JP5154099B2 - 電動アシスト付きステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１個の電気モータ及び当該電気モータの制御のための電力用電子装置を有する自動車用電気機械式ステアリング装置に関する。

電動アシスト付きステアリング装置の概念は、運転者が開始したかじ取り運動に運転状況に応じてかじ取り運動を重ね合わせるために、電気モータが重ね合せ装置に駆動力を働かせるアクティブ・ステアリングを意味する。このようなステアリング装置は、例えばドイツ特許公開ＤＥ３９０８２１７Ａ１により公知である。また上述の形式のステアリング装置には、電気モータが補助かじ取り力を供給することによって、運転者が開始したかじ取り運動を支援することだけを任務とするステアリング装置が包含される。このようなステアリングでは、電気モータはたいていステアリングギヤのラックと伝動結合されている。

例えば同期又は非同期モータとして構成された電気モータの制御はコンバータ付きの電力用電子装置によって行われる。この電力用電子装置は自動車の車載回路網の電源電圧を、２０ｋＨｚ領域の周波数でクロック制御された複数のパルス幅変調信号に変換する。用途に応じて所望のモータ電流が電気モータのインダクタンスによってセットされるように、パスル幅変調信号の平均値が調整される。その場合モータ電流は用途に応じて例えば正弦形又は方形の波形を有する。電力用電子装置は複数の電力用トランジスタを包含する。電力用トランジスタが行うスイッチング操作によって、電磁両立性（ＥＭＣ）に影響する妨害信号が必然的に送出される。この妨害信号は例えば電気モータへの給電線、ステアリング装置のバッテリー給電線及びステアリング装置のその他の電気接続端子に通され、そこに妨害放射を引き起こす。直接的妨害放射のほかに自動車の他の導線への過結合及びそこから別の妨害放射及び／又は車載回路網へのガルバニック妨害伝送が起こる。

電力用電子装置又は電力用トランジスタの容量の充電又は放電のための長いスイッチング時間、即ち長い制御電圧及び／又は制御電流上昇及び／又は降下時間によって小さなＥＭＣ障害が生じるが、長いスイッチング時間で電力用電子装置の損失電力は大きく、このため電力用電子装置の激しい温度上昇が起こり、極端な場合は電力用電子装置及び電気モータの故障を招く。電気モータの制御を設計する場合、スイッチング時間を理論的最高環境温度又は最高電力用電子装置温度でなお許容される程度にゆっくりと一度だけ調整し又は確定する。こうして理論的最高温度で最大限許容される損失電力及び最大限許容される温度上昇に基づいて設計が行われる。

ＥＭＣを改善するには、費用のかかるフィルタ装置を設けなければならない。
ドイツ国特許出願公開公報ＤＥ３９０８２１７Ａ１（対応日本国公報：特開平１−２３３１６５）

本発明の根底にあるのは、ステアリング装置のＥＭＣを改善する課題である。

この課題は請求項１の特徴部分によって解決される。

発明の有利な改良が従属請求項に示されている。

本発明の根底には、電気モータの制御の設計の基礎をなす理論的最高温度に到達するのは統計的にごくまれであるという認識がある。最高温度が現れるのは、高温地域で使用中の車両で、年間の短い時期に、一日のうち最も暑い時間に、同時に車両の内燃機関の負荷が最大でかつ車速が低いとき、特に登坂走行時、同時に極端なステアリング操作が行われるときだけである。通常、電力用電子装置の実際温度又は電力用電子装置の環境温度はこの最大温度値より低いから、長い使用時間にわたってもっと長いスイッチング時間と、その結果より小さなＥＭＣ障害を実現できるはずである。ところが大部分の時間で不要に高いＥＭＣ障害を背負い込んでいる。本発明に基づき、電力用電子装置のスイッチング時間を少なくとも１個のセンサで測定した電力用電子装置の実際温度又は環境温度に適応させ、特になるべく僅かなＥＭＣ障害を生じるように、スイッチング時間を最大化する。その場合接続時間だけ又は遮断時間だけ、もしくは両者を同時に変化することは本発明に包含される。

本発明に基づきＥＭＣフィルタ装置を減少し、及び／又はＥＭＣ放射挙動を改善することができる。

本発明によれば電力用トランジスタの容量の充電又は放電のための電力用トランジスタの制御電圧及び／又は制御電流上昇速度を変化することによって、電力用電子装置の電力用トランジスタのスイッチング時間を変化することができる。特にトランジスタがソース端子とドレイン端子の間で導通するには、電力用トランジスタ、とりわけＭＯＳＦＥＴのゲート端子とソース端子の間の容量を充電しなければならない。その場合電力用トランジスタのドレイン又はソース端子は電気モータの巻線に接続されている。この容量の充電又は放電のための時間はおおむね電力用トランジスタのスイッチング時間に相当する。

最も簡単な場合は、少なくとも２つの異なるスイッチング時間の間で選択することができる。このスイッチング時間は、例えば異なる大きさのオーム抵抗を有する電力用トランジスタの２つの制御線のいずれか１つを選択することによって実現される。所定の温度を超えるときは、抵抗が小さい制御線、その結果より速いスイッチング時間が選択される。所定の温度を下回れば、代わりの制御線が使用される。さらに低い所定の電力用電子装置温度を下回った場合は、電力用トランジスタに制御電圧及び／又は制御電流を供給するためにこれらの接続線を同時に使用することが考えられる。

電力用電子装置（電力送出段）の電力用トランジスタに制御電流及び制御電流を供給する電力用トランジスタ駆動回路を設けることによって、電力用電子装置の温度又は電力用電子装置の環境へのスイッチング時間の細かく区分された又は連続的な適応が実現される。そこで電力用電子装置の部品のスイッチング時間の変更のために、電力用トランジスタ駆動回路が電力用電子装置の電力用トランジスタの接続時間を変えるための少なくとも１個の可変の、即ち調整可能な電源を有する構成になっている。スイッチによって可変電源が接続されると、制御電流が電力用トランジスタへ流れる。選んだ電流値に応じて電力用トランジスタの急速な又は緩慢な接続過程が生じる。プログラム可能な可変電源によって制御電流及び／又は制御電圧の上昇速度を変化することができる。車載回路網電圧は大きな変動があるから、可変電源に常に一定の、とりわけ１０Ｖの入力電圧を供給するために、電力用トランジスタ駆動回路が負荷ポンプを備えることが好ましい。

センサによって測定された温度に従って可変電源を制御するために、温度センサに接続した論理素子を設けることができる。論理素子は制御電流又は制御電圧の上昇速度を指定する。電力用トランジスタ駆動回路はデジタル又はアナログインタフェースを介して論理素子に接続することができる。デジタルインタフェースの場合は直列データ信号が流れ、伝送されるデータ信号に様々な電流上昇特性曲線を割り当てることができる。アナログ接続の場合は、伝送される電圧を調整可能な電源のための制御電圧として直接利用することができる。

電力用トランジスタの接続操作のための制御電圧及び／又は制御電流の上昇時間を変化するための少なくとも１個の調整可能な電源のほかに又は代わりに、電力用トランジスタの遮断時間を変化するための別の、別個に調整可能な電源を設けることができる。トランジスタの接続及び遮断時間を共通して変化することができる単一の共通の調整可能な電源を設けることも考えられる。

発明のその他の利点及び好ましい改良は、特許請求の範囲、および以下に添付図面を参照してなされる発明の実施形態の説明により明らかとなる。

同じ部品及び同じ機能の部品は図に同じ参照符号で表示した。

図１にステアリングホイールとして形成されたかじ取り手段２を有する電気機械式ステアリング１の概略図を示す。かじ取り手段２はステアリングロッド３を介してステアリングギヤ４と結合されている。ステアリングギヤ４はかじ取り手段２の回転運動を並進運動に変換する。並進運動は車輪かじ取り角の調整のために、リンク機構５を経て前車輪６に伝達される。運転者のかじ取り運動を支援するために、電気サーボモータ７がステアリングギヤ４に作用する。アクティブ・ステアリングでは電気モータ７に加えて又はその代わりに、ステアリングコラムの中の重ね合せ装置に作用する別の電気モータを設けることができる。この電気モータは本発明に基づき制御される。

電気モータ７の制御のために電力用電子装置８として、図１に図示しない複数の電力用トランジスタ（図２及び３を参照）を備えたコンバータ９が設けられている。トランジスタは容量の充電又は放電のための制御電圧又は制御電流を、図１に示さない調整可能な電源（図２を参照）を有する電力用トランジスタ駆動回路１０から得る。電力用トランジスタ駆動回路１０は接続線１１により自動車の車載回路網に接続されている。同様にコンバータ９は、被変調電圧又は電流を送るための接続線３７により車載回路網に接続されている。電力用トランジスタ駆動回路１０は論理素子１３に接続され、論理素子１３はセンサ１２が測定した電力用電子装置８の温度又は電力用電子装置８の環境温度に従って電源を調整又は制御する。測定された温度に従って制御電流及び／又は制御電圧の上昇速度を変化することによって、電力用電子装置の半導体部品のスイッチング時間が影響される。上昇時間が緩慢であれあるほど損失電力、それとともに熱放射が大きく、妨害信号の送出が小さい。本発明によれば、場合によっては安全温度範囲を差し引いた現在温度でなお許容される限り、スイッチング時間を長引かせることができ、その結果損失電力は高いが妨害信号は微弱である。

温度センサ１２は電力用トランジスタ駆動回路１０及び論理素子１３とともに１枚の回路板に配置することができる。回路板は電力用電子装置８とともに、排熱のために金属ブロックに配置される。また温度センサ１２を電力用トランジスタ駆動回路１０の直接的構成部分として形成することも可能である。その場合測定された温度は、おおむね電力用電子装置８の実際温度に相当するか又は少なくともこれに比例する電力用電子装置８の環境温度である。

図２に例えばステアリング装置のステアリングギヤ又は重ね合せ装置（アクティブ・ステアリング）に直接駆動力を働かせる電気モータ７を示す。

図示した電気モータ７の三相三線系は周方向に食違いに配置された３個の巻線１４、１５、１６を有する。これらの巻線は星形結線として配線された３本の相線Ｕ、Ｖ、Ｗにより電気エネルギーを供給される。相線Ｕ、Ｖ、Ｗは、コンバータ９として構成された電力用電子装置８に接続される。コンバータ８は６個の電力用トランジスタ１７〜２２、いわゆるＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体／シリコン電界効果トランジスタ）からなり、図平面でそれぞれ上下に配置された２個の電力用トランジスタ１７、１８；１９、２０；２１、２２が相線Ｕ、Ｖ、Ｗに割り当てられている。電力用トランジスタ対の各電力用トランジスタは逆向きにクロック制御され、巻線１４、１５、１６にパルス幅変調電圧又は電流を供給する。同時接続を回避するために、電力用トランジスタ対の各電力用トランジスタのスイッチングの間に休止時間が挿入される。コンバータ８に車載回路網電圧が供給され、電力用トランジスタ１７ないし２２によりスイッチングされ又は変調される。

電力用トランジスタのゲート端子Ｇ及びソース端子Ｓは電力用電子装置駆動回路１０に接続されている。本実施例では電力用電子装置駆動回路１０は各電力用トランジスタ１７ないし２２ごとに２個の可変かつ調整可能な電源２３、２４を有する。ここで図示の便宜上、電力用トランジスタ２１の制御のための電源２３、２４だけを示す。図平面で上側の電源２３はトランジスタ２１の接続操作のための制御電流又は制御電圧上昇速度を変化するために利用され、一方、下側の電源２４はトランジスタ２１の遮断操作のための制御電流又は制御電圧上昇速度を変化するために利用される。電源２３、２４はスイッチ２５、２６により接続および遮断することができる。

電力用電子装置８の温度に従って電源２３、２４を制御するために、論理素子１３が設けられている。図示の実施例で論理素子１３はデジタルインタフェース２７、２８（例えばＳＰＩ、Ｉ２Ｃ）を介して電力用電子装置駆動回路１０と連絡する。同様にアナログインタフェース（パルス幅変調、電圧）を利用することも考えられる。論理素子１３は、電力用電子装置の温度又はその環境温度を測定する温度センサ１２に接続されている。測定された温度に従って電源２３、２４が制御され、それによって電力用トランジスタ１７ないし２２のスイッチング時間が変更される。

図３に本発明の簡単な実施形態を示す。この実施形態によれば、３つの異なるスイッチング時間の間で変更することしかでないが、そのことがすでにＥＭＣの明瞭な改善に寄与する。図示の便宜上、電力用トランジスタ２１の制御だけを図解して説明する。電気モータ７及びコンバータ９の配置は図２の実施例と同様である。電力用トランジスタ２１のゲート端子Ｇは２つの制御線２９、３０に接続されている。これらの制御線は並列に配線され、定格電圧１０Ｖの定電流源３１に通じる共通の接続端子を有する。さらに電力用トランジスタ２１のソース端子Ｓが制御線３４を経て定電流源３１に接続される。各制御線２９、３０にオーム抵抗３２、３３が配置され、２つの抵抗３２、３３は異なる大きさを有する。各制御線２９、３０はスイッチ３５、３６により断続することができる。スイッチ３５、３６はその操作のために論理素子１３に接続され、論理素子１３は電力用電子装置８の温度の測定のための温度センサ１２に接続されている。温度センサは例えば図示のように電子部品の外部に（右側の図平面）もしくは補助的に又は代案として例えば電力用トランジスタ駆動回路１０の一部として構成することができる（中央の図平面）。測定される温度がどの温度範囲で推移するかに応じて、スイッチ３５、３６が操作される。こうして制御線を択一的又は累加的に使用することができる。その結果、異なる抵抗に基づき異なる大きさの電圧降下が生じることによって、電力用トランジスタ２１の制御電流又は制御電圧が影響され、こうして３つの異なるスイッチング時間の間で変更することができる。さらに別の制御線を設け、それとともにスイッチング時間のより細かい区分を設定することが考えられる。

電力用トランジスタ２１の遮断操作を行わせるために、各制御線２９、３０は各々１個のスイッチ４０、４１を有する各々１本の接続線３８、３９を経て制御線３４に接続されている。スイッチ４０、４１を閉じることによって、ゲート端子Ｇとソース端子Ｓの間に形成されたコンデンサが放電され、こうして電力用トランジスタ２１はゲート端子Ｇとドレイン端子Ｄの間の電流の流れを遮断する。

電気モータ及び制御装置を有するステアリング装置の概略図を示す。 制御装置を有するステアリング装置の電気モータの概略図を示す。 代替制御装置の概略図を示す。

符号の説明

１ ステアリング装置
２ かじ取り手段
３ ステアリングロッド
４ ステアリングギヤ
５ ステアリングリンク機構
６ 車輪
７ 電気モータ
８ 電力用電子装置
９ コンバータ
１０ 電力用電子装置駆動回路
１１ 接続線
１２ 温度センサ
１３ 論理素子
１４ 巻線
１５ 巻線
１６ 巻線
１７ 電力用トランジスタ
１８ 電力用トランジスタ
１９ 電力用トランジスタ
２０ 電力用トランジスタ
２１ 電力用トランジスタ
２２ 電力用トランジスタ
２３ 可変電源
２４ 可変電源
２５ スイッチ
２６ スイッチ
２７ インタフェース
２８ インタフェース
２９ 制御線
３０ 制御線
３１ 定電流源
３２ 抵抗器
３３ 抵抗器
３４ 制御線
３５ スイッチ
３６ スイッチ
３７ 接続線
３８ 接続線
３９ 接続線
４０ スイッチ
４１ スイッチ

Claims (9)

1. 少なくとも１個の電気モータ（７）及び当該電気モータ（７）の制御のための電力用電子装置（８）を有する自動車用の電気機械式のステアリング装置において、
   前記電力用電子装置（８）の温度及び／又は前記電力用電子装置（８）の環境温度の測定のための少なくとも１個の温度センサ（１２）が設けられ、測定された温度に従って電力用電子装置（８）のスイッチング時間が変更されるように構成されており、
   前記電力用電子装置（８）は、少なくとも１個の電力用トランジスタ（１７，１８，１９，２０，２１，２２）と、パルス幅変調のための周波数コンバータ（９）とを有しており、
   前記電力用トランジスタ（１７〜２２）のスイッチング時間の変更のために、前記電力用トランジスタ（１７〜２２）の容量の充電のための前記電力用トランジスタ（１７〜２２）の制御電圧の上昇速度及び／又は制御電流の上昇速度を変化させることができるように構成されていることを特徴とするステアリング装置。
2. 前記電力用トランジスタのゲート端子（Ｇ）及び／又はソース端子（Ｓ）が、異なる電気抵抗（３２、３３）を有する少なくとも２つの電気制御線（２９、３０）を介して電源（３１）に接続され、前記少なくとも２つの電気制御線（２９、３０）の一方に少なくとも１個のスイッチ（３５、３６）が配置され、前記電力用トランジスタ（１７〜２２）への制御電圧及び／又は制御電流の供給のために、測定された温度に従って、異なる制御線（２９、３０）が、択一的及び／又は累加的に接続及び／又は切断されることを特徴とする、請求項１に記載のステアリング装置。
3. 測定された温度に従って前記電気制御線（２９、３０）のスイッチ（４０、４１）を制御するために、少なくとも１個の論理素子（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項２に記載のステアリング装置。
4. 少なくとも１個の電力用トランジスタ駆動回路（１０）が設けられ、前記電力用トランジスタ（１７〜２２）の接続時間及び／又は遮断時間の変更のために、前記電力用トランジスタ駆動回路（１０）が少なくとも１個の可変電源（２３、２４）を具備することを特徴とする、請求項１に記載のステアリング装置。
5. 前記少なくとも１個の電力用トランジスタ（１７〜２２）の遮断時間及び／又は接続時間の変更のために、前記電力用トランジスタ駆動回路（１０）が少なくとも１個の別の可変電源（２４、２３）を具備することを特徴とする、請求項４に記載のステアリング装置。
6. 前記電力用トランジスタ駆動回路（１０）が、測定された温度に従って可変電源（２３、２４）を制御する少なくとも１個の論理素子（１３）を備えたマイクロコントローラに接続されていることを特徴とする、請求項４または５に記載のステアリング装置。
7. 前記電力用トランジスタ駆動回路（１０）と前記論理素子（１３）がデジタルインタフェース（２７、２８）を介して互いに結合されていることを特徴とする、請求項６に記載のステアリング装置。
8. 前記電力用トランジスタ駆動回路（１０）と前記論理素子（１３）がアナログインタフェースを介して互いに結合されていることを特徴とする、請求項６に記載のステアリング装置。
9. 温度の上昇とともにスイッチング時間が短くなるように、前記電力用電子装置（８）が制御されることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のステアリング装置。

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