JP2014139039A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法で、コストの上昇を抑えるとともに、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供すること。
【解決手段】モータ回転角検出手段から検出したモータ回転角を二次微分してモータ回転角加速度を演算するモータ回転角加速度演算手段と、モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、電流値に変換する加速度／電流値変換手段を備えている。そして、モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、加速度／電流値変換手段にてｑ軸電流を求め、ｑ軸指令電流との差分からｑ軸指令電圧を演算するｑ軸指令電圧演算手段を有する構成とした。
【選択図】図３

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、電動モータにより操舵補助を行う電動パワーステアリング装置では、車速と操舵トルクより目標電流を生成し、電流検出器で、電動モータに流れる実電流を検出している。そして、目標電流と実電流の差分を演算し、この差分を公知のＰＩＤ制御（比例制御、積分制御、微分制御）することにより最適なアシスト力を発生させることによって、快適な操舵フィーリングが得られるようにモータ制御を行っている。

しかし、上記電動モータの温度が上昇した場合には、電動モータのロータを構成している磁石の磁束が低下する。その結果、電動モータの発生するトルクが低下し、操舵フィーリングが劣化する虞があった。そのため、例えば、特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置では、電動モータの近傍に温度センサを設けて、温度の増加に応じて、目標電流を補正し、電動モータの発生するトルクの低下を防止していた。

特開平１０−６７３３５号公報

しかし、上述したような方法では、別置温度センサが必要となるため、コストの上昇が問題となる。また、温度上昇と、目標電流の補正が正確に対応していないと、十分な操舵フィーリングが得られない場合があった。

本発明の目的は、簡易な方法で、コストの上昇を抑えるとともに、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、モータによって操舵系にステアリング操作を補助するアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、前記モータに流れる実電流を検出する実電流検出手段と、前記モータの回転角を検出するモータ回転角検出手段と、前記操舵トルク検出手段から検出した操舵トルクと、前記車速検出手段から検出した車速からアシスト力を生成するアシスト力生成手段と、前記アシスト力生成手段によって生成されたアシスト力指令値に基づいて、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより、操舵力補助装置の作動を制御する制御手段と、を備えた電動パワーステアリング装置において、前記制御手段は、前記モータ回転角検出手段から検出したモータ回転角を二次微分してモータ回転角加速度を演算するモータ回転角加速度演算手段と、前記モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、電流値に変換する加速度／電流値変換手段と、を有し、前記制御手段は、前記実電流検出手段から検出した実電流をｄ／ｑ軸変換によって、ｄ軸電流を求め、ｄ軸指令電流との差分からｄ軸指令電圧を演算する、ｄ軸指令電圧演算手段と、前記モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、前記加速度／電流値変換手段にてｑ軸電流を求め、ｑ軸指令電流との差分からｑ軸指令電圧を演算するｑ軸指令電圧演算手段とを有し、前記ｄ軸指令電圧演算手段、及びｑ軸指令電圧演算手段より求められたｄ軸、ｑ軸の指令電圧から、三相各相の電圧指令を求めること、を要旨とする。

本請求項の電動パワーステアリング装置では、モータ回転角検出手段から検出したモータ回転角を二次微分してモータ回転角加速度を演算するモータ回転角加速度演算手段と、モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、電流値に変換する加速度／電流値変換手段を備えている。そして、モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、加速度／電流値変換手段にてｑ軸電流を求め、ｑ軸指令電流との差分からｑ軸指令電圧を演算するｑ軸指令電圧演算手段を有する構成とした。

即ち、モータ回転角加速度には、モータ温度等の外乱によって変化する状態が全て含まれているので、その値をｑ軸実電流値に変換して、電流制御ループにフィードバックすることにより、外乱変動に対する実電流の応答性が向上し、トルク変動を抑えることができる。

その結果、温度センサ等のコストアップ要因となる検出センサが不要となり、コストの低減が図れるとともに、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

本発明によれば、簡易な方法で、コストの上昇を抑えるとともに、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの制御ブロック図。 加速度／電流値変換の処理手順を示すフローチャート図。

以下、コラム型の電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳという）に具体化した本発明の一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態のＥＰＳ１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されている。ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト８、インターミディエイトシャフト９、及びピニオンシャフト１０を連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド１１を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪１２の舵角が変更されるようになっている。

また、ＥＰＳ１は、モータ２１を駆動源として操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ２４（操舵力補助装置）と、ＥＰＳアクチュエータ２４の作動を制御するＥＣＵ２７とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ２４は、コラム型のＥＰＳアクチュエータであり、その駆動源であるモータ２１は、減速機構２３を介してコラムシャフト８と駆動連結されている。そして、同モータ２１の回転を減速機構２３により減速してコラムシャフト８に伝達することによって、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する構成となっている。

一方、ＥＣＵ２７には、車速センサ２５（車速検出手段）、トルクセンサ２６（操舵トルク検出手段）、及びモータ回転角センサ２２（モータ回転角検出手段）が接続されており、ＥＣＵ２７は、これら各センサの出力信号に基づいて、車速Ｖ、操舵トルクτ、及びモータ回転角θｍを検出する。

次に、本実施形態のＥＰＳ１における電気的構成について説明する。
図２は、本実施形態のＥＰＳ１の制御ブロック図である。同図に示すように、ＥＣＵ２７は、モータ制御信号を出力するマイコン２９（制御手段）と、そのモータ制御信号に基づいて、ＥＰＳアクチュエータ２４の駆動源であるモータ２１に三相の駆動電力を供給する駆動回路４０、及びモータ２１に通電されるＵ相電流値Ｉｕ、Ｖ相電流値Ｉｖ、及びＷ相電流値Ｉｗを検出するための電流センサ（実電流検出手段）３０ｕ、３０ｖ、及び３０ｗとを備えている。

駆動回路４０は、直列に接続された一対のスイッチング素子を基本単位（アーム）として各相に対応する３つのアームを並列接続してなる公知のＰＷＭインバータ（図示せず）である。また、マイコン２９の出力するモータ制御信号は、モータ駆動回路４０を構成する各スイッチング素子のオンデューティ比を規定するものとなっている。モータ制御信号が各スイッチング素子のゲート端子に印加され、モータ制御信号に応答して、各スイッチング素子がオン／オフすることにより、バッテリ２８の電源電圧に基づく三相のモータ駆動電力を生成して、モータ２１へと出力する構成になっている。

ＥＣＵ２７には、モータ２１のモータ回転角θｍを検出するためのモータ回転角センサ２２が接続されている。そして、マイコン２９は、これら各センサの出力信号に基づき検出されたモータ２１の各相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及びモータ回転角θｍ、モータ回転角θｍを微分したモータ回転角速度ωｍ、及びモータ回転角速度ωｍを更に微分したモータ回転角加速度αｍ、並びに上記操舵トルクτ、及び車速Ｖに基づいて、駆動回路４０にモータ制御信号を出力する。

以下に示す各制御ブロックは、マイコン２９が実行するコンピュータプログラムにより実現されるものである。マイコン２９は、所定のサンプリング周期で上記各状態量を検出し、所定周期毎に以下の各制御ブロックに示される各演算処理を実行することにより、モータ制御信号を生成する。

図２に示すように、マイコン２９は、モータ２１を制御する電流指令値を演算する電流指令値演算部３１と、上記駆動回路４０を制御するモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成部４４と、を備えている。

電流指令値演算部３１には、トルクセンサ２６により検出された操舵トルクτ、及び車速センサ２５により検出された車速Ｖが入力される。電流指令値演算部３１は、その操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、アシストトルクの制御目標であるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、操舵トルク/ｑ軸電流指令値マップより決定する。
尚、操舵トルク/ｑ軸電流指令値マップは、同じ操舵トルクの場合、車速Ｖが小さいほど、大きなｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を決定するように構成されている。

モータ制御信号生成部４４は、ｄ／ｑ変換演算部３４、ｑ軸ＰＩＤ制御部３５、ｄ軸ＰＩＤ制御部３６、ｄ／ｑ逆変換演算部３７、ＰＷＭ出力部３８、加速度／電流値変換部３２、微分器５５，５６及び減算器５３，５４で構成されている。

モータ制御信号生成部４４において、マイコン２９は、実電流値検出センサ３０ｕ、３０ｖ、及び３０ｗで検出された各相実電流値Ｉｕ、Ｉｖ、及びＩｗをｄ／ｑ座標系に写像することにより（ｄ／ｑ変換）、ｄ軸実電流値を求め、この値とｄ軸指令値（Ｉｄ＊＝０）との偏差を求め、ｄ軸ＰＩＤ制御部３６を経由して、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ*を演算する。一方、マイコン２９は、モータ回転角θｍを一次微分器５５、及び二次微分器５６によって、モータ回転角加速度αｍを求める。そして、求めたモータ回転角加速度αｍを、加速度／電流値変換部３２によって、ｑ軸実電流値を求め、この値とｑ軸指令値との偏差を求め、ｑ軸ＰＩＤ制御部３５を経由して、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を演算する。

そして、マイコン２９は、演算されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ*、及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ*をｄ／ｑ逆変換演算部３７を経由してＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換されＰＷＭ出力部３８に入力される。次に、駆動回路４０を構成するＦＥＴのオン/オフタイミングを決定するＤＵＴＹ指令値をＰＷＭ出力部３８で生成し、そのＤＵＴＹ指令値に基づいてゲートオン/オフ信号の出力を実行する。

次に、本実施形態のマイコン２９による加速度／電流値変換の処理手順について図３に基づいて説明する。
最初に、マイコン２９は、モータ回転角θｍを読み込む（ステップＳ１０１）。そして、マイコン２９は、読み込んだモータ回転角θｍを微分することによって、モータ回転角速度ωｍを演算する（ステップＳ１０２）。更に、マイコン２９は、演算されたモータ回転角速度ωｍを微分することによって、モータ回転角加速度αｍを演算する（ステップＳ１０３）。

次に、マイコン２９は、演算されたモータ回転角加速度αｍに、モータイナーシャノミナル値（Ｊｍｎ）５７を掛けた後、モータトルク定数ノミナル値（Ｋｔｎ）５８で除算することにより、ｑ軸電流値Ｉｑを求める（ステップＳ１０４）。そして、マイコン２９は、求めたｑ軸電流値Ｉｑを減算器５３に出力して（ステップＳ１０５）、処理を終える。

次に、上記のように構成された本実施形態のＥＰＳ１の作用及び効果について説明する。
本実施形態では、モータ回転角検出手段から検出したモータ回転角を二次微分してモータ回転角加速度を演算するモータ回転角加速度演算手段と、モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、電流値に変換する加速度／電流値変換手段を備えている。そして、モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、加速度／電流値変換手段にてｑ軸電流を求め、ｑ軸指令電流との差分からｑ軸指令電圧を演算するｑ軸指令電圧演算手段を有する構成とした。

即ち、モータ回転角加速度には、モータ温度等の外乱によって変化する状態が全て含まれているので、その値をｑ軸実電流値に変換して、電流制御ループにフィードバックすることにより、外乱変動に対する実電流の応答性が向上し、トルク変動を抑えることができる。

その結果、温度センサ等のコストアップ要因となる検出センサが不要となり、コストの低減が図れるとともに、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置に具体化したが、本発明を伝達比可変装置や駆動力配分装置に適用してもよい。

・本実施形態では、本発明をコラムアシストＥＰＳに具体化したが、本発明をラックアシストＥＰＳやピニオンアシストＥＰＳに適用してもよい。

・本実施形態では、本発明をモータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、加速度／電流値変換手段にてｑ軸電流を求め、その値をそのままｑ軸減算器にフィードバックしたが、上記ｑ軸電流に操舵トルクの大きさによって変更可能なゲインを掛けて、ｑ軸減算器にフィードバックしてもよい。

１：電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２：ステアリング、
３：ステアリングシャフト、４：ラックアンドピニオン機構、５：ラック軸、
８：コラムシャフト、９：インターミディエイトシャフト、１０：ピニオンシャフト、１１：タイロッド、１２：転舵輪、２１：モータ、
２２：モータ回転角センサ（モータ回転角検出手段）、２３：減速機構、
２４：ＥＰＳアクチュエータ（操舵力補助装置）、
２５：車速センサ（車速検出手段）、２６：トルクセンサ（操舵トルク検出手段）、２７：ＥＣＵ、２８：バッテリ、２９：マイコン（制御手段）、
３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ：電流センサ（実電流検出手段）、
３１：電流指令値演算部（アシスト力生成手段）、
３２：加速度／電流値変換部（加速度／電流値変換手段）、
３４：ｄ／ｑ変換演算部、３５：ｑ軸ＰＩＤ制御部、３６：ｄ軸ＰＩＤ制御部、
３７：ｄ／ｑ逆変換演算部、３８：ＰＷＭ出力部、４０：駆動回路、
４４：モータ制御信号生成部、５３、５４：減算器、
５５：一次微分器、５６：二次微分器、
５７：モータイナーシャノミナル値（Ｊｍｎ）、
５８：モータトルク定数ノミナル値（Ｋｔｎ）、
Ｖ：車速、τ：操舵トルク、θｍ：モータ回転角、
ωｍ：モータ回転角速度、αｍ：モータ回転角加速度、
Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ：各相電流値、
Ｉｑ＊：ｑ軸電流指令値、Ｉｑ：ｑ軸電流値、ΔＩｑ：ｑ軸偏差電流値、
Ｉｄ＊：ｄ軸電流指令値、Ｉｄ：ｄ軸電流値、ΔＩｄ：ｄ軸偏差電流値、
Ｖｑ＊：ｑ軸電圧指令値、Ｖｄ＊：ｄ軸電圧指令値、
Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊：各相電圧指令値

Claims (1)

1. モータによって操舵系にステアリング操作を補助するアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、
   操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   車速を検出する車速検出手段と、
   前記モータに流れる実電流を検出する実電流検出手段と、
   前記モータの回転角を検出するモータ回転角検出手段と、
   前記操舵トルク検出手段から検出した操舵トルクと、前記車速検出手段から検出した車速からアシスト力を生成するアシスト力生成手段と、
   前記アシスト力生成手段によって生成されたアシスト力指令値に基づいて、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより、操舵力補助装置の作動を制御する制御手段と、
   を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記制御手段は、前記モータ回転角検出手段から検出したモータ回転角を二次微分してモータ回転角加速度を演算するモータ回転角加速度演算手段と、
   前記モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、電流値に変換する加速度／電流値変換手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記実電流検出手段から検出した実電流をｄ／ｑ軸変換によって、
   ｄ軸電流を求め、ｄ軸指令電流との差分からｄ軸指令電圧を演算する、ｄ軸指令電圧演算手段と、
   前記モータ回転角加速度演算手段から演算したモータ回転角加速度を、前記加速度／電流値変換手段にてｑ軸電流を求め、ｑ軸指令電流との差分からｑ軸指令電圧を演算するｑ軸指令電圧演算手段とを有し、
   前記ｄ軸指令電圧演算手段、及びｑ軸指令電圧演算手段より求められたｄ軸、ｑ軸の指令電圧から、三相各相の電圧指令を求めること、
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。

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