KR101168519B1 - 전동식 파워 스티어링 제어 장치 - Google Patents

Abstract

전류를 검출하지 않고 댐핑 제어를 행할 수 있도록 하고, 목표 전류와 실제의 전류치가 다른 경우도 안정되게 댐핑 제어를 행할 수 있도록 한다. 조타 토크를 검출하는 조타 토크 검출 수단과, 보조 토크 전류를 연산하는 토크 제어기와, 조타 토크를 보조하는 토크를 발생하는 모터와, 모터의 회전 속도를 추정하는 회전 속도 추정 수단과, 모터 회전 속도의 추정치를 이용하여 댐핑 전류를 연산하는 댐핑 제어기를 구비한 전동식 파워 스티어링 제어 장치로서, 회전 속도 추정 수단은, 조타 토크 검출 수단의 출력으로부터 조타에 의한 성분을 제거하는 조타 토크용 조타 성분 제거 수단과, 조타 토크용 조타 성분 제거 수단의 출력에 토션 바의 강성의 역수와 -1을 승산하여 회전 각도 상당치를 연산하는 회전 각도 상당치 연산 수단과, 회전 각도 상당치 연산 수단의 출력을 미분 연산하여 회전 각속도 상당치를 연산하는 회전 각도 미분기를 구비한다.

Description

전동식 파워 스티어링 제어 장치{MOTOR-DRIVEN POWER STEERING CONTROL DEVICE}

본 발명은 모터에 의해 조타력을 보조하는 전동식 파워 스티어링 제어 장치에 관한 것이다.

종래의 전동식 파워 스티어링 제어 장치는, 운전자에 의한 조타 토크를 검출하는 조타 토크 검출 수단과, 상기 검출된 조타 토크 신호에 근거하여 상기 조타 토크를 보조하는 보조 토크 전류를 연산하는 토크 제어기와, 상기 조타 토크를 보조하는 토크를 발생하는 모터와, 상기 모터의 회전 속도를 추정하는 회전 속도 추정 수단과, 상기 추정된 모터 회전 속도의 추정치를 이용하여, 상기 보조 토크 전류에 가산되는 댐핑 전류를 연산하는 댐핑 제어기와, 모터 회전각 검출 수단과 모터 전류 검출 수단을 구비하고 있었다. 이 회전 속도 검출 수단은, 모터 회전각의 검출치 및 모터 전류 검출 수단으로부터 조타에 의한 성분을 제거하는 조타 성분 제거 수단과, 모터의 관성 모멘트를 관성항, 토크 센서의 강성을 용수철항으로 하는 진동 방정식에 대하여 구성되고, 상기 조타 성분 제거 수단으로부터 출력되는 모터 회전각과 모터 전류에 근거하여 모터 회전 속도의 추정치를 연산하는 회전 속도 옵저버로 되어 있었다(예컨대 특허문헌 1).

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2000-168600호 공보(10페이지, 도 12)

전동식 파워 스티어링 제어 장치는, 모터에 흐르는 목표 전류 신호를 연산하고, 또한 목표 전류 신호와 실제의 전류치가 일치하도록 전류 제어가 이루어진다. 전류 제어는, 예컨대 특허문헌 1에 나타낸 바와 같이, 모터 전류 검출기에 의해 검출된 검출 전류 신호를 목표 전류 신호에 대하여 피드백하는 구성과, 비특허문헌 1에 나타낸 바와 같이 목표 토크로부터 코일 임피던스 특성에 근거하여 연산되는 유기 전압이 없는 경우의 제어량에 모터 회전수 검출기에 의해 유기 전압을 피드포워드 보정하는 방법이 있다(시미즈 외, 「전동 파워 스티어링」 일본 자동차 기술회 학술강연회 간행물 911 911102, 일본 자동차기술회, 1991년 5월 발행 참조. 이하, 비특허문헌 1이라고 부른다).

상기의 특허문헌 1에 나타내는 종래의 전동식 파워 스티어링 제어 장치에 있어서는, 모터 전류 검출기에 의해 검출된 검출 전류 신호를 이용하고 있었기 때문에, 상기의 비특허문헌 1에 나타내는 모터 전류 검출기를 이용하지 않는 전류 제어를 행하는 경우에 모터 회전 속도를 추정할 수 없었다.

또한, 상기 특허문헌 1에는, 검출 전류 신호 대신에 목표 전류 신호를 이용하는 구성예도 도시되어 있지만, 이 경우에는, 코일 임피던스 특성의 온도 특성 등에 의해 코일 목표 전류 신호와 실제 전류에 차이가 발생한 경우에 정확한 모터 회전 속도의 추정을 행할 수 없는 등의 과제가 있었다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 모터 전류 검출기를 이용하지 않고도 정확한 모터 회전 속도를 추정하여 댐핑 제어를 행할 수 있는 전동식 파워 스티어링 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 제어 장치는,

운전자에 의한 조타 토크를 토션 바의 상대각으로부터 검출하는 조타 토크 검출 수단과,

상기 조타 토크 검출 수단에 의해 검출된 조타 토크 신호에 근거하여, 상기 조타 토크를 보조하는 보조 토크 전류를 연산하는 토크 제어기와,

상기 조타 토크를 보조하는 토크를 발생하는 모터와,

상기 모터의 회전 속도를 추정하는 회전 속도 추정 수단과,

상기 추정된 모터 회전 속도의 추정치를 이용하여, 상기 보조 토크 전류에 가산되는 댐핑 전류를 연산하는 댐핑 제어기

를 구비한 전동식 파워 스티어링 제어 장치로서,

상기 회전 속도 추정 수단은,

상기 조타 토크 검출 수단의 출력으로부터 조타에 의한 성분을 제거하는 조타 토크용 조타 성분 제거 수단과,

상기 조타 토크용 조타 성분 제거 수단의 출력에 토션 바의 강성의 역수와 -1을 승산하여 회전 각도 상당치를 연산하는 회전 각도 상당치 연산 수단과,

상기 회전 각도 상당치 연산 수단의 출력을 미분 연산하여 회전 각속도 상당치를 연산하는 회전 각도 미분기를 구비한 것이다.

본 발명에 의하면, 모터 전류 검출기를 이용하지 않고도 정확한 모터 회전 속도를 추정하여 댐핑 제어를 행할 수 있는 전동식 파워 스티어링 제어 장치를 얻을 수 있다는, 종래에 없는 현저한 효과를 나타내는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전동식 파워 스티어링 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 실시예 1의 알고리즘을 나타내는 흐름도,
도 3은 위상 보상기의 특성을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 근거하여 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전동식 파워 스티어링 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에서, 참조부호 1은 운전자가 조타한 경우의 조타 토크를 검출하는 토크 센서, 참조부호 2는 상기 토크 센서(1)의 출력 신호를 위상 보상하여 그 주파수 특성을 개선하는 위상 보상기, 참조부호 3은 위상 보상된 토크 센서(1)의 출력에 근거하여 상기 조타 토크를 보조하는 보조 토크 전류를 연산하는 토크 제어기, 참조부호 4는 토크 센서(1)의 출력으로부터 조타 주파수 성분을 제거하는 조타 성분 제거 수단인 토크 하이패스 필터(이하, 토크 HPF라고 함), 참조부호 5는 토크 HPF 출력으로부터 모터 회전 속도를 연산하는 회전 속도 연산기, 참조부호 6은 상기 회전 속도 연산기(5)의 출력에 근거하여 조타의 감쇠 특성을 제어하기 위한 댐핑 전류를 연산하는 댐핑 제어기, 참조부호 7은 토크 제어기(3)에서 연산된 보조 토크 전류, 댐핑 제어기(6)에서 연산된 댐핑 전류를 가산하여 목표 전류를 연산하는 가산기이다. 참조부호 8은 전류 제어기이며, 어시스트 토크를 발생시키도록, 모터(9)에 통전되는 전류가 상기 목표 전류에 일치하도록, 예컨대 목표 전류에 코일 임피던스의 반대 특성을 통해서 유기 전압 보상을 하는 연산을 행하는 것에 의해 모터(8)의 단자에 인가하는 구동 전압 지령치를 설정하여, 예컨대 PWM 신호로서 출력한다.

다음으로 상기 구성의 전동식 파워 스티어링 제어 장치의 동작에 대하여, 도 2의 흐름도에 근거하여 설명한다.

단계 S101에서, 위상 보상기(2)에서 위상 보상된 토크 센서(1)의 출력을 마이크로컴퓨터에서 읽어들여 메모리에 기억하고, 단계 S102에서, 유기 전압 연산치를 읽어들여 메모리에 기억한다. 유기 전압 연산은, 예컨대 리졸버(resolver) 등의 모터 회전각 센서 출력을 미분기와 로우패스 필터 등으로 구성되는 저주파 미분기로 미분하여 얻어지는 저주파의 모터 각속도 신호에 유기 전압 정수를 곱하는 것에 의해 얻어진다. 다음으로 단계 S103에서, 토크 제어기(3)에 의해, 상기 메모리에 기억된 위상 보상후의 토크 센서 출력을 읽어들이고, 보조 토크 전류를 맵 연산하여 메모리에 기억한다.

단계 S104에서는, 토크 HPF(4)에서, 상기 메모리에 기억된 위상 보상후의 토크 센서 출력을 읽어들여 하이패스 필터의 연산을 행하여 토크 HPF 출력으로서 메모리에 기억하고, 단계 S105에서는, 회전 속도 연산기(5)에서 토크 HPF 출력에 토크 센서를 구성하는 토션 바의 강성의 역수를 곱하고, 또한 -1을 곱해 모터 회전 속도 연산을 행한다. 단계 S106에서, 댐핑 제어기(6)에 의해, 상기 메모리에 기억된 회전 속도 연산기 출력을 읽어들이고, 제어 게인을 곱해 댐핑 전류를 연산하고 메모리에 기억한다. 단계 S107에서는, 가산기(7)에서, 상기 메모리에 기억된 보조 토크 전류와 댐핑 전류를 가산하고, 목표 전류로서 메모리에 기억한다. 단계 S108에서는, 전류 제어기(8)에 있어서, 목표 전류와 유기 전압 연산치로부터 전류 제어 연산을 행하여 PWM 신호로서 출력하여 모터(9)를 구동한다. 상기 단계 S101로부터 S108까지의 동작을, 제어 샘플링마다 반복한다. 한편, 상기 단계 S103에서 사용한 토크 센서 출력과 보조 토크 전류의 관계를 나타내는 맵이나, 상기 단계 S107에서 사용한 댐핑 전류를 연산하기 위한 제어 게인 등의 목표 전류의 연산을 행할 때에 필요한 맵이나 비례 계수 등의 정수는 미리 ROM에 설정해 두는 것으로 한다.

여기서, 상기 조타 성분 제거 수단인 토크 HPF(4)에 대하여 설명한다.

토크 센서에서는 다음 식(1)과 같이 토션 바의 상측인 핸들각을 θh, 하측인 모터 회전각을 θc로 했을 때의 상대각에 토션 바의 강성 Ks를 곱해 토크 신호 Ts를 검출한다.

이 때, 핸들각 θh는 운전자에 의한 조타에 의해 정해진다. 또한 모터 회전각은 모터의 응답 주파수에 이르는 고주파까지 응답한다. 모터가 고주파로 진동하고 있는 경우에도 핸들의 관성에 의해 핸들각 θh는 모터 회전각 θc에 비하여 충분히 작게 되는 것이 알려져 있다.

일반적으로 운전자가 조타 가능한 주파수는 3Hz 정도 이하이다. 또한, 예컨대 레인 체인지 시의 조타 주파수는, 0.2Hz 부근이며, 보통은 이러한 저주파의 조타를 행하는 케이스가 많다. 이것에 대하여, 스티어링 발진을 발생시키기 쉬운 주파수 대역은 30Hz 이상이며, 조타 주파수와의 주파수 분리가 가능하다.

따라서, 스티어링 발진을 발생시키는 주파수 영역에서는 핸들각 θh는 0이라고 간주할 수 있다. 따라서 토크 신호 Ts는,

로 되고, 스티어링 발진을 발생시키는 주파수 영역에서는 모터 회전각 θc을 다음 식 (3)과 같이, 토크 신호 Ts에 토션 바의 강성 Ks의 역수와 -1을 곱하는 것에 의해 얻을 수 있다.

따라서, 위상 보상기(2)에서 위상 보상된 토크 센서(1)의 출력을 주파수 분리하고, 조타 주파수 성분을 제거하는 주파수 분리기로 구성함으로써 조타 성분을 제거한 모터 회전각을 얻을 수 있다.

일반적으로 저주파 성분을 제거하고자 하는 경우에는, 주파수 분리기로서 다음 식 (4)의 전달 함수로 표현되는 하이패스 필터가 사용된다.

여기서 T₃은, 하이패스 필터의 타점 주파수 f₃에 대응하는 주기(T₃=1/(2πf₃)), 즉, 하이패스 필터의 시정수를 나타낸다.

이 때, 하이패스 필터의 타점 주파수 f₃을 낮게 설정하면 조타에 의한 성분이 남기 쉽게 되고, 높게 설정하면, 하이패스 필터를 통해서 얻어진 토크 신호의 스티어링 발진 주파수 성분의 위상 어긋남이 커지기 때문에, 보통 행해지는 조타 주파수로부터 스티어링 발진을 발생시키는 주파수의 범위내의 어느 하나의 주파수에 하이패스 필터의 타점 주파수 f₃을 설정해두면, 토크 신호의 스티어링 발진의 주파수 성분을 남겨 조타 주파수 성분을 제거하는 것이 가능하다.

그래서, 본 실시예 1에서는, 토크 HPF(4)로서, 일반적인 운전자가 조타 가능한 최대 주파수를 겨냥하여, 타점 주파수 f₃이 0.2~30Hz의 범위로 설정한 하이패스 필터를 이용하여, 조타 성분을 제거한 모터 회전각을 얻도록 하고 있다.

여기서 얻어진 조타 성분을 제거한 모터 회전각을 미분 연산하는 것에 의해 모터의 회전 속도가 얻어진다.

위상 보상기(2)는 전달 함수로 나타내면 다음 식 (5)와 같이 되고, 주파수 f_a1=1/(2πT_a1)로부터 f_a2=1/(2πT_a2)의 범위를 중심으로 위상을 진행시키고 있다.

여기서, f_a1은 위상 보상기(2)의 게인의 상승 개시부의 주파수를 나타내고, f_a2는 게인의 상승 종료부의 주파수를 나타낸다(도 3 참조).

이 영향을 제거하기 위해, 토크 HPF(4)의 전단에 이 영향을 제거하는 반대 위상 보상기를 전치하여 사용하더라도 좋다.

또한, 하이패스 필터의 시정수 T₃을 T_a1과 일치시키는 것에 의해 전체 전달 함수가

로 되고 미분기에 로우패스 필터를 곱한 특성으로 된다.

일반적으로 f_a2는 100Hz 이상으로 설정되는 일이 많기 때문에, 스티어링 발진 주파수보다도 충분히 높은 경우에는, A/D에 의해 분해능이 저하된 토크 신호를 미분 연산하지 않고 모터의 회전 속도를 얻는 것이 가능하다. 저주파 성분을 더 감소시키고자 하는 경우는, 다른 일단에 하이패스 필터를 부가하더라도 좋다.

이와 같이, 본 실시예 1에 있어서는, 상기 조타 주파수 성분을 제거한 토크 신호로부터 연산한 회전 속도에 근거하여 댐핑 전류를 연산하는 구성으로 했기 때문에, 토크 센서 출력과 보조 토크 전류의 관계를 나타내는 맵의 기울기인 토크 비례 게인을 크게 하더라도 제어계의 발진을 방지할 수 있다.

따라서, 댐핑 제어기(6)의 댐핑 제어 게인을 크게 하여 댐핑을 강하게 할 수 있기 때문에, 핸들의 진동을 운전자가 느끼지 않고, 조타 토크를 저감할 수 있다.

1 : 토크 센서 2 : 위상 보상기
3 : 토크 제어기 4 : 토크 HPF
5 : 회전 속도 연산기 6 : 댐핑 제어기
7 : 가산기 8 : 전류 제어기
9 : 모터 10 : 유기 전압 회전 속도 연산기
11 : 회전 속도 HPF

Claims (3)

1. 운전자에 의한 조타 토크(steering torque)를 토션 바(torsion bar)의 상대각으로부터 검출하는 조타 토크 검출 수단과,
   상기 조타 토크 검출 수단에 의해서 검출된 조타 토크 신호에 근거하여, 상기 조타 토크를 보조하는 보조 토크 전류를 연산하는 토크 제어기와,
   상기 조타 토크를 보조하는 토크를 발생하는 모터와,
   상기 모터의 회전 속도를 추정하는 회전 속도 추정 수단과,
   상기 추정된 모터 회전 속도의 추정치를 이용하여, 상기 보조 토크 전류에 가산되는 댐핑 전류를 연산하는 댐핑 제어기
   를 구비한 전동식 파워 스티어링 제어 장치로서,
   상기 회전 속도 추정 수단은,
   상기 조타 토크 검출 수단의 출력으로부터 조타에 의한 성분을 제거하는 조타 토크용 조타 성분 제거 수단과,
   상기 조타 토크용 조타 성분 제거 수단의 출력에 토션 바의 강성의 역수와 -1을 승산하여 회전 각도 상당치를 연산하는 회전 각도 상당치 연산 수단과,
   상기 회전 각도 상당치 연산 수단의 출력을 미분 연산하여 회전 각속도 상당치를 연산하는 회전 각도 미분기
   를 구비한 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   조타 토크 검출 수단의 주파수 특성을 개선하는 위상 선행 보상기(a phase-advance compensator)를 더 구비하고,
   토크 제어기는 위상 선행 보상후의 조타 토크 검출 수단의 출력에 근거하여 상기 조타 토크를 보조하는 보조 토크 전류를 연산하고,
   조타 토크용 조타 성분 제거 수단은 위상 선행 보상후의 조타 토크 검출 수단의 출력으로부터 조타에 의한 성분을 제거하는 것이며, 위상 선행 보상기의 전달 함수의 분자의 값과 조타 토크용 조타 성분 제거 수단의 전달 함수의 분모의 값이 동일하게 되도록 설정하고,
   상기 회전 속도 추정 수단은, 상기 조타 토크용 조타 성분 제거 수단의 출력에 상기 토션 바의 강성의 역수와 -1을 승산하여 회전 각속도 상당치를 연산하는
   것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   조타 토크용 조타 성분 제거 수단은 2단의 하이패스 필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어 장치.

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