JP5370139B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
特許文献1によると、電動機に複数組の三相巻線が設けられ、この三相巻線に電流を供給するインバータが各組の三相巻線に対応して設けられている。いずれかの組のインバータまたは三相巻線が故障した場合、故障したインバータから対応する三相巻線への電流供給を開閉器によって停止し、正常なインバータから対応する三相巻線への電流供給を行っている。
特許文献1では、1組の三相巻線は、各相ごとに複数の巻線から構成されている。そして一つの相を構成する複数の巻線は、それぞれ機械的な位相差が周方向に同一となるよう配置されている。このように巻線の配置による磁束分布を考慮することで、故障していない正常なインバータだけで電動機を駆動する場合、固定子と回転子との間に生じる径方向の電磁吸引力を相殺し、電動機を安定して駆動している。
特許文献2では、インバータ又は三相巻線が故障した場合、故障した相を故障検出手段によって特定し、その相に流れる電流をリレーによって遮断するとともに、正常な2相のみで電動機を駆動制御している。
また、インバータから三相巻線に供給する電流を2倍にすると、インバータに実装される半導体素子及び電子部品の耐熱性の向上を招くことになる。このため、電動機の駆動回路を多系統にしたことによる利点であるインバータ内の半導体素子及び電子部品のコスト低減を妨げることになる。
また、インバータ又は三相巻線が故障した場合、正常な2相によって電動機を駆動しているので、電磁吸引力が不平衡となり、電動機が振動するおそれがある。この振動が運転者の操作するステアリングホイールに伝わり、運転者に不安を与えることが懸念される。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電力変換器又は巻線の故障時に、運転者の操舵力を安全に、かつ継続して補助することの可能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。
また、他の目的は、製造コストを低減することの可能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。
これにより、電力変換器又は巻線の故障時に、電力変換器から対応する巻線に供給される電流が低下するので、運転者の操舵を補助する電動機の駆動力が低下する。このため、運転者の操舵力に変化を与え、運転者に故障の発生を気付かせることができる。したがって、電動パワーステアリング装置は、電力変換器又は巻線の故障時に、運転者の操舵力を安全に、かつ継続して補助することができる。
これにより、正常な電力変換器から対応する巻線への最大電流供給値は、故障検出以前の最大電流供給値とほぼ変わらず通電が継続される。このため、電力変換器に実装される半導体素子及び電子部品の温度上昇が抑制されるので、これらの部品の耐熱性能を低下することができる。したがって、製造コストを低減することができる。
なお、「最大電流供給値と同等」とは、最大電流供給値と同一、又は電力変換器に実装される半導体素子及び電子部品の耐熱性を超えない程度の電流供給値をいう。
また、一般に、電動パワーステアリング装置は、電力変換器の半導体素子及び電子部品が高温になったときに電力供給源から供給される電流を低減する保護機能を備えている。そこで請求項2に記載の発明では、制御手段が最大電流指令値を低減することで、電力変換器の半導体素子及び電子部品の温度上昇が抑制される。これにより、半導体素子及び電子部品が高温となる時間が遅くなり、保護機能の作用が抑制される。したがって、運転者は自らの操舵力に依存する割合の大きな運転に切り換えることなく、例えば自動車ディーラーなどの故障を修理する場所まで、車両を安全に運転することができる。
仮に、複数の巻線と複数の電力変換器との間に電流遮断手段を設けると、(電力変換器の数)×(巻線の数)の電流遮断手段が必要となる。これに対し、請求項3に記載の発明では、電力供給源と複数の電力変換器との間に電流遮断手段が設けられるので、電力変換器と同数の電流遮断手段によって故障電力変換器及び巻線への電流供給を停止することができる。このため、電流遮断手段を多数配設すること無く、製造コストを低減することができる。
また、電流遮断手段により、故障した系統の電力変換器及び巻線の電流供給を停止することで、他の正常な電力変換器及び巻線によって電動機を駆動することが可能となる。このため、電動機の固定子と回転子の電磁吸引力が安定し、電動機の振動を抑制することができる。したがって、運転者の操作するステアリングホイールに振動が伝わることなく、ステアリング操作を継続して滑らかにアシストすることができる。
これにより、運転者の視覚又は聴覚に注意喚起し、電動パワーステアリング装置の故障を気付かせることができる。なお、例えば聴覚などに障害がある運転者が運転している場合、聴覚又は視覚への注意喚起に気付かなくとも、上述した電動機の駆動力の低下により操舵力が明らかに変化するので、運転者は故障に気付くことができる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による電動パワーステアリング装置を図1〜図4に示す。
まず、電動パワーステアリング装置1の概略構成を図2に基づいて説明する。運転者の操舵するステアリングホイール2にステアリングシャフト3が接続されている。ステアリングシャフト3に加わる操舵トルクをトルクセンサ5が検出する。
電動機駆動制御装置6の設定した電流指令値に基づく電流が後述する電力変換器から電動機7に供給されると、電動機7が回転駆動する。電動機7の駆動力がギア8を経由してステアリングシャフト3に伝達されることで、運転者の操舵力が補助され、操舵輪9が操舵される。
電動パワーステアリング装置1は、電動機7に設けられた複数組の三相巻線11、12、電動機駆動制御装置6、電力変換器としてのインバータ13、14、故障検出装置15及び電流遮断手段としてのリレー16、17などを備えている。
本実施形態の電動機7は、三相ブラシレスモータである。電動機7は、図3に示す固定子71の突極に巻回される2組の三相巻線11、12を備えている。
一組の三相巻線11は、デルタ結線されたU相、V相、W相の巻線を有している。他組の三相巻線は、デルタ結線されたX相、Y相、Z相の巻線を有している。これら2組の三相巻線11、12は、回転軸Oを含む仮想平面Pを挟んで対称に配置されている。また、U相の巻線とX相の巻線、V相の巻線とY相の巻線、W相の巻線とZ相の巻線は、それぞれ同時に通電されるように制御されており、これらの巻線は、回転軸Oを挟んで対称に配置されている。
三相巻線11、12は、通電により回転磁界を発生する。この回転磁界が回転子72を回転させる電動機7の駆動力となる。
インバータ13、14は、例えば半導体素子としてのパワーMOSFET30〜35、40〜45、並びに、フライホイールダイオード、シャント抵抗36〜38、46〜48、及び図示しないコンデンサなどの電子部品から構成されている。
それぞれのインバータ13、14は、PWM回路によって作られたパルス信号がパワーMOSFET30〜35、40〜45にスイッチング信号として印加されることにより、電力供給源としてのバッテリー18から供給される電流を電流指令値の1/2の電流Ia、Ibに変換し、その電流Ia、Ibをそれぞれに対応する三相巻線11、12に供給する。
バッテリー18とインバータ13、14とを接続する分路に、各インバータ13、14に対応して電流遮断手段としてのリレー16、17が設けられている。2個のリレー16、17は、故障検出装置15が故障検出をした場合、電路を開くことで、故障したインバータ13、14とバッテリー18との間に流れる電流を遮断する。
注意喚起手段19は、故障検出装置15が故障検出をした場合、車両に搭載されるコンビネーションメータまたはナビゲーションディスプレイに配設されたウォーニングランプの点灯及びブザー音の少なくとも一方により運転者に注意喚起を行う。
電動パワーステアリング装置1の電動機7が駆動しているとき、故障検出装置15は、インバータ13、14または三相巻線11、12に流れる電流Ia、Ibの信号を電動機駆動制御装置6に伝達している(S1)。
電動機駆動制御装置6がインバータ13、14または三相巻線11、12の故障検出がされていないとき(S2:NO)、電動機駆動制御装置6は通常通り2系統の駆動回路により電動機7を駆動する(S3)。
一方、電動機駆動制御装置6がインバータ13、14または三相巻線11、12の故障を検出したとき(S2:YES)、電動機駆動制御装置6は故障系統および故障相を特定する(S4)。また、電動機駆動制御装置6は、注意喚起手段19により運転者に注意喚起を行う。
以下、一方のインバータ13が故障したものとして説明する。
続いて電動機駆動制御装置6は、インバータ13、14へ指令する最大電流指令値を故障したインバータ13を除く正常なインバータ14が故障検出以前に三相巻線12に供給していた最大電流供給値と同等にする(S6)。このとき、一方の系統が故障しているので、フィードバック制御において、2個のインバータ13、14を流れる電流Ia、Ibの合計は、電流指令値の約1/2として検出される。このため、フィードバック制御によって、正常なインバータ14に流れる電流が増加することになる。しかし、電動機駆動制御装置6が最大電流指令値を低減するので、正常なインバータ14から三相巻線12に供給される電流Ibは、故障検出以前の正常なインバータ14の最大電流供給値と同等またはそれ以下に維持される。
その後、電動機駆動制御装置6は、正常なインバータ14から対応する三相巻線12へ電流供給を継続させ、正常な系統のみで電動機7を駆動制御する(S7)。
次に、比較例の電動パワーステアリング装置を図8及び図9に基づいて説明する。
比較例の電動パワーステアリング装置20は、特許文献2に記載の電動パワーステアリング装置に対応するものである。
図8に示すように、電動パワーステアリング装置20は1系統の駆動回路により電動機28を駆動している。電動機28は、スター結線された1組の三相巻線Lu、Lv、Lwを有している。この三相巻線Lu、Lv、Lwに1個のインバータ24から電流が供給される。
各相の巻線に供給される電流を遮断するリレーRLY1、RLY2、RLY3は、それぞれインバータ24の各相のトランジスタと各相の巻線Lu、Lv、Lwとを接続する分路に設けられている。また、インバータ24と各相の巻線Lu、Lv、Lwとの間に各相の故障を検出する異常検出回路27が設けられている。
電動パワーステアリング装置20の電動機28が駆動しているとき、異常検出回路27は、インバータ24と各巻線Lu、Lv、Lwに流れる電流の信号を制御演算装置23に伝達している(S11)。
制御演算装置23がインバータ24又は各巻線Lu、Lv、Lwの故障検出がされていないとき(S12:NO)、制御演算装置23は三相で電動機28を駆動する(S13)。
一方、制御演算装置23がインバータ24又は各巻線Lu、Lv、Lwの故障を検出したとき(S12:YES)、異常検出回路27から伝達される信号により制御演算装置23が故障相を特定する(S14)。以下、W相のトランジスタQwa、Qwbが故障したものとして説明する。
次に、制御演算装置23は、正常なU相とV相で電動機28を駆動できるようFETゲート駆動回路25へ通電指令を出し(S16)、FETゲート駆動回路25(PWM回路)が通電指令に基づくパルス信号を出力し、正常な2相のみで電動機28を駆動する(S17)。
また、比較例では、1つの相に故障が発生した場合、残りの正常な2相によって電動機28を駆動する。このため、電動機の固定子と回転子の電磁吸引力が不平衡となり、電動機28が振動するおそれがある。この振動が運転者の操作するステアリングホイールに伝わると、運転者に不安を与えることが懸念される。
本実施形態では、各インバータ13、14に対応してバッテリー18と各インバータ13、14とを接続する分路にそれぞれリレー16、17が設けられている。これにより、リレー及びその回路を多数配設すること無く、故障した系統への電流供給を1個のリレーで停止することができるので、製造コストを低減することができる。
また、本実施形態では、電動機駆動制御装置6は、リレー16により、故障した系統のインバータ13及び三相巻線11の電流供給を停止し、他の正常なインバータ14及び三相巻線12によって電動機7を継続して駆動する。正常な系統の三相巻線12の各相の巻線は、仮想平面Pの一方に均等に配置されているので、固定子71と回転子72に生じる電磁吸引力が安定する。このため、故障時に電動機7の振動を抑制することができる。したがって、運転者の操作するステアリングホイール2に振動が伝わることなく、運転者は継続して滑らかなステアリング操舵を行うことができる。
しかしながら、従来技術で述べた特許文献1の記載のように、故障時にインバータから三相巻線に供給する電流を2倍にすると、インバータに実装される半導体素子及び電子部品の耐熱性能の向上を招くことになる。このため、電動機の駆動回路を多系統にしたことによる利点であるインバータ内の半導体素子及び電子部品の低コスト化を妨げることになる。
また、故障時にインバータから三相巻線に供給する電流を2倍にすると、故障前と故障後で電動機の駆動力が同等に維持される。このため、運転者は故障の発生に気付くことなく運転を継続するおそれがある。
さらに、電動機駆動制御装置6は、故障時に注意喚起手段19により運転者の聴覚又は視覚に注意喚起すると共に、電流指令値を低下する。このため、例えば聴覚などに障害がある運転者が運転している場合、聴覚又は視覚能力に注意喚起する機能に気付かなくとも、電流指令値の低下に伴う電動機7の駆動力の低下により、ステアリングホイールの操舵力が明らかに変化するので、運転者は故障の発生に気付くことができる。したがって、電動パワーステアリング装置1は、故障時に、運転者の操舵力を安全に、かつ継続して補助することができる。
本発明の第2実施形態による電動パワーステアリング装置の電動機の巻線の配置を図5に示す。第2実施形態では、固定子73の突極に巻回される各相の巻線がそれぞれ機械的な位相差が周方向に同一となるように配置されている。つまり、破線Qに示すように、一方の駆動系統のU相の巻線と、V相の巻線と、W相の巻線は、機械的な位相差を120°とするように配置されている。同様に、破線Rに示すように、他方の駆動系統のX相の巻線と、Y相の巻線と、Z相の巻線は、機械的な位相差を120°とするように配置されている。
本発明の第3実施形態による電動パワーステアリング装置の回路構成を図6に示す。
本実施形態の電動パワーステアリング装置の備える電動機は、ブラシ付き電動機である。このブラシ付き電動機は、回転子に2組の巻線51、52を有している。2組の巻線51、52には、それぞれ2個の電力変換器であるHブリッジ回路53、54から電流Ia、Ibが供給される。
なお、2組の巻線51、52は、例えば、回転子の回転軸を含む仮想平面を挟んで対称に配置されている。また、各巻線51、52を構成する各相の巻線がそれぞれ機械的な位相差を周方向に同一とするように配置されていてもよい。
本実施形態の電動パワーステアリング装置の故障時の作動は、図7のフローチャートに示す通り、第1実施形態の故障時の作動と実質的に同一であるので、説明を省略する。
また、故障時に正常なHブリッジ回路54から対応する巻線52への最大電流供給値は、故障検出以前の最大電流供給値とほぼ変わることなく通電が継続される。これにより、多系統の駆動回路により電動機を駆動することによるHブリッジ回路53、54のスイッチング素子60〜63、70〜73及び電子部品の耐熱性低下の利点を生かし、製造コストを低減することができる。
さらに、一方の系統の故障時に、電動機駆動制御装置6が電流指令値を低下することで、電動機の駆動力が低下し、操舵力が明らかに変化する。このため、運転者は故障の発生に気付くことができる。したがって、電動パワーステアリング装置は、Hブリッジ回路53、54又は巻線51、52の故障時に、運転者の操舵力を安全に、かつ継続して補助することができる。
上述した複数の実施形態では、電動機駆動制御装置6は、故障検出時に電流指令値を低減した。これに対し、電動機駆動制御装置6は、故障検出時に電圧指令値を低減してもよい。この場合、電力変換器は、電力供給源から供給される電力を電圧指令値に基づく電圧に変換し、電動機の巻線に印加する。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
Claims (4)
- 運転者の操舵力を電動機の駆動力により補助する電動パワーステアリング装置であって、
電力供給源と、
前記電動機の駆動力に必要な電流指令値を設定する制御手段と、
前記電力供給源から供給される電流を前記電流指令値に基づく電流に変換する複数の電力変換器と、
複数の前記電力変換器に対応して設けられ、複数の前記電力変換器からそれぞれ電流を供給されることで電動機の駆動力を発生する複数組の巻線と、
前記電力変換器または前記巻線に流れる電流を検出することで、前記電力変換器または前記巻線の故障を検出する故障検出手段と、
複数の前記電力変換器から複数組の前記巻線へ供給される電流が前記電流指令値に対応するように制御するフィードバック制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
複数の前記電力変換器から複数組の前記巻線へ供給される電流の合計値として前記電流指令値を設定し、
前記故障検出手段が故障検出をした場合の前記電流指令値を正常時の前記電流指令値よりも低減し、正常な前記電力変換器から対応する前記巻線へ電流を継続して供給し、
前記故障検出手段が故障検出をした場合、前記制御手段は複数の前記電力変換器に指令する最大電流指令値を、故障した前記電力変換器を除く正常な前記電力変換器が故障検出以前に巻線に供給していた最大電流供給値と同等にすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。 - 前記故障検出手段が故障検出をした場合、前記制御手段は複数の前記電力変換器に指令する前記電流指令値を、故障した前記電力変換器を除く正常な前記電力変換器が故障検出以前に巻線に供給していた電流供給値に低減することを特徴とする請求項1に記載の電動パワーステアリング装置。
- 複数の前記巻線と複数の前記電力変換器とを接続する分路に設けられることなく、前記電力供給源と複数の前記電力変換器とを接続する分路にそれぞれの前記電力変換器に対応して設けられ、前記故障検出手段が故障検出した場合、故障した前記電力変換器と前記電力供給源との間に流れる電流を遮断する複数の電流遮断手段をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記故障検出手段が故障検出をした場合、車両に搭載されるコンビネーションメータまたはナビゲーションディスプレイに配設されたウォーニングランプの点灯及びブザー音の少なくとも一方により運転者に注意喚起を行う注意喚起手段をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
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