JP2007118794A - 電動パワーステアリング装置及びその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦を低減した電動パワーステアリング装置及びその制御装置を低コストで提供する。
【解決手段】ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクと車速とに基づいてトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、前記トルク指令値に基づいて前記モータの電流指令値を演算する電流指令値演算部と、前記電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記操舵トルク、前記車速及び前記モータの回転速度に基づいて前記モータの摩擦補償値を算出する摩擦補償値算出部を具備し、前記摩擦補償値に基づいて前記電流指令値を補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車や車両の操舵系にブラシレスＤＣモータの駆動によって操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置及びその制御装置に関し、特にｄ軸電流指令値に摩擦補償値である摩擦補償用弱め界磁電流を加算してステアリンの摩擦を低減した電動パワーステアリング装置及びその制御装置に関する。

自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢（アシスト）する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を、減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助負荷付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助力）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデュ−ティ比の調整で行っている。

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図６に示して説明すると、操向ハンドル１のコラム軸２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４Ａ及び４Ｂ、ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット３０には、バッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニションキー１１からイグニションキー信号が入力され、コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルク値Ｔと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいて、アシストマップ等を用いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（又はＭＰＵやＭＣＵ）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、図７のようになっている。

図７を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出されて入力される操舵トルクＴ及び車速センサ１２からの車速Ｖは、操舵補助指令値演算部３１に入力されて基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１が演算される。演算された基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１は操舵系の安定性を高めるための位相補償部３２で位相補償され、位相補償された操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２が加算部３３に入力される。また、操舵トルクＴは応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償部３５に入力され、微分補償された操舵トルクＴＡは加算部３３に入力され、加算部３３は操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２と操舵トルクＴＡを加算し、その加算結果である操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３を減算部３４に入力する。
減算部３４は、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３とフィードバックされているモータ電流ｉとの偏差（Ｉｒｅｆ３−ｉ）を求め、偏差（Ｉｒｅｆ３−ｉ）はＰＩ制御部３６でＰＩ制御され、更にＰＷＭ制御部３７に入力されてデューティを演算され、インバータ３８を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出手段（図示せず）で検出され、減算部３４に入力されてフィードバックされる。

このような電動パワーステアリング装置において、駆動源であるモータ２０には、直流モータのほか、ブラシレスＤＣモータが用いられている。ブラシレスＤＣモータは、３相以上の励磁相を有し、コントロールユニットからの矩形波状若しくは正弦波の励磁電流によって駆動される。

このようなＤＣモータを備えた電動パワーステアリング装置においては、ハンドルのセンター感を向上させることが望まれているが、センター付近でのトルクループ応答性が不足しているので、機械的ないし電磁気的なロストルクを補償する必要がある。また、ハンドルがセルフアライングトルク（ＳＡＴ）により戻る時にも、中立位置まで戻れるようにするため、機械的ないし電磁気的なロストルクを補償する必要がある。更に、ハンドルの振れを小さくして、ハンドルが速やかに中立位置まで戻れるようにするためには、モータ回転速度に応じて電動パワーステアリングシステムにダンピングを与える必要がある。

ここで、ロストルクとは、モータの出力トルクのうち、モータの構造に基づく摩擦損失及び電磁気的な要因に基づく損失であり、このようなトルク損は、直進走行時に僅かな操舵が行われたとき、操舵方向に対して意図しない力が付加されたり、反対方向の力が付加されたりして、操舵感覚を悪化させるものである。この対策として、電流指令値をロストルクに相当する分だけ上乗せする方法も提案されているが、この方法では、操舵トルクの検出値に僅かなドリフトがあると、操舵方向に対して反対方向の操舵補助力を与えてしまい、操向ハンドルが戻ろうとする場合に有効に作用しない問題がる。この問題は、特に高速走行時のセンター付近操舵時に発生し易い。

そこで、特開平１０−１０９６５５号（特許文献１）では、ロストルクがモータの回転方向の関数であることに着目し、モータ角速度の推定値から検出したモータの回転方向に基づくロストルク補償値を電流指令値に加算している。
特開平１０−１０９６５５号公報 特開２００１−７３０９５号公報

しかしながら、上記ロストルク補償やダンピング付与のためには、モータの回転方向や回転速度を検知する必要があり、それらの検知手段を設けると、電動パワーステアリング装置の構成要素が増加する。更に、それらの検知精度は、電動パワーステアリング装置に要求される性能要求を満たすものでなければならず、そのため電動パワーステアリング装置のコストが上昇することとなる。

また、ロストルクを小さくするモータとして、特開２００１−７３０９５号公報（特許文献２）に示されるＰＭ（永久磁石）モータがあるが、これは鋼板材料の含有比率と製造方法の工夫によりモータのロストルクを減らそうとするものであり、モータの材料コストや製造コストが上昇するという問題がある。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、摩擦を低減した電動パワーステアリング装置及びその制御装置を低コストで提供することにある。

本発明は、ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクと車速とに基づいてトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、前記トルク指令値に基づいて前記モータの電流指令値を演算する電流指令値演算部と、前記電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記操舵トルク、前記車速及び前記モータの回転速度に基づいて前記モータの摩擦補償値を算出する摩擦補償値算出部を具備し、前記摩擦補償値に基づいて前記電流指令値を補正することにより達成される。
また、本発明の上記目的は、前記電流指令値演算部が前記モータのｄ−ｑ直交軸におけるｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算し、前記摩擦補償値に基づいて前記ｄ軸電流指令値を前記モータの界磁を弱めることにより、或いは前記摩擦補償値が、前記操舵トルク、前記車速及び前記モータの回転速度の関数となっていることにより、或いは前記関数が、前記操舵トルクの絶対値の増大に対応して減少する摩擦補償値を出力する特性になっていることにより、或いは前記関数が、前記車速が所定車速値以上の場合に前記摩擦補償値を出力する特性になっていることにより、或いは前記関数が、前記回転速度が所定回転速度値以下の場合に前記摩擦補償値を出力する特性になっていることにより、或いはハンドル戻り状態を判定するハンドル戻り状態判定部を具備し、前記ハンドル戻り状態が検出された場合に、前記摩擦補償値を前記ｄ軸電流指令値へ加算して補正することにより、より効果的に達成される。

更に、本発明は、ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出部とを具備する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記操舵トルクが所定トルク値以下、前記回転速度が所定回転速度値以下である場合に、前記モータのｄ−ｑ直交軸におけるｄ軸電流値が所定電流値以上であることによって達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、操舵トルク、車速及びモータの回転速度に基づいて摩擦補償値である摩擦補償用弱め界磁電流を算出し、この摩擦補償用弱め界磁電流を磁界の強さを制御するｄ軸電流指令値に加算し、モータの界磁を弱めることによって物理的に鉄損を低減するようにしている。このため、モータの回転方向と回転速度を必要な精度で、且つ低コストで検出することができる。

また、モータのロストルクを減らすための鋼板材料や製造方法の条件を緩和できるため、モータが低コストになるという効果がある。

本発明の電動パワーステアリング装置は３以上の相を有するブラシレスＤＣモータ（以下、単に「ブラシレスモータ」とする）を用い、ロストルクの発生原因のうち鉄損に着目し、弱め界磁制御によって鉄損を低減する。つまり、電動パワーステアリングの摩擦の影響が受け易い操舵状態において、摩擦補償用の弱め界磁電流をｄ軸電流指令値に加算して摩擦補償を行うものである。

そのため、モータのロストルクを補償するトルクを発生させる従来技術とは異なり、モータの界磁を弱めることによって物理的に鉄損を低減できる。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。本発明の実施の形態では、操舵補助用のモータとして３相ブラシレスモータを用いた例を説明する。

図１は本発明に係る制御装置の構成例を示しており、ベクトル制御によって３相ブラシレスモータ１００を駆動制御する。ベクトル制御はロータマグネットの座標軸であるトルクを制御するｑ軸と、磁界の強さを制御するｄ軸とを独立に設定し、各軸が９０度の関係にあることから、そのベクトルで各軸に相当する電流を制御するものである。本発明は、かかるベクトル制御のｄ軸電流指令値Ｉｄに、操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωに基づいて演算した摩擦補償用の弱め界磁電流Ｉｆを加算して摩擦補償を行うものである。

ステアリング機構に操舵補助力を付与する３相ブラシレスモータ１００には、その回転角度θを検出するロータ位置検出器１０１が設けられている。トルクセンサからの操舵トルクＴは操舵補助トルク指令値算出部１１０及び摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１に入力され、ロータ位置検出器１０１からの回転位置θは回転速度算出部１１２に入力されて回転速度ωが算出され、回転速度ωは操舵補助トルク指令値算出部１１０及び摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１に入力されると共に、ベクトル制御相電流指令値算出手段１２０内の電流指令値算出部１２１に入力される。

操舵補助トルク指令値算出部１１０で、操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωに基づいて算出されたトルク指令値Ｔｒｅｆはベクトル制御相電流指令値算出手段１２０内の電流指令値算出部１２１に入力され、回転速度算出部１１２からの回転速度ωも電流指令値算出部１２１に入力される。電流指令値算出部１２１はトルク指令値Ｔｒｅｆ及び回転速度ωに基づいてｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄを算出し、ｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄは各相電流指令値算出部１２２に入力され、各相電流指令値算出部１２２はｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄと、回転速度θとに基づいて３相の電流指令値Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆを算出する。

ここにおいて、電流指令値算出部１２１からのｄ軸電流指令値Ｉｄは直接各相電流指令値算出部１２２に入力されるのではなく、加算部１２３で摩擦補償値算出部としての摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１からの摩擦補償値（摩擦補償用弱め界磁電流）Ｉｆと加算され、その加算値であるｄ軸電流指令値Ｉｄ’が各相電流指令値算出部１２２に入力される。

各相電流指令値算出部１２２で算出された３相の電流指令値Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆは電流制御手段１３０にフィードバック系の電流指令値として入力され、モータ相電流を検出する電流検出器１３３−１、１３３−２、１３３−３からの相電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃとの偏差がそれぞれ求められ、電流制御手段１３０からＰＩ制御等の制御が実施された電圧指令値Ｖａｒｅｆ，Ｖｂｒｅｆ，Ｖｃｒｅｆが出力され、電圧指令値Ｖａｒｅｆ，Ｖｂｒｅｆ，ＶｃｒｅｆがＰＷＭ制御部１３１に入力され、更にインバータ１３２を介して３相ブラシレスモータ１００が駆動される。

このような構成において、その動作例を図２のフローチャートを参照して説明する。

摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１は低速走行のハンドル戻り時や高速直進走行時のセンター付近の操舵では、電動パワーステアリングのアシスト電流が小さいため、ステアリング系の摩擦の影響を受け易い。そのため、ハンドル戻りが悪かったり、高速直進走行時のオンセンター感を悪くしたりしていたが、本発明では上述のような操舵状態を操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωから判定する。例えば高速直進走行時は車速Ｖが所定値Ｖ_０より大きく、操舵トルクＴが所定値Ｔ_０以下で、３相ブラシレスモータ１００の回転速度ωが所定値ω_０より小さい場合となる。このような判定結果に基づき、操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωの関数ｆ（Ｔ，Ｖ，ω）として摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆを算出し、電流指令値算出部１２１で算出されたｄ軸電流指令値Ｉｄに加算部１２３で加算する。摩擦の１つであるモータの鉄損はモータの磁束により発生するため、摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆで３相ブラシレスモータ１００の磁束を弱めることにより、鉄損による摩擦を低減できる。

先ず制御装置は操舵トルクＴを入力し（ステップＳ１０）、車速Ｖを入力し（ステップＳ１１）、更に回転位置θを入力して回転速度ωを算出する（ステップＳ１２）。なお、上記ステップＳ１０〜Ｓ１２のデータ入力の順番は任意である。そして、操舵補助トルク指令値算出部１１０はトルク指令値Ｔｒｅｆを算出して電流指令値算出部１２１に入力し（ステップＳ１３）、電流指令値算出部１２１はｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄを算出する（ステップＳ１４）。

その後、摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１は車速Ｖが所定値Ｖ_０よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ２０）、操舵トルクＴが所定値Ｔ_０以下であるか否かを判定し（ステップＳ２１）、更に回転速度ωが所定値ω_０よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２２）。上記ステップＳ２０〜Ｓ２２の条件がいずれも満たされる場合には、摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１は操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωの関数ｆ（Ｔ，Ｖ，ω）である摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆを算出し（ステップＳ２３）、加算部１２３に入力する。なお、上記ステップＳ２０〜Ｓ２２の状態判定の順番は任意である。

関数ｆ（Ｔ，Ｖ，ω）は、例えば摩擦の左右差を補正するため、回転速度ωの方向によって摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆを可変しても良く、操舵トルクＴが大きいほど摩擦感は減るため、摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆを操舵トルクで変えても良い。また、センター感の調整のため、摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆを車速Ｖで可変しても良い。

図３は摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１の構成例を示しており、操舵トルクＴは図示するような特性の関数部１１１Ａで補償値ＴＡに変換され、車速Ｖは図示するような特性の関数部１１１Ｂで補償値ＶＡに変換され、回転速度ωは、例えば摩擦の左右差を補正するとすれば、関数部１１１Ｃに図示するような特性になり、補償値ωＡに変換される。操舵トルクＴＡ、車速ＶＡ及び回転速度ωＡは乗算部１１１Ｄに入力され、関数（ＴＡ×ＶＡ×ωＡ）、つまり関数（Ｔ，Ｖ，ω）の摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆとして出力される。

ベクトル制御相電流指令値算出手段１２０は、電流指令値算出部１２１で算出したｄ軸電流指令値Ｉｄと、摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１で算出した摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆとを加算部１２３において加算し、その加算結果（＝Ｉｄ＋Ｉｆ）を新たなｄ軸電流指令値Ｉｄ’として各相電流指令値算出部１２２に入力する（ステップＳ２４）。

その後、或いは上記ステップＳ２０〜Ｓ２２においていずれかの条件がみたされない場合には、各相電流指令値算出部１２２はｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄ，Ｉｄ’に基づいて各相電流指令値Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆを算出し（ステップＳ３０）、前述と同様に３相ブラシレスモータ１００を駆動する（ステップＳ３１）。

図４は本発明の他の構成例を図１に対応させて示しており、ｄ−ｑ軸上で電流フィードバックするようになっている。即ち、電流検出器１３３−１、１３３−２、１３３−３からの相電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃは３相／２相変換部１３５で２相電流Ｉ１、Ｉ２に変換され、電流制御手段１３０は２相で電圧指令値Ｖｑｒｅｆ及びＶｄｒｅｆを算出する。つまり、ｄ−ｑ軸上で電流フィードバックが実施されている。２相の電圧指令値Ｖｑｒｅｆ及びＶｄｒｅｆは２相／３相変換部１３４に入力され、回転角度θを基に３相の電圧指令値Ｖａｒｅｆ，Ｖｂｒｅｆ，Ｖｃｒｅｆに変換される。電圧指令値Ｖａｒｅｆ，Ｖｂｒｅｆ，Ｖｃｒｅｆ以降の動作は、図１の場合と同様である。

このようなｄ−ｑ軸上の電流フィードバック系によっても、摩擦補償用弱め界磁電流算出部１１１による補正を同様に適用することができる。

ハンドル戻り状態を判定するハンドル戻り状態判定部を具備した場合の動作は、図２に対応させて示す図５のフローチャートのようになる。即ち、ハンドル戻りはステップＳ４０に示されるように操舵トルクＴが正で、かつその変化率である微分値ｄＴ／ｄｔが正であるか（正方向）、又は操舵トルクＴが負で、かつその変化率である微分値ｄＴ／ｄｔが負であるか（負方向）によって判定され、かかるハンドル戻り状態が判定されたときに前述と同様に、ｄ軸電流指令値Ｉｄに摩擦補償値である摩擦補償用弱め界磁電流Ｉｆを加算して補償する。

なお、上述では３相ブラシレスモータを例に挙げて説明したが、３以上の相を有するブラシレスＤＣモータに適用可能である。

本発明に係る制御装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 摩擦補償用弱め界磁電流算出部の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る制御装置の他の構成例を示すブロック図である。 ハンドル戻り状態判定部を具備した場合の動作例を示すフローチャートである。 電動パワーステアリング装置の一般的な構成例を示す図である。 コントロールユニットの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 操行ハンドル
２ コラム軸
３ 減速ギア
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１４ バッテリ
２０、１００ モータ
３０ コントロールユニット
３１ 操舵補助指令値演算部
３２ 位相補償部
３５ 微分補償部
３６ ＰＩ制御部
３７、１３１ ＰＷＭ制御部
３８、１３２ インバータ
１０１ ロータ位置検出器
１１０ 操舵補助トルク指令値算出部
１１１ 摩擦補償用弱め界磁電流算出部
１１１Ａ〜１１１Ｃ 関数部
１１２ 回転速度算出部
１２０ ベクトル制御相電流指令値算出手段
１２１ 電流指令値算出部
１２２ 各相電流指令値算出部
１３０ 電流制御手段
１３４ ２相／３相変換部
１３５ ３相／２相変換部

Claims (8)

1. ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクと車速とに基づいてトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、前記トルク指令値に基づいて前記モータの電流指令値を演算する電流指令値演算部と、前記電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記操舵トルク、前記車速及び前記モータの回転速度に基づいて前記モータの摩擦補償値を算出する摩擦補償値算出部を具備し、前記摩擦補償値に基づいて前記電流指令値を補正することを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
2. 前記電流指令値演算部が前記モータのｄ−ｑ直交軸におけるｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を演算し、前記摩擦補償値に基づいて前記ｄ軸電流指令値を前記モータの界磁を弱めるように補正する請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記摩擦補償値が、前記操舵トルク、前記車速及び前記モータの回転速度の関数となっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
4. 前記関数が、前記操舵トルクの絶対値の増大に対応して減少する摩擦補償値を出力する特性になっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
5. 前記関数が、前記車速が所定車速値以上の場合に前記摩擦補償値を出力する特性になっている請求項３又は４に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
6. 前記関数が、前記回転速度が所定回転速度値以下の場合に前記摩擦補償値を出力する特性になっている請求項３乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
7. ハンドル戻り状態を判定するハンドル戻り状態判定部を具備し、前記ハンドル戻り状態が検出された場合に、前記摩擦補償値を前記ｄ軸電流指令値へ加算して補正する請求項２乃至６のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
8. ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出部とを具備する電動パワーステアリング装置において、前記操舵トルクが所定トルク値以下、前記回転速度が所定回転速度値以下である場合に、前記モータのｄ−ｑ直交軸におけるｄ軸電流値が所定電流値以上であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
   

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