JP5569273B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）には、運転者のステアリング操作に依らず転舵輪の舵角を変更することにより、車両の進路を制御する自動制御機能を備えたものがある。尚、このような自動制御の態様としては、例えば、走行レーンを認識して当該走行レーンも沿った走行を支援する所謂レーンキープアシスト制御（例えば、特許文献１参照）や、駐車区画への停車を支援する所謂パーキングアシスト制御（例えば、特許文献２参照）等が挙げられる。そして、多くの場合、このような自動制御は、車内ネットワークを介して上位制御装置（上位ＥＣＵ）から入力されるアシスト指令に基づいて行われる。

特開２００５−３４３２６０号公報 特開２００４−３４５４６８号公報

しかしながら、ネットワークを介してアシスト指令を伝達する構成では、通信規格や仕様による程度の差こそあれ、その伝達の遅れによる応答性の低下が避けられない。このため、路面の傾斜や横風等といった外乱が存在する環境下では、その舵角位置を制御すべく演算されるアシスト指令の値が大きく変動しやすい傾向がある。その結果、特に上記レーンキープアシスト制御のような高速走行時に実行される自動制御においては、その走行軌跡に乱れが生ずるおそれがあり、この点において、なお改善の余地が残されていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、外乱の存在する環境下においても走行軌跡の乱れを抑えて円滑に自動制御を実行することのできる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、独立に設けられた二系統のモータコイルが発生する起磁力に基づいて操舵系にアシスト力を付与する操舵力補助装置と、各モータコイルに対する電力供給を通じて前記操舵力補助装置の作動を制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、前記制御手段は、前記各モータコイルに対応して独立に設けられた二系統の駆動回路を備え、第１系統は、前記操舵力補助装置に与えられるアシスト力を制御し、第２系統は、運転者のステアリング操作が行われないときに転舵輪の舵角を制御するものであるとともに、前記アシスト力に対応したモータトルクを発生させるべく、電流制御を実行することにより第１系統の駆動回路に対する制御信号の出力を実行する第１の制御信号出力手段と、転舵輪の舵角を変更すべく入力される位置指令に基づいて、位置制御を実行することにより第２系統の駆動回路に対する制御信号の出力を実行する第２の制御信号出力手段と、を備えること、を要旨とする。

即ち、本来、レーンキープアシスト制御等のような自動制御は、その舵角位置を制御することにより実現されるものである。そして、その位置制御においては、パワーアシスト制御（電流制御）において要求されるほどの高い応答性は要求されない。従って、上記構成のように、その自動制御を実行するための位置制御を、パワーアシスト制御を実行するための電流制御（トルク制御）から独立して実行することにより、当該パワーアシスト制御における応答性の低下を招くことなく、位置制御の応答性を最適化して、その位置指令の変動による影響を抑制することができる。その結果、外乱の存在する環境下においても走行軌跡の乱れを抑えて円滑に自動制御を実行することができるようになる。

さらに、前記操舵力補助装置は、各モータコイルに共通のステータ及びロータを備えたモータを駆動源とする。
上記構成によれば、装置の大型化を招くことなく、そのパワーアシスト制御を実行するための電流制御（トルク制御）、及び自動制御を実行するための位置制御を、同時且つ独立に実行することができるようになる。

本発明によれば、外乱の存在する環境下においても走行軌跡の乱れを抑えて円滑に自動制御を実行することのできる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 モータの概略構成図。 ＥＰＳの制御ブロック図。 同じくＥＰＳの制御ブロック図。 本実施形態におけるモータ制御の態様を示すブロック線図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されている。そして、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト３ａ、インターミディエイトシャフト３ｂ、及びピニオンシャフト３ｃを連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド６を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪７の舵角、即ち車両の進行方向が変更される。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ１０と、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する制御手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１０は、駆動源であるモータ１２が減速機構１３を介してコラムシャフト３ａと駆動連結された所謂コラム型のＥＰＳアクチュエータとして構成されている。そして、ＥＰＳアクチュエータ１０は、このモータ１２の回転を減速してコラムシャフト３ａに伝達することにより、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する構成となっている。

一方、ＥＣＵ１１には、トルクセンサ１４及び車速センサ１５が接続されており、同ＥＣＵ１１は、これら各センサの出力信号により検出される操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて操舵系に付与すべきアシスト力（目標アシスト力）を演算する。そして、その目標アシスト力をＥＰＳアクチュエータ１０に発生させるべく、駆動源であるモータ１２に対する電力供給を通じて、当該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動、即ち操舵系に付与するアシスト力を制御する（パワーアシスト制御）。

次に、本実施形態のＥＰＳの電気的構成について説明する。
図２に示すように、本実施形態のモータ１２は、独立した二系統のモータコイル２１Ａ，２１Ｂを同一のステータ２２に巻回することにより形成されている。具体的には、第１系統のモータコイル２１Ａ（２１ｕａ，２１ｖａ，２１ｗａ）及び第２系統のモータコイル２１Ｂ（２１ｕｂ，２１ｖｂ，２１ｗｂ）は、ステータ２２の各ティース２３（２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ）に対して、それぞれ、その対応する相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）毎に巻回されている。そして、これらの各ティース２３（２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ）の径方向内側には、回転自在に支承されたロータ２４が設けられている。

即ち、本実施形態のモータ１２は、二系統のモータコイル２１Ａ，２１Ｂに共通のステータ２２及びロータ２４を有しており、ロータ２４は、上記のように各ティース２３（２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ）に巻回された各モータコイル２１Ａ，２１Ｂが発生する起磁力に基づいて回転する。そして、本実施形態のＥＣＵ１１は、これらの各モータコイル２１Ａ，２１Ｂに対して、それぞれ独立に駆動電力を供給することにより、そのモータトルクを制御する構成になっている。

図３に示すように、本実施形態のＥＣＵ１１は、上記各モータコイル２１Ａ，２１Ｂに対応して独立に設けられた二つの駆動回路２６Ａ，２６Ｂと、これらの各駆動回路２６Ａ，２６Ｂに対して、それぞれ独立に制御信号Ｓmc_a，Ｓmc_bを出力するマイコン２７とを備えている。

具体的には、駆動回路２６Ａは、動力線２８Ａ（２８ｕａ，２８ｖａ，２８ｗａ）を介して第１系統のモータコイル２１Ａに接続され、駆動回路２６Ｂは、動力線２８Ｂ（２８ｕｂ，２８ｖｂ，２８ｗｂ）を介して第２系統のモータコイル２１Ｂに接続されている。また、マイコン２７の出力する制御信号Ｓmc_aは、駆動回路２６Ａに入力され、もう一方の制御信号Ｓmc_bは、駆動回路２６Ｂに入力される。尚、本実施形態では、各駆動回路２６Ａ，２６Ｂには、直列接続されたスイッチング素子対を基本単位（アーム）として各相に対応する３つのアームを並列接続してなる周知のＰＷＭインバータが採用されており、マイコン２７の出力する各制御信号Ｓmc_a，Ｓmc_bは、その各相アームのオンｄｕｔｙ比を規定するものとなっている。そして、本実施形態のＥＣＵ１１は、これらの各制御信号Ｓmc_a，Ｓmc_bに基づき各駆動回路２６Ａ，２６Ｂが出力する駆動電力を、それぞれ独立に、その対応する各モータコイル２１Ａ，２１Ｂに供給する構成となっている。

詳述すると、図４に示すように、本実施形態のマイコン２７は、第１系統の駆動回路２６Ａに対して制御信号Ｓmc_aを出力する第１の制御信号出力手段としての第１制御信号出力部３１Ａと、第２系統の駆動回路２６Ｂに対して制御信号Ｓmc_bを出力する第２の制御信号出力手段としての第２制御信号出力部３１Ｂとを備えている。

本実施形態では、第１制御信号出力部３１Ａには、上記トルクセンサ１４及び車速センサ１５により検出される操舵トルクτ及び車速Ｖが入力されるようになっており、同第１制御信号出力部３１Ａは、これら操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて目標アシスト力に対応した電流指令値Ｉ*_aを演算する。また、第１制御信号出力部３１Ａには、電流センサ３２Ａにより検出された第１系統のモータコイル２１Ａに通電される実電流値Ｉ_ａ及びモータレゾルバ３３（図３参照）により検出されるモータ回転角θmが入力される。そして、同第１制御信号出力部３１Ａは、その演算する電流指令値Ｉ*_aに、検出される実電流値Ｉ_aを追従させるべく電流フィードバック制御を実行することにより、その対応する第１系統の駆動回路２６Ａに対して制御信号Ｓmc_aを出力する。

具体的には、本実施形態の第１制御信号出力部３１Ａにおいて、操舵トルクτ及び車速Ｖは、アシスト制御部３５に入力されるようになっており、同アシスト制御部３５は、その操舵トルクτが大きいほど、また車速Ｖが遅いほど、より大きなモータトルク、即ちアシスト力が発生するような電流指令値Ｉ*_aを演算する。次に、この電流指令値Ｉ*_aは、電流センサ３２Ａにより検出された実電流値Ｉ_aとともに、電流制御部３６に入力される。そして、電流制御部３６は、その電流指令値Ｉ*_aと実電流値Ｉ_aとの間の電流偏差に基づいて、電流フィードバック演算を実行する。

ここで、本実施形態の電流センサ３２Ａ（３２ｕａ，３２ｖａ，３２ｗａ）は、上記実電流値Ｉ_aとして、第１系統のモータコイル２１Ａに通電される各相電流値Ｉu_a，Ｉv_a，Ｉw_aを検出する。そして、本実施形態の電流制御部３６は、その各相電流値Ｉu_a，Ｉv_a，Ｉw_aをｄ／ｑ座標系のｄ軸電流及びｑ軸電流に変換することにより（ｄ／ｑ変換）、当該ｄ／ｑ座標系において、その電流フィードバック演算を実行する。

即ち、本実施形態のアシスト制御部３５は、その電流指令値Ｉ*_aとして、ｑ軸電流指令値を演算する（ｄ軸電流指令値は「０」）。そして、電流制御部３６は、その電流フィードバック演算の実行により得られるｄ／ｑ座標系の電圧指令値を、三相の交流座標上に写像することにより（逆ｄ／ｑ変換）、モータコイル２１Ａの各相に対応した電圧指令値Ｖ*_aを演算する。

そして、本実施形態の第１制御信号出力部３１Ａは、この電圧指令値Ｖ*_aに基づきＰＷＭ変換部３７が生成する制御信号Ｓmc_aを、その対応する第１系統の駆動回路２６Ａに出力する構成となっている。

一方、第２制御信号出力部３１Ｂには、車内ネットワーク（CAN：Controller Area Network）４０を介して上位ＥＣＵから入力されるステアリング２の位置指令、即ち操舵角指令値θs*が入力される（図１参照）。尚、本実施形態では、この操舵角指令値θs*は、運転者のステアリング操作に依らず転舵輪７の舵角を変更することにより自動的に車両の進路を制御するための制御指令、詳しくは所謂レーンキープアシスト制御を実行するための制御指令として入力される。また、本実施形態の第２制御信号出力部３１Ｂは、上記モータレゾルバ３３により検出されるモータ回転角θmに基づいて、ステアリング２の実舵角、即ち操舵角θsを検出する。そして、同第２制御信号出力部３１Ｂは、その入力される操舵角指令値θs*に、実舵角として検出される操舵角θsを追従させるべく、位置フィードバック制御を実行することにより、その対応する第２系統の駆動回路２６Ｂに対して制御信号Ｓmc_bを出力する。

具体的には、第２制御信号出力部３１Ｂに入力されたモータ回転角θmは、操舵角演算部４１において操舵角θsに変換され、操舵角指令値θs*とともに位置制御部４２に入力される。そして、位置制御部４２は、操舵角指令値θs*と操舵角θsとの間の位置偏差に基づいて、位置フィードバック演算を実行する。

ここで、本実施形態の第２制御信号出力部３１Ｂは、その位置制御部４２が形成する位置フィードバックループのマイナーループとして、速度制御及び電流制御（トルク制御）の各フィードバックループを形成する速度制御部４３及び電流制御部４４を備えている。

即ち、上記位置制御部４２は、その位置フィードバック演算の実行により、操舵角速度指令値ωs*を演算し、速度制御部４３は、その操舵角速度指令値ωs*と実操舵角速度ωsとの間の速度偏差に基づいて、電流指令値Ｉ*_bを演算する。更に、電流制御部４４は、その電流指令値Ｉ*_bと電流センサ３２Ｂにより検出される実電流値Ｉ_bとの間の電流偏差に基づいて、電流フィードバック演算を実行することにより、電圧指令値Ｖ*_bを演算する。尚、第２系統の電流センサ３２Ｂ（３２ｕｂ，３２ｖｂ，３２ｗｂ）による電流検出の態様（各相電流値Ｉu_b，Ｉv_b，Ｉw_bの検出）、及び電流制御部４４が実行する電流フィードバック演算の態様は、それぞれ、上記第１系統の電流センサ３２Ａによる電流検出、及び電流制御部３６が実行する電流フィードバック演算の態様と同様である。そして、本実施形態の第２制御信号出力部３１Ｂは、この電圧指令値Ｖ*_bに基づきＰＷＭ変換部４５が生成する制御信号Ｓmc_bを、その対応する第２系統の駆動回路２６Ｂに出力する構成となっている。

本実施形態のマイコン２７は、このようにして、各系統の駆動回路２６Ａ，２６Ｂに対して、それぞれ独立に制御信号Ｓmc_a，Ｓmc_bを出力する。そして、図５に示すように、本実施形態のＥＣＵ１１は、これにより、そのパワーアシスト制御を実行するための電流制御（トルク制御）、及び自動制御を実行するための位置制御を、同時且つ独立に実行する構成となっている。

尚、図５のブロック線図中、「Ｔm」はモータトルク、「Ｔl」は負荷トルクであり、「Ｋｅ」は逆起電圧定数である。そして、「１／（Ｌ・Ｓ＋Ｒ）」は、モータインピーダンスである（Ｒ：電機子巻線抵抗、Ｌ：インダクタンス、Ｓ：微分演算子）。

以上、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
（１）ＥＣＵ１１は、二系統の独立したモータコイル２１Ａ，２１Ｂに対応して設けられた二つの駆動回路２６Ａ，２６Ｂと、これら各駆動回路２６Ａ，２６Ｂに対して二系統の独立した制御信号Ｓmc_a，Ｓmc_bを出力するマイコン２７とを備える。マイコン２７は、アシスト力に対応したモータトルクを発生させるべく、電流制御を実行することにより第１系統の駆動回路２６Ａに対して制御信号Ｓmc_aを出力する第１制御信号出力部３１Ａを備える。そして、更に、転舵輪の舵角を変更すべく車内ネットワーク４０を介して上位ＥＣＵから入力される操舵角指令値θs*に基づいて、位置制御を実行することにより第２系統の駆動回路２６Ｂに対して制御信号Ｓmc_bを出力する第２制御信号出力部３１Ｂを備える。

即ち、本来、レーンキープアシスト制御等のような自動制御は、その舵角位置を制御することにより実現されるものである。そして、その位置制御においては、パワーアシスト制御（電流制御）において要求されるほどの高い応答性は要求されない。従って、上記構成のように、その自動制御を実行するための位置制御を、パワーアシスト制御を実行するための電流制御（トルク制御）から独立して実行することにより、当該パワーアシスト制御における応答性の低下を招くことなく、位置制御の応答性を最適化して、その位置指令（操舵角指令値θs*）の変動による影響を抑制することができる。その結果、外乱の存在する環境下においても走行軌跡の乱れを抑えて円滑に自動制御を実行することができるようになる。

（２）ＥＰＳアクチュエータ１０は、二系統のモータコイル２１Ａ，２１Ｂに対して共通のステータ２２及びロータ２４を有するモータ１２を駆動源とする。これにより、装置の大型化を招くことなく、そのパワーアシスト制御を実行するための電流制御（トルク制御）、及び自動制御を実行するための位置制御を、同時且つ独立に実行することができるようになる。

（３）第２制御信号出力部３１Ｂは、その位置制御部４２が形成する位置フィードバックループのマイナーループとして、速度制御及び電流制御（トルク制御）の各フィードバックループを形成する速度制御部４３及び電流制御部４４を備える。これにより、より円滑に自動制御を実行することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、本発明を所謂コラム型のＥＰＳ１に具体化したが、本発明は、所謂ピニオン型やラックアシスト型のＥＰＳに適用してもよい。

・上記実施形態では、ＥＰＳアクチュエータ１０は、二系統のモータコイル２１Ａ，２１Ｂに対して共通のステータ２２及びロータ２４を有するモータ１２を駆動源とすることとした。しかし、これに限らず、各モータコイルが個別のステータ又は個別のロータを有する構成に具体化してもよい。そして、更に、二つのモータを駆動源とするものに適用してもよい。

・また、各系統のモータコイルについては、その位相が互いにずれた関係となるように配置される構成であってもよい。
・更に、ＥＰＳの他、独立に設けられた二系統のモータコイルを備えたモータを制御するモータ制御システムに具体化してもよい。

・上記実施形態では、モータ１２として、独立した二系統のモータコイル２１Ａ，２１Ｂを同一のステータ２２に巻回してなるブラシレスモータを用いることとしたが、二系統のモータコイルを有する電機子ロータを備えたブラシ付きモータに具体化してもよい。

・上記各実施形態では、ＥＣＵ１１は、上記各モータコイル２１Ａ，２１Ｂに対応して独立に設けられた二つの駆動回路２６Ａ，２６Ｂを有することとした。しかし、各系統がバックアップ用の駆動回路を備える構成等、各系統における駆動回路の個数については特に限定するものではない。

・上記実施形態では、位置フィードバックループのマイナーループとして、速度制御及び電流制御（トルク制御）の各フィードバックループを備えることとした。しかし、速度フィードバックループ及び電流フィードバックループの少なくとも何れかを廃する、或いは、電圧フィードバックループを追加する等、そのマイナーループについては適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、自動制御として、レーンキープアシスト制御を実行することとした。しかし、これに限らず、パーキングアシスト制御、或いは車両の姿勢制御を制御すべく転舵輪の舵角を制御するもの等、舵角（モータ回転角）に関する位置制御により実現されるものであれば、その自動制御の態様については、どのようなものであってもよい。

・上記実施形態では、モータレゾルバ３３により検出されるモータ回転角θmに基づいて、ステアリング２の実舵角、即ち操舵角θsを検出することとしたが、ステアリングセンサを用いて直接的に操舵角θsを検出する構成であってもよい。

次に、以上の実施形態から把握することのできる技術的思想を記載する。
（イ）独立に設けられた二系統のモータコイルを備えたモータと、各モータコイルに対する電力供給を通じて前記モータの作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記各モータコイルに対応して独立に設けられた二系統の駆動回路を備えるとともに、モータトルクを制御すべく、電流制御を実行することにより第１系統の駆動回路に対して制御信号を出力する第１制御信号出力手段と、入力される位置指令に基づいてモータ回転角を制御すべく、位置制御を実行することにより第２系統の駆動回路に対して制御信号を出力する第２制御信号出力手段とを備えること、を特徴とするモータ制御システム。これにより外乱の存在する環境下においても円滑にトルク制御及び位置制御を同時に実行することができる。

（ロ）前記モータは、ブラシレスモータであること、を特徴とする電動パワーステアリング装置。二系統の独立したモータコイルを有する場合には、そのブラシが存在しないことによる空間的余裕が顕著に現れる。従って、このような構成とすることにより、その駆動源であるモータの簡素化且つ小型化を図ることができる。

（ハ）前記制御手段は、前記位置制御のフィードバックループを有するとともに、その位置フィードバックループのマイナーループとして、速度制御、電流制御、及び電圧制御の少なくとも何れかのフィードバックループを有すること、を特徴とする電動パワーステアリング装置。これにより、より円滑に自動制御を実行することができる。

１…電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２…ステアリング、３…ステアリングシャフト、７…転舵輪、１０…ＥＰＳアクチュエータ、１１…ＥＣＵ、１２…モータ、１４…トルクセンサ、２１Ａ，２１Ｂ…モータコイル、２２…ステータ、２４…ロータ、２６Ａ，２６Ｂ…駆動回路、２７…マイコン、３１Ａ…第１制御信号出力部、３１Ｂ…第２制御信号出力部、３２Ａ，３２Ｂ…電流センサ、３３…モータレゾルバ、３５…アシスト制御部、３６…電流制御部、４０…車内ネットワーク、４１…操舵角演算部、４２…位置制御部、τ…操舵トルク、Ｉ*_a…電流指令値、Ｉ_ａ…実電流値、Ｓmc_a…制御信号、θs*…操舵角指令値、θs…操舵角、Ｓmc_b…制御信号。

Claims (1)

1. 独立に設けられた二系統のモータコイルが発生する起磁力に基づいて操舵系にアシスト力を付与する操舵力補助装置と、各モータコイルに対する電力供給を通じて前記操舵力補助装置の作動を制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
   前記制御手段は、前記各モータコイルに対応して独立に設けられた二系統の駆動回路を備え、
   第１系統は、前記操舵力補助装置に与えられるアシスト力を制御し、第２系統は、運転者のステアリング操作が行われないときに転舵輪の舵角を制御するものであるとともに、
   前記アシスト力に対応したモータトルクを発生させるべく、電流制御を実行することにより第１系統の駆動回路に対して制御信号を出力する第１の制御信号出力手段と、
   転舵輪の舵角を変更すべく入力される位置指令に基づいて、位置制御を実行することにより第２系統の駆動回路に対して制御信号を出力する第２の制御信号出力手段と、
   を備え、
   前記操舵力補助装置は、各モータコイルに共通のステータ及びロータを備えたモータを駆動源とすること、を特徴とする電動パワーステアリング装置。

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