JP4882417B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、主電源を必要に応じて補助する補助電源を備え、トルクセンサが検出した操舵トルク値に基づき、操舵補助用のモータに流すべき目標電流値を定め、定めた目標電流値をモータに流すことにより操舵補助する電動パワーステアリング装置の改良に関するものである。
モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置は、操舵部材(ステアリングホイール、ハンドル)に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルクセンサが入力軸に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用のモータを駆動制御するものである。
このような電動パワーステアリング装置では、操舵補助用のモータの電源は、車載バッテリ及びオルタネータ(交流発電機)である。その為、据え切り操舵時にモータが必要とする大電力を、車載バッテリ及びオルタネータで賄う必要があるが、配線抵抗及び内部抵抗等の要因から、大電流を流した場合の電圧降下等により、充分な出力を得ることが困難であった。
このような問題を解決する技術として、特許文献1には、ステアリングギヤのパワーアシストに供される電動モータへの電力供給源として、主電源と補助電源とを備えた電動パワーステアリング装置が開示されている。
特開2003−320942号公報
上述した特許文献1には、補助電源が主電源を補助する場合は、主電源と補助電源とを直列に接続するものがあるが、この場合、主電源及び補助電源が単に直列接続されるだけである為、主電源を補助できる時間が短く、また、放電制御できないという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、操舵補助用のモータ側に電源を供給する主電源を、補助電源が補助する場合に、任意の制御を可能とし、また、比較的長く主電源を補助できる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
第1発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵部材に加えられた操舵トルク値を検出するトルクセンサと、操舵補助用のモータと、該モータにモータ駆動回路を介して電源を供給する主電源と、該主電源を必要に応じて補助する補助電源とを備え、前記トルクセンサが検出した操舵トルク値に基づき、前記モータに流すべき目標電流値を定め、定めた目標電流値を前記モータに流すことにより操舵補助する電動パワーステアリング装置において、前記補助電源が主電源を補助するときは、該補助電源を主電源に直列に接続する接続手段と、該補助電源が出力する電流により前記主電源を補助可能に制御する電流制御手段と、前記主電源及びモータ駆動回路間に接続されると共に、前記補助電源及び電流制御手段に並列接続され、前記モータ駆動回路から主電源への逆流を防止する逆流防止手段とを備えることを特徴とする。
第2発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記補助電源は、電気二重層コンデンサであることを特徴とする。
第3発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記接続手段は、前記主電源の出力電圧値が所定電圧値以下であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してあることを特徴とする。
第4発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記接続手段は、前記モータに流れる電流値及び/又は前記目標電流値が所定電流値以上であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してあることを特徴とする。
第5発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記接続手段は、前記操舵トルク値が所定トルク値以上であるとき、又は前記操舵トルク値の微分値が所定値以上であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してあることを特徴とする。
第6発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記補助電源は、前記操舵トルク値が所定トルク値未満であるときに、充電されるように構成してあることを特徴とする。
第1発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、補助電源が主電源を補助するときは、補助電源を主電源に直列に接続し、補助電源が出力する電流を任意に制御すると共に、逆流防止手段が、主電源及びモータ駆動回路間に接続され、補助電源及び電流制御手段に並列接続され、モータ駆動回路から主電源への逆流を防止でき、操舵補助用のモータ側に電源を供給する主電源を、補助電源が補助する場合に、電流を抑制することもでき、比較的長く主電源を補助できる電動パワーステアリング装置を実現することができる。
第2発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、補助電源は、電気二重層コンデンサであるので、モータ駆動回路を収納したハウジング内に収納することもできる。
第3発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、接続手段は、主電源の出力電圧値が所定電圧値以下であるときに、補助電源を主電源に直列に接続するので、操舵補助力の向上に寄与する。
第4発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、接続手段は、モータに流れる電流値及び/又は前記目標電流値が所定電流値以上であるときに、補助電源を主電源に直列に接続するので、操舵補助用のモータに電源を供給する主電源の出力電流が減少して、補助電源が補助する場合に、操舵補助力を向上させることができる。
第5発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、接続手段は、操舵トルク値が所定トルク値以上であるとき、又は操舵トルク値の微分値が所定値以上であるときに、補助電源を主電源に直列に接続するので、大きな操舵補助力を必要とする場合に有用である。
第6発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、大きな操舵トルクを要しない場合に、補助電源を充電できて好ましい。
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵部材(図示せず)に加えられたトルクを検出するトルクセンサ12が検出した操舵トルク値が、インターフェイス回路11を介してマイクロコンピュータ19へ与えられ、車速を検出する車速センサ20が検出した車速値が、インターフェイス回路21を介してマイクロコンピュータ19へ与えられる。また、操舵部材(図示せず)の操舵角を検出する操舵角センサ16が検出した操舵角が、インターフェイス回路17を介してマイクロコンピュータ(以下、マイコンと記述)19へ与えられる。
マイコン19から出力されるリレー制御信号がリレー駆動回路15へ入力され、リレー駆動回路15はリレー制御信号に従ってフェイルセーフリレー接点15aをオン又はオフさせる。
マイコン19は、操舵トルク値、車速値、操舵角及び後述するモータ電流値に基づき、メモリ18内のトルク/電流テーブル18aを参照することにより、操舵補助用のモータであるブラシレスモータ24に流すべき電流値である出力レベル指令値を作成する。作成した出力レベル指令値はモータ駆動回路13へ与えられる。
モータ駆動回路13は、フェイルセーフリレー接点15aを通じて、車載バッテリ及びオルタネータ等を備える電源部23の出力電圧が印加され、与えられた出力レベル指令値に基づき、ブラシレスモータ24を回転駆動させる。
ブラシレスモータ24が回転する際、ロータ位置検出器14がそのロータ位置を検出し、モータ駆動回路13は、この検出したロータ位置信号に基づき、ブラシレスモータ24を回転制御する。
ブラシレスモータ24に流れるモータ電流は、モータ電流検出回路22により検出され、モータ電流値としてマイコン19に与えられる。
マイコン19は、電源部23が備える補助電源への充電を制御する他、与えられた操舵トルク値、車速値、操舵角、モータ電流値及び目標モータ電流値等に基づき、補助電源からの補助が必要か否かを判定し、必要であると判定したときは、補助電源が主電源を補助するように制御する。
図2は、電源部23の構成例を示すブロック図である。この電源部23は、整流回路を備えたオルタネータ(交流発電機)Gに、主電源である車載バッテリBが並列接続され、オルタネータGにより発電され整流された直流電流は、車載バッテリBに充電される。オルタネータGの負極端子は接地されている。
車載バッテリBには、電圧検出器26が並列接続され、電圧検出器26が検出した車載バッテリBの出力電圧値は、マイコン19に与えられ、補助電源からの補助が必要か否かの判定に使用される。
車載バッテリBの正極端子には、逆流防止手段であるダイオードD1のアノードが接続され、カソードは電解コンデンサCの正極端子に接続され、電解コンデンサCの負極端子は接地されている。
オルタネータGの正極端子には、また、PNP型トランジスタTr1のエミッタが接続され、コレクタは補助電源である電気二重層コンデンサECの正極端子に、ベースはマイコン19にそれぞれ接続され、エミッタ及びベース間には抵抗R1が接続されている。トランジスタTr1は、マイコン19により駆動制御される。
電気二重層コンデンサECには、電圧検出器25が並列接続され、電圧検出器25が検出した電気二重層コンデンサECの充電電圧値は、マイコン19に与えられる。マイコン19は、与えられた充電電圧値に基づき、トランジスタTr1を駆動制御して、電気二重層コンデンサECの充電時の過電圧を防止する。
電気二重層コンデンサECの負極端子は、切替スイッチSWに接続され、切替スイッチSWは、マイコン19からの切替制御により、電気二重層コンデンサECの負極端子を、車載バッテリBの正極端子又は接地端子に切替え接続する。
電気二重層コンデンサECの正極端子には、また、PNP型トランジスタTr2のエミッタが接続され、コレクタは電解コンデンサCの正極端子に、ベースはマイコン19にそれぞれ接続され、エミッタ及びベース間には抵抗R2が接続されている。トランジスタTr2は、マイコン19により駆動制御される。
トランジスタTr2のコレクタ及び電解コンデンサC間には、電気二重層コンデンサECの放電電流を検出する電流検出器27が設けられ、電流検出器27が検出した放電電流値I1は、マイコン19に与えられる。マイコン19は、与えられた放電電流値に基づき、トランジスタTr2をPWMその他の任意手段で駆動制御して、電気二重層コンデンサECの放電を抑制も可能に任意に制御でき、過電流も防止できる。
電解コンデンサCの正極端子は、リレー接点15aを通じて、モータ駆動回路13に接続され、電源部23の出力端子となっている。
尚、トランジスタTr1,Tr2の代わりにMOS型FETを用いても良い。
以下に、このような構成の電動パワーステアリング装置の動作を、それを示す図3、4のフローチャート及び図5のタイミングチャートを参照しながら説明する。
マイコン19は、操舵補助動作において、先ず、トルクセンサ12が検出し、インタフェース11によりサンプリングされた操舵トルク値を読込み(S2)、車速センサ20が検出し、インタフェース21によりサンプリングされた車速値を読込む(S4)。
マイコン19は、次に、読込んだ車速値(S4)及び読込んだ操舵トルク値(S2)により、トルク/電流テーブル18aを参照して、目標モータ電流値を決定する(S6)。次いで、モータ電流検出回路22からモータ電流値を読込み(S8)、決定した目標モータ電流値(S6)と読込んだモータ電流値(S8)との差を演算し(S10)、演算した差に基づき、ブラシレスモータ24に目標モータ電流値を流すべく、モータ電流指令値を決定する(S12)。
マイコン19は、次に、電源部23の出力電圧を調整した(S14)後、決定したモータ電流指令値(S12)に応じた回転方向及び出力レベルを決定し(S16)、決定した回転方向及び出力レベルの各指令信号をモータ駆動回路13に与え(S18)、リターンして他の処理へ移る。
マイコン19は、電源部23の電圧調整(S14)では、先ず、電圧検出器26が検出した車載バッテリBの出力電圧値を読込み(S20)、次いで、操舵角センサ16が検出し、インタフェース17によりサンプリングされた操舵角を読込む(S22)。
マイコン19は、次に、読込んだ操舵角(S22)を微分して、操舵角速度を演算し(S24)、読込んだ操舵トルク値(S2)を微分して、操舵トルク微分値を演算する(S26)。
マイコン19は、次に、読込んだ出力電圧値(S20)が、所定電圧値以下であるか否かを判定し(S28)、所定電圧値以下でなければ、モータ電流値(S8)が、所定電流値以上であるか否かを判定する(S30)。尚、ここで、目標モータ電流値(S6)が所定電流値以上であるか否かを判定しても良い。
マイコン19は、電流値の差が所定電流値以上でなければ(S30)、読込んだ操舵トルク値(S2)が、所定トルク値以上であるか否かを判定し(S32)、所定トルク値以上でなければ、演算した操舵トルク微分値(S26)が、所定値以上であるか否かを判定する(S34)。
マイコン19は、操舵トルク微分値が所定値以上でなければ(S34)、演算した操舵角速度(S24)が、所定角速度以上であるか否かを判定し(S36)、所定角速度以上でなければ、補助電源による電源補助を停止するか又は実行せずに(S38)リターンする。
補助電源による電源補助を停止するか又は実行しない場合、マイコン19は、図5のタイミングチャートに示すように、切替スイッチSWを接地端子側へ切替え(c1)、トランジスタTr2をオフにする(d1)。また、電圧検出器25が検出した電圧値に基づき、電気二重層コンデンサECに過電圧が印加されないように、トランジスタTr1を徐々にオンに駆動制御する(a1)。
その結果、電気二重層コンデンサECが、オルタネータG及び車載バッテリBの出力電圧により、電圧V0迄充電される(b1)。
この場合、オルタネータGは、電気二重層コンデンサEC及び車載バッテリBの両方を充電しており、電源部23からは、車載バッテリBの出力電圧が、ダイオードD1を通じて出力される。尚、モータ駆動回路13に設けた検出回路により、電気二重層コンデンサECへの充電を、主電源Bからの出力電流が所定値以下の場合に行なうこともできる。
マイコン19は、出力電圧値が所定電圧値以下であるとき(S28)、モータ電流値が所定電流値以上であるとき(S30)、又は操舵トルク値が所定トルク値以上であるとき(S32)、補助電源による電源補助を実行し(S40)リターンする。また、操舵トルク微分値が所定値以上であるとき(S34)、又は操舵角速度が所定角速度以上であるとき(S36)、補助電源による電源補助を実行し(S40)リターンする。
補助電源による電源補助を実行する場合、マイコン19は、図5のタイミングチャートに示すように、トランジスタTr1をオフにし(a2)、切替スイッチSWを車載バッテリBの正極端子側へ切替える(c2)。また、電流検出器27が検出した電流値I1に基づき、トランジスタTr2を徐々にオンに駆動制御するとスムーズに操舵補助力が向上する(d2)。この制御は、PWM等のスイッチング制御であっても良い。
その結果、電気二重層コンデンサECが放電し始める(b2)。
この場合、オルタネータGは、車載バッテリBのみを充電しており、電源部23からは、車載バッテリB及び電気二重層コンデンサECの加算された出力電圧が、トランジスタTr2を通じて出力される。この出力電圧は、車載バッテリBの出力電圧より高いが、ダイオードD1により車載バッテリBへの逆流は防止される。
マイコン19は、電気二重層コンデンサECの放電が進み(b2)、電圧検出器25が検出した電圧値が0に近づくと(b2)、トランジスタTr2を徐々にオフに駆動制御し(d2)、切替スイッチSWを接地端子側へ切替える(c2)。この結果、電源部23からは、車載バッテリBの出力電圧が、ダイオードD1を通じて出力されるようになり、補助電源による電源補助が停止される。尚、トルクセンサ12が検出した操舵トルク値(トルク指示値)が所定値未満のときに、補助電源ECを充電するように、マイコン19が指令するようにしても良い。
(実施の形態2)
図6は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態2の電源部の構成例を示すブロック図である。この電源部は、整流回路を備えたオルタネータ(交流発電機)Gの正極端子に、電気二重層コンデンサECの負極端子、及びリアクトルLの一方の端子が接続されている。
リアクトルLの他方の端子には、NチャネルMOS型FETTr3のドレイン、及びダイオードD2のアノードが接続され、カソードは電気二重層コンデンサECの正極端子に接続されている。FETTr3は、ソースが接地端子に接続され、ゲートがマイコン19によりオン/オフ制御されるチョッパであり、フリーホイールダイオードD3が逆並列に接続されている。
FETTr3、リアクトルL及びダイオードD2は、オルタネータG及び車載バッテリBの出力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成しており、リアクトルLの起電力による昇圧チョッパ回路で昇圧された電力が電気二重層コンデンサECを充電する。
電気二重層コンデンサECの正極端子には、また、PNP型トランジスタTr2のエミッタが接続され、コレクタは電解コンデンサCの正極端子に、ベースはマイコン19にそれぞれ接続され、エミッタ及びベース間には抵抗R2が接続されている。トランジスタTr2は、マイコン19により駆動制御される。
この電動パワーステアリング装置のその他の構成は、実施の形態1で説明した電動パワーステアリングの構成と同様であるので、説明を省略する。尚、この電源部23には、図2における切替スイッチSWは存在しない。
尚、トランジスタTr2の代わりにMOS型FETを用いても良い。
以下に、このような構成の電動パワーステアリング装置の動作を、それを示す図7のタイミングチャートを参照しながら説明する。
マイコン19は、補助電源による電源補助を停止するか又は実行しない場合、トランジスタTr2をオフにし、図7のタイミングチャートに示すように、FETTr3をオン/オフ制御(チョッピング)し(a)、オルタネータG及び車載バッテリBの出力電圧を昇圧して、電気二重層コンデンサECを充電する。その際、電圧検出器25が検出した電圧値に基づき、電気二重層コンデンサECに過電圧が印加されないように、FETTr3のオン・オフの関係(時比率)を調節制御する(a)。
その結果、電気二重層コンデンサECが充電される。
この場合、オルタネータGは、電気二重層コンデンサEC及び車載バッテリBの両方を充電しており、電源部23からは、車載バッテリBの出力電圧が、ダイオードD1を通じて出力される。
マイコン19は、補助電源による電源補助を実行する場合、図7のタイミングチャートに示すように、電流検出器27が検出した電流値I2(b)に基づき、過電流にならないように、トランジスタTr2をPWM制御等で徐々にオンに駆動制御する。また、FETTr3のオン/オフ制御を停止し(a)、電気二重層コンデンサECの充電を停止する。
その結果、電気二重層コンデンサECが放電し始める(b)。
この場合、オルタネータGは、車載バッテリBのみを充電しており、電源部23からは、車載バッテリB及び電気二重層コンデンサECの加算された出力電圧が、トランジスタTr2を通じて出力される。この出力電圧は、車載バッテリBの出力電圧より高いが、ダイオードD1により車載バッテリBへの逆流は防止される。
マイコン19は、電気二重層コンデンサECの放電が進み(b)、電圧検出器25が検出した電圧値が0に近づくと、トランジスタTr2を徐々にオフに駆動制御する。この結果、電源部23からは、車載バッテリBの出力電圧が、ダイオードD1を通じて出力されるようになり、補助電源による電源補助が停止される。マイコン19は、また、図7のタイミングチャートに示すように、FETTr3をオン/オフ制御し(a)、オルタネータG及び車載バッテリBの出力電圧を昇圧し、電気二重層コンデンサECを充電する。この場合、オルタネータGは、電気二重層コンデンサEC及び車載バッテリBの両方を充電しており、電源部23からは、車載バッテリBの出力電圧が、ダイオードD1を通じて出力される。
この電動パワーステアリング装置のその他の動作は、実施の形態1で説明した電動パワーステアリングの動作と同様であるので、説明を省略する。
本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の電源部の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の電源部の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すタイミングチャートである。
符号の説明
12 トルクセンサ、13 モータ駆動回路、16 操舵角センサ、
18a トルク/電流テーブル、19 マイクロコンピュータ、20 車速センサ、
22 モータ電流検出回路、23 電源部、24 ブラシレスモータ、
25,26 電圧検出器、27 電流検出器、B 車載バッテリ(主電源)、
C 電解コンデンサ、D1 ダイオード(逆流防止手段)、D2 ダイオード、
EC 電気二重層コンデンサ(補助電源)、G オルタネータ、L リアクトル、
SW 切替スイッチ、Tr1,Tr2 トランジスタ、
Tr3 (NチャネルMOS型)FET

Claims (6)

  1. 操舵部材に加えられた操舵トルク値を検出するトルクセンサと、操舵補助用のモータと、該モータにモータ駆動回路を介して電源を供給する主電源と、該主電源を必要に応じて補助する補助電源とを備え、前記トルクセンサが検出した操舵トルク値に基づき、前記モータに流すべき目標電流値を定め、定めた目標電流値を前記モータに流すことにより操舵補助する電動パワーステアリング装置において、
    前記補助電源が主電源を補助するときは、該補助電源を主電源に直列に接続する接続手段と、該補助電源が出力する電流により前記主電源を補助可能に制御する電流制御手段と、前記主電源及びモータ駆動回路間に接続されると共に、前記補助電源及び電流制御手段に並列接続され、前記モータ駆動回路から主電源への逆流を防止する逆流防止手段とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 前記補助電源は、電気二重層コンデンサである請求項1記載の電動パワーステアリング装置。
  3. 前記接続手段は、前記主電源の出力電圧値が所定電圧値以下であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してある請求項1又は2記載の電動パワーステアリング装置。
  4. 前記接続手段は、前記モータに流れる電流値及び/又は前記目標電流値が所定電流値以上であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してある請求項1乃至3の何れか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
  5. 前記接続手段は、前記操舵トルク値が所定トルク値以上であるとき、又は前記操舵トルク値の微分値が所定値以上であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してある請求項1乃至4の何れか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
  6. 前記補助電源は、前記操舵トルク値が所定トルク値未満であるときに、充電されるように構成してある請求項1乃至5の何れか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
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