JP2010167878A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３相モータの１相が通電不良となり２相通電駆動する場合に、エネルギーロスを抑えつつモータを良好に回転させる。
【解決手段】 ２相通電指令部１０７は、電動モータ２０への通電不良が１相だけ発生しているときに、通電不良が発生していない２相を使って電気角θｅの変化に対して変動しない目標アシストトルクを発生するための理論上の２相通電用電流演算式と、電動モータ２０の上限電流を規定する最大電流と、２相通電用電流演算式における電気角θｅを進める進角量θａとに基づいて、２相通電用の指令電流を演算する。進角量設定部１１０は、電気角θｅと操舵トルクＴｒとに基づいて、進角量θａを設定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、運転者の操舵操作に基づいて３相モータを駆動制御して操舵アシストトルクを発生する電動パワーステアリング装置に関する。

従来から、電動パワーステアリング装置は、運転者が行った操舵操作に基づいて電動モータの目標アシストトルクを演算し、この目標アシストトルクが得られるように、電動モータの通電量を制御している。電動モータとして３相モータを使用した電動パワーステアリング装置も一般化されている。３相モータを使用した場合、電力供給系統の断線、モータ駆動回路のスイッチング素子の故障等により、３相のうちの１相に通電不良が発生したケースであっても、正常な２相を使ってモータを駆動することができる。電動パワーステアリング装置における電動モータの２相通電駆動技術は、例えば、特許文献１に提案されている。

特開２００８−２１１９１１号公報

しかしながら、特許文献１に提案された電動パワーステアリング装置では、２相通電駆動時において、正弦波電流を通電不良が発生していない２相に流すため、モータ電気角の変化に伴ってトルクが大きく変動してしまう。これに対して、モータ電気角の変化に対して一定のトルクを発生するための２相通電用電流演算式を用いて通電を制御すれば理論的にはトルクが一定となる。この２相通電用電流演算式は、例えば、次のように表すことができる。

この例は、Ｗ相が通電不良となったときのＶ相の電流演算式であり、Ｔは目標アシストトルク、ｅ₀はトルク定数、θｅはモータ電気角を表す。また、Ｕ相は、Ｖ相を反転したもの（Ｉu＝−Ｉv）となる。

この２相通電用電流演算式によれば、電流値が特定の電気角において無限大になるため、各相の電流を予め設定した最大電流値以下に制限する必要がある。従って、電流波形は、図４（ａ）に示すようになる。このように最大電流の制限が加わると、図４（ｂ）に示すように、特定の電気角領域においてモータトルク不足が発生する。この結果、モータを良好に回転させることができない。

本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、３相モータの１相が通電不良となり２相通電駆動する場合であっても、モータを良好に回転させることにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生する３相のモータと、操舵ハンドルに入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクに基づいて目標アシストトルクを設定し、前記目標アシストトルクが得られるように前記モータの通電を制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、
前記モータ制御手段は、前記モータの電気角を検出する電気角検出手段と、前記モータの各相への通電不良の発生を検出する通電不良検手段と、前記モータへの通電不良が１相だけ発生しているときに、通電不良が発生していない２相を使って前記モータの電気角の変化に対して変動しない目標アシストトルクを発生させるための理論上の２相通電用電流演算式と、前記モータの上限電流を規定する最大電流と、前記２相通電用電流演算式における前記モータの電気角を進める進角量とに基づいて、２相通電用の指令電流を演算し、演算した２相通電用の指令電流にて通電不良の発生していない２相に通電して前記モータを駆動制御する２相通電制御手段と、前記電気角検出手段により検出された電気角と前記操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクとに基づいて、前記２相通電用電流演算式における前記モータの電気角を進める進角量を設定する進角量設定手段とを備えたことにある。

本発明においては、モータ制御手段により３相モータの通電を制御することにより操舵ハンドルに入力された操舵トルクに応じた操舵アシストトルクを発生させる。３相モータとしては、３相ブラシレスモータが好適である。モータ制御手段は、３相モータへの通電不良が発生した場合でも、正常な２相を使ってモータ駆動できるように、電気角検出手段、通電不良検手段、２相通電制御手段、進角量設定手段を備えている。

通電不良検出手段によりモータへの通電不良が１相だけ発生していることが検出された場合、２相通電制御手段が正常な２相を使ってモータを駆動制御する。この場合、２相通電制御手段は、モータの電気角の変化に対して変動しない目標アシストトルクを発生させるための理論上の２相通電用電流演算式と、モータの上限電流を規定する最大電流（最大電流値）と、２相通電用電流演算式におけるモータの電気角を進める進角量とに基づいて、２相通電用の指令電流（指令電流値）を演算し、演算した２相通電用の指令電流にて通電不良の発生していない２相に通電してモータを駆動制御する。

２相通電用電流演算式は、電気角検出手段により検出されるモータの電気角に応じた２相通電用の電流を設定するが、特定の電気角に接近するとき電流の大きさ（絶対値）が急激に増加し、その特定の電気角を通過すると、符号（電流の向き）が反転して電流の大きさ（絶対値）が減少していく。最大電流は、モータおよびモータ駆動回路を保護するために設定されている。従って、特定の電気角近傍領域において、２相通電用の電流は、その大きさ（絶対値）が最大電流に制限される。この電流制限により、モータで発生できるトルクが減少する。また、ステアリング機構には、操舵方向に対してタイヤを戻そうとする反対方向の力となる反力が発生する。従って、通電方向が反転する電気角近傍領域においてモータトルクが不足し、その位置からモータを回転できなくなるおそれがある。このため、運転者の大きな操舵力が必要となる。そこで、本発明においては、２相通電用電流演算式におけるモータの電気角を進めて指令電流を演算する。つまり、２相通電用電流演算式は、モータの電気角からモータに流す電流を求める演算式であるが、２相通電制御手段は、電気角検出手段により検出した実電気角をモータ回転方向に進角量だけ進めた電気角に対する電流を２相通電用電流演算式から演算し、最大電流制限を加えて指令電流を算出する。

２相通電用電流演算式における電気角を進めた場合、モータを電気角が増加する方向に駆動させるケースを考えると、電気角に対するモータトルク特性は、指令電流の通電方向が反転する特定電気角（進角量だけ進められている）より小さい電気角の位置でトルクが増加し、特定電気角を越えると、急激にトルクが減少して逆方向のトルクが発生するようになる。そして、電気角が大きくなるにしたがって逆方向のトルクが弱まり、正方向のトルクに転じて徐々に増大していく。従って、特定電気角を挟んで、反力よりも大きな操舵アシストトルクを発生できる過アシスト領域と、操舵方向に対して反対方向にトルクを発生する逆アシスト領域とが形成される。また、逆アシスト領域よりも電気角の大きくなる領域には、電気角の増加にしたがって操舵方向にトルクを増大させて過アシスト領域に至る不足アシスト領域が形成される。

こうしたモータ特性においては、モータが不足アシスト領域で止まった場合、操舵方向に対してタイヤを戻そうとする反力によりモータが逆方向に回転する。そして、電気角が逆アシスト領域となる回転位置にまで戻されると、モータ自身の発生する逆方向のトルクにより、その回転位置をさらに過アシスト領域にまで逆回転させる。過アシスト領域にまで戻されると、モータは、反力に打ち勝つ大きな操舵方向のトルクを発生させ操舵方向に回転し、過アシスト領域で蓄えた運動エネルギーにより、逆アシスト領域と不足アシスト領域とを通過することができる。これにより、２相を使ってモータを良好に回転させることができる。

このように、２相通電駆動時においては、過アシスト領域と逆アシスト領域とを設けることによりモータトルクが不足する電気角領域が存在してもモータを回転させることができるが、できるだけエネルギーロスを小さくしたい。エネルギーロスを小さくするためには、逆アシスト領域を必要以上に設けないようにすればよい。つまり、モータがスムーズに回転できなかったときにだけ逆アシスト領域を設けるようにすればよい。

モータの電気角を進めた場合、指令電流の通電方向が反転する特定電気角を越えたところが逆アシスト領域となるため、その特定電気角近傍領域における進角量を小さくすれば逆アシスト領域を小さくする（無くすことも含む）ことができる。しかし、逆アシスト領域が小さくなった場合、モータがスムーズに回転できなくなるおそれがある。モータがスムーズに回転できない場合には、運転者が操舵ハンドルに入力する操舵トルクが増加するため、操舵トルクの増加に基づいて進角量を増大側に調整すれば、逆アシスト領域を拡大してモータをスムーズに回転させることができる。

そこで、本発明においては、進角量設定手段が、電気角検出手段により検出された電気角と操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクとに基づいて、２相通電用電流演算式におけるモータの電気角を進める進角量を設定する。例えば、進角量設定手段は、２相通電用電流演算式の電流の通電方向が反転する特定電気角近傍領域における進角量を他の電気角領域に比べて小さく設定し、かつ、操舵トルクが増大するにしたがって前記設定された進角量を増大する側に補正するとよい。この場合、補正された進角量を予め設定された最大進角量以下に制限するとよい。尚、２相通電用電流演算式は、通電不良の相に応じた位相にて設定されるため、特定の電気角もそれに応じて異なる。

この結果、本発明によれば、３相モータの１相が通電不良となり２相通電駆動する場合であっても、エネルギーロスを少なくしつつモータを良好に回転させることができる。

本発明の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図である。 アシストＥＣＵのマイクロコンピュータの処理を表す機能ブロック図である。 ３相電流波形と、１相断線時のモータトルク特性を表すグラフである。 ２相通電用電流演算式を用いた電流波形と、モータトルク特性を表すグラフである。 ２相通電用電流演算式を用いた電流波形を、進角を与えた場合と進角を与えない場合とで比較するグラフである。 ２相通電用電流演算式に進角を与えた場合のモータトルク特性を表すグラフである。 加速区間と減速区間とを説明するためのグラフである。 トルクフィードバックにより減少するモータトルク特性の変化を表すグラフである。 逆アシスト領域を使って過アシスト領域に逆回転させる動作を説明するグラフである。 基本進角量設定マップを表すグラフである。 基本進角量設定マップで設定された進角量を与えたときのモータトルク特性を表すグラフである。 進角量ゲイン設定マップを表すグラフである。 操舵トルクＴｒが基準トルクＴ１以上となる場合の、進角量特性を表すグラフである。 進角量ゲインＫが１未満となる場合の、進角量特性を表すグラフである。 進角量ゲインＫがゼロとなる場合の、進角量特性を表すグラフである。

以下、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について図面を用いて説明する。図１は、同実施形態に係る車両の電動パワーステアリング装置の概略構成を表している。

この電動パワーステアリング装置は、操舵ハンドル１１の操舵操作により転舵輪を転舵するステアリング機構１０と、ステアリング機構１０に組み付けられ操舵アシストトルクを発生する電動モータ２０と、電動モータ２０を駆動するためのモータ駆動回路３０と、電動モータ２０の作動を制御する電子制御装置１００とを主要部として備えている。以下、電子制御装置１００をアシストＥＣＵ１００と呼ぶ。

ステアリング機構１０は、操舵ハンドル１１の回転操作により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲを転舵するための機構で、操舵ハンドル１１を上端に一体回転するように接続したステアリングシャフト１２を備える。このステアリングシャフト１２の下端には、ピニオンギヤ１３が一体回転するように接続されている。ピニオンギヤ１３は、ラックバー１４に形成されたラック歯と噛み合って、ラックバー１４とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ラックバー１４の両端には、タイロッド１５Ｌ，１５Ｒを介して左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲのナックル（図示略）が操舵可能に接続されている。左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲは、ステアリングシャフト１２の軸線回りの回転に伴うラックバー１４の軸線方向の変位に応じて左右に操舵される。

ラックバー１４には、電動モータ２０が組み付けられている。電動モータ２０は、３相ブラシレスモータが用いられる。電動モータ２０の回転軸は、ボールねじ機構１６を介してラックバー１４に動力伝達可能に接続されていて、その回転により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲに転舵力を付与して操舵操作をアシストする。ボールねじ機構１６は、減速機および回転−直線変換器として機能するもので、電動モータ２０の回転を減速するとともに直線運動に変換してラックバー１４に伝達する。

ステアリングシャフト１２には、操舵トルクセンサ２１が設けられる。操舵トルクセンサ２１は、例えば、ステアリングシャフト１２の中間部に介装されたトーションバー（図示略）の上端部および下端部にそれぞれ組み付けられたレゾルバ（図示略）を備え、上下のレゾルバの検出角度差を使ってトーションバーのねじれ角度を表す検出信号を出力する。これにより操舵ハンドル１１の回動操作によってステアリングシャフト１２に作用する操舵トルクが検出される。この操舵トルクセンサ２１から出力される信号により検出される操舵トルクの値を、以下、操舵トルクＴｒと呼ぶ。操舵トルクＴｒは、正負の値により操舵ハンドル１１の操作方向が識別される。本実施形態においては、操舵ハンドル１１の右方向への操舵時における操舵トルクＴｒを正の値で、操舵ハンドル１１の左方向への操舵時における操舵トルクＴｒを負の値で示す。従って、操舵トルクＴｒの大きさは、その絶対値の大きさとなる。

また、ステアリングシャフト１２には、操舵ハンドル１１の回転角度を検出する操舵角センサ２３が設けられる。この操舵角センサ２３から出力される信号により検出される操舵角値を、以下、操舵角θｈと呼ぶ。操舵角θｈは、正負の値により操舵ハンドル１１の操作方向が識別される。本実施形態においては、操舵ハンドル１１の中立位置から右方向の操舵角θｈを正の値で、左方向の操舵角θｈを負の値で示す。従って、操舵角θｈの大きさは、その絶対値の大きさとなる。また、操舵角θｈを時間微分した値は、操舵ハンドル１１の操舵速度ωとして利用される。

電動モータ２０には、回転角センサ２２が設けられる。この回転角センサ２２は、電動モータ２０内に組み込まれ、電動モータ２０の回転子の回転角度位置に応じた検出信号を出力する。この回転角センサ２２により検出される回転角値を、以下、モータ回転角θｍと呼ぶ。モータ回転角θｍは、電動モータ２０の電気角θｅの計算に利用される。

モータ駆動回路３０は、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor Ｆield Ｅffect Ｔransistor）からなる６個のスイッチング素子３１〜３６により３相インバータ回路を構成したものである。具体的には、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２とを直列接続した回路と、第３スイッチング素子３３と第４スイッチング素子３４とを直列接続した回路と、第５スイッチング素子３５と第６スイッチング素子３６とを直列接続した回路とを並列接続し、各直列回路における２つのスイッチング素子間（３１−３２，３３−３４，３５−３６）から電動モータ２０への電力供給ライン３７を引き出した構成を採用している。

モータ駆動回路３０には、電動モータ２０に流れる電流を検出する電流センサ３８が設けられる。この電流センサ３８は、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）ごとに流れる電流をそれぞれ検出し、その検出した電流値に対応した検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。以下、この測定された３相の電流値をモータ電流Ｉuvwと総称し、それぞれの相電流値をＩu，Ｉv，Ｉwにて表す。

モータ駆動回路３０の各スイッチング素子３１〜３６は、それぞれゲートがアシストＥＣＵ１００に接続され、アシストＥＣＵ１００から出力されるＰＷＭ制御信号によりデューティ比が制御される。これにより電動モータ２０の駆動電圧が目標電圧に調整される。尚、図中に回路記号で示すように、スイッチング素子３１〜３６を構成するＭＯＳＦＥＴには、構造上ダイオードが寄生している。

また、モータ駆動回路３０から電動モータ２０への電力供給ライン３７には、各相毎に独立して開閉可能なスイッチを備えた遮断回路３９が設けられる。この遮断回路３９は、アシストＥＣＵ１００からの信号により、各相ごとに設けられたスイッチが独立して開閉制御される。

アシストＥＣＵ１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータを主要部として構成される。アシストＥＣＵ１００は、操舵トルクセンサ２１、操舵角センサ２３、回転角センサ２２、電流センサ３８、および、車速を検出する車速センサ２５を接続し、操舵トルクＴｒ、操舵角θｈ、モータ回転角θｍ、モータ電流Ｉuvw、車速ｖを表す検出信号を入力する。そして、入力した検出信号に基づいて、運転者の操舵操作に応じた最適な操舵アシストトルクが得られるように電動モータ２０に流す指令電流（目標電流）を演算し、その指令電流が流れるようにモータ駆動回路３０の各スイッチング素子３１〜３６のデューティ比を制御する。

また、アシストＥＣＵ１００は、電動モータ２０へ電力供給する通電路における不良（通電不良）を各相ごとに区別して検出し、１相だけの通電不良を検出したとき、正常な２相を使って電動モータ２０を駆動する２相通電制御を行う機能を備えている。アシストＥＣＵ１００の機能については後述する。

次に、電動パワーステアリング装置の電源供給系統について説明する。電動パワーステアリング装置は、車載電源装置８０から電源供給される。車載電源装置８０は、定格出力電圧１２Ｖの一般的な車載バッテリである主バッテリ８１と、エンジンの回転により発電する定格出力電圧１４Ｖのオルタネータ８２とを並列接続して構成される。車載電源装置８０には、電源供給元ライン８３と接地ライン８４が接続される。電源供給元ライン８３は、制御系電源ライン８５と駆動系電源ライン８６とに分岐する。制御系電源ライン８５は、アシストＥＣＵ１００に電源供給するための電源ラインとして機能する。駆動系電源ライン８６は、モータ駆動回路３０とアシストＥＣＵ１００との両方に電源供給する電源ラインとして機能する。

制御系電源ライン８５には、イグニッションスイッチ８７が接続される。駆動系電源ライン８６には、主電源リレー８８が接続される。この主電源リレー８８は、アシストＥＣＵ１００からの制御信号によりオンして電動モータ２０への電力供給回路を形成するものである。制御系電源ライン８５と駆動系電源ライン８６とは、連結ライン９０により連結されるが、ダイオード８９、９１により、連結ライン９１を介して駆動系電源ライン８６から制御系電源ライン８５には電源供給できるが、制御系電源ライン８５から駆動系電源ライン８６には電源供給できないような回路構成となっている。駆動系電源ライン８６および接地ライン８４は、モータ駆動回路３０の電源入力部に接続される。また、接地ライン８４は、アシストＥＣＵ１００の接地端子にも接続される。

次に、アシストＥＣＵ１００の機能について図２を用いて説明する。図２は、アシストＥＣＵ１００のマイクロコンピュータのプログラム制御により処理される機能を表す機能ブロック図である。アシストＥＣＵ１００は、電動モータ２０の各相への通電不良が検出されているか否かに応じてモータ制御形態を切り替える。電動モータ２０への通電が３相すべて正常であれば３相を使ったモータ制御（以下、３相通電制御と呼ぶ）を行い、１相の通電不良が検出されているときに通電不良が検出されていない２相を使ったモータ制御（以下、２相通電制御と呼ぶ）を行うように切り替える。また、２相以上の通電不良が検出されているときにはモータ駆動不能であるためモータ制御を停止する。

図２に示すように、アシストＥＣＵ１００は、アシスト電流指令部１０１を備えている。アシスト電流指令部１０１は、操舵トルクセンサ２１から出力される操舵トルクＴｒ及び車速センサ２５から出力される車速ｖを入力して、基本アシストマップを参照することにより基本アシストトルクＴａｓを計算する。基本アシストマップは、操舵トルクＴｒの増加にしたがって増加するとともに車速ｖの増加にしたがって減少する基本アシストトルクＴａｓを設定記憶したものである。また、アシスト電流指令部１０１は、操舵角センサ２３により検出される操舵角θｈを入力し、基本アシストトルクＴａｓに対する補償値Ｔｒｔを計算する。補償値Ｔｒｔは、例えば、操舵角θｈに比例して大きくなるステアリングシャフト１２の基本位置への復帰力と、操舵角θｈを時間微分した操舵速度ωに比例して大きくなるステアリングシャフト１２の回転に対する抵抗力に対応した戻しトルクとの和として計算される。アシスト電流指令部１０１は、計算した基本アシストトルクＴａｓと補償値Ｔｒｔの和を目標アシストトルクＴ＊として設定し、この目標アシストトルクＴ＊をトルク定数で除算することにより、ｄ−ｑ座標系におけるｑ軸指令電流Ｉｑ＊を算出する。

アシストＥＣＵ１００は、３相通電制御を行う場合には、電動モータ２０の回転方向をｑ軸とするとともに回転方向と直交する方向をｄ軸とするｄ−ｑ座標系で記述されるベクトル制御によって電動モータ２０の回転を制御する。ｄ軸電流は、電動モータ２０のトルクを発生させるように働かず、弱め界磁制御に使用される。本実施形態においては、アシスト電流指令部１０１は、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊をゼロ（Ｉｄ＊＝０）に設定する。

このように計算されたｑ軸指令電流Ｉｑ＊とｄ軸指令電流Ｉｄ＊は、フィードバック制御部１０２に出力される。フィードバック制御部１０２は、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊からｑ軸実電流Ｉｑを減算した偏差ΔＩｑを算出し、この偏差ΔＩｑを使った比例積分制御によりｑ軸実電流Ｉｑがｑ軸指令電流Ｉｑ＊に追従するようにｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を計算する。同様に、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊からｄ軸実電流Ｉｄを減算した偏差ΔＩｄを算出し、この偏差ΔＩｄを使った比例積分制御によりｄ軸実電流Ｉｄがｄ軸指令電流Ｉｄ＊に追従するようにｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を計算する。

ｑ軸実電流Ｉｑおよびｄ軸実電流Ｉｄは、電動モータ２０のコイルに実際に流れた３相電流の検出値Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ−ｑ座標系の２相電流に変換したものである。この３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwからｄ−ｑ座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑへの変換は、３相／２相変換部１０３によって行われる。３相／２相変換部１０３は、回転角変換部１０４から出力されるモータ電気角θｅを入力し、そのモータ電気角θｅに基づいて、電流センサ３８から出力される３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ−ｑ座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。回転角変換部１０４は、回転角センサ２２から出力される回転角θｍに基づいて、モータ電気角θｅを算出する電気角検出手段である。以下、モータ電気角θｅを、単に、電気角θｅと呼ぶ。

フィードバック制御部１０２により算出されたｑ軸指令電圧Ｖｑ＊とｄ軸指令電圧Ｖｄ＊は、２相／３相座標変換部１０５に出力される。２相／３相座標変換部１０５は、回転角変換部１０４から出力される電気角θｅに基づいて、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊とｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換して、その変換した３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をＰＷＭ信号発生部１０６に出力する。ＰＷＭ信号発生部１０６は、３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対応したＰＷＭ制御信号をモータ駆動回路３０のスイッチング素子３１〜３６に出力する。これにより電動モータ２０が駆動され、目標アシストトルクＴ＊に追従した操舵アシストトルクがステアリング機構１０に付与される。

次に、２相通電制御について説明する。電動モータ２０は、通常、図３（ａ）に示すように、電気角で１２０deg位相をずらした正弦波状の電流を３相に通電する。この場合には、電気角の変化に対して一定のモータトルクが得られる。しかし、３相のうちの１相が断線等により通電不良を生じると、図３（ｂ）に示すように、モータトルクは電気角に応じて大きく変動する。このため、操舵操作に引っ掛かりが発生する。

そこで、２相通電時には、モータ電気角の変化に対してモータトルクが一定となる２相通電用電流演算式を用いて指令電流を演算し、演算された指令電流で２相に通電すれば、理論的には一定のモータトルクが得られる。この２相通電用電流演算式は、次のように表すことができる。

この例は、Ｗ相が通電不良となったときのＶ相の電流演算式であり、ｅ₀はトルク定数を表す。また、Ｕ相は、Ｖ相を反転したもの（Ｉu＝−Ｉv）となる。

この２相通電用電流演算式によれば、電気角θｅが９０degあるいは２７０degとなる回転位置において２相通電用の電流が無限大となるが、電動モータ２０やモータ駆動回路３０を過電流から保護するために、アシストＥＣＵ１００には、電動モータ２０に流すことのできる最大電流が予め設定されている。従って、２相通電時における指令電流の電流波形は、図４（ａ）に示すようになる。図中、破線で囲んだ部分が電流制限の働いた領域である。尚、図４（ａ）は、１相の電流波形を表したもので、もう一方の相の電流波形は、この波形の符号を反転したものとなる。

このような電流を電動モータ２０に通電した場合、電動モータ２０で発生するトルクは図４（ｂ）に示すように、電流制限が働いた領域において減少してしまう。従って、その電気角近傍領域においてモータトルクが不足し、その位置から電動モータ２０を回転できなくなるおそれがある。このため、操舵操作に引っ掛かりが発生する。

そこで、本実施形態においては、電気角θｅを後述する進角量設定部１１０にて設定した進角量θａだけモータ回転方向に進めて指令電流を演算する。つまり、２相通電用の電流を電気角θｅに対して進角量θａだけ前だしするように２相通電用電流演算式の電気角θｅを補正して演算し、この演算して得られた電流に最大電流制限を付加して指令電流を算出する。電気角を進めた指令電流は、図５に実線にて示すような波形となる。この例は、進角量θａを約２０degに設定している。

このように電気角を進めて指令電流を設定すると、モータトルクは、図６に示すような特性となる。図中において、Ｔ０は、予め設定した走行条件下における、操舵方向とは反対方向にタイヤを戻そうとする反力を表している。従って、モータトルクが反力Ｔ０を越えれば、運転者の操舵力なしでも操舵可能であり、モータトルクが反力Ｔ０に満たなければ、その不足分だけ運転者の操舵力が必要となる。この図からわかるように、モータトルクが反力Ｔ０を越える電気角領域と、反力Ｔ０に満たない電気角領域とが存在する。以下、モータトルクが反力Ｔ０を越える電気角領域を過アシスト領域Ａと呼び、反力Ｔ０に満たない電気角領域を不足アシスト領域Ｂと呼ぶ。

また、不足アシスト領域Ｂ内には、モータトルクが操舵方向と逆方向に働く電気角領域も存在する。以下、不足アシスト領域Ｂを、モータトルクが操舵方向と同じ方向に働く電気角領域と、逆方向に働く電気角領域とに分けて説明する場合には、前者の電気角領域を不足アシスト正領域Ｂ１と呼び、後者の電気角領域を逆アシスト領域Ｂ２と呼ぶ。過アシスト領域Ａから逆アシスト領域Ｂ２に切り替わるポイントは、電動モータ２０の相電流の符号が反転する回転位置（電気角）となる。この例では、（９０deg−θａ）および（２７０deg−θａ）の電気角において過アシスト領域Ａから逆アシスト領域Ｂ２に切り替わる。

本実施形態においては、モータトルク特性に、過アシスト領域Ａと逆アシスト領域Ｂ２とを設けることにより、これらの領域Ａ，Ｂ２を利用して引っ掛かりなく電動モータ２０を回転できるようにしている。以下、その理由を説明する。

電動モータ２０は、図７に示す回転方向に回転している場合、過アシスト領域Ａにおいて加速していき運動エネルギーを蓄える。そして、不足アシスト領域Ｂに入ると、今度は反力により減速していく。つまり、過アシスト領域Ａが加速区間となり、不足アシスト領域Ｂが減速区間となる。この場合、過アシスト領域Ａにおいて蓄えた運動エネルギーが、不足アシスト領域Ｂで失う運動エネルギーよりも大きければ、電動モータ２０は、引っ掛かりなく回転することができる。

ただし、操舵速度（モータの回転速度）が遅い場合などでトルクフィードバックが応答してしまった場合には、図８に示すように、モータトルクが減少する。このため、過アシスト領域Ａが減少し、過アシスト領域Ａで十分に加速することができなくなる。十分な加速が得られないと、不足アシスト領域Ｂにおいてモータトルクと操舵力（運転者が操舵ハンドルに加えた操舵力）との合計が反力Ｔ０より小さい場合には、不足アシスト領域Ｂを通過しきれなくなり、反力により電動モータ２０が途中で逆回転する。例えば、図９に示す不足アシスト正領域Ｂ１の電気角θｓで停止し、その位置から矢印方向に逆戻りする。

この場合、電動モータ２０は、必ず逆アシスト領域Ｂ２にまで戻り、そこで操舵方向とは逆方向となるトルクを発生させ、そのトルクと反力との合力により、そのまま過アシスト領域Ａ内にまで一気に戻る。これにより、電動モータ２０は、過アシスト領域Ａにおいて正回転方向にトルクを発生させて加速を開始する。つまり、逆アシスト領域Ｂ２を使って電動モータ２０の回転位置（電気角θｅ）を過アシスト領域Ａにまで戻し、過アシスト領域Ａにおいて再度加速させる。そして、過アシスト領域Ａを通過中に蓄えた運動エネルギーを使って不足アシスト領域Ｂを通過する。これにより、引っ掛かりを発生させることなく電動モータ２０を操舵方向に回転させることができる。尚、過アシスト領域Ａに戻って再加速させても不足アシスト領域Ｂを通過できなかったときには、再度、逆アシスト領域Ｂ２を介して過アシスト領域Ａに戻るため、上述した動作を繰り返すことにより不足アシスト領域Ｂを通過できるようになる。また、電動モータ２０が正逆回転を繰り返しても、電動モータ２０とステアリング機構１０とはボールねじ機構１６により連結されており電動モータ２０の回転した角度に対してステアリングシャフト１２の回転する角度が非常に小さく、また、その微少回転がステアリングシャフト１２に設けられたトーションバーにより吸収されるため、ハンドル操作に与える影響は殆どない。

ところで、電動モータ２０の２相通電時においては、上述したように電気角を進めることにより過アシスト領域Ａと逆アシスト領域Ｂ２とを設けて電動モータ２０を回転させることができるが、できるだけエネルギーロスを小さくしたい。エネルギーロスを小さくするためには、逆アシスト領域Ｂ２を必要以上に設けないようにすればよい。そこで、本実施形態においては、電動モータ２０がスムーズに回転できなかったときにだけ逆アシスト領域を設けるようにするために進角量θａを設定する進角量設定部１１０を備えている。

進角量設定部１１０は、図２に示すように、回転角変換部１０４から出力される電気角θｅに基づいて基本進角量θａ０を設定する基本進角量設定部１１１と、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒに基づいて進角量ゲインＫを設定する進角量ゲイン設定部１１２と、基本進角量θａ０に進角量ゲインＫを乗じて進角量θａを設定する乗算部１１３とを備え、後述する通電不良検出部１０８から通電不良検出信号を入力したときに作動を開始する。

基本進角量設定部１１１は、図１０に示すような基本進角量設定マップを記憶している。基本進角量設定マップは、電気角θｅに対する基本進角量θａ０を設定したもので、２相通電用電流演算式の電流の通電方向（符号）が反転する特定電気角近傍領域における進角量を他の電気角領域に比べて小さく設定するものである。２相通電用電流演算式の電流の通電方向（符号）が反転する特定電気角を越えると過アシスト領域から逆アシスト領域に入る。従って、この特定電気角近傍領域での進角量を小さくすることで、図１１のトルク特性に示すように、過アシスト領域を存在させたまま逆アシスト領域を小さくすることができる。尚、基本進角量設定マップは、通電不良の相ごとに、その位相をずらして設定される。

逆アシスト領域を小さくすると電動モータ２０がスムーズに回転できないときがある。そうした場合には、運転者の操舵操作力の負担が増大し、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒが増大する。そこで、進角量設定部１１０は、進角量ゲイン設定部１１２にて操舵トルクＴｒに応じた進角量ゲインＫを設定し、乗算部１１３にて進角量ゲインＫを基本進角量θａ０に乗算することにより進角量θａを求める。進角量ゲイン設定部１１２は、図１２に示すようなゲイン設定マップを記憶している。ゲイン設定マップは、操舵トルクＴｒが基準トルクＴ１より小さいときには操舵トルクＴｒの増加にしたがってゼロから増加する進角量ゲインＫを設定し、操舵トルクＴｒが基準トルクＴ１以上となるときには一定の進角量ゲインＫ（＝Ｋmax）を設定する。従って、進角量設定部１１０は、２相通電用電流演算式の電流の通電方向（符号）が反転する特定電気角近傍領域における進角量を他の電気角領域に比べて小さく設定し、かつ、操舵トルクＴｒが増加するにしたがって進角量θａが増加するように補正するものである。

この場合、乗算部１１３は、進角量θａが最大進角量θａmaxを越えないように制限する。本実施形態においては、この最大進角量θａmaxを基本進角量設定マップにおける進角量θａ０の最大値と同じ値に設定している。

例えば、操舵トルクＴｒが基準トルクＴ１以上である場合には、最大の進角量ゲインＫmax（＞１）が基本進角量θａ０に乗算されるため、図１３に示すように、進角量θａは電気角θｅに関わらず一定値θａmaxに設定される。また、操舵トルクＴｒが基準トルクＴ１より小さく、かつ、進角量ゲインＫが１未満の場合には、図１４に示すように、電気角θｅに対する進角量θａの特性が進角量θａが小さくなる側に設定される。また、操舵トルクＴｒがゼロの場合には、進角量ゲインＫがゼロであるため、図１５に示すように、進角量θａは電気角θｅに関わらずゼロに設定される。

尚、進角量θａは、操舵トルクＴｒが負の方向（左方向）に働く場合には、進角量θａも負の値となる。つまり、電気角が増加する側に電動モータ２０を回転させるときには、正の進角量θａを設定し、電気角が減少する側に電動モータ２０を回転させるときには、負の進角量θａを設定する。これにより、電動モータ２０を回転させる方向に電気角を進めることができる。

次に、２相通電制御を行うアシストＥＣＵ１００の機能について、図２を用いて説明する。アシストＥＣＵ１００は、２相通電指令部１０７、通電不良検出部１０８を備えている。２相通電指令部１０７は、通電不良検出部１０８から１相の通電不良検出信号を入力したときに作動を開始する。

通電不良検出部１０８は、ＰＷＭ信号発生部１０６の出力するＰＷＭ制御信号と、操舵角センサ２３の出力する操舵角θｈと、電流センサ３８の出力する３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwとを入力して、電動モータ２０への通電不良を相別に区別して検出する。電動モータ２０への通電不良とは、電動モータ２０に良好に電力供給できない不良を意味し、例えば、モータ駆動回路３０内の不良（特に、スイッチング素子３１〜３６の接点不良）、モータ駆動回路３０から電動モータ２０への電力供給ライン３７の断線等に起因して発生する不良である。

通電不良検出部１０８は、例えば、電流センサ３８により検出される相電流が予め設定した基準電流より小さいときに、操舵角θｈを時間微分して得られる操舵速度ωの大きさ（絶対値）が基準速度よりも小さく、かつ、ＰＷＭ制御信号により特定されるデューティ比（オンデューティ比）が基準デューティ比よりも大きいか否かを判断する。そして、操舵速度｜ω｜が基準速度よりも小さく、かつ、デューティ比が基準デューティ比よりも大きい場合には、その相に通電不良が発生していると判定する。つまり、操舵速度｜ω｜が小さく逆起電力の発生が少ない状態で、モータ駆動回路３０に出力したＰＷＭ制御信号により本来流れるはずの相電流が流れない場合に通電不良と判定する。

通電不良検出部１０８は、こうした通電不良判定を各相毎に周期的に行い、通電不良が検出されていないあいだは通電正常信号を出力する。そして、通電不良を検出した場合には、通常正常信号に代えて通電不良相を特定する通電不良検出信号を出力する。また、通電不良検出部１０８は、通電不良を検出した場合、電動モータ２０の電力供給ライン３７に設けた遮断回路３９の通電不良相に対応するスイッチにオフ信号を出力して、通電不良相の通電を遮断する。以下、通電不良検出部１０８の出力する信号（通電正常信号および通電不良相を特定する通電不良検出信号）を通電判定信号と呼ぶ。

２相通電指令部１０７は、通電不良検出部１０８から１相の通電不良検出信号を入力すると、２相通電用電流演算式と、予め設定された最大電流と、進角量設定部１１０により設定された進角量θａとに基づいて、２相通電用の指令電流Ｉu＊，Ｉv＊，Ｉw＊を計算する。この場合、通電不良相の指令電流は計算しない。２相通電用電流演算式は、アシスト電流指令部１０１が出力するｑ軸指令電流ｑ＊と、回転角変換部１０４が出力する電気角θｅとを使って次式のように表される。

この例は、Ｗ相が通電不良となったときのＶ相の２相通電用電流演算式である。Ｕ相は、Ｖ相を反転したもの（Ｉu＝−Ｉv）となる。また、２相通電用電流演算式は、通電不良相に応じて位相が１２０degずれたものとなる。

このように計算された２相通電用の指令電流Ｉu＊，Ｉv＊，Ｉw＊（３相のうち正常相となる２相に流す指令電流）は、２相通電用フィードバック制御部１０９に出力される。２相通電用フィードバック制御部１０９は、通電不良検出部１０８から１相の通電不良検出信号を入力すると作動を開始する。このとき通電不良検出信号は、フィードバック制御部１０２にも出力される。フィードバック制御部１０２は、通電不良検出信号を入力すると、その作動を停止する。従って、１相の通電不良が検出された場合には、ｄ−ｑ座標系による電流フィードバック制御に代わって、２相通電用の電流フィードバック制御が開始される。

２相通電用フィードバック制御部１０９は、電流センサ３８から出力される３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉw（３相のうち正常相となる２相に流れる実電流）を入力し、２相通電用の指令電流Ｉu＊，Ｉv＊，Ｉw＊（３相のうち正常相となる２相分の指令電流）との偏差ΔＩu，ΔＩv，ΔＩwを算出し、この偏差ΔＩu，ΔＩv，ΔＩwを使った比例積分制御により３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwが２相通電用の指令電流Ｉu＊，Ｉv＊，Ｉw＊に追従するように２相通電用の指令電圧Ｖu＊，Ｖv＊，Ｖw＊（３相のうち正常相となる２相分の指令電圧）を算出する。

２相通電用フィードバック制御部１０９は、算出した２相通電用の指令電圧Ｖu＊，Ｖv＊，Ｖw＊をＰＷＭ信号発生部１０６に出力する。ＰＷＭ信号発生部１０６は、２相通電用の指令電圧Ｖu＊，Ｖv＊，Ｖw＊に対応したＰＷＭ制御信号をモータ駆動回路３０のスイッチング素子３１〜３６に出力する。これにより電動モータ２０が駆動され、目標アシストトルクＴ＊に追従した操舵アシストトルクがステアリング機構１０に付与される。この場合、２相通電用電流演算式の電気角θｅを進角量θａだけ進めているため、電動モータ２０の回転が引っかからず、良好な操舵アシストを行うことができる。

以上説明した本実施形態の電動パワーステアリング装置によれば、３相の電動モータ２０の１相の通電不良が発生した場合であっても、進角量θａを与えた２相通電制御を行うことにより、電動モータ２０を良好に回転させることができる。これにより、２相通電制御時における操舵操作フィーリングの低下を抑制することができる。また、２相通電用電流演算式の電流の通電方向が反転する特定電気角近傍領域における進角量を他の電気角領域に比べて小さく設定し、かつ、操舵トルクＴｒが増大するにしたがって進角量を増大する側に補正することにより逆アシスト領域を必要以上に設けないようにしているため、エネルギーロスを低減することができる。

以上、本実施形態の電動パワーステアリング装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態においては、電動モータ２０の発生するトルクをラックバー１４に付与するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置について説明したが、電動モータの発生するトルクをステアリングシャフト１２に付与するコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置であってもよい。

１０…ステアリング機構、１１…操舵ハンドル、１２…ステアリングシャフト、２０…電動モータ、２１…操舵トルクセンサ、２２…回転角センサ、２３…操舵角センサ、２５…車速センサ、３０…モータ駆動回路、３７…電力供給ライン、３８…電流センサ、３９…遮断回路、１００…電子制御装置（アシストＥＣＵ）、１０１…アシスト電流指令部、１０２…フィードバック制御部、１０３…３相／２相変換部、１０４…回転角変換部、１０５…２相／３相座標変換部、１０６…ＰＷＭ制御信号発生部、１０７…２相通電指令部、１０８…通電不良検出部、１０９…２相通電用フィードバック制御部、１１０…進角量設定部、１１１…基本進角量設定部、１１２…進角量ゲイン設定部、１１３…乗算部。

Claims (1)

1. ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生する３相のモータと、
   操舵ハンドルに入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   前記操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクに基づいて目標アシストトルクを設定し、前記目標アシストトルクが得られるように前記モータの通電を制御するモータ制御手段と
   を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記モータ制御手段は、
   前記モータの電気角を検出する電気角検出手段と、
   前記モータの各相への通電不良の発生を検出する通電不良検手段と、
   前記モータへの通電不良が１相だけ発生しているときに、通電不良が発生していない２相を使って前記モータの電気角の変化に対して変動しない目標アシストトルクを発生させるための理論上の２相通電用電流演算式と、前記モータの上限電流を規定する最大電流と、前記２相通電用電流演算式における前記モータの電気角を進める進角量とに基づいて、２相通電用の指令電流を演算し、演算した２相通電用の指令電流にて通電不良の発生していない２相に通電して前記モータを駆動制御する２相通電制御手段と、
   前記電気角検出手段により検出された電気角と前記操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクとに基づいて、前記２相通電用電流演算式における前記モータの電気角を進める進角量を設定する進角量設定手段と
   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。

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