CN103003134B - 电动助力转向设备 - Google Patents

Abstract

一种电动助力转向设备（1）包括电源（20）和控制电源（20）的操作的电源管理单元（30）。电源（20）包括主电源（17）、串联连接到主电源（17）的辅助电源（18）、通过提升主电源（17）的输出电压（V1）并将所提升的输出电压施加给辅助电源（18）来对辅助电源（18）充电的升压电路（33）、以及检测辅助电源（18）的输出电压（V2）的电压传感器（37）。当由电压传感器（37）检测到的输出电压（V2）的每单位时间的降低量超过预定时间内的电压降低量（ΔVmax）时，电源管理单元（30）确定电源（20）的输出目的地发生了异常。

Description

电动助力转向设备

技术领域

本发明涉及一种电动助力转向设备。

背景技术

采用电动机作为驱动源的电动助力转向设备（EPS）已知为用于车辆的动力转向设备。与液压动力转向设备相比，EPS展现出较大的布局自由度和较低的能耗，因此，EPS设备正越来越广泛地使用，而不管车辆类型、车辆类别等如何。

然而，在采用电池（以及作为充电器的交流发电机）作为主电源的车辆中，从电池输出的电力的大小是有一定限度的。所以，在大型车辆中，在需要大量电力的情况下，诸如在静止时（在所谓的静态转向期间）进行转向操作时，EPS的辅助力可能是不足的，因此，方向盘操作可能不能顺利地进行。

响应于这个问题，提出了辅助电源与主电源分开设置的电源器件。在这种器件中，除了仅使用主电源的普通电源外，还应用了使用辅助电源的电源，因此可以在主电源和辅助电源串联连接的情况下供给电力。例如，日本专利申请公布第2007-223510(JP-A-2007-223510)号公开了包括有主电源和辅助电源的这种类型的EPS。

另外，由于这种类型的EPS的电源处理大量的电力，因此必须检测电源的输出的故障（例如短路故障），并且，在异常发生时，提供给电源的输出目的地的电流必须被切断，以防止对输出目的地造成损坏。已经提出了如下分流电路作为检测电源的输出的故障的装置：其中，电源的输出电路上设置有分流电阻器，使得按照分流电阻器的各个端之间的电位差的变化来检测由短路引起的过电流（例如，日本专利申请公布第2007-135374号(JP-A-2007-135374)）。

然而，着眼于提高燃料效率和降低成本，在车辆中，部件尺寸和部件数量正在减小，上述EPS的类似的需求正在提出。然而，在处理大量的电力例如上述的EPS中，电源的输出电路上设置有分流电路，以检测电源器件的输出的故障，因此，与电源的输出的幅值成比例地增加了分流电路的尺寸，使得难以减小电源的尺寸和成本（和部件的数量）。

发明内容

本发明提供了一种包括小型、廉价且高电力输出电源的电动助力转向设备，使得可以用较简单的配置来检测电源的输出的故障。

本发明的一个方面涉及一种包括电源和用于控制电源的操作的电源管理装置的电动助力转向设备。该电源包括主电源、串联连接到主电源的辅助电源、通过提升主电源的输出电压并将提升的输出电压施加给辅助电源来对辅助电源充电的升压电路、以及用于检测辅助电源的输出电压的电压检测装置。当由电压检测装置检测到的输出电压的每单位时间的降低量超过预定时间内的电压降低量时，电源管理装置确定电源的输出目的地发生了异常。

根据这个方面，设置在电动助力转向设备中的电源的电压检测装置检测辅助电源的输出电压，且当检测到的辅助电源的输出电压的每单位时间的降低量超过预定时间内的降低量时，确定存储在辅助电源中的电荷已经异常地放电，且因此电源的输出目的地发生了异常。

根据这个方面，比传统的分流电阻器更小且更便宜的检测传感器被用作用于检测电源的输出的短路故障的构成部件，因此可以用较简单的配置检测短路故障。因此，可以实现电动助力转向设备的尺寸和成本的降低。

在上述的方面中，升压电路可以包括升压线圈和第一开关装置，升压线圈的一端施加有主电源的输出电压，第一开关装置在接通时变成导通以便能够将升压线圈的另一端接地。升压电路可以向辅助电源施加升压电压，该升压电压基于当第一开关装置断开时升压线圈中产生的感应电压。当电源管理装置确定没有发生异常且由电压检测装置检测到的输出电压不大于预定电压阈值时，电源管理装置可以接通和断开第一开关装置。

根据这方面，当第一开关装置接通时，施加有主电源的输出电压的升压电路的升压线圈接地，并且，当第一开关装置断开时，辅助电源被施加以基于升压线圈中产生的感应电压的升压电压。此外，当由电压检测装置检测到的辅助电源的输出电压不大于预定电压阈值时，电源管理装置通过接通和断开第一开关装置来提升主电源的输出电压，从而对辅助电源充电。

根据这个方面，用于检测辅助电源的输出电压的电压检测装置既可以用于使用升压电路来对辅助电源充电又可以用于检测电源的输出目的地的异常。因此，与这些操作需要单独的构成部件的情况相比，可以减少构成部件的数量，因此，可以用较简单的配置来执行这些操作。因此，可以实现电动助力转向设备的尺寸和成本的降低。

在上述的方面中，升压电路可以包括第二开关装置，该第二开关装置在接通时变成导通以便将升压线圈的另一端连接到辅助电源的输出端子。电源可以包括连接到主电源的输出端子的继电器开关。电源管理装置可以存储异常的发生，且当存储异常的发生时，电源管理装置可以断开继电器开关，断开第一开关装置，并且接通第二开关装置，而不考虑输出电压的值。

换句话说，根据这个方面，当异常的发生被存储在电源管理装置中时，电源管理装置通过把连接到主电源的输出端子的继电器开关断开来将升压线圈连接到辅助电源的输出端子。因此，在电源的内部形成了闭合电路，使得存储在辅助电源中的电荷经由第二开关装置和升压线圈从辅助电源的输出端子到辅助电源的低电位侧被放电，因此，提供给电源的发生了异常的输出目的的电流被切断。

根据这个方面，当确定电源的输出目的地发生了异常时，可以通过简单的配置而无需增加新的部件（例如，继电器开关）和电路来切断提供给输出目的地的电流。因此，可以实现电动助力转向设备的尺寸和成本的降低。

根据以上方面，可以通过简单的配置而无需增加专用部件以创建特别电路来检测电源的输出的故障。因此，可以实现电动助力转向设备的尺寸和成本的降低。

附图说明

下面，将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点，以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，在附图中：

图1是电动助力转向设备（EPS）的示意图；

图2是示出EPS和电源的电气配置的方框图；

图3是示出由电源管理单元执行的异常确定处理过程的流程图；以及

图4是示出在确定异常时由电源管理单元执行的控制过程的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图来对根据本发明的电动助力转向设备（EPS）的具体实施方式进行描述。图1是示出EPS1的示意图。在EPS1中，方向盘2固定到其的转向轴3经由齿条齿轮机构（rack and pinion mechanism）4耦接到齿条轴5。伴随着转向操作的转向轴3的旋转通过齿条齿轮机构4转换成齿条轴5的往复线性运动。注意，根据本实施方式的转向轴3通过耦接柱轴（column shaft）3a、中间轴3b和齿轮轴3c形成。伴随着转向轴3的旋转的齿条轴5的往复线性运动经由耦接到齿条轴5的任一端的连结杆6传递到附图中未示出的转向节，因此，转向轮7的转向角或换句话说车辆的前进方向被修改。

另外，EPS1包括EPS致动器10和电子控制单元（ECU）11，EPS致动器10作为将用以辅助转向操作的辅助力施加到转向***的转向角辅助器件，电子控制单元（ECU）11用作用于控制EPS致动器10的操作的装置。

EPS致动器10由所谓的柱型EPS致动器组成，在该柱型EPS致动器中，作为驱动源的电动机12经由减速机构13驱动耦接到柱轴3a。注意，在本实施方式中，采用具有电刷的直流电动机作为电动机12。EPS致动器10降低电动机12的转速，并将所降低的旋转传递到柱轴3a，使得所得到的电动机扭矩作为辅助力被施加给转向***。

同时，扭矩传感器14和车速传感器15连接到ECU11。扭矩传感器14被配置成使得其信号的输出电平根据设置在形成转向轴3的柱轴3a的中间的扭杆16的扭矩而变化，或者，换言之，根据传递到转向***的转向扭矩而变化。基于由扭矩传感器14检测到的转向扭矩τ和由车速传感器15检测到的车速V，ECU11计算要施加给转向***的辅助力（目标辅助力）。

EPS1还包括使用主电源17（电池）和与主电源17分开设置的辅助电源18供电的电源20。注意，在本实施方式中，使用大容量电容器（双电层电容器：EDLC）作为辅助电源18。ECU11被配置成通过从电源20接收电力供给并将驱动电力提供给电动机12以使EPS致动器10产生目标辅助力，来控制EPS致动器10的操作（动力辅助控制）。

接着，将描述由根据本实施方式的EPS执行的动力辅助控制。图2是示出EPS1的电气配置的方框图。如图2所示，ECU11包括具有生成电动机控制信号的电动机控制单元21的微型计算机22、和基于电动机控制信号向作为EPS致动器10的驱动源的电动机12提供驱动电力的驱动电路23。此外，ECU11设置有检测通过电动机12的实际电流（电动机电流Im）的电流传感器24，并且微型计算机22通过基于由电流传感器24检测到的电动机电流Im执行电流反馈控制来计算电动机控制信号。

更具体地，随着扭矩传感器14检测到的转向扭矩τ增加且车速传感器15检测到的车速V减小，微型计算机22计算目标辅助力为稳定地更大的值（绝对值）。然后，微型计算机22将被计算为使得电动机电流值Im与对应于目标辅助力的电流指令值对齐的电动机控制信号输出给驱动电路23。

同时，驱动电路23通过以桥形式连接多个（四个）开关元件（MOSFET）来形成。在驱动电路23中，上段侧开关元件34的一端经由电路L1连接到电源20的输出，下段侧开关元件35的一端连接到接地侧电路LG。驱动电路23基于由微型计算机22输出的电动机控制信号，通过交替地接通和断开彼此位于对角线的两个开关元件34、35的各组，从电路L1向电动机12输出基于电源20的输出电压Vpig的驱动电力。

除了电动机控制单元21外，微型计算机22还设置有电源管理单元30（电源管理装置）。ECU11通过将由电源管理单元30产生的各种控制信号（S_bc1,S_bc2,S_r1）输出给电源20来控制电源20的操作。

接着，将描述根据本实施方式的电源的配置。电源20通过将主电源17和辅助电源18串联连接而形成。另外，继电器开关31和电阻器32（图中的Z字形表示电阻器）置于主电源17与连接到主电源17的输出侧（高电位侧）的辅助电源18之间。注意，继电器开关31基于由ECU11输出的继电器控制信号S_r1来操作。在检测到车辆的点火开关（未示出）接通后，ECU11（电源管理单元30）输出表示要接通继电器开关31的继电器控制信号S_r1。

此外，电源20设置有升压电路33，该升压电路33能够通过提升输出电压V1并将提升的电压施加给辅助电源18的输出端子（连接点P2）来对辅助电源18充电。这里，输出电压V1是通过继电器开关31和电阻器32之后的主电源17和辅助电源18之间的连接点P1处的、基于主电源17的电压（电池电压）Vb的电压。

电源20还设置有检测辅助电源18的输出电压V2（连接点P2处的电压）的电压传感器37（电压检测装置）。ECU11（电源管理单元30）基于由电压传感器37检测到的辅助电源18的输出电压V2，通过向升压电路33输出控制信号（S_bc1，S_bc2）来控制升压电路33的操作。

升压电路33由串联连接的一对开关元件34、35（分别是第二开关装置和第一开关装置）和升压线圈36组成。升压线圈36一端连接到连接点P1，另一端连接到开关元件34、35之间的连接点P3。因此，基于主电源17的电压Vb的输出电压V1被施加给升压线圈36的一端。注意，采用N通道MOSFET作为根据本实施方式的开关元件34、35。上段侧开关元件34的一端连接到辅助电源18的输出端子（连接点P2），下段侧开关元件35的一端接地。

当确定没有发生下面要描述的异常并且由电压传感器37检测到的辅助电源18的输出电压V2不大于预定的电压阈值时，ECU11（电源管理单元30）输出各个升压控制信号S_bc1、S_bc2，以接通和断开各个开关元件34、35。通过同步地和交替地接通和断开开关元件34、35，使得升压电路33能够提升输出电压V1。更具体地，升压电路33将一端接地的下段侧开关元件（下段FET）35断开时产生的升压电压V3施加给辅助电源18的输出端子（连接点P2）。换言之，通过将下段侧开关元件35接通以将升压线圈36的另一端接地，并且将开关元件35随后断开时产生的升压线圈36的感应电压叠加到主电源17的输出电压V1上，从升压电路33输出升压电压V3。

在本实施方式中，使用电压传感器37作为电压检测装置，但电压检测装置可以被修改为设置在具有电压检测功能的微型计算机22内的电源管理单元30。在这样做时，可以减少构成部件的数量，使得能够降低EPS1的尺寸和成本。

当辅助电源18的输出电压V2的减小的量超过参考最大电压ΔVmax（预定时间内的电压降低量）——在超过该参考最大电压时输出电压V2通常不会减小——时，根据本实施方式的电源管理单元30确定电源20的输出目的地异常（例如，电路L1短路到接地侧电路LG）。

更具体地，存储在辅助电源18的电容器中的电荷Q用以下公式（1）表示。

Q=CV       (1)

其中，C是静电容量，V是电压。

根据公式（1），电压V可以用以下公式（2）表示。

V=Q/C        (2)

这里，单位时间（也称为预定时间）内降低的电荷Q对应于电流I，单位时间内降低的电压ΔV（单位时间内输出电压V2降低的量）用以下公式（3）表示。

ΔV=I/C       (3)

根据公式（3），在电路L1短路到接地侧电路LG时流动的电流（短路电流）可以被在单位时间内降低的电压ΔV替换。当在车辆静止时进行转向操作时，EPS1引起最大电流Imax流动，此时在单位时间内降低的参考最大电压ΔVmax可以用以下公式（4）表示。

ΔVmax=Imax/C       (4)

当由电压传感器37检测到的在单位时间内降低的电压ΔV超过参考最大电压ΔVmax(ΔV>ΔVmax)时，电源管理单元30确定电源20的输出目的地异常（例如，电路L1短路到接地侧电路LG）。

图3是示出由电源管理单元30执行的异常确定处理过程的流程图。现在将参照图3的流程图描述当作为电源20的输出的电路L1短路到接地侧电路LG时进行的操作。电源管理单元30以预定的周期间隔（例如，50μs周期）执行异常确定处理。这里，Vnow是由电压传感器37在当前（最近的）周期内检测到的当前电压。并且，Vlast是由电压传感器37在紧接在前的周期内检测到的前一电压。

电源管理单元30通过用前一电压Vlast减去当前电压Vnow来计算预定时间内降低的电压ΔV（步骤S1）。接着，电源管理单元30确定预定时间内降低的电压ΔV是否超过预定时间内降低的EPS1的参考最大电压ΔVmax（步骤S2）。当预定时间内降低的电压ΔV超过参考最大电压ΔVmax（步骤S2：是）时，电源管理单元30确定电源20的输出目的地发生了异常（步骤S3）。此外，电源管理单元30将电源20的输出目的地异常的发生存储在附图中未示出的存储单元中（步骤S4），并且将当前电压Vnow设置为下一循环的前一电压Vlast（步骤S5）。

另一方面，当在步骤S2中预定时间内降低的电压ΔV没有超出参考最大电压ΔVmax（步骤S2：否）时，电源管理单元30前进到步骤S5以将当前电压Vnow设置为下一循环的前一电压Vlast。

这里，步骤S1至S5的处理对应于由根据本发明的电源管理装置执行的处理。通过该处理，可以检测到电源的输出的短路故障。

接着，将参照图4中示出的流程图描述当电源管理单元30确定发生了异常时进行的操作。图4示出了当发生异常时由电源管理单元执行的控制过程。电源管理单元30持续地监测存储单元以确定是否存储了异常发生（步骤S10）。当存储了异常发生（步骤S10：是）时，电源管理单元30通过输出继电器控制信号S_r1断开继电器开关31（步骤S11），通过输出升压控制信号S_bc1接通开关元件34（步骤S12），并且通过输出升压控制信号S_bc2断开开关元件35（步骤S13），而不管由电压传感器37检测到的辅助电源18的输出电压V2是否不大于预定的电压阈值。

因此，在电源20的内部形成闭合电路，使得存储在辅助电源18的电容器内的电荷经由开关元件34和升压线圈36通过连接点P1从辅助电源18的输出端子（连接点P2）到辅助电源18的低电位侧放电，因此，提供给电源20的发生了异常的输出目的地的电流被切断。上述步骤S10至S13的处理对应于由根据本发明的电源管理装置执行的处理。

如上所述，结合根据本实施方式的EPS1，可以通过简单的配置、而无需增加用于检测电源20的输出的过电流的专用部件（例如，分流电阻器）和电路，检测电源20的输出的短路故障。因此，与传统的EPS相比，根据本实施方式的EPS1可以以更小的尺寸和更低的成本实现。此外，当在根据本实施方式的EPS1的电源20的输出检测到短路故障时，可以使用简单的配置而不需要额外部件（例如，继电器开关）和电路来切断提供给电源20的发生了异常的输出目的地的电流。因此，与传统的EPS相比，根据本实施方式的EPS1可以以更小的尺寸和更低的成本实现。此外，在根据本实施方式的EPS1中，消除了由于分流电阻器内的电力损耗而导致的发热和电力效率的降低，因此，与传统的EPS相比，根据本实施方式的EPS1可以以更小的尺寸和更低的成本实现。

注意，可以对上述实施方式进行如下修改。

（a）在上述实施方式中，本发明用所谓的柱型（column type）EPS1来实现，但本发明也可以适用于所谓的齿轮型或齿条辅助型EPS。

（b）在上述实施方式中，本发明用使用包括有电刷的直流电动机作为驱动源的EPS1来实现，但本发明也可以适用于使用无刷电动机作为驱动源的EPS。

（c）在上述实施方式中，辅助电源18由大容量的电容器（EDLC）组成。然而，本发明不局限于此，并且可以适用于例如使用二次电池如锂离子电池或其他存储器件作为辅助电源的组成元件的设备。

（d）在上述实施方式中，当使用电容器时，电容器的类型不限于双电层电容器，代替地，例如可以使用陶瓷电容器等。

虽然已经参照本发明的示例实施方式对本发明进行了描述，然而，要理解的是，本发明不局限于上述实施方式或构成。相反，本发明意在涵盖各种修改和等同布置。此外，尽管在各种示例组合和配置中示出了所公开的发明的各种元件，然而，其他的组合和配置（包括更多、更少或只有一个元件）也在所附权利要求的范围内。

Claims (1)

1.一种电动助力转向设备(1)，包括电源(20)和用于控制所述电源(20)的操作的电源管理装置(30)，

其中，所述电源(20)包括主电源(17)、串联连接到所述主电源(17)的辅助电源(18)、通过提升所述主电源(17)的输出电压并将所提升的输出电压施加给所述辅助电源(18)来对所述辅助电源(18)充电的升压电路(33)、以及用于检测所述辅助电源(18)的输出电压(V2)的电压检测装置(37)，其特征在于，

当由所述电压检测装置(37)检测到的所述辅助电源(18)的输出电压(V2)的每单位时间的降低量超过预定时间内的电压降低量(ΔVmax)时，所述电源管理装置(30)确定所述电源(20)的输出目的地发生了异常，

其中，所述升压电路(33)包括升压线圈(36)和第一开关装置(35)，所述升压线圈(36)的一端施加有所述主电源(17)的输出电压(Vb)，所述第一开关装置(35)在接通时变成导通以便能够将所述升压线圈(36)的另一端接地，

所述升压电路(33)向所述辅助电源(18)施加升压电压，所述升压电压基于当所述第一开关装置(35)断开时所述升压线圈(36)中产生的感应电压，以及

当所述电源管理装置(30)确定没有发生所述异常且由所述电压检测装置(37)检测到的所述辅助电源(18)的输出电压(V2)不大于预定电压阈值时，所述电源管理装置(30)接通和断开所述第一开关装置(35)，

其中，所述升压电路(33)包括第二开关装置(34)，所述第二开关装置(34)在接通时变成导通以便将所述升压线圈(36)的另一端连接到所述辅助电源(18)的输出端子，

所述电源(20)包括连接到所述主电源(17)的输出端子的继电器开关(31)，以及

所述电源管理装置(30)存储所述异常的发生，且当所述异常的发生被存储时，所述电源管理装置(30)断开所述继电器开关(31)，断开所述第一开关装置(35)，并且接通所述第二开关装置(34)，而不考虑所述辅助电源(18)的输出电压(V2)的值。