JP5381117B2

JP5381117B2 - 電気式動力舵取装置

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Publication number: JP5381117B2
Application number: JP2009010916A
Authority: JP
Inventors: 晃弘冨田; 厚夫酒井; 悟三鴨
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: EP2210795A1; CN101780810B; CN101780810A; EP2210795B1; US20100181140A1; US7913805B2; JP2010167854A

Description

本発明は、モータ回転角に基づいて操舵を補助するアシストモータを備える電気式動力舵取装置に関するものである。

従来、モータ回転角に基づいて操舵を補助するアシストモータを備える電気式動力舵取装置に関する技術として、例えば、下記特許文献１に示す、車両用操舵装置が知られている。この車両用操舵装置は、操舵トルクセンサにより検出される操舵トルクと操舵角センサにより検出される実操舵角とに基づいて仮想ステアリングモデル入力トルクを演算する。そして、この仮想ステアリングモデル入力トルクとラック軸力センサにより検出されるラック軸力とに基づいて設定される目標操舵角に操舵角センサにより検出される実操舵角が追従するように、アシストモータのモータ指令値が演算される。

特開２００６−１５１３６０号公報

ところで、アシストモータのモータ指令値を設定するためには、当該アシストモータのロータの回転角を回転角センサにより正確に検出する必要がある。しかしながら、例えば、アシストモータを制御する制御装置に回転角センサが設けられており、この制御装置がアシストモータのロータから離間したモータ軸の負荷側に配置される場合、すなわち、回転角センサがアシストモータのロータから離間したモータ軸の回転角をモータ回転角として検出するように配置される場合、過大な負荷が作用してモータ軸が捩れてしまうと、アシストモータのロータの回転角に対する回転角センサにより検出されるモータ回転角の検出誤差が大きくなってしまう。特に、小径のモータ軸を採用する場合には、モータ軸の捩れが大きくなり、上述した検出誤差がより大きくなってしまう。このように検出誤差が大きくなると、モータコイルに最適なモータ電流を供給することができず、無効電流が増加してモータ出力トルクが低下してしまうという問題がある。

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、モータ軸の捩れに起因するモータ回転角の検出誤差を低減し得る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、特許請求の範囲に記載の請求項１の発明では、車両の操舵系に伝達される操舵トルクに対応するアシスト力を当該操舵系に伝達可能なモータと、前記操舵トルクを検出するトルク検出手段と、前記モータにおけるモータ軸のモータ回転角を検出する回転角検出手段と、前記モータに供給されるモータ電流値を検出する電流値検出手段と、前記モータ回転角を補正するための回転角補正量を設定する補正量設定手段と、前記操舵トルクと前記回転角補正量および前記モータ回転角とに基づいて前記モータを駆動制御する制御手段と、を備える電気式動力舵取装置であって、前記回転角検出手段は、前記モータ軸の操舵系側に配置され前記モータ軸の操舵系側の回転角を前記モータ回転角として検出し、前記補正量設定手段は、前記モータ軸のばね定数を考慮して前記モータ電流値の増加に応じて増加するように基本補正量を設定することを特徴とする。

請求項１の発明では、回転角検出手段は、モータ軸の操舵系側に配置されモータ軸の操舵系側の回転角をモータ回転角として検出する。また、補正量設定手段は、モータ電流値に基づいて基本補正量を設定する。

このように、基本補正量は、モータ電流値、すなわち、アシストモータの出力トルクに基づいて設定される。特に、請求項２の発明では、この基本補正量を、モータ回転角の時間微分の増加に応じて減少させることにより、モータ回転角の発振を抑制した回転角補正量を設定することができる。さらに、請求項３の発明では、この基本補正量を、操舵トルクの時間微分の増加に応じて増加させることにより、操舵トルクに対する応答性を向上した回転角補正量を設定することができる。したがって、回転角検出手段によりモータ軸の操舵系側の回転角をモータ回転角として検出する場合でも、モータ軸の捩れに起因するモータ回転角の検出誤差を低減することができる。

図１（Ａ）は、本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あり、図１（Ｂ）は、ＥＣＵ等の構成例を示す回路ブロック図である。ＥＣＵによるアシストモータの制御ブロック線図である。図２のモータ回転角補正部の機能的構成を示す制御ブロック図である。

以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。まず、本実施形態に係る電気式動力舵取装置の構成を図１（Ａ），（Ｂ）に基づいて説明する。図１（Ａ）は、本実施形態に係る電気式動力舵取装置２０の全体構成例を示す構成図であり、図１（Ｂ）は、ＥＣＵ４０等の構成例を示す回路ブロック図である。

図１（Ａ）に示すように、電気式動力舵取装置２０は、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、アシストモータ３０、回転角センサ３１およびＥＣＵ４０等から構成されている。

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Ｔ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、アシストモータ３０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。

即ち、図面には示されていないが、動力伝達機構としての減速機２７は、アシストモータ３０のモータ軸に取り付けられたモータギヤと減速機２７の減速ギヤとが互いに噛合可能に構成されており、アシストモータ３０のモータ軸が回転すると所定の減速比で減速機２７の減速ギヤが回転することで、アシストモータ３０による駆動力（アシスト力）をピニオン入力軸２３に伝達可能にしている。なお、ピニオン入力軸２３は、特許請求の範囲に記載の「操舵系」の一例に相当する。

アシストモータ３０のモータ軸の操舵系側（アシストモータ３０のロータに対して負荷方向に離間する側）には、当該モータ軸の回転角をモータ回転角θｍとして検出する回転角センサ３１が設けられている。本実施形態では、回転角センサ３１がモータ軸の操舵系側に配置されるＥＣＵ４０に設けられるため、回転角センサ３１がアシストモータ３０のロータから離間している。なお、図１（Ａ）では、説明の便宜上、回転角センサ３１とＥＣＵ４０とを異なる位置にて示している。

このように、回転角センサ３１がアシストモータ３０のロータから離間すると、モータ軸の捩れにより、アシストモータ３０のロータの回転角に対する回転角センサ３１により検出されるモータ回転角θｍの検出誤差が大きくなり、特に、小径のモータ軸を採用する場合には、モータ軸の捩れが大きくなり、上述した検出誤差がより大きくなってしまう。

そこで、本実施形態では、後述するモータ回転角補正部７０により、モータ回転角θｍを補正するための回転角補正量Δθｍを設定し、上述した検出誤差を低減するように構成されている。

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。

次に、アシストモータ３０の駆動制御を担うＥＣＵ４０の電気的構成を図１（Ｂ）に基づいて説明する。
図１（Ｂ）に示すように、ＥＣＵ４０は、主に、Ａ／Ｄ変換器等の周辺ＬＳＩやメモリ等を備えたＭＰＵ（ＭｉｃｒｏＰｒｏｃｅｓｓｏｒＵｎｉｔ）６０、インターフェイスＩ／Ｆ４２、およびＭＰＵ６０から出力されるＰＷＭ信号に基づいてＰＷＭ制御によるモータ電流をアシストモータ３０に供給可能なモータ駆動回路５０等から構成されている。なお、図１（Ｂ）に示す符号４７は、アシストモータ３０に実際に流れるモータ電流値（３相実電流値Ｉｕ,Ｉｖ,Ｉｗ）を検出し得る電流センサ４７であり、この電流センサ４７により検出されたモータ電流値に関するセンサ情報は、モータ電流信号としてインターフェイスＩ／Ｆ４２を介してＭＰＵ６０に入力され得るように構成されている。

ＭＰＵ６０は、例えば、マイコン、半導体メモリ装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等）等から構成されており、電気式動力舵取装置２０の基本的なアシストモータ制御を所定のコンピュータプログラムにより実行する機能を有するものである。即ち、ＭＰＵ６０は、トルクセンサ２４により検出される操舵トルクＴや回転角センサ３１により検出されるモータ回転角θｍ、電流センサ４７により検出されるモータ電流値等に基づいてアシストモータ３０をベクトル制御する。

インターフェイスＩ／Ｆ４２は、上述したトルクセンサ２４、回転角センサ３１あるいは電流センサ４７等から入力される各種センサ信号を、Ａ／Ｄ変換器等を介してＭＰＵ６０の所定ポートに入力する機能等を有するものである。

モータ駆動回路５０は、直流電源Battから供給される電力を制御可能な３相交流電力に変換する機能を有するもので（図２参照）、ＰＷＭ回路とスイッチング回路等から構成されている。

これにより、ＥＣＵ４０では、後述するＰＩ制御（比例積分制御）により、トルクセンサ２４の操舵トルクＴに対応する信号や回転角センサ３１のモータ回転角θｍに対応する信号あるいは電流センサ４７の３相実電流値Ｉｕ,Ｉｖ,Ｉｗに基づいて、操舵状態に適したアシストトルクをアシストモータ３０に発生させ得るため、電気式動力舵取装置２０では、ステアリングホイール２１による運転者の操舵を補助可能にしている。

次に、ＥＣＵ４０によるアシストモータ３０に対するＰＩ制御系の演算処理を図２および図３に基づいて説明する。図２は、ＥＣＵ４０によるアシストモータ３０の制御ブロック線図である。図３は、図２のモータ回転角補正部７０の機能的構成を示す制御ブロック図である。なお、この演算処理は、ＥＣＵ４０のＭＰＵ６０により、所定周期（例えば０．２mSec(ミリ秒)）ごとに実行される、例えばタイマ割り込み処理によって行われている。

図２に示すように、トルクセンサ２４からＭＰＵ６０に入力される操舵トルクＴに対応する信号は、図略のフィルタ回路によりノイズ成分が除去された後、位相補償部６１に入力される。位相補償部６１では、トルクセンサ２４の出力に対する応答性を速くするため位相を進める処理を行った後、位相補償されたトルク信号をアシスト制御部６２およびモータ回転角補正部７０に出力する。

アシスト制御部６２では、位相補償部６１から入力された操舵トルクＴに基づいて操舵力を補助するため、アシストモータ３０に発生させる二次磁束に対する電流値、つまり界磁電流値（ｄ軸電流指令値Ｉｄ*）と、アシストトルクに対応する電流値、つまりトルク指令電流値（ｑ軸電流指令値Ｉｑ*）とを設定する処理を行う。例えば、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*は弱め界磁制御による設定が行われ、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*は検出トルクに基づいて所定のマップや演算式による設定が行われる。このように設定されたｄ軸電流指令値Ｉｄ*およびｑ軸電流指令値Ｉｑ*は、それぞれＰＩ制御部６３、６４の前段に位置する加算部に出力される。

ＰＩ制御部６３、６４の前段に位置する加算部では、アシスト制御部６２から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ*およびｑ軸電流指令値Ｉｑ*と、後述する３相２相変換部６８から帰還されるモータ駆動回路５０のｄ軸実電流値Ｉｄおよびｑ軸実電流値Ｉｑとの偏差を求める加算処理を行う。これにより、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｄ軸実電流値Ｉｄとの偏差およびｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｑ軸実電流値Ｉｑとの偏差が、それぞれ算出されてＰＩ制御部６３、６４に出力される。

ＰＩ制御部６３、６４では、比例積分制御が行われる。即ち、ＰＩ制御部６３では、前段の加算部から出力されたｄ軸電流指令値Ｉｄ*とｄ軸実電流値Ｉｄとの偏差、および、所定の比例感度と積分ゲインに基づいて比例積分演算を行い、目標値に達するまで積分値の訂正動作としてｄ軸電圧指令値Ｖｄ*を２相３相変換部６５に出力する処理を行う。つまり、ＰＩ制御部６３は、加算部とともにフィードバック演算処理を行う。

またＰＩ制御部６４も同様に、ｑ軸電流指令値Ｉｑ*とｑ軸実電流値Ｉｑとの偏差、および、所定の比例感度と積分ゲインに基づいて比例積分演算を行い、目標値に達するまで積分値の訂正動作としてｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を２相３相変換部６５に出力する処理を行う。

２相３相変換部６５では、ＰＩ制御部６３、６４から入力されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ*およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ*を後述する回転角補正量Δθｍが加算されたモータ回転角θｍに基づいてｄｑ逆変換（３相変換）して、各相の電圧指令値Ｖｕ*,Ｖｖ*,Ｖｗ*を演算する処理を行う。２相３相変換部６５により逆変換された電圧指令値は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ*、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ*、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ*としてＰＷＭ変換部６６に出力される。

ＰＷＭ変換部６６では、各相の電圧指令値Ｖｕ*,Ｖｖ*,Ｖｗ*を各相ごとのＰＷＭ指令値ＰＷＭu*,ＰＷＭv*,ＰＷＭw*に変換する処理を行う。

モータ駆動回路５０では、ＰＷＭ変換部６６から出力される各相のＰＷＭ信号ＰＷＭu*,ＰＷＭv*,ＰＷＭw*に基づいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相ごとに図略のスイッチング回路をオンオフする。これにより、モータ駆動回路５０は、直流電源Battから供給される直流電力を３相交流電力に変換してアシストモータ３０に駆動電力を供給するので、トルクセンサ２４や回転角センサ３１等により検出された操舵状態に適したアシストトルクをアシストモータ３０に発生させる。

また、モータ駆動回路５０から出力される出力電流は、各相ごとに電流センサ４７に検出され、それぞれＵ相実電流値Ｉｕ、Ｖ相実電流値Ｉｖ、Ｗ相実電流値Ｉｗとして３相２相変換部６８に出力される。

モータ回転角演算部６７では、回転角センサ３１から入力されるモータ回転角に対応する信号に基づいてモータ回転角θｍを演算する処理を行う。このように演算されたモータ回転角θｍは、モータ回転角補正部７０に出力されて回転角補正量Δθｍが設定され、この回転角補正量Δθｍが加算されたモータ回転角θｍが、３相２相変換部６８に出力される。

３相２相変換部６８は、電流センサ４７からそれぞれ入力された各相（３相）の実電流値Ｉｕ,Ｉｖ,Ｉｗを、回転角補正量Δθｍが加算されたモータ回転角θｍに基づいてｄｑ変換（２相変換）して、ｄ軸実電流値Ｉｄおよびｑ軸実電流値Ｉｑを演算する処理を行う。３相２相変換部６８により変換されたモータ駆動回路５０の出力電流値は、ｄ軸実電流値Ｉｄおよびｑ軸実電流値Ｉｑとして上述のＰＩ制御部６３、６４の前段に位置する加算部にそれぞれフィードバック入力される。これにより、上述したようにＰＩ制御部６３、６４によるフィードバック演算処理が可能となる。また、ｑ軸実電流値Ｉｑは、モータ回転角補正部７０にも出力される。

次に、図３を用いてモータ回転角補正部７０による回転角補正量Δθｍの設定処理を説明する。
図３に示すように、モータ回転角補正部７０は、ｑ軸実電流値Ｉｑ、モータ回転角θｍおよび操舵トルクＴに基づいて、モータ軸の捩れに起因するモータ回転角θｍの検出誤差を低減するための回転角補正量Δθｍを設定するものであり、基本補正量設定部７１と微分器７２，７３とゲイン設定部７４とから構成される。

基本補正量設定部７１では、ｑ軸実電流値Ｉｑに基づいて基本補正量Δθ’ｍが設定される。この基本補正量Δθ’ｍは、モータ軸のばね定数等を考慮してｑ軸実電流値Ｉｑの増加に応じて増加するように設定される。

微分器７２では、モータ回転角演算部６７から入力されるモータ回転角θｍを時間微分して回転角速度ωを演算し、この回転角速度ωをゲイン設定部７４に出力する。また、微分器７３では、位相補償部６１から入力される操舵トルクＴを時間微分してトルク微分値ｄＴ／ｄｔを演算し、このトルク微分値ｄＴ／ｄｔをゲイン設定部７４に出力する。

ゲイン設定部７４では、回転角速度ωおよびトルク微分値ｄＴ／ｄｔに基づいて、基本補正量Δθ’ｍに乗算するためのゲインＧを設定する。具体的には、図３に示すように、ゲインＧは、モータ回転角の発振を抑制するため、回転角速度ωの増加に応じて減少させるように設定される。また、ゲインＧは、操舵トルクに対する応答性を向上させるため、トルク微分値ｄＴ／ｄｔの増加に応じて増加するように設定される。

そして、基本補正量設定部７１にて設定された基本補正量Δθ’ｍにゲイン設定部７４にて設定されたゲインＧを乗算することにより、回転角補正量Δθｍが設定される。

以上説明したように、本実施形態に係る電気式動力舵取装置２０では、回転角センサ３１は、モータ軸の操舵系側の回転角をモータ回転角θｍとして検出し、ＭＰＵ６０は、ｑ軸実電流値Ｉｑに基づいて基本補正量Δθ’ｍを設定するとともに、この基本補正量Δθ’ｍを、回転角速度ωの増加に応じて減少させるとともにトルク微分値ｄＴ／ｄｔの増加に応じて増加させて、モータ回転角θｍを補正するための回転角補正量Δθｍを設定する。

このように、基本補正量Δθ’ｍは、ｑ軸実電流値Ｉｑ、すなわち、アシストモータ３０の出力トルクに基づいて設定される。そして、この基本補正量Δθ’ｍを、回転角速度ωの増加に応じて減少させることにより、モータ回転角θｍの発振を抑制した回転角補正量Δθｍを設定することができる。また、この基本補正量Δθ’ｍを、トルク微分値ｄＴ／ｄｔの増加に応じて増加させることにより、操舵トルクＴに対する応答性を向上した回転角補正量Δθｍを設定することができる。
したがって、回転角センサ３１によりモータ軸の操舵系側の回転角をモータ回転角θｍとして検出する場合でも、モータ軸の捩れに起因するモータ回転角θｍの検出誤差を低減することができる。

２０…電気式動力舵取装置
２３…ピニオン入力軸（操舵系）
２４…トルクセンサ（トルク検出手段）
３０…アシストモータ（モータ）
３１…回転角センサ（回転角検出手段）
４０…ＥＣＵ
４７…電流センサ（電流値検出手段）
６０…ＭＰＵ（補正量設定手段，制御手段）
Ｉｑ…ｑ軸実電流値（モータ電流値）
Ｇ…ゲイン
Ｔ…操舵トルク
θｍ…操舵トルク
Δθｍ…回転角補正量
Δθ’ｍ…基本補正量
ω…回転角速度
ｄＴ／ｄｔ…トルク微分値

Claims

車両の操舵系に伝達される操舵トルクに対応するアシスト力を当該操舵系に伝達可能なモータと、
前記操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
前記モータにおけるモータ軸のモータ回転角を検出する回転角検出手段と、
前記モータに供給されるモータ電流値を検出する電流値検出手段と、
前記モータ回転角を補正するための回転角補正量を設定する補正量設定手段と、
前記操舵トルクと前記回転角補正量および前記モータ回転角とに基づいて前記モータを駆動制御する制御手段と、
を備える電気式動力舵取装置であって、
前記回転角検出手段は、前記モータ軸の操舵系側に配置され前記モータ軸の操舵系側の回転角を前記モータ回転角として検出し、
前記補正量設定手段は、前記モータ軸のばね定数を考慮して前記モータ電流値の増加に応じて増加するように基本補正量を設定することを特徴とする電気式動力舵取装置。
請求項１に記載の電気式動力舵取装置において、
前記補正量設定手段は、前記基本補正量を、前記モータ回転角の時間微分の増加に応じて減少させて、前記回転角補正量を設定することを特徴とする電気式動力舵取装置。
請求項１又は請求項２に記載の電気式動力舵取装置において、
前記補正量設定手段は、前記基本補正量を、前記操舵トルクの時間微分の増加に応じて増加させて、前記回転角補正量を設定することを特徴とする電気式動力舵取装置。
車両の操舵系に伝達される操舵トルクに対応するアシスト力を当該操舵系に伝達可能なモータと、
前記操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
前記モータにおけるモータ軸のモータ回転角を検出する回転角検出手段と、
前記モータに供給されるモータ電流値を検出する電流値検出手段と、
前記モータ回転角を補正するための回転角補正量を設定する補正量設定手段と、
前記操舵トルクと前記回転角補正量および前記モータ回転角とに基づいて前記モータを駆動制御する制御手段と、
を備える電気式動力舵取装置であって、
前記回転角検出手段は、前記モータ軸の操舵系側の回転角を前記モータ回転角として検出し、
前記補正量設定手段は、前記モータ電流値に基づき前記モータ回転角の時間微分の増加に応じて減少させるように基本補正量を設定して、前記回転角補正量を設定することを特徴とする電気式動力舵取装置。
車両の操舵系に伝達される操舵トルクに対応するアシスト力を当該操舵系に伝達可能なモータと、
前記操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
前記モータにおけるモータ軸のモータ回転角を検出する回転角検出手段と、
前記モータに供給されるモータ電流値を検出する電流値検出手段と、
前記モータ回転角を補正するための回転角補正量を設定する補正量設定手段と、
前記操舵トルクと前記回転角補正量および前記モータ回転角とに基づいて前記モータを駆動制御する制御手段と、
を備える電気式動力舵取装置であって、
前記回転角検出手段は、前記モータ軸の操舵系側の回転角を前記モータ回転角として検出し、
前記補正量設定手段は、前記モータ電流値に基づき前記操舵トルクの時間微分の増加に応じて増加させるように基本補正量を設定して、前記回転角補正量を設定することを特徴とする電気式動力舵取装置。
請求項５に記載の電気式動力舵取装置において、
前記補正量設定手段は、前記基本補正量を、前記モータ回転角の時間微分の増加に応じて減少させて、前記回転角補正量を設定することを特徴とする電気式動力舵取装置。