JP5858207B1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】サンプルホールド回路等の外付け回路なしに、モータ回転中に変化するデューティ最大相に合わせて、最大相以外の2相を同時にサンプリングでき、安価に3シャントの電流を検出できる電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】電流指令値に基づいてインバータにより3相モータをPWM制御すると共に、3相モータの電流を検出してフィードバックすることによりアシスト制御するようになっている電動パワーステアリング装置において、インバータの下流3シャントの3相電流を検出する電流検出回路と、共用チャネルを有し、電流検出回路からの3相電流検出信号を入力する2つのA/D変換ユニットとを具備し、3相電流検出信号のいずれか1つが共用チャネルに入力され、残り2相の電流検出信号が2つのA/D変換ユニットの各他方チャネルにそれぞれ入力されている。【選択図】図5
Description
本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、電流指令値に基づいてインバータにより3相モータをPWM制御すると共に、3相モータの電流を検出してフィードバックすることにより操舵系をアシスト制御するようになっている電動パワーステアリング装置に関し、特に外付け回路が不要で安価に、インバータの下流3シャント式で3相モータ電流を検出することができる電動パワーステアリング装置に関する。
車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力(アシスト力)を付与する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機構を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置(EPS)は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値(電流指令値)とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM(パルス幅変調)制御のデューティの調整で行っている。
電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図1に示して説明すると、ハンドル1のコラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)2は減速ギア3、ユニバーサルジョイント4a及び4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a,6bを経て、更にハブユニット7a,7bを介して操向車輪8L,8Rに連結されている。また、コラム軸2には、ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ10及び操舵角θを検出する舵角センサ14が設けられており、ハンドル1の操舵力を補助するモータ20が減速ギア3を介してコラム軸2に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット(ECU)30には、バッテリ13から電力が供給されると共に、イグニションキー11を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクThと車速センサ12で検出された車速Velとに基づいてアシスト(操舵補助)指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Vrefによってモータ20に供給する電流を制御する。舵角センサ14は必須のものではなく、配設されていなくても良い。
コントロールユニット30には、車両の各種情報を授受するCAN(Controller Area Network)50が接続されており、車速VelはCAN50から受信することも可能である。また、コントロールユニット30には、CAN50以外の通信、アナログ/ディジタル信号、電波等を授受する非CAN51も接続可能である。
コントロールユニット30は主としてMCU(MPU等も含む)で構成されるが、そのMCU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図2のようになる。
図2を参照してコントロールユニット30の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ10で検出された操舵トルクTh及び車速センサ12で検出された(若しくはCAN50からの)車速Velは、電流指令値Iref1を演算する電流指令値演算部31に入力される。電流指令値演算部31は、入力された操舵トルクTh及び車速Velに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ20に供給する電流の制御目標値である電流指令値Iref1を演算する。電流指令値Iref1は加算部32Aを経て電流制限部33に入力され、最大電流を制限された電流指令値Irefmが減算部32Bに入力され、フィードバックされているモータ電流値Imとの偏差I(Irefm−Im)が演算され、その偏差Iが操舵動作の特性改善のためのPI制御部35に入力される。PI制御部35で特性改善された電圧制御指令値VrefがPWM制御部36に入力され、更に駆動部としてのインバータ37を介してモータ20がPWM駆動される。モータ20の電流値Imはモータ電流検出器38で検出され、減算部32Bにフィードバックされる。インバータ回路37は駆動素子としてFETが用いられ、FETのブリッジ回路で構成されている。
また、加算部32Aには補償信号生成部34からの補償信号CMが加算されており、補償信号CMの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部34は、セルフアライニングトルク(SAT)343と慣性342を加算部344で加算し、その加算結果に更に収れん性341を加算部345で加算し、加算部345の加算結果を補償信号CMとしている。
モータ20が3相ブラシレスモータの場合、PWM制御部36及びインバータ37の詳細は例えば図3に示すような構成となっており、PWM制御部36は、電圧制御指令値Vrefを所定式に従って、PWMキャリアに同期して3相分のPWMデューティ値D1〜D6を演算するデューティ演算部36Aと、PWMデューティ値D1〜D6で駆動素子としてのFETのゲートを駆動すると共に、デッドタイムの補償をしてON/OFFするゲート駆動部36Bとで構成されている。また、インバータ37はFET1〜FET6の3相ブリッジ(HighサイドFET1〜FET3、LowサイドFET4〜FET6)で構成されており、PWMデューティ値D1〜D6でON/OFFされることによってモータ20を駆動する。
このような電動パワーステアリング装置では、モータ20の各相電流を検出してフィードバックする必要があり、例えば図4に示すように3シャント式電流検出回路が知られている。即ち、インバータ37の下流側3相にそれぞれシャント抵抗RS1〜RS3を介挿し、シャント抵抗RS1〜RS3による降下電圧を計測し、A/D変換器37U〜37Wでディジタル値に変換すると共に電流値に換算し、検出された3相のモータ電流Iu、Iv,Iwをフィードバックしている。
下流3シャントの電流検出方式では、LowサイドFETがONしているタイミングで、少なくとも2相の電流を同時サンプリングで検出する必要がある。2相の電流を検出できれば、Iu+Iv+Iw=0の関係から残り1相の電流を検出することができる。また、デューティ飽和(最大)時(LowサイドFETのON時間が極小)の場合には、Lowサイドのシャント抵抗に電流が流れないことにより、その相の電流検出が不可能になる可能性があるため、デューティ飽和時の検出性を考慮し、3相のうち、モータ回転中に変化するデューティの飽和している相を判断して、デューティが飽和していない少なくとも2相の電流を検出する必要がある。
上記を満たすために、以下の方法が実施されている。
(1)図4に示すように、MCU内にA/D変換器を3個設け、3相の電流検出信号をそれぞれ別ユニットに接続し、デューティ飽和のない2相の電流検出信号を同時にサンプリングする方法。
(2)MCU内にA/D変換器を2個設け、MCU外部にマルチプレクサを設け、3相のうちデューティ飽和のない2相の電流検出信号を、MCUの各ユニットに出力し、同時にサンプリングする方法。
(3)サンプルホールド回路付きA/D変換器を採用し、そのA/D変換器に接続された3相の電流検出信号を同時にサンプリング・ホールドして検出する方法。
(4)MCU外部にサンプルホールド回路を設け、所定のタイミングで同時にサンプリング・ホールドした3相の電流検出信号をA/D変換する方法。
(1)図4に示すように、MCU内にA/D変換器を3個設け、3相の電流検出信号をそれぞれ別ユニットに接続し、デューティ飽和のない2相の電流検出信号を同時にサンプリングする方法。
(2)MCU内にA/D変換器を2個設け、MCU外部にマルチプレクサを設け、3相のうちデューティ飽和のない2相の電流検出信号を、MCUの各ユニットに出力し、同時にサンプリングする方法。
(3)サンプルホールド回路付きA/D変換器を採用し、そのA/D変換器に接続された3相の電流検出信号を同時にサンプリング・ホールドして検出する方法。
(4)MCU外部にサンプルホールド回路を設け、所定のタイミングで同時にサンプリング・ホールドした3相の電流検出信号をA/D変換する方法。
上記方法(1)ではA/D変換器を3個設ける必要があるため、MCUのコストアップになる問題がある。また、上記方法(2)及び(4)では外付けの回路が必要になるので、コストアップになると共に部品配置のスペース確保といった問題がある。更に上記方法(3)ではサンプルホールド回路付きA/D変換器を採用しているので、A/D変換の精度が悪く、電流検出精度が低下し、コストも高いといった問題がある。
また、下流3シャントの電流検出において、PWMデューティ値が100%付近になってもモータ相電流を正確に検出する手法は、例えば特開2007−110814号公報(特許文献1)に開示されている。しかしながら、特許文献1に記載の装置では、電流検出の手法やA/D変換のタイミング(サンプリング)についての記載がない。
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、サンプルホールド回路等の外付け回路なしに、モータ回転中に変化するデューティ飽和相(最大相)に合わせて、デューティ飽和のない2相を同時にサンプリングすることができ、安価に3シャントの電流を2つのA/D変換ユニットで検出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。
本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてインバータにより3相モータをPWM制御すると共に、前記3相モータの電流を検出してフィードバックすることにより操舵系をアシスト制御するようになっている電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記インバータの下流3シャントの3相電流を検出する電流検出回路と、共用チャネルを有し、前記電流検出回路からの3相電流検出信号を入力する2つのA/D変換ユニットとを具備し、前記3相電流検出信号のいずれか1つが前記共用チャネルに入力され、残り2相の電流検出信号が前記2つのA/D変換ユニットの各他方チャネルにそれぞれ入力されている電流検出系を有することにより達成される。
本発明の上記目的は、前記PWM制御のデューティ最大相を検出する最大相検出部と、前記3相電流検出信号の前記2つのA/D変換ユニットへの入力を切替える切替部とを更に備え、前記最大相検出部の検出結果に基づいて前記切替部を切替え、前記デューティ最大相以外の2相に対応する前記3相電流検出信号の2つを前記2つのA/D変換ユニットの各A/D変換器に入力して同時サンプリングするようになっていることにより、或いは前記2相の電流検出値から他の1相の電流値を算出して、3相のモータ電流検出値を出力することにより、或いは前記各電流検出回路が、下流シャント抵抗の降下電圧を電流値に換算して前記電流検出信号を出力する演算増幅器及び抵抗回路で構成されていることにより、或いは前記3相電流検出信号の各出力部にそれぞれLPFが接続されていることにより、より効果的に達成される。
本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、下流3シャントの3相電流を検出する電流検出回路と、電流検出回路からの3相電流検出信号を入力する2つのA/D変換ユニットとを具備し、3相電流検出信号のいずれか1つが共用チャネルに入力され、残り2相の電流検出信号が2つのA/D変換ユニットの各他方チャネルにそれぞれ入力されている。そのため、安価な構成で、正確に3相のモータ電流を検出することができる。
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、サンプルホールド回路等の外付け回路なしに、モータ回転中に変化するデューティ最大相に合わせて、デューティ最大相以外の2相を同時に、2つのA/D変換ユニットでサンプリングすることができ、安価に3シャントの電流を検出できる利点がある。
本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、電流指令値に基づいてインバータにより3相モータをPWM制御すると共に、3相モータの電流を検出してフィードバックすることにより操舵系をアシスト制御するようになっている電動パワーステアリング装置であり、インバータの下流3シャントの3相電流を検出する電流検出回路と、共用チャネルを有し、電流検出回路からの3相電流検出信号を入力する2つのA/D変換ユニットとを設け、3相電流検出信号のいずれか1つが共用チャネルに入力され、残り2相の電流検出信号が2つのA/D変換ユニットの各他方チャネルにそれぞれ入力されている電流検出系を有している。
また、本発明では、PWM制御のデューティ最大相(Highサイド)を検出する最大相検出部と、3相電流検出信号の2つのA/D変換ユニットへの入力を切替える切替部とを備え、最大相検出部の検出結果に基づいて切替部を切替え、デューティ最大相以外の2相に対応する3相電流検出信号の2つを2つのA/D変換ユニットの各A/D変換器に入力して、2相を同時にサンプリングするようになっている。他の1相については電流演算によって演算し、3相のモータ電流検出信号を出力してフィードバックするようにしている。
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図5は本発明の構成例を図3及び図4に対応させて示しており、インバータ37の3相下流側にシャント抵抗RS1〜RS3が接続され、これらシャント抵抗RS1〜RS3に電流検出回路が接続されている。シャント抵抗RS1、RS2、RS3の各両端部に、流れる電流によって降下する降下電圧を電流値に換算して検出する演算増幅器(差動増幅器)OP1、OP2、OP3がそれぞれ入力抵抗R1,R2と、R3,R4と、R5,R6とを経て接続されている。また、演算増幅器OP1、OP2、OP3にはそれぞれフィードバック抵抗R10、R12,R14が接続され、入力端子にはそれぞれ電源(+2.5V)に接続されたバランス抵抗R7、R8、R9が接続されている。演算増幅器OP1、OP2、OP3と接続抵抗の演算動作によって、シャント抵抗RS1〜RS3を流れる電流が検出される。
各電流検出回路の出力部には、それぞれ抵抗R11及びコンデンサC1、抵抗R13及びコンデンサC2、抵抗R15及びコンデンサC3で成るLPFが配設されており、各電流検出回路から出力される電流検出信号Iua,Iva,Iwaは各LPFを経てMCU100に入力される。ノイズの除去された電流検出信号Iua,Iva,IwaがMCU100に入力される。MCU100には2つのA/D変換ユニット110及び120が設けられており、A/D変換ユニット110及び120は電流検出信号Ivaを入力する共用チャネル(ch)を有すると共に、A/D変換ユニット110には電流検出信号Iuaを入力するチャネル(ch)1が接続され、A/D変換ユニット120には電流検出信号Iwaを入力するチャネル(ch)2が接続されている。
MCU100には、デューティの最大相を検出して切替信号SWx及びSWwを出力する最大相検出部130が接続され、MCU100からは検出された3相のモータ電流検出値Iu,Iv,Iwが出力される。最大相検出部130には、デューティ演算部36Aで演算された各相デューティが入力されている。
MCU100の詳細構成は図6に示すようになっており、A/D変換ユニット110は切替部111及びA/D変換器112で構成され、A/D変換ユニット120は切替部121及びA/D変換器122で構成されている。切替部111及び121は、それぞれ最大相検出部130からの切替信号SWx及びSWwによって切替えられ、A/D変換器112及び122のサンプリングされたモータ電流検出値は電流演算部101に入力され、3相信号の総計値が0であることに基づいて他の1相のモータ電流検出値を演算して出力する。この結果、MCU100から3相のモータ電流検出値Iu,Iv,Iwが出力される。
このような構成において、その動作例を図7のフローチャートを参照して説明する。
先ず操舵トルク、車速に基づいて電流指令値が演算され(ステップS1)、前述のようにPWM制御のためのデューティが演算され(ステップS2)、インバータ37によりモータ20が駆動される(ステップS3)。インバータ37によるモータ20の駆動により、インバータ37の下流側に接続されたシャント抵抗RS1〜RS3に電流が流れるので、各相電流検出回路で電流検出信号Iua,Iva,Iwaが検出され、MCU100に入力される(ステップS4)。
最大相検出部130は、デューティ演算部36Aで演算された各相デューティに基づいて、Highサイド側FETのデューティの最大相を検出し(ステップS5)、デューティ最大相以外の2相に切替部111及び121を切替える切替信号SWx及びSWwを出力する(ステップS6)。Highサイド側FETのデューティ最大相は、LowサイドのFETのON時間が最小の相となるので、デューティ最大相を検出し、デューティ最大相以外の2相を同時サンプリングする(ステップS7)。
即ち、U相がデューティ最大の相であるときには、U相以外のV相及びW相を同時にサンプリングするため、最大相検出部130は切替信号SWx及びSWwにより、切替部111の接点を111bとしてV相電流検出信号IvaをA/D変換器112に入力し、切替部121の接点を121aとしてW相電流検出信号IwaをA/D変換器122に入力する。また、V相がデューティ最大の相であるときには、V相以外のU相及びW相を同時にサンプリングするため、最大相検出部130は切替信号SWx及びSWwにより、切替部111の接点を111aとしてU相電流検出信号IuaをA/D変換器112に入力し、切替部121の接点を121aとしてW相電流検出信号IwaをA/D変換器122に入力する。更に、W相がデューティ最大の相であるときには、W相以外のU相及びV相を同時にサンプリングするため、最大相検出部130は切替信号SWx及びSWwにより、切替部111の接点を111aとしてU相電流検出信号IuaをA/D変換器112に入力し、切替部121の接点を121bとしてV相電流検出信号IvaをA/D変換器122に入力する。
このようにして、デューティ最大相以外の2相の電流検出信号が2つのA/D変換器112及び122に入力されて同時にA/D変換され(ステップS7)、2相のモータ電流検出値が求められ、その後、2相のモータ電流検出値に基づいて残り1相の電流が電流演算部101で演算され(ステップS8)、MCU100から3相のモータ電流検出値Iu,Iv,Iwが出力される(ステップS9)。上記動作が終了の判定まで繰り返される(ステップS10)。
図8は電流検出のサンプリング例を示しており、図8(A)に示すPWMキャリアに同期して、HighサイドFETのデューティが最大であるU相以外の2相のV相及びW相のサンプリングを時点t1に行ってV相及びW相のモータ電流検出値を求め、少し遅れた時点t2に、V相及びW相のモータ電流検出値に基づいてデューティ最大のU相のモータ電流検出値を演算する様子を示している。図8(B)及び(C)はインバータのHighサイド及びLowサイドの各FETのON/OFF状態を示しており、レベルLow側がOFF、レベルHigh側がONである。
このように、下流3シャントの電流検出方式では、LowサイドFETがONしているタイミングで、HighサイドFETがデューティ最大相となる相以外の2相の電流を同時サンプリングで検出する。
なお、A/D変換器や切替部は物理的に分離されていなくても良く、一体でも2つのA/D変換機能及び切替機能を有していれば良い。
1 ハンドル
2 コラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)
10 トルクセンサ
12 車速センサ
14 舵角センサ
20 モータ
30 コントロールユニット(ECU)
31 電流指令値演算部
33 電流制限部
34 補償信号生成部
35 PI制御部
36 PWM制御部
37 インバータ
50 CAN
100 MCU
101 電流演算部
110,120 A/D変換ユニット
112,122 A/D変換器
111,121 切替部
130 最大相検出部
2 コラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)
10 トルクセンサ
12 車速センサ
14 舵角センサ
20 モータ
30 コントロールユニット(ECU)
31 電流指令値演算部
33 電流制限部
34 補償信号生成部
35 PI制御部
36 PWM制御部
37 インバータ
50 CAN
100 MCU
101 電流演算部
110,120 A/D変換ユニット
112,122 A/D変換器
111,121 切替部
130 最大相検出部
Claims (5)
- 少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてインバータにより3相モータをPWM制御すると共に、前記3相モータの電流を検出してフィードバックすることにより操舵系をアシスト制御するようになっている電動パワーステアリング装置において、
前記インバータの下流3シャントの3相電流を検出する電流検出回路と、共用チャネルを有し、前記電流検出回路からの3相電流検出信号を入力する2つのA/D変換ユニットとを具備し、
前記3相電流検出信号のいずれか1つが前記共用チャネルに入力され、残り2相の電流検出信号が前記2つのA/D変換ユニットの各他方チャネルにそれぞれ入力されている電流検出系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。 - 前記PWM制御のデューティ最大相を検出する最大相検出部と、前記3相電流検出信号の前記2つのA/D変換ユニットへの入力を切替える切替部とを更に備え、
前記最大相検出部の検出結果に基づいて前記切替部を切替え、前記デューティ最大相以外の2相に対応する前記3相電流検出信号の2つを前記2つのA/D変換ユニットの各A/D変換器に入力して同時サンプリングするようになっている請求項1に記載の電動パワーステアリング装置。 - 前記2相の電流検出値から他の1相の電流値を算出して、3相のモータ電流検出値を出力する請求項1又は2に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記各電流検出回路が、下流シャント抵抗の降下電圧を電流値に換算して前記電流検出信号を出力する演算増幅器及び抵抗回路で構成されている請求項1乃至3のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記3相電流検出信号の各出力部にそれぞれLPFが接続されている請求項1乃至4のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
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