JP5409692B2

JP5409692B2 - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP5409692B2
Application number: JP2011092023A
Authority: JP
Inventors: 康弘川中; 卓弘岡上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: JP2012224149A; US20120261207A1; FR2974055A1; CN102745227A; US8789645B2; FR2974055B1; CN102745227B

Description

この発明は電動パワーステアリング装置に関し、特に、電動機の動力を車両用ステアリングシステムに作用させることで操舵力を軽減させるための電動パワーステアリング装置に関する。

例えば、特許文献１に記載されているように、従来の電動パワーステアリング装置は、電動機駆動手段のＰＷＭ信号を監視し、それに基づいて装置の異常を判定して、異常信号を発生する故障検出手段を備えている。異常が発生した場合は、異常信号に基づいて、リレー回路を遮断し、電動機駆動手段への電源供給を停止する。

このように、この発明に係る電動パワーステアリング装置は、上記のような故障検出手段を備え、異常信号に基づいてリレー回路を遮断し、電動機駆動手段へ電源供給を停止するので、ＰＷＭ信号に影響を及ぼすあらゆる異常から、装置を保護することができる。

特許文献１では、異常発生時、電動機駆動手段への電源供給を停止するために、車輌の電源と電動機駆動手段との間に備えられているフェイルセーフ電源リレーが提案されている。

特許第２５０６２６９号公報

近年、車載用電子機器の静音化が求められている。しかしながら、上記の特許文献１では、静音化対策がなされていないという問題点がある。

近年の自動車業界においては、静音化対策のために、緩やかにメカリレーオフ動作を行う方法が提案されている。しかしながら、当該方法においては、装置の異常が発生した場合にも、メカリレーに通電した状態で、緩やかに遮断するため、メカリレーの接点間にアーク放電が発生し、接点溶着耐量が低下するという弊害を伴う。そのため、当該方法は、有効遮断容量電流容量の制約が大きく、高出力の製品への適用には制約されるため、実用的ではないという問題点がある。なお、接点溶着が発生した場合、電動パワーステアリング装置のメカリレーの機能として期待される、異常発生時の電動機駆動手段への電源供給停止ができなくなる可能性がある。

この発明は、かかる問題点を解決するためなされたものであり、通常のリレーオフ動作は緩やかに行って作動音を低減させ、異常検出時には高速にリレーオフを行うことにより安全性を維持し、安全性と快適性を兼ね備えた電動パワーステアリング装置を得ることを目的としている。

この発明は、運転者の操舵に補助トルクを与えるための電動機を駆動する電動機駆動手段と、前記電動機駆動手段への電源供給を遮断するための少なくとも１つのリレーと、前記運転者の操舵力を検出する操舵力検出手段と、少なくとも前記操舵力検出手段の検出結果に基づいて前記電動機の出力トルクを制御するための電動機制御信号を生成し、当該信号を前記電動機駆動手段に出力する制御手段と、装置の異常を検出する故障検出手段と、前記リレーに設けられた駆動コイルと並列に接続されたスイッチ手段と、前記スイッチ手段に直列に接続されたダイオードとを有するリレー緩遮断手段とを備え、前記リレー緩遮断手段は、前記リレーの前記駆動コイルの励磁電圧がオフされるときに、前記スイッチ手段をオンして、当該駆動コイル端に発生する逆起電圧分の電流を前記ダイオードに還流させるためのものであって、前記制御手段は、前記リレーを遮断するときに、前記故障検出手段が装置の異常を検出していない場合には、前記制御手段は、リレー接点通電電流の目標値を下げて、前記リレー緩遮断手段を動作させた後に、前記リレーを遮断し、前記故障検出手段が装置の異常を検知している場合は、前記制御手段は、前記リレー接点通電電流の目標値を下げることなく、前記リレー緩遮断手段の前記スイッチ手段をオンせず、前記リレー緩遮断手段を動作せずに、前記リレーを遮断することを特徴とする電動パワーステアリング装置である。

この発明は、運転者の操舵に補助トルクを与えるための電動機を駆動する電動機駆動手段と、前記電動機駆動手段への電源供給を遮断するための少なくとも１つのリレーと、前記運転者の操舵力を検出する操舵力検出手段と、少なくとも前記操舵力検出手段の検出結果に基づいて前記電動機の出力トルクを制御するための電動機制御信号を生成し、当該信号を前記電動機駆動手段に出力する制御手段と、装置の異常を検出する故障検出手段と、前記リレーに設けられた駆動コイルと並列に接続されたスイッチ手段と、前記スイッチ手段に直列に接続されたダイオードとを有するリレー緩遮断手段とを備え、前記リレー緩遮断手段は、前記リレーの前記駆動コイルの励磁電圧がオフされるときに、前記スイッチ手段をオンして、当該駆動コイル端に発生する逆起電圧分の電流を前記ダイオードに還流させるためのものであって、前記制御手段は、前記リレーを遮断するときに、前記故障検出手段が装置の異常を検出していない場合には、前記制御手段は、リレー接点通電電流の目標値を下げて、前記リレー緩遮断手段を動作させた後に、前記リレーを遮断し、前記故障検出手段が装置の異常を検知している場合は、前記制御手段は、前記リレー接点通電電流の目標値を下げることなく、前記リレー緩遮断手段の前記スイッチ手段をオンせず、前記リレー緩遮断手段を動作せずに、前記リレーを遮断することを特徴とする電動パワーステアリング装置であるので、通常のリレーオフ動作は緩やかに行って作動音を低減させ、異常検出時には高速にリレーオフを行うことにより安全性を維持し、安全性と快適性を兼ね備えた電動パワーステアリング装置を実現する。

この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の構成を示したブロック図である。この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置のリレー駆動回路の構成を示した回路図である。この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置のリレー駆動回路の実施例を示した回路図である。この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置のリレー駆動回路の通常時の動作（転流ダイオード方式）を示したタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置のリレー駆動回路の異常検出時の動作（高速遮断方式）を示したタイミングチャートである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置の構成を示したブロック図である。図１において、１は電動パワーステアリング装置で、３６はトルクセンサ、３７は電動パワーステアリング装置１の電源、１１は電動機である。トルクセンサ３６はインターフェース回路３５に接続されている。トルクセンサ３６とインターフェース回路３５とは、操舵トルク検出手段３（操舵力検出手段）を構成している。

電動パワーステアリング装置１の全体の動作について説明する。
電動パワーステアリング装置１は、自動車等の車両に設けられ、電動機１１にて操舵力をアシストする。
ドライバによって、車両に設けられたハンドル（図示せず）が操作されると、ドライバによって加えられた回転トルクにより、ハンドルに連結されている操舵軸（図示せず）に捻れが発生する。トルクセンサ３６は、この捻れに基づいて、当該回転トルクを検出して、インターフェース回路３５を介して、回転トルク信号を電動パワーステアリング装置１に入力する。また、電動パワーステアリング装置１は、電動機１１の回転角を求め、当該回転角に応じて、トルクセンサ３６によって検出された回転トルクに応じた電流を電動機１１に通電する。電動機１１は通電されると、当該電流に応じたアシストトルクを発生して、操舵軸にアシスト力を加える。こうして、操舵軸が回転して、操舵軸の先端の歯車の働きにより、車軸（図示せず）が左右に移動する。車軸は、操舵軸に対して略々垂直に係合されている。また、車軸の両端には、車両の両輪が設けられている。従って、操舵軸の回転により、車両の両輪の操舵角が変わる。

以下、電動パワーステアリング装置１の内部構成について説明する。
図１において、２はＣＰＵである。ＣＰＵ２は、電源回路７にて駆動されている。電源回路７は、電源３７から電力が供給される。また、ＣＰＵ２は、Ａ／Ｄコンバータ回路６を介して操舵トルク検出手段３に接続されている。４は直流増幅回路で、５は電動機駆動手段である。ＣＰＵ２は、Ａ／Ｄコンバータ回路６及び直流増幅回路４を介して、電動機駆動手段５内のインバータ回路３３に接続されている。ＣＰＵ２には、操舵トルク検出手段３と直流増幅回路４からの検出信号が、Ａ／Ｄコンバータ６を介して入力される。ＣＰＵ２はそれらの検出信号に基づいて、電動機制御信号を決定し、電動機駆動手段５に入力する。電動機駆動手段５は、電動機制御信号に基づいて、モータリレー１０を介して、電動機１１に通電する。

電源回路７は、図１に示すように、リレー駆動回路８（リレー緩遮断手段）と、フェイルセーフ電源リレー９と、ヒューズ回路３０と、キースイッチ３１と、定電圧回路３２とを有している。
また、電動機駆動手段５は、インバータ回路３３と、インターフェース回路３４とを有している。

また、図１に示すように、電動パワーステアリング装置１には、異常発生時の異常検出手段として、故障検出回路１２が備えられている。故障検出回路１２が異常を検出した場合には、ＣＰＵ２は、リレー駆動回路８を遮断し、電源３７からの電動機駆動手段５への電源供給を停止する。
また、フェイルセーフ電源リレー９は、電動機駆動手段５のインバータ回路３３への電源供給を停止するために、電源３７と電動機駆動手段５との間に設けられている。
さらに、電動機１１のブレーキモードが発生した場合、ブレーキモードから保護するため、電動機１１と電動機駆動手段５のインバータ回路３３間にモータリレー１０が備えられている。

図２は、実施の形態１に係るリレー駆動回路８の一例（以下、リレー駆動回路８ａとする）を示した図である。なお、図２において、符号はすべて、最後にａが付されているが、各構成は、ａを除いた同一番号の図１に示した構成に相当する。すなわち、例えば、ＣＰＵ２ａは、図１のＣＰＵ２に相当する。なお、図２において、１３ａはスイッチＳＷ−１、１６ａはダイオードである。スイッチＳＷ−１（１３ａ）は、ダイオード１６ａと直列に接続されるとともに、フェイルセーフ電源リレー９ａ及びモータリレー１０ａとそれぞれ並列に接続されている。また、１４ａはスイッチＳＷ−２、１５ａはツェナーダイオードである。スイッチＳＷ−２（１４ａ）とツェナーダイオード１５ａとは、並列接続されている。このように、リレー駆動回路８ａは、スイッチＳＷ−１（１３ａ）と、ダイオード１６ａと、スイッチＳＷ−２（１４ａ）と、ツェナーダイオード１５ａとから構成されている。スイッチＳＷ−１（１３ａ）およびスイッチＳＷ−２（１４ａ）は、ＣＰＵ２ａからの駆動信号をトリガにして、オン・オフ動作が制御される。

リレー駆動回路８は、フェイルセーフ電源リレー９ａ及びモータリレー１０ａに設けられた駆動コイルと並列に接続されたスイッチＳＷ−１（１３ａ）と、スイッチＳＷ−１（１３ａ）に直列に接続されたダイオード１６ａとを備え、フェイルセーフ電源リレー９ａ及びモータリレー１０ａの駆動コイルの励磁電圧がオフされるときに、スイッチＳＷ−１（１３ａ）をオンして、駆動コイル端に発生する逆起電圧分の電流をダイオード１６ａに還流させて、リレーオフ動作を緩やかに行うためのものである。通常時のリレーオフ動作時にはリレー駆動回路８の上記動作を行うが、異常検出時のリレーオフ動作時には、リレー駆動回路８の上記動作を行わない。

通常のリレーオフ動作時には、まず、インバータ回路３３に設けられているＦＥＴを全てオフにして、フェイルセーフ電源リレー９ａとモータリレー１０ａとの接点におけるリレー接点電流を下げる。これにより、リレー接点通電電流の目標電流値が下がる。そのため、リレー接点間にアークが発生しない状態で、ＣＰＵ２ａにて、ＳＷ−１（１３ａ）をオンにし、ＳＷ−２（１４ａ）をオフすることができる。これにより、フェイルセーフ電源リレー９ａの駆動コイルとモータリレー１０ａの駆動コイルとがそれぞれ励磁オフされる。これにより、各駆動コイル端に逆起電圧が発生する。ＳＷ−１（１３ａ）がオンされているので、発生した逆起電圧分の電流が、ダイオード１６ａに還流される。これにより、リレーコイル励磁電流は緩やかに減衰し、フェイルセーフ電源リレー９ａとモータリレー１０ａは緩やかに遮断される。

なお、図２のスイッチＳＷ−１（１３ａ）とスイッチＳＷ−２（１４ａ）とは、例えば、バイポーラトランジスタ等の半導体を用いて容易に構成できる。

図３は、図２の構成を、具体的なリレー駆動回路で構成した実施例である。なお、図３において、符号はすべて、最後にｂが付されているが、各構成は、ｂを除いた同一番号を有する図１および図２に示した構成に相当する。図３においては、図２のスイッチＳＷ−１（１３ａ）が、スイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）で構成されている。また、図２のスイッチＳＷ−２（１４ａ）は、スイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）で構成されている。スイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）およびスイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）は、ＣＰＵ２ｂからの駆動信号をトリガにして、オン・オフ動作が制御される。図３の構成においては、スイッチＳＷ−１（１３ａ）とスイッチＳＷ−２（１４ａ）に、トランジスタすなわち半導体を用いたため、本回路の動作に伴う新たな作動音は発生しない。

図４は、図３のリレー駆動回路の動作を示した図である。図４においては、リレー駆動回路の通常のリレーオフ動作の場合を示している。リレー駆動回路８ｂがオフされると、上述のように、フェイルセーフ電源リレー９ａとモータリレー１０ａ駆動コイル端に逆起電圧が発生するので、逆起電圧分の電流をダイオード１６ｂに還流させ、リレー駆動電流を緩やかに減衰させる。

図４において、トランジスタ−１ＯＮ／ＯＦＦ動作１８ｃは、図３のスイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）のＯＮ／ＯＦＦ動作のタイムチャートを示している。
また、同様に、図４において、トランジスタ−２ＯＮ／ＯＦＦ動作１７ｃは、図３のスイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）のＯＮ／ＯＦＦ動作のタイムチャートを示している。
また、図４において、リレーコイル励磁電流２０ｃは、図３のフェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂの駆動コイルを通電する電流のタイムチャートを示している。
さらに、図４において、リレー接点通電電流１９ｃは、リレー接点を通電する電流のタイムチャートを示している。
また、図４において、リレー接点開閉状態２１ｃは、リレー接点の開閉状態のタイムチャートを示している。
また、図４において、ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５は、各トリガとなる動作が行われる時刻を示している。

図４に示すように、時刻ｔ１までは、リレー接点通電電流１９ｃは通電状態である。時刻ｔ１−ｔ２間においては、リレー接点通電電流１９ｃの目標値を下げて、図１に示した電動機駆動手段５のインバータ回路３３のＰＷＭ制御により、リレー接点通電電流１９ｃを漸減させて、時刻ｔ２で無通電状態にする。時刻ｔ２の時点においては、図３のスイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）はオンで、スイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）はオフである。
次に、時刻ｔ３で、図３のスイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）をオンにする。一方、図３のスイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）はオンのままである。これにより、フェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂとをリレーオフした時に、駆動コイル両端に発生する逆起電圧分の電流をダイオード１６ｂに還流するための通電経路が形成される。
次に、時刻ｔ４にて、図３のスイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）をオフにする。これにより、図３のフェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂの励磁電圧がオフする。そのため、時刻ｔ４−ｔ６の間で、リレーコイル励磁電流２０ｃが減衰する。一方、一方、図３のスイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）はオンのままであるため、駆動コイル両端に発生する逆起電圧分の電流が、ダイオード１６ｂに還流される。当該還流により、時刻ｔ４−ｔ６の間のリレーコイル励磁電流２０ｃの減衰は緩やかになる。
なお、時刻ｔ５においては、リレーコイル励磁電流２０ｃが、リレーオン状態を保つために必要な所定の電流値以下となったため、リレー接点開閉状態２１ｃが閉状態から開状態になったことが示されている。

次に、図３において、電動パワーステアリング装置の異常が発生した場合について説明する。
異常が発生した場合は、フェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂとの接点を通電するリレー接点通電電流１９ｃの目標値を下げることなく、ＣＰＵ２ｂは、スイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）をオンせず、スイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）をオフする。これにより、フェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂの駆動コイルが、励磁オフされる。それにより、駆動コイル端に発生する逆起電圧分の電流はダイオード１６ｂに還流することなく、ツェナーダイオード１５ｂのツェナー電圧まで逆起電圧が吸収される。そのため、ダイオード１６ｂの順方向電圧まで逆起電圧が吸収され、通常時のリレーオフ動作の場合と比べて、フェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂの復帰時間が短くなる。

図５は、図３の例のオフ動作による、異常が発生した場合の動作を示した図である。
まず、図５において、トランジスタ−１ＯＮ／ＯＦＦ動作（１８ｄ）は、図３のスイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）のＯＮ／ＯＦＦ動作のタイムチャートを示している。
また、同様に、図５において、トランジスタ−２ＯＮ／ＯＦＦ動作（１７ｄ）は、図３のスイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）のＯＮ／ＯＦＦ動作のタイムチャートを示している。
また、図５において、リレーコイル励磁電流２０ｄは、図３のフェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂの駆動コイルを通電する励磁電流のタイムチャートを示している。
さらに、図５において、リレー接点通電電流１９ｄは、リレー接点を通電する電流のタイムチャートを示している。
また、図５において、リレー接点開閉状態２１ｄは、リレー接点の開閉状態のタイムチャートを示している。
また、図５において、ｔ７，ｔ８，ｔ９は、各トリガとなる動作が行われる時刻を示している。

図５のリレーオフ動作においては、図１の電動機駆動手段５のインバータ回路のＰＷＭ制御により、リレー接点通電電流１９ｄを漸減させない。従って、リレー接点通電電流１９ｄの通電状態において、時刻ｔ７で、図３のスイッチング用トランジスタ−１（１８ｂ）をオフのまま、図３のスイッチング用トランジスタ−２（１７ｂ）をオフする。これにより、図５のリレーコイル励磁電流２０ｄが、時刻ｔ７−ｔ９の間で減衰する。ここで、図４と図５とを比較する。図５のリレーコイル励磁電流２０ｄが減衰する時間、すなわち、時刻ｔ７−ｔ９間が、図４のリレーコイル励磁電流２０ｃが減衰する時間、すなわち、時刻ｔ４−ｔ６間よりも短くなっている。

また、図５において、時刻ｔ８においては、リレーコイル励磁電流２０ｄが、リレーオン状態を保つために必要な電流値以下となり、リレー接点開閉状態２１ｃが閉状態から開状態になったことが示されている。

上述したように、異常発生時は、リレー接点通電電流１９ｄを通電したままの状態で、リレー接点を遮断するため、リレー復帰時間を短くして、高速遮断性能を確保する。

以上説明したように、この発明に係る電動パワーステアリング装置は、通常のリレーオフ動作は、リレー接点通電電流の目標値を下げて、リレー駆動回路８を動作させた後に、フェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂとをリレーオフさせて、緩やかにリレーオフを行うことで、リレーの接点が開く際の作動音を低減させることができる。

また、この発明に係る電動パワーステアリング装置は、異常検出時は、リレー駆動回路８を動作させずに、フェイルセーフ電源リレー９ｂとモータリレー１０ｂをリレーオフさせることにより、リレー復帰時間を短くすることで、リレー接点間に発生するアーク放電時間を短くすることができる。これにより、リレー接点溶着を防止でき、ブレーキモードから確実に保護することができ、安全性がさらに向上する。

よって、静音・快適性に優れ、安全性のさらなる向上が図れる、信頼性の高い電動パワーステアリング装置を実現することができる。

１電動パワーステアリング装置、２ＣＰＵ、３操舵トルク検出手段、４直流増幅回路、５電動機駆動手段、６Ａ／Ｄコンバータ、７電源回路、８リレー駆動回路、９フェイルセーフ電源リレー、１０モータリレー、１１電動機、１２故障検出回路、１３スイッチＳＷ−１、１４スイッチＳＷ−２、１５ａ，１５ｂツェナーダイオード、１６ａ，１６ｂダイオード、１７ｂスイッチング用トランジスタ−２、１７ｃ，１７ｄトランジスタ−２ＯＮ／ＯＦＦ動作、１８ｂスイッチング用トランジスタ−１、１８ｃ，１８ｄトランジスタ−１ＯＮ／ＯＦＦ動作、１９ｃ，１９ｄリレー接点通電電流、２０ｃ，２０ｄリレーコイル励磁電流、２１ｃ，２１ｄリレー接点開閉状態、３７電源。

Claims

運転者の操舵に補助トルクを与えるための電動機を駆動する電動機駆動手段と、
前記電動機駆動手段への電源供給を遮断するための少なくとも１つのリレーと、
前記運転者の操舵力を検出する操舵力検出手段と、
少なくとも前記操舵力検出手段の検出結果に基づいて前記電動機の出力トルクを制御するための電動機制御信号を生成し、当該信号を前記電動機駆動手段に出力する制御手段と、
装置の異常を検出する故障検出手段と、
前記リレーに設けられた駆動コイルと並列に接続されたスイッチ手段と、前記スイッチ手段に直列に接続されたダイオードとを有するリレー緩遮断手段と
を備え、
前記リレー緩遮断手段は、前記リレーの前記駆動コイルの励磁電圧がオフされるときに、前記スイッチ手段をオンして、当該駆動コイル端に発生する逆起電圧分の電流を前記ダイオードに還流させるためのものであって、
前記制御手段は、前記リレーを遮断するときに、
前記故障検出手段が装置の異常を検出していない場合には、前記制御手段は、リレー接点通電電流の目標値を下げて、前記リレー緩遮断手段を動作させた後に、前記リレーを遮断し、
前記故障検出手段が装置の異常を検知している場合は、前記制御手段は、前記リレー接点通電電流の目標値を下げることなく、前記リレー緩遮断手段の前記スイッチ手段をオンせず、前記リレー緩遮断手段を動作せずに、前記リレーを遮断する
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記リレー緩遮断手段の前記スイッチ手段は、半導体スイッチング素子から構成されていることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記リレーは、前記電動機駆動手段とその電源との間に設けられてい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。
前記電動機駆動手段はインバータ回路を含み、
前記リレーは、前記インバータ回路と前記電動機との間に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。