JP2011042240A

JP2011042240A - 電動パワーステアリング装置の電流制御装置

Info

Publication number: JP2011042240A
Application number: JP2009191299A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kurishige; 正彦栗重; Takayuki Kifuku; 隆之喜福
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: JP5235822B2

Abstract

【課題】高周波の外乱電圧により発生する振動を抑制するとともに、電流制御の目的である目標電流からモータに流れる電流の追従特性への影響を、電動パワーステアリングシステム全体の位相余裕及びゲイン余裕を十分確保し、安定性を失わないレベルまで小さくできる電動パワーステアリング装置の電流制御装置を得る。
【解決手段】外乱電圧により発生する振動を抑制する電動パワーステアリング装置の電流制御装置であって、目標電流値に対して電流検出値を追従させるフィードバックループ中に、外乱電圧からモータに流れる電流を定めるまでのループの伝達特性が、外乱電圧の周波数とノッチ周波数が一致するノッチフィルタ特性となる共振型位相補償器２を挿入する。
【選択図】図１

Description

この発明は、特定周波数の外乱電圧により発生する振動を抑制する電動パワーステアリング装置の電流制御装置に関するものである。

外乱電圧により発生する振動を抑制する従来の電動パワーステアリング装置の電流制御装置は、例えば、特許文献１に示すように、制御対象に相当するモデルの逆特性で構成される制御入力推定器に検出された制御対象の出力である検出電流信号を入力することにより制御対象への入力電圧推定値を得るとともに、実際の制御対象への制御入力電圧値と入力電圧推定値の差を演算し、これにローパスフィルタを通したものを外乱電圧推定値として推定する外乱オブザーバを有し、この外乱オブザーバによる外乱電圧推定値をそのまま外乱電圧補償量とし、フィードフォワードやフィードバックなど目標電流追従のための主制御量に重畳させる構成となっている。

ここで、非特許文献１に記載されているように、上述したローパスフィルタは制御系の安定化のため必須である。このとき、対象としている外乱電圧は、舵角速度に比例したモータの逆起電圧であり、周波数が低いために補償可能であるが、非特許文献２に示すような１００Ｈｚ以上の高周波の電源電圧の変動にともなう外乱電圧は抑制することができなかった。

また、非特許文献３に記載のとおり、電動パワーステアリングは、第一に運転者の操舵トルクに略比例する目標電流を演算し、第二に目標電流に可能な限り一致させるべく電流制御を行うことにより、操舵トルクに略比例する補助トルクを発生させ、運転者の操舵トルクを低減するシステムである。すなわち、電流制御はこのシステムの局所的な制御を行うローカル制御器となっている。

電動パワーステアリングシステムは、単純に操舵トルクに略比例する目標電流を演算した場合、目標電流と検出電流が完全に一致した場合にも、概ね１００Ｈｚ以下となるクロスオーバ周波数付近で位相余裕やゲイン余裕が十分確保できず発振してしまう。そこで、位相補償器などにより、位相余裕やゲイン余裕を与え安定性を確保している。

しかし、目標電流と概ね１００Ｈｚ以下で一致しないと、電動パワーステアリングシステムの位相余裕やゲイン余裕が減少し発振する場合がある。そこで、電流制御特性は、概ね１００Ｈｚ以下において、ゲインは１からのずれ、位相は０ｄｅｇからのずれが、電動パワーステアリングシステム全体の位相余裕及びゲイン余裕が安定性を損なわないレベルまで小さく設定されておく必要がある。

また、例えば、特許文献２に示すように、外乱としてブラシレスモータの電気角に対応して電磁特性で発生するトルクリップルが電流フィードバックへ与える影響を低減させるために検出電流信号にノッチフィルタを通したものや、例えば、特許文献３のようにモータの共振特性が電流フィードバックへ与える影響を低減させるためＰＩＤ制御器の後段にノッチフィルタを通した例がある。これらは、いずれも目標電流からコイル間に加わる外乱電圧の影響を考慮しておらず、付加した補償器は、ピーク周波数のゲインがＤＣゲインよりも小さくなるノッチフィルタであるので外乱電圧の影響を抑制することができない。

特開平８−３１０４１７号公報特開２００８−２９６８７７号公報特開平１１−３１３４９７号公報

土手、原島、モーションコントロール(1993)、 pp. 100−101、コロナ社 Kurishige, M., Fukusumi, K., Inoue, N., Kifuku, T. and Otagaki, S., "A New Electric Current Control Strategy for EPS Motors", SAE 2001− 01− 0484. (2001) Kurishige K., Kifuku T., Inoue, N., Zeniya S. and Otagaki, S., "A Control Strategy to Reduce Steering Torque for Stationary Vehicles Equipped with EPS", SAE 1999−01−0403. (1999)

外乱電圧により発生する振動を抑制する従来の電動パワーステアリングの電流制御装置は、例えば、特許文献１に示すように、制御対象に相当するモデルの逆特性で構成される制御入力推定器に、検出された制御対象の出力である検出電流信号を入力することにより制御対象への入力推定値を得るとともに、実際の制御対象への制御入力値と入力推定値の差を演算し、これにローパスフィルタを通したものを外乱電圧推定値として推定する外乱オブザーバを有し、この外乱オブザーバによる外乱電圧推定値をそのまま外乱電圧補償量とし、フィードフォワードやフィードバックなど目標値追従のための主制御量に重畳させる構成となっている。

また、非特許文献１に記載の通り、このローパスフィルタは制御系の安定化のため必須である。このとき、対象としている外乱電圧は、舵角速度に比例したモータの逆起電圧であり、周波数が低いために補償可能であるが、例えば１００Ｈｚ以上の高周波の電圧変動にともなう外乱電圧を抑制することができなかった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高周波の外乱電圧により発生する振動を抑制するとともに、電流制御の目的である目標電流からモータに流れる電流の追従特性への影響を、電動パワーステアリングシステム全体の位相余裕及びゲイン余裕を十分確保し、安定性を失わないレベルまで小さくできる電動パワーステアリング装置の電流制御装置を得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装置の電流制御装置は、外乱電圧により発生する振動を抑制する電動パワーステアリング装置の電流制御装置であって、目標電流値に対して電流検出値を追従させるフィードバックループ中に、外乱電圧からモータに流れる電流を定めるまでのループの伝達特性が、外乱電圧の周波数とノッチ周波数が一致するノッチフィルタ特性となる補償器を挿入したことを特徴とする。

この発明によれば、目標電流値に対して電流検出値を追従させるフィードバック型の電流制御とするとともに、外乱電圧からモータに流れる電流までのループの伝達特性が、外乱電圧の周波数とノッチ周波数が一致するノッチフィルタ特性となる補償器をフィードバックループ中に挿入させたことにより、目標電流からモータに流れる電流までの電流制御の周波数特性におけるゲイン変動及び位相遅れが、電動パワーステアリングのシステム全体の開ループ伝達関数に適切な位相余裕及びゲイン余裕が十分確保できるレベルまで小さくできる。そのため、電動パワーステアリングシステム全体の安定性を損なうことなく外乱電圧による電流の変動を抑制できるといった、従来にない顕著な効果を奏するものである。

この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の電流制御装置の構成を示すブロックである。この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の電流制御装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１及び２における共振型位相補償器２の周波数特性を示す図である。この発明の実施の形態１の外乱電圧からモータに流れる電流を定めるまでのループの周波数特性を示す図である。この発明の実施の形態１の目標電流からモータに流れる電流を定めるまでのループの周波数特性を示す図である。この発明の実施の形態２による電動パワーステアリング装置の電流制御装置の構成を示すブロックである。この発明の実施の形態２による電動パワーステアリング装置の電流制御装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２の外乱電圧からモータに流れる電流を定めるまでの周波数特性を示す図である。この発明の実施の形態２の目標電流からモータに流れる電流を定めるまでのループの周波数特性を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の電流制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示す実施の形態１は、電動パワーステアリング装置などトルク制御装置の電流制御へ適用したものである。目標電流演算器（図示せず）により演算された目標電流Ｉ_ｒｅｆとモータ４に流れる電流を電流検出器５で検出した検出電流信号Ｉ_ａｃｔとに基づきフィードバック制御器１で目標フィードバック電圧Ｖ_{ｒｅｆ_ｆｂ}が演算される。

フィードバック制御器１は、目標電流Ｉ_ｒｅｆと検出電流信号Ｉ_ａｃｔの誤差を演算する電流誤差演算器１ａ、電流誤差演算器１ａの出力にゲインＫ_ｐを乗ずる演算を行う比例制御器１ｂ、電流誤差演算器１ａの出力を積分するとともにゲインＫ_Ｉを乗ずる積分制御器１ｃ、比例制御器１ｂの出力と積分制御器１ｃの出力とを加算して目標フィードバック電圧Ｖ_{ｒｅｆ_ｆｂ}を演算するＰＩ加算器１ｄより構成される。

また、フィードバック制御器１の出力を入力し共振周波数を外乱周波数と一致させる共振型位相補償器２を配置する。共振型位相補償器２の出力は、電圧駆動部３に入力され、電圧駆動部３は駆動電圧Ｖ_ｄｒを発生させる。電圧駆動部３は、例えば高周波のＰＷＭ方式でバッテリ電圧をＯＮ−ＯＦＦすることにより平均的に駆動電圧Ｖ_ｄｒが目標電圧Ｖ_ｒｅｆに一致するよう駆動する。駆動電圧Ｖ_ｄｒはモータ４の端子に印加される。このとき、例えばバッテリ電圧変動などによる外乱電圧Ｖ_ｗにより、端子間電圧Ｖ_ｔは駆動電圧Ｖ_ｄｒに対し変動する場合がある。また、モータ４の端子間電圧にモータの回転速度に比例した逆起電圧Ｖ_ｅを減じたコイル印加電圧Ｖ_ｃに対してコイル４ａのインピーダンス特性に応じてモータ４に流れる電流Ｉ_ｍが定まるとともにトルク発生部４ｂで電流Ｉ_ｍに比例したトルクＴ_ｍを発生させる。

次に動作について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ１０１では目標電流Ｉ_ｒｅｆを読み込みメモリに記憶する。ステップＳ１０２では検出電流信号Ｉ_ａｃｔを読み込みメモリに記憶する。ステップＳ１０３は電流誤差演算器１ａで電流偏差△Ｉ＝Ｉ_ｒｅｆ−Ｉ_ａｃｔを演算しメモリに記憶する、ステップＳ１０４では比例制御器１ｂで電流偏差△Ｉに比例ゲインＫ_Ｐを乗じメモリに記憶する。ステップＳ１０５では積分制御器１ｃで電流偏差△Ｉを積分演算しゲインＫ_Ｉを乗じメモリに記憶する。ステップＳ１０６ではＰＩ加算器１ｄで比例制御器１ｂの出力と積分制御器１ｃの出力を加算しＶ_{ｒｅｆ_ｆｂ}としてメモリに記憶する。ステップＳ１０７ではＶ_{ｒｅｆ_ｆｂ}を共振型位相補償器２に入力し、目標電圧Ｖ_ｒｅｆを演算しメモリに記憶する。ステップＳ１０８では目標電圧Ｖ_ｒｅｆを電圧駆動部３に出力する。

電圧駆動部３は、例えば高周波のＰＷＭ方式でバッテリ電圧をＯＮ−ＯＦＦすることにより平均的に駆動電圧Ｖ_ｄｒが目標電圧Ｖ_ｒｅｆに一致するようモータ４を駆動する。

このとき、共振型位相補償器２の入出力特性は、

とし、設定共振周波数ω_ｄを外乱電圧周波数に一致させる。また、設定反共振周波数ω_ｎはω_ｄと一致させておく。設定反共振減衰係数ζ_ｎは設定共振減衰係数ζ_ｄより大きい値に設定し、共振型位相補償器２の周波数特性を、図３に示すように、設定共振周波数ω_ｄ（＝５００Ｈｚ）でピークゲインがＤＣゲインよりも高くなる特性を有するように設定する。なお、式（１）におけるｓは周波数伝達関数であり、一般に用いられるラプラス演算子である。

まず、外乱電圧Ｖ_ｗの影響を説明する前に、電動パワーステアリングにおける電流制御器に要求される仕様について述べる。電動パワーステアリングにおける電流制御器は、電動パワーステアリングシステム全体のローカル制御器となっている。例えば、非特許文献３に記載の通り、目標電流に対しモータ４に流れる電流Ｉ_ｍが完全に一致する場合でも、電動パワーステアリングのシステム全体の開ループ伝達関数に適切な位相余裕及びゲイン余裕を与えてシステム安定性確保しておく必要がある。また、電流特性も含めたシステム全体の開ループ伝達関数の位相及びゲインは、上述の目標電流に対しモータ４に流れる電流Ｉ_ｍが完全に一致するときの位相及びゲインに、電流制御の目標電流に対する電流Ｉ_ｍの追従周波数特性の位相およびゲインを各々重畳させたものである。従って、電流制御特性は、概ね１００Ｈｚ以下において、ゲインは１からのずれ、位相は０ｄｅｇからのずれが、電動パワーステアリングシステム全体の位相余裕及びゲイン余裕が安定性を損なわないレベルまで小さく設定しておく必要がある。

本実施の形態１では、図１のような構成とすることにより、外乱電圧周波数のフィードバックゲインが高くなる。図４は、例えばＰＩ制御によるゲインが３ｄＢ低下する帯域を２ｋＨｚとし、外乱電圧周波数が５００Ｈｚの場合を想定して、設定共振周波数ω_ｄを５００Ｈｚとして外乱電圧Ｖ_ｗからモータ４に流れる電流Ｉ_ｍを定めるまでのループの伝達関数を計算した結果である。実線がこの発明の周波数特性、破線がＰＩ制御の周波数特性を示す。図４より判るように設定共振周波数ω_ｄがノッチ周波数となりゲインが低下する特性となり、外乱電圧の影響を抑制することができる。

また、図５に示すように、全周波数範囲で目標電流からモータ４に流れる電流Ｉ_ｍを定めるまでのループの特性はほとんど変化しないので電動パワーステアリングのシステム全体の安定性に影響を及ぼさない。

本実施の形態１では、ω_ｎはω_ｄと一致させたが、例えば式（１）における共振周波数は、厳密にはω_ｄ√（１−ζ_ｄ ^２）であるので減衰係数ζ_ｄとζ_ｎの差が大きい場合は、式（１）における実際の共振周波数と反共振周波数を一致させるため、ω_ｎをω_ｄと異なる値としても良い。

上述したように、実施の形態１によれば、目標電流値に対して電流検出値を追従させるフィードバックループ中に、外乱電圧からモータ４に流れる電流を定めるまでのループの伝達特性が、外乱電圧の周波数とノッチ周波数が一致するノッチフィルタ特性となる補償器を挿入したので、外乱電圧に対する出力特性がノッチフィルタ特性を有し、そのノッチ周波数が外乱周波数と一致し、外乱抑制効果が高くなる。

また、前記補償器は、目標電流値と電流検出値との誤差に基づいて目標フィードバック電圧を演算するフィードバック制御器１から外乱電圧と駆動電圧との重畳位置までのループ中に挿入されて、外乱周波数と一致する設定共振周波数を有し、設定共振周波数でのゲインがＤＣゲインよりも高くなる特性を有する共振型位相補償器２としたので、目標電流からモータ４に流れる電流までの特性をほとんど変化させることなく外乱電圧を抑制できる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２による電動パワーステアリング装置の電流制御装置の構成を示す図である。図６に示す実施の形態２は、電動パワーステアリング装置などトルクを制御装置の電流制御へ適用したものである。目標電流演算器（図示せず）により演算された目標電流Ｉ_ｒｅｆとモータ４に流れる電流Ｉ_ｍを電流検出器５で検出した検出電流信号Ｉ_ａｃｔを共振型位相補償器２を通した信号Ｉ_{ａｃｔ_ｒｅｓ}とに基づきフィードバック制御器１で目標電圧Ｖ_ｒｅｆが演算される。

フィードバック制御器１は、目標電流Ｉ_ｒｅｆと共振型位相補償器２を通した信号Ｉ_{ａｃｔ_ｒｅｓ}との誤差を演算する電流誤差演算器１ａ、電流誤差演算器１ａの出力にゲインＫ_ｐを乗ずる演算を行う比例制御器１ｂ、電流誤差演算器１ａの出力を積分するとともにゲインＫ_Ｉを乗ずる積分制御器１ｃ、比例制御器１ｂの出力と積分制御器１ｃの出力とを加算して目標電圧Ｖ_ｒｅｆを演算するＰＩ加算器１ｄより構成される。

目標電圧Ｖ_ｒｅｆは、電圧駆動部３に入力し駆動電圧Ｖ_ｄｒを発生させる。電圧駆動部３は、例えば高周波のＰＷＭ方式でバッテリ電圧をＯＮ−ＯＦＦすることにより平均的に駆動電圧Ｖ_ｄｒが目標電圧Ｖ_ｒｅｆに一致するよう駆動する。駆動電圧Ｖ_ｄｒはモータ４の端子に印加される。このとき、例えばバッテリ電圧変動などによる外乱電圧Ｖ_ｗにより、端子間電圧Ｖ_ｔは駆動電圧Ｖ_ｄｒに対し変動する場合がある。また、モータ４の端子間電圧Ｖ_ｔにモータ４の回転速度に比例した逆起電圧Ｖ_ｅを減じたコイル印加電圧Ｖ_ｃに対してコイル４ａのインピーダンス特性に応じてモータ４に流れる電流Ｉ_ｍが定まるとともにトルク発生部４ｂでモータ４に流れる電流Ｉ_ｍに比例したトルクＴ_ｍを発生させる。

次に動作について、図７のフローチャートにより説明する。まず、ステップＳ２０１では目標電流Ｉ_ｒｅｆを読み込みメモリに記憶する。ステップＳ２０２では検出電流信号Ｉ_ａｃｔを読み込みメモリに記憶する。ステップＳ２０３は検出電流信号Ｉ_ａｃｔを共振型位相補償器２に入力しＩ_{ａｃｔ＿ｒｅｓ}を演算しメモリに記憶する。ステップＳ２０４は電流誤差演算器１ａで電流偏差△Ｉ＝Ｉ_ｒｅｆ−Ｉ_{ａｃｔ＿ｒｅｓ}を演算しメモリに記憶する、ステップＳ２０５では比例制御器１ｂで△Ｉに比例ゲインＫ_Ｐを乗じメモリに記憶する。ステップＳ２０６では積分制御器１ｃで△Ｉを積分演算しゲインＫ_Ｉを乗じメモリに記憶する。ステップＳ２０７ではＰＩ加算器１ｄで比例制御器１ｂの出力と積分制御器１ｃの出力とを加算し目標電圧Ｖ_ｒｅｆとしてメモリに記憶する。ステップＳ２０８では目標電圧Ｖ_ｒｅｆを電圧駆動部３に出力する。

本実施の形態２では、このような構成とすることにより、フィードバック成分中に含まれる外乱周波数成分の比率が高くなる。この結果、例えば外乱電圧周波数が５００Ｈｚの場合を想定して、設定共振周波数ω_ｄを５００Ｈｚとして外乱電圧Ｖ_ｗからモータ４に流れる電流Ｉ_ｍを定めるまでのループの伝達関数を計算した結果、図８に示すように、設定共振周波数ω_ｄがノッチ周波数となりゲインが低下する特性となり、外乱電圧の影響を抑制することができる。

また、図９に示すように、目標電流からモータ４に流れる電流Ｉ_ｍを定めるまでのループの特性は設定共振周波数ω_ｄ（＝５００Ｈｚ）以外では変化が小さく抑えられるので電動パワーステアリングのシステム全体のクロスオーバ周波数よりも十分高い場合には共振周波数ω_ｄが、システム全体の安定性に影響を及ぼさない。

本実施の形態２でも、実施の形態１に記載のような場合にはω_ｎをω_ｄと完全には一致させなくても良い。

また、本実施の形態２では、共振型位相補償器２をマイコンで処理したが、共振型位相補償器２を電流検出器５の後段に配置するためアナログ回路での構成も可能である。アナログ回路で構成した場合は、ステップＳ２０２では検出電流信号Ｉ_ａｃｔでなく、検出電流信号Ｉ_ａｃｔを共振型位相補償器２で処理した出力を読み込むのでステップＳ２０３が不要になる。アナログ回路で構成すれば、特に外乱電圧の周波数が高いときには、共振型位相補償器の出力が電流制御サンプリング周波数の影響を受けない。

上述したように、実施の形態２によれば、補償器として、モータ４に流れる電流を検出する電流検出器５と目標電流値と電流検出値との誤差に基づいて目標フィードバック電圧を演算するフィードバック制御器１との間のループ中に挿入されて、外乱周波数と一致する設定共振周波数を有し、設定共振周波数でのゲインがＤＣゲインよりも高くなる特性を有する共振型位相補償器２としたので、目標電流からモータ４に流れる電流までのループの特性を外乱周波数付近以外でほとんど変化させることなく外乱電圧を抑制できる。また、電流検出器５の後段に配置するため、アナログ回路での構成も可能なので、特に外乱電圧の周波数が高いときには、共振型位相補償器の出力が電流制御サンプリング周波数の影響を受けない。

１フィードバック制御器、１ａ電流誤差演算器、１ｂ比例制御器、１ｃ積分制御器、１ｄＰＩ加算器、２共振型位相補償器、３電圧駆動部、４モータ、５電流検出器。

Claims

外乱電圧により発生する振動を抑制する電動パワーステアリング装置の電流制御装置であって、
目標電流値に対して電流検出値を追従させるフィードバックループ中に、外乱電圧からモータに流れる電流を定めるまでのループの伝達特性が、外乱電圧の周波数とノッチ周波数が一致するノッチフィルタ特性となる補償器を挿入した
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置の電流制御装置。
請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の電流制御装置において、
前記補償器は、前記目標電流値と前記電流検出値との誤差に基づいて目標フィードバック電圧を演算するフィードバック制御器から前記外乱電圧と駆動電圧との重畳位置までのループ中に挿入されて、外乱周波数と一致する共振周波数を有し、共振周波数でのゲインがＤＣゲインよりも高くなる特性を有する共振型位相補償器である
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置の電流制御装置。
請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の電流制御装置において、
前記補償器は、前記モータに流れる電流を検出する電流検出器と前記目標電流値と前記電流検出値との誤差に基づいて目標フィードバック電圧を演算するフィードバック制御器との間のループ中に挿入されて、外乱周波数と一致する共振周波数を有し、共振周波数でのゲインがＤＣゲインよりも高くなる特性を有する共振型位相補償器である
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置の電流制御装置。