JP5151471B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置に関し、特にその電気回路の構成に関する。

電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵トルクに応じてモータにより操舵補助力を生じさせる装置である。近年、大型車への電動パワーステアリング装置の需要が急増しており、かかる大型車の場合、必要とされる操舵補助力も増大する。従って、より大きな電力をモータに供給しなければならない。しかし、バッテリだけでは、このような大電力を十分にまかなえない場合がある。そこで、バッテリとは別に補助電源を設け、通常はバッテリのみで対応し、より大きな電力を必要とするときはバッテリと補助電源とを互いに直列に接続して両電源で電力を供給する、という構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、電動パワーステアリング装置はバッテリが故障すると機能停止に至り、手動ステアリング装置となってしまう。そこで、電動パワーステアリング装置としての信頼性を向上させるために、バッテリ故障時にも突然操舵補助力が失われることのないように、バッテリに代わって電力を供給する非常用電源を設けた電動パワーステアリング装置も提案されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。

特開２００５−２８７２２２号公報（図１） 特開２００６−２１３２７３（図１） 特開２００３−３２０９４２（図２〜６）

しかしながら、大電力に対応するための補助電源を設け、さらに、バッテリ故障を想定した非常用電源を設けると、電源数が増大するので、これらの充放電を制御するための部品が多くなり、回路構成は複雑になる。その結果、製造コストも高くなる。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、大電力に対応可能な補助電源の機能のみならず、非常用電源の機能も備えながら、部品数を最小限に抑えた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。

本発明は、モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置であって、前記モータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリに対して直列に接続され、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、前記バッテリの故障を検出する検出器と、前記バッテリを電源とするインダクタンス回路に介挿されたチョッパ昇圧用のスイッチング素子をオン・オフ動作させることにより前記補助電源を充電する充電回路を含み、接地側電路に対して前記バッテリの電圧が印加される第１の電路から前記モータへ電力を供給する第１の出力状態と、前記接地側電路に対して前記バッテリ及び前記補助電源を互いに直列に接続した電源の電圧が印加される第２の電路から前記モータへ電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、必要な操舵補助力に応じて、前記充放電回路に、前記第１の出力状態及び第２の出力状態のいずれか一方を選択させる制御回路とを備え、前記検出器によって前記バッテリの故障が検出されたとき、前記制御回路は、前記スイッチング素子を連続的にオン状態として前記第１の電路を前記接地側電路へ接続し、かつ、前記充放電回路に前記第２の出力状態を選択させて、前記補助電源のみから前記モータに電力を供給することを特徴とするものである。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置においては、充放電回路に第２の出力状態を選択させることによって、バッテリ及び補助電源を互いに直列に接続した電源からモータへ大電力を供給することができる。また、バッテリの故障が検出されたときには、充電回路のスイッチング素子を連続的にオン状態として第１の電路を接地側電路へ接続し、かつ、充放電回路に第２の出力状態を選択させて、補助電源のみからモータに電力を供給することができる。これにより、補助電源は、大電力供給時のみならず、非常用電源としても使用可能となる。しかも、補助電源を非常用電源として使用するためのスイッチング素子は、補助電源を充電するための回路部品であるため、新規に回路部品を増設することなく、非常用電源の機能を持たせることができる。すなわち、大電力に対応可能な補助電源の機能のみならず、非常用電源の機能も備えながら、部品数を最小限に抑えた電動パワーステアリング装置を提供することができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、バッテリの端子から第１の電路へ至る途中に開閉制御可能なスイッチが介挿され、バッテリの故障が検出されたとき、制御回路は当該スイッチを開路させるようにしてもよい。
この場合、スイッチを開くことによりバッテリの放電を停止させることができるので、故障したバッテリが過度に放電することを、防止することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、補助電源が、大電力供給時のみならず、非常用電源としても使用可能となり、しかも、補助電源を非常用電源として使用するためのスイッチング素子は、補助電源を充電するための回路部品であるため、新規に回路部品を増設することなく、非常用電源の機能を持たせることができる。すなわち、大電力に対応可能な補助電源の機能のみならず、非常用電源の機能も備えながら、部品数を最小限に抑えた電動パワーステアリング装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置１の、電気回路を主体とした概略構成を示す回路図であり、特に、主回路（制御回路以外）を示す回路図である。図において、ステアリング装置２は、ステアリングホイール（ハンドル）３に付与される運転者の操舵トルクと、モータ４が発生する操舵補助力とによって駆動される。モータ４のロータ４ｒからステアリング装置２への動力伝達には減速機（図示せず。）が使用されている。モータ４は、３相ブラシレスモータであり、モータ駆動回路５により駆動される。モータ駆動回路５は、３相ブリッジ回路を構成するＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６と、抵抗５７とが図示のように接続されたものである。モータ駆動回路５には、平滑用の電解コンデンサ６が並列に接続されている。バッテリ７からモータ駆動回路５への電力供給は、充放電回路８及びリアクトル１４を介して行われる。補助電源９は、バッテリ７とは別に設けられ、充放電回路８に接続されている。

図２は、図１に加えて、充放電回路８の具体的な構成の他、制御用の回路要素や回路接続を記載した回路図である。図において、モータ駆動回路５内のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６（図１）は、ゲート駆動回路（例えばＦＥＴドライバである。以下同様。）１１によってスイッチングされる。なお、このゲート駆動回路１１や、後述の他のゲート駆動回路１９には、バッテリ７（又は補助電源９）の電圧を昇圧回路（図示せず。）で昇圧した電圧が付与されるようになっている。

バッテリ７は、主電源としてモータ駆動回路５に電力を供給する。バッテリ７の電圧は、開閉制御可能なスイッチとしてのリレー接点１２を介して電路Ｌ１に導かれ、さらに、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３及びリアクトル１４を介した電路Ｌ３から、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ１３はＮチャネルであり、ソースがバッテリ７側、ドレインがモータ駆動回路５側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１３ｄは、バッテリ７からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向が順方向となるように構成されている。

補助電源９は、電気二重層コンデンサやリチウムイオン電池で構成されており、バッテリ７に対して直列に接続されている。補助電源９の高電位側電路Ｌ２は、放電制御回路１５を介して、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３のドレインとリアクトル１４との接続点に接続されている。バッテリ７と補助電源９とを互いに直列に接続した状態における出力電圧(電路Ｌ２の電圧)は、放電制御回路１５が介挿された電路Ｌ２及びリアクトル１４が介挿された電路Ｌ３を経て、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。

一方、電路Ｌ１には、リアクトル１６を介してダイオード１７のアノードが接続されている。また、ダイオード１７のカソードは補助電源９の高電位側電路Ｌ２に接続されている。ダイオード１７のアノードと接地側電路ＬＧとの間には、チョッパ昇圧用のＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ１８が設けられている。これにより、バッテリ７からリレー接点１２、リアクトル１６、ＭＯＳ−ＦＥＴ１８を通る閉回路が構成可能となり、バッテリ７を電源とするインダクタンス回路に、リレー接点１２及び、チョッパ昇圧用のスイッチング素子としてのＭＯＳ−ＦＥＴ１８が介挿されている形となっている。

上記ＭＯＳ−ＦＥＴ１３は、ゲート駆動回路１９によってオン・オフされる。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ１８は、ゲート駆動回路２０によってオン・オフされる。
上記のＭＯＳ−ＦＥＴ１３、放電制御回路１５、リアクトル１６、ダイオード１７、ＭＯＳ−ＦＥＴ１８、ゲート駆動回路１９、及び、ゲート駆動回路２０は、図１の充放電回路８を構成している。また、この中で、リアクトル１６、ダイオード１７、ＭＯＳ−ＦＥＴ１８、及び、ゲート駆動回路２０は、補助電源９の充電回路１０を構成している。

上記ゲート駆動回路１１，１９，２０、放電制御回路１５、及び、リレー接点１２は、マイクロコンピュータを含む制御回路２１の指令信号を受けて動作する。この制御回路２１には、ステアリングホイール３に付与された操舵トルクを検出するトルクセンサ２２から、その出力信号が入力される。また、車速を検出する車速センサ２３の出力信号が、制御回路２１に入力される。モータ４には、ロータ４ｒの回転角度位置を検出する角度センサ２４が設けられており、その出力信号が制御回路２１に入力される。

バッテリ７には電圧検出器２５が、補助電源９には電圧検出器２６が、それぞれ並列に接続されている。バッテリ７に並列に接続された電圧検出器２５は、バッテリ７の電圧Ｖ１を検出してその出力信号を制御回路２１に入力する。補助電源９に並列に接続された電圧検出器２６は、補助電源９の電圧（端子間電圧）Ｖ２を検出してその出力信号を制御回路２１に入力する。

制御回路２１は、トルクセンサ２２から送られてくる操舵トルク信号、車速センサ２３から送られてくる車速信号、及び、角度センサ２４から送られてくるロータ角度位置信号に基づいて、適切な操舵補助力を発生させるべく、ゲート駆動回路１１を介してモータ駆動回路５を動作させ、モータ４を駆動させる。
リレー接点１２は、制御回路２１からの指令信号により、通常はオン（閉）の状態となっている。従って、バッテリ７からの電圧が電路Ｌ１に印加される。

一方、ＭＯＳ−ＦＥＴ１８がオン状態のときは、バッテリ７からリレー接点１２、リアクトル１６、ＭＯＳ−ＦＥＴ１８を通って電流が流れる。その状態からＭＯＳ−ＦＥＴ１８がオフ状態に転じると、電流遮断による磁束変化を妨げるように逆向きの高電圧がリアクトル１６に発生し、これにより、バッテリ７の出力電圧を昇圧した電圧で、ダイオード１７を介して、補助電源９が充電される。従って、ＭＯＳ−ＦＥＴ１８のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源９を充電することができる。制御回路２１は、補助電源９の電圧Ｖ２を監視し、一定の電圧に達していない場合には、ゲート駆動回路２０を介してＭＯＳ−ＦＥＴ１８をオン・オフさせ、補助電源９を充電する。この充電は、例えば、トルクセンサ２２が操舵トルクを検出していないときに行われる。

また、制御回路２１は、操舵トルク及び車速に基づいて、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力を推定し、これを基準値と比較する。所要電力が基準値以下であるときは、制御回路２１はＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオン状態とし、放電制御回路１５をオフ状態とする（充放電回路８の第１の出力状態）。従って、バッテリ７からの電圧は平滑コンデンサ１６で平滑され、モータ駆動回路５に供給される。モータ駆動回路５は、制御回路２１による制御信号に基づいてモータ４を駆動する。この場合、補助電源９の電力はモータ駆動回路５に供給されない。なお、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ１３のオン抵抗は、寄生ダイオード１３ｄの順方向抵抗に比べて格段に小さい（例えば１ｍΩ程度）ため、バッテリ７からモータ駆動回路５に流れる電流の大部分は、ソースからドレインを通り、寄生ダイオード１３ｄに流れる電流は僅かである。

一方、所要電力が基準値を超えるとき、すなわち、バッテリ７のみでは所要電力をまかないきれないときは、制御回路２１はＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオフ状態とし、放電制御回路１５をオン状態すなわち、所定の電流が流れる状態とする（充放電回路８の第２の出力状態）。この結果、バッテリ７と補助電源９とが互いに直列に接続された状態で、その出力電圧がモータ駆動回路５に供給される。これにより、バッテリ７のみの出力可能電力を超える大電力を、モータ駆動回路５に供給することができる。なお、このとき、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３の寄生ダイオード１３ｄのカソードはアノードより高電位、すなわち、逆電圧であることにより、補助電源９から電流が電路Ｌ１に流れ込むことはない。
このようにして、所要電力に応じて、バッテリ７のみ、又は、バッテリ７＋補助電源９、のいずれかを選択する制御が行われる。

次に、バッテリ７に失陥等の故障が生じた場合の、電動パワーステアリング装置１の回路動作について説明する。まず、バッテリ７の故障は、その端子電圧の異常（低下）として、電圧検出器２５により検出される。この検出信号を受けた制御回路２１は、リレー接点１２を開路させるとともに、ゲート駆動回路２０を介してＭＯＳ−ＦＥＴ１８を連続的にオン状態とする。これにより、補助電源９の片側（電路Ｌ１側）端子が、リアクトル１６及びＭＯＳ−ＦＥＴ１８を介して接地側電路ＬＧと接続される。また、制御回路２１はＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオフ状態とし、放電制御回路１５をオン状態とする。これにより、補助電源９の電圧が、放電制御回路１５及びリアクトル１４を介して、モータ駆動回路５に供給され、モータ４に駆動用電力を供給することができる。すなわち、バッテリ７が故障しても、引き続き、補助電源９からモータ４に駆動用電力を供給することができる。
なお、バッテリ７故障時において、制御回路２１その他の、制御電源電圧を必要とする電子部品には、例えば、補助電源９の電圧に基づいて用意した制御電源電圧を供給することができる。

上記のように補助電源９を非常用電源として使用することができることにより、バッテリ７故障時に、操舵補助が可能となる時間を引き延ばすことができる。これにより、運転者にとっては、万一バッテリ７が故障しても、急に操舵補助停止となることなく、車両の停止や退避までの猶予時間を十分に確保することができる。なお、制御回路２１は、バッテリ７の故障時に、これを直ちに運転者に知らせる警告（表示灯や警告音）を行う。

以上のように、当該電動パワーステアリング装置１においては、バッテリ７の故障が検出されたときには、ＭＯＳ−ＦＥＴ１８を連続的にオン状態として第１の電路（電路Ｌ１）を接地側電路ＬＧへ接続し、かつ、充放電回路８に第２の出力状態を選択させて、補助電源９のみからモータ４に電力を供給することができる。これにより、補助電源９は、大電力供給時のみならず、非常用電源としても使用可能となる。しかも、補助電源９を非常用電源として使用するためのＭＯＳ−ＦＥＴ１８は、補助電源９を充電するための回路部品であるため、新規に回路部品を増設することなく、非常用電源の機能を持たせることができる。すなわち、大電力に対応可能な補助電源の機能のみならず、非常用電源の機能も備えながら、部品数を最小限に抑えた電動パワーステアリング装置を提供することができる。
また、バッテリ７の故障時には、リレー接点１２を開くことによりバッテリ７の放電を停止させるので、故障したバッテリ７が過度に放電することを、防止することができる。

なお、上記実施形態におけるＭＯＳ−ＦＥＴ１３，１８はスイッチング素子としての一例であり、他のスイッチング素子を使用することも可能である。
また、上記実施形態では、リレー接点１２は、開閉制御可能なスイッチとしたが、これに代えて、ＭＯＳ-ＦＥＴ等のスイッチング素子を使用することも可能である。

また、上記実施形態では、モータ４への電力供給に補助電源９を使用するか否かを決めるに当たって、制御回路２１は、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力を推定し、これを基準値と比較するとしたが、これ以外の決め方も可能である。例えば、モータ駆動回路５に供給される電流は、制御回路２１、ゲート駆動回路１１及びモータ駆動回路５によるアシスト制御によって、必要とされる操舵補助力に応じて変化する。従って、バッテリ７の電圧と、モータ駆動回路５に供給される電流とを実際に検出して、これらを乗じて電力の現在値を求め、この現在値が、バッテリ７のみから電力供給する場合の最大電力以下であればバッテリ７のみから電力を供給し、当該最大電力を超えていればバッテリ７と補助電源９との直列電源から電力を供給する、としてもよい。

本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気回路を主体とした概略構成を示す回路図であり、特に、主回路（制御回路以外）を示す回路図である。 図１に加えて、充放電回路の具体的な構成の他、制御用の回路要素や回路接続を記載した回路図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
４ モータ
７ バッテリ
８ 充放電回路
９ 補助電源
１０ 充電回路
１８ ＭＯＳ−ＦＥＴ（スイッチング素子）
２１ 制御回路
２５ 電圧検出器
Ｌ１ 電路（第１の電路）
Ｌ２ 電路（第２の電路）
ＬＧ 接地側電路

Claims (2)

1. モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置であって、
   前記モータに電力を供給するバッテリと、
   前記バッテリに対して直列に接続され、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、
   前記バッテリの故障を検出する検出器と、
   前記バッテリを電源とするインダクタンス回路に介挿されたチョッパ昇圧用のスイッチング素子をオン・オフ動作させることにより前記補助電源を充電する充電回路を含み、接地側電路に対して前記バッテリの電圧が印加される第１の電路から前記モータへ電力を供給する第１の出力状態と、前記接地側電路に対して前記バッテリ及び前記補助電源を互いに直列に接続した電源の電圧が印加される第２の電路から前記モータへ電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、
   必要な操舵補助力に応じて、前記充放電回路に、前記第１の出力状態及び第２の出力状態のいずれか一方を選択させる制御回路とを備え、
   前記検出器によって前記バッテリの故障が検出されたとき、前記制御回路は、前記スイッチング素子を連続的にオン状態として前記第１の電路を前記接地側電路へ接続し、かつ、前記充放電回路に前記第２の出力状態を選択させて、前記補助電源のみから前記モータに電力を供給することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記バッテリの端子から前記第１の電路へ至る途中に開閉制御可能なスイッチが介挿され、前記バッテリの故障が検出されたとき、前記制御回路は当該スイッチを開路させる請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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