JPH11313497A - ノッチ・フィルタを用いる改良されたモ―タ電流コントロ―ラを有する電気アシスト・ステアリング・システム - Google Patents

ノッチ・フィルタを用いる改良されたモ―タ電流コントロ―ラを有する電気アシスト・ステアリング・システム

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JPH11313497A
JPH11313497A JP11075997A JP7599799A JPH11313497A JP H11313497 A JPH11313497 A JP H11313497A JP 11075997 A JP11075997 A JP 11075997A JP 7599799 A JP7599799 A JP 7599799A JP H11313497 A JPH11313497 A JP H11313497A
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JP11075997A
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Engelbert Lu
エンゲルバート・ルー
Kevin M Mclaughlin
ケヴィン・エム・マクラフリン
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Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
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TRW Inc
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  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Steering Mechanism (AREA)
  • Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ノッチ・フィルタを用いて、モータ・コント
ローラを改良する。 【解決手段】 モータ・コントローラは、モータ電流コ
マンド信号（ｉrcmd）とモータ電流フィードバック信号
（ｉs）とを加算し、これらの信号の差と関数関係にあ
る値を有するエラー電流コマンド信号（Δｉcmd）を提
供する加算手段（１８６）を含む。ノッチ・フィルタ手
段（２００）が、エラー電流コマンド信号をフィルタリ
ングし、フィルタリングした電流コマンド信号を提供す
る。このノッチ・フィルタは、モータ（２８）の共振周
波数の周辺の周波数を、エラー電流コマンド信号からノ
ッチして除去するように構成されている。駆動回路（１
２０、２０４）が、フィルタリングされた電流コマンド
信号に応答して、モータを付勢する。モータ電流センサ
（９７）が、モータ電流を感知し、モータ電流フィード
バック信号を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気アシスト・ステア
リング・システムに関する。更に詳しくは、モータの動
作条件と実質上無関係な一定帯域幅や、モータの音響ノ
イズの減少や、種々の速度におけるトルク出力の増加
や、トルク・リプルの減少などの目的を制御することと
一貫性のある制御可能な帯域幅を提供する改良されたモ
ータ電流コントローラを有する電気アシスト・ステアリ
ング・システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】電気アシスト・ステアリング・システム
は、この技術では周知である。ラック及びピニオンギア
の組を用いる電気パワー・アシスト・ステアリング・シ
ステムは、電気モータを用いて、（ｉ）ピニオンギアに
接続されたステアリング・シャフトに回転力を与える
か、又は、（ｉｉ）その上にラックの歯を有するステア
リング部材に線形の力を与えるか、のどちらかによっ
て、パワー・アシストを提供する。このようなシステム
における電気モータは、典型的には、（ｉ）運転者が車
両のステアリング・ホイール（ハンドル）に加えるトル
クと、（ｉｉ）感知された車両速度と、に応答して制御
される。
【０００３】ＴＲＷ社に譲渡されている、Drutchasへの
米国特許第4,415,054号（米国再発行特許第32,222号）
は、「Ｈブリッジ」構成を介して駆動される直流型の電
気アシスト・モータを利用する。このアシスト・モータ
は、ステアリング部材を包囲する回転子を含む。このス
テアリング部材は、ネジ切りされた旋回（コンボリュー
ション）を有する第１の部分と、直線状に切られたラッ
ク歯を有する第２の部分とから成る。電気アシスト・モ
ータの回転子の回転により、ステアリング部材のネジ切
りされた旋回部分に駆動可能に接続されたボール・ナッ
トを介して、ステアリング部材の線形運動が生じる。ト
ルク感知装置が、ステアリング・ホイールに結合され、
ステアリング・ホイールに運転者が加えたトルクを感知
する。このトルク感知装置は、磁気的ホール効果（Hall
-effect）センサを用いて、トーションバーの両端の入
力と出力シャフトとの間の相対的な回転を感知する。電
子的制御ユニット（ＥＣＵ）が、このトルク感知装置か
らの信号をモニタする。車両速度センサが、ＥＣＵに、
車両速度を示す信号を提供する。ＥＣＵは、感知された
車両速度と感知された加えられたステアリング・トルク
との両方に応答して、電気アシスト・モータを流れる電
流と、そして、ステアリング・アシストとを制御する。
ＥＣＵは、車両速度が増加するにつれて、ステアリング
・アシストを減少させる。これが、この技術において、
通常、速度比例ステアリングと称されるものである。
【０００４】ＴＲＷ社に譲渡されている、Miller他への
米国特許第5,257,828号は、ヨー・レート制御を有する
電気アシスト・ステアリング・システムを開示してい
る。このシステムは、可変リラクタンス（ＶＲ）モータ
を用い、ステアリング・アシストをラック部材に与え
る。トルク要求信号は、ステアリング速度フィードバッ
クの関数として修正され、減衰（ダンピング）を提供す
る。
【０００５】ＴＲＷ社に譲渡されている、McLaughlinへ
の米国特許第5,504,403号には、適応ブレンディング
（混合）フィルタを用いて、電気アシスト・ステアリン
グ・システムを制御する方法及び装置が開示されてい
る。この適応ブレンディング・フィルタは、与えられた
ステアリング・トルク信号を処理し、システム動作の
間、選択可能なシステム帯域幅を維持する。この構成に
より、車両速度と与えられたステアリング・トルクとか
ら実質的に独立した帯域幅を有するステアリング・シス
テムが得られる。
【０００６】理想的には、電気アシスト・ステアリング
・システムの電気モータは、電気ステアリング・システ
ムよりもはるかに大きな帯域幅を有し、それによって、
電気モータの応答は、ステアリング・システムの安定性
に反対の衝撃を与えることがなくなる。可変リラクタン
ス・モータは、そのような高帯域幅のモータである。低
周波数でのステアリング動作だけでなく高周波数での音
響ノイズの制御を達成し、それによって、モータが平静
となるようにするためには、一定の帯域幅のモータが望
ましい。しかし、ＶＲモータの制御されていない帯域幅
は、モータ電流ｉと、固定子に対する回転子の位置Θ
と、モータの抵抗値と、モータの温度ｔとの関数として
変動する。このようなモータの動作条件とは独立で一貫
性のあるシステム帯域幅を維持することが望ましい。コ
ントローラは、この変動する帯域幅を補償して、不変の
帯域幅を達成しなければならない。ＶＲモータは、音響
的に敏感な構造モードを有しており、モータの固定子の
ハウジング（「シェル」）は軸方向の運動を経験し、特
定の駆動周波数では、モータのシェルが共振する。都合
が悪いことには、この共振は、人間の可聴範囲で生じる
ことがある。モータは、実際上、「スピーカ」として作
用して、望ましくないモータ音を生じさせる。更に、モ
ータは、シェルの加速の結果として、「マイクロフォ
ン」効果を示すことがあり、結果的に、モータ・コイル
に電流発振を生じさせ、モータから更なるノイズを発生
させることになる。従って、このような音響ノイズを、
更には、トルク・リプルを減少させることが望ましい。
【０００７】
【発明の概要】本発明によって、可変ゲインを有するモ
ータ・コントローラが提供される。ゲインは、モータの
回転子位置とモータ電流との関数として制御される。ゲ
インは、回転子位置とモータ電流とに対して実質的に独
立に、一貫性のある電流帯域幅を提供するように、制御
される。フィルタが制御ループにおいて提供され、電流
コマンド信号から、モータ・シェル共振を結果的に生じ
させる可能性のある周波数をフィルタリングする。この
システムは、本発明によれば、（ｉ）一貫性のある動作
帯域幅、（ｉｉ）音響ノイズの減少、（ｉｉｉ）高速な
応答時間、（ｉｖ）トルク・リプルの減少、そして
（ｖ）様々な速度でのトルク出力の増加、を提供する。
【０００８】本発明のある側面によると、モータ・コン
トローラは、受け取ったモータ電流コマンド信号とモー
タ電流フィードバック信号とを加算し、モータ電流コマ
ンド信号とモータ電流フィードバック信号との差と関数
関係にある値を有するエラー（誤差）電流コマンド信号
を提供する手段を含む。ノッチ・フィルタ手段が、エラ
ー電流コマンド信号をフィルタリングし、フィルタリン
グした電流コマンド信号を提供する。このノッチ・フィ
ルタは、モータの共振周波数の周辺の周波数を、エラー
電流コマンド信号からノッチして除去するように構成さ
れている。駆動回路が、フィルタリングされた電流コマ
ンド信号に応答して、モータを付勢する。モータ電流セ
ンサが、モータ電流を感知し、モータ電流フィードバッ
ク信号を提供する。
【０００９】本発明の別の側面によると、電気アシスト
・ステアリング・システムは、車両ステアリング・ホイ
ールに加えられたステアリング・トルクを感知し、この
ステアリング・トルクと関数関係にある値を有する信号
を提供する。モータが、車両のステアリング部材と駆動
的に接続されており、付勢されると、ステアリング・ア
シストを提供する。モータ・コントローラが、トルク・
センサに動作的に接続されており、加えられたステアリ
ング・トルク信号の値と関数関係にある値を有するモー
タ電流コマンド信号を提供する。このシステムは、更
に、モータ電流コマンド信号とモータ電流フィードバッ
ク信号とを加算し、モータ電流コマンド信号とモータ電
流フィードバック信号との差と関数関係にある値を有す
るエラー電流コマンド信号を提供する加算手段を含む。
このシステムは、更に、エラー電流コマンド信号をフィ
ルタリングし、フィルタリングした電流コマンド信号を
提供するノッチ・フィルタ手段を含む。このノッチ・フ
ィルタは、モータの共振周波数の周辺の周波数をエラー
電流コマンド信号からノッチして除去するように構成さ
れている。駆動回路が、フィルタリングされた電流コマ
ンド信号に応答して、モータを付勢する。モータ電流セ
ンサが、モータ電流を感知し、モータ電流フィードバッ
ク信号を加算手段に提供する。
【００１０】本発明の更に別の側面によると、モータの
制御方法は、モータ電流コマンド信号とモータ電流フィ
ードバック信号とを加算し、モータ電流コマンド信号と
モータ電流フィードバック信号との差と関数関係にある
値を有するエラー電流コマンド信号を提供するステップ
を含む。この方法は、更に、エラー電流コマンド信号を
ノッチ・フィルタリングし、フィルタリングした電流コ
マンド信号を提供するステップを含む。このノッチ・フ
ィルタリングのステップでは、モータの共振周波数の周
辺の周波数を、エラー電流コマンド信号からノッチして
除去する。モータは、フィルタリングされた電流コマン
ド信号に応答して付勢される。この方法は、更に、モー
タ電流を感知しモータ電流フィードバック信号を提供す
るステップを含む。
【００１１】本発明のこれ以外の特徴及び効果は、以下
の詳細な説明を添付の図面を参照して読むことにより、
当業者には明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の態様】図１を参照すると、パワーアシス
ト・ステアリング・システム１０は、ピニオンギア１４
に動作的に接続されたステアリング・ホイール（ハンド
ル）１２を含む。特に、この車両ステアリング・ホイー
ル１２は入力シャフト１６に接続され、ピニオンギア１
４は出力シャフト１８に接続されている。入力シャフト
１６は、トーションバー２０を介して出力シャフト１８
に動作的に結合されている。
【００１３】トーションバー２０は、加えられたステア
リング・トルクに応答してねじれ（ツイストし）、それ
によって、入力シャフト１６と出力シャフト１８との間
の相対的な回転を許容する。ストップ（図示せず）が、
この技術分野で知られている態様で、入力及び出力シャ
フトの間のこのような相対的な回転の量を制限する。ト
ーションバー２０は、ここではＫtとして表わされるバ
ネ定数を有する。好適実施例によれば、バネ定数Ｋt＝
２０ｉｎ−ｌｂ／ｄｅｇである。加えられたステアリン
グ・トルクに応答しての入力シャフト１６と出力シャフ
ト１８との間の相対的な回転の量は、トーションバー２
０のバネ定数と関数関係にある。
【００１４】この技術分野で周知のように、ピニオンギ
ア１４は、ラックすなわち線形ステアリング部材２２の
上に直線状に切られた歯とかみ合って係合しているはす
（ヘリカル）歯（helical teeth）を有する。ラック部
材２２上の直線状に切られたギアの歯と結合したピニオ
ンギア１４は、ラックとピニオンギアとの組を形成す
る。ラックは、既知の態様で、ステアリング・リンケー
ジを有する車両の操縦（かじ取り）可能（ステアラブ
ル、steerable）な車輪２４、２６に、操縦可能に結合
されている。ステアリング・ホイール１２がターンされ
ると、ラックとピニオンギアとの組は、ステアリング・
ホイール１２の回転運動をラックの直線運動に変換す
る。ラックが直線状に移動する場合には、操縦可能な車
輪２４、２６は、それに関連付けされたステアリング軸
の回りをピボット運動し、車両が操縦される。
【００１５】電気アシスト・モータ２８は、ボールナッ
ト駆動構成を介して、ラック２２に駆動的に接続されて
いる。電気モータ２８は、付勢されると、ラックの線形
的な駆動を助力することによって、パワーアシスト・ス
テアリングを提供し、車両操作者による車両のステアリ
ング・ホイール１２の回転を補助する。
【００１６】本発明の好適実施例によれば、電気アシス
ト・モータ２８は、可変リラクタンス（ＶＲ）モータで
ある。可変リラクタンス・モータは、小型であり、摩擦
が小さく、トルク・慣性比率が高いので、電気アシスト
・ステアリング・システムでの使用が望まれる。本発明
の好適実施例によれば、ＶＲモータ２８は、８つの固定
子極（ポール）と６つの回転子極とを有する４相モータ
である。固定子極は、対として付勢されるように構成さ
れており、それによって、モータの４つの相が形成され
る。
【００１７】ＶＲモータの動作原理は、この技術分野で
は周知であるので、ここでは詳細に説明しない。基本的
には、固定子極は対として付勢される。回転子は、付勢
された固定子極と最も近接した１対の回転子極との間の
磁気リラクタンスを最小にするように運動する。最小の
リラクタンスは、１対の回転子極が付勢された固定子極
と整列するときに生じる。いったん最小のリラクタンス
が達成されれば、すなわち、回転子極が付勢された固定
子コイルと整列すれば、これらの付勢された固定子コイ
ルは消勢され、モータを更に動作させることを仮定する
と、隣接する１対の固定子コイル（所望のモータの向き
に依存する）が付勢される。
【００１８】多くの直流モータでは、モータ巻線を流れ
る電流の方向を制御することによって、モータの回転の
方向が制御される。ＶＲモータでは、電流は、モータ動
作の所望の方向とは独立である一方向だけに、固定子コ
イルを通過する。モータ回転方向は、固定子コイルが付
勢されるシーケンスによって制御される。例えば、モー
タが一方向に運動するためには、位相Ａａの後に、位相
Ｂｂが付勢される。モータを反対の方向に運動させるこ
とを望む場合には、位相Ａａの付勢の後に、位相Ｄｄの
付勢が続く。
【００１９】モータによって生じるトルクは、固定子コ
イルを流れる電流によって制御される。アシスト・ステ
アリング・モータが付勢されると、回転子がターンし、
これにより、ボール・ナット駆動構成のナット部分が回
転する。ナットが回転すると、ボールが、線形の力をラ
ックに伝える。ラックの運動方向と、操縦可能な車両の
車輪の操縦運動の方向とは、モータの回転の方向に依存
する。
【００２０】回転子の位置センサ３０は、モータの回転
子とモータのハウジングとに動作的に接続されている。
回転子位置センサ３０の機能は、モータ固定子に対する
モータ回転子の位置を示す電気信号を提供することであ
る。この技術分野において周知のように、ＶＲモータの
動作のためには、この位置情報が必要となる。本発明で
は、任意の既知の回転子位置センサを用いることができ
るが、ＴＲＷ社に譲渡されている、Persson他への米国
特許第5,625,239号に開示されているタイプの回転子位
置センサが、好適である。
【００２１】ステアリング・シャフト位置センサ４０
は、ステアリング入力シャフト１６とステアリング出力
シャフト１８との両端に動作的に接続されており、入力
シャフト１６と出力シャフト１８との間の相対的な回転
位置すなわち相対的な角度方向を示す値を有する電気信
号を提供する。位置センサ４０は、トーションバー２０
と共に、加えられたステアリング・トルクを示す値を有
する電気信号を提供するトルク・センサ４４を形成す
る。ステアリング・ホイール１２は、操縦操作の間に、
運転者によって、角度ΘHWだけ回転される。加えられた
入力トルクの結果としての入力シャフト１６と出力シャ
フト１８との間の相対的な角度は、ここでは、ΘPと称
することにする。トーションバー２０のバネ定数Ｋtを
考慮すると、センサ４０からの電気信号は、更に、ここ
ではτsと称する加えられたステアリング・トルクも表
わしている。
【００２２】トルク・センサ４４の出力は、トルク信号
処理回路５０に接続される。処理回路５０は、加えられ
たステアリング・トルク角度ΘPをモニタし、また、ト
ーションバー２０のバネ定数Ｋtがわかっているので、
加えられたステアリング・トルクτsを示す電気信号を
提供する。
【００２３】トルク・センサ信号は、フィルタリング回
路５２を通過する。好ましくは、フィルタ５２は、ＴＲ
Ｗ社に譲渡されている、McLaughlinへの米国特許第5,50
4,403号に開示されているタイプの適応ブレンディング
・トルク・フィルタである。適応ブレンディング・トル
ク・フィルタ５２は、車両速度センサ５６から、車両速
度信号を受け取る。適応ブレンディング・トルク・フィ
ルタ５２は、ブレンディング周波数未満のトルク周波数
では非線形特性を有し、ブレンディング周波数より大き
なトルク周波数では線形特性を有するように構成されて
いる。ブレンディング・フィルタ５２は、車両速度と関
数関係を有する値にブレンディング周波数を確立する。
本発明では、他のトルク信号フィルタ構成を用いること
もできることは理解できよう。適応ブレンディング・ト
ルク・フィルタの目的は、システム動作の間に選択可能
なシステム帯域幅を維持し、それによって、車両速度が
上昇する際にステアリングの感度が悪化することを防止
する。
【００２４】図２を参照すると、ブレンディング・フィ
ルタ５２は、共にトルク信号プロセッサ５０の出力に接
続されたローパス・フィルタ７０とハイパス・フィルタ
７１との両方を含んでいる。フィルタ７０、７１は、こ
れら２つのフィルタの合計がすべての周波数について等
しくなるように設計されている。ローパス・フィルタ７
０は、所定のブレンディング周波数ｗbよりも低い周波
数τslの内容を有するすべての信号τsを通過させ、他
方で、すべての高周波データを排除する。ハイパス・フ
ィルタ７１は、あるブレンディング周波数ｗbよりも高
い周波数τshの内容を有するすべての信号τsを通過さ
せ、他方で、すべての低周波データを排除する。ブレン
ディング・フィルタの周波数ｗbの値は、車両速度の関
数であり、速度センサ５６の出力に接続されたブレンデ
ィング・フィルタ決定回路６８によって決定される。ｗ
bの決定は、所定の記憶された値を有するマイクロコン
ピュータにおけるルックアップ・テーブルを用いるか、
又は、所望の制御関数による計算によって達成される。
【００２５】ローパス・トルク・センサの出力は、アシ
スト曲線回路６９に接続されるが、この回路６９は、好
ましくは、ルックアップ・テーブルである。車両速度セ
ンサ５６もまた、このアシスト曲線回路に動作的に接続
されている。この分野で周知であるように、車両のステ
アリング・システムに必要となるパワー・アシストの量
は、車両速度が上昇するにつれて減少する。従って、操
縦操作に対する適切で望ましい感触を維持するには、車
両速度が上昇するにつれてステアリング・パワー・アシ
ストの量を減少させるのが望ましい。これは、この分野
では、速度比例ステアリングと称される。
【００２６】アシスト・トルクτassist値は、トルク・
イン値とトルク・アウト値とによる複数のアシスト曲線
を表すルックアップ・テーブルにおける記憶された値か
ら決定される。トルク・アシストは車両速度の関数とし
て変動するので、これらの曲線は、乾燥した表面での駐
車の間に必要である値から高い車両速度において必要と
なる値までの範囲を有する。一般的に、アシスト曲線回
路６９からの出力の値は、τassistと称される。制御の
ための実際の値は、必要であれば、ルックアップ・テー
ブルに記憶された所定の値を補間することにより決定さ
れる。好ましくは、補間を伴う二重のアシスト曲線が、
ＴＲＷ社に譲渡されている、McLaughlinへの米国特許第
５，５６８,３８９号に開示されている。
【００２７】ハイパス・フィルタからの高域通過トルク
・センサ信号τshには、車両速度の関数である所定のゲ
イン値Ｓc1が、ブロック７２で乗算される。Ｓc1の決定
は、マイクロコンピュータ内のルックアップ・テーブル
を用いて達成されるか、又は、所望の制御関数に従って
実際の計算を行うことによって達成される。高周波アシ
スト・ゲイン値Ｓc1を修正することによって、ステアリ
ング・システムの帯域幅を修正することが可能になる。
【００２８】ブロック６９から出力されるアシスト曲線
値τassistと、ブロック７２からの決定された高周波ア
シスト・ゲイン値とは、加算機能７９によって加算され
る。加算回路７９からの出力であるこの加算された値
は、τbaと称され、適応トルク・フィルタ回路８０に接
続される。
【００２９】適応トルク・フィルタ回路８０は、入力さ
れるブレンド（混合）されたアシストトルク信号τbaを
フィルタリングする。このフィルタは、その極（ポー
ル）やゼロが、車両速度が変化するにつれて変化するこ
とが許容されておりそれによって最適な制御システムが
得られるという点で、適応性を有している。このフィル
タリングの結果として生じるトルク信号τmは、ここで
は、トルク要求（demand）信号と称される。トルク要求
信号τmは、モータ・コントローラ９０に接続される。
【００３０】ブレンディング・フィルタ決定回路６８と
適応フィルタ８０とは、上述のMcLaughlinへの米国特許
第5,504,403号に完全に説明されている。基本的には、
線形化された閉ループ制御システムは、ステアリング・
システム１０のためのブレンディング・フィルタ及び適
応フィルタの設計のために、考えられている。ハンド・
ホイール１２を回転させることの結果として、トーショ
ンバー位置センサ４０のステアリング・ホイール側に角
度変位ΘHWが生じる。この角度変位は、電気アシスト・
モータによって回転が駆動された後の出力シャフト１８
の結果的な角度変位と、ｒm／ｒpによって表されるギア
比率を介して、角度Θmだけ異なっている。ただし、こ
こで、ｒmは、モータ・ボール・ナットの有効半径であ
り、ｒpは、ピニオンの有効半径である。ボール・ナッ
トが１ラジアン回転すると、ラックは、ｒmインチ移動
する。同様に、ピニオンが１ラジアン回転すると、ラッ
クは、ｒpインチ移動する。結果的な角度変位Θpにバネ
定数Ｋtを乗算すると、トルク信号τsが得られる。閉ル
ープ構成では、出力τsは、ローパス／ハイパス・フィ
ルタ回路に接続される。
【００３１】トルク信号τsは、ローパス・フィルタ７
０を通過し、結果として、低域通過したアシスト・トル
クτslを得る。高域通過したアシスト・トルクτshは、
低周波アシスト・トルクをトルク信号τsから減算する
ことによって、決定される。τshをこのように決定する
ことができる理由は、以下で論じる。
【００３２】連続的なドメインのブレンディング・フィ
ルタは、ローパス・フィルタＧl（Ｓ）とハイパス・フ
ィルタＧH（Ｓ）との和が常に１に等しくなるように、
選択される。ローパス・フィルタは、極をωbに有する
１次のフィルタとなるように選択される。ハイパス・フ
ィルタは、２つのフィルタの和が１でなければならない
という制約によって定義される。従って、ローパス及び
ハイパス・フィルタは、次のように表すことができる。
【００３３】
【数１】Ｇl（Ｓ）＝ωb／（Ｓ＋ωb）
【００３４】
【数２】ＧH（Ｓ）＝Ｓ／（Ｓ＋ωb） デジタル・コンピュータにおいてブレンディング・フィ
ルタの組を実現する際には、当業者であれば、ハイパス
・フィルタ段とローパス・フィルタ段とを別個に作る必
要がないことを理解するはずである。むしろ、ブレンデ
ィング・フィルタτsへの入力は、ローパス・フィルタ
を通過して、結果として、信号τslを生じる。高域通過
した信号は、元の入力トルクから、低域通過した部分を
マイナスしたものである。これは、信号の低周波部分を
決定し、それを元の信号から単純に減算することと同等
であると考えられる。結果は、高周波情報だけを有して
いる信号である。また、より次数の高いブレンディング
・フィルタを用いることもできる。しかし、デジタル・
コンピュータでは、フィルタの次数と共に、フィルタ計
算の複雑性が増加する。従って、１次のフィルタを用い
ることが好ましい。
【００３５】再び図１を参照すると、適応ブレンディン
グ・トルク・フィルタ５２の出力τ mは、モータ・コン
トローラ９０に接続される。回転子位置センサ３０は、
車両速度センサと同じように、モータ・コントローラ９
０に接続される。アシスト・モータ２８を制御するモー
タ・コントローラ９０は、また、感知された回転子速度
に応答して、ステアリングの減衰（ダンピング）を制御
する。モータの減衰は任意の所望の態様（仮にそのよう
なものがあれば）で制御することができるが、好適な減
衰のための構成は、ＴＲＷ社に譲渡されている、Miller
他への米国特許第5,257,828号に記載されている。
【００３６】制御システム温度センサ９８と他の入力９
４もまた、モータ・コントローラ９０に接続される。こ
こでいう他の入力には、ヨー速度センサ、加速度セン
サ、エンジンＲＰＭセンサなどの任意の所望のセンサが
含まれる。これらの他の入力は、モータ・コントローラ
に接続され、それによって、これらの他の感知されたパ
ラメータに応答して、モータ制御が提供される。
【００３７】適応ブレンディング・トルク・フィルタ５
２やモータ・コントローラやそれ以外の以下で説明する
回路を構成する制御回路は、特定用途向き集積回路（Ａ
ＳＩＣ）として製造されると考えられる。温度センサ９
８は、このＡＳＩＣの温度をモニタする。制御ユニット
温度センサ９８は、システム全体の制御回路の温度を示
す信号をコントローラ９０に提供する。コントローラ９
０は、モータの制御を、感知された温度に応答して適応
させる。例えば、ＡＳＩＣの温度が高すぎれば、提供さ
れるアシストの量が減少されることが保証される。
【００３８】モータ・コントローラ９０は、トルク要求
信号τmと、回転子位置センサ３０によって感知された
現在の回転子位置Θと、トルク要求の方向と、速度セン
サ５６によって感知された感知車両速度と、モータ電流
センサ９７によって感知された感知モータ電流と、温度
センサ９８によって感知された制御システムの温度とに
応答して、モータ電流要求信号ｉcmdφと位相（フェー
ズ）選択信号φSELとを提供する。コントローラ９０
は、システムのソフト・スタートなどのそれ以外の望ま
しい制御の特徴を含む。これらの特徴は、この分野にお
いて知られており、従って、ここで説明することはしな
い。
【００３９】モータ・コントローラ９０は、任意の既知
のステアリング制御アルゴリズムに従って、電流要求信
号を提供する。測定されたパラメータの関数としての電
流コマンド値は、好ましくは、その中の値がこれらの測
定されたパラメータに従って選択されているルックアッ
プ・テーブルに記憶される。ルックアップ・テーブルは
離散的な数である値しか記憶できないので、最終的な電
流コマンド値は、補間法を用いて決定される。この補間
法は、ＴＲＷ社に譲渡されている、McLaughlinへの米国
特許第５，４７５，２８９号に開示されている。加えら
れたステアリング・トルクや車両速度など（すなわち、
ルックアップ・テーブルの中の電流コマンド値）の関数
としてのステアリング・アシストの所望の量は、車両の
製造業者によって特定される。これらの値は、コンピュ
ータによるモデリングに応答して、又は、経験的な方法
を通じても、選択することができる。
【００４０】コントローラ９０は、電流コマンド信号ｉ
cmdφと位相選択信号φSELとを、デジタル・モータ電流
コントローラ１００（ＤＭＣＣ）に出力する。モータ２
８は（好適実施例では）４相のＶＲモータであるから、
付勢される位相は、モータ位置と加えられたステアリン
グ・トルクの方向とに応答して、選択される。
【００４１】モータ温度センサ１０２は、モータ２８に
動作的に結合され、ＤＭＣＣ１００に、モータ２８の温
度を示す信号を提供する。回転子位置センサ３０からの
出力は、また、モータ電流センサ９７の出力と同じよう
に、ＤＭＣＣ１００に接続される。
【００４２】ＤＭＣＣ１００の出力は、複数のパワー・
スイッチ１１０に制御可能に接続されている駆動回路１
２０を介して、それぞれのモータ位相に提供される電流
を制御する。パワー・スイッチ１１０は、車両バッテリ
Ｂ＋とモータ２８の固定子コイルとの間に、動作的に接
続されている。既に述べたように、可変リラクタンス・
モータの制御には、回転子と固定子との間の相対的位置
が既知であることが要求される。
【００４３】図４を参照すると、駆動回路１２０の一部
とパワー・スイッチ１１０の一部とが、固定子コイルＡ
ａ及びＣｃに対して、すなわち、好適な４相モータの４
つの位相の中の２つに対して、示されている。既に述べ
たように、８つの固定子極が、４つのモータ位相巻線Ａ
ａ、Ｂｂ、Ｃｃ、Ｄｄを形成している。モータが一方向
に連続的に動いており、モータの回転子位置が位相Ａａ
が付勢されるべき第１の位相であると認識すると仮定す
る場合には、位相の付勢は、Ａａ、ＡａＢｂ、Ｂｂ、Ｂ
ｂＣｃ、Ｃｃ、ＣｃＤｄ、Ｄｄ、ＤｄＡａ、Ａａなどで
ある。他方の方向では、位相の付勢は、Ａａ、ＡａＤ
ｄ、Ｄｄ、ＤｄＣｃ、Ｃｃ、ＣｃＢｂ、Ｂｂ、ＢｂＡ
ａ、Ａａなどである。理解すべきであるが、位相Ａａ及
びＣｃは、同時には付勢されず、位相Ｂｂ及びＤｄは、
同時には付勢されない。この事実により、回路における
僅かな節約が可能になる。位相巻線Ａａ及びＣｃのそれ
ぞれは、上側のスイッチング・デバイスを共有して、巻
線の一端を正のバッテリ端子に選択的に接続する。モー
タ巻線Ａａ及びＣｃのそれぞれは、それ自身のスイッチ
ング・デバイスを有しており、関連する巻線の他端を電
気的グランドに選択的に接続する。巻線Ａａ及びＣｃ
は、電流感知抵抗を共有することができるが、これは、
これら２つの巻線が、同時に付勢されることがないから
である。巻線Ｂｂ及びＤｄに対するスイッチング構成
は、これらの巻線が上側のスイッチング・デバイスと電
流感知抵抗とを共有する点で、類似する。類似の制御構
成を、３相のシステムに適用することができるが、それ
ぞれの位相が、自分自身のＤＭＣＣを有することを必要
とするし、ＦＥＴや電流感知抵抗を共有しないことも必
要とする。
【００４４】特に、図４には、位相Ａａ及びＣｃに対す
る駆動回路とパワー・スイッチとに対する接続が示され
ている。残りのモータ位相であるＢｂ及びＤｄも、類似
の駆動及びスイッチング回路を有する。下側のスイッチ
ング・デバイス１６０が、固定子コイルＡａの一方側と
電気的グランドとの間に動作的に接続されている。下側
のスイッチング・デバイス１６１は、固定子コイルＣｃ
の一方側と電気的グランドとの間に動作的に接続され
る。上側のスイッチング・デバイス１６３は、電流感知
抵抗１６４を介して、コイル対Ａａ及びＣｃの他方側に
動作的に結合されている。スイッチング・デバイス１６
１の他方側は、ＬＣフィルタ・ネットワーク１６５を介
して、車両バッテリに接続されている。第１のフライバ
ック・ダイオード１６６が、コイルＡａの下側端子とＬ
Ｃフィルタ１６２との間に接続されている。第２のフラ
イバック・ダイオード１６７が、グランドとスイッチン
グ・デバイス１６３との間に接続されている。第３のフ
ライバック・ダイオード１６８が、コイルＣｃの下側端
子とＬＣフィルタ１６５との間に接続されている。過電
圧保護ツェナ・ダイオード１６９が、スイッチング・デ
バイス１６３の両端に接続されている。過電圧保護ツェ
ナ・ダイオード１７０が、スイッチング・デバイス１６
０の両端に接続されている。過電圧保護ツェナ・ダイオ
ード１７１が、スイッチング・デバイス１６１の両端に
接続されている。好ましくは、スイッチング・デバイス
１６０、１６１、１６３は、電界効果トランジスタ（Ｆ
ＥＴ）などのソリッドステート・スイッチである。モー
タ電流センサ９７は、電流感知抵抗１６４の両端に動作
的に結合されている。電流の制御は、スイッチ１６０、
１６１、１６３のそれぞれに制御可能に接続されたデジ
タル・モータ電流コントローラ１００によって達成され
る。モータ電流は、スイッチ１６０、１６１、１６３を
パルス幅変調（ＰＷＭ）することによって、制御され
る。
【００４５】上側のＦＥＴ１６３と、下側のＦＥＴ１６
０、１６１とは、連続的にパルス幅変調される。関連す
るモータ・コイルを流れる電流は、それらに関連するＰ
ＷＭ制御信号のオン時間のオーバラップの量によって、
制御される。モータの特定の位相に電流が供給されない
ときには、それに関連する上側及び下側のＦＥＴは、共
に連続的にパルス幅変調されてはいるが、０％のオン時
間オーバラップを有する。任意の巻線（コイル）に対す
る最大の位相電流は、それに関連する上側及び下側ＦＥ
ＴのＰＷＭオン時間の１００％のオン時間オーバラップ
が存在するときに生じる。オン時間オーバラップの量を
制御することにより、モータ位相のそれぞれを流れる電
流が制御される。
【００４６】図３を参照すると、デジタル・モータ電流
コントローラ（ＤＭＣＣ）１００がより詳細に示されて
いる。ＤＭＣＣは、コントローラ９０からの電流コマン
ド信号ｉcmdφと位相選択信号φSELとを処理することに
よって、モータ２８のすべての位相への電流を制御す
る。デジタル・モータ電流コントローラ１００の目的
は、回転子位置、モータ電流及びモータ温度というモー
タ動作パラメータとは独立で一貫性のある帯域幅を維持
することである。既に述べたように、好適な４相のモー
タ（位相は、Ａａ、Ｂｂ、Ｃｃ、Ｄｄ）では、位相Ａａ
及びＣｃは、同時には付勢されず、位相Ｂｂ及びＤｄ
は、同時には付勢されない。これによって、上述した駆
動回路１２０やパワー・スイッチ１１０における回路の
節約ばかりでなく、ＤＭＣＣにおける回路及びソフトウ
ェアの量も節約されることが可能になる。説明をする目
的で、ＤＭＣＣ内の１つの制御構成について述べること
にするが、これは、例えば、Ａａ及びＣｃなどの２つの
位相に対する制御構成を表しており、ＤＭＣＣは、他の
モータ位相Ｂｂ及びＤｄに対しても、同様の回路／関数
を含むものと理解すべきである。
【００４７】付勢される位相に対するモータ・コントロ
ーラからの電流コマンドｉcmdφは、第１のフィルタ回
路１８２に接続される。このフィルタ１８２は、好まし
くは、電流コマンド信号ｉcmdφからすべての希望しな
い周波数の内容を除去するプレノッチ（pre-notch）フ
ィルタである。好ましくは、このフィルタは、直列形式
又は並列形式で実現される２次フィルタである。フィル
タ１８２は、次の形式を有する。
【００４８】
【数３】ｉcmd(n)＝ａ・ｉcmd(n-1)＋ｂ・ｉcmd(n-2)＋
ｃ・ｉunfiltcmd(n)＋ｄ・ｉunfi ltcmd(n-1)＋ｅ・ｉ
unfiltcmd(n-2) ある実施例によると、このフィルタは、２．４ｋＨｚを
ノッチして除去する（notch out）ように設計されてい
るが、その理由は、モータの基本の半径・軸モード（す
なわち、モータの共振周波数）が２．４ｋＨｚであるか
らである。これは、また、モータが最も音響ノイズを放
出する周波数に対応している。ノッチ・フィルタは、モ
ータ・シェルの音響ノイズ生成モードを励起させうるコ
マンド経路におけるエネルギを除去する。この値は、も
ちろん、用いられている特定のモータに依存する。
【００４９】フィルタリングされた電流コマンド信号
は、次に、相対的な大きさの差異に起因する制御ループ
における定常ゲインの損失すべてを補償するように設計
されている直流ゲイン補償器１８４において、処理され
る。以下で論じることから理解されるように、直流ゲイ
ン補償器１８４は、制御ループのある設計規準の下で
は、ＤＭＣＣの制御ループから取り除くこともできる。
例えば、比例コントローラが用いられる場合には、直流
ゲイン補償器は、必要である。積分コントローラが用い
られる場合には、直流ゲイン補償器は、不要となる。
【００５０】直流ゲイン補償器１８４は、基準電流コマ
ンド値ｉrcmdを、フィードバック加算接合部１８６の正
の入力に提供する。加算接合部１８６の負の入力は、モ
ータ電流感知ｉsのフィードバック・ラインに接続され
ている。加算接合部１８６の出力は、次に示すように、
基準電流コマンド値と感知されたモータ電流値との差で
ある値に等しい電流差値Δｉcmdである。
【００５１】
【数４】Δｉcmd＝ｉrcmd−ｉs この差の値Δｉcmdは、可変ゲイン・コントローラ１９
０（可変ゲイン・レギュレータとも称される）に接続さ
れる。本発明の１つの実施例によると、可変ゲイン・コ
ントローラは、比例・積分・微分（proportional-integ
ral-derivative =PID）コントローラ又はレギュレータ
である。ＰＩＤコントローラは、この分野では知られて
いる。本発明によるＰＩＤコントローラ１９０は、ｅ
（ｋ）＝Δｉ cmd（ｋ）とおくと、次のような形式とな
る。
【００５２】
【数５】ｅcmd（ｋ）＝（Ｋp（ｋ）・ｅ（ｋ））＋（Ｋ
d（ｅ（ｋ）−ｅ（ｋ−１））／δｔ）＋（ＫI（Σｅ
（ｋ）δｔ） ここで、Ｋp、Ｋd、ＫIは、それぞれが、比例、微分及
び積分ゲイン変数であり、ｋは、サンプル値であり、δ
ｔは、サンプリング・レートであり、ｅcmdは、ＰＩＤ
コントローラ１３０のエラー・コマンド出力である。こ
れらのゲイン変数と、更に、コントローラＰＩＤのゲイ
ンとは、本発明に従って、制御される。
【００５３】回転子位置センサ３０と、温度センサ１０
２と、モータ電流感知関数９７からのフィードバック電
流感知ｉsとは、ゲイン・スケジューラ１９６に接続さ
れている。ゲイン・スケジューラ１９６は、回転子位置
とモータ温度と感知されたモータ電流とに応答してゲイ
ン変数Ｋp、Ｋd、ＫIの値を選択し、これらの値を、Ｐ
ＩＤレギュレータ１９０に出力する。比例ゲインの項Ｋ
pは、直流ゲイン補償器１８４に接続され、それによっ
て、ゲイン補償は、制御ループ・ゲインを「知る」こと
になる。
【００５４】Ｋp、Ｋd、ＫIに対する値は、一貫性のあ
る電流帯域幅を提供するだけでなく、電流発振によって
誘導される音響ノイズを減少させ、更に、高速なモータ
電流応答時間を提供するように、選択される。一貫性の
ある帯域幅により、線形時間不変制御理論の適用が可能
となるが、これは、パラメータの変動による非線形な位
相変化が、適切に除去されるからである。実際に、適応
コントローラ１９０が、結果的なモータ・トルクからの
モータの動作パラメータの変動による影響を減少させ
る。
【００５５】ＰＩＤコントローラ１９０のエラー・コマ
ンド出力ｅcmdは、ノッチ・フィルタ２００に接続され
る。ノッチ・フィルタ２００の目的は、固定子シェルの
振動に起因する音響ノイズを除去することである。
【００５６】１対のＶＲモータの極を付勢すると、結果
的に、固定子のシェルの半径方向の運動が生じることが
発見されている。これは、モータの音響的感知構造モー
ドと称される。ある駆動周波数では、固定子のシェル
は、人間にとって可聴である範囲に十分に含まれる周波
数で共振することがあり得る。この共振によって、モー
タは、「スピーカ」として機能する。モータは、また、
共振の影響の結果として、付勢された位相において電流
が揺らぐことがあり得る点で、マイクロフォンとしても
機能することがある。シェルの半径方向の運動は、シェ
ルの変位、速度及び／又は加速度によって、表現するこ
とができる。
【００５７】ノッチ・フィルタ２００は、モータの音響
的感知構造モードの共振周波数を、モータ・コイルに与
えられた電圧からノッチして除去する。ノッチ・フィル
タ２００の出力は、ＰＷＭフォーマッタ２０４に接続さ
れる。コントローラ９０からの位相選択信号φSELもま
た、ＰＷＭフォーマッタ２０４に接続されている。ＰＷ
Ｍフォーマッタ２０４の出力は、上側及び下側のスイッ
チングＦＥＴに制御可能に接続されて、モータ位相のそ
れぞれに対するＰＷＭオン時間を制御する。ノッチ・フ
ィルタ２００からのフィルタリングされた電流要求信号
と位相選択信号とに応答して、ＰＷＭフォーマッタは、
適切な上側及び下側のスイッチングＦＥＴのオン時間オ
ーバラップを制御し、所望のトルクを用いて、所望の方
向に、モータを付勢する。
【００５８】モータ・コントローラ９０は、車両の乗員
用室内に位置する診断インジケータ２４０に動作的に結
合されている。この分野で知られているように、コント
ローラ９０は（又は、図示されていない別のコントロー
ラが）、システムの動作をモニタし、故障条件が感知さ
れた場合には、インジケータ２４０を作動させる。故障
条件が感知されると、モータ２８は、付勢されなくな
り、スイッチング・システムは、アシストなしのモード
に戻る。
【００５９】とりわけ電気アシストスイッチング・シス
テムにおいては、トルク・リプルが減少されている制御
構成を有することが望ましい。ＶＲモータ・トルクを適
切に制御するためには、磁束（磁気的なフラックス）
が、それぞれのモータ位相において、電流コントローラ
によって誘導されなければならない。モータの制御の間
には、変動するモータの動作条件の関数である鎖交磁束
（flux linkage）の変化が生じる。ＶＲモータに対する
典型的な鎖交磁束は、電流や位置などのモータの動作条
件の関数である。鎖交磁束が変化するという性質の結果
として、動作の間に、ＶＲモータの時間変動ダイナミク
スが生じる。この変動するという特性は、リラクタン
ス、すなわち、固定子と回転子との間の空気の体積が、
最大値から最小値に変動する際の位相変化の間に、最も
顕著である。
【００６０】トルク・リプルは、位相変化が制御も補償
もされない場合に生じる。トルク・リプルを最小化する
ために、トルク・リプルのほとんどを除去する最適化さ
れた電流プロフィールが、発生される。このような電流
プロフィールを用いる場合でも、制御構成は、時間変動
する動的なモータ特性を考慮しなければならない。時間
変動する位相電流は、次のように表すことができる。
【００６１】
【数６】
【００６２】ここで、Ｌ（ｉ，Θ，ｘ）は、電流ｉと、
位置Θと、エア・ギャップｘとの関数である位相インダ
クタンスである。Ｒは、モータの抵抗値である。λ
（ｉ，Θ，ｘ）は、電流ｉと、位置Θと、エア・ギャッ
プｘとの関数である鎖交磁束である。σ1は、ホワイト
・ノイズである。Ｖcmdは、電圧コマンドである。Θの
上にドットを付したもの（Θの時間微分）は、モータの
回転速度である。ｘの上にドットを付したもの（ｘの時
間微分）は、モータ・シェルの半径方向の変位速度であ
る。
【００６３】位相電流の制御は、どのくらい大きな電圧
コマンドＶcmdを与えることができるかに関して、バッ
テリ電圧Ｂ＋によって制限される。更に、上述の数式６
における最後の３つの項は、外乱（disturbance）ｄ1と
して扱われる。これにより、ローバスト（robustness）
を維持するには、外乱の排除が必要となる。この方程式
は、次のようにも、書くことができる。
【００６４】
【数７】ｄｉ／ｄｔ＝［１／Ｌ（ｉ，Θ，ｘ）］［（−
ｉ・Ｒ＋Ｖcmd）］＋ｄ1 インダクタンスは、電流と位置とエア・ギャップとの関
数であることに注意すべきである。エア・ギャップの影
響が無視できると仮定すると、ＶＲモータのインダクタ
ンスは、図６に示されているように、３次元のマップと
して表すことができる。このマップは、インダクタンス
・アナライザを用いて、４相のＶＲモータの１つの位相
について、経験的に測定された。モータのこの変動する
インダクタンス特性は、電流制御のパフォーマンスに影
響を与え、本発明によると、制御構成において考慮され
る。モータが回転するにつれて、インダクタンスは、イ
ンダクタンスが電流と角度との決定関数（ｄｅｔｅｒｍ
ｉｎｉｓｔｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）であるにもかかわ
らず、時間変動しているように見える。
【００６５】周波数「ａ」における極と比例ゲインＫp
とを有するアンチ・エイリアシング（anti-aliasing）
フィルタを備えているデジタル電流制御システムに対し
ては、伝達関数は、ラプラス・ドメインにおいて次のよ
うに近似することができる。
【００６６】
【数８】
【００６７】インダクタンスの大きさは、この伝達関数
の極の位置を変化させ、閉ループ電流コントローラのパ
フォーマンスに影響する。ゲインＫpが固定されている
と、極の位置は、実軸から複素平面に移動する。極の位
置がこのように変化すると、これらの変動するモータ特
性を動作の間に認識せずに追加的な極やゼロが導入され
ると、システムは、安定的なシステムから、発振するシ
ステムへ、更には、不安定なシステムへと変化する。電
流応答が発振を生じないように固定された比例ゲイン値
Ｋpを減少させる場合には、モータ音響ノイズは低下す
るが、十分でない電流制御のために、トルク・リプルが
生じる。これは、ある条件における過渡状態及び定常状
態両方の応答に対するトラッキング能力を低下させるこ
とにより、コントローラのパフォーマンスを損なうこと
になる。
【００６８】ゲイン・スケジューラは、本発明に従う
と、設計上の規準に応じて、任意の所望の帯域幅にチュ
ーニングすることができる。この動的システムの時間変
動による効果を平滑化するためには、設計上の目的は、
一定の帯域幅と一貫した位相のずれという一貫性のある
システム特性を維持することである。
【００６９】特性方程式を解くと、システムの主たる実
極（ｒｅａｌ ｐｏｌｅ）は、次のように表すことがで
きる。
【００７０】
【数９】
【００７１】一般的には、Ｒ＜＜ａＬという仮定するこ
とができる。例えば、Ｒ＜０．１Ω＜＜ａＬ（ｉ，Θ）
＜３．１４＝５０００Ｈｚ・２π・１００μＨである。
数式９の方程式は、次のように簡略化することができ
る。
【００７２】
【数１０】
【００７３】実極を保証するためには、次の条件が成立
しなければならない。
【００７４】
【数１１】Ｋp≦ａＬ（ｉ，Θ）／４−Ｒ そして、一定の帯域幅ωrefを維持するために、システ
ムの比例ゲインが、インダクタンスと、抵抗値と、アン
チ・エイリアシング・フィルタの極の位置との関数とし
て、スケジュールされ、次のように表すことができる。
【００７５】
【数１２】
【００７６】そして、この方程式を用いて、インダクタ
ンスの関数としてのゲイン・マップを作ることができ、
図７に示されている。アンチ・エイリアシング・フィル
タがない場合には、ゲイン・スケジューラは、次の形に
更に簡略化できる。
【００７７】
【数１３】Ｋp＝Ｌ（ｉ，Θ）・ωref−Ｒ 温度は、より高い温度を用いてモータの抵抗値を上昇さ
せることにより、ゲイン・マップに影響を与える。この
場合には、温度効果は、次のように含ませることができ
る。
【００７８】
【数１４】
【００７９】最後の項は、温度効果に起因する抵抗値の
変化である。モータの温度は、モータ温度センサ１０２
によって感知される。スケジュールされたゲインＫpが
減少されると、定常状態エラーは、顕著になることがあ
り得る。定常状態エラーは、次のように表すことができ
る。
【００８０】
【数１５】
【００８１】例えば、典型的な制御システムに対する公
称ゲインは約２であり、抵抗値は約０．１オーム（Ω）
であるが、これらによって、５％の定常状態エラーが生
じる。しかし、ゲイン・スケジューラは、適応的にＫp
を計算し、インダクタンスの変動を補償するので、ゲイ
ンＫpは、大きな定常状態エラーが生じるのに十分なほ
どに小さくなる可能性がある。これは、直流ゲイン補償
器１８４によって、訂正される。このＤＣゲイン補償器
は、次のように表すことができる。
【００８２】
【数１６】
【００８３】シェルの振動は、一貫性のあるゲイン電流
コントローラを用いることによって、減少させることが
できる。電流制御帯域幅をより低いレベルに維持するこ
とにより、一定ゲイン・コントローラを用いて、シェル
加速度を減少させる。ゲイン・スケジューラは、本発明
の１つの実施例で用いられ、電流制御帯域幅をほぼ３３
０Ｈｚに維持した。
【００８４】ノッチ・フィルタは、電流制御ループのフ
ィードバック経路からのノイズ・ゲインを減少させる。
ｄ2のノイズ伝達関数は、次のように表すことができ
る。
【００８５】
【数１７】
【００８６】分母は、電流応答特性方程式と同じであ
る。モータ音響ノイズは、モータ・ハウジング又はシェ
ルの加速度を介して、電流制御ループに直接的に関係す
る。構造モードにおいてノイズ応答を減少させること
は、電流制御ループのゲインをその周波数に制限するこ
とと同等である。本発明によるゲイン・スケジューラが
なければ、帯域幅は、高いノイズ・ゲインを提供しより
多くの音響ノイズを生じさせるモータの構造モードに近
づく可能性がある。ゲイン・スケジューラは、本発明を
用いない場合の変動する帯域幅の最高値よりも低い一貫
した帯域幅を維持することにより、その周波数における
励振を減少させる。
【００８７】Ｋpの値は、モータ電流と、モータ位置
と、システム抵抗値と、モータ温度とに関数関係を有し
ている。Ｋpに対する値は、好ましくは、予め決定さ
れ、ルックアップ・テーブルに記憶されている。
【００８８】図５を参照すると、デジタル・モータ電流
コントローラのための閉ループ・フィードバック制御構
成が示されている。基準電流コマンド信号ｉrcmdである
直流ゲイン補償器１８４の出力は、上述したように、加
算回路１８６に接続される。加算回路への他方の入力
は、モータ電流フィードバック信号ｉsである。可変ゲ
インＰＩＤコントローラは、伝達関数Ｇcによって表さ
れる。ノッチ・フィルタ２００のための伝達関数は、伝
達関数Ｇnによって表される。システムには、電圧ノイ
ズＮvが存在し、制御ループの中に加算される様子が示
されている。ノッチ・フィルタＧnと電圧ノイズＮvとを
加算したものが、伝達関数Ｇmを有するモータ・コイル
に接続される。モータ電流ｉmは、システムに存在する
電流ノイズＮsと加算され、その結果として、感知され
たフィードバック電流ｉsが生じる。感知されたフィー
ドバック電流ｉsは、閉ループ・スイッチを介して、基
準コマンド電流ｉrcmdと加算される。このスイッチは、
通常は閉じているループ・システムを開ループ制御シス
テムとして考えるときに、ブレーク・ポイントを定める
ものとして示されている。
【００８９】図８を参照すると、異なる電流において、
０度の回転子オフセットの場合に、モータ・コマンドｉ
cmdに対する位相Ｄのモータ電流ｉmの開ループ伝達関数
についてのボーデ・プロットが示されている。ただし、
フィードバック・ラインにおけるスイッチは、開状態で
あるとする。角度０度は、モータの位相Ｄが付勢される
ときに、回転子が位置合わせ（整列）されている角度で
ある。これは、一般に、整列された回転子位置と称さ
れ、モータにとって、安定な平衡点である。すなわち、
コイルが付勢されると、回転子は、０度の位置に留ま
る。角度３０度は、０度の点から３０機械的度数の回転
である。この位置は、位相Ｄの励磁に対しては不安定な
平衡点であり、その理由は、回転子の極は、２つの固定
子の極のちょうど間にあり、インダクタンスを最大化す
るためには、回転子は、０度か６０度かのどちらかまで
回転しなければならないからである。このグラフは、本
発明のデジタル・モータ・コントローラを備えていない
スイッチング・システムに対するものである。電流が増
加するにつれて、高周波ゲインが増加する。ライン３０
０は、ライン３０２によって表されている電流よりも小
さな電流値であり、ライン３０２は、ライン３０４によ
って表されている電流値よりも小さく、ライン３０４
は、ライン３０６によって表されている電流値よりも小
さい。
【００９０】高周波ゲインが電流と共に増加するのは、
整列された回転子位置では、モータのインダクタンスが
電流と共に減少するからである。モータの極は、周波数
Ｒ／Ｌにあり、極が高ければ高いほどに、高周波におけ
るゲインは高くなる。
【００９１】モータ・シェル加速度のプロットが、図９
に示されている。この図では、ラインは、図８に示され
たのと同じ電流値を表しており、やはり、本発明による
デジタル・モータ電流コントローラは用いていない。こ
のグラフは、２．４ｋＨｚにおけるモータ・シェルに対
する共振周波数を示している。
【００９２】図１０は、図８に示されたのと同じ電流値
を表すラインを用いたボーデ・プロットであり、やは
り、本発明によるデジタル・モータ電流コントローラは
用いていない。このグラフは、６つの回転子極を有する
回転子を備えた４相モータにおいて生じ得る最大のオフ
セットである３０度の回転子オフセットを表していると
いう点で異なっている。このプロットでは、モータ・イ
ンダクタンスが最小であるときに、高周波ゲインが同一
であるということがわかる。高周波ゲインは、電流が増
加しても実質的に一定である。これは、モータのインダ
クタンスが整列されていない回転子位置における電流に
対して実質的に一定であることによる。
【００９３】図１１は、モータの回転子が３０度のオフ
セット状態にあるときのシェル加速度を示す周波数応答
である。やはり、本発明によるデジタル・モータ電流コ
ントローラは用いていない。モータの共振は、やはり、
２．４ｋＨｚにおいて生じていることがわかる。
【００９４】図１２は、モータの回転子が０度のオフセ
ットをしているときの、一定ゲインコントローラを用い
た閉ループ制御のボーデ・プロットである。図１３は、
一定ゲインコントローラを用いた場合の、シェル加速度
を示す周波数応答プロットである。このグラフは、２．
４ｋＨｚのモータ共振周波数におけるシェル加速度を示
している。
【００９５】図１４は、本発明によるゲイン・スケジュ
ーラを用い、回転子のオフセットが０度のオフセットで
あるときの、閉ループ制御構成を示すボーデ・プロット
である。このプロットは、システムの周波数応答と３ｄ
Ｂのロールオフ・ポイントに関して、著しい改善を示し
ている。すなわち、モータ電流制御の帯域幅が、図１２
の一定ゲインシステムの場合よりも、更に一定である。
【００９６】図１５は、本発明によるゲイン・スケジュ
ーラを、回転子のオフセットが０度において用いるとき
の、シェル加速度を示す周波数応答プロットである。シ
ェル加速度が実質的に減少していることがわかり、これ
により、更には、可聴ノイズが減少し、トルク・リプル
が減少している。
【００９７】ゲイン・スケジューラ（図１３）の効果
は、一定ゲイン・システム（図１２）と比較して、電流
伝達関数のより一定の帯域幅を得ることである。図１３
においてゲインがより一定であるのは、モータ電流が増
加する際に、コイルのインダクタンスの変化が、システ
ムの比例ゲインを減少させることによって、補償される
ことによる。ゲイン・スケジューラの効果は、また、一
定ゲイン・システム（図１３及び図１５）と比較して、
モータ・シェルの加速度を減少させることである。
【００９８】ノッチ・フィルタ２００は、モータ電流コ
ントローラの周波数応答をその制御帯域幅内で整形する
ように機能する。例えば、モータ電流コントローラの周
波数応答を整形すると、音響感知構造モードの共振周波
数を、すなわち、固定子シェルが共振する周波数をノッ
チして除去することによって、音響ノイズが排除され
る。音響ノイズを制御することにより、モータ電流制御
帯域幅を増加させることができる。この制御帯域幅を増
加させることにより、トルク・リプルが減少する。ノッ
チ・フィルタは、音響ノイズを生じさせる構造的な共振
を排除する。
【００９９】Ｇcは、コントローラ１９０に対する伝達
関数である。コントローラ１９０が比例／積分コントロ
ーラであると仮定すると、その伝達関数は、次のように
なる。
【０１００】
【数１８】Ｇc＝Ｋp（１＋ＫI／ｓ） ノッチ・フィルタ２００に対する伝達関数は、次の通り
である。
【０１０１】
【数１９】Ｇn＝（ｓ2＋２ζ1ωn1ｓ＋ωn1 2）／（ｓ2
＋２ζ2ωn2ｓ＋ωn2 2） ここで、ωn1、ωn2は、ノッチに近接した周波数であ
り、減衰ファクタであるζ 1及びζ2は、ノッチの深さを
定義する。この実施例では、ωｎ１＝ωｎ２＝２１００
・２π、ζ1＝０．１、ζ2＝０．６であり、約１５ｄＢ
の排除を提供する。（この実施例では、モータ共振は、
２．１ＫＨｚで生じる。） モータの伝達関数Ｇmは、次の通りである。
【０１０２】
【数２０】Ｇm＝１／（Ｌｓ＋Ｒ） ここで、Ｌは、モータの局所的なインダクタンスであ
り、Ｒは、抵抗値である。
【０１０３】制御ループ伝達関数を考慮すると、次の式
が得られる。
【０１０４】
【数２１】 （（ｉrcmd−（ｉm＋Ｎs））ＧcＧn＋Ｎv）Ｇm＝ｉm コマンド応答は、次のようになる。
【０１０５】
【数２２】 ｉm／ｉrcmd＝ＧcＧnＧm／（１＋ＧcＧnＧm） センサ・ノイズ応答は、次のようになる。
【０１０６】
【数２３】 ｉm／Ｎs＝−ＧcＧnＧm／（１＋ＧcＧmＧn） 電圧ノイズ応答は、次のようになる。
【０１０７】
【数２４】ｉm／Ｎv＝Ｇm／（１＋ＧcＧmＧn） 一貫性のある電流帯域幅のモータが与えられると、ノッ
チＧnを用いて、構造的なノイズが生じる周波数におけ
るノイズを減衰させるモータ電流コントローラを設計す
ることができる。図１６及び図１７に示されているよう
に、ノッチＧnは、モータ・シェル加速度を２０ｄＢ減
衰させるように設計された。図１８に示されているよう
に、根軌跡（root locus）を解析することから、モータ
の構造的なノイズを励起させないノッチされた一貫性の
ある帯域幅を達成する閉ループ電流コントローラを設計
することができる。図１９及び図２０に示されているよ
うに、一定ゲイン・コントローラの最低の帯域幅と比較
すると、ノッチされた一貫性のある帯域幅コントローラ
は、より高い帯域幅を維持しながら、ゲインを拡大する
ノイズがより低くなる。下側のフォールオフ・トレース
は１００Ｈｚであり、上側のフォールオフ・トレースは
６００Ｈｚである。
【０１０８】上述のコントローラの結果は、２０ｒｐｍ
でテストされ、シェルの振動が測定され、一定ゲイン・
コントローラの場合と比較された。図２１に示されるよ
うに、提案されているノッチされた一貫性のある帯域幅
のパワー・スペクトル密度は、一定ゲイン・コントロー
ラの僅かに１．４％である。図２１の上側のプロット
は、ノッチ・フィルタがない場合であり、下側のプロッ
トは、ノッチ一貫性帯域幅コントローラを用いた場合で
ある。
【０１０９】ここに付表（アペンディクス）として添付
した表１〜表１８は、デジタル・モータ電流コントロー
ラの実現のためのソフトウェア・プログラム・リストの
コピーである。ゲイン・スケジューラとノッチ・フィル
タとは、マイクロコンピュータをデジタル的に用いて図
面に示された関数を達成する、ディスクリートな回路を
用いる、デジタルとディスクリートとを組み合わせて実
現し好ましくはＡＳＩＣ内に納めることなどのいずれか
によって、実現される。
【０１１０】本発明の好適実施例に関する以上の説明か
ら、当業者は、改良、変更及び修正を認識するはずであ
る。例えば、位置、電流、温度などの動的な動作特性を
モータ制御において用いた。しかし、当業者は、モータ
制御において、動的な動作特性として、モータのフラッ
クスを用いることもできることを理解するであろう。当
業者によるそのような改良、変更及び修正は、特許請求
の範囲に含まれるものとする。
【０１１１】
【表１】
【０１１２】
【表２】
【０１１３】
【表３】
【０１１４】
【表４】
【０１１５】
【表５】
【０１１６】
【表６】
【０１１７】
【表７】
【０１１８】
【表８】
【０１１９】
【表９】
【０１２０】
【表１０】
【０１２１】
【表１１】
【０１２２】
【表１２】
【０１２３】
【表１３】
【０１２４】
【表１４】
【０１２５】
【表１５】
【０１２６】
【表１６】
【０１２７】
【表１７】
【０１２８】
【表１８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワー・アシスト・ステアリング
・システムを図解する概略的なブロック図である。
【図２】図１のシステムの一部の概略的なブロック図で
あり、適応ブレンディング・トルク・フィルタをより詳
細に示している。
【図３】図１のシステムの一部の概略的なブロック図で
あり、デジタル・モータ電流コントローラをより詳細に
示している。
【図４】図１に示された駆動回路とパワー・スイッチと
の一部の回路図である。
【図５】本発明の閉ループ制御機能の一部のブロック図
である。
【図６】ＶＲモータのインダクタンス・マップの３次元
グラフィカル表現である。
【図７】感知された電流と回転子角度との関数としての
比例ゲイン・マップの３次元グラフィカル表現である。
【図８】モータ・オフセットが０度である場合の異なる
電流値におけるステアリング・システムの開ループ伝達
関数のボーデ・プロットである。
【図９】図８の開ループ・システムに対する、モータ電
流コマンドへのモータ・シェル加速度の周波数応答の図
解である。
【図１０】モータ・オフセットが３０度である場合の異
なる電流値におけるステアリング・システムの開ループ
伝達関数のボーデ・プロットである。
【図１１】図１０の開ループ・システムに対する、モー
タ電流コマンドへのモータ・シェル加速度の周波数応答
の図解である。
【図１２】モータ・オフセットが０度である場合の異な
る電流値における、本発明によるゲイン・スケジューラ
を有していないステアリング・システムの閉ループ伝達
関数のボーデ・プロットである。
【図１３】図１２の開ループ・システムに対する、モー
タ電流コマンドへのモータ・シェル加速度の周波数応答
の図解である。
【図１４】モータ・オフセットが０度である場合の異な
る電流値における、本発明によるゲイン・スケジューラ
を有するステアリング・システムの閉ループ伝達関数の
ボーデ・プロットである。
【図１５】図１４の開ループ・システムに対する、モー
タ電流コマンドへのモータ・シェル加速度の周波数応答
の図解である。
【図１６】典型的なノッチ・フィルタのボーデ・プロッ
トのゲイン・プロットである。
【図１７】図１６のノッチ・フィルタに対するボーデ・
プロットの位相プロットである。
【図１８】完全な電流制御システムにおけるノッチ・フ
ィルタの根軌跡プロットである。
【図１９】本発明によるノッチ一貫性の帯域幅コントロ
ーラのゲイン比較のグラフィカル表現である。
【図２０】本発明によるノッチ一貫性の帯域幅コントロ
ーラの位相比較のグラフィカル表現である。
【図２１】本発明によるノッチ一貫性の帯域幅コントロ
ーラを用いた場合と用いない場合とのモータ・シェル加
速度のグラフィカル表現である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年３月３１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 モータ電流コマンド信号とモータ電流フ
    ィードバック信号とを加算し、前記モータ電流コマンド
    信号と前記モータ電流フィードバック信号との差と関数
    関係にある値を有する誤差電流コマンド信号を提供する
    手段と、 前記誤差電流コマンド信号をフィルタリングし、フィル
    タリングされた電流コマンド信号を提供するノッチ・フ
    ィルタ手段であって、モータの共振周波数の周辺の周波
    数を前記エラー電流コマンド信号からノッチして除去す
    るように構成されているノッチ・フィルタ手段と、 前記フィルタリングされた電流コマンド信号に応答して
    前記モータを付勢する駆動回路と、 モータ電流を感知し、前記モータ電流フィードバック信
    号を提供するモータ電流センサと、 を備えたモータ・コントローラ。
  2. 【請求項２】 車両ステアリング・ホイールに加えられ
    たステアリング・トルクを感知し、前記ステアリング・
    トルクと関数関係にある値を有する信号を提供するトル
    ク・センサと、 車両のステアリング部材と駆動的に接続されており、付
    勢されるとき、ステアリング・アシストを提供するモー
    タと、 前記トルク・センサに動作的に接続されており、前記加
    えられたステアリング・トルク信号の値と関数関係にあ
    る値を有するモータ電流コマンド信号を提供するモータ
    ・コントローラと、 前記モータ電流コマンド信号とモータ電流フィードバッ
    ク信号とを加算し、前記モータ電流コマンド信号と前記
    モータ電流フィードバック信号との差と関数関係にある
    値を有する誤差電流コマンド信号を提供する加算手段
    と、 前記誤差電流コマンド信号をフィルタリングし、フィル
    タリングされた電流コマンド信号を提供するノッチ・フ
    ィルタ手段であって、前記モータの共振周波数の周辺の
    周波数を前記誤差電流コマンド信号からノッチして除去
    するように適合されているノッチ・フィルタ手段と、 前記フィルタリングされた電流コマンド信号に応答して
    前記モータを付勢する駆動回路と、 モータ電流を感知し、前記モータ電流フィードバック信
    号を前記加算手段に提供するモータ電流センサと、 を備えた電気アシスト・ステアリング・システム。
  3. 【請求項３】 前記モータ電流コマンド信号をフィルタ
    リングし、前記モータの共振周波数の周辺の周波数の周
    波数成分を、前記モータ電流コマンド信号から除去する
    前置ノッチ・フィルタを更に含む、請求項２記載の電気
    アシスト・ステアリング・システム。
  4. 【請求項４】 モータ電流コマンド信号とモータ電流フ
    ィードバック信号とを加算し、前記モータ電流コマンド
    信号と前記モータ電流フィードバック信号との差と関数
    関係にある値を有する誤差電流コマンド信号を提供する
    ステップと、 前記誤差電流コマンド信号をノッチ・フィルタリング
    し、フィルタリングされた電流コマンド信号を提供する
    ステップであって、モータの共振周波数の周辺の周波数
    を、前記誤差電流コマンド信号からノッチして除去す
    る、ステップと、 前記フィルタリングされた電流コマンド信号に応答して
    前記モータを付勢するステップと、 モータ電流を感知し、前記モータ電流フィードバック信
    号を提供するステップと、 を含むモータ制御方法。
JP11075997A 1998-03-20 1999-03-19 ノッチ・フィルタを用いる改良されたモ―タ電流コントロ―ラを有する電気アシスト・ステアリング・システム Pending JPH11313497A (ja)

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US09/044,979 US6107767A (en) 1998-03-20 1998-03-20 Electric assist steering system having an improved motor current controller with notch filter
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