KR100996081B1 - 전동 파워 스티어링 제어 장치 - Google Patents

Abstract

과제

모터 전류를 직접 검출하는 일 없이 모터를 제어하는 전동 파워 스티어링 제어 장치라 하여도, 모터의 토오크 변동이나 외란의 운전자에의 영향을 충분히 작게 억제할 수 있는 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

해결 수단

본 발명의 전동 파워 스티어링 제어 장치는, 스티어링계의 조타 토오크를 검출하는 토오크 센서와, 조타 토오크를 보조하는 토오크를 발생하는 모터를 구비한 전동 파워 스티어링에 있어서, 토오크 센서로부터의 조타 토오크 신호에 대응하고, 모터의 토오크를 연산하는 모터 목표 토오크 연산 수단과, 모터 목표 토오크 연산 수단으로부터의 모터 목표 토오크 신호에 대응하고, 모터에 인가하는 전압을 연산하는 모터 인가 전압 연산 수단을 구비하고, 모터 목표 토오크 연산 수단의 조타 토오크 신호와 모터 목표 토오크의 비율을, 모터의 토오크 변동이 운전자에게 주는 영향이 소정치 이하가 되도록 설정한다.

전동 파워 스티어링 제어 장치

Description

전동 파워 스티어링 제어 장치{ELECTRIC POWER STEERING CONTROL APPARATUS}

본 발명은, 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것으로, 특히, 모터 전류를 직접 검출하는 일 없이 모터 제어를 행하는데 적합한 제어 장치에 관한 것이다.

종래의 전동 파워 스티어링 장치로서, 토오크 센서로부터의 조타 토오크 신호에 의거하여 계산한 모터 목표 전류와, 모터 전류의 측정치가 일치하도록 피드백 제어하고, 모터를 구동하는 장치가 알려져 있다.(예를 들면, 특허 문헌 1)

또한, 종래의 전동 파워 스티어링 장치로서, 모터 전류를 측정하지 않고, 조타 속도의 검출 신호와, 조타 토오크 신호에 의거하여, 모터를 구동하는 장치도 알려져 있다.(예를 들면, 특허 문헌 2)

또한, 종래의 전동 파워 스티어링 장치로서, 모터 전류를 측정하지 않고 추정하고, 조타 토오크 신호에 의거하여, 모터 전류의 추정치를 피드백 제어하고, 모터를 구동하는 장치도 알려져 있다.((예를 들면, 특허 문헌 3)

특허 문헌 1 : 일본 특개2001-206232호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특개소61-169368호 공보

특허 문헌 3 : 일본 특허 등록3714843호 공보

경승용차용의 파워 스티어링으로서 실용화가 시작된 전동 파워 스티어링은, 근래, 차량 중량이 큰 보통 승용차까지 적용 범위가 확대해, 모터의 대전류화·고출력화가 진행되고 있다. 이에 대해, 특허 문헌 1에 나타난 바와 같은 종래 기술과 같이, 모터 전류를 염가의 저항으로 검출하고, 피드백 제어하기 위해서는, 이 저항 소자뿐만 아니라, 저항으로 검출한 신호를 마이크로 컴퓨터에 입력하기 위한 인터페이스 회로가 필요하게 되기 때문에, 이들을 탑재하기 위해, 제어 장치의 기판 면적을 크게 하지 않을 수 없다는 문제가 있다. 또한, 이 저항에 의한 발열이 크고, 이 열을 방열시키기 위해, 제어 장치에 구비한 히트 싱크를 대형으로 할 필요가 있고, 장치의 대형화, 비용 상승을 초래한다는 문제도 있다. 또한, 이와 같이 모터 전류를 저항으로 검출하는 경우에는, 이 저항에 의한 전력 손실이, 모터의 고출력화를 저해한다는 문제도 있다.

한편, 모터 전류를 검출하기 위한 저항에 의한 발열이나 전력 손실, 장치의 대형화를 억제하기 위해서는, 모터 전류를 검출하지 않고 제어하는 것이 고려된다. 예를 들면, 특허 문헌 2에는, 조타 속도 검출 신호에 의거하여, 모터의 역기전력을 보상하고, 오픈 루프로 전류 제어하는 방법이 나타나 있다. 또한, 특허 문헌 3에는, 모터의 구동 전압으로부터 추정한 모터 전류를 피드백 제어하는 방법이 나타나 있다.

일반적으로, 모터의 코일 저항의 편차나 온도 특성은, 모터 전류를 검출하여 피드백 제어하면 그 영향을 억제할 수 있다. 그러나, 이들 종래 장치와 같이 모터 전류를 검출하지 않는 경우에는, 모터 전류가 변화하기 쉽고, 결과로서 모터 토오크가 변화하고, 운전자의 조타 토오크에 영향을 주게 된다. 또한, 노이즈 등의 모터 전압에의 외란에 대해서도 마찬가지로, 이들 종래 장치에서는 모터 전류를 검출하는 경우에 비하여 모터 전류의 변동에 이어지기 쉽고, 진동, 소음 등의 영향이 나온다.

본 발명은, 이상과 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 모터 전류를 직접 검출하는 일 없이 모터를 제어하는 전동 파워 스티어링 제어 장치라 하여도, 모터의 토오크 변동이나 외란의 운전자에의 영향을 충분히 작게 억제할 수 있는 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 전동 파워 스티어링 제어 장치는, 스티어링계의 조타 토오크를 검출하는 토오크 센서와, 조타 토오크를 보조하는 토오크를 발생하는 모터를 구비한 전동 파워 스티어링에 있어서, 상기 토오크 센서로부터의 조타 토오크 신호에 대응하고, 상기 모터의 토오크를 연산하는 모터 목표 토오크 연산 수단과, 상기 모터 목표 토오크 연산 수단으로부터의 모터 목표 토오크 신호에 대응하고, 상기 모터에 인가하는 전압을 연산하는 모터 인가 전압 연산 수단을 구비하고, 상기 모터 목표 토오크 연산 수단의 조타 토오크 신호와 모터 목표 토오크의 비율을, 상기 모터의 토오크 변동이 운전자에게 주는 영향이 소정치 이하가 되도록 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 발열 등의 문제가 생기고, 모터 전류를 직접 검출하는 일 없이 모터를 제어하는 전동 파워 스티어링 제어 장치라도, 모터의 토오크 변동이나 외란의 운전자에의 영향을 충분히 작게 억제할 수 있는 제어 장치를 얻을 수 있다.

실시의 형태 1.

도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 전동 파워 스티어링 제어 장치의 구성을 도시하는 도면이고, 1은 핸들, 2는 스티어링 축, 3은 차량의 전륜, 4는 운전자의 조타 토오크를 검출하기 위한 토오크 센서, 5는 모터, 6은 모터(5)의 토오크를 스티어링 축(2)에 전달하기 위한 기어, 7은 토오크 센서(4)가 접속되고, 모터(5)를 구동 제어하기 위한 컨트롤러, 8은 모터(5)에 컨트롤러(7)를 통하여 급전하기 위한 배터리이다. TH는 운전자의 조타 토오크, TM은 모터(5)의 출력 토오크, TL은 전륜(3)으로부터 모터(5)와 운전자에의 부하 토오크를, 각각 스티어링 축(2)상의 토오크로 환산한 것을 나타낸다.

도 2는, 컨트롤러(7)의 내부 동작을 설명하기 위한 블록도이고, 21은 운전자의 조타 토오크를 나타내는 토오크 센서(4)로부터의 조타 토오크 신호(TH_DET)에 대응하고, 모터(5)의 출력 토오크의 목표치를 나타내는 모터 목표 토오크 신호(TM_TGT)를 연산하기 위한 모터 목표 토오크 연산 수단, 22는 모터(5)의 회전 속도를 검출하기 위한 모터 회전 속도 검출 수단, 23은 모터 목표 토오크 연산 수단(21)으로부터의 모터 목표 토오크 신호(TM_TGT)와, 모터 회전 속도 검출 수 단(22)으로부터의 모터 회전 속도 신호(VE-DET)에 대응하고, 모터(5)에 인가하는 전압을 나타내는 모터 인가 전압(VM)을 연산하고, 모터(5)를 구동하는 모터 인가 전압 연산 수단이다.

도 3은, 이 실시 형태의 모터 목표 토오크 연산 수단(21)의 동작을 설명하는 도면이고, 31, 32는 조타 토오크 신호(TH-DET)에 대해 후술하는 위상 진전 보상을 시행한 TH-CMP와, 모터 목표 토오크 신호(TM_TGT)의 정적(靜的)인 관계를 나타내는 어시스트 맵이다. 한편, 33은 모터(5)의 출력 토오크(TM)와, 부하 토오크(TL)와, 운전자의 조타 토오크(TH) 균형식이다,

TL=TM+TH … (1)

에 있어서, TM=TM_TGT 및 TH=TH_CMP를 대입하여 구하여지는, 이른바 부하선(負荷線)이다.

다음에, 동작에 관해 설명한다. 우선, 모터 목표 토오크 연산 수단(21)에서는, 모터(5)의 목표 토오크를 연산한다. 토오크 센서(4)에 의해 검출된 운전자의 조타 토오크는, 조타 토오크 신호(TH-DET)로서 입력되고, 예를 들면,

TH_CMP의=TH_DET*(1+τ1s)/(1+τ2s) … (2)

에 의해 위상 진전 보상이 시행된다(단, TH_CMP의 : 위상 진전 보상된 조타 토오크 신호, τ1, τ2 : 정수, s : 라플라스 연산자이다). 이로써, 토오크 센서(4), 모터(5), 컨트롤러(7)를 포함하는 루프의 교차 주파수 부근에서의 위상이 진전하고, 발진하는 일 없이 안정하게 동작하게 된다.

계속해서, (2)식에 의해 구하여진 위상 보상된 조타 토오크 신호(TH_CMP의) 로부터, 도 3의 특성에 따라, 모터 목표 토오크 신호(TM-TGT)를 연산한다. 여기서, 도 3에 관해 상세히 설명한다. 모터 목표 토오크 연산 수단(21)의 정특성(靜特性)이 어시스트 맵(31)일 때, 부하선(33)과 어시스트 맵(31)의 교점이 모터(5)의 동작점이 된다. 여러 가지 요인에 의한 모터(5)의 토오크 변동을 △TM이라고 하면, 조타 토오크(TH)에 나타나는 영향은, 어시스트 맵(31)상에서 상기 동작점을 중심으로 상기 △TM 변동한 때의 조타 토오크로부터 판독할 수 있고, △TH1이 된다. 어시스트 맵(31)의 기울기를 크게 하여, 예를 들면, 어시스트 맵(32)으로 하면, 모터(5)의 토오크 변동의 조타 토오크에의 영향은 작아지고, 상기한 바와 동일한 △TM에 대한 조타 토오크의 변동은, △TH2가 된다.

△TM은, 모터(5)의 특성으로부터, 미리 예정할 수 있는 것이고, 이 토오크 변동폭과 허용하는 조타 토오크의 변동폭의 2개의 사양이 정해지면, 상술한 방법으로, TM_TGT와 TH_CMP의 관계를 정할 수 있다.

△TM은, 일반적으로 모터 토오크가 커짐에 따라 커지기 때문에, 이 △TM에 의해 조타 토오크(TH)에 나타나는 영향을 상기한 바와 같이 운전자에의 영향이 문제가 되지 않을 정도로 억제하기 때문에, TM_TGT와 TH-CMP의 관계는, TH_CMP가 클수록 기울기가 커지고, 또한, 그 영향을 TH-CMP의 크기에 관계없이 거의 일정하게 되도록 설정하는 데는, 도 3의 어시스트 맵(31, 32)과 같이 곡선이 된다.

또한, 이 때, 토오크 센서(4)의 히스테리시스가 무시할 수 없는 경우는, △TH1, △TH2에 대해, 토오크 센서(4)의 스티어링 축(2) 환산의 히스테리시스가 가산되게 된다. 따라서, 히스테리시스가 작은 토오크 센서를 이용함에 의해, 히스테리 시스의 영향을 작게 할 수 있음과 동시에, 어시스트 맵을 정할 때에는, 히스테리시스를 고려함에 의해, 히스테리시스가 있어도, 운전자에게 주는 영향을 충분히 작게 억제할 수 있다.

즉, 토오크 변동(△TM)을 토오크 센서(4)에서 검출할 수 있다면, 이 토오크 변동(△TH)을 포함한 조타 토오크에 따라 모터를 구동하는 것이 가능하고, 토오크 변동(△TM)을 검출하고 제어하기 위해서는, 토오크 센서(4)의 히스테리시스를 토오크 변동(△TH) 이하로 설정할 필요가 있고, 이와 같이 설정함에 의해, 모터의 토오크 변동(△TH)이 운전자에게 주는 영향을 보다 작게 억제할 수 있다는 것이다.

구체예를 들어서 어시스트 맵의 결정 방법을 설명한다. 여기서는, 모터의 토오크 변동(△TM)에 의한 조타 토오크의 변동을, 경험적으로 운전자에게 주는 영향이 충분히 작은 0.5Nm까지 허용하는 것으로 하고, 히스테리시스 폭 0.3Nm의 센서를 이용하는 것으로 한다. 조타 토오크의 변동이 0.5Nm일 때, 상술한 토오크 센서의 출력 변동(△TH)은,

△TH=0.5-0.3=0.2(Nm) … (3)

가 된다. 어시스트 맵의 동작점에서, 모터(5)의 스티어링 축(2) 환산의 출력 토오크 변동이 1Nm인 경우, 어시스트 맵의 기울기를,

△TM/△TH=1/0.2=5 … (4)

(△TM/△TH : 어시스트 맵 기울기)

라고 하면, 조타 토오크의 변동은 허용 범위 내가 되고, 모터의 토오크 변동이나 외란에 대해, 운전자에게 주는 영향을 충분히 작게 억제할 수 있다. 이와 같이, 모 터 목표 토오크 연산 수단(21)의 특성을 정할 수 있다.

여기서, 모터(5)는 DC 모터이고, 출력 토오크는 모터 전류에 비례한다. 그래서, 모터 인가 전압 연산 수단(23)에서, 모터 목표 토오크(TM_TGT)에 상당하는 모터 전류를 통전하기 위해 모터 전류를 오픈 루프 제어한다. 이 때, 모터(5)의 역기전력을, 모터 회전 속도 검출 수단(22)에서 검출된 모터 회전 속도에 의거하여 계산하고, 종래 기술과 마찬가지로, 모터 목표 토오크와 모터 역기전력으로부터, 모터 인가 전압(VM)을 연산하고, 모터(5)를 구동한다.

여기서, 파워 스티어링이 정적인 어시스트력에 관해서는, 역기전력이 0V인 때의 모터 전류가 중요하고, 그것은 주로 인가 전압과 전기자(電機子) 저항으로 정해진다. 그러나, 상술한 전류 제어에서는, 모터 전류는, 전기자 저항의 편차나 온도 특성의 영향을 받고, 결과로서 모터 출력 토오크가 변화한다. 그러나, 이와 같은 모터 출력 토오크의 변화를 미리 예정하고, 본 실시 형태의 모터 목표 토오크 연산 수단과 같이 어시스트 맵을 정하여 두면, 조타 토오크에의 영향을 소정치 이하로 억제할 수 있다. 물론, 인가 전압(VM)에의 외란에 의해 예상되는 모터 전류의 변동도 또한 가미하여 어시스트 맵을 정하여도 좋다.

이상과 같이, 본 실시 형태에 있어서의 전동 파워 스티어링 제어 장치는, 모터 전류를 검출하여 피드백 제어하지 않는 경우에도, 모터 토오크의 변동의 조타 토오크에의 영향을 억제할 수 있는 것이다. 또한, 이에 의해 전류 센서를 마련하지 않아도 좋기 때문에, 이것을 마련하지 않는 경우에는, 전류 검출용의 저항이나 그 인터페이스 회로만큼, 회로 규모를 작게 할 수 있고, 또한, 발열을 억제할 수 있기 때문에, 제어 장치에 마련된 히트 싱크를 대형화할 필요가 없고, 제어 장치를 소형화, 비용 저감을 실현할 수 있고, 또한, 전류 검출용 저항에 의한 전력 손실이 생기지 않기 때문에, 모터의 고효율화를 실현할 수 있다는 효과도 이루는 것이다.

또한, 본 발명에서의 어시스트 맵의 설정은, 전류 센서를 구비하고, 모터 전류를 피드백 제어하는 경우에 적용하여도, 모터의 토오크 변동이나 외란에 의한 조타 토오크의 변동을 억제하는 효과를 이룸은 말할 필요도 없다.

또한, 본 실시 형태에서는 어시스트 맵을 곡선으로 하였지만, 예정된 최대의 토오크 변동(△TM)에 대해 어시스트 맵의 기울기를 정하고, 직선으로 하여도 좋다.

실시의 형태 2.

상기 실시 형태 1에서는, 모터의 역기전력을 구하기 위해, 모터 회전 속도 검출 수단(22)을 구비하고 있지만, 브러시레스 모터 등, 모터가 로터의 각도 센서를 구비하는 경우에는, 로터의 각도의 미분치를 이용하여 전류 제어하여도 좋다. 또한, 조타 각도 센서를 구비하는 경우에는, 그 미분치를 이용하여도 거의 등가이다. 이 경우, 모터 회전 속도 검출 수단(22)이 불필요하게 된다.

근래, 전동 파워 스티어링의 적용이 확대되고 있는 차량 중량이 큰 자동차에는, 차량 거동의 제어를 위한 조타 각도 센서가 표준적으로 구비되는 것이 많다. 또한, 차량 중량이 큰 자동차용의 전동 파워 스티어링에 필요한 고출력의 모터로서, 브러시 모터보다도 더 적절한 브러시레스 모터에는, 모터의 로터 각도 센서가 구비된 것이 많다. 이와 같은 경우에, 본 실시 형태와 같이, 모터 전류나 모터 회전 속도의 검출 수단을 마련하지 않고, 조타 각도 내지 로터 각도 신호로 제어하 면, 모터 회전 속도 검출 수단을 생략할 수 있음에 의해 장치의 비용 저감을 실현할 수 있다.

실시의 형태 3.

상기 실시 형태 1에서는, 모터 전류를 오픈 루프 제어하고 있지만, 특허 문헌 3과 같이, 모터 전류 추정 수단에 의해 모터 전류를 추정하고, 피드백 제어하여도 좋다. 이 경우에 있어서도, 모터 전류를 검출하는 경우에 비하면, 모터 전류는 변동하기 쉬운 경향에 있기 때문에, 본 장치는 유효하게 작용한 것이고, 이 경우도, 상기 실시 형태 1과 마찬가지로, 모터 토오크 변동의 조타 토오크에의 영향을 억제할 수 있다는 효과를 이룰 뿐만 아니라, 전류 검출용의 저항이나 그 인터페이스 회로만큼, 회로 규모를 작게 할 수 있고, 또한, 발열을 억제할 수 있기 때문에, 제어 장치에 마련된 히트 싱크를 대형화할 필요가 없고, 제어 장치를 소형화, 비용 저감을 실현할 수 있고, 또한, 전류 검출용 저항에 의한 전력 손실이 생기지 않기 때문에, 모터의 고효율화를 실현할 수 있다는 효과도 이루는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 전동 파워 스티어링 제어 장치를 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 의한 전동 파워 스티어링 제어 장치의 제어를 설명하는 블록도.

도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 전동 파워 스티어링 제어 장치의 조타 토오크와 모터 토오크의 관계를 설명하는 도면.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 : 핸들

2 : 스티어링 축

3 : 전륜

4 : 토오크 센서

5 : 모터

6 : 기어

7 : 컨트롤러

8 : 배터리

21 : 모터 목표 토오크 연산 수단

22 : 모터 회전 속도 검출 수단

23 : 모터 인가 전압 연산 수단

Claims (6)

1. 스티어링계의 조타 토오크를 검출하는 토오크 센서와,

   조타 토오크를 보조하는 토오크를 발생하는 모터를 구비한 전동 파워 스티어링에 있어서,

   상기 토오크 센서로부터의 조타 토오크 신호와 모터 목표 토오크의 관계를 규정하는 어시스트 맵에 따라, 상기 모터의 토오크를 연산하는 모터 목표 토오크 연산 수단과,

   상기 모터 목표 토오크 연산 수단으로부터의 모터 목표 토오크 신호에 대응하고, 상기 모터에 인가하는 전압을 연산하는 모터 인가 전압 연산 수단을 구비하고,

   상기 토오크 센서의 히스테리시스 폭은 상기 모터의 최대의 토오크 변동 폭 이하이며,

   상기 어시스트 맵의 기울기인 상기 토오크 센서에 의해 검출된 조타 토오크의 변동폭과 상기 모터의 출력 토오크의 변동폭의 비율을 제 1의 소정치 이상으로 함으로서,

   상기 모터의 토오크 변동이 운전자에게 주는 영향이 제 2의 소정치 이하로 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 제어 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2의 소정치는, 상기 스티어링 축 토오크 환산으로 0.5Nm 이하가 되도록 설정되며,

   상기 토오크 센서의 히스테리시스 폭을 0.3Nm으로 하면, 상기 어시스트 맵의 동작점에 있어서 상기 모터의 출력 토오크의 변동폭이 스티어링 축 토오크 환산으로 1Nm의 경우, 상기 제 1의 소정치를 5로 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 제어 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 모터 인가 전압 연산 수단은, 상기 모터 목표 토오크에 상당하는 모터 전류를 상기 DC 모터에 통전되어지는 모터 전류를 오픈 루프 제어하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 제어 장치.
6. 삭제

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