WO2009107638A1 - 補助電源装置及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Abstract

 補助電源の使用時に、常に安定した電力補助を行うことができる補助電源装置及びこれを用いた電動パワーステアリング装置を提供する。バッテリ7のみからモータ5に電力を供給する状態と、バッテリ7に補助電源10を直列に接続した電源からモータ5に電力を供給する状態とをPWM制御により選択的に構成する放電回路15を備えた補助電源装置1において、バッテリ7の消費電力が上限値を超える場合、その偏差に基づいて、スイッチング素子12,13をPWM制御によりオン・オフさせる際のデューティを操作量とする電力フィードバック制御を行うことにより、消費電力が上限値に戻るよう制御する制御回路20を設ける。

Description

補助電源装置及び電動パワーステアリング装置

 本発明は、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し、特にその補助電源装置に関する。

 電動パワーステアリング装置は、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装置である。近年、大型車への電動パワーステアリング装置の需要が急増しており、かかる大型車の場合、必要とされる操舵補助力も増大する。従って、より大きな電力をモータに供給しなければならない。しかし、主電源としてのバッテリだけでは、このような大電力を十分にまかなえない場合がある。そこで、バッテリとは別に2次電池の補助電源を設け、通常はバッテリのみで対応し、より大きな電力を必要とするときはバッテリと補助電源とを互いに直列に接続して両電源で電力を供給する、という構成が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。

特開2005-287222号公報(図1)

 上記のような従来の電動パワーステアリング装置における補助電源は、その充電状態や端子電圧が一定ではなく、随時変動する。従って、補助電源の使用時に、常に安定した電力補助ができるとは限らず、実際にどの程度の電力を引き出すことになるのかが、不確定である。
 かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、補助電源の使用時に、常に安定した電力補助を行うことができる補助電源装置及びこれを用いた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。

 本発明の補助電源装置は、モータに電力を供給するバッテリに対して直列に接続される補助電源と、前記バッテリの消費電力を検出する電力検出手段と、前記バッテリを用いて前記補助電源の充電を行う充電回路と、前記バッテリのみから前記モータに電力を供給する第1の状態と、前記バッテリ及び前記補助電源の両方から前記モータに電力を供給する第2の状態とを、スイッチング素子のオン・オフにより選択的に構成する放電回路と、前記電力検出手段の検出する消費電力と第1のしきい値との偏差に基づいたデューティで前記スイッチング素子をパルス幅変調制御によりオン・オフさせる電力フィードバック制御を行う制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記消費電力が前記第1のしきい値を超えているときに、前記消費電力が前記第1のしきい値に戻るように、前記偏差に基づいたデューティで前記電力フィードバック制御を行うものである。

 上記のように構成された補助電源装置では、上限値(第1のしきい値)を超えるバッテリの消費電力に対しては、電力フィードバック制御における偏差に基づいてデューティを設定することにより、偏差に対応した電力が補助電源から引き出され、バッテリの消費電力は滑らかに上限値に戻される。この場合、補助電源自体の電圧にばらつきがあっても、補助電源から所望の電力を引き出すことができる。

 また、好適には、上記補助電源装置において、前記制御回路は、前記消費電力が前記第1のしきい値と該第1のしきい値より小さい第2のしきい値との間の範囲に入るとき、前記放電回路が前記第2の状態を構成するようにデューティ0で前記電力フィードバック制御を行う。

 この場合、バッテリの消費電力が上限値(第1のしきい値)を超えなくても閾値(第2のしきい値)以上であれば、電力フィードバック制御が行われるので、電力フィードバック制御開始時の制御の不連続性が、補助電源の放電開始と同時に現れないようにすることができる。これにより、スイッチング素子のスイッチングが、開始・停止を繰り返すことによるノイズ(騒音)の発生を防止することができる。また、モータのトルク変動を防止することができる。
 一方、デューティを0とすることにより、消費電力が閾値以上で上限値以下の場合に、電力フィードバック制御を、実効性の無いものとすることができる。すなわち、上限値以下の消費電力を上限値に近づけるような無意味な制御が行われないようにすることができる。

 また、好適には、前記制御回路は、前記消費電力が前記第2のしきい値より小さいとき、前記電力フィードバック制御を停止する。
 この場合、バッテリの消費電力が小さいときは、無駄な電力フィードバック制御を行わなくてよい。
 また、好適には、前記制御回路は、前記デューティを出力するために前記偏差を演算処理する演算部を有し、前記制御回路が前記電力フィードバック制御を行っているとき、前記演算部は前記偏差の演算処理を行う。

 また、本発明は、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バッテリと、前記バッテリに対して直列に接続される補助電源と、前記バッテリの消費電力を検出する電力検出手段と、前記バッテリを用いて前記補助電源の充電を行う充電回路と、前記バッテリのみから前記モータに電力を供給する第1の状態と、前記バッテリ及び前記補助電源の両方から前記モータに電力を供給する第2の状態とを、スイッチング素子のオン・オフにより選択的に構成する放電回路と、前記電力検出手段の検出する消費電力と第1のしきい値との偏差に基づいたデューティで前記スイッチング素子をパルス幅変調制御によりオン・オフさせる電力フィードバック制御を行う制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記消費電力が前記第1のしきい値を超えているときに、前記消費電力が前記第1のしきい値に戻るように、前記偏差に基づいたデューティで前記電力フィードバック制御を行うものである。

 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、上限値(第1のしきい値)を超えるバッテリの消費電力に対しては、電力フィードバック制御における偏差に基づいてデューティを設定することにより、偏差に対応した電力が補助電源から引き出され、バッテリの消費電力は滑らかに上限値に戻される。この場合、補助電源自体の電圧にばらつきがあっても、補助電源から所望の電力を引き出すことができる。

 本発明の補助電源装置又は電動パワーステアリング装置によれば、上限値を超えるバッテリの消費電力は、偏差に対応した電力補助により、滑らかに上限値に戻される。この場合、補助電源自体の電圧にばらつきがあっても、補助電源から必要な電力を引き出すことができる。従って、補助電源の使用時に、常に安定した電力補助を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る補助電源装置を含む、電動パワーステアリング装置の電気回路を主体とした構成を示す回路図である。 放電制御のフローチャートである。 電力フィードバック制御の制御系の構成を示す図である。 バッテリの消費電力の変化に対して補助電源がどのように使用されるかの一例を示すグラフである。 図1の変形としての回路図であり、モータ駆動回路用の制御回路と、補助電源装置用の制御回路とを別々に設けた構成を示す。

符号の説明

 1  補助電源装置
 2  電動パワーステアリング装置
 7  バッテリ
 8  電流検出器
 9  電圧検出器
 10  補助電源
 12,13 スイッチング素子
 15 放電回路
 20,20B 制御回路
 21 充電回路

 図1は、本発明の一実施形態に係る補助電源装置1を含む、電動パワーステアリング装置2の電気回路を主体とした構成を示す回路図である。図において、ステアリング装置3は、ステアリングホイール(ハンドル)4に付与される運転者の操舵トルクと、モータ5が発生する操舵補助力とによって駆動される。モータ5は、3相ブラシレスモータであり、モータ駆動回路6により駆動される。モータ駆動回路6は、3相ブリッジ回路を構成する6個のスイッチング素子(MOS-FET)61~66と、これらをスイッチングする駆動回路(FETドライバ)67とを備えている。駆動回路67は、制御回路20によって制御される。

 モータ駆動回路6は、接地側電路LGを介して、バッテリ7の負極と接続されている。バッテリ7は、主電源としてモータ駆動回路6に電力を供給する。バッテリ7には、直列に電流検出器8が、並列に電圧検出器9が、それぞれ接続されている。電流検出器8はバッテリ7の出力する電流(IBとする。)を検出して、その検出信号を制御回路20に送る。電圧検出器9はバッテリ7の端子間に生じる電圧(VBとする。)を検出して、その検出信号を制御回路20に送る。制御回路20では、電流検出器8及び前記電圧検出器9からの2つの検出信号に基づき乗算処理を行い、電力(VB・IB)を求める。すなわち、電流検出器8及び電圧検出器9は、制御回路20と共に、バッテリ7の消費電力を検出する電力検出手段を構成している。なお、厳密にはバッテリ7の内部でも電力消費があるが、これは、外部に出力される電力に比べて非常に小さい。従って、外部に出力される電力が、バッテリ7の消費電力である、とする。

 補助電源10は、電気二重層コンデンサで構成されており、バッテリ7に対して、直列に接続されている。また、補助電源7に並列に、電圧検出器11が接続されている。電圧検出器11は補助電源7の端子間に生じる電圧(VCとする。)を検出して、検出信号を制御回路20に送る。電流検出器8における電圧降下は小さいのでこれを無視すると、電路L1には、電路L1にはバッテリ7の電圧VBが印加され、他方、電路L2には、バッテリ7の電圧VBと補助電源10の電圧VCとの和の電圧(VB+VC)が印加される。

 電路L1及びL2はそれぞれ、スイッチング素子12及び13(MOS-FET)を介して共に、電路L3に接続される。この電路L3が、モータ駆動回路6に接続されている。スイッチング素子12,13は、駆動回路(FETドライバ)14からPWM(パルス幅変調)制御された駆動信号が付与されることにより、スイッチングされる。駆動回路14は、制御回路20によって制御される。スイッチング素子12,13と駆動回路14とを含む放電回路15は、バッテリ7のみからモータ5に電力を供給する第1の状態と、バッテリ7に補助電源10を直列に接続した「電源」からモータ5に電力を供給する第2の状態とを、スイッチング素子12,13のオン・オフにより選択的に構成する。

 補助電源10は、充電回路21によって充電される。この充電回路21は、リアクトル16と、交互にオンとなるスイッチング素子17,18(MOS-FET)と、スイッチング素子17,18をスイッチングする駆動回路(FETドライバ)19と、ダイオード25とを備えている。駆動回路19は、制御回路20によって制御される。

 制御回路20には、ステアリングホイール4に付与された操舵トルクを検出するトルクセンサ22から、その出力信号が入力される。また、車速を検出する車速センサ23の出力信号が、制御回路20に入力される。モータ5には、ロータの回転角度位置を検出する角度センサ24が設けられており、その出力信号が制御回路20に入力される。

 上記のように構成された電動パワーステアリング装置において、制御回路20は、トルクセンサ22から送られてくる操舵トルク信号、車速センサ23から送られてくる車速信号、及び、角度センサ24から送られてくるロータ角度位置信号に基づいて、適切な操舵補助力を発生させるべく、モータ駆動回路6を動作させ、モータ5を駆動させる。

 一方、充電回路21においてスイッチング素子17がオン状態、スイッチング素子18がオフ状態のときは、バッテリ7からリアクトル16、スイッチング素子17を通って電流が流れる。その状態からスイッチング素子17がオフ状態(スイッチング素子18がオン状態)に転じると、電流遮断による磁束変化を妨げるように高電圧がリアクトル16に発生し、これにより、バッテリ7の出力電圧を昇圧した電圧で、ダイオード25を介して、補助電源10が充電される。従って、スイッチング素子17,18のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源10を充電することができる。制御回路20は、補助電源10の電圧VCを監視し、一定の電圧に達していない場合には、駆動回路19を介してスイッチング素子17,18をオン・オフさせ、補助電源10を充電する。この充電は、例えば、トルクセンサ22が操舵トルクを検出していないときに行われる。

 次に、放電回路15の動作について、図2のフローチャートを参照して説明する。図2のフローチャートに示す放電制御は、制御回路20において繰り返し実行される。まず、制御回路20は、電流検出器8及び電圧検出器9からの出力信号の乗算値に基づいて、バッテリ7の現在の消費電力を検出し(ステップS1)、消費電力が上限値以下であるか否かの判断を行う(ステップS2)。ここで、上限値とは、バッテリ7のみから取り出してもよいと考えられる消費電力の最大値である。消費電力が上限値を超えている場合は、後述の電力フィードバック制御が行われる(ステップS3)。

 一方、ステップS2において消費電力が上限値以下である場合、続いて制御回路20は、消費電力が閾値より小さいか否かの判断を行う(ステップS4)。ここで、閾値とは、上限値よりも小さい所定の値である。ステップS4において消費電力が閾値より小さい場合は、そのまま処理終了となる。また、消費電力が閾値以上である場合は、後述の電力フィードバック制御(但し、リミット処理付き)が行われる(ステップS5)。

 図3は、電力フィードバック制御の制御系の構成を示す図である。図において、制御回路20内の比較部201は、上限値と、検出器8,9(電流検出器8,電圧検出器9)からフィードバックされるバッテリ7の消費電力とを比較し、その偏差に、PI演算部202にてPI演算が施される。偏差は、フィードバックされるバッテリ7の消費電力が、上限値を超えている場合には正の値になるものとする。逆に、消費電力が上限値より小さい値である場合には、偏差は負の値となる。

 PI演算部202は、リミット処理部203を含んでいる。リミット処理部203は偏差が負の値でない(正の値又は0)場合には何もせず、PI演算部202は、制御系の操作量としてのデューティを出力する。偏差が負の値である場合には、リミット処理部203は、強制的にデューティ0を出力する(リミット処理)。このデューティとは、放電回路15の駆動回路14がスイッチング素子12,13のPWM制御を行う際に用いられるものであり、例えば、デューティが1であればスイッチング素子13が連続的にオン、スイッチング素子12が連続的にオフの状態となる。逆に、デューティが0であればスイッチング素子12が連続的にオン、スイッチング素子13が連続的にオフの状態となる。

 また、デューティが0~1の範囲内の値であれば、その値に応じて、スイッチング素子13のオン時間(スイッチング素子12のオフ時間)の割合が変化する。スイッチング素子13のオン時間の割合を増大させると、補助電源10から引き出す電圧が増大し(但し、出力可能な電圧の範囲内)、補助電源10が負担する電力が多くなるので、バッテリ7の負担は軽減される。従って、バッテリ7の消費電力を抑制することができる。このような電力フィードバック制御により、偏差が0、すなわち、バッテリ7の消費電力が、上限値に滑らかに戻される。

 図4は、バッテリ7の消費電力の変化に対して補助電源10がどのように使用されるかの一例を示すグラフである。図中の数字は、図2のフローチャートに記載した処理ルートの符号と対応している。図4において、バッテリ7の消費電力が図示のような曲線で変化する場合、まず、時刻t1に至るまでの時点においては、消費電力が、上限値及び閾値の双方よりも小さい値である。この場合には、補助電源10は使用されず、図1のスイッチング素子12がオン、13がオフとなって、バッテリ7のみからモータ5に必要な電力が供給される。

 次に、時刻t1において、消費電力が閾値に達し、電力フィードバック制御がリミット処理付きで開始される。従って、偏差に基づくPI演算が開始されるが、リミット処理により、デューティは0となる。デューティ0の場合、図1のスイッチング素子12がオン、13がオフとなって、バッテリ7のみからモータ5に必要な電力が供給される。すなわち、補助電源10の放電は無い。この状態は時刻t2まで続き、時刻t2より後の時点では、消費電力は上限値を超える。

 消費電力が上限値を超えると直ちに、電力フィードバック制御がリミット処理無しで行われ、偏差を無くすように駆動回路14のPWM制御におけるデューティが設定される。従って、バッテリ7に補助電源10を直列に接続した電源からモータ5に電力が供給され、バッテリ7の電力負担は減少する。この結果、消費電力は時刻t3には上限値に戻り、時刻t3より後で、時刻t4までは、電力フィードバック制御がリミット処理付きで実行される。従って、偏差に基づくPI演算は行われるが、リミット処理により、デューティは0となる。デューティ0では、図1のスイッチング素子12がオン、13がオフとなって、バッテリ7のみからモータ5に必要な電力が供給される。すなわち、補助電源10の放電は無い。

 また、時刻t4より後は、消費電力が上限値及び閾値の双方より小さい値となる。従って、電力フィードバック制御は停止となる。これにより、消費電力が十分に低下してから電力フィードバック制御が停止されることになり、また、バッテリ7の消費電力が小さいときに、無駄な電力フィードバック制御を行わなくてよい。この状態では補助電源10は使用されず、図1のスイッチング素子12がオン、13がオフとなって、バッテリ7のみからモータ5に必要な電力が供給される。

 このようにして、バッテリ7の消費電力に基づいて、上限値を超えるバッテリ7の消費電力に対しては、電力フィードバック制御における偏差に基づいてデューティを設定することにより、偏差に対応した電力が補助電源10から引き出され、バッテリ7の消費電力は滑らかに上限値に戻される。この場合、補助電源10自体の電圧にばらつきがあっても、補助電源10から所望の電力を引き出すことができる。従って、補助電源10の使用時に、安定した電力補助を行うことができる。

 また、消費電力が上限値を超える前から電力フィードバック制御(但し、リミット処理付き)は始まっており、PI演算が行われているので、電力フィードバック制御開始時の制御の不連続性が、補助電源10の放電開始と同時に現れないようにすることができる。これにより、スイッチング素子12,13のスイッチングが、開始・停止(PWMによるスイッチングのオン・オフの意味ではなく、スイッチングという動作状態をとるか否か)を繰り返すことによるノイズ(騒音)の発生を防止することができる。また、モータ5のトルク変動を防止することができる。

 逆に、消費電力が低下に転じて上限値以下となっても閾値より小さくなるまでは、電力フィードバック制御(但し、リミット処理付き)を継続するので、上限値近傍で消費電力が変動しても、上記と同様に、補助電源10が放電を再開するときに、制御の不連続性が同時に現れないようにすることができる。

 なお、上記実施形態では一旦上限値を超えた消費電力が上限値以下になると補助電源10の放電を停止させるようにしたが、これとは異なる制御も可能である。例えば、上限値近傍で消費電力が細かく変動する場合には、一旦補助電源10が放電を開始した後は、瞬時的に消費電力が上限値以下となっても直ちに放電を停止させず(すなわち、リミット処理を保留し)、デューティが0になるまで補助電源10の放電を継続するようにしてもよい。

 また、上記実施形態において制御回路20は、モータ駆動回路6の制御も行うものとしたが、モータ駆動回路6の制御を行う制御回路と、補助電源10に関する制御を行う制御回路とを別々に設けることもできる。図5は、その一例を示す回路図である。この場合、制御回路20Aは、モータ駆動回路6の制御を行い、制御回路20Bは、補助電源10に関する制御を行う。このような構成によれば、電源制御を、モータ制御と独立して設けることができ、補助電源装置1が、いわば自己完結で電力マネージメントを実現することができる。これにより、補助電源装置1をモータ仕様に合わせてカスタマイズすることが不要となり、低コスト化に寄与する。また、補助電源装置1をユニット化することもできる。
 本発明は、2008年2月29日出願の日本特許出願(特願2008-049332)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

 補助電源の使用時に、常に安定した電力補助を行うことができる補助電源装置及びこれを用いた電動パワーステアリング装置を提供することができる。

Claims (5)

  1.  モータに電力を供給するバッテリに対して直列に接続される補助電源と、
     前記バッテリの消費電力を検出する電力検出手段と、
     前記バッテリを用いて前記補助電源の充電を行う充電回路と、
     前記バッテリのみから前記モータに電力を供給する第1の状態と、前記バッテリ及び前記補助電源の両方から前記モータに電力を供給する第2の状態とを、スイッチング素子のオン・オフにより選択的に構成する放電回路と、
     前記電力検出手段の検出する消費電力と第1のしきい値との偏差に基づいたデューティで前記スイッチング素子をパルス幅変調制御によりオン・オフさせる電力フィードバック制御を行う制御回路と、
    を備え、
     前記制御回路は、前記消費電力が前記第1のしきい値を超えているときに、前記消費電力が前記第1のしきい値に戻るように、前記偏差に基づいたデューティで前記電力フィードバック制御を行うことを特徴とする補助電源装置。
  2.  前記制御回路は、前記消費電力が前記第1のしきい値と該第1のしきい値より小さい第2のしきい値との間の範囲に入るとき、前記放電回路が前記第2の状態を構成するようにデューティ0で前記電力フィードバック制御を行う請求項1記載の補助電源装置。
  3.  前記制御回路は、前記消費電力が前記第2のしきい値より小さいとき、前記電力フィードバック制御を停止する請求項2記載の補助電源装置。
  4.  前記制御回路は、前記デューティを出力するために前記偏差を演算処理する演算部を有し、前記制御回路が前記電力フィードバック制御を行っているとき、前記演算部は前記偏差の演算処理を行う。
  5.  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バッテリと、
     前記バッテリに対して直列に接続される補助電源と、
     前記バッテリの消費電力を検出する電力検出手段と、
     前記バッテリを用いて前記補助電源の充電を行う充電回路と、
     前記バッテリのみから前記モータに電力を供給する第1の状態と、前記バッテリ及び前記補助電源の両方から前記モータに電力を供給する第2の状態とを、スイッチング素子のオン・オフにより選択的に構成する放電回路と、
     前記電力検出手段の検出する消費電力と第1のしきい値との偏差に基づいたデューティで前記スイッチング素子をパルス幅変調制御によりオン・オフさせる電力フィードバック制御を行う制御回路と、
    を備え、
     前記制御回路は、前記消費電力が前記第1のしきい値を超えているときに、前記消費電力が前記第1のしきい値に戻るように、前記偏差に基づいたデューティで前記電力フィードバック制御を行うことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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