JP2006282112A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動パワーステアリング装置において、電動モータの過熱を、装置の大型化を招くことなく、しかも、温度センサを用いることなく、確実に防止できるようにする。
【解決手段】 ステアリングホイールから入力される操舵トルクに基づき、操舵補助力を発生する電動モータ２２の目標電流を設定し、モータ電流が目標電流になるように電動モータ２２を通電制御する電動パワーステアリング装置において、モータ電流を所定周期△ｔで多数サンプリングしてモータ電流の実効値を求め（電流実効値演算部４５）、実効値が設定値を超えると、実効値が大きくなるほど小さくなるように目標電流を補正するための電流補正値を求め（電流補正値演算部４６）、その電流補正値を用いて目標電流を補正する。この結果、電動モータ２２に放熱フィン、冷却装置、温度センサ等を設けることなく、電動モータ２２が過熱するのを防止できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、車両運転者がステアリングホイールを操作して操舵系に操舵トルクを入力したとき、電動モータを介して操舵系に操舵補助力を加える電動パワーステアリング装置に関する。

従来より、車両運転者により操作される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設け、このトルクセンサにて検出された操舵トルクに応じて電動モータを通電制御することで、電動モータから車両の操舵系に操舵補助力を入力するように構成された電動パワーステアリング装置が知られている（例えば、特許文献１等、参照）。
特開平８−１０７６９５号公報

ところで、この種の電動パワーステアリング装置では、動力源となる電動モータが、車両運転者のステアリング操作に連動して駆動されることから、フォークリフト等、ステアリング操作が頻繁に行われる作業用車両では、電動モータが過負荷運転されて、過熱し易くなる。

このため、フォークリフト等の作業用車両に搭載される電動パワーステアリング装置（特に使用者による稼働が激しい場合）では、電動モータに放熱フィンを設けて放熱し易くするとか、電動モータを直接冷却する冷却装置を設ける、というように、何らかの放熱対策を行う必要があった。

しかし、放熱フィンや冷却装置を用いて電動モータの過熱を抑えるには、これらを電動モータに設ける必要があるため、電動モータの大型化を招き、電動パワーステアリング装置の小型化の妨げになる、という問題があった。つまり、電動パワーステアリング装置は、車両に搭載されるものであるので、小型化が要求されるが、電動モータの過熱対策を放熱フィンや冷却装置だけで行うようにすると、こうした小型化の要求に応えることができないのである。

一方、電動モータの過熱保護のためには、電動モータに温度センサを取り付け、この温度センサにより検出されたモータ温度が高くなると、電動モータに流す電流を抑制することが考えられる。しかし、電動モータに温度センサを組み込むようにした場合、その温度センサから検出信号を取り出すための信号線が必要になり、また、その信号線が断線することも考えられることから、温度センサ組み付けのための製造コストが増加するだけでなく、電動パワーステアリング装置の信頼性が低下する、といった問題もある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、電動パワーステアリング装置において、その動力源である電動モータの過熱を、装置の大型化を招くことなく、しかも、温度センサを用いることなく、確実に防止できるようにすることを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、ステアリングホイールから車両操舵系に入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、車両操舵系に対する操舵補助力を発生する電動モータと、この電動モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、操舵トルク検出手段にて検出された操舵トルクに応じた操舵補助力を電動モータに発生させるのに必要な、電動モータの目標電流を設定する目標電流設定手段と、モータ電流検出手段にて検出されるモータ電流が目標電流設定手段にて設定された目標電流となるように電動モータを通電制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、モータ電流検出手段にて検出されたモータ電流を所定時間内に複数回サンプリングし、そのサンプリング結果から前記電動モータに流れたモータ電流の実効値を演算する実効値演算手段と、この実効値演算手段にて演算されたモータ電流の実効値が設定値を超えると、この実効値が大きくなるほど目標電流が小さくなるように、目標電流設定手段にて設定される目標電流を補正する目標電流補正手段とを備えたことを特徴とする。

このように構成された本発明の電動パワーステアリング装置においては、車両運転者によりステアリングホイールが操作されると、操舵トルク検出手段が、その操作によって車両操舵系に入力される操舵トルクを検出する。すると、目標電流設定手段が、その検出された操舵トルクに応じた操舵補助力を電動モータに発生させるのに必要な電動モータの目標電流を設定し、制御手段が、モータ電流検出手段にて検出されるモータ電流（つまり、電動モータに流れるモータ電流）が目標電流になるようモータ電流をフィードバック制御する。

また、本発明では、モータ電流検出手段にて検出されるモータ電流は、実効値演算手段にも入力され、実効値演算手段は、そのモータ電流を所定時間内に複数回サンプリングして、そのサンプリング結果からモータ電流の実効値を演算する。そして、その演算されたモータ電流の実効値が設定値を超えると、目標電流補正手段が、この実効値が大きくなるほど目標電流が小さくなるように、目標電流設定手段にて設定される目標電流を補正する。

つまり、モータ電流の実効値は電動モータに加わる負荷に応じて変化し、モータ電流の実効値が大きい程、負荷が大きく、電動モータが過熱し易いことから、本発明では、モータ電流の実効値から電動モータの温度上昇を推定し、モータ電流の実効値が設定値を越えてモータの温度上昇が大きくなる場合には、その温度上昇（つまり実効値）に応じて、温度上昇（つまり実効値）が大きくなるほど目標電流が小さくなるように、目標電流設定手段にて設定された目標電流を補正するようにしているのである。

このため、本発明の電動パワーステアリング装置によれば、電動モータの制御に用いられるモータ電流を利用して、電動モータが過熱するのを防止することができるようになり、電動モータの過熱保護のために、電動モータに放熱フィン、冷却装置、温度センサ等を別途設ける必要がない。よって、本発明によれば、電動パワーステアリング装置の小型化を図り、また、その信頼性を低下させることなく、電動モータが焼損するのを防止することが可能となる。

なお、モータ電流の実効値は、モータ電流「Ｉｍ」を所定周期で複数回サンプリングし、そのサンプリング値「Ｉｍ」を二乗して、その総和「Σ（Ｉｍ）² 」をサンプリング回数「ｎ」で除算し、更に、その除算結果「Σ（Ｉｍ）² ／ｎ」の平方根を求める、といった手順で算出することができることから、実効値演算手段は、基本的には、こうした演算を実行するように構成すればよい。

また、本発明では、目標電流補正手段において、実効値演算手段による実効値の演算結果を用いて、電動モータが過熱することのないように目標電流を補正できればよいことから、実効値演算手段は、必ずしも上述した演算を実行する必要はなく、例えば、ルート演算を実行することなく、上述の除算結果「Σ（Ｉｍ）² ／ｎ」をモータ電流の実効値を表す値として求めるようにしてもよい。つまり、このようにしても、目標電流補正手段では、実効値演算手段による演算結果からモータ電流の温度上昇を推定して、電動モータが過熱するのを防止することができる。

また、目標電流補正手段が、モータ電流の実効値に基づき目標電流を補正する際の補正特性は、電動モータの実効値対温度上昇特性に応じて設定すればよいが、この実効値対温度上昇特性は、電動パワーステアリング装置の使用環境によって大きく変化することから、電動パワーステアリング装置の使用条件が定まっていない場合等には、請求項２に記載のように、目標電流補正手段がモータ電流の実効値から目標電流を補正する際の補正特性として、予め複数の補正特性を用意しておき（具体的にはメモリ等に記憶しておき）、使用者が、補正特性設定手段を介して、その複数の補正特性の中から所望の補正特性を選択的に設定できるようにするとよい。

一方、従来より、交流電動モータ（所謂ＡＣモータ）には、温度センサが内蔵されたものが知られているが、こうした温度センサ付きの電動モータを電動パワーステアリング装置の動力源として使用する際には、特に本発明を適用する必要はなく、その内蔵された温度センサからの検出信号を用いて目標電流を補正するようにすればよい。

このため、本発明は、温度センサを内蔵していない電動モータを動力源とする電動パワーステアリング装置に適用するようにすればよく、特に、請求項３に記載のように、電動モータとしてＤＣモータを使用する電動パワーステアリング装置に適用すれば、上述した効果を有効に発揮することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、バッテリ式フォークリフトの操舵系全体の構成を表す説明図である。
図１に示す如く、本実施形態のバッテリ式フォークリフトの操舵系では、運転者によりステアリングホイール２が操舵されると、その操舵トルクが、ステアリングホイール２の回転軸に設けられたスプロケット７から、チェーン８及びスプロケット９を介して、電動パワーステアリング装置２０の入力軸１０に伝達される。そして、その入力軸１０に入力された運転者からの操舵トルクは、トルクセンサ２４にて検出され、その検出信号は、コントローラ３０に入力される。

また、電動パワーステアリング装置２０には、コントローラ３０による通流制御によって、入力軸１０に入力された操舵トルクに応じた操舵補助力を発生するように回転駆動される電動モータ（本実施形態ではＤＣモータ）２２が設けられている。そして、この電動モータ２２の回転トルクは、操舵補助力として、電動パワーステアリング装置２０の出力軸１４に加えられる。

また、この出力軸１４には、操舵輪６の操舵方向を変化させるための操舵ギヤ４に噛合された出力ギヤ１２が固定されている。このため、電動パワーステアリング装置２０の出力軸１４が回転すると、出力ギヤ１２及び操舵ギヤ４を介して操舵輪６が操舵されることになる。なお、操舵輪６は、走行モータ３２から駆動力を受けて回転することにより、フォークリフトを走行させる走行輪でもある。

次に、コントローラ３０は、図２に示すように、フォークリフトのキースイッチ３６がオン状態であるときにフォークリフトに搭載されたバッテリ３４から電源供給を受けて動作する制御回路４０と、この制御回路４０から制御信号を受けて電動モータ２２を駆動する駆動回路５０とから構成されている。

ここで、制御回路４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を中心とする周知のマイクロコンピュータにて構成されており、駆動回路５０は、電動モータ２２に対する通電方向及び通電電流を制御できるように、電動モータ２２の両端をそれぞれバッテリ３４の正極側に接続するためのトランジスタＱ１，Ｑ２と、電動モータ２２の両端をそれぞれバッテリ３４の負極側に接続するためのトランジスタＱ３，Ｑ４とからなる、所謂Ｈブリッジ回路として構成されている。

そして、制御回路４０は、ステアリングホイール２の操舵方向（詳しくはトルクセンサ２４にて検出された操舵トルクの極性）に応じて、トランジスタＱ３及びＱ４の何れかをオンすると共に、そのオンしたトランジスタＱ３又はＱ４とは電動モータ２２を挟んで反対側のトランジスタＱ１又はＱ２を、デューティ比を制御したＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）にてオン・オフさせることにより、電動モータ２２に流れるモータ電流の電流方向（換言すれば電動モータ２２の回転方向）及びその電流値を制御する。

また、このように、制御回路４０にてモータ電流を制御できるようにするために、駆動回路５０において、トランジスタＱ３、Ｑ４からバッテリ３４の負極側に至る通電経路上には、各経路を流れるモータ電流を検出するための電流検出用抵抗Ｒ１、Ｒ２が設けられている。

次に、図３は、制御回路４０での電動モータ２２の制御則を表す機能ブロック図である。なお、図３は、制御回路４０のハード構成を表すものではなく、実際には、後述する制御処理（図４参照）に従い、制御回路４０を構成しているマイクロコンピュータの演算処理として実現される。

図３に示す如く、制御回路４０においては、まず、トルク−電流変換部４１にて、トルクセンサ２４からの検出信号を電動モータ２２に発生させるすべき操舵アシスト力を表すトルク指令値として取り込み、そのトルク指令を電動モータ２２の目標電流に変換する。

そして、そのトルク指令値から変換された目標電流と、駆動回路５０の電流検出用抵抗Ｒ１又はＲ２を介して検出されたモータ電流との偏差（目標電流−モータ電流）を、偏差演算部４２で求め、電流−ＰＷＭ変換部４３にて、その偏差が零になるようにＰＷＭ信号のデューティ比を制御して、駆動回路５０に出力する。

つまり、制御回路４０は、駆動回路５０を介して、モータ電流が目標電流となるように電動モータ２２をフィードバック制御する。
また、制御回路４０には、駆動回路５０の電流検出用抵抗Ｒ１又はＲ２にて検出されたモータ電流「Ｉｍ」の実効値を演算する実効値演算部４５と、この実効値演算部４５にて算出されたモータ電流の実効値が設定値を超えると、その実効値が大きくなるほど目標電流が小さくなるように目標電流を補正するための電流補正値を算出する電流補正値演算部４６とが設けられている。

そして、この電流補正値演算部４６にて演算された電流補正値は、トルク−電流変換部４１から出力される目標電流を補正する電流補正部４７に入力され、この電流補正部４７では、目標電流から電流補正値を減じることで、目標電流が補正され、偏差演算部４２には、その補正後の目標電流が入力される。

なお、電流補正値演算部４６において、モータ電流の実効値から目標電流の補正値を求める際には、電動モータの実効値対温度上昇特性に応じて設定された補正値演算用のマップが使用される。

また、この補正値演算用のマップは、例えば、冷凍庫用、屋内用、屋外用といったフォオクリフトの使用条件に応じて複数用意されており、電流補正値演算部４６では、補正特性設定用のスイッチ（例えばディップスイッチ）４８を介して設定されたマップを利用して、目標電流の補正値を算出する。

次に図４は、制御回路４０を構成しているマイクロコンピュータにおいて、電動モータ２２を図３に示した制御則に従い制御するために実行されるモータ制御処理と、このモータ制御処理を実行するのに使用される電流補正値を演算するための電流補正値演算処理とを表すフローチャートである。

図４に示す如く、電流補正値演算処理は、制御回路４０において、電動モータ２２の通流制御中に所定時間△ｔ毎（例えば１０ｍsec.毎）に繰り返し実行される処理であり、処理が開始されると、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す）にて、電流検出用抵抗Ｒ１又はＲ２にて検出されたモータ電流をサンプリングする。

そして、続くＳ１２０では、こうしたモータ電流のサンプリングを所定時間Ｔ（例えば１分間）連続的に行ったか否かを判断することにより、モータ電流を所定数ｎ（例えば、６０００回）サンプリングできたか否かを判断し、モータ電流を所定時間Ｔの間サンプリングできていなければ、そのまま当該処理を終了する。

一方、Ｓ１２０にて、モータ電流を所定時間Ｔの間サンプリングした（つまり、モータ電流をｎ回サンプリングした）と判断されると、続くＳ１３０に移行して、そのサンプリングしたｎ個のモータ電流に基づき、モータ電流の実効値を演算する、電流実効値演算部４５としての処理を実行する。

なお、この実効値の演算は、モータ電流の各サンプリング値「Ｉｍ」を二乗して、その総和「Σ（Ｉｍ）² 」をサンプリング回数「ｎ（＝△ｔ／Ｔ）」で除算し、更に、その除算結果「Σ（Ｉｍ）² ・△ｔ／Ｔ」の平方根を求める、といった手順で実行される。

そして、続くＳ１４０では、Ｓ１３０で算出されたモータ電流の実効値と、補正特性設定用のスイッチ４８を介して予め設定された補正値演算用のマップとを用いて、目標電流に対する電流補正値を求める、電流補正値演算部４６としての処理を実行し、続くＳ１５０にて、今までサンプリングしたｎ個のモータ電流を消去した後、当該処理を終了する。

一方、図４に示すモータ制御処理は、マイクロコンピュータのメインルーチンとして、キースイッチ３６を介して制御回路４０に電源が投入されてから繰り返し実行される処理であり、処理が開始されると、Ｓ２１０にて、トルクセンサ２４を介してステアリングホイール２から入力軸１０に入力された操舵トルクを検出し、続くＳ２２０にて、駆動回路５０の電流検出用抵抗Ｒ１、Ｒ２を介してモータ電流を検出する。

そして、続くＳ２３０では、Ｓ２１０にて検出した操舵トルクから、電動モータ２２に発生させるすべき操舵アシスト力を表すトルク指令値を設定して、そのトルク指令を電動モータ２２の目標電流に変換する、トルク−電流変換部４１としての処理を実行し、続くＳ２４０では、Ｓ２３０で求めた目標電流から電流補正値演算処理にて求められた電流補正値を減じることで目標電流を補正する、電流補正部４７としての処理を実行する。

なお、電流補正値の初期値は値「０」であり、電動モータ２２の通流制御が実行されていないときや、通流制御が実行されていても電流補正値演算処理にて電流補正値が演算されていないときには、電流補正値はこの初期値「０」に設定される。

次に、Ｓ２５０では、Ｓ２４０にて補正された目標電流と、Ｓ２２０にて検出したモータ電流との偏差を算出する偏差演算部４２としての処理を実行し、続くＳ２６０では、その偏差が零になるようにＰＷＭ信号のデューティ比を演算する。そして、続くＳ２７０では、そのデューティ比に応じてＰＷＭ信号を生成し、駆動回路５０に出力する、電流−ＰＷＭ変換部４３としての処理を実行する。

この結果、電動モータ２２に流れるモータ電流は、目標電流に制御され、電動モータ２２からは、ステアリングホイール２を介して入力される操舵力に応じた操舵補助力が出力されることになる。

なお、Ｓ２７０では、Ｓ２１０にて検出した操舵トルクから得られるステアリングホイール２の操舵方向に対応するトランジスタＱ１又はＱ２をオンし、そのトランジスタＱ１、Ｑ２に対応するトランジスタＱ４又はＱ３をＰＷＭ信号にてオン・オフさせることにより、電動モータ２２の回転方向も制御する。

以上説明したように、本実施形態の電動パワーステアリング装置２０においては、電動モータ２２により操舵補助力を発生させるための目標電流を設定して、モータ電流がその目標電流になるように電動モータ２２をフィードバック制御するだけでなく、そのモータ電流を所定時間Ｔ（例えば１分間）の間、所定周期△ｔ（例えば１０ｍsec.）でサンプリングして、そのサンプリング値からモータ電流の実効値を求め、その実効値が設定値を超えると、実効値が大きくなるほど目標電流が小さくなるように目標電流を補正するための電流補正値を求め、その電流補正値にて目標電流を補正するように構成されている。

このため、本実施形態の電動パワーステアリング装置２０によれば、電動モータ２２をフィードバック制御するのに用いられるモータ電流を利用して、電動モータ２２の温度上昇を推定して、電動モータ２２が過熱するのを防止することができるようになり、電動モータ２２の過熱保護のために、電動モータ２２に放熱フィン、冷却装置、温度センサ等を別途設ける必要がない。よって、本発明によれば、電動パワーステアリング装置の小型化を図り、また、その信頼性を低下させることなく、電動モータ２２が焼損するのを防止することができる。

また、モータ電流の実効値から目標電流の補正値を設定するのに用いるマップは、フォークリフトの使用条件に応じて複数用意されており、使用者は、補正特性設定用のスイッチ４８を介してそのマップの何れかを制御に用いるマップとして指定することにより、電流補正値設定時の特性（換言すれば目標電流の補正特性）を設定することができる。

よって、本実施形態の電動パワーステアリング装置２０によれば、フォークリフトの使用条件に応じて、目標電流の補正特性を任意に設定することができるようになり、目標電流を制限しすぎることなく、最適に制御することが可能となる。

なお、本実施形態においては、トルクセンサ２４が本発明の操舵トルク検出手段に相当し、電流検出用抵抗Ｒ１、Ｒ２が本発明のモータ電流検出手段に相当し、スイッチ４８が本発明の補正特性設定手段に相当する。また、制御回路４０にて実行される処理の内、Ｓ１３０の処理が本発明の実効値演算手段に相当し、Ｓ２３０の処理が目標電流設定手段に相当し、Ｓ２４０の処理が本発明の目標電流補正手段に相当し、Ｓ２５０〜Ｓ２７０の処理が本発明の制御手段に相当する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内にて、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、フォークリフトの電動パワーステアリング装置に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、電動モータを動力源とする電動パワーステアリング装置であれば、上記実施形態と同様に適用して、同様の効果を得ることができる。

バッテリ式フォークリフトの操舵系全体の構成を表す説明図である。 図１に示すコントローラの構成を表す説明図である。 図２に示す制御回路での電動モータの制御則を表す機能ブロック図である。 図２に示す制御回路にて実行されるモータ制御処理及び電流補正値演算処理を表すフローチャートである。

符号の説明

２…ステアリングホイール、４…操舵ギヤ、６…操舵輪、７，９…スプロケット、８…チェーン、１０…入力軸、１２…出力ギヤ、１４…出力軸、２０…電動パワーステアリング装置、２２…電動モータ、２４…トルクセンサ、３０…コントローラ、３２…走行モータ、３４…バッテリ、３６…キースイッチ、４０…制御回路、４１…トルク−電流変換部、４２…偏差演算部、４３…電流−ＰＷＭ変換部、４５…実効値演算部、４５…電流実効値演算部、４６…電流補正値演算部、４７…電流補正部、４８…スイッチ、５０…駆動回路、Ｑ１〜Ｑ４…トランジスタ、Ｒ１，Ｒ２…電流検出用抵抗。

Claims (3)

1. ステアリングホイールから車両操舵系に入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   車両操舵系に対する操舵補助力を発生する電動モータと、
   該電動モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
   前記操舵トルク検出手段にて検出された操舵トルクに応じた操舵補助力を前記電動モータに発生させるのに必要な、前記電動モータの目標電流を設定する目標電流設定手段と、
   前記モータ電流検出手段にて検出されるモータ電流が前記目標電流設定手段にて設定された目標電流となるよう、前記電動モータを通電制御する制御手段と、
   を備えた電動パワーステアリング装置であって、
   前記モータ電流検出手段にて検出されたモータ電流を所定時間内に複数回サンプリングし、そのサンプリング結果から前記電動モータに流れたモータ電流の実効値を演算する実効値演算手段と、
   該実効値演算手段にて演算されたモータ電流の実効値が設定値を超えると、該実効値が大きくなるほど前記目標電流が小さくなるように、前記目標電流設定手段にて設定される目標電流を補正する目標電流補正手段と、
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記目標電流補正手段が前記モータ電流の実効値から前記目標電流を補正する際の補正特性を、予め設定された複数の補正特性の中の１つに選択的に設定するための補正特性設定手段を備えたこと可能であることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記電動モータはＤＣモータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。

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