JP5233323B2

JP5233323B2 - 補助電源装置及び電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP5233323B2
Application number: JP2008049332A
Authority: JP
Inventors: 敏明應矢
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: CN101959742B; WO2009107638A1; EP2246239A4; JP2009202807A; EP2246239B1; EP2246239A1; CN101959742A; US20110000736A1; US8593084B2

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、特にその補助電源装置に関する。

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、主電源としてのバッテリだけでは、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２次電池の補助電源を設け、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。）。

特開２００５−２８７２２２号公報（図１）

上記のような従来の電動パワーステアリング装置における補助電源は、その充電状態や端子電圧が一定ではなく、随時変動する。従って、補助電源の使用時に、常に安定した電力補助ができるとは限らず、実際にどの程度の電力を引き出すことになるのかが、不確定である。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、補助電源の使用時に、常に安定した電力補助を行うことができる補助電源装置及びこれを用い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。

本発明の補助電源装置は、モータに電力を供給する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、前記バッテリの消費電力を検出する電力検出手段と、前記バッテリに基づいて前記補助電源の充電を行う充電回路と、前記バッテリのみから前記モータに電力を供給する第１の状態と、前記バッテリに前記補助電源を直列に接続した電源から前記モータに電力を供給する第２の状態とを、スイッチング素子のオン・オフにより選択的に構成する放電回路と、前記電力検出手段の検出する消費電力が所定の上限値を超えている場合、その偏差に基づいて、前記スイッチング素子をパルス幅変調制御によりオン・オフさせる際のデューティを操作量とする電力フィードバック制御を行うことにより、前記電力検出手段の検出する消費電力が上限値に戻るよう制御する制御回路とを備えたものである。

上記のように構成された補助電源装置では、上限値を超えるバッテリの消費電力に対しては、電力フィードバック制御における偏差に基づいてデューティを設定することにより、偏差に対応した電力が補助電源から引き出され、バッテリの消費電力は滑らかに上限値に戻される。この場合、補助電源自体の電圧にばらつきがあっても、補助電源から所望の電力を引き出すことができる。

また、上記補助電源装置において、制御回路は、電力検出手段の検出する消費電力が、上限値より小さい所定の閾値以上であるとき、電力フィードバック制御を行い、かつ、当該消費電力が上限値以下のときは、第２の状態を選択するデューティを０とするようにしてもよい。

この場合、バッテリの消費電力が上限値を超えなくても閾値以上であれば、電力フィードバック制御が行われるので、電力フィードバック制御開始時の制御の不連続性が、補助電源の放電開始と同時に現れないようにすることができる。これにより、スイッチング素子のスイッチングが、開始・停止を繰り返すことによるノイズ（騒音）の発生を防止することができる。また、モータのトルク変動を防止することができる。
一方、デューティを０とすることにより、消費電力が閾値以上で上限値以下の場合に、電力フィードバック制御を、実効性の無いものとすることができる。すなわち、上限値以下の消費電力を上限値に近づけるような無意味な制御が行われないようにすることができる。

また、上記補助電源装置において、制御回路は、電力検出手段の検出する消費電力が閾値より小さいとき、電力フィードバック制御を停止するようにしてもよい。
この場合、バッテリの消費電力が小さいときは、無駄な電力フィードバック制御を行わなくてよい。

一方、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、前記バッテリの消費電力を検出する電力検出手段と、前記バッテリに基づいて前記補助電源の充電を行う充電回路と、前記バッテリのみから前記モータに電力を供給する第１の状態と、前記バッテリに前記補助電源を直列に接続した電源から前記モータに電力を供給する第２の状態とを、スイッチング素子のオン・オフにより選択的に構成する放電回路と、前記電力検出手段の検出する消費電力が所定の上限値を超えている場合、その偏差に基づいて、前記スイッチング素子をパルス幅変調制御によりオン・オフさせる際のデューティを操作量とする電力フィードバック制御を行うことにより、前記電力検出手段の検出する消費電力が上限値に戻るよう制御する制御回路とを備えたものである。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置では、上限値を超えるバッテリの消費電力に対しては、電力フィードバック制御における偏差に基づいてデューティを設定することにより、偏差に対応した電力が補助電源から引き出され、バッテリの消費電力は滑らかに上限値に戻される。この場合、補助電源自体の電圧にばらつきがあっても、補助電源から所望の電力を引き出すことができる。

本発明の補助電源装置又は電動パワーステアリング装置によれば、上限値を超えるバッテリの消費電力は、偏差に対応した電力補助により、滑らかに上限値に戻される。この場合、補助電源自体の電圧にばらつきがあっても、補助電源から必要な電力を引き出すことができる。従って、補助電源の使用時に、常に安定した電力補助を行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る補助電源装置１を含む、電動パワーステアリング装置２の電気回路を主体とした構成を示す回路図である。図において、ステアリング装置３は、ステアリングホイール（ハンドル）４に付与される運転者の操舵トルクと、モータ５が発生する操舵補助力とによって駆動される。モータ５は、３相ブラシレスモータであり、モータ駆動回路６により駆動される。モータ駆動回路６は、３相ブリッジ回路を構成する６個のスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）６１〜６６と、これらをスイッチングする駆動回路（ＦＥＴドライバ）６７とを備えている。駆動回路６７は、制御回路２０によって制御される。

モータ駆動回路６は、接地側電路ＬＧを介して、バッテリ７の負極と接続されている。バッテリ７は、主電源としてモータ駆動回路６に電力を供給する。バッテリ７には、直列に電流検出器８が、並列に電圧検出器９が、それぞれ接続されている。電流検出器８はバッテリ７の出力する電流（Ｉ_Bとする。）を検出して、その検出信号を制御回路２０に送る。電圧検出器９はバッテリ７の端子間に生じる電圧（Ｖ_Bとする。）を検出して、その検出信号を制御回路２０に送る。制御回路２０では、２つの検出信号に基づき乗算処理を行い、電力（Ｖ_B・Ｉ_B）を求める。すなわち、電流検出器８及び電圧検出器９は、制御回路２０と共に、バッテリ７の消費電力を検出する電力検出手段を構成している。なお、厳密にはバッテリ７の内部でも電力消費があるが、これは、外部に出力される電力に比べて非常に小さい。従って、外部に出力される電力が、バッテリ７の消費電力である、とする。

補助電源１０は、電気二重層コンデンサで構成されており、バッテリ７に対して、直列に接続されている。また、補助電源７に並列に、電圧検出器１１が接続されている。電圧検出器１１は補助電源７の端子間に生じる電圧（Ｖ_Cとする。）を検出して、検出信号を制御回路２０に送る。電流検出器８における電圧降下は小さいのでこれを無視すると、電路Ｌ１には、電路Ｌ１にはバッテリ７の電圧Ｖ_Bが印加され、他方、電路Ｌ２には、バッテリ７の電圧Ｖ_Bと補助電源１０の電圧Ｖ_Cとの和の電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C）が印加される。

電路Ｌ１及びＬ２はそれぞれ、スイッチング素子１２及び１３（ＭＯＳ−ＦＥＴ）を介して共に、電路Ｌ３に接続される。この電路Ｌ３が、モータ駆動回路６に接続されている。スイッチング素子１２，１３は、駆動回路（ＦＥＴドライバ）１４からＰＷＭ（パルス幅変調）制御された駆動信号が付与されることにより、スイッチングされる。駆動回路１４は、制御回路２０によって制御される。スイッチング素子１２，１３と駆動回路１４とを含む放電回路１５は、バッテリ７のみからモータ５に電力を供給する第１の状態と、バッテリ７に補助電源１０を直列に接続した「電源」からモータ５に電力を供給する第２の状態とを、スイッチング素子１２，１３のオン・オフにより選択的に構成する。

補助電源１０は、充電回路２１によって充電される。この充電回路２１は、リアクトル１６と、交互にオンとなるスイッチング素子１７，１８（ＭＯＳ−ＦＥＴ）と、スイッチング素子１７，１８をスイッチングする駆動回路（ＦＥＴドライバ）１９と、ダイオード２５とを備えている。駆動回路１９は、制御回路２０によって制御される。

制御回路２０には、ステアリングホイール４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２０に入力される。モータ５には、ロータ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２０に入力される。

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、制御回路２０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、モータ駆動回路６を動作させ、モータ５を駆動させる。

一方、充電回路２１においてスイッチング素子１７がオン状態、スイッチング素子１８がオフ状態のときは、バッテリ７からリアクトル１６、スイッチング素子１７を通って電流が流れる。その状態からスイッチング素子１７がオフ状態（スイッチング素子１８がオン状態）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２５を介して、補助電源１０が充電される。従って、スイッチング素子１７，１８のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源１０を充電することができる。制御回路２０は、補助電源１０の電圧Ｖ_Cを監視し、一定の電圧に達していない場合には、駆動回路１９を介してスイッチング素子１７，１８をオン・オフさせ、補助電源１０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。

次に、放電回路１５の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。図２のフローチャートに示す放電制御は、制御回路２０において繰り返し実行される。まず、制御回路２０は、電流検出器８及び電圧検出器９からの出力信号の乗算値に基づいて、バッテリ７の現在の消費電力を検出し（ステップＳ１）、消費電力が上限値以下であるか否かの判断を行う（ステップＳ２）。ここで、上限値とは、バッテリ７のみから取り出してもよいと考えられる消費電力の最大値である。消費電力が上限値を超えている場合は、後述の電力フィードバック制御が行われる（ステップＳ３）。

一方、ステップＳ２において消費電力が上限値以下である場合、続いて制御回路２０は、消費電力が閾値より小さいか否かの判断を行う（ステップＳ４）。ここで、閾値とは、上限値よりも小さい所定の値である。ステップＳ４において消費電力が閾値より小さい場合は、そのまま処理終了となる。また、消費電力が閾値以上である場合は、後述の電力フィードバック制御（但し、リミット処理付き）が行われる（ステップＳ５）。

図３は、電力フィードバック制御の制御系の構成を示す図である。図において、制御回路２０内の比較部２０１は、上限値と、検出器８，９（電流検出器８，電圧検出器９）からフィードバックされるバッテリ７の消費電力とを比較し、その偏差に、ＰＩ演算部２０２にてＰＩ演算が施される。偏差は、フィードバックされるバッテリ７の消費電力が、上限値を超えている場合には正の値になるものとする。逆に、消費電力が上限値より小さい値である場合には、偏差は負の値となる。

ＰＩ演算部２０２は、リミット処理部２０３を含んでいる。リミット処理部２０３は偏差が負の値でない（正の値又は０）場合には何もせず、ＰＩ演算部２０２は、制御系の操作量としてのデューティを出力する。偏差が負の値である場合には、リミット処理部２０３は、強制的にデューティ０を出力する（リミット処理）。このデューティとは、放電回路１５の駆動回路１４がスイッチング素子１２，１３のＰＷＭ制御を行う際に用いられるものであり、例えば、デューティが１であればスイッチング素子１３が連続的にオン、スイッチング素子１２が連続的にオフの状態となる。逆に、デューティが０であればスイッチング素子１２が連続的にオン、スイッチング素子１３が連続的にオフの状態となる。

また、デューティが０〜１の範囲内の値であれば、その値に応じて、スイッチング素子１３のオン時間（スイッチング素子１２のオフ時間）の割合が変化する。スイッチング素子１３のオン時間の割合を増大させると、補助電源１０から引き出す電圧が増大し（但し、出力可能な電圧の範囲内）、補助電源１０が負担する電力が多くなるので、バッテリ７の負担は軽減される。従って、バッテリ７の消費電力を抑制することができる。このような電力フィードバック制御により、偏差が０、すなわち、バッテリ７の消費電力が、上限値に滑らかに戻される。

図４は、バッテリ７の消費電力の変化に対して補助電源１０がどのように使用されるかの一例を示すグラフである。図中の数字は、図２のフローチャートに記載した処理ルートの符号と対応している。図４において、バッテリ７の消費電力が図示のような曲線で変化する場合、まず、時刻ｔ１に至るまでの時点においては、消費電力が、上限値及び閾値の双方よりも小さい値である。この場合には、補助電源１０は使用されず、図１のスイッチング素子１２がオン、１３がオフとなって、バッテリ７のみからモータ５に必要な電力が供給される。

次に、時刻ｔ１において、消費電力が閾値に達し、電力フィードバック制御がリミット処理付きで開始される。従って、偏差に基づくＰＩ演算が開始されるが、リミット処理により、デューティは０となる。デューティ０の場合、図１のスイッチング素子１２がオン、１３がオフとなって、バッテリ７のみからモータ５に必要な電力が供給される。すなわち、補助電源１０の放電は無い。この状態は時刻ｔ２まで続き、時刻ｔ２より後の時点では、消費電力は上限値を超える。

消費電力が上限値を超えると直ちに、電力フィードバック制御がリミット処理無しで行われ、偏差を無くすように駆動回路１４のＰＷＭ制御におけるデューティが設定される。従って、バッテリ７に補助電源１０を直列に接続した電源からモータ５に電力が供給され、バッテリ７の電力負担は減少する。この結果、消費電力は時刻ｔ３には上限値に戻り、時刻ｔ３より後で、時刻ｔ４までは、電力フィードバック制御がリミット処理付きで実行される。従って、偏差に基づくＰＩ演算は行われるが、リミット処理により、デューティは０となる。デューティ０では、図１のスイッチング素子１２がオン、１３がオフとなって、バッテリ７のみからモータ５に必要な電力が供給される。すなわち、補助電源１０の放電は無い。

また、時刻ｔ４より後は、消費電力が上限値及び閾値の双方より小さい値となる。従って、電力フィードバック制御は停止となる。これにより、消費電力が十分に低下してから電力フィードバック制御が停止されることになり、また、バッテリ７の消費電力が小さいときに、無駄な電力フィードバック制御を行わなくてよい。この状態では補助電源１０は使用されず、図１のスイッチング素子１２がオン、１３がオフとなって、バッテリ７のみからモータ５に必要な電力が供給される。

このようにして、バッテリ７の消費電力に基づいて、上限値を超えるバッテリ７の消費電力に対しては、電力フィードバック制御における偏差に基づいてデューティを設定することにより、偏差に対応した電力が補助電源１０から引き出され、バッテリ７の消費電力は滑らかに上限値に戻される。この場合、補助電源１０自体の電圧にばらつきがあっても、補助電源１０から所望の電力を引き出すことができる。従って、補助電源１０の使用時に、安定した電力補助を行うことができる。

また、消費電力が上限値を超える前から電力フィードバック制御（但し、リミット処理付き）は始まっており、ＰＩ演算が行われているので、電力フィードバック制御開始時の制御の不連続性が、補助電源１０の放電開始と同時に現れないようにすることができる。これにより、スイッチング素子１２，１３のスイッチングが、開始・停止（ＰＷＭによるスイッチングのオン・オフの意味ではなく、スイッチングという動作状態をとるか否か）を繰り返すことによるノイズ（騒音）の発生を防止することができる。また、モータ５のトルク変動を防止することができる。

逆に、消費電力が低下に転じて上限値以下となっても閾値より小さくなるまでは、電力フィードバック制御（但し、リミット処理付き）を継続するので、上限値近傍で消費電力が変動しても、上記と同様に、補助電源１０が放電を再開するときに、制御の不連続性が同時に現れないようにすることができる。

なお、上記実施形態では一旦上限値を超えた消費電力が上限値以下になると補助電源１０の放電を停止させるようにしたが、これとは異なる制御も可能である。例えば、上限値近傍で消費電力が細かく変動する場合には、一旦補助電源１０が放電を開始した後は、瞬時的に消費電力が上限値以下となっても直ちに放電を停止させず（すなわち、リミット処理を保留し）、デューティが０になるまで補助電源１０の放電を継続するようにしてもよい。

また、上記実施形態において制御回路２０は、モータ駆動回路６の制御も行うものとしたが、モータ駆動回路６の制御を行う制御回路と、補助電源１０に関する制御を行う制御回路とを別々に設けることもできる。図５は、その一例を示す回路図である。この場合、制御回路２０Ａは、モータ駆動回路６の制御を行い、制御回路２０Ｂは、補助電源１０に関する制御を行う。このような構成によれば、電源制御を、モータ制御と独立して設けることができ、補助電源装置１が、いわば自己完結で電力マネージメントを実現することができる。これにより、補助電源装置１をモータ仕様に合わせてカスタマイズすることが不要となり、低コスト化に寄与する。また、補助電源装置１をユニット化することもできる。

本発明の一実施形態に係る補助電源装置を含む、電動パワーステアリング装置の電気回路を主体とした構成を示す回路図である。放電制御のフローチャートである。電力フィードバック制御の制御系の構成を示す図である。バッテリの消費電力の変化に対して補助電源がどのように使用されるかの一例を示すグラフである。図１の変形としての回路図であり、モータ駆動回路用の制御回路と、補助電源装置用の制御回路とを別々に設けた構成を示す。

符号の説明

１補助電源装置
２電動パワーステアリング装置
７バッテリ
８電流検出器
９電圧検出器
１０補助電源
１２，１３スイッチング素子
１５放電回路
２０，２０Ｂ制御回路
２１充電回路

Claims

モータに電力を供給する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、
前記バッテリの消費電力を検出する電力検出手段と、
前記バッテリに基づいて前記補助電源の充電を行う充電回路と、
前記バッテリのみから前記モータに電力を供給する第１の状態と、前記バッテリに前記補助電源を直列に接続した電源から前記モータに電力を供給する第２の状態とを、スイッチング素子のオン・オフにより選択的に構成する放電回路と、
前記電力検出手段の検出する消費電力が所定の上限値を超えている場合、その偏差に基づいて、前記スイッチング素子をパルス幅変調制御によりオン・オフさせる際のデューティを操作量とする電力フィードバック制御を行うことにより、前記電力検出手段の検出する消費電力が上限値に戻るよう制御する制御回路と
を備えたことを特徴とする補助電源装置。
前記制御回路は、前記電力検出手段の検出する消費電力が、前記上限値より小さい所定の閾値以上であるとき、前記電力フィードバック制御を行い、かつ、当該消費電力が前記上限値以下のときは、前記第２の状態を選択するデューティを０とする請求項１記載の補助電源装置。
前記制御回路は、前記電力検出手段の検出する消費電力が前記閾値より小さいとき、前記電力フィードバック制御を停止する請求項２記載の補助電源装置。
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、
前記バッテリの消費電力を検出する電力検出手段と、
前記バッテリに基づいて前記補助電源の充電を行う充電回路と、
前記バッテリのみから前記モータに電力を供給する第１の状態と、前記バッテリに前記補助電源を直列に接続した電源から前記モータに電力を供給する第２の状態とを、スイッチング素子のオン・オフにより選択的に構成する放電回路と、
前記電力検出手段の検出する消費電力が所定の上限値を超えている場合、その偏差に基づいて、前記スイッチング素子をパルス幅変調制御によりオン・オフさせる際のデューティを操作量とする電力フィードバック制御を行うことにより、前記電力検出手段の検出する消費電力が上限値に戻るよう制御する制御回路と
を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。