(57)【要約】【課題】補助電源の高電圧化を抑制しつつ、供給可能な電力を増大させる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】バッテリ７の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１０によって昇圧し、これを通常の電圧としてモータ駆動回路５に供給するとともに、この電圧にさらに補助電源９の電圧を加えてモータ駆動回路５に供給可能な回路構成とする。従って、通常でもバッテリ７の電圧を超える高い電圧で大電力の供給を行うことができ、しかも、補助電源９を使用すればさらに高い電圧で、さらに大きな電力の供給を行うことができる。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を用いて通常の電圧を高く設定すれば、大電力が必要であっても、補助電源９に求められる電圧は、さほど高くなくてもよいことになる。【選択図】図２
2009159756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
バッテリと、
前記バッテリの電圧を昇圧した第１の電圧で前記モータに電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に対して直列に接続され、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、
前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
前記補助電源を充電するとともに、前記第１の電圧を前記モータ駆動回路に導く第１の出力状態と、前記第１の電圧に前記補助電源の電圧を加えた第２の電圧を前記モータ駆動回路に導く第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、
必要とされる操舵補助力に応じて、前記充放電回路に、前記第１の出力状態及び前記第２の出力状態のいずれか一方を選択させる制御回路と
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。
【請求項２】
前記第１の電圧を前記モータ駆動回路に導く電路と、前記第２の電圧を前記モータ駆動回路に導く電路にはそれぞれスイッチング素子が設けられており、
前記制御回路は、これらのスイッチング素子を交互にオン状態とするとともに、オフ状態からオン状態又はその逆の切替時においては、ＰＷＭ制御により徐々に、一方のスイッチング素子をオン状態からオフ状態に、他方のスイッチング素子をその逆に、それぞれ動作させる請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
電動パワーステアリング装置は、運転者の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、より大きな電力をモータに供給しなければならない。しかし、バッテリだけでは、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、バッテリとは別に補助電源を設け、通常はバッテリのみで対応し、より大きな電力を必要とするときはバッテリと補助電源とを互いに直列に接続した高電圧により、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。）。補助電源としては、例えば電気二重層コンデンサが用いられる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８７２２２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の電動パワーステアリング装置において、さらなる大電力の要請に応じるには、補助電源の電圧を高くしなければならない。また、電圧を高くするには当然に、補助電源全体としての耐圧を確保しなければならない。ところが、電気二重層コンデンサの１セルは耐圧が小さいため、所望の耐圧を確保するには、セルを直列に多段接続しなければならない。しかし、多段に接続すると補助電源全体としての内部抵抗が増大する。内部抵抗が増大すると、電力損失が多くなり、発熱も大きくなるので、好ましくない。
【０００５】
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、補助電源の高電圧化を抑制しつつ、供給可能な電力を増大させる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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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であって、バッテリと、前記バッテリの電圧を昇圧した第１の電圧で前記モータに電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に対して直列に接続され、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、前記モータを駆動するモータ駆動回路と、前記補助電源を充電するとともに、前記第１の電圧を前記モータ駆動回路に導く第１の出力状態と、前記第１の電圧に前記補助電源の電圧を加えた第２の電圧を前記モータ駆動回路に導く第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、必要とされる操舵補助力に応じて、前記充放電回路に、前記第１の出力状態及び前記第２の出力状態のいずれか一方を選択させる制御回路とを備えたものである。
【０００７】
上記のように構成された電動パワーステアリング装置においては、充放電回路が第１の出力状態にあるときは、ＤＣ／ＤＣコンバータによって、バッテリの電圧より高い第１の電圧がモータ駆動回路に供給される。一方、充放電回路が第２の出力状態にあるときは、第１の電圧に補助電源の電圧を加えた第２の電圧が、モータ駆動回路に供給される。従って、通常でもバッテリの電圧を超える高い電圧で大電力の供給を行うことができ、しかも、補助電源を使用すればさらに高い電圧で、さらに大きな電力の供給を行うことができる。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて通常の電圧を高く設定することにより、大電力が必要であっても、補助電源に求められる電圧は、さほど高くなくてもよいことになる。
【０００８】
また、上記電動パワーステアリング装置において、第１の電圧をモータ駆動回路に導く電路と、第２の電圧をモータ駆動回路に導く電路にはそれぞれスイッチング素子が設けられており、制御回路は、これらのスイッチング素子を交互にオン状態とするとともに、オフ状態からオン状態又はその逆の切替時においては、ＰＷＭ制御により徐々に、一方のスイッチング素子をオン状態からオフ状態に、他方のスイッチング素子をその逆に、それぞれ動作させるようにしてもよい。
この場合、ＰＷＭ制御によって、２つのスイッチング素子の状態反転を徐々に行うことにより、電源切換時の急激な電圧変化を抑制して、モータのトルク変動を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電動パワーステアリング装置によれば、通常でもバッテリの電圧を超える高い電圧で大電力の供給を行うことができ、しかも、補助電源を使用すればさらに高い電圧で、さらに大きな電力の供給を行うことができる。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて通常の電圧を高く設定することにより、大電力が必要であっても、補助電源に求められる電圧は、さほど高くなくてもよいことになる。すなわち、補助電源の高電圧化を抑制しつつ、供給可能な電力を増大させる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ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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概略構成を示す回路図であり、特に、主回路（制御回路以外）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（ハンドル）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とが図示のように接続されたものである。モータ駆動回路５には、平滑用の電解コンデンサ６が並列に接続されている。バッテリ７からモータ駆動回路５への電力供給は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０、充放電回路８及びリアクトル１４を介して行われる。
補助電源９は、上記バッテリ７とは別に設けられ、充放電回路８に接続されている。補助電源９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いる。
【００１１】
図２は、図１に加えて、充放電回路８の具体的な構成の他、制御用の回路要素や回路接続を記載した回路図である。図において、モータ駆動回路５内のＭＯＳ−ＦＥＴ５１〜５６（図１）は、ゲート駆動回路（例えばＦＥＴドライバである。以下同様。）１１によってスイッチングされる。なお、このゲート駆動回路１１や、後述の他のゲート駆動回路１７には、バッテリ７の電圧に基づく制御電源電圧を昇圧回路（図示せず。）で昇圧した電圧が付与されるようになっている。
【００１２】
バッテリ７の電圧（例えば１２Ｖ）は、開閉制御可能なスイッチとしてのリレー接点１２を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、バッテリ７の電圧を、一定の電圧（例えば３４Ｖ）に昇圧する。この電圧は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３が介挿された電路Ｌ１並びに電流検出器１６及びリアクトル１４が介挿された電路Ｌ３を経て、モータ駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ１３はＮチャネルであり、ソースがＤＣ／ＤＣコンバータ１０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１３ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０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。
【００１３】
補助電源９は、電路Ｌ１と、他の電路Ｌ２との間に設けられている。補助電源９の高電位側（例えば４６Ｖ）の電路Ｌ２は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５を介して、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３のドレインと電流検出器１６との接続点に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ１５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９側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード１５ｄは、補助電源９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。
また、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３及び１５は、ゲート駆動回路１７により、交互にオン状態となるように駆動される。
【００１４】
一方、電路Ｌ１には、リアクトル１８を介してダイオード１９のアノードが接続されている。また、ダイオード１９のカソードは補助電源９の高電位側の電路Ｌ２に接続されている。ダイオード１９のアノードと接地側電路ＬＧとの間には、ＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ２０が設けられている。ＭＯＳ―ＦＥＴ２０は、ゲート駆動回路２１により駆動される。
【００１５】
上記のＭＯＳ−ＦＥＴ１３、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５、ゲート駆動回路１７、リアクタンス１８、ダイオード１９、ＭＯＳ−ＦＥＴ２０、及び、ゲート駆動回路２１は、図１における充放電回路８を構成している。この充放電回路８は、補助電源９を充電するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力する第１の電圧（例えば３４Ｖ）をモータ駆動回路５に導く第１の出力状態と、第１の電圧に補助電源９の電圧を加えた第２の電圧（例えば４６Ｖ）をモータ駆動回路５に導く第２の出力状態とを選択的に構成する。
【００１６】
上記ゲート駆動回路１１，１７，２１及び、リレー接点１２は、マイクロコンピュータを含む制御回路２２の指令信号を受けて動作する。この制御回路２２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２３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２４の出力信号が、制御回路２２に入力される。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２５が設けられており、その出力信号が制御回路２２に入力される。
【００１７】
一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力側には、電圧検出器２６が並列に接続されている。電圧検出器２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力する電圧Ｖｄを検出してその出力信号を制御回路２２に入力する。また、補助電源９には、電圧検出器２７が並列に接続されている。電圧検出器２７は、補助電源９の電圧（端子間電圧）Ｖｃを検出してその出力信号を制御回路２２に入力する。電流検出器１６は、モータ駆動回路５に供給される電流Ｉを検出してその出力信号を制御回路２２に入力する。
【００１８】
上記のように構成された電動パワーステアリング装置１において、バッテリ７の電圧が正常で、制御回路２２が正常に動作しているとき、リレー接点１２は、制御回路２２からの指令信号により、オン（閉）の状態となっている。従って、バッテリ７の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１０で昇圧され、昇圧後の電圧が電路Ｌ１に印加されている。制御回路２２は、電圧検出器２６及び電流検出器１６から送られてくる電圧Ｖｄ及び電流Ｉを乗算して、現時点で実際に使用されている電力Ｐ（＝Ｖｄ・Ｉ）を求める。そして、電力Ｐが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の最大出力Ｐmax以下であれば、制御回路２２の指令信号により、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３がオン状態、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５がオフ状態となり（第１の出力状態）、電圧Ｖｄが、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３及びリアクトル１４を介して、モータ駆動回路５に供給される。
【００１９】
制御回路２２は、トルクセンサ２３から送られてくる操舵トルク信号、車速センサ２４から送られてくる車速信号、及び、角度センサ２５から送られてくるロータ角度位置信号に基づいて、必要な操舵補助力を発生させるべく、ゲート駆動回路１１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。すなわち、上記電力Ｐは、必要とされる操舵補助力に応じて変化するものであり、言い換えれば、必要とされる操舵補助力を反映したものとなる。
なお、オン状態のときの、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ１３のオン抵抗は、寄生ダイオード１３ｄの順方向抵抗に比べて格段に小さい（例えば１ｍΩ程度）ため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０からモータ駆動回路５に流れる電流の大部分は、ソースからドレインを通り、寄生ダイオード１３ｄに流れる電流は僅かである。
【００２０】
一方、ＭＯＳ−ＦＥＴ２０がオン状態のときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０からリアクトル１８及びＭＯＳ−ＦＥＴ２０を通って電流が流れる。その状態からＭＯＳ−ＦＥＴ２０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１８に発生し、これにより、ダイオード１９を介して、補助電源９が充電される。従って、ＭＯＳ−ＦＥＴ２０のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源９を充電することができる。制御回路２２は、補助電源９の電圧Ｖｃ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２１を介してＭＯＳ−ＦＥＴ２０をオン・オフさせ、補助電源９を充電する。この充電は、例えば、トルクセンサ２３が操舵トルクを検出していないときに行われる。
【００２１】
次に、現時点で実際に使用されている電力Ｐが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の最大出力Ｐmaxを超えるとき、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のみでは過負荷になるときは、制御回路２２はＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５をオン状態とする（第２の出力状態）。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０と補助電源９とが互いに直列に接続された状態で、その出力電圧（Ｖｄ＋Ｖｃ）がモータ駆動回路５に供給される。これにより、バッテリ７のみ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−ＦＥＴ１３の寄生ダイオード１３ｄ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９からの電流が電路Ｌ１に流入することは、阻止される。
【００２２】
第２の出力状態において実際に使用されている電力Ｐは、Ｐ＝（Ｖｄ＋Ｖｃ）・Ｉで求められる。
その後、電力Ｐが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の最大出力Ｐmax以下になったときは、再び、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３がオン状態、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５がオフ状態となる。
【００２３】
上記のような電動パワーステアリング装置１によれば、通常でもバッテリ７の電圧を超える高い電圧（Ｖｄ）で大電力の供給を行うことができ、しかも、補助電源９を使用すればさらに高い電圧（Ｖｄ＋Ｖｃ）で、さらに大きな電力の供給を行うことができる。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を用いて通常の電圧を高く設定することにより、大電力が必要であっても、補助電源９に求められる電圧は、さほど高くなくてもよいことになる。すなわち、補助電源９の高電圧化を抑制しつつ、供給可能な電力を増大させることができる電動パワーステアリング装置１を提供することができる。また、逆に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０にとっては、補助電源９が設けられていることによって、昇圧負担を全て引き受ける必要はなく、その分、出力（容量）を抑え、製品コストを抑えることができる。
【００２４】
なお、上記実施形態において、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３及びＭＯＳ−ＦＥＴ１５を交互にオン状態とする際、瞬時にオン・オフを切り替えてもよいが、ゲート駆動回路１７のＰＷＭ制御により、徐々に切り替えることもできる。図３は、このような切替の一例を示すタイムチャートである。図３は、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ１３，１５の状態を反転させ、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５をオン状態とする過程を示している。すなわち、瞬時に状態を反転完了させるのではなく、ゲート駆動回路１７のＰＷＭ制御により、図示のようにＭＯＳ−ＦＥＴ１３は徐々にデューティが小さくなってオンからオフへ、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５は徐々にデューティが大きくなってオフからオンへ移行させる。また、この過渡的状態においても両者の状態は常にオン・オフが逆の関係にある。
【００２５】
上記のように２つのＭＯＳ−ＦＥＴ１３，１５の状態反転を徐々に行うことにより、電源切換時の急激な電圧変化（例えば３４Ｖから４６Ｖ、又はその逆）を抑制して、モータ４のトルク変動を抑制することができる。
また、再び、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３をオン状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５をオフ状態とする反転動作についても、同様である。
【００２６】
なお、上記実施形態では、補助電源９を使用するか否かの判断を、実際に検出した電力（電圧Ｖｄ又はＶｄ＋Ｖｃと、電流Ｉとの積）に基づいて行っているが、操舵トルクや車速から必要な操舵補助力を得るために必要な電力を推定し、それに基づいて判断を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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、電気回路を主体とした概略構成を示す回路図であり、特に、主回路（制御回路以外）を示す回路図である。
【図２】図１に加えて、充放電回路の具体的な構成の他、制御用の回路要素や回路接続を記載した回路図である。
【図３】２つのＭＯＳ−ＦＥＴの状態反転を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００２８】
１    電動パワーステアリング装置
４    モータ
５    モータ駆動回路
７    バッテリ
８    充放電回路
９    補助電源
１０    ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２    制御回路
【図１】
2009159756.tif 000003
【図２】
2009159756.tif 000004
【図３】
2009159756.tif 000005