JP5527182B2 - Electric power steering device - Google Patents
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Description
本発明は、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置に関する。 The present invention relates to an electric power steering apparatus that assists steering of a steering wheel.
従来、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置がある(特許文献1等参照)。この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールにトルクを与えるモータと、モータに3相の駆動電流を出力する3相インバータ回路と、3相インバータ回路を制御することでモータの駆動を制御する制御部とを備える。3相インバータ回路には、各相の経路に2つずつ、合計6つのMOSFETが設けられ、制御部によりスイッチングされる。 Conventionally, there is an electric power steering device that assists steering of a steering wheel (see Patent Document 1). The electric power steering apparatus includes a motor that applies torque to a steering wheel, a three-phase inverter circuit that outputs a three-phase driving current to the motor, and a control unit that controls driving of the motor by controlling the three-phase inverter circuit; Is provided. The three-phase inverter circuit is provided with a total of six MOSFETs, two in each phase path, and is switched by the control unit.
ところで、大きな段差に乗り上げた場合など、大きな逆回転負荷がモータに作用すると、モータが発電機として作用し、逆起電力が増加する。このとき、3相インバータ回路の各MOSFETに逆起電力による過電流が印加されて、各MOSFETに不具合が生じる可能性がある。ここで3相の経路のうち2相以上の経路のMOSFETに不具合が生じると2相駆動制御モードに移行できず、アシストが完全に停止する。 By the way, when a large reverse rotation load acts on the motor, such as when riding on a large level difference, the motor acts as a generator and the back electromotive force increases. At this time, an overcurrent due to the back electromotive force is applied to each MOSFET of the three-phase inverter circuit, which may cause a problem in each MOSFET. Here, if a failure occurs in the MOSFET of two or more phases among the three-phase paths, it is not possible to shift to the two-phase drive control mode, and the assist is completely stopped.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、3相インバータ回路において2つの相に配置されたスイッチング素子を保護する電動パワーステアリング装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an electric power steering apparatus that protects switching elements arranged in two phases in a three-phase inverter circuit.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置であって、操舵を補助するためのトルクを発生するモータと、3つの経路からモータに3相の駆動電流を供給する3相インバータ回路と、3相インバータ回路を制御するCPUと、を備える。3相インバータ回路は、CPUの制御によりスイッチングされる少なくとも6つのスイッチング素子と、モータと、出力端子が接地されている1つのスイッチング素子の制御端子と、に接続されるアクティブクランプ回路と、モータとアクティブクランプ回路との間に設けられるリレーと、を有する。このアクティブクランプ回路は、モータ側の電圧が所定電圧以上になると1つのスイッチング素子をオンする。1つのスイッチング素子は、モータに供給するための3つの経路のうち第1の経路に設けられる。リレーは、第1の経路に設けられて、第1の経路の不具合を示す検出結果にもとづいて1つのスイッチング素子とモータとの接続を切断するようCPUにより制御される。3相インバータ回路において3つの経路のうちの第2の経路には、モータとの接続を切断可能なリレーが設けられない。 In order to solve the above problems, an electric power steering device according to an aspect of the present invention is an electric power steering device that assists steering of a steering wheel, and includes a motor that generates torque for assisting steering, A three-phase inverter circuit that supplies a three-phase drive current to the motor from the path; and a CPU that controls the three-phase inverter circuit. The three-phase inverter circuit includes an active clamp circuit connected to at least six switching elements that are switched by the control of the CPU, a motor, a control terminal of one switching element whose output terminal is grounded, a motor, A relay provided between the active clamp circuit and the active clamp circuit. This active clamp circuit turns on one switching element when the voltage on the motor side exceeds a predetermined voltage. One switching element is provided in the first path among the three paths for supplying the motor. The relay is provided in the first path, and is controlled by the CPU to disconnect the connection between one switching element and the motor based on the detection result indicating the failure of the first path. In the three-phase inverter circuit, a relay that can be disconnected from the motor is not provided in the second path among the three paths.
この態様によると、モータに大きな逆起電力が生じた場合に、アクティブクランプ回路により、接地されたスイッチング素子をオンすることで電流を逃がすことができる。また、最悪の場合であっても、オンしたスイッチング素子以外の相のスイッチング素子を保護することができる。 According to this aspect, when a large back electromotive force is generated in the motor, the current can be released by turning on the grounded switching element by the active clamp circuit. Further, even in the worst case, the switching elements of phases other than the switching elements that are turned on can be protected.
本発明の電動パワーステアリング装置によれば、3相インバータ回路において2つの相に配置されたスイッチング素子を保護することができる。 According to the electric power steering apparatus of the present invention, the switching elements arranged in two phases in the three-phase inverter circuit can be protected.
実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、運転者による操舵量に応じてモータを駆動し、車両のステアリング機構に操舵補助力を与える。ステアリング機構は、ステアリングホイール、ステアリングシャフト、連結軸、およびステアリングシャフトの動きを前輪の動きに変換するギヤ装置と、を有する。ステアリング機構は、ハンドルとしてのステアリングホイールの回動を前輪の転舵運動に変換する。 The electric power steering apparatus according to the embodiment drives a motor in accordance with a steering amount by a driver and gives a steering assist force to a steering mechanism of the vehicle. The steering mechanism includes a steering wheel, a steering shaft, a connecting shaft, and a gear device that converts the movement of the steering shaft into the movement of the front wheels. The steering mechanism converts the rotation of the steering wheel as a handle into the steering motion of the front wheels.
ステアリングホイールは、車両室内に設けられ、運転者によって回動操作される。ステアリングシャフトは、ステアリングホイールとともに回転するように一端がステアリングホイールに連結されており、ステアリングホイールの回転をギヤ装置に伝達する回転軸として機能する。ステアリングシャフトの他端は、ユニバーサルジョイントを介して連結軸の一端に連結されている。連結軸の他端にはピニオンギヤが設けられている。 The steering wheel is provided in the vehicle compartment and is turned by the driver. The steering shaft has one end connected to the steering wheel so as to rotate together with the steering wheel, and functions as a rotating shaft that transmits the rotation of the steering wheel to the gear device. The other end of the steering shaft is connected to one end of the connecting shaft via a universal joint. A pinion gear is provided at the other end of the connecting shaft.
ギヤ装置の操舵軸にはラックギヤが設けられている。連結軸のピニオンギヤとギヤ装置の操舵軸のラックギヤが噛合し、ステアリングホイールの回転が操舵軸の軸方向の移動に変換される。操舵軸が軸方向に移動すると、前輪が転舵する。 A rack gear is provided on the steering shaft of the gear device. The pinion gear of the connecting shaft meshes with the rack gear of the steering shaft of the gear device, and the rotation of the steering wheel is converted into the movement of the steering shaft in the axial direction. When the steering shaft moves in the axial direction, the front wheels are steered.
実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、モータ、減速機構、舵角センサと、トルクセンサと、制御装置を備える。モータのモータ軸は減速機構に接続されている。減速機構にはギヤが設けられ、ステアリングシャフトに設けられたギヤ部と噛合する。モータが作動すると、その回転運動が減速機構によって減速されつつ、ステアリングシャフトが回転駆動される。 The electric power steering device according to the embodiment includes a motor, a speed reduction mechanism, a rudder angle sensor, a torque sensor, and a control device. The motor shaft of the motor is connected to a speed reduction mechanism. The speed reduction mechanism is provided with a gear and meshes with a gear portion provided on the steering shaft. When the motor operates, the steering shaft is rotationally driven while the rotational motion is decelerated by the speed reduction mechanism.
舵角センサは、ステアリングシャフトに設けられ、ステアリングホイールの操舵角および操舵方向を検出する。舵角センサは制御装置に接続され、舵角センサの検出値は、制御装置に出力される。 The steering angle sensor is provided on the steering shaft and detects the steering angle and steering direction of the steering wheel. The steering angle sensor is connected to the control device, and the detection value of the steering angle sensor is output to the control device.
トルクセンサは、ステアリングシャフトに設けられ、ステアリングシャフトに与えられる操舵トルクを検出する。トルクセンサは制御装置に接続され、トルクセンサの検出値は制御装置に出力される。 The torque sensor is provided on the steering shaft and detects steering torque applied to the steering shaft. The torque sensor is connected to the control device, and the detected value of the torque sensor is output to the control device.
制御装置は、舵角センサおよびトルクセンサの検出値にもとづいてステアリングシャフトを駆動する目標アシストトルクを算出し、算出した目標アシストトルクを発生させるための電流をモータに供給し、モータを駆動させる。このように制御装置は、操舵角や操舵トルクに応じて運転者によるステアリングホイールの操舵をアシストする。 The control device calculates a target assist torque for driving the steering shaft based on the detected values of the steering angle sensor and the torque sensor, supplies a current for generating the calculated target assist torque to the motor, and drives the motor. In this way, the control device assists the steering of the steering wheel by the driver according to the steering angle and the steering torque.
図1は、実施形態に係る制御装置10の機能構成を説明する図である。制御装置10は、高電圧バッテリ20、コンバータ30および制御部40を備える。高電圧バッテリ20は、ステアリングシャフトを回転駆動するモータ12の駆動電源として機能する。高電圧バッテリ20は、コンバータ30と接続し、コンバータ30に電流を供給する。高電圧バッテリ20の一端は接地されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a functional configuration of a
コンバータ30は、高電圧バッテリ20の出力電圧が200V以上と高く設定される一方、モータ12は低い電圧、たとえば30Vから50Vで使用されるため、高電圧バッテリ20の出力電圧を降圧する。
The
コンバータ30は、降圧回路32および回生電力消費回路34を有する。降圧回路32は、高電圧バッテリ20から入力された電圧を降圧して、モータ駆動用の直流電源電圧として駆動IC44および3相インバータ回路50に出力する。回生電力消費回路34は、モータ12から出力された回生電力を熱に変換して消費する。回生電力消費回路34の一端は降圧回路32の出力側の回線、たとえば降圧回路32と駆動IC44および3相インバータ回路50との間に接続され、他端は接地される。
具体的に、降圧回路32は、高電圧バッテリ20からの入力電圧を、一定周波数でスイッチングして交流電圧に変換し、この交流電圧を巻線トランスにより電圧変換して降圧させる。そして降圧した交流電圧を整流して直流電圧に変換し、さらに平滑化して直流電流として出力する。
Specifically, the step-
制御部40は、コンバータ30から直流電流をモータ12の電源としてモータ12に3相の駆動電流を供給する制御を行う。制御部40は、3相インバータ回路50、電源回路42、駆動IC44、CPU(Central Processing Unit)46、I/F回路48、第1リレー47および第2リレー49を有する。電源回路42は、定格出力電圧12Vの車載バッテリ41に接続され、制御部40のCPU46などに電流を供給する。電源回路42は、CPU46に電流を供給するときに12Vより小さい電圧に降圧して供給してよい。電源回路用リレー43は、車載バッテリ41から電源回路42への電流の供給をオンおよびオフする。
The
I/F回路48は、トルクセンサの出力値および舵角センサの出力値を受け取り、CPU46に入力する。CPU46は、トルクセンサの出力値および舵角センサの出力値にもとづいて目標アシストトルクを算出し、目標アシストトルクに応じた指令信号(PWM信号)を駆動IC44に送出する。
The I /
駆動IC44は、CPU46から受け取った指令信号に応じて、3相インバータ回路50に出力する。3相インバータ回路50は、駆動IC44から入力に応じて3相の交流電流をモータ12に供給する。
The
具体的に3相インバータ回路50は、第1MOSFET52a、第2MOSFET52b、第3MOSFET52c、第4MOSFET52d、第5MOSFET52e、第6MOSFET52f(これらを区別しない場合は「MOSFET52」という)からなる6個のスイッチング素子により構成される。
Specifically, the three-
MOSFET52のゲート、すなわち制御端子は、駆動IC44にそれぞれ接続されている。第1MOSFET52a、第2MOSFET52bおよび第3MOSFET52cのドレイン、すなわち入力端子は、コンバータ30に接続されている。第1MOSFET52a、第2MOSFET52bおよび第3MOSFET52cは、駆動IC44から高電圧のパルスが送られるとオンする。
The gate of the MOSFET 52, that is, the control terminal is connected to the drive IC 44. The drains, that is, the input terminals of the
第4MOSFET52d、第5MOSFET52eおよび第6MOSFET52fのソース、すなわち出力端子は、第1抵抗部54a、第2抵抗部54bおよび第3抵抗部54cを介して接地されている。
The sources of the
第1MOSFET52aの出力端子と第4MOSFET52dの入力端子の接続点、第2MOSFET52bの出力端子と第5MOSFET52eの入力端子の接続点、および第3MOSFET52cの出力端子と第6MOSFET52fの入力端子の接続点は、モータ12にそれぞれ接続されている。第1MOSFET52aと第4MOSFET52dをU相の経路に設け、第2MOSFET52bと第5MOSFET52eをV相の経路に設け、第3MOSFET52cと第6MOSFET52fをW相の経路に設ける。
The connection point between the output terminal of the
第2MOSFET52bと第5MOSFET52eの接続点と、モータ12との接続の間には第1リレー47が設けられる。第1リレー47は、モータ12へのV相の駆動電流の経路Lに設けられる。また第3MOSFET52cと第6MOSFET52fの接続点と、モータ12との接続の間には第2リレー49が設けられる。
A
第1リレー47および第2リレー49は、3相インバータ回路50とモータ12とのそれぞれの相(V相、W相)の接続を切断する。たとえばCPU46はV相のMOSFET52の短絡を検出すると、第2MOSFET52bとモータ12との接続を切断するため、第1リレー47を開放する。これにより、モータ12が作動しなくなることを防ぐことができる。
The
3相インバータ回路50は、CPU46の制御により各MOSFET52が所定のタイミングでスイッチングすることで、コンバータ30からの電力を3相の電力に変換し、モータ12に供給する。
The three-
3相インバータ回路50にはツェナー電圧以上の電圧が加えられると第5MOSFET52eを強制的にオンするアクティブクランプ回路60が設けられている。アクティブクランプ回路60の第1端子は第1リレー47に接続され、第2端子は第5MOSFET52eのゲートと駆動IC44との間に接続される。
The three-
アクティブクランプ回路60は、ツェナーダイオード62およびダイオード64を有する。ツェナーダイオード62は、第1リレー47側に配置され、第1リレー47側の第1端子がツェナー電圧以上となると通電しはじめる。ダイオード64はツェナーダイオード62から第5MOSFET52e側に向かう電流を通過させ、第5MOSFET52eおよび駆動IC44からツェナーダイオード62に向かう電流を遮断する。
The
ところで、大きな段差に乗り上げた場合など過大な外力により、ラックギヤが移動して大きな逆回転負荷がモータ12に作用すると、モータ12が発電機として作用し、逆起電力が増加する。このとき、各MOSFET52に逆起電力による過電流が印加されて、各MOSFET52に不具合が生じる可能性がある。
By the way, when the rack gear moves and a large reverse rotation load acts on the
そこで、実施形態に係る3相インバータ回路50は、モータ12から過電流が流れた場合に、3相のうち1相のMOSFET52に過電流が流れるようにすることで、他の相のMOSFET52を保護する。最悪の場合においてアクティブクランプ回路60を設けた1相のMOSFET52に不具合が生じたとしても、制御部40は、不具合が生じた相のリレーを開放し、制御を切り替えて他の2相からモータ12に電流を供給し、モータ12を駆動することができる。
Therefore, the three-
図2は、実施形態に係るアクティブクランプ回路60の作用を説明する図である。図2では制御装置10の一部およびモータ12を示す。また、図3は、アクティブクランプ回路60およびその周りの電圧または電流の変化を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the
図3の一番上に示すグラフは第1リレー47のV相端子電圧70を示し、その次は第5MOSFET52eのゲート側のゲート電圧72を示し、一番下は第5MOSFET52eのドレイン側のドレイン電流74を示す。V相端子電圧70は図2に示す点P1での電圧となる。
3 shows the V-
時刻t0からモータ12が発電機として作用し始め、V相端子電圧70が上昇する。そして時刻t1においてV相端子電圧70がツェナー電圧V1となると、図2の矢印P2に示すようにツェナーダイオード62が通電し、ゲート電圧72が上昇し始める。ツェナー電圧V1は、バラツキを含めて他のMOSFET52の耐圧、および駆動IC44の電圧より低くなるように設定される。
From time t0, the
次に時刻t2となるとゲート電圧72が第5MOSFET52eをオンする電圧に達し、第5MOSFET52eがオンされる。すると図2の矢印P3に示すようにモータ12からの電流が第5MOSFET52eを通るようになり、図3に示すドレイン電流74が上昇し始める。これにより、モータ12からの電流をV相のみを経由して接地に逃がすことができる。
Next, at time t2, the
一方、第4MOSFET52dおよび第6MOSFET52fはオフされており、第4MOSFET52dおよび第6MOSFET52fにモータ12からの電流は流れない。
On the other hand, the
モータ12からの電圧が第5MOSFET52eの耐圧を超えると、第5MOSFET52eに不具合が生じる。CPU46は所定の不具合検出手段により第5MOSFET52eの不具合を検出すると、第1リレー47を開放し、U相およびW相を用いたモータ12の駆動制御に切り替える。V相からモータ12に電流を供給できなくなるが、その場合でもU相およびW相からモータ12に電流を供給できるため、モータ12の駆動を維持できる。2相でのモータ12の制御は従来技術を用いてよい。
When the voltage from the
図4は、実施形態に係る制御装置の変形例を示す。このモータ12の制御装置100は、図1に示す制御装置10と比べて、昇圧回路80を備える点で異なる。ここで図1に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。
FIG. 4 shows a modification of the control device according to the embodiment. The
第3リレー92は、CPU46等の制御系統への電源ラインをオンおよびオフする。第4リレー88は、昇圧回路80の駆動系統への電源ラインをオンおよびオフする。
The
昇圧回路80は車載バッテリ41から供給された電流の電圧を所定電圧まで昇圧させて3相インバータ回路50および駆動IC44に供給する。昇圧回路80は、車載バッテリ41に直列に設けられる昇圧用コイル82と、昇圧用コイル82と接地との間に設けられる第1昇圧用スイッチング素子84と、第1昇圧用スイッチング素子84の接続点より昇圧用コイル82に直列に設けられる第2昇圧用スイッチング素子86とを備える。第1昇圧用スイッチング素子84および第2昇圧用スイッチング素子86はMOSFETである。
The
昇圧回路80は、CPU46により昇圧制御される。CPU46は、第1昇圧用スイッチング素子84および第2昇圧用スイッチング素子86のゲートに所定周期のパルス信号を駆動IC44を介して出力して第1昇圧用スイッチング素子84および第2昇圧用スイッチング素子86をオン・オフし、車載バッテリ41から供給された電流を昇圧して、3相インバータ回路50に所定の出力電圧を発生させる。この場合、第1昇圧用スイッチング素子84および第2昇圧用スイッチング素子86は、互いにオン・オフ動作が逆になるように制御される。昇圧回路80は、第1昇圧用スイッチング素子84をオン、第2昇圧用スイッチング素子86をオフにして昇圧用コイル82に短時間だけ電流を流して昇圧用コイル82に電力をため、その直後に、第1昇圧用スイッチング素子84をオフ、第2昇圧用スイッチング素子86をオンにして昇圧用コイル82にたまった電力を出力するように動作する。
The
昇圧回路80の出力電圧(昇圧電圧)は、第1昇圧用スイッチング素子84および第2昇圧用スイッチング素子86のデューティ比制御により調整可能となっている。したがって、CPU46から出力されるゲート信号のデューティ比を調整することにより昇圧電圧を調整できる。
The output voltage (boosted voltage) of the
制御装置100の3相インバータ回路50は、図1に示す3相インバータ回路50と同様にアクティブクランプ回路60を有し、アクティブクランプ回路60によりU相およびW相のスイッチング素子を保護する。このように、図4に示す昇圧回路80を備える制御装置100においても、アクティブクランプ回路60により所望のスイッチング素子を保護することができ、モータ12の駆動を維持することができる。
Similar to the three-
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能であり、同様な効果を得ることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The configuration shown in each figure is for explaining an example, and any configuration that can achieve the same function can be changed as appropriate, and the same effect can be obtained.
10 制御装置、 12 モータ、 20 高電圧バッテリ、 30 コンバータ、 32 降圧回路、 34 回生電力消費回路、 40 制御部、 41 車載バッテリ、 42 電源回路、 43 電源回路用リレー、 44 駆動IC、 46 CPU、 47 第1リレー、 48 I/F回路、 49 第2リレー、 50 3相インバータ回路、 52 MOSFET、 54 抵抗部、 60 アクティブクランプ回路、 62 ツェナーダイオード、 64 ダイオード、 70 V相端子電圧、 72 ゲート電圧、 74 ドレイン電流。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
操舵を補助するためのトルクを発生するモータと、
3つの経路から前記モータに3相の駆動電流を供給する3相インバータ回路と、
前記3相インバータ回路を制御するCPUと、を備え、
前記3相インバータ回路は、
前記CPUの制御によりスイッチングされる少なくとも6つのスイッチング素子と、
前記モータと、出力端子が接地されている1つのスイッチング素子の制御端子と、に接続されるアクティブクランプ回路と、
前記モータと前記アクティブクランプ回路との間に設けられるリレーと、を有し、
前記アクティブクランプ回路は、前記モータ側の電圧が所定電圧以上になると前記1つのスイッチング素子をオンし、
前記1つのスイッチング素子は、前記モータに供給するための前記3つの経路のうち第1の経路に設けられ、
前記リレーは、前記第1の経路の不具合を示す検出結果にもとづいて前記1つのスイッチング素子と前記モータとの接続を切断するよう前記CPUにより制御され、
前記3つの経路のうちの第2の経路には、前記モータとの接続を切断可能なリレーが設けられないことを特徴とする電動パワーステアリング装置。 An electric power steering device for assisting steering of a steering wheel,
A motor that generates torque for assisting steering;
A three-phase inverter circuit for supplying a three-phase drive current to the motor from three paths;
A CPU for controlling the three-phase inverter circuit,
The three-phase inverter circuit
At least six switching elements that are switched under the control of the CPU;
An active clamp circuit connected to the motor and a control terminal of one switching element whose output terminal is grounded;
A relay provided between the motor and the active clamp circuit,
The active clamp circuit turns on the one switching element when the voltage on the motor side exceeds a predetermined voltage ,
The one switching element is provided in a first path among the three paths for supplying to the motor,
The relay is controlled by the CPU to disconnect the one switching element and the motor based on a detection result indicating a failure of the first path,
The electric power steering apparatus according to claim 2, wherein a relay capable of disconnecting the connection with the motor is not provided on a second path among the three paths .
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