WO2016166797A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

電動パワーステアリング装置において、バッテリとブリッジ回路の間に電流路の開閉のために半導体スイッチング素子を使用すると、ＯＮ抵抗による発熱の問題があるため、半導体スイッチング素子のゲート電圧とソース電圧の差が所定値以下の場合には、半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するようにした。

Description

電動パワーステアリング装置

　この発明は、電動パワーステアリング装置に関するもので、特に、電源からモータに供給される電流を制御する制御手段を備えた電動パワーステアリング装置に関するものである。

　電動パワーステアリング装置は、操舵のアシストトルクを発生する手段として使用され、ドライバーの操舵力をトルクセンサで検出し、操舵力に応じてモータに供給される電流の大きさと方向をブリッジ回路によって制御してトルクを発生するように構成されており、一般的な構成としては、アシスト用のモータと、バッテリなどの電源と、モータと電源との間で、モータへの電流量をアシストトルクに応じて供給するブリッジ回路を主要な構成としている。

　このような構成の中で、様々な技術が開発され、提案されている。例えば、再公表特許ＷＯ２００５／０８１３８６（特許文献１）においては、電源の電圧を所定の電圧値に昇圧してモータに供給する場合に、機械式のリレー接点を使用していると、オンからオフへの切り替え時に、リレー接点間に放電が生じてリレー接点が溶着して回路動作に重大な影響が生じることを課題として取り上げ、その防止策として、リレー接点の入力側の電位を監視し、リレー接点の入力側と出力側の電圧差の値が所定の閾値を下回った時にリレー接点をオフにするように制御することを提案している。この提案では、リレー接点として機械式のリレー接点を使用することを前提としているので、このリレー接点を機械式から、半導体スイッチング素子に切り替えることが考えられる。その構成は、例えば、特許第３３７５５０２号公報（特許文献２）に提案されているように、Ｎチャンネルの半導体スイッチング素子をリレーとして使用するもので、ソース・ドレイン間に流れる電流をゲート電圧によって制御することによって、電源から供給される電流をオン・オフすることになる。

再公表特許ＷＯ２００５―０８１３８６ 特許第３３７５５０２号公報

　しかしながら、電動パワーステアリング装置において、モータに供給される電流を遮断するリレー接点を、特許文献２のようにＮチャンネルの半導体スイッチング素子によって構成する場合には、例えば、バッテリなどの電源の電圧が低下した状態で、ゲート－ソース間電圧が一定値以下となって、その状態で所定電流値以上の電流を流すと、ＯＮ抵抗が急激に上昇し、増加した半導体スイッチング素子のＯＮ抵抗分と通流している電流による熱損失によって、半導体スイッチング素子が熱破壊するという問題が生じる。
　この発明は、電動パワーステアリング装置において、モータに供給される電流のオン・オフを行う電流開閉手段として半導体スイッチング素子を使用した場合に生じる熱的な問題を解決して安定な動作を提供することを目的とするものである。

　この発明は、電動パワーステアリング装置において、電源からモータに供給する電流のオン・オフを行う開閉手段として半導体スイッチング素子を使用し、この半導体スイッチング素子のゲート電圧とソース電圧の差が所定値以下の場合には、この半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するように制御するようにしたものである。
　また、モータに供給する電流を制御するブリッジ回路によって消費する電流を調整することによって、開閉手段の半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するようにしたものである。

　この発明の電動パワーステアリング装置によれば、半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧に基づいて、半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するようにしたことによって、半導体スイッチング素子のＯＮ抵抗による熱的な破壊を防ぐことができる。

この発明の対象とする実施の形態１の電動パワーステアリング装置の回路構成図である。 車速毎のトルクセンサ信号とモータ電流の関係を示す図である。 常温時におけるＮチャンネル半導体スイッチング素子の異なるゲート・ソース間電圧値毎の電流とＯＮ抵抗の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１のフローチャートを示す図である。 この発明の実施の形態２のフローチャートを示す図である。 ＤＣモータの出力トルクと回転速度および出力トルクとモータ電流の関係を示す図を示す図である。 この発明の実施の形態３のフローチャートを示す図である。 高温時におけるＮチャンネル半導体スイッチング素子の異なるゲート・ソース間電圧値毎の電流とＯＮ抵抗の関係を示す図である。 この発明の実施の形態４の電動パワーステアリング装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態４のフローチャートを示す図である。

実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１の対象とする電動パワーステアリング装置の回路構成図である。
　図１に示すように、電動パワーステアリング装置１００は、トルクセンサ１の出力と車速センサ２の出力に基づいてモータ３に供給する電流の大きさと方向を制御して操舵をアシストするトルクを発生する。
　モータ３としては、ここではＤＣブラシ・モータを使用している。ＤＣブラシ・モータでは、入力する電圧の極性を変えることで正転・反転の駆動ができ、かつＰＷＭ（パルス幅変調）駆動を利用してＤｕｔｙ比駆動することで起動トルク、回転トルクなどを任意に設定できるようになっている。
　モータ３への電流の供給は、外部のバッテリ４からブリッジ回路５を通じて行われ、電流の大きさと方向の制御は、ブリッジ回路５を構成するスイッチング素子５１、５２、５３、５４をモータ駆動手段６が制御することによって行われる。バッテリ４からブリッジ回路５への電流の供給および遮断は、開閉手段７によって行われる。開閉手段７は、２個の半導体スイッチング素子７１、７２を直列接続して構成され、それぞれのゲートには昇圧電源８からのゲート電圧が加えられるように構成されている。

　なお、この電動パワーステアリング装置１００にはマイクロコンピュータ９が設けられ、昇圧電圧検出手段１０によって昇圧電源８の電圧値が、バッテリ電圧検出手段１１によってバッテリ４の電圧値が、また、モータ電流検出抵抗１２とモータ電流検出手段１３によってバッテリ４から供給されるモータ電流値が、マイクロコンピュータ９に送られ、マイクロコンピュータ９は、前述のトルクセンサ１および車速センサ２からの情報に基づいて、電動パワーステアリング装置１００の全体の動作を制御するように構成されている。すなわち、マイクロコンピュータ９は電動パワーステアリング装置１００における制御装置として、トルクセンサ１からのトルクセンサ信号と車速センサ２からの車速信号に基づいて、ステアリングをアシストするモータ電流の目標値を図２に示すように演算し、演算の結果の目標値となるようにモータ駆動手段６を制御する。

　この構成の電動パワーステアリング装置１００では、開閉手段７の半導体スイッチング素子７１、７２のゲート電圧値（昇圧電源８の電圧値）と、開閉手段７の半導体スイッチング素子７１、７２のソース電圧値（バッテリ４の電圧値）と、モータ電流検出手段１３からのモータ電流検出値と、ブリッジ回路５にてモータ３をＰＷＭ駆動する時の駆動Ｄｕｔｙ比とから、次の（１）式によってバッテリ電流推定値Ｉｂを算出する。
　　　Ｉｂ＝Ｉｍ×Ｖｂ×Ｄｕｔｙ÷Ｖｂ　　　　　　　　　　　（１）
　　　ここで、
　　　　　Ｉｂ：バッテリ電流推定値
　　　　　Ｖｂ：バッテリ電圧検出値
　　　　　Ｉｍ：モータ電流検出値
　　　　　Ｄｕｔｙ：ブリッジ回路を駆動するＰＷＭ　ｄｕｔｙ比
　この算出されたバッテリ電流推定値Ｉｂを用いて、バッテリ電流推定値Ｉｂが、図３に示すＩｄ＿ｔｈ（半導体スイッチング素子のＯＮ抵抗が急激に増加する閾値）以下になるようにバッテリ電流を制限する。

　なお、図３は、半導体スイッチング素子の、ゲート・ソース間電圧値を変化させた場合の、半導体スイッチング素子を流れる電流値とＯＮ抵抗値の関係を表したもので、ゲート・ソース間電圧値がＶｇｓ１の場合には、電流値がＩｄ＿ｔｈを境に急激にＯＮ抵抗値Ｒｏｎが大きくなることを表している。また、Ｖｇｓ１とＶｇｓ２およびＶｇｓ３とは、ゲート・ソース間の電圧値の異なる場合で、Ｖｇｓ１の方がＶｇｓ２およびＶｇｓ３に比べて、電圧値が小さいことを表している。

　なお、ＯＮ抵抗の変化は、ゲート・ソース間電圧値だけでなく、他のパラメータにも依存している。例えば、環境温度の変化によって、約０．６％／°Ｃの割合でＯＮ抵抗が増加することが知られているので、他のパラメータによる変化を区別して扱うことができる。

　また、前記（１）式では、電動パワーステアリング装置１００の制御系において消費する電流がきわめて小さいものとして扱っているが、この制御系において消費する電流を含めて考える場合には、次の（２）式を用いても良い。
　　　Ｉｂ＝Ｉｍ×Ｖｂ×Ｄｕｔｙ÷Ｖｂ－Ｉｅ÷Ｖｂ　　　（２）
　　　ここで、
　　　　　Ｉｅ：電動パワーステアリング装置の制御系で消費されるバッテリ電流

　次に、この発明の実施の形態１の制御系のシステムを図４に示したフローチャートに基づいて説明する。
　この図４のフローチャートは、マイクロコンピュータ９の動作を示しており、マイクロコンピュータ９は、この動作を周期的に繰り返して実行する。
　図４の、ステップＳ１０１にて、バッテリ電圧検出手段１１を用いてバッテリ４の電圧値をマイクロコンピュータ９に内蔵されているＡ／Ｄコンバータ（図示せず）を用いて取り込み、その後、ステップＳ１０２を実行する。

　ステップＳ１０２にて、昇圧電圧検出手段１０を用いて、バッテリ電圧を昇圧電源８内の昇圧回路により昇圧した電圧値をマイクロコンピュータ９に内蔵されているＡ／Ｄコンバータを用いて取り込み、その後、ステップＳ１０３を実行する。
　ステップＳ１０３にて、先のステップＳ１０１とＳ１０２で取り込んだ、昇圧電圧検出値（開閉手段７の半導体スイッチング素子７１のゲート電圧）とバッテリ電圧検出値（開閉手段７の半導体スイッチング素子７１のソース電圧）との差の値により、半導体スイッチング素子７１に印加されているゲート・ソース間電圧を演算し、その後、ステップＳ１０４を実行する。

　ステップＳ１０４にて、先のステップＳ１０３で演算した半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧値が、図２に示すＯＮ抵抗の増加する電圧値Ｖｇｓ１以下であるか否かを判定し、電圧値Ｖｇｓ１以下の場合には、半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧値が低く、半導体スイッチング素子７１を通流する電流、すなわち「バッテリ電流が大きくなったときには、半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗の増加率が高い場合である」と判定し、ステップＳ１０５へ進む。

　一方、ゲート・ソース間電圧値が閾値より大きい場合、半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗の増加率が低くＯＮ抵抗が急激に増加しない場合であり、「バッテリ電流を制限する必要がない」と判定し、ステップＳ１０６へ進む。

　ステップＳ１０５にて、バッテリ電流を、図２に示すＩｄ＿ｔｈ以下となるよう（１）式に示す関係式からモータ３に通流するモータ電流を所定値Ｉｍ＿ｔｈ以下に制限する。ここでモータ３を駆動するブリッジ回路５のスイッチング素子５１、５２、５３、５４のＰＷＭ　Ｄｕｔｙ比が０～１００％まで変化するため、最大１００％となるとすると、（１）式を変形して求められるモータ電流の閾値Ｉｍ＿ｔｈは（３）式に示すように計算される。
　すなわち、（１）式から、
　　　Ｉｄ＿ｔｈ＝Ｉｍ＿ｔｈ×Ｖｂ×Ｄｕｔｙ÷Ｖｂ
　ここで、Ｄｕｔｙが１００％であるとすると、
　　　Ｉｄ＿ｔｈ＝Ｉｍ＿ｔｈ　　　　　　　　　　　　　（３）
　この（３）式に示すようなモータ電流に制限することにより、結果としてバッテリ電流をＩｄ＿ｔｈ以下となるように制限することになる。

　一方、ステップＳ１０６では、バッテリ電流を制限する必要が無いことから、モータ電流を定格電流以下として制御する。
　以上のように、開閉手段７の半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧値が低下したときに、モータ電流を制限することにより、半導体スイッチング素子７１に流れるバッテリ電流が制限され、結果として、半導体スイッチング素子７１の熱破壊を防止することができる。

実施の形態２．
　実施の形態１においては、ブリッジ回路５に供給されるモータ電流を制限することにより、結果としてバッテリ電流を制限していたが、ブリッジ回路５のスイッチング素子５１、５２、５３、５４を駆動するＰＷＭ駆動のＤｕｔｙ比を制限することにより、バッテリ電流を制限してもよい。
　以下、この実施の形態２の制御系のシステムを図５に示すフローチャートを用いて説明する。

　図５に示すフローチャートは、図４に示したフローチャートの中で、モータ電流を制限する部分（ステップＳ１０５、Ｓ１０６）を、ブリッジ回路５におけるＰＷＭ駆動のＤｕｔｙを制限する部分（ステップＳ２０５、Ｓ２０６）に変更したものであるので、その部分に関して説明する。

　図５において、ステップＳ１０４にて、ゲート・ソース間電圧、すなわちゲート電圧とソース電圧の差がＶｇｓ１以下である場合（≦Ｖｇｓ１）、半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧が低く、半導体スイッチング素子７１を通流する電流、すなわちバッテリ電流が大きくなったとき、半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗の増加率が高い場合であると判定し、ステップＳ２０５へ進む。
　一方、ゲート・ソース間電圧がＶｇｓ１を越えている場合（＞Ｖｇｓ１）には、半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗の増加率が低いとして、すなわち制限が必要ないと判定して、ステップＳ２０６へ進む。

　ステップＳ２０５にて、モータ３の定格電流をＩｍ＿ｍａｘとして（１）式に代入して、Ｄｕｔｙの制限値Ｄｕｔｙ＿ｔｈは（４）式に示すように計算される。
　すなわち、（１）式から、
　　　Ｉｄ＿ｔｈ＝Ｉｍ＿ｍａｘ×Ｖｂ×Ｄｕｔｙ＿ｔｈ÷Ｖｂ
　この式から、Ｄｕｔｙ＿ｔｈを求める式に変形して、（４）式が導かれる。
　　　Ｄｕｔｙ＿ｔｈ＝Ｉｄ＿ｔｈ÷Ｉｍ＿ｍａｘ　　　　　　　（４）
　したがって、スイッチング素子５１、５２、５３、５４の駆動Ｄｕｔｙ比を（４）式に示すような制限をすることにより、結果としてバッテリ電流をＩｄ＿ｔｈ以下となるように制限できることになる。

　ステップＳ２０６では、ブリッジ回路５のスイッチング素子５１、５２、５３、５４の駆動Ｄｕｔｙ比を制限しない（制限値を100％）とする。

　前述のように、開閉手段７の半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧が低下したときに、ブリッジ回路５のスイッチング素子５１、５２、５３、５４の駆動Ｄｕｔｙ比を制限することにより、開閉手段７の半導体スイッチング素子７１に流れるバッテリ電流が制限され、結果として、開閉手段７の半導体スイッチング素子７１の熱破壊を防止することができる。

実施の形態３．
　モータ３の出力トルクと回転速度および出力トルクとモータ電流の関係は一般的に図６に示すように、出力トルクが大きい程、回転速度が小さくなり、出力トルクが大きい程、モータ電流が大きくなる。
　一方、電動パワーステアリング装置１００のトルクセンサ信号と車速から求められるモータ電流は、一般的に図２に示すようになる。すなわち、車速が低い時ほどアシスト電流が大きく、車速が高い程、アシスト電流が小さくなる。すなわち、車速が低いときには、ハンドルを操舵する速度よりもモータ３の出力トルクが必要で、車速が高いときには、元々必要なモータ電流が小さく、緊急回避などのときには、モータ３の回転速度が必要なため、車速に応じてバッテリ電流を制限するための手段をモータ電流または駆動Ｄｕｔｙを切り替えることにより、より実使用上の制限がなくなる電動パワーステアリング装置を提供することができる。
　以下、図７に示すフローチャートを用いて、この実施の形態３を説明する。

　図７に示すフローチャートは、図４および図５に示すフローチャートからステップＳ３０１を追加しただけなので、前述の実施形態で説明した箇所の説明は省略する。

　ステップＳ１０４にて、半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧、すなわちゲート電圧とソース電圧の差がＶｇｓ１以下である場合（≦Ｖｇｓ１）、半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧が低く、半導体スイッチング素子７１を通流する電流、すなわちバッテリ電流が大きくなったとき、半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗の増加率が高い場合であると判定し、ステップＳ３０１へ進む。
　一方、ゲート・ソース間電圧がＶｇｓ１を越えている場合（＞Ｖｇｓ１）には、半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗の増加率が低いとして、すなわち制限が必要ないと判定して、ステップＳ１０６へ進む。

　ステップＳ３０１にて、車速センサ２により検出した車速検出値が、電動パワーステアリング装置１００によるアシストを必要とする車速の閾値（Ｖｓｐ＿ｔｈ）以下の場合（≦Ｖｓｐ＿ｔｈ）、例えば、自動車の車庫入れなどのように低速で運転してモータ３の出力トルクを必要としているような場合には、ステップＳ２０５に進み、モータ３の出力トルクを制限しないようＤｕｔｙ制限値により、ブリッジ回路５のスイッチング素子５１、５２、５３、５４の駆動Ｄｕｔｙ比を制限することにより、結果として、開閉手段７の半導体スイッチング素子７１を通流するバッテリ電流を制限することができる。
　一方、車速検出値が車速の閾値（Ｖｓｐ＿ｔｈ）よりも大きい（＞Ｖｓｐ＿ｔｈ）の場合には、モータ３の出力はそれほど必要とはされない。ただし、自動車の運転中においては、緊急回避などのように、急激にステアリングを回転させる必要があるので、モータ３の回転速度が必要な場合には、ブリッジ回路５のスイッチング素子５１、５２、５３、５４の駆動Ｄｕｔｙ比を制限すると必要な回転速度が得ることができないことになるため、ステップＳ１０５に進み、モータ電流を制限する。

　前述のように車速に応じて、モータ電流または半導体スイッチング素子７１駆動Ｄｕｔｙ比を制限することにより、より実使用上の制限がかからないように開閉手段７の半導体スイッチング素子７１に流れるバッテリ電流を制限することができ、結果として、半導体スイッチング素子７１の熱破壊を防止することができる。

実施の形態４．
　高温時の半導体スイッチング素子７１の電流とＯＮ抵抗との関係は、ゲート・ソース間電圧によって多少は異なるが、例えば図８に示すように変化する。
　したがって、この実施の形態４では、電動パワーステアリング装置１００に、温度検出手段１５を内蔵して、この温度検出手段１５によって検出した温度情報を用いて、バッテリ電流の閾値を変更することにより、より制限の少ない電動パワーステアリング装置を提供するようにしたものである。

　図９は、図１の電動パワーステアリング装置１００に、内部の温度を検出する温度検出手段１５を追加したものである。
　以下、実施の形態１に、温度検出手段１５を追加したシステムの動作を、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。
　図１０のフローチャートは、図４のフローチャートにおいてステップＳ４０１およびステップＳ４０２を追加したもので、前述の実施の形態で既に説明した箇所の説明は省略する。

　ステップＳ１０４にて、半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧、すなわちゲート電圧とソース電圧の差がＶｇｓ１以下である場合（≦Ｖｇｓ１）、半導体スイッチング素子７１のゲート・ソース間電圧が低く、半導体スイッチング素子７１を通流する電流、すなわちバッテリ電流が大きくなったときに半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗の増加率が高い場合であると判定し、ステップＳ４０１へ進む。
　一方、ゲート・ソース間電圧がＶｇｓ１を越えている場合（＞Ｖｇｓ１）には、半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗の増加率が低いとして、すなわち制限が必要ないと判定して、ステップＳ１０６へ進む。

　ステップＳ４０１にて、温度検出手段１５によって検出した温度検出値が、温度状態の閾値（Ｔｈｒｍ＿ｔｈ）以下の場合（≦Ｔｈｒｍ＿ｔｈ）の場合には、図３に示す半導体スイッチング素子７１のＯＮ抵抗特性を採用すると判断し、ステップＳ１０５に進み、モータ電流の制限値をＩｍ＿ｔｈとして電動パワーステアリング装置１００の制御を行う。
　一方、温度検出値が温度状態の閾値（Ｔｈｒｍ＿ｔｈ）よりも大きい（＞Ｔｈｒｍ＿ｔｈ）の場合には、図８に示したスイッチング特性を採用すると判断し、ステップＳ４０２に進み、図８に示すＩｄ＿ｔｈから計算によって求められるＩｍ＿ｔｈ２によってモータ電流を制限する。

　前述のように、電動パワーステアリング装置の内部温度に応じて、モータ電流の判定の閾値をより最適値に切り替えて制御することにより、より実使用上の制限がかからないように開閉手段７の半導体スイッチング素子７１に流れるバッテリ電流を制限することができ、結果として、開閉手段７の半導体スイッチング素子７１の熱破壊を防止することができる。

　なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

Claims (6)

1. 　モータ、前記モータに電流を供給するブリッジ回路、半導体スイッチング素子を有し、バッテリから前記ブリッジ回路への電流の供給および遮断を前記半導体スイッチング素子によって行う開閉手段、および前記半導体スイッチング素子のゲート電圧とソース電圧の差が所定値以下の場合には、前記半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するように制御する制御装置を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 　前記半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するために、前記バッテリからの電流を制限するようにした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。
3. 　前記半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するために、前記ブリッジ回路によって前記モータに供給する電流を制御するようにした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。
4. 　前記ブリッジ回路がスイッチング素子によって構成され、前記半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するために、前記スイッチング素子の駆動Ｄｕｔｙ比を制限するようにした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。
5. 　前記ブリッジ回路がスイッチング素子によって構成され、車速が低いときには前記スイッチング素子の駆動Ｄｕｔｙ比を制限し、車速が高いときにはモータ電流を制限することによって前記半導体スイッチング素子を流れる電流を制限するようにした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。
6. 　温度検出手段を備え、前記半導体スイッチング素子のゲート電圧とソース電圧の差を判断する判定の閾値を周囲温度により変化させるようにした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。

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