JP2014125129A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータの回転速度を精度高く推定することができる技術を提供する。
【解決手段】車両に設けられたステアリングホイールの操作に対するアシスト力を付与する電動モータと、電動モータへ実際に供給される実電流を検出するモータ電流検出部３３と、電動モータの端子間電圧を検出するモータ電圧検出部３４と、電動モータの温度を推定する温度検出部８５と、モータ電流検出部３３が検出した実電流とモータ電圧検出部３４が検出した電圧と温度検出部８５が推定した温度とに基づいて電動モータの回転速度を推定するモータ回転速度推定部２４と、を備える。
【選択図】図５

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を制御する制御装置は、電動モータの駆動を制御するために、検出した操舵トルクや推定した電動モータの回転速度に基づいて電動モータに供給する電流を定める。

そして、電動モータの回転速度を推定する技術として、以下の技術が提案されている。例えば、特許文献１においては、検出した電動モータの電流および電圧と、電動モータの電気的特性（例えば、電機子抵抗）とに基づいて回転速度を推定している。

特開平３−１７６２７１号公報

電動モータは、温度の変化により電機子抵抗が変化するため、電機子抵抗に基づいて回転速度を推定する場合に、電動モータの温度が変化すると推定精度が低くなる。
本発明は、電動モータの回転速度を精度高く推定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、車両に設けられたステアリングホイールの操作に対するアシスト力を付与する電動モータと、前記電動モータへ実際に供給される実電流を検出する電流検出手段と、前記電動モータの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記電動モータの温度を推定する温度推定手段と、前記電流検出手段が検出した実電流と前記電圧検出手段が検出した電圧と前記温度推定手段が推定した温度とに基づいて前記電動モータの回転速度を推定する回転速度推定手段と、を備え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、前記回転速度推定手段は、前記温度推定手段が推定した温度に基づいて推定した前記電動モータの抵抗値を用いて当該電動モータの回転速度を算出するとよい。
また、前記電動モータの駆動を制御する駆動制御手段をさらに備え、前記温度推定手段は、前記駆動制御手段の温度を検出することにより前記電動モータの温度を推定するとよい。
また、前記回転速度推定手段が推定した回転速度に基づいて前記電動モータに供給する目標電流を設定する目標電流設定手段をさらに備えるとよい。

本発明によれば、電動モータの回転速度を精度高く推定することができる。

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。 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。 モータ回転速度推定部の概略構成図である。 モータ電流とベースモータ抵抗との対応を示す制御マップを例示する図である。 モータ温度と補正係数との対応を示す制御マップを例示する図である。

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、車両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車両の一例としての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、自動車の進行方向を変えるために運転者が操作する車輪（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。また、ステアリング装置１００は、ステアリングシャフト１０２と自在継手１０３ａを介して連結された上部連結シャフト１０３と、この上部連結シャフト１０３と自在継手１０３ｂを介して連結された下部連結シャフト１０８とを備えている。下部連結シャフト１０８は、ステアリングホイール１０１の回転に連動して回転する。

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（不図示）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、ブラシ付きモータである。減速機構１１１は、例えば、ピニオンシャフト１０６に固定されたウォームホイール（不図示）と、電動モータ１１０の出力軸に固定されたウォームギヤ（不図示）などから構成される。

また、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からの出力信号が入力される。また、制御装置１０には、自動車に搭載される各種の機器を制御するための信号を流す通信を行うネットワーク（ＣＡＮ）を介して、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などからの出力信号が入力される。

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、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および車速信号ｖ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Ｉｔ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Ｉｔ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Ｉｂ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目標電流Ｉｔを決定する目標電流設定手段の一例としての目標電流決定部２５を備えている。また、目標電流算出部２０は、トルクセンサ１０９にて検出された操舵トルクＴの位相を補償する位相補償部２６と、電動モータ１１０の回転速度を推定する回転速度推定手段の一例としてのモータ回転速度推定部２４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と、車速信号ｖと、後述するモータ電流検出部３３にて検出されたモータ電流Ｉｍが出力信号に変換されたモータ電流信号Ｉｍｓと、後述するモータ電圧検出部３４にて検出された端子間電圧Ｖｍが出力信号に変換された端子間電圧信号Ｖｍｓと、後述する温度検出部８５から出力された温度信号Ｔｍｓが入力される。また、位相補償部２６は、トルク信号Ｔｄを位相補償したトルク信号Ｔｓを出力する。モータ回転速度推定部２４は、電動モータ１１０の回転速度Ｎｍを推定し、推定した回転速度Ｎｍが出力信号に変換された回転速度信号Ｎｍｓを出力する。このモータ回転速度推定部２４については後で詳述する。

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。つまり、ベース電流算出部２１は、位相補償された操舵トルクＴと、車速Ｖｃとに応じたベース電流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、位相補償された操舵トルクＴ（トルク信号Ｔｓ）および車速Ｖｃ（車速信号ｖ）とベース電流Ｉｂとの対応を示す制御マップに、操舵トルクＴ（トルク信号Ｔｓ）および車速Ｖｃ（車速信号ｖ）を代入することによりベース電流Ｉｂを算出する。

イナーシャ補償電流算出部２２は、トルク信号Ｔｓと、車速信号ｖと、回転速度信号Ｎｍｓ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Ｉｓを算出する。つまり、イナーシャ補償電流算出部２２は、操舵トルクＴ（トルク信号Ｔｓ）と、車速Ｖｃ（車速信号ｖ）と、電動モータ１１０の回転速度Ｎｍ（回転速度信号Ｎｍｓ）とに応じたイナーシャ補償電流Ｉｓ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、操舵トルクＴ（トルク信号Ｔｓ）、車速Ｖｃ（車速信号ｖ）および回転速度Ｎｍ（回転速度信号Ｎｍｓ）とイナーシャ補償電流Ｉｓとの対応を示す制御マップに、操舵トルクＴ（トルク信号Ｔｓ）、車速Ｖｃ（車速信号ｖ）および回転速度Ｎｍ（回転速度信号Ｎｍｓ）を代入することによりイナーシャ補償電流Ｉｓを算出する。

ダンパー補償電流算出部２３は、トルク信号Ｔｓ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Ｉｄを算出する。つまり、ダンパー補償電流算出部２３は、操舵トルクＴ（トルク信号Ｔｓ）と、車速Ｖｃ（車速信号ｖ）と、電動モータ１１０の回転速度Ｎｍ（回転速度信号Ｎｍｓ）に応じたダンパー補償電流Ｉｄ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、操舵トルクＴ（トルク信号Ｔｓ）、車速Ｖｃ（車速信号ｖ）および回転速度Ｎｍ（回転速度信号Ｎｍｓ）と、ダンパー補償電流Ｉｄとの対応を示す制御マップに、操舵トルクＴ（トルク信号Ｔｓ）、車速Ｖｃ（車速信号ｖ）および回転速度Ｎｍ（回転速度信号Ｎｍｓ）を代入することによりダンパー補償電流Ｉｄ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Ｉｓ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Ｉｄに基づいて目標電流Ｉｔを決定する。目標電流決定部２５は、例えば、ベース電流Ｉｂに、イナーシャ補償電流Ｉｓを加算するとともにダンパー補償電流Ｉｄを減算して得た電流を目標電流Ｉｔｆとして決定する。
モータ回転速度推定部２４については後で詳述する。

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、図４に示すように、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を駆動させる駆動制御手段の一例としてのモータ駆動部３２と、電動モータ１１０に実際に流れる実電流であるモータ電流Ｉｍを検出する電流検出手段の一例としてのモータ電流検出部３３と、電動モータ１１０の端子間電圧を検出する電圧検出手段の一例としてのモータ電圧検出部３４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Ｉｔ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（モータ電流）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Ｉｔとモータ電流検出部３３にて検出された実電流（モータ電流）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Ｉｔと実電流（モータ電流）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、４個の電力用電界効果トランジスタをＨ型ブリッジ回路の構成で接続したモータ駆動回路７０と、４個の中から選択した２個の電界効果トランジスタのゲートを駆動してこれらの電界効果トランジスタをスイッチング動作させるゲート駆動回路部８０と、モータ駆動回路７０の温度Ｔｍを検出する温度検出部８５と、を有している。ゲート駆動回路部８０は、ＰＷＭ信号生成部６０から出力された駆動制御信号（ＰＷＭ信号）６０ａに基づいて、ステアリングホイール１０１の操舵方向に応じて２個の電界効果トランジスタを選択し、選択した２個の電界効果トランジスタをスイッチング動作させる。温度検出部８５は、例えばモータ駆動回路７０を構成する電界効果トランジスタが実装された基板に設置されたサーミスタであり、モータ駆動回路７０の温度Ｔｍを検出して温度信号Ｔｍｓを出力する。このように、温度検出部８５は、電動モータ１１０の温度を推定する温度推定手段の一例として機能する。

モータ電流検出部３３は、モータ駆動回路７０に直列に接続されたシャント抵抗７１の両端に生じる電圧から電動モータ１１０に流れるモータ電流（電機子電流）Ｉｍの値を検出してモータ電流信号Ｉｍｓを出力する。
モータ電圧検出部３４は、電動モータ１１０の端子間電圧Ｖｍを検出して端子間電圧信号Ｖｍｓを出力する。

次に、モータ回転速度推定部２４について説明する。
図５は、モータ回転速度推定部２４の概略構成図である。
モータ回転速度推定部２４は、モータ電流Ｉｍ（モータ電流信号Ｉｍｓ）に基づいてモータ抵抗Ｒｍのベースとなるベースモータ抵抗Ｒｍｂを算出するベースモータ抵抗算出部２４１と、温度Ｔｍ（温度信号Ｔｍｓ）に基づいてベースモータ抵抗Ｒｍｂを補正する補正係数αを算出する補正係数算出部２４２と、ベースモータ抵抗Ｒｍｂと補正係数αとに基づいてモータ抵抗Ｒｍを算出するモータ抵抗算出部２４３と、を備えている。また、モータ回転速度推定部２４は、モータ抵抗算出部２４３が算出したモータ抵抗Ｒｍと、モータ電流信号Ｉｍｓと、端子間電圧信号Ｖｍｓとに基づいて電動モータ１１０の回転速度Ｎｍを算出する回転速度算出部２４４を備えている。

図６は、モータ電流Ｉｍとベースモータ抵抗Ｒｍｂとの対応を示す制御マップを例示する図である。
ベースモータ抵抗算出部２４１は、定期的に、取得したモータ電流Ｉｍ（モータ電流信号Ｉｍｓ）に基づいて、モータ抵抗Ｒｍのベースとなるベースモータ抵抗Ｒｍｂを算出する。ベースモータ抵抗算出部２４１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、モータ電流Ｉｍ（モータ電流信号Ｉｍｓ）とベースモータ抵抗Ｒｍｂとの対応を示す図６に示すような制御マップに、モータ電流Ｉｍ（モータ電流信号Ｉｍｓ）を代入することによりベースモータ抵抗Ｒｍｂを算出する。

図７は、温度Ｔｍと補正係数αとの対応を示す制御マップを例示する図である。
補正係数算出部２４２は、定期的に、取得した温度Ｔｍ（温度信号Ｔｍｓ）に基づいて、補正係数αを算出する。補正係数算出部２４２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、温度Ｔｍ（温度信号Ｔｍｓ）と補正係数αとの対応を示す図７に示すような制御マップに、温度Ｔｍ（温度信号Ｔｍｓ）を代入することにより補正係数αを算出する。
モータ抵抗算出部２４３は、定期的に、ベースモータ抵抗算出部２４１が算出したベースモータ抵抗Ｒｍｂに補正係数算出部２４２が算出した補正係数αを乗算することによりモータ抵抗Ｒｍを算出する（Ｒｍ＝Ｒｍｂ×α）。

回転速度算出部２４４は、定期的に、取得したモータ電流Ｉｍ（モータ電流信号Ｉｍｓ）、端子間電圧Ｖｍ（端子間電圧信号Ｖｍｓ）、モータ抵抗算出部２４３が算出したモータ抵抗Ｒｍと、下記式（１）に基づいて回転速度Ｎｍを算出する。
Ｎｍ＝（端子間電圧Ｖｍ−モータ抵抗Ｒｍ×モータ電流Ｉｍ）／誘起電圧定数Ｋｅ・・・（１）
ここで、誘起電圧定数Ｋｅは、電動モータ１１０の固有の値であり、予めＲＯＭに記憶されている。

モータ回転速度推定部２４は、上述したベースモータ抵抗算出部２４１、補正係数算出部２４２、モータ抵抗算出部２４３および回転速度算出部２４４が協働することにより、モータ電流Ｉｍ（モータ電流信号Ｉｍｓ）と、端子間電圧Ｖｍ（端子間電圧信号Ｖｍｓ）、温度Ｔｍ（温度信号Ｔｍｓ）とに基づいて電動モータ１１０の回転速度Ｎｍを算出する。

そして、モータ回転速度推定部２４が算出した回転速度Ｎｍを電動モータ１１０の回転速度Ｎｍとして推定することでより精度高く回転速度Ｎｍを推定することができる。すなわち、本実施の形態に係るモータ回転速度推定部２４は、電動モータ１１０の温度変化によりモータ抵抗Ｒｍが変化することに鑑み、温度に応じたモータ抵抗Ｒｍを用いて回転速度Ｎｍを算出する。つまり、モータ電流Ｉｍ（モータ電流信号Ｉｍｓ）に基づいて算出したベースモータ抵抗Ｒｍｂに、温度Ｔｍに応じて変化させる補正係数αを乗算することでモータ抵抗Ｒｍを算出し、算出したモータ抵抗Ｒｍを用いて回転速度Ｎｍを算出する。このように、本実施の形態に係るモータ回転速度推定部２４は、温度Ｔｍに応じて変化させるモータ抵抗Ｒｍを用いて回転速度Ｎｍを算出することでより精度高く回転速度Ｎｍを推定することができる。なお、モータ駆動回路７０を構成する電界効果トランジスタが実装された基板に設置されたサーミスタなどにて構成される温度検出部８５にてモータ駆動回路７０の温度を検出し、この温度をモータ温度として代用することで簡易な構成でより精度が高い回転速度Ｎｍの推定を実現している。

そして、本実施の形態に係る目標電流算出部２０は、モータ回転速度推定部２４が精度高く推定した回転速度Ｎｍを用いて目標電流Ｉｔを算出しているので、より精度高く電動モータ１１０の目標電流Ｉｔを設定することができる。それゆえ、運転者の操舵力をより的確にアシストすることができる。

１０…制御装置、２０…目標電流算出部、２４…モータ回転速度推定部、３０…制御部、８５…温度検出部、１００…電動パワーステアリング装置、１１０…電動モータ、２４１…ベースモータ抵抗算出部、２４２…補正係数算出部、２４３…モータ抵抗算出部、２４４…回転速度算出部

Claims (4)

1. 車両に設けられたステアリングホイールの操作に対するアシスト力を付与する電動モータと、
   前記電動モータへ実際に供給される実電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動モータの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電動モータの温度を推定する温度推定手段と、
   前記電流検出手段が検出した実電流と前記電圧検出手段が検出した電圧と前記温度推定手段が推定した温度とに基づいて前記電動モータの回転速度を推定する回転速度推定手段と、
   を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記回転速度推定手段は、前記温度推定手段が推定した温度に基づいて推定した前記電動モータの抵抗値を用いて当該電動モータの回転速度を算出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。
3. 前記電動モータの駆動を制御する駆動制御手段をさらに備え、
   前記温度推定手段は、前記駆動制御手段の温度を検出することにより前記電動モータの温度を推定す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。
4. 前記回転速度推定手段が推定した回転速度に基づいて前記電動モータに供給する目標電流を設定する目標電流設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置。

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