JP4968351B2

JP4968351B2 - 電動パワーステアリング制御装置

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Publication number: JP4968351B2
Application number: JP2010034549A
Authority: JP
Inventors: 正章北條
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: JP2010116159A

Description

本発明は、自動車等車両の操舵系に対して、モータによる操舵補助力を付与する電動パワーステアリング制御装置に関する。

自動車等車両の操舵アシスト装置として、モータの回転力を利用した電動パワーステアリング装置が広く利用されている。また、近年、保守管理の面などから、モータとしては三相ブラシレスＤＣモータが用いられるようになった。

ここで、図１２は、一般的な電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。同図において、電動パワーステアリング装置は、ハンドル４１に直結する軸４２の操舵トルクを検出するトルクセンサ４３と、車両の走行速度を検出する車速センサ４４と、これら各センサの検出信号に基づいて操舵アシスト力を演算する電動パワーステアリング制御装置（以下、ＥＣＵという）４５と、ＥＣＵ４５から出力される信号に基づいて回転トルクを発生するモータ４６と、発生した回転トルクをステアリング機構に伝える減速ギア４７と、イグニションキー４８をオンにすることによってＥＣＵ４５に電流を供給するバッテリ電源４９と、ハンドル４１の回転運動を車輪に伝えるユニバーサルジョイント５０ａ、５０ｂと、ラック＆ピニオン機構５１及びタイロッド５２を備えて構成されている。

図１３は、ＥＣＵ４５の概略構成を示すブロック図である。ＥＣＵ４５は、ＣＰＵ及びメモリから成るマイクロプロセッサ（以下、ＭＰＵという）４５１、モータ駆動回路４５２及びモータ電流検出回路４５３から構成され、ＭＰＵ４５１の内部メモリに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、トルクセンサ４３で検出された操舵トルク信号Ｔ、車速センサ４４で検出された車速信号Ｖに基づいてモータ４６を駆動制御するためのモータ制御信号Ｅを生成する。

このモータ制御信号Ｅはモータ駆動回路４５２に供給され、モータ４６の駆動電流（相電流）を生成する。そして、この相電流はモータ電流検出回路４５３で検出電流ｉとして検出され、ＭＰＵ４５１にフィードバックされる。

そして、モータ駆動回路４５２は、Ｈブリッジ回路を構成する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、ＦＥＴのゲートを駆動するＦＥＴゲート駆動回路等から構成され、ＭＰＵ４５１から供給されるモータ制御信号Ｅに基づいて決定されるデューティ比のＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってモータ４６に相電流を供給し、モータ４６を回転させる。また、この相電流の指令値算出にあたっては、ベクトル制御などが用いられることなどが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１８８２２号公報

しかしながら、上述した従来の電動パワーステアリング制御装置では、モータ４６の相電流がゼロクロス時、アームショート防止のデッドタイムの影響により急激な電流変動が発生する。このため、モータコイルに不連続なトルク変化が伴うため、モータヨークが振動し、さらにはモータヨークで自身の固有振動周波数の振動が発生することにより、異音が発生するという虞があり、改善の余地があった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータ相電流のゼロクロス時においても、モータから異音が発生することのない電動パワーステアリング制御装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る電動パワーステアリング制御装置は、下記（１）〜（３）を特徴としている。

（１）車両の操舵系に操舵補助力を付与するモータと、検出した操舵トルクに基づいて電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、前記電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御するためのモータ制御信号を生成する電流制御手段と、前記モータ制御信号によって前記モータを駆動するモータ駆動手段と、前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段を備える電動パワーステアリング制御装置において、前記モータに流れる電流のゼロクロスを判定するゼロクロス判定手段と、前記モータ駆動手段のデッドタイムを補償するためのデッドタイム補償量を生成するデッドタイム補償手段と、前記モータ制御信号と前記デッドタイム補償量を加算する加算器と、を備え、前記デッドタイム補償手段は、前記ゼロクロス判定手段によって前記ゼロクロスが判定された際に、所定の時間遅延をした後、所定の電圧値、及び所定のパルス幅を有するデッドタイム補償信号を加算してデッドタイム補償量を生成し、前記モータ駆動手段は、前記加算器の出力によって前記モータを駆動すること。

（２）上記（１）項に記載した電動パワーステアリング制御装置であって、前記ゼロクロス判定手段は、前記モータ電流検出手段によって検出した電流に基づいて前記ゼロクロスを判定すること。

（３）上記（１）項に記載した電動パワーステアリング制御装置であって、さらに、前記電流指令値と前記モータに流れる電流との間の予め定めた関係を含んで、前記電流指令値から前記モータに流れる電流を推定して出力する電流制御モデルを備え、前記ゼロクロス判定手段は、前記電流制御モデルの出力に基づいて前記ゼロクロスを判定すること。

本発明によれば、モータ相電流のゼロクロス時においても、モータコイルの振動を抑制して、モータから異音が発生することを防止することのできる電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置における電圧パルス指令値発生部の概略構成を示すブロック図である。モータ制御信号に重畳する電圧パルス信号を示す図である。本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置における極性判定部の機能を説明するためのフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置におけるゼロクロス判定部の機能を説明するためのフローチャートである。本発明の実施形態に係る電動パワーステアリングの制御装置によって駆動されるモータから発生する作動音の周波数分布を示す図である。本発明の第２実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置における電圧パルス指令値発生部の概略構成を示すブロック図である。本発明の第３実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第３実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置におけるデッドタイム補償部の概略構成を示すブロック図である。（ａ）は、従来のデッドタイム補償信号を示す図である。（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置のデッドタイム補償信号を示す図である。一般的な電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。従来のＥＣＵの概略構成を示すブロック図である。

次に、本発明に係る電動パワーステアリング制御装置の実施形態について複数列挙して、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
以下、本発明の電動パワーステアリング制御装置に係る第１実施形態について、図１〜６を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置の概略構成を示すブロック図である。

図１において、電動パワーステアリング制御装置１は、トルクセンサで検出された操舵トルク信号に基づいてモータ１０を駆動する電流の制御目標値である、電流指令値Ｉを演算する電流指令値演算部１１、電流指令値Ｉと後述するモータ相電流検出回路１７で検出した検出電流ｉとの偏差電流ΔＩを算出する減算器１２、偏差電流ΔＩがゼロとなるようなモータ制御信号を算出する電流制御部１３、モータ相電流のゼロクロスが判定された際に、後述する電圧パルス指令値を発生する電圧パルス指令値発生部１４、モータ制御信号に電圧パルス指令値を重畳する加算器１５、電圧パルス指令値が加算されたモータ制御信号に基づいてモータ１０に供給する三相電流を生成するモータ駆動回路１６、モータ１０に流れる相電流を検出電流ｉとして検出するモータ相電流検出回路１７を備えている。

このように構成された電動パワーステアリング制御装置１では、電流指令値Ｉと検出電流ｉとの偏差電流ΔＩがゼロとなるようにフィードバック制御を行うことにより、操舵アシスト制御が実現される。
なお、本実施形態では、モータ１０として三相ブラシレスＤＣモータを用い、またこのモータ１０のモータ制御信号生成に係る制御方法としては、例えば周知のベクトル制御など種々のものが適宜採用できる。

図２は、上述した電動パワーステアリング制御装置１における電圧パルス指令値発生部１４の概略構成を示すブロック図である。

図２において、電圧パルス指令値発生部１４は、検出電流ｉに基づいて後述する電圧パルス信号の極性を判定する極性判定部１４１、検出電流ｉに基づいてモータ相電流のゼロクロスを判定するゼロクロス判定部１４２、検出電流ｉに基づいて電圧パルス信号のレベル及びパルス幅等の印加量を算出する印加量算出部１４３、ゼロクロスを基準にした電圧パルス信号の発生タイミングを生成するタイミング生成部１４４、生成したタイミングに基づいて電圧パルス信号を発生する電圧パルス信号発生部１４５、電圧パルス信号とその極性、及び電圧パルスの印加量を乗算して電圧パルス指令値を出力する乗算器１４６を備えている。

図３は、電圧パルス信号発生部１４５によって発生される電圧パルス信号を示す図である。同図に示すように、電圧パルス信号は、モータ相電流のゼロクロスが判定された時点Ｏを基準として時間ｔが経過した時点で立ち上がり、かつパルス幅ｗ及び電圧ｖを有するパルス信号である。
なお、これらｔ、ｗ及びｖの具体的な数値は、それぞれモータ相電流検出回路１７から入力される検出電流に応じて適宜決定されるか、あるいは前もって実験でパラメータ調整した上で予め設定されるようにしてもよい。

ここで、極性判定部１４１及びゼロクロス判定部１４２の機能について説明する。図４及び図５は、それぞれ極性判定部１４１及びゼロクロス判定部１４２の各機能を説明するためのフローチャートである。

図４において、極性判定部１４１は、モータ相電流検出回路１７から入力される検出電流ｉが、予め設定された所定の閾値を超えているか否かを判定する（即ち、Ｓ１０１）。その結果、閾値を超えていると判定した場合は、モータ制御信号に重畳すべき電圧パルスの極性を正と判定してその極性（＋１）を出力し（即ち、Ｓ１０２）、処理を終了する。なお、前記閾値は、適宜外部から変更可能なように構成されてもよい。

一方、上記Ｓ１０１における判定の結果、検出電流ｉが前記閾値を超えていない場合は、モータ制御信号に重畳すべき電圧パルスの極性を負と判定してその極性（−１）を出力し（即ち、Ｓ１０３）、処理を終了する。

図５において、ゼロクロス判定部１４２は、モータ相電流検出回路１７から入力される検出電流ｉの符号が前回の入力値の符号と等しいか否かを判定する（即ち、Ｓ２０１）。その結果、等しいと判定した場合は、ゼロクロスがないと判定し（即ち、Ｓ２０２）、その後前回の入力値の符号を今回の入力値の符号で更新して（即ち、Ｓ２０４）、処理を終了する。

一方、上記Ｓ２０１における判定の結果、検出電流ｉの符合が前回の入力値の符号と異なる場合は、ゼロクロスがあったと判定し（即ち、Ｓ２０３）、その後前回の入力値の符号を今回の入力値の符号で更新して（即ち、Ｓ２０４）、処理を終了する。
この一連の処理により、ゼロクロス判定部１４２はその判定結果をタイミング生成部１４４に出力する。そして、タイミング生成部１４４はこの判定結果に基づき、ゼロクロスの判定時点を基準にした電圧パルス信号の発生タイミングを生成することができる。

図６は、本実施形態の電動パワーステアリング制御装置によって駆動されるモータ１０から発生する作動音の周波数分布を示す図である。同図において、破線で示すモータヨークの固有振動数に起因する高いレベルの作動音が、実線で示す本実施形態においては、激減していることがわかる。

以上説明したように、このように構成された第１実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、検出したモータ相電流から判定したモータ相電流のゼロクロスから所定の時間経過したタイミングで、所定の電圧レベル及びパルス幅を有する電圧パルス信号を発生させ、これを電圧パルス指令値としてモータ制御信号に重畳しモータを駆動することにより、モータコイルの振動を抑制することが可能となり、モータヨークから異音が発生することを防止できる。

（第２実施形態）
以下、本発明の電動パワーステアリング制御装置に係る第２実施形態について、図７、８を参照して説明する。

図７は、本発明の第２実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置の概略構成を示すブロック図である。
なお、図１に示した第１実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置と同じ構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。

図７において、電動パワーステアリング制御装置２は、電流指令値演算部１１、減算器１２、電流制御部１３、電流指令値Ｉによりモータ相電流を推定してゼロクロスなどの判定を行い、この判定結果に基づいて所定の電圧パルス指令値を発生する電圧パルス指令値発生部２４、加算器１５、モータ駆動回路１６、モータ相電流検出回路１７から構成されている。

このように構成された電動パワーステアリング制御装置２では、電流指令値Ｉと検出電流ｉとの偏差電流ΔＩがゼロとなるようにフィードバック制御を行うことにより、操舵アシスト制御が実現される。

図８は、上述した電動パワーステアリング制御装置２における電圧パルス指令値発生部２４の概略構成を示すブロック図である。なお、図２に示した第１実施形態に係る電圧パルス指令値発生部１４と同じ構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。

図８において、電圧パルス指令値発生部２４は、電流指令値Ｉとモータ相電流との間の予め定めた関係、例えば１次遅れ系のモデル（伝達関数）を含む電流制御モデル部２４０、電流制御モデル部２４０で推定されたモータ相電流に基づいて制御信号に加算する電圧パルス信号の極性を決定する極性判定部２４１、電流制御モデル部２４０で推定されたモータ相電流に基づいてゼロクロスを判定するゼロクロス判定部２４２、電流制御モデル部２４０で推定されたモータ相電流に基づいてモータ制御信号に重畳する電圧パルスのレベル及びパルス幅を算出する印加量算出部２４３、タイミング生成部１４４、電圧パルス信号発生部１４５、加算器１４６から構成されている。

即ち、電流制御モデル部２４０では、電流指令値Ｉを一次遅れ系の伝達関数を用いて変換して、モータ１０の検出電流ｉと略等価な値を推定し、その推定結果を極性判定部２４１とゼロクロス判定部２４２と印加量算出部２４３とにそれぞれ出力している。

したがって、本実施形態の電動パワーステアリング制御装置２によれば、前述した第１実施形態と同じ作用効果を奏するが、特に電流制御モデル部２４０で相電流を推定するので、検出電流ｉを直接用いるものに比べ検出ノイズの影響を回避でき、またモータ相電流検出回路の遅れの影響を考慮する必要がない。したがって、前述した第１実施形態よりも、より確実にモータからの異音発生を抑制することができる。

（第３実施形態）
以下、本発明の電動パワーステアリング制御装置に係る第３実施形態について、図９〜１１を参照して説明する。

図９は、本発明の第３実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図１、７に示した第１及び第２実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置と同じ構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。

図９において、電動パワーステアリング制御装置３は、電流指令値演算部１１、減算器１２、電流制御部１３、電流指令値Ｉに基づいてモータ相電流のデッドタイム補償量を生成するデッドタイム補償部３４、加算器１５、モータ駆動回路１６、モータ相電流検出回路１７から構成されている。

このように構成された電動パワーステアリング制御装置３では、電流指令値Ｉと検出電流ｉとの偏差電流ΔＩがゼロとなるようにフィードバック制御が行われることにより、操舵アシスト制御が実現される。

図１０は、上述した電動パワーステアリング制御装置３におけるデッドタイム補償部３４の概略構成を示すブロック図である。なお、図２、８に示した第１及び第２実施形態に係る電圧パルス指令値発生部１４、２４と同じ構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。

図１０において、デッドタイム補償部３４は、電流制御モデル部２４０、極性判定部２４１、ゼロクロス判定部２４２、電流制御モデル部２４０で推定されたモータの相電流に基づいてデッドタイム補償量を算出するデッドタイム補償量算出部３４３、判定したゼロクロスを基準にしてデッドタイム補償信号を発生するデッドタイム補償信号発生部３４５、デッドタイム補償信号と補償量、及び極性を乗算する乗算器１４６、乗算器１４６の各相の出力を平均化して電流制御部１３の出力に付与する平均化部３４７から構成されている。
なお、平均化部３４７は、各相のデッドタイム補償量のバランスをとってモータ１０の各相電流を安定化させるために、乗算器１４５の各相出力を平均化させる。

図１１（ａ）は、従来のデッドタイム補償信号の例を示す図である。これに対して、図１１（ｂ）は、デッドタイム補償信号発生部３４５によって発生される本実施形態のデッドタイム補償信号を示す図である。従来のデットタイム補償信号は単にステップ形状を有しているのみであるが、本実施形態におけるデッドタイム補償信号は、図１１（ｂ）図に示すように、モータ相電流のゼロクロスが判定された時を基準として、時間ｔが経過した時点で立ち上がり、パルス幅ｗ及び電圧ｖを有するパルス信号が従来のデッドタイム補償信号に対して重畳されている。なお、これらｔ、ｗ及びｖの具体的な数値は、それぞれモータ相電流検出回路１７から入力される検出電流に応じて適宜決定されるか、あるいは前もって実験でパラメータ調整した上で予め設定されるようにしてもよい。

本実施形態の電動パワーステアリング制御装置３は、前述した第１及び第２実施形態における電動パワーステアリング制御装置１及び２と同様、図６に示す通り、モータヨークの固有振動数に起因する作動音発生を抑制させることができる。

以上説明したように、このような第３実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、電流制御モデルによってモータ相電流を推定し、この推定したモータ相電流から判定したモータ相電流のゼロクロスから所定の時間経過したタイミングで、かつ所定の電圧レベル及びパルス幅を有して生成した電圧パルス信号をもつデッドタイム補償信号を発生させ、これをデッドタイム補償量としてモータ制御信号に重畳することにより、モータコイル及びモータヨークの振動を抑制することが可能となり、異音の発生を防止することができる。

このように、本発明は、モータ相電流のゼロクロス時においても、モータから異音が発生することのない電動パワーステアリング制御装置を提供できる効果を奏し、特に自動車等車両の電動パワーステアリング装置に適している。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の様態はこれら実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、本実施形態では処理の大部分をソフトウエアにて行っているが、その一部またはすべてをＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）などのハードウエアで実現してもよい。

また、本発明は電動パワーステアリング装置のいずれの形式（コラムタイプ、ピニオンタイプ、ラックタイプ）においても適用可能である。

さらに、実施形態では、三相ブラシレスＤＣモータを例示して説明したが、これに限定されるものではなく、単相はもちろんのこと、例えば同期モータなどの種々の複数の相を有するモータに適用することができる。

１，２，３電動パワーステアリング制御装置
１０モータ
１１電流指令値演算部
１３電流制御部
１４，２４電圧パルス指令値発生部
１６モータ駆動回路
１７モータ相電流検出回路
３４デッドタイム補償部
１４１，２４１極性判定部
１４２，２４２ゼロクロス判定部
１４４タイミング生成部
１４５電圧パルス信号発生部
２４０電流制御モデル部
３４３デッドタイム補償量算出部
３４５デッドタイム補償信号発生部

Claims

車両の操舵系に操舵補助力を付与するモータと、検出した操舵トルクに基づいて電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、前記電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御するためのモータ制御信号を生成する電流制御手段と、前記モータ制御信号によって前記モータを駆動するモータ駆動手段と、前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段を備える電動パワーステアリング制御装置において、
前記モータに流れる電流のゼロクロスを判定するゼロクロス判定手段と、
前記モータ駆動手段のデッドタイムを補償するためのデッドタイム補償量を生成するデッドタイム補償手段と、
前記モータ制御信号と前記デッドタイム補償量を加算する加算器と、
を備え、
前記デッドタイム補償手段は、
前記ゼロクロス判定手段によって前記ゼロクロスが判定された際に、所定の時間遅延をした後、所定の電圧値、及び所定のパルス幅を有するデッドタイム補償信号を加算してデッドタイム補償量を生成し、
前記モータ駆動手段は、
前記加算器の出力によって前記モータを駆動することを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
前記ゼロクロス判定手段は、
前記モータ電流検出手段によって検出した電流に基づいて前記ゼロクロスを判定する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制御装置。
さらに、前記電流指令値と前記モータに流れる電流との間の予め定めた関係を含んで、前記電流指令値から前記モータに流れる電流を推定して出力する電流制御モデルを備え、
前記ゼロクロス判定手段は、
前記電流制御モデルの出力に基づいて前記ゼロクロスを判定する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制御装置。