JP2004359234A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で電動モータのロータの回転位置を検出することができ、かつ、コストアップを招くことなく、異常の発生の有無を判断することができる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】マイクロコンピュータ８は、ｓｉｎ出力巻線６３からのｓｉｎ信号およびｃｏｓ出力巻線６４からのｃｏｓ信号を一定のタイミングでサンプリングして、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値データを取得する。そして、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値データに基づいて、電動モータＭのロータ回転位置θをプログラム処理によって推定する。また、ロータ回転位置θの変化に基づいて操舵補助力の方向を判断し、その操舵補助力の方向とトルクセンサ５によって検出される操舵トルクの方向とが一致していない場合には、この電動パワーステアリング装置の制御システムに故障が生じていると判断する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電動モータが発生する駆動力をステアリング機構に伝達して操舵補助する構成の電動パワーステアリング装置に関する。

たとえば、電動パワーステアリング装置では、車両のステアリング機構に与えるべき操舵補助力の発生源としてブラシレスモータが用いられている。このブラシレスモータにおいては、ロータの回転むらに起因するトルクリップルの発生などを防止するため、ロータの回転位置（回転角）に応じて各相に流れる電流を適切に制御する必要がある。そこで、三相交流モータのような電動モータを制御するためのモータ制御装置には、ロータの回転位置を検出するためのレゾルバが備えられており、このレゾルバの出力信号に基づいて、モータ各相ごとに目標電流値が適切に設定されるようになっている。

図２は、従来のモータ制御装置の電気的構成を示すブロック図である。このモータ制御装置は、電動モータＭのロータの回転位置に応じた信号を出力するレゾルバ１０１と、レゾルバ１０１の出力信号を処理してロータの回転位置に対応した回転位置データ（ディジタルデータ）を生成するＲ／Ｄコンバータ１０２と、Ｒ／Ｄコンバータ１０２から出力される回転位置データに基づいてモータ各相の目標電流値を設定するマイクロコンピュータ１０３と、マイクロコンピュータ１０３によって設定された目標電流値に基づいて制御されるモータドライバ１０４とを備えており、このモータドライバ１０４から供給される電流により電動モータＭが駆動されるようになっている。

レゾルバ１０１は、電動モータＭのロータと同軸に取り付けられた回転体１０５と、この回転体１０５の周囲に配置された励磁巻線１０６、ｓｉｎ出力巻線１０７およびｃｏｓ出力巻線１０８とを有している。励磁巻線１０６には、発振器１０９が接続されており、この発振器１０９から励磁巻線１０６にリファレンス信号（正弦波電圧）が入力されると、ｓｉｎ出力巻線１０７およびｃｏｓ出力巻線１０８から、それぞれ回転体１０５との間の距離（ギャップパーミアンス）に応じたｓｉｎ信号（電圧）およびｃｏｓ信号（電圧）がＲ／Ｄコンバータ１０２に向けて出力される。Ｒ／Ｄコンバータ１０２は、レゾルバ１０１からのｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号に基づき、回転体１０５の回転位置、すなわち電動モータＭのロータの回転位置を表す回転位置データを生成する。
特開平９−２８０６９号公報

Ｒ／Ｄコンバータ１０２は、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号に含まれるノイズ成分を除去するためのＣＲフィルタ回路などを含む複雑な回路構成を有する専用ＩＣである。そのため、Ｒ／Ｄコンバータ１０２は高価であり、このＲ／Ｄコンバータ１０２を備えたモータ制御装置は、コストが高くついてしまうといった問題があった。
また、電動パワーステアリング装置では、電動モータの制御システムに故障が発生すると、ステアリングホイールの操作と無関係な操舵補助が行われるおそれがある。たとえば、制御システムが正常に動作している時には、車両のステアリングホイールの操作方向と電動モータからステアリング機構に与えられる操舵補助力の方向とが一致するので、ステアリング機構の操舵方向を検出するための舵角センサなどを別途設けて、ステアリングホイールの操作方向とその舵角センサによって検出されるステアリング機構の操舵方向との異同を判断すれば、制御システムに故障（異常）が生じているか否かを判断することができ、装置の信頼性を高めることができる。しかし、舵角センサを別途設けることは、装置のコストアップを招いてしまう。

そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、簡素な構成で電動モータのロータの回転位置を検出することができ、かつ、コストアップを招くことなく、異常の発生の有無を判断することができる電動パワーステアリング装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ステアリングホイール（２）の操作に応じて電動モータ（Ｍ）を制御し、この電動モータからの発生トルクをステアリング機構（１）に与えて操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、上記電動モータに関連して設けられており、その電動モータのロータの回転位置に応じたアナログ信号を出力するレゾルバ（６）と、このレゾルバが出力するアナログ信号が入力されており、この入力信号に基づいて上記ロータの回転位置をプログラム処理によって求め、その求めたロータ回転位置に応じた上記電動モータの制御を行うモータ制御手段（８）と、上記ステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出し、その検出した操舵トルクに応じた信号を上記モータ制御手段に入力するトルクセンサ（５）とを含み、上記レゾルバは、上記ロータと同軸に設けられた回転体（６１）と、この回転体の周囲に配置された励磁巻線（６２）、ｓｉｎ出力巻線（６３）およびｃｏｓ出力巻線（６４）とを有し、上記励磁巻線へのリファレンス信号の入力に応答して、上記ｓｉｎ出力巻線およびｃｏｓ出力巻線から、それぞれ上記回転体の回転位置に応じたｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を出力するものであり、上記モータ制御手段は、上記リファレンス信号を発生する手段（８）と、上記ｓｉｎ出力巻線から出力されるｓｉｎ信号およびｃｏｓ出力巻線から出力されるｃｏｓ信号を所定のタイミングでサンプリングしてｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値を取得するサンプリング手段（８）と、このサンプリング手段によって取得されたｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値に基づいて、上記ロータの回転位置をプログラム処理によって推定する回転位置推定手段（８）と、この回転位置推定手段によって推定される上記ロータの回転位置の変化に基づいて、上記電動モータから上記ステアリング機構に与えられているトルクの方向を判断する操舵補助方向判断手段（８）と、この操舵補助方向判断手段によって判断されるトルクの方向と、上記トルクセンサによって検出される操舵トルクの方向との異同に基づいて、この電動パワーステアリング装置に異常が生じているか否かを判断する異常判断手段（８）とを含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置である。

なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
この発明によれば、レゾルバから出力されるｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号は、アナログ信号のままでモータ制御手段に入力されるようになっており、モータ制御手段は、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号のサンプリング値に基づいて電動モータのロータ回転位置をプログラム処理によって検出する。これにより、Ｒ／Ｄコンバータのような複雑かつ高価な回路装置を必要とすることなく、簡素な構成により、電動モータのロータ回転位置を検出することができる。

また、ロータ回転位置に基づいて電動モータからステアリング機構に与えられているトルクの方向を判断できるから、そのロータ回転位置に基づいて判断される操舵補助力の方向とトルクセンサによって検出される操舵トルクの方向との異同を判断することにより、ステアリング機構の操舵方向を検出するための舵角センサなどを別途設けることなく、この電動パワーステアリング装置に異常が生じているか否かを判断することができる。これにより、装置コストを上昇させることなく、異常の発生の有無を判断することができ、その結果、この電動パワーステアリング装置の制御システムの信頼性を高めることができる。

なお、上記ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を平滑した信号を、所定のタイミングでサンプリングしてｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値を取得するようにしてもよい。
また、請求項２記載の発明は、上記モータ制御手段は、少なくとも過去２回の上記ロータの回転位置を記憶する記憶手段（８）と、上記サンプリング手段によって取得されたｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号の瞬間値の少なくとも一方が予め定めるデータ範囲外である場合に、上記少なくとも過去２回の上記ロータの回転位置に基づいて、現在の上記ロータの回転位置をプログラム処理によって推定する異常時回転位置推定手段（８）とをさらに含み、上記操舵補助方向判断手段は、上記回転位置推定手段および／または上記異常時回転位置推定手段によって推定される上記ロータの回転位置の変化に基づいて、上記電動モータから上記ステアリング機構に与えられているトルクの方向を判断するものであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置である。

この発明によれば、異常時回転位置推定手段は、ｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号の瞬間値が所定のデータ範囲外にある場合には、少なくとも過去２回のロータ回転位置（たとえば、前々回に検出したロータ回転位置と前回に検出したロータ回転位置と）に基づいて現在のロータ回転位置をプログラム処理により推定する。より具体的には、たとえば、異常時回転位置推定手段は、前々回に検出したロータ回転位置と前回に検出したロータ回転位置とからロータの回転速度を算出し、この算出したロータ回転速度に基づいて、前回に検出したロータ回転位置から現在のロータ回転位置を推定する。これにより、ｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号に外部からのノイズが混入した場合であっても、ロータの回転位置を良好に検出することができる。

なお、上記モータ制御手段が、モータを駆動するためのモータドライバにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号を与え、このＰＷＭ制御信号に応じたデューティでモータドライバに備えられているＦＥＴ（Field-Effect Transistor）などをオン／オフさせることによりモータを制御するものである場合、上記サンプリング手段は、上記ＦＥＴのスイッチングタイミングを避けてｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号をサンプリングすることが好ましい。こうすることにより、ＦＥＴのスイッチングに起因するノイズがｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号に混入することを防止でき、ロータの回転位置をより精度良く検出することができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成を示すブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、電動モータＭが発生するトルクを車両のステアリング機構１に伝達して、操舵の補助を行うものである。
ステアリング機構１には、先端にステアリングホイール２が取り付けられたステアリングシャフト３の基端部が結合されている。ステアリングシャフト３は、ステアリング機構１側に結合された出力軸３１とステアリングホイール２側に結合された入力軸３２とに分割されていて、これらの出力軸３１および入力軸３２は、トーションバー４によって互いに連結されている。トーションバー４は、ステアリングホイール２から入力される操舵トルクに応じてねじれを生じるものであり、このねじれの方向および量は、トルクセンサ５によって検出されるようになっている。すなわち、トルクセンサ５は、トーションバー４のねじれの方向および量を検出することにより、ステアリングホイール２から入力された操舵トルクを検出する。

電動モータＭは、たとえば三相交流ブラシレスモータで構成されている。この電動モータＭに関連して、電動モータＭのロータの回転位置を検出するためのレゾルバ６が設けられている。レゾルバ６は、電動モータＭのロータと同軸に取り付けられた回転体６１と、この回転体６１の周囲に配置された励磁巻線６２、ｓｉｎ出力巻線６３およびｃｏｓ出力巻線６４とを有している。回転体６１は、回転軸に直交する平面で切断した時の断面形状が略十字状に形成されており、その回転位置（ロータ回転位置）θに応じて、外周面と励磁巻線６２、ｓｉｎ出力巻線６３およびｃｏｓ出力巻線６４との距離（ギャップパーミアンス）が変化するようになっている。

励磁巻線６２には、たとえばｓｉｎωｔ（ω：角周波数、ｔ：時刻）で表されるリファレンス信号（電圧）が、マイクロコンピュータ８から増幅器７１を介して与えられる。一方、ｓｉｎ出力巻線６３およびｃｏｓ出力巻線６４は、マイクロコンピュータ８から励磁巻線６２にリファレンス信号が入力された時に、それぞれｓｉｎ（ωｔ−θ）で表されるｓｉｎ信号（電圧）およびｃｏｓ（ωｔ−θ）で表されるｃｏｓ信号（電圧）を出力するような位置に配設されている。ｓｉｎ出力巻線６３からのｓｉｎ信号およびｃｏｓ出力巻線６４からのｃｏｓ信号は、それぞれ増幅器７２，７３で適当に増幅された後、マイクロコンピュータ８に入力されるようになっている。

マイクロコンピュータ８は、たとえばＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えており、ＲＯＭには、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の値（ディジタルデータ）とロータ回転位置θとの関係がテーブル化されて格納されている。マイクロコンピュータ８は、励磁巻線６２に向けて出力したリファレンス信号を参照して、ｓｉｎ出力巻線６３から出力されるｓｉｎ信号およびｃｏｓ出力巻線６４から出力されるｃｏｓ信号を一定のタイミングでサンプリングし、これにより得られるｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値をＡ／Ｄ変換することによって、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値データを取得する。そして、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値データをＲＯＭに格納されているテーブルに与えて、このテーブルからｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値に対応するロータ回転位置θを読み出す。これにより、電動モータＭのロータ回転位置θを検出できる。

ところが、たとえば外部からのノイズの影響を受けて、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値が異常値をとる場合が考えられる。このような場合には、サンプリングにより取得したｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値に基づいては、電動モータＭのロータ回転位置θを正確に検出することはできない。そこで、マイクロコンピュータ８は、少なくとも過去２回に検出したロータ回転位置θをＲＯＭに格納しておき、ｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号の瞬間値が所定の範囲外にある場合、すなわち、ｓｉｎ信号もしくはｃｏｓ信号の瞬間値が予め定める下限値よりも小さいか、またはｓｉｎ信号もしくはｃｏｓ信号の瞬間値が予め定める上限値よりも大きい場合には、前々回に検出したロータ回転位置θと前回に検出したロータ回転位置θとからロータの回転速度を算出し、このロータ回転速度に基づいて、前回に検出したロータ回転位置θから現在のロータ回転位置θを推定する。これにより、ロータ回転位置θの誤検出を防止することができる。

また、マイクロコンピュータ８には、トルクセンサ５の出力信号が入力されている。マイクロコンピュータ８は、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクおよび図示しない車速センサによって検出される車速などに応じて電動モータＭの目標電流値を定める。そして、上述のようにして検出したロータ回転位置θに基づき、目標電流値に対して三相分相処理を施して、電動モータＭのロータ回転位置θに応じたモータ各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の目標電流値を求める。さらに、こうして求めたモータ各相の目標電流値に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号を作成し、その作成したＰＷＭ制御信号をモータドライバ９に向けて出力する。これにより、ＰＷＭ制御信号に応じた電流がモータドライバ９から電動モータＭの各相に供給され、電動モータＭから操舵補助に必要なトルクが発生される。

また、マイクロコンピュータ８は、上述のようにして検出したロータ回転位置θおよびトルクセンサ５の出力信号に基づいて、この電動パワーステアリング装置の制御システムに故障が生じているか否かを判断する。
すなわち、電動モータＭの目標電流値は、ステアリングホイール２の操作方向に応じた方向のトルクが電動モータＭから発生するように設定されるので、制御システムが正常に動作している時には、ステアリングホイール２の操作方向と電動モータＭからステアリング機構１に与えられる操舵補助力の方向とは一致する。ここで、ステアリングホイール２の操作方向は、ステアリングホイール２から入力される操舵トルクの方向であり、これはトルクセンサ５によって検出される。また、電動モータＭからステアリング機構１に与えられるトルクの方向は、電動モータＭの回転方向に対応しており、これはロータ回転位置θの変化に基づいて判断できる。したがって、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクの方向とロータ回転位置θに基づいて判断される操舵補助力の方向とが一致している場合には、この電動パワーステアリング装置の制御システムは正常に動作していると判断できる。一方、操舵トルクの方向と操舵補助力の方向とが一致していない場合には、この電動パワーステアリング装置の制御システムに故障が生じていると判断できる。

マイクロコンピュータ８は、制御システムに故障が生じていると判断した場合には、ステアリングホイール２の操作と無関係な操舵補助が行われることを防止するために、電動モータＭへの電流の供給を漸減させて電動モータＭを停止させる。これにより、故障発生時における操舵補助力の急激な変化を防止でき、操舵フィーリングの向上を図ることができる。

以上のようにこの実施形態によれば、レゾルバ６から出力されるｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号は、アナログ信号のままでマイクロコンピュータ８に入力されるようになっており、マイクロコンピュータ８は、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号のサンプリング値に基づいて電動モータＭのロータ回転位置θを検出する。これにより、Ｒ／Ｄコンバータのような複雑かつ高価な回路装置を必要とすることなく、電動モータＭのロータ回転位置θを検出できるから、電動モータＭの制御のための構成を簡素化することができ、その結果、この電動パワーステアリング装置の低コスト化および信頼性の向上を図ることができる。

また、マイクロコンピュータ８は、ｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号の瞬間値が所定の範囲外にある場合には、前々回に検出したロータ回転位置θと前回に検出したロータ回転位置θとからロータの回転速度を算出し、この算出したロータ回転速度に基づいて、前回に検出したロータ回転位置θから現在のロータ回転位置θを推定する。これにより、たとえｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号にノイズが混入した場合であっても、ロータ回転位置θを良好に検出することができる。

さらに、マイクロコンピュータ８は、モータドライバ９に向けて出力するＰＷＭ制御信号から、モータドライバ９に備えられているＦＥＴ（Field-Effect Transistor）などのスイッチング素子のスイッチングタイミングを把握できるので、このスイッチングタイミングを避けてｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号をサンプリングすることにより、スイッチングに起因するノイズがｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号に混入することを防止でき、ロータ回転位置θをより精度良く検出することができる。

また、ロータ回転位置θに基づいて電動モータＭからステアリング機構１に与えられている操舵補助力の方向を判断できるから、このロータ回転位置θに基づいて判断される操舵補助力の方向とトルクセンサ５によって検出される操舵トルクの方向との異同を判断することにより、ステアリング機構１の操舵方向を検出するための舵角センサなどを別途設けることなく、この電動パワーステアリング装置の制御システムに異常が生じているか否かを判断できる。これにより、装置コストを上昇させることなく、この電動パワーステアリング装置の制御システムの信頼性を高めることができる。

この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、他の形態で実施することも可能である。たとえば、上述の実施形態では、電動パワーステアリング装置用の電動モータＭを制御する場合を例にとったが、この発明は、レゾルバの出力信号に基づく制御を行うモータ制御装置に対して広く適用することができ、制御対象としての電動モータの用途は、電動パワーステアリング装置に限られない。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成を示すブロック図である。 従来のモータ制御装置の電気的構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ ステアリング機構
２ ステアリングホイール
５ トルクセンサ
６ レゾルバ
８ マイクロコンピュータ（モータ制御手段、サンプリング手段、回転位置推定手段、操舵補助方向判断手段、異常判断手段、記憶手段、異常時回転位置推定手段）
９ モータドライバ
６１ 回転体
６２ 励磁巻線
６３ ｓｉｎ出力巻線
６４ ｃｏｓ出力巻線
Ｍ 電動モータ

Claims (2)

1. ステアリングホイールの操作に応じて電動モータを制御し、この電動モータからの発生トルクをステアリング機構に与えて操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   上記電動モータに関連して設けられており、その電動モータのロータの回転位置に応じたアナログ信号を出力するレゾルバと、
   このレゾルバが出力するアナログ信号が入力されており、この入力信号に基づいて上記ロータの回転位置をプログラム処理によって求め、その求めたロータ回転位置に応じた上記電動モータの制御を行うモータ制御手段と、
   上記ステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出し、その検出した操舵トルクに応じた信号を上記モータ制御手段に入力するトルクセンサとを含み、
   上記レゾルバは、上記ロータと同軸に設けられた回転体と、この回転体の周囲に配置された励磁巻線、ｓｉｎ出力巻線およびｃｏｓ出力巻線とを有し、上記励磁巻線へのリファレンス信号の入力に応答して、上記ｓｉｎ出力巻線およびｃｏｓ出力巻線から、それぞれ上記回転体の回転位置に応じたｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を出力するものであり、
   上記モータ制御手段は、
   上記リファレンス信号を発生する手段と、
   上記ｓｉｎ出力巻線から出力されるｓｉｎ信号およびｃｏｓ出力巻線から出力されるｃｏｓ信号を所定のタイミングでサンプリングしてｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値を取得するサンプリング手段と、
   このサンプリング手段によって取得されたｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の瞬間値に基づいて、上記ロータの回転位置をプログラム処理によって推定する回転位置推定手段と、
   この回転位置推定手段によって推定される上記ロータの回転位置の変化に基づいて、上記電動モータから上記ステアリング機構に与えられているトルクの方向を判断する操舵補助方向判断手段と、
   この操舵補助方向判断手段によって判断されるトルクの方向と、上記トルクセンサによって検出される操舵トルクの方向との異同に基づいて、この電動パワーステアリング装置に異常が生じているか否かを判断する異常判断手段と
   を含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 上記モータ制御手段は、
   少なくとも過去２回の上記ロータの回転位置を記憶する記憶手段と、
   上記サンプリング手段によって取得されたｓｉｎ信号またはｃｏｓ信号の瞬間値の少なくとも一方が予め定めるデータ範囲外である場合に、上記少なくとも過去２回の上記ロータの回転位置に基づいて、現在の上記ロータの回転位置をプログラム処理によって推定する異常時回転位置推定手段とをさらに含み、
   上記操舵補助方向判断手段は、上記回転位置推定手段および／または上記異常時回転位置推定手段によって推定される上記ロータの回転位置の変化に基づいて、上記電動モータから上記ステアリング機構に与えられているトルクの方向を判断するものであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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