JP2008024196A - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流及び異常過熱に対処する高価なハードウェアの構成部品のコストを抑えることができ、電流指令値の制限をＳＡＴ値に基づいて設定し、状況に応じた設定が可能な電流制御を実現する電動パワーステアリング装置の制御装置を提供する。
【解決手段】車両の操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、ハンドル操舵に補助力を付与するモータを電流指令値に基づいて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、車両のＳＡＴを検出若しくは推定するＳＡＴ検出部と、ＳＡＴ検出部で検出若しくは推定されたＳＡＴ値に基づいて電流指令値を制限する最大電流制限部とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両のステアリング操作にモータによる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の制御装置に関し、特に路面の摩擦抵抗が少ない場合、検出されるセルフアライニングトルク（以下、「ＳＡＴ」とする）に基づいて路面の摩擦抵抗を推定し、操舵補助指令値に制限をかけることにより、モータやモータ駆動回路に流れる過電流及び異常過熱を抑えると共に、ハードウェアの構成部品を安価に抑えることができる電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

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（操舵補助トルク）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１１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、インターミディエイトシャフト４、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に結合されている。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に結合されている。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を経て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（ＭＰＵやＭＣＵを含む）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１２のようになる。

図１２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で検出された操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部３２に入力される。又、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算部３２に入力される。操舵補助指令値演算部３２は、入力された操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいて、メモリ３３に記憶されているアシストマップを参照してモータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを決定する。操舵補助指令値Ｉは減算部３０Ａに入力されると共に、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３４に入力され、減算部３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算部３５に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算部３６に入力され、その比例出力は加算部３０Ｂに入力される。微分補償部３４及び積分演算部３６の出力も加算部３０Ｂに加算入力され、加算部３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ駆動回路３７にはバッテリ１４から電力が供給され、モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出部３８で検出され、モータ電流値ｉは減算部３０Ａに減算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、モータ２０に過電流が流れると過熱で焼損等の故障を生じる可能性があるため、モータ２０及びモータ駆動回路３７に流れる過電流や異常過熱を防ぐ必要があり、かかる問題を解決するものとして特開平８−１３３１０７号公報（特許文献１）に示される装置がある。特許文献１に開示された装置では、モータの端子間電圧にモータ電流を乗じた値の平均値又は積分値に基づいて、モータに供給する最大電流を制限して過電流や異常過熱から保護するようにしている。

また、特開２００１−２７８０８３号公報（特許文献２）に示される装置では、ハンドル操舵の操舵速度を推定して操舵速度が所定値以下であり、モータ電流が所定値以上となったとき、モータに流れる最大電流を制限するようにしている。

更に、モータ駆動回路に流れる過電流を制限するために特開２００１−２８７６５８号公報（特許文献３）に示される装置がある。特許文献３に開示された装置ではステアリングの最大切れ角（ラックエンド）などで瞬間過電流が起きた場合、回路の内部構成部品等が破壊される恐れがあるため、過電流を制限するリミッタを設けることによりＦＥＴ等の回路に過電流が流れないように電流を制限している。
特開平８−１３３１０７号公報 特開２００１−２７８０８３号公報 特開２００１−２８７６５８号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、モータの相対温度変化を推定することにより最大電流を制限することはできるが、瞬間的な過電流に対応できない問題がある。また、特許文献２の装置では、路面摩擦抵抗が低い場合、急操舵による過電流に対応できないと共に、操舵速度の推定精度に問題がある。更に、特許文献３の装置では、構成が複雑化することに加え、発熱を起こす過電流に対応できない問題がある。

そして、車両の路面抵抗が小さい状況、つまりＳＡＴが小さい場合、路面からの反力が小さいのでハンドル操舵が通常の操舵感覚よりも軽くなっているため、運転者が急操舵する可能性が高くなる。更に、ハンドル操舵をステアリングのラックエンド付近で行ったり、繰り返し操舵を行うと、操舵速度がゼロに近い状態（逆起電圧が非常に小さい状態）から急操舵を入力するような状況が発生し、制御系では慣性補償の応答性による急激な電流上昇に対して追従できない過電流が発生する。

図１３は、路面の摩擦抵抗が小さくハンドル操舵の反力も小さい状況、つまり上述のようなハンドルが軽い状況において、ラックエンド付近の操舵や繰り返し操舵を行った場合に、角速度と角加速度とのズレの様子を示しており、操舵の角速度が“０”（角速度＝０）に近い状態（逆起電圧が非常に小さい）の時に角加速度が最大となっている。

本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、路面の摩擦抵抗に基づいて必要な操舵補助力をモータから出力するようにするため、検出若しくは推定されるＳＡＴ値に基づき電流指令値の制限を行う最大電流制限部を設けることで、路面の摩擦抵抗が小さい場合に起こり得る急操舵に対して過電流及び異常過熱を制限することができる電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。

また、検出若しくは推定したＳＡＴ値により電流指令値にゲインを乗算することにより、路面の摩擦抵抗が小さい場合には過電流が発生しないように電流指令値を小さく出力し、路面の摩擦抵抗が大きい場合には、過電流は発生しにくいので電流指令値を大きく出力するようにできると共に、過電流及び異常過熱に対処していた高価なハードウェアの構成部品のコストを抑えることができ、電流指令値の制限をＳＡＴ値に基づいて設定し、状況に応じた設定が可能な電流を流すことができる電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。

本発明は、車両の操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、ハンドル操舵に補助力を付与するモータを前記電流指令値に基づいて制御す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、前記車両のＳＡＴを検出若しくは推定するＳＡＴ検出部（ＳＡＴ推定部、ＳＡＴ検出センサ等）と、前記ＳＡＴ検出部で検出若しくは推定されたＳＡＴ値に基づいて前記電流指令値を制限する最大電流制限部とを設けることにより達成され、或いは前記車両のＳＡＴを検出若しくは推定するＳＡＴ検出部（ＳＡＴ推定部、ＳＡＴ検出センサ等）と、前記ＳＡＴ検出部で検出若しくは推定されたＳＡＴ値に基づいて前記電流指令値のゲインを変換することにより前記電流指令値を制限する電流指令値変換部とを設けることにより達成され、前記電流指令値の最大値を制限する電流制限部を前記電流指令値変換部の前段に設けることにより、或いは前記ＳＡＴ検出部は前記モータの回転角速度及び回転角加速度、前記操舵トルク及び前記電流指令値に基づいて前記ＳＡＴ値を推定することにより、より効果的に達成される。

また、本発明は、車両の操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、ハンドル操舵に補助力を付与するモータを前記電流指令値に基づいて制御す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、前記車両のインターミディエイトシャフトトルクを検出するインターミディエイトシャフトトルク検出部と、前記インターミディエイトシャフトトルク検出部で検出されるインターミディエイトシャフトトルク検出値に基づいて前記電流指令値を制限する最大電流制限部とを設けることにより達成され、或いは前記車両のインターミディエイトシャフトトルクを検出するインターミディエイトシャフトトルク検出部と、前記インターミディエイトシャフトトルク検出部で検出されたインターミディエイトシャフトトルク検出値に基づいて前記電流指令値のゲインを変換することにより前記電流指令値の制限をする電流指令値変換部とを設けることにより達成され、前記電流指令値の最大値を制限する電流制限部を前記電流指令値変換部の前段に設けることにより、より効果的に達成される。

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、検出若しくは推定されるＳＡＴ値或いはインターミディエイトシャフトトルクに基づき電流指令値に最大電流制限を設定し、路面の摩擦抵抗が小さい場合に起こり得る急操舵に対して、電流指令値の最大電流を制限することで過電流及び異常過熱からモータ及びモータ駆動回路を保護することができるので、従来の過電流及び異常過熱に対処しているハードウェアの構成部品のコストを抑えることができる。

また、路面の摩擦抵抗が大きい場合には急操舵が起こりにくいため、電流指令値の電流をハードウェアの変更をすることなく、より大きく出力するようにすることができる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置は、路面の摩擦抵抗に基づいて必要な操舵補助力（アシスト）をモータから出力するようにするため、路面からの反力であるＳＡＴを検出若しくは推定し、検出若しくは推定されたＳＡＴ値或いはインターミディエイトシャフトトルクに応じて電流指令値に制限を設定する最大電流制限部を設けるか、或いは検出若しくは推定されたＳＡＴ値或いはインターミディエイトシャフトトルクに基づいて電流指令値にゲインを乗算することにより制限する電流指令値変換部を設け、路面の摩擦抵抗が小さい場合に起こり得る急操舵による過電流や異常過熱からモータ及びモータ駆動回路を保護するように電流指令値を制限する。また、路面の摩擦抵抗が大きい場合には、急操舵が起こりにくく電流指令値が異常に大きくなりにくいので、電流指令値が十分に流れるように電流指令値の制限を行う。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

本発明を実施するために適した構成例を図１に示して説明する。トルクセンサからの操舵トルクＴが操舵補助指令値演算部４０、応答性を良くするためのフィードバック補償部４１及び微分演算部４２に入力される。フィードバック補償部４１からの補償信号ＣＭ１は減算部４０Ａに減算入力され、微分演算部４２からのＣＭ２は減算部４０Ａに加算入力され、減算結果ＣＭ５は加算部４０Ｂに入力される。収れん性制御部４３からの収れん信号ＣＭ３は加算部４０Ｂに入力され、減算結果ＣＭ５と加算され、加算結果ＣＭ６は加算部４０Ｃに入力される。慣性補償部４４からの慣性信号ＣＭ４は加算部４０Ｃに入力されて加算部４０Ｂからの加算結果ＣＭ６と加算処理され、加算結果ＣＭ７は加算部４０Ｄに入力される。

なお、収れん性制御部４３は、車両のヨーの収れん性を改善するためにハンドルが振れ回る動作に対してブレーキをかけるようになっており、慣性補償部４４は、モータ６０の慣性により発生する力相当分をアシストするものであり、慣性感又は制御の応答性の悪化を防止する。

また、操舵補助指令値演算部４０において演算された電流指令値Ｉａは、制御特性を改善するための位相補償部４５に入力されて位相補償された後、加算部４０Ｄに入力され加算部４０Ｃからの加算結果ＣＭ７と加算処理され、その加算結果Ｉｂは最大電流制限部４６に入力される。最大電流制限部４６では、ＳＡＴ推定部５０により推定されるＳＡＴ推定値ＳＡＴｅに基づいて電流指令値Ｉｂの上限値及び下限値を設定し、上下限設定値範囲の電流指令値Ｉｃを電流制御部４９に入力してモータ６０を駆動する。

ここで、路面からの反力であるＳＡＴの検出方法の一例を説明する。ＳＡＴはハンドルを元の位置に戻そうとする力であり、ドライバが操向ハンドルを操舵することによって操舵トルクＴが発生し、その操舵トルクＴに従ってモータがアシストトルクＴｍを発生する。その際、モータの慣性Ｊ及び摩擦（静摩擦）Ｆｒによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。そして、ＳＡＴの算出方法は、操舵トルクＴをトルクセンサにより検出し、アシストトルクＴｍは電流指令値Ｉａから検出する。更に、モータ角速度ωを角速度センサで検出し、モータ角加速度＊ωを角加速度センサで検出し、摩擦トルクＦｒと慣性Ｊを定数として予め求めておくと、下記（１）式の運動方程式が成り立つ。

Ｊ・＊ω＋Ｆｒ・sign(ω)＋ＳＡＴ＝Ｔｍ＋Ｔ ・・・（１）

そして、初期値ゼロとして上記（１）式をラプラス変換し、ＳＡＴについて解くと下記（２）式が得られる。

ＳＡＴ(s)＝
Ｔｍ(s)＋Ｔ(s)−Ｊ・＊ω(s)＋Ｆｒ・sign（ω(s)） ・・・（２）

よって、ＳＡＴ推定部５０では操舵トルクＴ、モータ角速度ω、モータ角加速度＊ω及び電流指令値Ｉａに基づいてＳＡＴを推定することができる。ＳＡＴ推定部５０で推定されたＳＡＴ推定値ＳＡＴｅは最大電流制限部４６に入力される。

図２は、推定されたＳＡＴ推定値ＳＡＴｅに基づいて設定される最大電流制限の設定例を示す図であり、ＳＡＴ推定値ＳＡＴｅが大きい場合は路面の摩擦抵抗値が大きいので、電流指令値Ｉｃが大きく流れるように最大電流制限を大きく設定する。逆にＳＡＴ推定値ＳＡＴｅが小さい場合は路面の摩擦抵抗が小さいので、電流指令値Ｉｂに対して必要のない過電流を抑えるように最大電流制限を設定することで、モータ６０及びモータ駆動回路を過電流及び異常過熱から保護する。なお、ＳＡＴ推定部５０はＳＡＴ検出センサによっても可能であり、検出されたＳＡＴ検出値で電流指令値Ｉｃの最大電流を制限しても良い。

図３及び図４は、最大電流制御部４６における最大電流制限の設定をＳＡＴ値に応じて変化させた様子を示しており、図３はＳＡＴ値が小さい場合、最大電流制限の設定を低く設定し、図４はＳＡＴ値が大きい場合、最大電流制限の設定を高く設定する様子を示しており、いずれの場合も最大電流制限値より小さくなっている。

図５は本発明の別の構成例を図１に対応させて示すブロック図であり、同一符号箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本例では、加算部４０Ｄからの電流指令値Ｉｂは電流制限部４７に入力され、電流制限部４７で最大値を制限された電流指令値Ｉｃが電流指令値変換部４８入力されＳＡＴ推定部５０で推定されたＳＡＴ推定値ＳＡＴｅに基づいてゲインを変換され、ゲイン変換された電流指令値Ｉｄが電流制御部４９に入力される。図６は、ＳＡＴ推定部５０で推定されたＳＡＴ推定値ＳＡＴｅに基づき電流指令値Ｉｃを変換して制限するゲインの特性を示しており、ＳＡＴ推定値ＳＡＴｅが大きい場合はゲインも大きく（ゲイン＝１）、電流指令値Ｉｄも大きく出力され、ＳＡＴ推定値ＳＡＴｅが小さい場合にはゲインも小さく（ゲイン＜１）、電流指令値Ｉｄも小さくなるように出力される。

電流制限部４７は定格電流オーバー、ハードウェアの異常などを防止するための通常の電流制限手段であり、電流制限部４７のみでは制御系の応答性による電流制御系が追従できない間に、モータ６０に大きな電流が流れる可能性があり、低摩擦路の場合に急操舵によって発生した過電流に対応できないが、本発明のように電流制限部４７の後段に電流指令値変換部４８を配設すれば、低摩擦路のようなＳＡＴが小さいときに電流を事前に制限することができるので過電流を防止することができる。

図７は電流指令値Ｉｃに対して、ＳＡＴ値による制限がない状態のモータ電流値を示しており、モータ電流値がモータ許容電流値を超えてしまう。図８は本発明の電流指令値変換部４８により、ＳＡＴ値のゲイン（ＳＡＴ推定値ＳＡＴｅの大きさ）により電流指令値Ｉｃに制限がかけられ、モータ電流値が常にモータ許容電流値よりも小さくなっている様子を示している。

ところで、コラム軸２とピニオンラック機構５を連結するインターミディエイトシャフト４に働く力であるインターミディエイトシャフトトルクは、ＳＡＴと同様に路面の摩擦抵抗を推定できるので、インターミディエイトシャフトトルクを検出し、検出されたインターミディエイトシャフトトルクにより電流指令値の最大電流制限及び電流指令値変換による制限を行うことができる。

図９は本発明の別の構成例を図１に対応させて示すブロック図であり、図１で説明したＳＡＴ推定値ＳＡＴｅによる制限方法と同様に、インターミディエイトシャフトトルク検出部５２で検出されたインターミディエイトシャフトトルクＴｉに基づいて電流指令値Ｉｂに制限をかけるようになっている。即ち、加算部４０Ｄからの電流指令値Ｉｂは最大電流制限部４６に入力され、最大電流制限部４６はインターミディエイトシャフトトルク検出部５２により検出されたインターミディエイトシャフトトルクＴｉに基づいて電流指令値Ｉｂの上下限値を設定し、設定値内の電流指令値Ｉｃを電流制御部４９に入力してモータ６０を駆動する。

インターミディエイトシャフトトルクＴｉはＳＡＴと等価であるので、図１又は図５の構成と同様な効果が得られる。

また、図１０は本発明の更に別の構成例を図５に対応させて示すブロック図であり、電流指令値Ｉｂが電流制限部４７に入力され、電流制限部４７で最大値を制限された電流指令値Ｉｃが電流指令値変換部４８に入力される。そして、電流指令値変換部４８は、インターミディエイトシャフトトルク検出部５２により検出されたインターミディエイトシャフトトルクＴｉに基づいて電流指令値Ｉｃのゲインを変換し、ゲイン変換された電流指令値Ｉｄが電流制御部４９に入力される。

なお、ＳＡＴ推定部５０で推定されるＳＡＴ推定値ＳＡＴｅの代わりにＳＡＴ検出センサにより検出されるＳＡＴ検出値や、横力センサ、角速度センサ、角加速度センサ、横加速度センサ、ヨーレートセンサ等のセンサ系からＳＡＴを算出することも可能であり、本発明におけるＳＡＴ値はハンドル操舵に対する反力から路面の摩擦抵抗が推定できる信号であれば良い。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。 最大電流制限部の特性例を示す図である。 ＳＡＴの大きさにより制限されるモータ電流値を示す特性図である。 ＳＡＴの大きさにより制限されるモータ電流値を示す特性図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の他の構成例を示す図である。 電流指令値変換部の特性例を示す図である。 電流指令値に対して制限のない状態でのモータ電流値例を示す特性図である。 電流指令値に対してＳＡＴのゲインによる制限をかけた状態でのモータ電流値例を示す特性図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の更に他の構成例を示す図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の更に他の構成例を示す図である。 一般的な電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。 従来の電動パワーステアリング装置におけるモータ制御系の一例を示すブロック図である。 制御系により発生するモータの角速度と角加速度の位相差の例を示す図である。

符号の説明

１ 操向ハンドル
２ コラム軸
４ インターミディエイトシャフト
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０、６０ モータ
３７ モータ駆動回路
４０ 操舵補助指令値演算部
４０Ａ 減算部
４０Ｂ〜４０Ｄ 加算部
４６ 最大電流制限部
４７ 電流制限部
４８ 電流指令値変換部
５０ ＳＡＴ推定部
５２ インターミディエイトシャフトトルク検出部

Claims (7)

1. 車両の操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、ハンドル操舵に補助力を付与するモータを前記電流指令値に基づいて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記車両のＳＡＴを検出若しくは推定するＳＡＴ検出部と、前記ＳＡＴ検出部で検出若しくは推定されたＳＡＴ値に基づいて前記電流指令値を制限する最大電流制限部とを具備した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. 車両の操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、ハンドル操舵に補助力を付与するモータを前記電流指令値に基づいて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記車両のＳＡＴを検出若しくは推定するＳＡＴ検出部と、前記ＳＡＴ検出部で検出若しくは推定されたＳＡＴ値に基づいて前記電流指令値のゲインを変換することにより前記電流指令値を制限する電流指令値変換部とを具備した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。
3. 前記電流指令値の最大値を制限する電流制限部を前記電流指令値変換部の前段に設けている請求項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ＳＡＴ検出部は前記モータの回転角速度及び回転角加速度、前記操舵トルク及び前記電流指令値に基づいて前記ＳＡＴ値を推定する請求項１乃至３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。
5. 車両の操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、ハンドル操舵に補助力を付与するモータを前記電流指令値に基づいて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記車両のインターミディエイトシャフトトルクを検出するインターミディエイトシャフトトルク検出部と、前記インターミディエイトシャフトトルク検出部で検出されるインターミディエイトシャフトトルク検出値に基づいて前記電流指令値を制限する最大電流制限部とを具備した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。
6. 車両の操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、ハンドル操舵に補助力を付与するモータを前記電流指令値に基づいて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記車両のインターミディエイトシャフトトルクを検出するインターミディエイトシャフトトルク検出部と、前記インターミディエイトシャフトトルク検出部で検出されたインターミディエイトシャフトトルク検出値に基づいて前記電流指令値のゲインを変換することにより前記電流指令値の制限をする電流指令値変換部とを具備した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。
7. 前記電流指令値の最大値を制限する電流制限部を前記電流指令値変換部の前段に設けている請求項６に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。

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