JP2014043163A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法で、コントローラの温度上昇を抑制するとともに、応答性を加味した、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供すること。
【解決手段】モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより大きい場合には、操舵に緊急性がなく、高い応答性は要求されないが、電流指令値は大きくなるので、スイッチング素子のスイッチング周波数を小さくするとともに、電流制御系のゲインを小さくする構成とした。一方、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より高い場合には、操舵に緊急性があり、高い応答性が要求されるので、スイッチング素子のスイッチング周波数を大きくするとともに、電流制御系のゲインを大きくする構成とした。
【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ものである。

従来、電動モータにより操舵補助を行う電動パワーステアリング装置では、電動モータを駆動する駆動回路である、スイッチング回路をＰＷＭ（Pulse Width
Modulation）信号により、スイッチングしている。そして、ＰＷＭ信号のキャリア（搬送波）は、ＰＷＭ信号が騒音の要因とならないように、可聴帯域を避けて２０ｋＨｚ程度に固定されている。

しかし、このような制御方法においては、例えば、車両の切り込み、据え切り等により大きな電流が流れるような場合、大きなスイッチング損失が発生し、スイッチング素子の温度が上昇し、素子を損傷する虞があった。そのため、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では、コントローラに取り付けた温度検出器が温度の急激な上昇を検出した場合には、スイッチング周波数を低下させることによって、スイッチング損失を低減し、発熱量を減少させている。

特開２００４−２６８７８９号公報

しかし、上述したような方法では、温度検出器が必要になる上、ハンドルの操舵速度（モータの回転角速度）を検出していないため、緊急操舵時にスイッチング周波数を低下させてしまう場合がある。そのため、応答性が低下し、十分な操舵フィーリングが得られない場合があった。

本発明の目的は、簡易な方法で、コントローラの温度上昇を抑制するとともに、応答性を加味した、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、モータによって操舵系にステアリング操作を補助するアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、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検出手段と、前記モータの回転角度を検出するモータ回転角度検出手段と、前記モータの回転角速度を演算するモータ回転角速度演算手段と、前記操舵トルク検出手段から検出した操舵トルクと、前記車速検出手段から検出した車速からアシスト力を生成するアシスト力生成手段と、前記アシスト力生成手段に基づいて、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより、操舵力補助装置の作動を制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、前記制御手段は、前記モータを駆動するスイッチング素子をスイッチング周波数で制御する電流制御系を有しており、
前記制御手段は、前記モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより大きい場合には、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を小さくするとともに、前記電流制御系のゲインを小さくする一方、前記モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より高い場合、又は、前記モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより小さい場合には、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を大きくするとともに、前記電流制御系のゲインを大きくすること、を要旨とする。

本請求項の電動パワーステアリング装置では、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより大きい場合には、操舵に緊急性がなく、高い応答性は要求されないが、電流指令値は大きくなるので、スイッチング素子のスイッチング周波数を小さくするとともに、電流制御系のゲインを小さくする構成とした。一方、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より高い場合には、操舵に緊急性があり、高い応答性が要求されるので、スイッチング素子のスイッチング周波数を大きくするとともに、電流制御系のゲインを大きくする構成とした。また、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより小さい場合には、急操舵されていないが、電流が小さくスイッチング損失は小さいため、損失低減より応答性を優先してスイッチング周波数を大きくするとともに、電流制御系のゲインを大きくする構成とした。

その結果、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより大きい場合には、スイッチング素子のスイッチング周波数を小さくすることで、スイッチング損失は低下し、更に、電流制御系のゲインを小さくすることで電流が急激に増加することもなく、コントローラの温度上昇を抑制できる。一方、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より高い場合、又は、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより小さい場合には、スイッチング素子のスイッチング周波数を大きくするとともに、電流制御系のゲインを大きくすることで電流の立ち上がりの応答性を高くでき、操舵フィーリングの向上を図ることができる。

本発明によれば、簡易な方法で、コントローラの温度上昇を抑制するとともに、応答性を加味した、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの制御ブロック図。 スイッチング周波数＆電流フィードバックゲイン演算部の処理手順を示すフローチャート図。

以下、コラム型の電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳという）に具体化した本発明の一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態のＥＰＳ１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されている。ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト８、インターミディエイトシャフト９、及びピニオンシャフト１０を連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド１１を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪１２の舵角が変更されるようになっている。

また、ＥＰＳ１は、モータ２１を駆動源として操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ２４と、ＥＰＳアクチュエータ２４の作動を制御するＥＣＵ２７とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ２４は、コラム型のＥＰＳアクチュエータであり、その駆動源であるモータ２１は、減速機構２３を介してコラムシャフト８と駆動連結されている。そして、同モータ２１の回転を減速機構２３により減速してコラムシャフト８に伝達することによって、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する構成となっている。

一方、ＥＣＵ２７には、車速センサ２５、トルクセンサ２６、及びモータ回転角センサ２２が接続されており、ＥＣＵ２７は、これら各センサの出力信号に基づいて、車速Ｖ、操舵トルクτ、及びモータ回転角θｍを検出する。

尚、トルクセンサ２６はツインレゾルバ型のトルクセンサである。ＥＣＵ２７は、図示しないトーションバーの両端に設けられた一対のレゾルバの各出力信号に基づいて操舵トルクτを演算する。また、ＥＣＵ２７は、これら検出される各状態量に基づいて目標アシスト力を演算し、その駆動源であるモータ２１への駆動電力の供給を通じて、ＥＰＳアクチュエータ２４の作動、即ち操舵系に付与するアシスト力を制御する。

次に、本実施形態のＥＰＳ１における電気的構成について説明する。
図２は、本実施形態のＥＰＳ１の制御ブロック図である。同図に示すように、ＥＣＵ２７は、モータ制御信号を出力するマイコン２９と、そのモータ制御信号に基づいて、ＥＰＳアクチュエータ２４の駆動源であるモータ２１に三相の駆動電力を供給するモータ駆動回路４０、及びモータ２１に通電されるＵ相電流値Ｉｕ、Ｖ相電流値Ｉｖ、及びＷ相電流値Ｉｗを検出するための電流センサ３０ｕ、３０ｖ、及び３０ｗとを備えている。

モータ駆動回路４０は、直列に接続された一対のスイッチング素子を基本単位（アーム）として各相に対応する３つのアームを並列接続してなる公知のＰＷＭインバータ（図示せず）である。また、マイコン２９の出力するモータ制御信号は、モータ駆動回路４０を構成する各スイッチング素子のオンデューティ比を規定するものとなっている。モータ制御信号が各スイッチング素子のゲート端子に印加され、モータ制御信号に応答して、各スイッチング素子がオン／オフすることにより、バッテリ２８の電源電圧に基づく三相のモータ駆動電力を生成して、モータ２１へと出力する構成になっている。

ＥＣＵ２７には、モータ２１のモータ回転角θｍを検出するためのモータ回転角センサ２２が接続されている。そして、マイコン２９は、これら各センサの出力信号に基づき検出されたモータ２１の各相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、及びモータ回転角θｍ、並びに上記操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、モータ駆動回路４０にモータ制御信号を出力する。

以下に示す各制御ブロックは、マイコン２９が実行するコンピュータプログラムにより実現されるものである。マイコン２９は、所定のサンプリング周期で上記各状態量を検出し、所定周期毎に以下の各制御ブロックに示される各演算処理を実行することにより、モータ制御信号を生成する。

図２に示すように、マイコン２９は、モータ２１を制御する電流指令値を演算する電流指令値演算部３１と、上記モータ駆動回路４０を制御するモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成部４４と、を備えている。

マイコン２９は、各相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、及びＩｗをｄ／ｑ座標系に写像することにより（ｄ／ｑ変換）、同ｄ／ｑ座標系における電流フィードバック制御を実行する。そして、モータ駆動回路４０を構成するＦＥＴのオン/オフタイミングを決定するＤＵＴＹ指令値をＰＷＭ出力部３８で生成し、そのＤＵＴＹ指令値に基づいてゲートオン/オフ信号の出力を実行する。

電流指令値演算部３１には、トルクセンサ２６により検出された操舵トルクτ、及び車速センサ２５により検出された車速Ｖが入力される。電流指令値演算部３１は、その操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、アシストトルクの制御目標であるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を、操舵トルク/ｑ軸電流指令値マップより決定する。
尚、操舵トルク/ｑ軸電流指令値マップは、同じ操舵トルクの場合、車速Ｖが小さいほど、大きなｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を決定するように構成されている。

モータ制御信号生成部４４は、ｄ／ｑ変換演算部３２、ｑ軸電流制御演算部３３、ｑ軸ＰＩＤ制御部３４、ｄ軸電流制御演算部３５、ｄ軸ＰＩＤ制御部３６、ｄ／ｑ逆変換演算部３７、ＰＷＭ出力部３８、及びスイッチング周波数＆電流フィードバックゲイン演算部３９で構成されている。

即ち、スイッチング周波数＆電流フィードバックゲイン演算部３９には、トルクセンサ２６から検出された操舵トルクτと、モータ回転角センサ２２から検出されたモータ回転角θｍ、を微分器４１で微分したモータ回転角速度ωｍが入力される。

スイッチング周波数＆電流フィードバックゲイン演算部３９は、入力されたモータ回転角速度ωｍと、操舵トルクτに基づいて、スイッチング周波数ｆｃ、及び電流フィードバックゲイン（ＰＩＤ）を決定する。そして、スイッチング周波数ｆｃは、ＰＷＭ出力部３８に出力するとともに、電流フィードバックゲイン（ＰＩＤ）は、ｑ軸ＰＩＤ制御部３４、及びｄ軸ＰＩＤ制御部３６に出力する。

次に、ｄ／ｑ変換演算部３２に入力されたＵ相電流値Ｉｕ、Ｖ相電流値Ｉｖ、及びＷ相電流値Ｉｗは、ｄ／ｑ変換され、ｑ軸電流値Ｉｑ、及びｄ軸電流値Ｉｄとなる。そして、ｑ軸電流値Ｉｑは、減算器３３Ｊに入力される。減算器３３Ｊは、電流指令値演算部３１から出力されたｑ軸電流指令値Ｉｑ＊から、ｑ軸電流値Ｉｑを減算したｑ軸偏差電流値ΔＩｑをｑ軸ＰＩＤ制御部３４に入力する。ｑ軸ＰＩＤ制御部３４で演算されたｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、ｄ／ｑ逆変換演算部３７に入力される。

一方、ｄ／ｑ変換演算部３３で変換されたｄ軸電流値Ｉｄは、減算器３４Ｊに入力される。減算器３４Ｊは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊（Ｉｄ＊＝０）から、ｄ軸電流値Ｉｄを減算したｄ軸偏差電流値ΔＩｄをｄ軸ＰＩＤ制御部３６に入力する。ｄ軸ＰＩＤ制御部３６で演算されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊は、ｄ／ｑ逆変換演算部３７に入力される。

ｄ／ｑ逆変換演算部３７に入力されたｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、及びｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換されＰＷＭ出力部３８に入力される。

次に、本実施形態のマイコン２９によるスイッチング周波数＆電流フィードバックゲイン演算部の処理手順ついて図３に基づいて説明する。
即ち、マイコン２９は、先ず、モータ回転角θｍを読込む（ステップＳ１０１）。続いて、マイコン２９は、モータ回転角速度ωｍを演算により求める（ステップＳ１０２）。更に、マイコン２９は、操舵トルクτを読込む（ステップＳ１０３）。

次に、マイコン２９は、モータ回転角速度ωｍの絶対値が、モータ回転角速度所定値ωｍ0以下か否かを判定する（ステップＳ１０４）。そして、マイコン２９は、モータ回転角速度ωｍの絶対値が、モータ回転角速度所定値ωｍ0以下の場合（｜ωｍ｜≦ωｍ0、ステップＳ１０４：ＹＥＳ）には、操舵トルクτの絶対値が、操舵トルク所定値τ0以上か否かを判定する（ステップＳ１０５）。

そして、マイコン２９は、操舵トルクτの絶対値が、操舵トルク所定値τ0以上の場合（｜τ｜≧τ0、ステップＳ１０５：ＹＥＳ）には、大きなアシスト力を発生させるために、スイッチング素子の温度が上昇すると判断して、スイッチング素子のスイッチング損失を低減させるために、スイッチング周波数を下げる（ｆｃ＝ｆｌ、ステップＳ１０６）。

更に、マイコン２９は、電流の急峻な立ち上がりによる発熱を防止するために、ｑ軸ＰＩＤ制御部３４、及びｄ軸ＰＩＤ制御部３６の比例ゲインＫｐ、及び積分ゲインＫiを小さくして（Ｋｐ＝Ｋｐｓ、Ｋi＝Ｋiｓ、ステップＳ１０７）、処理を終わる。

一方、マイコン２９は、モータ回転角速度ωｍの絶対値が、モータ回転角速度所定値ωｍ0より大きい場合（｜ωｍ｜＞ωｍ0、ステップＳ１０４：ＮＯ）には、操舵系が急操舵されていると判断して、応答性を向上させるために、スイッチング周波数を上げる（ｆｃ＝ｆｈ、ステップＳ１０８）。また、モータ回転角速度が小さく、かつ、操舵トルクτの絶対値が、操舵トルク所定値τ0より小さい場合（｜τ｜＜τ0、ステップＳ１０５：ＮＯ）には、急操舵されていないが、電流が小さくスイッチング損失は小さいため、損失低減より応答性を優先してスイッチング周波数をあげる（ｆｃ＝ｆｈ、ステップＳ１０８）。

更に、マイコン２９は、電流を急峻に立ち上げるために、ｑ軸ＰＩＤ制御部３４、及びｄ軸ＰＩＤ制御部３６の比例ゲインＫｐ、及び積分ゲインＫiを大きくして（Ｋｐ＝Ｋｐｌ、Ｋi＝Ｋiｌ、ステップＳ１０９）、処理を終わる。

次に、上記のように構成された本実施形態のＥＰＳ１の作用及び効果について説明する。
モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより大きい場合には、操舵に緊急性がなく、高い応答性は要求されないが、電流指令値は大きくなるので、スイッチング素子のスイッチング周波数を小さくするとともに、電流制御系のゲインを小さくする構成とした。一方、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より高い場合には、操舵に緊急性があり、高い応答性が要求されるので、スイッチング素子のスイッチング周波数を大きくするとともに、電流制御系のゲインを大きくする構成とした。また、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより小さい場合には、急操舵されていないが、電流が小さくスイッチング損失は小さいため、損失低減より応答性を優先してスイッチング周波数を大きくするとともに、電流制御系のゲインを大きくする構成とした。

その結果、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより大きい場合には、スイッチング素子のスイッチング周波数を小さくすることで、スイッチング損失は低下し、更に、電流制御系のゲインを小さくすることで電流が急激に増加することもなく、コントローラの温度上昇を抑制できる。一方、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より高い場合、又は、モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより小さい場合には、スイッチング素子のスイッチング周波数を大きくするとともに、電流制御系のゲインを大きくすることで電流の立ち上がりの応答性を高くでき、操舵フィーリングの向上を図ることができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、電流制御系のゲインである比例ゲイン及び積分ゲインをともに小さくしたり、大きくしたりしたが、片方だけ変化させてもよい。

・本実施形態では、スイッチング周波数をモータ回転角速度の絶対値、及び、操舵トルクの絶対値により大、小の２種類で分けたが、これに限らず、スイッチング周波数をモータ回転角速度及び操舵トルクの関数として連続的に変更してもよい。

・本実施形態では、本発明をコラムアシストＥＰＳに具体化したが、本発明をラックアシストＥＰＳやピニオンアシストＥＰＳに適用してもよい。

１：電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２：ステアリング、
３：ステアリングシャフト、４：ラックアンドピニオン機構、５：ラック軸、
８：コラムシャフト、９：インターミディエイトシャフト、１０：ピニオンシャフト、１１：タイロッド、１２：転舵輪、２１：モータ、２２：モータ回転角センサ、
２３：減速機構、２４：ＥＰＳアクチュエータ（操舵力補助装置）、
２５：車速センサ（車速検出手段）、２６：トルクセンサ（操舵トルク検出手段）、２７：ＥＣＵ、２８：バッテリ、２９：マイコン（制御手段）、
３０ｕ、３０ｖ、３０ｗ：電流センサ（電流検出手段）、
３１：電流指令値演算部（電流指令値演算手段）、
３２：ｄ／ｑ変換演算部（電流ｄ／ｑ変換手段）、
３３：ｑ軸電流制御演算部、３４：ｑ軸ＰＩＤ制御部、３５：ｄ軸電流制御演算部、３６：ｄ軸ＰＩＤ制御部、３７：ｄ／ｑ逆変換演算部、３８：ＰＷＭ出力部、
３９：スイッチング周波数＆電流フィードバックゲイン演算部、
４０：モータ駆動回路、４１：微分器、４４：モータ制御信号生成部、
３３Ｊ、３４Ｊ：減算器、
Ｖ：車速、τ：操舵トルク、τ0：操舵トルク所定値、θｍ：モータ回転角、
ωｍ：モータ回転角速度、ωｍ0：モータ回転角速度所定値、
Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ：各相電流値、
Ｉｑ＊：ｑ軸電流指令値、Ｉｑ：ｑ軸電流値、ΔＩｑ：ｑ軸偏差電流値、
Ｉｄ＊：ｄ軸電流指令値、Ｉｄ：ｄ軸電流値、ΔＩｄ：ｄ軸偏差電流値、
Ｖｑ＊：ｑ軸電圧指令値、Ｖｄ＊：ｄ軸電圧指令値、
Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊：各相電圧指令値、
ｆｃ：スイッチング周波数、ｆｌ：低いスイッチング周波数、
ｆｈ：高いスイッチング周波数、
Ｋｐ：比例ゲイン、Ｋi：積分ゲイン、
Ｋｐｓ：比例ゲイン小、Ｋiｓ：積分ゲイン小、
Ｋｐｌ：比例ゲイン大、Ｋiｌ：積分ゲイン大

Claims (1)

1. モータによって操舵系にステアリング操作を補助するアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、
   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検出手段と、
   前記モータの回転角度を検出するモータ回転角度検出手段と、
   前記モータの回転角速度を演算するモータ回転角速度演算手段と、
   前記操舵トルク検出手段から検出した操舵トルクと、前記車速検出手段から検出した車速からアシスト力を生成するアシスト力生成手段と、
   前記アシスト力生成手段に基づいて、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより、操舵力補助装置の作動を制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記制御手段は、前記モータを駆動するスイッチング素子をスイッチング周波数で制御する電流制御系を有しており、
   前記制御手段は、前記モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより大きい場合には、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を小さくするとともに、前記電流制御系のゲインを小さくする一方、前記モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より高い場合、又は、前記モータ回転角速度演算手段から演算されたモータの回転角速度が所定速度より低く、且つ、操舵トルク検出手段から検出された操舵トルクが所定トルクより小さい場合には、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を大きくするとともに、前記電流制御系のゲインを大きくすること、
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。

Images