JP2009120089A

JP2009120089A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2009120089A
Application number: JP2007297768A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Nagase; 茂樹長瀬
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】バックアップ電源を備える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充電に関する回路構成を簡素化する。
【解決手段】モータ４（３相ブラシレスモータ）におけるスター結線されたステータ巻線４ｃの中性点に、バックアップ電源１３の一端を接続し、他端は、バッテリ７の接地側端子に接続する構成とする。バッテリ７からバックアップ電源１３への充電は、モータ駆動用の駆動回路２０を介して行われ、バッテリ７の故障時にはバックアップ電源１３から駆動回路２０を介してモータ４に放電され、モータ４が駆動される。
【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。しかしながら、かかる電動パワーステアリング装置は、バッテリが故障すると機能停止に至り、手動ステアリング装置となってしまう。そこで、電動パワーステアリング装置としての信頼性を向上させるために、バッテリ故障時に、バッテリに代わって電力を供給するバックアップ電源を設けた電動パワーステアリング装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２１３２７３（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、バックアップ電源には電気二重層コンデンサを用いることができる。このようなコンデンサを充電するためには充電回路が必要である。充電回路にはリアクトルやＭＯＳ−ＦＥＴが必要であるが、大電流回路であるため、部品の定格やサイズが大きくなり、その結果コストも高くなる。
かかる従来の課題に鑑み、本発明は、バックアップ電源を備える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充電に関する回路構成を簡素化することを目的とする。

本発明の電動パワーステアリング装置は、中性点を有する多相のステータ巻線を具備し、操舵補助力を生じさせるモータと、複数のスイッチング素子によって構成されたブリッジ回路を含み、前記モータを駆動する駆動回路と、前記駆動回路に駆動用の電圧を付与する主電源としてのバッテリと、前記バッテリの出力を検出する検出器と、キャパシタによって構成され、一端が、前記中性点に接続され、他端が前記バッテリの接地側端子に接続されるバックアップ電源と、必要な操舵補助力に基づいて前記駆動回路を動作させることにより前記バッテリから前記モータに駆動用の電力を供給するモータ駆動制御を行うほか、前記駆動回路を動作させることにより前記バッテリから前記バックアップ電源に充電を行う充電制御、及び、前記モータの駆動中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、前記駆動回路を動作させることにより前記バックアップ電源から前記モータに駆動用の電力を供給する放電制御を行う制御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では、モータにおける中性点にバックアップ電源を接続するだけの構成により、駆動回路を介してバッテリからバックアップ電源への充電と、バックアップ電源からモータへの放電による駆動とを行わせることができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、制御回路は、モータ駆動用の多相交流波形の電圧に各相共通のバイアス電圧を重畳させた駆動電圧でモータを駆動することによって、モータ駆動制御と同時に充電制御をも行うものであってもよい。
この場合、バイアス電圧が多相交流波形の平均値となり、バックアップ電源の充電電圧となる。従って、操舵中に、モータを駆動しながらバックアップ電源を充電することができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、制御回路は、モータの停止中に各相共通の充電電圧をステータ巻線に付与することによって、充電制御を行うものであってもよい。
この場合、非操舵時にバックアップ電源の充電を行うことができる。また、操舵開始前に充電が完了すれば、充電制御が操舵に与える影響を排除することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、駆動回路を介してバッテリからバックアップ電源への充電と、バックアップ電源からモータへの放電による駆動とを行わせることができるので、バックアップ電源を充電するための回路構成が簡素なものとなる。

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６個のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６と、抵抗５７〜５９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から与えられるＰＷＭ信号によりスイッチングされる。モータ駆動回路５はゲート駆動回路６と共に、モータ４を駆動する駆動回路２０を構成する。

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。このバッテリ７の電圧は、電源リレー８の接点及びリアクトル９が介挿された電路Ｌを経て、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。モータ駆動回路５には並列に平滑用の電解コンデンサ１０が接続されている。駆動回路５とモータ４との間の電路の２相（本例ではＵ相，Ｖ相）にはモータリレー１１の接点が介挿されている。また、当該２相の電路には電流センサ１２ｕ，１２ｖが設けられている。

バックアップ電源１３は、キャパシタによって構成されるものであり、例えば、電気二重層コンデンサである。このバックアップ電源１３の一端は、モータ４のスター結線されたステータ巻線４ｃの中性点に接続され、他端はバッテリ７の接地側端子に接続されている。

上記ゲート駆動回路６、電源リレー８及びモータリレー１１は、マイクロコンピュータを含む制御回路１４の指令信号を受けて動作する。電源リレー８の接点及びモータリレー１１の接点は、制御回路１４の制御により通常はオン（閉路）状態となっており、制御回路１４の異常時にフェールセーフの観点からオフ状態となってモータ駆動制御を中止するようになっている。また、バッテリ７の故障時には、電源リレー８の接点のみを開くことができる。

一方、制御回路１４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１５の出力信号（操舵トルク信号）と、車速を検出する車速センサ１６の出力信号（車速信号）と、ロータ４ｒの回転角を検出する回転角センサ１７の出力信号（回転角信号）と、電流センサ１２ｕ，１２ｖの出力信号（電流値）と、バッテリ７に並列に接続された電圧検出器１８の出力信号（バッテリ電圧）と、イグニッションキー１９の操作信号とが入力される。

図２は、モータ駆動制御（アシスト制御）に関する制御回路１４内の機能を示すブロック図である。制御回路１４は、ソフトウェアにより実現される内部機能として（但し、ハードウェアでの実現も可能である。）、目標電流演算部１４１、比較部１４２ｄ，１４２ｑ、ＰＩ制御部１４３ｄ，１４３ｑ、３相／２相変換部１４４、２相／３相変換部１４５、充電指令値出力部１４６、及び、加算部１４７ｕ、１４７ｖ、１４７ｗを備えている。
トルクセンサ１５からの操舵トルク信号と、車速センサ１６からの車速信号とは、目標電流演算部１４１に入力される。回転角センサ１７からの回転角信号は３相／２相変換部１４４及び２相／３相変換部１４５に入力される。電流センサ１２の出力信号は、３相／２相変換部１４４に入力される。

電動パワーステアリング装置１の通常のモータ駆動制御においては、目標電流演算部１４１は、トルクセンサ１５からの操舵トルク信号と、車速センサ１６からの車速信号とに基づいて、モータ４に与えるべき目標電流の演算を行う。３相／２相変換部１４４は、Ｕ，Ｖ相の電流値を基に、Ｗ相も含む３相の電流を、回転角センサ１７によって検出された回転角信号を用いて、ｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する。そして、比較部１４２ｄ、１４２ｑにおいて、目標電流と、ｄ軸電流及びｑ軸電流とが比較され、フィードバック制御が行われる。すなわち、ｄ軸電流及びｑ軸電流が目標電流に近づくように、制御が行われる。

比較部１４２ｄ，１４２ｑの出力に対してはＰＩ制御部１４３ｄ，１４３ｑにおいてそれぞれ比例・積分制御が施され、さらに、２相／３相変換部１４５においてＵ，Ｖ，Ｗ相の駆動指令信号（電圧指令値）Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗに変換される。図１のゲート駆動回路６及びモータ駆動回路５は、この駆動指令信号に基づいてモータ４に電力を供給する。
このようにして、制御回路１４は、トルクセンサ１５から送られてくる操舵トルク信号や、車速センサ１６から送られてくる車速信号に基づいて、適切な操舵補助力を発生させるべく駆動回路２０（ゲート駆動回路６，モータ駆動回路５）を動作させ、モータ４を駆動させる。

次に、制御回路１４によって行われるバックアップ電源１３の充電制御について説明する。充電は、イグニッションキー１９がオン状態になり、制御回路１４の初期診断（故障有無の自己診断）が完了した時点で開始される。当該開始時点から最初に操舵が行われるまでは、モータ駆動制御は未実行の状態であるので、２相３相変換部１４５は駆動指令信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗを出力していない。従って、充電指令値出力部１４６からの充電指令値Ｓｃのみがゲート駆動回路６に提供される。この充電指令値Ｓｃは、充電初期に過大な電流がモータ４に流れるのを防止すべく、小さな値から目標値へ徐々に増大させるように出力される。また、充電指令値Ｓｃは各相共通に与えられる。なお、ステータ巻線４ｃは、そのインダクタンスにより、バックアップ電源１３へ充電電流を流すときの突入電流を抑制する。

図３〜６は、モータ４の各相のステータ巻線４ｃ（以下、単にモータ４ともいう。）に印加される電圧がどのように変化するかの一例を示すグラフである。この例では、充電指令値Ｓｃによって決まるデューティのＰＷＭ信号でモータ駆動回路５が動作したとき、モータ４の各相に付与される電圧が４Ｖ（すなわち、指令する充電電圧が４Ｖ）である、とする。前述のように、充電指令値Ｓｃは徐々に増大するので、モータ４の各相に付与される電圧も、徐々に上昇し、最終的に目標値の４Ｖに達する。

図３は、上昇途中の一期間において充電電圧（各相）が約１Ｖとなっている状態を示している。なお、厳密には時間の経過と共に充電電圧が上昇するが、横軸に表示する一期間は極めて短時間であるとして、この期間内では便宜上電圧が一定であるかのように表現している。バックアップ電源１３の初期の端子電圧を０とすると、付与する充電電圧によってバックアップ電源１３が充電され、付与する充電電圧の上昇に追随するようにバックアップ電源１３の端子電圧が上昇する。

上記の充電時において、モータ駆動回路５（図１）の各相上側にあるＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５３は互いに同期してオン・オフ動作し、また、各相下側にあるＭＯＳ−ＦＥＴ５４〜５６も互いに同期してオン・オフ動作する。上下のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５３，５４〜５６のオン・オフのタイミングは位相が逆であり、交互に行われる。すなわち、各相上側にあるＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５３がオン（オフ）のとき、各相下側にあるＭＯＳ−ＦＥＴ５４〜５６はオフ（オン）である。モータ４の各相に付与される電圧は、このようなスイッチング動作の結果として生じる。

蓄電されていないバックアップ電源１３に充電を完了するまでの時間をＴとすると（電圧が４Ｖであるとすると、概ね１分以内である。）、充電開始から操舵が行われることなく時間Ｔが経過すると、図６に示すように、モータ４の各相に付与される充電電圧は４Ｖに達しており、バックアップ電源１３の端子電圧も４Ｖに達する。従って各相ステータ巻線４ｃの端子と中性点との電位差は無くなり、充電は完了（４Ｖでの満充電状態）となる。但し、引き続きモータ駆動回路５のスイッチングは行われており、モータ４の各相には４Ｖが印加され続ける。

一方、上記時間Ｔが経過する前に操舵が行われた場合、必要な操舵補助力を発生させるための駆動指令信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗが、２相／３相変換部１４５から出力される。また、充電指令値出力部１４６は充電指令値Ｓｃを出力する。充電指令値Ｓｃは各相共通であり、加算部１４７ｕ，１４７ｖ，１４７ｗにおいて駆動指令信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗに加算される。この加算結果としての制御信号（Ｓｕ＋Ｓｃ，Ｓｖ＋Ｓｃ，Ｓｗ＋Ｓｃ）は、ゲート駆動回路６に与えられ、この制御信号に基づいて、パルス幅変調が施されたゲート駆動信号がモータ駆動回路５に与えられ、モータ４には３相交流波形（ＰＷＭによって形成される擬似的な３相交流波形）の駆動電圧が印加される。

図４は、上記制御信号（Ｓｕ＋Ｓｃ，Ｓｖ＋Ｓｃ，Ｓｗ＋Ｓｃ）に基づいてモータ４に印加される３相交流の電圧波形を示すグラフである。実線はＵ相、破線はＶ相、二点鎖線はＷ相の電圧波形をそれぞれ示している。各相の位相は互いに１２０度ずれている。波形の振幅（約２Ｖ）は駆動指令信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗによって決まり、必要とされる操舵補助力に応じて変化する。また、３相の平均電圧（一点鎖線）は、充電指令値Ｓｃによって決まる。充電指令値Ｓｃは増大の途中であり、この時点の充電指令値Ｓｃによって生じている充電電圧は約２Ｖである。この電圧は、３相交流波形のバイアス電圧となり、また、平均電圧でもある。すなわち、この波形によって表される駆動電圧とは、モータ駆動用の３相交流波形の電圧に各相共通のバイアス電圧を重畳させたもの、となる。

図５は、図４の状態からさらにバイアス電圧が上昇し、目標値である４Ｖに達した状態を示している。これにより、バックアップ電源１３の端子電圧も４Ｖに達し、バイアス電圧と端子電圧とが一致した時点で充電完了となる。
その後、操舵が停止されると、図６に示すように、３相交流波形は消えてバイアス電圧（４Ｖ）のみが残る。

このようにして、イグニッションキー１９のオン操作後、最初の操舵までの間、操舵中、操舵後、のいずれの場合においてもバックアップ電源１３の充電が可能であり、端子電圧がバイアス電圧に等しくなった時点で充電が完了となる。
従って、基本的に、操舵補助を行うに当たってバックアップ電源１３の充電完了待ちをする必要が無く、直ちに操舵を開始することができる。逆に、非操舵時にバックアップ電源１３の充電が可能であることにより、操舵開始前に充電を完了させることもできる。

また、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、充電のための回路構成として制御回路１４外で必要となるのは、モータ４における中性点にバックアップ電源１３を接続することだけである。これにより、駆動回路２０を介してバッテリ７からバックアップ電源１３への充電と、バックアップ電源１３からモータ４への放電による駆動とを行わせることができる。また、制御回路１４内で、充電のためだけに必要となる機能は充電指令値出力部１４６及び加算部１４７ｕ，１４７ｖ，１４７ｗのみであり、その他はモータ駆動制御としての機能である。
このようにして、バックアップ電源１３を充電するための回路構成を簡素なものとすることができる。

次に、制御回路１４によって行われる放電制御について説明する。
操舵中にバッテリ７が故障（失陥）したときは、制御回路１４は、電圧検出器１８から送られてくる信号によりバッテリ電圧の低下を検出する。バッテリ電圧の低下を検出した制御回路１４は、電源リレー８の接点をオフ（開）の状態とする。一方、モータ４の中性点にはバックアップ電源１３の端子電圧が付与されている。そして、制御回路１４は、駆動回路２０に対して、バッテリ７の故障後も引き続き、モータ４を回転させるためのスイッチング動作を行わせる。従って、下側のＭＯＳ−ＦＥＴ５７，５８，５９を介して、中性点から各相のステータ巻線４ｃに電力が供給され、モータ４は回転を維持することができる。なお、この間、上側のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５３もスイッチング動作を行うが、電源リレー８の接点が開いていることで、バックアップ電源１３からバッテリ７への電流の逆流は防止される。

このようにして、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、少なくとも、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。
なお、バッテリ７が故障したときの、制御回路１４やゲート駆動回路６のための制御電源電圧（Ｖｃｃ）は、車両に搭載されているオルタネータ（図示せず。）から供給することができる。

図７は、バイアス電圧より３相交流の振幅の方が大きい波形の一例を示している。すなわち、この場合、バイアス電圧は２Ｖ、振幅は３Ｖであり、波形の下部が切れた形となり、正弦波が崩れる。正弦波が崩れるとモータ４の騒音や振動が大きくなる。従って、振幅がバイアス電圧を超えないように、充電中には振幅を抑制することが好ましい。この点においては、前述のように、非操舵時の充電によって操舵開始前に充電を完了させておくことで、充電制御が操舵に与える影響（振幅の抑制の必要性）を排除することができる。

なお、図３〜６は、バイアス電圧（充電電圧）４Ｖの例を示したが、バックアップ電源の端子電圧は２Ｖ程度あれば、緊急避難的な短時間のモータ４の駆動が可能である。
また、図８は、バイアス電圧６Ｖで、振幅が６Ｖの波形の例である。振幅は通常、６Ｖあれば十分である。すなわち、充電完了後に、波形を損なわずに振幅６Ｖを確保することができるバイアス電圧は、バッテリ電圧の半分である６Ｖとなる。

なお、上記実施形態ではイグニッションキー１９のオン操作により充電を開始するようにしたが、充電完了をできるだけ早めたい場合には、イグニッションキー１９の操作を待たずに、ドアロックされた状態の車両のドアを運転者が解錠した時点や、実際にドアを開けた時点で充電を開始することも可能である。

また、上記実施形態におけるモータ４は３相ブラシレスモータであるが、相数は３相に限定されるものではなく、３より多い相数であってもよい。使用するモータとしてはブラシレスモータが一般的であるが、これ以外のモータを排除するものではない。すなわち、中性点を有する多相のステータ巻線を具備するモータであれば、同様に、バックアップ電源を中性点に接続して駆動回路経由で充放電を行わせることができる。

なお、上記実施形態ではモータ駆動制御、充電制御、放電制御のいずれにおいても６個（３相）のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６をスイッチングするが、通常のモータ駆動制御とは全く別に、充電制御や放電制御を行うことも可能である。例えば、充電制御は常にモータ駆動制御を行わないときに行うものとすれば、モータ駆動回路５における下側の３個のＭＯＳ−ＦＥＴ５４〜５６を全てオフとして、上側の３個のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５３を全てオンにすれば、バックアップ電源１３を充電することができる。但し、この場合でも、モータ４に過大な電流が突入することを防止すべく、上側の３個のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５３のデューティを徐々に増大させる必要がある。また、放電制御は、モータ駆動回路５における上側の３個のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５３を全てオフとして、下側の３個のＭＯＳ−ＦＥＴ５４〜５６を、電流ベクトルが回転するように（各相のデューティの変化が３相交流波形となるように）スイッチングすればよい。

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電気回路を主体とした構成を示す回路図である。モータ駆動制御に関する制御回路内の機能を示すブロック図である。モータに印加される電圧の一例を示すグラフであり、１Ｖのバイアス電圧がモータに付与されている状態を示す。モータに印加される電圧の一例を示すグラフであり、バイアス電圧を２Ｖとする３相交流波形の電圧がモータに付与されている状態を示す。モータに印加される電圧の一例を示すグラフであり、バイアス電圧を４Ｖとする３相交流波形の電圧がモータに付与されている状態を示す。モータに印加される電圧の一例を示すグラフであり、４Ｖのバイアス電圧がモータに付与されている状態を示す。モータに印加される電圧の一例を示すグラフであり、バイアス電圧２Ｖ、振幅３Ｖとする、下部が切れた状態の３相交流波形の電圧がモータに付与されている状態を示す。モータに印加される電圧の一例を示すグラフであり、バイアス電圧６Ｖ、振幅６Ｖとするときの、３相交流波形の電圧がモータに付与されている状態を示す。

符号の説明

１電動パワーステアリング装置
４モータ
４ｃステータ巻線
７バッテリ
１３バックアップ電源
１４制御回路
１８電圧検出器
２０駆動回路

Claims

中性点を有する多相のステータ巻線を具備し、操舵補助力を生じさせるモータと、
複数のスイッチング素子によって構成されたブリッジ回路を含み、前記モータを駆動する駆動回路と、
前記駆動回路に駆動用の電圧を付与する主電源としてのバッテリと、
前記バッテリの出力を検出する検出器と、
キャパシタによって構成され、一端が、前記中性点に接続され、他端が前記バッテリの接地側端子に接続されるバックアップ電源と、
必要な操舵補助力に基づいて前記駆動回路を動作させることにより前記バッテリから前記モータに駆動用の電力を供給するモータ駆動制御を行うほか、前記駆動回路を動作させることにより前記バッテリから前記バックアップ電源に充電を行う充電制御、及び、前記モータの駆動中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、前記駆動回路を動作させることにより前記バックアップ電源から前記モータに駆動用の電力を供給する放電制御を行う制御回路と
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。
前記制御回路は、モータ駆動用の多相交流波形の電圧に各相共通のバイアス電圧を重畳させた駆動電圧で前記モータを駆動することによって、前記モータ駆動制御と同時に前記充電制御をも行う請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記制御回路は、前記モータの停止中に各相共通の充電電圧を前記ステータ巻線に付与することによって、前記充電制御を行う請求項１記載の電動パワーステアリング装置。