JPWO2006109809A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

操舵部材に加えられた操舵トルクＴｓを検出し、検出した操舵トルクＴｓに基づき、モータのｄｑ座標におけるｑ軸電流ｉ＊ｑ及びｄ軸電流ｉ＊ｄを定め、定めたｑ軸電流ｉ＊ｑ及びｄ軸電流ｉ＊ｄがモータに流れるように、電源電圧Ｅｄに基づきｑ軸電圧Ｖ＊ｑ及びｄ軸電圧Ｖ＊ｄを定め、定めたｑ軸電圧Ｖ＊ｑ及びｄ軸電圧Ｖ＊ｄを三相変換して三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを定め、定めた三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを印加することによりモータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置。ｑ軸電圧Ｖ＊ｑを√（３ｎ２Ｅｄ２／８−Ｖｄ２）（ｎ＝１，２又は２／√３）以下に制限する制限手段を備える構成である。

Description

本発明は、操舵部材に加えられた操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクに基づき、モータのｄｑ座標における二相電流を定め、定めた二相電流がモータに流れるように、電源電圧に基づき二相電圧を定め、定めた二相電圧を三相変換した三相電圧を印加することにより、モータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置に関するものである。

モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置は、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルクセンサが入力軸に加わる操舵トルク値を検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用のモータを駆動制御するものである。

このような電動パワーステアリング装置では、最近、ブラシレスＤＣモータが使用されるようになっている。電動パワーステアリング装置用のブラシレスＤＣモータでは、回転する永久磁石の磁極の位置に対して、界磁電流が正弦波状となるように制御しており、モータに印加する各相電圧も正弦波状となる（一定速度で回転している場合）。各相の電圧指令値が常に正弦波となるように制限するには、振幅の最大値を電源電圧Ｅｄの１／２以下とする必要がある。
また、特許文献１に記載されているように、各相の電圧指令値が常に台形波となるように制限するには、振幅の最大値を電源電圧Ｅｄ以下とする必要があり、各相の電圧指令値が常に正弦波に第三次高調波が重畳するように制限するには、振幅の最大値を電源電圧Ｅｄの１／√３以下とする必要がある。

ｄｑ座標変換を用いて正弦波でブラシレスＤＣモータを制御する場合、座標変換の式は（１）式のようになる。
Ｖ^＊ｕ＝√（２／３）（Ｖ^＊ｄｃｏｓθｒｅ−Ｖ^＊ｑｓｉｎθｒｅ）
Ｖ^＊ｖ＝√（２／３）（Ｖ^＊ｄｃｏｓ（θｒｅ−（２π／３））−Ｖ^＊ｑｓｉｎ（θｒｅ−（２π／３））） （１）
Ｖ^＊ｗ＝−Ｖ^＊ｕ−Ｖ^＊ｖ
（Ｖ^＊ｕ，Ｖ^＊ｖ，Ｖ^＊ｗ；ｕ，ｖ，ｗ相の電圧指令値、Ｖ^＊ｄ，Ｖ^＊ｑ；ｄ軸、ｑ軸の電圧指令値、θｒｅ；電気角）

従って、ｄ軸、ｑ軸の各電圧指令値について、（２）式の関係を満足する必要がある。
√（Ｖ^＊ｄ^２＋Ｖ^＊ｑ^２）≦Ｅｄ√３／２√２ （２）
従来は、処理を簡易にする為、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令値の各制限値Ｖｄｍａｘ，Ｖｑｍａｘを一定にしていた。例えば、
Ｖｄｍａｘ＝Ｖｑｍａｘ＝Ｅｄ√３／４ （３）
とすれば、（２）式は常に満足する。

特許文献１には、操舵補助用のブラシレスモータの各相電圧指令値を−Ｅｄ／２〜Ｅｄ／２（Ｅｄ；電源電圧）の範囲に制限するリミッタ手段を備えた電動パワーステアリング装置が記載されている。
特開２００３−３０４６９７号公報

従来の電動パワーステアリング装置は、上述したように、ブラシレスＤＣモータのｄ軸、ｑ軸の電圧指令値の各制限値Ｖｄｍａｘ，Ｖｑｍａｘを一定にしており、これをｄｑ座標に図示すると、図７に示すようになる。ここで、例えば、ｄ軸の電圧指令値がＶｄｂをとる場合、本来は、ｑ軸の電圧指令値はＶｑａ迄とることが可能であるが、実際には、ｑ軸の制限値Ｖｑｍａｘ以下に制限される。つまり、ｄ軸、ｑ軸の各電圧指令値が各制限値Ｖｄｍａｘ，Ｖｑｍａｘをとるという限られた場合以外は、電源電圧を最大限利用することができないという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、モータの電源電圧を最大限利用することが可能な電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るモータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
操舵部材に加えられた操舵トルクを検出するトルクセンサと、
前記トルクセンサにより検出された操舵トルクに基づき、該モータのｄｑ座標におけるｑ軸電流及びｄ軸電流を定める電流決定手段と、
前記電流決定手段により定められたｑ軸電流及びｄ軸電流がモータに流れるように、電源電圧Ｅｄに基づきｑ軸電圧Ｖｑ及びｄ軸電圧Ｖｄを決定する電圧決定手段と、前記ｑ軸電圧

を満たすように前記ｑ軸電圧Ｖｑを制限する制限手段；
前記制限手段により制限されたｑ軸電圧Ｖｑ及び前記電圧決定手段により定められたｄ軸電圧Ｖｄを三相変換して三相電圧を出力する変換手段と、
変換手段から出力された三相電圧を基にモータを駆動する駆動手段と、
を備える電動パワーステアリング装置。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置において、前記制限手段は、

により定義されるｄｑ座標における円について、所定角度毎のＶｑ値及びＶｄ値の対を記憶してあり、与えられたＶｄ値及び前記対に基づく線形補間によりＶｑ値を求め、求めた該Ｖｑ値以下に前記ｑ軸電圧Ｖｑを制限するように構成してある。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、操舵部材に加えられた操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクに基づき、モータのｄｑ座標におけるｑ軸電流及びｄ軸電流を定め、定めたｑ軸電流及びｄ軸電流がモータに流れるように、電源電圧Ｅｄに基づきｑ軸電圧Ｖｑ及びｄ軸電圧Ｖｄを定め、定めたｑ軸電圧Ｖｑ及びｄ軸電圧Ｖｄを三相変換した三相電圧を印加することによりモータを駆動して操舵補助し、制限手段が、ｑ軸電圧Ｖｑを

以下に制限するので、モータの電源電圧を最大限利用することが可能な電動パワーステアリング装置を実現することができる。

ここで、ｎ＝１は、各相の電圧指令値が常に正弦波となるように制限する場合であり、ｎ＝２は、各相の電圧指令値が常に台形波となるように制限する場合であり、ｎ＝２／√３は、各相の電圧指令値が常に正弦波に第三次高調波が重畳するように制限する場合である。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、制限手段は、ｄｑ座標における円を示す

の所定角度毎のＶｑ値及びＶｄ値の対を記憶してあり、与えられたＶｄ値及びそれらの対に基づく線形補間によりＶｑ値を求め、求めたそのＶｑ値以下にｑ軸電圧Ｖｑを制限するので、モータの電源電圧を略最大限利用することが可能な電動パワーステアリング装置を実現することができる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の構成を示す模式図である。 図１に示す電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作例を示すフローチャートである。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作例を示す説明図である。 電動パワーステアリング装置に使用されるブラシレスＤＣモータの特性曲線の例を示す特性図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の他の動作例を示す説明図である。 従来の電動パワーステアリング装置の動作例を示す説明図である。（好適な実施例の詳細な説明）

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の構成を示す模式図である。この電動パワーステアリング装置は、例えば舵取りの為のハンドル１（操舵部材）と、ハンドル１の操舵に応じて駆動される操舵補助用のブラシレスＤＣモータ６と、モータ６の回転を減速歯車機構７を介して舵取機構１２，１２に伝える伝動手段１３と、モータ６を駆動制御するＥＣＵ（コントローラ）５とを備えている。ＥＣＵ５には、車両の走行速度を検出する車速センサ４が出力した車速信号が与えられている。

伝動手段１３は、ハンドル１に連結された入力軸２に図示しないトーションバーを介して連結される出力軸８と、出力軸８にユニバーサルジョイントを介して連結される連結軸９と、連結軸９にユニバーサルジョイントを介して連結されるピニオン軸１０と、ピニオン軸１０のピニオンに噛合するラック歯を有し、左右の操向輪Ａ，Ａに舵取機構１２，１２を介して連結されるラック軸１１とを備えている。入力軸２及び伝動手段１３は操舵軸１４を構成している。

入力軸２の周りには、ハンドル１を操作することにより入力軸２に加わる操舵トルクを、トーションバーに生じる捩れによって検出するトルクセンサ３が配置されており、トルクセンサ３が検出した操舵トルクに基づいて、ＥＣＵ５がモータ６を駆動制御するように構成してある。
減速歯車機構７は、モータ６の出力軸に繋がるウォームと、出力軸８の途中に嵌合されるウォームホイールとを備えており、モータ６の回転をウォーム及ウォームホイールから出力軸８に伝達するように構成してある。

このような構成の電動パワーステアリング装置では、ハンドル１の操作による舵取り操作力を入力軸２、トーションバー（図示せず）、出力軸８、連結軸９、及びピニオン軸１０を介してラック軸１１に伝達し、ラック軸１１を軸長方向へ移動させ、舵取機構１２，１２を作動させる。また、それと共に、トルクセンサ３が検出した操舵トルクに基づき、ＥＣＵ５がモータ６を駆動制御し、モータ６の駆動力を出力軸８に伝達することにより、舵取り操作力を補助し、舵取りの為の運転者の労力負担を軽減する。

図２は、図１に示す電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、トルクセンサ３が検出した操舵トルク値Ｔｓが、位相補償器３１に与えられ、位相補償器３１で位相補償された操舵トルク値が、ＥＣＵ５のトルク‐電流テーブル３３に与えられる。また、車速センサ４が検出した車速値Ｖｓが、トルク‐電流テーブル３３及び収斂性補正部２７に与えられている。

トルク‐電流テーブル３３では、操舵トルク値が所定の不感帯を超えると、操舵トルク値の増加に従ってモータ電流の目標値が比例的に増加し、さらに操舵トルク値が所定値以上になると目標値が飽和するような関数が、車速値Ｖｓに応じて可変的に定められている。前記関数は車速値Ｖｓが大となるに従って操舵トルク値に対するモータ電流の目標値の比が小となると共に、目標値の飽和値が小となるように定められている。トルク‐電流テーブル３３が定めたモータ電流の目標値Ｉｔは、加算手段２０及び指令電流方向指定部２９へ与えられる。

モータ電流の目標値Ｉｔは、ｄｑ座標変換を用いたモータ制御におけるｄ軸電流の目標値を示す符号付きの値であり、その正負は、操舵補助の方向を示している。
指令電流方向指定部２９は、与えられたモータ電流の目標値Ｉｔの正負符号に基づき、操舵補助の方向を示す方向信号Ｓｄｉｒを作成し、収斂性補正部２７に与える。

操舵補助を行うブラシレスモータであるモータ６には、そのロータの回転位置を検出する位置センサ２５が内蔵され、位置センサ２５が検出し出力した位置信号は、ＥＣＵ５内のロータ角度センサ６２に与えられ、電気角θｒｅに換算されて、正弦波ＲＯＭテーブル４０及びロータ角速度演算部４２に与えられる。
正弦波ＲＯＭテーブル４０は、与えられた電気角θｒｅにより正弦波値ｓｉｎθｒｅを出力し、三相交流／ｄｑ座標変換部３８及びｄｑ／三相交流変換部３２に与える。

ロータ角速度演算部４２は、与えられた電気角θｒｅによりロータ角速度ωｒｅを算出し、収斂性補正部２７に与える。収斂性補正部２７は、与えられた車速値Ｖｓ、方向信号Ｓｄｉｒ及びロータ角速度ωｒｅに基づき、車両収斂性を確保する為の補償電流値ｉｃを作成し、加算手段２０に与える。
加算手段２０は、モータ電流の目標値Ｉｔに補償電流値ｉｃを加算し、その結果をｑ軸電流指令値ｉ^＊ｑとして減算手段２４に与える。

ＥＣＵ５内のｖ相電流検出器５４及びｕ相電流検出器５６が、モータ６のｖ相界磁コイル及びｕ相界磁コイルにそれぞれ流れる電流値ｉｖ及びｉｕを検出し、三相交流／ｄｑ座標変換部３８に与える。
三相交流／ｄｑ座標変換部３８は、与えられた電流値ｉｖ，ｉｕ及び正弦波値ｓｉｎθｒｅに基づき、ｑ軸電流値ｉｑ及びｄ軸電流値ｉｄへｄｑ変換し、ｑ軸電流値ｉｑを減算手段２４へ、ｄ軸電流値ｉｄを減算手段２２へそれぞれ与える。

減算手段２４は、ｑ軸電流指令値ｉ^＊ｑとｑ軸電流値ｉｑとの偏差ｅｑを演算し、その偏差ｅｑをｑ軸電流ＰＩ制御部２８へ与える。
減算手段２２は、トルクに関与しないので０であるｄ軸電流指令値ｉ^＊ｄとｄ軸電流値ｉｄとの偏差ｅｄを演算し、その偏差ｅｄをｄ軸電流ＰＩ制御部２６へ与える。
ｑ軸電流ＰＩ制御部２８及びｄ軸電流ＰＩ制御部２６は、与えられた偏差ｅｑ及び偏差ｅｄに基づき、ＰＩ制御の為のｑ軸電圧Ｖｑ及びｄ軸電圧Ｖｄを演算して、制限処理部３０に与える。

制限処理部（制限手段）３０は、与えられたｄ軸電圧Ｖｄをｄ軸電圧指令値Ｖ^＊ｄとしてｄｑ／三相交流変換部３２に与える。また、各相の電圧指令値が常に正弦波となるように、ｑ軸電圧Ｖｑを√（３Ｅｄ^２／８−Ｖｄ^２）（Ｅｄ；電源電圧）以下に制限したｑ軸電圧指令値Ｖ^＊ｑを作成して、ｄｑ／三相交流変換部３２に与える。
ｄｑ／三相交流変換部３２は、与えられたｑ軸電圧指令値Ｖ^＊ｑ及びｄ軸電圧指令値Ｖ^＊ｄに基づき、ｄｑ逆変換（三相変換）して、三相のｕ相電圧指令値Ｖ^＊ｕ及びｖ相電圧指令値Ｖ^＊ｖを演算し、減算手段３４及び三相ＰＷＭ変調部５０へ与える。

減算手段３４は、Ｖ^＊ｗ＝−Ｖ^＊ｕ−Ｖ^＊ｖを演算し、演算したｗ相電圧指令値Ｖ^＊ｗを三相ＰＷＭ変調部５０へ与える。
三相ＰＷＭ変調部５０は、与えられた三相の各電圧指令値Ｖ^＊ｕ，Ｖ^＊ｖ，Ｖ^＊ｗをパルス幅変調し、三相の各ＰＷＭ信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗとしてモータ駆動回路５２へ与える。
モータ駆動回路５２は、与えられた各ＰＷＭ信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗ（パルス信号）により、図示しない各相の界磁コイルと電源及び接地端子との間をスイッチングして、モータ６をＰＷＭ駆動し、モータ６はトルクＴｍを出力する。

尚、上述したトルク‐電流テーブル３３、収斂性補正部２７、加算手段２０、指令電流方向指定部２９、ロータ角速度演算部４２、正弦波ＲＯＭテーブル４０、三相交流／ｄｑ座標変換部３８、ｄｑ／三相交流変換部３２、減算手段２４、減算手段２２、ｑ軸電流ＰＩ制御部２８、ｄ軸電流ＰＩ制御部２６、制限処理部３０及び減算手段３４は、マイクロコンピュータ２１により実現されている。

以下に、このような構成の電動パワーステアリング装置の電流制御演算の動作を、それを示す図３のフローチャートを参照しながら説明する。
ＥＣＵ５は、位置センサ２５が検出し出力した磁極の位置信号を読込み、ロータ角度センサ６２で電気角θｒｅに換算し、正弦波ＲＯＭテーブル４０で電気角θｒｅにより正弦波値ｓｉｎθｒｅを出力させる（Ｓ１０）。一方、ｖ相電流検出器５４及びｕ相電流検出器５６で、モータ６のｖ相界磁コイル及びｕ相界磁コイルにそれぞれ流れる電流値ｉｖ及びｉｕを検出する（Ｓ１２）。
ＥＣＵ５は、次に、三相交流／ｄｑ座標変換部３８で、電流値ｉｖ，ｉｕ及び正弦波値ｓｉｎθｒｅに基づき、ｑ軸電流値ｉｑ及びｄ軸電流値ｉｄへｄｑ変換する（Ｓ１４）。

ＥＣＵ５は、次に、減算手段２４で、ｑ軸電流指令値ｉ^＊ｑとｑ軸電流値ｉｑとの偏差ｅｑを演算し、減算手段２２で、０であるｄ軸電流指令値ｉ^＊ｄとｄ軸電流値ｉｄとの偏差ｅｄを演算する（Ｓ１６）。次いで、ｑ軸電流ＰＩ制御部２８及びｄ軸電流ＰＩ制御部２６で、偏差ｅｑ及び偏差ｅｄに基づき、ＰＩ制御の為のｑ軸電圧Ｖｑ及びｄ軸電圧Ｖｄを演算する（Ｓ１８）。

ＥＣＵ５は、次に、制限処理部３０で、ｄ軸電圧Ｖｄをｄ軸電圧指令値Ｖ^＊ｄとし、また、各相の電圧指令値が常に正弦波となるように、ｑ軸電圧Ｖｑを

以下に制限したｑ軸電圧指令値Ｖ^＊ｑを作成して、制限処理を行う（Ｓ２０）。これにより、図４に示すように、例えば、ｄ軸の電圧指令値がＶｄｃをとる場合、ｑ軸の電圧指令値は、

で示される電源電圧を最大限利用することが可能な電圧値Ｖｑｃをとることができる。

ＥＣＵ５は、次に、ｄｑ／三相交流変換部３２及び減算手段３４で、ｑ軸電圧指令値Ｖ^＊ｑ及びｄ軸電圧指令値Ｖ^＊ｄに基づき、ｄｑ逆変換（三相変換）して、三相のｕ相電圧指令値Ｖ^＊ｕ、ｖ相電圧指令値Ｖ^＊ｖ及びｗ相電圧指令値Ｖ^＊ｗを演算する（Ｓ２２）。次いで、三相ＰＷＭ変調部５０で、三相の各電圧指令値Ｖ^＊ｕ，Ｖ^＊ｖ，Ｖ^＊ｗをパルス幅変調して、ＰＷＭ信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗとし、モータ駆動回路５２で、ＰＷＭ信号Ｓｕ，Ｓｖ，Ｓｗにより、各相の界磁コイルと電源及び接地端子との間をスイッチングして各相電圧を出力し（Ｓ２４）リターンする。モータ６は、出力された各相電圧によりＰＷＭ駆動される。

図５は、ブラシレスＤＣモータ６の特性曲線の例であり、ｄ軸電圧指令値Ｖ^＊ｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖ^＊ｑを従来通りに制限した場合と、本実施の形態のように制限した場合とを比較したものである。本実施の形態のように制限した場合、同一回転数であっても、モータ電流及びモータ印加電圧が増大し、出力トルクが増加して、効率が向上することが分かる。

尚、制限処理部３０は、

により定義されるｄｑ座標における円について、例えば１０度毎のＶｑ値及びＶｄ値の対を記憶しておき、与えられたＶｄ値及び記憶している対に基づく線形補間によりＶｑ値を求め、求めたＶｑ値以下にｑ軸電圧Ｖｑを制限するようにすると、演算負荷を軽減できる。
例えば、図６に示すように、与えられたＶｄ値の前後に当たるＶｄ１，Ｖｄ２の対（Ｖｑ１，Ｖｄ１）、（Ｖｑ２，Ｖｄ２）を使用して、
Ｖｑ＝（Ｖｑ２−Ｖｑ１）（Ｖｄ−Ｖｄ１）／（Ｖｄ２−Ｖｄ１）＋Ｖｑ１
を演算して線形補間を行う。

この場合、例えば、図６において、電気角が５°，１５°，２５°，・・・・８５°の何れかである記憶してある対、例えば（Ｖｑｆ，Ｖｄｆ）にｄ軸電圧指令値Ｖ^＊ｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖ^＊ｑが該当する場合は、電源電圧利用率は１００％である。また、電源電圧利用率が最も不利となる、電気角が０°，１０°，２０°，・・・・９０°の何れかである例えば（Ｖｑｄ，Ｖｄｄ）にｄ軸電圧指令値Ｖ^＊ｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖ^＊ｑが該当する場合でも、電源電圧利用率は、理論上ｃｏｓ５°より求まり、９９．６％まで確保できる。

尚、上述した実施の形態１は、各相の電圧指令値が常に正弦波となるように振幅の最大値を制限する場合（ｎ＝１）であるが、各相の電圧指令値が常に台形波となるように振幅の最大値を制限する場合（ｎ＝２）、及び各相の電圧指令値が常に正弦波に第三次高調波が重畳するように振幅の最大値を制限する場合（ｎ＝２／√３）でも同様にすることができる。

Claims (2)

1. モータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   操舵部材に加えられた操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   前記トルクセンサにより検出された操舵トルクに基づき、該モータのｄｑ座標におけるｑ軸電流及びｄ軸電流を定める電流決定手段と、
   前記電流決定手段により定められたｑ軸電流及びｄ軸電流がモータに流れるように、電源電圧Ｅｄに基づきｑ軸電圧Ｖｑ及びｄ軸電圧Ｖｄを決定する電圧決定手段と、前記ｑ軸電圧
   

   

   を満たすように前記ｑ軸電圧Ｖｑを制限する制限手段；
   前記制限手段により制限されたｑ軸電圧Ｖｑ及び前記電圧決定手段により定められたｄ軸電圧Ｖｄを三相変換して三相電圧を出力する変換手段と、
   変換手段から出力された三相電圧を基にモータを駆動する駆動手段と、
   を備える電動パワーステアリング装置。
2. 前記制限手段は、
   

   

   により定義されるｄｑ座標における円について、所定角度毎のＶｑ値及びＶｄ値の対を記憶してあり、与えられたＶｄ値及び前記対に基づく線形補間によりＶｑ値を求め、求めた該Ｖｑ値以下に前記ｑ軸電圧Ｖｑを制限するように構成してある請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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