(57)【要約】【課題】電動モータの駆動回路の小型化及び部品コストの低減を図ることが出来、熱設計が容易な車両用操舵装置の提供。【解決手段】１又は複数の半導体素子からなり所定のスイッチング周波数によりスイッチングされるスイッチング回路を駆動回路とする電動モータを操舵部材の操舵に応じて駆動し、電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う車両用操舵装置。電動モータの回転状態を判定する回転状態判定手段（Ｓ６）と、半導体素子の温度を測定又は間接的に推定する温度判定手段（Ｓ８）と、回転状態判定手段（Ｓ６）及び温度判定手段（Ｓ８）の各判定結果に基づきスイッチング回路のスイッチング周波数を変更する手段（Ｓ１２，１４）とを備えている。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は複数の半導体素子からなり所定のスイッチング周波数によりスイッチングされるスイッチング回路を駆動回路とする電動モータを操舵部材の操舵に応じて駆動し、前記電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う車両用操舵装置において、
前記電動モータの回転状態を判定する回転状態判定手段と、前記半導体素子の温度を測定又は間接的に推定する温度判定手段と、前記回転状態判定手段及び温度判定手段の各判定結果に基づき前記スイッチング回路のスイッチング周波数を変更する手段とを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
所定のスイッチング周波数によりスイッチングされる半導体スイッチング回路を駆動回路とする電動モータを操舵部材の操舵に応じて駆動し、電流検出回路により前記電動モータに流れる電流を検出し、前記電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う車両用操舵装置において、
前記電動モータの回転状態を判定する手段と、該手段の判定結果及び前記電流検出回路の検出結果に基づき前記半導体スイッチング回路のスイッチング周波数を変更する手段とを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項３】
所定のスイッチング周波数によりスイッチングされる半導体スイッチング回路を駆動回路とする電動モータをトルク検出器が検出した操舵部材の操舵トルク値に応じて駆動し、前記電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う車両用操舵装置において、
前記電動モータの回転状態を判定する手段と、該手段の判定結果及び前記トルク検出器の検出結果に基づき前記半導体スイッチング回路のスイッチング周波数を変更する手段とを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子からなるスイッチング回路を駆動回路とする電動モータを操舵部材の操舵に応じて駆動し、電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置、電動モータの駆動力により発生させた油圧により操舵補助を行う油圧式のパワーステアリング装置、及び操舵部材と舵取機構とが機械的に切り離されたステア・バイ・ワイヤ式舵取装置等の車両用操舵装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動モータにより操舵又は操舵補助を行う車両用操舵装置では、電動モータを駆動する駆動回路であるスイッチング回路をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号によりスイッチングしている。ＰＷＭ信号のキャリア（搬送波）周波数は、ＰＷＭ信号が騒音の要因とならないように、可聴帯域を避けて２０ｋＨｚ程度に固定されている。
【０００３】
また、車両用操舵装置では、（１）ハンドルを端当てした場合（左右の回転限界で停止した場合）、（２）タイヤを縁石に乗り上げた場合（特に失敗した場合）、（３）タイヤを轍から抜く為にハンドルを切った場合、及び（４）ハンドルを据え切りした場合には、電動モータの電流を制御している半導体は、急激に発熱し高温により破損する虞がある。上記した場合のうち、（１）（２）（３）は、電動モータがロックし、トルクのみを発生している場合であり、（４）は、電動モータが低速度、高トルクで回転している場合である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３０８１３４号公報
【特許文献２】
特開平１０−３２７５９７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、上述したような発熱による温度上昇を抑制する為に、巨大な蓄熱器、ヒートシンク又は高熱伝導基板を使用したり、それらを使用した熱設計を行うことが必要であり、駆動回路の大型化及び部品コストの上昇が生じ、熱設計が困難になるという問題がある。また、このような問題は、半導体素子への電力を安定化させる為のコンデンサにも生じている。
【０００６】
このような問題に関連する技術として、特許文献１には、操作部材に入力される運転者の操作力に抗する力である反力を発生する反力発生手段の温度、又は反力発生手段に付与される電流を制御する駆動回路の温度を、検出又は推定する温度検出推定手段と、検出又は推定された温度に応じて反力発生手段に付与される電流の大きさを所定の電流制限値以下に制限する電流制限手段とを備える運転操作装置が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、ＰＷＭ駆動信号の駆動周波数をカーラジオのチャネル周波数に応じて変更し、ＰＷＭ駆動周波数の高調波成分に起因して、カーラジオへ飛び込むノイズを防止する車両の電動機駆動装置が開示されている。
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、電動モータの駆動回路の小型化及び部品コストの低減を図ることが出来、熱設計が容易な車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述したような問題を解決する為に、本発明では、電動モータの駆動回路であるスイッチング回路のスイッチング周波数を低下させる。スイッチング回路のスイッチング周波数を低下させると、スイッチング損失が低減され、発熱量が減少する。しかし、スイッチング周波数を低下させると、車両用操舵装置では、スイッチング周波数が可聴周波数帯域に入ることによる騒音、及び応答特性低下による操舵感の悪化を招くので、単純にスイッチング周波数を低下させることは出来ない。
【０００９】
そこで、上述した（１）〜（４）の場合を、つまり、スイッチング回路の半導体の温度が急激に上昇する場合を、電動モータの回転状態（操舵角、電動モータの回転子位置）と、電動モータの出力（操舵トルク）又はスイッチング回路に流れる電流とから判定し、温度が急激に上昇する場合と判定したときに限り、スイッチング周波数を低下させる。
【００１０】
第１発明に係る車両用操舵装置は、１又は複数の半導体素子からなり所定のスイッチング周波数によりスイッチングされるスイッチング回路を駆動回路とする電動モータを操舵部材の操舵に応じて駆動し、前記電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う車両用操舵装置において、前記電動モータの回転状態を判定する回転状態判定手段と、前記半導体素子の温度を測定又は間接的に推定する温度判定手段と、前記回転状態判定手段及び温度判定手段の各判定結果に基づき前記スイッチング回路のスイッチング周波数を変更する手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
この車両用操舵装置では、所定のスイッチング周波数によりスイッチングされるスイッチング回路を駆動回路とする電動モータを操舵部材の操舵に応じて駆動し、その駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う。回転状態判定手段が、電動モータの回転状態を判定し、温度判定手段が、半導体素子の温度を測定又は間接的に推定する。変更する手段は、回転状態判定手段及び温度判定手段の各判定結果に基づきスイッチング回路のスイッチング周波数を変更する。
これにより、電動モータの駆動回路の小型化及び部品コストの低減を図ることが出来、熱設計が容易な車両用操舵装置を実現することが出来る。
【００１２】
第２発明に係る車両用操舵装置は、所定のスイッチング周波数によりスイッチングされる半導体スイッチング回路を駆動回路とする電動モータを操舵部材の操舵に応じて駆動し、電流検出回路により前記電動モータに流れる電流を検出し、前記電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う車両用操舵装置において、前記電動モータの回転状態を判定する手段と、該手段の判定結果及び前記電流検出回路の検出結果に基づき前記半導体スイッチング回路のスイッチング周波数を変更する手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この車両用操舵装置では、半導体スイッチング回路を駆動回路とする電動モータを操舵部材の操舵に応じて駆動する一方、電流検出回路により電動モータに流れる電流を検出し、電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う。判定する手段が、電動モータの回転状態を判定し、変更する手段が、その判定結果及び電流検出回路の検出結果に基づき半導体スイッチング回路のスイッチング周波数を変更する。
これにより、電動モータの駆動回路の小型化及び部品コストの低減を図ることが出来、熱設計が容易な車両用操舵装置を実現することが出来る。
【００１４】
第３発明に係る車両用操舵装置は、所定のスイッチング周波数によりスイッチングされる半導体スイッチング回路を駆動回路とする電動モータをトルク検出器が検出した操舵部材の操舵トルク値に応じて駆動し、前記電動モータの駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う車両用操舵装置において、前記電動モータの回転状態を判定する手段と、該手段の判定結果及び前記トルク検出器の検出結果に基づき前記半導体スイッチング回路のスイッチング周波数を変更する手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
この車両用操舵装置では、半導体スイッチング回路を駆動回路とする電動モータをトルク検出器が検出した操舵部材の操舵トルク値に応じて駆動し、その駆動力を操舵機構に与えて操舵又は操舵補助を行う。判定する手段が、電動モータの回転状態を判定し、変更する手段が、その判定結果及びトルク検出器の検出結果に基づき半導体スイッチング回路のスイッチング周波数を変更する。
これにより、電動モータの駆動回路の小型化及び部品コストの低減を図ることが出来、熱設計が容易な車両用操舵装置を実現することが出来る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、それを示す図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態である電動パワーステアリング装置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、操舵軸（図示せず）に加えられたトルクを検出するトルクセンサ８（トルク検出器）が検出し出力したトルク検出信号が、インタフェイス回路１を介してマイクロコンピュータ２へ与えられ、車速を検出する車速センサ１０が検出し出力した車速信号が、インタフェイス回路１１を介してマイクロコンピュータ２へ与えられる。
【００１７】
マイクロコンピュータ２から出力されるリレー制御信号がリレー駆動回路５へ入力され、リレー駆動回路５はリレー制御信号に従ってフェイルセーフリレー接点５ａをオン又はオフさせる。
マイクロコンピュータ２は、トルク検出信号、車速信号及び後述するモータ電流信号に基づき、内蔵するトルク／電流テーブル２ａを参照することにより、出力レベル指令値を作成し、作成した出力レベル指令値はモータ駆動回路３へ与えられる。モータ駆動回路３は、フェイルセーフリレー接点５ａを通じて、車載バッテリーＰの電源電圧が印加され、与えられた出力レベル指令値に基づき、操舵補助用の電動モータ４（ブラシレスモータ）を回転駆動させる。
【００１８】
電動モータ４が回転する際、回転子位置検出器１４がその回転子位置を検出し、その回転子位置信号をモータ駆動回路３及びマイクロコンピュータ２に与える。モータ駆動回路３は、与えられた回転子位置信号に基づき、電動モータ４を回転制御する。
電動モータ４に流れるモータ電流は、モータ電流検出回路７（電流検出回路）により検出され、モータ電流信号としてマイクロコンピュータ２に与えられる。
マイクロコンピュータ２は、トルク検出信号及びモータ電流信号に基づき、内蔵するトルク／電流テーブル２ａを参照することにより、出力レベル指令値を作成し、作成した出力レベル指令値はモータ駆動回路３へ与えられる。
【００１９】
図２は、電動モータ４、モータ駆動回路３、モータ電流検出回路７及び回転子位置検出器１４の構成例を示すブロック図である。電動モータ４は、コイルＡ，Ｂ，Ｃがスター結線された固定子４ａと、コイルＡ，Ｂ，Ｃが発生させる回転磁界により回転する回転子４ｂとを備え、回転子位置検出器１４が回転子４ｂの回転位置を検出する。
【００２０】
モータ駆動回路３は、スイッチング回路３ｂ（半導体スイッチング回路）が、正極側端子と接地端子との間に直列接続されたトランジスタＱ１，Ｑ２（半導体素子）と、逆方向に直列接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とが並列接続され、直列接続されたトランジスタＱ３，Ｑ４（半導体素子）と、逆方向に直列接続されたダイオードＤ３，Ｄ４とが並列接続され、直列接続されたトランジスタＱ５，Ｑ６（半導体素子）と、逆方向に直列接続されたダイオードＤ５，Ｄ６とが並列接続されている。
【００２１】
トランジスタＱ１，Ｑ２の共通接続節点と、ダイオードＤ１，Ｄ２の共通接続節点とには、スター結線されたコイルＡの他方の端子Ｕが接続され、トランジスタＱ３，Ｑ４の共通接続節点と、ダイオードＤ３，Ｄ４の共通接続節点とには、スター結線されたコイルＢの他方の端子Ｖが接続され、トランジスタＱ５，Ｑ６の共通接続節点と、ダイオードＤ５，Ｄ６の共通接続節点とには、スター結線されたコイルＣの他方の端子Ｗが接続されている。
【００２２】
回転子位置検出器１４が検出した、回転子４ｂの回転位置は、ゲート制御回路３ｃ及びマイクロコンピュータ２に通知される。
モータ駆動回路３は、マイクロコンピュータ２から与えられた出力レベル指令が、比較回路３ｄの反転入力端子に入力され、比較回路３ｄの非反転入力端子には、搬送波作成回路３ａが作成したＰＷＭ搬送波（三角波）が入力される。
【００２３】
ゲート制御回路３ｃには、比較回路３ｄが出力レベル指令とＰＷＭ搬送波とを比較し作成したＰＷＭ指令値（パルス幅変調されたパルス列）、及びマイクロコンピュータ２から与えられた回転方向の指示信号が与えられる。
ゲート制御回路３ｃ、与えられた回転子４ｂの回転位置及び回転方向の指示信号に応じて、トランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲートをオン／オフし、例えば、Ｕ−Ｖ，Ｕ−Ｗ，Ｖ−Ｗ，Ｖ−Ｕ，Ｗ−Ｕ，Ｗ−Ｖ，Ｕ−Ｖのように、固定子４ａに流れる電流の経路を切り換え、回転磁界を発生させる。
【００２４】
回転子４ｂは、永久磁石であり、この回転磁界から回転力を受けて回転する。
ゲート制御回路３ｃは、また、比較回路３ｄから与えられたＰＷＭ指令値に従って、トランジスタＱ１〜Ｑ６のオン／オフをＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することにより、ブラシレスモータである電動モータ４の回転トルクを増減制御する。
ダイオードＤ１〜Ｄ６は、還流（フライバック）ダイオードである。
モータ電流検出回路７は、電動モータ４の各端子Ｕ，Ｖ，Ｗに流れる電流を検出して加算し、モータ電流信号としてマイクロコンピュータ２へ与える。
【００２５】
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説明する。
マイクロコンピュータ２は、トルクセンサ８が検出したトルク検出信号をインタフェイス回路１を介して読込み、車速センサ１０が検出した車速信号をインタフェイス回路１１を介して読込む。
マイクロコンピュータ２は、読込んだ車速信号及び読込んだトルク検出信号から、トルク／電流テーブル２ａを参照して、目標モータ電流を決定する。
次いで、マイクロコンピュータ２は、モータ電流検出回路７からモータ電流信号を読込み、決定した目標モータ電流と読込んだモータ電流信号との差を演算し、演算した差に基づき、電動モータ４に目標モータ電流を流すべく、出力レベル指令値を決定する。
【００２６】
次に、マイクロコンピュータ２は、回転方向を決定し、決定した出力レベル指令値及び回転方向の指示信号をモータ駆動回路３へ与える。
モータ駆動回路３は、与えられた出力レベル指令値及び回転方向の指示信号に基づき、電動モータ４を回転駆動させる。
比較回路３ｄは、出力レベル指令と搬送波作成回路３ａが出力したＰＷＭ搬送波（三角波）とを比較して、ＰＷＭ指令値（パルス幅変調されたパルス列）を作成し、ゲート制御回路３ｃに与える。
【００２７】
ゲート制御回路３ｃは、与えられた回転子４ｂの回転位置及び回転方向の指示信号に応じて、トランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲートをオン／オフし、例えば、Ｕ−Ｖ，Ｕ−Ｗ，Ｖ−Ｗ，Ｖ−Ｕ，Ｗ−Ｕ，Ｗ−Ｖ，Ｕ−Ｖのように、固定子４ａに流れる電流の経路を切り換え、回転磁界を発生させ、回転子４ｂは、この回転磁界から回転力を受け回転する。
ゲート制御回路３ｃは、このとき、比較回路３ｄから与えられたＰＷＭ指令値に従って、トランジスタＱ１〜Ｑ６のオン／オフをＰＷＭ制御することにより、ブラシレスモータである電動モータ４の回転トルクを増減制御する。
【００２８】
マイクロコンピュータ２は、上述した動作を行う一方、図３のフローチャートに示すような搬送波周波数制御の動作も行う。
マイクロコンピュータ２は、先ず、回転子位置検出器１４から回転子位置信号を読み込み（Ｓ２）、それ以前のサンプリング周期で読み込んだ回転子位置信号とから、電動モータの回転速度を算出する（Ｓ４）。次いで、算出した回転速度が所定値より小さいか否かを判定し（Ｓ６）、所定値より小さければ、モータ電流検出回路７からモータ電流値を読込む（Ｓ８）。
【００２９】
マイクロコンピュータ２は、次に、読み込んだモータ電流値（Ｓ８）が所定電流値より大きいか否かを判定し（Ｓ１０）、所定電流値より大きければ、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を、その基準周波数値より低い所定の搬送波周波数にするように搬送波作成回路３ａに指令する（Ｓ１２）。所定電流値より大きくなければ、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を、その基準周波数値とするように搬送波作成回路３ａに指令して（Ｓ１４）リターンする。搬送波作成回路３ａは、指令された搬送波周波数のＰＷＭ制御の搬送波を作成し出力する。
マイクロコンピュータ２は、算出した回転速度が所定値より小さくなければ（Ｓ６）、ＰＷＭ制御の搬送波周波数を、その基準周波数値とするように搬送波作成回路３ａに指令して（Ｓ１４）リターンする。
【００３０】
尚、スイッチング回路３ｂの雰囲気温度を検出する温度検出器を備え、マイクロコンピュータ２は、モータ電流検出回路７から与えられたモータ電流と、温度検出器から与えられた温度と、スイッチング回路３ｂをスイッチングするＰＷＭ信号の搬送波周波数との、例えば図４に示すような関係を定めた搬送波周波数テーブルを内蔵しておき、その搬送波周波数テーブルに従って、搬送波周波数を定めるようにしても良い。
また、モータ電流検出回路７から与えられたモータ電流値に代えて、トルクセンサ８が検出した操舵トルク値を用いても、同様の効果を奏することが出来る。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係る車両用操舵装置によれば、蓄熱器及びヒートシンクを小さくすることが出来、電動モータの駆動回路の小型化及び部品コストの低減を図ることが出来る。また高熱伝導構成にする必要がなく、部品コストを低減することが出来、熱設計が容易になり、品質を向上させることが出来る。また、半導体素子への電力を安定化させる為のコンデンサを小型化出来、部品コストを低減することが出来る。また、ノイズが低減し、ＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ；電磁環境両立性）対策が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態である電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】モータ駆動回路、電動モータ、モータ電流検出回路及び回転子位置検出器の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態であ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。
【図４】スイッチング回路の雰囲気温度とモータ電流とＰＷＭ信号の搬送波周波数との関係を定めた搬送波周波数テーブルの例を示す説明図である。
【符号の説明】
２  マイクロコンピュータ
２ａ  トルク／電流テーブル
３  モータ駆動回路（駆動回路）
３ａ  搬送波作成回路
３ｂ  スイッチング回路（半導体スイッチング回路）
３ｃ  ゲート制御回路
４  電動モータ
４ａ  固定子
４ｂ  回転子
７  モータ電流検出回路（電流検出回路）
８  トルクセンサ（トルク検出器）
１０  車速センサ
１４  回転子位置検出器
Ｑ１〜Ｑ６  トランジスタ（半導体素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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