JP4333572B2

JP4333572B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4333572B2
Application number: JP2004360304A
Authority: JP
Inventors: 佳数亀田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2024-12-13
Also published as: JP2006168428A

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関する。

車両の電動パワーステアリング装置は、車両のステアリング系にモータの回転力によって補助操舵トルクを付与するものである。この電動パワーステアリング装置の制御手段が停止した場合（例えば、イグニッションスイッチがオフとなった場合）には、モータの回転が停止し補助操舵トルクが急激に減少してしまい、操舵感に大きな影響を与える。そこで、電動パワーステアリング装置の制御手段が停止した場合などであっても、補助操舵トルクが急激に減少しないように、予め定められたテーブルに基づいて付与すべき補助操舵トルクを算出すると共に、付与すべき補助操舵トルクの遷移に応じてそのテーブルを書き換えることが提案されている（下記特許文献１参照）。
特開２００３−３１２５１１号公報

ところで、電動パワーステアリング装置が搭載されている車両において運転者が連続して据え切りを行うと、モータに要求される回転力が大きいためにモータに大きな電流が流れる。モータに大きな電流が流れる状態を継続するとモータが発熱し、モータのコイルやブラシ等が耐熱許容温度に達する場合がある。このようになることを避けるために、上記特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置は、テーブルにモータ温度とそのモータ温度に対応した最大電流値とが関連付けられて格納されており、センサによって検知されたモータ温度から最大電流値を選択して制御することで、耐熱許容温度を超えることを防いでいる。

一方、車両製造のコストダウンや構造簡略化の観点から、センサ類を極力削減することが求められている。そこで、モータ温度をモータに流れる電流から推定演算することが行われている。この推定演算では、モータが常時最高温度に晒されていることを前提として演算ロジックが組まれている。従って、たとえ寒冷地で長い時間放置した場合であっても、モータが最高温度に晒されているものとして演算されるので、耐熱許容温度までの余裕が実際よりも少ない状態で制御されることになる。

そこで本発明は、モータ温度を直接検知するセンサを使用せずに、実際のモータ温度に近い温度に基づいた制御を可能とする電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、車両のステアリング系に対して補助操舵トルクを付与する電動パワーステアリング装置の中で、補助操舵トルクを発生させるモータが車室内に配置されている場合に着目して検討を重ねた。その結果、車室内の雰囲気温度は運転が開始された後は所定の温度に収束することを見出した。また、車室内の雰囲気温度が所定の温度に収束すれば、その所定の温度に応じて定常状態のモータの温度も所定の温度に収束することを見出した。本発明はこれらの知見に基づくものである。

本発明の電動パワーステアリング装置は、車両のステアリング系に対して、車両の車室内に配置されたモータによって補助操舵トルクを付与する電動パワーステアリング装置であって、車両のイグニッションスイッチがオンとされてからの経過時間を算出する経過時間算出手段と、経過時間算出手段が算出した経過時間に基づいてモータ周辺の雰囲気温度を推定する雰囲気温度推定手段と、経過時間算出手段が算出した経過時間に基づいて、当該経過時間の間においてモータに負荷がかけられていない場合のモータの無負荷温度を推定する無負荷温度推定手段と、モータの温度を算出するためのフィルタ定数を雰囲気温度推定手段が推定した雰囲気温度に基づいて算出する定数算出手段と、当該算出したフィルタ定数及びモータに流れている電流の電流値と、無負荷温度推定手段が推定したモータの無負荷温度と、に基づいて電流値に対応するモータの温度を推定するモータ温度推定手段と、当該推定した温度に基づいてモータに流す電流を制御する制御手段と、を備える。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、イグニッションスイッチがオンとされてからの経過時間に基づいて、モータに流れている電流に対するモータの温度を推定するためのベースとなる無負荷温度を推定するので、実際の使用状況に応じたモータの温度を推定できる。また、経過時間に応じたフィルタ定数及びモータに流れている電流値と無負荷温度とに基づいて、その電流値におけるモータの温度を推定するので、実際の使用状況をより反映させたモータの温度推定が可能となる。

本発明によれば、実際の使用状況を反映させたモータの温度推定が可能となるので、モータ温度を直接検知するセンサを使用せずに、実際のモータ温度に極力即した制御が可能となる。特に経過時間が長くなった場合にはモータ温度がより低下していると想定することが可能となるので、例えば定常走行をある程度行った後に据え切りを行った場合においても、実際のモータ温度に即してより多くの補助操舵トルクを付与することができる。

本発明は、一実施の形態のために示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解することができる。引き続いて、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態である電動パワーステアリング装置のブロック構成図である。図１に示す電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール３０、減速ギア３１、及びステアリングシャフト３２を含むステアリング系に対して、モータ２０によって補助操舵トルクを付与する装置である。本実施形態の場合、モータ２０はこの電動パワーステアリング装置が搭載される車両（図示しない）の車室内に配置されている。

イグニッションスイッチ４０をオンすると、バッテリ５０から供給される電力が電動パワーステアリング装置１０のモータ駆動部１０１を介してモータ２０に印加電圧として伝達される。モータ駆動部１０１がモータ２０に印加する電圧は、電動パワーステアリング装置１０のアシストトルク演算部１０２（制御手段）によって制御される。アシストトルク演算部１０２は、前述したステアリング系の操舵トルクや、車速等に基づいてアシストトルクを算出し、そのアシストトルクを発生させるようにモータ駆動部１０１に指示信号を出力する。

引き続いて、電動パワーステアリング装置１０のその他の構成要素について説明する。電動パワーステアリング装置１０は、既に説明したモータ駆動部１０１及びアシストトルク演算部１０２の他に、経過時間算出部１０３（経過時間算出手段）と、無負荷温度推定部１０４（無負荷温度推定手段）と、雰囲気温度推定部１０５（雰囲気温度推定手段）と、定数算出部１０６（定数算出手段）と、モータ温度推定部１０７（モータ温度推定手段）と、モータ電流検出部１０８と、温度特性格納部１５０と、定数情報格納部１５１と、を備えている。引き続いて各構成要素について説明する。

経過時間算出部１０３は、イグニッションスイッチ４０がオンとされてからの経過時間を算出する部分である。イグニッションスイッチ４０がオンとされると、それを示す信号がイグニッションスイッチ４０から経過時間算出部１０３に出力される。経過時間算出部１０３は、この信号の出力に応じて計時を開始し、イグニッションスイッチ４０がオンとされてからの経過時間を積算する。経過時間算出部１０３は積算した経過時間を、無負荷温度推定部１０４及び雰囲気温度推定部１０５のそれぞれに出力する。

無負荷温度推定部１０４は、経過時間算出部１０３が算出した経過時間に基づいて、その経過時間の間においてモータ２０に負荷がかけられていない場合のモータ２０の無負荷温度Ｔ_０℃を推定する部分である。より具体的には、無負荷温度推定部１０４は温度特性格納部１５０に格納されているモータ温度特性マップに基づいて、経過時間に応じたモータ２０の無負荷温度Ｔ_０℃を推定する。無負荷温度推定部１０４は推定した無負荷温度Ｔ_０℃をモータ温度推定部１０７に出力する。

ここで、温度特性格納部１５０に格納されているモータ温度特性マップについて図２を参照しながら説明する。図２はモータ温度特性マップを説明するためのグラフである。図２に示すグラフは、横軸をイグニッションスイッチ４０がオンとなってからの経過時間、縦軸をモータ温度としている。例えば、据え切りをせずに定常走行を継続すると、モータ２０は実質的に無負荷状態となり、その温度は所定値に漸近する。従って、図２に示すような経過時間とモータ温度との相関関係が得られる。

図１に戻り、雰囲気温度推定部１０５は、経過時間算出部１０３が算出した経過時間に基づいて、モータ２０周辺の雰囲気温度を推定する部分である。より具体的には、雰囲気温度推定部１０５は温度特性格納部１５０に格納されているモータ雰囲気温度マップに基づいて、経過時間に応じたモータ２０周辺の雰囲気温度を推定する。雰囲気温度推定部１０５は推定した雰囲気温度を定数算出部１０６に出力する。

ここで、温度特性格納部１５０に格納されているモータ雰囲気温度マップについて図３を参照しながら説明する。図３はモータ雰囲気温度マップを説明するためのグラフである。図３に示すグラフは、横軸をイグニッションスイッチ４０がオンとなってからの経過時間、縦軸をモータ２０の雰囲気温度としている。モータ２０はこの電動パワーステアリング装置１０が搭載されている車両の車室内に配置されているから、その雰囲気温度は車室内の温度に準じたものとなるものと推定される。例えば炎天下に放置されてその車室内温度が６５℃程度まで上昇した場合であっても、運転者が乗車してしばらくすれば２５℃程度の温度になるものと推定される。従って、図３に示すような経過時間とモータ２０の雰囲気温度との相関関係が得られる。

図１に戻り、定数算出部１０６は、モータ２０の温度を算出するためのフィルタ定数を雰囲気温度推定部１０５が推定した雰囲気温度に基づいて算出する部分である。より具体的には定数算出部１０６は定数情報格納部１５１に格納されている定数マップに基づいて、モータ２０の雰囲気温度に応じたフィルタ定数を算出する。定数算出部１０６は算出したフィルタ定数をモータ温度推定部１０７に出力する。

ここで、定数情報格納部１５１に格納されている定数マップについて図４を参照しながら説明する。図４は定数マップを説明するためのグラフである。図４に示すグラフは、横軸をモータ２０の雰囲気温度、縦軸をフィルタ定数としている。図４に示すように、本実施形態では３つのフィルタ定数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３を算出するようにしている。これらのフィルタ定数を設定する基本的な考え方は、モータ２０の雰囲気温度が上がればモータ２０自体は暖まり易く冷めにくくなり、モータ２０の雰囲気温度が下がればモータ２０自体は暖まりにくく冷め易くなることに基づいている。

この考え方をより具体的に図５を参照しながら説明する。図５は雰囲気温度の違いによるモータ２０の発熱・放熱特性を示すグラフである。図５に示すグラフは、横軸をイグニッションスイッチ４０がオンとなってからの経過時間、縦軸をモータ２０の温度としている。モータ２０の温度はイグニッションスイッチ４０がオンとされる時点ではその雰囲気温度になっていると考えられる。

モータ２０の温度が６５℃の場合（すなわちモータ２０の雰囲気温度が６５℃の場合）に、イグニッションスイッチ４０をオンとし、更にモータ２０に最大電流である６５アンペアの電流を通電させたとする。この場合の温度曲線を図５中に実線で示す。最大電流をｔ_１分流すとモータ２０の温度は耐熱許容温度Ｔ_ｍａｘ℃に到達する。ここでモータ２０に流す電流を０アンペアとすると、図５に示すようにモータ２０の温度は６５℃に向けて漸近する。

一方、モータ２０の温度が２５℃の場合（すなわちモータ２０の雰囲気温度が３０℃の場合）に、イグニッションスイッチ４０をオンとし、更にモータ２０に最大電流である６５アンペアの電流を通電させたとすると、図５中の破線のような温度曲線となる。モータ２０の温度が６５℃とした場合の温度曲線（図５中実線）と比較すると、モータ２０の温度が耐熱許容温度に到達する時間がｔ２（＞ｔ１）分となる。また、モータ２０に流す電流を０アンペアとすると、図５に示すようにモータ２０の温度は３０℃に向けて漸近する。この場合のモータ２０の降温は、モータ２０の温度が６５℃の場合に比較して急激になっている。

従って、前述したように、モータ２０の雰囲気温度が上がればモータ２０自体は暖まり易く冷めにくくなり、モータ２０の雰囲気温度が下がればモータ２０自体は暖まりにくく冷め易くなっている。本実施形態の３つのフィルタ定数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は、図５に示すような温度曲線に基づいてフィッティングにより求めている。

図１に戻り、モータ温度推定部１０７は、定数算出部１０６が算出したフィルタ定数及びモータ２０に流れている電流の電流値Ｉと、無負荷温度推定部１０４が推定したモータ２０の無負荷温度Ｔ_０と、に基づいてモータ２０に流れている電流の電流値Ｉに対するモータ２０の温度Ｔ℃を推定する部分である。

より具体的には、まずモータ温度推定部１０７はモータ電流検出部１０８から出力されるモータ２０の電流値Ｉを２乗して電流２乗値Ｉ^２を算出する。次にモータ温度推定部１０７は、電流２乗値Ｉ^２に基づいて３つの定数ｓｕｍ１（＝ｆ（Ｉ^２））、ｓｕｍ２（＝ｇ（Ｉ^２））、ｓｕｍ３（＝ｈ（Ｉ^２））を算出する。次にモータ温度推定部１０７は３つの定数ｓｕｍ１、ｓｕｍ２、ｓｕｍ３それぞれに、定数算出部１０６から出力される３つのフィルタ定数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３をそれぞれ掛け合わせて、差分温度ΔＴ（＝Ｋ１・ｓｕｍ１＋Ｋ２・ｓｕｍ２＋Ｋ３・ｓｕｍ３）℃を算出する。続いてモータ温度推定部１０７は、無負荷温度推定部１０４の無負荷温度Ｔ_０℃に差分温度ΔＴ℃を加算してモータ２０の温度Ｔ（Ｔ_０＋ΔＴ）℃を算出する。モータ温度推定部１０７は算出したモータ２０の温度Ｔ℃をアシストトルク演算部１０２に出力する。

モータ電流検出部１０８は、モータ２０に流れている電流の電流値Ｉを検出し、モータ温度推定部１０７に出力する部分である。

アシストトルク演算部１０２は、モータ温度推定部１０７が推定したモータ２０の温度に基づいて、モータ２０に流す電流を制御する部分である。より具体的には、アシストトルク演算部１０２は、モータ温度推定部１０７が推定したモータ２０の温度Ｔ℃と、耐熱許容温度Ｔ_ｍａｘ℃との差分に基づいて、据え切りの上限回数を算出する。アシストトルク演算部１０２は算出した上限回数の範囲内でモータ駆動部１０１に対して、モータ２０への印加電圧を制御する指示信号を出力する。

次に、本実施形態における電動パワーステアリング装置１０の動作について説明する。図６は、本実施形態における電動パワーステアリング装置１０の動作を示すフローチャートである。

イグニッションスイッチ４０がオンされると、モータ電流検出部１０８がモータ２０に流れている電流を検出し、その検出した電流値Ｉをモータ温度推定部１０７に出力する（ステップＳ０１）。

モータ温度推定部１０７はモータ電流検出部１０８から出力された電流値Ｉを２乗し、電流２乗値Ｉ^２を算出する（ステップＳ０２）。モータ温度推定部１０７は、電流２乗値Ｉ^２に基づいて３つの定数ｓｕｍ１（＝ｆ（Ｉ^２））、ｓｕｍ２（＝ｇ（Ｉ^２））、ｓｕｍ３（＝ｈ（Ｉ^２））を算出する（ステップＳ０３）。

イグニッションスイッチ４０がオンされると、ステップＳ０１の動作と並行して、経過時間算出部１０３がイグニッションスイッチ４０がオンとされてから経過時間を算出し、無負荷温度推定部１０４及び雰囲気温度推定部１０５に出力する（ステップＳ０４）。

雰囲気温度推定部１０５は、経過時間算出部１０３が算出した経過時間に基づいて、モータ２０周辺の雰囲気温度を推定する（ステップＳ０５）。雰囲気温度推定部１０５は推定した雰囲気温度を定数算出部１０６に出力する。

定数算出部１０６は、モータ２０の温度を算出するためのフィルタ定数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３を雰囲気温度推定部１０５が推定した雰囲気温度に基づいて算出する（ステップＳ０６）。定数算出部１０６は算出したフィルタ定数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３をモータ温度算出部１０７に出力する。

モータ温度算出部１０７は、３つの定数ｓｕｍ１、ｓｕｍ２、ｓｕｍ３それぞれに、定数算出部１０６から出力される３つのフィルタ定数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３をそれぞれ掛け合わせて、差分温度ΔＴ（＝Ｋ１・ｓｕｍ１＋Ｋ２・ｓｕｍ２＋Ｋ３・ｓｕｍ３）℃を算出する（ステップＳ０７）。

ステップＳ０５〜Ｓ０７の動作と並行して、無負荷温度推定部１０４は、経過時間算出部１０３が算出した経過時間に基づいて、その経過時間の間においてモータ２０に負荷がかけられていない場合のモータ２０の無負荷温度Ｔ_０℃を推定する（ステップＳ０８）。無負荷温度推定部１０４は推定したモータ２０の無負荷温度Ｔ_０℃をモータ温度推定部１０７に出力する。

モータ温度推定部１０７は、無負荷温度推定部１０４の無負荷温度Ｔ_０℃に差分温度ΔＴ℃を加算してモータ２０の温度Ｔ（Ｔ_０＋ΔＴ）℃を算出する（ステップＳ０９）。モータ温度推定部１０７は算出したモータ２０の温度Ｔ℃をアシストトルク演算部１０２に出力する。

アシストトルク演算部１０２は、モータ温度推定部１０７が推定したモータ２０の温度Ｔ℃と、耐熱許容温度Ｔ_ｍａｘ℃との差分に基づいて、据え切りの上限回数を算出する。アシストトルク演算部１０２は算出した上限回数の範囲内でモータ駆動部１０１に対して、モータ２０への印加電圧を制御する指示信号を出力する（ステップＳ１０）。

本実施形態の電動パワーステアリング装置１０における作用効果について説明する。イグニッションスイッチ４０がオンとされてからの経過時間に基づいて、無負荷温度推定部１０４が無負荷温度Ｔ_０℃（モータ２０に流れている電流に対するモータ２０の温度を推定するためのベースとなる温度）を推定するので、実際の使用状況に応じたモータ２０の温度を推定できる。また、経過時間に応じたフィルタ定数（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）及びモータに流れている電流値Ｉと無負荷温度Ｔ_０℃とに基づいて、その電流値Ｉにおけるモータの温度Ｔ℃を推定するので、実際の使用状況をより反映させたモータ２０の温度推定が可能となる。

本発明の実施形態である電動パワーステアリング装置のブロック構成図である。本実施形態のモータ温度特性マップを説明するためのグラフである。本実施形態のモータ雰囲気温度マップを説明するためのグラフである。本実施形態の定数マップを説明するためのグラフである。雰囲気温度の違いによるモータの発熱・放熱特性を示すグラフである。本発明の実施形態である電動パワーステアリング装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…電動パワーステアリング装置、２０…モータ、３０…ステアリングホイール、３１…減速ギア、３２…ステアリングシャフト、４０…イグニッションスイッチ、５０…バッテリ、１０１…モータ駆動部、１０２…アシストトルク演算部、１０３…経過時間算出部、１０４…無負荷温度推定部、１０５…雰囲気温度推定部、１０６…定数算出部、１０７…モータ温度推定部、１０８…モータ電流検出部、１５０…温度特性格納部、１５１定…定数情報格納部。

Claims

車両のステアリング系に対して、前記車両の車室内に配置されたモータによって補助操舵トルクを付与する電動パワーステアリング装置であって、
前記車両のイグニッションスイッチがオンとされてからの経過時間を算出する経過時間算出手段と、
前記経過時間算出手段が算出した経過時間に基づいて前記モータ周辺の雰囲気温度を推定する雰囲気温度推定手段と、
前記経過時間算出手段が算出した経過時間に基づいて、当該経過時間の間において前記モータに負荷がかけられていない場合の前記モータの無負荷温度を推定する無負荷温度推定手段と、
前記モータの温度を算出するためのフィルタ定数を前記雰囲気温度推定手段が推定した雰囲気温度に基づいて算出する定数算出手段と、
当該算出したフィルタ定数及び前記モータに流れている電流の電流値と、前記無負荷温度推定手段が推定した前記モータの無負荷温度と、に基づいて前記電流値に対応する前記モータの温度を推定するモータ温度推定手段と、
当該推定した温度に基づいて前記モータに流す電流を制御する制御手段と、
を備える電動パワーステアリング装置。