JP4441449B2

JP4441449B2 - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP4441449B2
Application number: JP2005187862A
Authority: JP
Inventors: 宏之鯉渕; 晃治笹嶋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: JP2007008191A

Description

本発明は、操舵力を付与する電動パワーステアリング装置に関し、特に、電源電圧を昇圧してモータを駆動する装置に用いられる。

電動パワーステアリング装置は、モータで操舵トルクに応じた補助トルクを発生させ、この補助トルクをステアリング系に伝達して操舵トルクの軽減化を図っている。
このモータには、通常の２０００ｃｃクラスの自動車で６０Ａ以上の大電流を流す必要があり、最近では、より多くの出力を得るためにバッテリ電圧より高い電圧で駆動させることが求められている。例えば、特許文献１には、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて高電圧を発生させてモータに電力を供給する昇圧装置が開示されている。
特開２００３−２４４９４３号公報（請求項１、図１）

しかしながら、特許文献１に記載の技術ではバッテリが劣化状態、すなわちバッテリ電圧が通常の１２Ｖから低下している場合でも、昇圧手段であるＤＣ−ＤＣコンバータは、電流の持ち出しを増加させることで、モータ等の負荷が求める電力を保つように働いていた。このため、更に、バッテリの劣化が進行するおそれがあった。

そこで、本発明は、昇圧手段を備えた電動パワーステアリング装置において、持ち出し電流の増大によるバッテリの劣化を防止することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の一の手段は、操舵力を付与するモータと、電源の電圧を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力電圧を用いて、前記モータを操舵入力に基づいた目標電流で駆動する駆動制御手段とを備える電動パワーステアリング装置であって、操舵力を補助するモータと、電源（例えば、バッテリ）の電圧を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力電圧を用いて前記モータを操舵入力に基づいた目標電流で駆動する駆動制御手段とを備える電動パワーステアリング装置であって、前記昇圧手段に流入する入力電流を監視する電流監視手段を有し、前記昇圧手段が作動しているときに前記入力電流が所定値以上となった場合に前記目標電流を、前記入力電流が大きくなるにつれ、徐々に低減させることを特徴とする。

このようにすれば、昇圧手段（例えば、昇圧回路）に流入する電流が所定値以上になった場合にモータの目標電流が昇圧手段の入力電流が大きくなるにつれ、徐々に低減するため、昇圧手段に流入する入力電流が減少する。これにより、電源の電圧低下が回避され、更に、電源の劣化が緩和される。また、モータ以外の他の装置が電源に接続され、電源から流出する電流が増加することにより電源の電圧が低下してもモータの目標電流は低減しない。

また、本発明の他の手段は、操舵力を付与するモータと、電源の電圧を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力電圧を用いて、前記モータを操舵入力に基づいた目標電流で駆動する駆動制御手段とを備える電動パワーステアリング装置であって、前記目標電流をダンピング補正値を用いて補正することで、ステアリング系のダンピングを補償するダンピング補償手段と、前記目標電流をイナーシャ補正値を用いて補正することで、前記ステアリング系のイナーシャを補償するイナーシャ補償手段と、前記昇圧手段に流入する入力電流を監視する電流監視手段とを更に備え、前記昇圧手段が作動し前記電流監視手段が監視する前記入力電流が前記所定値以上となったときに、前記ダンピング補正値あるいは前記イナーシャ補正値を補正することで前記目標電流を低減させることができる。

ダンピングあるいはイナーシャを補正して目標電流を低減することにより、細やかな制御が可能になり、操舵フィーリングが高められる。

本発明によれば、電源（バッテリ）の劣化時、電源からの持ち出し電流を低減させ、電源の劣化を防止することができる。また、請求項２に係る発明においては、持ち出し電流に応じて、ダンピング補正値、イナーシャ補正値それぞれを補正することで、操舵フィーリングの低下を抑えながら電源の劣化を防止することができる。

（第１実施形態）
本実施形態の電動パワーステアリング装置の構成、特に、昇圧回路の構成を図１を用いて説明する。
電源であるバッテリ１はリレー２を介して昇圧回路１０の入力端ＩＮに接続され、昇圧回路１０の出力端ＯＵＴは、制御装置２０内部の電動機駆動手段３３（図３参照）内に設けられているＦＥＴブリッジ回路を介してモータ３０に接続されている。バッテリ１の定格電圧は１２Ｖであるが、内部抵抗が存在するので負荷電流によって１０Ｖから１４Ｖ程度で変動する。なお、バッテリ１には、図示しない交流発電機が接続されており、交流発電機は、発電した交流電圧を整流してバッテリ１を充電している。また、リレー２はリレー駆動信号によってＯＮ−ＯＦＦ制御されている。

昇圧回路１０の入力端ＩＮには、電流センサ３が接続されており、コイル４を介して半導体スイッチであるＦＥＴ６のドレインあるいはソースの何れかの一端が接続されている。ここで、電流センサ３は、微少抵抗器で構成して両端の電圧を検出しても良く、導体に流れる電流をホール素子で検出する構成にしても良い。

ＦＥＴ６の他端は、昇圧回路１０の出力端ＯＵＴに接続され、その出力端ＯＵＴと接地との間には電解コンデンサ７が接続され、出力電圧Ｖ_Oを平滑している。また、コイル４及びＦＥＴ６の接続点と接地との間にはＦＥＴ５が接続されている。昇圧コントロール部８は、出力端ＯＵＴの電圧信号と電流センサ３の出力信号とが入力され、ＦＥＴ５，６のゲート電圧を制御している。また、出力端ＯＵＴの電圧信号は、加算器９によって制御信号に加算され、昇圧コントロール部８に入力されている。なお、ＦＥＴ５，６のサブストレートはドレインあるいはソースに接続されている。

次に、昇圧回路１０の動作を図１を参照して説明する。リレー２が導通することにより、昇圧回路１０の入力端ＩＮにはバッテリ１の１２Ｖの電圧Ｖ_INが印加される。そして、ＦＥＴ５のゲート電位がHIGH LEVELとなりＦＥＴ５がＴ_ON時間導通し、ＦＥＴ６のゲート電位がLOW LEVEL（あるいは、負電位）となりＦＥＴ６が遮断することにより、電流センサ３を介してコイル４に電流が流れる。なお、この電流は、コイル４のインダクタンスＬに反比例する傾斜で直線的に増加し、電流の増加量は（Ｖ_IN／Ｌ）Ｔ_ONとなる。そして、Ｔ_ON時間経過後、反対に、ＦＥＴ５のゲート電位がLOW LEVEL（あるいは、負電位）となりＦＥＴ５をＴ_OFF時間遮断させ、ＦＥＴ６のゲート電位がHIGH LEVELとなりＦＥＴ６を導通させる。これにより、インダクタンスＬに反比例する傾斜でＴ_OFF時間直線的に電流が減少し、電流の減少量は、出力電圧をＶ_Oとすると、（（Ｖ_O−Ｖ_IN）／Ｌ）Ｔ_OFFとなる。そして、Ｔ_OFF時間経過後、ＦＥＴ５の導通及びＦＥＴ６の遮断が再び行われる。すなわち、二つのＦＥＴ５，６を相補的にスイッチング動作させている。

電流の増加量と減少量は等しいので、ＦＥＴ５の導通及びＦＥＴ６の遮断とＦＥＴ５の遮断及びＦＥＴ６の導通とが交互に繰り返されることにより、出力電圧Ｖ_Oは、（１＋Ｔ_ON／Ｔ_OFF）Ｖ_INに収束する。すなわち、ＦＥＴ５，６のＯＮ，ＯＦＦ時間の比で決まる電圧（Ｔ_ON／Ｔ_OFF）Ｖ_INがバッテリ１の電圧Ｖ_INに加算されて、昇圧回路１０から出力される。

昇圧回路１０の動作特性を図２（ａ）に示す。この図は、１０Ｖ，１２Ｖ，１４Ｖの各入力電圧をパラメータとして、出力電力Ｐ_OUTと入力ＩＮに流入する流入電流Ｉとの関係を示している。入力電圧を一定にした場合には、出力電力Ｐ_OUTの増大に伴ってバッテリ１から流入する流入電流Ｉが増加する。また、入力電圧が低いとき（例えば、１０Ｖ）は、出力電力Ｐ_OUTを一定にするために、入力電圧が高いとき（例えば、１４Ｖ）よりも流入電流Ｉが増加する。

すなわち、昇圧回路１０は、出力電力Ｐ_OUTが増加すれば流入電流Ｉが増加し、これにより、バッテリ１の電圧すなわち入力電圧が低下すれば、さらに、流入電流Ｉが増加しようとする特性を有している。そのため、昇圧回路１０は、電流センサ３が検出する流入電流Ｉが所定値よりも増加したときに出力電圧の制御を行って、流入電流Ｉを低下させている。

図３は、本発明の実施の形態に適用される電動パワーステアリング装置１００の構成図である。ステアリングホイール２３に一体的に設けられたステアリング軸２４は、自在継ぎ手２５ａ，２５ｂを有する連結軸２５を介して、ステアリング・ギアボックス２６内にあるラック＆ピニオン機構２７のピニオン２７ａと連結され、手動操舵力発生手段２２を構成している。さらに、ピニオン２７ａにかみ合うラック歯２７ｂと、これらのかみ合いにより往復運動するラック軸２９は、その両端のタイロッド３１，３１を介して転舵輪Ｗ、Ｗを転動させるように構成されている。

また、電動パワーステアリング装置１００は、制御装置２０に含まれる電動機駆動手段３３がモータ３０を駆動して補助トルク（補助操舵力）を発生させ、手動操舵力発生手段２２による手動操舵力をアシストするように構成されている。ステアリングホイール２３、ステアリング軸２４、連結軸２５、ラック＆ピニオン機構２７、ラック軸２９、モータ３０、転舵輪Ｗ等の機構的部分をステアリング系Ｓと総称する。

制御装置２０には、車速信号Ｖを出力する車速センサＶＳ、操舵トルク信号Ｔを出力する操舵トルクセンサＴＳ、角度信号ＡＮＧＬＥを出力するレゾルバ３４の各センサが接続され、角速度算出手段３５が角度信号ＡＮＧＬＥを微分してモータ３０の角速度信号ωを生成している。車速センサＶＳは、変速機の回転数に基づいた車速を単位時間あたりのパルス数として出力するものである。レゾルバ３４は、例えば、複数マグネットを用いて磁気の変化を検出する磁気式エンコーダが用いられ、ポテンショメータ、ロータリーエンコーダ等も使用可能である。

制御装置２０は、これらの信号Ｖ，Ｔ，ＡＮＧＬＥ，ωに基づいてモータ３０にかける目標電流の大きさ及び方向を決定している。そして、電動機駆動手段３３に設けられた電流センサによりモータ３０に流れる電流が検出され、この検出電流が目標電流になるようにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。

操舵トルクセンサＴＳは、ステアリング・ギアボックス２６内に配設され、運転者による手動の操舵トルクの大きさ及び方向を検出する。そして、操舵トルクセンサＴＳは、検出した操舵トルクに対応したアナログ電気信号を操舵トルク信号Ｔとして制御装置２０に送信する。なお、操舵トルク信号Ｔは、大きさを示す操舵トルクとトルクの向きを示すトルク方向との情報を含む。トルク方向は操舵トルクのプラス値／マイナス値で表され、プラス値は操舵トルク方向が右方向であり、マイナス値は操舵トルク方向が左方向である。

電動機駆動手段３３は、例えば、ＰＷＭ信号のデューティに応じて電動機駆動手段３３内に設けられているＦＥＴブリッジ回路を介してモータ３０の巻線に電流を通電して制御を行う。ここで、ＦＥＴブリッジ回路とバッテリ１との間に前記した昇圧回路１０が接続されており、昇圧された電圧でモータ３０が駆動されている。

以上説明した本実施形態によれば、例えば、路面摩擦係数μが高く、操縦者の転舵速度が速いときなど、モータの要求する電力が増大すると昇圧回路１０へ流入する流入電流が増加するが、この流入電流を電流センサ３が検出して、その流入電流が所定値を超えると、目標電流を低下させるように動作し、さらなる電流の持ち出しを抑制してバッテリの劣化を防止できる。また、昇圧回路１０に流入する電流を検出しているので、ライト，エアコン等の他の車載設備でバッテリ１に流れる電流が増加して、電源電圧が低下しても、同様の効果を得ることができる。このため、良好な操舵アシストが行われる。なお、流入電流が所定値を超えた場合に昇圧電圧を低下させずに、モータ目標電流を低下させるように電動機駆動手段３３がＰＷＭ制御しても良い。

（第２実施形態）
前記第１実施形態は、昇圧回路１０の流入電流に応じて昇圧電圧を変化させて目標電流を制御したが、本第２実施形態は、昇圧電圧を固定し制御装置２０内で設定されるパラメータを可変することによって目標電流を制御する。本実施形態の昇圧回路は、基本的には図１と同様であるが、電流センサ３の検出信号が制御装置２０に入力される。

電動機駆動手段３３がＰＷＭ制御する制御目標電流（モータ目標電流）は、操舵トルク信号Ｔと、車速信号Ｖと、モータの角速度信号ωとから算出され、昇圧回路１０に流入する流入電流によって修正される。この機能を実行するための機能ブロック及び信号の流れを示したアルゴリズム構成図を図４に示す。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４１及び位相補償フィルタ４２を介した操舵トルク信号Ｔと、車速信号Ｖとはベース電流算出手段４３に入力される。また、車速信号Ｖは、位相補償フィルタ４２にも入力される。ベース電流算出手段４３は、予め実験値又は設計値に基づいたテーブルから、各入力信号に対応する基準電流を読み出す。なお、ローパスフィルタ４１はノイズ除去を行うために用いられ、位相補償フィルタ４２は、応答の遅れによって生じる振動や発振現象を緩和もしくは抑制するために用いられる。ここで、車速信号Ｖは、車速の変動による路面反力の変動を補正し、操舵感覚を向上するために用いられる。

また、ローパスフィルタ４１を介した操舵トルク信号Ｔと、車速信号Ｖと、ローパスフィルタ４１を介した操舵トルク信号Ｔ及び車速信号Ｖがハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４６を介して微分された信号とがイナーシャ補償手段４４に入力される。イナーシャ補償手段４４は、ステアリング系Ｓの慣性による応答性の低下を向上させるためにモータ目標電流の補償を行うものである。特に、イナーシャ制御は、操舵トルクの微分値に基づいて制御するので、ステアリング操作における切り返し等の操舵トルクが大きく変化する時に有効に作用する。その結果、ダンピング制御やイナーシャ制御が施されると、実際の操舵トルクの方向とは逆方向に目標電流が補正され、操舵トルクの方向と補助トルクの方向とが異なる場合がある。イナーシャ補償値は、車速信号Ｖに対して、低速の場合には大きな値が対応づけられ、高速の場合には小さな値が対応づけられている。また、操舵トルクの時間微分値に対して、ドライバによるステアリング操作に対しての応答性を向上させるために、この時間微分値が大きいほど大きな値が対応づけられる。

また、ローパスフィルタ４１を介した操舵トルク信号Ｔと、車速信号Ｖと、モータ３０の角速度信号ωとは、ダンパ補償手段（ダンピング補償手段）４５に入力される。ダンパ補償手段４５は、モータ３０の回転方向と逆方向に駆動してモータ目標電流を補償するものである。したがって、通常操舵時のように操舵トルクの方向とモータ３０の回転方向が同じ場合（ステアリングの往き時）は、減衰は操舵トルクに対して減算補正であるが、ステアリングがセルフアライニングトルクによって中立位置に戻されるような、操舵トルクの方向とモータ３０の回転方向が逆方向の場合（ステアリングの戻り時）には、減衰は操舵トルクに対して加算補正になる。また、車速信号Ｖが大きくなるとダンピング補正値を大きくして、操舵補助トルクによるアシスト量を減らすようにしている。これは、高車速領域でのステアリングの安定性を良くし、一方、低車速領域でのステアリングの戻り性を良くするためである。なお、イナーシャ補償手段４４及びダンパ補償手段４５は、予め実験値又は設計値に基づいたテーブルから、各入力信号に対応する補正信号（イナーシャレシオ、ダンパレシオ）を読み出すように構成されている。

ベース電流算出手段４３が算出した基準電流の値と、昇圧回路１０の流入電流Ｉに対応してレシオテーブル４９によって読み出された比率とが乗算器４７によって乗算される。そして、乗算器４７によって乗算された制御目標電流の値は、イナーシャ補償手段４４及びダンパ補償手段４５によって読み出された補正値によって補正される。そして、制御目標電流とモータ３０に流れるモータ電流との偏差が小さくなるようにモータ３０に流れる電流の大きさと方向が制御される。

図２（ｂ）にレシオテーブル４９に記憶されているテーブルの例を示す。昇圧回路１０の流入電流が、例えば、０Ａから９０Ａまでは、乗算の比率は１倍で一定であるが、９０Ａから１００Ａまでで１倍から０．７倍まで徐々に比率を低下させている。次に、図２（ｃ）にイナーシャ補償手段４４に記憶されているテーブルの例を示し、図２（ｄ）にダンパ補償手段４５に記憶されているテーブルの例を示す。操舵トルク信号Ｔ及び車速信号Ｖを固定させて、昇圧回路１０への流入電流を変化させた場合の補償値の比であるイナーシャレシオは、流入電流が増加するに伴い減少させている。一方、ダンパレシオは流入電流が増加するにつれて増加させている。すなわち、ダンピング補正値を増大させ、イナーシャ補正値を減少させることで、モータ３０の目標電流を制御している。

以上説明したように、前記各実施形態によれば、バッテリが弱っている場合や車載の電気負荷が増大して交流発電機の電圧あるいはバッテリ電源電圧が低下している場合において、電動パワーステアリング装置の負荷すなわちモータの負荷が上昇し、大きなバッテリ電流を必要としている場合での昇圧動作による交流発電機の電圧及びバッテリ電源電圧の急激な低下を防止し、電源変動に対して高いタフネスと信頼性を有する昇圧回路を備えた電動パワーステアリング装置を構築することができる。

（変形例）
本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記第２実施形態は、ベース電流算出手段４３とレシオテーブル４９の値とを乗算器４７を用いて乗算してから、イナーシャ補償手段４４とダンパ補償手段４５とが出力する値を加算器４８を用いて加算したが、ベース電流算出手段４３とイナーシャ補償手段４４とダンパ補償手段４５とが出力する値を加算してからレシオテーブル４９の値を乗算することができる。
（２）前記各実施形態は、電流センサ３を用いて昇圧回路１０に流入する電流を検出して、その電流が所定値以上になったときにモータ電流を制限するようにしたが、モータ３０に流れる電流を検出して、制限することもできる。
（３）前記各実施形態は、二つのＦＥＴ５，６を相補的にスイッチング動作させたが、ＦＥＴ６の代わりにダイオードを順方向に挿入してＦＥＴ５のみをスイッチング動作させることもできる。この場合は、ＦＥＴ５を導通させることにより、ダイオードが逆方向になり、ＦＥＴ６の動作と同様になる。
（４）本発明の電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイール２３と転舵輪Ｗとが機械的に切り離されたステアバイワイヤ（Steer＿By＿Wire）が含まれる。

本実施形態の電動パワーステアリング装置、特に、昇圧回路の構成を示す図である。昇圧回路の動作特性図、レシオテーブル、イナーシャレシオ及びダンパレシオを示す図である。本実施形態の電動パワーステアリング装置の構成図である。第２実施形態の制御装置のアルゴリズム図である。

符号の説明

１バッテリ（電源）
２リレー
３電流センサ（電流監視手段）
４コイル
５，６ＦＥＴ
７電解コンデンサ
８昇圧コントロール部
９加算器
１０昇圧回路（昇圧手段）
２０制御装置（駆動制御手段）
２２手動操舵力発生手段
２３ステアリングホイール
２４ステアリング軸
２５連結軸
２５ａ，２５ｂ自在継ぎ手
２６ステアリング・ギアボックス
２７ラック＆ピニオン機構
２７ａピニオン
２７ｂラック歯
２９ラック軸
３０モータ
３１タイロッド
３３電動機駆動手段
３４レゾルバ
３５角速度算出手段
４１ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
４２位相補償フィルタ
４３ベース電流算出手段
４４イナーシャ補償手段
４５ダンパ補償手段（ダンピング補償手段）
４６ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）
４７乗算器
４８加算器
４９レシオテーブル
１００電動パワーステアリング装置
ＶＳ車速センサ
ＴＳ操舵トルクセンサ
Ｔ操舵トルク信号
Ｖ車速信号
ＡＮＧＬＥ角度信号
ω 角速度信号
Ｗ転舵輪

Claims

操舵力を付与するモータと、電源の電圧を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力電圧を用いて、前記モータを操舵入力に基づいた目標電流で駆動する駆動制御手段とを備える電動パワーステアリング装置であって、
前記昇圧手段に流入する入力電流を監視する電流監視手段を有し、
前記昇圧手段が作動しているときに前記入力電流が所定値以上となった場合に前記目標電流を、前記入力電流が大きくなるにつれ、徐々に低減させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
操舵力を付与するモータと、電源の電圧を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力電圧を用いて、前記モータを操舵入力に基づいた目標電流で駆動する駆動制御手段とを備える電動パワーステアリング装置であって、
前記目標電流をダンピング補正値を用いて補正することで、ステアリング系のダンピングを補償するダンピング補償手段と、前記目標電流をイナーシャ補正値を用いて補正することで、前記ステアリング系のイナーシャを補償するイナーシャ補償手段と、
前記昇圧手段に流入する入力電流を監視する電流監視手段とを更に備え、
前記昇圧手段が作動し前記入力電流が前記所定値以上となったときに、前記ダンピング補正値あるいは前記イナーシャ補正値を補正することで前記目標電流を低減させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。