JP4645304B2 - 電気式動力舵取装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵補助力を発生するモータにより操舵をアシストする電気式動力舵取装置に関するものである。

電気式動力舵取装置として、ステアリングホイールが固定された入力軸に、操舵トルクを検出するトルクセンサを取り付け、トルクセンサで検出した操舵トルクに応じたアシストトルクを電動モータにより発生させ操舵力を軽減するものが一般的に知られている。

電動モータの出力特性は、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、出力トルクＴが小さい時には回転速度Ｎが高く、出力トルクＴが大きい時には回転速度Ｎが低い。ここで、図５（Ａ）はトルクを重視したモータの出力特性であり、図５（Ｂ）は回転速度を重視したモータの出力特性である。
モータの出力特性により、停止時のステアリング操作（ハンドル据切り）時に良好な操舵力軽減効果を得ようとすると、走行中などでステアリングを早く（素早く）操舵した場合に、ステアリングが重くなり、操舵フィーリングが低下する場合がある。停止時のステアリング据切り時のモータ出力は、図５（Ａ）、図５（Ｂ）中の点Ｐ１で示すように、出力トルクＴが大きいが回転速度Ｎが小さい。これに対して、走行中などでステアリングを早く操舵した場合のモータに要求される出力は、図５（Ａ）、図５（Ｂ）中の点Ｐ２に示すように、出力トルクＴは小さいが回転速度Ｎは高い。このため、図５（Ａ）のトルク重視の特性を有するモータでは回転数が不足し、高速にステアリングが切れない。

一方、図５（Ｂ）に示す回転速度重視の特性を有するモータを用いた場合、走行中にステアリングを早く操舵した場合には、図５（Ｂ）の点Ｐ２に示すように良好な操舵力軽減効果が得られる。他方、停止時のステアリング据切り時には図５（Ｂ）の点Ｐ１で示すように、モータの出力不足により、ステアリングの動きが重くなって操舵フィーリングが低下してしまう。
電動パワーステアリング装置において、この点Ｐ１と点Ｐ２の２つの条件を同時に満たすようにするためには、モータを大型化させる必要がある。モータが大型化すると、重量が増加して電気式動力舵取装置の持つ省燃費効果を低下させ、モータの慣性モーメントが増加し、操舵フィーリングを低下させることになる。

このような問題をモータの制御によって解決する技術として、引用文献１、引用文献２が提案されている。
引用文献１では、図６（Ａ）に示すように、昇圧回路を用いてモータへ印加する電圧を高めることで、回転速度Ｎを上昇させると共にトルクＴを高め、点Ｐ１と点Ｐ２との要求条件を満たすようにしている。
一方、引用文献２では、図６（Ｂ）に示すように、モータに要求される要求出力トルクＴが小さい時には、界磁弱め電流（界磁を弱める電流）を流してモータの界磁を弱め、回転速度Ｎを上昇させるようにして、点Ｐ１と点Ｐ２との要求条件を同時に満たすようにしている。
特開２００３−２００８４５号公報 特開２００４−４０８８３号公報

しかしながら、図６（Ａ）に示す昇圧回路を用いる場合には、昇圧回路の電流制御素子として耐圧の高いものを選択する必要があり、製造コストの上昇が避けられなかった。一方、図６（Ｂ）に示す界磁弱め電流を流す場合は、製造コストを上昇させることはないが、ｄ軸に電流を流して応答性の不足分を補うため、ｄ軸に電流を流した分が損失となり、モータの効率を悪化させることになる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、効率悪化を抑えながら、応答性の低下を生じさせない電気式動力舵取装置を提供することにある。

請求項１の発明は、操舵補助力を発生するモータＭにより操舵をアシストする電気式動力舵取装置１０であって、
ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段２２と、
前記モータＭに流れるモータＭｑ軸電流を検出するモータ電流検出手段７２、３８と、
少なくとも前記操舵トルク検出手段２２からの操舵トルク検出値に基づき設定される目標電流値と前記モータＭｑ軸電流との偏差に基づいて、前記モータＭのフィードバック制御のための指令値を算出するモータベクトル制御手段３２、５２と、
前記指令値に応じて前記モータＭを駆動するモータ駆動手段７４と、
前記指令値がバッテリ電圧で前記モータＭを駆動できる際にバッテリ電圧をモータ駆動手段７４に供給し、駆動できない際にバッテリＢの電圧を昇圧して前記モータ駆動手段７４に供給する昇圧回路６０と、
前記昇圧回路６０での昇圧上限に達した状態で、モータＭｑ軸電流が所定閾値以下の際に前記昇圧と共に、前記モータＭの界磁を弱める界磁弱め手段４０と、を備えることを技術的特徴とする。

請求項１の電気式動力舵取装置１０では、昇圧回路６０と界磁弱め手段４０とを備え、指令値がバッテリ電圧でモータＭを駆動できる間はバッテリ電圧をそのままモータ駆動手段７４に供給することで、昇圧回路６０でのスイッチングロスを無くす。そして、バッテリ電圧でモータＭを駆動できない際に、即ち、昇圧で対応可能な範囲は、バッテリの電圧を昇圧してモータ駆動手段７４に供給することで界磁弱めによる効率の低下を抑える。一方、昇圧回路６０での昇圧上限に達した状態で、モータＭｑ軸電流が所定閾値以下の際に、即ち、昇圧回路６０での上限のモータＭ回転数に達したときに、昇圧に加えて界磁弱めを行うことでモータＭの高速回転を実現する。これにより、応答性の低下を防ぎながら、昇圧電圧を制限し、昇圧回路６０の素子の耐圧を下げることにより製造コストを抑えることができる。

以下、本発明の実施形態に係る電気式動力舵取装置について図を参照して説明する。
図１は第１実施態様の電気式動力舵取装置１０の構成を示すブロック図である。電気式動力舵取装置１０は、操舵トルクを検出するためのトルクセンサ２２と、トルクセンサ２２からの操舵トルク及び車速センサ２４からの車速に基づきモータ指令トルク（操舵アシスト量）を演算し、モータ指令トルクに応じた電流指令値を求める制御装置３０と、該電流指令値に基づきモータＭへの通電を制御するモータ駆動回路７４とを備える。

トルクセンサ２２は、車両の操舵ステアリング１４に連結された入力軸１２に配設されている。モータＭの出力は、減速機１６により減速され、前輪を操舵するためのラック・ピニオンギア１８に伝達される。

制御装置３０について、図２にブロック図を示す。
モータ電流検出器７２は、例えば、モータＭの各巻線ごとに設けられたカレントトランスフォーマで形成され、モータＭに実際に流れるモータ電流の大きさおよび方向を検出する。そして、モータ電流検出器７２は、モータ電流に対応したモータ電流信号を制御装置３０にフィードバック（負帰還）する。

モータ駆動回路７４は、モータ制御信号（電流指令値）に基づいてモータ電圧を印加し、モータＭを駆動する。モータ駆動回路７４は、例えば、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号のデューティに応じてモータ駆動回路７４内のプリドライブ回路、ＦＥＴブリッジを介してモータＭの各巻線に正弦波を通電してベクトル制御を行う。

続いて制御装置３０の動作について説明する。制御装置３０は２相回転磁束座標系（ｄｑ座標系）で記述されるベクトル制御によって、指令トルクに応じたモータＭの制御を行っている。すなわち、ステアリング系に加わる操舵トルクをトルクセンサ２２により検出し、この検出した操舵トルクに応じたアシストトルクが得られるように、モータＭをベクトル制御することにより、操舵のアシストを行っている。

制御装置３０は、まず、トルク／電流変換ブロック３２内で、トルクセンサ２２が検出して出力する操舵トルク、操舵角速度ｄφ／ｄｔ、車速センサ２４が検出して出力する車速信号Ｖなどから指令トルクを求める。この指令トルクは、さらに、ｑ軸電流指令値ｉｑｏに変換される。一方、ｄ軸電流指令値ｉｄｏは基本的には０とする。なお、後述するようにトルク／電流変換ブロック３２は、昇圧回路６０を制御し、駆動回路７４側にバッテリＢの電圧１２Ｖをそのまま、又は、３６Ｖまでの範囲で昇圧させて供給させる。また、トルク／電流変換ブロック３２は、ｄ軸補正電流設定ブロック４０を介して界磁弱め制御を行わしめる。

モータ電流信号、ここではモータの各相（例えばｕ、ｖ相）の電流検出値（例えばｕ、ｖ相の電流ｉｕ、ｉｖ）はモータ電流検出器（カレントトランスフォーマ）７２で検出され、その出力は増幅された後、所定の周期でサンプリングされる。このようにして得られた各相の電流検出値は、モータ回転センサ３４および角度検出３６によって検出された回転信号θに基づいて、ｄ−ｑ変換ブロック３８で変換され、そして、ｄ軸およびｑ軸の実電流（フィードバック電流）ｉｄｒとｉｑｒが求められる。

加算器５２ではｑ軸電流の指令電流目標値ｉｑｏとｑ軸フィードバック実電流値ｉｑｒの偏差演算を行う。また、加算器５４ではｄ軸電流の指令電流目標値ｉｄｏ（＝０）に対して後述のｄ軸電流補正処理を行い、加算器５６ではｄ軸電流補正後のｄ軸補正電流目標値ｉｄｃとｄ軸フィードバック実電流値ｉｄｒの偏差演算を行う。

次に、ＰＩ制御ブロック４２およびＰＩ制御ブロック４４でｄ軸電流偏差Δｉｄおよびｑ軸電流偏差Δｉｑに対してＰ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御処理およびＩ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御処理を実行し、その結果としてｄ軸およびｑ軸に対してのそれぞれの指令電圧Ｖｄｏ、Ｖｑｏを得る。そして、ｄ−ｑ逆変換ブロック４６では、これらの指令電圧Ｖｄｏ、Ｖｑｏに対してｄ−ｑ逆変換を行ってモータＭのＵ、Ｖ、Ｗの各相に対するそれぞれの指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換される。この指令電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗはＰＷＭ変換ブロック４８でＰＷＭデュ−ティ信号とされ、このＰＷＭデューティ信号が、モータ駆動回路７４内のプリドライブ回路、ＦＥＴブリッジ回路を介してモータＭ（ブラシレスモータ）の各相巻線に正弦波電流を通電させ、ベクトル制御を行う。

本実施形態での界磁弱め処理では、ｄ軸補正電流設定ブロック４０によってｄ軸補正電流ｉｄが決定され、加算器５４へ印加される。ここでｉｄはｄ軸補正電流設定ブロック４０からの補正電流であり、本実施形態では指令電流目標値ｉｄｏ＝０である。補正電流ｉｄ（負の値）に基づいてｄ軸電流を通電することによって、モータＭに界磁弱め電流が流れ、モータＭの界磁を減少させることができ、モータＭの回転速度を高めることができる。

本実施形態でのモータ制御について、モータの特性を示す図３を参照して説明する。
[領域Ａ１]
要求されるトルクが低く、また、回転数が低く、モータＭへの供給電位を高める必要が無い間は（図中でＡ１で示す領域）、制御装置３０は、１２Ｖのバッテリ電圧を昇圧することなく駆動回路７４に印加する。即ち、指令値がバッテリ電圧でモータを駆動できる間は、バッテリ電圧をそのままモータ駆動回路７４に供給することで、昇圧回路６０でのスイッチングロスを無くす。

[領域Ａ２]
要求されるトルクが高く、また、回転数が有る程度高く、モータＭへの供給電位を高める必要が生じると（図中でＡ２で示す領域）、制御装置３０は、１２Ｖのバッテリ電圧を昇圧回路６０で３６Ｖまでの範囲で昇圧して駆動回路７４に印加する。即ち、昇圧で対応可能な範囲は、バッテリＢの電圧を昇圧してモータ駆動回路７４に供給することで、界磁弱めを行うことによる効率の低下を抑える。

[領域Ａ３]
要求される回転数が高く、バッテリ電圧の昇圧ではモータの回転を高められない際、即ち、昇圧回路６０での上限のモータ回転数に達したときに、昇圧に加えて界磁弱めを行うことでモータの高速回転を実現する。これにより、応答性の低下を防ぎながら、昇圧電圧を制限し、昇圧回路６０の素子の耐圧を下げることにより、製造コストを抑えることができる。

図３に示すモータ特性を得るための制御について、図４のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ＰＷＭ変換ブロック４８でのＰＷＭ利用率（インバータ利用率）が上限に達したか、即ち、図３中の領域Ａ１の範囲内にあり、バッテリ電圧を昇圧せずにモータＭを駆動可能かを判断する（Ｓ１２）。ここで、バッテリ電圧を昇圧せずにモータＭを駆動可能な範囲では（Ｓ１２：Ｎｏ）、昇圧回路６０の駆動デューティ比を０％、即ち、昇圧を行わないように設定する（Ｓ１４）。

一方、ＰＷＭ変換ブロック４８でのＰＷＭ利用率（インバータ利用率）が上限に達すると（Ｓ１２：Ｙｅｓ）、即ち、図３中の領域Ａ２の範囲内にある場合には、昇圧回路６０の必要とされる昇圧比（駆動デューティ比）を算出して設定する（Ｓ１６）。そして、昇圧回路６０の駆動デューティ比が上限に達しているかを判断し（Ｓ１８）、上限に達するまでは（Ｓ１８：Ｎｏ）、処理を終了する。

他方、昇圧回路６０の駆動デューティ比が上限に達した際には（Ｓ１８：Ｙｅｓ）、図３中で領域Ａ３の制御を行う。即ち、昇圧回路６０での昇圧上限に達した状態で、モータｑ軸電流が所定閾値以下の際に（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、図２を参照して上述したようにｄ軸補正電流設定ブロック４０によってｄ軸補正電流ｉｄを決定し、加算器５４へ印加させる界磁弱め制御処理を行う（Ｓ２２）。これによって、モータＭに界磁弱め電流が流れ、モータＭの界磁を減少させることができ、モータＭの回転速度を高めることができる。

なお、この実施形態では、駆動デューティ比が上限に達した際に、モータｑ軸電流が所定閾値以下の際に、界磁弱め制御を行った。この代わりに、モータ回転数と発生トルクとに基づき、界磁弱め制御を開始することも可能である。

本発明の第１実施態様に係る電気式動力舵取装置の構成を示すブロック図である。 第１実施態様に係る電気式動力舵取装置の制御系を示すブロック図である。 第１実施形態でのモータの特性を示すグラフである。 制御装置による制御を示すフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）は従来技術でのモータの特性を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）は従来技術でのモータの特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 電気式動力舵取装置
２２ トルクセンサ
２４ 車速センサ
３０ 制御装置
４０ ｄ軸補正電流設定ブロック（界磁弱め手段）
６０ 昇圧回路
７２ モータ電流検出器
７４ モータ駆動回路
Ｍ モータ

Claims (1)

1. 操舵補助力を発生するモータにより操舵をアシストする電気式動力舵取装置であって、
   ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   前記モータに流れるモータｑ軸電流を検出するモータ電流検出手段と、
   少なくとも前記操舵トルク検出手段からの操舵トルク検出値に基づき設定される目標電流値と前記モータｑ軸電流との偏差に基づいて、前記モータのフィードバック制御のための指令値を算出するモータベクトル制御手段と、
   前記指令値に応じて前記モータを駆動するモータ駆動手段と、
   前記指令値がバッテリ電圧で前記モータを駆動できる際にバッテリ電圧をモータ駆動手段に供給し、駆動できない際にバッテリの電圧を昇圧して前記モータ駆動手段に供給する昇圧回路と、
   前記昇圧回路での昇圧上限に達した状態で、モータｑ軸電流が所定閾値以下の際に前記昇圧と共に、前記モータの界磁を弱める界磁弱め手段と、を備える電気式動力舵取装置。

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