JP4882417B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、主電源を必要に応じて補助する補助電源を備え、トルクセンサが検出した操舵トルク値に基づき、操舵補助用のモータに流すべき目標電流値を定め、定めた目標電流値をモータに流すことにより操舵補助する電動パワーステアリング装置の改良に関するものである。

モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置は、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルクセンサが入力軸に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用のモータを駆動制御するものである。

このような電動パワーステアリング装置では、操舵補助用のモータの電源は、車載バッテリ及びオルタネータ（交流発電機）である。その為、据え切り操舵時にモータが必要とする大電力を、車載バッテリ及びオルタネータで賄う必要があるが、配線抵抗及び内部抵抗等の要因から、大電流を流した場合の電圧降下等により、充分な出力を得ることが困難であった。

このような問題を解決する技術として、特許文献１には、ステアリングギヤのパワーアシストに供される電動モータへの電力供給源として、主電源と補助電源とを備えた電動パワーステアリング装置が開示されている。
特開２００３−３２０９４２号公報

上述した特許文献１には、補助電源が主電源を補助する場合は、主電源と補助電源とを直列に接続するものがあるが、この場合、主電源及び補助電源が単に直列接続されるだけである為、主電源を補助できる時間が短く、また、放電制御できないという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、操舵補助用のモータ側に電源を供給する主電源を、補助電源が補助する場合に、任意の制御を可能とし、また、比較的長く主電源を補助でき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。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵部材に加えられた操舵トルク値を検出するトルクセンサと、操舵補助用のモータと、該モータにモータ駆動回路を介して電源を供給する主電源と、該主電源を必要に応じて補助する補助電源とを備え、前記トルクセンサが検出した操舵トルク値に基づき、前記モータに流すべき目標電流値を定め、定めた目標電流値を前記モータに流すことにより操舵補助する電動パワーステアリング装置において、前記補助電源が主電源を補助するときは、該補助電源を主電源に直列に接続する接続手段と、該補助電源が出力する電流により前記主電源を補助可能に制御する電流制御手段と、前記主電源及びモータ駆動回路間に接続されると共に、前記補助電源及び電流制御手段に並列接続され、前記モータ駆動回路から主電源への逆流を防止する逆流防止手段とを備えることを特徴とする。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記補助電源は、電気二重層コンデンサであることを特徴とする。

第３発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記接続手段は、前記主電源の出力電圧値が所定電圧値以下であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してあることを特徴とする。

第４発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記接続手段は、前記モータに流れる電流値及び／又は前記目標電流値が所定電流値以上であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してあることを特徴とする。

第５発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記接続手段は、前記操舵トルク値が所定トルク値以上であるとき、又は前記操舵トルク値の微分値が所定値以上であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してあることを特徴とする。

第６発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記補助電源は、前記操舵トルク値が所定トルク値未満であるときに、充電されるように構成してあることを特徴とする。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、補助電源が主電源を補助するときは、補助電源を主電源に直列に接続し、補助電源が出力する電流を任意に制御すると共に、逆流防止手段が、主電源及びモータ駆動回路間に接続され、補助電源及び電流制御手段に並列接続され、モータ駆動回路から主電源への逆流を防止でき、操舵補助用のモータ側に電源を供給する主電源を、補助電源が補助する場合に、電流を抑制することもでき、比較的長く主電源を補助できる電動パワーステアリング装置を実現することができる。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、補助電源は、電気二重層コンデンサであるので、モータ駆動回路を収納したハウジング内に収納することもできる。

第３発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、接続手段は、主電源の出力電圧値が所定電圧値以下であるときに、補助電源を主電源に直列に接続するので、操舵補助力の向上に寄与する。

第４発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、接続手段は、モータに流れる電流値及び／又は前記目標電流値が所定電流値以上であるときに、補助電源を主電源に直列に接続するので、操舵補助用のモータに電源を供給する主電源の出力電流が減少して、補助電源が補助する場合に、操舵補助力を向上させることができる。

第５発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、接続手段は、操舵トルク値が所定トルク値以上であるとき、又は操舵トルク値の微分値が所定値以上であるときに、補助電源を主電源に直列に接続するので、大きな操舵補助力を必要とする場合に有用である。
第６発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、大きな操舵トルクを要しない場合に、補助電源を充電できて好ましい。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵部材（図示せず）に加えられたトルクを検出するトルクセンサ１２が検出した操舵トルク値が、インターフェイス回路１１を介してマイクロコンピュータ１９へ与えられ、車速を検出する車速センサ２０が検出した車速値が、インターフェイス回路２１を介してマイクロコンピュータ１９へ与えられる。また、操舵部材（図示せず）の操舵角を検出する操舵角センサ１６が検出した操舵角が、インターフェイス回路１７を介してマイクロコンピュータ（以下、マイコンと記述）１９へ与えられる。

マイコン１９から出力されるリレー制御信号がリレー駆動回路１５へ入力され、リレー駆動回路１５はリレー制御信号に従ってフェイルセーフリレー接点１５ａをオン又はオフさせる。
マイコン１９は、操舵トルク値、車速値、操舵角及び後述するモータ電流値に基づき、メモリ１８内のトルク／電流テーブル１８ａを参照することにより、操舵補助用のモータであるブラシレスモータ２４に流すべき電流値である出力レベル指令値を作成する。作成した出力レベル指令値はモータ駆動回路１３へ与えられる。
モータ駆動回路１３は、フェイルセーフリレー接点１５ａを通じて、車載バッテリ及びオルタネータ等を備える電源部２３の出力電圧が印加され、与えられた出力レベル指令値に基づき、ブラシレスモータ２４を回転駆動させる。

ブラシレスモータ２４が回転する際、ロータ位置検出器１４がそのロータ位置を検出し、モータ駆動回路１３は、この検出したロータ位置信号に基づき、ブラシレスモータ２４を回転制御する。
ブラシレスモータ２４に流れるモータ電流は、モータ電流検出回路２２により検出され、モータ電流値としてマイコン１９に与えられる。
マイコン１９は、電源部２３が備える補助電源への充電を制御する他、与えられた操舵トルク値、車速値、操舵角、モータ電流値及び目標モータ電流値等に基づき、補助電源からの補助が必要か否かを判定し、必要であると判定したときは、補助電源が主電源を補助するように制御する。

図２は、電源部２３の構成例を示すブロック図である。この電源部２３は、整流回路を備えたオルタネータ（交流発電機）Ｇに、主電源である車載バッテリＢが並列接続され、オルタネータＧにより発電され整流された直流電流は、車載バッテリＢに充電される。オルタネータＧの負極端子は接地されている。
車載バッテリＢには、電圧検出器２６が並列接続され、電圧検出器２６が検出した車載バッテリＢの出力電圧値は、マイコン１９に与えられ、補助電源からの補助が必要か否かの判定に使用される。
車載バッテリＢの正極端子には、逆流防止手段であるダイオードＤ１のアノードが接続され、カソードは電解コンデンサＣの正極端子に接続され、電解コンデンサＣの負極端子は接地されている。

オルタネータＧの正極端子には、また、ＰＮＰ型トランジスタＴｒ１のエミッタが接続され、コレクタは補助電源である電気二重層コンデンサＥＣの正極端子に、ベースはマイコン１９にそれぞれ接続され、エミッタ及びベース間には抵抗Ｒ１が接続されている。トランジスタＴｒ１は、マイコン１９により駆動制御される。
電気二重層コンデンサＥＣには、電圧検出器２５が並列接続され、電圧検出器２５が検出した電気二重層コンデンサＥＣの充電電圧値は、マイコン１９に与えられる。マイコン１９は、与えられた充電電圧値に基づき、トランジスタＴｒ１を駆動制御して、電気二重層コンデンサＥＣの充電時の過電圧を防止する。

電気二重層コンデンサＥＣの負極端子は、切替スイッチＳＷに接続され、切替スイッチＳＷは、マイコン１９からの切替制御により、電気二重層コンデンサＥＣの負極端子を、車載バッテリＢの正極端子又は接地端子に切替え接続する。
電気二重層コンデンサＥＣの正極端子には、また、ＰＮＰ型トランジスタＴｒ２のエミッタが接続され、コレクタは電解コンデンサＣの正極端子に、ベースはマイコン１９にそれぞれ接続され、エミッタ及びベース間には抵抗Ｒ２が接続されている。トランジスタＴｒ２は、マイコン１９により駆動制御される。

トランジスタＴｒ２のコレクタ及び電解コンデンサＣ間には、電気二重層コンデンサＥＣの放電電流を検出する電流検出器２７が設けられ、電流検出器２７が検出した放電電流値Ｉ１は、マイコン１９に与えられる。マイコン１９は、与えられた放電電流値に基づき、トランジスタＴｒ２をＰＷＭその他の任意手段で駆動制御して、電気二重層コンデンサＥＣの放電を抑制も可能に任意に制御でき、過電流も防止できる。
電解コンデンサＣの正極端子は、リレー接点１５ａを通じて、モータ駆動回路１３に接続され、電源部２３の出力端子となっている。
尚、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の代わりにＭＯＳ型ＦＥＴを用いても良い。

以下に、このような構成の電動パワーステアリング装置の動作を、それを示す図３、４のフローチャート及び図５のタイミングチャートを参照しながら説明する。
マイコン１９は、操舵補助動作において、先ず、トルクセンサ１２が検出し、インタフェース１１によりサンプリングされた操舵トルク値を読込み（Ｓ２）、車速センサ２０が検出し、インタフェース２１によりサンプリングされた車速値を読込む（Ｓ４）。

マイコン１９は、次に、読込んだ車速値（Ｓ４）及び読込んだ操舵トルク値（Ｓ２）により、トルク／電流テーブル１８ａを参照して、目標モータ電流値を決定する（Ｓ６）。次いで、モータ電流検出回路２２からモータ電流値を読込み（Ｓ８）、決定した目標モータ電流値（Ｓ６）と読込んだモータ電流値（Ｓ８）との差を演算し（Ｓ１０）、演算した差に基づき、ブラシレスモータ２４に目標モータ電流値を流すべく、モータ電流指令値を決定する（Ｓ１２）。
マイコン１９は、次に、電源部２３の出力電圧を調整した（Ｓ１４）後、決定したモータ電流指令値（Ｓ１２）に応じた回転方向及び出力レベルを決定し（Ｓ１６）、決定した回転方向及び出力レベルの各指令信号をモータ駆動回路１３に与え（Ｓ１８）、リターンして他の処理へ移る。

マイコン１９は、電源部２３の電圧調整（Ｓ１４）では、先ず、電圧検出器２６が検出した車載バッテリＢの出力電圧値を読込み（Ｓ２０）、次いで、操舵角センサ１６が検出し、インタフェース１７によりサンプリングされた操舵角を読込む（Ｓ２２）。
マイコン１９は、次に、読込んだ操舵角（Ｓ２２）を微分して、操舵角速度を演算し（Ｓ２４）、読込んだ操舵トルク値（Ｓ２）を微分して、操舵トルク微分値を演算する（Ｓ２６）。

マイコン１９は、次に、読込んだ出力電圧値（Ｓ２０）が、所定電圧値以下であるか否かを判定し（Ｓ２８）、所定電圧値以下でなければ、モータ電流値（Ｓ８）が、所定電流値以上であるか否かを判定する（Ｓ３０）。尚、ここで、目標モータ電流値（Ｓ６）が所定電流値以上であるか否かを判定しても良い。
マイコン１９は、電流値の差が所定電流値以上でなければ（Ｓ３０）、読込んだ操舵トルク値（Ｓ２）が、所定トルク値以上であるか否かを判定し（Ｓ３２）、所定トルク値以上でなければ、演算した操舵トルク微分値（Ｓ２６）が、所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ３４）。

マイコン１９は、操舵トルク微分値が所定値以上でなければ（Ｓ３４）、演算した操舵角速度（Ｓ２４）が、所定角速度以上であるか否かを判定し（Ｓ３６）、所定角速度以上でなければ、補助電源による電源補助を停止するか又は実行せずに（Ｓ３８）リターンする。
補助電源による電源補助を停止するか又は実行しない場合、マイコン１９は、図５のタイミングチャートに示すように、切替スイッチＳＷを接地端子側へ切替え（ｃ１）、トランジスタＴｒ２をオフにする（ｄ１）。また、電圧検出器２５が検出した電圧値に基づき、電気二重層コンデンサＥＣに過電圧が印加されないように、トランジスタＴｒ１を徐々にオンに駆動制御する（ａ１）。

その結果、電気二重層コンデンサＥＣが、オルタネータＧ及び車載バッテリＢの出力電圧により、電圧Ｖ０迄充電される（ｂ１）。
この場合、オルタネータＧは、電気二重層コンデンサＥＣ及び車載バッテリＢの両方を充電しており、電源部２３からは、車載バッテリＢの出力電圧が、ダイオードＤ１を通じて出力される。尚、モータ駆動回路１３に設けた検出回路により、電気二重層コンデンサＥＣへの充電を、主電源Ｂからの出力電流が所定値以下の場合に行なうこともできる。

マイコン１９は、出力電圧値が所定電圧値以下であるとき（Ｓ２８）、モータ電流値が所定電流値以上であるとき（Ｓ３０）、又は操舵トルク値が所定トルク値以上であるとき（Ｓ３２）、補助電源による電源補助を実行し（Ｓ４０）リターンする。また、操舵トルク微分値が所定値以上であるとき（Ｓ３４）、又は操舵角速度が所定角速度以上であるとき（Ｓ３６）、補助電源による電源補助を実行し（Ｓ４０）リターンする。
補助電源による電源補助を実行する場合、マイコン１９は、図５のタイミングチャートに示すように、トランジスタＴｒ１をオフにし（ａ２）、切替スイッチＳＷを車載バッテリＢの正極端子側へ切替える（ｃ２）。また、電流検出器２７が検出した電流値Ｉ１に基づき、トランジスタＴｒ２を徐々にオンに駆動制御するとスムーズに操舵補助力が向上する（ｄ２）。この制御は、ＰＷＭ等のスイッチング制御であっても良い。

その結果、電気二重層コンデンサＥＣが放電し始める（ｂ２）。
この場合、オルタネータＧは、車載バッテリＢのみを充電しており、電源部２３からは、車載バッテリＢ及び電気二重層コンデンサＥＣの加算された出力電圧が、トランジスタＴｒ２を通じて出力される。この出力電圧は、車載バッテリＢの出力電圧より高いが、ダイオードＤ１により車載バッテリＢへの逆流は防止される。

マイコン１９は、電気二重層コンデンサＥＣの放電が進み（ｂ２）、電圧検出器２５が検出した電圧値が０に近づくと（ｂ２）、トランジスタＴｒ２を徐々にオフに駆動制御し（ｄ２）、切替スイッチＳＷを接地端子側へ切替える（ｃ２）。この結果、電源部２３からは、車載バッテリＢの出力電圧が、ダイオードＤ１を通じて出力されるようになり、補助電源による電源補助が停止される。尚、トルクセンサ１２が検出した操舵トルク値（トルク指示値）が所定値未満のときに、補助電源ＥＣを充電するように、マイコン１９が指令するようにしても良い。

（実施の形態２）
図６は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態２の電源部の構成例を示すブロック図である。この電源部は、整流回路を備えたオルタネータ（交流発電機）Ｇの正極端子に、電気二重層コンデンサＥＣの負極端子、及びリアクトルＬの一方の端子が接続されている。
リアクトルＬの他方の端子には、ＮチャネルＭＯＳ型ＦＥＴＴｒ３のドレイン、及びダイオードＤ２のアノードが接続され、カソードは電気二重層コンデンサＥＣの正極端子に接続されている。ＦＥＴＴｒ３は、ソースが接地端子に接続され、ゲートがマイコン１９によりオン／オフ制御されるチョッパであり、フリーホイールダイオードＤ３が逆並列に接続されている。

ＦＥＴＴｒ３、リアクトルＬ及びダイオードＤ２は、オルタネータＧ及び車載バッテリＢの出力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成しており、リアクトルＬの起電力による昇圧チョッパ回路で昇圧された電力が電気二重層コンデンサＥＣを充電する。
電気二重層コンデンサＥＣの正極端子には、また、ＰＮＰ型トランジスタＴｒ２のエミッタが接続され、コレクタは電解コンデンサＣの正極端子に、ベースはマイコン１９にそれぞれ接続され、エミッタ及びベース間には抵抗Ｒ２が接続されている。トランジスタＴｒ２は、マイコン１９により駆動制御される。
この電動パワーステアリング装置のその他の構成は、実施の形態１で説明した電動パワーステアリングの構成と同様であるので、説明を省略する。尚、この電源部２３には、図２における切替スイッチＳＷは存在しない。
尚、トランジスタＴｒ２の代わりにＭＯＳ型ＦＥＴを用いても良い。

以下に、このような構成の電動パワーステアリング装置の動作を、それを示す図７のタイミングチャートを参照しながら説明する。
マイコン１９は、補助電源による電源補助を停止するか又は実行しない場合、トランジスタＴｒ２をオフにし、図７のタイミングチャートに示すように、ＦＥＴＴｒ３をオン／オフ制御（チョッピング）し（ａ）、オルタネータＧ及び車載バッテリＢの出力電圧を昇圧して、電気二重層コンデンサＥＣを充電する。その際、電圧検出器２５が検出した電圧値に基づき、電気二重層コンデンサＥＣに過電圧が印加されないように、ＦＥＴＴｒ３のオン・オフの関係（時比率）を調節制御する（ａ）。

その結果、電気二重層コンデンサＥＣが充電される。
この場合、オルタネータＧは、電気二重層コンデンサＥＣ及び車載バッテリＢの両方を充電しており、電源部２３からは、車載バッテリＢの出力電圧が、ダイオードＤ１を通じて出力される。

マイコン１９は、補助電源による電源補助を実行する場合、図７のタイミングチャートに示すように、電流検出器２７が検出した電流値Ｉ２（ｂ）に基づき、過電流にならないように、トランジスタＴｒ２をＰＷＭ制御等で徐々にオンに駆動制御する。また、ＦＥＴＴｒ３のオン／オフ制御を停止し（ａ）、電気二重層コンデンサＥＣの充電を停止する。

その結果、電気二重層コンデンサＥＣが放電し始める（ｂ）。
この場合、オルタネータＧは、車載バッテリＢのみを充電しており、電源部２３からは、車載バッテリＢ及び電気二重層コンデンサＥＣの加算された出力電圧が、トランジスタＴｒ２を通じて出力される。この出力電圧は、車載バッテリＢの出力電圧より高いが、ダイオードＤ１により車載バッテリＢへの逆流は防止される。

マイコン１９は、電気二重層コンデンサＥＣの放電が進み（ｂ）、電圧検出器２５が検出した電圧値が０に近づくと、トランジスタＴｒ２を徐々にオフに駆動制御する。この結果、電源部２３からは、車載バッテリＢの出力電圧が、ダイオードＤ１を通じて出力されるようになり、補助電源による電源補助が停止される。マイコン１９は、また、図７のタイミングチャートに示すように、ＦＥＴＴｒ３をオン／オフ制御し（ａ）、オルタネータＧ及び車載バッテリＢの出力電圧を昇圧し、電気二重層コンデンサＥＣを充電する。この場合、オルタネータＧは、電気二重層コンデンサＥＣ及び車載バッテリＢの両方を充電しており、電源部２３からは、車載バッテリＢの出力電圧が、ダイオードＤ１を通じて出力される。
この電動パワーステアリング装置のその他の動作は、実施の形態１で説明した電動パワーステアリングの動作と同様であるので、説明を省略する。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の電源部の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の電源部の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１２ トルクセンサ、１３ モータ駆動回路、１６ 操舵角センサ、
１８ａ トルク／電流テーブル、１９ マイクロコンピュータ、２０ 車速センサ、
２２ モータ電流検出回路、２３ 電源部、２４ ブラシレスモータ、
２５，２６ 電圧検出器、２７ 電流検出器、Ｂ 車載バッテリ（主電源）、
Ｃ 電解コンデンサ、Ｄ１ ダイオード（逆流防止手段）、Ｄ２ ダイオード、
ＥＣ 電気二重層コンデンサ（補助電源）、Ｇ オルタネータ、Ｌ リアクトル、
ＳＷ 切替スイッチ、Ｔｒ１，Ｔｒ２ トランジスタ、
Ｔｒ３ （ＮチャネルＭＯＳ型）ＦＥＴ

Claims (6)

1. 操舵部材に加えられた操舵トルク値を検出するトルクセンサと、操舵補助用のモータと、該モータにモータ駆動回路を介して電源を供給する主電源と、該主電源を必要に応じて補助する補助電源とを備え、前記トルクセンサが検出した操舵トルク値に基づき、前記モータに流すべき目標電流値を定め、定めた目標電流値を前記モータに流すことにより操舵補助する電動パワーステアリング装置において、
   前記補助電源が主電源を補助するときは、該補助電源を主電源に直列に接続する接続手段と、該補助電源が出力する電流により前記主電源を補助可能に制御する電流制御手段と、前記主電源及びモータ駆動回路間に接続されると共に、前記補助電源及び電流制御手段に並列接続され、前記モータ駆動回路から主電源への逆流を防止する逆流防止手段とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記補助電源は、電気二重層コンデンサである請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記接続手段は、前記主電源の出力電圧値が所定電圧値以下であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してある請求項１又は２記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記接続手段は、前記モータに流れる電流値及び／又は前記目標電流値が所定電流値以上であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してある請求項１乃至３の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記接続手段は、前記操舵トルク値が所定トルク値以上であるとき、又は前記操舵トルク値の微分値が所定値以上であるときに、前記補助電源を主電源に直列に接続するように構成してある請求項１乃至４の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記補助電源は、前記操舵トルク値が所定トルク値未満であるときに、充電されるように構成してある請求項１乃至５の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。

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