JP4969188B2 - 電動パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される電動パワーステアリング制御装置に関し、特に、モータ出力を向上させるための弱め界磁制御の技術に関するものである。

電動パワーステアリング装置は、運転者が車両のステアリングホイールを操舵する際に、電動式モータによってアシスト力（操舵補助力）を与えるものである。図１１は、電動パワーステアリング装置の一例を示すシステム構成図である。図において、１４はアシスト力を発生させる電動式のモータであって、例えばブラシレスモータが用いられる。１３はモータ１４に流れる電流を検出する電流センサ、１５はモータ１４の回転角を検出する角度センサである。２０は車両の運転席に設けられているステアリングホイール（以下、「ハンドル」という。）、２１はハンドル２０に一端が連結されたシャフト、２２は操舵時にシャフト２１に加わるトルクを検出するトルクセンサ、２３はシャフト２１の他端に連結されたギヤ機構である。２５はハンドル２０の操舵力およびモータ１４のアシスト力をギヤ機構２３を介して車輪２６へ伝達する伝達機構である。２８は車両の走行速度を検出する車速センサである。２９はモータ１４を駆動するための電源電圧を供給するバッテリ、３０はバッテリ２９の電圧を昇圧する昇圧回路、３１はモータ１４の制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）からなるコントローラである。

ハンドル２０が操舵されると、操舵によりシャフト２１に発生したトルクがトルクセンサ２２により検出され、このトルク値と、車速センサ２８によって検出された車速値とに基づいて、モータ１４に流すべき電流の指令値がコントローラ３１で算出される。そして、この電流指令値に基づいて、コントローラ３１に内蔵されているモータ駆動回路からモータ１４に電流が供給され、モータ１４が回転してハンドル２０の操舵に対するアシスト力が発生する。モータ１４に流れる電流は電流センサ１３で検出され、モータ１４の回転角は角度センサ１５で検出され、それぞれの検出値がコントローラ３１に入力される。コントローラ３１は、モータ１４に流れる電流の値が指令値となるようにフィードバック制御を行う。

図１２は、電動パワーステアリング装置におけるモータの一般的な特性を示すグラフである。図からわかるように、モータの回転数とトルクとは相反する関係にあり、回転数が増大するとトルクは減少し、回転数が減少するとトルクは増大する。トルクが減少するとアシスト力が不足してハンドル操作が重くなり、回転数が減少すると操舵追従性が悪くなり、いずれの場合も操作フィーリングが低下する。

ところで、モータに要求される出力特性は、車両の走行状態により異なる。例えば、車両が通常に走行している状態では、車輪と路面との間の摩擦力が小さいことから、ステアリング操作に対してそれほど大きなアシスト力は要求されないが、車両が停止している場合は、車輪と路面との間の摩擦力が大きいことから、ステアリング操作に対して大きなアシスト力が要求される。

図１２のような特性を持つモータでは、車両の停止中にステアリング操作（いわゆる据切り）を行った場合、モータ回転数Ｎｂに対して操舵のアシストに必要なトルクがＴａであるとすると、Ｔｂのトルクしか得られないため、モータ出力が不足して必要なアシスト力が得られず、ハンドル操作が重くなる。車両が極めてゆっくりと走行している場合についても、同様のことがいえる。一方、車両の通常走行状態においてステアリング操作を行った場合、トルクＴｂに対して操舵追従性を確保するのに必要な回転数をＮａとすると、Ｎｂの回転数しか得られないため、モータ出力が不足して操舵追従性が悪くなる。

そこで、この対策として、トルクの小さい領域でモータの界磁を弱める、いわゆる弱め界磁制御を行うことが従来から提案されている（例えば、下記の特許文献１〜４参照）。図１３は、弱め界磁制御を行った場合のモータ特性の例を示している。弱め界磁制御においては、界磁電流の制御によりモータの界磁磁束を弱めて逆起電力を小さくすることで、モータ出力を上げるようにしている。この結果、図１３に示すように、弱め界磁制御を行った領域において、回転数が同じ（Ｎｂ）であればトルクが大きくなり（Ｔｂ→Ｔａ）、トルクが同じ（Ｔｂ）であれば回転数が大きくなる（Ｎｂ→Ｎａ）。したがって、車両の停止中に操舵を行った場合は、必要なトルクＴａを得てアシスト力を確保することができ、車両の走行中に操舵を行った場合は、必要な回転数Ｎａを得て操作追従性を確保することができる。

特開２００２−１４５０９６号公報 特開２００３−４０１２８号公報 特開２００４−４０８８３号公報 特開２００５−１４５３４２号公報

しかしながら、弱め界磁制御を行った場合、実際には弱め界磁領域の特性が図１３のような線形とはならず、図１４で示したような非線形の特性となる。このように、弱め界磁制御によってモータの特性が非線形になると、リニアな制御ができなくなって指令値どおりのモータ出力が得られなくなるため、走行中の操舵における操作フィーリングが悪くなる。

本発明は、上述した課題を解決するものであって、その目的とするところは、走行中に操舵を行った場合の操作フィーリングを維持しつつ、停止時または低速走行時の操舵に対して必要なアシスト力を確保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にある。

本発明では、ステアリングホイールの操舵に対してアシスト力を与えるモータを制御する電動パワーステアリング制御装置において、ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて、モータに流すトルク電流の指令値を算出する指令値算出手段と、モータにおける界磁の強さを制御する界磁制御手段と、指令値算出手段および界磁制御手段の出力に基づいてモータを駆動するモータ駆動手段とが設けられる。そして、界磁制御手段は、車速が所定値未満の場合にモータの界磁を弱める弱め界磁制御を行い、車速が所定値以上の場合は弱め界磁制御を行わないようにしている。

このようにすると、車速が所定値未満の場合にのみ弱め界磁制御が行われ、車速が所定値以上の場合は弱め界磁制御が行われないので、車両の走行中の操舵に対してモータ特性は線形が維持され、指令値どおりのモータ出力が得られる。このため、走行中に操舵をしたときの操作フィーリングが悪くなるのを回避することができる。一方、車両の停止時や低速走行時には弱め界磁制御が働き、必要なトルクが得られるので、アシスト力を確保することができる。

本発明において、指令値算出手段は、ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて当該トルクに応じたアシスト量を算出するとともに、操舵トルクの微分値を算出し、アシスト量と微分値とを加算してトルク電流指令値として出力するように構成することができる。この場合、界磁制御手段は、車速が所定値未満であれば、指令値算出手段から出力されるトルク電流指令値とモータの回転数とに基づいて、弱め界磁制御を行うための弱め界磁指令値を出力する。また、車速が所定値以上であれば、弱め界磁指令値を出力しない。

また、本発明において、界磁制御手段は、車速が所定値未満か否かを判別する判別手段と、指令値算出手段で算出されたトルク電流指令値およびモータの回転数に基づいて、弱め界磁制御を行うための弱め界磁指令値を演算する演算手段と、判別手段で車速が所定値未満と判別されたときは、演算手段で演算された弱め界磁指令値を出力し、判別手段で車速が所定値以上と判別されたときは、演算手段で演算された弱め界磁指令値を出力しないように出力を切り換える出力切換手段とを備えたものとして構成することができる。

本発明によれば、車速が所定値未満の場合にのみ弱め界磁制御を行うようにしたので、走行中に操舵を行った場合の操作フィーリングを良好に維持できるとともに、停止時または低速走行時の操舵に対して必要なアシスト力を確保することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置のブロック図である。ここでは、本発明に関連する部分のみを図示してある。モータ１４を除く各ブロックによって電動パワーステアリング制御装置が構成される。なお、全体のシステム構成は図１１に示したものと同じであるので、以下では図１１を本発明の実施形態として引用する。

１は、操舵のアシストに必要なアシスト量を算出するアシスト量算出部であって、アシスト量テーブル２ａを備えている。このアシスト量テーブル２ａは、図２に示すように、トルクに対するアシスト量を、車速Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３をパラメータとして予め記憶したものである。アシスト量算出部１では、トルクセンサ２２（図１１）で検出されたハンドル２０の操舵トルクＴと、車速センサ２８（図１１）で検出された車速Ｓとに基づき、アシスト量テーブル２ａを参照して、操舵トルクＴに応じたアシスト量Ａを算出する。３は、操舵トルクＴの微分値（トルクの時間的変化率）を算出する微分回路、４は、アシスト量算出部１で算出されたアシスト量Ａと、微分回路３で算出された操舵トルクＴの微分値とを加算する演算器である。演算器４は、上記加算結果をトルク電流指令値Ｉとして出力する。トルク電流指令値Ｉは、
Ｉ＝Ａ＋（ｄＴ／ｄｔ） …（１）
となる。

５は、モータ１４における界磁の強さを制御して、所定の場合に界磁を弱める制御を行う弱め界磁制御部である。この弱め界磁制御部５については、後で詳しく説明する。６は、演算器４の出力であるトルク電流指令値Ｉと、後述の３相／２相変換部１７からフィードバックされるｑ軸電流Ｉｑとの偏差を演算する演算器である。７は弱め界磁制御部５から出力される弱め界磁指令値Ｉｍと、３相／２相変換部１７からフィードバックされるｄ軸電流Ｉｄとの偏差を演算する演算器である。８は演算器６で算出された偏差に応じたｑ軸電圧指令値Ｖｑ’を生成する比例積分回路、９は演算器７で算出された偏差に応じたｄ軸電圧指令値Ｖｄ’を生成する比例積分回路である。１０は、ｑ軸の操作量がｄ軸の制御量に干渉し、ｄ軸の操作量がｑ軸の制御量に干渉するのを排除するための非干渉制御部であって、補正されたｑ軸電圧指令値Ｖｑおよび補正されたｄ軸電圧指令値Ｖｄを出力する。Ｖｑ，Ｖｄは次式により算出される。
Ｖｑ＝Ｖｑ’＋ ω・（φ＋Ｌ・Ｉｄ）
Ｖｄ＝Ｖｄ’− ω・Ｌ・Ｉｑ
ここで、ωはモータ回転数、φは電機子巻線鎖交磁束、Ｌは巻線のインダクタンスである。

１１は、２相／３相変換部であって、ｑ軸電圧指令値Ｖｑおよびｄ軸電圧指令値Ｖｄを、３相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗはそれぞれ次式により算出される。

ここで、θは後述の角度・回転数算出部１６で算出されたモータ１４の回転角である。

１２は、ＰＷＭ（Pulse Width
Modulation）駆動部であって、２相／３相変換部１１から出力される電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて、各相ごとに所定のデユーティをもったＰＷＭ電圧を生成し、これをモータ１４へ供給する。１３は、モータ１４の各相に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出するための電流センサである。１５は、モータ１４の回転角を検出するための角度センサである。角度センサ１５としては、ホールＩＣ、レゾルバ、ロータリエンコーダ等が用いられる。１６は、角度センサ１５の出力に基づいて、モータ１４の回転角θと回転数ωを算出する角度・回転数算出部である。

１７は、３相／２相変換部であって、電流センサ１３で検出された各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、２相のｄ軸電流Iｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換する。Iｄ，Ｉｑはそれぞれ次式により算出される。

角度・回転数算出部１６で算出された回転角θは、２相／３相変換部１１に与えられるとともに、３相／２相変換部１７に与えられる。また、角度・回転数算出部１６で算出された回転数ωは、弱め界磁制御部５に与えられるとともに、非干渉制御部１０にも与えられる。３相／２相変換部１７から出力されるｄ軸電流Ｉｄは、前述のように演算器７に与えられるとともに、非干渉制御部１０にも与えられる。３相／２相変換部１７から出力されるｑ軸電流Ｉｑは、前述のように演算器６に与えられるとともに、非干渉制御部１０にも与えられる。

以上において、アシスト量算出部１、微分回路３および演算器４は、本発明における指令値算出手段の一実施形態を構成し、弱め界磁制御部５は本発明における界磁制御手段の一実施形態を構成し、ＰＷＭ駆動部１２は本発明におけるモータ駆動手段の一実施形態を構成する。また、図１のブロック１〜１２、１６、１７は、図１１におけるコントローラ３１を構成する。

図３は、弱め界磁制御部５の具体的構成を示すブロック図である。５１は、モータ１４の回転数ωに応じたゲインを算出するゲイン算出部である。このゲイン算出部５１は、図４で示すようなゲインテーブルを備えていて、角度・回転数算出部１６で算出された回転数ωに基づき、ゲインテーブルを参照して、回転数ωに応じたゲインＧを算出する。ゲインテーブルにおけるゲイン値は、弱め界磁指令値が最適になるように実験で求められる。５２は、演算器４から出力される前記（１）式のトルク電流指令値Ｉと、ゲイン算出部５１で算出されたゲインＧとを乗算し、この乗算結果を弱め界磁指令値Ｉｍとして出力する乗算器である。したがって、弱め界磁指令値Ｉｍは、
Ｉｍ＝Ｇ・Ｉ＝ Ｇ・｛Ａ＋（ｄＴ／ｄｔ）｝ …（２）
となる。

５３は、車速センサ２８（図１１）から入力される車速Ｓが閾値未満か否かを判別し、その判別結果に応じてＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する判別部である。この判別部５３は、図５に示すように、車速Ｓが閾値Ｓｘ未満であればＯＮ信号を出力し、車速Ｓが閾値Ｓｘ以上であればＯＦＦ信号を出力する。閾値Ｓｘは、所定の値としてあらかじめ判別部５３に記憶されている。５４は、判別部５３からのＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、弱め界磁制御部５の出力を切り換える切換部である。切換部５４は、判別部５３からＯＮ信号が与えられるとスイッチＺをＯＮ側に切り換え、判別部５３からＯＦＦ信号が与えられるとスイッチＺをＯＦＦ側に切り換える。スイッチＺのＯＮ側は乗算器５２に接続されており、スイッチＺのＯＦＦ側は接地されている。

以上において、ゲイン算出部５１および乗算器５２は本発明における演算手段の一実施形態を構成し、判別部５３は本発明における判別手段の一実施形態を構成し、切換部５４は本発明における出力切換手段の一実施形態を構成する。

車速Ｓが閾値Ｓｘ未満の場合（Ｓ＜Ｓｘ）は、図６に示すように、判別部５３からＯＮ信号が出力され、切換部５４のスイッチＺがＯＮ側に切り換わるので、弱め界磁制御部５からは、乗算器５２の出力、すなわち前記（２）式で算出された弱め界磁指令値Ｉｍが出力される。これに対して、車速Ｓが閾値Ｓｘ以上の場合（Ｓｘ≦Ｓ）は、図７に示すように、判別部５３からＯＦＦ信号が出力され、切換部５４のスイッチＺがＯＦＦ側に切り換わるので、弱め界磁制御部５からは弱め界磁指令値Ｉｍが出力されず、出力値は０となる。このようにして、弱め界磁制御部５は、車速Ｓが閾値Ｓｘ未満の場合にのみ、弱め界磁制御を行うための弱め界磁指令値Ｉｍを出力する。

弱め界磁制御部５から出力される弱め界磁指令値Ｉｍは、図１の演算器７へ与えられてｄ軸電流Ｉｄとの偏差が演算される。また、これと並行して、トルク電流指令値Ｉは、演算器６へ与えられてｑ軸電流Ｉｑとの偏差が演算される。ここで、３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを２相に変換して得られるｄ軸電流Ｉｄはモータ１４の界磁電流に相当し、ｑ軸電流Ｉｑはモータ１４のトルク電流に相当する。これらの偏差は比例積分回路８，９へ入力され、それぞれの偏差が無くなるように、すなわちｑ軸電流Ｉｑがトルク電流指令値Ｉと等しくなり、ｄ軸電流Ｉｄが弱め界磁指令値Ｉｍと等しくなるように、フィードバック制御が行われる。なお、比例積分回路８，９より後段の回路に関しては、前掲の特許文献２や特許文献３にも記載されているように公知であり、本発明の特徴とするところでもないので、個々の回路についての詳細な説明は省略する。

車両が停止している場合は、車速Ｓが閾値Ｓｘ未満となって、弱め界磁制御部５は図６の状態となる。したがって、弱め界磁制御部５から出力される弱め界磁指令値Ｉｍに基づき、モータ１４にｄ軸電流Ｉｄが流れて界磁が弱められるように制御が行われる結果、モータ１４は、図８（ａ）の実線に示すように、弱め界磁制御が働いた特性、すなわちトルクの小さい領域でモータ出力が向上する特性を示す。このため、図１３で説明したのと同様の考え方により、弱め界磁制御を行わない場合（破線）に比べて、トルクを大きく確保することができる（Ｔｂ＜Ｔａ）。なお、図８（ａ）では、弱め界磁制御が働く結果、モータ特性が非線形となるが、車両の停止時に操舵を行う場合は、走行時と異なり操作フィーリングはそれほど問題にならないので、非線形による弊害は少ない。以上は、車両が停止している場合であるが、車両がごく低速で走行している場合にも同様のことが当てはまる。

一方、車両が通常に走行している場合は、車速Ｓが閾値Ｓｘ以上となって、弱め界磁制御部５は図７の状態となる。すなわち、弱め界磁制御部５から弱め界磁指令値Ｉｍは出力されない。この結果、モータ１４は、図８（ｂ）の実線に示すように、弱め界磁制御が働かない特性を示す。このため、モータ特性が線形となり、トルク電流指令値Ｉに対応したトルク電流がモータ１４に流れて指令値どおりのモータ出力が得られるため、良好な操作フィーリングを確保することができる。なお、図８（ｂ）では、弱め界磁制御を行う場合に比べてモータ出力が減少するが、走行中は停止時ほど大きなアシスト用トルクを必要としないので、影響は小さい。

以上のように、上述した実施形態によれば、車速Ｓが閾値Ｓｘ未満の場合にのみ弱め界磁制御部５による弱め界磁制御が行われ、車速Ｓが閾値Ｓｘ以上の場合は弱め界磁制御部５による弱め界磁制御が行われないので、車両の走行中の操舵に対しては、図８（ｂ）のようにモータ特性は線形が維持され、指令値どおりのモータ出力が得られる。このため、走行中に操舵をしたときの操作フィーリングが悪くなるのを回避することができる。一方、車両の停止時や低速走行時には弱め界磁制御が働き、図８（ａ）のように必要なトルクが得られるので、アシスト力を確保することができる。

図９は、本発明の他の実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置のブロック図である。図９において、図１と同一部分には同一符号を付してある。図１の実施形態では、アシスト量算出部１が操舵トルクＴと車速Ｓとに基づきアシスト量Ａを算出するようにしたが、図９の実施形態では、アシスト量算出部１は操舵トルクＴのみに基づいてアシスト量Ａを算出するようになっている。このため、アシスト量算出部１に備わるアシスト量テーブル２ｂは、図１０に示すように、車速をパラメータとせず、トルクに対する単一のアシスト量だけを記憶したものとなっている。その他については図１と同じであり、弱め界磁制御部５の構成および動作も、図３〜図７と同じである。

図９の実施形態においても、車速Ｓが閾値Ｓｘ未満の場合にのみ弱め界磁制御が行われるので、走行中の操舵に対して操作フィーリングを維持できるとともに、車両の停止時や低速走行時の操舵に対してアシスト力を確保することができる。

上述した実施形態では、弱め界磁制御部５における閾値Ｓｘを、図５のように０＜Ｓｘに設定し、車両が停止している場合だけでなく、車両がごく低速で走行している場合にも弱め界磁制御が働くようにしたが、閾値ＳｘはＳｘ＝０に設定してもよい。この場合は、車両が完全に停止している場合にのみ弱め界磁制御が働くことになる。

上述した実施形態では、電動パワーステアリング装置のモータ１４としてブラシレスモータを用いた例を挙げたが、ブラシ付きモータなどの他のモータを用いることも可能である。また、上記実施形態においては、モータ駆動部としてＰＷＭ駆動部１２を設け、モータ１４をＰＷＭ信号により駆動する例を挙げたが、モータの駆動にはＰＷＭ以外の方式を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置のブロック図である。 アシスト量テーブルを示す図である。 弱め界磁制御部の具体的構成を示すブロック図である。 ゲインテーブルを示す図である。 判別部の出力信号を示す図である。 弱め界磁制御部の動作を説明する図である。 弱め界磁制御部の動作を説明する図である。 モータの出力特性を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る電動パワーステアリング制御装置のブロック図である。 アシスト量テーブルの他の例を示す図である。 電動パワーステアリング装置の一例を示すシステム構成図である。 電動パワーステアリング装置におけるモータの一般的な特性を示すグラフである。 弱め界磁制御を行った場合のモータ特性の例である。 弱め界磁制御によるモータ特性の非線形化を説明する図である。

符号の説明

１ アシスト量算出部
３ 微分回路
４ 演算器
５ 弱め界磁制御部
１２ ＰＷＭ駆動部
１４ モータ
２０ ステアリングホイール（ハンドル）
５１ ゲイン算出部
５２ 乗算器
５３ 判別部
５４ 切換部

Claims (3)

1. ステアリングホイールの操舵に対してアシスト力を与えるモータを制御する電動パワーステアリング制御装置において、
   前記ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて、前記モータに流すトルク電流の指令値を算出する指令値算出手段と、
   前記モータにおける界磁の強さを制御する界磁制御手段と、
   前記指令値算出手段および界磁制御手段の出力に基づいてモータを駆動するモータ駆動手段とを備え、
   前記界磁制御手段は、車速が所定値未満の場合に前記モータの界磁を弱める弱め界磁制御を行い、車速が所定値以上の場合は前記弱め界磁制御を行わないことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置において、
   前記指令値算出手段は、ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて当該トルクに応じたアシスト量を算出するとともに、前記操舵トルクの微分値を算出し、前記アシスト量と微分値とを加算してトルク電流指令値として出力し、
   前記界磁制御手段は、車速が所定値未満の場合に、前記指令値算出手段から出力されるトルク電流指令値と前記モータの回転数とに基づいて、前記弱め界磁制御を行うための弱め界磁指令値を出力し、車速が所定値以上の場合に、前記弱め界磁指令値を出力しないことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
3. 請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置において、
   前記界磁制御手段は、
   車速が所定値未満か否かを判別する判別手段と、
   前記指令値算出手段で算出されたトルク電流指令値およびモータの回転数に基づいて、弱め界磁制御を行うための弱め界磁指令値を演算する演算手段と、
   前記判別手段で車速が所定値未満と判別されたときは、前記演算手段で演算された弱め界磁指令値を出力し、前記判別手段で車速が所定値以上と判別されたときは、前記演算手段で演算された弱め界磁指令値を出力しないように出力を切り換える出力切換手段と、
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。

Images