JP5034824B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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、ステアリングシャフトに発生する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、モータには、より大きな電力を供給しなければならない。しかし、バッテリによって構成される主電源だけでは、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、主電源とは別に２次電池の補助電源を設け、通常は主電源のみで対応し、より大きな電力を必要とするときは主電源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。）。なお、補助電源の充電は、主電源のみで対応しているときのバッテリによって行われる。

特開２００５−２８７２２２号公報（図１）

上記のような構成においては、使用により放電した補助電源を、早急に再充電しておく必要がある。補助電源の充電はバッテリによって行われるので、補助電源の充電が頻繁に行われると、バッテリの負担になる。しかし、これ以外の方法で補助電源を充電することは、まだ提案されていない。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、補助電源の充電能力に優れた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、主電源及び必要により電力補助用の補助電源を用いてモータを駆動すること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、前記主電源から前記モータに電力を供給する電路に設けられた第１のスイッチング素子及び、当該第１のスイッチング素子と並列に存在し、電力供給時に電流が流れる方向を順方向とする第１のダイオードを含む第１スイッチと、前記主電源及び補助電源から前記モータに電力を供給する電路に設けられた第２のスイッチング素子及び、当該第２のスイッチング素子と並列に存在し、電力供給時に電流が流れる方向とは逆向きである第２のダイオードを含む第２スイッチと、前記主電源の電圧Ｖ_B及び前記補助電源の電圧Ｖ_Cに基づいてそれらの和の電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C）を検出する電圧検出手段と、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段によって検出された回転速度に基づいて前記モータが発電する電圧Ｖ_Gを演算し、この電圧と、前記電圧検出手段によって検出された電圧とを比較してＶ_G＞Ｖ_B＋Ｖ_Cの関係が成り立つ場合には、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を共にオフ状態とすることにより前記主電源及び補助電源から前記モータへの電力供給を停止させ、前記第２のダイオードを介して電圧Ｖ_Gにより前記補助電源が充電される状態とする制御・駆動手段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、当該電動パワーステアリング装置によって駆動される操向車輪が道路側から反力を受けることによりモータのロータが高速度で回される、という現象が生じて、モータの発電する電圧Ｖ_Gが上記の関係を満たす場合には、第２のダイオードを介して電圧Ｖ_Gにより補助電源が充電される。すなわち、主電源に依存せず補助電源を充電することが可能となる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、回転速度検出手段は、モータ内のロータの角度位置を検出する角度センサの出力を時間で微分して回転速度を求めるものであってもよい。
かかる角度センサは、本来、モータの駆動制御に用いられるものであるが、これを、回転速度を求めるために活用することで、電圧Ｖ_Gにより補助電源の充電を行うための構成を簡素にすることができる。

また、上記電動パワーステアリング装置において、第１スイッチ及び第２スイッチはＭＯＳ−ＦＥＴであり、第１のダイオード及び第２のダイオードは寄生ダイオードであってもよい。
この場合、ＭＯＳ−ＦＥＴが有する寄生ダイオードを活用することができるので、別途ダイオードを設ける必要が無く、従って、電圧Ｖ_Gにより補助電源の充電を行うための構成を簡素にすることができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、モータの発電する電圧Ｖ_Gにより、第２のダイオードを介して補助電源を充電することができるので、主電源に依存せず補助電源を充電することが可能となる。従って、補助電源の充電能力に優れた電動パワーステアリング装置を提供することができる。

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５７〜５９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によってスイッチングされる。

モータ駆動回路５に電力を供給する主電源７は、バッテリ８とオルタネータ（整流及びレギュレータ機能を有するもの。）９とによって構成され、この主電源７の電圧をモータ駆動回路５に導く非接地側電路１０の途中に、「第１スイッチ」としてのＭＯＳ−ＦＥＴ１１が設けられている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１１は、その本来の機能であるスイッチング素子１１ｓと、これに対して並列に存在する寄生ダイオード１１ｄとにより構成されている。このＭＯＳ−ＦＥＴ１１はＮチャネルであり、ソースが主電源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１１ｄは、主電源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。

主電源７の電圧が付与される電路１０には、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１のゲート駆動のための昇圧回路（ブートストラップ回路）１３が接続され、その出力電圧を基に、ゲート駆動回路１４を介してゲート電圧が付与される。ＭＯＳ−ＦＥＴ１１のドレインと接地側電路１５との間には、平滑用の電解コンデンサ１６が設けられている。

一方、補助電源１７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、主電源７に対して直列に接続されている。補助電源１７の給電電路（高電位側電路）１８は、「第２スイッチ」としてのＭＯＳ−ＦＥＴ１２を介して、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１のドレイン及びモータ駆動回路５に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１２は、その本来の機能であるスイッチング素子１２ｓと、これに対して並列に存在する寄生ダイオード１２ｄとにより構成されている。このＭＯＳ−ＦＥＴ１２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１７側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１２ｄは、主電源７及び補助電源１７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。

補助電源１７の低電位側には、リアクトル１９を介してダイオード２０のアノードが接続されている。また、ダイオード２０のカソードは補助電源１７の給電電路１８に接続されている。ダイオード２０のアノードと接地側電路１５との間には、ＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ２１が設けられている。ＭＯＳ―ＦＥＴ２１のゲートは、ゲート駆動回路２２により、駆動される。

上記モータ駆動回路５及び、ゲート駆動回路６，１４，２２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。さらに、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２６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。

一方、主電源７には電圧検出器２７が、補助電源１７には電圧検出器２８が、それぞれ並列に接続されている。主電源７に並列に接続された電圧検出器２７は、主電源７の電圧（端子間電圧）Ｖ_Bを検出してその出力信号を制御回路２３に入力する。また、補助電源１７に並列に接続された電圧検出器２８は、補助電源１７の電圧（端子間電圧）Ｖ_C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、２つの電圧検出器２７，２８の出力信号に基づいて電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C）を検出する。すなわち、電圧検出器２７，２８及び制御回路２３は、主電源７の電圧Ｖ_B及び補助電源１７の電圧Ｖ_Cに基づいてそれらの和の電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C）を検出する「電圧検出手段」を構成する。

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の信号、車速センサ２５から送られてくる車速の信号、及び、角度センサ２６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。
また、角度センサ２６及び制御回路２３は、モータ４の回転速度を検出する「回転速度検出手段」を構成している。

上記ＭＯＳ−ＦＥＴ２１がオン状態のときは、主電源７からリアクトル１９、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１を通って電流が流れるが、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１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１９に発生し、これにより、主電源７の出力を昇圧した電圧で、ダイオード２０を介して、補助電源１７が充電される。従って、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源１７を充電することができる。

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−ＦＥＴ１１をオン状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１２をオフ状態とする。従って、主電源７の電圧は平滑コンデンサ１６で平滑された後、モータ駆動回路５に供給され、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１７の電力はモータ駆動回路５に供給されない。ここで、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ１１におけるスイッチング素子１１ｓのオン抵抗は、寄生ダイオード１１ｄの順方向抵抗に比べて格段に小さい（例えば１ｍΩ程度）ため、主電源７からモータ駆動回路５に流れる電流の大部分は、スイッチング素子１１ｓに流れる。

また、制御回路２３は、補助電源１７の電圧Ｖ _C 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２２を介してＭＯＳ−ＦＥＴ２１をオン・オフさせ、補助電源１７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。

一方、所要電力が基準値を超えるとき、すなわち、主電源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−ＦＥＴ１１をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１２をオン状態とする。この結果、主電源７と補助電源１７とが互いに直列に接続された状態で、その電圧がモータ駆動回路５に供給される。これにより、主電源４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−ＦＥＴ１１の寄生ダイオード１１ｄ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１７から主電源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（１）主電源のみ、又は（２）主電源＋補助電源、のいずれかを選択する電源切替制御（充電も含む。）が行われる。

なお、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１，１２は、前述のようにＮチャネルタイプである。ＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴにはオン抵抗が小さい製品が揃っており、上記のような用途に好適である。しかも、一般にＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴは製品の種類が豊富で選定し易く、また、安価である。ＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴでも使用可能ではあるが、Ｎチャネルほどオン抵抗の小さいものがなく、チップサイズも大きいので、実用的にはＮチャネルが好適である。

一方、制御回路２３及びゲート駆動回路１４によって構成される「制御・駆動手段」は、上述の電源切替制御の他、以下に説明する発電電圧による補助電源１７の充電を可能とする機能を有している。
図２は、発電電圧による補助電源１７の充電に関する動作を示すフローチャートである。まずステップＳ１において、制御回路２３は、上述のモータ駆動制御及び電源切替制御を行う。続いて、制御回路２３は、角度センサ２６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を乗じて発電電圧Ｖ_Gを演算する（ステップＳ２）。すなわち、Ｖ_G＝Ｋｅ・ωである。

次に、制御回路２３は、電圧検出器２７及び２８の出力信号に基づいて、主電源７の電圧Ｖ_B及び補助電源１７の電圧Ｖ_Cをそれぞれ読み取る（ステップＳ３）。そして、制御回路２３は、発電電圧Ｖ_Gと電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C）との間に、
Ｖ_G＞Ｖ_B＋Ｖ_C ．．．（１）
の関係が成り立つか否かを判断する（ステップＳ４）。通常、運転者の操舵に基づいて能動的に操向車輪（図示せず。）を動作させている状態では、発電電圧Ｖ_Gは、（Ｖ_B＋Ｖ_C）以下である。従って、ステップＳ４からステップＳ１に戻る処理が行われ、以後、ステップＳ４で「ＹＥＳ」の判断が出るまで、ステップＳ１〜Ｓ４の処理が繰り返し行われる。

一方、例えばコーナリングの直後に運転者がステアリングホイール３を解放した場合には、操向車輪が自ら素早く元に戻ろうとする。そのため、操向車輪が元に戻る力によってモータ４のロータ４ｒが回される、という現象が生じる。しかも、ロータ４ｒは減速機（図示せず。）を介してステアリング装置２と接続されているため、逆方向に動力伝達される場合には、ロータ４ｒが高速で回される。そのとき、式（１）の関係を満たす発電電圧Ｖ_Gがモータ駆動回路５の非接地側電路１０ａに発生する。

従って、制御回路２３は、ステップＳ５に進み、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１の第１スイッチング素子１１ｓ及びＭＯＳ−ＦＥＴ１２の第２スイッチング素子１２ｓを共にオフの状態とする（既にオフの場合にはオフを維持する。）。その後、ステップＳ２〜Ｓ５が繰り返され、式（１）の関係が成り立たなくなるまで、第１スイッチング素子１１ｓ及び第２スイッチング素子１２ｓは共にオフの状態となる。

この状態において、発電電圧Ｖ_Gは、ＭＯＳ−ＦＥＴ１２の寄生ダイオード１２ｄを介して補助電源１７に付与され、これにより、補助電源１７が充電される。この充電は、発電電圧Ｖ_Gが式（１）の関係を満たしている間、連続して行われる。従って、主電源７に依存せずに補助電源１７を充電することができる。
その後、発電電圧Ｖ_Gが低下して式（１）を満たさなくなると、ステップＳ４での判断は「ＮＯ」となり、各スイッチング素子１１ｓ，１２ｓは直ちに、本来の電源切替制御（ステップＳ１）によるオン又はオフの状態に戻る。

式（１）を満たす発電電圧Ｖ_Gは、操向車輪が直進方向に戻るまでの時間しか生じないので、一回に充電できる電力は限られている。しかしながら、式（１）を満たす発電電圧は、車両の走行中に多数回発生する。従って、一回に充電できる電力は限られていても、多数回の充電により、補助電源１７に大電力を充電することが可能となる。また、これとは別に、リアクトル１９、ダイオード２０及びＭＯＳ−ＦＥＴ２１を用いた充電も制御回路２３によって行われるので、全体として、充電能力を飛躍的に向上させることができる。
以上のようにして、補助電源の充電能力に優れた電動パワーステアリング装置を提供することができる。

なお、角度センサ２６は、本来、モータ駆動制御に用いられるものであるが、これを、回転速度を求めるために活用することで、電圧Ｖ_Gにより補助電源１７の充電を行うための構成を簡素にすることができる。
また、補助電源１７の充電に際し、ＭＯＳ−ＦＥＴ１２が有する寄生ダイオード１２ｄを活用することができるので、別途ダイオードを設ける必要が無く、従って、電圧Ｖ_Gにより補助電源１７の充電を行うための構成を簡素にすることができる。ＭＯＳ−ＦＥＴ１１についても同様に、寄生ダイオード１１ｄを活用することができるので、別途ダイオードを設ける必要は無い。
但し、ＭＯＳ−ＦＥＴ１２に関しては、例えば、電圧Ｖ_Gによる充電時の順方向抵抗を低減するためや、応答速度を高めるために、寄生ダイオード１２ｄとは別にダイオードを併設してもよい。

なお、上記各実施形態において主電源７の非接地側電路１０や補助電源１７の給電電路１８に設けるスイッチとしてはＭＯＳ−ＦＥＴ１１，１２を使用したが、オン抵抗の低いものであれば、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外の他のスイッチング素子（例えばＢＪＴ、ＩＧＢＴ）の使用も可能である。但し、いずれの場合でも、スイッチング素子に対して図１に示す向きに並列接続されたダイオードが必要である。

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。 図１の電動パワーステアリング装置における制御回路によって実行される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
４ｒ ロータ
７ 主電源
１０ 非接地側電路
１１ ＭＯＳ−ＦＥＴ（第１スイッチ）
１１ｄ 寄生ダイオード（第１のダイオード）
１１ｓ スイッチング素子（第１のスイッチング素子）
１２ ＭＯＳ−ＦＥＴ（第２スイッチ）
１２ｄ 寄生ダイオード（第２のダイオード）
１２ｓ スイッチング素子（第２のスイッチング素子）
１４ ゲート駆動回路
１７ 補助電源
１８ 給電電路
２３ 制御回路
２６ 角度センサ
２７，２８ 電圧検出器

Claims (3)

1. 主電源及び必要により電力補助用の補助電源を用いてモータを駆動すること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、
   前記主電源から前記モータに電力を供給する電路に設けられた第１のスイッチング素子及び、当該第１のスイッチング素子と並列に存在し、電力供給時に電流が流れる方向を順方向とする第１のダイオードを含む第１スイッチと、
   前記主電源及び補助電源から前記モータに電力を供給する電路に設けられた第２のスイッチング素子及び、当該第２のスイッチング素子と並列に存在し、電力供給時に電流が流れる方向とは逆向きである第２のダイオードを含む第２スイッチと、
   前記主電源の電圧Ｖ_B及び前記補助電源の電圧Ｖ_Cに基づいてそれらの和の電圧（Ｖ_B＋Ｖ_C）を検出する電圧検出手段と、
   前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段によって検出された回転速度に基づいて前記モータが発電する電圧Ｖ_Gを演算し、この電圧と、前記電圧検出手段によって検出された電圧とを比較してＶ_G＞Ｖ_B＋Ｖ_Cの関係が成り立つ場合には、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を共にオフ状態とすることにより前記主電源及び補助電源から前記モータへの電力供給を停止させ、前記第２のダイオードを介して電圧Ｖ_Gにより前記補助電源が充電される状態とする制御・駆動手段と
   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. 前記回転速度検出手段は、前記モータ内のロータの角度位置を検出する角度センサの出力を時間で微分して回転速度を求めるものである請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記第１スイッチ及び第２スイッチはＭＯＳ−ＦＥＴであり、前記第１のダイオード及び第２のダイオードは寄生ダイオードである請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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