JP2009046015A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角を精度よく推定できない状況においても、継続してステアリングホイールの操舵を補助することができる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】本発明の電動パワーステアリング装置１は、トルクセンサ２と、ブラシレスモータ３と、制御装置５とを備えている。ブラシレスモータ３は、回転角センサ３０を有している。制御装置５は、回転角推定部５２と、制御部５３とを有している。回転角推定部５２は、ブラシレスモータ３のコイルの誘起電圧に基づいてロータの回転角を推定する。制御部５３は、回転角センサ３０が故障し、かつ、コイルの誘起電圧最大値が２．４Ｖ未満のとき、トルクセンサ２の検出した操舵方向を判定し、ブラシレスモータ３内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界が発生するように制御する。これにより、回転角を精度よく推定できない状況においても、継続してステアリングホイールの操舵を補助することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置に関する。

車両において、ステアリングホイールの操舵を補助する操舵補助装置として、電動パワーステアリング装置がある。電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵を補助するためのトルクを発生するモータを備えている。モータがブラシレスモータの場合、ロータの回転角を検出する回転角センサが設けられている。ロータの回転角に応じた交流電力を供給することで、モータはトルクを発生する。そのため、回転角センサが故障すると、モータはトルクを発生できなくなる。この場合、ステアリングホイールの操舵を補助できないこととなる。

これに対し、回転角センサが故障しても、継続してモータのトルクを発生することができる装置として、例えば特開２００１−１１２２８２号公報に開示されているモータ制御装置がある。このモータ制御装置は、モータと、磁極位置検出センサと、異常検出器と、磁極位置推定器とを備えている。異常検出器が磁極位置検出センサの異常を検出したとき、磁極位置推定器は、モータ情報に基づいて磁極位置を推定する。例えば、特許第２８１９６５５号に開示されているように、モータのコイルの誘起電圧と基準電圧の比較結果に基づいて磁極位置を推定する。モータ制御装置は、磁極位置推定器によって推定された磁極位置に基づいてモータの制御を続行する。これにより、磁極位置検出センサが故障しても、モータは継続してトルクを発生することができる。
特開２００１−１１２２８２号公報 特許第２８１９６５５号

ところで、前述したモータ駆動装置では、モータのコイルの誘起電圧に基づいて磁極位置を推定している。そのため、モータの回転数が低いと、コイルの誘起電圧も低くなり、精度よく磁極位置を推定できない可能性がある。この場合、推定した磁極位置に基づいてモータを制御すると、要求とは逆方向のトルクを発生する恐れもある。電動パワーステアリング装置に適用した場合、ステアリングホイールの操舵を補助できないこととなる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、回転角を精度よく推定できない状況においても、継続してステアリングホイールの操舵を補助することができる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。

課題を解決するための手段及び発明の効果

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、回転角検出手段が故障し、かつ、コイルの誘起電圧最大値が所定電圧値未満のとき、ブラシレスモータ内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界を発生させることで、回転角を精度よく推定できない状況においても、継続してステアリングホイールの操舵を補助できることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操舵方向及び操舵トルクを検出するトルク検出手段と、ステアリングホイールの操舵を補助するためのトルクを発生するブラシレスモータと、ブラシレスモータのロータの回転角を検出する回転角検出手段と、直流電力を交流電力に変換してブラシレスモータに供給する電力変換手段と、回転角検出手段の故障を検出する故障検出手段と、ブラシレスモータのコイルの誘起電圧に基づいてロータの回転角を推定する回転角推定手段と、故障検出手段が回転角検出手段の故障を検出したとき、回転角推定手段の推定した回転角に基づいて電力変換手段を介してブラシレスモータ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において、制御手段は、故障検出手段が回転角検出手段の故障を検出し、かつ、ブラシレスモータのコイルの誘起電圧最大値が所定電圧値未満のとき、トルク検出手段の検出結果に基づいてステアリングホイールの操舵方向を判定し、ブラシレスモータ内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界が発生するように、電力変換手段を介してブラシレスモータを制御することを特徴とする。ここで、所定電圧値は、回転角を精度よく推定することができる、コイルの誘起電圧最大値の下限値である。

この構成によれば、回転角検出手段が故障し、かつ、コイルの誘起電圧最大値が所定電圧値未満のとき、つまり、コイルの誘起電圧が低く、回転角を精度よく推定できないとき、トルク検出手段の検出結果に基づいてブラシレスモータを制御することができる。具体的には、トルク検出手段の検出結果からステアリングホイールの操舵方向を判定する。そして、ブラシレスモータ内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界が発生するように制御する。ところで、ブラシレスモータは、ロータの回転角に基づいて交流電力を供給することで、内部に回転磁界が発生し、その回転方向にトルクを発生する。しかし、効率は低下するが、ロータの回転角が不明であっても、内部に回転磁界を発生させることで、ロータと同期がとれると、その回転方向にトルクを発生させることができる。そのため、回転角検出手段が故障し、かつ、コイルの誘起電圧が低く、回転角を精度よく推定できない状況においても、ブラシレスモータ内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界が発生するように制御することで、その方向にトルクを発生させることができる。従って、継続してステアリングホイールの操舵を補助することができる。

請求項２に記載の電動パワーステアリング装置は、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、所定電圧値は、ブラシレスモータの定格電圧の２０％の電圧値であることを特徴とする。この構成によれば、回転角検出手段が故障し、かつ、コイルの誘起電圧最大値がブラシレスモータの定格電圧の２０％未満のとき、トルク検出手段の検出結果に基づいてブラシレスモータを制御することができる。コイルの誘起電圧最大値がブラシレスモータの定格電圧の２０％未満（厳密には１５％未満、より厳密には１０％未満）になると、コイルの誘起電圧に基づいてロータの回転角を精度よく推定することが困難になる。そのため、回転角検出手段が故障し、かつ、コイルの誘起電圧最大値がブラシレスモータの定格電圧の２０％未満のとき、トルク検出手段の検出手段に基づいて制御することで、ステアリングホイールの操舵の補助を確実に継続することができる。

請求項３に記載の電動パワーステアリング装置は、請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置において、制御手段は、トルク検出手段の検出した操舵トルクの大きさに応じて回転磁界の回転数を変化させることを特徴とする。この構成によれば、操舵トルクの大きさに応じて回転磁界の回転数を変化させることができる。操舵トルクの大きさが変化すると、ステアリングホイールの操舵速度も変化する。それに伴って、ブラシレスモータの回転数も変化することとなる。そのため、操舵トルクの大きさに応じて回転磁界の回転数を変化させることで、回転磁界をロータと確実に同期させることができる。従って、トルクを確実に発生させることができる。

請求項４に記載の電動パワーステアリング装置は、請求項３に記載の電動パワーステアリング装置において、制御手段は、トルク検出手段の検出した操舵トルクの大きさが大きい程、回転磁界の回転数を低くすることを特徴とする。この構成によれば、操舵トルクが大きい程、回転磁界の回転数を低くすることができる。操舵トルクが大きい程、ステアリングホイールの操舵速度も遅くなる。それに伴って、ブラシレスモータの回転数も低下することとなる。そのため、操舵トルクの大きさが大きい程、回転磁界の回転数を低くすることで、回転磁界をロータとより確実に同期させることができる。従って、トルクをより確実に発生させることができる。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

まず、図１及び図２を参照して電動パワーステアリング装置の構成について説明する。ここで、図１は、本実施形態における電動パワーステアリング装置の構成図である。図２は、電動パワーステアリング装置のブロック図である。

図１に示すように、電動パワーステアリング装置１は、トルクセンサ２（トルク検出手段）と、ブラシレスモータ３と、減速装置４と、制御装置５とから構成されている。

トルクセンサ２は、ステアリングホイール６の操舵方向及び操舵トルクを検出するセンサである。トルクセンサ２は、操舵方向及び操舵トルクの大きさに応じた信号を出力する。トルクセンサ２は、ステアリングシャフト７に設置されている。

ブラシレスモータ３は、ステアリングホイール６の操舵を補助するためのトルクを発生する装置である。具体的には、ロータの回転角に基づいて交流電力を供給することで、内部に回転磁界が発生し、その回転方向にトルクを発生する、例えば定格電圧１２ＶのブラシレスＤＣモータである。ブラシレスモータ３には、ロータの回転角を検出する回転角センサ（図略）が設けられている。減速装置４は、ブラシレスモータ３の回転を減速し、発生したトルクをステアリングシャフト７に伝達する装置である。ブラシレスモータ３は、トルクセンサ２よりも反ステアリングホイール６側に設置された減速装置４を介して、ステアリングシャフト７に噛合されている。

制御装置５は、トルクセンサ２の出力、及び、別途得られる車速情報に基づいてブラシレスモータ３の発生するトルクを制御する装置である。図２に示すように、制御装置５は、電力変換部５０（電力変換手段）と、故障検出部５１（故障検出手段）と、回転角推定部５２（回転角推定手段）と、制御部５３（制御手段）とから構成されている。

電力変換部５０は、例えば定格電圧１２Ｖのバッテリ１４から供給される直流電力を、交流電力に変換してブラシレスモータ３に供給する回路ブロックである。具体的にはインバータ回路である。電力変換部５０の電力入力端子は、バッテリ１４にそれぞれ接続されている。また、電力出力端子は、ブラシレスモータ３の各相にそれぞれ接続されている。さらに、信号入力端子は、制御部５３に接続されている。

故障検出部５１は、回転角センサ３０（回転角検出手段）の故障を検出する回路ブロックである。故障検出部５１は、回転角センサ３０の出力信号に基づいて回転角センサ３０の故障を判定する。そして、回転角センサ３０が故障していると判定したとき、対応する信号を出力する。故障検出部５１の信号入力端子は、回転角センサ３０に接続されている。また、信号出力端子は、制御部５３に接続されている。

回転角推定部５２は、ブラシレスモータ３のコイルの誘起電圧に基づいてブラシレスモータ３のロータの回転角を推定する回路ブロックである。例えばコイルの誘起電圧と基準電圧の比較結果に基づいてロータの回転角を推定し、対応する信号を出力する。回転角推定部５２は、ブラシレスモータ３の各相にそれぞれ接続されている。また、信号出力端子は、制御部５３に接続されている。

制御部５３は、操舵トルク、車速情報、及び、ブラシレスモータ３のロータの回転角に基づいて、電力変換部５０を制御するための回路ブロックである。制御部５３は、操舵トルク及び車速情報に基づいてトルク指令を算出する。回転角センサ３０が正常であるとき、制御部５３は、回転角センサ３０の検出結果に基づいて、ブラシレスモータ３がトルク指令に対応するトルクを発生するように電力変換部５０を制御する。

これに対し、故障検出部５１が回転角センサ３０の故障を検出すると、制御部５３は、回転角推定部５２の推定した回転角に基づいて、ブラシレスモータ３がトルク指令に対応するトルクを発生するように電力変換部５０を制御する。また、故障検出部５１が回転角センサ３０の故障を検出し、かつ、ブラシレスモータ３のコイルの誘起電圧最大値が所定電圧値未満のとき、回転角推定部５２の推定した回転角に係わらず、トルクセンサ２の検出結果に基づいて電力変換部５０を制御する。具体的には、トルクセンサ２の検出結果からステアリングホイール６の操舵方向を判定する。そして、ブラシレスモータ３内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界が発生するように電力変換部５０を制御する。しかも、トルクセンサ２の検出した操舵トルクの大きさに応じて回転磁界の回転数を変化させる。具体的には、操舵トルクの大きさが大きい程、回転磁界の回転数を低くする。

制御部５３は、マイクロコンピュータを備えている。制御部５３の電源端子は、バッテリ１４の正極端子及び負極端子にそれぞれ接続されている。また、信号入力端子は、トルクセンサ２、回転角センサ３０、故障検出部５１、回転角推定部５２、及び、ブラシレスモータ３の各相にそれぞれ接続されている。さらに、信号出力端子は、電力変換部５０に接続されている。

次に、図１〜図４を参照して電動パワーステアリング装置の動作について説明する。ここで、図３は、電動パワーステアリング装置の動作に関するフローチャートである。図４は、操舵トルクの大きさに対する回転磁界の回転数の関係を示すグラフである。

図１及び図２において、電圧が供給されると、電動パワーステアリング装置１は作動を開始する。図３に示すように、制御部５３は、回転角センサ３０が故障しているか否かを判定する（Ｓ１００）。具体的には、故障検出部５１の出力信号に基づいて、回転角センサ３０が故障しているか否かを判定する。

ステップＳ１００において、回転角センサ３０が故障していない、つまり正常であると判定すると、制御部５３は、通常制御を行う（Ｓ１０１）。具体的には、操舵トルク及び車速情報に基づいてトルク指令を算出する。そして、回転角センサ３０の検出結果に基づいて、ブラシレスモータ３がトルク指令に対応するトルクを発生するように電力変換部５０を制御する。これにより、ステアリングホイール６の操舵が適切に補助され、操舵時の負荷が軽減される。

これに対し、ステップＳ１００において、回転角センサ３０が故障していると判定すると、制御部５３は、ブラシレスモータ３のコイルの誘起電圧最大値が、ブラシレスモータ３の定格電圧１２Ｖの２０％未満、つまり２．４Ｖ未満であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。コイルの誘起電圧に基づいて回転角を推定する場合、誘起電圧の大きさによって推定精度が変化する。コイルの誘起電圧最大値がブラシレスモータ３の定格電圧１２Ｖの２０％以上、つまり２．４Ｖ以上であれば、充分な推定精度を確保することができる。逆に、コイルの誘起電圧最大値がブラシレスモータ３の定格電圧１２Ｖの２０％未満、つまり２．４Ｖ未満であれば、充分な推定精度を確保することはできない。

ステップＳ１０２において、コイルの誘起電圧最大値が２．４Ｖ以上であるとき、制御部５３は、回転角推定部５２が回転角を精度よく推定できるものと判断し、推定した回転角に基づいて、ブラシレスモータ３がトルク指令に対応するトルクを発生するように電力変換部５０を制御する（Ｓ１０３）。その後、ステップＳ１０２に戻る。

これに対し、ステップＳ１０２において、コイルの誘起電圧最大値が２．４Ｖ未満であるとき、制御部５３は、回転角推定部５２が回転角を精度よく推定できないものと判断し、推定した回転角に係わらず、トルクセンサ２の検出結果に基づいて電力変換部５０を制御する（Ｓ１０４）。具体的には、トルクセンサ２の検出結果からステアリングホイール６の操舵方向を判定する。そして、ブラシレスモータ３内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界が発生するように電力変換部５０を制御する。ブラシレスモータ３は、ロータの回転角に基づいて交流電力を供給することで、内部に回転磁界が発生し、その回転方向にトルクを発生する。しかし、効率は低下するが、ロータの回転角が不明であっても、内部に回転磁界を発生させることで、ロータと同期がとれると、その回転方向にトルクを発生することができる。

さらに、制御部５３は、トルクセンサ２の検出した操舵トルクの大きさに応じて回転磁界の回転数を変化させる。具体的には、図４に示すように、操舵トルクの大きさが大きい程、回転磁界の回転数を低くする。トルクセンサ２の検出した操舵トルクが大きい程、ステアリングホイール６の操舵が重くなり、操舵速度は遅くなる。つまり、ブラシレスモータ３の回転数も低くなる。そのため、操舵トルクが大きい程、回転磁界の回転数を低くすることで、回転磁界がロータと同期しやくなり、トルクを確実に発生させることができる。これにより、回転角センサ３０が故障し、かつ、コイルの誘起電圧が低く、回転角を精度よく推定できない状況においても、継続してステアリングホイール６の操舵を補助することができる。

その後、ステップＳ１０２に戻り、同様の処理を繰り返す。

最後に、効果について説明する。本実施形態によれば、回転角センサ３０が故障し、かつ、コイルの誘起電圧最大値が２．４Ｖ未満のとき、ブラシレスモータ３内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界が発生するように制御することで、その方向にトルクを発生させることができる。そのため、回転角センサ３０が故障し、かつ、コイルの誘起電圧が低く、回転角を精度よく推定できない状況においても、継続してステアリングホイール６の操舵を補助することができる。

また、本実施形態によれば、操舵トルクの大きさが大きい程、回転磁界の回転数を低くすることで、回転磁界がロータと同期しやくなり、トルクを確実に発生させることができる。

本実施形態における電動パワーステアリング装置の構成図である。 電動パワーステアリング装置のブロック図である。 電動パワーステアリング装置の動作に関するフローチャートである。 操舵トルクに対する回転磁界の回転数の関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・電動パワーステアリング装置、２・・・トルクセンサ（トルク検出手段）、３・・・ブラシレスモータ、３０・・・回転角センサ（回転角検出手段）、４・・・減速装置、５・・・制御装置、５０・・・電力変換部（電力変換手段）、５１・・・故障検出部（故障検出手段）、５２・・・回転角推定部（回転角推定手段）、５３・・・制御部（制御手段）、６・・・ステアリングホイール、７・・・ステアリングシャフト、８・・・ステアリングギアボックス、９・・・ラック、１０・・・タイロッド、１１・・・ナックルアーム、１２・・・タイヤ、１３・・・車輪、１４・・・バッテリ

Claims (4)

1. ステアリングホイールの操舵方向及び操舵トルクを検出するトルク検出手段と、前記ステアリングホイールの操舵を補助するためのトルクを発生するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのロータの回転角を検出する回転角検出手段と、直流電力を交流電力に変換して前記ブラシレスモータに供給する電力変換手段と、前記回転角検出手段の故障を検出する故障検出手段と、前記ブラシレスモータのコイルの誘起電圧に基づいて前記ロータの回転角を推定する回転角推定手段と、前記故障検出手段が前記回転角検出手段の故障を検出したとき、前記回転角推定手段の推定した回転角に基づいて前記電力変換手段を介して前記ブラシレスモータ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において、
   前記制御手段は、前記故障検出手段が前記回転角検出手段の故障を検出し、かつ、前記ブラシレスモータの前記コイルの誘起電圧最大値が所定電圧値未満のとき、前記トルク検出手段の検出結果に基づいて前記ステアリングホイールの操舵方向を判定し、前記ブラシレスモータ内に、操舵方向に対応した回転方向に回転磁界が発生するように、前記電力変換手段を介して前記ブラシレスモータを制御することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記所定電圧値は、ブラシレスモータの定格電圧の２０％の電圧値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. 前記制御手段は、前記トルク検出手段の検出した操舵トルクの大きさに応じて回転磁界の回転数を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記制御手段は、前記トルク検出手段の検出した操舵トルクの大きさが大きい程、回転磁界の回転数を低くすることを特徴とする請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。