JP5278051B2

JP5278051B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP5278051B2
Application number: JP2009052291A
Authority: JP
Inventors: 圭亮泉谷
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP2010202134A

Description

本発明は、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電動パワーステアリング装置に関する。

自動車の燃費向上や大気中の二酸化炭素削減のため、自動車が信号待ち等で停止しているときエンジンを停止し、発進時に再始動するアイドリングストップシステムが既に実用化されている。このようなアイドリングストップ中であっても、快適性や安全性を確保するためには、例えばエアコンを停止してはならず、夜間であればライトの点灯を維持しなければならない。但し、オルタネータが停止しているため、それ以外の特に大電流負荷の使用は避けたい状況である。ところが、このような状況下でも、大電流を使用する電動パワーステアリング装置を使用したい場合がある。

例えば、次の発車と同時に素早く車線変更したいので予めハンドルを切っておきたいと考える場合や、対向車の通過を待ちながら素早くＵターンしたいと考える場合等は、現在アイドリングストップ中であっても、運転者は操舵を行おうとする。ここで、アイドリングストップ中には電動パワーステアリング装置による操舵補助を行わないとすると、ステアリング操作が重たくなり、運転者には不便である。他方、操舵補助を行うと、大電流が流れることによってバッテリの電圧が下がり、操舵応答性が悪化して操舵中の引っ掛かり感を生じたり、最悪の場合はエンジン再始動が困難になる。

そこで、アイドリングストップ中の操舵に対して操舵補助を行う場合には、バッテリの電力消費が過大になることを防止すべく、発進の動作（アクセル踏み込みやブレーキ解除）を待たずにエンジンを再始動させるという装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。

特開２００５−２７１６４０号公報特開２００５−３５１２０２号公報

しかしながら、上記のような従来の装置では、結果的にエンジンの停止時間が短くなり、アイドリングストップシステムの本来の効果（燃費向上、二酸化炭素削減）が損なわれる。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、エンジンを再始動させることなく、アイドリングストップ中の操舵補助を無難に実現す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。

本発明は、エンジンのアイドリングストップ機能を有する車両に搭載され、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主電源としてのバッテリと、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源としてのキャパシタと、前記モータに供給すべき電力が、所定の閾値より小さいときは前記バッテリのみを電源として、当該閾値より大きいときは前記バッテリ及びキャパシタを電源として、前記モータへ、操舵トルクに応じて必要な操舵補助力を生じさせるための電力を供給する制御手段とを備え、アイドリングストップの状態であるとき、前記制御手段は、前記閾値をエンジン回転中より相対的に低く設定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では、アイドリングストップの状態であるとき、制御手段によって、閾値が、エンジン回転中より相対的に低く設定される。この結果、キャパシタのエネルギーが、より積極的に活用され、バッテリの電力消費が過大となることを防止できる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、キャパシタの残エネルギーを検出する検出手段を設け、当該検出手段によって検出された残エネルギーが減少して所定値を下回ったとき、制御手段は、閾値を上昇させる、という構成にしてもよい。
この場合、キャパシタの残エネルギーが少なくなると、閾値を上昇させてキャパシタの負担を軽減することで、放電限界を超えてキャパシタが放電することを防止できる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、残エネルギーが所定値を下回って０に近づくほど、閾値を漸次増大させることが好ましい。
この場合、閾値が急変せず徐々に変化するので、操舵応答性の変化を抑制することができる。従って、操舵中に、操舵の引っ掛かり感が生じることを防止できる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、アイドリングストップ中にキャパシタのエネルギーが、より積極的に活用され、バッテリの電力消費が過大となることを防止できる。従って、エンジンを再始動させることなく、アイドリングストップ中の操舵補助を無難に実現する電動パワーステアリング装置を提供することができる。

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る。操舵が行われた場合に、モータに供給されるべき電力Ｐ［Ｗ］が時間的に変化する様子の一例を示すグラフである。図２と同一の電力Ｐの変化に対して充放電閾値Ｐ_thを、より高く設定した例（Ｐ_th＝９０［％］）を示すグラフである。図２と同一の電力Ｐの変化に対して充放電閾値Ｐ_thを、より低く設定した例（Ｐ_th＝２０［％］）を示すグラフである。制御回路の制御動作を示すフローチャートである。図５のステップＳ１のサブルーチンである。図６のサブルーチンによって実現しようとする充放電閾値の変化特性を表すグラフである。

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る。この装置１は、エンジンのアイドリングストップ機能を有する車両に搭載される。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には、主電源としてのバッテリ６から、又は、バッテリ６に直列に補助電源としてのキャパシタ７を接続した電源から、電圧が付与される。キャパシタ７は、例えば、電気二重層コンデンサで構成されている。

バッテリ６の電圧は、電源リレー８の接点８ａ及びＭＯＳ−ＦＥＴ９が介挿された電路Ｌ１を経て、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ９はＮチャネルであり、ソースがバッテリ６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９ｄは、バッテリ６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。

キャパシタ７は、電路Ｌ１と、他の電路Ｌ２との間に設けられている。キャパシタ７の高電位側の電路Ｌ２は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１０を介してモータ駆動回路５に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１０はＮチャネルであり、ソースがモータ駆動回路５側、ドレインがキャパシタ７側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１０ｄは、キャパシタ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とは逆向きになっている。

上記２つのＭＯＳ−ＦＥＴ９及び１０は、ゲート駆動回路（ＦＥＴドライバ）１１により、交互にオン状態となるように駆動される。これら２つのＭＯＳ−ＦＥＴ９，１０及びゲート駆動回路１１によって構成される放電回路１２は、ＭＯＳ−ＦＥＴ９がオンのときは、バッテリ６からモータ駆動回路５及びモータ４に電力を供給し、ＭＯＳ−ＦＥＴ１０がオンのときは、バッテリ６及びキャパシタ７の直列体からモータ駆動回路５及びモータ４に電力を供給する。

上記ゲート駆動回路１１やモータ駆動回路５は、ＣＰＵ、メモリ、インターフェース等を含む制御回路１３によって制御される。
また、上記制御回路１３、モータ駆動回路５及び放電回路１２は、バッテリ６のみ又はバッテリ６及びキャパシタ７を電源として、モータ４へ、操舵トルクに応じて必要な操舵補助力を生じさせるための電力を供給する制御手段を構成するものである。
一方、電路Ｌ１と電路Ｌ２との間には充電回路１４が設けられている。充電回路１４は、バッテリ６の電圧を昇圧した電圧をキャパシタ７の端子間に印加するものであり、充電の時期は制御回路１３によって制御される。

キャパシタ７の端子間に接続された電圧検出器１５は、キャパシタ７の端子間電圧Ｖ_Cを検出してその検出信号を制御回路１３に送る。これにより、電圧検出器１５は、制御回路１３と共に、キャパシタ７のエネルギーを検出する検出手段となり得る。
また、制御回路１３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１６の出力信号、イグニッションキー１７のオン・オフ信号、変速機のシフト位置（例えば通常運転時のドライブレンジ等）を検出するシフト位置センサ１８の出力信号、ブレーキペダルの踏み込みや解除を検出するブレーキセンサ１９の出力信号、エンジン回転数を検出する回転数センサ２０の出力信号、及び、車速を検出する車速センサ２１の出力信号が、それぞれ入力される。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置１では、イグニッションキー１７がオン操作されると、電源リレー８が、制御回路１３からの指令信号により、オン（接点閉）の状態となる。また、制御回路１３からの指令信号により、充電回路１４はキャパシタ７を充電する。なお、充電は起動直後の他、その後もキャパシタ７の使用に応じて随時行われる。

また、電源リレー８がオンの状態となることで、操舵補助力を発生させることが可能となり、制御回路１３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がモータ４に供給されるようにモータ駆動回路５を駆動する。この所要電力が所定の閾値以下であるときは、制御回路１３の指令信号により、ＭＯＳ−ＦＥＴ９がオン状態、ＭＯＳ−ＦＥＴ１０がオフ状態となり、バッテリ６の電圧がモータ駆動回路５に導かれる。

一方、所要電力が閾値を超えるとき、すなわち、バッテリ６のみでは所要電力をまかないきれないときは、制御回路１３はＭＯＳ−ＦＥＴ９をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１０をオン状態とする。この結果、バッテリ６とキャパシタ７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６のみの出力可能電力を超える大電力を、モータ４に供給することができる。なお、このとき、ＭＯＳ−ＦＥＴ９の寄生ダイオード９ｄ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、キャパシタ７からの電流が電路Ｌ１に流入することは、阻止される。

図２は、操舵が行われた場合に、モータ４に供給されるべき電力Ｐ［Ｗ］が時間的に変化する様子の一例を示すグラフである。グラフ中の横方向の直線のうち二点鎖線は、バッテリ６から定常的に引き出すことができる最大電力Ｐ_max（電流で言えば最大電流Ｉ_max）を、実線は、前述の閾値に相当する充放電閾値Ｐ_th（電流で言えば充放電閾値Ｉ_th）を、それぞれ表している。この例では、充放電閾値Ｐ_thが、最大電力Ｐ_maxの６０％であるとする。電力Ｐが充放電閾値Ｐ_th以下の場合には、主電源であるバッテリ６が全電力を負担する。電力Ｐが充放電閾値Ｐ_thを超える場合には、超えた分だけを補助電源としてのキャパシタ７が負担し、それ以外はバッテリ６が負担する。放電によって失われたキャパシタ７のエネルギー（Ｐ_thより上の斜線部分）は、電力Ｐが充放電閾値Ｐ_thを下回ったときにバッテリ６からの充電によって随時補充される（Ｐ_thより下の斜線部分）。

図３は、図２と同一の電力Ｐの変化に対して充放電閾値Ｐ_thを、より高く設定した例（Ｐ_th＝９０［％］）を示すグラフである。この場合には、バッテリ６のみで全電力が負担され、キャパシタ７は少なくともこの時間帯では使用されない、ということになる。逆に、図４は、図２と同一の電力Ｐの変化に対して充放電閾値Ｐ_thを、より低く設定した例（Ｐ_th＝２０［％］）を示すグラフである。この場合には、キャパシタ７の負担が大きくなり、放電量が増大する。

次に、上記充放電閾値に関しての、上記電動パワーステアリング装置１における制御回路１３の制御動作について詳細に説明する。
図５は、制御回路１３の制御動作を示すフローチャートである。図において、制御回路１３（図１）は、充放電閾値決定のステップＳ１と、アシスト制御のステップＳ２とを繰り返し実行する。ステップＳ１で決定された充放電閾値は、ステップＳ２において使用される。

図６は、図５のステップＳ１のサブルーチンである。また、図７は、このサブルーチンによって実現しようとする充放電閾値の変化特性を表すグラフであり、横軸はキャパシタ７の残エネルギー［％］を表し、縦軸は充放電閾値［％］を表している。この変化特性のデータテーブルは、制御回路１３内のメモリに記憶されている。なお、データテーブルに代えて関数演算処理を行うことも可能である。グラフ中の細い実線はエンジン回転中の特性を示し、座標（０，１００）及び（２０，６０）の２点を結ぶ特性Ａの直線と、６０［％］で一定の通常レベルとによって構成されている。他方、グラフ中の太い実線はアイドリングストップ中の特性を示し、座標（０，１００）及び（２０，２０）の２点を結ぶ特性Ｂの直線と、２０［％］で一定の低レベルとによって構成されている。

キャパシタ７の残エネルギーＷ［Ｊ］は、下記式（１）のように表される。
Ｗ＝（１／２）・Ｃ・（Ｖ_C ²−Ｖ_L ²）．．．（１）
上記のＣはキャパシタ７のキャパシタンス［Ｆ］、Ｖ_C［Ｖ］はキャパシタ７の端子間電圧（現在値）、Ｖ_L［Ｖ］はキャパシタ７の放電限界となる下限電圧であり、Ｃ及びＶ_Lは定数である。ここで、満充電時の最大の電圧Ｖ_Cについての上記式（１）の残エネルギーＷを基準値として、任意の電圧Ｖ_Cについての残エネルギーＷを、％で表すものとする。すなわち、満充電時の残エネルギーＷは１００％であり、放電限界まで放電すれば残エネルギーは０％となる。この％表示の残エネルギーが、図７の横軸に表されている。一方、前述のように、バッテリ６から定常的に引き出すことができる最大電力Ｐ_maxを基準値として任意の充放電閾値Ｐ_thを％表示したものが、図７の縦軸の数値となる。

図６において、制御回路１３は、まず、車両がアイドリングストップ中か否かの判断を行う（ステップＳ１１）。アイドリングストップ中か否かは、イグニッションキー１７（図１）がオンのとき、各センサ（１８〜２１）の出力信号を参照して判断することができる。例えば、イグニッションキー１７がオンであって、車速が０になり、エンジン回転が停止したことを検出することにより、アイドリングストップの状態と判断することができる。また、必要に応じて、シフト位置がドライブレンジにあることや、ブレーキペダルを踏んでいることを条件とすることもできる。なお、エンジンを制御する制御装置（図示せず。）からアイドリングストップの状態であることを示す信号を受け取るようにすることも可能である。

ステップＳ１１において、車両が走行中等の、アイドリングストップの状態でない場合には、制御回路１３は、キャパシタ７の残エネルギーが所定値以下か否かを判断する（ステップＳ１５）。そして、所定値を上回っていれば、制御回路１３は、充放電閾値を通常レベルとする（ステップＳ１７）。この所定値の一例が２０［％］であり、図７において、エンジン回転中で、残エネルギーが２０［％］より多ければ充放電閾値は通常レベル、すなわち、この例では６０［％］である。このときのバッテリ６とキャパシタ７との電力負担は、前述の、図２に示すようになる。

また、ステップＳ１５において残エネルギーが所定値（２０［％］）以下であれば、充放電閾値は、特性Ａによって決まる値となる（ステップＳ１６）。すなわち、図７において、２０［％］以下の残エネルギーに対応する特性Ａの直線上の縦軸値が、充放電閾値（６０〜１００［％］）となる。残エネルギーが放電限界の０［％］になれば、充放電閾値は１００［％］となる。

一方、ステップＳ１１において、車両がアイドリングストップ中である場合には、制御回路１３は、キャパシタ７の残エネルギーが所定値以下か否かを判断する（ステップＳ１２）。そして、所定値を上回っていれば、制御回路１３は、充放電閾値を低レベルとする（ステップＳ１４）。この所定値の一例は同様に２０［％］であり、図７において、アイドリングストップ中で、残エネルギーが２０［％］より多ければ充放電閾値は低レベル、すなわち、この例では２０［％］である。このときのバッテリ６とキャパシタ７との電力負担は、前述の、図４に示すようになる。

このような処理によって、アイドリングストップ中に操舵が行われたとき、キャパシタ７のエネルギーをエンジン回転中よりもさらに積極的に活用し、バッテリ７の電力消費を抑制しつつ所要電力をモータ４に供給することができる。従って、エンジンを再始動させることなく、アイドリングストップ中の操舵補助を無難に実現する電動パワーステアリング装置を提供することができる。

ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４の処理に基づくアシスト制御Ｓ２（図５）が繰り返し行われている間に操舵により大量のエネルギーがキャパシタ７から失われる。そして、ステップＳ１２において残エネルギーが所定値（２０［％］）以下であれば、充放電閾値は、特性Ｂによって決まる値となる（ステップＳ１３）。すなわち、図７において、２０［％］以下の残エネルギーに対応する特性Ｂの直線上の縦軸値が、充放電閾値（２０〜１００［％］）となる。残エネルギーが放電限界の０［％］になれば、充放電閾値は１００［％］となる。

なお、アイドリングストップ中に残エネルギーが２０［％］以下となったとき、特性Ｂではなく、特性Ａを与えることもできるが、この場合には、充放電閾値が２０［％］から６０［％］へ一気に上昇することで、操舵応答性が変化し、操舵の引っ掛かり感を生じる可能性がある。しかし、特性Ｂを用いることで、充放電閾値は急変せず徐々に変化するので、操舵応答性の変化を抑制することができる。従って、操舵中に、操舵の引っ掛かり感が生じることを防止できる。

なお、上記実施形態の図７における特性の特徴点となる数値（残エネルギー２０［％］、充放電閾値２０，６０［％］）は例示であり、これらに限定される訳ではない。また、特性Ａ，Ｂも、必ずしも直線でなくてもよい。例えば、残エネルギーが０に近づくほど閾値が１００［％］に向かって滑らかに増加する曲線であってもよい。

１電動パワーステアリング装置
４モータ
５モータ駆動回路
６バッテリ
７キャパシタ
１２放電回路
１３制御回路
１５電圧検出器

Claims

エンジンのアイドリングストップ機能を有する車両に搭載され、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主電源としてのバッテリと、
前記モータに電力を供給することが可能な補助電源としてのキャパシタと、
前記モータに供給すべき電力が、所定の閾値より小さいときは前記バッテリのみを電源として、当該閾値より大きいときは前記バッテリ及びキャパシタを電源として、前記モータへ、操舵トルクに応じて必要な操舵補助力を生じさせるための電力を供給する制御手段とを備え、
アイドリングストップの状態であるとき、前記制御手段は、前記閾値をエンジン回転中より相対的に低く設定することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記キャパシタの残エネルギーを検出する検出手段を備え、当該検出手段によって検出された残エネルギーが減少して所定値を下回ったとき、前記制御手段は、前記閾値を上昇させる請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記残エネルギーが前記所定値を下回って０に近づくほど、前記閾値を漸次増大させる請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。