JP2012046075A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】操舵トルク信号と車速信号とを、それぞれアナログ値からＰＷＭ変換して２つのＰＷＭ信号を生成し、両ＰＷＭ信号を合成し、この合成されたＰＷＭ信号に基づいて、電動モータを駆動する。ＰＷＭ変換は、同一の三角波発生回路５５によって発生される同期された三角波を用いて行う。
【効果】ＰＷＭ変換回路５１，５３などのアナログ回路を採用することにより、演算誤差の少ない電動パワーステアリング装置を実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、操作部材に加えられる操舵トルクに基づいて電動モータを制御することによって、操舵トルクに応じた操舵補助力を電動モータによって発生させる電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、ステアリングホイール（操作部材）に加えられる操舵トルクと車速とを検出し、その操舵トルク信号と車速信号とを（いずれもアナログ信号）モータ制御回路へ送り、モータ制御回路で、これらの信号から求められる、操舵トルクと車速とに対応した駆動電流を電動モータに流すようにした電動パワーステアリング装置が知られている。これにより、操舵トルク信号や車速信号に基づいて、適切な操舵補助制御を行うことができる。

さらに具体的に言えばモータ制御回路は、例えばフィードバック制御を行う場合、目標値演算部と、偏差演算部と、制御信号発生部と、電動モータ駆動部とを備えている。
目標値演算部は、操舵トルク信号と車速信号とを、予め用意したアシストマップに適用するか、所定の演算式に当てはめて目標電流信号を求め、偏差演算部に供給する。偏差演算部は、目標電流信号と電動モータ電流信号との偏差を演算する。制御信号発生部は、この偏差に対するＰＩＤ演算を行うことにより、指示電圧を生成し、指示電圧に応じたデューティ比を有するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成する。このＰＷＭ信号が電動モータ駆動部に供給されることにより、電動モータがＰＷＭ駆動される。

従来の電動パワーステアリング装置では、目標値演算部で、操舵トルク信号と車速信号とから目標電流信号を求める場合に、（１）操舵トルク信号と車速信号とをそれぞれディジタル信号に変換して、マイクロコンピュータを使ってディジタル演算を行って目標電流信号を求めるか、（２）操舵トルク信号と車速信号とをアナログ信号のまま、演算増幅器を使って所定の演算（例えば乗算）を行い、目標電流信号を求める、のいずれかの処理をしていた。

特開2008-265645号公報

ところが、前記（１）のマイクロコンピュータを使ったディジタル演算では、マイクロコンピュータ用の集積回路と専用のソフトウェアが必要になり、複雑な構成となる。また、操舵トルク信号と車速信号とをディジタル信号としてモータ制御回路に伝達するため、操舵トルク信号と車速信号とをディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を追加する必要があり、コストが嵩む。

前記（２）のアナログ演算では、ダイナミックレンジが小さいため、Ｓ／Ｎ比が悪くなり、演算誤差が発生するおそれがある。この演算誤差はシフトの要因となる。
そこで、本発明の目的は、単純な回路を採用し、かつ演算誤差の少ない電動パワーステアリング装置提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵トルク信号と車速信号とを、それぞれアナログ値からＰＷＭ変換して第１及び第２のＰＷＭ信号を生成し、両ＰＷＭ信号を合成し、この合成されたＰＷＭ信号に基づいて、前記電動モータを駆動するものである。「合成する」とは例えば両ＰＷＭ信号がそれぞれ同じ高さのパルス幅変調パルスで表わされる場合、論理積をとることである。

第１のＰＷＭ信号と第２のＰＷＭ信号とは、互いに同期がとられている三角波からそれぞれ発生するものであることが好ましい。「同期がとられている」とは、両三角波が同一の周波数を持ち、かつ位相差が時間的に変化しないことを言う。例えば、同一の三角波発生手段によって発生される三角波は、同期がとられている。

以上のように本発明によれば、ＰＷＭ変換回路などのアナログ回路を採用することにより、演算誤差の少ない電動パワーステアリング装置を実現することができる。

本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本実施形態におけるモータ制御回路の構成を示すブロック図である。 モータ制御回路の中のＰＷＭ回路の具体的な構成を示す詳細ブロック図である。 ヒステリシス回路の作用を説明するための簡略化された回路図である。 ＰＷＭ回路の各部の信号波形図である。 正転用のＰＷＭ信号が生成される過程を説明するためのグラフである。 電動モータ駆動回路の具体的な構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す全体構成図である。
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６を備えている。運転者から作用される操舵力は、このステアリングホイール６を介して入力軸７ａと出力軸７ｂとを有するステアリングシャフト７に伝達される。入力軸７ａの一端が前記ステアリングホイール６に連結されている。

入力軸７ａと出力軸７ｂとは、トーションバーＴＢを介して同一軸上で相対回転可能に連結されている。出力軸７ｂは、入力軸７ａの回転速度を減速して出力軸７ｂに与えるための減速機構４に結合されている。トーションバーＴＢには、ステアリングホイール６に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ２が装着されている。トルクセンサ２は、操舵トルクを、入力軸７ａ及び出力軸７ｂ間に介装した前記トーションバーＴＢの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位をポテンショメータなどで検出するセンサである。このトルクセンサ２から出力されるトルク検出値は、モータ制御回路５に入力される。

なおトルクセンサ２の出力信号は、ステアリングホイールが右方向（正転方向）に操舵される場合には零以上の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクが大きいほど大きくなるように変化する。また、トルクセンサ２の出力信号は、ステアリングホイールが左方向（逆転方向）に操舵される場合には負の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクの絶対値が大きいほど、小さく（その絶対値が大きく）なるように変化する。

減速機構４から伝達される操舵力は、ユニバーサルジョイント８を介してロアシャフト９に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント１０を介してピニオンシャフト１１に伝達される。このピニオンシャフト１１に伝達された操舵力はステアリングギヤ１２を介してタイロッド１３に伝達され、図示しない転舵輪をターンさせる。ステアリングギヤ１２は、ピニオンシャフトに連結されたピニオンとこのピニオンに噛合するラックとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオンに伝達された回転運動をラックで直進運動に変換するものである。

転舵輪の回転速度は車速センサ３によって検出される。車速センサは、例えば転舵輪のホーイールの円周に一定角度ごとに取り付けられたた磁性体の目印を磁気的に検出して回転速度を検出するものであり、この回転速度に基づいて車両の車速を表わす車速信号を出力する。
減速機構４には、電動モータ（ブラシ付直流電動モータ）１が取り付けられており、この電動モータ１の出力トルクによって、減速機構４を介して操舵補助力が与えられる。

電動モータ１は、モータ制御回路５によって回転駆動される。モータ制御回路５には、トルクセンサ２で検出された操舵トルク検出値とともに、車速センサ３で検出された車速検出値が入力され、これらの入力値に基づいて電動モータ駆動電流を算出し、電動モータ１に出力する。これにより、運転者の操舵操作に応じた操舵補助力を発生させるようになっている（オープンループ制御）。

図２は、モータ制御回路５内の各機能のつながりを示すブロック図である。この実施形態では、モータ制御回路５内の各回路５１〜５５は、アナログ演算回路で構成されている。
モータ制御回路５は、トルクセンサ２の操舵トルク検出信号を入力としてＰＷＭパルス信号を発生するＰＷＭ回路５１、車速センサ３の車速検出信号を入力としてＰＷＭパルス信号を発生するＰＷＭ回路５２、三角波発生回路５５、２つのＰＷＭ回路５１，５２から出力されるＰＷＭパルス信号を乗算処理するＡＮＤ回路５３、及び電動モータを駆動するための電力を出力する駆動回路５４で構成されている。

三角波発生回路５５は、一定周波数の三角波を発生する。ＰＷＭ回路５１は、三角波発生回路５５によって発生される三角波と、操舵トルク検出信号とに基づいて、操舵トルクに応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ回路５２は、三角波発生回路５５によって発生される三角波と、車速検出信号とに基づいて、車速に応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号を生成する。これらのＰＷＭ信号は、ＡＮＤ回路５３にて乗算処理される。

図３は、ＰＷＭ回路の具体的な構成を示す詳細ブロック図であり、図４はヒステリシス回路５６内部の等価的な回路図であり、図５はＰＷＭ回路内の各部の信号波形図である。ＰＷＭ回路は、図２の機能ブロック図ではブロック５１とブロック５２とに区別されているが、実際の回路構成では、明確に区分できないこともあるので、ＰＷＭ回路５１，５２の集合を単に「ＰＷＭ回路」と言う。ＰＷＭ回路は、正転用ＰＷＭ信号および逆転用ＰＷＭ信号を生成して、駆動回路５４に供給する。ＡＮＤ回路５３は、図２の機能ブロック図では１つの回路で示されているが、実際の回路構成では、図３に示すように、２つの機能回路素子５３ａ，５３ｂに分かれている。

正転用ＰＷＭ信号および逆転用ＰＷＭ信号が時間的に重複すると、駆動回路内で短絡が発生する。そこで、ＰＷＭ回路は、正転用ＰＷＭ信号および逆転用ＰＷＭ信号を時間的に重複させないため、三角波発生回路５５によって発生される三角波に基づいて互いにシフトした２つの三角波を生成するヒステリシス回路５６と、比較回路５７〜６０とを備えている。

このヒステリシス回路５６の作用を、図４及び図５を用いて説明する。ヒステリシス回路５６は、図４に示すように電源間に、定電流源Ｐ１、スイッチング素子Ｑ１、抵抗器Ｒ１、抵抗器Ｒ２、スイッチング素子Ｑ２、定電流源Ｐ２を直列に接続した構成である。なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は例えばトランジスタで実現される。具体的には、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を、差動回路で構成しても良い。

三角波発生回路５５から発生する三角波を符号“ｇ”で示し、操舵トルク検出信号を符号“ａ”で示す。三角波ｇの中点は、図４、図５（ａ）で横に伸びた破線で表わされている。
操舵トルク検出信号ａは比較回路５７の正端子に入力され、三角波ｇは抵抗Ｒ１を介して比較回路５７の負端子に入力される。三角波ｇが操舵トルク検出信号ａを上に超えた時点で比較回路５７の出力信号ｄはローレベルになる。このローレベルの信号ｄはヒステリシス回路５６のトランジスタＱ１に戻され、トランジスタＱ１は、ローレベルの信号ｄに基づいて、三角波ｇの中点に対する抵抗Ｒ１の電位、すなわち比較回路５７の負端子の電位を「ヒステリシス幅」だけ引き上げる（シフトさせる）。このシフトされた結果表わされる三角波を「三角波ｂ」で示している（図５（ａ）参照）。三角波ｂが頂点に達した後低下し、操舵トルク検出信号ａを下回る時点で、比較回路５７の出力ｄはハイレベルに変わる。このようにして比較回路５７からパルス幅変調されたＰＷＭ信号ｄが出力される（図５（ｂ）参照）。

一方、操舵トルク検出信号ａは比較回路５８の負端子に入力され、三角波ｇは抵抗Ｒ２を介して比較回路５８の正端子に入力される。三角波ｇが操舵トルク検出信号ａを下に超えた時点で比較回路５８の出力信号ｅはローレベルになる。このローレベルの信号ｅはヒステリシス回路５６のトランジスタＱ２に戻され、トランジスタＱ２は、抵抗Ｒ２の電圧降下幅を大きくし、比較回路５７の正端子の電位を「ヒステリシス幅」だけ引き下げる。このシフトされた三角波を「三角波ｃ」で示している（図５（ａ）参照）。三角波ｃが下側の頂点に達した後上昇し、操舵トルク検出信号ａを上回る時点で、比較回路５８の出力ｅはハイレベルに変わる。このようにして比較回路５８からパルス幅変調されたＰＷＭ信号ｅが出力される（図５（ｃ）参照）。

ＰＷＭ信号ｅは、図５（ｂ），（ｃ）の波形を比較すれば分かるように、ＰＷＭ信号ｄとは逆位相となっている。すなわち両ＰＷＭ信号ｄ，ｅの時間的重複を回避するための、両ＰＷＭ信号がゼロになる期間ＤＴが存在している。これは前述したように、ヒステリシス回路５６が、三角波発生回路５５によって発生される三角波ｇに基づいて、互いにシフトした２つの三角波ｂ，ｃを生成し、それぞれを利用して各ＰＷＭ信号を作っているためである。

ＰＷＭ信号ｄのデューティ比（信号レベルが高く保たれる期間の比率）は、図５（ａ）（ｂ）からわかるように、操舵トルクが零以上であるときには操舵トルクが大きいほど大きくなり、操舵トルクが負であるときは操舵トルク値の絶対値が大きいほど小さくなる。一方、ＰＷＭ信号ｅのデューティ比は、図５（ａ）（ｃ）からわかるように、操舵トルクが零以上であるときには操舵トルクが大きいほど小さくなり、操舵トルクが負であるときは操舵トルク値の絶対値が大きいほど大きくなる。

一方、車速検出信号は、図５（ｄ）において符号“ｆ”で示される。車速検出信号ｆは各比較回路５９，６０の負端子にそれぞれ入力される。三角波発生回路５５から発生される三角波は“ｇ”で示され、三角波ｇを反転した波形が“ｈ”で示され各比較回路５９，６０の正端子にそれぞれ入力される。
三角波ｇ，ｈは、三角波ｂ，ｃと同一の周期（周波数）を持ち、それらの間に同期が保たれている（位相差が時間的に一定である）必要がある。本実施形態では、三角波ｇ，ｈ，ｂ，ｃともに１つの三角波発生回路５５から発生される同一の波源に基づいているので、同期は保たれている。もし三角波ｇ，ｈと、三角波ｂ，ｃとを、別々の三角波発生回路で生成しようとするなら、各三角波発生回路の信号発生用のクロックを共通にするなどして、生成される各三角波の同期が保たれるようにしなければならない。

車速検出信号ｆは、各比較回路５９,６０において、三角波発生回路５５によって発生される三角波ｇ及び反転した三角波ｈとそれぞれ比較される結果、比較回路５９からＰＷＭ信号ｉが出力され（図５（ｆ）参照）、比較回路６０からＰＷＭ信号ｊが出力される（図５（ｅ）参照）。
ＰＷＭ信号ｉのデューティ比は、図５（ｄ）（ｆ）からわかるように、車速が大きいほど小さくなる。一方、ＰＷＭ信号ｊのデューティ比も、図５（ｄ）（ｅ）からわかるように、車速が大きいほど小さくなる。

操舵トルク検出信号に基づいて作られるＰＷＭ信号ｄと、車速検出信号に基づいて作られるＰＷＭ信号ｉとは、論理積回路５３ａにて論理積がとられ、この結果、正転用のＰＷＭ信号が生成される。操舵トルク検出信号に基づいて作られるＰＷＭ信号ｅと車速検出信号に基づいて作られるＰＷＭ信号ｊとは、論理積回路５３ｂにて論理積がとられ、この結果、逆転用のＰＷＭ信号が生成される。

図６は、ＰＷＭ回路において、正転用のＰＷＭ信号が生成される過程を説明するためのグラフである。図６（ａ）は操舵トルクの変化幅と車速の変化幅とを示す。操舵トルクは右方向（正転方向）に操舵される場合の操舵トルクのみ示し、車速は低速（アシストオフ車速）と高速（フルアシスト車速）との間を変化する様子を示している。これらの変化は、単に仮想の変化であり、時間とともに実際にこのように変化することを示すものではない。図６（ｂ）は操舵トルク検出信号に基づいて作られるＰＷＭ信号ｄの波形を示し、操舵トルクが大きくなるほどＰＷＭ信号ｄのデューティ比は大きくなる。図６（ｃ）は車速検出信号に基づいて作られるＰＷＭ信号ｉの波形を示し、車速が小さければＰＷＭ信号ｉのデューティ比は大きく、車速が大きくなればＰＷＭ信号ｉのデューティ比は小さくなる。

正転用のＰＷＭ信号は、ＰＷＭ信号ｄとＰＷＭ信号ｉとの積であるから、低速であれば、ＰＷＭ信号ｄが支配的になり、低速でトルクの小さい領域ではそのデューティ比は小さく、低速でトルクが大きい領域ではそのデューティ比は非常に大きい。高速になるとＰＷＭ信号ｉが支配的になり、正転用のＰＷＭ信号のデューティ比は小さくなる。中速では、正転用のＰＷＭ信号のデューティ比は、ＰＷＭ信号ｄとＰＷＭ信号ｉとの両方により決定される。

なお図６を用いて、正転用のＰＷＭ信号が生成される過程を説明したが、逆転用のＰＷＭ信号が生成される過程も、同様のグラフを用いて説明できる。
図３に戻り、正転用のＰＷＭ信号と逆転用のＰＷＭ信号とは駆動回路５４に入力される。図７は駆動回路５４の概略図であり、駆動回路５４は、たとえば、Ｈブリッジ回路５４３を含む。Ｈブリッジ回路５４３は、２つの正転用スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２および２つの逆転用スイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ４を含む。具体的には、Ｈブリッジ回路５４３は、ハイサイドの正転用スイッチング素子Ｔｒ１とローサイドの逆転用スイッチング素子Ｔｒ４とからなる直列回路と、ハイサイドの逆転用スイッチング素子Ｔｒ３とローサイドの正転用スイッチング素子Ｔｒ２とからなる直列回路とを含んでいる。これらの直列回路は、電源に対して並列に接続されている。そして、ハイサイドの正転用スイッチング素子Ｔｒ１とローサイドの逆転用スイッチング素子Ｔｒ４との接続点と、ハイサイドの逆転用スイッチング素子Ｔｒ３とローサイドの正転用スイッチング素子Ｔｒ２との接続点との間に電動モータ１が接続されている。各スイッチング素子は、たとえば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）で構成される。

正転用スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２はドライバ回路５４１を通った正転用ＰＷＭ制御信号に基づいて制御され、逆転用スイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ４はドライバ回路５４２を通った逆転用ＰＷＭ制御信号に基づいて制御される。これにより、正転用ＰＷＭ制御信号が非零の期間には、正転用スイッチング素子Ｔｒ２が導通し、正転用のスイッチング素子Ｔｒ１が正転用ＰＷＭ制御信号に基づいて制御される。具体的には、ローサイドの正転用スイッチング素子Ｔｒ２がオン状態とされ、ハイサイドの正転用スイッチング素子Ｔｒ１が正転用ＰＷＭ制御信号に応じてオンオフされる。これにより、電動モータ１が正転される。この場合には、検出操舵トルクが大きく車速が小さいほど（図６参照）、電動モータ電流の絶対値が大きくなる。

逆転用ＰＷＭ制御信号が非零の期間には、逆転用スイッチング素子Ｔｒ４が導通し、逆転用のスイッチング素子Ｔｒ３が逆転用のＰＷＭ制御信号に基づいて制御される。具体的には、ローサイドの逆転用スイッチング素子Ｔｒ４がオン状態とされ、ハイサイドの逆転用スイッチング素子Ｔｒ３が逆転用ＰＷＭ制御信号に応じてオンオフされる。これにより、電動モータ１が逆転される。この場合も、検出操舵トルクの絶対値が大きく車速が小さいほど（図６参照）、電動モータ電流の絶対値が大きくなる。

こうして、検出操舵トルクの方向および大きさ、ならびに車速に応じた操舵補助力が電動モータ１によって発生され、出力軸７ｂに付与される。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、ブラシ付き電動モータシステムを適用する場合について説明したが、電動モータとしてブラシレス電動モータを適用することもできる。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

１…電動モータ、２…トルクセンサ、３…車速センサ、５…モータ制御回路、６…ステアリングホイール、５３，５３ａ，５３ｂ…論理積回路、５４…駆動回路、５５…三角波発生回路、５６…ヒステリシス回路

Claims (3)

1. 操舵補助力を発生するための電動モータと、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、車速を検出する車速センサと、前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクと前記車速センサによって検出される車速とに基づいて、前記電動モータを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、
   前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクに応じたデューティ比の第１のＰＷＭ信号を生成する第１のＰＷＭ信号生成手段と、
   前記車速センサによって検出される車速に応じたデューティ比の第２のＰＷＭ信号を生成する第２のＰＷＭ信号生成手段と、
   前記第１のＰＷＭ信号と前記第２のＰＷＭ信号とを合成し、この合成されたＰＷＭ信号に基づいて、前記電動モータを駆動する駆動手段とを備える、電動パワーステアリング装置。
2. 前記第１のＰＷＭ信号生成手段は、第１の三角波と前記操舵トルクとに基づいて、前記第１のＰＷＭ信号を生成し、前記第２のＰＷＭ信号生成手段は、前記第１の三角波と同期がとられた第２の三角波と前記操舵トルクとに基づいて、前記第２のＰＷＭ信号を生成する、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記第１の三角波と前記第２の三角波とは、同一の三角波発生手段によって発生される互いに同期がとられた三角波である、請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。

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