JP2005247093A - Electric power steering device for vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、操舵ハンドルの操作をモータによりアシストする車両の電動パワーステアリング装置に関するものである。 The present invention relates to an electric power steering device for a vehicle that assists the operation of a steering wheel with a motor.
操舵トルクを検出して、同検出した操舵トルクおよび車両の速度に応じてモータの回転を制御することにより、操舵ハンドルの回動操作に対してアシスト力を付与するようにした車両の電動パワーステアリング装置はよく知られている。 Electric power steering for a vehicle that detects steering torque and controls the rotation of the motor in accordance with the detected steering torque and vehicle speed, thereby applying assist force to the turning operation of the steering wheel. The device is well known.
モータとしてブラシ付き直流モータ(以下、モータと略称することもある)を使用する場合、モータの回転速度をブラシと整流子(コンミテータ)との間の電圧降下を考慮したモータの逆起電力に基づいて推定している(特許文献1および2参照)。従来の回転速度推定の式は
回転速度=(モータ端子間電圧−モータ抵抗×電流量)/逆起電圧定数
で表される。
When using a DC motor with a brush as a motor (hereinafter also abbreviated as a motor), the rotational speed of the motor is based on the back electromotive force of the motor considering the voltage drop between the brush and the commutator (commutator). (See
上記の式の中で、モータ抵抗は、電流量,コイル温度,ブラシ温度,ブラシおよび整流子との接触抵抗,およびブラシの酸化状態により複雑に変化し、安定した値を示さない。図5にモータに流れる電流とモータ抵抗との関係を示す。理論上は実線部Cのような関係となるが、モータの状態を考慮すると斜線部Dと図の縦軸および横軸で囲まれた範囲のいずれかの値の抵抗となり、モータ回転速度を正確に算出することができない。よって、車両の電動パワーステアリング装置においては制御性が悪くなる場合がある。 In the above formula, the motor resistance changes in a complex manner depending on the amount of current, the coil temperature, the brush temperature, the contact resistance with the brush and the commutator, and the oxidation state of the brush, and does not show a stable value. FIG. 5 shows the relationship between the current flowing through the motor and the motor resistance. Theoretically, the relationship is as shown by the solid line portion C. However, when the motor state is taken into consideration, the resistance of one of the values enclosed by the shaded portion D and the vertical axis and horizontal axis in the figure becomes a resistance, and the motor rotation speed is accurately determined. Cannot be calculated. Therefore, the controllability may be deteriorated in the electric power steering device for a vehicle.
特許文献2のように、モータ角速度推定値に対する不感帯を設けるといった方法もあるが、該不感帯に含まれる場合にはモータ角速度(即ち、モータ回転速度)を一律にゼロとしているので、運転者が操舵違和感を受けることも有り得る。 As disclosed in Patent Document 2, there is a method of providing a dead zone for the estimated motor angular velocity value. However, when the dead zone is included, the motor angular velocity (that is, the motor rotational speed) is uniformly set to zero. There is a possibility of feeling uncomfortable.
上記問題を背景として、本発明の課題は、ブラシ付き直流モータの回転速度を精度よく検出することが可能な車両の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。 With the above problem as a background, an object of the present invention is to provide an electric power steering device for a vehicle that can accurately detect the rotational speed of a brushed DC motor.
本発明は、上記課題を解決するための車両の電動パワーステアリング装置を提供するものである。即ち、請求項1によれば、運転者のステアリング動作に基づいて、ブラシ付き直流モータを通電駆動してステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両の電動パワーステアリング制御装置において、ブラシ付き直流モータに流れるモータ実電流を検出する電流検出手段と、モータ実電流の値が変動する周期を検出する周期検出手段と、周期に基づいてブラシ付き直流モータの回転速度を推定する回転速度演算手段と、を有することを特徴とする車両の電動パワーステアリング装置として構成される。 The present invention provides an electric power steering device for a vehicle for solving the above-described problems. That is, according to the first aspect of the present invention, in the electric power steering control device for a vehicle which applies a steering assist torque to the steering mechanism by energizing and driving the brushed DC motor based on the steering operation of the driver, it flows to the brushed DC motor. Current detection means for detecting the actual motor current, period detection means for detecting a period in which the value of the motor actual current fluctuates, and a rotation speed calculation means for estimating the rotation speed of the brushed DC motor based on the period The vehicle is configured as an electric power steering device for a vehicle.
本発明は、モータ構造に起因する電流変動を用いた回転速度検出方法である。ブラシ付き直流モータが原理的に持つモータ1回転あたりの抵抗変動(図7および図8参照,詳細は後述)に着目し、これに起因する電流変動の周期を計測してモータの回転速度を検出するものである。電流変動は、モータに流れる電流の所定の成分(例えば、44次成分)によって発生する。これをフィルタにより抽出することで回転速度を検出できる。 The present invention is a rotational speed detection method using current fluctuations resulting from a motor structure. Focusing on the resistance fluctuation per rotation of the motor that the brushed DC motor has in principle (see Fig. 7 and Fig. 8, details will be described later), the rotation speed of the motor is detected by measuring the period of current fluctuation caused by this. To do. The current fluctuation is caused by a predetermined component (for example, a 44th-order component) of the current flowing through the motor. By extracting this with a filter, the rotational speed can be detected.
図4はモータの回転速度(即ち、回転数)がN[rpm]のときに流れる電流を高速フーリエ変換した場合の波形である。図4(a)のXは、モータ電流の44次成分のピーク値で、このときの電流変動周波数はFである。電流変動周波数はモータの回転数がゼロに近づくにつれて増加し、モータの回転数が上昇するにつれて減少しゼロに近づく直線Bのような特性を持つ。この特性を利用すれば電流変動周波数からモータの回転速度(即ち、回転数)を求めることが可能となる。 FIG. 4 shows a waveform obtained when a fast Fourier transform is performed on the current that flows when the rotational speed (that is, the rotational speed) of the motor is N [rpm]. 4A is the peak value of the 44th-order component of the motor current, and the current fluctuation frequency at this time is F. In FIG. The current fluctuation frequency has a characteristic such as a straight line B that increases as the motor speed approaches zero, decreases as the motor speed increases, and approaches zero. If this characteristic is utilized, it becomes possible to obtain | require the rotational speed (namely, rotation speed) of a motor from an electric current fluctuation frequency.
上記構成によって、モータ回転角センサ等の新たなセンシング手段を付加することなく、つまり、コストの上昇を伴うことなく、正確なモータ回転速度を求めることができ、運転者が操舵違和感を受けることのない車両の電動パワーステアリング装置を構成することができる。 With the above configuration, it is possible to obtain an accurate motor rotation speed without adding new sensing means such as a motor rotation angle sensor, that is, without an increase in cost, and the driver feels uncomfortable with steering. It is possible to configure an electric power steering device for a vehicle without a vehicle.
請求項2によれば、本発明の車両の電動パワーステアリング装置は、ブラシ付き直流モータに印加するモータ電流指令値を演算する指令値演算手段を有し、周期検出手段は、モータ電流指令値とモータ実電流との偏差に基づいて周期を検出する構成をとる。 According to the second aspect of the present invention, the electric power steering apparatus for a vehicle according to the present invention includes command value calculation means for calculating a motor current command value applied to the brushed DC motor, and the period detection means includes the motor current command value and The configuration is such that the cycle is detected based on the deviation from the actual motor current.
高速フーリエ変換を行なうためには処理能力の非常に高いマイクロプロセッサを必要とするためコスト上昇要因となってしまう。しかし、上記構成によって、高速フーリエ変換を用いることなく単なる減算によりモータ回転速度を求めることができる。よって、高価なマイクロプロセッサおよびモータ回転角センサ等の新たなセンシング手段を付加することなく、つまり、コストの上昇を伴うことなく、正確なモータ回転速度を求めることができ、運転者が操舵違和感を受けることのない車両の電動パワーステアリング装置を構成することができる。 In order to perform the fast Fourier transform, a microprocessor having a very high processing capability is required, which causes an increase in cost. However, with the above configuration, the motor rotation speed can be obtained by simple subtraction without using the fast Fourier transform. Therefore, it is possible to obtain an accurate motor rotation speed without adding an expensive microprocessor and a new sensing means such as a motor rotation angle sensor, that is, without increasing the cost. An electric power steering device for a vehicle that is not received can be configured.
車両の電動パワーステアリング装置においてブラシ付き直流モータの回転速度を精度よく検出するという目的を、該モータに流れる電流の変動周波数に基づいて回転速度を検出する方法によって実現した。 The object of accurately detecting the rotational speed of a brushed DC motor in an electric power steering apparatus of a vehicle is realized by a method of detecting the rotational speed based on the fluctuation frequency of the current flowing through the motor.
以下、本発明の実施の形態である車両の電動パワーステアリング装置(以下、単に電動パワーステアリング装置と称する)について、図面を用いて説明する。
図1は、電動パワーステアリング装置1の構成図である。操舵ハンドル10が操舵軸12aに接続されている。また、この操舵軸12aの下端はトルクセンサ11に接続されており、ピニオンシャフト12bの上端がトルクセンサ11に接続されている。また、ピニオンシャフト12bの下端には、ピニオン(図示せず)が設けられ、このピニオンがステアリングギヤボックス16内においてラックバー18に噛合されている。更に、ラックバー18の両端には、それぞれタイロッド20の一端が接続されると共に各タイロッド20の他端にはナックルアーム22を介して操舵輪24が接続されている。また、ピニオンシャフト12bにはモータ15が歯車(図示せず)を介して取り付けられていて、いわゆる、コラムタイプの電動パワーステアリング装置を構成している。
Hereinafter, an electric power steering device for a vehicle according to an embodiment of the present invention (hereinafter simply referred to as an electric power steering device) will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an electric
モータ15の取り付け位置は、図1の構成の他にラックバー18に同軸的に取り付けられるラックタイプ、あるいはモータ15がステアリングギヤボックス16に取り付けられ、ピニオンシャフト12bを回転させるピニオンタイプを用いてもよい。
The mounting position of the
トルクセンサ11は運転者の操舵ハンドル10の動きを検出するもので、トーションバーおよびその軸線方向に離間して設置された一対のレゾルバ等の周知のトルク検出部から構成される。操舵軸12aが回転すると、その回転量に応じたトルクが検出され、検出された情報は操舵制御部30に送られる。
The
操舵制御部30(本発明の周期検出手段,回転速度演算手段,指令値演算手段)は周知のCPU31,RAM32,ROM33,入出力インターフェースであるI/O34およびこれらの構成を接続するバスライン35が備えられている。CPU31は、ROM33およびRAM32に記憶されたプログラムおよびデータにより制御を行なう。ROM33は、プログラム格納領域33aとデータ記憶領域33bとを有している。プログラム格納領域33aには操舵制御プログラム33pが格納される。データ記憶領域33bには操舵制御プログラム33pの動作に必要なデータが格納されている。
The steering control unit 30 (period detection means, rotational speed calculation means, command value calculation means of the present invention) includes a well-known
19は周知のフィルタ回路で構成されるバンドパスフィルタ(以下、BPFと称することもある)である。BPF19に周知のディジタルシグナルプロセッサ(DSP)を用いてもよいし、操舵制御プログラム33pに該フィルタ処理を含む構成を採ってもよい。
電流センサ8(本発明の電流検出手段)は周知のシャント抵抗を含んで構成される。検出された情報は操舵制御部30に送られ、図示しないAD変換器によってディジタル信号に変換されCPU31の処理に用いられる。
The current sensor 8 (current detection means of the present invention) includes a known shunt resistor. The detected information is sent to the
さらに、操舵制御部30には車両の速度を計測するための周知のロータリエンコーダ等の回転検出部を含む車速センサ17が接続されていて、検出された車両の速度は操舵制御部30に送られる。
Further, a
操舵制御部30においてCPU31がROM33に格納された操舵制御プログラムを実行することにより、トルクセンサ11で検出されたトルクに対応したモータ15で発生させる駆動トルクを算出し、モータドライバ14を介してブラシ付き直流モータであるモータ15に、算出した駆動トルクを発生させるための電圧を印加する。なお、モータ15については、本発明の電動パワーステアリング装置1に使用可能であれば特に種類を問わない。
In the
図2は操舵制御部30で行なわれるモータ制御処理の概要を表したブロック図である。なお、この処理は電動パワーステアリング装置1が動作中に操舵制御プログラム33pの他の処理とともに繰り返し行われる。
FIG. 2 is a block diagram showing an outline of the motor control process performed by the
トルクセンサ11で検出された操舵トルクを位相補償演算部49において補正演算した結果と車速センサ17で検出された車速とに基づいて、アシスト電流演算部50においてモータ15に印加する基本アシスト電流を演算する。また、モータ15の回転速度(即ち、回転数)と車速とに基づいて、補正電流演算部51においてアシスト電流を補正するための補正電流を演算する。電流加算演算部52においてアシスト電流と補正電流を加算してモータ15に印加する電流(モータ電流指令値)を演算する。なお、モータ15の回転速度の算出方法については後述する。
Based on the result of correcting the steering torque detected by the
そして、最大電流演算部53では指令電流がモータ15に印加可能な値の範囲内にあるかを調べ、該範囲内にない場合には、指令電流は予め定められた上限値を用いる。そして、電流制御演算部54では、指令電流を発生するための電圧値を求め、その電圧値をモータ15に印加する。
Then, the maximum
図3のフロー図を用いて、操舵制御部30で行なわれるモータ回転速度演算処理について説明する。まず、最大電流演算部53でモータ電流指令値を演算する(S1)。次いで、電流センサ8によりモータ15に流れるモータ実電流を検出する(S2)。そして、電流偏差演算部55において、モータ電流指令値とモータ実電流との偏差を求める(S3)。求めた偏差を操舵制御部30に含まれるDA変換器によってアナログ信号に再変換してBPF19に入力する。
A motor rotation speed calculation process performed by the
BPF19では入力されたアナログ信号の直流成分を除去するとともに所定周波数帯域の成分(本発明では44次成分)を抽出し、その信号(図6参照)をCPU31に出力する(S4)。CPU31は該信号をAD変換した後にモータ回転速度演算部56において周期を測定する。周期は信号のピーク値間の時間を測定することにより求められる。該信号の波形を微分した結果(波形の傾き)がゼロあるいはゼロに近い値となる場合がピーク値となり、該信号の値が正かつピーク値となった時刻(例えば、CPU31の内部に含まれているカウンタ値による)と、前回の該信号の値が正かつピーク値となった時刻(該カウンタ値)との差が周期Tとなる(S5)。
The
そして、求めた周期Tからモータ15の回転速度を求める(S6)。44次成分を利用している場合には、
(1/(T×44))×60[rpm] ・・・ (1)
となる。ここで、(T×44)はモータ1回転あたりの時間(秒)である。
And the rotational speed of the
(1 / (T × 44)) × 60 [rpm] (1)
It becomes. Here, (T × 44) is a time (second) per rotation of the motor.
なお、本実施例に用いているモータは、図7(a)(モータ軸断面図の一部)のように、ブラシ4個(41a〜41d),モータ軸と同軸上に配された整流子22個による22スロット重ね巻き構成となっている。モータ回転時のブラシ41a〜ブラシ41b〜ブラシ41cの間の状態について以下に説明する。図7(b)(図7(a)をブラシ41bの外側から見た図)の状態では、ブラシ41a〜コイルa〜コイルb〜コイルc〜コイルd〜コイルe〜ブラシ41bの経路と、ブラシ41b〜コイルg〜コイルh〜コイルi〜コイルj〜コイルk〜ブラシ41cの経路が生成され、計10個のコイルに通電がなされる。
As shown in FIG. 7A (a part of the motor shaft sectional view), the motor used in this embodiment has four brushes (41a to 41d) and a commutator arranged coaxially with the motor shaft. It is a 22-slot lap winding configuration with 22 pieces. The state between the
図7(c)の状態では、ブラシ41a〜コイルb〜コイルc〜コイルd〜コイルe〜ブラシ41bの経路と、ブラシ41b〜コイルg〜コイルh〜コイルi〜コイルj〜コイルk〜ブラシ41cの経路が生成され、計9個のコイルに通電がなされる。図7(d)の状態では、ブラシ41a〜コイルb〜コイルc〜コイルd〜コイルe〜コイルf〜ブラシ41bの経路と、ブラシ41b〜コイルg〜コイルh〜コイルi〜コイルj〜コイルk〜ブラシ41cの経路が生成され、計10個のコイルに通電がなされる。図7(e)の状態では、ブラシ41a〜コイルb〜コイルc〜コイルd〜コイルe〜コイルf〜ブラシ41bの経路と、ブラシ41b〜コイルh〜コイルi〜コイルj〜コイルk〜〜ブラシ41cの経路が生成され、計9個のコイルに通電がなされる。
In the state of FIG.7 (c), the path | route of
このように、ブラシが整流子1個分(1セグメント)移動する際に、通電されるコイル数の変化が2回発生する。コイルには抵抗分が含まれていて、モータ内のブラシと整流子との接触抵抗あるいは配線抵抗(全てのコイルの長さが同一というわけではない)を考慮しても、図8のように、ブラシが1セグメント移動する際にコイル数の変化に対応したモータ抵抗値の変化が2回発生する。即ち、図7(b)の状態では横軸の回転角bの位置の状態となり、同様に図7(c)の状態では回転角cの位置、図7(d)の状態では回転角dの位置、図7(e)の状態では回転角e位置となる。回転角cおよびeの位置で通電されるコイルは9個で、回転角bおよびdの位置で通電されるコイルは10個であるため、回転角cおよびeの位置の抵抗値を基準(1)とすると、回転角bおよびdの位置の抵抗値は基準値よりも大きな値となる(即ち、抵抗値の比が大きくなる)。 Thus, when the brush moves by one commutator (one segment), the number of energized coils changes twice. The coil includes a resistance component, and considering the contact resistance or wiring resistance between the brush and the commutator in the motor (not all coils have the same length), as shown in FIG. When the brush moves by one segment, the motor resistance value changes corresponding to the change in the number of coils twice. That is, in the state of FIG. 7B, the rotation angle b is in the horizontal axis state. Similarly, in the state of FIG. 7C, the position of the rotation angle c, and in the state of FIG. In the position shown in FIG. 7 (e), the rotation angle e is set. Since nine coils are energized at the positions of the rotation angles c and e and ten coils are energized at the positions of the rotation angles b and d, the resistance value at the positions of the rotation angles c and e is defined as a reference (1 ), The resistance values at the positions of the rotation angles b and d are larger than the reference value (that is, the ratio of the resistance values is increased).
つまり、モータが1回転すると抵抗値の変化が44(2×22)回発生する。そこで、本実施例ではBPF19により44次成分を抽出している。また、式(1)においてもモータ1回転あたりの時間(秒)は(T×44)となる。よって、この値「44」は、モータが1回転あたりの抵抗値の変化回数のため、スロット数などのモータの構造により異なる値となる。また、図4(a)における点X以外のピークに対応する電流成分の変動を検出してもよい。
That is, when the motor rotates once, the resistance value changes 44 (2 × 22) times. Therefore, in this embodiment, the 44th order component is extracted by the
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, these are merely examples, and the present invention is not limited to these embodiments, and the knowledge of those skilled in the art can be used without departing from the spirit of the claims. Various modifications based on this are possible.
1 電動パワーステアリング装置
8 電流センサ(電流検出手段)
10 操舵ハンドル
11 トルクセンサ
15 モータ
17 車速センサ
30 操舵制御部(周期検出手段,回転速度演算手段,指令値演算手段)
1 Electric
DESCRIPTION OF
Claims (2)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2004058831A JP2005247093A (en) | 2004-03-03 | 2004-03-03 | Electric power steering device for vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2004058831A JP2005247093A (en) | 2004-03-03 | 2004-03-03 | Electric power steering device for vehicle |
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Family Applications (1)
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-
2004
- 2004-03-03 JP JP2004058831A patent/JP2005247093A/en active Pending
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