JP2014121896A

JP2014121896A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2014121896A
Application number: JP2012277961A
Authority: JP
Inventors: Motoo Nakai; 基生中井
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-03
Also published as: EP2746136A1; CN103879443A; EP2746136B1; US9038764B2; US20140174844A1

Abstract

【課題】車両の衝突時に感電を回避し、操舵アシストを持続し安全に退避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】ＥＣＵ６の内部に設けられるモータ制御回路は、電源リレー１１、コンバータ部１４、平滑コンデンサ１２、制御回路１５、およびモータ駆動回路１３を備え、高圧電源であるバッテリ１００および電動モータ１に接続されている。バッテリ１００は、高電圧（例えば、２８８Ｖなど）の走行用バッテリが接続されている。コンバータ部１４内の降圧回路１６は、この高電圧を低電圧（例えば、３６Ｖなど）に降圧して、低圧蓄電装置１７を充電し、モータ駆動回路１３に駆動電力を供給している。車両の衝突が発生した場合、検出された加速度の値により制御回路１５が衝突と認識すると平滑コンデンサ１２の電圧が低下後に電源切換リレー１８をオンし低圧蓄電装置１７側に切り換え、低電圧がモータ駆動回路１３に接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、運転者の操舵力に対して電動モータ等を利用して補助操舵力を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）が広く使用されている。また、近年、二次電池やキャパシタなどの蓄電装置を搭載し、この蓄電装置に蓄えられた電力から生じる駆動力を用いて走行する、例えば、電気自動車やハイブリッド車といった電動車両において、電動パワーステアリング装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１４３４８３号公報

このような電動車両において、大容量の蓄電機構である高電圧の走行用バッテリを用いて電動パワーステアリング装置に電力を直接供給する場合がある。ところが、上記のような電動パワーステアリング装置を設けたハイブリッド車両において、車両走行中に衝突が発生した場合に高電圧による感電の危険を回避するため、電動パワーステアリング装置への電源供給を停止する必要がある。しかしながら、車輪の駆動を停止させるとステアリング操作が続行できなくなり、車両の退避走行をおこなうことができない可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両の衝突時に感電を回避し、操舵アシストを持続し安全に退避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。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置は、高圧電源と、車両のステアリング機構に与える操舵補助力を発生させる電動モータと、複数のスイッチング素子を含み、前記電動モータに駆動電流を供給するモータ駆動回路と、前記モータ駆動回路を制御する制御回路と、前記高圧電源と前記モータ駆動回路との間の接続を開閉する電源リレーと、前記モータ駆動回路に電力を供給するコンバータ部と、電流リップル吸収用の平滑コンデンサと、を備え、前記コンバータ部は、前記高圧電源を低電圧に降圧する降圧回路と、前記降圧回路を介して充電される低圧蓄電装置と、前記低圧蓄電装置と前記モータ駆動回路との間に設けられ断接可能なスイッチと、を有し、車両の衝突検知時に、前記低圧蓄電装置から電力を前記モータ駆動回路に供給することを要旨とする。

上記構成によれば、高圧電源を用いた電動パワーステアリング装置を搭載した車両の衝突が発生した場合、コンバータ部がモータ駆動回路に供給する電源電圧を高圧電源から降圧回路により低電圧に降圧した低圧蓄電装置に切り換えるので、運転者の感電事故の発生を回避し、電動パワーステアリング装置を停止させることなくステアリング操作を継続できる。これにより、車両を安全に移動し退避させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、前記制御回路は、車両に設置された加速度センサからの検出信号に基づいて衝突を検知し、前記電源リレーをオフすることを要旨とする。上記構成によれば、制御回路は、加速度センサからの加速度検出信号に基づいて車両の衝突を検知し、電源リレーをオフする。これにより、高圧電源を遮断するので、運転者の感電事故の発生を回避し、車両を安全に移動し退避させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電動パワーステアリング装置において、前記制御回路は、車両の衝突検知時に、前記電源リレーがオフされた後に、前記平滑コンデンサの電圧を前記降圧回路および前記モータ駆動回路を用いて放電させ、所定の電圧値より小さくなったとき、前記スイッチをオンして前記低圧蓄電装置に切り換えることを要旨とする。上記構成によれば、平滑コンデンサの両端電圧が低下した後に、低圧蓄電装置に切り換えモータ駆動を継続させるので、確実に運転者の安全を確保することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、前記制御回路は、前記低圧蓄電装置に切換移行後においては、前記電動モータの電流制限値を大きくすることを要旨とする。上記構成によれば、低圧蓄電装置駆動時に電動モータに流れる電流値を大きくすることができるので、スムーズなステアリング操作が可能となる。

本発明によれば、車両の衝突時に感電を回避し、操舵アシストを持続し安全に退避できる電動パワーステアリング装置を提供できる。

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概略構成を示す模式図。電動パワーステアリング装置に含まれるモータ制御回路のブロック図。図２の降圧回路を示す構成図。モータ制御回路で実行される車両衝突時の処理手順を示すフローチャート。

次に、本発明の実施形態に係る車両に搭載される電動パワーステアリング装置について、図に基づいて説明する。
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の概略構成を示す模式図である。図１に示す電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ１、減速機２、トルクセンサ３、車速センサ４、モータ回転角センサ５（以下、回転角センサという）、および電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）６を備えたコラムアシストタイプの電動パワーステアリング装置である。

図１に示すように、ステアリングシャフト１０２の一端にはステアリングホイール１０１が固着されており、ステアリングシャフト１０２の他端はラックアンドピニオン機構１０３を介してラック軸１０４に連結されている。ラック軸１０４の両端は、タイロッドおよびナックルアームからなる連結部材１０５を介して車輪１０６に連結されている。運転者がステアリングホイール１０１を回転させると、ステアリングシャフト１０２が回転し、これにともないラック軸１０４は往復運動を行う。ラック軸１０４の往復運動にともない、車輪１０６の向きが変わる。

電動パワーステアリング装置１０は、運転者の負荷を軽減するために、以下に示す操舵補助を行う。トルクセンサ３は、ステアリングホイール１０１の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクτを検出する。車速センサ４は、車速Ｖを検出する。回転角センサ５は、電動モータ１のロータの回転位置（モータ回転角）θを検出する。回転角センサ５は、例えばレゾルバで構成されている。

一方、ＥＣＵ６には、操舵角検出手段を構成する操舵角センサ（図示せず）や車両にかかる横方向加速度を検出する加速度センサ（例えば、圧電型、容量型など）８が接続されている。そして、ＥＣＵ６は、各センサの出力信号に基づいて、操舵角θｓおよび加速度Ｇを検出する。

また、ＥＣＵ６は、車載バッテリ（以下、バッテリという）１００から電力の供給を受け、操舵トルクτ、車速Ｖおよびモータ回転角θに基づき電動モータ１を駆動する。電動モータ１は、ＥＣＵ６によって回転駆動されると、操舵補助力を発生させる。減速機２は、電動モータ１とステアリングシャフト１０２との間に設けられる。電動モータ１で発生した操舵補助力は、減速機２を介して、ステアリングシャフト１０２を回転させるように作用する。ここで、電動パワーステアリング装置１０の定格電圧が車両の主電源としての走行用バッテリの定格電圧と同じ程度の場合に、バッテリ１００として、電気自動車やハイブリッド車の走行用モータに電力を供給する高電圧の走行用バッテリが接続されている。

この結果、ステアリングシャフト１０２は、ステアリングホイール１０１に加えられる操舵トルクτと、電動モータ１で発生した操舵補助力の両方によって回転する。このように電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ１で発生した操舵補助力を車両のステアリング機構に与えることにより操舵補助を行う。

図２は、電動パワーステアリング装置１０に含まれるモータ制御回路のブロック図である。図２に示すモータ制御回路は、電源リレー１１、コンバータ部１４、平滑コンデンサ１２、制御回路１５、モータ駆動回路１３を備え、このモータ制御回路は、ＥＣＵ６の内部に設けられ、高圧電源であるバッテリ１００および電動モータ１に接続されている。なお、制御回路１５の電源となる制御電圧（例えば、１２Ｖ）＋Ｂは、バッテリ１００からＤＣ／ＤＣコンバータなどを介して生成されている。

図２において、電動モータ１は、３相の巻線（Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線）を有する３相ブラシレスモータである。電源リレー１１は、ＥＣＵ６の外部に配置され平滑コンデンサ１２およびモータ駆動回路１３をバッテリ１００に接続するか否かを切り替える電源スイッチである。電源リレー１１は、電動パワーステアリング装置１０の動作時にはオン状態（導通状態）、停止時にはオフ状態（非導通状態）となる。また、電動パワーステアリング装置１０において、電源リレー１１は高電圧のバッテリ１００の近傍に配置され、衝突により発生するバッテリ１００の断線や車体との短絡を防止するよう構成されている。

モータ駆動回路１３は、スイッチング素子として、６個のＭＯＳ−ＦＥＴ（図示せず）を含んでいる。これら６個のＭＯＳ−ＦＥＴを２個ずつ直列に接続して形成された３つの回路は、電源線１９とアース線２０との間に並列に設けられている。ＭＯＳ−ＦＥＴのそれぞれの接続点は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線の一端に直接接続されている。そして、電動モータ１の３相の巻線の他端は、共通の接続点（中性点）に接続されている。

制御回路１５は、モータ駆動回路１３に含まれる６個のＭＯＳ−ＦＥＴを制御する。より具体的には、制御回路１５には、操舵トルクτ、車速Ｖおよびモータ回転角θが入力され、制御回路１５はこれらのデータに基づき、電動モータ１に供給すべき３相の駆動電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、およびＷ相電流）の目標値（目標電流）を決定し、電流センサにより検出した電流（各相電流値）を目標電流に一致させるためのＰＷＭ信号を出力する。制御回路１５から出力された各相のＰＷＭ信号は、モータ駆動回路１３に含まれる６個のＭＯＳ−ＦＥＴのゲート端子にそれぞれ供給されている。

平滑コンデンサ１２は、電源線１９とアース線２０との間に設けられている。平滑コンデンサ１２は電荷を蓄積し、バッテリ１００からモータ駆動回路１３に流れる電流が不足するときには蓄積した電荷を放電する。このように、平滑コンデンサ１２は、電流リップルを吸収し電動モータ１を駆動するための電源電圧を平滑するコンデンサとして機能している。

また、本実施形態の電動パワーステアリング装置１０では、電源リレー１１がオフ状態となった後、平滑コンデンサ１２に蓄積された電荷は、降圧回路１６、すなわち後述する図３中のスイッチング素子Ｑ１、リアクトルＬ１の回路、およびモータ駆動回路１３内のオン状態のＭＯＳ−ＦＥＴを通って放電される。このとき、スイッチング素子Ｑ１は、スイッチング動作により降圧変換を行って低圧蓄電装置１７を充電し、電動モータ１の巻線には電流を流さないようにしている。

コンバータ部１４は、降圧回路１６、低圧蓄電装置１７、および電源切換リレー（スイッチ）１８からなり、降圧回路１６は、平常時、電源リレー１１を介してバッテリ１００の高電圧を低電圧に降圧し、低圧蓄電装置１７を充電している。低圧蓄電装置１７として、例えばキャパシタなどの補助電源を用いることができる。

また、制御回路１５には、車両に設置された加速度センサ８（図１参照）から検出された加速度Ｇ信号が入力され、この加速度Ｇの値から車両の衝突が検知される。バッテリ１００は、電気自動車やハイブリッド車の走行用モータを駆動するための高電圧（例えば、２８８Ｖなど）の走行用バッテリ（例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池など）が接続されている。降圧回路１６は、この高電圧（直流電圧ＶＨ）を低電圧（直流電圧ＶＬ、例えば、３６Ｖなど）に降圧し、電源切換リレー１８がオンに切り換えられることにより、モータ駆動回路１３に駆動電力が供給される。なお、車両の衝突が検知されても、電源切換リレー１８は平滑コンデンサ１２の両端電圧（電源線１９、アース線２０間）が所定の電圧値以下になるまでオンされないようになっている。

以上のように、平常時は、バッテリ１００から高電圧が直接モータ駆動回路１３に接続されているが、車両の衝突が発生した場合、加速度センサ８から出力される加速度Ｇの値により制御回路１５が衝突と認識すると、降圧回路１６側の直流電圧ＶＬに切り換えられ、低圧蓄電装置１７がモータ駆動回路１３に接続される。なお、衝突時の加速度Ｇは、通常の急発進、急加速に比べはるかに大きいため、加速度センサ８からの信号により容易に区別が可能となっている、

次に、図３は、図２の降圧回路を示す構成図である。降圧回路１６は、リアクトルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子（以下、スイッチング素子という）Ｑ１，Ｑ２と、平滑用コンデンサ（以下、コンデンサという）Ｃ１，Ｃ２とを含んでいる。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、電源線１９およびアース線２０の間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン・オフは、ＥＣＵ６からのスイッチング制御信号によって制御される。本実施形態において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴなどを用いることができる。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の内部には、逆並列された寄生ダイオードが形成されている。リアクトルＬ１は、一端がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続され、コンデンサＣ１、Ｃ２は、スイッチング素子Ｑ１側の電源線１９およびリアクトルＬ１の他端と、アース線２０との間にそれぞれ接続されている。

そして、ＥＣＵ６（図２参照）からスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲート端子にそれぞれ供給されるスイッチング制御信号に応答して、スイッチング素子Ｑ１のみがオンする期間と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の両方がオフする期間とが交互に設けられる。降圧回路１６は、上記オン期間のデューティ比に応じた降圧比に基づいて、平常時、バッテリ１００から供給された直流電圧ＶＨを直流電圧ＶＬに降圧して、低圧蓄電装置１７を充電している。

次に、図４は、モータ制御回路で実行される車両衝突時の処理手順を示すフローチャートである。本実施形態おいて、制御回路１５は、図４のフローチャートに示すステップ４０１〜ステップ４０７の各処理を実行する。なお、以下に示すフローチャートにおける処理は、所定の時間間隔毎に実行される。図４に示すように、ＥＣＵ６内の制御回路１５のＣＰＵ（図示せず）は加速度センサ８により検出された加速度Ｇを取得する（ステップＳ４０１）。

次に、検出された加速度Ｇが所定値以上か否か（ステップＳ４０２）を判定する。加速度Ｇが所定値以上（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）の場合、車両の衝突が発生したと判断し、ステップＳ４０３へ移行し高電圧から低電圧駆動への切り換え処理を実行する。加速度Ｇが所定値より小さい（ステップＳ４０２：ＮＯ）場合、処理を終了しフローを抜ける。

続いて、ＣＰＵは、バッテリ１００の直流電圧ＶＨが所定値以下か否か（ステップ４０４）を判定する。直流電圧ＶＨが所定値より大きい（ステップＳ４０４：ＮＯ）場合、平滑コンデンサ１２の電圧をモータ駆動回路１３を経由して放電させる。直流電圧ＶＨが所定値以下（ステップＳ４０４：ＹＥＳ）の場合、コンバータ部１４内の電源切換リレー１８をオンし、電源線１９を直流電圧ＶＬ側に切り換える（ステップＳ４０６）。これにより、低圧蓄電装置１７が有効となり、モータ駆動回路１３に低電圧が入力される。

次に、ＣＰＵは、低電圧駆動に移行後の電動モータ１の各相電流の電流制限値を高電圧駆動時の設定値より大きくし（ステップＳ４０７）、この処理を終了する。これにより、電動モータ１に供給する３相の駆動電流の目標値を大きく設定し、より大きなモータトルクが発生するような電流指令値を出力することができる。

次に、上記のように構成された本実施形態である電動パワーステアリング装置１０の作用および効果について説明する。

上記構成によれば、高圧電源のバッテリ１００を用いた電動パワーステアリング装置１０を搭載した車両の衝突が発生した場合、モータ制御回路を構成するＥＣＵ６内の制御回路１５は、モータ駆動回路１３に供給する電源電圧をバッテリ１００の高電圧から降圧回路１６の出力電圧である低電圧が供給される低圧蓄電装置１７に切り換える。このとき、低圧蓄電装置１７は、平常時降圧回路１６を介して充電されており、電源リレー１１がオフされた後に電源切換リレー１８がオンされ、低圧蓄電装置１７からモータ駆動回路１３に駆動電力が供給される。ここで、制御回路１５内のＣＰＵは、加速度センサ８からの検出信号（加速度Ｇ）に基づいて車両の衝突を検知し電動モータ１を低電圧駆動に切り換えることが可能となる。さらに、電動モータ１の各相電流の電流制限値を大きくすることにより、低電圧駆動時に電動モータ１に流れる電流値を増大させアシスト力の発生を大きくすることができる。

これにより、高圧電源を用いた電動パワーステアリング装置１０を設けた電動車両の走行中に車両の衝突が発生した場合でも、運転者の感電事故の発生を回避し、電動パワーステアリング装置１０の操舵アシストを停止させることなくスムーズなステアリング操作を継続することができる。その結果、確実に感電を防止し運転者の安全を確保することができるとともに、車両を安全に移動し退避させることができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、車両の衝突時に感電を回避し、操舵アシストを持続し安全に退避できる電動パワーステアリング装置を提供できる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、車両に設置された加速度センサ８により衝突を検知するようにしたが、これに限らず、エアバッグの作動により衝突を検知してもよいし、他の衝突検出信号による方法を用いてもよい。

上記実施形態では、電源リレー１１がオフされた後に、直流電圧ＶＨを検出して低圧蓄電装置１７に切り換えるようにしたが、他の方法により電圧低下を検出してもよい。例えば、電圧センサにより平滑コンデンサ１２の両端電圧を検出、あるいは、ＥＣＵ６入力部に設けた電源フィルタ回路において、フィルタコイルの両端電圧を検出することにより、モータ駆動電圧（電源線１９、アース線２０間）が所定値以下に低下したことを判断することができる。

上記実施形態では、電源リレー１１および電源切換リレー１８に通常のリレー（機械式）を用いてオン・オフ制御するようにしたが、これに限らず、双方向遮断可能な半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴの複数使用など）を用いてオン、オフ動作させるようにしてもよい。

上記実施形態では、高圧電源のバッテリ１００から低圧蓄電装置１７を生成し、衝突時に低電圧に切り換えるようにしたが、これに限らず、補助バッテリなどの低圧電源を用いて切り換えるようにしてもよい。また、衝突検知と並行して、バッテリ１００の電源電圧の供給停止を検知したことにより、直流電圧ＶＬに切り換えるようにしてもよい。

上記実施形態において、降圧回路１６の平滑用のコンデンサＣ２を低圧蓄電装置１７として用いてもよい。

上記実施形態では、電動パワーステアリング装置１０として、いわゆるコラムアシストタイプを例に挙げて説明したが、これに限らず、ピニオンアシストタイプやラックアシストタイプの電動パワーステアリング装置に適用してもよい

１：電動モータ、２：減速機、３：トルクセンサ、４：車速センサ、５：回転角センサ、
６：ＥＣＵ、８：加速度センサ、１０：電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、１１：電源リレー、１２：平滑コンデンサ、１３：モータ駆動回路、１４：コンバータ部、
１５：制御回路、１６：降圧回路、１７：低圧蓄電装置、１８：電源切換リレー（スイッチ）、１９：電源線、２０：アース線、１００：バッテリ（高圧電源）、１０１：ステアリングホイール、１０２：ステアリングシャフト、１０３：ラックアンドピニオン機構、
１０４：ラック軸、１０５：連結部材、１０６：車輪、τ：操舵トルク、Ｖ：車速、θ：モータ回転角、Ｇ：加速度、θｓ：操舵角、＋Ｂ：制御電圧、ＶＨ，ＶＬ：直流電圧、
Ｑ１，Ｑ２：スイッチング素子、Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ、Ｌ１：リアクトル

Claims

高圧電源と、
車両のステアリング機構に与える操舵補助力を発生させる電動モータと、
複数のスイッチング素子を含み、前記電動モータに駆動電流を供給するモータ駆動回路と、
前記モータ駆動回路を制御する制御回路と、
前記高圧電源と前記モータ駆動回路との間の接続を開閉する電源リレーと、
前記モータ駆動回路に電力を供給するコンバータ部と、
電流リップル吸収用の平滑コンデンサと、を備え、
前記コンバータ部は、前記高圧電源を低電圧に降圧する降圧回路と、前記降圧回路を介して充電される低圧蓄電装置と、前記低圧蓄電装置と前記モータ駆動回路との間に設けられ断接可能なスイッチと、を有し、車両の衝突検知時に、前記低圧蓄電装置から電力を前記モータ駆動回路に供給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１に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記制御回路は、車両に設置された加速度センサからの検出信号に基づいて衝突を検知し、前記電源リレーをオフ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に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記制御回路は、車両の衝突検知時に、前記電源リレーがオフされた後に、前記平滑コンデンサの電圧を前記降圧回路および前記モータ駆動回路を用いて放電させ、所定の電圧値より小さくなったとき、前記スイッチをオンして前記低圧蓄電装置に切り換え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１〜３のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記制御回路は、前記低圧蓄電装置に切換移行後においては、前記電動モータの電流制限値を大きくすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。