JP5342715B2 - Vehicle steer-by-wire system and vehicle steer-by-wire system control method - Google Patents
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Description
本願発明は、操舵装置と転舵装置の間の機械的結合をなくして電気的に結合する車両用ステアバイワイヤシステムとその車両用ステアバイワイヤシステムの制御方法に関する。 The present invention relates to a steer-by-wire system for a vehicle that is electrically coupled without mechanical coupling between a steering device and a steering device, and a control method for the steer-by-wire system for a vehicle.
操舵装置の反力アクチュエータとしてのモータ（反力モータ）と転舵装置の転舵アクチュエータとしてのモータ（転舵モータ）を制御する車両用ステアバイワイヤシステムにおいて、従来車速センサにより検出された車速と操舵装置のハンドルの回転軸に取り付けた操舵角センサにより検出された操舵角に基づいて目標転舵角を設定し、その目標転舵角と転舵角センサにより検出された転舵角との偏差に基づいて転舵モータを制御するとともに、前記センサやハンドルの軸に取り付けたトルクセンサ等の検出信号に基づいて操舵装置のハンドルの操作方向と逆方向の反力を発生させるように反力モータを制御するステアバイワイヤシステムが提案されている（特許文献１）。 In a vehicle steer-by-wire system that controls a motor (reaction motor) as a reaction force actuator of a steering device and a motor (steering motor) as a steering actuator of a steering device, the vehicle speed and steering detected by a conventional vehicle speed sensor The target turning angle is set based on the steering angle detected by the steering angle sensor attached to the rotation shaft of the steering wheel of the device, and the deviation between the target turning angle and the turning angle detected by the turning angle sensor is set. The reaction motor is controlled so as to generate a reaction force in the direction opposite to the operation direction of the steering wheel of the steering device based on a detection signal from the sensor or a torque sensor attached to the shaft of the steering wheel. A steer-by-wire system to be controlled has been proposed (Patent Document 1).
前記従来のステアバイワイヤシステムは、転舵輪のタイヤが路面から受ける力（反力）が反力モータへ反映されないため、車の運転者は、路面の凹凸等の路面の力を実感することができない。そのため操舵装置のハンドルを操作するときの操舵フィーリングが悪い。
本願発明は、従来のステアバイワイヤシステムにおける前記問題点に鑑み、ステアバイワイヤシステムでありながら油圧式パワーステアリングシステムに近い操舵フィーリングを実現できるステアバイワイヤシステムとその車両用ステアバイワイヤシステムの制御方法を提供することを目的とする。
In the conventional steer-by-wire system, the force (reaction force) that the tire of the steered wheel receives from the road surface is not reflected in the reaction force motor, so that the driver of the car cannot feel the road force such as the unevenness of the road surface. . For this reason, the steering feeling when operating the steering wheel of the steering device is poor.
The present invention provides a steer-by-wire system capable of realizing a steering feeling similar to that of a hydraulic power steering system, and a control method for the steer-by-wire system for a vehicle, in view of the above-described problems in the conventional steer-by-wire system. The purpose is to do.
本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の車両用ステアバイワイヤシステムは、反力アクチュエータとして反力モータを用いた操舵装置と転舵用アクチュエータとして転舵モータを用いた転舵装置を備えた車両用ステアバイワイヤシステムにおいて、反力モータに加わる入力トルクを反力モータのモータ電流と反力モータのロータ位置に基づいて推定し、その推定した入力トルクを任意の伝達倍率倍して反力モータへ伝達し、転舵モータに加わる入力トルクを転舵モータのモータ電流と転舵モータのロータ位置に基づいて推定し、その推定した入力トルクを転舵モータへ伝達するとともにその推定した入力トルクを任意の伝達倍率倍して反力モータへ伝達し、反力モータのロータ位置と転舵モータのロータ位置の偏差を位置制御用ゲイン倍し、トルクに変換して転舵モータへ伝達することを特徴とする。
請求項２に記載の車両用ステアバイワイヤシステムは、請求項１に記載の車両用ステアバイワイヤシステムにおいて、転舵モータは複数個であることを特徴とする。
In order to achieve the object of the present invention, the vehicle steer-by-wire system according to claim 1 includes a steering device using a reaction force motor as a reaction force actuator and a turning device using a turning motor as a turning actuator. In a vehicle steer-by-wire system equipped with a device, the input torque applied to the reaction force motor is estimated based on the motor current of the reaction force motor and the rotor position of the reaction force motor, and the estimated input torque is multiplied by an arbitrary transmission magnification. The input torque applied to the steering motor is estimated based on the motor current of the steering motor and the rotor position of the steering motor, and the estimated input torque is transmitted to the steering motor and estimated. The input torque is multiplied by an arbitrary transmission magnification and transmitted to the reaction force motor, and the deviation between the rotor position of the reaction force motor and the rotor position of the steered motor is controlled. Use gain multiplied, characterized by transmitting to the steering motor is converted into torque.
The vehicle steer-by-wire system according to claim 2 is the vehicle steer-by-wire system according to claim 1, wherein the steered motor includes a plurality of steering motors.
請求項３に記載の車両用ステアバイワイヤシステムの制御方法は、反力アクチュエータとして反力モータを用いた操舵装置と転舵用アクチュエータとして転舵モータを用いた転舵装置を備えた車両用ステアバイワイヤシステムにおいて、反力モータに加わる入力トルクを反力モータのモータ電流と反力モータのロータ位置に基づいて推定し、その推定した入力トルクを任意の伝達倍率倍して反力モータへ伝達し、転舵モータに加わる入力トルクを転舵モータのモータ電流と転舵モータのロータ位置に基づいて推定し、その推定した入力トルクを転舵モータへ伝達するとともにその推定した入力トルクを任意の伝達倍率倍して反力モータへ伝達し、反力モータのロータ位置と転舵モータのロータ位置の偏差を位置制御用ゲイン倍し、トルクに変換して転舵モータへ伝達することを特徴とする。
請求項４に記載の車両用ステアバイワイヤシステムの制御方法は、請求項３に記載の車両用ステアバイワイヤシステムの制御方法において、転舵モータは複数個であることを特徴とする。
The vehicle steer-by-wire system control method according to claim 3 is a vehicle steer-by-wire system including a steering device using a reaction motor as a reaction force actuator and a steering device using a steering motor as a steering actuator. In the system, the input torque applied to the reaction force motor is estimated based on the motor current of the reaction force motor and the rotor position of the reaction force motor, and the estimated input torque is multiplied by an arbitrary transmission magnification and transmitted to the reaction force motor. The input torque applied to the steered motor is estimated based on the motor current of the steered motor and the rotor position of the steered motor, and the estimated input torque is transmitted to the steered motor and the estimated input torque is transmitted to an arbitrary transmission magnification. The difference between the rotor position of the reaction force motor and the rotor position of the steered motor is multiplied by the position control gain and converted to torque. Characterized in that it to transmit to the steering motor.
A vehicle steer-by-wire system control method according to a fourth aspect of the present invention is the vehicle steer-by-wire system control method according to the third aspect, wherein a plurality of steering motors are provided.
本願発明は、操舵装置の反力モータと転舵装置の転舵モータに加わるトルクを夫々推定し、その推定したトルクは、夫々任意に設定した伝達倍率倍して転舵モータから反力モータへ、反力モータから転舵モータへ伝達されるから、転舵輪が路面から受ける力を操舵装置のハンドルへ伝えることができる。したがって本願発明は、油圧式パワーステアリングシステムに近い操舵フィーリングを実現できる。また伝達倍率は、運転者の好みに応じて変えることができるから、運転者の好みに合った操舵フィーリングを実現できる。 The present invention estimates the torque applied to the reaction force motor of the steering device and the steering motor of the steering device, respectively, and the estimated torque is multiplied by an arbitrarily set transmission magnification from the steering motor to the reaction force motor. Since the reaction force motor is transmitted to the steering motor, the force received by the steered wheels from the road surface can be transmitted to the steering wheel of the steering device. Therefore, the present invention can realize a steering feeling close to that of a hydraulic power steering system. Further, since the transmission magnification can be changed according to the driver's preference, a steering feeling that matches the driver's preference can be realized.
本願発明は、転舵装置に２個の転舵モータを用いているから、２個の転舵モータが正常に駆動しているときは、各モータの負担は１／２になるからモータの信頼性が向上し、またいずれか一方の転舵モータが故障したときは、残りの転舵モータで操舵を継続できるから安全性を確保できる。
本願発明のセンサは、電流センサとモータのロータ位置を検出する位置センサのみでよいから、センサの個数や種類が少なくてよい。
Since the present invention uses two steered motors in the steered device, when the two steered motors are operating normally, the burden on each motor is halved. When one of the steering motors fails, the steering can be continued with the remaining steering motor, so that safety can be ensured.
Since the sensor of the present invention only needs to be a current sensor and a position sensor that detects the rotor position of the motor, the number and types of sensors may be small.
図１〜図８により本願発明の実施例に係るステアバイワイヤシステムを説明する。 A steer-by-wire system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は、本願発明の実施例に係るステアバイワイヤシステムの概要を示すブロック図である。
ステアバイワイヤシステムは、操舵装置５１、転舵装置５２、マイコン等によって構成する制御装置６０等からなる。操舵装置５１は、ハンドル５１１、ハンドル５１１によって回転する回転軸５１２、回転軸５１２と一体の回転軸を持つ反力アクチュエータとしてのモータ（反力モータ）１１、モータ駆動回路１２、モータ電流を検出する電流センサＳ１１，Ｓ１２、モータ１１のロータ位置（回転角度）を検出する位置センサＳ１３等を備えている。転舵装置５２は、ラックアンドピニオン５２２、転舵アクチュエータとしてのモータ（転舵モータ）２１、モータ駆動回路２２、モータ電流を検出する電流センサＳ２１，Ｓ２２、モータ２１のロータの位置（回転角度）を検出する位置センサＳ２３等を備えている。モータ２１は、ラックアンドピニオン５２２を駆動して一対の転舵輪５２１を旋回してその方向を変える。モータ１１、モータ２１は、例えば永久磁石同期モータを用いるが、他のモータであってもよい。
制御装置６０は、モータ１１，２１の電流を制御する電流制御部６１，６２等からなる。
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a steer-by-wire system according to an embodiment of the present invention.
The steer-by-wire system includes a steering device 51, a steering device 52, a control device 60 configured by a microcomputer and the like. The steering device 51 detects a handle 511, a rotating shaft 512 rotated by the handle 511, a motor (reaction force motor) 11 having a rotating shaft integral with the rotating shaft 512, a motor driving circuit 12, and a motor current. Current sensors S11 and S12, a position sensor S13 for detecting the rotor position (rotation angle) of the motor 11, and the like are provided. The steering device 52 includes a rack and pinion 522, a motor (steering motor) 21 as a steering actuator, a motor drive circuit 22, current sensors S21 and S22 for detecting motor current, and a rotor position (rotation angle) of the motor 21. Position sensor S23 etc. which detect this. The motor 21 drives the rack and pinion 522 to turn the pair of steered wheels 521 and changes its direction. As the motor 11 and the motor 21, for example, a permanent magnet synchronous motor is used, but another motor may be used.
The control device 60 includes current control units 61 and 62 that control currents of the motors 11 and 21.
制御装置６０は、モータ１１のモータ電流とモータ１１のロータ位置に基づいてモータ１１に加えられた入力トルクを推定し、その推定した入力トルクを任意の伝達倍率倍してモータ２１へ伝達してモータ２１を制御する。一方制御装置６０は、モータ２１のモータ電流とモータ２１のロータ位置に基づいてモータ２１に加えられた入力トルクを推定し、その推定した入力トルクを任意の伝達倍率倍してモータ１１へ伝達する。即ち制御装置６０は、モータ１１，２１に加えられた入力トルクを夫々推定してその推定した入力トルクを双方のモータへ伝達して両モータのロータの位置（回転角度）が一致するように制御する。また一方のモータから他方のモータへ伝達するトルクの大きさは、伝達倍率を任意の値に設定することにより調整することができる。 The control device 60 estimates the input torque applied to the motor 11 based on the motor current of the motor 11 and the rotor position of the motor 11, and multiplies the estimated input torque by an arbitrary transmission magnification and transmits it to the motor 21. The motor 21 is controlled. On the other hand, the control device 60 estimates the input torque applied to the motor 21 based on the motor current of the motor 21 and the rotor position of the motor 21, and transmits the estimated input torque to the motor 11 by multiplying the estimated input torque by an arbitrary transmission magnification. . That is, the control device 60 estimates the input torque applied to the motors 11 and 21, respectively, and transmits the estimated input torque to both motors so that the positions (rotation angles) of the rotors of both motors match. To do. The magnitude of torque transmitted from one motor to the other motor can be adjusted by setting the transmission magnification to an arbitrary value.
図２は、図１のステアバイワイヤシステムの具体例を示すブロック線図である。
図２は、永久磁石同期モータのベクトル制御方式を適用し、ｄ軸、ｑ軸電流を非干渉かつ最大効率となるように制御するもので、ｄ軸電流を０としたときのブロック線図である。
図２において、上半分は、モータ１１に関係するブロック線図で、モータ１１、駆動回路１２、トルク推定回路１３、伝達倍率（Ａ1−１）の増力回路１４等を備えている。下半分は、モータ２１に関係するブロック線図で、モータ２１、駆動回路２２、トルク推定回路２３、伝達倍率Ａ2の増力回路２４、位置制御用ゲイン回路２６、位置・トルク変換回路２７等を備えている。
FIG. 2 is a block diagram showing a specific example of the steer-by-wire system of FIG.
FIG. 2 is a block diagram when the vector control method of the permanent magnet synchronous motor is applied and the d-axis and q-axis currents are controlled to be non-interfering and have the maximum efficiency. is there.
In FIG. 2, the upper half is a block diagram related to the motor 11 and includes the motor 11, the drive circuit 12, the torque estimation circuit 13, a transmission magnification (A 1 −1) booster circuit 14, and the like. The lower half is a block diagram related to the motor 21. The motor 21, the drive circuit 22, the torque estimation circuit 23, the transmission magnification A 2 boosting circuit 24, the position control gain circuit 26, the position / torque conversion circuit 27, etc. I have.
トルク推定回路１３は、モータ電流ｉq1とモータ１１のロータ位置θ1に基づいてモータ１１のロータ軸に加えられる入力トルクＴi1を推定して推定トルクＴ＾i1を算出する。推定トルクＴ＾i1は、増力回路１４で（Ａ1−１）倍され、加算点１５を介して駆動回路１２へ伝達される。一方推定回路２３は、モータ電流ｉq2とモータ２１のロータ位置θ2に基づいてモータ２１のロータ軸に加えられる入力トルクＴi2を推定して推定トルクＴ＾i2を算出する。推定トルクＴ＾i2は、駆動回路２２へ伝達されるとともに、増力回路２４でＡ2倍され、加算点１５を介してモータ１１の駆動回路１２へ伝達される。モータ２１側の加算点２５は、モータ１１とモータ２１のロータ位置θ1，θ2の偏差を算出し、そのロータ位置偏差は、位置制御用ゲイン回路２６でＡ3倍され、位置・トルク変換回路２７でトルクに変換されて駆動回路２２へ伝達される。
なお後述するように、モータ２１のロータ位置θ 2 は、モータ１１のロータ位置θ 1 を用いて算出し、ロータ位置θ 1 は、モータ１１の推定トルクＴ^ｉ１を用いて算出するから、モータ１１の推定トルクＴ^ｉ１は、ロータ位置θ 1 を介してモータ２１の駆動回路２２へ伝達される。
The torque estimation circuit 13 estimates the input torque T i1 applied to the rotor shaft of the motor 11 based on the motor current i q1 and the rotor position θ 1 of the motor 11 to calculate the estimated torque T i1 . The estimated torque T i1 is multiplied by (A 1 −1) by the booster circuit 14 and transmitted to the drive circuit 12 via the addition point 15. On the other hand, the estimation circuit 23 estimates the input torque T i2 applied to the rotor shaft of the motor 21 based on the motor current i q2 and the rotor position θ 2 of the motor 21 to calculate the estimated torque T i2 . The estimated torque T i2 is transmitted to the drive circuit 22, multiplied by A 2 by the booster circuit 24, and transmitted to the drive circuit 12 of the motor 11 via the addition point 15. The addition point 25 on the motor 21 side calculates the deviation between the rotor positions θ 1 and θ 2 of the motor 11 and the motor 21, and the rotor position deviation is multiplied by A 3 by the position control gain circuit 26 to convert the position and torque. It is converted into torque by the circuit 27 and transmitted to the drive circuit 22.
Incidentally, as described later, a rotor position theta 2 of the motor 21, is calculated by using the rotor position theta 1 of the motor 11, the rotor position theta 1, since calculated using the estimated torque T ^ i1 of the motor 11, the motor estimated torque T ^ i1 of 11 is transmitted to the drive circuit 22 of the motor 21 via a rotor position theta 1.
次に図２におけるモータ１１,２１のロータ位置θ1，θ2の関係について説明する。
図２において、Ｒa1,Ｒa2はモータ１１，２１の電機子抵抗、Ｌaq1,Ｌaq2はモータ１１，２１の電機子リアクタンス、Ｊ1，Ｊ2はモータ１１，２１の慣性モーメント、Ｄ1，Ｄ2はモータ１１，２１の粘性制動係数、ＫT1，ＫT2はモータ１１，２１のトルク定数、ＫE1，ＫE2はモータ１１，２１の逆起電力定数である。Ｔi1，Ｔi2はモータ１１，２１へ加えられる入力トルク、Ｔ＾i1，Ｔ＾i2は入力トルクＴi1，Ｔi2の推定トルク、θ1，θ2はモータ１１，２１のロータ位置である。Ｐi1，Ｐi2はモータ１１，２１の電流制御用ゲイン、Ａ1はモータ１１からモータ２１へトルクを伝達する伝達倍率、Ａ2はモータ２１からモータ１１へトルクを伝達する伝達倍率、Ａ3はモータ２１のロータ位置制御用ゲイン、Ｇ(s)はロータの位置をトルクに変換する位置・トルク変換要素、ｓはラプラス変数である。
Then the rotor position theta 1 of the motor 11 and 21 in FIG. 2, the relationship between theta 2 will be described.
In FIG. 2, R a1, R a2 armature resistance of the motor 11,21, L aq1, L aq2 armature reactance of the motor 11,21, J 1, J 2 is the moment of inertia of the motor 11 and 21, D 1 , D 2 are viscous braking coefficients of the motors 11, 21, K T1 , K T2 are torque constants of the motors 11, 21, and K E1 , K E2 are back electromotive force constants of the motors 11, 21. T i1, T i2 input torque applied to the motor 11,21, T ^ i1, T ^ i2 estimated torque of the input torque T i1, T i2, θ 1 , θ 2 is the rotor position of the motor 11, 21 . P i1 and P i2 are current control gains for the motors 11 and 21, A 1 is a transmission magnification for transmitting torque from the motor 11 to the motor 21, A 2 is a transmission magnification for transmitting torque from the motor 21 to the motor 11, and A 3 Is a gain for controlling the rotor position of the motor 21, G (s) is a position / torque conversion element for converting the rotor position into torque, and s is a Laplace variable.
モータ１１，２１のｑ軸のモータ電流ｉq1，ｉq2は、式（１），（２）で表すことができる。
なお式（１）は、図２のｉq1 *とｉq1の間のブロックを図３（ａ）のように変形して求める。式（２）も同様にｉq2 *とｉq2の間のブロックを変形して求める。
Equation (1) is obtained by modifying the block between i q1 * and i q1 in FIG. 2 as shown in FIG. Similarly, equation (2) is obtained by transforming a block between i q2 * and i q2 .
図２において駆動回路１２，２２の電流制御用ゲインＰi1，Ｐi2を十分に大きくすると、式（１），（２）は、式（３），（４）のように近似できる。
また電流指令値ｉq1 *は、入力トルクの推定トルクＴ＾i1，Ｔ＾i2を用いて式（５）で表すことができる。
ここでモータ１１，２１の入力トルクの推定トルクＴ＾i1，Ｔ＾i2は、トルク推定回路１３，２３において、モータ電流ｉq1，ｉq2とロータ位置θ1，θ2を用いて式（６），（７）で求めることができる。
モータ１１のロータ位置θ1は、式（６）から式（８）で表すことができる。
式(８)に式(１)，(５)を代入すると、式（９）になる。
一方モータ２１のロータ位置θ2は、θ1を用いて式（１０）で表すことができる。
なお式（１０）は、図２のモータ２１、駆動回路２２、「１／ｓ」のブロック、位置制御用ゲイン回路２６、位置・トルク変換回路２７を図３（ｂ）のように変形して求めることができる。
Equation (10) is obtained by modifying the motor 21, the drive circuit 22, the "1 / s" block, the position control gain circuit 26, and the position / torque conversion circuit 27 in FIG. 2 as shown in FIG. Can be sought.
図２のステアバイワイヤシステムは、式（９）、（１０）を用いて図４（ａ）のブロック線図のように表すことができる。そしてモータ１１，２１に加えられる入力トルクＴi1，Ｔi2とそれらの推定トルクＴ＾i1，Ｔ＾i2との推定誤差（Ｔi1−Ｔ＾i1），（Ｔi2−Ｔ＾i2）がない場合には、図４（ａ）のブロック線図は、図４（ｂ）のように表すことができる。 The steer-by-wire system shown in FIG. 2 can be expressed as shown in the block diagram of FIG. 4A using equations (9) and (10). There are no estimated errors (T i1 −T ^ i1 ) and (T i2 −T ^ i2 ) between the input torques T i1 and T i2 applied to the motors 11 and 21 and their estimated torques T i1 and T ^ i2. In this case, the block diagram of FIG. 4A can be expressed as shown in FIG.
図４（ａ）により、モータ１１のロータの位置θ1は、モータ１１の入力トルクの推定トルクＴ＾i1をＡ1倍した値とモータ２１の入力トルクの推定トルクＴ＾i2をＡ2倍した値の和に、モータ１１の入力トルクの推定誤差（Ｔi1−Ｔ＾i1）を加え、二次フィルタＦ１を通したものとして表すことができる。一方モータ２１のロータ位置θ2は、モータ２１の入力トルクの推定誤差（Ｔi2−Ｔ＾i2）を１／Ｇ (s) Ａ3倍してロータ位置θ1に加え、二次フィルタＦ２を通したものとして表すことができる。したがってモータ１１は、モータ１１，２１に加えられたトルクの和によって回転し、モータ２１のロータの位置は、２次遅れを含むが最終的にはモータ１１のロータの位置と一致する。モータ１１の入力トルクの推定誤差のオフセット成分は、予めロータのゼロ位置の調整を行うことにより解決できる。そして入力トルクの推定トルクに誤差があったとしてもトルクを伝達する倍率が多少異なるだけでステアバイワイヤシステム全体には大きな影響はない。またモータ２１の入力トルクの推定誤差は、モータ２１のロータの位置に関係するが、位置制御用ゲインＡ3が大きい場合には、その推定誤差の影響は小さくなる。
4A, the rotor position θ 1 of the motor 11 is obtained by multiplying the estimated torque T i1 of the input torque of the motor 11 by A 1 and the estimated torque T i i2 of the input torque of the motor 21 by A 2 times. An estimated error (T i1 −T i1 ) of the input torque of the motor 11 is added to the sum of the values obtained, and can be expressed as having passed through the secondary filter F1. On the other hand, the rotor position θ 2 of the motor 21 is added to the rotor position θ 1 by multiplying the estimated error (T i2 −T ^ i2 ) of the input torque of the motor 21 by 1 / G (s) A 3 , and the secondary filter F 2 is applied. Can be expressed as a thread. Therefore, the motor 11 is rotated by the sum of the torques applied to the motors 11 and 21, and the position of the rotor of the motor 21 includes the second order lag, but finally coincides with the position of the rotor of the motor 11. Offset component of the estimation error of the input torque of the motor 11 can be more resolved to performing advance adjustment of the zero position of the rotor. Even if there is an error in the estimated torque of the input torque, there is no significant effect on the entire steer-by-wire system except that the torque transmission rate is slightly different. The estimation error of the input torque of the motor 21 is related to the position of the rotor of the motor 21, the greater is the position control gain A 3, the smaller the influence of the estimation error.
位置制御用ゲインＡ3が大きい場合には、モータ１１，２１の入力トルクの推定トルクＴ＾i1，Ｔ＾i2は、入力トルクＴi1，Ｔi2と等しいものとして扱うことができ、図４（ｂ）のように、モータ１１，２１に加わる入力トルクを任意の伝達倍率Ａ1，Ａ2で双方向へ伝達することができ、かつモータ１１，２１のロータ位置θ1，θ2は一致する。したがって位置制御用ゲインＡ3が大きい場合には、モータ１１，２１のロータ位置θ1，θ2は一致するから、図２のステアバイワイヤシステムは、油圧式パワーステアリングシステムと同様の操舵フィーリングを実現することができる。 When the position control gain A 3 is large, the estimated torques T i1 and T i2 of the input torques of the motors 11 and 21 can be treated as being equal to the input torques T i1 and T i2 , as shown in FIG. As shown in b), the input torque applied to the motors 11 and 21 can be transmitted bidirectionally with arbitrary transmission magnifications A 1 and A 2 , and the rotor positions θ 1 and θ 2 of the motors 11 and 21 coincide. . Accordingly, when the position control gain A 3 is large, the rotor positions θ 1 and θ 2 of the motors 11 and 21 coincide with each other. Therefore, the steer-by-wire system shown in FIG. 2 has the same steering feeling as the hydraulic power steering system. Can be realized.
次に図５により、転舵装置にモータを２個用いた場合のブロック線図について説明する。
図１、図２の例は、操舵装置と転舵装置にモータ１１，２１をそれぞれ一個用いているが、図５は、安全性の観点から転舵装置側に図２のモータ２１に加えてモータ３１を用いている。
図５において、図２と表示した部分は、図２の構成と同じであり、追加したモータ３１は、モータ２１と同じ構成である。即ちモータ３１、駆動回路３２、トルク推定回路３３、増力回路３４、位置制御用ゲイン回路３６、位置・トルク変換回路３７は、モータ２１、駆動回路２２、トルク推定回路２３、増力回路２４、位置制御用ゲイン回路２６、位置・トルク変換回路２７に対応している。
モータ３１の入力トルクの推定トルクＴ＾i3は、増力回路３４でＡ4倍されて加算点１５を介してモータ１１へ伝達される。したがって図５の場合、モータ１１には、モータ２１の入力トルクの推定トルクＴ＾i2とモータ２１の入力トルクの推定トルクＴ＾i3が伝達される。一方モータ１１のロータ位置θ1は、加算点２５，３５、位置制御用ゲイン回路２６，３６、位置・トルク変換回路２７，３７を介してモータ２１，３１へ伝達される。
Next, referring to FIG. 5, a block diagram in the case where two motors are used in the steering device will be described.
In the example of FIGS. 1 and 2, one motor 11 and 21 are used for the steering device and the steering device, respectively, but FIG. 5 is added to the steering device side from the motor 21 of FIG. 2 from the viewpoint of safety. A motor 31 is used.
In FIG. 5, the portion displayed as FIG. 2 is the same as the configuration of FIG. 2, and the added motor 31 has the same configuration as the motor 21. That is, the motor 31, the drive circuit 32, the torque estimation circuit 33, the booster circuit 34, the position control gain circuit 36, and the position / torque conversion circuit 37 are the motor 21, the drive circuit 22, the torque estimation circuit 23, the booster circuit 24, and the position control. This corresponds to the gain circuit 26 and the position / torque conversion circuit 27.
Estimated torque T ^ i3 of the input torque of the motor 31 is transmitted to the motor 11 via the A 4-fold has been summing point 15 with energizing circuit 34. Therefore, in the case of FIG. 5, the estimated torque T ^ i2 of the input torque of the motor 21 and the estimated torque T ^ i3 of the input torque of the motor 21 are transmitted to the motor 11. On the other hand, the rotor position θ 1 of the motor 11 is transmitted to the motors 21 and 31 via the addition points 25 and 35, the position control gain circuits 26 and 36, and the position / torque conversion circuits 27 and 37.
モータ１１，２１，３１のロータ位置θ1，θ2，θ3は、式（１１），（１２），（１３）で表わすことができる。
モータ１１のロータ位置θ1は、式（１１）によりモータ１１，２１，３１の入力トルクの推定トルクの和によって決まる。モータ２１，３１のロータ位置θ2，θ3は、式（１２），（１３）によって決まり、若干の遅れと推定誤差を含むが、モータ１１のロータ位置θ1と一致している。
したがって図５の場合には、図２の場合と同様に、モータ１１，２１，３１は、全てのモータのロータ軸に加わる入力トルクの総和によって回転し、全てのモータのロータの位置は一致している。
The rotor position θ 1 of the motor 11 is determined by the sum of the estimated torques of the input torques of the motors 11, 21, 31 according to equation (11). The rotor positions θ 2 and θ 3 of the motors 21 and 31 are determined by the equations (12) and (13), and include a slight delay and an estimation error, but coincide with the rotor position θ 1 of the motor 11.
Therefore, in the case of FIG. 5, as in the case of FIG. 2, the motors 11, 21, and 31 are rotated by the sum of the input torque applied to the rotor shafts of all the motors, and the rotor positions of all the motors match. ing.
モータ２１，３１は、転舵装置のラック部に接続されているから、モータ２１，３１の入力トルクの総和はラック部が地面から受ける力と等しくなる。一方転舵輪を旋回させるために必要なトルクは、ラックが地面から受ける力と平衡するから、モータ２１，３１の各々の出力トルクは、モータ２１だけを用いた場合よりもモータの信頼性が向上する。
ラックに取り付けるモータ２１，３１が同一仕様の場合、各モータに供給される電流や電圧は略等しくなるから、どちらかのモータの電流や電圧が異常に大きくなったときは、どちらかのモータに異常が発生していることになる。したがってその場合には、異常が発生しているモータを電気的或いは機械的に切り離して正常なモータのみで操舵を継続することができる。
Since the motors 21 and 31 are connected to the rack portion of the steering device, the sum of the input torques of the motors 21 and 31 is equal to the force that the rack portion receives from the ground. On the other hand, since the torque required to turn the steered wheels balances with the force that the rack receives from the ground, the output torque of each of the motors 21 and 31 improves the reliability of the motor as compared with the case where only the motor 21 is used. To do.
When the motors 21 and 31 attached to the rack have the same specifications, the current and voltage supplied to each motor are substantially equal. When the current or voltage of either motor becomes abnormally large, An abnormality has occurred. Therefore, in that case, the motor in which the abnormality has occurred can be electrically or mechanically separated and the steering can be continued with only a normal motor.
なお図５は、転舵装置に２個の転舵モータを用いた例について説明したが、操舵装置に２個の反力モータを用いることもできる。また操舵装置の反力モータが故障した場合には、反力モータを停止し、ロータ軸に取り付けた位置センサの信号を用いて操舵を継続することができる。その場合、路面からの力は、操舵装置のハンドルには伝わらないが、操舵を継続できるから安全を確保できる。さらにロータ軸に取り付けた位置センサが故障した場合には、反力モータが発生する逆起電力によりハンドルの位置（ロータ位置）を検出して操舵を継続することができる。 In addition, although FIG. 5 demonstrated the example which used two steering motors for the steering apparatus, it is also possible to use two reaction force motors for the steering apparatus. If the reaction force motor of the steering device fails, the reaction force motor can be stopped and the steering can be continued using the signal of the position sensor attached to the rotor shaft. In this case, the force from the road surface is not transmitted to the steering wheel of the steering device, but safety can be ensured because the steering can be continued. Further, when the position sensor attached to the rotor shaft fails, the steering position can be detected by detecting the position of the handle (rotor position) by the counter electromotive force generated by the reaction force motor.
次に図６により、図２のステアバイワイヤシステムのシミュレーションの結果を説明する。
シミュレーションは、ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋを用い、永久磁石同期モータのベクトル制御モデルを用いて行った。
シミュレーションは、モータ１１とモータ２１のロータの位置が一致すること、及び任意の伝達倍率でモータに加わるトルクが伝達されることを確認した。
図６において、縦軸は、ロータの回転数とモータのロータ軸に印加するトルクを表わし、横軸は、時間を表している。点線の台形は、モータ１１，２１の回転数を、実線は、モータ１１，２１に印加するトルクを示し、ＴＭ１はモータ１１に印加したトルクＴi1を、ＴＭ２はモータ２１に印加したトルクＴi2を示す。なおロータの回転数は、ロータが回転した位置（角度）、即ちロータの位置に相当する。
Next, the result of the simulation of the steer-by-wire system of FIG. 2 will be described with reference to FIG.
The simulation was performed using MATLAB / Simulink and using a vector control model of a permanent magnet synchronous motor.
The simulation confirmed that the positions of the rotors of the motor 11 and the motor 21 coincided and that torque applied to the motor was transmitted at an arbitrary transmission magnification.
In FIG. 6, the vertical axis represents the number of rotations of the rotor and the torque applied to the rotor shaft of the motor, and the horizontal axis represents time. The dotted line trapezoid indicates the rotation speed of the motors 11 and 21, the solid line indicates the torque applied to the motors 11 and 21, TM1 indicates the torque T i1 applied to the motor 11, and TM2 indicates the torque T i2 applied to the motor 21. Indicates. The rotational speed of the rotor corresponds to the position (angle) at which the rotor is rotated, that is, the position of the rotor.
まず図６（ａ）について説明する。
図６（ａ）は、伝達倍率が１の場合で、ロータが０．５秒で約１回転するトルクを基準に、０．５〜１秒の間モータ１１のロータ軸にステップ状のトルクＴＭ１を印加し、２〜２．５の間モータ２１のロータ軸にステップ状のトルクＴＭ２を印加した。なおトルクＴＭ２は、ロータを逆転させるため逆方向のトルクを印加している。
図６（ａ）の場合、モータ１１，２１のロータの回転数（台形の点線）は、同じで重なっている（２個のモータの回転数を重ねて表示してある）。またモータ１１，２１のロータの回転数は、トルクが加えられたモータと同じ回転数で動作し、両モータのロータの位置は一致している。そしてモータ１１，２１に加えられたトルクの大きさは略同じで、ロータの回転数が略一致していることから、両モータのトルク伝達倍率が一対一になっていることが確認できた。
First, FIG. 6A will be described.
FIG. 6A shows a step-like torque TM1 applied to the rotor shaft of the motor 11 for 0.5 to 1 second on the basis of the torque that the rotor rotates approximately once in 0.5 seconds when the transmission magnification is 1. And a stepped torque TM2 was applied to the rotor shaft of the motor 21 for 2 to 2.5. The torque TM2 applies reverse torque to reverse the rotor.
In the case of FIG. 6A, the rotational speeds of the rotors of the motors 11 and 21 (trapezoidal dotted lines) are the same and overlap (the rotational speeds of the two motors are displayed in an overlapping manner). Further, the rotors of the motors 11 and 21 operate at the same rotational speed as that of the motor to which torque is applied, and the positions of the rotors of both motors are the same. And since the magnitude | sizes of the torque applied to the motors 11 and 21 are substantially the same, and the rotation speed of a rotor is substantially corresponded, it has confirmed that the torque transmission magnification of both motors was 1: 1.
次に図６（ｂ），（ｃ），（ｄ）について説明する。
図６（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、モータ１１，２１のトルク伝達倍率を変えて図６（ａ）と同様の動作を確認した。
図６（ｂ）は、モータ１１，２１のトルク伝達倍率が夫々２，１の場合、図６（ｃ）は、モータ１１，２１のトルク伝達倍率が夫々１，０．５の場合、図６（ｄ）は、モータ１１，２１のトルク伝達倍率が夫々２，０．５の場合である。
図６（ｂ）の場合、モータ１１の入力トルクは、図６（ａ）の１／２倍程度になり、モータ２１の入力トルクは、図６（ａ）と略同じである。同様に図６（ｃ）の場合、モータ１１の入力トルクは、図６（ａ）と略同じであり、モータ２１の入力トルクは、図６（ａ）の約２倍である。また図６（ｄ）の場合、モータ１１の入力トルクは、図６（ａ）の１／２倍程度になり、モータ２１の入力トルクは、図６（ａ）の約２倍である。
以上図６（ａ）〜図６（ｄ）から、図２のステアバイワイヤシステムは、モータ１１，２１に加わるトルクを任意の伝達倍率で伝達することができ、モータ１１，２１のトルクの伝達倍率は、他方のモータの伝達倍率と干渉せずに決定できることが確認できた。
Next, FIGS. 6B, 6C, and 6D will be described.
6 (b), 6 (c), and 6 (d) confirmed the same operation as FIG. 6 (a) by changing the torque transmission magnification of the motors 11 and 21.
6B shows a case where the torque transmission magnifications of the motors 11 and 21 are 2 and 1, respectively. FIG. 6C shows a case where the torque transmission magnifications of the motors 11 and 21 are 1 and 0.5, respectively. (D) is a case where the torque transmission magnifications of the motors 11 and 21 are 2,0.5, respectively.
In the case of FIG. 6B, the input torque of the motor 11 is about ½ times that of FIG. 6A, and the input torque of the motor 21 is substantially the same as that of FIG. Similarly, in the case of FIG. 6C, the input torque of the motor 11 is substantially the same as that of FIG. 6A, and the input torque of the motor 21 is about twice that of FIG. In the case of FIG. 6D, the input torque of the motor 11 is about ½ times that of FIG. 6A, and the input torque of the motor 21 is about twice that of FIG.
6 (a) to 6 (d), the steer-by-wire system of FIG. 2 can transmit the torque applied to the motors 11 and 21 at an arbitrary transmission magnification, and the transmission magnification of the torques of the motors 11 and 21 can be transmitted. It was confirmed that can be determined without interfering with the transmission magnification of the other motor.
図７は、図５のステアバイワイヤシステムのシミュレーションの結果を示す。
図７において、図７（ａ）は、図５のステアバイワイヤシステムのシミュレーションの結果を示し、図７（ｂ）は、比較のため図６（ａ）と同じものを記載してある。シミュレーションは、図６と同様に、ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋを用い、永久磁石同期モータのベクトル制御モデルを用いて行った。
図７（ａ）は、モータ１１，２１，３１のトルク伝達倍率を、夫々１に設定し、０．５〜１秒の間モータ１１にトルクを加え、２〜２．５秒の間モータ２１，３１にトルクを加えて確認した。
FIG. 7 shows the result of the simulation of the steer-by-wire system of FIG.
7A shows the result of the simulation of the steer-by-wire system shown in FIG. 5, and FIG. 7B shows the same result as that shown in FIG. 6A for comparison. Similar to FIG. 6, the simulation was performed using MATLAB / Simulink and using a vector control model of a permanent magnet synchronous motor.
FIG. 7A shows that the torque transmission magnifications of the motors 11, 21, 31 are set to 1, respectively, torque is applied to the motor 11 for 0.5 to 1 second, and the motor 21 is applied for 2 to 2.5 seconds. , 31 was confirmed by applying torque.
図７（ａ）の場合、モータ１１，２１，３１のロータの回転数（台形の点線）は、同じで重なっている（３個のモータの回転数を重ねて表示してある）。即ちモータ１１，２１，３１のロータの位置は一致している。またモータ２１，３１の入力トルクは、図７（ｂ）のモータ２１の入力トルクの１／２倍になっていることが確認できた。そして転舵輪から受ける反力をラックアンドピニオンを経由してモータが受けるトルクと、ラックアンドピニオンに印加するトルクとは平衡する。したがって転舵装置のモータ２１，３１の夫々の出力トルクは、図２のステアバイワイヤシステムのように転舵装置にモータ２１を１個だけ設けた場合の１／２となる。したがってその分モータ２１，３１の負担は小さくなる。 In the case of FIG. 7A, the rotational speeds of the rotors of the motors 11, 21, 31 (trapezoidal dotted lines) are the same and overlap (the rotational speeds of the three motors are displayed in an overlapping manner). That is, the positions of the rotors of the motors 11, 21, and 31 are the same. Moreover, it has confirmed that the input torque of the motors 21 and 31 was 1/2 times the input torque of the motor 21 of FIG.7 (b). The torque received by the motor via the rack and pinion and the torque applied to the rack and pinion are balanced with the reaction force received from the steered wheels. Therefore, the output torque of each of the motors 21 and 31 of the steered device is ½ that when only one motor 21 is provided in the steered device as in the steer-by-wire system of FIG. Accordingly, the burden on the motors 21 and 31 is reduced accordingly.
図８は、図２のステアバイワイヤシステムにおけるモータ１１，２１のトルクの双方向伝達実験の実験システムと実験結果を示す。
実験システムは、図８（ｂ）のようにモータ１１，２１に相当する永久磁石同期モータＭ１，Ｍ２、位置センサとしてロータリエンコーダＥＣ１，２、ＭＰＵ１，２、インバータＩＶ１，２を用いた。
実験は、実験開始後約２秒から１秒間モータＭ１のロータ軸にパルス状のトルクＴi1を印加し、５．５秒から１秒間モータＭ２のロータ軸にパルス状のトルクＴi2を印加して行った。
実験結果は、図８（ａ）に示すように、モータＭ１のロータの回転数ＲＭ１（点線）とモータＭ２のロータの回転数（実線）は略重なり、モータＭ１，Ｍ２の位置は一致していることが確認できた。
この実験結果からも、操舵装置側のモータＭ１と転舵装置側のモータＭ２は、モータＭ１が外部トルクで回転すると、モータＭ２もロータの位置がモータＭ１と同じになるように回転し、モータＭ２が外部トルクで回転すると、モータＭ１もロータの位置がモータＭ２と同じになるように回転することが確認できた。
FIG. 8 shows an experimental system and experimental results of a bidirectional torque transmission experiment of the motors 11 and 21 in the steer-by-wire system of FIG.
As shown in FIG. 8B, the experimental system used permanent magnet synchronous motors M1 and M2 corresponding to the motors 11 and 21, and rotary encoders EC1 and MPU2 and inverters IV1 and IV2 as position sensors.
In the experiment, pulsed torque T i1 is applied to the rotor shaft of the motor M1 for about 2 seconds to 1 second after the start of the experiment, and pulsed torque T i2 is applied to the rotor shaft of the motor M2 for 5.5 seconds to 1 second. I went.
As shown in FIG. 8A, the experimental result shows that the rotational speed RM1 (dotted line) of the rotor of the motor M1 and the rotational speed (solid line) of the rotor of the motor M2 substantially overlap, and the positions of the motors M1 and M2 coincide. It was confirmed that
Also from this experimental result, when the motor M1 on the steering device side and the motor M2 on the steering device side rotate with the external torque, the motor M2 also rotates so that the position of the rotor is the same as the motor M1. It was confirmed that when M2 is rotated by external torque, the motor M1 is also rotated so that the position of the rotor is the same as that of the motor M2.
１１，２１，３１ モータ
１２，２２，３２ 駆動回路
１３，２３，３３ トルク推定回路
５１ 操舵装置
５２ 転舵装置
６０ 制御装置
Ａ1，Ａ2，Ａ4 トルクの伝達倍率
Ａ3，Ａ5 位置制御用ゲイン
θ1，θ2，θ3 モータのロータ位置
θ・ 1，θ・ 2，θ・ 3 モータの回転角速度
Ｔi1，Ｔi2，Ｔi3 モータに加わるトルク
Ｔ＾i1，Ｔ＾i2，Ｔ＾i3 推定トルク
Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２ 電流センサ
Ｓ１３，Ｓ２３ 位置センサ
11, 21, 31 Motor 12, 22, 32 Drive circuit 13, 23, 33 Torque estimation circuit 51 Steering device 52 Steering device 60 Control device A 1 , A 2 , A 4 Torque transmission magnification A 3 , A 5 Position control Gain θ 1 , θ 2 , θ 3 Motor rotor position θ • 1 , θ • 2 , θ • 3 Motor rotational angular velocities T i1 , T i2 , T i3 Torque applied to motor T ^ 1 , T ^ i2 , T ^ I3 estimated torque S11, S12, S21, S22 Current sensor S13, S23 Position sensor
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