(57)【要約】【課題】  車両に搭載されるバッテリを駆動電源とする前提においても、広い負荷特性に対応してモータを駆動することを可能とする。【解決手段】  車両に搭載されるバッテリ１と二次電池３７との接続を、リレー３３及び３５により通常は並列に接続して、二次電池３７を充電しておく。そして、マイコン４５は、モータ４の駆動状態が所定の条件に達すると両者の接続を直列に切替え、バッテリ１の端子電圧の約２倍となる電圧を、インバータ主回路４０を介してモータ４に通電するように制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載されるバッテリと、電荷の充電及び放電が可能に構成される充放電装置との接続を、並列または直列に切替えるための接続切替え手段と、
前記バッテリと前記充放電装置との接続状態に応じて供給される電圧により、車載用モータに通電を行う通電手段とを備えたことを特徴とする車載用モータの通電制御装置。
【請求項２】
前記接続切替え手段は、
前記バッテリの正側端子と、前記充放電装置の正側端子とを断続するための第１スイッチと、
前記充放電装置の負側端子の接続を、前記バッテリの正側端子とグランドとに切替えるための第２スイッチとで構成され、
アノードが前記バッテリ側となるように、前記第１スイッチに並列に接続されるダイオードを備えたことを特徴とする請求項１記載の車載用モータの通電制御装置。
【請求項３】
前記モータの駆動状態が所定の条件となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続し、
それ以外の場合には、前記バッテリと前記充放電装置とを並列に接続するように前記接続切替え手段を制御する切替え制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の車載用モータの通電制御装置。
【請求項４】
前記切替え制御手段は、前記モータの回転数が所定回転数以上となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続することを特徴とする請求項３記載の車載用モータの通電制御装置。
【請求項５】
前記切替え制御手段は、前記モータの回転数が所定回転数以上で、且つ、前記モータの角加速度が所定角加速度以上となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続することを特徴とする請求項３又は４記載の車載用モータの通電制御装置。
【請求項６】
前記切替え制御手段は、前記モータの角加速度が所定角加速度以上となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続することを特徴とする請求項３記載の車載用モータの通電制御装置。
【請求項７】
前記モータの電流を検出し、前記モータに対する電流指令との差に応じた電圧指令をＰＷＭ信号として生成し、前記通電手段に対して出力する通電制御手段を備え、
前記接続切替え手段は、前記ＰＷＭ信号のデューティが所定値以上となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続することを特徴とする請求項３乃至６の何れかに記載の車載用モータの通電制御装置。
【請求項８】
前記通電制御手段は、前記バッテリの電圧を検出し、前記ＰＷＭ信号のデューティを、前記電圧指令値を前記バッテリ電圧で除した値に基づいて決定することを特徴とする請求項７記載の車載用モータの通電制御装置。
【請求項９】
前記充放電装置に対して直列に接続される電流制限抵抗と、
前記電流制限抵抗に並列に接続され、前記充放電装置が放電する場合には、前記電流制限抵抗をバイパスして放電するダイオードとを備えたことを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の車載用モータの通電制御装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れかに記載の車載用モータの通電制御装置を備え、
モータの出力トルクによってステアリングの駆動を補助することを特徴とするパワーステアリング装置。
【請求項１１】
車両に搭載されるバッテリと、電荷の充電及び放電が可能に構成される充放電装置との接続状態を切替えることで供給される電圧により、車載用モータに通電を行うための通電制御方法において、
前記モータの駆動状態が所定の条件となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続し、
それ以外の場合には、前記バッテリと前記充放電装置とを並列に接続することを特徴とする車載用モータの通電制御方法。
【請求項１２】
前記モータの回転数が所定回転数以上となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続することを特徴とする請求項１１記載の車載用モータの通電制御方法。
【請求項１３】
前記モータの回転数が所定回転数以上で、且つ、前記モータの角加速度が所定角加速度以上となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続することを特徴とする請求項１１又は１２記載の車載用モータの通電制御方法。
【請求項１４】
前記モータの角加速度が所定角加速度以上となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続することを特徴とする請求項１１記載の車載用モータの通電制御方法。
【請求項１５】
前記モータの電流を検出し、前記モータに対する電流指令との差に応じた電圧指令をＰＷＭ信号として生成し、前記モータに通電を行う場合に、
前記ＰＷＭ信号のデューティが所定値以上となった場合に、前記バッテリと前記充放電装置とを直列に接続することを特徴とする請求項１１乃至１４の何れかに記載の車載用モータの通電制御方法。
【請求項１６】
前記バッテリの電圧を検出し、前記ＰＷＭ信号のデューティを、前記電圧指令値を前記バッテリ電圧で除した値に基づいて決定することを特徴とする請求項１５記載の車載用モータの通電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載されたバッテリにより駆動電源が供給されるモータを制御する車載用モータの通電制御装置及び車載用モータの通電制御方法、また、その通電制御装置を備えてなるパワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両内には、バッテリを電源としてモータに通電制御するための車載用モータ制御装置が多々使用されている。例えば電動パワーステアリング装置においては、運転者がハンドルに加える操舵トルクをトルクセンサで検出し、これに応じてモータをＰＷＭ制御により駆動することでステアリング機構に操舵補助力を与えるようになっている。
図６は、パワーステアリング装置に使用されるモータの負荷特性を示している。通常のハンドル操作時には、モータは低速低トルク領域で動作するが、車両の停止時にハンドルを操作する場合などの所謂「すえぎり」時には低速高トルク動作となる。また、車両の走行中において運転者が前方に障害物を認知した場合に、その障害物を避けるためハンドルを急操作するような所謂緊急回避時には、高速中トルク動作となる。
【０００３】
そして、パワーステアリング装置に使用されるモータは、これらの負荷特性を全て満たす必要があることから、図６に実線で示す回転数特性を満足するように設計される。その結果、バッテリの１２Ｖ電源という制約条件下では、モータは低電圧大電流形とならざるを得ず、モータ電流は数十Ａにも達する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、小型車だけでなく中型車や大型車に対しても電動パワーステアリング装置を搭載することが望まれ、モータやその制御装置の大出力化が求められている。しかしながら、バッテリの電流制約、例えば１００Ａ以下とする条件でモータ出力の増加を図るには限界があり、特に高速回転を必要とする緊急回避時の負荷特性を満足させることが難しい。
例えば、モータの設計を低速回転仕様とした場合に、制御により緊急回避時の負荷特性を満足させる方法としては、弱め界磁制御や昇圧制御が考えられる。しかし、弱め界磁制御では、制御中にモータの効率が低下して電流が増加するため、結局はバッテリの電流制約によって限界を来たす。また、昇圧制御についても配線損失が低減される分の出力を増加させることが出来るのみであるから、同じくバッテリの電流制約下では限界がある。
尚、出願人は、本願のような技術課題に着目した先行技術文献を発見することはできなかった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両に搭載されるバッテリを駆動電源とする前提においても、広い負荷特性に対応してモータを駆動することを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の車載用モータの通電制御装置は、車両に搭載されるバッテリと、電荷の充電及び放電が可能に構成される充放電装置との接続を、並列または直列に切替えるための接続切替え手段と、
前記バッテリと前記充放電装置との接続状態に応じて供給される電圧により、車載用モータに通電を行う通電手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
即ち、モータを比較的低速の領域で回転させる場合には、モータはバッテリ電圧のみで十分駆動することができる。従って、バッテリと充放電装置とを並列に接続することで、充放電装置をバッテリ電圧に充電しておくようにする。そして、モータを高速で回転させる必要が生じた場合には、バッテリと充放電装置とを直列に接続すればバッテリ電圧の約２倍の電圧でモータを駆動することができる。
【０００８】
また、本発明のパワーステアリング装置は、請求項１乃至９記載の車載用モータの通電制御装置を備え、モータの出力トルクによってステアリングの駆動を補助することを特徴とする。即ち、パワーステアリング装置においては、上述したように運転者が緊急回避動作を行う場合のように、モータを一時的に高回転出力にする必要が生じる。そのような場合に対応してバッテリと充放電装置とを直列に接続すれば、一時的にモータに高電圧印加して駆動することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、通常状態では充放電装置に充電を行い、必要なときに充放電装置をバッテリに直列接続して高い電圧・電力を供給することができる。従って、低速回転仕様のモータを使用できるため、定常時の電流が少なくなり、低消費電力、または高出力を実現できる。そして、パワーステアリング装置においては、運転者が緊急回避のためハンドルを急操作した場合に応じて、モータに通常よりも高い電圧を印加して高速回転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１実施例）
以下、本発明を電動パワーステアリングに応用した場合の第１実施例について図１乃至図４を参照して説明する。パワーステアリング装置１００全体の構成を示す図２において、車室内に配置されている操舵ハンドル８に一端が固定されるステアリングシャフト９の回転力は、ラックピニオン機構１０により、ラック軸の両端に連結機構１１を介して取り付けられた車輪１２の方向を変える力として伝達される。ステアリングシャフト９には、回転力を補助するための三相のブラシレスＤＣモータ４が配置されており、モータ４とシャフト９とは減速機構６を介して連結されている。
【００１１】
バッテリ１の電源は、配線１６ａ，１６ｂを経由してモータ駆動制御部３に供給される。モータ駆動制御部３は、ブラシレスモータ４の近傍に隣接または密着して配置されており、モータ４に対する通電をＰＷＭ制御するようになっている。モータ駆動制御部３には、ステアリングシャフト９に加えられるトルクを検出するトルクセンサ７の信号線１４や、モータ４の回転位置を検出するレゾルバ５の信号線１５が接続されている。
【００１２】
次に、モータ駆動制御部３の構成について図１を参照して説明する。バッテリ１に接続される入力端子３０,３１の内、正側入力端子３０は、他端が負側入力端子３１に接続されたコンデンサ３２、ダイオード３４が並列に接続されている２端子リレー（第１スイッチ，接続切換え手段）３３の固定接点３３ａ、及び３端子リレー（第２スイッチ，接続切換え手段）３５の固定接点３５ａに接続されている。２端子リレー３３の可動接点３３ｂと３端子リレー３５の可動接点３５ｃとの間には、充放電装置としての二次電池３７が接続されており、３端子リレー３５のもう１つの固定接点３５ｂは負側入力端子３１に接続されている。
【００１３】
リレー３３の可動接点３３ｂに接続される更に正側電源線と負側電源線との間には、
分圧抵抗３８及び３９の直列回路とインバータ主回路（通電手段）４０とが接続されている。インバータ主回路４０は、６個のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）４０ｕ〜４０ｚを３相ブリッジ接続して構成されており、インバータ主回路４０の出力端子はモータ駆動制御部３の出力端子４１,４２,４３に接続されている。出力端子４１,４２,４３は、夫々ブラシレスモータ４の各相巻線に接続されている。
インバータ主回路４０の出力電流を検出する電流検出回路４４が設けられており、その出力Iｕ,Iｖはマイクロコンピュータ（マイコン）４５のアナログ／デジタル変換入力端子に与えられている。また、前記分圧抵抗３８及び３９による分圧電位Ｖdcも、同様にマイコン４５のアナログ／デジタル変換入力端子に与えられている。
【００１４】
マイコン（切替え制御手段，通電制御手段）４５は、インバータ主回路４０の各ＦＥＴ４０ｕ〜４０ｚに対し、図示しないゲートドライブ回路を介してオンオフ信号を出力すると共に、２端子リレー３３及び３端子リレー３５のオンオフ信号Ｓａ,Ｓｂを出力するようになっている。また、マイコン４５には、この他、レゾルバ５の出力信号が図示しない変換器を介して信号Ｐとして与えられ、トルクセンサ７の出力信号が図示しないインターフェイス回路を介して信号Ｔとして与えられている。
【００１５】
次に、本実施例の作用について図３及び図４も参照して説明する。図３は、マイコン４５によって実行される、本発明の要旨に係る部分の処理内容を示すフローチャートである。先ず、マイコン４５は、初期状態としてオンオフ信号Ｓａ,Ｓｂにより、２端子リレー３３を閉じて（オン）、３端子リレー３５の可動接点３５ｃを固定接点３５ｂに接続（オフ）しておく（ステップＳ１）。
この時、インバータ主回路４０にはバッテリ１の端子電圧が印加される。また、二次電池３７は、入力端子３０→２端子リレー３３→二次電池３７→３端子リレー３５→入力端子３１の経路でバッテリ１に並列に接続されるため、バッテリ１の端子電圧で充電が行われることになる。
【００１６】
続いて、マイコン４５は、トルクセンサ７より出力されるトルク指令Ｔに基づいて電流指令を決定し（ステップＳ２）、電流検出回路４４により巻線電流Iｕ,Iｖを検出する（ステップＳ３）。また、レゾルバ５によりモータ４の位置信号Ｐを得て（ステップＳ４）、更に分圧抵抗３８及び３９の分圧電位よりＤＣ電圧Ｖdcを得る（ステップＳ５）。そして、電流指令と電流検出結果との差からモータに印加する例えば線間電圧Ｖｏを演算し（ステップＳ６）、ＤＣ電圧Ｖdcと線間電圧Ｖｏから、（１）式により出力デューティＤｏを演算する（ステップＳ７）。
出力デューティＤｏ＝Ｖｏ／Ｖdc        ・・・（１）
【００１７】
この出力デューティＤｏに基づき、マイコン４５内の図示しないＰＷＭ回路によりＰＷＭ信号が生成される。そして、位置信号Ｐに応じてインバータ主回路４０のゲート信号（オンオフ信号）が出力される（ステップＳ８）。それらのゲート信号によりインバータ主回路４０の各ＦＥＴ４０ｕ〜４０ｚがオンオフ制御され、ブラシレスモータ４の各相巻線にＰＷＭ電圧が供給される。以上のようにして、トルクセンサ７の信号に基づいたブラシレスモータ４への電流制御が実行される。
また、マイコン４５は、位置信号Ｐによりブラシレスモータ４の回転位置を検出しており、回転位置の変化率からブラシレスモータ４の回転数Ｎを常に把握している（ステップＳ９）。更に、その回転数Ｎの変化率に基づいて、角加速度αを演算している（ステップＳ１０）。
【００１８】
ここで、本実施例のブラシレスモータ４は、図４の（１）で示した回転数特性を有しており、通常では、この特性範囲内で動作を行っている。また、図４（１）の特性は、図６に示す従来のモータ回転数特性に比較して低速回転仕様となっており、その分、破線で示したようにモータ４の出力トルクに対する電流は小さくなっている。
【００１９】
そして、マイコン４５は、例えば次の何れかの条件が成立した場合に（ステップＳ１１〜Ｓ１３，「ＹＥＳ」）、２端子リレー３３と３端子リレー３５に対する信号Ｓａ,Ｓｂを変化させる（ステップＳ１６，Ｓ１７）。
（ステップＳ１１）ブラシレスモータ４の回転数Ｎが所定値Ａ以上に達したとき。
Ｎ≧Ａ
（ステップＳ１２）ブラシレスモータ４の回転数Ｎが所定値Ｂ（Ｂ＜Ａ）以上で角加速度αが所定値Ｃ以上のとき。
Ｎ≧Ｂ  且つ  α≧Ｃ
（ステップＳ１３）出力デューティＤｏが所定値Ｄ以上となったとき。
Ｄｏ≧Ｄ
【００２０】
これらの条件が成立する場合は、何れも、運転者によるハンドル操作が緊急回避動作の状態に近づいた場合（急ハンドルを切った場合）である、と想定される。即ち、運転者が急ハンドルを切ると、ブラシレスモータ４の回転数は急激に上昇する（Ａ）。また、ブラシレスモータ４の回転数が所定値Ａより小となる所定値Ｂであっても、ブラシレスモータ４の角加速度αが所定値Ｃ以上となるような急激な加速を示した場合も同様である。更に、マイコン４５が行う電流制御の結果得られるＰＷＭデューティＤｏについても、ブラシレスモータ４の出力を急激に上昇させるようなフィードバック制御が行われる状態は、運転者が急ハンドルを切った場合と判断することができる。そして、マイコン４５は、これらの何れかの条件が成立したときに、ステップＳ１６にて以下の動作を行う。
【００２１】
マイコン４５は、まず、信号Ｓａにより２端子リレー３３を開く（オフ，ステップＳ１６）。このとき、２端子リレー３３の代わりにダイオード３４がオンすることでインバータ主回路４０に電源の供給が継続される。次に、信号Ｓｂにより３端子リレー３５の可動接点３５ｃを固定接点３５ａ側に接続（オン，ステップＳ１７）する。この場合、入力端子３０,３１に接続されているバッテリ１と二次電池３７とが直列に接続されることになり、両電圧の和としてバッテリ電圧のほぼ２倍の電圧がインバータ主回路４０に印加される。そして、二次電池３７は、充電された電荷を放電する。
【００２２】
この時、図４において、モータ４の回転数特性は（１）から（２）に変化するため、緊急回避の負荷領域をカバーすることが出来る。運転者が車両の前方に障害物を認知してハンドルを急操作する場合である緊急回避の状態は高々数秒間継続した後に終了するため、そのとき前記３つの条件は何れも不成立（ステップＳ１１〜Ｓ１３，「ＮＯ」）となる。すると、マイコン４５は、信号Ｓｂにより３端子リレー３５を下側オンとし（ステップＳ１４）、その後に信号Ｓａにより２端子リレー３３をオンして、通常の状態に戻る（ステップＳ１５）。同時に、放電された二次電池３７の充電が再開される。
【００２３】
以上のように本実施例によれば、リレー３３及び３５によって車両に搭載されるバッテリ１と二次電池３７との接続を並列または直列に切替え、それらの接続状態に応じて供給される電圧により、インバータ主回路４０を介してブラシレスモータ４に通電を行うようにした。具体的には、パワーステアリング装置１００に適用し、通常の走行状態ではバッテリ１と二次電池３７とを並列に接続して二次電池３７を充電しておく。そして、マイコン４５は、ブラシレスモータ４の回転数Ｎが所定値Ａ以上に達したとき、または回転数Ｎが所定値Ｂ以上で角加速度αが所定値Ｃ以上のとき、または、モータ４の電流制御における出力デューティＤｏが所定値Ｄ以上となったときに、バッテリ１と二次電池３７とを直列に接続するようにした。
【００２４】
従って、マイコン４５は、運転者が車両を緊急回避させるために急ハンドル操作を行ったことを適切に判定し、バッテリ電圧の約２倍の電圧をモータ４に印加して高速で回転させることができる。そして、緊急回避に必要な高速回転は二次電池３７の放電作用によって実現するので、バッテリ１の負担が特別に増えることは無く、運転者が急ハンドル操作を行う状態は高々数秒間程度しか継続しないので、二次電池３７の容量はさほど大きくする必要も無い。また、リレー３３に並列にダイオード３４を接続したので、リレー３３を開いて二次電池３７の接続を並列から直列に切換える場合でも、ダイオード３４を介してバッテリ電圧を供給し続けることができる。
【００２５】
そして、マイコン４５は、バッテリ１の電圧を検出し、ＰＷＭ信号のデューティＤｏを、電圧指令値ＶｏをＤＣ電圧Ｖｄｃで除した値に基づいて決定するようにした。即ち、バッテリ１と二次電池３７が直列に接続されることでインバータ主回路４０への印加電圧が急激に増加するが、（１）式の演算においてＤＣ電圧Ｖｄｃを考慮することで出力デューティＤｏは即座に調節されるので、ブラシレスモータ４への出力電圧が急変することは防止される。
【００２６】
（第２実施例）
図５は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第２実施例では、正側電源線におけるリレー３３の可動接点３３ｂと二次電池３７との間に電流制限抵抗５０を挿入し、その抵抗５０に、アノードを二次電池３７の正極側としてダイオード５１を並列に接続したものである。その他の構成は第１実施例と同様である。
【００２７】
以上のように構成された第２実施例によれば、二次電池３７がバッテリ１に並列に接続された場合の充電電流を、電流制限抵抗５０によって制限することができる。そして、二次電池３７がバッテリ１に直列に接続されて放電を行う場合には、ダイオード５１がオンすることで放電電流をバイパスさせることができるので、電流制限抵抗５０によって放電電流を無用に消費することも防止できる。
【００２８】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ステップＳ１１〜Ｓ１３の何れか１つのみで判定を行っても良い。
また、ステップＳ１１〜Ｓ１３に加えて、或いはそれらに替えて、モータの角加速度が所定角加速度以上となった場合にステップＳ１６，Ｓ１７を実行しても良い。
【００２９】
本実施例では、接続切替え手段としてリレーを使用したが、例えばＦＥＴのような半導体素子に置き換えることも出来る。
第２実施例において、電流制限抵抗５０とダイオード５１とを、二次電池３７の負極側に配置しても良い。
充放電装置としては、二次電池３７に限ることなく、大容量のキャパシタを用いても良い。
パワーステアリング装置１００に限ることなく、車載用のモータを駆動制御するもので、一時的に高速回転を行う場合が想定される駆動系であれば適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明をパワーステアリング装置に適用した場合の第１実施例であり、モータ駆動制御部の構成を示す図
【図２】パワーステアリング装置全体の構成を示す図
【図３】モータ駆動制御部のマイコンによって実行される、本発明の要旨に係る部分の処理内容を示すフローチャート
【図４】パワーステアリング装置に使用されるモータの負荷特性を示す図
【図５】本発明の第２実施例を示す図１相当図
【図６】従来技術を示す図４相当図
【符号の説明】
【００３１】
図面中、１はバッテリ、３はモータ駆動制御部、４はブラシレスＤＣモータ、３３は２端子リレー（第１スイッチ，接続切換え手段）、３４はダイオード、３５は３端子リレー（第２スイッチ，接続切換え手段）、３７は二次電池（充放電装置）、４０はインバータ主回路（通電手段）、４５はマイクロコンピュータ（切換え制御手段，通電制御手段）、５０は電流制限抵抗、５１はダイオード、１００はパワーステアリング装置を示す。
【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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