(57)【要約】【課題】アシスト用モータの車載電源電圧を発生する昇圧回路において、昇圧スイッチング用のパワートランジスタを駆動するための昇圧信号変換部に供給される車載電源電圧が低下したり瞬断した場合においても、操舵に違和感を生ずることなくスムーズに操舵制御を行なうことができる電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】操舵軸３の回転をアシスト用モータ６の駆動力により補助する電動パワーステアリング装置１において、車載電源からモータ駆動電圧を得るステップアップ型ＤＣ−ＤＣコンバータよりなる昇圧回路１２０を用いる。ＤＣ−ＤＣコンバータ内のパワートランジスタよりなるスイッチング素子１２２の、駆動世信号を作る昇圧信号変換部への車載電源電圧が不足した場合に、該昇圧信号変換部におけるスイッチング指令信号の昇圧動作に必要な入力電圧レベルをバックアップする電圧バックアップ手段１２６を設ける。【選択図】  図１
2004276841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵軸の回転をアシスト用モータの駆動力により補助するとともに、操舵用ハンドルの操作角に応じた操舵角が得られるように、前記アシスト用モータを回転駆動制御するようにした電動パワーステアリング装置において、
車載電源からの電源電圧を昇圧し、前記アシスト用モータの駆動電圧として出力する昇圧回路であって、昇圧出力電圧保持及び平滑化用のコンデンサと、該コンデンサの昇圧回路入力側への逆流放電を阻止するための昇圧用整流部と、該昇圧用整流部よりも上段側において前記電源電圧を受電するコイルと、該コイルの通過電流を断続的に変化させることにより昇圧用誘導電圧波形を発生させる、パワートランジスタからなる昇圧用スイッチング部とを備え、該昇圧用誘導電圧波形を前記電源電圧の入力電圧波形に重畳させ、前記昇圧用整流部を経て前記コンデンサにより平滑化しつつ前記モータ駆動電圧として出力するステップアップ型ＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されたモータ用昇圧回路と、
前記モータ用昇圧回路の昇圧動作を制御するために、前記パワートランジスタのスイッチングを指令するためのスイッチング指令信号を出力するスイッチング指令部と、該スイッチング指令信号を、前記車載電源電圧の入力に基づいて昇圧しつつ、前記パワートランジスタを直接駆動するための駆動信号に変換する昇圧信号変換部とを有した昇圧回路制御部と、
前記昇圧信号変換部に入力される車載電源電圧が不足した場合に、該昇圧信号変換部における前記スイッチング指令信号の昇圧動作に必要な入力電圧レベルをバックアップする電圧バックアップ手段と、
を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記電圧バックアップ手段は、前記昇圧回路の出力電圧を、前記昇圧信号変換部への前記車載電源電圧の入力経路に分配するバックアップ経路を有する請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項３】
前記バックアップ経路に入力される電圧レベルが予め定められた限界電圧を超えたときに、該入力電圧を当該限界値以下の電圧値に制限する電圧制限手段が設けられている請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項４】
前記電圧制限手段が前記バックアップ経路から分岐する経路上に設けられたツェナーダイオードであり、前記限界電圧は該ツェナーダイオードのツェナー電圧により規定されるものである請求項３記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項５】
前記ツェナーダイオードは、前記ツェナー電圧が、前記電源電圧の規定上限値に対応した値に設定され、かつ前記バックアップ経路上には、該バックアップ経路が分岐する前記昇圧回路の出力電圧を、前記ツェナー電圧よりも高い値に確保するための調整抵抗が挿入されている請求項４記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項６】
前記昇圧用整流部は、前記昇圧回路の入力部から出力部へ向かう経路上に配置された、パワーＭＯＳＦＥＴよりなる昇圧制御用ＦＥＴが有する寄生ダイオードであり、該昇圧制御用ＦＥＴは、前記昇圧用スイッチング部と位相反転同期して導通・遮断されるものであり、
前記昇圧回路制御部は、前記昇圧用スイッチング部の駆動信号とともに前記昇圧制御用ＦＥＴの駆動信号を、前記スイッチング指令部からのスイッチング指令信号に基づいて、前記車載電源電圧の入力により昇圧しつつ変換・生成するものである請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項７】
前記モータ用昇圧回路からのモータ駆動電圧をスイッチングしつつ前記アシスト用モータに入力することにより、該アシスト用モータの回転駆動を行なうスイッチングドライバを備え、
また、前記昇圧用整流部をなす昇圧制御用ＦＥＴのカソード側の電圧を検出するカソード側電圧検出部が設けられ、該カソード側電圧検出部の検出電圧が予め定められた基準電圧を超えたとき、前記昇圧回路制御部は、前記昇圧制御用ＦＥＴがＯＮとなる期間が通常時よりも長くなるように、当該昇圧制御用ＦＥＴの動作を制御する請求項６記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項８】
前記車載電源が車載バッテリーであり、前記逆起電力電流のエネルギーを、前記昇圧制御用ＦＥＴを経て前記車載バッテリーに戻すようになっている請求項７記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項９】
前記モータ用昇圧回路からのモータ駆動電圧をスイッチングしつつ前記アシスト用モータに入力することにより、該アシスト用モータの回転駆動を行なうスイッチングドライバを備え、
前記バックアップ経路が、前記スイッチングドライバを経て前記昇圧回路側へ向かう前記アシスト用モータの逆起電力電流を、前記昇圧用整流部を回避して通過させる逆起電力通過用分岐経路に兼用されている請求項２ないし６のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項１０】
請求項４記載の要件を備え、前記ツェナーダイオードの前記ツェナー電圧が、前記スイッチングドライバ内のスイッチング素子の耐圧規定値よりも低く設定されている請求項９記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項１１】
前記ツェナーダイオードのアノード側が接地されている請求項１０記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項１２】
前記車載電源は、高圧主直流電源の直流出力を交流変換する交流変換部と、該交流変換された車載電源電圧を出力用に変圧するトランスと、該トランスの二次側交流出力を整流する整流部とを有したＤＣ−ＤＣコンバータを有するものであり、
また、請求項５記載の要件を備え、前記昇圧用整流部をなす昇圧制御用ＦＥＴのカソード側の電圧を検出するカソード側電圧検出部が設けられ、該カソード側電圧検出部の検出電圧が予め定められた基準電圧を超えたとき、前記昇圧回路制御部は、前記昇圧制御用ＦＥＴがＯＦＦとなる期間が通常時よりも長くなるように、当該昇圧制御用ＦＥＴの動作を制御する請求項１１記載の電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用の電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平８−１２７３５０号公報
【０００３】
車両の操舵装置、特に自動車用の操舵装置において、近年、低燃燃費化あるいはステアリング系統の簡略化及び軽量化を図るために、電動パワーステアリング装置（電動油圧パワーステアリング装置を概念として含む）を採用する車種が増えてきている（特許文献１等）。電動パワーステアリング装置においては、操舵軸の回転をアシスト用モータの駆動力により補助するとともに、操舵用ハンドルの操作角に応じた操舵角が得られるようにアシスト用モータを回転駆動制御する。このアシスト用モータは高出力のため、バッテリーやＤＣ−ＤＣコンバータなどで構成された車載電源電圧を、昇圧回路によりモータ駆動電圧に昇圧して使用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記昇圧回路が、いわゆるステップアップ型ＤＣ−ＤＣコンバータで構成されている場合、モータ駆動電流が比較的大きいことから、昇圧用のスイッチング素子はパワーＦＥＴ等のパワートランジスタで構成される。パワートランジスタは、スイッチングに必要な入力電圧（ＦＥＴの場合はゲート−ソース間電圧）が比較的高く、また大電流が必要であるので、マイコン等の制御部からの微弱な信号では直接駆動することができない。従って、該制御部とパワートランジスタとの間には、制御部からの微弱な信号を昇圧しつつ、パワートランジスタの直接駆動に使用できる信号に変換する昇圧信号変換部が必要となる。
【０００５】
この昇圧信号変換部も昇圧用の電源を車載電源に求めることになるが、車載電源の電圧は負荷状況により大きく変動するのが一般的であり、場合により、電源供給が瞬間的に途絶えることもありえる。そして、昇圧信号変換部に供給される電源電圧が極端に低下したり、途絶えてしまったりすると、パワートランジスタの駆動電圧が不足し、トランジスタのＯＮ時抵抗が高くなって、異常発熱によるトランジスタの損傷や寿命低下につながる。また、モータ駆動電圧出力が不足してモータ制御がスムーズに行なえなくなり、操舵に違和感を生ずるなどの問題にもつながる。
【０００６】
本発明の課題は、アシスト用モータの車載電源電圧を発生する昇圧回路において、昇圧スイッチング用のパワートランジスタを駆動するための昇圧信号変換部に供給される車載電源電圧が低下したり瞬断した場合においても、操舵に違和感を生ずることなくスムーズに操舵制御を行なうことができる電動パワーステアリング装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明は、操舵軸の回転をアシスト用モータの駆動力により補助するとともに、操舵用ハンドルの操作角に応じた操舵角が得られるように、アシスト用モータを回転駆動制御するようにした電動パワーステアリング装置において、上記の課題を解決するために、
車載電源からの電源電圧を昇圧し、アシスト用モータの駆動電圧として出力する昇圧回路であって、昇圧出力電圧保持及び平滑化用のコンデンサと、該コンデンサの昇圧回路入力側への逆流放電を阻止するための昇圧用整流部と、該昇圧用整流部よりも上段側において電源電圧を受電するコイルと、該コイルの通過電流を断続的に変化させることにより昇圧用誘導電圧波形を発生させる、パワートランジスタからなる昇圧用スイッチング部とを備え、該昇圧用誘導電圧波形を電源電圧の入力電圧波形に重畳させ、昇圧用整流部を経てコンデンサにより平滑化しつつモータ駆動電圧として出力するステップアップ型ＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されたモータ用昇圧回路と、
モータ用昇圧回路の昇圧動作を制御するために、パワートランジスタのスイッチングを指令するためのスイッチング指令信号を出力するスイッチング指令部と、該スイッチング指令信号を、車載電源電圧の入力に基づいて昇圧しつつ、パワートランジスタを直接駆動するための駆動信号に変換する昇圧信号変換部とを有した昇圧回路制御部と、
昇圧信号変換部に入力される車載電源電圧が不足した場合に、該昇圧信号変換部におけるスイッチング指令信号の昇圧動作に必要な入力電圧レベルをバックアップする電圧バックアップ手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
上記の構成においては、アシスト用モータにモータ駆動電圧を供給するための、ステップアップ型ＤＣ−ＤＣコンバータよりなる昇圧回路が設けられている。ステップアップ型ＤＣ−ＤＣコンバータ内の、昇圧用のスイッチング素子はパワーＦＥＴ等のパワートランジスタで構成されているが、そのパワートランジスタの駆動信号は、スイッチング指令部からの微弱なスイッチング指令信号を、車載電源電圧の入力に基づいて昇圧しつつ変換することにより生成される。そして、本発明においては、昇圧信号変換部に入力される車載電源電圧が不足した場合に、該昇圧信号変換部におけるスイッチング指令信号の昇圧動作に必要な入力電圧レベルをバックアップする電圧バックアップ手段を設けたから、昇圧信号変換部に供給される車載電源電圧が低下したり瞬断した場合においても、パワートランジスタの駆動電圧を十分に確保でき、ひいては操舵に違和感を生ずることなくスムーズに操舵制御を継続することができる。
【０００９】
上記電圧バックアップ手段は、昇圧回路の出力電圧を、昇圧信号変換部への車載電源電圧の入力経路に分配するバックアップ経路を有するものとして構成できる。すなわち、昇圧回路側にてコンデンサにより保持されるモータ駆動用の出力電圧を、バックアップ経路を経て昇圧信号変換部入力に分配することで、バックアップ用の電源部をわざわざ設ける必要がなくなり、回路の単純化を図ることができる。
【００１０】
ただし、バックアップ経路が分岐するのが、昇圧回路にのモータ駆動用に昇圧された高電圧出力部であるから、後述するモータからの逆起電力電圧などが重畳された形で、バックアップ経路を経て昇圧信号変換部に過大な電圧が入力されると、回路の破損等につながる場合がある。そこで、入力される電圧レベルが予め定められた限界電圧を超えたときに、該入力電圧を当該限界値以下の電圧値に制限する電圧制限手段を設けておけば、そのような過電圧が発生した場合においても、昇圧信号変換部を該過電圧の入力から保護することができる。なお、昇圧回路の通常時の出力電圧が昇圧信号変換部への入力電圧として元から高すぎる場合は、バックアップ経路上に電圧調整用の抵抗を挿入し、許容される入力電圧範囲に降圧してから昇圧信号変換部へ入力することが有効である。
【００１１】
電圧制限手段は、例えば、バックアップ経路から分岐する経路上に設けられたツェナーダイオードとすれば、簡単な回路構成により電圧制限手段を実現できる。この場合、前記の限界電圧は該ツェナーダイオードのツェナー電圧により規定される。ツェナーダイオードは、ツェナー電圧が、車載電源からの電源電圧の規定上限値に対応した値に設定することができる。
【００１２】
次に、モータ駆動などのパワー駆動回路において、ステップアップ昇圧回路の整流部に通常のシリコンダイオードを用いると、通過電流値が大きいためｐ−ｎ接合の順方向電圧降下ひいては出力側の電圧損失が大きくなり、問題となる場合がある。この場合、昇圧用整流部を、昇圧回路の入力部から出力部へ向かう経路上に配置された昇圧制御用ＦＥＴが有する寄生ダイオードとし、該昇圧制御用ＦＥＴを、昇圧用スイッチング部と位相反転同期して導通・遮断する構成を採用することで、該問題を解消することができる。すなわち、昇圧用スイッチング部のＯＮ（閉）周期においては、コイルに流れ込む電流（電気エネルギー）が増加し、昇圧用の重畳電圧波形は減少傾向をたどる。次に、昇圧用スイッチング部をＯＦＦ（開）にすると、コイルは誘導電流を放出する。これに伴い、昇圧用の重畳電圧波形は増加傾向に転ずる。そこで、この昇圧用スイッチング部のＯＦＦ周期に同期させて、昇圧制御用ＦＥＴをＯＮ状態にすると、電流は直流抵抗の高い寄生ダイオード部分を迂回し、抵抗の低いＦＥＴ部分を通過して流れるので、電圧損失を抑制することができる。他方、昇圧用スイッチング部のＯＮ周期に同期させて、昇圧制御用ＦＥＴをＯＦＦにすると、ＦＥＴ部分のチャネルが閉じる。寄生ダイオード部分は、昇圧回路のコンデンサ側が高電位であれば逆バイアス状態となり、電流通過が遮断される。すなわち、昇圧用整流部としての機能を果たす。
【００１３】
そして、この場合、昇圧回路制御部を、昇圧用スイッチング部の駆動信号とともに昇圧制御用ＦＥＴの駆動信号を、スイッチング指令部からのスイッチング指令信号に基づいて、車載電源電圧の入力により昇圧しつつ変換・生成するものとして構成することができる。このようにすると、昇圧信号変換部に供給される車載電源電圧が低下したり瞬断した場合に、昇圧制御用ＦＥＴの駆動電圧も十分に確保でき、ひいては昇圧制御用ＦＥＴのＯＮ抵抗の増大も効果的に防止することができる。従って、操舵に違和感を生ずることなくスムーズに操舵制御を継続する効果がより高められる。
【００１４】
次に、本発明の電動パワーステアリング装置には、モータ用昇圧回路からのモータ駆動電圧をスイッチングしつつアシスト用モータに入力することにより、該アシスト用モータの回転駆動を行なうスイッチングドライバを設けることができる。昇圧回路が、上記ステップアップ型ＤＣ−ＤＣコンバータで構成されている場合、従来、次のような問題を生ずることがあった。すなわち、ステップアップ回路の昇圧用整流部は、昇圧回路側からモータ側への電流通過は許容するが、逆方向、すなわち、モータ側から昇圧回路側への電流通過は遮断する働きをなす。しかし、急ハンドル操作時や、大きな段差に乗り上げながらハンドル操作をする場合など、操舵用ハンドル側からの大きな逆回転負荷がモータに作用する状況では、モータの発電作用による逆起電力が増加する。この場合、上記のように昇圧回路側に昇圧用整流部が存在して逆起電力電流の通過が遮断されていると、スイッチングドライバに組み込まれたＦＥＴ等のスイッチング素子には、上記逆起電力による過大な電圧が印加され、素子を破損したり寿命を短くしたりする問題を生ずる。もちろん、この逆起電力電圧は昇圧用整流部にも印加されるから、昇圧用整流部をなすダイオード等の素子にも同様の悪影響が及ぶ可能性がある。
【００１５】
そこで、昇圧回路の昇圧用整流部に前述の昇圧制御用ＦＥＴを用いる場合、昇圧用整流部をなす昇圧制御用ＦＥＴのカソード側の電圧を検出するカソード側電圧検出部を設け、該カソード側電圧検出部の検出電圧が予め定められた基準電圧を超えたとき、昇圧回路制御部は、昇圧制御用ＦＥＴがＯＮとなる期間が通常時（つまり、基準電圧よりも検出電圧が低いとき）よりも長くなるように、当該昇圧制御用ＦＥＴの動作を制御する構成を採用すれば、上記の問題を効果的に解消できる。すなわち、昇圧用整流部のカソード側の電圧は、アシスト用モータからの逆起電力が大きくなった場合に大きくなる。そこでこれを検出し、該電圧が基準電圧を超えたとき、昇圧制御用ＦＥＴがＯＮとなる期間を通常時よりも長くなるように、望ましくは、ＯＮ期間が連続継続するように調整すれば、昇圧制御用ＦＥＴにおいて逆起電力電流を効率的に逆流通過させることができる。これにより、アシスト用モータにて大きな逆起電力が生じた場合でも、それに基づく過大な電圧が、スイッチングドライバ内のスイッチング素子に印加される不具合を効果的に防止することができ、ひいては、該スイッチング素子の長寿命化を図ることができる。また、昇圧制御用ＦＥＴ自体への高電圧印加も同様に抑制され、昇圧制御用ＦＥＴの保護を図ることもできる。
【００１６】
上記の構成は、車載電源が車載バッテリーである場合に特に有利である。これによると、逆起電力電流のエネルギーを、昇圧制御用ＦＥＴを経て車載バッテリーに戻す構成とすることで、バッテリーの消耗を抑制することができ、エネルギー効率を高めることができる。
【００１７】
次に、前述のスイッチングドライバが設けられる場合、前述のバックアップ経路を、スイッチングドライバを経て昇圧回路側へ向かうアシスト用モータの逆起電力電流を、昇圧用整流部を回避して通過させる逆起電力通過用分岐経路に兼用させる構成とすることもできる。この構成では、アシスト用モータにて大きな逆起電力が生じた場合、上記逆起電力電流を、バックアップ経路を通過させることにより、スイッチングドライバ内のスイッチング素子に過大な電圧が印加される不具合を効果的に防止することができる。
【００１８】
例えば、車載電源が、高圧主直流電源（例えば燃料電池）の直流出力を交流変換する交流変換部と、該交流変換された車載電源電圧を出力用に変圧するトランスと、該トランスの二次側交流出力を整流する整流部とを有したＤＣ−ＤＣコンバータを有するものとされている場合、大きな逆起電力電圧が該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に印加されると、整流部の損傷等につながる場合がある。しかし、バックアップ経路側に逆起電力電流を流してしまえば該整流部の保護を図ることができる。この場合、バックアップ経路上に前述の調整抵抗が設けてあれば、逆起電力電流を、該抵抗を負荷として消費させることができ、回路保護上より有利となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明が適用される電動パワーステアリング装置の、第一の実施形態を示す回路図である（なお、本実施形態において「車両」は自動車とするが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない）。該電動パワーステアリング装置１は、操舵用ハンドル２に操舵軸３が結合され、該操舵軸３の先端に設けられた、該操舵軸３とともに回転するピニオン１０が、ラックバー１１を軸線方向に往復動させることにより、車輪１３，１３の転舵角が変化する。また、ラックバー１１の往復動すなわち操舵軸３の回転は、アシスト用モータ６の駆動力により補助される。本実施形態では、ラックバー１１と噛み合う別のピニオン４をアシスト用モータ６が回転させるようになっている。
【００２０】
操舵軸３の角度位置とアシスト用モータ６の回転角度位置とは、それぞれ、ロータリエンコーダ等の周知の角度検出部からなる操舵軸角度検出部１０１及びモータ角度位置検出部１０３により検出される。また、操舵制御部１１０はＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２、ＲＡＭ１１３及び入出力インターフェース１１０を有するマイコンにて構成されている。操舵制御部１１０はＲＯＭ１１２に格納された制御プログラムの実行により、検出された操舵軸３の角度位置とアシスト用モータ６の角度位置とに基づいて、操舵用ハンドル２の操作角に応じた操舵角が得られるように、スイッチングドライバ１８を介したＰＷＭ制御によりアシスト用モータ６の動作を制御する。
【００２１】
アシスト用モータ６はブラシレスモータ、本実施形態では３相ブラシレスモータにて構成されている。３相ブラシレスモータは、図２に示すように、１２０゜間隔で配置された３相のコイルＵ，Ｖ，Ｗからなり、これらのコイルＵ，Ｖ，Ｗと、電機子３４との相対的な角度関係が、モータ内に設けられた角度センサをなすホールＩＣにより検出される。そして、これらホールＩＣの出力を受けて、図１のスイッチングドライバ１８は、コイルＵ，Ｖ，Ｗの通電を、Ｗ→Ｕ（１）、Ｕ→Ｖ（３）、Ｖ→Ｗ（５）のごとく循環的に順次切り替える（正方向回転の場合：逆方向回転の場合は、上記の逆順のスイッチングとなる）。
【００２２】
該アシスト用モータ６の回転制御は、上記コイルＵ，Ｖ，Ｗの各相の通電切り替えシーケンスに、駆動制御部１１０からのＰＷＭ信号によるデューティ比制御シーケンスが重畳された形で行なわれる。図３は、スイッチングドライバ１８の回路例を示すもので、コイルＵ，Ｖ，Ｗの各端子ｕ，ｕ’，ｖ，ｖ’，ｗ、ｗ’に対応したＦＥＴ（スイッチング素子）７５〜８０が、周知のＨ型ブリッジ回路を構成するように配線されている（符号８７〜９２は、コイルＵ，Ｖ，Ｗのスイッチングに伴なう誘導電流のバイパス経路を形成するフライホイールダイオードである）。ＡＮＤゲート８１〜８６によりアシスト用モータ側のホールＩＣ（角度センサ）からのスイッチング信号と駆動制御部１００からのＰＷＭ信号との論理積信号を作り、これを用いてＦＥＴ７５〜８０をスイッチング駆動すれば、通電に関与する相のコイルを選択的にＰＷＭ通電することができる。
【００２３】
図１に戻り、アシスト用モータ６の駆動電源は、本実施形態においては、車載バッテリー５７である。モータ用昇圧回路１２０は、モータ用昇圧回路１２０の出力電圧保持及び平滑化用のコンデンサ１２４と、該コンデンサ１２４の昇圧回路入力側への逆流放電を阻止するための昇圧用整流部１２３と、該昇圧用整流部１２３よりも上段側において電源電圧を受電するコイル１２１と、該コイル１２１の通過電流を断続的に変化させることにより昇圧用誘導電圧波形を発生させる昇圧用スイッチング部１２２とを備えたステップアップ型ＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されている。該昇圧用誘導電圧波形は電源電圧の入力電圧波形に重畳され、昇圧用整流部１２３を経てコンデンサ１２４により平滑化されつつモータ駆動電圧として出力される。昇圧用スイッチング部１２２は、本実施形態ではパワートランジスタの一つであるパワーＭＯＳＦＥＴにて構成されている。
【００２４】
また、前述の操舵制御部をなすマイコン１１０（以下、マイコン１１０ともいう）は、パワートランジスタのスイッチングを指令するためのスイッチング指令信号を出力するスイッチング指令部としても機能している（以下、スイッチング指令部１１０ともいう：マイコン及び操舵制御部とハードウェア上の実体は同一）。また、該スイッチング指令部１１０には、スイッチング指令信号を、車載電源電圧、ここではバッテリー電圧の入力に基づいて昇圧しつつ、パワートランジスタを直接駆動するための駆動信号に変換する昇圧信号変換部１１５が接続されている。これらスイッチング指令部１１０と昇圧信号変換部１１５とが昇圧回路制御部を構成している。
【００２５】
本実施形態においては、車載バッテリー５７からの直流出力が、電源リレー１４１と電源フィルタ１４０とを介してモータ用昇圧回路１２０に入力される。なお、符号１４２はイグニッションスイッチと連動して操作される電源スイッチであり、該電源スイッチ１４２が閉になると、電源リレー１４１が動作して、車載バッテリー５７からモータ用昇圧回路１２０への電圧入力が許容される。
【００２６】
車載バッテリー５７からの入力経路１３４上には、電源フィルタ１４０の下段側に昇圧用のコイル１２１が配置され、そのさらに下段から接地側に分岐するスイッチング分岐経路１３５上に、前述の昇圧用スイッチング部１２２が設けられている。他方、入力経路１３４には、スイッチング分岐経路１３５の分岐点よりも下段側に昇圧用整流部１２３が配置され、さらにその先にコンデンサ１２４が並列分岐する形で設けられている。
【００２７】
また、昇圧用整流部１２３のカソード側において入力経路１３４からは、昇圧回路１２０の出力電圧を、昇圧信号変換部１１５へのバッテリー電圧の入力経路１３６（逆流防止用ダイオード１３２が設けられている）に分配するバックアップ経路１２６が分岐している。このバックアップ経路１２６は、昇圧信号変換部１１５に入力される車載電源電圧が不足した場合に、該昇圧信号変換部１１５におけるスイッチング指令信号の昇圧動作に必要な入力電圧レベルをバックアップする電圧バックアップ手段の主体をなす。
【００２８】
また、昇圧用整流部１２３のカソード側の電圧測定点Ｐから分岐する形で、分圧抵抗１２９，１３０からなるカソード側電圧検出部が設けられ、該電圧測定点Ｐの電圧が分圧調整された形でマイコン１１０の入出力インターフェース１１４（Ａ／Ｄ変換ポート）に入力されている。さらに、バックアップ経路１２６上には、逆流防止用のダイオード１２７と調整抵抗１３１が設けられている。
【００２９】
次に、昇圧用整流部１２３は、図１においては、昇圧制御用ＦＥＴが有する寄生ダイオードとされている。図４を用いて具体的に説明する。寄生ダイオードを有したＦＥＴ構造は、例えばＭＯＳＦＥＴを採用したときに現われる。図４上図はＭＯＳＦＥＴ（ｎチャネル型）の断面模式図であり、下図は等価回路図である。シリコン基板の層厚方向に、ドレインをなす半導体部分と空乏層をなす半導体部分とが隣接してｐ−ｎ接合を作り、チャネル領域に形成されるＦＥＴ構造部分に対し、並列接続された形で寄生ダイオードが生じている。
【００３０】
モータ駆動などのパワー駆動回路において、ステップアップ昇圧回路の整流部に通常のシリコンダイオードを用いると、通過電流値が大きいためｐ−ｎ接合の順方向電圧降下ひいては出力側の電圧損失が大きくなり、問題となる場合がある。この場合、昇圧用整流部１２３を、昇圧用スイッチング部１２２と位相反転させた形で同期して導通・遮断される昇圧制御用ＦＥＴ（以下、「昇圧制御用ＦＥＴ１２３」と記載する）とすることにより、該問題を解消することができる。すなわち、図１において、昇圧用スイッチング部１２２のＯＮ（閉）周期においては、コイル１２１に流れ込む電流（電気エネルギー）が増加し、昇圧用の重畳電圧波形は減少傾向をたどる。次に、昇圧用スイッチング部１２２をＯＦＦ（開）にすると、スイッチング分岐経路１３５に流れ込む電流が遮断され、コイル１２１は誘導電流を放出する。これに伴い、昇圧用の重畳電圧波形は増加傾向に転ずる。そこで、この昇圧用スイッチング部１２２のＯＦＦ周期に同期させて、昇圧制御用ＦＥＴをＯＮ状態にすると、図４において、電流は直流抵抗の高い寄生ダイオード部分を迂回し、抵抗の低いＦＥＴ部分を通過して流れるので、電圧損失を抑制することができる。他方、昇圧用スイッチング部１２２のＯＮ周期に同期させて、昇圧制御用ＦＥＴをＯＦＦにすると、ＦＥＴ部分のチャネルが閉じる。図４の寄生ダイオード部分は、図１においてコンデンサ１２４側が高電位であれば逆バイアス状態となり、電流通過が遮断される。すなわち、昇圧用整流部としての機能を果たす。
【００３１】
なお、昇圧用スイッチング部１２２と昇圧制御用ＦＥＴ１２３との同期スイッチング制御は、操舵制御部１１０をなすマイコンが行なう。本実施形態では、昇圧制御用ＦＥＴ１２３が昇圧用スイッチング部１２２とともにパワーＭＯＳＦＥＴにて構成されている。これらパワーＭＯＳＦＥＴのゲート駆動電圧は比較的高いので、マイコン１１０からのスイッチング指令信号を、昇圧信号変換部１１５においてバッテリー電圧を用いて昇圧後、スイッチング駆動回路１１６を経て各パワーＭＯＳＦＥＴ１２２，１２３のゲートに供給するようにしている。
【００３２】
なお、本実施形態においてスイッチング駆動回路１１６は、昇圧用スイッチング部及び昇圧制御用ＦＥＴをなすパワーＭＯＳＦＥＴ１２２，１２３の同期スイッチング制御を行なうに際し、それらＦＥＴ１２２，１２３のゲート電圧とソース電圧とをモニタし、該モニタ値をマイコン１１０に供給するようにしている。マイコン１１０は、各ＦＥＴ１２２，１２３のゲート−ソース間電圧が略一定保持されるように（すなわち、アシスト用モータ６に略一定の駆動電圧が供給されるように）、スイッチング駆動回路１１６への駆動指令信号の出力パターンを変化させ、安定化電源としての機能を実現している。
【００３３】
例えば、昇圧用スイッチング部１２２をスイッチング制御する場合、モニタしたゲート−ソース間電圧の目標値から差分に応じて、スイッチングパターンを変化させることができる。スイッチングのデューティ比と周波数が一定であれば、常時スイッチングを継続させた場合の重畳電圧波形の電圧レベル（整流・平滑化したときの値）が、概ねステップアップによる電圧増分の最大値となる。従って、該ステップアップによる電圧増分の最大値が、入力されるゲート−ソース間電圧のレベルと、得るべき直流出力の目標電圧との差分よりも大きくなるようにスイッチング周波数を設定しておけば、そのスイッチング動作の停止／継続の時間比を調整することで、目標電圧に出力電圧を調整することができる。
【００３４】
例えば、ゲート−ソース間電圧の目標値から差分が大きいときは、スイッチング動作の停止／継続の時間比を大きくし、逆に目標値からの差分が小さいかオーバーシュートした場合（例えば、後述のように逆起電力電流が大きくなっている場合）は、該時間比を小さくするように制御を行なう。また、スイッチング動作の停止／継続の時間比を調整する代わりに、モニタしたゲート−ソース間電圧の目標値から差分に応じて、スイッチングのデューティηを変化させる方法（つまり、ＰＷＭ方式）を採用することもできる。この場合、昇圧制御用ＦＥＴ１２３は、同じデューティηにて位相反転させた形で（すなわち、ＦＥＴ１２２がＯＮのときＦＥＴ１２３をＯＦＦとし、ＦＥＴ１２２がＯＦＦのときＦＥＴ１２３をＯＮとする）同期スイッチングする。
【００３５】
上記各パワーＭＯＳＦＥＴ１２２，１２３は、スイッチング指令部１１０からの微弱なスイッチング指令信号を、昇圧信号変換部１１５にてバッテリー電圧の入力に基づいて昇圧しつつ変換することにより生成される。ここで、昇圧信号変換部１１５に入力されるバッテリー電圧が不足したり瞬断した場合は、バックアップ経路１２６により、昇圧回路１２０の出力電圧が昇圧信号変換部１１５への、バッテリー電圧の入力経路１３６に分配され、昇圧信号変換部１１５におけるスイッチング指令信号の昇圧動作に必要な入力電圧レベルが確保される。
【００３６】
なお、バックアップ経路１２６が分岐するのは、昇圧回路１２０の昇圧された電圧出力部であり、後述のアシスト用モータ６からの逆起電力電圧などが重畳されると、バックアップ経路１２６を経て昇圧信号変換部１１５に過大な電圧が入力され、回路の破損等につながる場合がある。これを防止するために、入力される電圧レベルが予め定められた限界電圧を超えたときに、該入力電圧を当該限界値以下の電圧値に制限するツェナーダイオード１２８が、電圧制限手段として設けられている。なお、バックアップ経路１２６を介した昇圧回路１２０からの分配電圧は、前述の調整抵抗１３１により降圧してから昇圧信号変換部１１５へ入力される。
【００３７】
この場合、前記の限界電圧は該ツェナーダイオード１２８のツェナー電圧により規定される。ツェナーダイオード１２８は、ツェナー電圧が、バッテリー電圧の規定上限値に対応した値に設定することができるが、この場合、バックアップ経路１２６上に設けられた前述の調整抵抗１３１は、バックアップ経路１２６が分岐する昇圧回路１２０の出力電圧を、ツェナー電圧よりも高い値に確保する働きをなし、ツェナーダイオードのブレークダウンを抑制しつつ、昇圧回路１２０の出力電圧の望まざる低下を抑制することができる。なお、本実施形態ではツェナーダイオード１２８のアノード側は接地され、昇圧信号変換部１１５への入力電圧がツェナー電圧により直接規制されている。
【００３８】
上記電動パワーステアリング装置１においては、例えば急ハンドルを切ったり、縁石などの大きな段差に乗り上げながらハンドル操作をする場合、アシスト用モータ６には大きな逆起電力が発生する。発生する逆起電力レベルが上昇すると、図１の測定点Ｐ（昇圧制御用ＦＥＴをなすパワーＭＯＳＦＥＴ１２３が有する寄生ダイオードのカソード側）の電圧が上昇する。マイコン１１０は、モータ用昇圧回路１２０のＦＥＴ１２２，１２３のスイッチング駆動を継続しながら、該電圧をモニタし、これが規定の基準電圧を超えた場合、マイコン１１０（昇圧回路制御部）は昇圧制御用ＦＥＴ１２３を、ＯＮ期間が連続継続するようにその動作を制御する。これにより、逆起電力電流は、昇圧制御用ＦＥＴ１２３を逆流通過して車載バッテリー５７に戻り、アシスト用モータ６にて大きな逆起電力が生じた場合でも、それに基づく過大な電圧が、スイッチングドライバ１８内のスイッチング素子７５〜８０に印加される不具合を効果的に防止することができる。
【００３９】
（実施の形態２）
図５は、本発明の電動パワーステアリング装置の第二の実施形態を示すものであるが、図１〜図４を用いて既に説明した第一の実施形態との共通部分には、同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。図５においては車載電源が、高圧主直流電源１５０と、該高圧主直流電源１５０の出力電圧をモータ駆動直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ１５７とからなる。高圧主直流電源１５０は例えば燃料電池であり、自動車の主動力モータ（図示せず）の駆動用マージンを考慮して、出力電圧が２００〜４５０Ｖと高く設定されている。他方、アシスト用モータ６の駆動電源を含めた自動車内の周辺電装系には、主動力系よりは低電圧（例えば３０〜５０Ｖ：本実施形態では４２Ｖ）の周辺電装用直流電源が使用され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５７は高圧主直流電源１５０からの入力電圧を降圧して、周辺電装用直流電源電圧として出力する。
【００４０】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５７は、具体的には、図６に示すように、高圧主直流電源１５０からの入力直流電圧を交流変換する交流変換部１６２と、該交流変換された電圧を出力用に降圧するトランス１６３と、該トランス１６３の二次側交流出力を整流する整流部１６４とを有する。交流変換部１６２は、周知のスイッチング用トランジスタブリッジにより構成され、入力直流電圧を一定周波数でスイッチングして双極性方形波交流に変換する。なお、交流変換部１６２の入力側には、ノイズ除去用のコモンモードチョークコイル１０１が設けられている。また、スイッチングにより生成された交流電圧波形はトランス１６３に入力され、二次側から降圧された波形が出力される。整流部１６４はダイオードブリッジからなる全波整流部であり、ＬＣローパスフィルタ型の平滑化部１６５にてリップル除去され、直流波形として出力される。
【００４１】
そして、本実施形態では、バックアップ経路１２６が、スイッチングドライバ１８を経て昇圧回路１２０側へ向かうアシスト用モータ６の逆起電力電流を、昇圧用整流部１２３を回避して通過させる逆起電力通過用分岐経路に兼用されている。また、ツェナーダイオード１２８のツェナー電圧は、スイッチングドライバ１８内のスイッチング素子７５〜８０の耐圧規定値よりも低く設定されている。逆起電力発生によりスイッチング素子７５〜８０の耐圧を超えて電圧が高くなろうとしたとき、ツェナーダイオード１２８のブレークダウンにより、スイッチング素子７５〜８０を確実かつ効果的に保護することができる。なお、ツェナーダイオード１２８のアノード側が接地されていることにより、昇圧信号変換部１１５への入力をツェナー電圧により直接規制することができることに加え、逆起電力電流を接地側に流し、その影響を他の回路部に及びにくくする効果も同時に達成できる。
【００４２】
例えば、大きな逆起電力電圧が該ＤＣ−ＤＣコンバータ１５７の出力側に印加されると、整流部１６４の損傷等につながる場合があるが、バックアップ経路１２６側に逆起電力電流を流してしまえば該整流部の保護を図ることができる。この場合、バックアップ経路１２６上に前述の調整抵抗１３１が設けてあるので、逆起電力電流を、該抵抗１３１を負荷として消費させることができ、回路保護上より有利となっている。
【００４３】
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５７を含む車載電源側には、なるべく逆起電力電流が還流しないほうが、整流部１６４の保護の観点において有利である。従って、カソード側電圧検出部１２９，１３０の検出電圧が予め定められた基準電圧を超えたとき、マイコン１１０（昇圧回路制御部）は、昇圧制御用ＦＥＴ１２３がＯＦＦとなる期間が通常時よりも長くなるように、望ましくは、連続的にＯＦＦとなるように、当該昇圧制御用ＦＥＴ１２３の動作を制御するものとして構成するとよい。すなわち、昇圧制御用ＦＥＴ１２３をＯＦＦにすれば、バックアップ経路１２６側へ逆起電力電流が優先的に流れ、車載電源側のＤＣ−ＤＣコンバータ１５７の整流部を保護する効果が高められる。
【００４４】
なお、図７に示すように（図５と共通の部分については詳細な説明は省略する）、昇圧用整流部として昇圧制御用ＦＥＴに代え、通常のダイオード１２７を用いることもできる。この場合、ダイオード１２７を逆起電力電流が通過することはできないので、車載電源側のＤＣ−ＤＣコンバータ１５７の整流部１４６へは、その影響が及びにくい利点がある。そして、バックアップ経路１２６を逆起電力電流の通過路として設けることは、スイッチングドライバ１８内のスイッチング素子７５〜８０の保護の観点において重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電動パワーステアリング装置の第一の実施形態を示す回路図。
【図２】アシスト用モータを構成する三相ブラシレスモータの動作説明図。
【図３】図２の三相ブラシレスモータを駆動するためのスイッチングドライバの一例を示す回路図。
【図４】ＭＯＳＦＥＴの断面構造と、寄生ダイオードを含むその等価回路を示す図。
【図５】本発明の電動パワーステアリング装置の第二の実施形態を示す回路図。
【図６】車載電源を構成するＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す回路図。
【図７】図５の動パワーステアリング装置の実施実姉態様を示す回路図。
【符号の説明】
１  電動パワーステアリング装置
２  操舵用ハンドル
３  操舵軸
６  アシスト用モータ
１８  スイッチングドライバ
５７  車載バッテリー（車載電源）
１１０  操舵制御部（マイコン、スイッチング指令部）
１１５  昇圧信号変換部
１２０  昇圧回路
１２１  コイル
１２２  昇圧用スイッチング部（パワーＭＯＳＦＥＴ；パワートランジスタ）１２３  昇圧制御用ＦＥＴ（昇圧用整流部；パワーＭＯＳＦＥＴ；パワートランジスタ）
１２４  コンデンサ
１２６  バックアップ経路（電圧バックアップ手段）
１２８  ツェナーダイオード（電圧制限手段）
１２９，１３０  分圧抵抗（カソード側電圧検出部）
１３１  調整抵抗
１５０  高圧主直流電源
１５７  ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２３  ダイオード（昇圧用整流部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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