JP2008296877A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】精度よく次数成分のトルクリップルを低減して効果的に振動及び異音の発生を抑制することのできる電動パワーステアリング装置を提供すること。
【解決手段】マイコン17(モータ制御信号生成部24)は、入力される信号に含まれる特定の周波数成分を減衰可能な特定周波数成分減衰部31を備え、該特定周波数成分減衰部31には、モータ12に通電される実電流としてのd軸電流値Id及びq軸電流値Iqが入力される。また、この特定周波数成分減衰部31には、モータ12の回転角速度ωeが入力され、同特定周波数成分減衰部31は、当該入力される回転角速度ωeに基づいて、その減衰する特定の周波数成分を変化させる。そして、マイコン17は、その減衰処理が施された後のd軸電流値Id´及びq軸電流値Iq´に基づいて、モータ12に駆動電力を供給するための電流フィードバック制御を実行する。
【選択図】図2

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。
従来、車両用のパワーステアリング装置には、モータを駆動源とした電動パワーステアリング装置(EPS)があり、こうしたEPSには、油圧式のパワーステアリング装置と比較して、レイアウト自由度が高く、且つエネルギー消費量が小さいという特徴がある。このため、近年では、小型車両から大型車両までの幅広い車種において、その採用が検討されるようになっている。
さて、車両用のステアリング装置においては、ステアリングを介して伝達される振動、及び当該振動により発生する異音の抑制が、その良好な操舵フィーリングを実現するための最も重要な課題の一つとなっている。特に、モータを駆動源とするEPSでは、電気的・機械的な要因により、モータ回転角(機械角)の整数倍に比例した次数成分(X次成分)のトルクリップルが発生し、これが当該EPS及び車両側の機械的構成と共振することによって、当該次数成分のトルクリップルに起因して生ずる振動及び異音が更に増幅されてしまうという問題がある。そのため、従来、EPSにおいては、こうしたモータを発生源とする振動及び異音を抑制すべく、その発生要因に応じた種々の対策がなされている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
ところが、その発生要因によっては、構造的な対策では、その精度限界等により十分な抑制効果が得られない場合もある。そこで、従来、電流フィードバック制御の実行によりモータに対する駆動電力の供給を行うEPSについて、そのモータに通電される実電流値又は該実電流値に基づき生成された制御信号に含まれる特定の周波数成分を除去(減衰)可能なノッチフィルタを設ける。そして、そのノッチフィルタにより、問題となる共振周波数成分を除去することで、上記共振による振動・異音の増幅を抑制する構成が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2002−136043号公報 特開2002−44925号公報 特開平11−313497号公報
しかしながら、上記次数成分のトルクリップルの中には、もとより極めて大きな起振エネルギーを有するものがあり、このような次数成分のトルクリップルは、共振の如何に関わらず振動及び異音を引き起こす可能性がある(図4参照)。尚、図4は濃淡が濃いところほど振動レベルが高い示しており、同図中、二点鎖線に示す領域が各次数成分のトルクリップルに対応する。そのため、上記特許文献3に示されるような特定の共振周波数成分を除去する構成では、このような起振エネルギーの高い次数成分のトルクリップルを効果的に低減することができないという問題があり、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、精度よく次数成分のトルクリップルを低減して効果的に振動及び異音の発生を抑制することのできる電動パワーステアリング装置を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、モータを駆動源として操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置と、電流フィードバック制御の実行による前記モータへの駆動電力の供給を通じて前記操舵力補助装置の作動を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、前記制御手段は、前記モータに通電される実電流値、又は前記電流フィードバック制御の実行により生成される制御信号に含まれた特定の周波数成分を減衰可能な特定周波数減衰手段を備え、前記特定周波数減衰手段は、前記モータの回転角速度に応じて、その減衰する特定の周波数成分を変化させること、を要旨とする。
上記構成によれば、回転角速度の上昇に伴いその周波数が比例的に高周波側へとシフトする次数成分のトルクリップルについても、幅広い回転角速度領域において、これを低減することができる。その結果、効果的に振動及び異音の発生を抑制することができる。
請求項2に記載の発明は、前記特定周波数減衰手段は、対象成分の次数及び前記回転角速度に基づき減衰角周波数を演算する減衰角周波数手段と、該演算された減衰角周波数により特定される周波数成分に対して減衰特性を有するノッチフィルタとを備えてなること、を要旨とする。
上記構成によれば、ノッチフィルタが減衰する周波数成分は、その対象とする次数成分の上記回転角速度に応じた周波数変化に合わせて、比例的に高周波側へとシフトする。これにより、さらに精度よく、対象とする次数成分のトルクリップルを低減することができ、その結果、より効果的に振動及び異音の発生を抑制することができる。
請求項3に記載の発明は、前記制御手段は、d/q座標系における電流フィードバック制御の実行により前記モータに対する駆動電力の供給を実行するものであって、前記特定周波数減衰手段は、少なくともq軸電流値又は該q軸電流値に順ずる前記制御信号に含まれる前記特定の周波数成分を減衰可能に構成されること、を要旨とする。
即ち、トルクリップルの要因となる周波数成分は、d/q座標系、特にq軸電流値又はq軸電流値に順ずる制御信号において、最も顕著に現れる。従って、上記構成によれば、より効果的にトルクリップルの発生を抑制することができる。
本発明によれば、精度よく次数成分のトルクリップルを低減して効果的に振動及び異音の発生を抑制することのできる電動パワーステアリング装置を提供することができる。
以下、本発明を電動パワーステアリング装置(EPS)に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1は、本実施形態のEPS1の概略構成図である。同図に示すように、ステアリングホイール(ステアリング)2が固定されたステアリングシャフト3は、ラックアンドピニオン機構4を介してラック5に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト3の回転は、ラックアンドピニオン機構4によりラック5の往復直線運動に変換される。そして、このラック5の往復直線運動により操舵輪6の舵角が変更されるようになっている。
また、EPS1は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのEPSアクチュエータ10と、該EPSアクチュエータ10の作動を制御する制御手段としてのECU11とを備えている。
本実施形態のEPSアクチュエータ10は、その駆動源であるモータ12がラック5と同軸に配置された所謂ラック型のEPSアクチュエータであり、モータ12が発生するアシストトルクは、ボールねじ機構(図示略)を介してラック5に伝達される。尚、本実施形態のモータ12は、ブラシレスモータであり、ECU11から三相(U,V,W)の駆動電力の供給を受けることにより回転する。そして、モータ制御装置としてのECU11は、このモータ12が発生するアシストトルクを制御することにより、操舵系に付与するアシスト力を制御する(パワーアシスト制御)。
本実施形態では、ECU11には、トルクセンサ14及び車速センサ15が接続されている。そして、ECU11は、これらトルクセンサ14及び車速センサ15によりそれぞれ検出される操舵トルクτ及び車速Vに基づいて、EPSアクチュエータ10の作動、即ちパワーアシスト制御を実行する。
次に、本実施形態のEPSの電気的構成について説明する。
図2は、本実施形態のEPSの制御ブロック図である。同図に示すように、ECU11は、モータ制御信号を出力するモータ制御信号出力手段としてのマイコン17と、同マイコン17の出力するモータ制御信号に基づいてモータ12に三相の駆動電力を供給する駆動回路18とを備えている。
尚、本実施形態の駆動回路18は、直列に接続された一対のスイッチング素子を基本単位(アーム)として各相に対応する3つのアームを並列接続してなる周知のPWMインバータであり、マイコン17の出力するモータ制御信号は、駆動回路18を構成する各スイッチング素子のオンduty比を規定するものとなっている。そして、モータ制御信号が各スイッチング素子のゲート端子に印加され、同モータ制御信号に応答して各スイッチング素子がオン/オフすることにより、車載電源(図示略)の直流電圧が三相(U,V,W)の駆動電力に変換されてモータ12に供給されるようになっている。
本実施形態では、ECU11には、モータ12に通電される各相電流値Iu,Iv,Iwを検出するための電流センサ20u,20v,20w、及びモータ12の回転角(電気角)θを検出するための回転角センサ21が接続されている。そして、マイコン17は、これら各センサの出力信号に基づき検出されたモータ12の各相電流値Iu,Iv,Iw及び回転角θ、並びに上記操舵トルクτ及び車速Vに基づいて、駆動回路18に対するモータ制御信号の出力を実行する。
本実施形態のマイコン17は、操舵系に付与するアシスト力の制御目標量として電流指令値を演算する電流指令値演算部22と、電流指令値演算部22により算出された電流指令値に基づいてモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成手段としてのモータ制御信号生成部24とを備えている。
本実施形態では、電流指令値演算部22には、上記トルクセンサ14及び車速センサ15により検出された操舵トルクτ及び車速Vが入力されるようになっており、同電流指令値演算部22は、これら操舵トルクτ及び車速Vに基づいて、アシスト力の制御目標量に対応する電流指令値としてd/q座標系のq軸電流指令値を演算する。具体的には、電流指令値演算部22は、その操舵トルクτが大きいほど、また車速Vが小さいほど、より大きな目標アシスト力に対応するq軸電流指令値Iq*を演算する。
一方、モータ制御信号生成部24には、電流指令値演算部22において演算されたq軸電流指令値Iq*とともに、各電流センサ20u,20v,20wにより検出された実電流値としての各相電流値Iu,Iv,Iw、及び回転角センサ21により検出された回転角θが入力される。そして、モータ制御信号生成部24は、これら各相電流値Iu,Iv,Iw、及び回転角θ(電気角)に基づいて、d/q座標系における電流フィードバック制御を実行することによりモータ制御信号を生成する。
即ち、モータ制御信号生成部24に入力された各相電流値Iu,Iv,Iwは、回転角θとともに3相/2相変換部25に入力され、同3相/2相変換部25によりd/q座標系のd軸電流値Id及びq軸電流値Iqに変換される。また、モータ制御信号生成部24に入力されたq軸電流指令値Iq*は、q軸電流値Iq(後述する特定周波数成分減衰部31を通過した後のq軸電流値Iq´)とともに減算器26qに入力され、d軸電流値Id(同じく特定周波数成分減衰部31を通過した後のd軸電流値Id´)は、d軸電流指令値Id*(Id*=0)とともに減算器26dに入力される。そして、これら減算器26d,26qにおいて演算されたd軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqは、それぞれ対応するF/B制御部27d,27qに入力される。
各F/B制御部27d,27qは、入力されたd軸電流偏差ΔId及びq軸電流偏差ΔIqに所定のF/Bゲイン(PIゲイン)を乗ずることにより、d軸電圧指令値Vd*及びq軸電圧指令値Vq*を演算する。各F/B制御部27d,27qにより演算されたこれらd軸電圧指令値Vd*及びq軸電圧指令値Vq*は、回転角θとともに2相/3相変換部28に入力される。そして、そのd軸電圧指令値Vd*及びq軸電圧指令値Vq*は、2相/3相変換部28において三相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に変換される。
2相/3相変換部28において演算された各電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*は、PWM変換部30に入力され、同PWM変換部30において、該各電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に対応するduty指令値が生成される。そして、モータ制御信号生成部24は、これら各duty指令値に示されるオンduty比を有するモータ制御信号を生成し、マイコン17は、そのモータ制御信号を、駆動回路18を構成する各スイッチング素子(のゲート端子)に出力することにより、同駆動回路18の作動、即ちモータ12への駆動電力の供給を制御する。
(トルクリップル低減制御)
次に、本実施形態におけるトルクリップル低減制御の態様について説明する。
図2に示すように、本実施形態のマイコン17(モータ制御信号生成部24)は、入力される信号に含まれる特定の周波数成分を減衰可能な特定周波数減衰手段としての特定周波数成分減衰部31を備えている。
本実施形態では、この特定周波数成分減衰部31には、3相/2相変換部25の出力するd軸電流値Id及びq軸電流値Iqが入力されるようになっており、上記減算器26d,26qには、当該特定周波数成分減衰部31における減衰処理により振動成分を除去した後のd軸電流値Id´及びq軸電流値Iq´が入力される。そして、この減衰処理後のd軸電流値Id´及びq軸電流値Iq´を基礎として電流フィードバック制御を実行し、モータ制御信号を生成することにより、トルクリップルの低減、及び当該トルクリップルに起因する振動や異音の発生を抑制する構成となっている。
ここで、本実施形態の特定周波数成分減衰部31には、上記d軸電流値Id及びq軸電流値Iqとともに、モータ12の回転角速度(電気角速度)ωeが入力されるようになっており、同特定周波数成分減衰部31は、当該入力される回転角速度ωeに基づいて、その減衰する特定の周波数成分を変化させる(図3参照)。そして、本実施形態では、このような減衰処理が施された後のd軸電流値Id´及びq軸電流値Iq´に基づき電流フィードバック制御を実行することにより、精度よく、振動や異音の発生を引き起こすモータ回転角(機械角)の整数倍に比例した次数成分(X次成分)のトルクリップルを低減する構成となっている。
即ち、上記のような次数成分のトルクリップルは、回転角速度の上昇に伴ってその周波数が比例的に高周波側へとシフトする(図4参照)。従って、上記特許文献3に示されるような特定の共振周波数成分を除去する構成では、共振の如何に関わらず振動や異音の発生を引き起こすような大きな起振エネルギーを有するものには対応することができない。
この点を踏まえ、本実施形態では、対象とする次数成分のトルクリップルについて、その回転角速度に応じた周波数変化に合わせて、特定周波数成分減衰部31が減衰する特定の周波数成分を変化させる(図3参照)。そして、これにより、精度よく次数成分のトルクリップルを低減して、効果的に振動及び異音の抑制を図る構成となっている。
詳述すると、本実施形態の特定周波数成分減衰部31は、対象とする次数成分のトルクリップルについて、その回転角速度に応じた周波数変化に対応して変化する減衰角周波数ωcを演算する減衰角周波数演算部32と、該演算された減衰角周波数ωcにより特定される周波数成分に対して減衰特性を有するノッチフィルタ33d,33qとを備えている。そして、それぞれ、対応する各ノッチフィルタ33d,33qを通過した後のd軸電流値Id´及びq軸電流値Iq´を上記減算器26d,26qへと出力する構成となっている。
さらに詳述すると、特定周波数成分減衰部31に入力される電気角速度としての回転角速度ωeは、角速度変換部34において機械角としての回転角速度(機械角速度ωm)に変換された後、減衰角周波数演算手段としての減衰角周波数演算部32に入力される。尚、機械角速度ωmは、電気角である回転角速度ωeをモータの極対数(p)で除することにより求められる(ωm=ωe/p)。また、本実施形態の特定周波数成分減衰部31には、そのトルクリップル低減対象となる次数成分の次数を記憶する対象次数記憶部35が設けられており、減衰角周波数演算部32には、上記の機械角速度ωmとともに、この対象次数記憶部35に記憶、即ち予め対象成分として設定された次数Xが入力されるようになっている。そして、減衰角周波数演算部32は、これら入力される機械角速度ωm及び次数Xに基づいて、次の(1)式に示される減衰角周波数ωcを演算する。
Figure 2008296877
尚、上記(1)式中、「fc」は「カットオフ周波数」である。
また、特定周波数成分減衰部31に入力されたd軸電流値Id及びq軸電流値Iqは、上記減衰角周波数演算部32において演算された減衰角周波数ωcとともに、対応する上記各ノッチフィルタ33d,33qに入力される。
ここで、本実施形態の各ノッチフィルタ33d,33qは、下記(2)式の伝達関数に示される減衰特性を有している。
Figure 2008296877
尚、上記(2)式中の「s」はラプラス演算子、そして、「ζ1,ζ2」は「ノッチの深さと幅を決定するパラメータ(ζ1>ζ2)」である。
そして、特定周波数成分減衰部31は、これら各ノッチフィルタ33d,33qにおいて減衰処理された後のd軸電流値Id´及びq軸電流値Iq´を上記減算器26d,26qへと出力する。
即ち、減衰角周波数演算部32において演算される減衰角周波数ωcは、入力される機械角速度ωmの上昇に応じて変化し、これに伴い当該減衰角周波数ωcにより規定される各ノッチフィルタ33d,33qが減衰する周波数成分もまた、その対象とする次数成分の上記回転角速度に応じた周波数変化に合わせて比例的に高周波側へとシフトする。従って、精度よく次数成分のトルクリップルを低減することが可能であり、これにより効果的に振動及び異音の抑制を図る構成となっている。
以上、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
(1)マイコン17(モータ制御信号生成部24)は、入力される信号に含まれる特定の周波数成分を減衰可能な特定周波数成分減衰部31を備え、該特定周波数成分減衰部31には、モータ12に通電される実電流としてのd軸電流値Id及びq軸電流値Iqが入力される。また、この特定周波数成分減衰部31には、モータ12の回転角速度ωeが入力され、同特定周波数成分減衰部31は、当該入力される回転角速度ωeに基づいて、その減衰する特定の周波数成分を変化させる。そして、マイコン17は、その減衰処理が施された後のd軸電流値Id´及びq軸電流値Iq´に基づいて、モータ12に駆動電力を供給するための電流フィードバック制御を実行する。
上記構成によれば、回転角速度の上昇に伴いその周波数が比例的に高周波側へとシフトする次数成分のトルクリップルについても、幅広い回転角速度領域において、これを低減することができる。その結果、効果的に振動及び異音の発生を抑制することができる。
(2)特定周波数成分減衰部31は、対象とする次数成分のトルクリップルの上記回転角速度に応じた周波数変化に対応して変化する減衰角周波数ωcを演算する減衰角周波数演算部32と、該演算された減衰角周波数ωcにより特定される周波数成分に対して減衰特性を有するノッチフィルタ33d,33qとを備えて構成される。
上記構成によれば、各ノッチフィルタ33d,33qが減衰する周波数成分は、その対象とする次数成分の上記回転角速度に応じた周波数変化に合わせて、比例的に高周波側へとシフトする。これにより、さらに精度よく、対象とする次数成分のトルクリップルを低減することができ、その結果、より効果的に振動及び異音の発生を抑制することができる。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、特定周波数成分減衰部31は、実電流であるd軸電流値Id及びq軸電流値Iqについて、その減衰処理を実行することとした。しかし、これに限らず、実電流ではなく、電流フィードバック制御により生成される制御信号について上記減衰処理を行ってもよい。このような構成としても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、この場合における「電流フィードバック制御により生成される制御信号」には、電流フィードバック制御以降の各次元(d/q軸座標系及び三相交流座標系)の指令値が含まれることはいうまでもない。
・また、q軸電流値Iq(又はq軸電流値に順ずる制御信号)のみについて、こうした減衰処理を行う構成としてもよい。即ち、トルクリップルの要因となる周波数成分は、q軸電流値(又はq軸電流値に順ずる制御信号)において、最も顕著に現れる。従って、少なくともq軸電流値(又はq軸電流値に順ずる制御信号)について減衰処理を行う構成としても、本実施形態と同様のトルクリップル低減効果を期待することができる。
・更に、本発明は、d/q変換前の各相電流値Iu,Iv,Iwについて上記減衰処理を行う構成、ひいては相電流フィードバック制御の実行により駆動電力の供給を行うものに適用してもよい。
・本実施形態の特定周波数成分減衰部31は、図2に示すように、d軸電流値Id及びq軸電流値Iqのそれぞれに対応する上記各ノッチフィルタ33d,33qを一つずつ有することとしたが、例えば、複数の次数成分を減衰対象とする場合には、それぞれに対応するノッチフィルタを直列に接続する構成としてもよい。また、共振周波数成分を減衰するノッチフィルタと組み合わせる構成としてもよい。
電動パワーステアリング装置(EPS)の概略構成図。 EPSの電気的構成を示すブロック図。 減衰する周波数成分の回転角速度に応じた変化の態様を示す説明図。 トラッキング解析の一例を示す説明図。
符号の説明
1…電動パワーステアリング装置(EPS)、10…EPSアクチュエータ、11…ECU、12…モータ、17…マイコン、18…駆動回路、22…電流指令値演算部、24…モータ制御信号生成部、27d,27q…F/B制御部、31…特定周波数成分減衰部、32…減衰角周波数演算部、33d,33q…ノッチフィルタ、34…角速度変換部、35…対象次数記憶部、Id,Id´…d軸電流値、Iq,Iq´…q軸電流値、ωe…回転角速度、ωm…機械角速度、ωc…減衰角周波数、X…次数。

Claims (3)

  1. モータを駆動源として操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置と、電流フィードバック制御の実行による前記モータへの駆動電力の供給を通じて前記操舵力補助装置の作動を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、
    前記制御手段は、前記モータに通電される実電流値、又は前記電流フィードバック制御の実行により生成される制御信号に含まれた特定の周波数成分を減衰可能な特定周波数減衰手段を備え、
    前記特定周波数減衰手段は、前記モータの回転角速度に応じて、その減衰する特定の周波数成分を変化させること、を特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 請求項1に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記特定周波数減衰手段は、対象成分の次数及び前記回転角速度に基づき減衰角周波数を演算する減衰角周波数演算手段と、該演算された減衰角周波数により特定される周波数成分に対して減衰特性を有するノッチフィルタとを備えてなること、
    を特徴とする電動パワーステアリング装置。
  3. 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において、
    前記制御手段は、d/q座標系における電流フィードバック制御の実行により前記モータに対する駆動電力の供給を実行するものであって、
    前記特定周波数減衰手段は、少なくともq軸電流値又は該q軸電流値に順ずる前記制御信号に含まれる前記特定の周波数成分を減衰可能に構成されること、
    を特徴とする電動パワーステアリング装置。
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