JP2005045916A - Steering device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車のステアリング系に対する電動機の駆動力によって運転者の操舵力の負担を軽減するステアリング装置に関する。 The present invention relates to a steering device that reduces a burden of a driver's steering force by a driving force of an electric motor with respect to a steering system of an automobile.
従来、ステアリング装置として、ステアリング系にトルクを付与する電動機と、運転者によるステアリング系への操舵入力を検出するとともに、その検出信号を出力する操舵入力検出手段と、電動機の回転状態を検出するとともに、検出した電動機回転信号を出力する回転検出手段と、操舵入力検出手段からの検出信号及び回転検出手段からの電動機回転信号に基づいて、前記電動機の回転動作を制御する制御手段とを備えたステアリング装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a steering device, an electric motor that applies torque to the steering system, a steering input detection means that outputs a detection signal while detecting a steering input by the driver to the steering system, and a rotation state of the electric motor are detected. A steering device comprising: a rotation detection means for outputting the detected motor rotation signal; and a control means for controlling the rotation operation of the electric motor based on the detection signal from the steering input detection means and the motor rotation signal from the rotation detection means. An apparatus is known (see, for example, Patent Document 1).
このようなステアリング装置では、ハンドルが回動することによって、ステアリング系に操舵入力が付与されると、操舵入力検出手段がその操舵入力の検出信号を出力するとともに、制御装置が、その検出信号に基づいて電動機の回転動作を制御する。そして、電動機は、運転者による操舵入力に応じた所定のトルクをステアリング系に付与する。したがって、このステアリング装置によれば、電動機がステアリング系に付与するトルクによって、運転者のハンドルに対する操舵力の負担が軽減される。 In such a steering device, when a steering input is given to the steering system by turning the steering wheel, the steering input detection means outputs a detection signal of the steering input, and the control device receives the detection signal. Based on this, the rotation operation of the electric motor is controlled. The electric motor applies a predetermined torque to the steering system according to the steering input by the driver. Therefore, according to this steering device, the burden of the steering force on the driver's steering wheel is reduced by the torque applied to the steering system by the electric motor.
また、このステアリング装置では、電動機がステアリング系にトルクを付与する際に、回転検出手段が、電動機の回転角や角速度といった回転状態を検出するとともに、検出した電動機回転信号を出力する。そして、この電動機回転信号に基づいて、制御装置は電動機の回転動作を制御する。このようなステアリング装置によれば、電動機の回転角や角速度といった回転状態に応じて電動機の回転動作が制御されるので、例えば、自動車の高速走行時のように、運転者がゆっくりとハンドルを回動させたとき、あるいは急な進路変更を余儀なくされて素早くハンドルを回動させたときを問わずに、運転者の操舵フィーリングが良好に保たれる。
ところで、このようなステアリング装置では、回転検出手段が、電動機と一体に、あるいは電動機の近傍に配置されているため、回転検出手段が出力する電動機回転信号には、電動機のステータコイルの極数に応じて周期的に発生するノイズが入り込む。つまり、具体的に説明すると、例えば、9極からなるステータコイルを有する電動機と、3極の回転子を有するレゾルバ(回転検出手段)とを備えたステアリング装置では、図9に示すように、sin波出力電圧及びcos波出力電圧で構成される3次の電動機回転信号に、電動機のノイズが、40°×n(nは、1〜9の整数)の位置に入り込む。そして、電動機が1回転する間にノイズが発生する最初の位置である回転角(40°)と、sin波出力電圧の最初の1周期が完了する位置である回転角(120°)との公倍数で示される回転角(120°、240°及び360°(0°))、つまり、sin波出力電圧がゼロとなる位置には、常に、電動機のノイズが入り込む。このような位置に入り込んだノイズは、S/N比を考慮すると、電動機回転信号に対する影響が最も大きい。したがって、ステアリング装置では、このような特定の位置で強調されるノイズによって、電動機の出力(トルク)が変動するため、運転者の操舵フィーリングが損なわれる。 By the way, in such a steering device, since the rotation detecting means is disposed integrally with or near the electric motor, the motor rotation signal output from the rotation detecting means includes the number of poles of the stator coil of the electric motor. In response, periodically generated noise enters. More specifically, for example, in a steering device including an electric motor having a stator coil having nine poles and a resolver (rotation detecting means) having a three-pole rotor, as shown in FIG. The motor noise enters the position of 40 ° × n (n is an integer of 1 to 9) in the tertiary motor rotation signal composed of the wave output voltage and the cosine wave output voltage. Then, the common multiple of the rotation angle (40 °), which is the first position where noise is generated during one rotation of the electric motor, and the rotation angle (120 °), which is the position where the first cycle of the sin wave output voltage is completed. The noise of the electric motor always enters the rotation angle indicated by (120 °, 240 ° and 360 ° (0 °)), that is, the position where the sin wave output voltage is zero. The noise entering such a position has the greatest influence on the motor rotation signal in consideration of the S / N ratio. Therefore, in the steering device, the output (torque) of the electric motor fluctuates due to the noise emphasized at such a specific position, so that the driver's steering feeling is impaired.
また、このような電動機のノイズの入り込みを防止するために、電動機回転信号を送信する配線をシールドで被覆したり、電動機と回転検出手段との間にシールド板を配設することも考えられるが、このようなステアリング装置では、その構造が複雑化したり、大型化するという新たな問題が生じる。また、ステアリング装置を構成する部品点数が増加するため、ステアリング装置の製造コストが高くなるという問題をも生じる。 In order to prevent such noise from entering the motor, it is conceivable to cover the wiring for transmitting the motor rotation signal with a shield, or to arrange a shield plate between the motor and the rotation detecting means. Such a steering device has a new problem that its structure is complicated or large. Further, since the number of parts constituting the steering device increases, there arises a problem that the manufacturing cost of the steering device increases.
そこで、本発明は、電動機による出力の変動が少なく、良好な操舵フィーリングを保つことができ、しかも小型で安価なステアリング装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a small and inexpensive steering apparatus that can maintain a good steering feeling with little fluctuation in output by an electric motor.
前記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、ステアリング系にトルクを付与する電動機と、運転者による前記ステアリング系への操舵入力を検出するとともに、その検出信号を出力する操舵入力検出手段と、前記電動機の回転状態を検出するとともに、検出した電動機回転信号を出力する回転検出手段と、前記操舵入力検出手段からの前記検出信号及び前記回転検出手段からの前記電動機回転信号に基づいて、前記電動機の回転動作を制御する制御手段とを備えたステアリング装置において、前記電動機が、複数の磁石と、3相を1組とした複数のステータコイルとを備え、前記回転検出手段が、複数の極数を有し、かつ前記電動機と同期して回転する回転子と、この回転子の回転角に応じて交流の出力電圧を誘起するコイルとを備えており、前記回転子の前記極数が前記ステータコイルの組数よりも1多い数であることを特徴とする。
The invention described in
このステアリング装置では、電動機が回転する際に、その1回転分の回転角、つまり360°をステータコイルの極数で除した回転角の整数倍の位置に、電動機のノイズが入り込む。その一方で、回転検出手段から出力される電動機回転信号、つまり回転検出手段のコイルに誘起される出力電圧の次数は、回転子の極数に等しい。そして、回転検出手段のコイルで出力電圧が誘起される際に、その出力電圧がゼロになる回転子の回転角と、電動機のノイズが入り込む回転角とが一致する。当該回転角は、電動機が1回転する間にノイズが発生する最初の位置である回転角と、出力電圧(電動機回転信号)の最初の1周期が完了する位置である回転角との公倍数で示される回転角である。つまり、このステアリング装置によれば、回転子の極数が、ステータコイルの組数よりも1多い数に設定されているので、出力電圧(電動機回転信号)がゼロになる回転子の回転角と、電動機のノイズが入り込む回転角とが一致する箇所が少なくなる。したがって、このステアリング装置では、電動機回転信号に対するノイズによる外乱が低減される。また、電動機回転信号に対するノイズによる外乱が低減されるので、電動機のノイズの入り込みを防止するために、電動機回転信号を送信する配線をシールドで被覆したり、電動機と回転検出手段との間にシールド板を配設する必要がないか、あるいは、このようなシールド等を簡単なものにすることができる。 In this steering device, when the electric motor rotates, the noise of the electric motor enters the rotation angle for one rotation, that is, a position that is an integral multiple of the rotation angle obtained by dividing 360 ° by the number of poles of the stator coil. On the other hand, the motor rotation signal output from the rotation detection means, that is, the order of the output voltage induced in the coil of the rotation detection means is equal to the number of poles of the rotor. When the output voltage is induced by the coil of the rotation detecting means, the rotation angle of the rotor at which the output voltage becomes zero matches the rotation angle at which the noise of the electric motor enters. The rotation angle is indicated by a common multiple of the rotation angle that is the first position where noise is generated during one rotation of the motor and the rotation angle that is the position where the first cycle of the output voltage (motor rotation signal) is completed. Rotation angle. That is, according to this steering device, since the number of poles of the rotor is set to one more than the number of sets of stator coils, the rotation angle of the rotor at which the output voltage (motor rotation signal) becomes zero The number of locations where the rotation angle at which the noise of the electric motor enters coincides is reduced. Therefore, in this steering device, disturbance due to noise with respect to the motor rotation signal is reduced. In addition, since the disturbance due to noise to the motor rotation signal is reduced, the wiring for transmitting the motor rotation signal is covered with a shield or the shield between the motor and the rotation detection means in order to prevent noise from entering the motor. There is no need to provide a plate, or such a shield can be simplified.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のステアリング装置において、前記ステータコイルは、放射状に配置された複数のティース部と、これらティース部に巻回された巻線とで構成されており、当該巻線は、U相、V相及びW相の順番に配置されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the steering apparatus according to the first aspect, the stator coil includes a plurality of teeth portions arranged radially and windings wound around the teeth portions. The windings are arranged in the order of U phase, V phase and W phase.
請求項1に記載の発明によれば、電動機回転信号に対するノイズによる外乱が低減されるので、電動機の出力の変動がなく、良好な操舵フィーリングを保つことができる。また、この発明によれば、前記シールド等を簡単なものにすることができるので、製造コストを安価にすることができるとともに、ステアリング装置の小型化を図ることができる。 According to the first aspect of the present invention, since disturbance due to noise with respect to the motor rotation signal is reduced, there is no fluctuation in the output of the motor, and good steering feeling can be maintained. In addition, according to the present invention, since the shield and the like can be simplified, the manufacturing cost can be reduced and the steering device can be downsized.
請求項2に記載の発明によれば、電動機を3相の交流電動機で構成することができる。したがって、この発明によれば、消費電力を低減することができるとともに、電動効率を高めることができるので、小型の電動機を使用することができ、延いてはステアリング装置の小型化を図ることができる。 According to invention of Claim 2, an electric motor can be comprised with a three-phase alternating current motor. Therefore, according to the present invention, the power consumption can be reduced and the electric efficiency can be increased, so that a small electric motor can be used, and the steering device can be miniaturized. .
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係るステアリング装置の詳細について説明する。参照する図面において、図1は、本発明の実施の形態に係るステアリング装置を示す概略図、図2は、図1のA−A線における断面図、図3は図2のB−B線における断面図、図4は、図1のステアリング装置を構成するブラシレスモータの断面図、図5(a)は、図1のステアリング装置を構成するレゾルバの概念図、図5(b)は、図5(a)に示すレゾルバの励磁側コイルに印加される励磁電圧並びに出力側コイルに誘起されるsin波出力電圧及びcos波出力電圧を示す波形図、図6は、図1のステアリング装置を構成する電動機駆動制御手段のブロック図である。 Hereinafter, details of a steering apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a schematic diagram showing a steering apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 4 is a sectional view of a brushless motor constituting the steering device of FIG. 1, FIG. 5A is a conceptual diagram of a resolver constituting the steering device of FIG. 1, and FIG. FIG. 6A is a waveform diagram showing the excitation voltage applied to the excitation side coil of the resolver and the sin wave output voltage and the cos wave output voltage induced in the output side coil shown in FIG. It is a block diagram of an electric motor drive control means.
図1に示すように、ステアリング装置Mは、ハンドル1から操舵輪SW,SWに至るステアリング系Sに配設されて、運転者がステアリング系Sに付与する操舵力の負担を軽減するものである。ここでは、ステアリング装置Mを説明するに先立って、まず、ステアリング系Sについて説明する。
As shown in FIG. 1, the steering device M is disposed in a steering system S from the
ステアリング系Sは、図1に示すように、ハンドル1と、このハンドル1と一体になるように配設されたステアリング軸2aと、このステアリング軸2aに自在継ぎ手2c,2dを介して連結されたピニオン軸5aと、このピニオン軸5aとラック&ピニオン機構5を構成して連結されたラック軸5cと、このラック軸5cの両端にボールジョイントBJ,BJを介して連結されるとともに、左右の操舵輪SW,SWにそれぞれ連結されたタイロッドTR,TRとを備えている。
As shown in FIG. 1, the steering system S is connected to a
このステアリング系Sでは、運転者がハンドル1を回動させることによって、操舵力が付与(操舵入力)されると、図2を併せて参照すると明らかなように、ギヤボックス6内で軸受けB1,B2によって回転自在に支持されたピニオン軸5aがその軸周りに回転するようになっている。そして、ピニオン軸5aの回転運動は、ラック&ピニオン機構5、つまり、ピニオン軸5aの先端に取り付けられたピニオンギア5bと、これと噛み合うようにラック軸5cの周面に形成されたラックギア5dとによって、ラック軸5cの延びる方向への往復運動に変換されるようになっている。このようなラック軸5cの往復運動によって、図1に示すボールジョイントBJ,BJ及びタイロッドTR,TRを介して、操舵輪SW,SWが操舵されるようになっている。
In this steering system S, when the driver turns the
次に、本発明に係るステアリング装置Mについて説明する。図1に示すように、ステアリング装置Mは、運転者がステアリング系Sに付与した操舵入力を検出する操舵入力検出手段TSと、ステアリング系Sに補助トルク(補助操舵力)を付与する電動機としてのブラシレスモータ3と、ブラシレスモータ3の回転状態を検出するレゾルバ7と、このステアリング装置Mが搭載される車両(図示せず)の車速を検出する車速センサVSと、操舵入力検出手段TS、レゾルバ7及び車速センサVSから出力される信号に基づいて、ブラシレスモータ3の回転動作を制御する電動機駆動制御手段8とを備えている。なお、ブラシレスモータ3は、特許請求の範囲にいう「電動機」に相当し、レゾルバ7は、後記するレゾルバデジタル変換手段(以下、RD変換手段21(図6参照)という)とともに、特許請求の範囲にいう「回転検出手段」を構成するものである。
Next, the steering device M according to the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the steering device M is a steering input detection unit TS that detects a steering input applied by the driver to the steering system S, and an electric motor that applies an auxiliary torque (auxiliary steering force) to the steering system S. The brushless motor 3, the
本実施の形態では、操舵入力検出手段TSとして、図2に示すように、操舵トルクセンサTS1が使用されている。この操舵トルクセンサTS1は、ピニオン軸5a周りに配置されており、運転者がステアリング系Sに付与した操舵入力に応じてピニオン軸5aがその軸周りに回転する際に、ピニオン軸5aが受けるトルクを検出するものである。そして、その検出信号は、後記する電動機駆動制御手段8に向けて出力されるようになっている。このような操舵トルクセンサTS1としては、例えば、磁歪式トルクセンサが挙げられる。 In the present embodiment, a steering torque sensor TS1 is used as the steering input detection means TS as shown in FIG. The steering torque sensor TS1 is disposed around the pinion shaft 5a, and torque received by the pinion shaft 5a when the pinion shaft 5a rotates around the shaft in response to a steering input applied to the steering system S by the driver. Is detected. And the detection signal is output toward the electric motor drive control means 8 mentioned later. Examples of such a steering torque sensor TS1 include a magnetostrictive torque sensor.
ブラシレスモータ3は、運転者が手動でステアリング系Sに付与する操舵トルクをアシストする補助トルクを発生させるものであり、この補助トルクは、図3に示すように、トルクリミッタTL及び減速機構4を介して、ピニオン軸5aに伝達されるようになっている。ここでは、トルクリミッタTL、減速機構4及びブラシレスモータ3の順番で説明する。 The brushless motor 3 generates auxiliary torque that assists the steering torque manually applied to the steering system S by the driver, and this auxiliary torque causes the torque limiter TL and the speed reduction mechanism 4 to move as shown in FIG. Via the pinion shaft 5a. Here, the torque limiter TL, the speed reduction mechanism 4 and the brushless motor 3 will be described in this order.
トルクリミッタTLは、ブラシレスモータ3の回転を出力する出力軸31の一端側にセレーションによって固定されたインナ部材TL2と、インナ部材TL2の外周面と接触することによってこのインナ部材TL2と協働して円錐クラッチを構成するとともに、次に説明する減速機構4を構成するウォーム軸の一端にセレーションによって固定されたアウタ部材TL1と、インナ部材TL2をアウタ部材TL1に向けて付勢する皿ばねTL3とを備えている。このトルクリミッタTLは、ブラシレスモータ3の出力軸31の回転が、減速機構4のウォーム軸43に伝達される際に、インナ部材TL2とアウタ部材TL1とで構成される円錐クラッチによって、トルクリミッタTLに所定値以上の大きなトルクが作用すると、インナ部材TL2とアウタ部材TL1とが相互にスリップするようになっている。そして、このようにスリップさせることによって、このトルクリミッタTLは、ブラシレスモータ3からの補助トルクを制限し、オーバトルクをカットすることができるようになっている。 The torque limiter TL cooperates with the inner member TL2 by contacting the inner member TL2 fixed by serration to one end side of the output shaft 31 that outputs the rotation of the brushless motor 3 and the outer peripheral surface of the inner member TL2. An outer member TL1 that constitutes a conical clutch and is fixed by serration to one end of a worm shaft that constitutes a speed reduction mechanism 4 to be described below, and a disc spring TL3 that urges the inner member TL2 toward the outer member TL1. I have. When the rotation of the output shaft 31 of the brushless motor 3 is transmitted to the worm shaft 43 of the speed reduction mechanism 4, the torque limiter TL is torque-limiter TL by a conical clutch composed of an inner member TL2 and an outer member TL1. When a large torque exceeding a predetermined value is applied to the inner member TL2, the inner member TL2 and the outer member TL1 slip each other. And by making it slip in this way, this torque limiter TL can restrict | limit the auxiliary | assistant torque from the brushless motor 3, and can cut an overtorque.
減速機構4は、ブラシレスモータ3が発生した補助トルクを倍力してピニオン軸5aに伝達するものであって、一端に前記アウタ部材TL1が取り付けられるウォーム軸43と、このウォーム軸43の中程に取り付けられた金属製のウォーム41と、このウォーム41に噛み合うとともに、ピニオン軸5aに直交する面内に配置されるようにこのピニオン軸5a周りに取り付けられた樹脂製のウォームホイール42とで構成されている。 The speed reduction mechanism 4 boosts and transmits the auxiliary torque generated by the brushless motor 3 to the pinion shaft 5a, and has a worm shaft 43 to which the outer member TL1 is attached at one end, and the middle of the worm shaft 43. And a resin worm wheel 42 that is engaged with the worm 41 and is mounted around the pinion shaft 5a so as to be disposed in a plane orthogonal to the pinion shaft 5a. Has been.
ブラシレスモータ3は、出力軸31と、この出力軸31を回転させる本体部32とを備えており、これらはモータハウジング62内に配置されている。本体部32は、出力軸31に固定されたロータ32aと、モータハウジング62の内周面に沿うように固定されたステータコイル32bとで構成されている。
The brushless motor 3 includes an output shaft 31 and a main body 32 that rotates the output shaft 31, and these are disposed in a motor housing 62. The main body 32 includes a
ロータ32aは、図4に示すように、周方向に8つ(8極)の永久磁石を備えた回転体であり、その周方向に沿ってN極とS極とが交互に並ぶように配列されている。
As shown in FIG. 4, the
ステータコイル32bは、ロータ32aの周囲を取り囲むように配置される筒状部材32cの外周面から放射状に延びる9個のティース部材32dと、それぞれのティース部材32dに巻回された巻線32eとで構成される電磁石である。これらステータコイル32bは、U相、V相及びW相からなる3相を1組とした3組で構成されており、U相、V相及びW相は、この順番でロータ32a周りに並ぶように巻線32eが巻回されている。
The
レゾルバ7は、再び図3を参照すると明らかなように、ブラシレスモータ3の出力軸31に取り付けられたロータ32aの回転角、回転方向及び角速度を検出するセンサであって、出力軸31の他端側、つまり、前記トルクリミッタTLの反対側に配置されている。このレゾルバ7は、ブラシレスモータ3の出力軸31の他端側に固定された回転子71と、この回転子71の周囲を取り囲むように配置されるとともに、モータハウジング62に取付板73を介して固定されたコイル72とで構成されている。
As is apparent from FIG. 3 again, the
レゾルバ7は、図5(a)を併せて参照すると明らかなように、回転子71が、ブラシレスモータ3の出力軸31から等間隔で放射状に突出した4つの凸部で構成される突極PPを有している。つまり、回転子71の極数は、前記したステータコイル32bの組数よりも1多い数に設定されている。
The
コイル72は、励磁側コイル72aと、第1出力側コイル72bと、第2出力側コイル72cとで構成されている。このようなレゾルバ7は、ブラシレスモータ3が1回転するごとに、励磁側コイル72aに、図5(b)に示すような、電圧振幅がsin波で構成される励磁電圧が印加されると、第1及び第2出力側コイル72b,72cのそれぞれで、回転子71の回転角θに対応して、図5(b)に示すような電圧振幅のエンベロープであるcos波出力電圧及びsin波出力電圧が誘起されるようになっている。このcos波出力電圧及びsin波出力電圧は、後記するRD変換手段21(図6参照)によって検出されるようになっている。なお、第1及び第2出力側コイル72b,72cは、特許請求の範囲にいう「コイル」に相当する。
The coil 72 includes an excitation side coil 72a, a first output side coil 72b, and a second output side coil 72c. In such a
車速センサVSは、車速を単位時間当たりのパルス数として検出し、検出したパルス数に対応したアナログ電気信号を車速信号として、次に説明する電動機駆動制御手段8に向けて出力するようになっている。この、車速センサVSは、ステアリング装置Mの専用センサであってもよいし、他のシステムの車速センサであってもよい。 The vehicle speed sensor VS detects the vehicle speed as the number of pulses per unit time, and outputs an analog electric signal corresponding to the detected number of pulses as a vehicle speed signal to an electric motor drive control means 8 described below. Yes. The vehicle speed sensor VS may be a dedicated sensor for the steering device M or a vehicle speed sensor for another system.
電動機駆動制御手段8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、ブラシレスモータ3の制御を行うものである。つまり、運転者によってステアリング系Sに付与された操舵トルクを操舵トルクセンサTS1により検出し、この検出した操舵トルクに応じた補助トルク(補助操舵力)が得られるように、ブラシレスモータ3をベクトル制御するものである(図1参照)。 The electric motor drive control means 8 controls the brushless motor 3 by vector control described in a two-phase rotating magnetic flux coordinate system (dq coordinate system). That is, the steering torque applied to the steering system S by the driver is detected by the steering torque sensor TS1, and the brushless motor 3 is vector-controlled so that auxiliary torque (auxiliary steering force) corresponding to the detected steering torque is obtained. (See FIG. 1).
電動機駆動制御手段8は、図6に示すように、目標電流検出手段20と、RD変換手段21と、電動機電流検出手段22a,22bと、加算器24a,24b,27a,27bと、3相−dq変換手段23と、PI制御手段25a,25bと、非干渉化制御手段26と、dq−3相変換手段28と、電動機駆動手段29とで構成されている。
As shown in FIG. 6, the motor drive control means 8 includes a target current detection means 20, an RD conversion means 21, motor current detection means 22a and 22b,
目標電流検出手段20は、操舵トルクセンサTS1が出力する操舵トルク(操舵入力)の検出信号や、後記するRD変換手段21が出力するブラシレスモータ3の回転状態を示す電動機回転信号(出力軸31の角速度ω)、車速センサVSが出力する車速信号を受信するとともに、これら信号に基づいてこの目標電流検出手段20に予め設定された所定の関数から、ブラシレスモータ3のq軸目標電流及びd軸目標電流を演算するように構成されている。
The target current detecting
RD変換手段21は、レゾルバ7から出力されるcos波出力電圧及びsin波出力電圧に基づいて、ブラシレスモータ3の回転角θや、角速度ωといったブラシレスモータ3の回転状態に係るパラメータを演算する公知の回路素子で構成されている。なお、演算されたブラシレスモータ3の回転角θや角速度ωの検出信号は、特許請求の範囲にいう「電動機回転信号」に相当する。
The
電動機電流検出手段22a,22bは、ブラシレスモータ3のステータコイル32bにおける各相の電流の大きさ及び方向を検出するものである。なお、本実施の形態では、電動機電流検出手段22a,22bがステータコイル32bのU相の電流Iuと、W層の電流Iwとを検出するようになっている。これら電動機電流検出手段22a,22bは、例えば、ブラシレスモータ3の各相の巻線に設けられたカレントトランスフォーマで構成することができる。
The motor current detection means 22 a and 22 b are for detecting the magnitude and direction of each phase current in the
3相−dq変換手段23は、電動機電流検出手段22a,22bで検出されたブラシレスモータ3の相電流や、RD変換手段21で演算されたブラシレスモータ3の回転角θに基づいてdq変換を行い、そのときのブラシレスモータ3のd軸電流Idとq軸電流Iqとを演算するように構成されている。 The three-phase-dq conversion means 23 performs dq conversion based on the phase current of the brushless motor 3 detected by the motor current detection means 22a and 22b and the rotation angle θ of the brushless motor 3 calculated by the RD conversion means 21. The d-axis current Id and the q-axis current Iq of the brushless motor 3 at that time are calculated.
加算器24a,24bは、3相−dq変換手段23が出力したd軸電流Id及びq軸電流Iqを減衰手段30a,30bを介して受信するとともに、目標電流検出手段20が出力したq軸目標電流及びd軸目標電流と、受信したd軸電流Id及びq軸電流Iqとの偏差をそれぞれ演算するように構成されている。そして、この加算器24a,24bは、演算した電流偏差を、次に説明するPI制御手段25a,25bに出力するようになっている。なお、減衰手段30は、このようなd軸電流Id及びq軸電流Iqのフィードバックループに混入する外部からの高周波ノイズを除去するものである。
The
PI制御手段25a,25bは、加算器24a,24bから出力された電流偏差に対して、P(Proportional)制御処理及びI(Integral)制御処理を行うことによって、d軸及びq軸に対してのそれぞれの指令電圧V´d、V´qを出力するように構成されている。
The PI control means 25a and 25b perform P (Proportional) control processing and I (Integral) control processing on the current deviation output from the
非干渉化制御手段26は、これと繋がる加算器27a,27bと協働して、複数の制御入力と、複数の制御量との間に相互干渉がある場合に、1つの制御入力の影響が、1つの制御量だけに及ぶように相互干渉を絶つ働きをするものである。本実施の形態における非干渉化制御手段26は、RD変換手段21から出力される角速度ωの信号と、3相−dq変換手段23から出力されるd軸電流Id及びq軸電流Iqとのフィードバックループを小さくする(フィードバックループの応答を早くする)ように構成されている。
The non-interference control means 26 cooperates with the
dq−3相変換手段28は、PI制御手段25a,25bから加算器27a,27bを介して出力される指令電圧Vd、Vqに対してdq逆変換を行うことによって、ブラシレスモータ3のU相、V相及びW相に対するそれぞれの指令電圧V´u、V´v、V´wに変換するものである。なお、この指令電圧V´u、V´v、V´wは、図示しないPWM(Pulse Width Modulation)変換ブロックでPWMデュ−ティ信号に変換される。
The dq-3 phase conversion means 28 performs dq reverse conversion on the command voltages Vd, Vq output from the PI control means 25a, 25b via the
電動機駆動手段29は、この電動機駆動手段29内に設けられたプリドライブ回路及びFETブリッジ(ともに図示せず)を介することによって、前記PWMデューティ信号に応じてブラシレスモータ3の各巻線に正弦波電流を供給するように構成されている。 The motor driving means 29 is connected to each winding of the brushless motor 3 in accordance with the PWM duty signal by passing through a pre-drive circuit and an FET bridge (both not shown) provided in the motor driving means 29. Is configured to supply.
次に、本実施の形態のステアリング装置Mの動作について、適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図7は、図1のステアリング装置を構成するレゾルバから出力される信号の波形図である。
まず、図1に示すように、このステアリング装置Mが搭載される図示しない車両のイグニッションスイッチIgがONになると、車両に搭載されたバッテリ9または発電機Gからステアリング装置Mに向けて電力が供給されて、ステアリング装置Mは起動する。その一方で、運転者がハンドル1を回動させることによって、ステアリング系に操舵トルクが付与されると、この操舵トルクは、ステアリング軸2a、自在継ぎ手2c,2d及びピニオン軸5aに伝えられる。そして、ピニオン軸5aに伝えられた回転運動は、ラック&ピニオン機構5によって、ラック軸5cの延びる方向への往復運動に変換される。このラック軸5cの往復運動によって、操舵輪SW,SWは操舵される。
Next, the operation of the steering device M of the present embodiment will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 7 is a waveform diagram of a signal output from the resolver constituting the steering device of FIG.
First, as shown in FIG. 1, when an ignition switch Ig (not shown) on which the steering device M is mounted is turned on, power is supplied from the
このようにして操舵輪SW,SWが操舵される際に、図6に示すように、操舵トルクセンサTS1が、操舵トルク(操舵入力)の検出信号を目標電流検出手段20に向けて出力するとともに、車速センサVSが車速信号を目標電流検出手段20に向けて出力する。その一方で、レゾルバ7とRD変換手段21とで構成される回転検出手段は、ブラシレスモータ3の出力軸31(図3参照)の回転角θや角速度ωといったブラシレスモータ3の回転状態を示す電動機回転信号を出力する。そして、このRD変換手段21は、目標電流検出手段20に向けて角速度ωの検出信号を出力する。次いで、目標電流検出手段20は、受信したこれらの信号に基づいて、ブラシレスモータ3のq軸目標電流及びd軸目標電流を演算する。
When the steered wheels SW and SW are steered in this way, as shown in FIG. 6, the steering torque sensor TS1 outputs a detection signal of steering torque (steering input) toward the target current detecting
その一方で、3相−dq変換手段23は、電動機電流検出手段22a,22bが検出したブラシレスモータ3の相電流Iu,Iwや、RD変換手段21が演算したブラシレスモータ3の出力軸31の回転角θに基づいてdq変換を行い、そのときのブラシレスモータ3のd軸電流Idとq軸電流Iqとを演算する。 On the other hand, the three-phase-dq conversion means 23 rotates the output shaft 31 of the brushless motor 3 calculated by the RD conversion means 21 or the phase currents Iu, Iw of the brushless motor 3 detected by the motor current detection means 22a, 22b. Dq conversion is performed based on the angle θ, and the d-axis current Id and the q-axis current Iq of the brushless motor 3 at that time are calculated.
そして、これらd軸電流Id及びq軸電流Iqを受信した加算器24a,24bは、目標電流検出手段20が出力したq軸目標電流及びd軸目標電流と、受信したd軸電流Id及びq軸電流Iqとの偏差をそれぞれ演算するとともに、この演算した電流偏差をPI制御手段25a,25bに出力する。
The
このような電流偏差を受信したPI制御手段25a,25bは、PI制御処理を行うことによって、d軸及びq軸に対してのそれぞれの指令電圧V´d、V´qを出力する。これら指令電圧V´d、V´qは、dq−3相変換手段28及びPWM変換ブロック(図示せず)を経ることによってPWMデュ−ティ信号に変換される。そして、電動機駆動手段29内に設けられたプリドライブ回路及びFETブリッジ(ともに図示せず)は、PWMデューティ信号に応じてブラシレスモータ3の各巻線に正弦波電流を通電する。その結果、ブラシレスモータ3は、ブラシレスモータ3の回転状態に応じてベクトル制御されて、前記した補助トルクを発生する。そして、この補助トルクは、図3に示すように、出力軸31、トルクリミッタTL及び減速機構4を介してピニオン軸5aに伝えられる。このピニオン軸5aに伝えられた補助トルクによって、運転者のハンドル1に対する操舵力の負担が軽減される。
The
このステアリング装置Mでは、ブラシレスモータ3の回転状態に応じて補助トルクを発生するので、例えば、自動車の高速走行時のように、運転者がゆっくりとハンドルを回動させたとき、あるいは急な進路変更を余儀なくされて素早くハンドルを回動させたときを問わずに、運転者の操舵フィーリングが良好に保たれる。 In this steering device M, auxiliary torque is generated according to the rotational state of the brushless motor 3, so that, for example, when the driver slowly turns the steering wheel, for example, during high-speed driving of an automobile, or a steep course Regardless of when the steering wheel is quickly turned after being forced to change, the steering feeling of the driver is maintained well.
その一方で、このステアリング装置Mでは、図4に示すように、ブラシレスモータ3のステータコイル32bが、9極であって、3組のU相、V相及びW相を備えており、そして、図5に示すように、レゾルバ7の回転子71が4つの突極PPを備えている。つまり、レゾルバ7の回転子71の極数は、ステータコイル32bの組数よりも1多い数に設定されている。したがって、このステアリング装置Mでは、図7に示すように、ブラシレスモータ3が1回転する間に、sin波出力電圧及びcos波出力電圧で構成される4次の電動機回転信号に、ブラシレスモータ3のノイズが、40°×n(nは、1〜9の整数)の位置に入り込む。
On the other hand, in this steering device M, as shown in FIG. 4, the
このとき、sin波出力電圧がゼロになる位置と、ノイズが入り込む位置とが一致するのは、ブラシレスモータ3が1回転する間にノイズが発生する最初の位置である回転角(40°)と、sin波出力電圧の最初の1周期が完了する位置である回転角(90°)との公倍数で示される当該回転角である。つまり、ブラシレスモータ3が1回転する間におけるこの公倍数で示される回転角は、360°(0°)のみとなる。したがって、このステアリング装置Mでは、電動機回転信号に対するノイズによる外乱が低減される。その結果、このステアリング装置Mによれば、入り込んだノイズによるブラシレスモータ3の出力(トルク)の変動が低減されるので、良好な操舵フィーリングが保たれる。 At this time, the position where the sin wave output voltage becomes zero and the position where the noise enters coincide with the rotation angle (40 °) which is the first position where the noise is generated while the brushless motor 3 rotates once. , The rotation angle indicated by a common multiple with the rotation angle (90 °) that is the position where the first cycle of the sin wave output voltage is completed. That is, the rotation angle indicated by this common multiple during one rotation of the brushless motor 3 is only 360 ° (0 °). Therefore, in this steering device M, disturbance due to noise with respect to the motor rotation signal is reduced. As a result, according to the steering device M, fluctuations in the output (torque) of the brushless motor 3 due to the noise that has entered can be reduced, so that a good steering feeling can be maintained.
以上、本発明は、前記実施の形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施の形態では、ブラシレスモータ3の巻線32eの極数が9つであるとともに、レゾルバ7の回転子71の極数が4つであるステアリング装置Mを例示したが、本発明は、これらの極数に限定されるものではない。つまり、本発明のステアリング装置では、レゾルバ7の回転子71の極数が、ステータコイル32bの組数よりも1多い数に設定されていればよく、例えば、後記表1に示すように、ブラシレスモータ3の巻線32eの極数とブラシレスモータ3の相数(ここでは3相)とで決定される巻線32eの組数を適宜に変更するとともに、この組数に応じてレゾルバ7の回転子71の極数を変更したものであってもよい。なお、表1には、ブラシレスモータ3が1回転する間に、ノイズが発生する回転角と、sin波出力電圧がゼロになる回転角とが一致する回転角、つまり、入り込んだノイズが電動機回転信号に影響する回転角を、「ノイズが影響する回転角」として記載した。また、表1には、従来のステアリング装置に使用するレゾルバについても同様に記載した。
As mentioned above, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.
In the present embodiment, the steering device M in which the number of poles of the winding 32e of the brushless motor 3 is nine and the number of poles of the
このようなステアリング装置では、表1から明らかなように、従来のステアリング装置と比較して、電動機回転信号に入り込んだノイズによる影響が低減されるので、ブラシレスモータの出力(トルク)の変動が少なく、良好な操舵フィーリングが保たれる。 As can be seen from Table 1, in such a steering device, the influence of noise entering the motor rotation signal is reduced as compared with the conventional steering device, so that the fluctuation (output) of the brushless motor is less. Good steering feeling is maintained.
また、本実施の形態では、レゾルバ7の回転子71として、ブラシレスモータ3の出力軸31から等間隔で放射状に突出した4つの突極PPを有するものを使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図8(a)及び図8(b)に示すように、突極PPの数に応じて、これら突極PPがブラシレスモータ3の出力軸31から等間隔で放射状に突出するような回転子71を使用するものであってもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、電動機駆動制御手段8によってブラシレスモータ3をベクトル制御するように構成したが、本発明はこれに限定するものでなく、例えば、ブラシレスモータ3の相間に矩形波電流を通電するように構成したものや、矩形波が合成された擬似的な正弦波電流を相間に通電するように構成したものであってもよい。 In the present embodiment, the brushless motor 3 is vector-controlled by the electric motor drive control means 8, but the present invention is not limited to this. For example, a rectangular wave current is generated between the phases of the brushless motor 3. It may be configured to energize, or may be configured to energize a pseudo sine wave current in which rectangular waves are combined between phases.
3 ブラシレスモータ(電動機)
7 レゾルバ(回転検出手段)
8 電動機駆動制御手段(制御手段)
21 RD変換手段(回転検出手段)
32b ステータコイル
71 回転子
72b 第1出力側コイル(コイル)
72c 第2出力側コイル(コイル)
M ステアリング装置
PP 突極
S ステアリング系
TS 操舵入力検出手段
TS1 操舵トルクセンサ
3 Brushless motor (electric motor)
7 Resolver (Rotation detection means)
8 Motor drive control means (control means)
21 RD conversion means (rotation detection means)
72c Second output side coil (coil)
M Steering device PP Salient pole S Steering system TS Steering input detection means TS1 Steering torque sensor
Claims (2)
運転者による前記ステアリング系への操舵入力を検出するとともに、その検出信号を出力する操舵入力検出手段と、
前記電動機の回転状態を検出するとともに、検出した電動機回転信号を出力する回転検出手段と、
前記操舵入力検出手段からの前記検出信号及び前記回転検出手段からの前記電動機回転信号に基づいて、前記電動機の回転動作を制御する制御手段とを備えたステアリング装置において、
前記電動機が、複数の磁石と、3相を1組とした複数のステータコイルとを備え、
前記回転検出手段が、複数の極数を有し、かつ前記電動機と同期して回転する回転子と、この回転子の回転角に応じて交流の出力電圧を誘起するコイルとを備えており、
前記回転子の前記極数が前記ステータコイルの組数よりも1多い数であることを特徴とするステアリング装置。 An electric motor for applying torque to the steering system;
Steering input detection means for detecting a steering input to the steering system by the driver and outputting a detection signal thereof;
Rotation detecting means for detecting the rotation state of the electric motor and outputting the detected electric motor rotation signal;
A steering apparatus comprising: a control unit that controls a rotation operation of the electric motor based on the detection signal from the steering input detection unit and the electric motor rotation signal from the rotation detection unit;
The electric motor includes a plurality of magnets and a plurality of stator coils each including three phases.
The rotation detection means includes a rotor having a plurality of poles and rotating in synchronization with the electric motor, and a coil for inducing an AC output voltage according to the rotation angle of the rotor,
The steering device according to claim 1, wherein the number of poles of the rotor is one more than the number of sets of the stator coils.
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