JP2013112279A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転舵用モータの回転角を検出するための回転角センサが故障した場合でも、転舵用モータの回転角を検出するための他の回転角センサを用いることなく、操舵制御を行なえるようになる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】センサ故障判定部５７は、回転角センサ２１の故障を検出すると、第１制御モードから、第２制御モードに、制御モードを切り換える。第２制御モード時には、回転角推定部５５によって推定される第２のロータ角（電気角）θ_ＳＥ２に基づいて転舵用モータ３の実ロータ角（機械角）θ_ＳＭが演算される。そして、この実ロータ角θ_ＳＭが、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊に回転角維持用指令信号が重畳された後の目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊に収束するようにフィードバック制御が行なわれる。
【選択図】図４

Description

この発明は、操向のために操作される操作部材と舵取り機構とが機械的に結合されておらず、転舵用モータによって舵取り機構が駆動される車両用操舵装置に関する。

操作部材としてのステアリングホイールと舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイールの操作角を角度センサによって検出するとともに、そのセンサ出力に応じて制御される転舵用モータ（操舵用アクチュエータ）の駆動力を舵取り機構に伝達するようにしたステア・バイ・ワイヤシステムが提案されている。
ステア・バイ・ワイヤシステムにおいては、ステアリングホイールと舵取り機構との機械的な連結がないので、車両衝突時におけるステアリングホイールの突き上げを防止できるとともに、舵取り機構の構成を簡素化および軽量化することができる。また、ステアリングホイールの配置位置の自由度が増し、さらには、ステアリングホイール以外のレバーまたはペダル等の他の操作手段の採用も可能である。

特開2010-11542号公報

前記ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングホイールと舵取り機構とが機械的に結合されていないため、転舵用モータ、転舵用モータを制御するために必要なセンサ等の電気機器が故障すると、操舵制御を行えなくなる。転舵用モータがブラシレスモータによって構成されている場合には、転舵用モータを制御するために必要なセンサには転舵用モータの回転角を検出するための回転角センサが含まれる。

そこで、転舵用モータ、センサ等の電気機器を複数設けておき、ある電気機器が故障したときには、その電気機器に代わりに他の故障していない電気機器を用いることにより、操舵不能となるのを回避できるようにしたものが提案されている。しかしながら、このような構成では、各電気機器を複数設ける必要があるため、コストが高くなる。
この発明の目的は、転舵用モータの回転角を検出するための回転角センサが故障した場合でも、転舵用モータの回転角を検出するための他の回転角センサを用いることなく、操舵制御を行なえるようにな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、操向のために操作される操作部材（２）と舵取り機構（６）とが機械的に結合されておらず、ブラシレスモータからなる転舵用モータ（３）によって舵取り機構が駆動される車両用操舵装置（１）であって、前記転舵用モータのロータの回転角を検出するための回転角センサ（２１）と、前記転舵用モータの誘起電圧に基づいて、前記転舵用モータのロータの回転角を推定するロータ角推定手段（５４，５５）と、操舵状況に応じて前記転舵用モータのロータ回転角の目標値である目標ロータ角（θ_ＳＭ ^＊）を演算する目標ロータ角演算手段（４１）と、前記目標ロータ角演算手段によって演算される目標ロータ角に、前記転舵用モータを継続的に回転させるための回転維持用指令信号を重畳するための信号重畳手段（４２，５６）と、前記回転角センサが故障したことを検出する故障検出手段（５７）と、前記故障検出手段によって前記回転角センサの故障が検出されたときに、前記目標ロータ角演算手段によって演算される目標ロータ角または前記信号重畳手段による回転維持用指令信号重畳後の目標ロータ角と前記回転角センサの検出値とに基づいて前記転舵用モータを制御する第１制御モードから、前記信号重畳手段による回転維持用指令信号重畳後の目標ロータ角と前記ロータ角推定手段によって推定されるロータ回転角とに基づいて前記転舵用モータを制御する第２制御モードに制御モードを切り換える切換手段（５２，５６，５７）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が、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

この構成では、回転角センサの故障が検出されていないときには、第１制御モードによるモータ制御が行なわれる。つまり、目標ロータ角演算手段によって演算される目標ロータ角または信号重畳手段による回転維持用指令信号重畳後の目標ロータ角と、回転角センサの検出値とに基づいて転舵用モータが制御される。これにより、操舵状況に応じた適切な操舵制御が行なわれる。

一方、回転角センサの故障が検出されると第２制御モードによるモータ制御が行なわれる。つまり、信号重畳手段による回転維持用指令信号重畳後の目標ロータ角と、ロータ角推定手段によって推定されるロータ回転角とに基づいて転舵用モータが制御される。ロータ角推定手段は転舵用モータの誘起電圧に基づいて転舵用モータのロータ回転角を推定するものであるため、ロータ角推定手段によってロータ回転角を推定するためには、転舵用モータが回転している必要がある。第２制御モードにおいては、目標ロータ角演算部によって演算される目標ロータ角にかかわらず、転舵用モータを継続的に回転させることができるため、ロータ角推定手段によるロータ回転角の推定が常に可能となる。この結果、回転角センサが故障した場合でも、転舵用モータの回転角を検出するための他の回転角センサを用いることなく、操舵状況に応じた適切な操舵制御を行なうことができるようになる。

前記回転維持用指令信号は、交流信号であってもよい。例えば、前記回転維持用指令信号は、正弦波信号であってもよい。回転維持用指令信号が正弦波信号等の交流信号である場合には、目標ロータ角演算部によって演算される目標ロータ角が例えば一定であるときに、転舵用モータを正方向および逆方向に交互に回転させることができる。
また、回転維持用指令信号が正弦波信号である場合には、前記車両用操舵装置は、回転維持用指令信号の振幅および周波数のうちの少なくとも一方を、車両の走行状態に応じて変更させる変更手段を含んでいてもよい。また、前記車両用操舵装置は、車速を検出する車速検出手段をさらに含み、前記変更手段は、前記回転維持用指令信号の振幅および周波数のうちの少なくとも一方を、前記車速検出手段によって検出される車速に応じて変更させるように構成されていてもよい。この場合、変更手段は、例えば、回転維持用指令信号の振幅および周波数を、車速が大きいほど小さくなるように変更するものであってもよい。

図１は、この発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための図解図である。 図２は、ＥＣＵの電気的構成を示すブロック図である。 図３は、転舵用モータの構成を説明するための図解図である。 図４は、転舵用モータ制御部の構成を示すブロック図である。 図５は、第２制御モード時における目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊および最終的な目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊の変化例を示すタイムチャートである。 図６は、誘起電圧推定部の構成を説明するためのブロック図である。 図７は、反力モータ制御部の構成を示すブロック図である。

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車両用操舵装置の構成を説明するための図解図であり、ステア・バイ・ワイヤシステムの構成が示されている。
この車両用操舵装置１は、運転者が操向のために操作する操作部材としてステアリングホイール２と、ステアリングホイール２の回転操作に応じて駆動される転舵用モータ（操舵用アクチュエータ）３と、転舵用モータ３の駆動力を、舵取り車輪としての前方左右車輪５に伝達するステアリングギヤ４とを備えている。ステアリングホイール２と、転舵用モータ３等を含む舵取り機構６との間には、ステアリングホイール２に加えられた操作トルクが舵取り機構６に機械的に伝達されるような機械的な結合はなく、ステアリングホイール２の操作量（操作角または操作トルク）に応じて転舵用モータ３が駆動制御されることによって、車輪５が転舵されるようになっている。

転舵用モータ３は、ブラシレスモータにより構成されている。転舵用モータ３には、転舵用モータ３のロータの回転角を検出するためのレゾルバ等の回転角センサ２１が設けられている。
ステアリングギヤ４は、転舵用モータ３の出力シャフトの回転運動をステアリングロッド７の直線運動（車両左右方向の直線運動）に変換する運動変換機構を有する。ステアリングロッド７の動きがタイロッド８およびナックルアーム９を介して車輪５に伝達され、車輪５のトー角（転舵角）が変化する。つまり、舵取り機構６は、転舵用モータ３、ステアリングギヤ４、ステアリングロッド７、タイロッド８およびナックルアーム９から構成されている。ステアリングギヤ４は、公知のものを用いることができ、転舵用モータ３の動きを舵角が変化するように車輪５に伝達できれば構成は限定されない。なお、転舵用モータ３が駆動されていない状態では、車輪５がセルフアライメントトルクにより直進操舵位置に復帰できるようにホイールアライメントが設定されている。

ステアリングホイール２は、車体側に回転可能に支持された回転シャフト１０に連結されている。この回転シャフト１０には、ステアリングホイール２に作用する反力トルク（操作反力）を発生する反力モータ（反力アクチュエータ）１９が設けられている。この反力モータ１９は、回転シャフト１０と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータにより構成されている。この実施形態では、反力モータ１９は、ブラシレスモータによって構成されている。反力モータ１９には、反力モータ１９のロータの回転角（ロータ角）を検出するためのレゾルバ等の回転角センサ２２が設けられている。

車体と回転シャフト１０との間には、ステアリングホイール２を直進操舵位置に復帰させる方向の弾力を付与する弾性部材１５が設けられている。この弾性部材１５は、例えば、回転シャフト１０に弾力を付与するバネにより構成できる。反力モータ１９が回転シャフト１０にトルクを付加していないとき、ステアリングホイール２は、弾性部材１５の弾力により、直進操舵位置に復帰する。

ステアリングホイール２の操作角（回転角）δｈを検出するために、回転シャフト１０の回転角を検出するための角度センサ１１が設けられている。また、運転者がステアリングホイール１に作用させる操舵トルクＴｈを検出するために、回転シャフト１０により伝達されるトルクを検出するためのトルクセンサ１２が設けられている。また、車速Ｖを検出する速度センサ１４が設けられている。

角度センサ１１、トルクセンサ１２、速度センサ１４および回転角センサ２１，２２は、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３０にそれぞれ接続されている。ＥＣＵ３０は、転舵用モータ３および反力モータ１９を制御する。
図２は、ＥＣＵ３０の電気的構成を示すブロック図である。
ＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータ３１と、マイクロコンピュータ３１によって制御され、転舵用モータ３に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）３２と、転舵用モータ３に流れるモータ電流を検出する電流検出部３３と、マイクロコンピュータ３１によって制御され、反力モータ１９に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）３４と、反力モータ１９に流れるモータ電流を検出する電流検出部３５とを備えている。

マイクロコンピュータ３１は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなど）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、転舵用モータ３を制御するための転舵用モータ制御部４０と、反力モータ１９を制御するための反力モータ制御部７０とを備えている。

転舵用モータ制御部４０は、速度センサ１４によって検出される車速Ｖおよび角度センサ１１によって検出される操作角δｈに基づいて、駆動回路３２を介して転舵用モータ３を駆動することによって、操舵状況に応じた操舵制御を実現する。
反力モータ制御部７０は、速度センサ１４によって検出される車速Ｖ、角度センサ１１によって検出される操作角δｈおよびトルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴｈに基づいて、駆動回路３４を介して反力モータ１９を駆動することによって、操舵状況に応じた反力制御を実現する。

転舵用モータ３は、例えば三相ブラシレスモータであり、図３に図解的に示すように、界磁としてのロータ１００と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のステータ巻線１０１，１０２，１０３を含むステータ１０５とを備えている。転舵用モータ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１０１，１０２，１０３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１００の磁極方向にｄ軸（磁極軸）をとり、ロータ１００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１００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１００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１００の回転角（ロータ角（電気角））θ_-ＳＥ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θ_-ＳＥに従う実回転座標系である。このロータ角θ_-ＳＥ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。

反力モータ１９は、例えば三相ブラシレスモータからなり、転舵用モータ３と同様な構造を有している。
図４は、転舵用モータ制御部４０の構成を示すブロック図である。
転舵用モータ制御部４０は、目標ロータ角演算部４１と、加算部４２と、角度偏差演算部４３と、ＰＩ（比例積分）制御部４４と、電流指令値生成部４５と、電流偏差演算部４６と、ＰＩ（比例積分）制御部４７と、ｄｑ／ＵＶＷ変換部４８と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部４９と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部５０と、回転角演算部５１と、角度切換部５２と、積算部５３と、誘起電圧推定部５４と、回転角推定部５５と、回転角維持用指令値生成部５６と、センサ故障判定部５７とを含む。

３相ブラシレスモータで構成される転舵用モータ３を制御するためには、転舵用モータ３のロータの回転角（ロータ角）を検出する必要がある。そこで、転舵用モータ３のロータ角を検出するために、レゾルバ等の回転角センサ２１が設けられている。回転角センサ２１が故障すると、転舵用モータ３のロータ角を検出することができなくなる。
そこで、この実施形態では、回転角センサ２１の故障に備えて、転舵用モータ３の回転によって発生する誘起電圧を推定し、推定した誘起電圧に基づいて、転舵用モータ３のロータ角を推定するようにしている。このために、誘起電圧推定部５４および回転角推定部５５が設けられている。そして、回転角センサ２１が故障した場合には、回転角推定部５５によって推定されるロータ角を用いて、転舵用モータ３を制御するようにしている。

誘起電圧を推定するためには、転舵用モータ３が回転していることが必要となる。そこで、この実施形態では、回転角センサ２１が故障している場合には、転舵用モータ３を継続的に回転させるための回転維持用指令信号を、転舵用モータ３の目標ロータ角に重畳するようにしている。このために、回転維持用指令信号生成部５６および加算部４２が設けられている。

以下、転舵用モータ制御部４０の各部について説明する。回転角演算部５１は、回転角センサ２１の出力信号に基づいて、転舵用モータ３のロータの回転角（電気角。以下、「第１のロータ角θ_ＳＥ１」という。）を演算する。誘起電圧推定部５４は、転舵用モータ３の回転によって生じる誘起電圧を推定する。また、回転角推定部５５は、誘起電圧推定部５４によって推定された誘起電圧に基づいて、転舵用モータ３のロータの回転角（電気角。以下、「第２のロータ角θ_ＳＥ２」という。）を推定する。誘起電圧推定部５４および回転角推定部５５の動作の詳細については後述する。

角度切換部５２は、回転角演算部５１によって演算される第１のロータ角θ_ＳＥ１と、回転角推定部５５によって推定される第２のロータ角θ_ＳＥ２とのうちのいずれか一方を選択して、ロータ角（電気角）θ_ＳＥとして出力する。積算部５３は、角度切換部５２から出力されるロータ角（電気角）θ_ＳＥを積算することにより、転舵用モータ３のロータの絶対的な回転角（機械角。以下、「実ロータ角θ_ＳＭ」という）を演算する。

センサ故障判定部５７は、回転角センサ２１の故障の有無を判定し、その判定結果に応じて転舵用モータ３の制御モードの切換を行なう。つまり、センサ故障判定部５７は、故障検出手段および切換手段として機能する。例えば、センサ故障判定部５７は、回転角センサ２１の出力信号を監視することによって、回転角センサ２１の故障、回転角センサ２１の信号線の断線故障、回転角センサ２１の信号線の接地故障を検出することができる。センサ故障判定部５７は、回転角センサ２１の故障の有無の判定結果に応じて、第１制御モードと第２制御モードとの間で制御モードを切換え、モード切換指令を生成する。このモード切換指令に応じて、角度切換部５２の切換えが実行される。

具体的には、センサ故障判定部５７は、回転角センサ２１の故障が生じていないと判定している場合（通常時）には、制御モードを第１制御モードに設定する。一方、回転角センサ２１の故障が生じていると判定している場合（故障時）には、センサ故障判定部５７は、制御モードを第１制御モードから第２制御モードに切換える。
第１制御モードにおいては、角度切換部５２は第１のロータ角θ_ＳＥ１を選択してロータ角θ_ＳＥとして出力する。一方、第２制御モードにおいては、角度切換部５２は第２のロータ角θ_ＳＥ２を選択してロータ角θ_ＳＥとして出力する。

センサ故障判定部５７からのモード切換指令は、回転維持用指令信号生成部５６にも与えられるようになっている。回転維持用指令信号生成部５６は、第１制御モード時においては、回転維持用指令信号を零に設定する。回転維持用指令信号生成部５６は、センサ故障判定部５７からのモード切換指令が第１制御モードから第２制御モードへの切換を指令するものであるとき、当該指令に応答して、回転維持用指令信号（有意値）を生成する。回転維持用指令信号の算出方法については、後述する。

目標ロータ角演算部４１は、速度センサ１４によって検出される車速Ｖおよび角度センサ１１によって検出される操作角δｈに基づいて、転舵用モータ３のロータ角（機械角）の目標値である目標ロータ角（機械角）θ_ＳＭ ^＊を演算する。例えば、目標ロータ角演算部４１は、所定の伝達関数Ｋ_δ（Ｖ）を用いて、操作角δｈおよび車速Ｖに応じた目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊を設定する。

加算部４２は、目標ロータ角演算部４１によって演算された目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊に回転維持用指令信号生成部５７によって生成される回転維持用指令信号を加算（重畳）することにより、最終的な目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊（機械角）を演算する。
角度偏差演算部４３は、加算部４２によって演算される最終的な目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊と、積算部５３によって演算される実ロータ角θ_ＳＭとの偏差を演算する。ＰＩ制御部４４は、角度偏差演算部４３によって演算された角度偏差に対するＰＩ演算を行なう。

電流指令値生成部４５は、ＰＩ制御部４４の演算結果に基づいて、ｄｑ座標系の座標軸に流すべき電流値を電流指令値として生成する。具体的には、電流指令値生成部４５は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊（以下、これらを総称するときには「二相電流指令値Ｉ_ｄｑ ^＊」という。）を生成する。さらに具体的には、電流指令値生成部４５は、ｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を有意値とする一方で、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊を零とする。より具体的には、電流指令値生成部４５は、ＰＩ制御部４４の演算結果に基づいて、ｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を生成する。電流指令値生成部４５によって生成された二相電流指令値Ｉ_ｄｑ ^＊は、電流偏差演算部４６に与えられる。

電流検出部３３は、転舵用モータ３のＵ相電流Ｉ_Ｕ、Ｖ相電流Ｉ_ＶおよびＷ相電流Ｉ_Ｗ（以下、これらを総称するときは、「三相検出電流Ｉ_ＵＶＷ」という。）を検出する。電流検出部３３によって検出された三相検出電流Ｉ_ＵＶＷは、ＵＶＷ／ｄｑ変換部５０に与えられる。
ＵＶＷ／ｄｑ変換部５０は、ＵＶＷ／αβ変換部５０Ａと、αβ／ｄｑ変換部５０Ｂとを含む。ＵＶＷ／αβ変換部５０Ａは、電流検出部３３によって検出されるＵＶＷ座標系の三相検出電流Ｉ_ＵＶＷ（Ｕ相電流Ｉ_Ｕ、Ｖ相電流Ｉ_ＶおよびＷ相電流Ｉ_Ｗ）を二相固定座標系であるαβ座標系の二相検出電流Ｉ_αおよびＩ_β（以下総称するときには「二相検出電流Ｉ_αβ」という。）に変換する。αβ座標系は、図３に示すように、ロータ１００の回転中心を原点として、ロータ１００の回転平面内にα軸およびこれに直交するβ軸（図３の例ではＵ軸と同軸）を定めた固定座標系である。αβ／ｄｑ変換部５０Ｂは、二相検出電流Ｉ_αβをｄｑ座標系の二相検出電流Ｉ_ｄおよびＩ_ｑ（以下総称するときには「二相検出電流Ｉ_ｄｑ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部４６に与えられるようになっている。αβ／ｄｑ変換部５０Ｂにおける座標変換には、角度切換部５２で選択されたロータ角θ_ＳＥが用いられる。

電流偏差演算部４６は、電流指令値生成部４５によって生成される二相電流指令値Ｉ_ｄｑ ^＊と、αβ／ｄｑ変換部５０Ｂから与えられる二相検出電流Ｉ_ｄｑとの偏差を演算する。より具体的には、電流偏差演算部４６は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊に対するｄ軸検出電流Ｉ_ｄの偏差およびｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊に対するｑ軸検出電流Ｉ_ｑの偏差を演算する。これらの偏差は、ＰＩ制御部４７に与えられる。

ＰＩ制御部４７は、電流偏差演算部４６によって演算された電流偏差に対するＰＩ演算を行なうことにより、転舵用モータ３に印加すべき二相電圧指令値Ｖ_ｄｑ ^＊（ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊）を生成する。この二相電圧指令値Ｖ_ｄｑ ^＊は、ｄｑ／ＵＶＷ変換部４８に与えられる。
ｄｑ／ＵＶＷ変換部４８は、ｄｑ／αβ変換部４８Ａとαβ／ＵＶＷ変換部４８Ｂとを含む。ｄｑ／αβ変換部４８Ａは、二相電圧指令値Ｖ_ｄｑ ^＊をαβ座標系の二相電圧指令値Ｖ_αβ ^＊に変換する。この座標変換には、角度切換部５２で選択されたロータ角θ_ＳＥが用いられる。二相電圧指令値Ｖ_αβ ^＊は、α軸電圧指令値Ｖ_α ^＊およびβ軸電圧指令値Ｖ_β ^＊からなる。

αβ／ＵＶＷ変換部４８Ｂは、二相電圧指令値Ｖ_αβ ^＊に対して座標変換演算を行うことによって、三相電圧指令値Ｖ_ＵＶＷ ^＊を生成する。三相電圧指令値Ｖ_ＵＶＷ ^＊は、Ｕ相電圧指令値Ｖ_Ｕ ^＊、Ｖ相電圧指令値Ｖ_Ｖ ^＊およびＷ相電圧指令値Ｖ_Ｗ ^＊からなる。この三相電圧指令値Ｖ_ＵＶＷ ^＊は、ＰＷＭ制御部４９に与えられる。
ＰＷＭ制御部４９は、Ｕ相電圧指令値Ｖ_Ｕ ^＊、Ｖ相電圧指令値Ｖ_Ｖ ^＊およびＷ相電圧指令値Ｖ_Ｗ ^＊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３２に供給する。

駆動回路３２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４９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、三相電圧指令値Ｖ_ＵＶＷ ^＊に相当する電圧が転舵用モータ３の各相のステータ巻線１０１，１０２、１０３に印加されることになる。
角度偏差演算部４３およびＰＩ制御部４４は、角度フィードバック制御手段を構成している。この角度フィードバック制御手段の働きによって、転舵用モータ３の実ロータ角θ_ＳＭが、目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊に近づくように制御される。また、電流偏差演算部４６およびＰＩ制御部４７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、転舵用モータ３に流れるモータ電流が、電流指令値生成部４５によって生成された二相電流指令値Ｉ_ｄｑ ^＊に近づくように制御される。

回転維持用指令信号生成部５６の動作について説明する。回転維持用指令信号生成部５６に生成される回転維持用指令信号は、この実施形態では正弦波信号であり、次式(1)によって表される。
回転維持用指令信号＝Ｋ（Ｖ）・sin（２π・α（Ｖ）・ｔ） …(1)
Ｋ（Ｖ）は、回転維持用指令信号の振幅を設定するための振幅制御値である。α（Ｖ）は、回転維持用指令信号の周波数を設定するための周波数制御値である。ｔは時間である。

目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角をθ_ＳＭ ^＊とすると、加算部４２によって演算される最終的な目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊は、次式(2)によって表される。
θ_ＳＭ１ ^＊＝θ_ＳＭ ^＊＋Ｋ（Ｖ）・sin（２π・α（Ｖ）・ｔ） …(2)
第１制御モード時（通常時）には、回転維持用指令信号生成部５６は、振幅制御値Ｋ（Ｖ）を零に設定する。したがって、第１制御モード時には、回転維持用指令信号は零となるから、最終的な目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊は、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊と等しくなる。

第２制御モード時（故障時）には、回転維持用指令信号生成部５６は、振幅制御値Ｋ（Ｖ）を車速Ｖに応じた有意値に設定するとともに、周波数制御値α（Ｖ）を車速Ｖに応じた有意値に設定する。回転維持用指令信号は、転舵用モータ３を継続的に回転させるために目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊に重畳されるものであるが、運転者に違和感を生じさせないために、振幅制御値Ｋ（Ｖ）の値は微小な値（例えば、３π／２０＜Ｋ（Ｖ）＜１６π／２０）に設定される。また、周波数制御値α（Ｖ）は、例えば、０．３＜α（Ｖ）＜２．０の範囲内の値に設定される。

振幅制御値Ｋ（Ｖ）および周波数制御値α（Ｖ）は、車速Ｖが大きいほどその値が小さくなるように設定される。これにより、車速Ｖが大きいほど、回転維持用指令信号の振幅が小さくなるとともに回転維持用指令信号が緩やかに変化するようになる。したがって、車速Ｖが大きいときに、回転維持用指令信号に基づく車輪５の転舵角変化が小さくなり、操舵の安定性が確保される。第２制御モード時には、最終的な目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊は、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊に、前述のようにして算出される回転維持用指令信号が重畳された値となる。

図５は、第２制御モード時における目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊および最終的な目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊の変化例を示すタイムチャートである。図５に示すように、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊が変化しない状態（例えば保舵状態）でも、最終的な目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊は周期的に変化するため、転舵用モータ３が正転方向および逆転方向に交互に回転駆動される。このため、運転者がステアリングホイール２を回転させていない場合でも、誘起電圧推定部５４および回転角推定部５５によって転舵用モータ３のロータ角を推定することが可能となる。

図６は、誘起電圧推定部５４の構成を説明するためのブロック図である。誘起電圧推定部５４は、二相検出電流Ｉ_αβと二相電圧指令値Ｖ_αβ ^＊とに基づいて、転舵用モータ３の誘起電圧を推定する。より具体的には、誘起電圧推定部５４は、転舵用モータ３の数学モデルであるモータモデルに基づき、転舵用モータ３の誘起電圧を外乱として推定する外乱オブザーバとしての形態を有している。モータモデルは、たとえば、（Ｒ＋ｐＬ）^−１と表すことができる。ただし、Ｒは電機子巻線抵抗、Ｌはαβ軸インダクタンス、ｐは微分演算子である。転舵用モータ３には、二相電圧指令値Ｖ_αβ ^＊と誘起電圧Ｅ_αβ（α軸誘起電圧Ｅ_αおよびβ軸誘起電圧Ｅ_β）とが印加されると考えることができる。

誘起電圧推定部５４は、二相検出電流Ｉ_αβを入力としてモータ電圧を推定する逆モータモデル（モータモデルの逆モデル）６１と、この逆モータモデル６１によって推定されるモータ電圧と二相電圧指令値Ｖ_αβ ^＊との偏差を求める電圧偏差演算部６２とで構成することができる。電圧偏差演算部６２は、二相電圧指令値Ｖ_αβ ^＊に対する外乱を求めることになるが、図６から明らかなとおり、この外乱は誘起電圧Ｅ_αβに相当する推定値Ｅ^_αβ（α軸誘起電圧推定値Ｅ^_αおよびβ軸誘起電圧推定値Ｅ^_β（以下、まとめて「推定誘起電圧Ｅ^_αβ」という。）になる。逆モータモデル６１は、たとえば、Ｒ＋ｐＬで表される。

誘起電圧Ｅ_αβは、次の(3)式で表すことができる。ただし、Ｋ_Ｅは誘起電圧定数、θ_ＳＥはロータ角、ωはロータ回転角速度である。

したがって、推定誘起電圧Ｅ^_αβが求まれば、次の(4)式に従って、推定回転角θ_ＳＥ２が求まる。この演算が、回転角推定部５５によって行われる。

第１制御モード時には、回転角センサ２１の出力信号に基づいて演算された第１のロータ角（電気角）θ_ＳＥ１（＝θ_ＳＥ）に基づいて、転舵用モータ３の実ロータ角（機械角）θ_ＳＭが演算される。そして、この実ロータ角θ_ＳＭが、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊（＝θ_ＳＭ１ ^＊）に収束するようにフィードバック制御が行なわれる。また、回転角センサ２１の出力信号に基づいて演算される第１のロータ角θ_ＳＥ１（＝θ_ＳＥ）を用いて、ｄｑ／αβ変換部４８Ａおよびαβ／ｄｑ変換部５０Ｂにおける座標変換が行なわれることになる。つまり、第１制御モードでは、回転角センサ２１の検出値と目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊（＝θ_ＳＭ１ ^＊）とを用いて転舵用モータ３が制御されることにより、操舵状況に応じた適切な操舵制御が行われる。

一方、第２制御モード時には、回転角推定部５５によって推定される第２のロータ角（電気角）θ_ＳＥ２（＝θ_ＳＥ）に基づいて転舵用モータ３の実ロータ角（機械角）θ_ＳＭが演算される。そして、この実ロータ角θ_ＳＭが、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊に回転角維持用指令信号が重畳された後の目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊に収束するようにフィードバック制御が行なわれる。また、回転角推定部５５によって推定される第２のロータ角θ_ＳＥ２（＝θ_ＳＥ）を用いて、ｄｑ／αβ変換部４８Ａおよびαβ／ｄｑ変換部５０Ｂにおける座標変換が行なわれることになる。

つまり、第２制御モードでは、回転角推定部５５によって推定されるロータ角θ_ＳＥ２と、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊に回転角維持用指令信号が重畳された後の目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊とを用いて、転舵用モータ３が制御される。このため、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊にかかわらず、転舵用モータ３を継続的に回転させることができるため、誘起電圧推定部５４および回転角推定部５５によるロータ角θ_ＳＥ２の推定が常に可能となる。この結果、回転角センサ２１が故障した場合でも、転舵用モータ３のロータ角を検出するための他の回転角センサを用いることなく、操舵状況に応じた適切な操舵制御を行なうことができるようになる。また、回転角維持用指令信号は、正弦波信号であり、かつその振幅は微小なものであるため、運転者が違和感を抱くのを抑制することができる。

図７は、反力モータ制御部７０の構成を示すブロック図である。
反力モータ制御部７０は、目標反力トルク演算部７１と、電流指令値生成部７２と、電流偏差演算部７３と、ＰＩ（比例積分）制御部７４と、ｄｑ／ＵＶＷ変換部７５と、ＰＷＭ制御部７６と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部７７と、回転角演算部７８とを含む。
回転角演算部７８は、回転角センサ２２の出力信号に基づいて、反力モータ１９のロータの回転角（電気角。以下、「ロータ角θ_ＦＥ」という。）を演算する。

目標反力トルク演算部７１は、速度センサ１４によって検出される車速Ｖ、角度センサ１１によって検出される操作角δｈおよびトルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴｈに基づいて、目標反力トルクＴ_Ｆ ^＊を演算する。例えば、目標反力トルク演算部７１は、操舵角δｈおよび車速Ｖに基づいて目標反力トルク基本値を求め、この目標反力トルク基本値に対して操舵トルクＴｈに応じたゲインを乗じることにより、目標反力トルクＴ_Ｆ ^＊を演算する。

電流指令値生成部７２は、目標反力トルク演算部７１によって演算された目標反力トルクＴ_Ｆ ^＊に基づいて、ｄｑ座標系の座標軸に流すべき電流値を電流指令値として生成する。具体的には、電流指令値生成部７２は、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊およびｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊（以下、これらを総称するときには「二相電流指令値ｉ_ｄｑ ^＊」という。）を生成する。さらに具体的には、電流指令値生成部７２は、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を有意値とする一方で、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を零とする。より具体的には、電流指令値生成部７２は、目標反力トルク演算部７１によって演算された目標反力トルクＴ_Ｆ ^＊に基づいて、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。電流指令値生成部７２によって生成された二相電流指令値ｉ_ｄｑ ^＊は、電流偏差演算部７３に与えられる。

電流検出部３５は、反力モータ１９のＵ相電流ｉ_Ｕ、Ｖ相電流ｉ_ＶおよびＷ相電流ｉ_Ｗ（以下、これらを総称するときは、「三相検出電流ｉ_ＵＶＷ」という。）を検出する。電流検出部３５によって検出された三相検出電流ｉ_ＵＶＷは、ＵＶＷ／ｄｑ変換部７７に与えられる。
ＵＶＷ／ｄｑ変換部７７は、電流検出部３５によって検出されるＵＶＷ座標系の三相検出電流ｉ_ＵＶＷ（Ｕ相電流ｉ_Ｕ、Ｖ相電流ｉ_ＶおよびＷ相電流ｉ_Ｗ）をｄｑ座標系の二相検出電流ｉ_ｄおよびｉ_ｑ（以下総称するときには「二相検出電流ｉ_ｄｑ」という。）に変換する。これらが電流偏差演算部７３に与えられるようになっている。ＵＶＷ／ｄｑ変換部７７における座標変換には、回転角演算部７８によって演算されたロータ角θ_ＦＥが用いられる。

電流偏差演算部７３は、電流指令値生成部７２によって生成される二相電流指令値ｉ_ｄｑ ^＊と、ＵＶＷ／ｄｑ変換部７７から与えられる二相検出電流ｉ_ｄｑとの偏差を演算する。より具体的には、電流偏差演算部７３は、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊に対するｄ軸検出電流ｉ_ｄの偏差およびｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊に対するｑ軸検出電流ｉ_ｑの偏差を演算する。これらの偏差は、ＰＩ制御部７４に与えられる。

ＰＩ制御部７４は、電流偏差演算部７３によって演算された電流偏差に対するＰＩ演算を行なうことにより、反力モータ１９に印加すべき二相電圧指令値ｖ_ｄｑ ^＊（ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊およびｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊）を生成する。この二相電圧指令値ｖ_ｄｑ ^＊は、ｄｑ／ＵＶＷ変換部７５に与えられる。
ｄｑ／ＵＶＷ変換部７５は、二相電圧指令値ｖ_ｄｑ ^＊を三相電圧指令値ｖ_ＵＶＷ ^＊に変換する。この座標変換には、回転角演算部７８によって演算されたロータ角θ_ＦＥが用いられる。
三相電圧指令値ｖ_ＵＶＷ ^＊は、Ｕ相電圧指令値ｖ_Ｕ ^＊、Ｖ相電圧指令値ｖ_Ｖ ^＊およびＷ相電圧指令値ｖ_Ｗ ^＊からなる。この三相電圧指令値ｖ_ＵＶＷ ^＊は、ＰＷＭ制御部７６に与えられる。

ＰＷＭ制御部７６は、Ｕ相電圧指令値ｖ_Ｕ ^＊、Ｖ相電圧指令値ｖ_Ｖ ^＊およびＷ相電圧指令値ｖ_Ｗ ^＊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３４に供給する。
駆動回路３４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７６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、三相電圧指令値ｖ_ＵＶＷ ^＊に相当する電圧が反力モータ１９の各相のステータ巻線に印加されることになる。

電流偏差演算部７３およびＰＩ制御部７４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、反力モータ１９に流れるモータ電流が、電流指令値生成部７２によって生成された二相電流指令値ｉ_ｄｑ ^＊に近づくように制御される。
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、センサ故障判定部５７によってセンサ故障が検出されていないときには、回転維持用指令信号生成部５６は振幅制御値Ｋ（Ｖ）を零に設定しているが、回転維持用指令信号生成部５６はセンサ故障が検出されていないときにおいても、前述のセンサ故障が検出されているときと同様に、振幅制御値Ｋ（Ｖ）を零以外の有意値に設定するようにしてもよい。この場合には、第１制御モードにおいても、目標ロータ角演算部４１によって演算される目標ロータ角θ_ＳＭ ^＊に、車速Ｖに応じて算出される回転角維持用指令信号が重畳された後の目標ロータ角θ_ＳＭ１ ^＊が、最終的な目標ロータ角となる。

また、前述の実施形態では、振幅制御値Ｋ（Ｖ）および周波数制御値α（Ｖ）を車速に応じて変更しているが、路面状況、走行場所等に応じて変更するようにしてもよい。また、回転維持用指令信号は、正弦波信号以外の交流信号（三角波交流信号，台形波交流信号等）であってもよい。また、ＰＩ制御部４４，４７，７４は、ＰＩＤ（比例積分微分）制御を行なうＰＩＤ制御部であってもよい。

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…車両用操舵装置、２…ステアリングホイール、３…転舵用モータ、６…舵取り機構、２１…回転角センサ、３１…マイクロコンピュータ、４０…転舵用モータ制御部、４１…目標ロータ角演算部、４２…加算部、５２…角度切換部、５４…誘起電圧推定部、５５…回転角推定部、５６…回転維持用指令信号生成部、５７…センサ故障判定部

Claims (5)

1. 操向のために操作される操作部材と舵取り機構とが機械的に結合されておらず、ブラシレスモータからなる転舵用モータによって舵取り機構が駆動される車両用操舵装置であって、
   前記転舵用モータのロータの回転角を検出するための回転角センサと、
   前記転舵用モータの誘起電圧に基づいて、前記転舵用モータのロータの回転角を推定するロータ角推定手段と、
   操舵状況に応じて前記転舵用モータのロータ回転角の目標値である目標ロータ角を演算する目標ロータ角演算手段と、
   前記目標ロータ角演算手段によって演算される目標ロータ角に、前記転舵用モータを継続的に回転させるための回転維持用指令信号を重畳するための信号重畳手段と、
   前記回転角センサが故障したことを検出する故障検出手段と、
   前記故障検出手段によって前記回転角センサの故障が検出されたときに、前記目標ロータ角演算手段によって演算される目標ロータ角または前記信号重畳手段による回転維持用指令信号重畳後の目標ロータ角と前記回転角センサの検出値とに基づいて前記転舵用モータを制御する第１制御モードから、前記信号重畳手段による回転維持用指令信号重畳後の目標ロータ角と前記ロータ角推定手段によって推定されるロータ回転角とに基づいて前記転舵用モータを制御する第２制御モードに制御モードを切り換える切換手段と、を含む車両用操舵装置。
2. 前記回転維持用指令信号が、交流信号である請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 前記回転維持用指令信号が、正弦波信号である請求項２に記載の車両用操舵装置。
4. 前記回転維持用指令信号の振幅および周波数のうちの少なくとも一方を、車両の走行状態に応じて変更させる変更手段をさらに含む、請求項３に記載の車両用操舵装置。
5. 車速を検出する車速検出手段をさらに含み、
   前記変更手段は、前記回転維持用指令信号の振幅および周波数のうちの少なくとも一方を、前記車速検出手段によって検出される車速に応じて変更させるように構成されている、請求項４に記載の車両用操舵装置。

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