JP6103079B2

JP6103079B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP6103079B2
Application number: JP2016000431A
Authority: JP
Inventors: 紳熊谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: JP2016101921A

Description

本発明は、ＰＷＭのデューティ指令値に基づくインバータの駆動で制御されるモータにより、車両の操舵系をアシスト制御するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特にインバータの駆動を簡易な構成と制御で安定的に行い得るようにした電動パワーステアリング装置に関する。

車両の操舵系をモータの回転力でアシスト制御する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。そして、当該モータが所望のトルクを発生するようにモータに電流を供給するため、モータ駆動回路にＦＥＴブリッジで成るインバータが用いられている。

ここで、従来の電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト）２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）１００には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット１００は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流制御部で電流指令値に補償等を施した電圧指令値Ｅによってモータ２０に供給する電流Ｉを制御する。なお、車速ＶはＣＡＮ（Controller Area Network）等から受信することも可能である。

コントロールユニット１００は主としてＣＰＵ（ＭＰＵ、ＭＣＵも含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図２のようになる。

図２を参照してコントロールユニット１００の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴ及び車速センサ１２で検出された車速Ｖは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部１０１に入力される。電流指令値演算部１０１は、入力された操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流Ｉの制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を決定する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部１０２Ａを経て電流指令値Ｉｒｅｆ２として電流制限部１０３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆ３が減算部１０２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差Ｉｓ（＝Ｉｒｅｆ３−Ｉｍ）が演算され、その偏差ＩｓがＰＩ制御等を行う電流制御部１０４に入力される。電流制御部１０４で特性改善された電圧指令値ＥがＰＷＭ制御部１０５に入力され、更に駆動部としてのインバータ１０６を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはインバータ１０６内の電流検出器１０６Ａで検出され、減算部１０２Ｂにフィードバックされる。インバータ１０６はスイッチング素子として一般的にＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

また、加算部１０２Ａには補償部１１０から補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によってシステム系の補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようようになっている。補償部１１０は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）１１３と慣性１１２を加算部１１４で加算し、その加算結果に更に収れん性１１１を加算部１１５で加算し、加算部１１５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

モータ２０が３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）ブラシレスモータの場合、ＰＷＭ制御部１０５及びインバータ１０６の詳細は例えば図３に示すような構成となっている。ＰＷＭ制御部１０５及びインバータ１０６には電源スイッチ１４を介してバッテリ１３から電力が供給される。ＰＷＭ制御部１０５は、電圧指令値Ｅを所定式に従って３相分のＰＷＭのデューティ指令値Ｄ１〜Ｄ６を演算するデューティ演算部１０５Ａと、デューティ指令値Ｄ１〜Ｄ３で上段ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３の各ゲートを駆動してＯＮ／ＯＦＦする上段ゲート駆動部１０５Ｂ１と、デューティ指令値Ｄ４〜Ｄ６で下段ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６の各ゲートを駆動してＯＮ／ＯＦＦする下段ゲート駆動部１０５Ｂ２と、上段ゲート駆動部１０５Ｂ１の電源電圧を昇圧するための昇圧電源回路１０５Ｃとで構成されている。上段ゲート駆動部１０５Ｂ１及び下段ゲート駆動部１０５Ｂ２は、それぞれＵ相ゲート駆動部、Ｖ相ゲート駆動部及びＷ相ゲート駆動部で構成されている。また、インバータ１０６は、Ａ相の上段ＦＥＴ１及び下段ＦＥＴ４で成る上下アームと、Ｂ相の上段ＦＥＴ２及び下段ＦＥＴ５で成る上下アームと、Ｃ相の上段ＦＥＴ３及び下段ＦＥＴ６で成る上下アームとで構成された３相ブリッジとなっており、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６がデューティ指令値Ｄ１〜Ｄ６でＯＮ／ＯＦＦされることによってモータ２０を駆動する。

このような電動パワーステアリング装置において、昇圧電源回路（１０５Ｃ）として、例えば特開２００４−１７３３３６号公報（特許文献１）ではチャージポンプ回路を用いて昇圧電源を生成し、例えば特開２００５−５１９２６号公報（特許文献２）ではブートストラップ回路を用いて昇圧電源を生成している。

特開２００４−１７３３３６号公報特開２００５−５１９２６号公報特開２００９−２２０７６６号公報

しかしながら、特許文献１のように、チャージポンプ回路の電圧を上段ＦＥＴの駆動電源に用いる場合には、チャージポンプ回路が単一的に故障若しくは異常となって昇圧電源を生成できない場合、全てのアームの上段ＦＥＴを駆動できなくなる。電動パワーステアリング装置におけるチャージポンプ回路の故障（異常）ではインバータをＯＮ／ＯＦＦ制御できなくなるため、モータに電流が流れず、アシスト制御停止の状態になってしまうという問題がある。

また、特許文献２のブートストラップ回路は、下段ＦＥＴがＯＮになることでブートストラップコンデンサに電圧が充電され、下段ＦＥＴがＯＦＦ、上段ＦＥＴがＯＮするときに、ブートストラップコンデンサの充電電圧を使用して、上段ＦＥＴを駆動する構成である。そのため、一定時間内に下段ＦＥＴをＯＮさせないと、上段ＦＥＴをＯＮする時間が長くなることによりブートストラップコンデンサの充電電圧が低下し、上段ＦＥＴを駆動できなくなるという問題がある。具体的には、２０ＫＨｚでＦＥＴをＰＷＭ駆動する場合には、上段ＦＥＴは９０％以下（下段ＦＥＴは１０％以上）で使用することが望ましく（コントローラの駆動部の抵抗値やＦＥＴのキャパシタ容量から９０％以下に制限するのが良い）、デューティ指令値の制限が発生する。つまり、デューティ指令値を制限すると、電動パワーステアリング装置のモータに印加できる最大電圧が１００％から例えば９０％になるため、最大電圧が１０％低下してしまい、モータ出力が低下するという問題がある。

上記チャージポンプ回路が単一故障したことにより昇圧電源が生成できない場合、全てのアームの上段ＦＥＴを駆動できなくなることを防止するため、例えば特開２００９−２２０７６６号公報（特許文献３）に開示されるように、チャージポンプ回路を二重化し、２つのチャージポンプ回路の高い方の電圧を昇圧電源として使用することで、チャージポンプ回路の一方が単一故障しても昇圧電源を確保し、アシスト制御を継続することが提案されている。

しかしながら、特許文献３に記載の装置では、チャージポンプ回路を二重化しているのでコストアップとなり、回路規模が大きくなってしまう問題がある。また、電動パワーステアリング装置では同じモードの故障が発生する可能性が高いので、チャージポンプ回路の二重化は技術的な効果が少ないという問題もある。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、インバータのＦＥＴの駆動を簡易な構成と制御で安定的に行い得るようにした電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、ＰＷＭの各相デューティ指令値を演算し、前記各相デューティ指令値に基づいて、上段ＦＥＴゲート駆動部を介してＦＥＴブリッジの上段ＦＥＴを駆動すると共に、下段ＦＥＴゲート駆動部を介して前記ＦＥＴブリッジの下段ＦＥＴを駆動し、前記ＦＥＴブリッジで成り、システム電圧を印加されるインバータによりモータを駆動制御することによって操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記システム電圧を印加されて前記上段ＦＥＴゲート駆動部に接続され、かつ直列ダイオードで接続されたチャージポンプ回路と、前記システム電圧を印加されて前記上段ＦＥＴゲート駆動部に接続され、かつ並列ダイオード及び前記並列ダイオードに直列接続された第１のコンデンサで成るブートストラップ回路と、前記チャージポンプ回路の出力電圧及び前記直列ダイオードの接続点電圧を第２のコンデンサを経て入力し、前記チャージポンプ回路内に設けられた電圧監視のためのスイッチンッグ回路と、前記システム電圧及び前記出力電圧を入力し、前記各相デューティ指令値の最大値を制限するデューティ制御部とを具備し、前記出力電圧が第１のダイオードを介して前記上段ＦＥＴゲート駆動部に入力され、前記並列ダイオード及び前記第１のコンデンサの接続点電圧が第２のダイオードを介して前記上段ＦＥＴゲート駆動部に入力され、前記チャージポンプ回路及びブートストラップ回路の高い方の電圧を、前記上段ＦＥＴを駆動するための昇圧電源電圧とすると共に、前記デューティ制御部により前記チャージポンプ回路の故障が判定されたとき、前記ブートストラップ回路の接続点電圧により生成された電圧を用いて前記ＦＥＴブリッジの上段ＦＥＴを駆動し、前記アシスト制御を継続することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記スイッチング回路は、前記出力電圧を所定電圧値以上とするようにスイッチング動作することにより、或いは前記所定電圧値が前記ＦＥＴの正常駆動可能電圧であることにより、より効果的に達成される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、チャージポンプ回路とブートストラップ回路とを上段ＦＥＴゲート駆動部の昇圧電源電圧として設け、電圧の高い方を昇圧電源として用いるようにしている。そして、どちらか一方の回路が故障等で上段ＦＥＴゲート駆動部の電源電圧を生成できなくなった場合でも、他方の回路により昇圧電圧を継続的に供給することができる。そのため、単一故障によりＦＥＴ駆動ができなくなるということを防止でき、電動パワーステアリング装置のアシスト制御を安定的に継続することができる。

また、本発明の電動パワーステアリング装置によれば、チャージポンプ回路の故障（異常を含む）を判定し、チャージポンプ回路の故障判定時にデューティ指令値に対して最大値を制限するようにしている。そのため、デューティ指令値が大きくなることによりブートストラップによる電圧生成ができず、上段ＦＥＴを駆動できなくなるような不具合の発生を防止でき、アシスト変動を防止することができる。

一般的な電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。コントロールユニットの一例を示すブロック構成図である。ＰＷＭ制御部及びインバータの構成例を示す結線図である。本発明の構成例を示す結線図である。デューティ制御部の動作例を示すフローチャートである。

本発明では、昇圧電源回路としてチャージポンプ回路及びブートストラップ回路の両方を設け、いずれか高い方の電圧を昇圧電源として使用するようにしている。そして、チャージポンプ回路又はブートストラップ回路のどちらか一方が単一故障（異常を含む）した場合でも、他方で昇圧電源を生成して継続供給できるようにしている。そのため、チャージポンプ回路又はブートストラップ回路のどちらか一方が単一故障した場合でも、アシスト制御を安定的に継続することができる。また、チャージポンプ回路はスイッチング回路とコンデンサ、ダイオードとで成り、コンデンサとダイオードで構成される簡易なブートストラップ回路に対して回路規模が大きくなるため、チャージポンプ回路を二重化するよりも回路規模を低減することができるメリットがある。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。

本発明の構成例は、図２に対応させて示す図４のようになっており、上段ＦＥＴゲート駆動部１２０の昇圧電源回路として、チャージポンプ回路１３０及びブートストラップ回路１４０を設けていると共に、デューティ演算部１０５Ａで演算されるデューティ指令値Ｄ１〜Ｄ３に最大値の制限をかけるためのデューティ制御部１５０を設けている。

上段ＦＥＴゲート駆動部１２０はＵ相上段ゲート駆動部１２１、Ｖ相上段ゲート駆動部１２２及びＷ相上段ゲート駆動部１２３で構成されており、Ｕ相上段ゲート駆動部１２１の昇圧電源電圧部にはダイオードＤ１１及びＤ１２が逆方向に接続され、Ｖ相上段ゲート駆動部１２２の昇圧電源電圧部にはダイオードＤ１３及びＤ１４が逆方向に接続され、Ｗ相上段ゲート駆動部１２３の昇圧電源電圧部にはダイオードＤ１５及びＤ１６が逆方向に接続されている。そのため、Ｕ相上段ゲート駆動部１２１にはダイオードＤ１１又はダイオードＤ１２の昇圧電圧の高い方から電圧が印加され、Ｖ相上段ゲート駆動部１２２にはダイオードＤ１３又はダイオードＤ１４の昇圧電圧の高い方から電圧が印加され、Ｗ相上段ゲート駆動部１２３にはダイオードＤ１５又はダイオードＤ１６の昇圧電圧の高い方から電圧が印加される。

また、チャージポンプ回路１３０はスイッチング回路１３１と、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３の直列回路と、スイッチング回路１３１及びダイオードＤ２１〜Ｄ２３の直列回路に並列接続されたコンデンサＣ２１〜Ｃ２４とで構成されている。チャージポンプ回路１３０にはバッテリ（電圧Ｖｂ）から供給されるシステム電圧Ｖｂｓが印加され、出力電圧Ｖｃｐが上段ＦＥＴゲート駆動部１２０内のダイオードＤ１１，Ｄ１３，Ｄ１５に印加されると共に、電圧監視のためにスイッチング回路１３１に入力されている。

ブートストラップ回路１４０は、システム電圧Ｖｂｓとインバータ１０６のＵ〜Ｗ相の上下接続点との間にそれぞれ接続されたダイオードＤ３１及びコンデンサＣ３１の直列接続、ダイオードＤ３２及びコンデンサＣ３２の直列接続及びダイオードＤ３３及びコンデンサＣ３３の直列接続で、各相毎に構成されている。そして、コンデンサＣ３１〜Ｃ３３の充電電圧がそれぞれ上段ＦＥＴゲート駆動部１２０内のダイオードＤ１２，Ｄ１４，Ｄ１６に印加されている。

チャージポンプ回路１３０はバッテリ１３から生成されたシステム電圧Ｖｂｓをスイッチング回路１３１により、並列接続されたコンデンサＣ２１〜Ｃ２３へ充電、放電することでインバータ１０６のＦＥＴ１〜ＦＥＴ６の駆動に関わらず昇圧電圧（Ｖｃｐ）を生成する。本実施形態のチャージポンプ回路１３０ではバッテリ電圧Ｖｂを約３倍に昇圧することが可能な構成となっており、出力電圧Ｖｃｐ＝３×（Ｖｂｓ−Ｖｆ）の電圧生成が可能である。なお、ＶｆはダイオードＤ２１〜Ｄ２３の電圧降下成分である。一般的にＦＥＴを駆動する場合、ＦＥＴを確実にＯＮさせるためには、ゲート・ソース間の電圧は１０Ｖ以上が望ましい。そのため、スイッチング回路１３０は出力電圧Ｖｃｐを監視しており、出力電圧Ｖｃｐが“Ｖｂｓ＋１２Ｖ”となるようにスイッチング回路１３１をスイッチング動作させる。つまり、“Ｖｂ＋１２Ｖ”以上の場合はスイッチング動作を止め、“Ｖｂ＋１２Ｖ”より小さい場合はスイッチング動作を行い、出力電圧Ｖｃｐが“Ｖｂｓ＋１２Ｖ”となるように動作する。

一方、ブートストラップ回路１４０はＵ相を例にとると、インバータ１０６の下段ＦＥＴ６がＯＮのときにダイオードＤ３１を介してコンデンサＣ３１にシステム電圧Ｖｂｓが充電される。つまり、上段ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３のソース電圧に対してダイオードＤ３１の降下成分Ｖｆだけ小さい電圧がコンデンサＣ３１に充電される。そして、下段ＦＥＴ６がＯＦＦ、上段ＦＥＴ３がＯＮした場合には、コンデンサＣ３１の充電電圧はソース電圧、つまりシステム電圧Ｖｂｓとなる。

上述のようにチャージポンプ回路１３０により生成された出力電圧Ｖｃｐと、ブートストラップ回路１４０により生成された出力電圧（＝２Ｖｂｓ−Ｖｒ）のいずれか高い方の電圧が、ダイオードＤ１１及びＤ１２の導通及び遮断作用により、安定的にＵ相上段ＦＥＴゲート駆動部１２１の昇圧電源に供給される。Ｖｒはダイオードの降下電圧である。他のＶ相、Ｗ相についても全く同様である。

このように本発明では、チャージポンプ回路１３０又はブートストラップ回路１４０の高い方の電圧が昇圧電源電圧として使用されると共に、どちらか一方の昇圧電源回路が上段ＦＥＴゲート駆動部１２１〜１２３の昇圧電源電圧を生成できなくなった場合でも、他方の回路により昇圧電源電圧を供給することができるため、単一故障によりＦＥＴ駆動ができなくなるということを防止でき、電動パワーステアリング装置のアシスト制御を安定的に継続することができる。

ブートストラップ回路１４０を用いる場合、一定時間内に下段ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６をＯＮさせないと、上段ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３をＯＮする時間が長くなることによりブートストラップコンデンサの充電電圧が低下し、上段ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３を駆動することができなくなり、モータ２０で電流を流すことができなくなる。そのため電流が変動し、アシスト変動となる可能性があるため、デューティ指令値Ｄ１〜Ｄ３の制限が必要となる。しかしながら、チャージポンプ回路１３０はＦＥＴ１〜ＦＥＴ６のＯＮ／ＯＦＦ動作に関わらず昇圧電圧（Ｖｃｐ）を生成できるため、デューティ指令値Ｄ１〜Ｄ３を制限する必要はない。

本発明ではデューティ指令値Ｄ１〜Ｄ３の最大値を制限するために、デューティ制御部１５０を設けている。即ち、デューティ制御部１５０はシステム電圧Ｖｂｓとチャージポンプ回路１３０の出力電圧Ｖｃｐとを入力し、チャージポンプ回路１３０が正常か否かを監視しており、チャージポンプ回路１３０が故障（異常を含む）と判定された場合には、デューティ制限指令Ｌｄをデューティ演算部１０５Ａに入力し、デューティ演算部１０５Ａはデューティ指令値Ｄ１〜Ｄ３の最大値を制限（例えば最大９０％）するようにしている。

図５はデューティ制御部１５０の動作例を示しており、先ずシステム電圧Ｖｂｓとチャージポンプ回路１３０の出力電圧Ｖｃｐとを入力し（ステップＳ１）、出力電圧Ｖｃｐが“Ｖｂｓ＋１２Ｖ”より小さいか否かを判定する（ステップＳ２）。出力電圧Ｖｃｐが“Ｖｂｓ＋１２Ｖ”より小さい場合はＦＥＴを正常に駆動することができないので、チャージポンプ回路１３０の故障と判定する（ステップＳ３）。チャージポンプ回路１３０が正常な場合には、デューティ指令値の制限が発生することはない。しかしながら、チャージポンプ回路１３０が故障の場合には上述のようにデューティ指令値の制限が必要になるので、デューティ制御部１５０はチャージポンプ回路１３０の故障を判定した場合には、デューティ制限指令Ｌｄをデューティ演算部１０５Ａに入力し、デューティ指令値Ｄ１〜Ｄ３の最大値を制限（例えば最大９０％）する（ステップＳ４）。

このようにチャージポンプ回路１３０の故障を判定し、チャージポンプ回路１３０の故障時にデューティ指令値の制限をかけることにより、デューティ指令値が大きくなることによりブートストラップによる電圧生成ができず、上段ＦＥＴが駆動できなくなることを防止できるため、アシスト変動を防止することができる。

なお、上述では３相モータについて説明したが、本発明は２相その他のモータについても同様に適用することができる。また、上述では補償部が設けられた電動パワーステアリング装置を説明しているが、補償部は必ずしも必要なものではない。

１ハンドル
２コラム軸（ステアリングシャフト）
１０トルクセンサ
１２車速センサ
２０モータ
１００コントロールユニット
１０１電流指令値演算部
１０３電流制限部
１０４電流制御部
１０５ＰＷＭ制御部
１０５Ａデューティ演算部
１０６インバータ
１０６Ａ電流検出器
１１０補償部
１２０上段ＦＥＴゲート駆動部
１３０チャージポンプ回路
１４０ブートストラップ回路
１５０デューティ制御部

Claims

ＰＷＭの各相デューティ指令値を演算し、前記各相デューティ指令値に基づいて、上段ＦＥＴゲート駆動部を介してＦＥＴブリッジの上段ＦＥＴを駆動すると共に、下段ＦＥＴゲート駆動部を介して前記ＦＥＴブリッジの下段ＦＥＴを駆動し、前記ＦＥＴブリッジで成り、システム電圧を印加されるインバータによりモータを駆動制御することによって操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置において、
前記システム電圧を印加されて前記上段ＦＥＴゲート駆動部に接続され、かつ直列ダイオードで接続されたチャージポンプ回路と、
前記システム電圧を印加されて前記上段ＦＥＴゲート駆動部に接続され、かつ並列ダイオード及び前記並列ダイオードに直列接続された第１のコンデンサで成るブートストラップ回路と、
前記チャージポンプ回路の出力電圧及び前記直列ダイオードの接続点電圧を第２のコンデンサを経て入力し、前記チャージポンプ回路内に設けられた電圧監視のためのスイッチンッグ回路と、
前記システム電圧及び前記出力電圧を入力し、前記各相デューティ指令値の最大値を制限するデューティ制御部と、
を具備し、
前記出力電圧が第１のダイオードを介して前記上段ＦＥＴゲート駆動部に入力され、前記並列ダイオード及び前記第１のコンデンサの接続点電圧が第２のダイオードを介して前記上段ＦＥＴゲート駆動部に入力され、前記チャージポンプ回路及びブートストラップ回路の高い方の電圧を、前記上段ＦＥＴを駆動するための昇圧電源電圧とすると共に、
前記デューティ制御部により前記チャージポンプ回路の故障が判定されたとき、前記ブートストラップ回路の接続点電圧により生成された電圧を用いて前記ＦＥＴブリッジの上段ＦＥＴを駆動し、前記アシスト制御を継続することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記スイッチング回路は、前記出力電圧を所定電圧値以上とするようにスイッチング動作する請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
前記所定電圧値が前記ＦＥＴの正常駆動可能電圧である請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。