JP2010208592A - 車両用操舵装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】回転角センサを用いない新たな制御方式で駆動源としてのモータを制御する構成の車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】仮想回転座標系であるγδ座標系のγ軸電流Iγでモータが駆動される。γδ座標系は、制御上の回転角である制御角θCに従う座標系である。制御角θCとロータ角θMとの差は負荷角θLである。この負荷角θLに応じたアシストトルクTAが発生する。一方、操舵トルクTがフィードバックされ、指示操舵トルクT*に操舵トルクTを近づけるように、加算角αが生成される。この加算角αが制御角θCの前回値θC(n-1)に加算されることにより、制御角θCの今回値θC(n)が求められる。ゲイン設定部43は、目標ヨーレートYR*と実ヨーレートYRとの偏差ΔYRに基づいて、γ軸指示電流値Iγ *を補正するためのゲインGを設定する。
【選択図】図1
【解決手段】仮想回転座標系であるγδ座標系のγ軸電流Iγでモータが駆動される。γδ座標系は、制御上の回転角である制御角θCに従う座標系である。制御角θCとロータ角θMとの差は負荷角θLである。この負荷角θLに応じたアシストトルクTAが発生する。一方、操舵トルクTがフィードバックされ、指示操舵トルクT*に操舵トルクTを近づけるように、加算角αが生成される。この加算角αが制御角θCの前回値θC(n-1)に加算されることにより、制御角θCの今回値θC(n)が求められる。ゲイン設定部43は、目標ヨーレートYR*と実ヨーレートYRとの偏差ΔYRに基づいて、γ軸指示電流値Iγ *を補正するためのゲインGを設定する。
【選択図】図1
Description
この発明は、ブラシレスモータを駆動するためのモータ制御装置を備えた車両用操舵装置に関する。車両用操舵装置の一例は、電動パワーステアリング装置である。
ブラシレスモータを駆動制御するためのモータ制御装置は、一般に、ロータの回転角を検出するための回転角センサの出力に応じてモータ電流の供給を制御するように構成されている。回転角センサとしては、一般的には、ロータ回転角(電気角)に対応した正弦波信号および余弦波信号を出力するレゾルバが用いられる。しかし、レゾルバは、高価であり、配線数が多く、また、設置スペースも大きい。そのため、ブラシレスモータを備えた装置のコスト削減および小型化が阻害されるという課題がある。
そこで、回転角センサを用いることなくブラシレスモータを駆動するセンサレス駆動方式が提案されている。センサレス駆動方式は、ロータの回転に伴う誘起電圧を推定することによって、磁極の位相(ロータの電気角)を推定する方式である。ロータ停止時および極低速回転時には、誘起電圧を推定できないので、別の方式で磁極の位相が推定される。具体的には、ステータに対してセンシング信号を注入し、このセンシング信号に対するモータの応答が検出される。このモータ応答に基づいて、ロータ回転位置が推定される。
上記のセンサレス駆動方式は、誘起電圧やセンシング信号を用いてロータの回転位置を推定し、その推定によって得られた回転位置に基づいてモータを制御するものである。しかし、この駆動方式は、いずれの用途にも適しているわけではなく、たとえば、車両の舵取り機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置その他の車両用操舵装置の駆動源として用いられるブラシレスモータの制御に適用するための手法は未だ確立されていない。そのため、別の方式によるセンサレス制御の実現が望まれている。
そこで、この発明の目的は、回転角センサを用いない新たな制御方式で駆動源としてのモータを制御することができる車両用操舵装置を提供することである。
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、ロータ(50)と、このロータに対向するステータ(55)とを備えたモータ(3)によって車両の舵取り機構に駆動力を付与する車両用操舵装置であって、制御上の回転角である制御角(θC)に従う回転座標系の軸電流値(Iγ *)で前記モータを駆動する電流駆動手段(31〜36)と、所定の演算周期毎に、制御角の前回値に加算角(α)を加算することによって制御角の今回値を求める制御角演算手段(26)と、前記舵取り機構が路面から受ける路面負荷値を演算する路面負荷値演算手段(4,6,8,41,42)と、前記路面負荷値演算手段によって演算された路面負荷値に応じて、前記軸電流値を設定する軸電流設定手段(43,44)とを含む、車両用操舵装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
この構成によれば、制御角に従う回転座標系(γδ座標系。以下「仮想回転座標系」といい、この仮想回転座標系の座標軸を「仮想軸」という。)の軸電流値(以下「仮想軸電流値」という。)によってモータが駆動される一方で、制御角は、演算周期毎に加算角を加算することによって更新される。これにより、制御角を更新しながら、すなわち、仮想回転座標系の座標軸(仮想軸)を更新しながら、仮想軸電流値でモータを駆動することによって、必要なトルクを発生させることができる。こうして、回転角センサを用いることなく、モータから適切なトルクを発生させることができる。前記加算角は、たとえば、モータが発生すべきトルクに対応する値とされる。
さらに、この発明では、路面負荷値演算手段によって、舵取り機構が路面から受ける路面負荷値が演算される。そして、路面負荷値演算手段によって演算された路面負荷値に応じて、仮想軸電流値が設定される。路面負荷値が比較的小さい場合には、操舵に必要なトルクは小さくてよいから、仮想軸電流値は小さくてもよい。そこで、たとえば、路面負荷値が比較的小さい場合に、仮想軸電流値を低下させるとよい。このように、路面負荷値に応じて必要充分な仮想軸電流値を設定することが可能となるので、発熱量および消費電力の低減化が図れる。
請求項2記載の発明は、前記路面負荷値演算手段は、車両挙動の指標となる車両挙動指標値の目標値である、目標挙動指標値を演算する目標挙動指標値演算手段(4,6,41)と、車両挙動指標値の実際値である実挙動指標値を検出する実挙動指標値検出手段(8)と、前記目標挙動指標値演算手段によって演算された目標挙動指標値と前記実挙動指標値検出手段によって検出された実挙動指標値との偏差を演算する偏差演算手段(42)とを含む、請求項1記載の車両用操舵装置である。
この発明では、目標挙動指標値演算手段によって目標挙動指標値が演算される。一方、実挙動指標値検出手段によって実挙動指標値が検出される。そして、目標挙動指標値と実挙動指標値との偏差(挙動指標値偏差)が演算され、演算により求められた挙動指標値偏差に応じて仮想軸電流値が設定される。
挙動指標値偏差が大きいときは、車両の走行状態がアンダーステア状態またはオーバーステア状態となっていて、車輪が路面に対してスリップ状態にあると考えられる。スリップ状態では、舵取り機構が路面から受ける路面負荷値は小さくなる。したがって、挙動指標偏差に応じて仮想軸電流値を設定すれば、舵取り機構が路面から受ける路面負荷値に応じて仮想軸電流値を設定することができる。これにより、車両の走行状態に応じて必要充分な仮想軸電流値を設定することが可能となる。その結果、発熱量、消費電力の低減化を図ることができる。
挙動指標値偏差が大きいときは、車両の走行状態がアンダーステア状態またはオーバーステア状態となっていて、車輪が路面に対してスリップ状態にあると考えられる。スリップ状態では、舵取り機構が路面から受ける路面負荷値は小さくなる。したがって、挙動指標偏差に応じて仮想軸電流値を設定すれば、舵取り機構が路面から受ける路面負荷値に応じて仮想軸電流値を設定することができる。これにより、車両の走行状態に応じて必要充分な仮想軸電流値を設定することが可能となる。その結果、発熱量、消費電力の低減化を図ることができる。
請求項3記載の発明は、前記軸電流設定手段は、前記偏差演算手段によって演算される前記偏差が大きいほど前記軸電流値を小さくする、請求項2記載の車両用操舵装置である。挙動指標値偏差が大きいほど、スリップの程度が大きく、したがって、路面負荷が小さい状況であると考えられる。そこで、この発明では、挙動指標値偏差が大きいほど、仮想軸電流値が小さくされる。これにより、必要充分な仮想軸電流値を設定できるから、発熱量、消費電力の低減化を図ることができる。
前記軸電流設定手段は、たとえば、軸電流の指示値(指示電流値)を生成する手段(31)と、挙動指標値偏差に応じて指示電流値を補正するためのゲインを設定するためのゲイン設定手段(43)と、前記ゲイン設定手段によって設定されたゲイン(G)を、指示電流値に乗算することにより、指示電流値を補正する乗算手段(44)とを含む、ものであってもよい。
ゲイン設定手段は、たとえば、挙動指標値偏差の増加に従ってゲインが減少する特性に従って、ゲインを設定する。より具体的には、ゲイン設定手段は、たとえば、挙動指標値偏差が第1の規定値(A)未満である場合には、ゲインを上限値に設定し、挙動指標値偏差が第1の規定値(A)より大きな第2の規定値(B)以上である場合には、ゲインを下限値に設定し、挙動指標値偏差が第1の規定値(A)以上でかつ第2の規定値(B)未満である場合には、挙動指標値偏差の増加に応じて上限値から下限値まで減少する特性に従ってゲインを設定する。
請求項4記載の発明は、前記車両挙動指標値は、車両のヨーレートである、請求項2または3記載の車両用操舵装置である。この構成によれば、車両が路面から受ける路面負荷値に応じて仮想軸電流値を設定することができる。具体的には、路面負荷値が小さくなったときに、仮想軸電流値を小さくさせることが可能となる。これにより、発熱量、消費電力の低減化を図ることができる。なお、車両挙動指標値は、車両の横加速度であってもよい。
前記車両用操舵装置は、前記車両の操向のために操作される操作部材(10)に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段(1)と、指示操舵トルクを設定する指示操舵トルク設定手段(21)と、前記指示操舵トルク設定手段によって設定される指示操舵トルクと前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクとの偏差に応じて前記加算角を演算する加算角演算手段(22,23)とをさらに含むことが好ましい。
この構成によれば、指示操舵トルクが設定され、この指示操舵トルクと操舵トルク(検出値)との偏差に応じて前記加算角が演算される。これにより、操舵トルクが当該指示操舵トルクとなるように加算角が定められ、それに応じた制御角が定められることになる。したがって、指示操舵トルクを適切に定めておくことによって、モータから適切な駆動力を発生させて、これを舵取り機構に付与することができる。すなわち、ロータの磁極方向に従う回転座標系(dq座標系)の座標軸と前記仮想軸とのずれ量(負荷角)が指示操舵トルクに応じた値に導かれる。その結果、適切なトルクがモータから発生され、運転者の操舵意図に応じた駆動力を舵取り機構に付与できる。
前記車両用操舵装置は、前記操作部材の操舵角を検出する操舵角検出手段(4)をさらに含み、前記指示操舵トルク設定手段は、前記操舵角検出手段によって検出される操舵角に応じて指示操舵トルクを設定するものであることが好ましい。この構成によれば、操作部材の操舵角に応じて指示操舵トルクが設定されるので、操舵角に応じた適切なトルクをモータから発生させることができ、運転者が操作部材に加える操舵トルクを操舵角に応じた値へと導くことができる。これにより、良好な操舵感を得ることができる。
前記指示操舵トルク設定手段は、前記車両の車速を検出する車速検出手段(6)によって検出される当該車速に応じて指示操舵トルクを設定するものであってもよい。この構成によれば、車速に応じて指示操舵トルクが設定されるので、いわゆる車速感応制御を行うことができる。その結果、良好な操舵感を実現できる。たとえば、車速が大きいほど、すなわち、高速走行時ほど指示操舵トルクを小さく設定することより、すぐれた操舵感が得られる。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係るモータ制御装置を適用した電動パワーステアリング装置(車両用操舵装置の一例)の電気的構成を説明するためのブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、車両を操向するための操作部材としてのステアリングホイール10に加えられる操舵トルクTを検出するトルクセンサ1と、車両の舵取り機構2に減速機構7を介して操舵補助力を与えるモータ3(ブラシレスモータ)と、ステアリングホイール10の回転角である操舵角を検出する舵角センサ4と、モータ3を駆動制御するモータ制御装置5と、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の速度Vを検出する車速センサ6と、車両の実ヨーレートYRを検出するヨーレートセンサ(実挙動指標値検出手段)8を備えている。
図1は、この発明の一実施形態に係るモータ制御装置を適用した電動パワーステアリング装置(車両用操舵装置の一例)の電気的構成を説明するためのブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、車両を操向するための操作部材としてのステアリングホイール10に加えられる操舵トルクTを検出するトルクセンサ1と、車両の舵取り機構2に減速機構7を介して操舵補助力を与えるモータ3(ブラシレスモータ)と、ステアリングホイール10の回転角である操舵角を検出する舵角センサ4と、モータ3を駆動制御するモータ制御装置5と、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の速度Vを検出する車速センサ6と、車両の実ヨーレートYRを検出するヨーレートセンサ(実挙動指標値検出手段)8を備えている。
モータ制御装置5は、トルクセンサ1が検出する操舵トルク、舵角センサ4が検出する操舵角および車速センサ6が検出する車速およびヨーレートセンサ8が検出する実ヨーレートに応じてモータ3を駆動することによって、操舵状況、車両挙動および車速に応じた適切な操舵補助を実現する。
モータ3は、この実施形態では、三相ブラシレスモータであり、図2に図解的に示すように、界磁としてのロータ50と、このロータ50に対向するステータ55に配置されたU相、V相およびW相のステータ巻線51,52,53とを備えている。モータ3は、ロータの外部にステータを対向配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを対向配置したアウターロータ型のものであってもよい。
モータ3は、この実施形態では、三相ブラシレスモータであり、図2に図解的に示すように、界磁としてのロータ50と、このロータ50に対向するステータ55に配置されたU相、V相およびW相のステータ巻線51,52,53とを備えている。モータ3は、ロータの外部にステータを対向配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを対向配置したアウターロータ型のものであってもよい。
各相のステータ巻線51,52,53の方向にU軸、V軸およびW軸をとった三相固定座標(UVW座標系)が定義される。また、ロータ50の磁極方向にd軸(磁極軸)をとり、ロータ50の回転平面内においてd軸と直角な方向にq軸(トルク軸)をとった二相回転座標系(dq座標系。実回転座標系)が定義される。dq座標系は、ロータ50とともに回転する回転座標系である。dq座標系では、q軸電流のみがロータ50のトルク発生に寄与するので、d軸電流を零とし、q軸電流を所望のトルクに応じて制御すればよい。ロータ50の回転角(ロータ角)θMは、U軸に対するd軸の回転角である。dq座標系は、ロータ角θMに従う実回転座標系である。このロータ角θMを用いることによって、UVW座標系とdq座標系との間での座標変換を行うことができる。
一方、この実施形態では、制御上の回転角を表す制御角θCが導入される。制御角θCは、U軸に対する仮想的な回転角である。この制御角θCに対応する仮想的な軸をγ軸とし、このγ軸に対して90°進んだ軸をδ軸として、仮想二相回転座標系(γδ座標系。仮想回転座標系)を定義する。制御角θCがロータ角θMに等しいとき、仮想回転座標系であるγδ座標系と実回転座標系であるdq座標系とが一致する。すなわち、仮想軸としてのγ軸は実軸としてのd軸と一致し、仮想軸としてのδ軸は実軸としてのq軸と一致する。γδ座標系は、制御角θCに従う仮想回転座標系である。UVW座標系とγδ座標系との座標変換は、制御角θCを用いて行うことができる。
制御角θCとロータ角θMとの差を負荷角θL(=θC−θM)と定義する。
制御角θCに従ってγ軸電流Iγをモータ3に供給すると、このγ軸電流Iγのq軸成分(q軸への正射影)がロータ50のトルク発生に寄与するq軸電流Iqとなる。すなわち、γ軸電流Iγとq軸電流Iqとの間に、次式(1)の関係が成立する。
Iq=Iγ・sinθL …(1)
再び図1を参照する。モータ制御装置5は、マイクロコンピュータ11と、このマイクロコンピュータ11によって制御され、モータ3に電力を供給する駆動回路(インバータ回路)12と、モータ3の各相のステータ巻線に流れる電流を検出する電流検出部13とを備えている。
制御角θCに従ってγ軸電流Iγをモータ3に供給すると、このγ軸電流Iγのq軸成分(q軸への正射影)がロータ50のトルク発生に寄与するq軸電流Iqとなる。すなわち、γ軸電流Iγとq軸電流Iqとの間に、次式(1)の関係が成立する。
Iq=Iγ・sinθL …(1)
再び図1を参照する。モータ制御装置5は、マイクロコンピュータ11と、このマイクロコンピュータ11によって制御され、モータ3に電力を供給する駆動回路(インバータ回路)12と、モータ3の各相のステータ巻線に流れる電流を検出する電流検出部13とを備えている。
電流検出部13は、モータ3の各相のステータ巻線51,52,53に流れる相電流IU,IV,IW(以下、総称するときには「三相検出電流IUVW」という。)を検出する。これらは、UVW座標系における各座標軸方向の電流値である。
マイクロコンピュータ11は、CPUおよびメモリ(ROMおよびRAMなど)を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、指示操舵トルク設定部21と、トルク偏差演算部22と、PI(比例積分)制御部23と、リミッタ24と、制御角演算部26と、指示電流値生成部31と、目標ヨーレート演算部(目標挙動指標値演算手段)41と、ヨーレート偏差演算部42と、ゲイン設定部43と、ゲイン乗算部44と、電流偏差演算部32と、PI制御部33と、γδ/UVW変換部34と、PWM(Pulse Width Modulation)制御部35と、UVW/γδ変換部36とが含まれている。
マイクロコンピュータ11は、CPUおよびメモリ(ROMおよびRAMなど)を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、指示操舵トルク設定部21と、トルク偏差演算部22と、PI(比例積分)制御部23と、リミッタ24と、制御角演算部26と、指示電流値生成部31と、目標ヨーレート演算部(目標挙動指標値演算手段)41と、ヨーレート偏差演算部42と、ゲイン設定部43と、ゲイン乗算部44と、電流偏差演算部32と、PI制御部33と、γδ/UVW変換部34と、PWM(Pulse Width Modulation)制御部35と、UVW/γδ変換部36とが含まれている。
指示操舵トルク設定部21は、舵角センサ4によって検出される操舵角と、車速センサ6によって検出される車速とに基づいて、指示操舵トルクT*を設定する。たとえば、図4に示すように、たとえば、操舵角が正の値(右方向へ操舵した状態)のとき指示操舵トルクT*は正の値(右方向へのトルク)に設定され、操舵角が負の値(左方向へ操舵した状態)のとき指示操舵トルクT*は負の値(左方向へのトルク)に設定される。そして、操舵角の絶対値が大きくなるに従って、その絶対値が大きくなるように(図4の例では非線型に大きくなるように)指示操舵トルクT*が設定される。ただし、所定の上限値(正の値。たとえば、+6Nm)および下限値(負の値。たとえば−6Nm)の範囲内で指示操舵トルクT*の設定が行われる。また、指示操舵トルクT*は、車速が大きいほど、その絶対値が小さくなるように設定される。すなわち、車速感応制御が行われる。
トルク偏差演算部22は、指示操舵トルク設定部21によって設定される指示操舵トルクT*とトルクセンサ1によって検出される操舵トルクT(以下、区別するために「検出操舵トルクT」という。)との偏差(トルク偏差)ΔTを求める。PI制御部23は、このトルク偏差ΔTに対するPI演算を行う。すなわち、トルク偏差演算部22およびPI制御部23によって、検出操舵トルクTを指示操舵トルクT*に導くためのトルクフィードバック制御手段が構成されている。PI制御部23は、トルク偏差ΔTに対するPI演算を行うことで、制御角θCに対する加算角αを演算する。
リミッタ24は、PI制御部23によって求められた加算角αに対して制限を加える制限手段である。より具体的には、リミッタ24は、所定の上限値UL(正の値)と下限値LL(負の値)との間の値に加算角αを制限する。上限値ULおよび下限値LLは、所定の制限値ωmax(ωmax>0。たとえばωmax=45度)に基づいて定められる。この所定の制限値ωmaxは、たとえば、最大操舵角速度に基づいて定められる。最大操舵角速度とは、ステアリングホイール10の操舵角速度として想定され得る最大値であり、たとえば、800deg/sec程度である。
最大操舵角速度のときのロータ50の電気角の変化速度(電気角での角速度。最大ロータ角速度)は、次式(2)のとおり、最大操舵角速度と、減速機構7の減速比と、ロータ50の極対数との積で与えられる。極対数とは、ロータ50が有する磁極対(N極とS極との対)の個数である。
最大ロータ角速度=最大操舵角速度×減速比×極対数 …(2)
制御角θCの演算間(演算周期)におけるロータ50の電気角変化量の最大値(ロータ角変化量最大値)は、次式(3)のとおり、最大ロータ角速度に演算周期を乗じた値となる。
最大ロータ角速度=最大操舵角速度×減速比×極対数 …(2)
制御角θCの演算間(演算周期)におけるロータ50の電気角変化量の最大値(ロータ角変化量最大値)は、次式(3)のとおり、最大ロータ角速度に演算周期を乗じた値となる。
ロータ角変化量最大値=最大ロータ角速度×演算周期
=最大操舵角速度×減速比×極対数×演算周期 …(3)
このロータ角変化量最大値が一演算周期間で許容される制御角θCの最大変化量である。そこで、前記ロータ角変化量最大値を制限値ωmax(>0)とすればよい。この制限値ωmaxを用いて、加算角αの上限値ULおよび下限値LLは、それぞれ次式(4)(5)で表すことができる。
=最大操舵角速度×減速比×極対数×演算周期 …(3)
このロータ角変化量最大値が一演算周期間で許容される制御角θCの最大変化量である。そこで、前記ロータ角変化量最大値を制限値ωmax(>0)とすればよい。この制限値ωmaxを用いて、加算角αの上限値ULおよび下限値LLは、それぞれ次式(4)(5)で表すことができる。
UL=+ωmax …(4)
LL=−ωmax …(5)
リミッタ24による制限処理後の加算角αが、制御角演算部26の加算器26Aにおいて、制御角θCの前回値θC(n-1)(nは今演算周期の番号)に加算される(Z−1は信号の前回値を表す)。ただし、制御角θCの初期値は予め定められた値(たとえば零)である。
LL=−ωmax …(5)
リミッタ24による制限処理後の加算角αが、制御角演算部26の加算器26Aにおいて、制御角θCの前回値θC(n-1)(nは今演算周期の番号)に加算される(Z−1は信号の前回値を表す)。ただし、制御角θCの初期値は予め定められた値(たとえば零)である。
制御角演算部26は、制御角θCの前回値θC(n-1)にリミッタ24から与えられる加算角αを加算する加算器26Aを含む。すなわち、制御角演算部26は、所定の演算周期毎に制御角θCを演算する。そして、前演算周期における制御角θCを前回値θC(n-1)とし、これを用いて今演算周期における制御角θCである今回値θC(n)を求める。
指示電流値生成部31は、制御上の回転角である前記制御角θCに対応する仮想回転座標系であるγδ座標系の座標軸(仮想軸)に流すべき電流値を指示電流値として生成するものである。具体的には、γ軸指示電流値Iγ *およびδ軸指示電流値Iδ *(以下、これらを総称するときには「二相指示電流値Iγδ *」という。)を生成する。指示電流値生成部31は、γ軸指示電流値Iγ *を有意値とする一方で、δ軸指示電流値Iδ *を零とする。より具体的には、指示電流値生成部31は、トルクセンサ1によって検出される検出操舵トルクTと、指示操舵トルク設定部21によって設定される指示操舵トルクT*とに基づいてγ軸指示電流値Iγ *を設定する。
指示電流値生成部31は、制御上の回転角である前記制御角θCに対応する仮想回転座標系であるγδ座標系の座標軸(仮想軸)に流すべき電流値を指示電流値として生成するものである。具体的には、γ軸指示電流値Iγ *およびδ軸指示電流値Iδ *(以下、これらを総称するときには「二相指示電流値Iγδ *」という。)を生成する。指示電流値生成部31は、γ軸指示電流値Iγ *を有意値とする一方で、δ軸指示電流値Iδ *を零とする。より具体的には、指示電流値生成部31は、トルクセンサ1によって検出される検出操舵トルクTと、指示操舵トルク設定部21によって設定される指示操舵トルクT*とに基づいてγ軸指示電流値Iγ *を設定する。
検出操舵トルクTに対するγ軸指示電流値Iγ *の設定例は、図5Aおよび図5Bに示されている。図5Aはγ軸指示電流値Iγ *の基本値の特性を示し、図5Bは図5Aの特性に従って求められる基本値に乗じられるトルクゲインを示している。
図5Aに示されているように検出操舵トルクTが零付近の領域には不感帯NRが設定されている。γ軸指示電流値Iγ *の基本値は、不感帯NRの外側の領域で急峻に立ち上がり、所定のトルク以上でほぼ一定値となるように設定される。これにより、運転者がステアリングホイール10を操作していないときには、モータ3への通電が停止され、不必要な電力消費が抑制される。
図5Aに示されているように検出操舵トルクTが零付近の領域には不感帯NRが設定されている。γ軸指示電流値Iγ *の基本値は、不感帯NRの外側の領域で急峻に立ち上がり、所定のトルク以上でほぼ一定値となるように設定される。これにより、運転者がステアリングホイール10を操作していないときには、モータ3への通電が停止され、不必要な電力消費が抑制される。
さらに、γ軸指示電流値Iγ *の基本値に乗じられるトルクゲインは、図5Bに示されているように、指示操舵トルクT*が零付近の領域では、指示操舵トルクT*の絶対値|T*|が小さいほど小さくなるように定められている。より具体的には、指示操舵トルクT*の絶対値|T*|が所定値未満である領域においては、トルクゲインは指示操舵トルクT*の絶対値|T*|の増加に応じて下限値(>0)から上限値(=1)まで単調に(この実施形態ではリニアに)増加するように設定され、指示操舵トルクT*の絶対値|T*|が上記所定値以上の領域においてはトルクゲインは上限値に固定されている。
このように、γ軸指示電流値Iγ *の基本値に対してトルクゲインを乗じることによって、γ軸指示電流値Iγ *が設定されるようになっている。ただし、トルクゲインを適用せずに、基本値をそのままγ軸指示電流値Iγ *としてもよい。換言すれば、指示操舵トルクT*によらずにトルクゲインを1に固定してもよい。
なお、トルクゲインの決定には、指示操舵トルクT*をそのまま用いてもよいが、指示操舵トルクT*に対してフィルタ処理(たとえば、ローパスフィルタ、バンドパスフイルタ、移動平均フィルタ処理等)を行ってノイズを除去した値を求め、この値に応じてトルクゲインを決定してもよい。
なお、トルクゲインの決定には、指示操舵トルクT*をそのまま用いてもよいが、指示操舵トルクT*に対してフィルタ処理(たとえば、ローパスフィルタ、バンドパスフイルタ、移動平均フィルタ処理等)を行ってノイズを除去した値を求め、この値に応じてトルクゲインを決定してもよい。
目標ヨーレート演算部41は、車速センサ6によって検出される車速V、舵角センサ4によって検出される操舵角にギヤレシオを乗算して求められる車輪の転舵角ηおよび車両に固有の値に基づいて、目標ヨーレートYR*を演算する。より具体的には、目標ヨーレート演算部41は、次式(6)に基づいて目標ヨーレートYR*を演算する。
YR*=η・V/{(1+K・V2)L} …(6)
ただし、Kはスタビリティファクタであり、Lはホイールベースである。スタビリティファクタKおよびホイールベースLは、車両に固有の値である。
YR*=η・V/{(1+K・V2)L} …(6)
ただし、Kはスタビリティファクタであり、Lはホイールベースである。スタビリティファクタKおよびホイールベースLは、車両に固有の値である。
ヨーレート偏差演算部42は、目標ヨーレート演算部41によって求められる目標ヨーレートYR*と、ヨーレートセンサ8によって検出される実ヨーレートYRとの偏差(ヨーレート偏差)ΔYRを求める。ゲイン設定部43は、ヨーレート偏差ΔYRに基づいて、指示電流値補正用のゲインGを設定する。ゲイン乗算部44は、ゲイン設定部43によって設定されたゲインGを、指示電流値生成部31によって生成されるγ軸指示電流値Iγ *に乗算することにより、γ軸指示電流値Iγ *を補正する。
ヨーレート偏差ΔYRに対する指示電流値補正用ゲインGの設定例は、図6に示されている。ヨーレート偏差ΔYRの絶対値|ΔYR|が小さい場合、つまりヨーレート偏差ΔYRの絶対値|ΔYR|が第1規定値A未満である範囲内では、ゲインGは上限値の1に固定される。ヨーレート偏差ΔYRの絶対値|ΔYR|が大きい場合、つまり、ヨーレート偏差ΔYRの絶対値|ΔYR|が第2規定値B(B>A)以上である場合には、ゲインGは下限値(>0)に固定される。ヨーレート偏差ΔYRの絶対値|ΔYR|が第1規定値A以上でかつ第2規定値B未満である範囲内では、ゲインGは、絶対値|ΔYR|の増加に応じて上限値から下限値まで単調に(例えばリニアに)減少する特性に従って設定される。
第1規定値Aは、車両の走行状態がアンダーステア状態またはオーバーステア状態になっているか否かを判定するための閾値であり、実験に基づいて決定される。つまり、ヨーレート偏差ΔYRの絶対値|ΔYR|が第1規定値Aより大きい場合(|ΔYR|>A)には、車両がアンダーステア状態(|ΔYR|>AかつYR*>YR)またはオーバーステア状態(|ΔYR|>AかつYR*<YR)になっていると判定される。
車両の走行状態がアンダーステア状態またはオーバーステア状態になっている場合には、車輪が路面に対してスリップした状態となっているので、舵取り機構2が路面から受けている路面負荷値は小さくなる。路面負荷値が小さい場合には、操舵に必要なトルクは小さくて済む。そこで、ヨーレート偏差ΔYRの絶対値|ΔYR|が第1規定値A以上となると、ゲインGを減少させることにより、γ軸指示電流値Iγ *を減少させ、アシストトルクを小さくさせる。これにより、必要充分な電流をモータ3に供給できるから、駆動回路12およびモータ3における発熱量および消費電力を低減化できる。
電流偏差演算部32は、指示電流値生成部31によって生成されるγ軸指示電流値Iγ *に対するγ軸検出電流Iγの偏差Iγ *−Iγと、δ軸指示電流値Iδ *(=0)に対するδ軸検出電流Iδの偏差Iδ *−Iδとを演算する。γ軸検出電流Iγおよびδ軸検出電流Iδは、UVW/γδ変換部36から偏差演算部32に与えられるようになっている。
UVW/γδ変換部36は、電流検出部13によって検出されるUVW座標系の三相検出電流IUVW(U相検出電流IU、V相検出電流IVおよびW相検出電流IW)をγδ座標系の二相検出電流IγおよびIδ(以下総称するときには「二相検出電流Iγδ」という。)に変換する。これらが電流偏差演算部32に与えられるようになっている。UVW/γδ変換部36における座標変換には、制御角演算部26で演算される制御角θCが用いられる。
PI制御部33は、電流偏差演算部32によって演算された電流偏差に対するPI演算を行うことにより、モータ3に印加すべき二相指示電圧Vγδ *(γ軸指示電圧Vγ *およびδ軸指示電圧Vδ *)を生成する。この二相指示電圧Vγδ *が、γδ/UVW変換部34に与えられる。
γδ/UVW変換部34は、二相指示電圧Vγδ *に対して座標変換演算を行うことによって、三相指示電圧VUVW *を生成する。三相指示電圧VUVW *は、U相指示電圧VU *、V相指示電圧VV *およびW相指示電圧VW *からなる。この三相指示電圧VUVW *は、PWM制御部35に与えられる。
γδ/UVW変換部34は、二相指示電圧Vγδ *に対して座標変換演算を行うことによって、三相指示電圧VUVW *を生成する。三相指示電圧VUVW *は、U相指示電圧VU *、V相指示電圧VV *およびW相指示電圧VW *からなる。この三相指示電圧VUVW *は、PWM制御部35に与えられる。
PWM制御部35は、U相指示電圧VU *、V相指示電圧VV *およびW相指示電圧VW *にそれぞれ対応するデューティのU相PWM制御信号、V相PWM制御信号およびW相PWM制御信号を生成し、駆動回路12に供給する。
駆動回路12は、U相、V相およびW相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がPWM制御部35から与えられるPWM制御信号によって制御されることにより、三相指示電圧VUVW *に相当する電圧がモータ3の各相のステータ巻線51,52、53に印加されることになる。
駆動回路12は、U相、V相およびW相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がPWM制御部35から与えられるPWM制御信号によって制御されることにより、三相指示電圧VUVW *に相当する電圧がモータ3の各相のステータ巻線51,52、53に印加されることになる。
電流偏差演算部32およびPI制御部33は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、モータ3に流れるモータ電流が、指示電流値生成部31によって設定される二相指示電流値Iγδ *に近づくように制御される。
図3は、前記電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。ただし、説明を簡単にするために、リミッタ24の機能は省略してある。
図3は、前記電動パワーステアリング装置の制御ブロック図である。ただし、説明を簡単にするために、リミッタ24の機能は省略してある。
指示操舵トルクT*と検出操舵トルクTとの偏差(トルク偏差)に対するPI制御(KPは比例係数、KIは積分係数、1/sは積分演算子である。)によって、加算角αが生成される。この加算角αが制御角θCの前回値θC(n-1)に対して加算されることによって、制御角θCの今回値θC(n)=θC(n-1)+αが求められる。このとき、制御角θCとロータ50の実際のロータ角θMとの偏差が負荷角θL=θC−θMとなる。
したがって、制御角θCに従うγδ座標系(仮想回転座標系)のγ軸(仮想軸)にγ軸指示電流値Iγ *に従ってγ軸電流Iγが供給されると、q軸電流Iq=IγsinθLとなる。このq軸電流Iqがロータ50の発生トルクに寄与する。すなわち、モータ3のトルク定数KTをq軸電流Iq(=IγsinθL)に乗じた値が、アシストトルクTA(=KT・IγsinθL)として、減速機構7を介して、舵取り機構2に伝達される。このアシストトルクTAを舵取り機構2からの負荷トルクTLから減じた値が、運転者がステアリングホイール10に与えるべき操舵トルクTである。この操舵トルクTがフィードバックされることによって、この操舵トルクTを指示操舵トルクT*に導くように系が動作する。つまり、検出操舵トルクTを指示操舵トルクT*に一致させるべく、加算角αが求められ、それに応じて制御角θCが制御される。
このように制御上の仮想軸であるγ軸に電流を流す一方で、指示操舵トルクT*と検出操舵トルクTとの偏差ΔTに応じて求められる加算角αで制御角θCを更新していくことにより、負荷角θLが変化し、この負荷角θLに応じたトルクがモータ3から発生するようになっている。これにより、操舵角および車速に基づいて設定される指示操舵トルクT*に応じたトルクをモータ3から発生させることができるので、操舵角および車速に対応した適切な操舵補助力を舵取り機構2に与えることができる。すなわち、操舵角の絶対値が大きいほど操舵トルクが大きく、かつ、車速が大きいほど操舵トルクが小さくなるように、操舵補助制御が実行される。
このようにして、回転角センサを用いることなくモータ3を適切に制御して、適切な操舵補助を行うことができる電動パワーステアリング装置を実現できる。これにより、構成を簡単にすることができ、コストの削減を図ることができる。
図7は、リミッタ24の働きを説明するためのフローチャートである。リミッタ24は、PI制御部23によって求められた加算角αを上限値ULと比較し(ステップS1)、加算角αが上限値ULを超えている場合(ステップS1:YES)には、上限値ULを加算角αに代入する(ステップS2)。したがって、制御角θCに対して上限値UL(=+ωmax)が加算されることになる。
図7は、リミッタ24の働きを説明するためのフローチャートである。リミッタ24は、PI制御部23によって求められた加算角αを上限値ULと比較し(ステップS1)、加算角αが上限値ULを超えている場合(ステップS1:YES)には、上限値ULを加算角αに代入する(ステップS2)。したがって、制御角θCに対して上限値UL(=+ωmax)が加算されることになる。
PI制御部23によって求められた加算角αが上限値UL以下であれば(ステップS1:NO)、リミッタ24は、さらに、その加算角αを下限値LLと比較する(ステップS3)。そして、その加算角αが下限値未満であれば(ステップS3:YES)、下限値LLを加算角αに代入する(ステップS4)。したがって、制御角θCに対して下限値LL(=−ωmax)が加算されることになる。
PI制御部23によって求められた加算角αが下限値LL以上上限値UL以下(ステップS3:NO)であれば、その加算角αがそのまま制御角θCへの加算のために用いられる。
このようにして、加算角αを上限値ULと下限値LLとの間に制限することができるので、制御の安定化を図ることができる。より具体的には、電流不足時や制御開始時に制御不安定状態(アシスト力が不安定な状態)が発生しても、この状態から安定な制御状態への遷移を促すことができる。
このようにして、加算角αを上限値ULと下限値LLとの間に制限することができるので、制御の安定化を図ることができる。より具体的には、電流不足時や制御開始時に制御不安定状態(アシスト力が不安定な状態)が発生しても、この状態から安定な制御状態への遷移を促すことができる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、車両の目標ヨーレートYR*と実ヨーレートYRとの偏差ΔYRに基づいて、γ軸指示電流値Iγ *を制御しているが、車両の目標横加速度GY*と実横加速度GYとの偏差(横加速度偏差)ΔGYに基づいてγ軸指示電流値Iγ *を制御するようにしてもよい。つまり、横加速度偏差ΔGYが所定の規定値以上となった場合には、車両の走行状態か゛アンダーステア状態またはオーバーステア状態となっていると判定して、γ軸指示電流値Iγ *を減少させるようにしてもよい。
この場合、車両の目標横加速度GY*は、たとえば、次式(7)に基づいて求められる。
GY* = η・V2/{(1+K・V2)L} …(7)
一方、車両の実横加速度GYは、横加速度を検出するための加速度センサによって検出される。
GY* = η・V2/{(1+K・V2)L} …(7)
一方、車両の実横加速度GYは、横加速度を検出するための加速度センサによって検出される。
また、舵取り機構2が路面から受けている負荷力に応じた出力が得られる路面負荷検出手段の出力から路面負荷値を演算し、演算により求められた路面負荷値に応じてγ軸指示電流値Iγ *を設定するようにしてもよい。より具体的には、路面負荷検出手段の出力から演算された路面負荷値が小さい場合に、γ軸指示電流値Iγ *を減少させる。この場合、路面負荷検出手段としては、たとえば、ラック軸に作用する力を検出する軸力センサ、タイヤに作用する応力を検出するタイヤ力センサ等を用いることができる。
また、前述の実施形態では、回転角センサを備えずに、専らセンサレス制御によってモータ3を駆動する構成について説明したが、レゾルバ等の回転角センサを備え、この回転角センサの故障時に前述のようなセンサレス制御を行う構成としてもよい。これにより、回転角センサの故障時にもモータ3の駆動を継続できるから、操舵補助を継続できる。この場合、回転角センサを用いるときには、指示電流値生成部31において、操舵トルクおよび車速に応じて、所定のアシスト特性に従ってδ軸指示電流値Iδ *を発生させるようにすればよい。
さらに、前述の実施形態では、電動パワーステアリング装置にこの発明が適用された例について説明したが、この発明は、電動ポンプ式油圧パワーステアリング装置のためのモータの制御や、パワーステアリング装置以外にも、ステア・バイ・ワイヤ(SBW)システム、可変ギヤレシオ(VGR)ステアリングシステムその他の車両用操舵装置に用いることができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
1…トルクセンサ、3…モータ、4…舵角センサ、5…モータ制御装置、8…ヨーレートセンサ、11…マイクロコンピュータ、26…制御角演算部、42…ヨーレート偏差演算部、44…ゲイン乗算部、50…ロータ、51,52,52…ステータ巻線、55…ステータ
Claims (4)
- ロータと、このロータに対向するステータとを備えたモータによって車両の舵取り機構に駆動力を付与する車両用操舵装置であって、
制御上の回転角である制御角に従う回転座標系の軸電流値で前記モータを駆動する電流駆動手段と、
所定の演算周期毎に、制御角の前回値に加算角を加算することによって制御角の今回値を求める制御角演算手段と、
前記舵取り機構が路面から受ける路面負荷値を演算する路面負荷値演算手段と、
前記路面負荷値演算手段によって演算された路面負荷値に応じて、前記軸電流値を設定する軸電流設定手段とを含む、車両用操舵装置。 - 前記路面負荷値演算手段は、
車両挙動の指標となる車両挙動指標値の目標値である、目標挙動指標値を演算する目標挙動指標値演算手段と、
車両挙動指標値の実際値である実挙動指標値を検出する実挙動指標値検出手段と、
前記目標挙動指標値演算手段によって演算された目標挙動指標値と前記実挙動指標値検出手段によって検出された実挙動指標値との偏差を演算する偏差演算手段とを含む、請求項1記載の車両用操舵装置。 - 前記軸電流設定手段は、前記偏差演算手段によって演算される前記偏差が大きいほど前記軸電流値を小さくする、請求項2記載の車両用操舵装置。
- 前記車両挙動指標値は、車両のヨーレートである、請求項2または3記載の車両用操舵装置。
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-
2009
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