JP5028813B2 - 電動パワーステアリング装置及びその制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や車両の操舵系にブラシレスＤＣモータの駆動によって操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置及びその制御装置に関し、特にコギングトルク補償値をｄ軸電流指令値に加算し、モータのコギングトルクを低減した高性能な電動パワーステアリング装置及びその制御装置に関する。

自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢（アシスト）する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を、減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助負荷付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助力）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデュ−ティ比の調整で行っている。

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図６に示して説明すると、操向ハンドル１のコラム軸２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４Ａ及び４Ｂ、ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット３０には、バッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニションキー１１からイグニションキー信号が入力され、コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルク値Ｔと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいて、アシストマップ等を用いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（又はＭＰＵやＭＣＵ）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、図７のようになっている。

図７を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出されて入力される操舵トルクＴ及び車速センサ１２からの車速Ｖは、操舵補助指令値演算部３１に入力されて基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１が演算される。演算された基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１は操舵系の安定性を高めるための位相補償部３２で位相補償され、位相補償された操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２が加算部３３に入力される。また、操舵トルクＴは応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償部３５に入力され、微分補償された操舵トルクＴＳは加算部３３に入力され、加算部３３は操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２と操舵トルクＴＳを加算し、その加算結果である操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３を減算部３４に入力する。
減算部３４は、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３とフィードバックされているモータ電流ｉとの偏差（Ｉｒｅｆ３−ｉ）を求め、偏差（Ｉｒｅｆ３−ｉ）はＰＩ制御部３６でＰＩ制御され、更にＰＷＭ制御部３７に入力されてデューティを演算され、インバータ３８を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出手段（図示せず）で検出され、減算部３４に入力されてフィードバックされる。

このような電動パワーステアリング装置において、駆動源であるモータ２０には、直流モータのほか、ブラシレスＤＣモータが用いられている。ブラシレスＤＣモータは、３相以上の励磁相を有し、コントロールユニットからの矩形波状若しくは正弦波の励磁電流によって駆動される。

このようなＤＣモータを備えた電動パワーステアリング装置においては、モータのコギングトルク（脈動トルク）を発生させないことが、運転者の操舵感を向上させる上で望ましい。

特開２００５−６７３５９号公報（特許文献１）に示される電動パワーステアリング装置では、モータの脈動トルク成分を相殺する補正値を目標電流に重畳させている。しかし、モータからトルクとして出力される目標電流値に補正しているので、誤差によって相殺されなかった補正値やコギングトルクが振動となってしまう。

また、特開２００３−２５０２５４号公報（特許文献２）に示される永久磁石型ブラシレスモータでは、コギングトルクの少ない極数とスロット数を設定しているが、モータ設計の自由度が狭められてしまう。
特開２００５−６７３５９号公報 特開２００３−２５０２５４号公報

上述のように、従来の制御装置にあっては、モータのコギングトルクに対する考慮がなされていないので、車両が中高速の走行状態にあって、操向ハンドルがゆっくり回転される場合、即ち運転者が操舵フィーリングを鋭敏に感じる場合でも、他の場合と同様なモータ制御を行うと、モータのコギングトルクが振動としてハンドルに伝えられ、操舵フィーリングが悪化するという問題がある。また、常時高周波ノイズなどの影響を除去するように制御ゲインを小さくしたり、脈動トルクを除去するための複雑な演算を伴う制御を行ったりすると、制御指令値に対するモータの追従性が悪化するという問題もある。

また、特許文献１のようにモータのコギングトルクに対する補正を行う場合も、モータからトルクとして出力される目標電流値に補正を実施すると、誤差によって相殺されなかった補正値や脈動トルク（コギングトルク）が、トルクリップルとしてハンドルから運転者に伝わってしまう。

更に、特許文献２のようにモータの構造によってコギングトルクを低減する場合も、従来から良く用いられている極数対スロット数が２：３のモータを除外するなど、モータの自由度が大きく制限されてしまうという問題がある。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、モータの自由度を制限することなく、コギングトルクを低減した電動パワーステアリング装置及びその制御装置を低コストで提供することにある。

本発明は、ステアリング機構に操舵補助トルクを付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記モータの回転速度を算出する回転速度算出部とを具備し、ｄ−ｑ直交軸におけるｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値で前記モータをベクトル制御で駆動する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記操舵トルク、車速及び前記回転速度に基づいて前記モータのコギングトルク補償値を算出するコギングトルク補償値算出部を具備し、前記車速が所定値よりも大きく、かつ前記操舵トルクが所定トルク以下で、かつ前記回転速度が所定回転速度よりも小さい条件の場合にのみ、磁界の強さを制御する前記ｄ軸電流指令値に前記コギングトルク補償値を加算して、界磁を弱めるように補正することにより達成され、前記条件が成立しない場合には、固定値を前記ｄ軸電流指令値に加算するようになっていることにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、コギングトルク補償値に基づいて磁界の強さを制御するｄ軸電流指令値を、界磁を弱めるように補正することで、物理的にコギングトルクを低減するようにしている。このため、コギングトルクを運転者が感じ易い状態、即ち低速走行状態でハンドルがセンター位置まで戻るときや、中高速直進走行状態でのセンター付近の操舵において、操舵フィーリングを改善することができる。

コギングトルクの低減は、従来モータ構造によって対処するか（特許文献２）、目標トルクで相殺するように補正していた（特許文献１）。これに対し、本発明ではコギングトルクの発生原理に着目し、簡単な制御ロジックで高価なハードウェアを追加することなく、確実にコギングトルクを低減できるようにしている。

先ず本発明の前提となるコギングトルクの発生原理を説明する。

一般にコギングトルクは永久磁石の磁極の移動に伴って、ギャップ部内の磁気エネルギーが変化することにより引き起こされる。この磁気エネルギーの変化の原因は、巻線溝にある。コギングトルクＴｃｇは、θを永久磁石の磁極に対する電機子部の移動角、Ｅ（θ）をギャップ全体の磁気エネルギーとした場合、下記数１で表すことができる。

一方、ギャップ中の任意の角度での微小体積ｄφ当たりの磁気エネルギーΔＥ（θ）は、μ_０を空気の透磁率、Ｂｇ（φ、θ）をギャップの磁束密度とすれば、下記数２で表される。

また、ギャップ全体の磁気エネルギーΔＥ（θ）は、Ｐを永久磁石の磁極数とすれば、下記数３のようになる。

従って、コギングトルクＴｃｇは、下記数４で表すことができる。

ここにおいて、従来の対策は前述のように、ギャップ内のエネルギーが電機子部の移動角θによって変化しないように極数とスロット数の関係を設定したり、磁石に溝を設けたりしているが、本発明ではコギングトルクを敏感に感じとる走行状態において、弱め界磁制御を実施してギャップ内の磁束密度Ｂｇ（φ、θ）を低減することにより、確実にコギングトルクを低減するようにしている。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。本発明の実施の形態では、操舵補助用のモータとして３相ブラシレスモータを用いた例を説明する。

図１は本発明に係る制御装置の構成例を示しており、ベクトル制御によって３相ブラシレスモータ１００を駆動制御する。ベクトル制御はロータマグネットの座標軸であるトルクを制御するｑ軸と、磁界の強さを制御するｄ軸とを独立に設定し、各軸が９０度の関係にあることから、そのベクトルで各軸に相当する電流を制御するものである。本発明は、かかるベクトル制御のｄ軸電流指令値Ｉｄに、操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωに基づいて演算したコギングトルク補償値Ｔｃｇを加算してコギングトルク補償を行うものである。

コギングトルク補償は所定条件、即ち車速Ｖが所定値Ｖ_０より大きく、操舵トルクＴが所定値Ｔ_０以下で、３相ブラシレスモータ１００の回転速度ωが所定値ω_０より小さい場合に、コギングトルク補償値Ｔｃｇをｄ軸電流指令値Ｉｄに加算する。コギングトルク補償値Ｔｃｇのｄ軸電流指令値Ｉｄへの加算は、上記条件に基づく切替によって行う。

ステアリング機構に操舵補助力を付与する３相ブラシレスモータ１００には、その回転位置（角度）θを検出するロータ位置検出器１０１が設けられている。トルクセンサからの操舵トルクＴは操舵補助トルク指令値算出部１１０及びコギングトルク補償値算出部１１１に入力され、ロータ位置検出器１０１からの回転位置θは回転速度算出部１１２に入力されて回転速度ωが算出され、回転速度ωは操舵補助トルク指令値算出部１１０及びコギングトルク補償値算出部１１１に入力されると共に、ベクトル制御相電流指令値算出手段１２０内の電流指令値算出部１２１に入力される。また、回転位置θは電流指令値算出部１２１に入力されている。

操舵補助トルク指令値算出部１１０で、操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωに基づいて算出されたトルク指令値Ｔｒｅｆはベクトル制御相電流指令値算出手段１２０内の電流指令値算出部１２１に入力され、回転速度算出部１１２からの回転速度ω、ロータ位置検出器１０１からの回転位置θも電流指令値算出部１２１に入力される。電流指令値算出部１２１はトルク指令値Ｔｒｅｆ、回転速度ω及び回転位置θに基づいてｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄを算出し、ｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄは各相電流指令値算出部１２２に入力され、各相電流指令値算出部１２２はｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄと、回転位置θとに基づいて３相の電流指令値Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆを算出する。

ここにおいて、電流指令値算出部１２１からのｄ軸電流指令値Ｉｄは直接各相電流指令値算出部１２２に入力されるのではなく、加算部１２３でコギングトルク補償値算出部１１１からのコギングトルク補償値Ｔｃｇと加算され、その加算値であるｄ軸電流指令値Ｉｄ’が各相電流指令値算出部１２２に入力される。

各相電流指令値算出部１２２で算出された３相の電流指令値Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆは電流制御手段１３０にフィードバック系の電流指令値として入力され、モータ相電流を検出する電流検出器１３３−１、１３３−２、１３３−３からの相電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃとの偏差がそれぞれ求められ、電流制御手段１３０からＰＩ制御等の制御が実施された電圧指令値Ｖａｒｅｆ，Ｖｂｒｅｆ，Ｖｃｒｅｆが出力され、電圧指令値Ｖａｒｅｆ，Ｖｂｒｅｆ，ＶｃｒｅｆがＰＷＭ制御部１３１に入力され、更にインバータ１３２を介して３相ブラシレスモータ１００が駆動される。

このような構成において、その動作例を図２のフローチャートを参照して説明する。

コギングトルク補償値算出部１１１は低速走行のハンドル戻り時や高速直進走行時のセンター付近の操舵では、電動パワーステアリングのアシスト電流が小さいため、運転者がモータのコギングトルクを感じ易い。そのため、上述のような操舵状態では操舵フィーリングを悪くしたりしていたが、本発明では上述のような操舵状態を操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωから判定する。例えば高速直進走行時は車速Ｖが所定値Ｖ_０より大きく、操舵トルクＴが所定値Ｔ_０以下で、３相ブラシレスモータ１００の回転速度ωが所定値ω_０より小さい場合となる。このような判定結果に基づき、操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいて算出された操舵トルクＴ及び車速Ｖの関数であるコギングトルク補償値Ｔｃｇを、電流指令値算出部１２１で算出されたｄ軸電流指令値Ｉｄに加算部１２３で加算して補正する。

先ず制御装置は操舵トルクＴを入力し（ステップＳ１０）、車速Ｖを入力し（ステップＳ１１）、更に回転位置θを入力して回転速度ωを算出する（ステップＳ１２）。なお、上記ステップＳ１０〜Ｓ１２のデータ入力の順番は任意である。そして、操舵補助トルク指令値算出部１１０はトルク指令値Ｔｒｅｆを算出して電流指令値算出部１２１に入力し（ステップＳ１３）、電流指令値算出部１２１はｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄを算出する（ステップＳ１４）。

その後、コギングトルク補償値算出部１１１は車速Ｖが所定値Ｖ_０よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ２０）、操舵トルクＴが所定値Ｔ_０以下であるか否かを判定し（ステップＳ２１）、更に回転速度ωが所定値ω_０よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２２）。上記ステップＳ２０〜Ｓ２２の条件がいずれも満たされる場合には、コギングトルク補償値算出部１１１は操舵トルクＴ及び車速Ｖの関数ｆ（Ｔ，Ｖ）であるコギングトルク補償値Ｔｃｇを算出し（ステップＳ２３）、加算部１２３に入力する。なお、上記ステップＳ２０〜Ｓ２２の状態判定の順番、コギングトルク補償値Ｔｃｇの算出の順番は任意である。

図３はコギングトルク補償値算出部１１１の構成例を示しており、操舵トルクＴは図示するような特性の関数部１１１Ａで補償値ＴＡに変換され、車速Ｖは図示するような特性の関数部１１１Ｂで補償値ＶＡに変換され、補償値ＴＡ及びＶＡは乗算部１１１Ｄに入力され、その乗算結果ＴＡ・ＶＡが切替部１１１Ｅの接点ａに入力される。また、操舵トルクＴ、車速Ｖ及び回転速度ωは判定部１１１Ｃに入力され、車速Ｖが所定値Ｖ_０よりも大きいか否か、操舵トルクＴが所定値Ｔ_０以下であるか否か、更に回転速度ωが所定値ω_０よりも小さいか否かを判定し、上記条件が全て満たされる場合に切替信号ＳＷを出力する。切替部１１１Ｅは接点ａ及びｂを有し、接点ａには乗算部１１１Ｄからの乗算結果ＴＡ・ＶＡが入力され、接点ｂには固定値（＝０）が入力されており、切替信号ＳＷが入力されていないときは接点ｂに接続されており、判定部１１１Ｃから切替信号ＳＷが入力されると接点が“ａ”から“ｂ”に切替えられる。つまり、Ｖ＞Ｖ_０、Ｔ≦Ｔ_０、ω＜ω_０の条件が全て満たされた場合には関数ｆ（Ｔ，Ｖ）のコギングトルク補償値Ｔｃｇを加算部１２３に加算し、それ以外の場合には固定値（＝０）が加算部１２３に加算されるが値が“０”であるので、補正は行われない。

ベクトル制御相電流指令値算出手段１２０は、電流指令値算出部１２１で算出したｄ軸電流指令値Ｉｄと、コギングトルク補償値算出部１１１で算出したコギングトルク補償値Ｔｃｇとを加算部１２３において加算し、その加算結果（＝Ｉｄ＋Ｔｃｇ）を新たなｄ軸電流指令値Ｉｄ’として各相電流指令値算出部１２２に入力する（ステップＳ２４）。

その後、或いは上記ステップＳ２０〜Ｓ２２においていずれかの条件が満たされない場合には、各相電流指令値算出部１２２はｑ軸電流指令値Ｉｑ及びｄ軸電流指令値Ｉｄ，Ｉｄ’に基づいて各相電流指令値Ｉａｒｅｆ，Ｉｂｒｅｆ，Ｉｃｒｅｆを算出し（ステップＳ３０）、前述と同様に３相ブラシレスモータ１００を駆動する（ステップＳ３１）。

図４は本発明の他の構成例を図１に対応させて示しており、ｄ−ｑ軸上で電流フィードバックするようになっている。即ち、電流検出器１３３−１、１３３−２、１３３−３からの相電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃは３相／２相変換部１３５で２相電流Ｉ１、Ｉ２に変換され、電流制御手段１３０は２相で電圧指令値Ｖｑｒｅｆ及びＶｄｒｅｆを算出する。つまり、ｄ−ｑ軸上で電流フィードバックが実施されている。２相の電圧指令値Ｖｑｒｅｆ及びＶｄｒｅｆは２相／３相変換部１３４に入力され、回転角度θを基に３相の電圧指令値Ｖａｒｅｆ，Ｖｂｒｅｆ，Ｖｃｒｅｆに変換される。電圧指令値Ｖａｒｅｆ，Ｖｂｒｅｆ，Ｖｃｒｅｆ以降の動作は、図１の場合と同様である。

このようなｄ−ｑ軸上の電流フィードバック系によっても、コギングトルク補償値算出部１１１による補正を同様に適用することができる。

ハンドル戻り状態を判定するハンドル戻り状態判定部を具備した場合の動作は、図２に対応させて示す図５のフローチャートのようになる。即ち、ハンドル戻りはステップＳ４０に示されるように操舵トルクＴが正で、かつその変化率である微分値ｄＴ／ｄｔが正であるか（正方向）、又は操舵トルクＴが負で、かつその変化率である微分値ｄＴ／ｄｔが負であるか（負方向）によって判定され、かかるハンドル戻り状態が判定されたときに前述と同様に、ｄ軸電流指令値Ｉｄにコギングトルク補償値であるコギングトルク補償値Ｔｃｇを加算して補償する。

なお、上述では３相ブラシレスモータを例に挙げて説明したが、３以上の相を有するブラシレスＤＣモータに適用可能である。

本発明に係る制御装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 コギングトルク補償値算出部の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る制御装置の他の構成例を示すブロック図である。 ハンドル戻り状態判定部を具備した場合の動作例を示すフローチャートである。 電動パワーステアリング装置の一般的な構成例を示す図である。 コントロールユニットの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 操行ハンドル
２ コラム軸
３ 減速ギア
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１４ バッテリ
２０、１００ モータ
３０ コントロールユニット
３１ 操舵補助指令値演算部
３２ 位相補償部
３５ 微分補償部
３６ ＰＩ制御部
３７、１３１ ＰＷＭ制御部
３８、１３２ インバータ
１０１ ロータ位置検出器
１１０ 操舵補助トルク指令値算出部
１１１ コギングトルク補償値算出部
１１１Ａ、１１１Ｂ 関数部
１１１Ｃ 判定部
１１１Ｄ 乗算部
１１１Ｅ 切替部
１１２ 回転速度算出部
１２０ ベクトル制御相電流指令値算出手段
１２１ 電流指令値算出部
１２２ 各相電流指令値算出部
１３０ 電流制御手段
１３４ ２相／３相変換部
１３５ ３相／２相変換部

Claims (2)

1. ステアリング機構に操舵補助トルクを付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記モータの回転速度を算出する回転速度算出部とを具備し、ｄ−ｑ直交軸におけるｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値で前記モータをベクトル制御で駆動する電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵トルク、車速及び前記回転速度に基づいて前記モータのコギングトルク補償値を算出するコギングトルク補償値算出部を具備し、前記車速が所定値よりも大きく、かつ前記操舵トルクが所定トルク以下で、かつ前記回転速度が所定回転速度よりも小さい条件の場合にのみ、磁界の強さを制御する前記ｄ軸電流指令値に前記コギングトルク補償値を加算して、界磁を弱めるように補正することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記条件が成立しない場合には、固定値を前記ｄ軸電流指令値に加算するようになっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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