JP4715919B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、操舵系に伝達される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータと、少なくとも前記操舵トルクに基づいて前記電動モータを制御するモータ制御手段とを備え、電動モータの制御中にモータ制御を停止するときに、電磁ブレーキ制御を行うようにした電動パワーステアリング装置に関する。
この種の電動パワーステアリング装置では、操舵系に対して電動モータで発生させた操舵補助力を付加するようにしているので、電動モータで操舵補助力を発生させている状態で、電動モータの制御を停止すると、タイヤの捩れ力が急に解放されることにより、操舵系に操舵方向とは逆方向に回転される所謂キックバック現象が発生し、この操舵方向とは逆方向の回転力が操舵系を構成するステアリングホイールに伝達されることにより、運転者に違和感を与えるという問題点がある。
この問題点を解決するために、従来、操舵補助トルクを発生中に電動機を停止させるとき、前記電動機の端子間を所定時間短絡する短絡手段を備え、当該短絡手段は、前記操舵系の捩じれの戻り力を戻り力推定手段で推定し、戻り力が所定値以上であるとき、端子間を短絡させるようにした電動パワーステアリング装置が提案されている(例えば、特許第3399226号公報参照)。
しかしながら、上記特許文献1に記載の従来例にあっては、電動機を停止させる必要が生じたときに操舵系の捩れ力を推定して電磁ブレーキ力を発生させるようにしているが、例えば急操舵時に操舵系に電磁ブレーキ力を作用させると、操舵中に引っ掛かりを感じ運転者に違和感を与えるという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、電動モータで操舵補助力を発生している状態で、電動モータを停止させるときに、操舵状態や車両の走行状態を検出して、最適な電磁ブレーキ力を発生させるようにした電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項1に係る電動パワーステアリング装置は、操舵系に伝達される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータと、少なくとも前記操舵トルクに基づいて前記電動モータを制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、前記モータ制御手段による前記電動モータの制御中に、当該電動モータを停止させる状態を検出するモータ停止状態検出手段と、該モータ停止状態検出手段の検出結果が前記電動モータを停止させる状態であるときに、前記操舵系の操舵状態及び車両の走行状態の少なくとも一方に基づいてキックバックを抑制するように前記電動モータを電磁ブレーキ制御する電磁ブレーキ制御手段とを備えたことを特徴としている。
上記目的を達成するために、請求項1に係る電動パワーステアリング装置は、操舵系に伝達される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータと、少なくとも前記操舵トルクに基づいて前記電動モータを制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記モータ制御手段による前記電動モータの制御中に、バッテリ電圧を監視してモータを停止させるべき状況が発生するモータ停止条件の成立を検出するモータ停止状態検出手段と、該モータ停止状態検出手段の検出結果が前記電動モータを停止させるべきモータ停止条件が成立したときに、前記操舵系の操舵状態及び車両の走行状態の少なくとも一方に基づいてキックバックを抑制するように前記電動モータの電磁ブレーキ力を演算し、演算した電磁ブレーキ力を発生するように当該電動モータの電流を制御する電磁ブレーキ制御を行う電磁ブレーキ制御手段とを備えたことを特徴としている。
この請求項2に係る発明では、車両が直進走行状態であるときには、電動モータで操舵系に対して操舵補助力を発生しておらず、キックバックは生じないので、マニュアル操舵を阻害する電磁ブレーキ力の発生を停止させ、車両が旋回走行状態であるときには電動モータで操舵系に対して操舵補助力を発生しており、キックバックを生じるので、これを確実に防止する電磁ブレーキ力を発生させる。
さらに、請求項3に係る電動パワーステアリング装置は、請求項1又は2に係る発明において、前記電磁ブレーキ制御手段は、前記操舵系が切り増し状態及び切り戻し状態の何れの操舵状態であるかを検出する操舵状態検出手段を有し、該操舵状態検出手段で検出した操舵状態が切り戻し状態であるときに制動力の大きな電磁ブレーキ力となる電磁ブレーキ制御を行い、切り増し状態であるときは、前記切り戻し状態であるときに比較して制動力の小さな電磁ブレーキ力となる電磁ブレーキを行うように構成されていることを特徴としている。
この請求項3に係る発明では、操舵系が切り増し状態であるときには、キックバックにより操舵方向と逆方向の回転力が作用されるので、このキックバックを電磁ブレーキ力で確実に抑制して操舵系の引っ掛かり感が発生することを確実に防止する。
また、操舵系が切り戻し方向である場合には、キックバックにより操舵方向と同一方向の回転力が作用されるので、このキックバックを緩和するように電磁ブレーキ力を発生させて最適な操舵感覚を得ることができる。
さらにまた、請求項4に係る電動パワーステアリング装置は、請求項1乃至3の何れか1つに係る発明において、前記電磁ブレーキ制御手段は、前記操舵系の操舵速度を検出する操舵速度検出手段を有し、該操舵速度検出手段で検出した操舵速度が速くなるにつれて電磁ブレーキ力を弱めるように制御するように構成されていることを特徴としている。
この請求項4に係る発明では、操舵速度が速くなるにつれて電磁ブレーキ力が操舵を阻害する力として作用することになるため、電磁ブレーキ力を小さくしてキックバック抑制より操舵を優先させる。
なおさらに、請求項5に係る電動パワーステアリング装置は、請求項1乃至4の何れか1つに係る発明において、前記電磁ブレーキ制御手段は、車両の旋回半径を検出する旋回半径検出手段を有し、該旋回半径検出手段の検出結果が、旋回半径が小さい場合に旋回半径が大きい場合に比較して大きな電磁ブレーキ力を発生させる制御を行うように構成されていることを特徴としている。
この請求項5に係る発明では、旋回半径が大きい場合には、小さな操舵トルクで済むので操舵補助力も小さくなり、キックバック量も少ないこと電磁ブレーキ力を弱めて操舵を優先させ、旋回半径が小さい場合には、大きな操舵トルクを必要とし操舵補助力も大きくなることから電磁ブレーキ力を大きくしてキックバックを確実に防止する。
また、請求項6に係る電動パワーステアリング装置は、請求項1乃至5の何れか1つに係る発明において、前記電磁ブレーキ制御手段は、電磁ブレーキ制御を、所定時間経過した時又は前記モータ停止検出手段の検出結果が、前記電動モータを停止させない状態となった時に電磁ブレーキ制御を解除するように構成されていることを特徴としている。
この請求項6に係る発明では、電磁ブレーキ制御が継続する時間を制限することにより、電磁ブレーキ力がマニュアル操舵を阻害することになることを確実に防止する。
本発明によれば、電動モータで操舵系に対して操舵補助力を発生している最中に、電動モータを停止させるときに、車両の走行状態及び操舵系の操舵状態の少なくもと一方を検出し、検出した走行状態及び操舵状態の少なくとも一方に基づいてキックバックを抑制するように電動モータを電磁ブレーキ制御するので、走行状態及び操舵状態の少なくとも一方に基づいて最適な電磁ブレーキ力を発生させて、良好な操舵感覚を得ることができるという効果が得られる。
本発明の一実施形態を示す全体構成図である。 操舵補助制御装置の一例を示すブロック図である。 図2の制御演算装置23の具体的構成を示すブロック図である。 操舵補助電流指令値算出マップを示す特性線図である。 図3のd軸指令電流算出部の具体的構成を示すブロック図である。 d−q軸電圧算出処理手順の一例を示すフローチャートである。 d−q電圧算出マップを示す特性線図である。 3相ブラシレスモータで発生する誘起電圧波形を示す特性線図である。 パルス幅変調信号形成処理手順の一例を示すフローチャートである。 電磁ブレーキ力算出マップを示す特性線図である。 3相ブラシレスモータの相電流波形を示す特性線図である。 本発明における制御演算装置の他の例を示すブロック図である。 モータ駆動回路の他の例を示す回路図である。 ブラシレスモータで電磁ブレーキ力を発生させる場合の各相誘起電圧波形を示す説明図である。 電磁ブレーキ制御回路を示すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す全体構成図であって、図中、1は、ステアリングホイールであり、このステアリングホイール1に運転者から作用される操舵力が入力軸2aと出力軸2bとを有するステアリングシャフト2に伝達される。このステアリングシャフト2は、入力軸2aの一端がステアリングホイール1に連結され、他端は操舵トルク検出手段としての操舵トルクセンサ3を介して出力軸2bの一端に連結されている。
そして、出力軸2bに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント4を介してロアシャフト5に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント6を介してピニオンシャフト7に伝達される。このピニオンシャフト7に伝達された操舵力はステアリングギヤ8を介してタイロッド9に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ8は、ピニオンシャフト7に連結されたピニオン8aとこのピニオン8aに噛合するラック8bとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン8aに伝達された回転運動をラック8bで直進運動に変換している。
ステアリングシャフト2の出力軸2bには、操舵補助力を出力軸2bに伝達する操舵補助機構10が連結されている。この操舵補助機構10は、出力軸2bに連結した減速ギヤ11と、この減速ギヤ11に連結された操舵補助力を発生する3相ブラシレスモータ12とを備えている。
操舵トルクセンサ3は、ステアリングホイール1に付与されて入力軸2aに伝達された操舵トルクを検出するもので、例えば、操舵トルクを入力軸2a及び出力軸2b間に介挿した図示しないトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位を抵抗変化や磁気変化に変換して検出するように構成されている。
また、3相ブラシレスモータ12は、図2に示すように、U相コイルLu、V相コイルLv及びW相コイルLwの一端が互いに接続されてスター結線とされ、各コイルLu、Lv及びLwの他端がモータ制御手段としての操舵補助制御装置20に接続されて個別にモータ駆動電流Iu、Iv及びIwが供給される。また、3相ブラシレスモータ12は、ロータの回転位置を検出するレゾルバ、エンコーダ等で構成されるロータ位置検出回路13を備えている。
操舵補助制御装置20は、図2に示すように、操舵トルクセンサ3で検出された操舵トルクT及び車速センサ21で検出された車速検出値Vsが入力されると共に、ロータ位置検出回路13で検出されたロータ回転角θが入力され、さらに3相ブラシレスモータ12の各相コイルLu、Lv及びLwに供給されるモータ駆動電流Iu、Iv及びIwを検出するモータ電流検出回路22から出力されるモータ駆動電流検出値Iud、Ivd及びIwdが入力されている。
この操舵補助制御装置20は、操舵トルクT及び車速検出値Vsとモータ電流検出値Iud、Ivd及びIwdとロータ回転角θとに基づいて操舵補助目標電流値を演算して、モータ電圧指令値Vu、Vv及びVwを出力する例えばマイクロコンピュータで構成される制御演算装置23と、3相ブラシレスモータ12を駆動する電界効果トランジスタ(FET)で構成されるモータ駆動回路24と、制御演算装置23から出力される相電圧指令値Vu、Vv及びVwに基づいてモータ駆動回路24の電界効果トランジスタのゲート電流を制御するFETゲート駆動回路25とを備えている。
制御演算装置23は、図3に示すように、ベクトル制御の優れた特性を利用してベクトル制御d、q成分の電流指令値を決定した後、この電流指令値を各励磁コイルLu〜Lwに対応した各相電流指令値Iu*、Iv*及びIw*に変換して出力するベクトル制御相指令値算出回路30と、このベクトル制御相指令値算出回路30から出力される各相電流指令値Iu*、Iv*及びIw*とモータ電流検出回路41で検出したモータ電流検出値Iud、Ivd及びIwdとで電流フィードバック処理を行う電流制御回路40を備えている。
ベクトル制御相指令値算出回路30は、図3に示すように、操舵トルクセンサ3で検出した操舵トルクTと車速センサ21で検出した車速Vsとが入力され、これらに基づいて操舵補助電流指令値IM *を算出する操舵補助電流指令値演算部31と、ロータ回転角検出回路13で検出したロータ回転角θを電気角θeに変換する電気角変換部32と、この電気角変換部32から出力される電気角θeを微分して電気角速度ωeを算出する微分回路33と、操舵補助電流指令値IM *と電気角速度ωeとに基づいてd軸指令電流Id*を算出するd軸指令電流算出部34と、電気角θeに基づいてd軸電圧ed(θ)及びq軸電圧eq(θ)を算出するd−q軸電圧算出部35と、このd−q軸電圧算出部35から出力されるd軸電圧ed(θ)及びq軸電圧eq(θ)とd軸指令電流算出部34から出力されるd軸指令電流Id*と操舵補助電流指令値演算部31から出力される操舵補助電流指令値IM *とに基づいてq軸指令電流Iq*を算出するq軸指令電流算出部36と、d軸指令電流算出部34から出力されるd軸指令電流Id*とq軸指令電流算出部36から出力されるq軸指令電流Iq*とを3相電流指令値Iu*、Iv*及びIw*に変換する2相/3相変換部37とを備えている。
上述した操舵補助電流指令値演算部31は、操舵トルクT及び車速Vsをもとに図4に示す操舵補助電流指令値算出マップを参照して操舵補助電流指令値IM *を算出する。ここで、操舵補助電流指令値算出マップは、図4に示すように、横軸に操舵トルクTをとり、縦軸に操舵補助指令値IM *をとると共に、車速検出値Vをパラメータとした放物線状の曲線で表される特性線図で構成され、操舵トルクTが“0”からその近傍の設定値T1までの間は操舵補助指令値IM *が“0”を維持し、操舵トルクTが設定値T1を超えると最初は操舵補助指令値IM *が操舵トルクTの増加に対して比較的緩やかに増加するが、さらに操舵トルクTが増加すると、その増加に対して操舵補助指令値IM *が急峻に増加するように設定され、この特性曲線が車速が増加するに従って傾きが小さくなるように設定されている。
また、d軸指令電流算出部34は、図5に示すように、操舵補助電流指令値演算部31から出力される操舵補助電流指令値IM *を3相ブラシレスモータ12へのベース角速度ωbに換算する換算部51と、操舵補助電流指令値IM *の絶対値|IM *|を算出する絶対値部52と、モータの電気角速度ωeとモータの磁極数Pとからモータの機械角速度ωm(=ωe/P)を算出する機械角算出部53と、ベース角速度ωbと機械角速度ωmとに基づいて進角φ=acos(ωb/ωm)を算出するacos算出部54と、進角φに基づいてsinφを求めるsin算出部55と、絶対値部52からの絶対値|IM *|とsin算出部55から出力されるsinφとを乗算して−1倍することによりd軸電流指令値Id*(=−|IM *|sinφ)を求める乗算器56とを備えている。
このように、d軸指令電流算出部34を構成することにより、d軸指令電流Id*は、
Id*=−|IM *|・sin(acos(ωb/ωm) …………(1)
となり、この(1)式のacos(ωb/ωm)の項に関し、モータの回転速度が高速でない場合、つまり3相ブラシレスモータ12の機械角速度ωmがベース角速度ωbより低速時の場合は、ωm<ωbとなるのでacos(ωb/ωm)=0となり、よってId*=0となる。しかし、高速回転時、つまり機械角速度ωmがベース角速度ωbより高速になると、電流指令値Id*の値が現れて、弱め界磁制御を始める。上記(1)式に表されるように、電流指令値Id*は3相ブラシレスモータ12の回転速度によって変化するため、高速度回転時の制御をつなぎ目なく円滑に行うことが可能であるという優れた効果がある。
また、別の効果としてモータ端子電圧の飽和の問題に関しても効果がある。モータの相電圧Vは、一般的に、
V=E+R・I+L(di/dt) …………(2)
で表される。ここで、Eは逆起電圧、Rは固定抵抗、Lはインダクタンスであり、逆起電圧Eはモータが高速回転になるほど大きくなり、バッテリー電圧などの電源電圧は固定であるから、モータの制御に利用できる電圧範囲が狭くなる。この電圧飽和に達する角速度がベース角速度ωbで、電圧飽和が生じるとPWM制御のデューティ比が100%に達し、それ以上は電流指令値に追従できなくなり、その結果トルクリップルが大きくなる。
しかし、上記(1)式で表される電流指令値Id*は極性が負であり、上記(2)式のL(di/dt)に関する電流指令値Id*の誘起電圧成分は、逆起電圧Eと極性が反対となる。よって、高速回転になるほど値が大きくなる逆起電圧Eを、電流指令値Id*によって誘起される電圧で減じる効果を示す。その結果、3相ブラシレスモータ12が高速回転になっても、電流指令値Id*の効果によってモータを制御できる電圧範囲が広くなる。つまり、電流指令値Id*の制御による弱め界磁制御によってモータの制御電圧は飽和せず、制御できる範囲が広くなり、モータの高速回転時にもトルクリップルが大きくなることを防止できる効果がある。
さらに、d−q軸電圧算出部35は、例えば図6に示すd−q軸電圧算出処理を実行してd軸電圧ed(θ)及びq軸電圧eq(θ)を算出する。
このd−q軸電圧算出処理は、先ず、ステップS1で、電気角θeを読込み、次いでステップS2に移行して、電気角θeをもとに図7に示すd−q軸電圧算出マップを参照してd軸電圧ed(θ)及びq軸電圧eq(θ)を算出し、次いでステップS3に移行して、算出したd軸電圧ed(θ)及びq軸電圧eq(θ)をq軸指令電流算出部36に出力してから前記ステップS1に戻る。ここで、d−q軸電圧算出マップは、図7に示すように、横軸に電気角θeをとり、縦軸に各相コイルが発生する誘起電圧波形を回転座標に変換したd軸電圧ed(θ)及びq軸電圧eq(θ)をとって構成され、3相ブラシレスモータ12が図8に示すように正常時の誘起電圧波形U相EMF、V相EMF及びW相EMFが夫々120度位相の異なる正弦波となる正弦波誘起電圧モータである場合には、図7に示すように、電気角θeには関係なくed(θ)及びq軸電圧eq(θ)が共に一定値となる。
さらにまた、q軸指令電流算出部36は、電気角速度ωe、d軸電圧ed(θ)、q軸電圧eq(θ)、d軸指令電流Id*及び操舵補助電流指令値IM *をもとに下記(3)の演算を行ってq軸指令電流Iq*を算出する。
Iq*=(Kt×IM *×ωe−ed(θ)×Id*)÷eq(θ) …………(3)
ここで、Ktはモータトルク定数である。
電流制御回路40は、ベクトル制御相指令値算出回路30から供給される電流指令値Iu*,Iv*,Iw*から電流検出回路22で検出した各相コイルLu、Lv、Lwに流れるモータ相電流検出値Iud、Ivd、Iwdを減算して各相電流偏差ΔIu、ΔIv、ΔIwを求める減算器41u、41v及び41wと、求めた各相電流偏差ΔIu、ΔIv、ΔIwに対して比例積分制御を行って指令電圧Vu、Vv、Vwを算出するPI制御部42と、算出された指令電圧Vu、Vv、Vwに基づいて後述するモータ駆動回路24の電界効果トランジスタQua〜Qwbに対応するパルス幅変調(PWM)信号PWMua〜PWMwbを形成するPWM制御部43とを備えている。
そして、PWM制御部43から出力されるパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbがFETゲート駆動回路25に供給される。
また、PWM制御部43は、車両における左右の従動輪の車輪速ψL及びψRを検出する車輪速センサ44L及び44Rの検出値が入力されると共に、バッテリ電圧を監視してモータ停止条件が成立するか否かを検出し、モータ停止条件が非成立の正常であるときには入力される指令電圧Vu、Vv及びVwに基づいてパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbを出力するが、モータ停止条件が成立したときに電磁ブレーキ制御を行うパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbを出力するPWM信号形成処理を実行する。
このPWM信号形成処理は、図9に示すように、先ず、ステップS11で、モータ停止条件が成立したかを判定する。この判定は、例えばバッテリ電圧を監視してこのバッテリ電圧の上昇、低下時などのように、モータを停止させる状況が発生したか否かを判定する。
そして、ステップS11の判定結果が、モータ停止条件が非成立である正常時には、ステップS12に移行して、入力される指令電圧Vu〜Vwに基づいてパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbを形成して、これらをFETゲート駆動回路25に出力してから前記ステップS11に戻り、ステップS13の判定で、モータ停止条件が成立したときには、ステップS13に移行する。
このステップS13では、左右の従動輪の車輪速ψL及びψRを読込み、次いでステップS14に移行して、車速センサ21で検出した車速Vsを読込み、次いでステップS15に移行して、車輪速ψL及びψRに基づいて下記(4)式の演算を行って操舵角θを算出する。
tanθ=K(ψL−ψR)/(ψL+ψR) …………(4)
ここで、Kは係数である。
次いで、ステップS16に移行して、操舵角θの絶対値が直進走行状態を表す所定値θs以下であるか否かを判定することにより、直進走行状態であるか否かを判定し、|θ|≦θsであって直進走行状態であるときには、ステップS17に移行して、パルス幅変調信号PWMua〜PWMwbの全てをoff状態即ちデューティ比“0”%に設定してから処理を終了し、|θ|>θsであって直進走行状態ではないときにはステップS18に移行する。
このステップS18では、車速Vsが零近傍の所定値Vss以下である停止状態であるか否かを判別し、その判別結果がVs≦VssであるときにはステップS19に移行して、RAM等に形成した走行状態記憶領域に停止状態を記憶してからステップS21に移行し、Vs>VssであるときにはステップS20に移行する。
このステップS20では、操舵角θが小旋回半径の旋回走行状態であるか大旋回半径の旋回走行状態であるかを判断する閾値θt以下であるか否かによって小半径旋回走行状態であるか大半径旋回走行状態であるかを判別し、その判別結果を前述した走行状態記憶領域に記憶し、次いでステップS21に移行して操舵トルクTを読込み、トルク“0”を表す中立値より高いか低いかによって操舵トルク方向Dtを決定し、これをRAM等に形成した操舵トルク方向記憶領域に記憶してからステップS22に移行する。
このステップS22では、電気角変換部32から電気角θeを読込み、この電気角θeをモータ極対数pで除してモータ角度θm(n)(=θe/p)を算出し、これを微分してモータ角速度ωmを算出し、このモータ角速度ωmをRAM等に形成したモータ角速度記憶領域に記憶し、次いでステップS23に移行して、モータ角度θm(n)と前回算出したモータ角度θm(n-1)と比較してモータ回転方向Dm(n)を決定して、これをRAM等に形成したモータ回転方向記憶領域に記憶してからステップS24に移行する。
このステップS24では、操舵トルク方向記憶領域に記憶されている操舵トルク方向Dtとモータ角速度記憶領域に記憶されているモータ角速度ωmの方向が一致しているか否かによって中立位置から離れる切り増し方向Daであるか中立位置に戻る切り戻し方向Drであるかを判別し、その判別結果をRAM等に形成した操舵方向記憶領域に記憶してからステップS25に移行する。
このステップS25では、操舵角θを微分して操舵角速度θvを算出し、これをRAM等に形成した操舵角速度記憶領域に記憶してからステップS26に移行する。
このステップS26では、操舵方向記憶領域に記憶された切り増し方向Daであるか切り戻し方向Drであるかを判定し、切り増し方向DaであるときにはステップS27に移行して、停止状態、小半径旋回走行状態、大半径旋回走行状態の何れかに基づいて図10(a)に示す切り増し用の電磁ブレーキ算出制御マップを参照して電磁ブレーキ力Bpを算出してからステップS29に移行する。ここで、切り増し用の電磁ブレーキ算出用マップは、図10(a)に示すように、横軸に操舵速度θvをとり、縦軸に電磁ブレーキ力Bpをとり、且つ停止状態、小半径旋回走行状態及び大半径旋回走行状態をパラメータとする特性曲線L11、L12及びL13が設定され、これら特性曲線L11、L12及びL13はその順に算出される電磁ブレーキ力Bpが小さくなり、且つ操舵速度θvが大きくなる程電磁ブレーキ力Bpが小さい値となるように設定されている。
一方、ステップS26の判定結果が、切り戻し方向Drであるときには、ステップS28に移行して、停止状態、小半径旋回走行状態、大半径旋回走行状態の何れかに基づいて図10(b)に示す切り戻し用の電磁ブレーキ算出制御マップを参照して電磁ブレーキ力Bpを算出してからステップS29に移行する。ここで、切り戻し方向用の電磁ブレーキ算出制御マップは、図10(b)に示すように、前述した切り増し用の電磁ブレーキ算出制御マップと同様に横軸に操舵速度θvをとり、縦軸に電磁ブレーキ力Bpをとり、且つ停止状態、大半径旋回走行状態及び小半径旋回走行状態をパラメータとする特性曲線L21、L22及びL23が設定され、これら特性曲線L21、L22及びL23はその順に算出される電磁ブレーキ力Bpが小さくなり、且つ操舵速度θvが大きくなる程電磁ブレーキ力Bpが小さい値となると共に、切り増し用の電磁ブレーキ力算出制御マップの特性曲線L11、L12及びL13の値より全体的に大きい値の電磁ブレーキ力Bpが算出されるように設定されている。
ステップS29では、算出された電磁ブレーキ力Bpに基づいてモータ駆動回路24を構成するインバータのローサイドトランジスタQub、Qvb及びQwbに供給するパルス幅変調信号PWMub、PWMvb及びPWMwbのデューティ比を決定し、決定したパルス幅変調信号PWMub、PWMvb及びPWMwbのデューティ比とデューティ比“0”%のパルス幅変調信号PWMua、PWMva及びPWMwaをFETゲート駆動回路25に出力してからステップS30に移行する。
このステップS30では、ステップS13に移行したときからの経過時間tが所定規定時間Ts以上となったか否かを判定し、t≧Tsであるときには所定時間が経過したものと判断してステップS31に移行してパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbの全てのデューティ比を“0”%に設定して、マニュアル操舵状態に復帰させてから処理を終了し、t<TsであるときにはステップS32に移行して、前述したステップS11と同様にモータ停止条件が成立するか否かを判定し、モータ停止条件が成立する場合には前記ステップS29に戻り、モータ停止条件が非成立である場合には前記ステップS12に移行する。
この図9の処理においてステップS11の処理がモータ停止状態検出手段に対応し、ステップS13〜ステップS32の処理が電磁ブレーキ制御手段に対応し、このうちステップS16及びS20の処理が走行状態検出手段に対応し、ステップS24の処理が操舵状態検出手段に対応し、ステップS25の処理が操舵速度検出手段に対応している。
モータ駆動回路24は、図2に示すように、各相コイルLu、Lv及びLwに対応して直列に接続されたNチャンネルMOSFETで構成されるスイッチング素子Qua,Qub、Qva,Qvb及びQwa,Qwbを並列に接続されたインバータ構成を有し、スイッチング素子Qua,Qubの接続点、Qva,Qvbの接続点及びQwa,Qwbの接続点が夫々相コイルLu、Lv及びLwの中性点Pnとは反対側に接続されている。
そして、モータ駆動回路24を構成する各スイッチング素子Qua,Qub、Qva,Qvb及びQwa,QwbのゲートにFETゲート駆動回路25から出力されるパルス幅変調信号PWMua,PWMub、PWMva,PWMvb及びPWMwa,PWMwbが供給されている。
次に、上記第1の実施形態の動作を説明する。
今、バッテリ電圧が正常範囲内であるときなどには、モータ停止判定が成立されることはなく、ステップS12に移行して、指令電圧Vu〜Vwに基づいてパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbのデューティ比を決定し、これらをFETゲート駆動回路25に出力することにより、モータ駆動回路24から出力されるモータ駆動電流Iu、Iv及びIwが3相ブラシレスモータ12の各相コイルLu、Lv及びLwに供給される。
この状態で、例えば車両の停止時に、ステアリングホイール1を操舵していない状態では、操舵トルクセンサ3で検出される操舵トルクTが“0”であるので、制御演算装置23の操舵補助電流指令値演算部31で算出される操舵補助電流指令値IM *も“0”となると共に、微分回路33から出力される電気角速度ωeも“0”となるので、d軸指令電流算出部34で算出されるd軸指令電流Id*も“0”となり、q軸指令電流算出部36で前記(3)式にしたがって算出されるq軸指令電流Iq*も“0”となることから、2相/3相変換部37から出力される相電流指令値Iu*、Iv*及びIw*も“0”となる。
このとき、3相ブラシレスモータ12も停止しているので、モータ電流検出回路22で検出されるモータ電流検出値Iud、Ivd及びIwdも“0”となることから、電流制御回路40の減算器41u、41v及び41wから出力される電流偏差ΔIu、ΔIv及びΔIwも“0”となり、PI制御部42から出力される電圧指令値Vu、Vv及びVwも“0”となって、FETゲート駆動回路26からモータ駆動回路24の電界効果トランジスタQua,Qub、Qva,Qvb及びQwa,Qwbのゲートに出力されるパルス幅変調信号のデューティ比が0%に制御され、3相ブラシレスモータ12の各相コイルLu、Lv及びLwに供給されるモータ電流Iu、Iv及びIwは“0”となり、3相ブラシレスモータ12は停止状態を維持する。
このステアリングホイール1の非操舵状態から、車両の停止時にステアリングホイール1を操舵して所謂据え切り状態とすると、これに応じて操舵トルクセンサ3で検出される操舵トルクTが大きな値となると共に、車速Vsが“0”であるので、図4の操舵補助電流指令値算出マップで一番急峻な特性曲線が選択されることにより、操舵トルクTの増加に応じて大きな値の操舵補助電流指令値IM *が算出されることになる。このため、d軸指令電流算出部34で算出されるd軸指令電流Id*が負方向に増加する。
このd−q軸電圧算出部35における図6の電圧算出処理で、図7に示すd−q軸電圧算出マップを参照してd軸電圧ed(θ)及びq軸電圧eq(θ)を算出する。
このとき、3相ブラシレスモータ12が停止しているので、電気角速度ωeは“0”の状態を継続するが、図7のd−q軸電圧算出マップでは電気角θeにかかわらずd軸電圧ed(θ)が“0”、q軸電圧eq(θ)が例えば3.0に維持され、これがq軸指令電流算出部36に供給されるので、このq軸指令電流算出部36で(3)式の演算を行ってq軸指令電流Iq*を算出する。
そして、算出されたd軸指令電流Id*及びq軸指令電流Iq*が2相/3相変換部37で三相分相処理が行われて、電流指令値Iu*、Iv*及びIw*が算出され、これらが電流制御回路40に供給される。
このため、電流制御回路40では、モータ電流検出回路22から入力されるモータ電流検出値Iud、Ivd及びIwdが“0”を維持しているので、減算器41u、41v及び41wから出力される電流偏差ΔIu、ΔIv及びΔIwが正方向に増加し、PI制御部42で電流偏差ΔIu、ΔIv及びΔIwにPI制御処理を行って指令電圧Vu、Vv及びVwを算出し、これらをPWM制御部43に供給することにより、パルス幅変調信号PWMua〜PWMwbのデューティ比が決定され、決定されたデューティ比のパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbをFETゲート駆動回路25に供給することにより、モータ駆動回路24の各電界効果トランジスタが制御されて、このモータ駆動回路24から図8に示す120度位相がずれたモータ相電流Iu、Iv及びIwを3相ブラシレスモータ12の相コイルLu、Lv及びLwに出力することにより、3相ブラシレスモータ12が回転駆動されて、ステアリングホイール1に入力される操舵トルクに応じた操舵補助力を発生し、これが減速ギヤ11を介してステアリングシャフト2に伝達されることにより、ステアリングホイール1を軽い操舵力で操舵することができる。
その後、車両が走行を開始すると、これに応じて操舵補助電流指令値演算部31で算出される操舵補助電流指令値IM *が低下することにより、d軸指令電流Id*及びq軸指令電流Iq*が減少して、2相/3相変換部37から出力されるモータ電流指令値Iu*、Iv*及びIw*が減少し、これに応じてモータ駆動電流Iu、Iv及びIwが減少して、3相ブラシレスモータ12で発生する操舵補助力が減少される。
このモータ停止判定が非成立な状態から例えばバッテリ電圧が上昇又は低下し、モータ停止判定が成立すると、図9のPWM信号形成処理において、ステップS11からステップS13に移行し、左右の従動輪の車輪側ψL及びψRに基づいて前記(4)式の演算を行って操舵角θを算出する。
このとき、車両が直進走行している状態では、操舵角θが略零であり、操舵角θの絶対値|θ|が所定値θs以下となるので、ステップS16からステップS17に移行して、パルス幅変調信号PWMua〜PWMwbのデューティ比を“0”%に設定して、これらをFETゲート駆動回路25に出力することにより、モータ駆動回路24から出力されるモータ電流Iu〜Iwを零として3相ブラシレスモータ12を直ちに停止させる。
この直進走行状態では、操舵トルクセンサ3で検出される操舵トルクTが略零であり、操舵補助電流指令値IM *が“0”となって元々モータ電流Iu〜Iwが略零であるので、タイヤに捩れが発生しておらず、キックバックを生じないので、3相ブラシレスモータ12を直ちに停止させる。
ところが、車両が停止状態、旋回走行状態であるときには、操舵トルクセンサ3で検出される操舵トルクTが比較的大きな値となり、操舵補助電流指令値IM *が比較的大きな値となることから、モータ駆動回路24から出力されるモータ電流Iu〜Iwが比較的大きな値となって、3相ブラシレスモータ12で比較的大きな操舵補助力を発生し、この操舵補助力を減速ギヤ11を介してステアリングシャフト2に伝達しているので、タイヤが捩じれた状態となっている。
このため、3相ブラシレスモータ12を直ちに停止させた場合に、タイヤの捩じれ力が解放されることにより、ステアリングホイール1に切り増し方向であるときには逆方向の、切り戻し方向であるときには同一方向の回転力として伝達される所謂キックバック現象が生じる。
特に、車両が停止状態でステアリングホイール1を操舵する所謂据え切り状態では、操舵トルクが大きくなるので、キックバック量も大きくなる傾向にある。
このため、図9のパルス幅変調信号形成処理では、車両が停止状態であるときには、ステップ18からステップS19に移行して、RAM等に形成された走行状態記憶領域に、停止状態が記憶されると共に、操舵トルク方向Dtとモータ角速度ωmの方向とが一致しているか否かによって切り増し方向Daであるか切り戻し方向Drであるかが判別され、その判別結果が操舵方向記憶領域に記憶される。
そして、切り増し方向Daであるときには、ステップS26からステップS27に移行して操舵速度θvをもとに図10(a)に示す切り増し用電磁ブレーキ力算出マップを参照して、電磁ブレーキ力Bpを算出する。
このとき、操舵速度θvが遅いときには、電磁ブレーキ力Bpが大きな値となるが、操舵速度θbvが速くなるにつれて電磁ブレーキ力Bpが小さい値となる。
そして、モータ駆動回路24のローサイド側トランジスタQub、Qvb及びQwbのデューティ比が算出された電磁ブレーキ力Bpに応じて決定されるので、操舵速度θvが遅いときにはパルス幅変調信号PWMub、PWMvb及びPWMwbのデューティ比が100%に近くなり、操舵速度θvが速いときにはデューティ比が0%に近くなる。一方、ハイサイド側トランジスタQua、Qva及びQwaに対するパルス幅変調信号PWMua、PWMva及びPWMwaのデューティ比は0%に設定される。
このように、操舵速度θvが遅い領域では、大きな電磁ブレーキ力Bpが発生されることにより、キックバックによる回転力の発生を確実に防止して操舵感覚を向上させることができる。逆に、操舵速度θvが速い領域では、小さな電磁ブレーキ力Bpが発生されることにより、急操舵を行う場合の引っ掛かり感を抑制して操舵感覚を向上させることができる。
また、ステアリングホイール1の操舵方向が直進状態の中立位置に向かう切り戻し方向Drであるときには、ステップS26からステップS28に移行して、操舵速度θvをもとに図10(b)に示す切り戻し用の電磁ブレーキ力算出マップを参照して電磁ブレーキ力Bpが算出されるので、算出される電磁ブレーキ力Bpは、上述した切り増し方向における電磁ブレーキ力Bpより大きい値となり、ステアリングホイール1を緩やかに中立位置に戻すことができる。
また、車両が曲率の小さい比較的鋭角なコーナーを旋回走行する小旋回半径走行状態では、操舵トルクセンサ3で検出される操舵トルクTが停車時に比較して同等か小さくなることにより、操舵速度θvをもとに図10(a)及び(b)電磁ブレーキ力算出マップを参照して算出した電磁ブレーキ力Bpは、切り増し方向Da及び切り戻し方向Drの双方において、停車時に比較して同等か小さい値となり、小旋回半径旋回走行状態に発生するキックバックを防止する最適な電磁ブレーキ力Bpを発生することができる。
さらに、車両が曲率の大きい比較的緩やかなコーナーを旋回走行する大旋回半径旋回走行状態では、操舵トルクセンサ3で検出される操舵トルクTが小旋回半径旋回走行状態に比較して小さくなることにより、操舵速度θvをもとに図10(a)及び(b)電磁ブレーキ力算出マップを参照して算出した電磁ブレーキ力Bpは、切り増し方向Da及び切り戻し方向Drの双方において、小半径旋回走行状態に比較して小さい値となり、大旋回半径旋回走行状態に発生するキックバックを防止する最適な電磁ブレーキ力Bpを発生することができる。
そして、電磁ブレーキ制御状態の経過時間tが所定時間Ts以上となると、ステップS30からステップS31に移行し、全てのパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbのデューティ比を0%に設定してFETゲート駆動回路25に出力することにより、3相ブラシレスモータ12を停止させてマニュアル操舵状態とする。また、電磁ブレーキ制御状態で、モータ停止条件が非成立となる正常状態に復帰すると、ステップS32からステップS12に移行して、指令電圧Vu〜Vwに基づいてパルス幅変調信号PWMua〜PWMwbのデューティ比を決定してFETゲート駆動回路25に出力する状態に復帰する。
このように、上記実施形態によると、車両の走行状態即ち直進走行状態、停止状態、大旋回半径旋回走行状態及び旋回半径旋回走行状態に応じて発生させる電磁ブレーキ力Bpを最適に制御して、キックバックを防止して良好な操舵感覚を得ることができる。
なお、上記第1の実施形態においては、補償後d軸電流指令値id′及び補償後q軸電流指令値iq′を2相/3相変換部37で3相目標電流Iu*、Iv*及びIw*に変換してから電流制御回路40に供給する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図12に示すように、2相/3相変換部37を省略し、これに代えて電流検出回路22で検出したモータ電流Idu、Idv及びIdwを3相/2相変換部60に供給してd軸検出電流及びq軸検出電流に変換し、変換したd軸検出電流及びq軸検出電流と、ベクトル制御相指令値算出回路30で算出したd軸電流指令値id及びq軸電流指令値iqとの偏差を減算器61d及び61qで算出した後、偏差をPI制御部62でPI制御した後2相/3相変換部63で2相/3相変換して相制御電圧を算出し、これをPWM制御部64に供給するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、電動モータとして3相ブラシレスモータ12を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、4相以上のブラシレスモータを適用することもできる。
さらに、上記実施形態においては、電動モータとしてブラシレスモータを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ブラシ付の直流モータを適用することもでき、この場合には、モータ駆動回路24として、図13に示すように、夫々2つの電界効果トランジスタQ1,Q2及びQ3,Q4を夫々直列に接続した直列回路を並列に接続し、トランジスタQ1及びQ2の接続点及びトランジスタQ3及びQ4の接続点間にブラシ付き直流モータ65を接続するHブリッジ構成とし、電磁ブレーキ制御時には、ハイサイド側のトランジスタQ1及びQ3をオフ状態とし、ローサイド側のトランジスタQ2及びQ4を操舵速度θvをもとに前述した図10(a)及び(b)に対応する電磁ブレーキ力算出マップを参照して算出した電磁ブレーキ力Bpに応じたデューティ比のパルス幅変調信号PWM2及びPWM4で駆動することにより、誘起電圧によるブレーキ電流を流して電磁ブレーキ制御を行うこともできる。
さらにまた、上記実施形態においては、左右の従動輪の車輪速ψL及びψRに基づいて前記(4)式の演算を行って操舵角θを算出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ステアリングホイール1の操舵角を操舵角センサで検出するようにしてもよい。
なおさらに、上記実施形態では、操舵速度θvを操舵角θを微分して算出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、モータ位置検出装置13の検出値から操舵速度θvを算出したり、モータ各相電流及びモータ各相電圧から求めた逆起電圧推定値から操舵速度θvを算出するようにしたりしてもよい。
また、上記実施形態では、電磁ブレーキ力Bpに応じてパルス幅変調信号PWMub〜PWMwbのデューティ比を変更する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図15に示すように、PWM制御部43から出力するデューティ比を所定値に固定しておき、パルス幅変調信号PWMub〜PWMwbの出力時間をオン・オフ制御信号によって調整する調整回路70を設けることにより、電磁ブレーキ力Bpを調整するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態における電磁ブレーキ制御の一形態としては、例えば3相ブラシレスモータ12が時計方向に回転する場合には、図14に示すように、U相についてはU相誘起電圧が正となる電気角0〜180度の範囲でのみ算出されたデューティ比のパルス幅変調信号PWMubを電界効果トランジスタQubに供給し、V相についてはV相誘起電圧が正となる電気角120〜300度の範囲でのみ算出されたデューティ比のパルス幅変調信号PWMvbを電界効果トランジスタQvbに供給し、W相についてはW相誘起電圧が正となる電気角240〜420度の範囲でのみ算出されたデューティ比のパルス幅変調信号PWMwbを電界効果トランジスタQwbに供給することにより、時計方向回転時のトルクを発生する電流とは逆方向の時計方向回転時に誘起電圧によるブレーキ電流を供給して電磁ブレーキ力Bpを発生させるようにしてもよい。
同様に、3相ブラシレスモータ12が反時計方向回転する場合には、U相についてはU相誘起電圧が正となる電気角180〜360度の範囲でのみ算出されたデューティ比のパルス幅変調信号PWMubを電界効果トランジスタQubに供給し、V相についてはV相誘起電圧が正となる電気角−60〜120度の範囲でのみ算出されたデューティ比のパルス幅変調信号PWMvbを電界効果トランジスタQvbに供給し、W相についてはW相誘起電圧が正となる電気角60〜240度の範囲でのみ算出されたデューティ比のパルス幅変調信号PWMwbを電界効果トランジスタQwbに供給することにより、反時計方向回転時のトルクを発生する電流とは逆方向の時計方向回転時に誘起電圧によるブレーキ電流を供給して電磁ブレーキ力Bpを発生させる。
さらにまた、上記実施形態では、図10(a)及び(b)の電磁ブレーキ力算出マップを適用した場合について説明したが、これら電磁ブレーキ力算出マップの特性曲線L11〜L13,L21〜L23の特性は一例であって、各車両の特性に合わせて個別に設定するのが好ましい。
なおさらに、上記実施形態では、操舵方向が切り増し方向であるか切り戻し方向であるかの判別を、操舵トルク方向Dtとモータ角速度ωmの方向とが一致するか否かによって判別する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、モータ回転方向Dmと操舵角θとに基づいて中立位置から離れる切り増し方向か近づく切り戻し方向かを判別するようにしてもよい。
また、制御演算装置23としては、図3の構成に限定されるものではなく、任意の演算処理装置を適用することができる。
産業上の利用の可能性
電動モータで操舵系に対して操舵補助力を発生している最中に、電動モータを停止させるときに、車両の走行状態及び操舵系の操舵状態の少なくもと一方を検出し、検出した走行状態及び操舵状態の少なくとも一方に基づいてキックバックを抑制するように電動モータを電磁ブレーキ制御するので、走行状態及び操舵状態の少なくとも一方に基づいて最適な電磁ブレーキ力を発生させて、良好な操舵感覚を得ることができるという電動パワーステアリング装置を得ることができる。

Claims (6)

  1. 操舵系に伝達される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータと、少なくとも前記操舵トルクに基づいて前記電動モータを制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
    前記モータ制御手段による前記電動モータの制御中に、バッテリ電圧を監視してモータを停止させるべき状況が発生するモータ停止条件の成立を検出するモータ停止状態検出手段と、該モータ停止状態検出手段の検出結果が前記電動モータを停止させるべきモータ停止条件が成立したときに、前記操舵系の操舵状態及び車両の走行状態の少なくとも一方に基づいてキックバックを抑制するように前記電動モータの電磁ブレーキ力を演算し、演算した電磁ブレーキ力を発生するように当該電動モータの電流を制御する電磁ブレーキ制御を行う電磁ブレーキ制御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. 前記電磁ブレーキ制御手段は、車両が直進走行状態であるか旋回走行状態であるかを検出する走行状態検出手段を有し、該走行状態検出手段の検出結果が直進走行状態であるときには前記電磁ブレーキ力の発生を停止し、旋回走行状態であるときに、電磁ブレーキ力を発生させるように構成した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. 前記電磁ブレーキ制御手段は、前記操舵系が切り増し状態及び切り戻し状態の何れの操舵状態であるかを検出する操舵状態検出手段を有し、該操舵状態検出手段で検出した操舵状態が切り戻し状態であるときに制動力の大きな電磁ブレーキ力となる電磁ブレーキ制御を行い、切り増し状態であるときは、前記切り戻し状態であるときに比較して制動力の小さな電磁ブレーキ力となる電磁ブレーキを行うように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電動パワーステアリング装置。
  4. 前記電磁ブレーキ制御手段は、前記操舵系の操舵速度を検出する操舵速度検出手段を有し、該操舵速度検出手段で検出した操舵速度が速くなるにつれて電磁ブレーキ力を弱めるように制御するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
  5. 前記電磁ブレーキ制御手段は、車両の旋回半径を検出する旋回半径検出手段を有し、該旋回半径検出手段の検出結果が、旋回半径が小さい場合に旋回半径が大きい場合に比較して大きな電磁ブレーキ力を発生させる制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
  6. 前記電磁ブレーキ制御手段は、電磁ブレーキ制御を、所定時間経過した時又は前記モータ停止検出手段の検出結果が、前記電動モータを停止させない状態となった時に電磁ブレーキ制御を解除するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
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