JP2005224011A - 昇圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 昇圧回路の発熱を抑制するとともに電源電圧の低下時においても高い出力電圧を確保することができる昇圧装置を提供すること。
【解決手段】 昇圧装置は、電源電圧Ｖinを昇圧して出力する昇圧回路と、昇圧回路を制御するマイコンとにより構成される。マイコンは、昇圧回路に印加される電源電圧Ｖinを検出し（ステップ１０１）、該検出された電源電圧Ｖinに基づいて上限電力Ｐlimを決定する（ステップ１０２）。また、マイコンは、昇圧回路の出力電力Ｐoutを算出する（ステップ１０３）。そして、マイコンは、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlim以下となるように昇圧回路の出力電圧Ｖoutを制御する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、昇圧装置に関するものである。

従来、電源電圧を昇圧して出力する昇圧回路を備えた昇圧装置には、電源電圧が所定値以下となった場合、その低下の割合に応じて昇圧回路の出力電圧を下げるものがある（例えば、特許文献１参照）。そして、このような昇圧装置を採用すれば、電源電圧の低下により昇圧回路の昇圧効率が低下した場合であっても、その負荷を軽減して発熱を抑えることができる。更に、特に電源容量に限りがある場合（例えば、電動車両等）には、一時的な電源電圧の低下に対し電源の負荷を軽減してその回復を期することができる。
特許第３４０８６４２号明細書

しかし、例えば、上記昇圧回路の出力電圧に基づいてモータを駆動する電動パワーステアリング（ＥＰＳ）のように、その使用状態に応じて電力供給対象の負荷が大きく変動するものに上記従来の昇圧装置を適用した場合、電源電圧の低下時には、電圧不足により必要な出力性能或いは応答性能が確保できなくなるおそれがある。そして、特にＥＰＳの場合、急操舵時等に、必要なアシストトルクを発生することができず、ステアリングが急に重たく感じる所謂引っ掛かり感が発生するおそれがあり、ひいては操舵フィーリングが悪化してしまうという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、昇圧回路の発熱を抑制するとともに電源電圧の低下時においても高い出力電圧を確保することができる昇圧装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、電源電圧を昇圧して出力する昇圧回路と、該昇圧回路を制御する制御手段とを備えた昇圧装置であって、前記昇圧回路が出力する出力電力を算出する演算手段と、前記電源電圧を検出する検出手段と、検出された電源電圧に基づいて前記出力電力の上限を決定する決定手段とを備え、前記制御手段は、前記出力電力が前記上限以下となるよう前記昇圧回路の出力電圧を制御することを要旨とする。

上記構成によれば、昇圧回路の発熱があまり問題とならない出力電力が小さい領域においては、電源電圧にかかわらず高い出力電圧が出力される。即ち、電源電圧の低下時であっても、その出力電流が小さい領域においては、電源電圧の非低下時と同様に高い出力電圧を出力することができる。これにより、特に、ＥＰＳに適用した場合には、電源電圧の低下時であっても、モータに対して安定的に高い電圧を印加することが可能になる。従って、電圧不足によるアシストトルクの低下を効果的に防止することができ、その結果、急操舵時における所謂引っ掛かり感の発生を防止することができる。また、出力電流が大きい領域においては、出力電力が上限電力以下に抑えられるため、電源電圧にかかわらず、昇圧回路の発熱を効果的に抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、前記決定手段は、前記電源電圧が低下した場合には、該低下の割合に応じて前記上限を低くすることを要旨とする。
上記構成によれば、昇圧回路の昇圧効率が低下する電源電圧の低下時には、その負荷を軽減して発熱を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、前記制御手段は、前記出力電力が前記上限を超える場合には、前記出力電力が前記上限となるよう前記出力電圧を低下させることを要旨とする。
上記構成によれば、出力電流の増加時においても効果的に昇圧回路の発熱を抑制し、且つ発熱が問題とならない範囲において高い出力電圧を出力することができる。

請求項４に記載の発明は、前記制御手段は、前記出力電力が前記上限以下である場合には、前記出力電圧を所定の電圧とすることを要旨とする。
上記構成によれば、出力電力が上限電力を超えない範囲において、電源電圧にかかわらず、出力電圧を所定の電圧に維持することができる。

本発明によれば、昇圧回路の発熱を抑制するとともに電源電圧の低下時においても高い出力電圧を確保することが可能な昇圧装置を提供することができる。

以下、本発明を電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の昇圧装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、ＥＰＳ１は、車両の操舵系にアシスト力を付与する駆動源としてのモータ２と、該モータ２を制御するＥＣＵ３とを備えている。

ステアリングホイール（ステアリング）４は、ステアリングシャフト５を介してラック６に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト５の回転は、ラックアンドピニオン機構（図示略）にてラック６の往復直線運動に変換され操舵輪８に伝達される。本実施形態のＥＰＳ１は、モータ２がラック６と同軸に配置された所謂ラック型ＥＰＳであり、モータ２が発生するアシストトルクは、ボール送り機構（図示略）を介してラック６に伝達される。そして、ＥＣＵ３は、このモータ２が発生するアシストトルクを制御することにより、操舵系に付与するアシスト力を制御する。

図２に示すように、ＥＣＵ３は、モータ制御信号を出力するマイコン（マイクロコンピュータ）１１と、モータ制御信号に基づいてモータ２に駆動電力を供給する出力回路１２とを備えている。

マイコン１１には、操舵トルクτを検出するためのトルクセンサ１４、及び車速センサ１５が接続されており（図１参照）、マイコン１１は、入力された操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて操舵系に付与するアシスト力、即ちモータ２が発生するアシストトルクを決定する。

また、マイコン１１には、モータ２に通電される電流値を検出するための電流センサ１７，１８、及びモータ２の回転角（電気角）θを検出するための回転角センサ１９が接続されている。尚、本実施形態のモータ２はブラシレスモータであり、マイコン１１は、電流センサ１７，１８により検出される相電流値Ｉu，Ｉvに基づいて三相の相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出する。

そして、マイコン１１は、この検出された各相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉw及び回転角θに基づいて、モータ２に上記決定されたアシストトルクを発生させるべくモータ制御信号を出力する。尚、本実施形態では、マイコン１１は、相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ／ｑ変換し、ｄ−ｑ座標系における電流制御、詳しくは、ｑ軸電流値がアシストトルクの目標値となるｑ軸電流指令値に追従するように制御することによりモータ制御信号を決定する。そして、マイコン１１は、この決定されたモータ制御信号を出力回路１２に出力する。

出力回路１２は、モータ２の相数に対応する複数（６個）のパワーＭＯＳＦＥＴ（以下、単にＦＥＴ）により構成されており、具体的にはＦＥＴ２１ａ，２１ｄの直列回路、ＦＥＴ２１ｂ，２１ｅの直列回路及びＦＥＴ２１ｃ，２１ｆの直列回路を並列接続することにより構成されている。そして、ＦＥＴ２１ａ，２１ｄの接続点２２ｕはモータ２のＵ相コイルに接続され、ＦＥＴ２１ｂ，２１ｅの接続点２２ｖはモータ２のＶ相コイルに接続され、ＦＥＴ２１ｃ，２１ｆの接続点２２ｗはモータ２のＷ相コイルに接続されている。

マイコン１１から出力されるモータ制御信号は、各ＦＥＴ２１ａ〜２１ｆのゲート端子に印加される。そして、このモータ制御信号に応答して各ＦＥＴ２１ａ〜２１ｆがオン／オフすることにより、直流電源２０から供給される直流電圧が三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に変換されモータ２に供給される。

また、ＥＰＳ１は、電源電圧Ｖinを昇圧して出力回路１２に出力する昇圧装置２３を備えている。本実施形態では、昇圧装置２３は、昇圧回路２５と、マイコン１１とにより構成されており、昇圧回路２５は、直流電源２０と出力回路１２との間の電力供給経路に設けられている。そして、昇圧回路２５は、マイコン１１に制御されることにより直流電源２０の電源電圧Ｖinを昇圧して出力回路１２に出力する。尚、本実施形態では、マイコン１１が、制御手段、演算手段、検出手段及び決定手段を構成する。

詳述すると、図３に示すように、本実施形態の昇圧回路２５は、ＦＥＴ２６ａ，２６ｂ、ツェナーダイオード２６ｃ、コイル２７、及びコンデンサ２８により構成されている。コイル２７は、一端が直流電源２０に接続されるとともに他端がＦＥＴ２６ａの一端に接続されている。そして、ＦＥＴ２６ａの他端は接地されている。また、コイル２７とＦＥＴ２６ａと間の接続点ａは、ＦＥＴ２６ｂに接続されており、ＦＥＴ２６ｂの他端は、出力回路１２に接続されている。そして、ＦＥＴ２６ｂと出力回路１２との間の接続点ｂは、コンデンサ２８を介して接地されている。

また、各ＦＥＴ２６ａ，２６ｂのゲート端子は、マイコン１１と接続されており、マイコン１１は、各ＦＥＴ２６ａ，２６ｂのゲート端子に制御信号を印加することにより、各ＦＥＴ２６ａ，２６ｂを交互にオン／オフ制御する。これにより、接続点ａにおける電圧は、ＦＥＴ２６ａのオフ時にコイル２７に発生する逆起電力が電源電圧Ｖinに重畳された電圧となり、ＦＥＴ２６ａがオン時に接地電位となる。そして、この電圧がＦＥＴ２６ｂのオン時に接続点ｂに伝達される。そして、昇圧回路２５は、接続点ｂにおいて脈動的に変化する電圧・電流をコンデンサ２８にて平滑化する。このようにして昇圧回路２５は、直流電源２０の電圧を昇圧したＶoutを出力する。

尚、ツェナーダイオード２６ｃは、ＦＥＴ２６ｂと並列に接続されており、モータ２が回生状態に入り、昇圧回路２５の出力側端子電圧、即ち接続点ｂの電位が上昇した際には、その回生電流がツェナーダイオード２６ｃを介して直流電源２０に流れるようになっている。

本実施形態では、マイコン１１は、各ＦＥＴ２６ａ，２６ｂに対し、制御信号として所定のデューティ比を有するパルス信号を出力する。マイコン１１には、電源電圧Ｖinを検出するための電圧センサ２９が接続されており、マイコン１１は、検出された電源電圧Ｖinに基づいて制御信号のデューティ比を変更する。そして、この制御信号により各ＦＥＴ２６ａ，２６ｂのオン／オフ時間が変化し、昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutが制御される。尚、昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutは、このデューティ比が大きい場合に高くなり、デューティ比が小さい場合には低くなる。

次に、本実施形態の昇圧装置における昇圧制御について説明する。
先ず、昇圧回路２５の発熱の問題について説明すると、昇圧回路２５の発熱は、出力電圧Ｖoutよりもその出力電力Ｐoutと大きな相関性がある。即ち、昇圧回路２５の発熱の問題が顕著となるのは、その出力電力Ｐoutが大きい場合である。

この点を踏まえ、本実施形態の昇圧装置２３は、電源電圧Ｖinに基づいて昇圧回路２５の出力電力Ｐoutの上限（上限電力）を決定し、昇圧回路２５の出力電力Ｐoutがその上限電力以下となるように制御する。

詳述すると、マイコン１１は、電圧センサ２９により検出された電源電圧Ｖinに基づいて、昇圧回路２５が出力する出力電力Ｐoutの上限である上限電力を決定する。具体的には、図４に示すように、マイコン１１は、電源電圧Ｖinの非低下時（Ｖin＝Ｖａ）には、上限電力Ｐlimを電力Ｐ１に決定する。そして、電源電圧Ｖinが低下した場合には、その割合に応じて上限電力Ｐlimを徐々に低くし、電源電圧Ｖinが電圧Ｖｂまで低下した場合には、上限電力Ｐlimを電力Ｐ２とする。

尚、本実施形態では、図４に示す電源電圧Ｖinと上限電力Ｐlimとの関係は、予め電源電圧に対して昇圧回路の発熱が顕著となる限界の電力が求められ、マップの形式でメモリ（図示略）に記憶されている。そして、マイコン１１は、そのマップを参照することにより検出された電源電圧Ｖinに対応する上限電力Ｐlimを決定する。

また、マイコン１１は、昇圧回路２５の出力電力Ｐoutを算出する。本実施形態では、マイコン１１は、電流センサ１７，１８により検出される相電流値Ｉu，Ｉv（，Ｉw）及び回転角センサ１９により検出される回転角θに基づいてモータ２の消費電力Ｐを算出する。具体的には、ｄ軸電流及びｄ軸電圧の積とｑ軸電流及びｑ軸電圧の積との和、即ちｄ−ｑ座標系におけるｄ軸電力とｑ軸電力との和を演算することによりモータ２の消費電力Ｐを算出する。そして、その値を昇圧回路２５の出力電力Ｐoutとする。

そして、図５に示すように、マイコン１１は、算出された出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlim以下となるように昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutを制御する。具体的には、マイコン１１は、算出された出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlimを超える場合には、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlimとなる、即ちＶout＝Ｐlim／Ｉoutとなるように昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutを低下させる。そして、算出された出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlim以下である場合には、昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutを所定の電圧Ｖ１とする。尚、本実施形態では、所定の電圧Ｖ１は、昇圧回路２５の最大出力電圧Ｖmaxに設定されている。

次に、マイコンによる昇圧回路の制御態様について詳述する。
図６に示すように、マイコン１１は、先ず、昇圧回路２５に印加される電源電圧Ｖinを検出し（ステップ１０１）、該検出された電源電圧Ｖinに基づいて上限電力Ｐlimを決定する（ステップ１０２）。そして、相電流値Ｉu，Ｉv（，Ｉw）及び回転角θに基づいてモータ２の消費電力Ｐ、即ち昇圧回路２５の出力電力Ｐoutを算出する（ステップ１０３）。

次に、マイコン１１は、上記ステップ１０３において算出された出力電力Ｐoutが上記ステップ１０２において決定された上限電力Ｐlim以下であるか否かを判定する（ステップ１０４）。そして、マイコン１１は、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlim以下である場合（ステップ１０４：ＹＥＳ）には、昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutを所定の電圧Ｖ１、即ちＶout＝Ｖ１とする（ステップ１０５）。また、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlimを超える場合（ステップ１０４：ＮＯ）には、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlimとなる、即ち、Ｖout＝Ｐlim／Ｉoutとなるように昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutを低下させる（ステップ１０６）。

次に、本実施形態の昇圧装置の作用について説明する。
尚、説明の便宜上、従来の昇圧装置は、本実施形態の昇圧回路２５と同様の昇圧回路を有し、電源電圧Ｖinが電圧Ｖａである場合、出力電圧Ｖoutを所定の電圧Ｖ１とし、電源電圧Ｖinが電圧Ｖｂに低下した場合には出力電圧Ｖoutを電圧Ｖ２に下げるものとする。

図５に示すように、本実施形態の昇圧装置２３は、電源電圧Ｖinが電圧Ｖｂに低下した場合であっても、出力電力Ｐoutが上限電力ＰlimであるＰ２を超えない限り出力電圧Ｖoutを所定の電圧Ｖ１から低下させない。

従って、電力Ｐ２を所定の電圧Ｖ１で除した値を電流Ｉ１とすれば、本実施形態の昇圧装置２３は、出力電流Ｉoutが電流Ｉ１よりも小さい領域では、常に出力電圧Ｖoutとして所定の電圧Ｖ１を出力する。即ち、この領域においては、従来の昇圧装置よりもＶ１−Ｖ２、即ち図中の範囲αに相当する分だけ高い出力電圧Ｖoutを出力することが可能になる。

また、電力Ｐ２を所定の電圧Ｖ２で除した値を電流Ｉ２とすれば、本実施形態の昇圧装置２３は、出力電流Ｉoutが電流Ｉ２よりも小さい領域においても、従来の昇圧装置の出力電圧Ｖoutである電圧Ｖ２よりも図中の範囲βに相当する分だけ高い出力電圧Ｖoutを出力することが可能になる。

また、従来の昇圧装置は、出力電流Ｉoutの増加時であっても出力電圧Ｖoutは一定の値である。従って、電源電圧Ｖinの低下（Ｖin＝Ｖｂ）に応じて出力電圧ＶoutをＶ２に下げたとしても、出力電流Ｉoutが電流Ｉ２より大きい領域では、出力電力Ｐoutが昇圧回路の発熱が顕著となる上限電力Ｐlim（Ｐ２）を超えてしまう。同様に、電源電圧Ｖinの非低下時（Ｖin＝Ｖａ）においても、出力電流Ｉoutが、電力Ｐ１を所定の電圧Ｖ１で除した値、即ち電流Ｉ３を超える領域においては、出力電力Ｐoutが昇圧回路の発熱が顕著となる上限電力Ｐlim（Ｐ１）を超えてしまう。

これに対し、本実施形態の昇圧装置２３は、上限電力Ｐlimを超える場合には、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlimとなる（Ｖout＝Ｐlim／Ｉout）ように出力電圧Ｖoutを低下させる。即ち、電源電圧Ｖinの低下時（Ｖin＝Ｖｂ）には、出力電流Ｉoutが電流Ｉ２を超える領域において図中の範囲γに相当する分、また電源電圧Ｖinの非低下時（Ｖin＝Ｖａ）には、出力電流Ｉoutが電流Ｉ３を超える領域において図中の範囲δに相当する分、従来の昇圧装置よりも出力電圧Ｖoutを低下させる。即ち、出力電流Ｉoutの増加時においては、従来の昇圧装置よりも昇圧回路の発熱を抑制することができる。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）昇圧装置２３は、電源電圧Ｖinを昇圧して出力する昇圧回路２５と、昇圧回路２５を制御するマイコン１１とにより構成される。マイコン１１は、昇圧回路２５に印加される電源電圧Ｖinを検出し、該検出された電源電圧Ｖinに基づいて上限電力Ｐlimを決定する。また、マイコン１１は、昇圧回路２５の出力電力Ｐoutを算出する。そして、マイコン１１は、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlim以下となるように昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutを制御する。

このような構成とすれば、昇圧回路２５の発熱があまり問題とならない出力電力Ｐoutが小さい領域においては、電源電圧Ｖinにかかわらず、高い出力電圧Ｖoutが出力される。即ち、電源電圧Ｖinの低下時であっても、出力電流Ｉoutが小さい領域においては、電源電圧Ｖinの非低下時と同様に高い出力電圧Ｖoutを出力することができる。

これにより、特にＥＰＳ１においては、電源電圧Ｖinの低下時であっても、モータ２に対して安定的に高い電圧を印加することが可能になる。従って、電圧不足によるアシストトルクの低下を効果的に防止することができ、その結果、急操舵時における所謂引っ掛かり感の発生を防止することができる。また、出力電流Ｉoutが大きい領域においても、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlim以下に抑えられるため、電源電圧Ｖinにかかわらず、効果的に昇圧回路２５の発熱を抑制することができる。

（２）マイコン１１は、電源電圧Ｖinが低下した場合には、その割合に応じて上限電力Ｐlimを低くする。これにより、昇圧回路２５の昇圧効率が低下する電源電圧Ｖinの低下時には、その負荷を軽減して発熱を抑制することができる。

（３）マイコン１１は、算出された出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlimを超える場合には、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlimとなる、即ちＶout＝Ｐlim／Ｉoutとなるように昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutを低下させる。これにより、出力電流Ｉoutの増加時においても効果的に昇圧回路の発熱を抑制し、且つ発熱が問題とならない範囲において高い出力電圧Ｖoutを出力することができる。

（４）マイコン１１は、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlim以下である場合には、昇圧回路２５の出力電圧Ｖoutを所定の電圧Ｖ１とする。これにより、出力電力Ｐoutが上限電力Ｐlimを超えない範囲において、電源電圧Ｖinにかかわらず、出力電圧Ｖoutを所定の電圧Ｖ１に維持することができる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明をＥＰＳ用の昇圧装置に具体化したが、その他用途の昇圧装置に具体化してもよい。

・昇圧回路２５の回路構成はこれに限定されるものではなく、適宜変更してもよい。
・本実施形態では、所定の電圧Ｖ１を最大出力電圧Ｖmaxとしたが、所定の電圧Ｖ１は任意の値としてもよい。

・本実施形態では、マイコン１１は、相電流値Ｉu，Ｉv（，Ｉw）及び回転角θに基づいてモータ２の消費電力Ｐを算出し、その値を出力電力Ｐoutとすることとした。しかし、これに限らず、昇圧回路２５と出力回路１２との接続点に電圧センサ及び電流センサを設け、出力電圧Ｖout及び出力電流Ｉoutを直接検出して出力電力Ｐoutを算出する等、その他の方法により算出する構成としてもよい。

・本実施形態では、マイコン１１により昇圧回路２５が制御される構成としたが、専用の制御装置により昇圧回路２５が制御される構成としてもよい。
次に、以上の実施形態から把握することができる請求項以外の技術的思想を記載する。

（イ）請求項１〜請求項４のうちの何れか一項に記載の昇圧装置を備えた電動パワーステアリング装置。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの電気的構成を示すブロック図。 昇圧装置の概略構成図。 電源電圧と上限電力の関係を示すグラフ。 出力電流と出力電圧との関係を示すグラフ。 マイコンによる昇圧回路の制御態様を示すフローチャート。

符号の説明

１１…マイコン、１７，１８…電流センサ、１９…回転角センサ、２３…昇圧装置、２５…昇圧回路、Ｖin…電源電圧、Ｖout…出力電圧、Ｐout…出力電力、Ｐlim…上限電力、Ｖ１…所定の電圧。

Claims (4)

1. 電源電圧を昇圧して出力する昇圧回路と、該昇圧回路を制御する制御手段とを備えた昇圧装置であって、
   前記昇圧回路が出力する出力電力を算出する演算手段と、
   前記電源電圧を検出する検出手段と、
   検出された電源電圧に基づいて前記出力電力の上限を決定する決定手段とを備え、
   前記制御手段は、前記出力電力が前記上限以下となるよう前記昇圧回路の出力電圧を制御すること、を特徴とする昇圧装置。
2. 請求項１に記載の昇圧装置において、
   前記決定手段は、前記電源電圧が低下した場合には、該低下の割合に応じて前記上限を低くすること、を特徴とする昇圧装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の昇圧装置において、
   前記制御手段は、前記出力電力が前記上限を超える場合には、前記出力電力が前記上限となるよう前記出力電圧を低下させること、を特徴とする昇圧装置。
4. 請求項１〜請求項３のうちの何れか一項に記載の昇圧装置において、
   前記制御手段は、前記出力電力が前記上限以下である場合には、前記出力電圧を所定の電圧とすること、を特徴とする昇圧装置。

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