JP5263079B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、運転者の操舵操作に基づいて電動モータを駆動制御して操舵アシストトルクを発生する電動パワーステアリング装置に関する。

従来から、電動パワーステアリング装置は、運転者が操舵ハンドルに付与した操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクに応じた目標操舵アシストトルクを演算し、この目標操舵アシストトルクが得られるように、電動モータの通電量を制御している。電動モータとしてブラシレスモータを使用した電動パワーステアリング装置も一般化されている。ブラシレスモータは、インバータのスイッチング制御によりＵ相，Ｖ相，Ｗ相への通電が行われる。従って、ブラシレスモータを使用する場合には、位相を制御するために、回転子の回転角（電気角）を検出する回転角センサが設けられる。

回転角センサが故障した場合には、ブラシレスモータの制御が不能となる。そこで、回転角センサが故障した場合には、ブラシレスモータで発生する誘起電圧（逆起電力）に基づいて電気角を推定し、この推定した電気角（推定電気角）を使ってブラシレスモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置も知られている。このように推定電気角を使ったブラシレスモータの制御は、センサレス制御と呼ばれている。

センサレス制御においては、ブラシレスモータで発生する誘起電圧と角速度とが比例関係を有することを利用して、誘起電圧から角速度を算出する。そして、センサレス制御の演算周期と角速度とから、１周期あたりにブラシレスモータが回転した角度を求め、１周期前の電気角にこの回転角度を加算（または減算）することで現時点の電気角、つまり、推定電気角を算出する。こうしたセンサレス制御については、例えば、特許文献１に提案されている。

特開２００８−８７７５６号公報

ところが、センサレス制御を行う場合、保舵中においては、ブラシレスモータで誘起電圧が発生しないため推定電気角が固定されることになる。このため、保舵を解除する場合、つまり、切り増し操作や戻し操作を行う場合には、電気角が進まず、操舵操作に引っ掛かり感を与えてしまう。そこで、特許文献１に提案された電動パワーステアリング装置においては、誘起電圧から算出された推定角速度がゼロ近傍の不感帯内に入っているときに、正の値のオフセット値と負の値のオフセット値を所定の周期で交互に角速度に加算するようにして推定角速度がゼロになることを防止している。しかしながら、この装置では、単にオフセット値（固定値）を正負交互に切り換えて推定角速度に加算するものであるため、保舵中において常にブラシレスモータが正逆回転することになる。従って、ブラシレスモータの振動が操舵ハンドルに伝わってしまい操舵フィーリングが悪い。

本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、センサレス制御を行う場合において、操舵フィーリングの低下を抑制することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、操舵ハンドルからステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生するための電動モータと、前記電動モータの実電気角を検出するための回転角センサと、前記回転角センサの異常を検出するセンサ異常検出手段と、前記センサ異常検出手段により前記回転角センサの異常が検出されているとき、前記電動モータで発生する誘起電圧に基づいて前記電動モータの推定電気角を演算する電気角推定手段と、前記操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクに基づいて目標操舵アシストトルクを発生させるためのモータ制御値を演算するモータ制御値演算手段と、前記回転角センサの異常が検出されていないときには前記実電気角と前記モータ制御値とに基づいて前記電動モータを駆動制御し、前記回転角センサの異常が検出されているときには前記推定電気角と前記モータ制御値とに基づいて前記電動モータを駆動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において、前記電気角推定手段は、前記回転角センサの異常が検出されているとき、前記誘起電圧から前記電動モータの角速度を推定する角速度推定手段と、ハンドル操作による操舵角の変化を検出する操舵角変化検出手段と、前記角速度推定手段により推定された推定角速度が予め設定したゼロ近傍範囲内に入る場合に、前記操舵角変化検出手段により操舵角の変化が検出されたときに前記操舵角の変化方向に前記推定電気角を変化させる推定電気角変更手段とを備えたことにある。

本発明においては、回転角センサの出力信号に基づいて検出された電動モータの電気角（実電気角）と、操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクに応じた目標操舵アシストトルクを発生させるためのモータ制御値とに基づいて、モータ制御手段が電動モータを駆動制御する。電動モータとしては、ブラシレスモータが使用される。回転角センサが故障した場合には電動モータの回転を制御できなくなる。そこで、この発明においては、回転角センサの異常を検出するセンサ異常検出手段を備え、センサ異常検出手段により回転角センサの異常が検出された場合には、電気角推定手段が電動モータで発生する誘起電圧に基づいて電動モータの推定電気角を演算する。この場合、モータ制御手段は、推定電気角とモータ制御値とに基づいて電動モータを駆動制御する。つまり、センサレス制御を行う。

センサレス制御を行う場合、誘起電圧から電動モータの推定角速度を求め、この推定角速度で電動モータが回転する分だけ電気角を回転方向に進めることで推定電気角を算出することができる。しかし、操舵ハンドルが保舵されている状態では、誘起電圧が発生しないため推定電気角が固定されることになり、保舵状態を解除しようとしたときに電気角が進まず、運転者の操舵操作に引っ掛かり感を与えてしまう。そこで、本発明では、推定電気角変更手段が、角速度推定手段により推定された推定角速度が予め設定したゼロ近傍範囲内に入る場合には、操舵角の変化が検出されたときに操舵角の変化方向に推定電気角を変化させる。操舵角の変化は、操舵角変化検出手段により検出される。操舵角変化検出手段は、運転者がハンドル操作したことにより操舵角が変化したことを、少なくともその方向（操舵操作方向）を識別して検出するものであれば良い。

運転者が操舵ハンドルを保舵しているときには、操舵角の変化が検出されないため、推定電気角は変化せず一定となる。そして、保舵状態が解除されると、つまり、切り増し操作や戻し操作が行われると、操舵角変化検出手段が操舵角の変化を検出するため、推定電気角変更手段が操舵角の変化方向（運転者の操舵操作方向）と同じ方向に推定電気角を変化させる。つまり、運転者の操舵操作により電動モータの回転子が回転する方向に推定電気角を変化させる。推定電気角を変化させる量は、一定でも良いし、操舵角の変化量に比例させたものであっても良い。これにより、電動モータは、回転開始のきっかけが与えられてスムーズに回転し始める。従って、運転者に対して操舵操作に引っ掛かりを感じさせない。また、操舵ハンドルを保舵している状態においては、操舵角の変化が検出されないため、従来装置のような推定角速度の正負のオフセット値を設けた場合のように電動モータから振動が発生しない。更に、推定電気角の変更は、操舵操作方向に行われるため、電動モータの回転開始のきっかけを適正に与えることができる。このように、センサレス制御においては、運転者が保舵状態から意図して操舵操作したときのみ、操舵角の変化に基づいて推定電気角を変更するため、操舵フィーリングの低下を抑制することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記操舵角変化検出手段は、前記操舵角の変化方向と変化量を検出するものであり、前記推定電気角変更手段は、前記操舵角変化検出手段により検出した操舵角の変化量に比例した角度だけ前記推定電気角を変化させることにある。

この場合、前記電気角推定手段は、前記角速度推定手段により推定された推定角速度が前記ゼロ近傍範囲内に入らない場合には、前記推定角速度から算出される電気角変化量に基づいて推定電気角を演算し、前記角速度推定手段により推定された推定角速度が前記ゼロ近傍範囲内に入る場合には、前記推定電気角変更手段が前記操舵角の変化量に比例した電気角変化量を算出し、この電気角変化量に基づいて推定電気角を演算するとよい。

本発明においては、推定角速度が予め設定したゼロ近傍範囲内に入る場合には、推定電気角変更手段が、操舵角の変化量に比例した角度だけ推定電気角を変化させる。例えば、操舵角の変化量が大きいほど大きくなる電気角の変化量を算出し、この電気角変化量に基づいて推定電気角を演算する。このため、電動モータの回転開始のきっかけを適正に与えるとともに、電気角の推定精度を向上させることができる。また、推定角速度が予め設定したゼロ近傍範囲内に入らない場合には、推定角速度から算出される電気角変化量に基づいて推定電気角を演算するため適正な推定電気角が得られる。

また、本発明の他の特徴は、前記操舵トルクセンサは、ステアリングシャフトに介挿されたトーションバーの入力側回転角と出力側回転角とを検出し、両回転角の差であるトーションバーの捩れ角度に基づいて、ステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出するものであり、前記操舵角変化検出手段は、前記トーションバーの入力側回転角の変化を検出することにある。

本発明においては、モータ制御値を演算するために使われる操舵トルクセンサの入力側回転角を利用して、操舵角の変化を検出するため、特別に操舵角の変化を検出する装置を設ける必要が無い。つまり、電動パワーステアリング装置のシステム構成を使って操舵角の変化を検出することができる。このため、コストアップを招かない。

また、本発明の他の特徴は、前記推定電気角変更手段は、前記操舵角変化検出手段により検出した操舵角の変化量を前記電動モータの電気角変化量に換算した角度だけ前記推定電気角を変化させることにある。これによれば、推定電気角を変化させる量をさらに適切にすることができる。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 アシストＥＣＵのマイクロコンピュータの処理を表す機能ブロック図である。 電気角推定ルーチンを表すフローチャートである。 アシストマップを表すグラフである。 電動モータの回路図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置について図面を用いて説明する。図１は、同実施形態に係る車両の電動パワーステアリング装置の概略構成を表している。

この電動パワーステアリング装置は、操舵ハンドル１１の操舵操作により転舵輪を転舵するステアリング機構１０と、ステアリング機構１０に組み付けられ操舵アシストトルクを発生する電動モータ２０と、電動モータ２０を駆動するためのモータ駆動回路３０と、電動モータ２０の作動を制御する電子制御装置１００とを主要部として備えている。以下、電子制御装置１００をアシストＥＣＵ１００と呼ぶ。

ステアリング機構１０は、操舵ハンドル１１の回転操作により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲを転舵するための機構で、操舵ハンドル１１を上端に一体回転するように接続したステアリングシャフト１２を備える。このステアリングシャフト１２の下端には、ピニオンギヤ１３が一体回転するように接続されている。ピニオンギヤ１３は、ラックバー１４に形成されたラック歯と噛み合って、ラックバー１４とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ラックバー１４の両端には、タイロッド１５Ｌ，１５Ｒを介して左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲのナックル（図示略）が操舵可能に接続されている。左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲは、ステアリングシャフト１２の軸線回りの回転に伴うラックバー１４の軸線方向の変位に応じて左右に操舵される。

ラックバー１４には、電動モータ２０が組み付けられている。電動モータ２０は、スター（Ｙ）結線された３相ブラシレスＤＣモータが用いられる。電動モータ２０の回転軸は、ボールねじ機構１６を介してラックバー１４に動力伝達可能に接続されていて、その回転により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲに転舵力を付与して操舵操作をアシストする。ボールねじ機構１６は、減速機および回転−直線変換器として機能するもので、電動モータ２０の回転を減速するとともに直線運動に変換してラックバー１４に伝達する。

ステアリングシャフト１２には、操舵トルクセンサ２１が設けられる。操舵トルクセンサ２１は、例えば、ステアリングシャフト１２の中間部に介装されたトーションバー１２ａの上端部（入力側端）および下端部（出力側端）にそれぞれ組み付けられたレゾルバ２１ａ，２１ｂを備える。レゾルバ２１ａは、トーションバー１２ａの入力側の回転角θｔ１（例えば、基準角度位置に対する回転角）を検出し、レゾルバ２１ｂは、トーションバー１２ａの出力側の回転角θｔ２（基準角度位置に対する回転角）を検出し、それぞれ検出した回転角θｔ１，θｔ２を表す検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。２つの回転角θｔ１，θｔ２の差（θｔ１−θｔ２）は、トーションバー１２ａの捩れ角度に相当する。従って、アシストＥＣＵ１００は、２つの回転角θｔ１，θｔ２の差（θｔ１−θｔ２）を使って、ステアリングシャフト１２に働いた操舵トルクＴｒを検出する。操舵トルクＴｒは、正負の値により操舵ハンドル１１の操作方向が識別される。本実施形態においては、操舵ハンドル１１の右方向への操舵時における操舵トルクＴｒを正の値で、操舵ハンドル１１の左方向への操舵時における操舵トルクＴｒを負の値で示す。従って、操舵トルクＴｒの大きさは、その絶対値の大きさとなる。尚、本実施形態においては、トーションバー１２ａの回転角をレゾルバにより検出するが、エンコーダ等の他の回転角センサにより検出することもできる。

電動モータ２０には、回転角センサ２２が設けられる。この回転角センサ２２は、電動モータ２０内に組み込まれ、電動モータ２０の回転子の回転角度位置に応じた検出信号を出力するもので、例えば、レゾルバにより構成される。回転角センサ２２は、電動モータ２０の回転角θｍを表す検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。アシストＥＣＵ１００は、この回転角θｍから電動モータ２０の電気角θｅを検出する。尚、電動モータ２０の電気角θｅは、回転角センサ２２により検出された電気角と、後述する推定により求めた電気角との２種類あるため、両者を区別する必要がある場合には、回転角センサ２２により検出された電気角を実電気角θｅａと呼び、推定により求めた電気角を推定電気角θｅｂと呼ぶ。また、本実施形態においては、回転角センサ２２としてレゾルバを使用しているが、エンコーダ等の他の回転角センサを用いることもできる。

モータ駆動回路３０は、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor Ｆield Ｅffect Ｔransistor）からなる６個のスイッチング素子３１〜３６により３相インバータ回路を構成したものである。具体的には、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２とを直列接続した回路と、第３スイッチング素子３３と第４スイッチング素子３４とを直列接続した回路と、第５スイッチング素子３５と第６スイッチング素子３６とを直列接続した回路とを並列接続し、各直列回路における２つのスイッチング素子間（３１−３２，３３−３４，３５−３６）から電動モータ２０への電力供給ライン３７を引き出した構成を採用している。

モータ駆動回路３０には、電動モータ２０に流れる電流を検出する電流センサ３８が設けられる。この電流センサ３８は、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）ごとに流れる電流をそれぞれ検出し、その検出した電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwに対応した検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。以下、この測定された３相の電流値をモータ電流Ｉuvwと総称する。また、モータ駆動回路３０には、電動モータ２０の端子電圧を検出する電圧センサ３９が設けられる。電圧センサ３９は、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の端子電圧をそれぞれ検出し、その検出した電圧値Ｖu,Ｖv，Ｖwに対応した検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。以下、この測定された３相の端子電圧をモータ端子電圧Ｖuvwと総称する。

モータ駆動回路３０の各スイッチング素子３１〜３６は、それぞれゲートがアシストＥＣＵ１００に接続され、アシストＥＣＵ１００から出力されるＰＷＭ制御信号によりデューティ比が制御される。これにより電動モータ２０の駆動電圧が目標電圧に調整される。尚、図中に回路記号で示すように、スイッチング素子３１〜３６を構成するＭＯＳＦＥＴには、構造上ダイオードが寄生している。

アシストＥＣＵ１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータを主要部として構成される。アシストＥＣＵ１００は、操舵トルクセンサ２１、回転角センサ２２、電流センサ３８、電圧センサ３９、および、車速を検出する車速センサ２５を接続し、操舵トルクＴｒ、回転角θｍ、モータ電流Ｉu，Ｉv，Ｉw、モータ端子電圧Ｖu,Ｖv，Ｖw、車速ｖを表す検出信号を入力する。そして、入力した検出信号に基づいて、運転者の操舵操作に応じた最適な操舵アシストトルクが得られるように電動モータ２０に流す指令電流（モータ制御値）を演算し、その指令電流が流れるようにモータ駆動回路３０の各スイッチング素子３１〜３６のデューティ比を制御する。

次に、電動パワーステアリング装置の電源供給系統について説明する。電動パワーステアリング装置は、車載電源装置８０から電源供給される。車載電源装置８０は、定格出力電圧１２Ｖの一般的な車載バッテリである主バッテリ８１と、エンジンの回転により発電する定格出力電圧１４Ｖのオルタネータ８２とを並列接続して構成される。車載電源装置８０には、電源供給元ライン８３と接地ライン８４が接続される。電源供給元ライン８３は、制御系電源ライン８５と駆動系電源ライン８６とに分岐する。制御系電源ライン８５は、アシストＥＣＵ１００に電源供給するための電源ラインとして機能する。駆動系電源ライン８６は、モータ駆動回路３０とアシストＥＣＵ１００との両方に電源供給する電源ラインとして機能する。

制御系電源ライン８５には、イグニッションスイッチ８７が接続される。駆動系電源ライン８６には、主電源リレー８８が接続される。この主電源リレー８８は、アシストＥＣＵ１００からの制御信号によりオンして電動モータ２０への電力供給回路を形成するものである。制御系電源ライン８５は、アシストＥＣＵ１００の電源＋端子に接続されるが、その途中で、イグニッションスイッチ８７よりも負荷側（アシストＥＣＵ１００側）においてダイオード８９を備えている。このダイオード８９は、カソードをアシストＥＣＵ１００側、アノードを車載電源装置８０側に向けて設けられ、電源供給方向にのみ通電可能とする逆流防止素子である。

駆動系電源ライン８６には、主電源リレー８８よりも負荷側において制御系電源ライン８５と接続する連結ライン９０が分岐して設けられる。この連結ライン９０は、制御系電源ライン８５におけるダイオード８９の接続位置よりもアシストＥＣＵ１００側に接続される。また、連結ライン９０には、ダイオード９１が接続される。このダイオード９１は、カソードを制御系電源ライン８５側に向け、アノードを駆動系電源ライン８６側に向けて設けられる。従って、連結ライン９０を介して駆動系電源ライン８６から制御系電源ライン８５には電源供給できるが、制御系電源ライン８５から駆動系電源ライン８６には電源供給できないような回路構成となっている。駆動系電源ライン８６および接地ライン８４は、モータ駆動回路３０の電源入力部に接続される。また、接地ライン８４は、アシストＥＣＵ１００の接地端子にも接続される。

次に、アシストＥＣＵ１００の機能について図２を用いて説明する。図２は、アシストＥＣＵ１００のマイクロコンピュータのプログラム制御により処理される機能を表す機能ブロック図である。アシストＥＣＵ１００は、アシスト電流指令部１０１を備えている。アシスト電流指令部１０１は、図４に示すように、操舵トルクＴｒと車速ｖとに応じて目標操舵アシストトルクＴ＊を設定するためのアシストマップを記憶する。アシスト電流指令部１０１は、操舵トルクセンサ２１から出力される操舵トルクＴｒ及び車速センサ２５から出力される車速ｖを入力して、このアシストマップを参照することにより目標操舵アシストトルクＴ＊を計算する。この場合、目標操舵アシストトルクＴ＊は、操舵トルクＴｒの増加にしたがって増加するとともに車速ｖの増加にしたがって減少する。アシスト電流指令部１０１は、計算した目標操舵アシストトルクＴ＊をトルク定数で除算することにより、ｄ−ｑ座標系におけるｑ軸指令電流Ｉｑ＊を算出する。

アシストＥＣＵ１００は、電動モータ２０の回転方向をｑ軸とするとともに回転方向と直交する方向をｄ軸とするｄ−ｑ座標系で記述されるベクトル制御によって電動モータ２０の回転を制御する。ｄ軸電流は、電動モータ２０のトルクを発生させるように働かず、弱め界磁制御に使用される。本発明においては、弱め界磁制御については特徴を有さないため、アシスト電流指令部１０１は、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊をゼロ（Ｉｄ＊＝０）に設定するものとする。

このように計算されたｑ軸指令電流Ｉｑ＊とｄ軸指令電流Ｉｄ＊は、フィードバック制御部１０２に出力される。フィードバック制御部１０２は、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊からｑ軸実電流Ｉｑを減算した偏差ΔＩｑを算出し、この偏差ΔＩｑを使った比例積分制御によりｑ軸実電流Ｉｑがｑ軸指令電流Ｉｑ＊に追従するようにｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を計算する。同様に、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊からｄ軸実電流Ｉｄを減算した偏差ΔＩｄを算出し、この偏差ΔＩｄを使った比例積分制御によりｄ軸実電流Ｉｄがｄ軸指令電流Ｉｄ＊に追従するようにｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を計算する。

ｑ軸実電流Ｉｑおよびｄ軸実電流Ｉｄは、電動モータ２０のコイルに実際に流れた３相電流の検出値Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ−ｑ座標系の２相電流に変換したものである。この３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwからｄ−ｑ座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑへの変換は、３相／２相座標変換部１０３によって行われる。３相／２相座標変換部１０３は、電気角選択部１２２から出力される電気角θｅを入力し、その電気角θｅに基づいて、電流センサ３８により検出した３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ−ｑ座標系の２相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。電気角選択部１２２については後述するが、回転角センサ２２の異常が検出されていないときは、電動モータ２０の実電気角θｅａを電気角θｅとして出力し、回転角センサ２２の異常が検出されているときは、電動モータ２０の推定電気角θｅｂを電気角θｅとして出力する。

フィードバック制御部１０２により算出されたｑ軸指令電圧Ｖｑ＊とｄ軸指令電圧Ｖｄ＊は、２相／３相座標変換部１０５に出力される。２相／３相座標変換部１０５は、電気角選択部１２２から出力される電気角θｅに基づいて、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊とｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換して、その変換した３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊をＰＷＭ信号発生部１０６に出力する。ＰＷＭ信号発生部１０６は、３相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対応したＰＷＭ制御信号をモータ駆動回路３０のスイッチング素子３１〜３６に出力する。これにより電動モータ２０が駆動され、目標操舵アシストトルクＴ＊に追従した操舵アシストトルクがステアリング機構１０に付与される。

回転角センサ２２から出力される回転検出信号は、実電気角変換部１２０とセンサ異常検出部１２１とに出力される。実電気角変換部１２０は、回転角センサ２２により出力される回転検出信号から電動モータ２０の実電気角θｅａを算出し、算出した実電気角θｅａを電気角選択部１２２に出力する。センサ異常検出部１２１は、回転角センサ２２から出力される回転検出信号に基づいて、回転角センサ２２の異常を検出する。回転角センサ２２としてレゾルバを採用した場合には、レゾルバ内の検出用コイルや励磁用コイルが断線したり絶縁不良を起こしたりすることが考えられる。そこで、センサ異常検出部１２１は、検出用コイルの出力信号の振幅を監視し、その振幅が予め設定した許容範囲から外れた場合には、センサ異常と判定する。また、検出用コイルは、出力信号がπ／２だけ位相がずれるように一対設けられるため、２つの出力信号を比較して異常を検出することもできる。例えば、一方の検出用コイルから正弦波信号が出力されているときに、他方の検出用コイルから一定値信号が出力されているときなど、２つの出力信号の組み合わせが矛盾するケースにおいても異常であると判定することができる。センサ異常検出部１２１は、このようにして回転角センサ２２の異常の有無を判定し、異様の有無を表すセンサ異常判定信号Ｆを出力する。センサ異常検出部１２１は、例えば、異常有りと判定した場合には、センサ異常判定信号Ｆを「１」に設定し、異常無しと判定した場合にはセンサ異常判定信号Ｆを「０」に設定する。

回転角センサ２２に異常が発生した場合には、電気角を検出できなくなるため、電動モータ２０の回転制御ができなくなる。そこで、アシストＥＣＵ１００には、回転角センサ２２の異常時においても電動モータ２０の回転制御を継続できるように、電気角推定部１１０を備えている。電気角推定部１１０は、その機能に着目すると、誘起電圧演算部１１１と、推定角速度演算部１１２と、推定電気角演算部１１３と、推定電気角変更部１１４とから構成される。

誘起電圧演算部１１１は、電圧センサ３９から出力されるモータ端子電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwを表す検出信号と、電流センサ３８から出力されるモータ電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを表す検出信号とを入力し、電動モータ２０で発生する誘起電圧ｅを以下のように計算する。

図５に示すように、電動モータ２０のＵ相の誘起電圧をｅu、Ｖ相の誘起電圧をｅv、Ｗ相の誘起電圧をｅwとすると、誘起電圧ｅu，ｅv，ｅwは次式（１），（２），（３）にて求められる。
ｅu＝Ｖu−Ｉu・Ｒu−Ｖm ・・・（１）
ｅv＝Ｖv−Ｉv・Ｒv−Ｖm ・・・（２）
ｅw＝Ｖw−Ｉw・Ｒw−Ｖm ・・・（３）
ここで、Ｖmは中点電圧、Ｒu，Ｒv，Ｒwは各相のコイルの巻線抵抗である。中点電圧Ｖmは、Ｖm＝（Ｖu＋Ｖv＋Ｖw）／３として計算すればよい。

この場合、正確には、各相のコイルのインダクタンスＬによる電圧分（Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）を加えるべきであるが、誘起電圧の計算においてはインダクタンスＬによる影響が非常に小さいため、本実施形態においてはそれをゼロとみなしている。尚、インダクタンスＬによる電圧分（Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）を加味して計算するようにしてもよい。

電動モータ２０の誘起電圧ｅは、３相の誘起電圧ｅu，ｅv，ｅwを２相のｄ−ｑ座標系における誘起電圧ｅｄ，ｅｑに変換した後に、次式（４）により求められる。
ｅ＝√（ｅｄ^２＋ｅｑ^２） ・・・（４）
尚、誘起電圧ｅは、各相の誘起電圧ｅu，ｅv，ｅwの絶対値の合計値により算出するようにしてもよい（ｅ＝｜ｅu｜＋｜ｅv｜＋｜ｅw｜）。
誘起電圧演算部１１１は、誘起電圧ｅの演算結果を推定角速度演算部１１２に出力する。

推定角速度演算部１１２は、電動モータ２０で発生する誘起電圧ｅと角速度とが比例関係を有することを利用して、電動モータ２０の角速度を推定するが、電動モータ２０の回転方向を判別する必要があるため、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒの符号を電動モータ２０の回転方向とみなして、次式（５）により電動モータ２０の推定角速度ωｍを算出する。
ωｍ＝ｓｉｇｎ（Ｔｒ）・ｅ／Ｋｅ ・・・（５）
ここで、ｓｉｇｎ（Ｔｒ）は、操舵トルクＴｒの符号（ステアリングシャフト１２に働くトルクの方向）を表し、操舵トルクＴｒが正の値またはゼロであればｓｉｇｎ（Ｔｒ）＝１、操舵トルクＴｒが負の値であればｓｉｇｎ（Ｔｒ）＝−１となる。また、Ｋｅは、電動モータ２０の角速度と誘起電圧との関係を表すモータ誘起電圧定数〔Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）〕である。従って、推定角速度ωｍは、電動モータ２０が右方向に回転しているときには正の値をとり、左方向に回転しているときには負の値をとる。

尚、電動モータ２０の回転方向の検出は、操舵トルクＴｒの符号に代えて、操舵トルクセンサ２１におけるトーションバー１２ａの出力側の回転角θｔ２の微分値の符号を用いても良い。また、操舵ハンドル１１の操舵角を検出する操舵角センサを備えている電動パワーステアリング装置であれば、操舵角センサにより検出される操舵角の微分値の符号を用いることもできる。

推定角速度演算部１１２は、推定角速度ωｍの演算結果を推定電気角演算部１１３と推定電気角変更部１１４とに出力する。推定電気角演算部１１３は、推定角速度演算部１１２から出力された推定角速度ωｍが予め設定したゼロ近傍範囲に入らない場合（｜ωｍ｜＞ω０）に作動する。一方、推定電気角変更部１１４は、推定角速度演算部１１２から出力された推定角速度ωｍが予め設定したゼロ近傍範囲に入る場合（｜ωｍ｜≦ω０）に作動する。ゼロ近傍範囲とは、電気角の変化量を検出できないような（誘起電圧を検出できないような）、推定角速度ωｍが実質的にゼロに等しいとみなされる範囲（−ω０≦ωｍ≦ω０）を設定したものである。ゼロ近傍判定値ω０をゼロに設定してもよい。

アシストＥＣＵ１００は、マイクロコンピュータにより所定の短い演算周期にて各種の演算処理を行う。推定電気角演算部１１３も、この演算周期にて推定電気角θｅｂを演算する。この場合、推定電気角演算部１１３は、１周期前の演算タイミングで算出した推定電気角θｅｂ(n-1)を記憶しており、推定角速度演算部１１２から入力した推定角速度ωｍに基づいて、１演算周期のあいだに電動モータ２０の回転子が回転した電気角Δθｅを求め、この電気角Δθｅを直前回に算出した推定電気角θｅｂ（n-1)に加算することにより現在の推定電気角θｅｂ(n)を算出する。
θｅｂ(n)＝θｅｂ（n-1)＋Δθｅ ・・・（６）
Δθｅ＝Ｋｆ・ωｍ
ここでＫｆは、角速度（ｒａｄ／ｓ）から１演算周期のあいだに電動モータ２０が回転する電気角（ｒａｄ）を求めるための定数であり、演算周期（ｓ）に相当する。

この場合、推定電気角θｅｂ（n-1)の初期値は、センサ異常検出部１２１により回転角センサ２２の異常が検出される直前の値としている。推定電気角演算部１１３は、回転角センサ２２の異常が検出されていない時から、実電気角変換部１２０が出力する実電気角θｅａを入力して記憶更新し、センサ異常検出部１２１の出力するセンサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２の異常を表す「１」に切り替わったことを検出すると、異常検出直前の実電気角θｅａを推定電気角θｅｂ（n-1)に設定して、上述した推定電気角θｅｂ(n)の演算を開始する。また、その後は、算出した推定電気角θｅｂ(n)を次の演算周期における式（６）での推定電気角θｅｂ（n-1)として使用するため、推定電気角θｅｂ(n)を推定電気角θｅｂ（n-1)として逐次記憶更新する。

回転角センサ２２が正常である場合には、保舵中であっても、僅かな電動モータ２０の回転を検出して実電気角が変化するため、保舵を解除するときでもスムーズに電動モータ２０を駆動させることができる。しかし、センサレス制御を実行しているときには、保舵中においては、電動モータ２０で誘起電圧が発生しないため、上述のように推定電気角θｅｂを演算すると、推定電気角θｅｂが固定されてしまう。このため、保舵を解除する場合、つまり、切り増し操舵や戻し操舵を開始する場合には、電気角が進まず、運転者の操舵操作に引っ掛かり感を与えてしまう。

そこで、電気角推定部１１０においては、推定角速度ωｍがゼロ近傍範囲に入る場合には、推定電気角演算部１１３に代わって推定電気角変更部１１４が作動する。推定電気角変更部１１４は、操舵トルクセンサ２１においてトーションバー１２ａの入力側の回転角θｔ１を検出するレゾルバ２１ａから検出信号を入力し、回転角θｔ１の変化量Δθｔ１を算出する。この推定電気角変更部１１４も所定の短い演算周期で作動するものであるため、変化量Δθｔ１は、今回検出した回転角θｔ１(n)と１周期前の回転角θｔ１(n-1)との差分値となる。そして、変化量Δθｔ１に対応する電動モータ２０の電気角の変化量Δθｅｔ１を算出し、この変化量Δθｅｔ１を１周期前の推定電気角θｅｂ(n-1)に加算した値を推定電気角θｅｂ(n)とする（θｅｂ(n)＝θｅｂ(n-1)＋Δθｅｔ１）。尚、変化量Δθｅｔ１の算出にあたっては、ステアリングシャフト１２の回転角と電動モータ２０の電気角の変化量との比を換算係数Ｋｒとして予め記憶しておき、Δθｔ１に換算係数Ｋｒを乗じることにより変化量Δθｅｔ１を算出すればよい。また、推定電気角変更部１１４は、その作動開始時においては、推定電気角演算部１１３に記憶されている推定電気角θｅｂ(n-1)を初期値として読み込んで演算を行う。

推定電気角演算部１１３、あるいは、推定電気角変更部１１４は、算出した推定電気角θｅｂを電気角選択部１２２に出力する。電気角選択部１２２は、実電気角θｅａと推定電気角θｅｂとを入力し、センサ異常検出部１２１からセンサ異常判定信号Ｆを読み込んで、センサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２が異常であることを表す「１」である場合には推定電気角θｅｂを選択して電気角θｅとして出力する。また、センサ異常判定信号Ｆが回転角センサ２２が正常であることを表す「０」である場合には実電気角θｅａを選択して電気角θｅとして出力する。

ここで、電気角推定部１１０の処理について、フローチャートを使って説明する。図３は、アシストＥＣＵ１００の電気角推定部１１０が実行する電気角推定ルーチンを表す。電気角推定ルーチンは、アシストＥＣＵ１００のＲＯＭ内に制御プログラムとして記憶されており、イグニッションスイッチ８７がオンされた後、センサ異常検出部１２１から出力されるセンサ異常判定信号ＦがＦ＝１になると起動し、所定の短い周期にて繰り返し実行される。

電気角推定ルーチンが起動すると、電気角推定部１１０は、まず、ステップＳ１１において、電圧センサ３９から出力される電動モータ２０の端子電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwを読み込み、ステップＳ１２において、電流センサ３８から出力される電動モータ２０の３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを読み込み、ステップＳ１３において、操舵トルクセンサ２１により検出される操舵トルクＴｒを読み込む。続いて、ステップＳ１４において、上述した式（１），（２），（３），（４）を使って、電動モータ２０の誘起電圧ｅを算出する。このステップＳ１１〜Ｓ１４までの処理は誘起電圧演算部１１１により実行される。続いて、ステップＳ１５において、上述した式（５）を使って、推定角速度ωｍを算出する。ステップＳ１５の処理は推定角速度演算部１１２により実行される。

続いて、ステップＳ１６において、推定角速度ωｍが予め設定したゼロ近傍範囲に入っているか否かを判断する。ここでは、推定角速度ωｍの大きさ（絶対値）がゼロ近傍判定値ω０（ゼロに近い正の値、ゼロでもよい）以下であるか否かを判断する。推定角速度ωｍが予め設定したゼロ近傍範囲に入っていない場合（Ｓ１６：Ｎｏ）には、ステップＳ１７において、上述した式（６）を使って、推定電気角θｅｂ（ｎ）を算出する。

一方、推定角速度ωｍが予め設定したゼロ近傍範囲に入っている場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）には、ステップＳ１８において、操舵トルクセンサ２１のレゾルバ２１ａから回転角θｔ１を読み込み、ステップＳ１９において、この回転角θｔ１の変化量Δθｔ１を算出する。この変化量Δθｔ１は、今回読み込んだ回転角をθｔ１(n)とし、前回（１演算周期前）に読み込んだ回転角をθｔ１(n-1）として、その差（θｔ１(n)−θｔ１(n-1））を求めた値である。尚、θｔ１(n-1）が検出されていない初期においては、例えば、変化量Δθｔ１をゼロとして、次の演算周期において、今回読み込んだ回転角θｔ１(n)をθｔ１(n-1）として使用すればよい。

続いて、ステップＳ２０において、回転角θｔ１の変化量Δθｔ１に換算係数Ｋｒを乗じることにより、変化量Δθｔ１に対応する電気角の変化量Δθｅｔ１を算出する（Δθｅｔ１＝Ｋｒ・Δθｔ１）。続いて、ステップＳ２１において、この変化量Δθｅｔ１を１周期前の推定電気角θｅｂ(n-1)に加算することにより推定電気角θｅｂ(n)を算出する（θｅｂ(n)＝θｅｂ(n-1)＋Δθｅｔ１）。従って、操舵ハンドル１１が保舵されている状態においては、変化量Δθｅｔ１がゼロであるため推定電気角θｅｂ(n)は変化しない。また、操舵ハンドル１１が保舵されている状態から切り増し操作や戻し操作が行われたときには、レゾルバ２１ａの回転角θｔ１が変化するため、その変化方向に、変化量Δθｔ１に応じた量だけ推定電気角θｅｂ(n)が変更される。

電気角推定部１１０は、ステップＳ１７あるいはステップＳ２１により推定電気角θｅｂ(n)を算出すると、電気角推定ルーチンを一旦終了する。このとき、電気角推定部１１０は、算出した推定電気角θｅｂ(n)を電気角選択部１２２に出力するとともに、次回の演算のために、推定電気角θｅｂ(n)を推定電気角θｅｂ(n-1)として記憶しておく。そして、センサ異常検出部１２１から出力されるセンサ異常判定信号ＦがＦ＝１になっているあいだ、所定の演算周期にて電気角推定ルーチンを実行する。

尚、ステップＳ１６の判断は推定電気角演算部１１３と推定電気角変更部１１４との両方にて実行され、ステップＳ１７の処理は推定電気角演算部１１３により実行され、ステップＳ１８〜Ｓ２１の処理は推定電気角変更部１１４により実行される。

以上説明した本実施形態の電動パワーステアリング装置によれば、回転角センサ２２の異常をセンサ異常検出部１２１にて検出した場合には、電気角推定部１１０により推定電気角θｅｂを算出し、この推定電気角θｅｂを用いて電動モータ２０の回転制御を行う。つまり、センサレス制御を行う。このセンサレス制御では、推定角速度ωｍがゼロ近傍範囲に入っている状態においては、レゾルバ２１ａの回転角θｔ１の変化量Δθｔ１に対応した角度だけ推定電気角θｅｂを変化させる。このため、保舵状態においては推定電気角θｅｂは変化しないが、保舵状態から切り増し操作や戻し操作が行われた時には、その操舵操作方向と回転角の変化量Δθｔ１とを瞬時に捉えて、推定電気角θｅｂを操舵操作方向に変更する。これにより、電動モータ２０がスムーズに回転し始めるため、運転者に対して操舵操作に引っ掛かりを感じさせない。また、操舵ハンドル１１を保舵している状態においては、レゾルバ２１ａの回転角θｔ１の変化量Δθｔ１がゼロに維持されるため、従来装置のように推定角速度の正負のオフセット値を設けた場合のような電動モータ２０からの振動が発生しない。更に、推定電気角θｅｂの変更は、操舵操作方向に行われるため、電動モータ２０の回転開始のきっかけを適正に与えることができる。このように、本実施形態においては、運転者が保舵状態から意図して操舵操作したときのみ、推定電気角θｅｂが操舵方向に進められるため、センサレス制御中であっても操舵フィーリングの低下を抑制することができる。

以上、本実施形態の電動パワーステアリング装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、推定角速度ωｍが予め設定したゼロ近傍範囲に入っている場合に、レゾルバ２１ａの回転角θｔ１の変化量Δθｔ１を電動モータ２０の電気角に換算した角度だけ推定電気角θｅｂを変化させる構成を採用しているが、推定電気角θｅｂの変更量は、必ずしも、電動モータ２０の電気角に換算した角度にする必要はなく、レゾルバ２１ａの回転角θｔ１の変化量Δθｔ１に比例した角度（θｔ１が大きいほど大きくなる角度）に設定してもよい。また、操舵操作による操舵角の変化方向（変化量Δθｔ１の符号）のみを検出して、推定電気角θｅｂを操舵角の変化方向に一定角度だけ変化させる構成であってもよい。

また、本実施形態においては、推定電気角θｅｂ（n-1)の初期値として、回転角センサ２２の異常が検出される直前の実電気角θｅａの値を用いているが、それに代えて固定値を用いても良い。これは、初期の推定電気角が実電気角と相違していても、電動モータ２０が回転しているうちに、回転子の回転位置が制御上の推定電気角に同期してくるからである。

また、本実施形態においては、電動モータ２０の発生するトルクをラックバー１４に付与するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置について説明したが、電動モータの発生するトルクをステアリングシャフト１２（トーションバー１２ａより出力側）に付与するコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置であってもよい。

尚、本実施形態におけるアシストＥＣＵ１００の電気角推定ルーチンを実行する機能部（電気角推定部１１０）が本発明の電気角推定手段に相当する。また、アシストＥＣＵ１００に設けられたアシスト電流指令部１０１が本発明のモータ制御値演算手段に相当する。また、アシストＥＣＵ１００に設けられたフィードバック制御部１０２，３相／２相座標変換部１０３，２相／３相座標変換部１０５，ＰＷＭ制御信号発生部１０６とモータ駆動回路３０が本発明のモータ制御手段に相当する。また、推定角速度演算部１１２が本発明の角速度推定手段に相当する。また、アシストＥＣＵ１００の電気角推定ルーチンにおいて行うステップＳ１８，Ｓ１９の処理が本発明の操舵角変化検出手段に相当する。また、推定電気角変更部１１４が本発明の推定電気角変更手段に相当する。

１０…ステアリング機構、１１…操舵ハンドル、１２…ステアリングシャフト、１２ａ…トーションバー、２１…操舵トルクセンサ、２１ａ，２１ｂ…レゾルバ、２２…回転角センサ、２５…車速センサ、３０…モータ駆動回路、３８…電流センサ、３９…電圧センサ、１００…電子制御装置（アシストＥＣＵ）、１０１…アシスト電流指令部、１０２…フィードバック制御部、１０３…３相／２相座標変換部、１０５…２相／３相座標変換部、１０６…ＰＷＭ制御信号発生部、１１０…電気角推定部、１１１…誘起電圧演算部、１１２…推定角速度演算部、１１３…推定電気角演算部、１１４…推定電気角変更部、１２０…実電気角変換部、１２１…センサ異常検出部、１２２…電気角選択部。

Claims (5)

1. 操舵ハンドルからステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、
   ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生するための電動モータと、
   前記電動モータの実電気角を検出するための回転角センサと、
   前記回転角センサの異常を検出するセンサ異常検出手段と、
   前記センサ異常検出手段により前記回転角センサの異常が検出されているとき、前記電動モータで発生する誘起電圧に基づいて前記電動モータの推定電気角を演算する電気角推定手段と、
   前記操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクに基づいて目標操舵アシストトルクを発生させるためのモータ制御値を演算するモータ制御値演算手段と、
   前記回転角センサの異常が検出されていないときには前記実電気角と前記モータ制御値とに基づいて前記電動モータを駆動制御し、前記回転角センサの異常が検出されているときには前記推定電気角と前記モータ制御値とに基づいて前記電動モータを駆動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において、
   前記電気角推定手段は、
   前記回転角センサの異常が検出されているとき、前記誘起電圧から前記電動モータの角速度を推定する角速度推定手段と、
   ハンドル操作による操舵角の変化を検出する操舵角変化検出手段と、
   前記角速度推定手段により推定された推定角速度が予め設定したゼロ近傍範囲内に入る場合に、前記操舵角変化検出手段により操舵角の変化が検出されたときに前記操舵角の変化方向に前記推定電気角を変化させる推定電気角変更手段と
   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。
2. 前記操舵角変化検出手段は、前記操舵角の変化方向と変化量を検出するものであり、
   前記推定電気角変更手段は、前記操舵角変化検出手段により検出した操舵角の変化量に比例した角度だけ前記推定電気角を変化させることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記電気角推定手段は、
   前記角速度推定手段により推定された推定角速度が前記ゼロ近傍範囲内に入らない場合には、前記推定角速度から算出される電気角変化量に基づいて推定電気角を演算し、前記角速度推定手段により推定された推定角速度が前記ゼロ近傍範囲内に入る場合には、前記推定電気角変更手段が前記操舵角の変化量に比例した電気角変化量を算出し、この電気角変化量に基づいて推定電気角を演算することを特徴とする請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記操舵トルクセンサは、ステアリングシャフトに介挿されたトーションバーの入力側回転角と出力側回転角とを検出し、両回転角の差であるトーションバーの捩れ角度に基づいて、ステアリングシャフトに入力された操舵トルクを検出するものであり、
   前記操舵角変化検出手段は、前記トーションバーの入力側回転角の変化を検出することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記推定電気角変更手段は、前記操舵角変化検出手段により検出した操舵角の変化量を前記電動モータの電気角変化量に換算した角度だけ前記推定電気角を変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか一項記載の電動パワーステアリング装置。

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