JP2013226935A

JP2013226935A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2013226935A
Application number: JP2012100267A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Murata; 博之村田; Yoshihide Nishikawa; 佳秀西川; Shuhei Izumi; 修平和泉; Masaki Sugimoto; 雅記杉本
Original assignee: Showa Corp
Current assignee: Showa Corp
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: JP5875931B2

Abstract

【課題】逆起電圧に起因して電動モータに実際に供給される電流が変動し、電動モータが振動することをより精度高く抑制することができる装置を提供する。
【解決手段】ステアリングホイールに操舵補助力を与える電動モータと、ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて電動モータに供給する目標電流を決定する目標電流決定部２５と、目標電流決定部２５が決定した仮の目標電流ＩＴＡを、電動モータに発生する逆起電圧分の電流である補正電流を用いて補正する補正部２７とを備え、補正部２７は、電動モータの回転速度に基づいて補正電流を調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関する。

近年、車両のステアリング系に電動モータを備え、電動モータの動力にてドライバの操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置が提案されている。
この電動パワーステアリング装置の電動モータの駆動は、制御装置にて制御される。制御装置は、電動モータの駆動を制御するために、先ず、操舵トルクや車速などに応じて電動モータに供給する目標電流を設定する。例えば、特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置は、トルクセンサからのトルク信号τと車速センサからの車速信号ｖとを入力し、これらの値に基づいて電流指令値を設定する。

特開平２−１９３７６８号公報

電動モータが回転すると逆起電圧が生じることから、この逆起電圧に起因する電流の変動を考慮しないと、電動モータに実際に供給される電流が変動し、電動モータが振動するおそれがある。それゆえ、電動モータに供給する目標電流を決定するにあたっては、逆起電圧に起因する電流の変動を考慮することが望ましい。さらに、逆起電圧に起因する電流の変動を考慮する際には、電動モータの回転速度に比例して逆起電圧が大きくなることを考慮することが望ましい。
本発明は、逆起電圧に起因して電動モータに実際に供給される電流が変動し、電動モータが振動することをより精度高く抑制することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、ステアリングホイールに操舵補助力を与える電動モータと、前記ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて前記電動モータに供給する目標電流を決定する決定手段と、前記決定手段が決定した前記目標電流を、前記電動モータに発生する逆起電圧分の電流である補正電流を用いて補正する補正手段と、を備え、前記補正手段は、前記電動モータの回転速度に基づいて前記補正電流を調整することを特徴とする電動パワーステアリング装置である。

ここで、前記補正手段は、前記電動モータの回転速度が小さいほど前記補正電流を小さくするとよい。
また、前記補正手段は、前記決定手段が決定した前記目標電流を補正する補正値のベースとなるベース補正値を決定するベース補正値決定部と、前記電動モータの回転速度に基づいて当該ベース補正値決定部が決定した当該ベース補正値を調整する補正値調整係数を決定する調整係数決定部と、当該ベース補正値と当該補正値調整係数とを乗算することにより前記補正電流を決定する補正電流決定部とを有しているとよい。

本発明によれば、逆起電圧に起因して電動モータに実際に供給される電流が変動し、電動モータが振動することをより精度高く抑制することができる。

実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。ステアリング装置の制御装置の概略構成図である。目標電流算出部の概略構成図である。制御部の概略構成図である。電動モータに供給する目標電流と、電動モータに実際に流れる実電流との差を示す図である。（ａ）は目標電流を、（ｂ）は逆起電圧の分の電流を、（ｃ）は実電流を示している。（ａ）は、逆起電圧分の電流が図５（ｂ）に示す位相で変動すると仮定した場合のベース補正値ΔＩｂの位相を示す図である。（ｂ）は、ベース補正値ΔＩｂが（ａ）に示す位相で変動すると仮定した場合の最終補正値ΔＩｆ（最終補正電流）の位相を例示する図である。（ｃ）は、最終補正値ΔＩｆ（最終補正電流）が（ｂ）に示す位相で変動すると仮定した場合の最終目標電流ＩＴＦの位相を例示する図である。電動モータの回転速度と補正値調整係数との相関関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１００の概略構成を示す図である。
電動パワーステアリング装置１００（以下、単に「ステアリング装置１００」と称する場合もある。）は、乗り物の進行方向を任意に変えるためのかじ取り装置であり、本実施の形態においては自動車に適用した構成を例示している。

ステアリング装置１００は、ドライバが操作する車輪（ホイール）状のステアリングホイール（ハンドル）１０１と、ステアリングホイール１０１に一体的に設けられたステアリングシャフト１０２とを備えている。ステアリングシャフト１０２と上部連結シャフト１０３とが自在継手１０３ａを介して連結されており、上部連結シャフト１０３と下部連結シャフト１０８とが自在継手１０３ｂを介して連結されている。

また、ステアリング装置１００は、転動輪としての左右の前輪１５０のそれぞれに連結されたタイロッド１０４と、タイロッド１０４に連結されたラック軸１０５とを備えている。また、ステアリング装置１００は、ラック軸１０５に形成されたラック歯１０５ａとともにラック・ピニオン機構を構成するピニオン１０６ａを備えている。ピニオン１０６ａは、ピニオンシャフト１０６の下端部に形成されている。

また、ステアリング装置１００は、ピニオンシャフト１０６を収納するステアリングギアボックス１０７を有している。ピニオンシャフト１０６は、ステアリングギアボックス１０７にてトーションバーを介して下部連結シャフト１０８と連結されている。ステアリングギアボックス１０７の内部には、下部連結シャフト１０８とピニオンシャフト１０６との相対角度に基づいてステアリングホイール１０１の操舵トルクＴを検出する操舵トルク検出手段の一例としてのトルクセンサ１０９が設けられている。

また、ステアリング装置１００は、ステアリングギアボックス１０７に支持された電動モータ１１０と、電動モータ１１０の駆動力を減速してピニオンシャフト１０６に伝達する減速機構１１１とを有している。本実施の形態に係る電動モータ１１０は、３相ブラシレスモータである。電動モータ１１０に実際に流れる実電流の大きさおよび方向は、モータ電流検出部３３（図４参照）にて検出される。
そして、ステアリング装置１００は、電動モータ１１０の作動を制御する制御装置１０を備えている。制御装置１０には、上述したトルクセンサ１０９の出力値、自動車の移動速度である車速Ｖｃを検出する車速センサ１７０の出力値が入力される。

以上のように構成されたステアリング装置１００は、ステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクＴをトルクセンサ１０９にて検出し、その検出トルクに応じて電動モータ１１０を駆動し、電動モータ１１０の発生トルクをピニオンシャフト１０６に伝達する。これにより、電動モータ１１０の発生トルクが、ステアリングホイール１０１に加える運転者の操舵力をアシストする。

次に、制御装置１０について説明する。
図２は、ステアリング装置１００の制御装置１０の概略構成図である。
制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等からなる算術論理演算回路である。
制御装置１０には、上述したトルクセンサ１０９にて検出された操舵トルクＴが出力信号に変換されたトルク信号Ｔｄと、車速センサ１７０にて検出された車速Ｖｃが出力信号に変換された車速信号ｖなどが入力される。
そして、制御装置１０は、トルク信号Ｔｄに基づいて目標補助トルクを算出し、この目標補助トルクを電動モータ１１０が供給するのに必要となる目標電流ＩＴＦを算出する目標電流算出部２０と、目標電流算出部２０が算出した目標電流ＩＴＦに基づいてフィードバック制御などを行う制御部３０とを有している。

次に、目標電流算出部２０について詳述する。
図３は、目標電流算出部２０の概略構成図である。
目標電流算出部２０は、目標電流を設定する上で基準となるベース電流を算出するベース電流算出部２１と、電動モータ１１０の慣性モーメントを打ち消すための電流を算出するイナーシャ補償電流算出部２２と、モータの回転を制限する電流を算出するダンパー補償電流算出部２３とを備えている。また、目標電流算出部２０は、ベース電流算出部２１、イナーシャ補償電流算出部２２、ダンパー補償電流算出部２３にて算出された値に基づいて仮の目標電流ＩＴＡを決定する目標電流決定部２５と、目標電流決定部２５が決定した仮の目標電流ＩＴＡを、電動モータ１１０に生じる逆起電圧の影響を考慮して補正する補正部２７とを備えている。

なお、目標電流算出部２０には、トルク信号Ｔｄ、車速信号ｖ、電動モータ１１０の回転速度Ｎｍが出力信号に変換された回転速度信号Ｎｍｓ、電動モータ１１０の電気角θが出力信号に変換された電気角信号θｓなどが入力される。回転速度信号Ｎｍｓは、例えば３相ブラシレスモータである電動モータ１１０の回転子（ロータ）の回転位置を検出するセンサ（例えば、回転子の回転位置を検出するレゾルバ、ロータリエンコーダ等で構成されるロータ位置検出回路）にて検出された電動モータ１１０の回転角度が微分されることにより得られた値が出力信号に変換されたものであることを例示することができる。また、電気角信号θｓは、このセンサにて検出された電動モータ１１０の回転角度を極数で除算することにより得られた値が出力信号に変換されたものであることを例示することができる。

ベース電流算出部２１は、位相補償部２６にてトルク信号Ｔｄが位相補償されたトルク信号Ｔｓと、車速センサ１７０からの車速信号ｖとに基づいてベース電流Ｉｂを算出する。なお、ベース電流算出部２１は、例えば、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、トルク信号Ｔｓおよび車速信号ｖとベース電流Ｉｂとの対応を示すマップに、トルク信号Ｔｓおよび車速信号ｖを代入することによりベース電流を算出する。

イナーシャ補償電流算出部２２は、トルク信号Ｔｄと車速信号ｖとに基づいて電動モータ１１０およびシステムの慣性モーメントを打ち消すためのイナーシャ補償電流を算出する。なお、イナーシャ補償電流算出部２２は、例えば、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、トルク信号Ｔｄおよび車速信号ｖとイナーシャ補償電流との対応を示すマップに、トルク信号Ｔｄおよび車速信号ｖを代入することによりイナーシャ補償電流を算出する。

ダンパー補償電流算出部２３は、トルク信号Ｔｄと、車速信号ｖと、電動モータ１１０の回転速度信号Ｎｍｓとに基づいて、電動モータ１１０の回転を制限するダンパー補償電流を算出する。なお、ダンパー補償電流算出部２３は、例えば、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、トルク信号Ｔｄ、車速信号ｖおよび回転速度信号Ｎｍｓと、ダンパー補償電流との対応を示すマップに、トルク信号Ｔｄと車速信号ｖと回転速度信号Ｎｍｓとを代入することによりダンパー補償電流を算出する。

目標電流決定部２５は、ベース電流算出部２１にて算出されたベース電流Ｉｂ、イナーシャ補償電流算出部２２にて算出されたイナーシャ補償電流およびダンパー補償電流算出部２３にて算出されたダンパー補償電流に基づいて仮の目標電流ＩＴＡを決定する。目標電流決定部２５は、例えば、ベース電流に、イナーシャ補償電流を加算するとともにダンパー補償電流を減算して得た補償電流を、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、補償電流と目標電流との対応を示すマップに代入することにより目標電流ＩＴＡを算出する。
補正部２７は、後で詳述するが、目標電流決定部２５が算出した目標電流ＩＴＡを補正し、補正後の値を最終的な目標電流である最終目標電流ＩＴＦと決定して、出力する。

次に、制御部３０について詳述する。
図４は、制御部３０の概略構成図である。
制御部３０は、電動モータ１１０の作動を制御するモータ駆動制御部３１と、電動モータ１１０を駆動させるモータ駆動部３２と、電動モータ１１０に実際に流れる実電流Ｉｍを検出するモータ電流検出部３３とを有している。
モータ駆動制御部３１は、目標電流算出部２０にて最終的に決定された目標電流ＩＴＦと、モータ電流検出部３３にて検出された電動モータ１１０へ供給される実電流Ｉｍとの偏差に基づいてフィードバック制御を行うフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御部４０と、電動モータ１１０をＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成するＰＷＭ信号生成部６０とを有している。

フィードバック制御部４０は、目標電流算出部２０にて最終的に決定された目標電流ＩＴＦとモータ電流検出部３３にて検出された実電流Ｉｍとの偏差を求める偏差演算部４１と、その偏差がゼロとなるようにフィードバック処理を行うフィードバック（Ｆ／Ｂ）処理部４２とを有している。

フィードバック（Ｆ／Ｂ）処理部４２は、目標電流ＩＴＦと実電流Ｉｍとが一致するようにフィードバック制御を行うものであり、例えば、偏差演算部４１にて算出された偏差に対して、比例要素で比例処理し、積分要素で積分処理し、加算演算部でこれらの値を加算する。
ＰＷＭ信号生成部６０は、フィードバック制御部４０からの出力値に基づいて電動モータ１１０をＰＷＭ（パルス幅変調）駆動するためのＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号６０ａを出力する。

モータ駆動部３２は、所謂インバータであり、例えば、スイッチング素子として６個の独立したトランジスタ（ＦＥＴ）を備え、６個の内の３個のトランジスタは電源の正極側ラインと各相の電気コイルとの間に接続され、他の３個のトランジスタは各相の電気コイルと電源の負極側（アース）ラインと接続されている。そして、６個の中から選択した２個のトランジスタのゲートを駆動してこれらのトランジスタをスイッチング動作させることにより、電動モータ１１０の駆動を制御する。
モータ電流検出部３３は、モータ駆動部３２に接続されたシャント抵抗の両端に生じる電圧から電動モータ１１０に流れる実電流Ｉｍの値を検出する。

次に、目標電流算出部２０の補正部２７について説明する。
電動モータ１１０が回転駆動すると逆起電圧が発生するので、この逆起電圧により印加電圧の一部が相殺され、逆起電圧の分、電動モータ１１０に流れる電流が小さくなる。
図５は、電動モータ１１０に供給する目標電流ＩＴＦと、電動モータ１１０に実際に流れる実電流Ｉｍとの差を示す図である。図５（ａ）は目標電流ＩＴＦを、図５（ｂ）は逆起電圧分の電流を、図５（ｃ）は実電流Ｉｍを示している。
電動モータ１１０に発生する逆起電圧の影響により、電動モータ１１０には、図５（ｂ）に示すような、電気角に応じた逆起電圧分の電流が流れようとする。それゆえ、電動モータ１１０に供給する目標電流ＩＴＦが、図５（ａ）に示すように、電動モータ１１０の電気角によらず一定であったとしても、逆起電圧分の電流の変動に応じて変動し、図５（ｃ）に示すように変動する電流が流れる。

そこで、本実施の形態に係る補正部２７は、目標電流決定部２５が決定した仮の目標電流ＩＴＡを、電動モータ１１０の逆起電圧を考慮して補正する。
そして、電動モータ１１０に発生する逆起電圧は電動モータ１１０の回転速度が高速になるのに比例して大きくなることに鑑み、電動モータ１１０の逆起電圧に基づく補正を電動モータ１１０の回転速度に応じて調整する。つまり、目標電流決定部２５が決定した目標電流ＩＴＡが同じであるとしても、電動モータ１１０の回転速度が低い場合には高い場合よりも、目標電流決定部２５が決定した目標電流ＩＴＡを補正する量を少なくする。

以下に、補正部２７についてより詳しく説明する。
補正部２７は、目標電流決定部２５が決定した目標電流ＩＴＡに基づいて、この目標電流ＩＴＡを補正する補正電流の一例としての補正値のベースとなるベース補正値ΔＩｂを決定するベース補正値決定部２７１と、ベース補正値決定部２７１が決定したベース補正値ΔＩｂを調整する係数である補正値調整係数αを決定する調整係数決定部２７２と、を有している。また、補正部２７は、ベース補正値決定部２７１が決定したベース補正値ΔＩｂと、調整係数決定部２７２が決定した補正値調整係数αとを乗算することにより最終的な補正値（補正電流）である最終補正値ΔＩｆを決定する最終補正値決定部２７３と、目標電流決定部２５が決定した目標電流ＩＴＡと最終補正値決定部２７３が決定した最終補正値ΔＩｆとを加算することにより最終的な目標電流である最終目標電流ＩＴＦを決定する最終目標電流決定部２７４と、を有している。

ベース補正値決定部２７１は、目標電流決定部２５が決定した目標電流ＩＴＡと電動モータ１１０の電気角度とに基づいて、逆起電圧の影響により低下する分の電流を補うように補正するための補正電流の一例としての補正値であるベース補正値ΔＩｂ（ベース補正電流）を決定する。ベース補正値ΔＩｂは、例えば、逆起電圧の影響により低下する電流の値であって、この低下する電流に対して逆位相の電流の値である。
図６（ａ）は、逆起電圧分の電流が図５（ｂ）に示す位相で変動すると仮定した場合のベース補正値ΔＩｂの位相を示す図である。
ベース補正値決定部２７１は、例えば、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、目標電流ＩＴＡおよび電動モータ１１０の電気角度と、ベース補正値ΔＩｂとの対応を示すマップに、目標電流ＩＴＡ（目標電流決定部２５からの出力値）と電動モータ１１０の電気角度θとを代入することによりベース補正値ΔＩｂを算出する。

図７は、電動モータ１１０の回転速度と補正値調整係数αとの相関関係を示す図である。
調整係数決定部２７２は、電動モータ１１０の回転速度に基づいて補正値調整係数αを決定する。調整係数決定部２７２は、例えば、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、図７に示すような相対関係の、電動モータ１１０の回転速度と補正値調整係数αとの対応を示すマップに、電動モータ１１０の回転速度（回転速度信号Ｎｍｓ）を代入することにより補正値調整係数αを算出する。

補正値調整係数αは、図７に示すように、電動モータ１１０の回転速度がＮｍ０であるときの値が１で、回転速度がＮｍ０よりも低くなるのに応じて小さくなるように設定されている。
また、ベース補正値決定部２７１がベース補正値ΔＩｂを算出するのに用いるマップは、電動モータ１１０の回転速度がＮｍ０であるときの、目標電流ＩＴＡおよび電動モータ１１０の電気角度θとベース補正値ΔＩｂとの相対関係に基づいて作成されている。

最終補正値決定部２７３は、ベース補正値決定部２７１が決定したベース補正値ΔＩｂと、調整係数決定部２７２が決定した補正値調整係数αとを乗算することにより得た値を最終的な補正値（補正電流）である最終補正値ΔＩｆ（最終補正電流）を決定する（ΔＩｆ＝ΔＩｂ×α）。これにより、最終補正値決定部２７３が決定する最終補正値ΔＩｆは、電動モータ１１０の回転速度に応じて調整される。
図６（ｂ）は、ベース補正値ΔＩｂが図６（ａ）に示す位相で変動すると仮定した場合の最終補正値ΔＩｆ（最終補正電流）の位相を例示する図である。

最終目標電流決定部２７４は、目標電流決定部２５が決定した目標電流ＩＴＡと最終補正値決定部２７３が決定した最終補正値ΔＩｆとを加算することにより得た値を最終目標電流ＩＴＦと決定する。
図６（ｃ）は、最終補正値ΔＩｆ（最終補正電流）が図６（ｂ）に示す位相で変動すると仮定した場合の最終目標電流ＩＴＦの位相を例示する図である。

以上のように構成されたステアリング装置１００においては、目標電流算出部２０が電動モータ１１０に供給する目標電流を決めるにあたって、補正部２７が、逆起電圧の影響による電流変動に対して、逆起電圧分の電流と逆位相の電流を用いて補正するので、電動モータ１１０に供給される実電流が一定となり、電動モータ１１０の回転に依存する固有のモータ振動が抑制される。

また、補正部２７の調整係数決定部２７２は、電動モータ１１０の回転速度に応じた補正値調整係数αを決定するので、電動モータ１１０の逆起電圧の影響分の補正が電動モータ１１０の回転速度に応じて調整される。これにより、より精度高く電動モータ１１０の回転に依存する固有のモータ振動が抑制される。つまり、例えば、補正部２７が、調整係数決定部２７２および最終補正値決定部２７３を備えておらず、目標電流決定部２５が決定した目標電流ＩＴＡとベース補正値決定部２７１が決定したベース補正値ΔＩｂとを加算することにより得た値を最終目標電流ＩＴＦと決定する構成である場合には、電動モータ１１０の回転速度がＮｍ０であるときの逆起電圧分の電流が補正されることとなる。かかる場合、もし電動モータ１１０の回転速度がＮｍ０よりも小さいときには、逆起電圧の影響により低下する電流を補正するには過剰な電流量が加算されてしまうこととなるので、かえってその分の電流変動が生じてしまう。これに対して、本実施の形態に係る補正部２７においては、調整係数決定部２７２および最終補正値決定部２７３が、電動モータ１１０の回転速度に応じて、目標電流決定部２５が決定した目標電流ＩＴＡを補正するためのベース補正値ΔＩｂを調整するので、逆起電圧に起因する電流変動をより精度高く抑制することができ、より精度高くモータ振動を低減することができる。

１０…制御装置、２０…目標電流算出部、２５…目標電流決定部、２７…補正部、３０…制御部、１００…電動パワーステアリング装置、１０１…ステアリングホイール（ハンドル）、１０９…トルクセンサ、１１０…電動モータ

Claims

ステアリングホイールに操舵補助力を与える電動モータと、
前記ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて前記電動モータに供給する目標電流を決定する決定手段と、
前記決定手段が決定した前記目標電流を、前記電動モータに発生する逆起電圧分の電流である補正電流を用いて補正する補正手段と、
を備え、
前記補正手段は、前記電動モータの回転速度に基づいて前記補正電流を調整することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記補正手段は、前記電動モータの回転速度が小さいほど前記補正電流を小さく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装置。
前記補正手段は、前記決定手段が決定した前記目標電流を補正する補正値のベースとなるベース補正値を決定するベース補正値決定部と、前記電動モータの回転速度に基づいて当該ベース補正値決定部が決定した当該ベース補正値を調整する補正値調整係数を決定する調整係数決定部と、当該ベース補正値と当該補正値調整係数とを乗算することにより前記補正電流を決定する補正電流決定部とを有してい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装置。