JP3562053B2 - Control device for electric power steering device - Google Patents
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- B62D5/0466—Controlling the motor for returning the steering wheel to neutral position
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、電動パワ−ステアリング装置の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両用の電動パワ−ステアリング装置には、操向ハンドルの操作によりステアリングシヤフトに発生する操舵トルクその他を検出し、その検出信号に基づいてモ−タの制御目標値である操舵補助指令値を演算し、電流フイ−ドバツク制御回路において、前記した制御目標値である操舵補助指令値とモ−タ電流の検出値との差を電流制御値として求め、電流制御値によりモ−タを駆動して操向ハンドルの操舵力を補助するものがある。
【0003】
このような電動式パワ−ステアリング装置では、図14に示すように、4個の電界効果型トランジスタFET1 〜FET4 をブリツジに接続して第1及び第2の2つのア−ムを備えたHブリツジ回路を構成し、その入力端子間に電源Vを、出力端子間に前記モ−タMを接続したモ−タ制御回路が使用されている。
【0004】
そして、前記モ−タ制御回路を構成するHブリツジ回路の互いに対向する2つのア−ムを構成する2個1組のFETのうち、第1のア−ムのFET1 (或いは第2のア−ムのFET2 )を電流制御値に基づいて決定されるデユ−テイ比DのPWM信号(パルス幅変調信号)で駆動することにより、モ−タ電流の大きさが制御される。
【0005】
また、前記電流制御値の符号に基づいて第2のア−ムのFET3 をON、第1のア−ムのFET4 をOFF(或いは第2のア−ムのFET3 をOFF、第1のア−ムのFET4 をON)に制御することにより、モ−タMの回転方向が制御される。
【0006】
FET3 が導通状態にあるときは、電流はFET1 、モ−タM、FET3 を経て流れ、モ−タMに正方向の電流が流れる。また第2のア−ムのFET4 が導通状態にあるときは、電流はFET2 、モ−タM、FET4 を経て流れ、モ−タMに負方向の電流が流れる。
【0007】
このモ−タ制御回路は、同一ア−ム上のFETが同時に駆動されることがないのでア−ムが短絡される可能性が低く、信頼性が高いため、広く利用されている(一例として特公平5−10270号公報参照)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図15は、モ−タ電流I(モ−タに実際に流れる電流であり、検出電流iとは異なる)とPWM信号のデユ−テイ比Dとの関係を示すものである。即ち、操向ハンドルが操作されて操舵トルクが発生している状態では、モ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの関係は、図15において線(a)で示すように変化し、制御回路において操舵トルクの検出信号に基づいてモ−タの制御目標値である操舵補助指令値Iref が演算され、操舵補助指令値Iref とフイ−ドバツクされるモ−タ電流の検出値iとの差の電流制御値Eがモ−タ駆動回路に出力されるから、モ−タ駆動回路の半導体素子を制御するデユ−テイ比Dはある値をとり、格別の支障は生じない。
【0009】
しかしながら、操向ハンドルを切つた後、セルフアライニングトルクにより操向ハンドルが直進走行位置に戻るとき(以下、「ハンドル戻し」という)は、操舵トルクが発生していない状態にあるから、モ−タの制御目標値である操舵補助指令値Iref は零となるが、モ−タに逆起電力が発生するため、モ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの関係は、図15において線(b)で示すように、逆起電力に相当するだけ上方に移動変化し、デユ−テイ比Dの値が零の付近でモ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの関係に不連続部分が生じる。
【0010】
一方、フイ−ドバツク制御回路は電流制御値Eを演算しようとするが、操舵補助指令値Iref に対応するデユ−テイ比Dがないため、図15において線(c)で示すように、モ−タ電流Iの不連続部分にほぼ対応した振幅の振動電流が電流制御値Eとして出力される。
【0011】
このような振動電流の発生は、雑音の発生源となるほかフイ−ドバツク制御の安定性を阻害する原因ともなるので、その対策が求められていた。この発明は上記課題を解決することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、少なくともステアリングシヤフトに発生する操舵トルク信号に基づいて演算された操舵補助指令値と検出されたモータ電流値から演算した電流制御値に基づいてステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの出力を制御するフイードバツク制御手段を備えた電動パワーステアリング装置の制御装置において、半導体素子をHブリツジに接続して構成したブリツジ回路の入力端子間に電源を、出力端子間に前記モータを接続したモータ駆動手段と、モータ駆動手段を構成するHブリツジ回路の互いに対向する2つのアームを構成する2個1組の半導体素子のうち、第1のアームの半導体素子を前記電流制御値に基づいて決定される第1のデューテイ比D1 のPWM信号で駆動し、第2のアームの半導体素子を第2のデューテイ比D2 のPWM信号で駆動するべく、第1のデューテイ比D1 のPWM信号と第2のデューテイ比D2 のPWM信号とをそれぞれ独立して前記モータ駆動手段に出力する制御指令手段とを備え、
前記第2のデューテイ比D 2 は、第1のデューテイ比D 1 の関数である以下の式(2)で定義されること
D 2 =a・D 1 +b・・・・・・・・・(2)
ここで、a、bは以下の式で表される定数
a=−K T ω ret /γV b
b=1+K T ω ret /V b
但し、V b :バッテリ電圧
K T :モータの逆起電力定数
ω ret :ハンドル戻り時のモータ角速度
γ:定数
を特徴とする。
そして、前記制御指令手段は、第1のデューテイ比D 1 の値を入力として前記関数式(2)により第2のデューテイ比D 2 の値を演算する演算部と、第1のデューテイ比D 1 のPWM信号を出力する第1のPWM信号出力手段と、前記演算部で演算された第2のデューテイ比D 2 の値に基づいて第2のデューテイ比D 2 のPWM信号を出力する第2のPWM信号出力手段とを備える。
また、前記制御指令手段は、第1のデューテイ比D 1 の値を入力として前記関数式(2)により第2のデューテイ比D 2 の値を演算する演算部と、第1のデューテイ比D 1 及び第2のデューテイ比D 2 の信号をアナログ信号に変換する変換部と、PWM信号の1サイクルに対応する波長の鋸歯状波信号又は三角波信号を発生する信号発生部と、信号変換部を備え、信号変換部において前記信号発生部から出力される波形信号を使用して前記アナログ信号の電圧に相当する時間幅のPWM信号を出力するようにしてもよい。
さらに、前記制御指令手段は、第1のデューテイ比D 1 の信号に基づいて第2のデューテイ比D 2 のアナログ信号を発生させる関数発生手段と、第1のデューテイ比D 1 の信号をアナログ信号に変換する変換部と、PWM信号の1サイクルに対応する波長の鋸歯状波信号又は三角波信号を発生する信号発生部と、信号変換部を備え、信号変換部において前記信号発生部から出力される波形信号を使用して前記アナログ信号の電圧に相当する時間幅のPWM信号を出力するようにしてもよい。
【0013】
【作用】
制御指令手段は、モータ駆動手段を構成するHブリッジ回路の互いに対抗する2つのアームを構成する2個1組の半導体素子のうち、第1のアームの半導体素子を前記電流制御値に基づいて決定される第1のデューテイ比D 1 のPWM信号で駆動し、第2のアームの半導体素子を第2のデューテイ比D 2 のPWM信号で、それぞれ独立して駆動する。ここで、前記第2のデューテイ比D 2 は、第1のデューテイ比D 1 の関数である前記式(2)で定義されるものである。これにより、ハンドル戻りの状態など操舵トルクが発生していない状態のときも、デューテイ比の値が零の付近でモータ電流Iとデューテイ比との関係に不連続部分が生じることがなく、電流制御値Eとして振動電流が出力されるおそれがない。
【0014】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。まずこの発明の基本概念について説明する。先に図15により説明した通り、操向ハンドルを切つた後、セルフアライニングトルクにより操向ハンドルが直進走行位置に戻るハンドル戻しの状態では、操舵トルクが発生していない状態にあるから、モ−タの制御目標値である操舵補助指令値Iref は零となるが、モ−タに逆起電力が発生するため、モ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの関係は、図15において線(b)で示すように、逆起電力に相当するだけ上方に移動変化し、デユ−テイ比Dの値が零の付近でモ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの関係に不連続部分が生じ、モ−タ電流Iの不連続部分にほぼ対応した振幅の振動電流が出力され、雑音の発生その他の不都合が生じる。
【0015】
このため、この発明では前記したモ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの間の不連続部分を連続させるように制御し、即ち、図16に示すようにハンドル戻り時におけるモ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの関係を示す線(b)の上でデユ−テイ比D=γのときのモ−タ電流Iを示すp点と原点oとの間を連続するようにモ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの関係を制御して課題を解決するものである。
【0016】
具体的にはFET3 とFET4 を前記したデユ−テイ比D1 の1次の関数式で定義されるデユ−テイ比D2 のPWM信号で駆動するものであり、実施方法としては、デユ−テイ比Dの小さい領域では第1のア−ムのFET1 と第2のア−ムのFET3 とを同時に、且つ異なるデユ−テイ比Dで駆動するものである。
【0017】
なお、デユ−テイ比D1 がγよりも大きい領域では、従来の駆動方法、即ちFET3 (又はFET4 )が電流方向によりON又はOFFに制御される制御方法による。
【0018】
ここで、まず、従来の駆動方法のようにFET3 (又はFET4 )を、PWM信号の符号により決定されるモ−タの回転方向に応じてON(又はOFF)に維持する制御をせず、FET1 (又はFET2 )と同時に、且つ異なるデユ−テイ比で駆動した場合を検討する。
【0019】
図17はFET1 とFET3 を、同時に、且つ異なるデユ−テイ比で駆動した場合の動作を説明する図であり、また、図18は第1のア−ムのFET1 と第2のア−ムのFET3 とを同時に、且つ異なるデユ−テイ比Dで駆動するときのFETの動作状態とモ−タ端子間電圧VM 、モ−タ端子間電圧VM からモ−タ逆起電力KT ωの影響を差し引いた値Ri、及びモ−タ電流Iの関係を説明する図である。
【0020】
今、FET1 をデユ−テイ比D1 で駆動すると共に、FET3 をFET1 のデユ−テイ比D1 よりも大きい(即ち、時間的に長い)デユ−テイ比D2 で駆動し、FET2 とFET4 はOFFに維持するものとする。図18の(a)及び(b)はFET1 及びFET3 の時間に対するON/OFFの状態を示している。
【0021】
このとき、モ−タ端子間電圧VM は図18の(c)のように変化する。即ち、まず、FET1 及びFET3 が共にON(この状態をモ−ドAと呼ぶ)のときは、モ−タMの端子間にはバツテリ電圧Vb が印加される。次に、FET1 がOFFでFET3 がON(この状態をモ−ドBと呼ぶ)のときはモ−タMの端子間電圧は零になる。
【0022】
さらにFET1 及びFET3 が共にOFF(この状態をモ−ドCと呼ぶ)のときは、モ−タMの端子間には負方向のバツテリ電圧−Vb が印加される。即ち、モ−ドCでは、FET1 及びFET3 が共にOFFであるため、モ−タMには図17(b)で示すように、抵抗RL →FET4 の回生ダイオ−ドDT4→モ−タM→FET2 の回生ダイオ−ドDT2→電源に至る電流回路が形成され、モ−タMの端子間電圧VM は負方向のバツテリ電圧−Vb となる。
【0023】
FET1 とFET3 を同時に、且つ異なるデユ−テイ比で駆動してモ−タ電流が平衡状態になつたとき、PWM信号の周期がモ−タの電気的時定数に比較して十分に短い場合には、モ−タ電流Iは近似的に以下の式(1)により表すことができる。
【0024】
I={(D1 +D2 −1)・Vb /R}−KT ω/R・・・・(1)
但し、D1 :デユ−テイ比D1 、D2 :デユ−テイ比D2 、
Vb :バツテリ電圧、R:モ−タ端子間抵抗、
KT :モ−タの逆起電力定数、ω:モ−タ角速度
ここで、D2 =f(D1 )のように、デユ−テイ比D2 をデユ−テイ比D1 の連続した関数とし、ω=ωret 、D1 =0のとき、I=0となるような関数fを定義すれば、0≦ω≦ωret の範囲で、デユ−テイ比D対モ−タ電流I特性に連続性を持たせることができる。
【0025】
ここで、関数fの一例として、以下の一次関数式(2)を定義する。
【0026】
D2 =a・D1 +b・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
但し、a、bは定数。
【0027】
定数a、bを求めるため、まず、以下の条件を設定する。
【0028】
(1) デユ−テイ比D1 =γのとき、デユ−テイ比D2 =1(100 %)、
但し、γは任意の設定値
(2) デユ−テイ比D1 =0、且つω=ωret のとき、I=0
但し、ωはモ−タ角速度、ωret はハンドル戻り時のモ−タ角速度とする。
【0029】
上記条件(1) は図16においてデユ−テイ比D1 =γのときの線(b)上の点pの位置を決定する条件であり、通常の駆動状態に一致する。
【0030】
また、条件(2) は図16において線(b)が原点oを通ることを決定する条件である。したがつて、上記条件を満たす定数a、bを求めることにより、点pと原点oを結ぶ1次の関数を決定することができる。
【0031】
なお、デユ−テイ比D1 がγよりも大きい領域では、従来の駆動方法、即ちFET3 (又はFET4 )が電流方向によりON又はOFFに制御される制御方法と変わらない。
【0032】
前記条件を満たす定数a、bは、以下の式(3)(4)で表される。
【0033】
a=−KT ωret /γVb ・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
b=1+KT ωret /Vb ・・・・・・・・・・・・・・・・(4)
このときのモ−タ電流Iは、式(1)のD2 に式(2)を代入し、これに式(3)(4)で決定される定数a、bを代入して整理した以下の式(5)で表すことができる。
【0034】
I=Vb /R{1−(KT ωret /γVb )}・D1
−KT /R(ωret −ω)・・・・・・・・・・・・・・(5)
式(5)によれば、モ−タ電流Iとデユ−テイ比Dとの間の関係は、モ−タ角速度ωがハンドル戻り時のモ−タ角速度ωret よりも小さい領域においても不連続部分が無くなる。
【0035】
即ち、FET1 をデユ−テイ比D1 で駆動し、これと同時にFET3 をデユ−テイ比D1 とは異なるデユ−テイ比D2 で駆動することにより、モ−タ角速度ωがハンドル戻り時のモ−タ角速度ωret よりも小さい領域においても、モ−タ電流Iに対してデユ−テイ比D1 を連続して変化させることができるのである。
【0036】
次に、図1乃至図3により、この発明を実施するに適した電動パワ−ステアリング装置の概略を説明する。図1は電動パワ−ステアリング装置の構成の概略を説明する図で、操向ハンドル1の軸2は減速ギア4、ユニバ−サルジョイント5a、5b、ピニオンラツク機構7を経て操向車輪のタイロツド8に結合されている。軸2には操向ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ3が設けられており、また、操舵力を補助するモ−タ10がクラツチ9、減速ギア4を介して軸2に結合している。
【0037】
パワ−ステアリング装置を制御する電子制御回路13は、バツテリ14からイグニツシヨンキ−11を経て電力が供給される。電子制御回路13は、トルクセンサ3で検出された操舵トルクと車速センサ12で検出された車速に基づいて操舵補助指令値の演算を行い、演算された操舵補助指令値に基づいてモ−タ10に供給する電流を制御する。
【0038】
クラツチ9は電子制御回路13により制御される。クラツチ9は通常の動作状態では結合しており、電子制御回路13によりパワ−ステアリング装置の故障と判断された時、及び電源がOFFとなつている時に切離される。
【0039】
図2は、電子制御回路13のブロツク図である。この実施例では電子制御回路13は主としてCPUから構成されるが、ここではそのCPU内部においてプログラムで実行される機能を示してある。例えば、位相補償器21は独立したハ−ドウエアとしての位相補償器21を示すものではなく、CPUで実行される位相補償機能を示す。
【0040】
以下、電子制御回路13の機能と動作を説明する。トルクセンサ3から入力された操舵トルク信号は、位相補償器21で操舵系の安定を高めるために位相補償され、操舵補助指令値演算器22に入力される。また、車速センサ12で検出された車速も操舵補助指令値演算器22に入力される。
【0041】
操舵補助指令値演算器22は、入力され位相補償された操舵トルク信号及び車速信号に基づいて所定の演算式によりモ−タ10に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Iref を演算する。
【0042】
比較器23、微分補償器24、比例演算器25、積分演算器26、加算器27から構成される回路は、モ−タ電流が操舵補助指令値Iref に一致するようにフイ−ドバツク制御を行う回路である。
【0043】
比較器23では、操舵補助指令値演算器22で演算された制御目標値である操舵補助指令値Iref と後述するモ−タ電流検出回路42で検出されたモ−タ電流値Iが比較され、その差の信号が出力される。
【0044】
比例演算器25では、操舵補助指令値Iref とモ−タ電流値Iとの差に比例した比例値が出力される。さらに比例演算器25の出力信号はフイ−ドバツク系の特性を改善するため積分演算器26において積分され、差の積分値の比例値が出力される。
【0045】
微分補償器24では、操舵補助指令値Iref に対するモ−タ電流値Iの応答速度を高めるため、操舵補助指令値Iref の微分値に比例した値が出力される。
【0046】
微分補償器24から出力された操舵補助指令値Iref の微分値、比例演算器25から出力された操舵補助指令値Iref とモ−タ電流値Iとの差に比例した比例値、積分演算器26から出力された積分値は加算器27において加算演算され、演算結果である電流制御値Eがモ−タ制御回路41に出力される。モ−タに流れる電流はモ−タ電流検出回路42により検出される。
【0047】
図3にモ−タ制御回路41の構成の一例を示す。モ−タ制御回路41は制御指令器45、ゲ−ト駆動回路46、FET1 〜FET4 からなるHブリツジ回路等から構成され、制御指令器45は加算器27から入力された電流制御値Eに基づいてFET1 〜FET4 を駆動するPWM信号およびモ−タ回転方向を指示する回転方向信号を出力する。
【0048】
FET1 (FET2 )は前記した制御指令器45から出力されるデユ−テイ比D1のPWM信号に基づいてゲ−トがON/OFFされ、FET3 (FET4 )はデユ−テイ比D2のPWM信号に基づいてゲ−トがON/OFFされ、実際にモ−タに流れる電流Iの大きさが制御される。
【0049】
FET1 とFET2 のいずれを駆動するか、またFET3 とFET4 のいずれを駆動するかはモ−タの回転方向を決定する回転方向信号により決定される。
【0050】
モ−タ電流検出回路42は、抵抗R1 の両端における電圧降下に基づいて正方向電流の大きさを検出し、また、抵抗R2 の両端における電圧降下に基づいて負方向電流の大きさを検出する。検出されたモ−タ電流値Iは比較器23にフイ−ドバツクして入力される(図2参照)。
【0051】
次に、上記した制御指令器45の構成を説明する。図4は制御指令器の第1実施例で、マイクロプロセツサ451と2つのPWMタイマ452、453から構成される。この構成では、入力された電流制御値Eに基づいてPWMタイマ452を作動させてデユ−テイ比D1 の時間幅のPWM信号D1を出力すると共に、同時にマイクロプロセツサ451にPWM信号D1を入力し、先に説明した関数式(2)に基づいてデユ−テイ比D2 を演算し、PWMタイマ453を作動させてデユ−テイ比D2 の時間幅のPWM信号D2を演算出力する。
【0052】
ゲ−ト駆動回路46は、例えば図5に示すような4個のアンド回路AN1 〜AN4 と1個のノツト回路NT1 から構成される回路が提案される。
【0053】
この回路によれば、回転方向信号がON(例えば正方向回転を示す)でPWM信号D1及びD2が入力されたとすると、アンド回路AN2 の出力によりFET2 が駆動されるとともに、アンド回路AN4 の出力によりFET4 が駆動される。このとき、ノツト回路NT1 の出力はOFFであるから、アンド回路AN1 及びAN3 の出力はなく、FET1 、FET3 はOFFとなる。
【0054】
回転方向信号がOFF(例えば負方向回転を示す)で、PWM信号D1及びD2が入力されたとすると、ノツト回路NT1 の出力はONとなるから、アンド回路AN1 の出力によりFET1 が駆動されるとともに、アンド回路AN3 の出力によりFET3 が駆動される。このとき、アンド回路AN2 及びAN4 の出力はなく、FET2 、FET4 はOFFとなる。
【0055】
図6は制御指令器の第2実施例で、マイクロプロセツサ451と2つのD/A変換器454、455、2つのコンパレ−タ456、457、及び信号発生器458から構成される。
【0056】
この構成では入力された電流制御値Eに基づいてデユ−テイ比D1 に相当するアナログ信号AD1 、及び関数式(2)の演算の結果得られたデユ−テイ比D2 に基づいてこれに相当するアナログ信号AD2 を得、コンパレ−タ456、457により信号発生器458から出力されるPWM信号の1サイクルに対応する波長の鋸歯状波信号或いは三角波信号とアナログ信号AD1 及びADとを比較し、アナログ信号AD1 及びADの電圧に相当する時間幅のPWM信号D1及びPWM信号D2を出力するものである。図7に鋸歯状波信号発生回路の一例を、図8に三角波信号発生回路の一例を示すが、信号発生回路は公知の回路であるから説明は省略する。
【0057】
図9は、コンパレ−タ456、457により信号発生器458から出力される鋸歯状波信号とアナログ信号AD1 、AD2 とを比較して出力されるPWM信号D1及びPWM信号D2、及びモ−タに印加される電圧の波形を示したもので、図10は三角波信号とアナログ信号AD1 、AD2 とを比較して出力されるPWM信号D1及びPWM信号D2、及びモ−タに印加される電圧の波形を示したものである。図9と図10を比較すると明らかであるが、三角波信号の場合はPWM信号D1のPWM信号D2の立上り位置にずれがあり、モ−タに印加される電圧波形も相違するが、その動作に実質的な差異が生じるものではない。
【0058】
図11は制御指令器の第3実施例で、マイクロプロセツサ451とD/A変換器454、デユ−テイ関数発生器459、2つのコンパレ−タ456、457、及び信号発生器458から構成される。
【0059】
この構成では入力された電流制御値Eに基づいてデユ−テイ比D1 に相当するアナログ信号AD1 を得、また関数式(2)に基づく関数発生回路を備えたデユ−テイ関数発生器459において、アナログ信号AD1 を入力としてデユ−テイ比D2 に相当するアナログ信号AD2 を得、コンパレ−タ456、457により信号発生器458から出力されるPWM信号の1サイクルに対応する波長の鋸歯状波信号或いは三角波信号とアナログ信号AD1 及びADとを比較し、アナログ信号AD1 及びADの電圧に相当する時間幅のPWM信号D1及びPWM信号D2を出力するものである。デユ−テイ関数発生器459は、例えば図12、図13に示すような一般的オペアンプを使用したアナログ回路の組み合わせによる構成が提案される。
【0060】
コンパレ−タ456、457、信号発生器458などは、第2実施例のものと同じであり、また、コンパレ−タ456、457の出力も第2実施例において図9、図10により説明したものと変わらない。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明の電動パワーステアリング装置の制御装置は、モータ駆動手段を構成するHブリッジ回路の互いに対抗する2つのアームを構成する2個1組の半導体素子のうち、第1のアームの半導体素子を前記電流制御値に基づいて決定される第1のデューテイ比D 1 のPWM信号で駆動し、第2のアームの半導体素子を第2のデューテイ比D 2 のPWM信号で、それぞれ独立して駆動するものである。ここで、前記第2のデューテイ比D 2 は、第1のデューテイ比D 1 の関数である前記式(2)で定義される。
【0063】
これにより、ハンドル戻り時などで操舵トルクが発生していない状態のときも、デユ−テイ比の値が零の付近でモ−タ電流とデユ−テイ比との間に不連続部分がなくなるので振動電流が発生せず、雑音の発生やフイ−ドバツク制御の安定性を阻害することがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】電動式パワ−ステアリング装置の構成の概略を説明する図。
【図2】電動式パワ−ステアリング装置の電子制御回路のブロツク図。
【図3】モ−タ駆動回路の構成を示す回路ブロツク図。
【図4】制御指令器の第1実施例の構成を示す回路ブロツク図。
【図5】ゲ−ト駆動回路の構成の一例を示す回路ブロツク図。
【図6】制御指令器の第2実施例の構成を示す回路ブロツク図。
【図7】鋸歯状波信号発生回路の構成の一例を示す回路ブロツク図。
【図8】三角波信号発生回路の構成の一例を示す回路ブロツク図。
【図9】第2実施例における鋸歯状波信号波形とPWM信号のデユ−テイ比及びモ−タ電圧を説明する図。
【図10】第2実施例における三角波信号波形とPWM信号のデユ−テイ比及びモ−タ電圧を説明する図。
【図11】制御指令器の第3実施例の構成を示す回路ブロツク図。
【図12】第3実施例のデユ−テイ関数発生器の一例を示す回路ブロツク図。
【図13】第3実施例のデユ−テイ関数発生器の一例を示す回路ブロツク図。
【図14】従来のFETで構成したHブリツジ回路からなるモ−タ駆動回路図。
【図15】従来のモ−タ制御回路におけるモ−タ電流とPWM信号のデユ−テイ比との関係を説明する図。
【図16】この発明におけるモ−タ制御回路におけるモ−タ電流とPWM信号のデユ−テイ比との関係を説明する図。
【図17】Hブリツジ回路の互いに対向する2つのア−ムのFETを同時に異なるデユ−テイ比で駆動するときの動作を説明する図。
【図18】FETの動作状態、モ−タ端子間電圧VM 、モ−タ電流Iなどの関係を説明する図。
【符号の説明】
3 トルクセンサ
10 モ−タ
11 イグニツシヨンキ−
12 車速センサ
13 電子制御回路
14 バツテリ
21 位相補償器
22 操舵補助指令値演算器
23 比較器
24 微分補償器
25 比例演算器
26 積分演算器
27 加算器
41 モ−タ制御回路
42 モ−タ電流検出回路[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a control device for an electric power steering device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art An electric power steering device for a vehicle detects a steering torque or the like generated in a steering shaft by operating a steering handle, and calculates a steering assist command value which is a control target value of a motor based on the detected signal. In the current feedback control circuit, the difference between the steering assist command value, which is the control target value, and the detected value of the motor current is obtained as a current control value, and the motor is driven by the current control value. Some assist the steering force of the steering wheel.
[0003]
In such an electric power steering apparatus, as shown in FIG. 14, an H bridge having four first and second arms by connecting four field effect transistors FET1 to FET4 to the bridge. A motor control circuit is used in which a circuit is formed and a power supply V is connected between its input terminals and the motor M is connected between its output terminals.
[0004]
The first arm FET1 (or the second arm) of the pair of two FETs forming two opposing arms of the H bridge circuit forming the motor control circuit. The motor current is controlled by driving a PWM signal (pulse width modulation signal) having a duty ratio D determined based on the current control value.
[0005]
Further, based on the sign of the current control value, the FET3 of the second arm is turned ON, the FET4 of the first arm is turned OFF (or the FET3 of the second arm is turned OFF, and the first arm FET3 is turned off). By controlling the
[0006]
When the FET 3 is in the conductive state, the current flows through the
[0007]
This motor control circuit is widely used because FETs on the same arm are not driven at the same time and the possibility of short-circuiting of the arm is low and the reliability is high. See Japanese Patent Publication No. 5-10270).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 15 shows the relationship between the motor current I (current actually flowing through the motor and different from the detected current i) and the duty ratio D of the PWM signal. That is, when the steering wheel is operated and the steering torque is generated, the relationship between the motor current I and the duty ratio D changes as shown by the line (a) in FIG. In the circuit, a steering assist command value Iref, which is a motor control target value, is calculated based on a steering torque detection signal, and the difference between the steering assist command value Iref and the detected value i of the motor current to be fed back is calculated. Is output to the motor drive circuit, the duty ratio D for controlling the semiconductor elements of the motor drive circuit takes a certain value, and no particular trouble occurs.
[0009]
However, when the steering wheel returns to the straight traveling position by the self-aligning torque after the steering wheel is turned off (hereinafter referred to as "return of the steering wheel"), since the steering torque is not generated, the motor is not driven. Although the steering assist command value Iref, which is the control target value of the motor, becomes zero, a back electromotive force is generated in the motor. Therefore, the relationship between the motor current I and the duty ratio D is represented by a line in FIG. As shown in (b), the movement changes upward by an amount corresponding to the back electromotive force, and the relationship between the motor current I and the duty ratio D is discontinuous when the value of the duty ratio D is near zero. Part occurs.
[0010]
On the other hand, the feedback control circuit attempts to calculate the current control value E. However, since there is no duty ratio D corresponding to the steering assist command value Iref, the feedback control circuit modulates the current as shown by the line (c) in FIG. An oscillating current having an amplitude substantially corresponding to the discontinuous portion of the data current I is output as the current control value E.
[0011]
The generation of such an oscillating current not only becomes a source of noise but also hinders the stability of feedback control. An object of the present invention is to solve the above problems.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described problems, and provides a steering mechanism based on a steering assist command value calculated based on at least a steering torque signal generated in a steering shaft and a current control value calculated from a detected motor current value. In a control device of an electric power steering device provided with a feedback control means for controlling an output of a motor for providing an auxiliary force, a power supply is connected between input terminals of a bridge circuit formed by connecting a semiconductor element to an H bridge, and a power supply is connected between output terminals. A motor driving means to which the motor is connected and a semiconductor element of a first arm among a pair of semiconductor elements forming two opposing arms of an H bridge circuit forming the motor driving means are controlled by the current control. Driven by a PWM signal having a first duty ratio D1 determined on the basis of the value of A control command for independently outputting a PWM signal having a first duty ratio D1 and a PWM signal having a second duty ratio D2 to the motor driving means so as to drive the motor with a PWM signal having a second duty ratio D2. Means,
The second
Here, a and b are constants represented by the following equations.
a = -K T ω ret / γV b
b = 1 + K T ω ret / V b
Where V b : battery voltage
K T : Motor back EMF constant
ω ret : Motor angular velocity when the handle returns
γ: constant .
The control command means receives a value of the first
Further, the control command means receives a value of the first
Further, the control instruction means comprises first and function generating means for generating a second analog signal
[0013]
[Action]
The control command means determines, based on the current control value, a semiconductor element of a first arm among a pair of semiconductor elements constituting two opposing arms of an H-bridge circuit constituting a motor driving means. the first driven with PWM signals
[0014]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. First, the basic concept of the present invention will be described. As described earlier with reference to FIG. 15, in the state where the steering wheel is returned to the straight traveling position by the self-aligning torque after the steering wheel is turned off, the steering torque is not generated. Although the steering assist command value Iref, which is the control target value of the motor, becomes zero, the relationship between the motor current I and the duty ratio D is shown in FIG. As shown by the line (b), it moves upward by an amount corresponding to the back electromotive force, and when the value of the duty ratio D is near zero, the relationship between the motor current I and the duty ratio D does not change. A continuous portion is generated, and an oscillating current having an amplitude substantially corresponding to the discontinuous portion of the motor current I is output, thereby generating noise and other disadvantages.
[0015]
For this reason, in the present invention, the discontinuous portion between the motor current I and the duty ratio D is controlled to be continuous, that is, as shown in FIG. On the line (b) showing the relationship between I and the duty ratio D, the motor is continuously connected between the point p indicating the motor current I when the duty ratio D = γ and the origin o. To solve the problem by controlling the relationship between the data current I and the duty ratio D.
[0016]
More specifically, FET3 and FET4 are driven by a PWM signal having a duty ratio D2 defined by a linear function of the duty ratio D1 described above. In the region where is small, the FET1 of the first arm and the FET3 of the second arm are driven simultaneously and with different duty ratios D.
[0017]
In a region where the duty ratio D1 is larger than γ, a conventional driving method, that is, a control method in which the FET3 (or FET4) is controlled to be turned ON or OFF depending on the current direction.
[0018]
Here, first, FET1 (or FET4) is not controlled to be kept ON (or OFF) according to the rotation direction of the motor determined by the sign of the PWM signal as in the conventional driving method. Consider the case where driving is performed at the same time as (or FET2) and at a different duty ratio.
[0019]
FIG. 17 is a diagram for explaining the operation when FET1 and FET3 are driven simultaneously and at different duty ratios. FIG. 18 is a diagram for explaining the operation of the first arm FET1 and the second arm. The effect of the motor back electromotive force KTω is subtracted from the operating state of the FET, the motor terminal voltage VM, and the motor terminal voltage VM when the
[0020]
Now, while driving FET1 at the duty ratio D1, FET3 is driven at the duty ratio D2 larger than the duty ratio D1 of FET1 (that is, longer in time), and FET2 and FET4 are kept OFF. It shall be. FIGS. 18A and 18B show the ON / OFF states of the
[0021]
At this time, the motor terminal voltage VM changes as shown in FIG. That is, first, when both FET1 and FET3 are ON (this state is called mode A), the battery voltage Vb is applied between the terminals of the motor M. Next, when the FET1 is OFF and the FET3 is ON (this state is called mode B), the voltage between the terminals of the motor M becomes zero.
[0022]
Further, when both FET1 and FET3 are OFF (this state is referred to as mode C), a negative battery voltage -Vb is applied between the terminals of the motor M. That is, in mode C, since both FET1 and FET3 are OFF, the motor M has a resistance R L → a regenerative diode DT4 of FET4 → motor M as shown in FIG. A current circuit from the regeneration diode DT2 of the FET2 to the power supply is formed, and the voltage VM between the terminals of the motor M becomes the negative battery voltage -Vb.
[0023]
When the motor currents are balanced by driving FET1 and FET3 simultaneously and at different duty ratios, if the period of the PWM signal is sufficiently short compared to the electrical time constant of the motor, The motor current I can be approximately expressed by the following equation (1).
[0024]
I = {(D1 + D2-1) · Vb / R} −K T ω / R (1)
Here, D1: duty ratio D1, D2: duty ratio D2,
Vb: battery voltage, R: resistance between motor terminals,
KT : Back electromotive force constant of the motor, ω: Motor angular velocity, where D2 = f (D1), and the duty ratio D2 is a continuous function of the duty ratio D1, and ω = When ωret and D1 = 0, if a function f that satisfies I = 0 is defined, the continuity of the duty ratio D to the motor current I characteristic can be obtained within the range of 0 ≦ ω ≦ ωret. Can be.
[0025]
Here, the following linear function expression (2) is defined as an example of the function f.
[0026]
D2 = aD1 + b (2)
Here, a and b are constants.
[0027]
First, the following conditions are set to obtain the constants a and b.
[0028]
(1) When the duty ratio D1 = γ, the duty ratio D2 = 1 (100%)
Here, γ is an arbitrary set value (2) When the duty ratio D1 = 0 and ω = ωret, I = 0
Where ω is the motor angular velocity and ωret is the motor angular velocity when the steering wheel returns.
[0029]
The above condition (1) is a condition for determining the position of the point p on the line (b) when the duty ratio D1 = γ in FIG. 16, and corresponds to the normal driving state.
[0030]
The condition (2) is a condition for determining that the line (b) passes through the origin o in FIG. Accordingly, by obtaining the constants a and b satisfying the above conditions, a first-order function connecting the point p and the origin o can be determined.
[0031]
In a region where the duty ratio D1 is larger than γ, the driving method is the same as the conventional driving method, that is, the control method in which the FET3 (or FET4) is turned ON or OFF depending on the current direction.
[0032]
The constants a and b satisfying the above conditions are represented by the following equations (3) and (4).
[0033]
a = −K T ωret / γVb (3)
b = 1 + K T ωret / Vb (4)
The motor current I at this time is obtained by substituting equation (2) into D2 of equation (1) and substituting the constants a and b determined by equations (3) and (4) into the following. It can be expressed by equation (5).
[0034]
I = Vb / R {1− (K T ωret / γVb)} · D1
−K T / R (ωret −ω) (5)
According to the equation (5), the relationship between the motor current I and the duty ratio D is a discontinuous portion even in a region where the motor angular speed ω is smaller than the motor angular speed ωret when the steering wheel returns. Disappears.
[0035]
That is, by driving the FET1 at the duty ratio D1 and simultaneously driving the FET3 at the duty ratio D2 different from the duty ratio D1, the motor angular velocity .omega. Even in a region smaller than the angular velocity ωret, the duty ratio D1 can be continuously changed with respect to the motor current I.
[0036]
Next, an electric power steering apparatus suitable for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a view for explaining the outline of the structure of an electric power steering device. Is bound to The
[0037]
An
[0038]
The
[0039]
FIG. 2 is a block diagram of the
[0040]
Hereinafter, functions and operations of the
[0041]
The steering assist
[0042]
A circuit composed of a
[0043]
The
[0044]
The
[0045]
The
[0046]
The differential value of the steering assist command value Iref output from the
[0047]
FIG. 3 shows an example of the configuration of the
[0048]
The gate of the FET1 (FET2) is turned ON / OFF based on the PWM signal of the duty ratio D1 outputted from the
[0049]
Which one of FET1 and FET2 is driven and which one of FET3 and FET4 is driven is determined by a rotation direction signal for determining the rotation direction of the motor.
[0050]
Motor
[0051]
Next, the configuration of the
[0052]
As the
[0053]
According to this circuit, assuming that the rotation direction signal is ON (for example, indicating the forward rotation) and the PWM signals D1 and D2 are input, the FET2 is driven by the output of the AND circuit AN2 and the output of the AND circuit AN4. FET4 is driven. At this time, since the output of the NOT circuit NT1 is OFF, there is no output of the AND circuits AN1 and AN3, and the FET1 and FET3 are OFF.
[0054]
Assuming that the rotation direction signal is OFF (indicating, for example, a negative rotation) and the PWM signals D1 and D2 are input, the output of the NOT circuit NT1 is ON, so that the output of the AND circuit AN1 drives the FET1 and FET3 is driven by the output of the AND circuit AN3. At this time, there is no output of AND circuits AN2 and AN4, and FET2 and FET4 are turned off.
[0055]
FIG. 6 shows a second embodiment of the control commander, which comprises a
[0056]
In this configuration, an analog signal AD1 corresponding to the duty ratio D1 based on the input current control value E and a duty ratio D2 obtained as a result of the operation of the function equation (2) correspond to the analog signal AD1. The analog signal AD2 is obtained, and the analog signals AD1 and AD are compared with the sawtooth signal or the triangular signal having a wavelength corresponding to one cycle of the PWM signal output from the
[0057]
FIG. 9 shows a PWM signal D1 and a PWM signal D2, which are output by comparing the sawtooth signal output from the
[0058]
FIG. 11 shows a third embodiment of the control commander, which comprises a
[0059]
In this configuration, an analog signal AD1 corresponding to the duty ratio D1 is obtained based on the input current control value E, and a
[0060]
The
[0062]
【The invention's effect】
As described above, the control device for the electric power steering device according to the present invention is the first arm of the pair of semiconductor elements constituting two opposing arms of the H-bridge circuit constituting the motor driving means. of the semiconductor device is driven at the first
[0063]
As a result, even when the steering torque is not generated, such as when the steering wheel returns, there is no discontinuity between the motor current and the duty ratio when the duty ratio value is near zero. No oscillating current is generated, and no noise is generated or the stability of feedback control is not hindered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the configuration of an electric power steering device.
FIG. 2 is a block diagram of an electronic control circuit of the electric power steering device.
FIG. 3 is a circuit block diagram showing a configuration of a motor driving circuit.
FIG. 4 is a circuit block diagram showing a configuration of a first embodiment of a control command device.
FIG. 5 is a circuit block diagram showing an example of the configuration of a gate drive circuit.
FIG. 6 is a circuit block diagram showing the configuration of a second embodiment of the control command device.
FIG. 7 is a circuit block diagram showing an example of a configuration of a saw-tooth wave signal generation circuit.
FIG. 8 is a circuit block diagram showing an example of a configuration of a triangular wave signal generation circuit.
FIG. 9 is a view for explaining a sawtooth signal waveform, a duty ratio of a PWM signal, and a motor voltage in the second embodiment.
FIG. 10 is a diagram for explaining a duty ratio and a motor voltage of a triangular wave signal waveform and a PWM signal in the second embodiment.
FIG. 11 is a circuit block diagram showing the configuration of a third embodiment of the control command device.
FIG. 12 is a circuit block diagram showing an example of a duty function generator according to a third embodiment.
FIG. 13 is a circuit block diagram showing an example of a duty function generator according to the third embodiment.
FIG. 14 is a motor drive circuit diagram including a conventional H bridge circuit constituted by FETs.
FIG. 15 is a diagram illustrating the relationship between a motor current and a duty ratio of a PWM signal in a conventional motor control circuit.
FIG. 16 is a diagram for explaining a relationship between a motor current and a duty ratio of a PWM signal in the motor control circuit according to the present invention.
FIG. 17 is a diagram for explaining an operation when driving two opposite-arm FETs of the H-bridge circuit at the same time at different duty ratios;
FIG. 18 is a diagram for explaining a relationship between an operation state of a FET, a motor terminal voltage VM, a motor current I, and the like.
[Explanation of symbols]
3
12
Claims (4)
半導体素子をHブリツジに接続して構成したブリツジ回路の入力端子間に電源を、出力端子間に前記モータを接続したモータ駆動手段と、
モータ駆動手段を構成するHブリツジ回路の互いに対向する2つのアームを構成する2個1組の半導体素子のうち、第1のアームの半導体素子を前記電流制御値に基づいて決定される第1のデューテイ比D1 のPWM信号で駆動し、第2のアームの半導体素子を第2のデューテイ比D2 のPWM信号で駆動するべく、第1のデューテイ比D1 のPWM信号と第2のデューテイ比D2 のPWM信号とをそれぞれ独立して前記モータ駆動手段に出力する制御指令手段とを備え、
前記第2のデューテイ比D 2 は、第1のデューテイ比D 1 の関数である以下の式(2)で定義されること
D 2 =a・D 1 +b・・・・・・・・・(2)
ここで、a、bは以下の式で表される定数
a=−K T ω ret /γV b
b=1+K T ω ret /V b
但し、V b :バッテリ電圧
K T :モータの逆起電力定数
ω ret :ハンドル戻り時のモータ角速度
γ:定数
を特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。Feedback control for controlling an output of a motor for applying a steering assist force to a steering mechanism based on a steering assist command value calculated based on at least a steering torque signal generated in a steering shaft and a current control value calculated from a detected motor current value. In the control device of the electric power steering device including the control means,
Motor driving means for connecting a power supply between input terminals of a bridge circuit formed by connecting a semiconductor element to an H bridge and connecting the motor between output terminals;
A semiconductor element of a first arm among a pair of two semiconductor elements constituting two opposing arms of an H bridge circuit constituting a motor driving means is determined based on the current control value. A PWM signal having a first duty ratio D1 and a PWM signal having a second duty ratio D2 are used to drive the semiconductor element of the second arm with the PWM signal having the second duty ratio D2 by driving with the PWM signal having the duty ratio D1. And control command means for independently outputting signals to the motor driving means.
The second duty ratio D 2, it is defined by the first duty ratio D 1 of the function in which the following formula (2)
D 2 = a · D 1 + b (2)
Here, a and b are constants represented by the following equations.
a = -K T ω ret / γV b
b = 1 + K T ω ret / V b
Where V b : battery voltage
K T : Motor back EMF constant
ω ret : Motor angular velocity when the handle returns
γ: a control device for an electric power steering device, characterized by a constant .
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