CN101143597A - 电动动力转向控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电动动力转向控制装置可以维持行驶中进行了转向时的操作感觉，同时可以对停止时或者低速行驶时的转向确保必要的助力。在控制对方向盘的转向提供助力的电动机的电动动力转向控制装置中，在用于减弱电动机的磁场而使电动机输出提高的减弱磁场控制单元(5)中设置用于切换输出的切换单元(54)，在车速(S)低于阈值(Sx)的情况下，输出基于扭矩电流指令值(I)和电动机转速(ω)计算的减弱磁场指令值(Im)，在车速(S)为阈值(Sx)以上的情况下，不输出减弱磁场指令值(Im)。

Description

电动动力转向控制装置

技术领域

本发明涉及被安装在车辆上的电动动力转向控制装置，特别涉及用于使电动机输出提高的减弱磁场控制技术。

背景技术

电动动力转向装置是驾驶员在对车辆的方向盘进行转向时，通过电动式电动机提供助力(转向辅助力)的装置。图11是表示一例电动动力转向装置的***结构图。在图中，14是产生助力的电动式电动机，例如使用无刷电动机。13是检测流过电动机14的电流的电流传感器，15是检测电动机14的旋转角的角度传感器。20是设置在车辆的驾驶席的方向盘(以下，称为“转向盘(handle)”)，21是一端与转向盘20连接的轴，22是检测在转向时对轴21施加的扭矩的扭矩传感器，23是与轴21的另一端连接的齿轮机构。25是经由齿轮机构23将转向盘20的转向力和电动机14的助力传送到车轮26的传送机构。28是检测车辆的行驶速度的车速传感器。29是提供用于驱动电动机14的电源电压的电池，30是将电池29的电压升压的升压电路，31是由进行电动机14的控制的电子控制单元(ECU；Electronic Control Unit)构成的控制器。

在转向盘20被转向时，通过扭矩传感器22检测由于转向而在轴21上产生的扭矩，基于该扭矩值和由车速传感器28检测到的车速值，在控制器31中计算应流过电动机14的电流的指令值。然后，基于该电流指令值，从内置于控制器31的电动机驱动电路对电动机14提供电流，电动机14旋转从而产生相对于转向盘20的转向的助力。流过电动机14的电流被电流传感器13检测，电动机14的旋转角被角度传感器15检测，各个检测值被输入到控制器31。控制器31进行反馈控制，以使得流过电动机14的电流值为指令值。

图12是表示电动动力转向装置中的电动机的一般特性的曲线图。由图可知，电动机的转速和扭矩具有相反的关系，在转速增大时扭矩减少，并且在转速减少时扭矩增大。在扭矩减少时助力不足从而转向盘操作变沉重，在转速减少时，转向追随性变差，任意一种情况下操作感觉都降低。

另外，对电动机要求的输出特性因车辆的行驶状态而不同。例如，在车辆正常行驶的状态下，车轮与路面之间的摩擦力小，所以对于转向操作不要求那么大的助力，但是在车辆停止的情况下，由于车轮与路面之间的摩擦力大，所以对转向操作要求大的助力。

在具有图12那样的特性的电动机中，在车辆停止中进行了转向操作(所谓静态转向)的情况下，对于电动机转速Nb转向辅助所需要的扭矩设为Ta时，由于仅得到Tb的扭矩，所以电动机输出不足而得不到需要的助力，转向盘操作变重。对于车辆极慢地行驶的情况也一样。另一方面，在车辆的正常行驶状态中进行了转向操作时，为了对扭矩Tb确保转向追随性而需要的转速被设为Na时，因为仅得到Nb的转速，所以电动机输出不足从而转向追随性变差。

因此，作为其对策，以往提出了以下对策，即进行在扭矩小的区域中减弱电动机的磁场的所谓减弱磁场控制(例如，参照下述的专利文献1～4)。图13表示进行了减弱磁场控制时的电动机特性的例子。在减弱磁场控制中，通过磁场电流的控制减弱电动机的磁场磁通而减小反向电动势，从而提高电动机输出。结果，如图13所示，在进行了减弱磁场控制的区域中，如果转速相同(Nb)则扭矩变大(Tb→Ta)，如果扭矩相同(Tb)则转速变大(Nb→Na)。因此，在车辆停止中进行了转向的情况下，可以得到必要的扭矩Ta而确保助力，在车辆行驶中进行了转向的情况下，可以得到必要的转速Na而确保操作追随性。

[专利文献1]日本特开2002-145096号公报

[专利文献2]日本特开2003-40128号公报

[专利文献3]日本特开2004-40883号公报

[专利文献4]日本特开2005-145342号公报

但是，在进行了减弱磁场控制的情况下，实际上减弱磁场区域的特性不是如图13那样的线性，而成为图14中所示的非线性的特性。这样，在通过减弱磁场控制而电动机的特性成为非线性时，由于不能进行线性的控制从而不能得到按照指令值的电动机输出，所以行驶中的转向的操作感觉变差。

发明内容

本发明是解决上述课题的发明，其目的在于提供一种电动动力转向控制装置，可以维持在行驶中进行了转向时的操作感觉，同时对于停止时或低速行驶时的转向能确保必要的助力。

本发明提供一种电动动力转向控制装置，控制对方向盘的转向提供助力的电动机，设有：指令值计算单元，基于方向盘的转向扭矩，计算流过电动机的扭矩电流的指令值；磁场控制单元，控制电动机中的磁场强度；以及电动机驱动单元，基于指令值计算单元和磁场控制单元的输出来驱动电动机。磁场控制单元在车速低于规定值的情况下进行减弱电动机的磁场的减弱磁场控制，在车速为规定值以上的情况下不进行减弱磁场控制。

这样，仅在车速低于规定值的情况下进行减弱磁场控制，在车速为规定值以上的情况下不进行减弱磁场控制，所以对于车辆行驶中的转向的电动机特性被维持线性，得到按照指令值的电动机输出。因此，可以避免在行驶中进行了转向时的操作感觉变差。另一方面，在车辆停止时或低速行驶时进行减弱磁场控制，能得到必要的扭矩，所以可以确保助力。

在本发明中，指令值计算单元可以构成为：基于方向盘的转向扭矩计算对应于该扭矩的辅助量，同时计算转向扭矩的微分值，并且将辅助量和微分值相加而作为扭矩电流指令值输出。这时，如果车速低于规定值，则磁场控制单元基于从指令值计算单元输出的扭矩电流指令值和电动机的转速，输出用于进行减弱磁场控制的减弱磁场指令值。另外，如果车速为规定值以上，则不输出减弱磁场指令值。

而且，在本发明中，磁场控制单元可以构成为包括：判别单元，判别车速是否低于规定值；运算单元，基于由指令值计算单元计算的扭矩电流指令值和电动机的转速，运算用于进行减弱磁场控制的减弱磁场指令值；以及输出切换单元，切换输出，以便在由判别单元判别出车速低于规定值时，输出由运算单元运算的减弱磁场指令值，并且在由判别单元判别出车速为规定值以上时，不输出由运算单元运算的减弱磁场指令值。

按照本发明，由于仅在车速低于规定值时进行减弱磁场控制，所以可以良好地维持行驶中进行了转向时的操作感觉，同时可以对于停止时或者低速行驶时的转向确保必要的助力。

附图说明

图1是本发明的实施方式的电动动力转向控制装置的方框图。

图2是表示辅助量表的图。

图3是表示减弱磁场控制单元的具体结构的方框图。

图4是表示增益表的图。

图5是表示判别单元的输出信号的图。

图6是说明减弱磁场控制单元的动作的图。

图7是说明减弱磁场控制单元的动作的图。

图8(a)～(b)是表示电动机的输出特性的图。

图9是本发明的另一个实施方式的电动动力转向控制装置的方框图。

图10是表示辅助量表的另一个例子的图。

图11是一例电动动力转向装置的***结构图。

图12是表示电动动力转向装置中的电动机的一般特性的曲线图。

图13是进行了减弱磁场控制时的电动机特性的例子。

图14是说明减弱磁场控制的电动机特性的非线性化的图。

标号说明  1辅助量计算单元3微分电路4运算器5减弱磁场控制单元12 PWM驱动单元14电动机20方向盘(转向盘)51增益计算单元52乘法器53判别单元54切换单元

具体实施方式

图1是本发明的实施方式的电动动力转向控制装置的方框图。这里，仅图示与本发明相关联的部分。通过除了电动机14的各块构成电动动力转向控制装置。而且，由于整体的***结构与图11所示的相同，所以以下引用图11作为本发明的实施方式。

1是计算对转向的辅助必需的辅助量的辅助量计算单元，具有辅助量表2a。该辅助量表2a如图2所示，是将车速S1、S2、S3作为参数，预先存储了相对于扭矩的辅助量的表。在辅助量计算单元1中，基于由扭矩传感器22(图11)检测到的转向盘20的转向扭矩T、以及由车速传感器28(图11)检测到的车速S，参照辅助量表2a，计算对应于转向扭矩T的辅助量A。3是计算转向扭矩T的微分值(扭矩的时间变化率)的微分电路，4是将由辅助量计算单元1计算的辅助量A、和由微分电路3计算的转向扭矩T的微分值相加的运算器。运算器4将上述相加结果作为扭矩电流指令值I输出。扭矩电流指令值I为：

I＝A+(dT/dt)    …(1)

5是控制电动机14中的磁场强度，在规定的情况下进行减弱磁场的控制的减弱磁场控制单元。对于该减弱磁场控制单元5在后面详细叙述。6是运算作为运算器4的输出的扭矩电流指令值I、和从3相/2相变换单元17反馈的q轴电流Iq的偏差的运算器。7是运算从减弱磁场控制单元5输出的减弱磁场指令值Im、和从3相/2相变换单元17反馈的d轴电流Id的偏差的运算器。8是生成与运算器6计算的偏差对应的q轴电压指令值Vq’的比例积分电路，9是生成与运算器7计算的偏差对应的d轴电压指令值Vd’的比例积分电路。10是用于排除q轴的操作量对d轴的控制量产生干涉，并且d轴的操作量对q轴的控制量产生干涉的非干涉控制单元，输出被校正的q轴电压指令值Vq和被校正的d轴电压指令值Vd。Vq、Vd通过下式计算。

Vq＝Vq’+ω·(φ+L·Id)

Vd＝Vd’-ω·L·Iq

这里，ω是电动机转速，φ是电枢(armature)线圈交链(interlinkage)磁通，L是线圈的电感。

11是2相/3相变换单元，将q轴电压指令值Vq和d轴电压指令值Vd变化为3相的电压指令值Vu、Vv、Vw。Vu、Vv、Vw分别通过下式计算。

[算式1]

$\mathrm{Vu}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\·\mathrm{Vd}-\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\·\mathrm{Vq})$

$\mathrm{Vv}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·\mathrm{Vd}-\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·\mathrm{Vq})$

$\mathrm{Vw}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\cos (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·\mathrm{Vd}-\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·\mathrm{Vq})$

这里，θ是后述的角度和转速计算单元16计算的电动机14的旋转角。

12是PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)驱动单元，基于从2相/3相变换单元11输出的电压指令值Vu、Vv、Vw，对每相生成具有规定的占空比的PWM电压，并且将其提供给电动机14。13是用于检测流过电动机14的各相的电流Iu、Iv、Iw的电流传感器。15是用于检测电动机14的旋转角的角度传感器。作为角度传感器15使用霍尔IC、解析器(resolver)、旋转编码器等。16是基于角度传感器15的输出，计算电动机14的旋转角θ和转速ω的角度和转速计算单元。

17是3相/2相变换单元，将电流传感器13检测到的各相电流Iu、Iv、Iw变化为2相的d轴电流Id和q轴电流Iq。Id、Iq分别通过下式计算。

[算式2]

$\mathrm{I\; d}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\·\mathrm{Iu}+\cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·\mathrm{Iv}+\cos (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·\mathrm{Iw})$

$\mathrm{Iq}=\sqrt{\frac{2}{3}}(-\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\·\mathrm{Iu}-\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·\mathrm{Iv}-\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\·\mathrm{Iw})$

由角度和转速计算单元16计算的旋转角θ被提供给2相/3相变换单元11，同时被提供给3相/2相变换单元17。而且，角度和转速计算单元16计算的转速ω被提供给减弱磁场控制单元5，同时也被提供给非干涉控制单元10。从3相/2相变换单元17输出的d轴电流Id如前所述被提供给运算器7，同时也被提供给非干涉控制单元10。从3相/2相变换单元17输出的q轴电流Iq如前所述被提供给运算器6，同时也被提供给非干涉控制单元10。

在以上中，辅助量计算单元1、微分电路3和运算器4构成本发明的指令值计算单元的一个实施方式，并且减弱磁场控制单元5构成本发明的磁场控制单元的一个实施方式，并且PWM驱动单元12构成本发明的电动机驱动单元的一个实施方式。而且，图1的块1～12、16、17构成图11中的控制器31。

图3是表示减弱磁场控制单元5的具体结构的方框图。51是计算与电动机14的转速ω对应的增益的增益计算单元。该增益计算单元51具有图4所示的增益表，基于由角度和转速计算单元16计算的转速ω，参照增益表，计算对应于转速ω的增益G。增益表中的增益值以实验方式求出，以使减弱磁场指令值为最佳。52是将从运算器4输出的前述(1)式的扭矩电流指令值I、和由增益计算单元51计算的增益G相乘，并且将相乘结果作为减弱磁场指令值Im输出的乘法器。因此，减弱磁场指令值Im为：

Im＝G·I＝G·{A+(dT/dt)}  …(2)

53是判别从车速传感器28(图11)输入的车速S是否低于阈值，并且基于其判别结果输出ON/OFF信号的判别单元。该判别单元53如图5所示，如果车速S低于阈值Sx则输出ON信号，如果车速S为阈值Sx以上则输出OFF信号。阈值Sx作为规定值被预先存储在判别单元53中。54是基于来自判别单元53的ON/OFF信号切换减弱磁场控制单元5的输出的切换单元。切换单元54在从判别单元53被提供ON信号时将开关Z切换到ON侧，在从判别单元53被提供OFF信号时将开关Z切换到OFF侧。开关Z的ON侧与乘法器52连接，开关Z的OFF侧接地。

在以上中，增益计算单元51和乘法器52构成本发明的运算单元的一个实施方式，判别单元53构成本发明的判别单元的一个实施方式，切换单元54构成本发明的输出切换单元的一个实施方式。

在车速S低于阈值Sx的情况(S<Sx)下，如图6所示，判别单元53输出ON信号，切换单元54的开关Z切换到ON侧，所以从减弱磁场控制单元5输出乘法器52的输出，即由前述(2)式计算的减弱磁场指令值Im。与此相反，在车速S为阈值Sx以上的情况(Sx≤S)下，如图7所示，从判别单元53输出OFF信号，切换单元54的开关Z切换到OFF侧，所以不从减弱磁场控制单元5输出减弱磁场指令值Im，输出值为0。这样，减弱磁场控制单元5仅在车速S低于阈值Sx的情况下输出用于进行减弱磁场控制的减弱磁场指令值Im。

从减弱磁场控制单元5输出的减弱磁场指令值Im被提供给图1的运算器7，从而运算与d轴电流Id的偏差。而且，与其并行，扭矩电流指令值I被提供给运算器6，从而运算与q轴电流Iq的偏差。这里，将3相电流Iu、Iv、Iw变换为2相而得到的d轴电流Id相当于电动机14的磁场电流，q轴电流Iq相当于电动机14的扭矩电流。这些偏差被输入比例积分电路8、9，进行反馈控制，使得各个偏差消除，即q轴电流Iq与扭矩电流指令值I相等，d轴电流Id与减弱磁场指令值Im相等。而且，关于比比例积分电路8、9更后级的电路，如前述的专利文献2和专利文献3也记载的那样是公知的，不是本发明的特征，所以对于各个电路的详细的说明省略。

在车辆停止的情况下，车速S低于阈值Sx，减弱磁场控制单元5为图6的状态。因此，基于从减弱磁场控制单元5输出的减弱磁场指令值Im进行控制，使得在电动机14中流过d轴电流Id而减弱磁场，结果，电动机14如图8(a)的实线所示，示出减弱磁场控制工作的特性，即在扭矩小的区域内电动机输出提高的特性。因此，按照与图13中说明的相同的考虑方法，与不进行减弱磁场控制的情况(虚线)相比，可以较大地确保扭矩(Tb<Ta)。而且，在图8(a)中，减弱磁场控制工作，结果，电动机特性成为非线性，但是在车辆停止时进行转向的情况下，由于与行驶时不同，操作感觉不那么成问题，所以非线性产生的损害较少。以上是车辆停止时的情况，但是在车辆以极低速度行驶的情况下也同样适用。

另一方面，在车辆正常行驶的情况下，车速S为阈值Sx以上，减弱磁场控制单元5成为图7的状态。即，不从减弱磁场控制单元5输出减弱磁场指令值Im。结果，电动机14如图8(b)的实线所示，示出减弱磁场控制不工作的特性。因此，电动机特性成为线性，与扭矩电流指令值I对应的扭矩电流流过电动机14从而得到按照指令值的电动机输出，所以可以确保良好的操作感觉。而且，在图8(b)中，与进行减弱磁场控制的情况相比电动机输出减少，但是由于在行驶中不需要停止时那么大的辅助用扭矩，所以影响小。

如上所述，按照上述的实施方式，仅在车速S低于阈值Sx时由减弱磁场控制单元5进行减弱磁场控制，在车速S为阈值Sx以上时不由减弱磁场控制单元5进行减弱磁场控制，所以对于车辆行驶中的转向，如图8(b)那样电动机特性被维持线性，得到按照指令值的电动机输出。因此，可以避免在行驶中进行了转向时的操作感觉变差。另一方面，在车辆停止时或低速行驶时减弱磁场控制工作，如图8(a)那样得到必要的扭矩，所以可以确保助力。

图9是本发明的另一个实施方式的电动动力转向控制装置的方框图。在图9中，对与图1相同的部分赋予相同的标号。在图1的实施方式中，辅助量计算单元1基于转向扭矩T和车速S计算辅助量A，但是在图9的实施方式中，辅助量计算单元1仅基于转向扭矩T计算辅助量A。因此，在辅助量计算单元1中具有的辅助量表2b如图10所示，不将车速作为参数，而仅存储了对于扭矩的单一的辅助量。对于其他与图1相同，减弱磁场控制单元5的结构和动作也和图3～图7相同。

在图9的实施方式中，由于仅在车速S低于阈值Sx时进行减弱磁场控制，所以可以对于行驶中的转向维持操作感觉，同时可以对车辆停止时或低速行驶时的转向确保助力。

在上述的实施方式中，将减弱磁场控制单元5中的阈值Sx如图5那样设定为0<Sx，并且不仅在车辆停止时，而且在车辆以极低速度行驶时减弱磁场控制也进行了工作，但阈值Sx也可以设定为Sx＝0。这时，仅在车辆完全停止的情况下减弱磁场控制工作。

在上述的实施方式中，作为电动动力转向装置的电动机14，举出了使用无刷电动机的例子，但是也可以使用附带电刷电动机等其他电动机。而且，在上述实施方式中，举出了作为电动机驱动单元设置PWM驱动单元12，通过PWM信号驱动电动机14的例子，但是在电动机的驱动中也可以使用PWM以外的方式。

Claims (3)

1.一种电动动力转向控制装置，控制对方向盘的转向提供助力的电动机，其特征在于，包括：

指令值计算单元，基于所述方向盘的转向扭矩，计算流过所述电动机的扭矩电流的指令值；

磁场控制单元，控制所述电动机中的磁场强度；以及

电动机驱动单元，基于所述指令值计算单元和磁场控制单元的输出来驱动电动机，

所述磁场控制单元在车速低于规定值的情况下进行减弱所述电动机的磁场的减弱磁场控制，在车速为规定值以上的情况下不进行所述减弱磁场控制。

2.如权利要求1所述的电动动力转向控制装置，其特征在于，

所述指令值计算单元基于方向盘的转向扭矩计算对应于该扭矩的辅助量，同时计算所述转向扭矩的微分值，并且将所述辅助量和微分值相加而作为扭矩电流指令值输出，

所述磁场控制单元在车速低于规定值的情况下，基于从所述指令值计算单元输出的扭矩电流指令值和所述电动机的转速，输出用于进行所述减弱磁场控制的减弱磁场指令值，在车速为规定值以上的情况下，不输出所述减弱磁场指令值。

3.如权利要求1所述的电动动力转向控制装置，其特征在于，

所述磁场控制单元包括：

判别单元，判别车速是否低于规定值；

运算单元，基于由所述指令值计算单元计算的扭矩电流指令值以及电动机的转速，运算用于进行减弱磁场控制的减弱磁场指令值；以及

输出切换单元，切换输出，以便在由所述判别单元判别出车速低于规定值时，输出由所述运算单元运算的减弱磁场指令值，并且在由所述判别单元判别出车速为规定值以上时，不输出由所述运算单元运算的减弱磁场指令值。

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