JP2008273391A - 電動パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補正の為の膨大なデータ量を必要とすることなく、安価な構成にて３相ブラシレスモータのトルクリップルを抑制し得る電動パワーステアリング制御装置を提供する。
【解決手段】運転者の操舵力を補助する３相ブラシレスモータ３の電気角の周波数の整数倍、又は整数分の一した周波数の正弦波電流値を、運転者の操舵力に応じて設定した電流値に加算して３相ブラシレスモータ３のｑ軸目標電流とし、このｑ軸目標電流に３相ブラシレスモータ３のｑ軸電流をフィードバック制御するように構成した。
【選択図】 図３

Description

この発明は、自動車等の車両を運転する運転者の操舵力を３相ブラシレスモータにより補助する電動パワーステアリング制御装置に関するものである。

自動車等の車両の操舵力をモータにより補助する電動パワーステアリング装置においては、運転者の操舵トルクをトルクセンサにて検出し、この操舵トルクに応じて設定した目標電流にモータ電流をフィードバック制御することにより操舵の補助力を発生している。

以下に、３相ブラシレスモータを用いた従来装置の動作について図１１に示すブロック図に従って説明する。
同図において、電動パワーステアリング装置１は、自動車の運転者の操舵力を検出するトルクセンサ２、運転者の操舵力を補助する３相ブラシレスモータ３、この３相ブラシレスモータ３に付随し、回転角度を検出する回転センサ４、および制御装置５から構成されている。

制御装置５は、３相ブラシレスモータ３を駆動するインバータ回路５１と、このインバータ回路５１の上下一対からなる３つのアームを構成する６個の電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと称する）５１１〜５１６を駆動するゲート駆動回路５２と、インバータ回路５１の下アームを構成するＦＥＴ５１４〜５１６のそれぞれのソースとグランドＧとの間に挿入された電流検出抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、これらの電流検出抵抗Ｒ１〜Ｒ３の出力を増幅して３相ブラシレスモータ３の各相の電流を検出する電流検出回路５３と、３相ブラシレスモータ３の通電電流を制御するＣＰＵ５４とから構成されている。

ＣＰＵ５４は、電流検出回路５３にて検出した３相ブラシレスモータ３の各相の電流をＡ／Ｄ変換器Ｂ１にて読み込むと共に、３相ブラシレスモータ３に付随して３相ブラシレスモータ３の回転角度を検出する回転センサ４の検出結果を読み取って電気角算出ブロックＢ２にて電気角を求める。次にｑ軸電流算出ブロックＢ３にて、先に読み込んだ３相の電流値と電気角から所定の演算式に基づいてｑ軸電流を算出する。ここでｑ軸電流とは、３相の電流を電気角に基づいて合成して得られる電流であって、３相ブラシレスモータ３の出力トルクはこのｑ軸電流に正比例する。

一方、目標電流設定ブロックＢ４ではトルクセンサ２にて検出した運転者の操舵トルクに応じてｑ軸の目標電流を設定する。次に電流制御ブロックＢ５では、この目標電流と先にｑ軸電流算出ブロックＢ３で求めたｑ軸電流とが一致する様に３相ブラシレスモータ３を駆動すべき電圧指令値を算出する。

次に、３相電圧指令算出ブロックＢ６では、この電圧指令値と電気角から３相ブラシレスモータ３の各相に加えるべき３相電圧指令値を算出する。次に、ＰＷＭパルス発生ブロックＢ７では、この３相電圧指令値に応じて３相に加えるべきＰＭＷパルスを発生する。前記インバータ回路５１はゲート駆動回路５２を介してこのＰＭＷパルスにより駆動されて３相ブラシレスモータ３に通電する。以上の様にして、３相ブラシレスモータ３には、運転者の操舵トルクに応じた電流が通電される。

ここで、上述した電気角について説明する。３相ブラシレスモータ３が例えば４極対である場合、即ち３相ブラシレスモータ３を構成する磁石のＮ極とＳ極の対が４つある場合、３相ブラシレスモータ３が１回転する間にＮ極とＳ極の対は４回現れる。つまり、３相ブラシレスモータ３の４分の１回転が極対の１周期となる。電気的な制御はこの極対に対して行われるので、この極対の１周期の３６０度を電気角と呼称する。つまり、３相ブラシレスモータ３の４分の１回転が電気角の３６０度となる。

以上に述べた３相ブラシレスモータ３では様々な理由からトルクリップル、即ちモータ出力トルクの変動が発生する。このトルクリップルは、電動パワーステアリングにおいてはハンドル操舵時の振動や音となって現れ、操舵感を著しく悪化させる。

このモータのトルクリップルを抑制する装置として、モータの電気角の１周期間のトルクリップルを予め測定し、そのトルクリップルに相当するモータの電流を算定してデータテーブルとして制御装置に記憶しておき、装置の動作時にはこの予め測定してデータテーブル化した電流の逆相の電流を目標電流に加算する電動パワーステアリング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１３７１１０号公報

然しながら、上記特許文献１で提案されている電動パワーステアリング装置においては、電気角の１周期間のトルクリップルのデータは膨大な量となり、更に３相ブラシレスモータのトルクリップルは、モータの電流や回転速度に応じて異なるので、様々な電流と回転数に対応して多数のデータテーブルを備える必要があり、装置は甚だ高価なものとなる。

この発明は、このような従来装置の問題を除去するもので、３相ブラシレスモータのトルクリップルを補正するための膨大なデータ量を必要とすることなく、安価な構成にて３相ブラシレスモータのトルクリップルを抑制し得る電動パワーステアリング制御装置を提供することを目的としている。

この発明に係る電動パワーステアリング制御装置は、操舵力を補助する３相ブラシレスモータの電気角の周波数の整数倍、又は整数分の一した周波数の正弦波電流を、操舵力に応じて設定した電流に加算して３相ブラシレスモータのｑ軸目標電流とし、このｑ軸目標電流に３相ブラシレスモータのｑ軸電流をフィードバック制御するように構成したものである。

この発明によれば、３相ブラシレスモータのトルクリップルを補正するための膨大なデータ量を必要とすることなく安価な構成にてトルクリップルを抑制し得る電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電動パワーステアリング制御装置について好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
先ず、この発明の実施の形態１について説明をするのに先立ち、３相ブラシレスモータのトルクリップルの発生要因について説明する。
図１は、３相ブラシレスモータのトルクリップルの具体例を示したグラフであって、横軸は３相ブラシレスモータの電気角の２周期を表し、縦軸は該モータの出力トルクの変動分を表している。同図に示すように、トルクリップルは電気角に同期して周期的に現れる。図２は、図１に示したトルクリップルのフーリエスペクトルを表した図であって、横軸は電気角を基準とした周波数を表し、縦軸はリップルの強度を表している。この図２に示すように、図１に示したトルクリップルは、０．５Ｆ、１Ｆ、２Ｆ、６Ｆの各周波数成分から成っている。ここで、リップルの周波数が電気角の周波数の０．５倍である時、それを０．５Ｆリップルと呼称する。他の１Ｆ、２Ｆ、６Ｆについても同様であって、例えばリップルの周波数が電気角の周波数の６倍の場合には６Ｆリップルと呼称する。

これらの、各周波数成分のトルクリップルには夫々に発生要因がある。３相ブラシレスモータの回転角度を検出する回転センサに周期的な誤差が含まれる場合には、例えば０．５Ｆのトルクリップルが発生する。また、３相ブラシレスモータの各相の電流を検出する電流検出回路に直流オフセットが含まれる場合には１Ｆのトルクリップルが発生する。更に、制御装置と３相ブラシレスモータとを接続する配線に３相間での差異があると２Ｆのトルクリップルが発生する。また、３相ブラシレスモータを駆動するインバータ回路を構成するＦＥＴのＰＭＷパルス駆動のデッドタイムにより６Ｆのトルクリップルが発生する。ここで、デッドタイムとは、インバータ回路の３つのアームを構成する上下一対のＦＥＴの駆動手法であって、上下のＦＥＴが同時には導通することの無いようにオン・オフのスイッチングの過渡時に上下ＦＥＴをともにオフに駆動する時間のことを言う。

以上説明したように、３相ブラシレスモータのトルクリップルは、該３相ブラシレスモータの電気角の周波数の整数倍、又は整数分の一の周波数を持った複数の正弦波を合成したものとなっている。従って、制御装置にてこの電気角の周波数の整数倍、又は整数分の一の周波数を持った複数の正弦波を作成して合成し、その逆相の電流を３相ブラシレスモータに加えることにより３相ブラシレスモータのトルクリップルを抑制することが出来る。

次に、この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置について説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置を示すブロック図である。この図において、電動パワーステアリング制御装置３０は、３相ブラシレスモータ３の通電電流を制御するＣＰＵ３００の破線で囲んだブロック群を具備していることと、電気的に消去可能な不揮発性メモリＥＥＰＲＯＭ３０１を具備していることを除くと図１１の従来装置と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。なお、後述するように、上記破線で囲んだブロック群にて３相ブラシレスモータ３のトルクリップの発生を抑制する機能を実現している

周波数逓倍ブロックＢ８は電気角を整数倍、又は整数分の一にするブロックであって、図３中に示した数字に対応して電気角を０．５倍、１倍、２倍、６倍にする。以下、この電気角の処理方法について図４に従って説明する。図３において説明した電気角算出ブロックＢ２で算出された電気角は、所定のレジスタにバイナリデータで格納されている。図４では、このレジスタがＢＩＴ０からＢＩＴ１１の計１２ビットのデータ長で電気角の２周期の７２０度を表している例を示している。電気角がバイナリデータで構成されているので、同図に示すように、上位の１０ビットを取り出せば電気角の０．５倍の周波数となり、ＢＩＴ１からＢＩＴ１０の１０ビットを取り出せば電気角の１倍の周波数となり、ＢＩＴ０からＢＩＴ９の１０ビットを取り出せば電気角の２倍の周波数となる。

また、この２倍の周波数のデータを３回加算して上位の１０ビットのデータを取り出せば電気角の６倍の周波数となる。これらの０．５倍、１倍、２倍、６倍された角度データの動作を図５に示す。図５では横軸が電気角を表し縦軸が各々０．５倍、１倍、２倍、６倍された角度を表している。

図３に戻り、次段の位相オフセット加算ブロックＢ９では、以上の０．５倍、１倍、２倍、６倍された角度に所定のオフセット角度を加算する。図３中にはこのオフセット角を各々θ１、θ２、θ３、θ４で記述している。前記図１に示したトルクリップルを各周波数の正弦波に分解した場合、各々の正弦波の位相は電気角を基準として位相がシフトしている。ここで加算するオフセット角θ１、θ２、θ３、θ４はこの位相のシフト量に対応した角度である。

次に、正弦波データテーブルＢ１０にて、以上の処理で得られた角度データに従って正弦波データが格納された正弦波テーブルを参照して０．５Ｆ、１Ｆ、２Ｆ、６Ｆの成分に対応した正弦波データを得る。

次に振幅係数乗算ブロックＢ１１にて、以上の処理で得られた正弦波データに振幅係数を乗じる。図３中にはこの振幅係数を各々、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４で記述している。この係数は、前記図１に示したトルクリップルを各周波数の正弦波に分解した場合の振幅に対応している。

以上の処理にて得られた０．５Ｆ、１Ｆ、２Ｆ、６Ｆの正弦波を図６、図７、図８、図９に示す。これらの図では横軸が電気角の２周期の７２０度を表し、縦軸が振幅を表している。次に、これらの正弦波のデータを加算ブロックＢ１２にて加算する。加算した結果は前記図１に示したトルクリップルと同一の波形となる。次に、この加算したデータを目標電流設定ブロックＢ４で設定した目標電流から減算する。即ちトルクリップルに対応した電流と逆位相の電流を目標電流に加える。これにより、３相ブラシレスモータ３に通電する電流にトルクリップルを抑制する電流が加えられる。

ところで、前記図１に示したトルクリップルを各周波数の正弦波に分解した場合の位相と振幅は、３相ブラシレスモータ３の回転数と電流に依存して変化するので、前記オフセット角θ１、θ２、θ３、θ４と振幅係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は、この３相ブラシレスモータ３の回転数と電流に応じて設定する必要がある。

図３の補正データテーブルＢ１３は、このオフセット角θ１、θ２、θ３、θ４と振幅係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を格納したデータテーブルであって、モータの各回転数と各電流に対応したデータが格納されている。図１０にこの補正データテーブルＢ１３の構成を示す。この補正データテーブルＢ１３は、行がモータの電流に対応し、列がモータの回転数に対応した２次元で構成されており、回転数は５００ｒｐｍ毎にマッピングされており、電流は２０Ａ毎にマッピングされている。マッピングされた点の間の値は補間計算により求める。

この補正データテーブルＢ１３を参照する為のモータの回転数は、図３に示す回転数算出ブロックＢ１４にて電気角算出ブロックＢ２で求めた電気角の変化速度から算出される。また、補正データテーブルＢ１３を参照する為のモータの電流には、前記ｑ軸電流算出ブロックＢ３にて求めたｑ軸電流を用いる。

ところで、３相ブラシレスモータ３が発生するトルクリップルは個々のモータで異なっている。図３に示すＥＥＰＲＯＭ３０１は、このバラツキに対応する電気的に消去可能な不揮発性メモリであって、データテーブルＢ１３に記述すべきデータが、個々のモータに対応して予め記憶されている。制御装置５は、その起動時毎にこのＥＥＰＲＯＭ３０１からデータを取り出してＣＰＵ３００の補正データテーブルＢ１３に転送する。

以上説明したように、実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置においては、異なった周波数を持つ複数の正弦波を目標ｑ軸電流に加算することにより、３相ブラシレスモータ３が発生するトルクリップルを抑制している。つまり、図１に示す一見複雑に見えるトルクリップルの波形を４つの正弦波の位相と振幅の僅か２つのデータで代表しているので、制御装置５が記憶しておくべきデータ量が、トルクリップルの波形そのものを記憶する前記従来装置と比較して、格段に少ない。

以上のように、実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、操舵力を補助する３相ブラシレスモータ３の電気角の周波数の整数倍、又は整数分の一した周波数の正弦波電流値を、操舵力に応じて設定した電流値に加算してｑ軸目標電流とし、このｑ軸目標電流に３相ブラシレスモータ３のｑ軸電流をフィードバック制御するようにしたので、補正の為の膨大なデータ量を必要とすることなく安価な構成にてトルクリップルを抑制することが可能になる。

この発明に係る電動パワーステアリング制御装置は、自動車を運転する運転者の操舵力を３相ブラシレスモータにより補助する電動パワーステアリング装置に適用できる。

３相ブラシレスモータのトルクリップルの具体例を示したグラフである。 図１に示したトルクリップルのフーリエスペクトルを表した図である。 この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置を示すブロック図である。 ３相ブラシレスモータの電気角のデータ構成を示す図である。 ３相ブラシレスモータの電気角の逓倍処理を説明するための図である。 トルクリップルの０．５Ｆ成分に対応した図である。 トルクリップルの１Ｆ成分に対応した図である。 トルクリップルの２Ｆ成分に対応した図である。 トルクリップルの６Ｆ成分に対応した図である。 補正データテーブルの構成を示す図である。 従来の３相ブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング制御装置を示すブロック図である。

符号の説明

１，３０ 電動パワーステアリング制御装置
２ トルクセンサ
３ ３相ブラシレスモータ
４ 回転センサ
５ 制御装置
５１ インバータ回路
５２ ゲート駆動回路
５３ 電流検出回路
５４，３００ ＣＰＵ
３０１ ＥＥＰＲＯＭ
５１１〜５１６ 電界効果トランジスタ
Ｂ１ Ａ／Ｄ変換器
Ｂ２ 電気角算出ブロック
Ｂ３ ｑ軸電流算出ブロック
Ｂ４ 目標電流設定ブロック
Ｂ５ 電流制御ブロック
Ｂ６ ３相電圧指令算出ブロック
Ｂ７ ＰＭＷパルス発生ブロック
Ｂ８ 周波数逓倍ブロック
Ｂ９ 位相オフセット加算ブロック
Ｂ１０ 正弦波データテーブル
Ｂ１１ 振幅係数乗算ブロック
Ｂ１２ 加算ブロック
Ｂ１３ 補正データテーブル
Ｂ１４ 回転数算出ブロック
Ｒ１〜Ｒ３ 電流検出抵抗
Ｇ グランド

Claims (7)

1. 運転者の操舵力を３相ブラシレスモータで補助する電動パワーステアリング装置において、上記操舵力に応じた電流に、上記３相ブラシレスモータの電気角の周波数の整数倍、又は整数分の一した周波数の正弦波電流を加算した電流を上記３相ブラシレスモータのｑ軸に通電することを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
2. 上記加算した電流を上記３相ブラシレスモータのｑ軸目標電流とし、このｑ軸目標電流に上記３相ブラシレスモータのｑ軸電流をフィードバック制御す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制御装置。
3. 上記正弦波電流の位相を、上記電気角に対して所定の角度オフセットして設定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動パワーステアリング制御装置。
4. 正弦波データを予め記憶したメモリを備え、このメモリを参照して上記正弦波電流を得ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電動パワーステアリング制御装置。
5. 上記３相ブラシレスモータの電気角をバイナリ形式のディジタル値で表し、このディジタル値の所定のビットを取り出すことにより上記電気角の整数倍、又は整数分の一の周波数のデータを得て、このデータに応じて前記メモリを参照することを特徴とする請求項４記載の電動パワーステアリング制御装置。
6. 上記メモリを参照して得た正弦波電流に所定の振幅係数を乗じた後に上記目標電流値に加算することを特徴とする請求項４または請求項５記載の電動パワーステアリング制御装置。
7. 上記位相のオフセット角と振幅係数とを、上記３相ブラシレスモータの回転数と電流に応じて設定することを特徴とする請求項６記載の電動パワーステアリング装置。
   

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