JP6697790B2

JP6697790B2 - 電動パワーステアリング装置および電動パワーステアリングの制御方法

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Description

この発明は、回転角センサを用いることなく、モータの回転角を推定することのできる構成を備えた電動パワーステアリング装置および電動パワーステアリングの制御方法に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置には、特許文献１や特許文献２のように、モータの回転角を推定し、センサで検出した回転角の代わりに推定した角度信号(以下、推定角とも記載する)を用いたセンサレス制御を行うものがある。また、電動パワーステアリング装置に限らず、特許文献３のような推定角を用いたセンサレス制御によってモータを駆動する制御装置が数多く存在する。

上記のような推定角を用いたセンサレス制御では、モータの回転角と推定角との差異(以下、推定誤差とも記載する)が生じると、モータが所望のトルクを発生することができないため、モータトルクが変動し、振動が生じる。そのため、推定角を用いたセンサレス制御を行う電動パワーステアリング装置にあっては、推定誤差によって生じるトルク変動により、運転者が操舵しづらくなるという問題がある。推定誤差が発生する要因は、推定角の演算式においてパラメータとして設定するモータの抵抗値やインダクタンスなどの誤差(以下、パラメータ誤差とも記載する)や、推定遅れなど、推定方法によって様々である。

このような問題に対し、特許文献１では、推定角である制御角とモータトルクとの間に負の相関があるとき、推定角の変化量に相当する加算角すなわち推定速度の制限値を小さく変更することで、制御角すなわち推定角の補正を行っている。負の相関とは、制御角すなわち推定角が増加するとモータトルクが減少することを指している。操舵トルクの微分値はモータトルクの変化の方向とは反対の符号を有するため、加算角(推定速度)の符号と操舵トルクの微分値の符号が同符号のとき、制御角とモータトルクとの間に負の相関があると判別できる。

特開２０１０‐２１３５５０号公報特許第５８３７２３０号公報特許第４６７２２３６号公報

上記の特許文献１の制御角すなわち推定角の補正方法では、加算角(推定速度)の符号と操舵トルクの微分値の符号が同符号のときに補正できるが、加算角(推定速度)の符号と操舵トルクの微分値の符号が逆符号で推定誤差が生じているような場合には補正できなかった。

また、ステアリングホイールを切り増したとき、操舵トルクが増大して操舵トルクの微分値は正となるが、モータの回転角および制御角も増大して加算角αも正となる。そのため、負の相関があると判別されて加算角が小さく制限されてしまう。そのため、操舵速度が速い場合、すなわち、モータの回転速度が速い場合には、加算角が小さく制限されてしまうことで、推定誤差が拡大してしまう。そのため、この補正の効果は、操舵速度が遅い場合、すなわち、モータの回転速度が遅い場合に限定されるという問題がある。

また、特許文献１では加算角(推定速度)の制限値を漸減することで制御角(推定角)を小さく補正しているが、実際の回転角の値に相当する値で補正しているわけではないため、補正の精度が不足していた。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、推定角に含まれる推定誤差を補正することで、推定誤差によって生じるトルク変動を抑制し、振動の小さい安定的なセンサレス制御を行える電動パワーステアリング装置および電動パワーステアリングの制御方法を得ることを目的としている。

この発明は、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記運転者の操舵力を補助するモータと、前記モータの回転角を推定し推定角を出力する回転角推定部と、前記操舵トルクから補正用信号を算出する補正用信号演算部と、前記推定角を第１周波数成分と第２周波数成分に分離する周波数分離部と、前記補正用信号に基づいて前記第２周波数成分を補正した第２周波数成分補正信号を前記第１周波数成分に加算した値を制御角として算出する推定角補正部と、前記制御角に基づいて前記モータに電力を供給する電力供給部と、を備えた電動パワーステアリング装置等にある。

この発明により、推定角に含まれる推定誤差を補正することで、推定誤差によって生じるトルク変動を抑制し、振動の小さい安定的なセンサレス制御を行える電動パワーステアリング装置等を提供できる。

この発明による電動パワーステアリング装置の構成の一例を示す概略的な構成図である。図１のＥＣＵの構成の一例を示す制御ブロック図である。この発明の実施の形態１における制御角の演算を説明するためのブロック図である。この発明の実施の形態１におけるフィルタＨ２(ｓ)とフィルタＬ(ｓ)のゲイン特性を示したボード線図である。この発明の実施の形態１における推定角補正部の処理を示したフローチャートである。この発明による補正を行わなかった場合の各値の時間応答波形の一例である。この発明による補正を行った場合の各値の時間応答波形の一例である。この発明の実施の形態１における変形例によるフィルタＨ２(ｓ)とフィルタＬ(ｓ)のゲイン特性を示したボード線図である。この発明の実施の形態２における推定角補正部の処理を示したフローチャートである。この発明の実施の形態３における推定角補正部の処理を示したフローチャートである。この発明による電動パワーステアリング装置の制御部分のハードウェア構成の例を示す図である。

この発明によれば、実際の回転角に相当する値として操舵トルクから算出した補正用信号によって、推定角から分離した振動成分である第２周波数成分を補正できるので、操舵トルクと類似した回転角の成分について推定誤差を低減できる。
また、実際の回転角に相当する値で補正することにより精度よく補正することができるので、推定誤差によって生じるトルク変動を抑制できる。
さらに、操舵の速度が速い場合にも、操舵の周波数以下は第２周波数成分に含まれないため、運転者の操舵の影響を受けることなく、振動成分である第２周波数成分を補正できる。精度の良い補正により、推定誤差によって生じるトルク変動を抑制することができ、振動の小さい安定的なセンサレス制御を行える電動パワーステアリング装置等を提供できる。

以下、この発明による電動パワーステアリング装置および電動パワーステアリングの制御方法を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
この発明による電動パワーステアリング装置の概略的な構成の一例を図１に示す。図１において、電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイール１０１と、ステアリングシャフト１０３と、ラック・ピニオンギヤ１０５と、車輪１０４と、運転者の操舵力を補助するモータ１と、モータを駆動する電力を供給するためのＥＣＵ(electronic control unit：電子制御装置)２と、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０２が設けられている。

図１において、図示しない運転者からステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクは、トルクセンサ１０２のトーションバー、ステアリングシャフト１０３を通り、ラック・ピニオンギヤ１０５を介してラックに伝達され、車輪１０４を転舵させる。

図２は、図１のＥＣＵの構成の一例を示す制御ブロック図である。モータ１は、ＥＣＵ２内の電力供給部３から供給される電力により、出力としてモータトルクＴｍを発生する。モータトルクＴｍは、ステアリングシャフト１０３に伝達され、操舵時に運転者が加える必要のある操舵トルクを軽減する。モータ１は、例えば、永久磁石同期電動機または誘導電動機など、一般に良く知られたものを用いればよい。実施の形態１では、三相交流の永久磁石同期電動機とする。

電力供給部３は、インバータ３１と座標変換部３２と電圧指令演算部３３と電流検出器３４と電流指令演算部３５で構成し、制御角θｃに基づいてモータ１に電力を供給する。

電流指令演算部３５は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊を演算する。ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊は、モータ１の出力であるモータトルクＴｍに関する指令値である。ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊の演算方法は特に限定しないが、ここでは、ｄ軸電流指令ｉｄ＊は０とし、ｑ軸電流指令ｉｑ＊は操舵トルクＴｒｑに応じて決定する。ｄ軸電流指令ｉｄ＊はモータの回転速度に応じて決定してもよい。

電圧指令演算部３３は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊と、ｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑが各軸成分において一致するように、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する。ここでは、検出電流をフィードバックする構成としているが、検出電流を用いずにフィードフォワードで電圧指令を算出してもよい。

電流検出器３４は、モータ１の各相に流れる電流として、ｕ相検出電流ｉｕ、ｖ相検出電流ｉｖおよびｗ相検出電流ｉｗを検出する。ここでは、３相電流を検出しているが、一部の相の電流を検出せずに他の検出相の電流から推定してもよい。

座標変換部３２は、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を制御角θｃに基づいて座標変換することで、ｕ相電圧指令ｖｕ＊、ｖ相電圧指令ｖｖ＊およびｗ相電圧指令ｖｗ＊を生成する。さらに、座標変換部３２は、ｕ相検出電流ｉｕ、ｖ相検出電流ｉｖおよびｗ相検出電流ｉｗを制御角θｃに基づいて座標変換することでｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑを生成する。

インバータ３１は、ｕ相電圧指令ｖｕ＊、ｖ相電圧指令ｖｖ＊およびｗ相電圧指令ｖｗ＊に基づいた三相交流電圧を電力としてモータ１に印加することで、モータトルクＴｍを発生させる。

ＥＣＵ２はさらに、回転角推定部４、周波数分離部５、推定角補正部６、補正用信号演算部７を備える。

回転角推定部４は、モータの回転角θｅを推定し、推定した値を推定角θとして出力する。モータの回転角θｅの推定方法は特に限定しないが、一例として、特許文献３のように、誘起電圧を利用して推定する構成について説明する。この推定方法では、誘起電圧がモータの回転速度すなわち回転角の微分に比例することを利用する。ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊と、ｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑを入力として、以下の式(１)から(６)のオブザーバを構成して推定角θを演算する。

ここで、
ω，ωｒ０：推定速度、
ｉｄ０：ｄ軸推定電流、
ｉｑ０：ｑ軸推定電流、
ｐｄｒ０：推定磁束、
ｅｄ：ｄ軸偏差、
ｅｑ：ｑ軸偏差、
Ｒ：モータの抵抗値、
Ｌｄ：モータのｄ軸インダクタンス、
Ｌｑ：モータのｑ軸インダクタンス、
ｓ：ラプラス変換の微分演算子、
ｋｐ、ｋｉ、ｇ１１、ｇ１２、ｇ２１、ｇ２２、ｇ３１、ｇ３２、ｇ４１、ｇ４２：
推定角θを演算するためのフィードバックゲイン、
ｅ０１，ｅ０２，ｅ０３，ｅ０４：演算の中間変数、
である。
この推定方法では、モータの抵抗値ＲやインダクタンスＬｄ、Ｌｑをパラメータとして設定するため、パラメータ誤差により推定誤差が生じる。

以下では、制御角θｃの演算について説明する。図３は、制御角θｃを演算する過程を示したブロック図である。周波数分離部５では、回転角推定部４で演算した推定角θから、第１のフィルタ５ａであるフィルタＬ(ｓ)と第２のフィルタ５ｂであるフィルタＨ２(ｓ)によって、それぞれ第１周波数成分θ１と第２周波数成分θ２を求める。補正用信号演算部７では、トルクセンサ１０２で検出した操舵トルクＴｒｑに基づいて、補正用信号θｔを算出する。補正用信号θｔは、換算部７ａで換算ゲイン(ｋ)を乗算した後、第３のフィルタ７ｂであるフィルタＨ１(ｓ)によって振動成分を抽出することで算出する。推定角補正部６では、補正用信号θｔに基づいて、演算部６ａにより第２周波数成分θ２を補正して第２周波数成分補正信号θａを算出する。さらに、第２周波数成分補正用信号θａを加算部６ｂで第１周波数成分θ１に加算し、制御角θｃを算出する。周波数分離部５、推定角補正部６、補正用信号演算部７について、以下に詳細を示す。

補正用信号演算部７は、トルクセンサ１０２で検出した操舵トルクＴｒｑに基づいて補正用信号θｔを演算する。以下では、補正用信号θｔの演算について述べる。

トルクセンサ１０２は、トーションバーの上側であるステアリングホイール側の角度とトーションバーの下側であるモータ側の角度とのねじれ量から操舵トルクＴｒｑを検出する。トーションバーの剛性をｋｓとすると、操舵トルクＴｒｑとモータの回転角θｅの関係は、操舵角θｈ、モータ１の極対数Ｐｍ、ギア比Ｇｎを用いて、次の式(７)で表せる。

ここで、操舵角θｈは、運転者の操舵の周波数に依存する。そのため、電動パワーステアリング装置の主共振周波数よりも高い周波数帯域に着目すると、次の式(８)のように近似できる。操舵トルクＴｒｑとモータの回転角θｅの比を表す換算ゲインｋは、下式(９)となる。通常、振動は、共振周波数以上で生じるのでこの換算ゲインに依って、精度よく振動成分を抽出できる。なお、操舵周波数と共振周波数の間では、誤差が生じるが、通常振動は生じないので問題ない。必要であれば、角度からトルクの逆モデルで換算ゲインに動特性を与えることでさらに高精度の換算が可能である。

前述のように、上式(８)の近似は、運転者の操舵の周波数よりも高い周波数に着目した。そのため、補正用信号θｔは次の式(１０)のように、操舵トルクＴｒｑに換算部７ａで換算ゲインｋを乗算するとともに、フィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)により運転者の操舵の周波数よりも高い周波数成分を抽出して算出する。

ここでは、フィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)を、下式(１１)の１次ハイパスフィルタとする。一般に、運転者が操舵可能な周波数は３Ｈｚ程度以下である。また、例えばレーンチェンジ時の操舵周波数は、０．２Ｈｚ付近であり、通常はこのような低周波の操舵を行うケースが多い。そこで、カットオフ周波数ωｈ１は、通常の運転者の操舵の周波数よりも高い周波数成分を抽出するため、３Ｈｚで設定する。

上記の構成により、上式(８)の近似から、補正用信号θｔは実際の回転角に相当する値として操舵トルクＴｒｑから算出できる。操舵トルクから算出した補正用信号θｔは実際の回転角θｅの値に相当する値であるため、より精度の良い補正ができ、操舵トルクＴｒｑと類似した回転角の成分について推定誤差を低減できる。また、補正用信号演算部７は、操舵トルクに換算ゲインを乗算するように構成したことで、操舵トルクをモータの回転角に相当する値に換算できるので、第２周波数成分θ２を精度良く補正できる。

周波数分離部５は、推定角θをフィルタ処理により、下式(１２)のように、操舵成分を含む第１周波数成分θ１と、振動成分を含む第２周波数成分θ２に分離する。
ここで操舵成分とは運転者の操舵力の周波数成分であり、振動成分とは電動パワーステアリング装置の機械的振動成分を示す。

上式(１２)中のフィルタＨ２(ｓ)は、下式(１３)で設定する。フィルタＨ２(ｓ)は、前述の補正用信号θｔと第２周波数成分θ２を同様または同じの周波数成分とするため、フィルタＨ１(ｓ)と同じ１次ハイパスフィルタで構成する。また、カットオフ周波数ωｈ２も、フィルタＨ１(ｓ)のカットオフ周波数ωｈ１と同じ３Ｈｚで設定する。

補正用信号θｔと第２周波数成分θ２が同様または同じ周波数成分を有するようにしたことで、推定誤差がなければ第２周波数成分と補正用信号は一致するはずであり、差異があれば推定誤差があると判定でき、過剰または不足なく補正できる。そのため、推定角θを精度良く補正することができるので、推定誤差によって生じるトルク変動を抑制できる。また、式(１２)中のフィルタＬ(ｓ)は、次式(１４)で設定する。

図４は、この実施の形態１によるフィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)とフィルタＬ(ｓ)(５ａ)のゲイン特性を示したボード線図である。(ａ)がフィルタＨ２(ｓ)のゲイン特性、(ｂ)がフィルタＬ(ｓ)のゲイン特性を示す。フィルタＨ２(ｓ)は通常の運転者の操舵の周波数よりも高い周波数成分を抽出しているため、式(１４)のフィルタＬ(ｓ)は、運転者の操舵力の周波数成分を含む信号として、第１周波数成分θ１を演算できる。推定角θから分離した第１周波数成分θ１は、運転者の操舵力の周波数成分を含む。この構成より、制御角θｃの操舵成分については推定角θから算出し、振動成分については第２周波数成分θ２を補正できるので、推定誤差によって生じるトルク変動を抑制できる。

さらに、上式(１４)でフィルタＬ(ｓ)を設定すると、フィルタＨ２(ｓ)とフィルタＬ(ｓ)を足すと１になることから、元の入力信号が復元できる。これによって、推定誤差がない場合には第２周波数成分補正信号θａは第２周波数成分となり、第1周波数成分と加算すると元の推定角θが復元できるという追加の効果が得られる。

推定角補正部６では、まず、演算部６ａで第２周波数成分θ２を補正用信号θｔに基づいて補正し、第２周波数成分補正信号θａを算出する。そして、加算部６ｂで第２周波数成分補正信号θａを第１周波数成分θ１に加算することで、制御角θｃを算出する。図５は、推定角補正部６の処理を示したフローチャートである。

第２周波数成分補正信号θａは、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの正負の符号関係に基づいて、第２周波数成分θ２を補正するよう算出する。具体的には、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号関係が同符号のとき(ステップＳ１)、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔのうち、絶対値が小さい方の値を第２周波数成分補正信号θａとして補正する(ステップＳ２，Ｓ４，Ｓ５)。ステップＳ２で絶対値の大きさを比較し、|θ２|≧|θｔ|であれればステップＳ４でθａ＝θｔとし、|θ２|＜|θｔ|であればステップＳ５でθａ＝θ２とする。第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号関係が同符号か否かの判定は、例えばステップＳ１のように、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの積が０以上か否かで判定する。

また、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号関係が異符号のとき(ステップＳ１)、第２周波数成分θ２を補正した第２周波数成分補正信号θａは０とする(ステップＳ３)。

制御角θｃは、第２周波数成分補正信号θａを第１周波数成分θ１に加算することで算出する(ステップＳ６)。

上記構成により、推定角補正部６は、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号関係に基づいて、第２周波数成分を補正するように構成したことで、第２周波数成分と補正用信号の符号関係に応じた適切な補正を実施できる。

また、推定角補正部６は、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔが同符号のとき、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔのうち、絶対値が小さい方の値を第２周波数成分補正信号θａとするように構成したことで、推定角θに含まれる振動成分が実際の振動成分に近いものとなり、推定誤差の増大を抑制できる。

また、推定角補正部６は、第２周波数成分６と補正用信号θｔが異なる符号のとき、第２周波数成分補正信号θｔを零とするように構成したことで、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔが異なる符号のときには、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔのいずれかの信頼性が低いため、第２周波数成分θ２を零とすることで推定誤差の増大を抑制できる。

図６はこの発明による補正を行わない場合の各値の時間応答波形の一例であり、図７はこの発明による補正を行った場合の各値の時間応答波形の一例ある。図６、図７から、この発明の効果が確認できる。図６、図７ともに、縦軸が、(ａ)が操舵トルクＴｒｑ、(ｂ)が実際のモータの回転角θｅと制御角θｃの角度、(ｃ)が推定誤差(＝θｅ−θｃ)、(ｄ)が第２周波数の角度相当信号を示しており、横軸は時間を示す。(ｄ)において第２周波数の角度相当信号としては、推定角θから分離した第２周波数成分θ２、操舵トルクから算出した補正用信号θｔ、モータの回転角θｅから分離した第２周波数成分相当量θｅ２を示している。また、補正を行わない場合には、θｃ＝θとなっている。

図６から、(ｃ)で推定誤差(θｅ−θｃ)が生じた時間から、(ａ)で操舵トルクＴｒｑに振動が生じていることがわかる。また、モータの回転角θｅから分離した(ｄ)の第２周波数成分相当量θｅ２は、推定角θから分離した第２周波数成分θ２とは差異が大きいが、操舵トルクから算出した補正用信号θｔとはほぼ一致しており、この補正用信号θｔに基づいて補正することで、精度の良い補正が期待できる。

図７から、(ｄ)に示すモータの回転角θｅから分離した第２周波数成分相当量θｅ２と推定角θから分離した第２周波数成分θ２との差異を、モータの回転角θｅから分離した第２周波数成分相当量θｅ２とほぼ一致する補正用信号θｔに基づいて補正したことで、(ｃ)に示すように推定誤差(θｅ−θｃ)が小さくできることがわかる。また、推定誤差(θｅ−θｃ)を小さくできたことで、トルク変動を抑制し振動の低減を達成できる。

以上、この発明の実施の形態１によれば、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０２と、運転者の操舵力を補助するモータ１と、前記モータの回転角θｅを推定し推定角θを出力する回転角推定部４と、前記操舵トルクＴｒｑから補正用信号θｔを算出する補正用信号演算部７と、前記推定角θを第１周波数成分θ１と第２周波数成分θ２に分離する周波数分離部５と、前記補正用信号θｔに基づいて前記第２周波数成分θ２を補正した第２周波数成分補正信号θａを前記第１周波数成分θ１に加算した値を制御角θｃとして算出する推定角補正部６と、前記制御角θｃに基づいて前記モータ１に電力を供給する電力供給部３と、を備えた電動パワーステアリング装置が構成できる。
ここで、前記第１周波数成分θ１は運転者の操舵力の周波数成分である操舵成分を含み、前記第２周波数成分θ２は電動パワーステアリング装置の機械的振動成分を含む。
この構成では、実際の回転角θｅに相当する値として操舵トルクＴｒｑから算出した補正用信号θｔによって、推定角θから分離した振動成分である第２周波数成分θ２を補正できるので、操舵トルクＴｒｑと類似した回転角の成分について推定誤差(θｅ−θｃ)を低減できる。実際の回転角に相当する値で補正することにより精度よく補正することができるので、推定誤差(θｅ−θｃ)によって生じるトルク変動を抑制できる。さらに、操舵の速度が速い場合にも、操舵の周波数以下は第２周波数成分θ２に含まれないため、運転者の操舵の影響を受けることなく、振動成分である第２周波数成分θ２を補正できる。

また、前記補正用信号(θｔ)は、前記操舵トルク(Ｔｒｑ)から前記第２周波数成分(θ２)と同じ周波数成分を抽出した値に基づくように構成した。
推定角θから分離した第２周波数成分θ２と同じ周波数成分の操舵トルクＴｒｑは、互いに相関がある。この相関によれば、推定誤差(θｅ−θｃ)がなければ第２周波数成分θ２と補正用信号θｔは一致するはずであり、差異があれば推定誤差(θｅ−θｃ)があると判定でき、過剰または不足なく補正できる。そのため、推定角θを精度良く補正することができるので、推定誤差(θｅ−θｃ)によって生じるトルク変動を抑制できる。

また、前記第１周波数成分θ１は、運転者の操舵力の周波数成分を含むように構成したことで、制御角θｃの操舵成分は推定角θから算出し、振動成分については第２周波数成分θ２を補正できるので、推定誤差(θｅ−θｃ)によって生じるトルク変動を抑制できる。

また、前記補正用信号演算部７は、前記操舵トルクＴｒｑに換算ゲインｋを乗算するように構成したことで、操舵トルクＴｒｑをモータの回転角θｅに相当する値に換算できるので、第２周波数成分θ２を精度良く補正できる。
ここで、前記補正用信号演算部７は、前記操舵トルクＴｒｑに、操舵トルクＴｒｑと前記モータ１の回転角θｅの比を表す前記換算ゲイン(ｋ)を乗算する。

また、前記推定角補正部６は、前記第２周波数成分θ２と前記補正用信号θｔの正負の符号関係に基づいて、前記第２周波数成分θ２を補正するように構成したことで、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号関係に応じた適切な補正を実施できる。

また、前記推定角補正部６は、前記第２周波数成分θ２と前記補正用信号θｔが正負の符号が同符号のとき、前記第２周波数成分θ２と前記補正用信号θｔのうち、絶対値が小さい方の値を前記第２周波数成分補正信号θａとするように構成したことで、推定角θに含まれる振動成分が実際の振動成分よりも大きくなり、推定誤差(θｅ−θｃ)が増大することを抑制できる。

また、前記推定角補正部６は、前記第２周波数成分θ２と前記補正用信号θｔが正負の符号が異なるとき、前記第２周波数成分補正信号θａを零とするように構成したことで、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔが異なる符号のときには、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔのいずれかの信頼性が低いため、第２周波数成分θ２を零とすることで推定誤差(θｅ−θｃ)が増大することを抑制できる。

なお、この実施の形態１における図３に示したフィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)とフィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)は、下記のように変更しても良い。

(１)フィルタのカットオフ周波数の変更例
この実施の形態１のフィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)とフィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)では、運転者の操舵の周波数よりも高い周波数として、カットオフ周波数ωｈ１とωｈ２を３Ｈｚで設定したが、振動成分を抽出することができれば良く、カットオフ周波数ωｈ１とωｈ２は３Ｈｚに限らない。例えば、３０Ｈｚの振動が生じるのであれば、３０Ｈｚの振動を抽出できるよう、カットオフ周波数ωｈ１とωｈ２を１０Ｈｚで設定しても良い。また、カットオフ周波数ωｈ１とωｈ２は必ずしも同一である必要はなく、例えば、ωｈ１を３Ｈｚ、ωｈ２を５Ｈｚで設定しても良い。この場合でも、３Ｈｚと５Ｈｚは近傍の周波数であるため、同様の周波数成分が抽出できる。

(２)フィルタの構成の変更例１
この実施の形態１では、前述のフィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)とフィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)は同一のフィルタで設定したが、同様の周波数成分を抽出できれば良く、必ずしも同一である必要はない。例えば、カットオフ周波数ωｈ１とωｈ２は同じで、フィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)は１次のハイパスフィルタとし、フィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)は２次のハイパスフィルタとしても良い。また、フィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)は１次ハイパスフィルタとし、フィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)は、１次ハイパスフィルタにセンサノイズ除去のための１次ローパスフィルタを追加したもので設定しても良い。これらの場合にも、フィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)とフィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)により抽出できる主な周波数成分は、同様の周波数成分となる。

(３)フィルタの構成の変更例２
フィルタＬ(ｓ)(５ａ)とフィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)およびフィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)とは、ローパスフィルタとハイパスフィルタとの組合せに限らず、例えば、次式(１５)のようなバンドエリミネーションフィルタとバンドパスフィルタとの組合せとして設定しても良い。

ここで、
ｋｂ：フィルタゲイン、
ωｂ：フィルタ周波数、
ζ：減衰係数、
である。

一般的に、電動パワーステアリング装置では、モータ１の出力トルクからトルクセンサ１０２で検出する操舵トルクＴｒｑまでの伝達特性において、数１０Ｈｚ程度以上の高い周波数帯域でのゲインは小さくなる。そのため、数１０Ｈｚ程度以上の高い周波数成分の推定誤差(θｅ−θｃ)によって生じる振動は小さいので、操舵への影響は小さく、推定角θの補正を行わなくても良い。

そこで、バンドパスフィルタとして設定するフィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)とフィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)は、例えば、振動が大きい５０Ｈｚ以下の周波数帯域を通過帯域とする。さらに、フィルタＨ１(ｓ)(７ｂ)とフィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)は、通常の運転者の操舵の周波数よりも高い周波数成分として、３Ｈｚ以上の周波数帯域を通過帯域とする。図８は、フィルタＨ２(ｓ)(５ｂ)とフィルタＬ(ｓ)(５ａ)のゲイン特性を示したボード線図である。(ａ)がフィルタＨ２(ｓ)のゲイン特性、(ｂ)がフィルタＬ(ｓ)のゲイン特性を示す。フィルタＨ１(ｓ)、フィルタＨ２(ｓ)の通過帯域を運転者の操舵の周波数より高い周波数で設定したため、上式(１５)のフィルタＬ(ｓ)により抽出する周波数成分、すなわち、第１周波数成分θ１は、運転者の操舵の周波数成分を含む。

第１周波数成分θ１が運転者の操舵力の周波数成分を含むことで、制御角θｃの操舵成分は推定角θから算出し、振動成分は第２周波数成分θ２を補正できるので、回転角θｅの推定誤差(θｅ−θｃ)により発生したモータトルクの影響を抑制できる。

さらに、このようなバンドパスフィルタでフィルタＨ１(ｓ)、フィルタＨ２(ｓ)を設定した場合、前述の実施の形態１の効果に加えて、振動の大きな周波数に狙いを定めた的確な補正が実施できるという追加の効果も得られる。特に、バンドパスフィルタの通過帯域以上の周波数帯域では、トルクセンサ１０２のセンサノイズや検出遅れがあるので、これらの影響をバンドパスフィルタにより除去できる。

この実施の形態１における推定角θの演算は、特許文献３のように誘起電圧を利用して推定する方法としたが、特に推定方法を限定するものではない。推定角θの演算が補正用信号θｔの演算方法と異なっていれば、誘起電圧を利用して推定する方法に限らず、他の方法で推定角θを演算しても、所望の補正が実現できる。例えば、特許文献２のように、トルクセンサ１０２により検出した操舵トルクＴｒｑに基づく推定方法でも良い。特許文献２の推定方法では、モータ１に高周波トルクＴｍｈｆを発生させ、トルクセンサ１０２で検出する操舵トルクＴｒｑに現れる応答に基づいて推定角θを演算する。

高周波トルクＴｍｈｆは、下式(１６)のｄ軸電流指令ｉｄ＊およびｑ軸電流指令ｉｑ＊を与えることで発生させる。
ｄ軸電流指令ｉｄ＊は、ｄ軸基本電流指令ｉｄ０＊にｄ軸高周波電流(指令)Ａｉｄを加算して得られる。
ｑ軸電流指令ｉｑ＊は、ｑ軸基本電流指令ｉｑ０＊にｑ軸高周波電流(指令)Ａｉｑを加算して得られる。
ｄ軸基本電流指令ｉｄ０＊は、例えば、モータ１の回転速度に応じて決定する。
ｑ軸基本電流指令ｉｑ０＊は、例えば、操舵トルクＴｒｑに応じて決定する。
ｄ軸高周波電流(指令)Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流(指令)Ａｉｑは、振幅Ａ、周波数ｗｗの余弦波および正弦波で与える。余弦波および正弦波は、時間ｔの関数とする。

以下では、簡単に説明するために、ｄ軸基本電流指令ｉｄ０＊、ｑ軸基本電流指令ｉｑ０＊を０とする。モータ１の出力トルクは、ｑ軸電流指令ｉｑ＊におよそ比例して得られる。そのため、上式(１６)に基づいてモータ１に電力を供給することで、推定誤差(θｅ−θｃ)がない場合には、下式(１７)のように、ｑ軸高周波電流指令Ａｉｑ＊に比例した高周波トルクＴｍｈｆが発生する。ここで、Ｋｔはモータ１の出力トルクの比例定数である。

一方、推定誤差(θｅ−θｃ)がある場合には、下式(１８)のように、ｑ軸高周波電流Ａｉｑと高周波トルクＴｍｈｆには位相差Δθｑが生じる。よって、ｑ軸高周波電流Ａｉｑと高周波トルクＴｍｈfとの位相差Δθｑは、推定誤差(θｅ−θｃ)の情報を有する信号である。

推定角θは、位相差Δθｑが推定誤差の情報を有することを利用して演算できる。高周波トルクＴｍｈｆはトルクセンサ１０２で検出する操舵トルクＴｒｑに反映されるので、位相差Δθｑは操舵トルクＴｒｑに基づいて算出できる。推定角θの演算は、操舵トルクＴｒｑに基づいて算出した位相差Δθｑが小さくなるように、下式(１９)のフィードバック制御によって行う。

ここで、
ｋｐｐ、ｋｉｉ：推定角θを演算するためのフィードバックゲイン、
である。

この推定方法の場合、例えば、推定遅れが推定誤差の要因となる。この推定方法では、操舵トルクＴｒｑに基づいて推定角θを演算しているが、補正用信号θｔの演算とは異なる方法である。したがって、この推定方法であっても、補正用信号θｔに基づいて第２周波数成分θ２を補正することで、推定誤差を低減することができ、推定誤差によって生じるトルク変動を抑制できる。

実施の形態２．
この実施の形態２は、前述の実施の形態１と推定角補正部６の処理が異なり、他は実施の形態１と同じである。具体的には、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔが異なる符号のときの処理が実施の形態１と異なる。

図９は、この実施の形態２における推定角補正部６の処理を示したフローチャートである。第２周波数成分補正信号θａは、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの正負の符号関係に基づいて、第２周波数成分θ２を補正するよう算出する。

具体的には、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号関係が同符号のとき(ステップＳ１)、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔのうち、絶対値が小さい方の値を第２周波数成分補正信号θａとして補正する(ステップＳ２，Ｓ４，Ｓ５)。ステップＳ２で絶対値の大きさを比較し、|θ２|≧|θｔ|であればステップＳ４でθａ＝θｔとし、|θ２|＜|θｔ|であればステップＳ５でθａ＝θ２とする。第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号関係が同符号か否かの判定は、例えばステップＳ１のように、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの積が０以上か否かで判定する。

また、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号関係が異符号のとき(ステップＳ１)、第２周波数成分θ２を補正した第２周波数成分補正信号θａは、補正用信号θｔとして補正する(ステップＳ３ｂ)。

上記の構成によれば、推定角補正部６は第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの正負の符号が異なるとき、補正用信号θｔを第２周波数成分補正信号θａとして算出するように構成したことで、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔの符号が異なる場合には第２周波数成分θ２の信頼性が低いとして、補正用信号θｔで置き換えることで推定誤差(θｅ−θｃ)を低減することができるので、推定誤差(θｅ−θｃ)によって生じるトルク変動を小さくできる。その他、実施の形態１と同じ構成の部分は、実施の形態１と同様の効果を得られる。

実施の形態３．
この実施の形態３は、前述の実施の形態１と推定角補正部６の処理が異なり、他は実施の形態１と同じである。具体的には、第２周波数成分θ２の補正の方法が実施の形態１と異なる。

図１０は、この発明の実施の形態３による推定角補正部６の処理を示したフローチャートである。実施の形態１に記載した通り、補正用信号θｔは、実際のモータの回転角θｅに相当する信号である。そこで、振動成分である第２周波数成分θ２と補正用信号θｔとの差異が大きくならないよう、第２周波数成分θ２と補正用信号θｔとの差異が予め定められた設定値α以内となるように第２周波数成分θ２を制限することで補正を行う。

具体的には、第２周波数成分θ２がθｔ−αより小さいとき、第２周波数成分補正信号θａは、θａ＝θｔ−αとする(ステップＳ１ｃ、Ｓ３ｃ)。また、第２周波数成分θ２がθｔ＋αより大きいとき、第２周波数成分補正信号θａは、θａ＝θｔ＋αとする(ステップＳ２ｃ、Ｓ５ｃ)。それ以外のとき、すなわち、第２周波数成分θ２がθｔ−α≦θ２≦θｔ＋αの範囲内のとき、第２周波数成分補正信号θａは、θａ＝θ２とする(ステップＳ４)。

このように、推定角補正部６は第２周波数成分θ２と補正用信号θｔとの差異が設定値α以内となるように第２周波数成分θ２を制限するように構成した。
このような構成であっても、実際の回転角θｅに相当する値として操舵トルクＴｒｑから算出した補正用信号θｔによって、推定角θから分離した振動成分である第２周波数成分θ２を補正できるので、操舵トルクＴｒｑと類似した回転角の成分について推定誤差(θｅ−θｃ)を低減できる。実際の回転角θｅに相当する値で補正することにより精度よく補正することができるので、推定誤差(θｅ−θｃ)によって生じるトルク変動を抑制できる。さらに、操舵の速度が速い場合にも、操舵の周波数以下は第２周波数成分θ２に含まれないため、運転者の操舵の影響を受けることなく、振動成分である第２周波数成分θ２を補正できる。精度の良い補正により、推定誤差(θｅ−θｃ)によって生じるトルク変動を抑制することができ、振動の小さい安定的なセンサレス制御を行える電動パワーステアリング装置を提供できる。その他、実施の形態１と同じ構成の部分は、実施の形態１と同様の効果を得られる。

なお、図２のＥＣＵ２の、電力供給部３の座標変換部３２、電圧指令演算部３３、電流指令演算部３５、および回転角推定部４、周波数分離部５、推定角補正部６、補正用信号演算部７からなる制御部分は、別々の制御回路で構成してもよく、また１つの制御回路でまとめて構成してもよい。
この点に関し、これらの機能を実現する処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう)であっても構成可能である。

図１１の(ａ)はこれらの機能をハードウェアで構成した場合、(ｂ)はソフトウェアで構成した場合の、ハードウェア構成を概略的に示す。
上記各部の機能を図１１の(ａ)に示すハードウェアで構成した場合、処理回路１０００は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。上記各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。

上記各部の機能を図１１の(ｂ)に示すＣＰＵで構成した場合、上記各部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ２１００に格納される。処理回路であるプロセッサ２０００は、メモリ２１００に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。これらのプログラムは、上記各部の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ２１００とは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。

なお、上記各部の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
また処理に必要な各種情報は、ハードウェア構成の場合は回路に予め設定され、またソフトウェア構成の場合にはメモリに予め記憶させておく。

なおこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。

産業上の利用の可能性

この発明の電動パワーステアリング装置および電動パワーステアリングの制御方法は、多くの機種の電動パワーステアリング装置に適用可能である。

１モータ、２ＥＣＵ、３電力供給部、４回転角推定部、５周波数分離部、５ａフィルタＬ(ｓ)、５ｂフィルタＨ２(ｓ)、６推定角補正部、６ａ演算部、６ｂ加算部、７補正用信号演算部、７ａ換算部、７ｂフィルタＨ１(ｓ)、３１インバータ、３２座標変換部、３３電圧指令演算部、３４電流検出器、３５電流指令演算部、１０１ステアリングホイール、１０２トルクセンサ、１０３ステアリングシャフト、１０４車輪、１０５ラック・ピニオンギヤ、１０００処理回路、２０００プロセッサ、２１００メモリ。

Claims

運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサと、
前記運転者の操舵力を補助するモータと、
前記モータの回転角を推定し推定角を出力する回転角推定部と、
前記操舵トルクから補正用信号を算出する補正用信号演算部と、
前記推定角を第１周波数成分と第２周波数成分に分離する周波数分離部と、
前記補正用信号に基づいて前記第２周波数成分を補正した第２周波数成分補正信号を前記第１周波数成分に加算した値を制御角として算出する推定角補正部と、
前記制御角に基づいて前記モータに電力を供給する電力供給部と、
を備えた電動パワーステアリング装置。
前記補正用信号は、前記操舵トルクから前記第２周波数成分と同様の周波数成分を抽出した値に基づく、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
前記第１周波数成分は、運転者の操舵力の周波数成分を含む、請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。
前記補正用信号演算部は、前記操舵トルクに換算ゲインを乗算する、請求項１から３までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
前記補正用信号演算部は、前記操舵トルクに操舵トルクと前記モータの回転角の比を表す前記換算ゲインを乗算する、請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。
前記推定角補正部は、前記第２周波数成分と前記補正用信号の正負の符号関係に基づいて、前記第２周波数成分を補正する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
前記推定角補正部は、前記第２周波数成分と前記補正用信号が正負の符号が同符号のとき、前記第２周波数成分と前記補正用信号のうち、絶対値が小さい方の値を前記第２周波数成分補正信号とする、請求項６に記載の電動パワーステアリング装置。
前記推定角補正部は、前記第２周波数成分と前記補正用信号が正負の符号が異なるとき、前記第２周波数成分補正信号を零とする、請求項６または７に記載の電動パワーステアリング装置。
前記推定角補正部は、前記第２周波数成分と前記補正用信号の正負の符号が異なるとき、前記補正用信号を前記第２周波数成分補正信号として算出する、請求項６または７に記載の電動パワーステアリング装置。
前記推定角補正部は、前記第２周波数成分と前記補正用信号との差異が設定値以内となるように前記第２周波数成分を制限する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
前記第１周波数成分が運転者の操舵力の周波数成分を含み、前記第２周波数成分が機械的振動成分を含む、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
運転者の操舵力を補助するモータの回転角を推定して推定角を求め、
検出した前記運転者の操舵トルクから補正用信号を算出し、
前記推定角を第１周波数成分と第２周波数成分に分離し、
前記補正用信号に基づいて前記第２周波数成分を補正した第２周波数成分補正信号を前記第１周波数成分に加算した値を制御角として算出し、
前記制御角に基づいて前記モータに電力を供給する、
電動パワーステアリングの制御方法。