JP2007118858A

JP2007118858A - 電動パワーステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP2007118858A
Application number: JP2005316073A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Miura; 友博三浦; Masahiro Maeda; 将宏前田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: JP4736719B2

Abstract

【課題】簡単で小型かつ低コストな３相下流シャント方式による電流検出を行うと共に、スイッチングノイズの影響による相電流実値と電流検出値との乖離をなくすようにした操舵性の良い電動パワーステアリング装置の制御装置を提供する。
【解決手段】ＰＷＭ制御部に３相電流指令値を入力し、複数の駆動素子で成る３相インバータに前記ＰＷＭ制御部からデューティ信号を与えて３相モータをＰＷＭ駆動してアシストすると共に、前記３相モータの相電流を前記３相インバータに接続された２相又は３相下流シャント方式の電流検出手段で検出して制御部にフィードバックするようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記相電流の検出値をサンプルホールドするサンプルホールド部と、前記デューティ信号のうちの最小値のものを選択して前記サンプルホールド部のサンプルホールド信号とするサンプルホールド信号発生部とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ制御部に３相電流指令値を入力し、複数の駆動素子（ＦＥＴ等）で成る３相インバータに、ＰＷＭ制御部からのＰＷＭデューティ値を与えて３相モータをＰＷＭ駆動するモータ駆動制御装置に関し、特に自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリングに最適な電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢（アシスト）する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を、減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助負荷付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助力）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデュ−ティ比の調整で行っている。

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図５に示して説明すると、操向ハンドル１のコラム軸２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４Ａ及び４Ｂ、ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット３０には、バッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニションキー１１からイグニションキー信号が入力され、コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルク値Ｔと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいて、アシストマップ等を用いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（又はＭＰＵやＭＣＵ）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、図６のようになっている。

図６を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出されて入力される操舵トルクＴは、操舵系の安定性を高めるために位相補償部３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算部３２に入力される。又、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算部３２に入力される。操舵補助指令値演算部３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基づいてアシストマップ（ルックアップテーブル）３３を参照して、モータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉｒｅｆを決定する。
操舵補助指令値Ｉｒｅｆは減算部３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償部３４に入力され、減算部３０Ａで求められる偏差（Ｉｒｅｆ−ｉ）は比例演算部３５に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算部３６に入力される。比例演算部３５の出力及び積分演算部３６の出力はそれぞれ加算部３０Ｂに入力され、微分補償部３４の出力も加算部３０Ｂに加算入力され、加算部３０Ｂでの加算結果である電流指令値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ電流検出値ｉは減算部３０Ａに入力されてフィードバックされる。

モータ２０が３相ブラシレスモータの場合、モータ駆動回路３７の詳細は例えば図７に示すような構成となっており、ＰＷＭ制御部３７Ａとインバータ３７Ｂとで構成されている。ＰＷＭ制御部３７Ａは、電流指令値Ｅを所定式に従って３相分のＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６を演算するデューティ演算部３７１と、ＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６で駆動素子としてのＦＥＴのゲートを駆動すると共に、デッドタイムの補償をしてＯＮ／ＯＦＦするゲート駆動部３７２とで構成されており、インバータ３７Ｂは駆動素子としてのＦＥＴの３相ブリッジで構成されており、ＰＷＭデューティ値Ｄ１〜Ｄ６でＯＮ／ＯＦＦされることによってモータ２０を駆動する。

上述のようなモータ駆動制御装置において、多相のブラシレスモータをインバータにより駆動するに当たってはロータの位置、つまりモータ位相を把握した上、モータ位相に応じて各相への通電状態を順次切替えていく必要がある。そこで、従来はホール素子をブラシレスモータに内蔵してロータ位置を検出していた。そして、検出されたロータ位置に応じてインバータのスイッチングを行うモータ駆動装置が実用されている。即ち、モータの各コイル相に流れる電流値とモータ位相との関係式は知られており、各コイル相の電流値を計測し、その電流値からモータ位相を検出するモータ駆動制御装置が提案されている。

ここにおいて、モータ電流を安価な構成で検出する手段として３相インバータの下段ＦＥＴとＧＮＤ間に直列に接続された３相（又は２相）のシャント抵抗によって電流を検出する下流シャント方式が知られており、計測された素子電流値を基にして各コイル相のコイル相電流値を算出し、コイル相電流値に基づいて算出されるモータ位相に基づいてブラシレスモータを制御している。例えば３相下流シャント方式は図８に示すように、下流側ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６に直列にシャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳ３を接続し、シャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳ３による電圧降下とそれら抵抗値（既知）から３相（Ａ相，Ｂ相，Ｃ相）の電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを計測する方式である。

かかる３相下流シャント方式による電流検出装置として、特許第３２４５７２７号公報（特許文献１）に示されるものがある。特許文献１に示される電流検出装置は、３相インバータにおいて下側ＦＥＴ各相のソース−グランド（接地）間にシャント抵抗を接続し、各相下側ＦＥＴのＯＮ時間と同期したサンプルホールド信号をそれぞれの相で用いて、シャント抵抗に発生する電位差をサンプルホールドする構成となっている。
特許第３２４５７２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電流検出装置では、３相のサンプルホールド信号がそれぞれ独立であるため、図９に示すようにサンプルホールド信号（例えば図９（Ｇ））のスイッチングタイミングと、他相ＦＥＴのスイッチングタイミング（例えば図９（Ａ），（Ｂ），（Ｅ），（Ｆ））が重なった場合、サンプルホールド回路のスイッチングノイズとなって影響してしまう。図９（Ｈ）はＢ相のシャント電位を示しており、他相のスイッチングが“ＳＮ”で示すスイッチングノイズとして現われる。特に電流が大きく、回転速度が低い低速高負荷のような状態（例えばラックエンド付近の切り増し等（Ｕターン待ち等））では、電流が大きいためにスイッチングノイズが大きく発生し、この影響によって相電流の実値と電流検出値とに乖離が生じ、その結果トルクリップルとして運転者の操舵感に現われてしまう問題がある。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、簡単で小型かつ低コストな３相下流シャント方式による電流検出を行うと共に、スイッチングノイズの影響による相電流実値と電流検出値との乖離をなくすようにした操舵性の良い電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。

本発明は、ＰＷＭ制御部に３相電流指令値を入力し、複数の駆動素子で成る３相インバータに前記ＰＷＭ制御部からデューティ信号を与えて３相モータをＰＷＭ駆動してアシストすると共に、前記３相モータの相電流を前記３相インバータに接続された２相又は３相下流シャント方式の電流検出手段で検出して制御部にフィードバックするようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記相電流の検出値をサンプルホールドするサンプルホールド部と、前記デューティ信号のうちの最小値のものを選択して前記サンプルホールド部のサンプルホールド信号とするサンプルホールド信号発生部とを設けることにより達成され、前記サンプルホールド信号発生部をＡＮＤ回路で構成することにより、より効果的に達成される。

また、本発明は、ＰＷＭ制御部に３相電流指令値を入力し、複数の駆動素子で成る３相インバータに前記ＰＷＭ制御部からデューティ信号を与えて３相モータをＰＷＭ駆動してアシストすると共に、前記３相モータの相電流を前記３相インバータに接続された２相又は３相下流シャント方式の電流検出手段で検出して制御部にフィードバックするようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記相電流の検出値をサンプルホールドするサンプルホールド部と、予め設定された固定デューティ値を格納した固定デューティ部と、前記固定デューティ値及び前記３相インバータの下側デューティ信号を入力し、前記サンプルホールド部に対するサンプルホールド信号を出力するサンプルホールド信号発生部と、前記サンプルホールド信号発生部の接点入力を切替える選択スイッチとを設けることにより達成され、前記選択スイッチは、モータ回転速度の第１所定値に対する大小で前記接点入力を切替えることにより、或いは前記選択スイッチは、前記下側デューティ信号の第２所定値に対する大小で前記接点入力を切替えることにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、簡単で小型かつ低コストな３相下流シャント方式による電流検出を行いながら、サンプルホールド信号のＯＮ／ＯＦＦタイミングと、他相ＦＥＴのスイッチングタイミングが少なくとも低速操舵時においては干渉することがないので、低速高負荷時の電流検出の誤差を小さくすることができる。３相ブリッジの下側ＦＥＴを駆動するための下側デューティ信号のうち、最も低いデューティ値を持つ相のデューティ信号は、他相のスイッチングタイミングとは干渉しないためである。

この結果、シャント電位差（降下電圧）にも他相のスイッチングノイズが現われることもなく、モータ相電流の実値と電流検出値とに乖離もないので、常に快適な操舵フィーリングを運転者に与えることができる。

本発明は、複数の駆動素子（ＦＥＴ）を備えたブリッジ接続のインバータでモータを駆動して操舵のアシストを行う電動パワーステアリング装置の制御装置であり、３相インバータのＯＮ／ＯＦＦスイッチングにより複数のコイル相（３相）を有するブラシレスモータを駆動する。そして、モータ各コイル相を駆動する駆動素子には、各駆動素子を流れる電流値を計測するための３相下流シャント方式による電流検出手段が接続されており、電流検出手段で検出された各相電流値を基にし、各コイル相を流れる相電流指令値を算出してブラシレスモータをＰＷＭ制御するようになっている。

本発明では、３相インバータで駆動するデューティ信号に対して、ブリッジ下側ＦＥＴを駆動する下側デューティ信号の中で最小のものを選択し、それをサンプルホールド信号としているので他相ＦＥＴのスイッチングタイミングと重なることはなく、ノイズの影響も生じない。また、本発明の別の実施形態では、モータ回転速度や下側デューティ信号によってサンプルホールドのための入力信号を切替えることにより、低速操舵時は他相のスイッチングノイズの影響を避ける効果が期待でき、高速操舵時（固定デューティ値＞下側デューティ信号）のような状態では、サンプルホールド信号を３相下側ＦＥＴに連動させることで従来通り高デューティ時の動作も可能となっている。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態を示しており、３相モータ１００は、コントロールユニット１１０によりゲート駆動部１０１及び３相ブリッジ構成のインバータ１２０を介してＰＷＭ駆動され、モータ相電流（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）は、インバータ１２０の下側ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６に接続されたシャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳ３により検出されたシャント電位差（降下電圧）を、サンプルホールド部１３０を経てコントロールユニット１１０に入力することにより検出される。コントロールユニット１１０は、ＣＰＵ等で成る全体を制御する制御部１１１と、デューティ演算されたＰＷＭのデューティ信号Ｄ１〜Ｄ６を出力するＰＷＭ発生部１１２と、デューティ信号Ｄ１〜Ｄ６のうちの下側ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６に対応するデューティ信号Ｄ４〜Ｄ６に基づいてサンプルホールド信号ＳＨＳを発生して出力するサンプルホールド信号発生部１１３とを具備している。

また、インバータ１２０は、３相のＡ〜Ｃ相にブリッジ接続された駆動素子としてのＦＥＴ１〜ＦＥＴ６と、３相下流ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６に接続されたシャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳ３とで構成されている。シャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳ３で検出された降下電圧はサンプルホールド部１３０のサンプルホールド回路１３１〜１３３でそれぞれサンプルホールドされ、サンプリングされたデータがそれぞれ増幅器を経てコントロールユニット１１０内の制御部１１１に入力され、Ａ／Ｄ変換等処理されてモータ相電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃが検出される。

このような構成において、その動作を図２のタイムチャートを参照して説明する。

図２（Ａ）はＡ相上側ＦＥＴ、即ちＦＥＴ１の駆動波形を示し、図２（Ｂ）はＡ相下側ＦＥＴ、即ちＦＥＴ４の駆動波形を示し、図２（Ｃ）はＢ相上側ＦＥＴ、即ちＦＥＴ２の駆動波形を示し、図２（Ｄ）はＢ相下側ＦＥＴ、即ちＦＥＴ５の駆動波形を示し、図２（Ｅ）はＣ相上側ＦＥＴ、即ちＦＥＴ３の駆動波形を示し、図２（Ｆ）はＣ相下側ＦＥＴ、即ちＦＥＴ６の駆動波形を示している。

サンプルホールド信号発生部１１３はＰＷＭ発生部１１２からの下側３相分のデューティ信号Ｄ４〜Ｄ６を入力し、デューティ信号Ｄ４〜Ｄ６の中で最もデューティ値の小さいデューティ信号を選択し、それをサンプルホールド信号ＳＨＳとしてサンプルホールド部１３０内のサンプルホールド回路１３１〜１３３に入力する。サンプルホールド回路１３１〜１３３は入力されたサンプルホールド信号ＳＨＳの期間だけシャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳ３の電圧をホールドしてサンプリングし、そのホールド値を増幅器を経て制御部１１１に送る。従って、３相下側のＦＥＴ４〜ＦＥＴ６の中で最も小さいデューティ値の範囲で電圧が検出されるので、サンプルホールド信号ＳＨＳによるサンプリングの間に他相のスイッチングが行われることはない。図２の例では、時点ｔ１においてはＦＥＴ４〜ＦＥＴ６の中で最も小さいデューティ値はＦＥＴ４に対するデューティ信号であり、その結果サンプルホールド信号は図２（Ｇ）に示すようにＦＥＴ４に対応したものとなる。

このように本発明では下側デューティ信号Ｄ４〜Ｄ６の中で最小のものを選択し、それをサンプルホールド信号ＳＨＳとしているので、他相ＦＥＴのスイッチングタイミングと重なることはなく、スイッチングによるノイズの影響も発生しない。

図３は他の実施形態を部分的に示しており、ＰＷＭ発生部１１２から出力されるデューティ信号Ｄ１〜Ｄ６の中の下側ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６に対応するデューティ信号Ｄ４〜Ｄ６をＡＮＤ回路１１４に入力し、ＡＮＤ回路１１４で論理「ＡＮＤ」されたＡＮＤ信号、つまりデューティ信号Ｄ４〜Ｄ６が全て一致する範囲の信号をサンプルホールド信号ＳＨＳとして出力し、サンプルホールド部１３０に入力する。この場合も、デューティ信号Ｄ４〜Ｄ６についてＡＮＤ条件をとるので、サンプルホールド信号ＳＨＳはデューティの最も小さいものとなる。

次に、本発明の更に他の実施形態を、図１に対応させて図４に示して説明する。

この実施形態では、サンプルホールド信号発生部１１３ａは入力信号選択のための各３点ずつの接点ａ１〜ａ３及びｂ１〜ｂ３を有しており、接点ａ１〜ａ３及びｂ１〜ｂ３は選択スイッチ１１４からの選択信号ＳＷで切替えられる。そして、サンプルホールド信号発生部１１３ａの接点ａ１〜ａ３にはＰＷＭ発生部１１２からの下側デューティ信号Ｄ４〜Ｄ６が入力され、接点ｂ１〜ｂ３には固定デューティ部１１５に格納されている固定デューティ値ＦＤが入力され、選択スイッチ１１４が切替信号ＳＷにより接点ａ１〜ａ３及びｂ１〜ｂ３を連動式に切替えることにより、サンプルホールド信号発生部１１３ａからは下側デューティ信号Ｄ４〜Ｄ６又は固定デューティ値ＦＤがそれぞれサンプルホールド信号ＳＨＳ１〜ＳＨＳ３として出力されるようになっている。サンプルホールド信号ＳＨＳ１〜ＳＨＳ３は、それぞれサンプルホールド回路１３１〜１３３に入力される。

このような構成において、選択スイッチ１１４は例えばモータ回転速度を検出しており、モータ回転速度が所定値を超えたときに接点を“ｂ１〜ｂ３”から“ａ１〜ａ３”にそれぞれ切替えるようになっている。低速回転信号の低速操舵時には、図９で示すような他相のスイッチングにおけるスイッチングノイズの発生を避けるため、図４に示すように接点ｂ１〜ｂ３に接続されており、固定デューティ部１１５からの固定デューティ値ＦＤを選択してサンプルホールド信号ＳＨＳ１〜ＳＨＳ３とする。そして、選択スイッチ１１４が、モータ回転速度が所定値を超えたことを検出したとき、つまり高速操舵時に接点を“ｂ１〜ｂ３”から“ａ１〜ａ３”にそれぞれ切替え、高デューティに対応するため、サンプルホールド信号ＳＨＳ１〜ＳＨＳ３を下側デューティ信号Ｄ４〜Ｄ６に連動させる。

このようにモータ回転速度によってサンプルホールド信号ＳＨＳ１〜ＳＨＳ３を切替えることにより、低速操舵時は他相のスイッチングノイズの影響を避ける効果が期待でき、高速操舵時（固定デューティ値＞下側ＦＥＴに対応する下側デューティ信号）のような状態では、サンプルホールド信号ＳＨＳ１〜ＳＨＳ３を下側ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６の下側デューティ信号Ｄ４〜Ｄ６に連動させることで、従来通り高デューティ時の動作も可能となる。

上記ではモータ回転速度によって切替を行うようにしているが、デューティ指令値の大きさによって行うことも可能である。

また、サンプルホールド回路の構成も種々存在し、図１及び図４に示すものに限定されるものではない。さらに、電流検出手段については３相下流シャント方式を例に挙げて説明したが、シャント抵抗が２個の下流ＦＥＴに接続された形式の２相下流シャント方式であっても良い。

本発明の一実施形態の構成例を示す結線図である。本発明の動作例を示すタイムチャートである。本発明の他の実施形態例の一部を示すブロック図である。本発明の更に他の実施形態の構成例を示す結線図である。電動パワーステアリング装置の一般的な構成例を示す図である。コントロールユニットの構成例を示すブロック図である。ＰＷＭ制御によるモータ駆動回路の一例を示す結線図である。３相下流シャント方式による電流検出手段の一例を示す結線図である。従来装置の動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１操行ハンドル
２コラム軸
３減速ギア
１０トルクセンサ
１２車速センサ
１４バッテリ
２０、１００モータ
３０、１１０コントロールユニット
１０１ゲート駆動部
１１１制御部
１１２ＰＷＭ発生部
１１３、１１３ａサンプルホールド信号発生部
１１４選択スイッチ
１１５固定デューティ部
１２０インバータ
１３０サンプルホールド部
１３１〜１３３サンプルホールド回路

Claims

ＰＷＭ制御部に３相電流指令値を入力し、複数の駆動素子で成る３相インバータに前記ＰＷＭ制御部からデューティ信号を与えて３相モータをＰＷＭ駆動してアシストすると共に、前記３相モータの相電流を前記３相インバータに接続された２相又は３相下流シャント方式の電流検出手段で検出して制御部にフィードバックするようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記相電流の検出値をサンプルホールドするサンプルホールド部と、前記デューティ信号のうちの最小値のものを選択して前記サンプルホールド部のサンプルホールド信号とするサンプルホールド信号発生部とを具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記サンプルホールド信号発生部がＡＮＤ回路で構成されている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
ＰＷＭ制御部に３相電流指令値を入力し、複数の駆動素子で成る３相インバータに前記ＰＷＭ制御部からデューティ信号を与えて３相モータをＰＷＭ駆動してアシストすると共に、前記３相モータの相電流を前記３相インバータに接続された２相又は３相下流シャント方式の電流検出手段で検出して制御部にフィードバックするようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記相電流の検出値をサンプルホールドするサンプルホールド部と、予め設定された固定デューティ値を格納した固定デューティ部と、前記固定デューティ値及び前記３相インバータの下側デューティ信号を入力し、前記サンプルホールド部に対するサンプルホールド信号を出力するサンプルホールド信号発生部と、前記サンプルホールド信号発生部の接点入力を切替える選択スイッチとを具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記選択スイッチは、モータ回転速度の第１所定値に対する大小で前記接点入力を切替えるようになっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記選択スイッチは、前記下側デューティ信号の第２所定値に対する大小で前記接点入力を切替えるようになっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。