JP4155107B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動パワーステアリング装置は、操舵軸に発生する操舵トルクに基づいてＰＷＭ信号を生成し、生成されたＰＷＭ信号によりスイッチング素子を駆動することによりパワーアシスト電動機を制御していた。なお、ＰＷＭ信号の生成は、ＰＷＭ出力器により行われていた。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２８９６３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＰＷＭ出力器により生成されたＰＷＭ信号のデューティー比は、出力可能な最小デューティー比に限界があった。すなわち、デューティー比が０％の次に出力されるデューティー比（最小デューティー比）は、例えば５％等となり、急激に上昇していた。このことは、デューティー比が０％であるハンドルの中立付近からハンドルを操舵した場合に、ハンドルのひっかかり感等の挙動となり不自然な操舵感を生ずることになる。すなわち、微小電流域における操舵のフィーリングに影響を及ぼしていた。なお、出力可能な最小デューティー比に限界は、パワーアシスト電動機の電流を検出する電流検出器の性能やＰＷＭ出力器の性能等に依存している。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、ハンドルの中立付近の操舵フィーリングを向上することが可能な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。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
請求項１記載の電動パワーステアリング装置は、パワーアシスト電動機と、操舵トルク検出手段と、制御手段とを備える。ここで、パワーアシスト電動機は、操舵力を補助する電動機である。操舵トルク検出手段は、操舵軸に発生する操舵トルクを検出する手段である。制御手段は、前記操舵トルクに基づき、前記パワーアシスト電動機に供給する電動機電流をデューティー制御するためのスイッチング素子に所定周期毎に発するＰＷＭ信号を生成する手段である。
【０００７】
そして、請求項１記載の電動パワーステアリング装置の特徴的なことは、前記制御手段が、基準ＰＷＭ出力手段と、間引き判定手段と、間引き率算出手段と、間引き処理手段とを備えたことである。ここで、基準ＰＷＭ出力手段は、前記操舵トルクに基づき、所定周期のデューティー比からなる基準ＰＷＭ信号を出力する手段である。間引き判定手段は、前記基準ＰＷＭ出力手段により出力された前記基準ＰＷＭ信号のデューティー比が、前記基準ＰＷＭ出力手段により出力可能な最小デューティー比である場合に、間引き処理を行うと判定する手段である。間引き率算出手段は、前記操舵トルクあるいは前記操舵トルクから形成された信号と前記基準ＰＷＭ信号のデューティー比とに基づき、前記基準ＰＷＭ信号のうち一部の前記ＰＷＭ信号を間引いた間引きＰＷＭ信号の前記基準ＰＷＭ信号に対する割合である間引き率を算出する手段である。間引き処理手段は、間引き判定手段により間引き処理を行うと判定された場合に、前記間引き率算出手段により算出された前記間引き率に基づき、前記間引きＰＷＭ信号を生成すると共に、前記間引きＰＷＭ信号を出力する間引き処理を行う手段である。
【０００８】
これにより、制御手段により出力されるＰＷＭ信号が、基準ＰＷＭ信号が間引き処理された間引きＰＷＭ信号となる。そして、パワーアシスト電動機を駆動させるスイッチング素子が、間引きＰＷＭ信号に基づいて駆動する。つまり、基準ＰＷＭ出力手段が出力可能な最小デューティー比に限界があったとしても、この基準ＰＷＭ信号を間引き処理することにより、最小デューティー比より小さなデューティー比に実質的に変更することができる。
【０００９】
つまり、制御手段により出力されるＰＷＭ信号のデューティー比が０％の次に出力されるＰＷＭ信号のデューティー比（最小デューティー比）は、従来例えば５％であったものが、本発明によれば例えば１％等とすることができる。これにより、制御手段により出力されるＰＷＭ信号のデューティー比を連続的にすることができるので、微少な電動機電流の制御が可能となり、特にハンドルの中立付近の操舵フィーリングをより向上させることができる。
【００１６】
また、請求項２によれば、前記間引き率は、車両に搭載されるステアリング装置の応答特性であるステアリング特性に基づき決定されるようにしてもよい。こで、ステアリング特性とは、ステアリング装置の機械的な応答特性を意味する。例えば、間引き処理により等価的にＰＷＭキャリア周波数が下がるが、ステアリング装置の機械系の固有振動周波数との共振をさけるために間引き率に上限を設定してもよい。これにより、間引き処理による悪影響を最小限に抑制することができる。
【００１７】
また、請求項３によれば、前記間引き率は、車両の運転状態に基づき決定するようにしてもよい。ここで、車両の運転状態とは、例えば、車速やハンドルの操舵速度等である。例えば車速が大きい場合は間引きを繁雑に行う。高速走行でのレーンキープや車線変更はハンドル中立付近の微少な操舵に相当し、間引き処理による操舵フィーリングの向上が得られる。また、ハンドルの操舵速度が大きい場合は間引き頻度を抑える。速い操舵に応じた大きなアシスト力を得るため、瞬時に大きな電動機電流を必要とするためである。これにより、間引き処理による悪影響を最小限に抑制することができる。
【００１８】
また、請求項４記載の電動パワーステアリング装置によれば、さらに、前記パワーアシスト電動機又は前記制御手段の故障判定を行う故障判定手段を備え、前記間引き判定手段は、前記故障判定を行っている間は前記間引き処理を行わないと判定するようにする。間引き処理を行うと、パワーアシスト電動機の端子間電圧が間引き処理を行わない場合に比べて不安定になるおそれが生じる。このように端子間電圧が不安定な状態で故障判定を行うと、故障判定の誤判定を生じるおそれがある。そこで、故障判定を行う場合に間引き処理を行わないようにすることにより、故障判定の誤判定を防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００２０】
本実施形態における電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図を図１に示す。図１に示すように、電動パワーステアリング装置は、操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段）１と、制御装置（制御手段）（ＥＣＵ）２と、モータ（パワーアシスト電動機）３と、バッテリ（図示せず）とから構成される。操舵トルクセンサ１は、操舵軸に発生する操舵トルクを検出して、操舵トルク信号Ｔを生成する。モータ３は、検出された操舵トルクに応じて、操舵力を補助するアシスト力を発生させるモータである。バッテリは、制御装置２を介してモータに駆動用電力を供給している。
【００２１】
制御装置２は、電流指令値算出部２１と、電圧指令値算出部２２と、ＰＷＭ出力部２３と、駆動回路２４と、電流検出部２５と、ステアリング特性記憶部２６とから構成される。
【００２２】
電流指令値算出部２１は、操舵トルクセンサ１により生成された操舵トルク信号Ｔに基づいて、モータ３に供給する電流指令値Ｉａを算出する。この電流指令値Ｉａは、図４に示すような、操舵トルク信号Ｔに対する関係を有している。ここで、操舵トルク信号Ｔが０［Ｎ・ｍ］の場合とは、ハンドルが操舵されていない状態、いわゆる中立状態等である。そして、図４に示すように、操舵トルク信号Ｔが０［Ｎ・ｍ］である中立状態を中心とした所定範囲は電流指令値Ｉａは０［Ａ］となる。そして、操舵トルク信号Ｔが所定値を越えたときに、電流指令値Ｉａが上昇（又は下降）し始める。その後、電流指令値Ｉａが最大値になるまでは線形的に若しくはある特性を持って上昇（又は下降）する。
【００２３】
電圧指令値算出部２２は、電流指令値Ｉａと電流検出部２５により検出されたモータ電流Ｉｂとの偏差である偏差電流Ｉｃに基づいて、モータ３に印加する電圧指令値Ｖを算出する。ＰＷＭ出力部２３は、電圧指令値Ｖに基づいて、デューティー比からなるＰＷＭ信号を生成して出力する。駆動回路２４は、複数のスイッチング素子を有しており、このスイッチング素子の駆動によりバッテリからモータ３に供給する電流を制御してモータ３を駆動している。このスイッチング素子は、ＰＷＭ出力部２３から出力されたＰＷＭ信号に基づいて駆動する。すなわち、モータ３はデューティー制御されている。なお、モータ３がＤＣモータの場合には、駆動回路２４は、例えばＨブリッジ回路を構成している。
【００２４】
電流検出部２５は、モータ３に流れる電流を検出する。この検出された検出電流Ｉｂは、上述した偏差電流Ｉｃを算出するためにフィードバックしている。ステアリング特性記憶部２６は、ステアリング特性、すなわち、車両に搭載されるステアリング装置の機械的な応答特性を記憶する。このステアリング特性は、ステアリング機械系の応答、車両重量、使用タイヤ、組み合わせサスペンション特性などの車両特性に応じて異なるものである。そこで、このステアリング特性は、各車両の評価値に基づき予め決定され記憶されている。
【００２５】
ここで、ＰＷＭ出力部２３についてさらに詳述する。このＰＷＭ出力部２３は、基準ＰＷＭ出力部（基準ＰＷＭ出力手段）２３１と、間引き処理部（間引き処理手段）２３２と、間引き判定部（間引き判定手段）２３３と、間引き率算出部（間引き率算出手段）２３４とから構成される。
【００２６】
基準ＰＷＭ出力部２３１は、電圧指令値Ｖに基づいて所定周期Ｔ１のデューティー比からなる基準ＰＷＭ信号を生成して出力する。ここで、所定周期Ｔ１は、予め設定された周期であって、例えば５０ｍｓｅｃ（周波数は２０ｋＨｚ）である。そして、デューティー比は、この所定周期Ｔ１に対する駆動回路２４のスイッチング素子のＯＮ動作の時間の割合を示す。ここで、基準ＰＷＭ出力部により出力される基準ＰＷＭ信号を図２に示す。図２は、デューティー比が５％の場合における基準ＰＷＭ信号を示している。図２に示すように、周期Ｔ１毎に、５％のＯＮ信号が出力されている。そして、この基準ＰＷＭ出力部２３１の最小デューティー比、すなわち基準ＰＷＭ出力部２３１から出力可能な最小のデューティー比は、５％である。すなわち、構成される個々の制御系要素の制約から基準ＰＷＭ出力部２３１は、デューティー比０％の次に出力することができるデューティー比が５％としている。
【００２７】
間引き判定部２３３は、基準ＰＷＭ出力部２３１により出力される基準ＰＷＭ信号に基づいて間引き処理を行うか否かの判定（間引き判定）を行う。間引き処理とは、後述する間引き処理部２３２により行われる処理であって、基準ＰＷＭ信号のうち一部のＰＷＭ信号を間引いた間引きＰＷＭ信号を生成すると共に間引きＰＷＭ信号を出力する処理である。そして、この間引き判定は、基準ＰＷＭ出力部２３１により出力される基準ＰＷＭ信号のデューティー比が基準ＰＷＭ出力部２３１により出力可能な最小デューティー比（以下、「最小デューティー比」という）であるか否かにより判定する。すなわち、基準ＰＷＭ出力部２３１により出力される基準ＰＷＭ信号のデューティー比が最小デューティー比である場合には間引き処理を行うと判定する。そして、基準ＰＷＭ出力部２３１により出力される基準ＰＷＭ信号のデューティー比が最小デューティー比でない場合には間引き処理を行わないと判定する。
【００２８】
間引き率算出部２３４は、電圧指令値Ｖに基づいて基準ＰＷＭ信号に対する間引きＰＷＭ信号の割合（率）である間引き率を算出する。具体的には、電圧指令値Ｖと基準ＰＷＭ信号のデューティー比とに基づいて、間引き率を算出している。例えば、電圧指令値Ｖに応じたＰＷＭ信号のデューティー比が１．５％の場合であって、基準ＰＷＭ出力部２３１の最小デューティー比が５％の場合を考える。この場合、電圧指令値Ｖに応じた理想的なデューティー比は１．５％であるにも関わらず、基準ＰＷＭ出力部２３１は１．５％のデューティー比は出力することができず、０％か、もしくは、５％のデューティー比しか出力できない。ここで、基準ＰＷＭ出力部２３１は、５％のデューティー比を出力するようにする。そして、この５％のデューティー比からなる基準ＰＷＭ信号を、１．５％のデューティー比の間引きＰＷＭ信号にするには、間引き率を０．３とすればよい。このように、電圧指令値算出部２２から出力された電圧指令値Ｖと、予め記憶された基準ＰＷＭ信号の最小デューティー比とに基づいて、間引き率を算出することができる。
【００２９】
また、間引き率算出部２３４は、ステアリング特性記憶部２６に記憶されたステアリング特性及び車両の運転状態に応じて、間引き率の上下限値を決定する。上述したように、間引き率は、電圧指令値Ｖと基準ＰＷＭ信号の最小デューティー比とに基づき算出することができる。しかし、間引き率が大きくしすぎたり小さくしすぎたりすると、操舵フィーリングに影響を及ぼす場合がある。そこで、ステアリング特性及び車両の運転状態に応じて間引き率の上下限値を決定し、電圧指令値Ｖと基準ＰＷＭ信号の最小デューティー比とに基づき算出された間引き率が上下限値を越えている場合は、その上下限値を間引き率とする。
【００３０】
ここで、ステアリング特性は、上述したようにステアリング装置の機械的な応答特性である。また、車両の運転状態とは、例えば、車速やハンドルの操舵速度等である。
【００３１】
間引き処理部２３２は、上述した間引き処理、すなわち、基準ＰＷＭ信号のうち一部のＰＷＭ信号（ＯＮ信号）を間引いた間引きＰＷＭ信号を生成すると共に間引きＰＷＭ信号を出力する間引き処理を行う。この間引き処理は、間引き判定部２３３により間引き処理を行う判定をした場合に、間引き率算出部２３４にて算出された間引き率に基づいて行われる。ここで、間引き処理について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。図２は上述したように基準ＰＷＭ信号を示す。図３は間引き処理が行われた間引きＰＷＭ信号を示す。ここでは、間引き率が約０．３３（３分の１）の場合として説明する。図３に示すように、例えば、間引き率が約０．３３（３分の１）の場合には、図２に示す基準ＰＷＭ信号のうち３分の１のＰＷＭ信号（ＯＮ信号）のみを取り出したＰＷＭ信号が間引きＰＷＭ信号となる。この場合における間引きＰＷＭ信号の周期Ｔ２は１５０ｍｓｅｃとなり、デューティー比は約１．６７％となる。
【００３２】
ここで、図６に電圧指令値−ＰＷＭデューティー特性を示す。図６は、上述のように構成されたＰＷＭ出力部の特性を実線により、従来の特性を点線により示す。最小デューティー比（この例では５％）以下においても、等価的に微少なデューティー比が出力可能となり、制御性が向上する。
【００３３】
次に、上述のように構成された電動パワーステアリング装置の動作について説明する。まず、ハンドルの操作に応じて、操舵軸に発生する操舵トルクが操舵トルクセンサ１により検出される。続いて、電流指令値算出部２１にて、操舵トルクセンサ１により検出された操舵トルク信号に基づいて電流指令値Ｉａを算出する。一方、電流検出部２５が、モータ３に流れる電流を検出する。そして、電流指令値Ｉａと検出電流Ｉｂとの偏差である偏差電流を算出する。続いて、電圧指令値算出部２２にて、偏差電流Ｉｃに基づき電圧指令値Ｖを算出する。
【００３４】
続いて、基準ＰＷＭ出力部２３１にて、電圧指令値Ｖに基づいて基準ＰＷＭ信号を生成する。そして、間引き判定部２３３にて、基準ＰＷＭ信号のデューティー比が最小デューティー比であるか否かを判定することにより、間引き処理を行うか否かを判定する。一方、間引き率算出部２３４にて、電圧指令値Ｖ、ステアリング特性及び車両の運転状態に基づき、間引き率を算出する。続いて、間引き処理部２３２は、間引き判定部２３３により間引き処理を行うと判定された場合に、基準ＰＷＭ信号と間引き率とに基づいて、間引き処理を行う。なお、間引き判定部２３３により間引き処理を行わないと判定された場合、すなわち、基準ＰＷＭ信号のデューティー比が最小デューティー比でない場合には、間引き処理部２３２は基準ＰＷＭ信号をそのまま出力する。続いて、間引き処理部２３２により出力されたＰＷＭ信号（基準ＰＷＭ信号若しくは間引きＰＷＭ信号）に基づき、駆動回路２４が駆動して、モータ３に電流が供給される。
【００３５】
次に、間引きＰＷＭ信号が出力される場合におけるモータ３に供給される電流について図４及び図５を参照して説明する。図４は、操舵軸に発生する操舵トルク信号Ｔに対するモータ３に供給される電流の関係を示す図である。図５は、図４のＡ部分の拡大図である。
【００３６】
ハンドルの中立付近、すなわち操舵トルク信号Ｔが０［Ｎ・ｍ］付近においては、アシスト力を発生させないため、モータ３に供給される電流は０［Ａ］となる。そして、ハンドルが操舵されて操舵トルク信号Ｔが大きくなると、次第にモータ３に供給する電流を上昇させる。ここで、基準ＰＷＭ出力部２３１の最小デューティー比を５％とし、５％のデューティー比の場合にモータ３に供給される電流はＩ３（図５に示す）とする。
【００３７】
この場合に、操舵トルク信号Ｔが徐々に大きくなり操舵トルクＴｓ１に達すると、モータ３に供給する電流は上昇させる必要がある。すなわち、基準ＰＷＭ出力部２３１は、操舵トルク信号ＴがＴｓ１以下の場合は０％のデューティー比を出力するが、操舵トルク信号ＴがＴｓ１に達したときに５％のデューティー比を出力する。そして、間引き率算出部２３４は、例えば、間引き率を約０．３３（３分の１）と算出する。そうすると、間引き処理部２３２は、基準ＰＷＭ信号が３分の１に間引いた間引きＰＷＭ信号を生成する。このときのモータ３に供給される電流はＩ１となり、デューティー比が５％の場合の電流Ｉ３の３分の１の電流となる。
【００３８】
続いて、さらに、操舵トルク信号Ｔが大きくなり操舵トルクＴｓ２に達すると、間引き率算出部２３４は、間引き率を約０．６６（３分の２）と算出する。そうすると、間引き処理部２３２は、基準ＰＷＭ信号が３分の２に間引いた間引きＰＷＭ信号を生成する。このときのモータ３に供給される電流はＩ２となり、デューティー比が５％の場合の電流Ｉ３の３分の２の電流となる。
【００３９】
続いて、さらに、操舵トルク信号Ｔが大きくなり操舵トルクＴｓ３に達すると、間引き率算出部２３４は、間引き率を１と算出する。そうすると、間引き処理部２３２は、基準ＰＷＭ信号そのまま出力することになる。なお、この場合、基準ＰＷＭ信号のデューティー比は、最小デューティー比である５％となる。
【００４０】
続いて、さらに、操舵トルク信号Ｔが大きくなり操舵トルクＴｓ４に達すると、間引き率算出部２３４は、間引き率を１と算出する。すなわち、操舵トルクＴｓ４に相当するＰＷＭ信号のデューティー比は５％となり、間引き判定部２３３が、間引き処理を行わない判定をする。すなわち、間引き処理部２３２は、基準ＰＷＭ信号をそのまま出力する。このように、ＰＷＭ出力部２により出力されるＰＷＭ信号のデューティー比が０％から例えば５％等と急激に増加することがないので、操舵フィーリングが非常に良好となる。
【００４１】
なお、上記実施形態においては、間引き率算出部２３４は電圧指令値Ｖに基づいて間引き率を算出するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、電流指令値Ｉａや偏差電流Ｉｃ等に基づいて間引き率を算出するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動パワーステアリング装置のブロック図である。
【図２】基準ＰＷＭ信号の出力を示す図である。
【図３】間引きＰＷＭ信号の出力を示す図である。
【図４】操舵トルクに対する電流指令値の関係を示す図である。
【図５】図４のＡ部分の拡大図である。
【図６】電圧指令値−ＰＷＭデューティー特性を示す図である。
【符号の説明】
１ ・・・ 操舵トルクセンサ
２ ・・・ 制御装置（制御手段）
３ ・・・ モータ（パワーアシスト電動機）
２１ ・・・ 電流指令値算出部
２２ ・・・ 電圧指令値算出部
２３ ・・・ ＰＷＭ出力部
２４ ・・・ 駆動回路
２３１ ・・・ 基準ＰＷＭ出力部（基準ＰＷＭ出力手段）
２３２ ・・・ 間引き処理部（間引き処理手段）
２３３ ・・・ 間引き判定部（間引き判定手段）
２３４ ・・・ 間引き率算出部（間引き率算出手段）

Claims (4)

1. 操舵力を補助するパワーアシスト電動機と、
   操舵軸に発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   前記操舵トルクに基づき前記パワーアシスト電動機に供給する電動機電流をデューティー制御するためのスイッチング素子に所定周期毎に発するＰＷＭ信号を生成する制御手段と、
   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、
   前記操舵トルクに基づき所定周期のデューティー比からなる基準ＰＷＭ信号を出力する基準ＰＷＭ出力手段と、
   前記基準ＰＷＭ出力手段により出力された前記基準ＰＷＭ信号のデューティー比が、前記基準ＰＷＭ出力手段により出力可能な最小デューティー比である場合に、間引き処理を行うと判定する間引き判定手段と、
   前記操舵トルクあるいは前記操舵トルクから形成された信号と前記基準ＰＷＭ信号のデューティー比とに基づき、前記基準ＰＷＭ信号のうち一部の前記ＰＷＭ信号を間引いた間引きＰＷＭ信号の前記基準ＰＷＭ信号に対する割合である間引き率を算出する間引き率算出手段と、
   前記間引き判定手段により間引き処理を行うと判定された場合に、前記間引き率算出手段により算出された前記間引き率に基づき、前記間引きＰＷＭ信号を生成すると共に前記間引きＰＷＭ信号を出力する間引き処理を行う間引き処理手段と、
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記間引き率は、車両に搭載されるステアリング装置の応答特性であるステアリング特性に基づき決定されることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記間引き率は、車両の運転状態に基づき決定されることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
4. さらに、前記パワーアシスト電動機又は前記制御手段の故障判定を行う故障判定手段を備え、
   前記間引き判定手段は、前記故障判定を行っている間は前記間引き処理を行わないと判定することを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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