JP2009120086A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリが故障しても短時間の操舵補助を可能とする電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】バッテリ７に並列にバックアップ電源１１を接続し、これらに対して直列に補助電源１２を接続する３電源の構成として、電圧検出器２７の検出する電圧に基づいてバッテリ７の故障を検出したときは、バックアップ電源１１と補助電源１２とを直列に接続した電源からモータ４に電力を供給させるとともに、バックアップ電源１１から制御回路２３へ制御電源電圧Ｖｃｃを供給する回路構成とする。
【選択図】図１

Description

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、特にその電気回路の構成に関する。

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いては、バッテリが故障（失陥）したとき、補助電源のみでは電力が不足し、十分な操舵補助ができない。操舵補助ができなくなるとハンドル操作が重くなり、車両を安全な場所に退避させることも容易ではなくなる。
かかる従来の課題に鑑み、本発明は、バッテリが故障しても短時間の操舵補助を可能とする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、主電源として前記モータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリと並列に接続されるバックアップ電源と、前記バッテリ及びバックアップ電源の並列体に対して直列に接続され、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、前記バッテリの出力を検出する検出器と、前記バッテリに基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記バッテリの出力電圧により前記モータに電力を供給する第１の出力状態と、前記バッテリ又はバックアップ電源に前記補助電源が直列に接続された状態での出力電圧により前記モータに電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、必要な操舵補助力に応じて前記充放電回路の出力状態を選択するとともに、前記検出器の検出結果に基づいて前記バッテリの故障を検出したときは、前記第２の出力状態を選択して、前記バックアップ電源に前記補助電源が直列に接続された状態での出力電圧により前記モータに電力を供給させる制御回路と、前記バッテリ及びバックアップ電源の双方からそれぞれ、前記制御回路へ制御電源電圧を供給する制御電源回路とを備えたものである。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置において、制御回路は、バッテリの故障を検出したとき、充放電回路の第２の出力状態を選択することにより、バックアップ電源と補助電源とを直列に接続した電源からモータに電力を供給させる。従って、バッテリが故障しても、短時間であれば、バックアップ電源と補助電源とによって必要な操舵補助力を生じさせ、電動パワーステアリングの動作を維持することができる。なお、バッテリの電圧が失われてもバックアップ電源から制御電源電圧が供給される。

また、上記電動パワーステアリング装置において、バックアップ電源のエネルギーに、補助電源のエネルギーを合算すると２０００〜４０００ジュールであるように設計することができる。
この場合、バッテリが故障したときでも、車両を安全な場所に退避させるために必要な操舵補助力を生じさせることができる。また、バックアップ電源と補助電源とを同時に使用することにより、バックアップ電源が単独でこのエネルギーを備えている必要はない。すなわち、バックアップ電源が単独でこのエネルギーを備える場合に比べて、バックアップ電源のエネルギー負担は軽くなり、その結果、低コストになる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、バッテリの＋側電路と、バックアップ電源の＋側電路とは、開閉制御可能なスイッチを介して互いに接続されており、制御回路は、バッテリの故障時に当該スイッチを開くように構成してもよい。
この場合、バッテリの故障時にスイッチを開くことにより、故障したバッテリの影響を排除して、バックアップ電源から制御電源電圧を供給することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、バッテリが故障しても、短時間であれば、バックアップ電源と補助電源とによって必要な操舵補助力を生じさせ、電動パワーステアリングの動作を維持することができる。また、バックアップ電源と補助電源とを同時に使用することにより、個々の電源が保有すべきエネルギーを抑制することができる。一方、バッテリの電圧が失われてもバックアップ電源から制御電源電圧を供給することができ、制御回路の動作も保証される。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置１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２は、ステアリングホイール（ハンドル）３に付与される運転者の操舵トルクと、モータ４が発生する操舵補助力とによって駆動される。モータ４のロータ４ｒからステアリング装置２への動力伝達には減速機（図示せず。）が使用されている。モータ４は、３相ブラシレスモータであり、モータ駆動回路５により駆動される。モータ駆動回路５は、３相ブリッジ回路を構成するＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６と、抵抗５７とが図示のように接続されたものである。ＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６は、ゲート駆動回路（ＦＥＴドライバ）６によってスイッチングされる。

バッテリ７は、主電源としてモータ駆動回路５に電力を供給する。バッテリ７には直列にリアクトル２６が接続され、このリアクトル２６に並列に電圧検出器２７が接続されている。リアクトル２６は、バッテリ７に流れる電流に比例した電圧降下を生じさせる低抵抗体として設けられている。但し、抵抗値は非常に小さく、従って、バッテリ７の通常の電圧から見た電圧降下分は、無視し得るほどに小さい。リアクトル２６及び電圧検出器２７は、バッテリ７の出力（電流）を検出する検出器２８を構成する。

バッテリ７からリアクトル２６を介した電圧は、リレー接点８、ＭＯＳ−ＦＥＴ９及びリアクトル１０が介挿された電路Ｌ１，Ｌ３を経て、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ９はＮチャネルであり、ソースがバッテリ７側、ドレインがモータ駆動回路５側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード９ｄは、バッテリ７からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向が順方向となるように構成されている。

バックアップ電源１１は、電気二重層コンデンサやリチウムイオン電池で構成されており、バッテリ７と並列に接続され得る状態にある。なお、厳密には、「バッテリ７と並列に」ではなく、「バッテリ７とリアクトル２６とを互いに直列に接続したものに対して並列に」であるが、前述のようにリアクトル２６における電圧降下は小さいので、実質的には、バックアップ電源１１はバッテリ７と並列に接続される、と解することができる。
また、バッテリ７の＋側電路ＬＢと、バックアップ電源１１の＋側電路(電路Ｌ１)とは、開閉制御可能なスイッチとしてのリレー接点８を介して互いに接続されている。

補助電源１２は、電気二重層コンデンサやリチウムイオン電池で構成されており、バッテリ７とバックアップ電源１１との並列体に対して、直列に接続されている。補助電源１２の高電位側電路Ｌ２は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３を介して、ＭＯＳ−ＦＥＴ９のドレインとリアクトル１０との接続点に接続されている。バッテリ７と補助電源１２とを互いに直列に接続した状態における出力電圧(電路Ｌ２の電圧)は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３及びリアクトル１０が介挿された電路Ｌ２，Ｌ３を経て、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ１３はＮチャネルであり、ソースがモータ駆動回路５側、ドレインが補助電源１２側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１３ｄは、バッテリ７及び補助電源１２からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向とは逆向きになっている。

バッテリ７からの電圧が付与される電路Ｌ１には、昇圧回路（ブートストラップ回路）１４が接続され、その出力電圧がゲート駆動回路６及び１５に付与される。このゲート駆動回路１５により、ＭＯＳ−ＦＥＴ９及び１３は、交互にオン状態となるように駆動される。モータ駆動回路５には、平滑用の電解コンデンサ１６が並列に接続されている。

一方、電路Ｌ１には、リアクトル１７を介してダイオード１８のアノードが接続されている。また、ダイオード１８のカソードは補助電源１２の高電位側電路Ｌ２に接続されている。ダイオード１８のアノードと接地側電路ＬＧとの間には、ＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ１９が設けられている。ＭＯＳ―ＦＥＴ１９は、ゲート駆動回路２０により駆動される。これらの各要素（１７〜２０）により、補助電源１２の充電回路１００が構成されている。

また、ＭＯＳ−ＦＥＴ９及び１３を含む放電回路２００は、上記の充電回路１００とともに、充放電回路３００を構成している。充放電回路３００は、バッテリ７に基づいて補助電源１２の充電を行うとともに、バッテリ７の出力電圧によりモータ４に電力を供給する第１の出力状態と、バッテリ７又はバックアップ電源１１に補助電源１２が直列に接続された状態での出力電圧によりモータ４に電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成するものとなっている。

バッテリ７からの電圧は、ダイオード２１を介して、制御電源Ｖｃｃとなる。また、バックアップ電源１１の電圧も、ダイオード２２を介して、制御電源Ｖｃｃとなる。このようにして、電源を２系統とする制御電源回路４００が構成されている。リレー接点８が閉じているときはバッテリ７とバックアップ電源１１とは互いに並列であり、両者は一体として制御電源Ｖｃｃの提供に寄与しているが、リレー接点８が開いているときは、バッテリ７とバックアップ電源１１とが互いに独立して制御電源Ｖｃｃを提供し得る状態となる。

上記モータ駆動回路５、ゲート駆動回路６，１５，２０、及び、リレー接点８は、マイクロコンピュータを含む制御回路２３の指令信号を受けて動作する。この制御回路２３には、ステアリングホイール３に付与された操舵トルクを検出するトルクセンサ２４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２５の出力信号が、制御回路２３に入力される。モータ４には、ロータ４ｒの回転角度位置を検出する角度センサ３１が設けられており、その出力信号が制御回路２３に入力される。

リアクトル２６に並列に接続された電圧検出器２７は、バッテリ７を通して流れる電流に比例した電圧Ｖ_Bを検出してその出力信号（バッテリ電流検出信号）を制御回路２３に入力する。バッテリ７から電流が流出する場合と、逆に流入する場合とでは電圧Ｖ_Bの符号が逆になるので、電流の大きさとともに、方向も検出することができる。
一方、バックアップ電源１１には電圧検出器２９が、補助電源１２には電圧検出器３０が、それぞれ並列に接続されている。バックアップ電源１１に並列に接続された電圧検出器２９は、バッテリ７とバックアップ電源１１との並列電源の電圧Ｖ１を検出してその出力信号を制御回路２３に入力する。補助電源１２に並列に接続された電圧検出器３０は、補助電源１２の電圧（端子間電圧）Ｖ２を検出してその出力信号を制御回路２３に入力する。

制御回路２３は、トルクセンサ２４から送られてくる操舵トルク信号、車速センサ２５から送られてくる車速信号、及び、角度センサ３１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、ゲート駆動回路６を介してモータ駆動回路５を動作させ、モータ４を駆動させる。
リレー接点８は、制御回路２３からの指令信号により、通常はオン（閉）の状態となっている。従って、バッテリ７からの電圧が電路Ｌ１に印加され、バックアップ電源１１は常時充電可能とされている。

一方、ＭＯＳ−ＦＥＴ１９がオン状態のときは、バッテリ７からリアクトル１７、ＭＯＳ−ＦＥＴ１９を通って電流が流れる。その状態からＭＯＳ−ＦＥＴ１９がオフ状態に転じると、電流遮断による磁束変化を妨げるように逆向きの高電圧がリアクトル１７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１８を介して、補助電源１２が充電される。従って、ＭＯＳ−ＦＥＴ１９のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源１２を充電することができる。制御回路２３は、補助電源１２の電圧Ｖ２を監視し、一定の電圧に達していない場合には、ゲート駆動回路２０を介してＭＯＳ−ＦＥＴ１９をオン・オフさせ、補助電源１２を充電する。この充電は、例えば、トルクセンサ２４が操舵トルクを検出していないときに行われる。

また、制御回路２３は、操舵トルク及び車速に基づいて、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力を推定し、これを基準値と比較する。所要電力が基準値以下であるときは、制御回路２３はＭＯＳ−ＦＥＴ９をオン状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオフ状態とする（充放電回路３００の第１の出力状態）。従って、バッテリ７からの電圧は平滑コンデンサ１６で平滑され、モータ駆動回路５に供給される。モータ駆動回路５は、制御回路２３による制御信号に基づいてモータ４を駆動する。この場合、補助電源１２の電力はモータ駆動回路５に供給されない。なお、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ９のオン抵抗は、寄生ダイオード９ｄの順方向抵抗に比べて格段に小さい（例えば１ｍΩ程度）ため、バッテリ７からモータ駆動回路５に流れる電流の大部分は、ソースからドレインを通り、寄生ダイオード９ｄに流れる電流は僅かである。

一方、所要電力が基準値を超えるとき、すなわち、バッテリ７のみでは所要電力をまかないきれないときは、制御回路２３はＭＯＳ−ＦＥＴ９をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオン状態とする（充放電回路３００の第２の出力状態）。この結果、バッテリ７と補助電源１２とが互いに直列に接続された状態で、その出力電圧がモータ駆動回路５に供給される。これにより、バッテリ７のみの出力可能電力を超える大電力を、モータ駆動回路５に供給することができる。なお、このとき、ＭＯＳ−ＦＥＴ９の寄生ダイオード９ｄのカソードはアノードより高電位、すなわち、逆電圧であることにより、補助電源１２からバッテリ７への電流の回り込みは阻止される。

このようにして、所要電力に応じて、バッテリ７のみ、又は、バッテリ７＋補助電源１２、のいずれかを選択する制御が行われる。
なお、バッテリ７と並列の関係にあるバックアップ電源１１からも、モータ４に電力が供給され得るが、放電した電荷は直ちにバッテリ７から補充されることになるので、バッテリ７が正常である限りは、結局は、バッテリ７が負担することになる。

次に、バッテリ７の故障判定について、図２のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートは、バッテリ７が故障したか否かを判定する処理の一例を示すものであり、制御回路２３は、この処理を繰り返し実行する。まず、ステップＳ１において、制御回路２３は、角度センサ３１から入力される角度位置信号を時間で微分してモータ４（ロータ４ｒ）の回転速度ω［rad/sec］を求め、これに、予め実測して得られた逆起電圧定数Ｋｅを乗じて逆起電力Ｖ_Gを演算する。すなわち、Ｖ_G＝Ｋｅ・ωである。

演算後、制御回路２３は、逆起電力Ｖ_Gが、所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。モータ４が高速で回転しているときは逆起電力がバッテリ７の電圧を上回り、逆起電力による電流がバッテリ７に流れ込む（逆流する）ことがあるが、これは異常ではない。従って、このような場合には故障判定を行わないように、バッテリ７の電圧より低い、適切な所定値を設定する必要がある。そこで、制御回路２３は、逆起電力Ｖ_Gが所定値を超えている場合には判定処理を終了し（中止し）、他方、所定値以下である場合には、電圧検出器２７から出力される電圧Ｖ_Bの読み取りを行う（ステップＳ３）。

次に、制御回路２３は、電圧Ｖ_Bの大きさ及び符号から、バッテリ７に所定値（ステップＳ２の所定値とは無関係）を超える逆流電流が流れているか否かを判定する（ステップＳ４）。この所定値は、バッテリ７の故障により、バッテリ外から電流が流れ込むときの電流値を推定又は実測して設定される。逆流電流の大きさが所定値以下であれば、判定処理は終了となり、所定値を超える場合には、制御回路２３は、バッテリ７が故障していると判定し、バッテリ故障時の処理を行う（ステップＳ５）。

具体的には、制御回路２３は、リレー接点８をオフ（開）の状態とする。このとき制御電源電圧Ｖｃｃは、故障したバッテリ７からは供給されなくなるが、バックアップ電源１１から供給されることにより、制御回路２３その他の、制御電源電圧Ｖｃｃを必要とする回路要素に提供されている制御電源電圧Ｖｃｃは維持される。

なお、仮に、バッテリ７が故障したときリレー接点８が閉じたままになっていると、電圧低下した電路ＬＢの電位が制御電源電圧Ｖｃｃに影響を与え、また、バックアップ電源１１からバッテリ７に逆流電流が流れ続ける。しかしながら、バッテリ７の故障時にリレー接点８を開くことにより、故障したバッテリ７の影響を速やかに排除して、バックアップ電源１１から確実に制御電源電圧Ｖｃｃを供給することができる。

また、制御回路２３は、バッテリ故障の検出によりＭＯＳ−ＦＥＴ９をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオン状態とする（充放電回路３００の第２の出力状態）。この結果、バックアップ電源１１に補助電源１２が直列に接続された状態での出力電圧により、モータ４に電力が供給される。これにより、バッテリ７が電圧を喪失しても、短時間であれば、モータ４に必要な電力を供給することができる。従って、バッテリ７が故障したときでも、車両を安全な場所に退避させるために必要な操舵補助力を生じさせることができる。

以上のように、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１によれば、制御回路２３は、バッテリ７の故障を検出したとき、充放電回路３００の第２の出力状態を選択することにより、バックアップ電源１１に補助電源１２を直列に接続した状態の出力電圧によりモータ４に電力を供給させる。従って、バッテリ７が故障しても、短時間であれば、バックアップ電源１１と補助電源１２とによって必要な操舵補助力を生じさせ、電動パワーステアリング１の動作を維持することができる。また、バックアップ電源１１と補助電源１２とを同時に使用することにより、個々の電源が保有すべきエネルギーを抑制することができる。一方、バッテリ７の電圧が失われてもバックアップ電源１１から制御電源電圧Ｖｃｃを供給することができ、制御回路２３の動作も保証される。

また、バックアップ電源１１と補助電源１２とは同時に使用されるので、これら２電源で、操舵補助に必要なエネルギーを備えていればよい。すなわち、バックアップ電源１１が単独でこのエネルギーを備えている必要はなく、補助電源１２のエネルギーとの合算で備えていればよい。従って、バックアップ電源１１が単独でこのエネルギーを備える場合に比べて、バックアップ電源１１のエネルギー負担は軽くなり、その結果、低コストになる。

具体的には、バックアップ電源１１のエネルギーに、補助電源１２のエネルギーを合算すると、２０００〜４０００ジュールとなるように容量を選択することにより、バッテリ７の電圧が失われても、車両を安全な場所に退避させるために必要な操舵補助力を生じさせることができる。この範囲内で選択すべきエネルギーの数値は車両により異なる。例えば、ある車両を安全な場所に退避させるために必要な操舵補助力を生じさせるエネルギーが３０００ジュールであるとすれば、バックアップ電源１１のエネルギーとして２０００ジュール、補助電源１２のエネルギーとして１０００ジュール、という構成を選択することができる。従って、バックアップ電源１１単独で全エネルギーを負担する場合と比べると、バックアップ電源１１のエネルギー負担は大幅に軽減され、その結果、低コストとなる。

なお、上記実施形態の制御電源回路４００においては、リレー接点８を、開閉制御可能なスイッチとして使用したが、これに代えて、ＭＯＳ-ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を使用することも可能である。

また、上記実施形態では、モータ４への電力供給に補助電源１２を使用するか否かを決めるに当たって、制御回路２３は、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力を推定し、これを基準値と比較するとしたが、これ以外の決め方も可能である。例えば、モータ駆動回路５に供給される電流は、制御回路２３、ゲート駆動回路６及びモータ駆動回路５によるアシスト制御によって、必要とされる操舵補助力に応じて変化する。従って、バッテリ７の電圧と、モータ駆動回路５に供給される電流とを実際に検出して、これらを乗じて電力の現在値を求め、この現在値が、バッテリ７のみから電力供給する場合の最大電力以下であればバッテリ７のみから電力を供給し、当該最大電力を超えていればバッテリ７と補助電源１２との直列電源から電力を供給する、としてもよい。

本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の回路図である。 バッテリの故障判定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
４ モータ
７ バッテリ
８ リレー接点
１１ バックアップ電源
１２ 補助電源
２３ 制御回路
２８ 故障検出器
３００ 充放電回路（充電回路１００，放電回路２００）
４００ 制御電源回路

Claims (3)

1. 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、
   主電源として前記モータに電力を供給するバッテリと、
   前記バッテリと並列に接続されるバックアップ電源と、
   前記バッテリ及びバックアップ電源の並列体に対して直列に接続され、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、
   前記バッテリの出力を検出する検出器と、
   前記バッテリに基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記バッテリの出力電圧により前記モータに電力を供給する第１の出力状態と、前記バッテリ又はバックアップ電源に前記補助電源が直列に接続された状態での出力電圧により前記モータに電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、
   必要な操舵補助力に応じて前記充放電回路の出力状態を選択するとともに、前記検出器の検出結果に基づいて前記バッテリの故障を検出したときは、前記第２の出力状態を選択して、前記バックアップ電源に前記補助電源が直列に接続された状態での出力電圧により前記モータに電力を供給させる制御回路と、
   前記バッテリ及びバックアップ電源の双方からそれぞれ、前記制御回路へ制御電源電圧を供給する制御電源回路と
   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. 前記バックアップ電源のエネルギーに、前記補助電源のエネルギーを合算すると２０００〜４０００ジュールである請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記バッテリの＋側電路と、前記バックアップ電源の＋側電路とは、開閉制御可能なスイッチを介して互いに接続されており、前記制御回路は、前記バッテリの故障時に当該スイッチを開く請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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