JP3663782B2 - 電動パワ−ステアリング装置の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動パワ−ステアリング装置の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両用の電動パワ−ステアリング装置は、操向ハンドルの操作によりステアリングシヤフトに発生する操舵トルクと車速を検出し、その検出信号をマイクロコンピユ−タで構成される電子制御回路に入力して操舵補助力を発生するモ−タの制御目標値である操舵補助指令値を算出し、算出された操舵補助指令値に基づいて半導体素子をHブリツジに接続したモ−タ駆動回路における半導体素子の駆動時間を定めるPWM信号(パルス幅信号)のデユ−テイ比を決定し、決定されたデユ−テイ比によりモ−タ駆動回路を制御してモ−タを駆動するものがある。
【0003】
また、マイクロコンピユ−タで演算されたデジタルデ−タである操舵補助指令値をA/D変換器でアナログデ−タに変換し、変換されたアナログデ−タによりモ−タ駆動回路を制御してモ−タを駆動するものがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような構成の制御回路は8ビツト信号を処理する低分解能回路が一般的であり、マイクロコンピユ−タでの演算結果は16ビツト信号であつても、PWM信号処理回路やA/D変換回路が8ビツト信号を処理する低分解能回路では、分解能以下の信号を処理するときに出力値として0を出力するか1を出力するか決定できないため、約1ビツトの分解能で出力信号が振動する。これをリミツトサイクル振動という。
【0005】
このような振動は、操舵補助指令値に振動成分が含まれることになり、操舵の際に不快な振動として感じられ、商品性能を低下させることになり好ましくない。この発明は、このような、PWM信号処理回路やA/D変換回路の分解能不足が原因で発生するリミツトサイクル振動を低減し、操舵感覚を改善することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、少なくともステアリングシヤフトに発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記演算された操舵補助指令値に基づいてモ−タを制御するモ−タ制御手段を備え、操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与える電動パワ−ステアリング装置の制御装置において、前記操舵補助指令値演算手段は前記モ−タ制御手段よりもビツト数の多いデジタル演算手段から構成され、所定時間毎にサンプリングされた操舵トルクデ−タに基づいて操舵補助指令値を演算して前記モ−タ制御手段に出力すると共に、その際切り捨てられた操舵補助指令値の下位ビツトデ−タを次回にサンプリングされた操舵トルクデ−タに加算して操舵補助指令値を演算することを特徴とする。
【0007】
そして、前記操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与えるモ−タの電気的時定数は、少なくとも操舵トルクのサンプリング期間の1/2πとする。また、前記操舵補助指令値はモ−タ電流指令値でよい。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の特徴と実施の形態を説明する。操舵補助指令値は操舵トルク、車速その他のパラメ−タを所定の演算式に基づいて演算して得られるものであるが、このような操舵補助指令値を8ビツトの有限語長で演算するときは掛け算を含むために演算結果は16ビツトで出力される。しかしながら、演算された操舵補助指令値を入力とするPWM信号処理回路(或いはA/D変換回路)は8ビツトデ−タを入力とするように構成されているのが一般的であるから、前記16ビツトで出力される演算結果の上位8ビツトのみがPWM信号処理回路に出力され、下位8ビツトデ−タは切り捨てられる。これが量子化誤差となる。
【0009】
そこで、この切り捨てられた下位8ビツトデ−タを次のサンプリング期間に検出された操舵トルクデ−タに加算して操舵補助指令値を演算することで、下位8ビツトデ−タの切り捨てによる量子化誤差を低減するようにした。
【0010】
図1は、量子化誤差の低減回路100を伝達関数で表したもので、101は操舵トルクに対応する操舵補助指令値を演算する演算要素、102は加算要素、103は16ビツトデ−タの下位8ビツトデ−タを切り捨てる演算要素、104は演算要素103で切り捨てられた下位8ビツトデ−タを一時記憶する記憶要素、105はゲイン調整要素である。
【0011】
なお、110は演算要素103から出力される操舵補助指令値Iに基づいてPWM信号を作成するPWM信号処理回路、111はPWM信号によりモ−タを駆動制御するモ−タ制御回路で、半導体素子をHブリツジに接続した回路である。112はモ−タで、その電気的特性を伝達関数で示せば{1/(Ls+R)}で表される。ここで、Lはモ−タのインダクタンス、sはラプラス演算子、Rはモ−タの端子間抵抗である。
【0012】
量子化誤差の低減回路の動作を説明する。検出された操舵トルクTは8ビツトデ−タとして演算要素101に入力され、操舵補助指令値が演算されて16ビツトの操舵補助指令値Iが出力される。出力デ−タは加算要素102を経て演算要素103に入力され、下位8ビツトデ−タが切り捨てられ、上位8ビツトデ−タがPWM信号処理回路110に出力される。一方、切り捨てられた下位8ビツトデ−タ(量子化誤差)δは記憶要素104に一時記憶され、ゲイン調整要素105でゲインを調整した上で、次のサンプリング期間に読み出されて加算要素102に1サンプル期間遅れのデ−タとして出力され、次のサンプリング期間に抽出された操舵トルクに加算され、操舵補助指令値Iが演算される。
【0013】
このように、逐次切り捨てられた下位8ビツトデ−タ(量子化誤差)δは次のサンプリング期間に抽出された操舵トルクに基づく操舵補助指令値Iにフイ−ドバツクされて加算されるから、下位8ビツトデ−タの切り捨てによる量子化誤差を低減することができる。
【0014】
先に説明した図1に示す量子化誤差の低減回路は、図2に示すように、量子化誤差の発生から加算器102の出力までの伝達特性がハイパスフイルタの特性を持つように設定される。ハイパスフイルタとしての効果が高いのは、伝達特性が(1−Z-1)n になるときで、値 nが大きくなるに従いハイパスフイルタ効果が大きく作用するようになるが、モ−タの電気的特性から n=1が好ましい。
【0015】
ここで、量子化誤差について説明する。量子化誤差δは白色雑音とみなすことができるため、出力である操舵補助指令値Iから独立したデ−タとして扱うことができる。操舵トルクとモ−タ電流とは比例関係にあるから、量子化誤差の影響は、モ−タ電流に与える影響として評価することができるから、以下の式(1)関係が成立する。
【0016】
ここで、R:モ−タの端子間抵抗
M(s):1/Ls+R
L:モ−タのインダクタンス
s:ラプラス演算子
G(s):量子化誤差の低減回路の伝達特性(1−Z-1)n を連続時間系に変換した伝達関数
|〜|∞:ゲイン最大値を示すものとする。
【0017】
上記した式(1)の関係が成立するためにはモ−タの電気的時定数を前記ハイパスフイルタのクロスオ−バ−周波数ωc 以下に設定すればよい。即ち、モ−タの電気的時定数をナイキスト周波数ωN の1/π以下、或いはサンプリング期間Ts の1/2π以下に設定すればよい。何故ならば、サンプリング期間Ts とナイキスト周波数ωN との間には、ωN =1/2Ts の関係があるからである。
【0018】
以上説明したとおり、図1に示す量子化誤差の低減回路は、量子化誤差の発生から加算器102の出力までの伝達特性がハイパスフイルタの特性を持つように設定されており、量子化誤差信号はハイパスフイルタを通過した出力となるから、ある周波数以上に量子化誤差が分布することになる。この対策としては、量子化誤差低減回路の出力側にロ−パスフイルタを挿入することで、ある周波数以上に分布する量子化誤差の影響を排除することができる。
【0019】
実際の回路においては、操舵補助力を発生させるモ−タの電気的特性は図3に示すような特性を有しておりロ−パスフイルタとして機能するので、特別な回路部品としてロ−パスフイルタを必要とするものではなく、モ−タの電気的時定数を少なくとも操舵トルクのサンプリング周波数の1/2πとするとよい。
【0020】
このように、量子化誤差低減回路の出力側にロ−パスフイルタを挿入すると、全体としての伝達特性は図4に示すような特性となり、全周波数範囲においてゲインが1/R(Rはモ−タの端子間抵抗)以下となり、量子化誤差を低減することができる。なお、以上説明した量子化誤差低減回路は、具体的な回路素子から構成された低減回路が制御回路に設けられているわけではなく、制御回路を構成するCPUの内部で実行される機能である。
【0021】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。図5は、この発明を実施するに適した電動パワ−ステアリング装置の構成の概略を説明する図で、操向ハンドル1の軸2は減速ギア4、ユニバ−サルジョイント5a、5b、ピニオンラツク機構7を経て操向車輪のタイロツド8に結合されている。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3が設けられており、また、操舵力を補助するモ−タ10がクラツチ9、減速ギア4を介して軸2に結合している。
【0022】
パワ−ステアリング装置を制御する電子制御回路13は、バツテリ14からイグニツシヨンキ−11を経て電力が供給される。電子制御回路13は、トルクセンサ3で検出された操舵トルクと車速センサ12で検出された車速に基づいて操舵補助指令値の演算を行い、演算された操舵補助指令値に基づいてモ−タ10に供給する電流を制御する。
【0023】
クラツチ9は電子制御回路13により制御される。クラツチ9は通常の動作状態では結合しており、電子制御回路13によりパワ−ステアリング装置の故障と判断された時、及び電源がOFFとなつている時に切離される。
【0024】
図6は、電子制御回路13のブロツク図である。この実施例では電子制御回路13は主としてCPUから構成されるが、ここではそのCPU内部においてプログラムで実行される機能を示してある。例えば、位相補償器21は独立したハ−ドウエアとしての位相補償器21を示すものではなく、CPUで実行される位相補償機能を示す。
【0025】
以下、電子制御回路13の機能と動作を説明する。トルクセンサ3から入力された操舵トルク信号は、位相補償器21で操舵系の安定を高めるために位相補償され、操舵補助指令値演算器22に入力される。また、車速センサ12で検出された車速も操舵補助指令値演算器22に入力される。
【0026】
操舵補助指令値演算器22は、入力されたトルク信号と車速信号に基づいて、モ−タ10に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Iを決定するものである。
【0027】
比較器23、微分補償器24、比例演算器25、積分演算器26及び加算器27から構成される回路は、実際のモ−タ電流値iが操舵補助指令値Iに一致するようにフイ−ドバツク制御を行う回路である。
【0028】
比例演算器25では、操舵補助指令値Iと実際のモ−タ電流値iとの差に比例した比例値が出力される。さらに比例演算器25の出力信号はフイ−ドバツク系の特性を改善するため積分演算器26において積分され、差の積分値の比例値が出力される。
【0029】
微分補償器24では、操舵補助指令値演算器22で演算された操舵補助指令値Iに対する実際にモ−タに流れるモ−タ電流値iの応答速度を高めるため、操舵補助指令値Iの微分値が出力される。
【0030】
微分補償器24から出力された操舵補助指令値Iの微分値、比例演算器25から出力された操舵補助指令値と実際のモ−タ電流値との差に比例した比例値、及び積分演算器26から出力された積分値は、加算器27において加算演算され、演算結果であるモ−タ電流を制御する電流制御値Eがモ−タ駆動回路41に出力される。
【0031】
図7にモ−タ駆動回路41の構成の一例を示す。モ−タ駆動回路41は加算器27から入力された電流制御値EをPWM信号と電流方向信号とに分離変換する変換部44、FET1 〜FET4 、及びそれ等FET1 〜FET4 のゲ−トを開閉駆動するFETゲ−ト駆動回路45等からなる。なお、昇圧電源46はFET1 、FET2 のハイサイド側を駆動する電源である。
【0032】
なお、先に図1により説明した量子化誤差低減回路100では、操舵補助指令値Iから直接PWM信号を演算するように説明したが、実施例ではフイ−ドバツク系の特性を改善する回路要素が加わり、操舵補助指令値Iから電流制御値Eを得、電流制御値Eを変換部44でPWM信号に変換演算している。前記した量子化誤差低減回路100は電流制御値E(16ビツト信号)を入力とする変換部44において、16ビツト信号から8ビツトのPWM信号に変換する過程に介装されるものである。
【0033】
なお、以下の説明では、電流制御値EからPWM信号を得るものとし、その過程で量子化誤差の低減処理を行うものとして説明するが、操舵補助指令値IからPWM信号を得る過程で、即ち操舵補助指令値IにPWM信号を得る過程で切捨てた下位8ビツトデ−タを加算し、量子化誤差の低減処理を行うようにしてもよい。
【0034】
PWM信号(パルス幅変調信号)は、Hブリツジ接続されたFET(電界効果トランジスタ)スイツチング素子FET1 〜FET2 のゲ−トを駆動する信号で、加算器27において演算された電流制御値Eの絶対値によりPWM信号のデユ−テイ比(FETのゲ−トをON/OFFする時間比)が決定される。
【0035】
電流方向信号は、モ−タに供給する電流の方向を指示する信号で、加算器27で演算された電流制御値Eの符号(正負)により決定される信号である。
【0036】
FET1 とFET2 は前記したPWM信号のデユ−テイ比に基づいてゲ−トがON/OFFされるスイツチング素子で、モ−タに流れる電流の大きさを制御するためのスイツチング素子である。また、FET3 とFET4 は前記した電流方向信号に基づいてゲ−トがON或いはOFFされる(一方がONの時、他方はOFFとなる)スイツチング素子で、モ−タに流れる電流の方向、即ちモ−タの回転方向を切り換えるスイツチング素子である。
【0037】
FET4 が導通状態にあるときは、電流はFET1 、モ−タ10、FET4 、抵抗R1 を経て電流が流れ、モ−タ10に正方向の電流が流れる。FET3 が導通状態にあるときは、電流はFET2 、モ−タ10、FET3 、抵抗R2 を経て電流が流れ、モ−タ10に負方向の電流が流れる。
【0038】
モ−タ電流検出回路42は、抵抗R1 の両端における電圧降下に基づいて、正方向電流の大きさを検出し、また、抵抗R2 の両端における電圧降下に基づいて、負方向電流の大きさを検出する。検出された実際のモ−タ電流値iは、比較器23にフイ−ドバツクして入力される(図6参照)。
【0039】
次に、電流制御値EからPWM信号を得るときの量子化誤差の低減処理、即ち、演算された16ビツトデ−タから上位8ビツトデ−タを抽出してPWM信号を得るときの量子化誤差の低減処理について、図8のフロ−チヤ−トに基づいて説明する。
【0040】
まず、操舵トルクのサンプリングを行い操舵トルクTを検出し、モ−タ電流を制御する電流制御値Eを演算する(ステツプP1)。これは所定の時間間隔でトルクセンサ3からの出力を取り出し、演算することで達成できる。次に、前回の操舵トルクTに基づく電流制御値EからPWM信号を得る演算の過程において切捨てた下位8ビツトデ−タδ(初回はδは零)をメモリから読み出し、サンプリングされた操舵トルクTに基づく電流制御値Eに加算する(ステツプP2)。
【0041】
切捨てた下位8ビツトデ−タδを加えて電流制御値Eを再度演算する。16ビツトの演算結果が得られるが、その上位8ビツトデ−タをPWM信号として出力し(ステツプP3)、また、切捨てた下位8ビツトデ−タを新たな下位8ビツトのデ−タδとしてメモリに保存する(ステツプP4)。
【0042】
次の操舵トルクのサンプリングにより入力された電流制御値Eに切捨てた下位8ビツトデ−タを加えての再演算のため、ステツプP1に戻る。
【0043】
以上説明した実施例では、電子制御回路が8ビツトのCPUで構成され、電流制御値Eの演算においては、演算の過程で得られる16ビツトデ−タの上位8ビツトデ−タがPWM信号として出力され、下位8ビツトデ−タを誤差として次回の演算に加算されると説明した。
【0044】
しかし、これは電子制御回路が8ビツトのCPUで構成されるものとしての説明であり、電子制御回路が8ビツト以外のCPUで構成された場合においても、同様に上位ビツトデ−タをPWM信号として出力するときは下位ビツトデ−タが誤差となる。このような誤差を次回の演算に加算処理する本願発明の処理手法は、デジタル演算に基づく量子化誤差を少なくする手法として、8ビツト以外のCPUによるデ−タ処理にも適用できることは改めていうまでもない。
【0045】
また、以上説明した量子化誤差の処理では、上位ビツトデ−タをPWM信号として出力するとき下位ビツトデ−タを切り捨てているが、下位ビツトデ−タの最上位桁を四捨五入するなどして上位ビツトデ−タに含める処理をしてもよい。この場合も下位ビツトデ−タは、次の操舵トルクのサンプリングによる電流制御値Eの再演算の過程において加算して処理する。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明の電動パワ−ステアリング装置の制御装置では、制御装置を構成するマイクロコンピユ−タでの演算結果は16ビツト信号であつて、PWM信号処理回路やA/D変換回路が8ビツト信号を処理する低分解能回路であつても、下位ビツトデ−タの切り捨てなどにより発生する誤差を次の操舵トルクのサンプリングによる操舵補助指令値、或いは電流制御値の再演算の過程において加算して処理するから、演算過程で発生する誤差を小さくすることができ、PWM信号処理回路やA/D変換回路の分解能不足が原因で発生するリミツトサイクル振動を低減し、操舵感覚を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による量子化誤差の低減回路を伝達関数で示した回路図。
【図2】量子化誤差の低減回路の伝達特性を説明する図。
【図3】モ−タの電気的特性を説明する図。
【図4】量子化誤差低減回路の出力側にロ−パスフイルタを挿入した場合の伝達特性を説明する図。
【図5】電動パワ−ステアリング装置の構成の概略を説明する図。
【図6】電子制御回路のブロツク図。
【図7】モ−タ駆動回路のブロツク図。
【図8】量子化誤差の低減処理を説明するフロ−チヤ−ト。
【符号の説明】
100 量子化誤差低減回路
101 操舵補助指令値を演算する演算要素
102 加算要素
103 下位ビツトデ−タを切り捨てる演算要素
104 切り捨てられた下位ビツトデ−タを一時記憶する記憶要素
105 ゲイン調整要素
110 PWM信号処理回路
111 モ−タ制御回路
112 モ−タ
Claims (3)
- 少なくともステアリングシヤフトに発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記演算された操舵補助指令値に基づいてモ−タを制御するモ−タ制御手段を備え、操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与える電動パワ−ステアリング装置の制御装置において、
前記操舵補助指令値演算手段は前記モ−タ制御手段よりもビツト数の多いデジタル演算手段から構成され、所定時間毎にサンプリングされた操舵トルクデ−タに基づいて操舵補助指令値を演算して前記モ−タ制御手段に出力すると共に、その際切り捨てられた操舵補助指令値の下位ビツトデ−タを次回にサンプリングされた操舵トルクデ−タに加算して操舵補助指令値を演算すること
を特徴とする電動パワ−ステアリング装置の制御装置。 - 前記操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与えるモ−タの電気的時定数が、少なくとも操舵トルクのサンプリング期間の1/2πであることを特徴とする請求項1記載の電動パワ−ステアリング装置の制御装置。
- 前記操舵補助指令値は、モ−タ電流制御値であることを特徴とする請求項1記載の電動パワ−ステアリング装置の制御装置。
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