JP5098323B2

JP5098323B2 - 電気式動力舵取装置

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Publication number: JP5098323B2
Application number: JP2006340256A
Authority: JP
Inventors: 俊博高橋
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: JP2008149910A

Description

本発明は、モータのアシスト力により操舵を補助する電気式動力舵取装置に関するものである。

電気式動力舵取装置は、一般に、ステアリングホイールによる操舵を補助可能なアシスト力を出力するモータと、ステアリングホイールによる操舵トルクを検出するトルクセンサとを備える。そして、トルクセンサで検出した操舵トルクに基づいてモータの目標電流値を設定し、目標電流値とモータに流れるモータ電流との偏差に、ＰＩ（比例・積分）又はＰＩＤ（比例・積分・微分）補償を施して指令電圧値を求め、コンバータ等から成る電圧印加手段により、電流指令値に基づいてモータに電圧を印加してアシスト力の発生を制御するものが知られている。

電気式動力舵取装置は、ステアリングホイールを右又は左方向に素早く切ってラックエンド状態になった場合、或いは、前輪が緑石等に当たった場合等に、モータの回転が急激に停止状態になるためにモータの逆起電力が急激に消滅し、目標電流に応じたモータ電流に消滅した逆起電力に相当する電流が加算されオーバーシュートが生じる。

ここで、特許文献１に、オーバーシュートを推定して、ＰＩ（比例・積分）又はＰＩＤ（比例・積分・微分）補償のゲインを調整する電動パワーステアリング装置が開示されている。
特開平１１−７８９１９号公報

モータに電圧を印加するためのコンバータ等から成る電圧印加手段は、ステアリングホイールの連続操舵等の過負荷状態における発熱により半導体素子が破損する可能性が生じると出力の制限を加える。これにより、アシスト量を低下させることで、故障の発生を未然に防いでいる。しかしながら、係る出力の制限中に上述したオーバーシュートが発生すると、出力が制限している出力値を超え、フェールセーフを誤検出して、アシストを継続できなくなる事態が発生し得る。特許文献１では、係る出力の制限中にオーバーシュートが発生した際には、制限された出力を瞬時的に超えることになった。

図５は、出力の制限中にモータの角速度ω[deg/s]に応じて、Ｉｑ電流[Ａ]を調整することで、電力を一定（５００Ｗ）にしていた従来技術の制御内容を示すグラフである。図中で実線で電力一定のラインを示し、破線でＩq制限値を示している。また、図６（Ａ）は、図５中で実線で示した電力一定のライン中の角速度ωに対応するＩq電流の値を示す図表であり、図６（Ｂ）は、図５中で破線で示したＩq制限値のライン中の角速度ωに対応するＩq電流の値を示す図表である。図５中で破線で示すようにモータの角速度ω[deg/s]に応じてＩｑ電流[Ａ]を調整しても、オーバーシュートが発生した際には、制限された出力を瞬時的に超える事態が発生した。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、モータに電力を供給する昇圧回路、コンバータ等の電圧印加手段の出力の制限が設定されたときに、該出力の制限を超えることが無い電気式動力舵取装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、操舵補助力を発生するモータＭにより操舵をアシストする電気式動力舵取装置２０であって、
ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段２４と、
前記モータＭに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段３７と、
少なくとも前記操舵トルク検出手段２４からの操舵トルク検出値に基づき設定される目標電流値Ｉqｍと前記モータ電流との偏差に基づいて、前記モータのフィードバック制御のための指令電流値Ｉq^＊を演算する電流演算手段３０ｃと、
前記指令電流値Ｉq^＊に応じて前記モータに印加する電圧値Ｖq^＊を求める電圧値演算手段３０ｄと、
前記電圧値演算手段３０ｄにより求められた電圧をモータに印加する電圧印加手段３５Ａと、
所定の事項を検出した際に電圧印加手段３５Ａの出力電力の制限を設定する出力制限手段（Ｓ１２、Ｓ１４）と、
前記モータ電流及び制限された出力電力に応じてモータに印加する制限下での電圧値Ｖq_limを求める制限電圧値演算手段（Ｓ１８）と、を備え、
前記電圧印加手段３５Ａは、前記出力制限手段により電圧印加手段の出力電力の制限が設定されたときに（Ｓ１４）、前記電流演算手段３０ｃにより演算された指令電流値Ｉq^＊に基づき前記電圧値演算手段（Ｓ１８）が求めた電圧値Ｖq^＊が、前記制限電圧値演算手段により求められた制限下での電圧値Ｖq_limを超える際には、前記制限下Ｖq_limでの電圧値の電圧をモータに印加することを技術的特徴とする。

請求項１の電気式動力舵取装置では、温度上昇等の所定の事項を検出した際に電圧をモータに印加する電圧印加手段の出力電力の制限を設定し、モータ電流及び制限された出力電力に応じてモータに印加する制限下での電圧値を求める。そして、電圧印加手段の出力電力の制限が設定されたときに、モータのフィードバック制御のために電流演算手段より演算された指令電流値に基づき求めた電圧値が、モータ電流及び制限された出力電力に応じて求められた制限下での電圧値を超える際には、制限下での電圧値の電圧をモータに印加する。即ち、モータのフィードバック制御のために電流演算手段より演算された指令電流値に基づく電圧値では無く、直接、制限下での電圧値を印加するため、フィードバック制御を介さないため位相系が早くなり、電圧印加手段の出力電力が制限を超えることが無くなる。これにより、フェールセーフ等の誤検出を未然に防ぐことができる。

請求項２の電気式動力舵取装置では、電圧印加手段の出力の制限下の電圧値を：
（制限された出力電力値−d軸電圧×d軸電流）÷q軸電流より求めるため、ブラシレスモータをｄ軸、ｑ軸制御する際に、モータのフィードバック制御のために電流演算手段より演算された指令電流値に基づく電圧値では無く、直接、制限下での電圧値を印加するため、フィードバック制御を介さないため位相系が早くなり、電圧印加手段の出力電力が制限を超えることが無くなる。これにより、フェールセーフ等の誤検出を未然に防ぐことができる。

[第１実施形態]
以下、本発明の電気式動力舵取装置に係る第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。まず本実施形態の電気式動力舵取装置２０のハードウェア構成を図１(A) 、図１(B) を参照して説明する。
図１(A) に示すように、電気式動力舵取装置２０は、自動車等の車両の操舵を操舵力の面から補助する装置で、主に、ステアリングホイール２１、ステアリング軸２２、ピニオン入力軸２３、トルクセンサ２４、減速機２７、ラックアンドピニオン２８、ロッド２９、直流ブラシレスモータＭ、ＥＣＵ３０、モータ駆動回路３５、モータ回転角センサ３３等から構成されている。

図１(A) に示すように、ステアリングホイール２１には、ステアリング軸２２の一端側が接続されており、このステアリング軸２２の他端側にはトルクセンサ２４の入力側が接続されている。またこのトルクセンサ２４の出力側には、ラックアンドピニオン２８のピニオン入力軸２３の一端側が接続されている。トルクセンサ２４は、図略のトーションバーとこのトーションバーを挟むようにトーションバーの両端に取り付けられた２つのレゾルバとからなり、トーションバーの一端側を入力、他端側を出力とする入出力間で生じるトーションバーの捻れ量等を当該２つのレゾルバにより検出することで、ステアリングホイール２１による操舵トルクＴｈや操舵角θＨを検出し得るように構成されている。

トルクセンサ２４の出力側に接続されるピニオン入力軸２３の途中には、減速機２７が連結されており、モータＭから出力されるアシスト力をこの減速機２７を介してピニオン入力軸２３に伝達し得るように構成されている。モータＭには、モータＭの回転角θＭを検出可能なモータ回転方向検出手段としてのモータ回転角センサ３３が取り付けられており、このモータ回転角θＭやトルクセンサ２４による操舵トルクＴｈ、操舵角θＨ等に基づいてＥＣＵ３０によるモータＭの駆動制御が行われている。

一方、このピニオン入力軸２３の他端側には、ラックアンドピニオン２８を構成する図略のラック軸のラック溝に噛合可能なピニオンギヤが形成されている。このラックアンドピニオン２８では、ピニオン入力軸２３の回転運動をラック軸の直線運動に変換可能にしており、またこのラック軸の両端にはロッド２９が連結され、さらにこのロッド２９の端部には図略のナックル等を介して操舵輪ＦＲ、ＦＬが連結されている。これにより、ピニオン入力軸２３が回転すると、ラックアンドピニオン２８、ロッド２９等を介して操舵輪ＦＲ、ＦＬの実舵角を変化させることができるので、ピニオン入力軸２３の回転量および回転方向に従った操舵輪ＦＲ、ＦＬの操舵を可能にしている。

ＥＣＵ３０は、図１(B) に示すように、主に、Ａ／Ｄ変換器等の周辺ＬＳＩや半導体メモリ装置等を備えたＭＰＵ(Micro Processor Unit)、トルクセンサ２４やモータ回転角センサ３３あるいは図略の車速センサ等による各種センサ情報（操舵トルク信号、操舵角信号、モータ回転角信号、車速信号）等を入出力可能な入出力インターフェイスＩ／Ｆ、およびＭＰＵから出力されるモータ電流指令に基づいてＰＷＭ制御によるモータ電流をモータＭに供給可能なモータ駆動回路３５から構成されている。なおこのＭＰＵの半導体メモリ装置（以下「メモリ」という。）には、後述する出力制限処理を可能にする出力制限プログラム等が格納されている。

なお、図１(B) に示す符号３７は、モータＭに実際に流れるモータ電流を検出し得る電流センサ３７であり、この電流センサ３７により検出されたモータ電流に関するセンサ情報は、モータ電流信号として入出力インターフェイスＩ／Ｆを介してＭＰＵに入力され得るよう接続されている。

このように構成することにより、車両に搭載された電気式動力舵取装置２０では、ステアリングホイール２１による操舵トルクＴｈをトルクセンサ２４により検出し、また車速センサにより車両の走行速度（車速）Ｖを検出する。そして、この操舵トルクＴｈおよび車速Ｖに応じたモータ電流指令値Ｉｑ^＊をＥＣＵ３０のＭＰＵにより演算し、さらにこのモータ電流指令値Ｉｑ^＊に基づいてモータＭによるアシスト力の発生をモータ駆動回路３５により制御する。これにより、電気式動力舵取装置２０は、操舵トルクＴｈおよび車速Ｖに応じて発生するモータＭのアシスト力により当該車両の運転者のステアリングホイール２１による操舵を補助可能にしている。モータ駆動回路３５は、昇圧回路３５Ａとインバータ３５Ｂとから成る。

次に、第１実施形態のＥＣＵ３０およびモータ駆動回路３５によるアシスト力の制御処理の概要を図２に基づいて説明する。ＥＣＵ３０のＭＰＵにより行われるアシスト力の制御は、位相補償部３０ａ、電流指令値演算部３０ｂ、電流制御部３０ｃおよびＰＷＭ演算部３０ｄにより構成されている。

まずトルクセンサ２４により検出された操舵トルクＴｈは、入出力インターフェイスＩ／Ｆを介してＭＰＵに入力されると、電気式動力舵取装置２０の安定性を高めるために位相補償部３０ａにより位相補償処理が行われた後、電流指令値演算部３０ｂに出力される。位相補償された操舵トルクＴｈが入力される電流指令値演算部３０ｂには、図略の車速センサにより検出された車速Ｖも入力されるので、電流指令値演算部３０ｂでは、ＭＰＵのメモリに予め記憶されているアシストマップに基づいて、操舵トルクＴｈおよび車速Ｖに対応した電流目標値Ｉｑｍを演算する。この電流指令値演算部３０ｂでは、操舵トルクＴｈのみならず車速Ｖにも対応した電流目標値Ｉｑｍの演算を行っているので、例えば、車速Ｖが小さいときには大きなアシスト力を出力するように、また車速Ｖが大きいときには小さなアシスト力を出力するように、電流目標値Ｉｑｍを演算する、いわゆる車速依存型の電流指令値演算が行われている。

電流指令値演算部３０ｂから電流目標値Ｉｑｍが入力された電流制御部３０ｃでは、電流センサ３７により検出された実際のモータ電流との差に相当する信号に基づいて、ＰＩ制御値又はＰＩＤ制御値を演算し、モータ電流指令値Ｉｑ^＊をＰＷＭ演算部３０ｄに出力する。ＰＷＭ演算部３０ｄでは、このモータ電流指令値Ｉｑ^＊に応じた電圧指令値Ｖq^＊を演算して、さらに、ＰＷＭ演算を行い、その演算結果であるＰＷＭ制御信号（昇圧回路３５Ａ及びインバータ３５Ｂの制御信号）をモータ駆動回路３５に出力する。この結果、モータ駆動回路３５では、これらの制御信号に基づいてモータＭを駆動制御することでモータＭによる適正なアシスト力を発生させることが可能となる。

第１実施形態では、ステアリングホイールの連続操舵等の過負荷状態が継続し、モータ駆動回路３５の昇圧回路３５Ａが温度上昇した際に、その他、致命的ではない異常が発生した際に、昇圧回路３５Ａからの電力供給は継続するものの、その出力を制限する。この出力制限処理について、当該処理のフローチャートである図３を参照して説明する。

ＥＣＵ３０は、図示しない温度センサにより、昇圧回路３５Ａの半導体素子温度を監視しており、半導体素子が高温になると（Ｓ１２：Ｙｅｓ）、昇圧回路３５Ａの出力の制限を実行する（Ｓ１４）。ここでは、昇圧回路３５Ａの出力電力を例えば５００Ｗに制限するものとする。次に、図２を参照して上述したように、モータ電流指令値Ｉｑ^＊に応じた電圧指令値Ｖq^＊を演算し（Ｓ１６）、制限電力Ｐにするための指令電圧値Ｖq_limを下式から演算する（Ｓ１８）。下式を用いるのは、モータに印加する出力電力は、Ｖd×Ｉd＋Ｖq×Ｉqで表されるからである。

ここで、Ｖd：ｄ軸電圧、Ｉd：ｄ軸電流、Ｖq：q軸電圧、Ｉq：ｑ軸電流

そして、電力制限が実行されているかを判断し（Ｓ２０）、実行されていない場合には（Ｓ２０：Ｎｏ）、上記Ｓ１６で演算した電圧指令値Ｖq^＊でブラシレスモータＭを駆動する（Ｓ２６）。即ち、通常の制御を行う。

他方、電力制限が実行されている場合には（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、上記Ｓ１６で演算した電圧指令値Ｖq^＊が、Ｓ１８で演算した指令電圧値Ｖq_limを超えているかを判断する（Ｓ２２）。ここで、電圧指令値Ｖq^＊が指令電圧値Ｖq_limを超えない場合には（Ｓ２２：Ｎｏ）、上記Ｓ２６へ移行し、上記Ｓ１６で演算した電圧指令値Ｖq^＊でブラシレスモータＭを駆動する（Ｓ２６）。即ち、通常の制御を実行する。他方、ステアリングホイールが右又は左方向に素早く切られラックエンド状態になった場合、或いは、前輪が緑石等に当たった場合等で、電圧指令値Ｖq^＊が指令電圧値Ｖq_limを超えている場合には（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、電圧指令値Ｖq^＊を指令電圧値Ｖq_limに置き換えることで５００Ｗの制限出力を超えないようにする（Ｓ２４）。なお、ＥＣＵ３０は、昇圧回路３５Ａの半導体素子が高温では無くなると（Ｓ１２：Ｎｏ）、昇圧回路３５Ａの出力の制限を解除する（Ｓ２８）。

第１実施形態の電気式動力舵取装置では、昇圧回路３５Ａの温度上昇等の所定の事項を検出した際に電圧をモータＭに印加する昇圧回路３５Ａの出力の制限を設定し、制限された出力に応じてモータに印加する制限下での電圧値Ｖq_limを求める。そして、昇圧回路３５Ａの出力の制限が設定されたときに、モータのフィードバック制御のために電流制御部３０ｃより演算された指令電流値に基づき求めた電圧指令値Ｖq^＊が、求められた制限下での電圧値Ｖq_limを超える際には、制限下での電圧Ｖq_limをモータＭに印加する。即ち、モータのフィードバック制御のために電流制御部３０ｃにより演算された指令電流値に基づく電圧値Ｖq^＊では無く、直接、制限下での電圧値Ｖq_limを印加するため、フィードバック制御を介さないため位相系が早くなり、昇圧回路３５Ａの出力が制限を超えることが無くなる。これにより、フェールセーフ等の誤検出を未然に防ぐことができる。

[第２実施形態]
図４を参照して本発明の第２実施形態の電気式動力舵取装置について説明する。
第２実施形態の電気式動力舵取装置のＥＣＵ３０およびモータ駆動回路３５によるアシスト力の制御処理の概要を図４に基づいて説明する。第２実施形態では、第１実施形態と同様に、ＥＣＵ３０のＭＰＵにより行われるアシスト力の制御は、位相補償部３０ａ、電流指令値演算部３０ｂ、電流制御部３０ｃおよびＰＷＭ演算部３０ｄにより構成されている。そして、第１実施形態では、モータ駆動回路側に昇圧回路を内蔵、即ち、ＥＣＵが昇圧回路を備えていたが、第２実施形態では、ＥＣＵの外部にＤＣ／ＤＣコンバータ３７を設けている。

この第２実施形態においても、発熱等により半導体素子の破壊の可能性がある際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７は、ＥＣＵ３０側に電力制限があることを通知し、これによりＥＣＵ３０でＤＣ／ＤＣコンバータ３７の出力に制限を加え、図３を参照して上述した第１実施形態と同様にして、制限電力を超えないように制御を行う。

第２実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７の出力が制限を超えることが無くなる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７側でのフェールセーフ等の誤検出を未然に防ぐことができる。

上述した第１実施形態では昇圧回路の発熱、第２実施形態ではＤＣ／ＤＣコンバータの発熱により出力を制限する例を挙げたが、出力の制限は致命的ではない異常が発生した種々の場合に適用可能である。また、第１実施形態、第２実施形態では、指令電流値Ｉq^＊に基づき求めた電圧指令値Ｖq^＊により直流ブラシレスモータを制御する例を挙げたが、本発明の制御は、電流値Ｉに基づき求めた電圧指令値Ｖ^＊によりブラシモータを制御する場合にも適用可能である。この場合には、電圧指令値Ｖ^＊は、電力Ｐ÷電流Ｉで求めることができる。

図１(A) は、本発明の第１実施形態に係る電気式動力舵取装置の全体構成例を示す構成図で、図１(B) はＥＣＵ等の構成例を示す回路ブロック図である。第１実施形態に係る電気式動力舵取装置のＥＣＵによる制御概要を示す制御ブロック図である。本電気式動力舵取装置のＥＣＵを構成するＭＰＵにより実行される電流制限処理の流れを示すフローチャートである。第２実施形態に係る電気式動力舵取装置のＥＣＵによる制御概要を示す制御ブロック図である。従来技術でのＩq制限電圧の求め方を示すグラフであり、実線が電力一定のラインを示し、破線がＩq制限値を示している。図６（Ａ）は、図５中で実線で示した電力一定のライン中の角速度ωに対応するＩq電流の値を示す図表であり、図６（Ｂ）は、図５中で破線で示したＩq制限値のライン中の角速度ωに対応するＩq電流の値を示す図表である。

符号の説明

２０…電気式動力舵取装置
２１…ステアリングホイール
２４…トルクセンサ（操舵トルク検出手段）
３０…ＥＣＵ
３０ｃ…電流制御部（電流演算手段）
３０ｄ…ＰＷＭ演算部（電圧値演算手段）
３５…モータ駆動回路
３５Ａ…昇圧回路（電圧印加手段）
３７…電流センサ（モータ電流検出手段）
ＭＰＵ…マイクロプロセッサ
Ｍ…モータ
Ｉｑｍ…電流目標値
Ｉｑ^＊…電流指令値
Ｖｑ^＊…電圧指令値
Ｖq_lim…制限下での電圧
Ｓ１２、Ｓ１４…出力制限手段
Ｓ１８…制限電圧値演算手段

Claims

操舵補助力を発生するモータにより操舵をアシストする電気式動力舵取装置であって、
ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
前記モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
少なくとも前記操舵トルク検出手段からの操舵トルク検出値に基づき設定される目標電流値と前記モータ電流との偏差に基づいて、前記モータのフィードバック制御のための指令電流値を演算する電流演算手段と、
前記指令電流値に応じて前記モータに印加する電圧値を求める電圧値演算手段と、
前記電圧値演算手段により求められた電圧をモータに印加する電圧印加手段と、
所定の事項を検出した際に電圧印加手段の出力電力の制限を設定する出力制限手段と、
前記モータ電流及び制限された出力電力に応じてモータに印加する制限下での電圧値を求める制限電圧値演算手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、前記出力制限手段により電圧印加手段の出力電力の制限が設定されたときに、前記電流演算手段により演算された指令電流値に基づき前記電圧値演算手段が求めた電圧値が、前記制限電圧値演算手段により求められた制限下での電圧値を超える際には、前記制限下での電圧値の電圧をモータに印加することを特徴とする電気式動力舵取装置。
前記モータはブラシレスモータであり、
前記電流演算手段は、前記ブラシレスモータをｄ軸、ｑ軸制御し、前記指令電流値としてq軸電流指令値を算出し、
前記制限電圧値演算手段は、制限下での電圧値を：
（制限された出力電力値−d軸電圧×d軸電流）÷q軸電流より求めることを特徴とする請求項１の電気式動力舵取装置。