JP2009248795A

JP2009248795A - 電動パワーステアリング制御装置

Info

Publication number: JP2009248795A
Application number: JP2008100228A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kifuku; 隆之喜福
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-08
Also published as: FR2929579B1; FR2929579A1; US9061700B2; US20090254252A1; DE102008042858A1; JP4606476B2; DE102008042858B4

Abstract

【課題】モータ電流を直接検出することなくモータを制御する電動パワーステアリング制御装置であっても、モータのトルク変動や外乱の運転者への影響を十分に小さく抑制することができる制御装置を得ることを目的とする。
【解決手段】この発明の電動パワーステアリング制御装置は、ステアリング系の操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵トルクを補助するトルクを発生するモータを備えた電動パワーステアリングにおいて、トルクセンサからの操舵トルク信号に対応し、モータのトルクを演算するモータ目標トルク演算手段と、モータ目標トルク演算手段からのモータ目標トルク信号に対応し、モータに印加する電圧を演算するモータ印加電圧演算手段を備え、モータ目標トルク演算手段の操舵トルク信号とモータ目標トルクの比率を、モータのトルク変動が運転者に与える影響が所定値以下となるように設定する。
【選択図】図３

Description

この発明は、電動パワーステアリング装置に関するもので、特に、モータ電流を直接検出することなくモータ制御を行うものに適した制御装置に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置として、トルクセンサからの操舵トルク信号に基づいて計算したモータ目標電流と、モータ電流の測定値が一致するようにフィードバック制御し、モータを駆動する装置が知られている。（例えば、特許文献１）

また、従来の電動パワーステアリング装置として、モータ電流を測定せず、操舵速度の検出信号と、操舵トルク信号に基づき、モータを駆動する装置も知られている。（例えば、特許文献２）

さらにまた、従来の電動パワーステアリング装置として、モータ電流を測定せずに推定し、操舵トルク信号に基づき、モータ推定値をフィードバック制御し、モータを駆動する装置も知られている。（例えば、特許文献３）

特開２００１−２０６２３２号公報特開昭６１−１６９３６８号公報特許登録３７１４８４３号公報

軽乗用車用のパワーステアリングとして実用化が始まった電動パワーステアリングは、近年、車両重量の大きい普通乗用車まで適用範囲が拡大し、モータの大電流化・高出力化が進んでいる。これに対し、特許文献１に示されるような従来技術のように、モータ電流を安価な抵抗で検出し、フィードバック制御するためには、この抵抗素子だけでなく、抵抗で検出した信号をマイクロコンピュータに入力するためのインターフェース回路が必要となるため、これらを搭載するために、制御装置の基板面積を大きくせざるを得ないという問題があった。また、この抵抗による発熱が大きく、この熱を放熱させるために、制御装置に備えたヒートシンクを大型にする必要があり、装置の大型化、コストアップを招くという問題もあった。さらに、このようにモータ電流を抵抗にて検出する場合には、この抵抗による電力損失が、モータの高出力化を阻害するという問題もあった。

一方、モータ電流を検出するための抵抗による発熱や電力損失、装置の大型化を抑えるためには、モータ電流を検出せずに制御することが考えられる。例えば、特許文献２には、操舵速度検出信号に基づき、モータの逆起電力を補償し、オープンループで電流制御する方法が示されている。また、特許文献３には、モータの駆動電圧から推定したモータ電流をフィードバック制御する方法が示されている。

一般に、モータの巻線抵抗のばらつきや温度特性は、モータ電流を検出してフィードバック制御すればその影響を抑制することができる。しかし、これら従来装置のようにモータ電流を検出しない場合には、モータ電流が変化しやすく、結果としてモータトルクが変化し、運転者の操舵トルクに影響を与えることとなる。また、ノイズ等のモータ電圧への外乱に対しても同様に、これら従来装置ではモータ電流を検出する場合に比べてモータ電流の変動につながりやすく、振動、騒音等の影響が出る。

この発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、モータ電流を直接検出することなくモータを制御する電動パワーステアリング制御装置であっても、モータのトルク変動や外乱の運転者への影響を十分に小さく抑制することができる制御装置を得ることを目的とする。

この発明の電動パワーステアリング制御装置は、ステアリング系の操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵トルクを補助するトルクを発生するモータを備えた電動パワーステアリングにおいて、上記トルクセンサからの操舵トルク信号に対応し、上記モータのトルクを演算するモータ目標トルク演算手段と、上記モータ目標トルク演算手段からのモータ目標トルク信号に対応し、上記モータに印加する電圧を演算するモータ印加電圧演算手段を備え、上記モータ目標トルク演算手段の操舵トルク信号とモータ目標トルクの比率を、上記モータのトルク変動が運転者に与える影響が所定値以下となるように設定することを特徴とする。

この発明によれば、発熱等の問題を生じ、モータ電流を直接検出することなくモータを制御する電動パワーステアリング制御装置であっても、モータのトルク変動や外乱の運転者への影響を十分に小さく抑制することができる制御装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１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の構成を示す図であり、１はハンドル、２はステアリング軸、３は車両の前輪、４は運転者の操舵トルクを検出するためのトルクセンサ、５はモータ、６はモータ５のトルクをステアリング軸２に伝達するためのギア、７はトルクセンサ４が接続され、モータ５を駆動制御するためのコントローラ、８はモータ５にコントローラ７を介して給電するためのバッテリである。ＴＨは、運転者の操舵トルク、ＴＭはモータ５の出力トルク、ＴＬは前輪３からモータ５と運転者への負荷トルクを、それぞれステアリング軸２上のトルクに換算したものを表す。

図２は、コントローラ７の内部動作を説明するためのブロック図であり、２１は、運転者の操舵トルクを表すトルクセンサ４からの操舵トルク信号ＴＨ＿ＤＥＴに対応し、モータ２の出力トルクの目標値を表すモータ目標トルク信号ＴＭ＿ＴＧＴを演算するためのモータ目標トルク演算手段、２２は、モータ５の回転速度を検出するためのモータ回転速度検出手段、２３は、モータ目標トルク演算手段２１からのモータ目標トルク信号ＴＭ＿ＴＧＴと、モータ電圧検出手段２２からのモータ電圧信号ＶＥ＿ＤＥＴに対応し、モータ５に印加する電圧を表すモータ印加電圧ＶＭを演算し、モータ５を駆動するモータ印加電圧演算手段である。

図３は、この実施形態のモータ目標トルク演算手段２１の動作を説明する図であり、３１、３２は、操舵トルク信号ＴＨ＿ＤＥＴに対して後述する位相進み補償を施したＴＨ＿ＣＭＰと、モータ目標トルク信号ＴＭ＿ＴＧＴの静的な関係を表すアシストマップである。一方、３３は、モータ５の出力トルクＴＭと、負荷トルクＴＬと、運転者の操舵トルクＴＨのつりあいの式である、
ＴＬ＝ＴＭ＋ＴＨ・・・（１）
において、ＴＭ＝ＴＭ＿ＴＧＴおよびＴＨ＝ＴＨ＿ＣＭＰを代入して求められる、いわゆる負荷線である。

次に、動作について説明する。まず、モータ目標トルク演算手段２１では、モータ５の目標トルクを演算する。トルクセンサ４により検出された運転者の操舵トルクは、操舵トルク信号ＴＨ＿ＤＥＴとして入力され、例えば、
ＴＨ＿ＣＭＰ＝ＴＨ＿ＤＥＴ＊（１＋τ１ｓ）／（１＋τ２ｓ）・・・（２）
により位相進み補償が施される（ただし、ＴＨ＿ＣＭＰ：位相進み補償された操舵トルク信号、τ１、τ２：定数、ｓ：ラプラス演算子である）。これにより、トルクセンサ４、モータ５、コントローラ７を含むループの交差周波数近傍での位相が進み、発振することなく安定に動作するようになる。

続いて、（２）式により求められた位相補償された操舵トルク信号ＴＨ＿ＣＭＰから、図３の特性に従い、モータ目標トルク信号ＴＭ＿ＴＧＴを演算する。ここで、図３について詳しく説明する。モータ目標トルク演算手段２１の静特性がアシストマップ３１のとき、負荷線３３とアシストマップ３１の交点がモータ５の動作点となる。種々要因によるモータ５のトルク変動をΔＴＭとすると、操舵トルクＴＨに表れる影響は、アシストマップ３１上で上記動作点を中心に上記ΔＴＭ変動したときの操舵トルクから読み取ることができ、ΔＴＨ１となる。アシストマップ３１の傾きを大きくし、例えば、アシストマップ３２とすると、モータ５のトルク変動の操舵トルクへの影響は小さくなり、上記と同じΔＴＭに対する操舵トルクの変動は、ΔＴＨ２となる。

ΔＴＭは、モータ５の特性から、予め見積もることができるものであり、このトルク変動幅と許容する操舵トルクの変動幅の２つの仕様が決まれば、上述の方法で、ＴＭ＿ＴＧＴとＴＨ＿ＣＭＰの関係を決めることができる。

ΔＴＭは、一般的にモータトルクが大きくなるにつれて大きくなるので、このΔＴＭにより操舵トルクＴＨに現れる影響を上記のように運転者への影響が問題とならない程度に抑えるため、ＴＭ＿ＴＧＴとＴＨ＿ＣＭＰの関係は、ＴＨ＿ＣＭＰが大きいほど傾きが大きくなり、また、その影響をＴＨ＿ＣＭＰの大きさにかかわらずほぼ一定になるように設定するには、図３のアシストマップ３１、３２の如く曲線となる。

なお、このとき、トルクセンサ４のヒステリシスが無視できない場合は、ΔＴＨ１、ΔＴＨ２に対し、トルクセンサ４のステアリング軸２換算のヒステリシスが加算されることになる。従って、ヒステリシスが小さなトルクセンサを用いることによって、ヒステリシスの影響を小さくできるとともに、アシストマップを決めるときには、ヒステリシスを考慮することによって、ヒステリシスがあっても、運転者に与える影響を十分に小さく抑えることができる。

すなわち、トルク変動ΔＴＭをトルクセンサ３にて検出できれば、このトルク変動ΔＴＨを含めた操舵トルクに応じてモータを駆動することが可能であり、トルク変動ΔＴＭを検出し制御するためには、トルクセンサ３のヒステリシスをトルク変動ΔＴＨ以下に設定する必要があり、このように設定することによって、モータのトルク変動ΔＴＨが運転者に与える影響をより小さく抑えることができるということである。

具体例を挙げてアシストマップの決め方を説明する。ここでは、モータのトルク変動ΔＴＭによる操舵トルクの変動を、経験的に運転者に与える影響が十分に小さい０．５Ｎｍまで許すこととし、ヒステリシス幅０．３Ｎｍのセンサを用いるものとする。操舵トルクの変動が０．５Ｎｍのとき、上述のトルクセンサの出力変動ΔＴＨは、
ΔＴＨ＝０．５−０．３＝０．２（Ｎｍ）・・・（３）
となる。アシストマップの動作点において、モータ５のステアリング軸２換算の出力トルク変動が１Ｎｍの場合、アシストマップの傾きを、
ΔＴＭ／ΔＴＨ＝１／０．２＝５・・・（４）
（ΔＴＭ／ΔＴＨ：アシストマップ傾き）
とすると、操舵トルクの変動は許容範囲内となり、モータのトルク変動や外乱に対して、運転者に与える影響を十分に小さく抑えることができる。このように、モータ目標トルク演算手段２１の特性を決めることができる。

ここで、モータ５はＤＣモータであり、出力トルクはモータ電流に比例する。そこで、モータ印加電圧演算手段２３にて、モータ目標トルクＴＭ＿ＴＧＴに相当するモータ電流を通電するべくモータ電流をオープンループ制御する。このとき、モータ５の逆起電力を、モータ電圧検出手段２２で検出されたＶＭに基づいて計算し、従来技術と同様に、モータ目標トルクとモータ逆起電力から、モータ印加電圧ＶＭを演算し、モータ５を駆動する。

ここで、パワーステアリングの静的なアシスト力に関しては、逆起電力が０Ｖのときのモータ電流が重要であり、それは主に印加電圧と電機子抵抗で決まる。しかし、上述の電流制御では、モータ電流は、電機子抵抗のばらつきや温度特性の影響を受け、結果としてモータ出力トルクが変化する。しかし、このようなモータ出力トルクの変化を予め見積もり、本実施形態のモータ目標トルク演算手段のようにアシストマップを決めておけば、操舵トルクへの影響を所定値以下に抑制することができる。もちろん、印加電圧ＶＭへの外乱により予想されるモータ電流の変動もさらに加味してアシストマップを決めてもよい。

以上のように、本実施形態における電動パワーステアリング制御装置は、モータ電流を検出してフィードバック制御しない場合においても、モータトルクの変動の操舵トルクへの影響を抑えることができるものである。また、これよって電流センサを設けなくてもよいため、これを設けない場合には、電流検出用の抵抗やそのインターフェース回路分、回路規模を小さくでき、また、発熱が抑制できるため、制御装置に設けられたヒートシンクを大型化する必要がなく、制御装置を小型化、コストダウンを実現でき、さらに、電流検出用抵抗による電力損失が生じないため、モータの高効率化を実現できるという効果をも奏するものである。

なお、この発明におけるアシストマップの設定は、電流センサを備え、モータ電流をフィードバック制御する場合に適用しても、モータのトルク変動や外乱による操舵トルクの変動を抑制する効果を奏することは言うまでもない。

また、本実施形態ではアシストマップを曲線としたが、見積もられた最大のトルク変動ΔＴＭに対してアシストマップの傾きを決め、直線としてもよい。

実施の形態２．
上記実施形態１では、モータの逆起電力を求めるために、モータ電圧を検出していたが、逆起電力はモータの回転速度に比例するため、ブラシレスモータ等、モータがロータの角度センサを備える場合には、モータ角度の微分値を用いて電流制御しても良い。また、操舵角度センサを備える場合には、その微分値を用いてもほぼ等価である。この場合、モータ電圧検出手段が不要となる。

近年、電動パワーステアリングの適用が拡大している車両重量の大きい自動車には、車両挙動の制御のための操舵角度センサが標準的に具備されることが多い。さらに、車両重量の大きい自動車用の電動パワーステアリングに必要な高出力のモータとして、ブラシモータよりもより適切なブラシレスモータには、モータのロータ角度センサが具備されることが多い。このような場合に、本実施形態のように、モータ電流やモータ電圧の検出回路を設けず、操舵角度ないしモータ角度信号で制御すれば、モータ電圧検出手段を省略できることによって装置のコストダウンを実現できる。

実施の形態３．
上記実施形態１では、モータ電流をオープンループ制御していたが、特許文献３のように、モータ電流を推定し、フィードバック制御しても良い。この場合においても、モータ電流を検出する場合に比べると、モータ電流は変動しやすい傾向にあるので、本装置は有効に作用するものであり、この場合も、上記実施形態１と同様に、モータトルクの変動の操舵トルクへの影響を抑えることができるという効果をそうするだけでなく、電流検出用の抵抗やそのインターフェース回路分、回路規模を小さくでき、また、発熱が抑制できるため、制御装置に設けられたヒートシンクを大型化する必要がなく、制御装置を小型化、コストダウンを実現でき、さらに、電流検出用抵抗による電力損失が生じないため、モータの高効率化を実現できるという効果をも奏するものである。

この発明の実施形態１による電動パワーステアリング制御装置を示す図である。この発明の実施形態１による電動パワーステアリング制御装置の制御を説明するブロック図である。この発明の実施形態１による電動パワーステアリング制御装置の操舵トルクとモータトルクの関係を説明する図である。

符号の説明

１ハンドル、２ステアリング軸、３前輪、４トルクセンサ、５モータ、６ギア、７コントローラ、８バッテリ、２１モータ目標トルク演算手段、２２モータ回転速度検出手段、２３モータ印加電圧演算手段

Claims

ステアリング系の操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵トルクを補助するトルクを発生するモータを備えた電動パワーステアリングにおいて、上記トルクセンサからの操舵トルク信号に対応し、上記モータのトルクを演算するモータ目標トルク演算手段と、上記モータ目標トルク演算手段からのモータ目標トルク信号に対応し、上記モータに印加する電圧を演算するモータ印加電圧演算手段を備え、上記モータ目標トルク演算手段の操舵トルク信号とモータ目標トルクの比率を、上記モータのトルク変動が運転者に与える影響が所定値以下となるように設定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。
上記所定値を、上記ステアリング軸トルク換算で０．５Ｎｍ以下となるように設定す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制御装置。
上記トルクセンサのヒステリシス幅が、上記所定値以下となるように設定することを特徴とする請求項１または２に記載の電動パワーステアリング制御装置。
上記トルクセンサのヒステリシス幅が、上記モータの最大トルク出力時のトルク変動幅以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動パワーステアリング制御装置。
上記モータ印加電圧演算手段は、上記モータ目標トルク信号に対応し、上記モータの電流をオープンループ制御して上記モータへの印加電圧を演算することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動パワーステアリング制御装置。
上記モータの電流を推定するためのモータ電流推定手段を備え、上記モータ印加電圧演算手段は、上記モータ電流推定手段からのモータ電流推定値信号と、上記モータ目標トルク信号の差分に対応し、上記モータの電流をフィードバック制御して上記モータへの印加電圧を演算することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動パワーステアリング制御装置。