生部２０から図２に示した駆動パルスが入力される。また、バッファ２６は、正電源端子２３を介してバッテリ５に接続されている。そのため、バッファ２６では、入力された駆動パルスがバッテリ５の出力電圧レベルのパルスに変換される。すなわち、バッファ２６からは、Ｈｉｇｈレベルがバッテリ５の出力電圧と等しいパルスが出力される。

まず、駆動パルスが図２のＬｏｗレベルを示す期間Ｔ２において、電流は、第１ダイオード２９を経由して、図３に破線で示す経路を流れる。このとき、第１コンデンサ２７が充電される。第１コンデンサ２７の両端電圧は、第１ダイオード２９での電圧降下を無視すれば、バッテリ５の出力電圧と等しくなる。

次に、駆動パルスが図２のＨｉｇｈレベルを示す期間Ｔ１において、電流は、第２ダイオード３０を経由して、図４に破線で示す経路を流れる。このとき、第１コンデンサ２７に充電された電荷は、第２コンデンサ２８に移動する。

ここで、第２コンデンサ２８は、第１ダイオード２９および第２ダイオード３０を介して、直流的にバッテリ５に接続されている。また、第２コンデンサ２８には、上記のようにバッファ２６のポンプによる汲み上げ動作によってバッテリ５の出力電圧が加算されている。
そのため、第２コンデンサ２８の両端電圧は、第１ダイオード２９および第２ダイオード３０での電圧降下を無視すれば、バッテリ５の出力電圧の２倍と等しくなる。
すなわち、出力端子２５からは、バッテリ５の出力電圧が２倍に昇圧された電圧が出力される。

以下、図１とともに、上記構成の電動パワーステアリング装置による操舵力補助動作について説明する。
運転者の操舵力は、トルクセンサ３で検出される。検出された操舵力は、増幅器１２で増幅されて目標電流設定部１５に入力される。目標電流設定部１５では、入力された操舵力がＡ／Ｄ変換され、この操舵力に応じた目標電流が設定されて、電流制御部１８に出力される。

また、モータ１は、各相の電気角が互いに１２０度オフセットした３相の駆動電流が通電され、正弦波駆動されている。
モータ１のロータの回転位置は、回転位置センサ２によって検出され、位置信号が出力される。位置信号は、増幅回路８で増幅されて位置算出部１６に入力される。位置算出部１６では、位置信号に基づいてロータの回転位置が算出され、電流算出部１７および電流制御部１８に出力される。

モータ１の各相に通電される駆動電流は、抵抗器１４によって検出される。検出された駆動電流は、増幅回路８で増幅され、電流算出部１７に入力される。電流算出部１７では、入力された駆動電流がＡ／Ｄ変換され、この駆動電流とロータの回転位置とに基づいてモータ１のｑ軸電流（トルク軸電流）が算出されて、電流制御部１８に出力される。

電流制御部１８では、目標電流設定部１５で設定された目標電流と、電流算出部１７で算出されたｑ軸電流とが一致するように、例えばＰＩ（比例−積分）フィードバック制御によって帰還制御量が算出される。続いて、帰還制御量とロータの回転位置とに応じて、モータ１の各相についてのＰＷＭ駆動のデューティ値が算出されて、ＰＷＭパルス発生部１９に出力される。
ＰＷＭパルス発生部１９では、ＰＷＭ駆動のデューティ値に応じて、インバータ６のスイッチング素子１３を駆動させるＰＷＭパルスが発生される。
このように、目標電流とｑ軸電流とが一致するようにフィードバック制御されるので、モータ１は目標電流に向かって帰還制御される。

ＰＷＭパルス発生部１９で発生されたＰＷＭパルスは、増幅回路８で増幅されてインバータ６に入力される。
インバータ６では、ＰＷＭパルスに応じてスイッチング素子１３が駆動され、バッテリ５から出力される直流電圧が、３相交流電圧に変換される。
モータ１は、この３相交流電圧によって駆動され、運転者の操舵力を補助する所望のトルクが発生される。

ここで、一般的に車両のバッテリ５は、少なくとも１０Ｖ以上の出力電圧を有している。また、制御回路７を構成するマイコンの電源電圧は、一般的に５Ｖである。ここで、電源回路９における電圧降下を２Ｖとすると、制御回路７が正常に動作するためには、電源回路９には、７Ｖ以上の電圧が入力される必要がある。

従って、バッテリ５の出力電圧が何らかの理由で７Ｖ以下に低下した場合には、制御回路７によるモータ１の制御が不可能となる。また、トルクセンサ３についても、バッテリ５の出力電圧が低下した場合には、電源回路９から操舵力の検出に必要な電力が供給されないため、正常に操舵力を検出することが不可能となる。
バッテリ５の７Ｖ程度への出力電圧の降下は、例えば外気温が低い場合には、十分に起こりうる事象である。
そこで、チャージポンプ１１を用いて電源回路９への入力電圧を昇圧することにより、バッテリ５の出力電圧が低下した場合であっても、制御回路７によるモータ１の制御が可能となる。

以下、図１から図４とともに、図５を参照しながら、上記構成の電動パワーステアリング装置によるバッテリ５の出力電圧低下時動作について説明する。
図５は、この発明の実施の形態１に係るバッテリ５の出力電圧に対する電源回路９およびチャージポンプ１１の出力電圧の関係を示す説明図である。

まず、バッテリ５の出力電圧は、電圧監視回路１０で監視され、監視結果が出力される。監視結果は、電圧判定部２１に入力される。電圧判定部２１では、入力された監視結果がＡ／Ｄ変換され、バッテリ５の出力電圧が所定電圧よりも低いか否かが判定される。所定電圧は、例えば電源回路９に必要な最低電圧の７Ｖとする。
ここで、バッテリ５の出力電圧が７Ｖ以上である場合にもチャージポンプ１１による昇圧を実施すると、バッテリ５の出力電圧が通常の値である場合、電源回路９に高い電圧が入力されて、電源回路９を構成する電子部品が破壊される恐れがある。そのため、電圧判定部２１がバッテリ５の出力電圧が所定電圧の７Ｖよりも低いか否かを判定している。

電圧判定部２１において、バッテリ５の出力電圧が所定電圧以上であると判定された場合には、電圧判定部２１から駆動パルス発生部２０に対して、駆動パルスを出力するための指令が出力されない。
このとき、チャージポンプ１１から電源回路９には、図３に示した第１ダイオード２９および第２ダイオード３０を経由してバッテリ５の出力電圧が入力される。

次に、バッテリ５の出力電圧が所定電圧よりも低いと判定された場合には、電圧判定部２１から駆動パルス発生部２０に対して、駆動パルスを出力するための指令が出力される。駆動パルス発生部２０では、電圧判定部２１からの指令に応じて、チャージポンプ１１に対する駆動パルスが出力される。
このとき、チャージポンプ１１から電源回路９には、前述のように、バッテリ５の出力電圧が２倍に昇圧された電圧が出力される。そのため、バッテリ５の出力電圧が３．５Ｖに低下するまで電源回路９に７Ｖの電圧を出力することができ、制御回路７によるモータ１の制御が可能となる。

上記の動作において、チャージポンプ１１は、駆動パルスに応じて、前述のように第１コンデンサ２７を充放電することによってバッテリ５の出力電圧を昇圧する。そのため、この充放電に伴って、スイッチングノイズが発生する。また、インバータ６においても、ＰＭＷパルスに応じたスイッチング素子１３の駆動により、スイッチングノイズが発生する。
ここで、制御回路７が、ＰＷＭパルスと同期した駆動パルスをチャージポンプ１１に出力するので、ＰＷＭパルスと駆動パルスとのノイズが同期し、制御全体におけるノイズの回避処理が容易となる。

この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置によれば、制御回路７が、電圧監視回路１０から出力される監視結果に基づいて、バッテリ５の出力電圧が所定電圧よりも低い場合には、チャージポンプ１１に対して駆動パルスを出力し、バッテリ５の出力電圧が所定値以上の場合に、駆動パルスを出力しない。また、チャージポンプ１１は、駆動パルスに応じて、バッテリ５の出力電圧が２倍に昇圧された電圧を出力する。
そのため、バッテリ５の出力電圧が低下した場合であっても、制御回路７がモータ１の制御を継続し、適切な操舵操作を実施することができる。

また、制御回路７に設けられた駆動パルス発生部２０が、チャージポンプ１１に対する駆動パルスを出力するので、制御回路７の外部に別途パルス発生回路を設ける必要がなく、コストダウンを図ることができる。
また、制御回路７が、ＰＷＭパルスと同期した駆動パルスをチャージポンプ１１に出力するので、ノイズの回避処理が容易となる。

なお、上記実施の形態１では、所定電圧を７Ｖと設定し、バッテリ５の出力電圧が所定電圧以上であると判定された場合には、駆動パルスが出力されず、バッテリ５の出力電圧が所定電圧よりも低いと判定された場合には、駆動パルスが出力されるとした。
しかしながら、一般的にバッテリ５の出力電圧には脈動電圧が重畳されている。そのため、所定電圧を単に７Ｖと設定すると、電圧判定部２１による判定においてチャタリングが生じ、電源回路９の入力電圧が大きく変動して、電源回路９からの出力電圧も大きく変動するという問題が生じる。

そこで、この問題を解決するために、所定電圧は、ヒステリシス特性を有する値であることが望ましい。
すなわち、具体的には、バッテリ５の出力電圧が７Ｖよりも低いと判定された場合に、チャージポンプ１１に駆動パルスが出力され、その後、バッテリ５の出力電圧が８Ｖ以上まで回復した場合に、駆動パルスの出力が停止される。
このように、所定電圧にヒステリシス特性を持たせることにより、電源回路９からの出力電圧を安定させることができる。

また、上記実施の形態１では、電動パワーステアリング装置が車両に搭載されている場合について説明したが、これに限定されず、船舶等車両以外に搭載されてもよい。
この場合も、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るチャージポンプの駆動パルスを示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１に係るチャージポンプの回路を、駆動パルスがＬｏｗの場合の電流経路とともに示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るチャージポンプの回路を、駆動パルスがＨｉｇｈの場合の電流経路とともに示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るバッテリの出力電圧に対する電源回路およびチャージポンプの出力電圧の関係を示す説明図である。

符号の説明

１ モータ（ブラシレスモータ）、４ コントローラ、５ バッテリ、６ インバータ、７ 制御回路（制御手段）、９ 電源回路、１０ 電圧監視回路（電圧監視手段）、１１ チャージポンプ。

Claims (3)

1. 操舵力を補助するモータと、
   前記モータを電圧パルスによって駆動するインバータと、
   前記インバータを介して前記モータを制御する制御手段と、
   バッテリから給電されて前記制御手段に電力を供給する電源回路と、
   前記バッテリの出力電圧を監視する電圧監視手段と、
   前記バッテリと前記電源回路との間に挿入されて、前記出力電圧よりも高い電圧を発生するためのチャージポンプとを備え、
   前記チャージポンプは、前記制御手段から出力される、前記電圧パルスと同期した駆動パルスによって駆動され、
   前記出力電圧が所定電圧よりも低いことを前記電圧監視手段が検出した場合に、前記チャージポンプは、前記出力電圧を昇圧すること
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記電圧監視手段の監視結果は、前記制御手段に入力され、
   前記制御手段は、前記監視結果に基づいて、前記出力電圧が前記所定電圧よりも低い場合に、前記駆動パルスを出力し、前記出力電圧が前記所定値よりも高い場合に、前記駆動パルスを出力しないことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記所定電圧は、ヒステリシス特性を有する値であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。

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