JP5622031B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、操作部材に加えられる操舵トルクに基づいてモータを制御することによって、操舵トルクに応じた操舵補助力をモータによって発生させる電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置として、下記特許文献１の図４に記載されたものがある。この従来の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール（操作部材）に加えられる操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、操舵トルク検出手段によって検出された操舵トルクに基づいてモータを制御する電動機制御手段とを備えている。電動機制御手段は、不感帯領域生成手段、飽和領域生成手段および偏差演算手段および制御信号発生手段を備えている。

操舵トルク検出手段から出力される操舵トルク信号は、不感帯領域生成手段に供給される。不感帯領域生成手段は、操舵トルク信号が零付近の領域においては、操舵トルク信号が零となる非線形の不感帯領域を生成する。これにより、操舵トルクが零付近である場合にモータ電流を流さない不感帯を設けることができる。不感帯領域生成手段によって不感帯領域が生成された操舵トルク信号は、飽和領域生成手段に供給される。

飽和領域生成手段は、操舵トルク信号の絶対値が所定値以上の領域においては、操舵トルク信号が一定値となる非線形の飽和領域を生成する。飽和領域生成手段によって飽和領域が生成された操舵トルク信号は、目標電流信号として偏差演算手段に供給される。偏差演算手段は、目標電流信号とモータ電流信号との偏差を演算する。制御信号発生手段は、この偏差に対するＰＩＤ演算を行なうことにより、指示電圧を生成し、指示電圧に応じたデューティ比を有するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成する。このＰＷＭ信号がモータ駆動手段に供給されることにより、モータがＰＷＭ駆動される。

前記従来の電動パワーステアリング装置では、操舵トルクが零付近である場合にモータ電流が流れない不感帯を設けるためには、不感帯領域生成手段が必要となる。特に、制御手段をアナログ回路で構成する場合には、専用の回路が必要となるため、装置が大型化するとともにコストが高くなる。
そこで、下記特許文献１の図１〜図３には、不感帯領域生成手段が不要となる電動パワーステアリング装置が示されている。この従来の電動パワーステアリング装置では、操舵トルク検出手段として、特殊な操舵トルクセンサが用いられる。具体的には、操舵トルクセンサは、操舵トルクに対応して線形の操舵トルク信号を出力する線形領域と、非線形の操舵トルク信号を出力する非線形領域とを備えるように構成されている。非線形領域には、操舵トルクが零付近の場合に操舵トルク信号を零に保持する不感帯領域がある。この従来の電動パワーステアリング装置では、操舵トルクが零付近である場合にモータ電流が流れない不感帯を設けるためには、不感帯領域生成手段等の専用の回路を付加する必要はなくなるが、特殊な操舵トルクセンサが必要となるため、コストが高くなる。

特開平10-76960号公報

この発明の目的は、操舵トルクが零付近である場合にモータ電流が流れない不感帯を設けることができ、しかも構成が簡単でコストが低い電動パワーステアリング装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、操舵補助力を発生するためのモータ（３）と、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段（１）と、前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクに基づいて、前記モータをオープンループ制御する制御手段（２）とを含み、前記制御手段は、前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクに応じた電圧指令値であって、前記操舵トルクの絶対値が零より大きな第１の所定値（Ｔ１）未満である領域に対して電圧指令値が零となる不感帯が設定されていない電圧指令値を生成する電圧指令値生成手段（２１）と、予め設定された一定の周波数を有し、前記電圧指令値生成手段によって生成される電圧指令値に応じたデューティ比のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段（２２，２３）と、ＰＷＭ信号生成手段によって生成されたＰＷＭ信号に応じてオンオフされる複数のスイッチング素子を含むモータ駆動回路（２４）とを含み、前記操舵トルクの前記第１の所定値に対応する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を第２の所定値（Ａ）とすると、前記ＰＷＭ信号のデューティ比が前記第２の所定値未満であるときの前記ＰＷＭ信号のパルス幅が、当該パルスによってオンされる前記スイッチング素子を介して前記モータに流れるモータ電流の立ち上がり時間（Ｔ _Ｕ ）よりも短くなるように、前記ＰＷＭ信号の周波数が設定されている、電動パワーステアリング装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

ＰＷＭ信号のデューティ比が同じ場合には、ＰＷＭ信号の周波数が高いほど、ＰＷＭ信号のパルス幅は短くなる。一方、モータ電流が立ち上がる際には、モータの内部インダクタンス等によって時間遅れ（以下、「電流立ち上がり時間」という）が生じる。ＰＷＭ信号のパルス幅が電流立ち上がり時間より短いときには、ＰＷＭ信号のパルス幅内でモータ電流が立ち上がらないため、モータ電流がほぼ零となる。
この発明では、操舵トルクの第１の所定値に対応するＰＷＭ信号のデューティ比を第２の所定値とすると、ＰＷＭ信号のデューティ比が第２の所定値未満であるときのＰＷＭ信号のパルス幅が、当該パルスによってオンされるスイッチング素子を介してモータに流れるモータ電流の立ち上がり時間よりも短くなるように、ＰＷＭ信号の周波数が設定されている。これにより、ＰＷＭ信号のデューティ比が第２の所定値未満のときにモータ電流をほぼ零にすることができる。

これにより、操舵トルクが零付近である場合にモータ電流が流れない不感帯を設けることができる。このような不感帯を設けるために、専用の回路を付加したり、特別な操舵トルク検出手段を使用したりする必要がないので、構成が簡単でコストが低い電動パワーステアリング装置を実現できる。

前記ＰＷＭ信号生成手段は、請求項２に記載されているように、三角波発生手段（２２）と、前記三角波発生手段によって発生される三角波と前記電圧指令値生成手段によって生成される電圧指令値とに基づいて、前記電圧指令値に応じたデューティ比のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ手段（２３）とを含むものであってもよい。この場合には、前記ＰＷＭ信号の周波数は、前記三角波発生手段によって発生される三角波の周波数によって決定される。したがって、この場合には、ＰＷＭ信号のデューティ比が第２の所定値未満であるときのＰＷＭ信号のパルス幅が、当該パルスによってオンされるスイッチング素子を介してモータに流れるモータ電流の立ち上がり時間よりも短くなるように、三角波発生手段によって発生される三角波の周波数が設定されることになる。

この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。 操舵トルクセンサによって検出される検出操舵トルクと、電圧指令値制生成回路によって生成される電圧指令値との関係を説明するためのグラフである。 電圧指令値制生成回路によって生成される電圧指令値と、ＰＷＭ回路によって生成されるＰＷＭ信号のデューティ比との関係を説明するためのグラフである。 図４（ａ）はＰＷＭ信号のデューティ比がしきい値未満である場合の、ＰＷＭ信号とモータ電流とを示すタイムチャートであり、図４（ａ）はＰＷＭ信号のデューティ比がしきい値以上である場合の、ＰＷＭ信号とモータ電流とを示すタイムチャートである。 操舵トルクセンサによって検出される検出操舵トルクと、モータ電流との関係を説明するためのグラフである。

以下では、この発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置は、車両を操向するための操作部材としてのステアリングホイールに加えられる操舵トルクＴを検出する操舵トルクセンサ（操舵トルク検出手段）１と、車両の舵取機構に減速機構を介して操舵補助力を与えるモータ（ブラシ付直流モータ）３と、操舵トルクセンサ１によって検出される操舵トルクＴに基づいて、モータ３をオープンループ制御する制御回路（制御手段）２とを備えている。

操舵トルクセンサ１の出力信号は、ステアリングホイールが右方向（正転方向）に操舵される場合には零以上の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクが大きいほど大きくなるように変化する。また、操舵トルクセンサ１の出力信号は、ステアリングホイールが左方向（逆転方向）に操舵される場合には零未満の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクが大きいほど小さくなるように変化する。

制御回路２は、電圧指令値生成回路（電圧指令値生成手段）２１、三角波発生回路（三角波発生手段）２２、ＰＷＭ回路（ＰＷＭ手段）２３および駆動回路（駆動手段）２４を備えている。三角波発生回路２２およびＰＷＭ回路２３によって、ＰＷＭ信号生成回路（ＰＷＭ信号生成手段）が構成されている。この実施形態では、制御回路２内の各回路２１〜２４は、アナログ回路で構成されている。

電圧指令値制生成回路２１は、操舵トルクセンサ１によって検出される操舵トルクＴに基づいて、目標モータ電流に応じた電圧指令値を生成する。電圧指令値制生成回路２１は、たとえば、増幅回路で構成され、図２に示すように、検出操舵トルクＴに比例した電圧指令値を生成する。
三角波発生回路２２は、三角波を発生する。ＰＷＭ回路２３は、三角波発生回路２２によって発生される三角波と、電圧指令値制生成回路２１によって生成される電圧指令値とに基づいて、電圧指令値に応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号を生成する。具体的には、ＰＷＭ回路２３は、たとえば、正転用ＰＷＭ信号および逆転用ＰＷＭ信号を生成して、駆動回路２４に供給する。正転用のＰＷＭ信号のデューティ比は、図３に折れ線ｄａで示すように、電圧指令値が零以上であるときには電圧指令値が大きいほど大きくなり、電圧指令値が零未満であるときに零となる。一方、逆転用ＰＷＭ信号のデューティ比は、図３に折れ線ｄｂで示すように、電圧指令値が零未満であるときには電圧指令値が小さいほど大きくなり、電圧指令値が零以上であるときには零となる。

駆動回路２４は、たとえば、２つの正転用スイッチング素子および２つの逆転用スイッチング素子を含むＨブリッジ回路からなる。具体的には、駆動回路２４は、ハイサイドの正転用スイッチング素子とローサイドの逆転用スイッチング素子とからなる直列回路と、ハイサイドの逆転用スイッチング素子とローサイドの正転用スイッチング素子とからなる直列回路とを含んでいる。これらの直列回路は、電源に対して並列に接続されている。そして、ハイサイドの正転用スイッチング素子とローサイドの逆転用スイッチング素子との接続点と、ハイサイドの逆転用スイッチング素子とローサイドの正転用スイッチング素子との接続点との間にモータ３が接続されている。各スイッチング素子は、たとえば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）である。このＨブリッジ回路を構成するスイッチング素子がＰＷＭ回路２３から与えられる正転用ＰＷＭ制御信号および逆転用ＰＷＭ制御信号によって制御されることにより、電圧指令値に応じた方向および大きさのモータ電流がモータ３に流れるようになる。

具体的には、正転用スイッチング素子は正転用ＰＷＭ制御信号に基づいて制御され、逆転用スイッチング素子は逆転用ＰＷＭ制御信号に基づいて制御される。これにより、電圧指令値が零以上の場合には、逆転用スイッチング素子はオフとされ、正転用のスイッチング素子が正転用ＰＷＭ制御信号に基づいて制御される。具体的には、ローサイドの正転用スイッチング素子がオン状態とされ、ハイサイドの正転用スイッチング素子が正転用ＰＷＭ制御信号に応じてオンオフされる。これにより、モータ３が正転される。この場合には、電圧指令値が大きいほど（検出操舵トルクの絶対値が大きいほど）、モータ電流の絶対値が大きくなる。

一方、電圧指令値が零未満の場合には、正転用スイッチング素子はオフとなり、逆転用のスイッチング素子が逆転用ＰＷＭ制御信号に基づいて制御される。具体的には、ローサイドの逆転用スイッチング素子がオン状態とされ、ハイサイドの逆転用スイッチング素子が逆転用ＰＷＭ制御信号に応じてオンオフされる。これにより、モータ３が逆転される。この場合には、電圧指令値が小さいほど（検出操舵トルクの絶対値が大きいほど）、モータ電流の絶対値が大きくなる。こうして、検出操舵トルクの方向および大きさに応じた操舵補助力がモータ３によって発生される。

この実施形態では、ＰＷＭ信号のデューティ比が所定のしきい値Ａ未満のときにモータ電流がほぼ零となるように、ＰＷＭ信号の周波数が設定されている。ＰＷＭ信号の周波数は三角波発生回路２２から発生される三角波の周波数によって決まるので、ＰＷＭ信号のデューティ比が所定のしきい値Ａ以下のときにモータ電流がほぼ零となるように、三角波発生回路２２から発生される三角波の周波数が設定されている。しきい値Ａは、たとえば、５％程度に設定される。

図４（ａ）は、ＰＷＭ信号のデューティ比ｄが所定のしきい値Ａ未満のときのＰＷＭ信号（破線ｐ）およびモータ電流ｉを示している。図４（ｂ）は、ＰＷＭ信号のデューティ比ｄがしきい値Ａ以上のときのＰＷＭ信号（破線ｐ）およびモータ電流ｉを示している。
デューティ比ｄは、ＰＷＭ信号ｐの周期をａ、パルス幅をｂとすると、次式(1)で表される。

ｄ＝ｂ／ａ …(1)
モータ電流ｉが立ち上がる際には、モータ３の内部インダクタンス等によって、時間遅れ（以下、「電流立ち上がり時間Ｔ_Ｕ」という。）が生じる。たとえば、図４（ｂ）に示すように、ＰＷＭ信号ｐがＬレベルからＨレベルになったとしても、モータ電流ｉは直ちに立ち上がらない。つまり、ＰＷＭ信号ｐがＬレベルからＨレベルになってから、所定時間（電流立ち上がり時間Ｔ_Ｕ）の経過後に、モータ電流ｉが立ち上がる。電流立ち上がり時間Ｔ_Ｕは、モータ３等の特性によって決まる。

ＰＷＭ信号の周波数が高いほどＰＷＭ信号の周期ａは短くなるため、デューティ比が同じ場合には、ＰＷＭ信号の周波数が高いほどパルス幅ｂは短くなる。この実施形態では、ＰＷＭ信号ｐのデューティ比が所定のしきい値Ａ未満のときには、パルス幅ｂが電流立ち上がり時間Ｔ_Ｕ未満となり、ＰＷＭ信号ｐのデューティ比がしきい値Ａ以上のときには、パルス幅ｂが電流立ち上がり時間Ｔ_Ｕ以上となるように、ＰＷＭ信号ｐの周波数（三角波の周波数）が設定されている。

図４（ｂ）に示すように、ＰＷＭ信号ｐのデューティ比ｄがしきい値Ａ以上である場合には、パルス幅ｂが電流立ち上がり時間Ｔ_Ｕ以上となるため、ＰＷＭ信号のＨレベル期間（パルス幅）内にモータ電流ｉが立ち上がる。このため、ＰＷＭ信号のデューティ比ｄが所定のしきい値Ａ以上である場合には、モータ電流の平均値は電圧指令値に応じた電流値となる。

一方、図４（ａ）に示すように、ＰＷＭ信号ｐのデューティ比がしきい値Ａ未満である場合には、パルス幅ｂが立ち上がり時間Ｔ_Ｕ未満となるため、ＰＷＭ信号のＨレベル期間（パルス幅）内に電流が立ち上がらない。このため、ＰＷＭ信号のデューティ比ｄが所定のしきい値Ａ未満である場合には、モータ電流の平均値はほぼ零となる。これにより、操舵トルクが零付近である場合にモータ電流が流れない不感帯を設けることができる。

図３に示すように、逆転用ＰＷＭ信号および正転用ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｂ，ｄａがしきい値Ａとなる電圧指令値を、それぞれ−Ｖ１，Ｖ１とする。また、図２に示すように、電圧指令値−Ｖ１，Ｖ１にそれぞれ対応する検出操舵トルクを−Ｔ１，Ｔ１とする。そうすると、検出操舵トルクＴに対するモータ電流（平均値）は、図５に示すようになる。具体的には、検出操舵トルクＴが零付近の領域（−Ｔ１〜Ｔ１）にある場合には、モータ電流はほぼ零となる。つまり、検出操舵トルクＴが零付近の領域（−Ｔ１〜Ｔ１）に、不感帯が設定される。検出操舵トルクがＴ１より大きい場合には、モータ電流の方向はモータ３を正転させる方向となり、検出操舵トルクＴの絶対値が大きくなるほど、モータ電流の絶対値が大きくなる。一方、検出操舵トルクが−Ｔ１より小さい場合には、モータ電流の方向はモータ３を逆転させる方向となり、検出操舵トルクＴの絶対値が大きくなるほど、モータ電流の絶対値が大きくなる。

なお、ＰＷＭ信号の周波数（三角波の周波数）は、次のようにして変更することができる。たとえば、三角波発生回路２２が、矩形波を発生する波形整形回路（たとえば、シュミット回路、マルチバイブレータ等）と、積分回路とで構成されている場合には、積分回路の構成要素であるコンデンサの容量を変更することによって、三角波の周波数を変更することができる。また、波形整形回路に含まれる分圧抵抗の比を変更することによって、三角波の周波数を変更することができる。

この実施形態によれば、専用の回路を付加したり、特別な操舵トルクセンサを使用したりすることなく、検出操舵トルクが零付近である場合にモータ電流が流れない不感帯を設けることができる。このため、構成が簡単となるとともに、コストを低減させることができる。また、ＰＷＭ信号の周波数を変更することによって、不感帯の広いアシスト特性や、不感帯の狭いアシスト特性を得ることができる。具体的には、ＰＷＭ信号の周波数を高くすると不感帯の広いアシスト特性が得られ、ＰＷＭ信号の周波数を低くすると不感帯の広いアシスト特性が得られる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、ＰＷＭ信号の周波数を変更できるような構成にしてもよい。たとえば、三角波発生回路２２は、発生される三角波の周波数を変更できるものであってもよい。このようにすると、必要に応じて不感帯の幅やモータ電流（平均値）の制御範囲を変更することが可能となる。

また、操舵トルクセンサは、その出力信号値が０Ｖ以上の値しかとらないものであってもよい。このような操舵トルクセンサの出力信号は、たとえば、ステアリングホイールが右方向に操舵される場合には基準電圧以上の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクが大きいほど小さくなる。また、ステアリングホイールが左方向に操舵される場合には、操舵トルクセンサの出力信号は、０Ｖ以上でかつ基準電圧未満の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクが大きいほど小さくなる。

また、前記実施形態では、制御回路２内の電圧指示値生成回路２１、三角波発生回路２２およびＰＷＭ演算回路２３はアナログ回路で構成されているが、これらの各回路２１，２２，２３をソフトウエアによって実現してもよい。
また、この発明は、操舵補助力を発生するモータがブラシレスモータである場合でも、適用することができる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…操舵トルクセンサ、２…制御回路、３…モータ、２１…電圧指令値生成回路、２２…三角波発生回路、２３…ＰＷＭ回路、２４…駆動回路

Claims (2)

1. 操舵補助力を発生するためのモータと、
   操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクに基づいて、前記モータをオープンループ制御する制御手段とを含み、
   前記制御手段は、
   前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクに応じた電圧指令値であって、前記操舵トルクの絶対値が零より大きな第１の所定値未満である領域に対して電圧指令値が零となる不感帯が設定されていない電圧指令値を生成する電圧指令値生成手段と、
   予め設定された一定の周波数を有し、前記電圧指令値生成手段によって生成される電圧指令値に応じたデューティ比のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、
   ＰＷＭ信号生成手段によって生成されたＰＷＭ信号に応じてオンオフされる複数のスイッチング素子を含むモータ駆動回路とを含み、
   前記操舵トルクの前記第１の所定値に対応する前記ＰＷＭ信号のデューティ比を第２の所定値とすると、前記ＰＷＭ信号のデューティ比が前記第２の所定値未満であるときの前記ＰＷＭ信号のパルス幅が、当該パルスによってオンされる前記スイッチング素子を介して前記モータに流れるモータ電流の立ち上がり時間よりも短くなるように、前記ＰＷＭ信号の周波数が設定されている、電動パワーステアリング装置。
2. 前記ＰＷＭ信号生成手段は、
   三角波発生手段と、
   前記三角波発生手段によって発生される三角波と前記電圧指令値生成手段によって生成される電圧指令値とに基づいて、前記電圧指令値に応じたデューティ比のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ手段とを含み、
   前記ＰＷＭ信号の周波数が前記三角波発生手段によって発生される三角波の周波数によって決定される、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

Images