JP4715919B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
tanθ=K(ψL−ψR)/(ψL+ψR) …………(4)
ここで、Kは係数である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (6)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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