JPWO2017115411A1

JPWO2017115411A1 - ステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置およびその制御方法

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Publication number: JPWO2017115411A1
Application number: JP2017558812A
Authority: JP
Inventors: 阿久津　悟; 悟阿久津; 浅尾　淑人; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2018-03-22
Also published as: EP3398832A4; US20200247462A1; EP3398832B1; US10913488B2; EP3398832A1; CN108367774A; CN108367774B; WO2017115411A1

Abstract

バックアップクラッチを用いることなしに安全性を確保したステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置を得る。運転者が操作するハンドルを有する操舵入力機構と、前記ハンドルに操舵反力を付与する反力モータと、転舵力を出力する転舵モータと、前記操舵入力機構に機械的に接続されずに、前記転舵モータの転舵力により操向輪を転舵する転舵機構と、前記転舵モータおよび前記反力モータの駆動制御を行う駆動制御装置と、を備え、前記転舵モータおよび前記反力モータの少なくとも１つが、各巻線が二重化され、二重化された前記巻線のそれぞれを２つのインバータで個別に駆動するダブルインバータ方式のダブル巻線モータからなる。

Description

この発明は、ステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置およびその制御方法に関する。

従来のステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置においては、装置の故障時に、操舵入力機構のハンドルと、操向輪を転舵する転舵機構を、機械的に連結するためのバックアップクラッチが設けられていた(例えば、特許文献１参照)。

特開２００９−２９２８４号公報(図１等)

上記特許文献１に示した、従来のステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置においては、装置の故障時に、操舵入力機構のハンドルと、操向輪を転舵する転舵機構を、機械的に連結するためのバックアップクラッチが設けられている。このため、装置が大型化する等の課題があった。

この発明は、上記の課題を解消し、バックアップクラッチを用いることなしに安全性を確保したステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置およびその制御方法を得ることを目的としている。

この発明は、運転者が操作するハンドルを有する操舵入力機構と、前記ハンドルに操舵反力を付与する反力モータと、転舵力を出力する転舵モータと、前記操舵入力機構に機械的に接続されずに、前記転舵モータの転舵力により操向輪を転舵する転舵機構と、前記転舵モータおよび前記反力モータの駆動制御を行う駆動制御装置と、を備え、前記転舵モータおよび前記反力モータの少なくとも１つが、各巻線が二重化され、二重化された前記巻線のそれぞれを２つのインバータで個別に駆動するダブルインバータ方式のダブル巻線モータからなる、ステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置等にある。

この発明によれば、バックアップクラッチを用いることなしにステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置の安全性を確保できる。

この発明のステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置の全体の構成を示す図である。この発明のステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置におけるダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータの制御系の構成図である。図２の駆動制御装置のマイクロコンピュータの一例の機能ブロック図である。図２の駆動制御装置のマイクロコンピュータのハードウェアの構成の一例を示す図である。図２の駆動制御装置のマイクロコンピュータのダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータの故障時の制御動作の一例を示す動作フローチャートである。この発明のステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置のモータと駆動制御装置の構成例を示す図である。

この発明によるステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置およびその制御方法においては、バックアップクラッチを用いることなしに装置の安全性を確保できるため、例えば、小型、軽量、低コストで組立工数が少なく、レイアウトの制約が少ない。

以下、この発明によるステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置およびその制御方法を実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各図において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、また重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明のステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置の全体の構成を示す図である。

図１において、運転者が操作するハンドル４にはステアリングシャフト５が連結されている。ステアリングシャフト５には運転者の操舵角を検知する操舵角センサ６と、運転者の操舵に対し操舵反力を付与する併設された２つの反力モータ７ａ，７ｂが取り付けられている。これらのハンドル４、ステアリングシャフト５、操舵角センサ６、により操舵入力機構２を構成している。操向輪である前輪８ａ、８ｂのナックルアーム９ａ、９ｂにはラック軸１１に連結されたタイロッド１０ａ、１０ｂが接続されている。ラック軸１１の動きがタイロッド１０ａ、１０ｂと、ナックルアーム９ａ、９ｂを経て前輪８ａ、８ｂに伝わることにより、前輪８ａ、８ｂが操向される。ラック軸１１には転舵モータ１２ａ、１２ｂが取り付けられている。併設された２つの転舵モータ１２ａ、１２ｂの出力がラック軸１１を動かす動力となっている。これらのラック軸１１周辺の、ナックルアーム９ａ、９ｂ、タイロッド１０ａ、１０ｂ、ラック軸１１により転舵機構３を構成している。

操舵入力機構２と転舵機構３は機械的には連結されていない。操舵角センサ６などからの入力信号に基づき、駆動制御装置１００が転舵モータ１２ａ、１２ｂ、反力モータ７ａ，７ｂを適切に制御することにより、運転者の操作に応じた転舵がなされる構成、いわゆるステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置１を形成している。

転舵モータ１２ａ，転舵モータ１２ｂ，反力モータ７ａ，反力モータ７ｂはそれぞれ、各巻線が二重化された２組の３相巻線と、２組のそれぞれの３相巻線を個別に駆動する２つのインバータと、を有するダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる。これらの転舵モータ１２ａ，転舵モータ１２ｂ，反力モータ７ａ，反力モータ７ｂは、故障発生時にもモータとしての機能を完全には失わないように構成されている。

次に、ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータの制御系の構成について説明する。図２は、この発明のステア・バイ・ワイヤ方式電動パワーステアリング装置におけるダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータの制御系の構成図である。
駆動制御装置１００は、例えばマイクロコンピュータ１００ａａで構成される制御部１００ａを有する。駆動制御装置１００のマイクロコンピュータ１００ａａは、
操舵角センサ６からの操舵角信号ＳＡ、
外部からの入力駆動指令ＩＤＣ、
モータの故障を検出するために３相ダブル巻線モータ(７ａ，７ｂ，１２ａ，１２ｂ)に設けられ相電流および駆動電流を検出する電流検出器１００ｃからのフィードバック信号ＦＢ、
に従って、例えば３相ダブル巻線モータ(７ａ，７ｂ，１２ａ，１２ｂ)を駆動制御するための出力駆動指令ＯＤＣ１，ＯＤＣ２を３相ダブル巻線モータ(７ａ，７ｂ，１２ａ，１２ｂ)のそれぞれのインバータ駆動回路２１０ｃへ出力する。

例えばそれぞれがダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータである、転舵モータ１２ａ，転舵モータ１２ｂ，反力モータ７ａ，反力モータ７ｂはそれぞれに図２に示すように、
二重化されたさ巻線の第１系統の３相巻線１９と第２系統の３相巻線２０、
２つのインバータ回路２１０ａ，２１０ｂ、そして
第１のＦＥＴ駆動回路２１０ｃａおよび第２のＦＥＴ駆動回路２１０ｃｂを含むインバータ駆動回路２１０ｃ
を備えている。
そして第１のＦＥＴ駆動回路２１０ｃａと第１系統のインバータ回路２１０ａが１つのインバータを構成し、第２のＦＥＴ駆動回路２１０ｃｂと第２系統のインバータ回路２１０ｂが別の１つのインバータを構成する。

インバータ回路２１０ａ，２１０ｂは、共通のリアクトル２０２を介して電源であるバッテリ２０１に接続された電源側端子とグランドとの間に、各インバータ回路の各相共通に、並列コンデンサ２０３、スイッチング回路２０４を構成する直列接続された２つのスイッチング部２０５、シャント抵抗２０６が直列に接続されている。各スイッチング部２０５は、例えばＭＯＳ−ＦＥＴからなるスイッチング素子２０５ａで構成され、ＦＥＴの内部には寄生ダイオード２０５ｂがある。直列接続されたスイッチング部２０５の間の接続点が、３相巻線１９，２０の各巻線にそれぞれ接続されている。また巻線電流から故障を検出するために、巻線に繋がる接続線には電流検出器１００ｃが設けられ、フィードバック信号ＦＢを駆動制御装置１００へ出力する。なお電流検出器１００ｃは各相にそれぞれ設けても、また、３相巻線の全ての相電流が流れる接続線に３相共通に１つの電流検出器１００ｃを設けてもよい。また、故障の検出は専用の電流検出器１００ｃを設けずに、モータの電流フィードバック制御用の電流検出器であるシャント抵抗２０６の出力を用いる構成としても良い。

インバータ駆動回路２１０ｃの第１のＦＥＴ駆動回路２１０ｃａおよび第２のＦＥＴ駆動回路２１０ｃｂは、駆動制御装置１００のマイクロコンピュータ１００ａａからの出力駆動指令ＯＤＣ１，ＯＤＣ２に従って、３相ダブル巻線モータ(７ａ，７ｂ，１２ａ，１２ｂ)のインバータ回路２１０ａ，２１０ｂの各スイッチング部２０５の各スイッチング素子２０５ａをＯＮ，ＯＦＦ制御するためのスイッチング信号を出力する。

第１系統の３相巻線１９の接続端子Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は、マイクロコンピュータ１００ａａおよび第１のＦＥＴ駆動回路２１０ｃａにより制御される第１系統のインバータ回路２１０ａに接続されている。同様に、第２系統の３相巻線２０の接続端子Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は、マイクロコンピュータ１００ａａおよび第２のＦＥＴ駆動回路２１０ｃｂにより制御される第２系統のインバータ回路２１０ｂに接続されている。

図３は駆動制御装置１００の制御部１００ａを構成するマイクロコンピュータ１００ａａの一例の機能ブロック図を示す。マイクロコンピュータ１００ａａは故障検出部３０１、駆動指令生成部３０２および記憶部Ｍを備える。

またマイクロコンピュータ１００ａａのハードウェアの構成の一例を図４に示す。マイクロコンピュータ１００ａａは、外部との信号の入出力を行うインタフェースＩ／Ｆと、図３に示された各機能ブロックで示された機能を実行するプログラム、処理に必要な各種データを格納したメモリＭと、メモリＭに格納されたプログラムを実行するＣＰＵとからなる。図３の記憶部ＭはメモリＭを示す。

図５に、ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータの故障時のマイクロコンピュータ１００ａａによる制御動作の一例の動作フローチャートを示し、以下、動作について説明する。転舵モータ１２ａの第２系統の３相巻線２０に故障が生じた場合を例として説明する。マイクロコンピュータ１００ａａの故障検出部３０１は、電流検出器１００ｃからのフィードバック信号ＦＢの値を予め設定された正常領域の値と比較して故障を検出する。例えば、３相ダブル巻線モータの第２系統の３相巻線２０からのフィードバック信号ＦＢの値が正常領域の値を超えたまたは下回った場合に、第２系統の３相巻線２０の故障を検知する(ステップＳ１)。駆動指令生成部３０２は、例えば外部からの入力駆動指令ＩＤＣにより「故障が発生したらモータの故障系統を駆動停止させる」という指令が設定されている場合には(ステップＳ２)、第２のＦＥＴ駆動回路２１０ｃｄを駆動停止させる出力駆動指令ＯＤＣ２を出力する。これにより第２系統の３相巻線２０の駆動電流が０となる(ステップＳ３)。
したがって、転舵モータ１２ａの、第２のＦＥＴ駆動回路２１０ｃｂ、第２系統のインバータ回路２１０ｂからなる第２系統によって生成されていたトルクは０となり、モータ全体の出力トルクは正常時の２分の１となるが、完全に機能を失うことはなく、操舵を継続できる。

また、例えば外部からの入力駆動指令ＩＤＣにより「故障が発生したらモータの故障系統を駆動停止させ、かつ補填制御を行う」という指令が設定されている場合には(ステップＳ４)、駆動指令生成部３０２は、第２のＦＥＴ駆動回路２１０ｃｂを駆動停止させる出力駆動指令ＯＤＣ２を出力して、第２系統の３相巻線２０の駆動電流を０とする。またこれと同時に駆動指令生成部３０２は、正常な第１系統の３相巻線１９の駆動電流を正常時の２倍に増加させるように出力駆動指令ＯＤＣ１を出力する。これにより、第１系統によって生成されるトルクは２倍となる(ステップＳ５)。第１系統によって生成されるトルクにより第２系統によって生成されていた分のトルクを補うことで、モータ全体の出力トルクは正常時と変わらないものとすることもできる。

また、例えば外部からの入力駆動指令ＩＤＣにより「併設モータで補填制御を行う」という指令が設定されている場合には(ステップＳ６)、例えば故障が発生していない併設された正常な転舵モータ１２ｂの出力を、故障が発生した転舵モータ１２ａで低下した出力を補う分増加させるように、駆動指令生成部３０２は、故障系統で検出された駆動電流に従って、転舵モータ１２ｂのためのインバータ駆動回路２１０ｃの第１のＦＥＴ駆動回路２１０ｃａおよび第２のＦＥＴ駆動回路２１０ｃｂに出力駆動指令ＯＤＣ１、出力駆動指令ＯＤＣ２をそれぞれ出力する。これにより転舵モータ１２ｂにおける第１系統の３相巻線１９、第２系統の３相巻線２０の駆動電流が、転舵モータ１２ａで低下した出力を補う分増加する(ステップＳ７)。以上のように制御することによっても、装置全体としての出力を正常時と変わらないものとすることができる。

なお、上記の例では、故障発生時の制御形態の設定条件を外部からの入力駆動指令ＩＤＣに従って決定していたが、例えば記憶部ＭすなわちメモリＭに予め格納しておいた故障発生時の制御形態に従って制御を行ってもよい。

以上のように構成されたこの発明によるステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置は、モータの故障時においてもその機能が維持できるため、従来の装置に設けられていた、装置の故障時に操舵入力機構と転舵機構を機械的に連結するバックアップクラッチが不要となり、小型、軽量、低コストで組立工数が少なく、レイアウトの制約が少ないものとなる。

なお、上記の例では転舵モータが２個、反力モータが２個で、全てのモータにダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータを適用する構成で説明したが、必要な安全性に応じて各モータの個数および、ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータを適用するモータを適宜選択してもよい。

例えば、図６の(ａ)から(ｏ)に示すような構成がある。図６では、
従来のシングルインバータ方式の３相シングル巻線モータの反力モータを７、
この発明によるダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータの反力モータを７ａ，７ｂ、
従来のシングルインバータ方式の３相シングル巻線モータの転舵モータを１２、
この発明によるダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータの転舵モータを１２ａ，１２ｂ、
駆動制御装置を１００で示している。

(ａ)は「ダブル」の転舵モータ１２ａと「ダブル」の反力モータ７ａからなる、１個の転舵モータと１個の反力モータによる構成例を示す。
(ｂ)は「ダブル」の転舵モータ１２ａと２個の「シングル」の反力モータ７からなる、１個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｃ)は「ダブル」の転舵モータ１２ａと「シングル」の反力モータ７と「ダブル」の反力モータ７ａからなる、１個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｄ)は「ダブル」の転舵モータ１２ａと２個の「ダブル」の反力モータ７ａ，７ｂからなる、１個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｅ)は２個の「シングル」の転舵モータ１２と「ダブル」の反力モータ７ａからなる、２個の転舵モータと１個の反力モータによる構成例を示す。
(ｆ)は２個の「シングル」の転舵モータ１２と「ダブル」の反力モータ７ａと「シングル」の反力モータ７からなる、２個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｇ)は２個の「シングル」の転舵モータ１２と２個の「ダブル」の反力モータ７ａ，７ｂからなる、２個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｈ)は「ダブル」の転舵モータ１２ａと「シングル」の転舵モータ１２と「ダブル」の反力モータ７ａからなる、２個の転舵モータと１個の反力モータによる構成例を示す。

(ｉ)は「ダブル」の転舵モータ１２ａと「シングル」の転舵モータ１２と２個の「シングル」の反力モータ７からなる、２個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｊ)は「ダブル」の転舵モータ１２ａと「シングル」の転舵モータ１２と「ダブル」の反力モータ７ａと「シングル」の反力モータ７からなる、２個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｋ)は「ダブル」の転舵モータ１２ａと「シングル」の転舵モータ１２と２個の「ダブル」の反力モータ７ａ，７ｂからなる、２個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｌ)は２個の「ダブル」の転舵モータ１２ａ，１２ｂと「ダブル」の反力モータ７ａからなる、２個の転舵モータと１個の反力モータによる構成例を示す。
(ｍ)は２個の「ダブル」の転舵モータ１２ａ，１２ｂと２個の「シングル」の反力モータ７からなる、２個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｎ)は２個の「ダブル」の転舵モータ１２ａ，１２ｂと「ダブル」の反力モータ７ａと「シングル」の反力モータ７からなる、２個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。
(ｏ)は上記実施の形態の、２個の「ダブル」の転舵モータ１２ａ，１２ｂと２個の「ダブル」の反力モータ７ａ，７ｂからなる、２個の転舵モータと２個の反力モータによる構成例を示す。

従って、マイクロコンピュータ１００ａａの制御による例えば図５のステップＳ６で、入力駆動指令ＩＤＣで「併設モータで補填制御を行う」という指令が設定されている場合には、例えば故障が発生していない併設された正常な、従来のシングルインバータ方式の３相シングル巻線モータの転舵モータ１２の駆動電流を調整するように制御してもよい。これは反力モータの場合も同様である。

また、上記実施の形態では駆動制御装置としてマイクロコンピュータを１個としているが、それぞれの系統ごとに１個ずつ設ける構成としてもよく、さらに、モータは３相方式に限定されるものでもなく、その他の多相方式のモータを設けた電動パワーステアリング装置においてもこの発明は適用可能である。

産業上の利用の可能性

この発明は、種々の形態の車両のステア・バイ・ワイヤ方式の電動パワーステアリング装置に適用可能である。

Claims

運転者が操作するハンドルを有する操舵入力機構と、
前記ハンドルに操舵反力を付与する反力モータと、
転舵力を出力する転舵モータと、
前記操舵入力機構に機械的に接続されずに、前記転舵モータの転舵力により操向輪を転舵する転舵機構と、
前記転舵モータおよび前記反力モータの駆動制御を行う駆動制御装置と、
を備え、
前記転舵モータおよび前記反力モータの少なくとも１つが、各巻線が二重化され、二重化された前記巻線のそれぞれを２つのインバータで個別に駆動するダブルインバータ方式のダブル巻線モータからなる、
ステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置。
前記ダブルインバータ方式のダブル巻線モータが、２組の３相巻線と、前記２組の３相巻線をそれぞれに個別に駆動する２つのインバータを含むダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータである、
請求項１に記載のステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置。
前記転舵モータが前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる、請求項２に記載のステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置。
前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる前記転舵モータが２個併設された、請求項３に記載のステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置。
前記反力モータが前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる、請求項２に記載のステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置。
前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる前記反力モータが２個併設された、請求項５に記載のステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置。
前記転舵モータおよび前記反力モータがそれぞれ前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる、請求項２に記載のステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置。
前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる前記転舵モータが２個併設された、請求項７に記載のステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置。
前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる前記反力モータが２個併設された、請求項７に記載のステアバイワイヤ方式電動パワーステアリング装置。
前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる前記転舵モータが２個併設され、
前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータからなる前記反力モータが２個併設された、
請求項７に記載のステアバイワイヤ方式電動パワーステアリング装置。
前記駆動制御装置が、前記ダブルインバータ方式の３相ダブル巻線モータから故障を示すフィードバック信号を受けると、設定条件に従って、前記３相ダブル巻線モータの２系統の巻線のうちの故障した系統の巻線または故障していない系統の巻線または併設されたモータがある場合には併設されたモータの巻線、への駆動電流を制御する、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のステアバイワイヤ方式電動パワーステアリング装置。
操舵入力機構の運転者が操作するハンドルに操舵反力を付与する反力モータ、および、前記操舵入力機構に機械的に接続されていない転舵機構に操舵角に従った転舵力を出力する転舵モータ、の少なくとも１つを、各巻線を二重化し、二重化された前記巻線のそれぞれを２つのインバータで個別に駆動するダブルインバータ方式のダブル巻線モータで構成し、
前記ダブルインバータ方式のダブル巻線モータが故障した時に、設定条件に従って、前記ダブル巻線モータの２系統の巻線のうちの故障した系統の巻線または故障していない系統の巻線または併設されたモータがある場合には併設されたモータの巻線、への駆動電流を制御する、
ステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリング装置の制御方法。