KR20100095637A

KR20100095637A - 조타 제어 장치

Info

Publication number: KR20100095637A
Application number: KR1020107016329A
Authority: KR
Inventors: 마사야 엔도; 마사히코 구리시게; 이사오 게조보
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2010-08-31
Also published as: WO2009096008A1; EP2246238A1; KR101282510B1; JPWO2009096008A1; CN101932489A; EP2246238A4; EP2246238B1; CN101932489B; US20100286870A1; US8437915B2; JP5235906B2

Abstract

코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 정밀하게 추출하여, 맥동을 저감하는 것을 목적으로 한다. 시정수를 가변으로 한 밴드패스 필터를 이용하여 맥동 성분을 추출하고, 그 시정수를, 추출 대상으로 하는 코깅 토크나 토크 리플의 주파수에 따라 설정한다. 또한, 모터의 회전 각도에 관한 기준 각도를 코깅 토크나 토크 리플의 발생 조파 차수에 따라 미리 설정해두고, 상기의 밴드패스 필터의 시정수를, 상기 기준 각도를 모터가 회전하는 데 필요한 시간으로부터 설정한다.

Description

조타 제어 장치{STEERING CONTROLLER}

본 발명은 조타 제어 장치에 관한 것으로, 특히, 전동 모터의 코깅 토크(cogging torque)나 토크 리플에 의한 맥동 성분(pulsating components)을 추출하여 저감하기 위한 조타 제어 장치에 관한 것이다.

자동차의 조타 제어 장치로서, 전동 파워 스티어링 장치가 사용되고 있다. 전동 파워 스티어링 장치는, 전동 모터의 전류를 제어하고, 전류에 따라 발생하는 전동 모터 토크를 스티어링 축으로 전달시켜, 운전자의 조타 토크를 경감한다.

일반적으로, 전동 모터가 발생하는 토크에는 코깅 토크나 토크 리플이 포함된다. 코깅 토크나 토크 리플은 외란 토크로서 작용하여, 조타 토크가 맥동하기 때문에, 조타감이 저하되는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해, 모터의 코깅 토크나 토크 리플을 저감하도록 비싼 모터를 이용하여 왔다.

종래의 자동차의 조타 제어 장치에서는, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 추출하고, 조타 토크의 맥동을 저감하도록, 전동 모터에 의한 보상 제어를 행하고 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

또한, 다른 종래의 자동차의 조타 제어 장치로서, 시정수 가변 필터를 이용한 전동 파워 스티어링 장치가 있다. 이 전동 파워 스티어링 장치에 있어서는, 시정수를 스티어링 휠의 각속도로 가변으로 한 로우패스 필터로 노이즈를 제거하고 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2005-67359호 공보(도 1)

[특허문헌 2] 일본 특허 제3884236호 공보(도 3)

코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크 맥동이나 모터 회전 각도의 맥동을 저감하도록, 전동 모터에 의한 보상 제어를 행하는 경우, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 될 수 있는 한 정확히 파악하고, 그 맥동 성분을 저감하는 보상 전류를 연산하는 것이 필요하다.

단, 조타 제어 장치에서는, 운전자는 스티어링 휠을 자유롭게 조타하기 때문에, 모터 회전 각속도는 임의의 속도로 된다. 코깅 토크나 토크 리플은, 모터 회전 각도에 의존하여 발생하는 토크 맥동이기 때문에, 코깅 토크나 토크 리플에 의해서 발생하는 조타 토크 등의 맥동의 주파수는 모터 회전 각속도에 따라 변화된다. 그 때문에, 시정수가 고정인 필터로 코깅 토크나 토크 리플을 추출하고자 하면, 필터의 통과 대역 주파수를 넓게 설정해야 하고, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분 이외의 성분, 예컨대 운전자의 조타 성분, 또는, 맥동 성분보다 고주파 대역의 노이즈 성분 등을 충분히 제거할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.

그리고, 운전자의 조타 성분이나 노이즈 성분 등이 충분히 제거되어 있지 않은 추출 맥동 성분으로 보상 제어를 설정하면, 운전자의 조타감이 변화되는 경우가 있다. 그 때문에, 운전자가 스티어링 휠을 조타중에, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 정밀하게 추출하는 것이 맥동을 저감하는 보상 제어를 실시하는 데에 있어서 큰 과제였다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 운전자가 스티어링 휠을 조타중에 얻어지는 센서 정보 중에서, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 정밀하게 추출하고, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크 등의 맥동을 저감하는 것이 가능한 조타 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 운전자에 의한 조타 토크를 검출하는 토크 검출부와, 상기 조타 토크를 보조하기 위한 어시스트 토크를 발생시키는 모터와, 상기 검출된 조타 토크에 근거하여, 상기 어시스트 토크를 발생시키는 데 필요한 상기 모터의 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 연산하는 전동 파워 어시스트 제어부와, 상기 모터의 회전 각도를 검출하는 각도 검출부와, 상기 전동 파워 어시스트용 목표 전류와 일치하도록, 상기 모터의 전류를 제어하는 전류 제어부와, 가변의 시정수를 갖는 시정수 가변 필터와, 상기 각도 검출부에서 검출하는 상기 모터의 회전 각도를 이용하여, 상기 모터가 발생하는 코깅 토크 또는 토크 리플의 주파수에 대응하는 시정수를 연산하고, 상기 시정수를 상기 시정수 가변 필터에 설정하는 시정수 연산부와, 상기 조타 토크나 상기 모터의 회전 각도 등의 상태량을 상기 시정수 가변 필터에 의해 필터 처리하는 필터 처리 연산부를 구비한 조타 제어 장치다.

본 발명은, 운전자에 의한 조타 토크를 검출하는 토크 검출부와, 상기 조타 토크를 보조하기 위한 어시스트 토크를 발생시키는 모터와, 상기 검출된 조타 토크에 근거하여, 상기 어시스트 토크를 발생시키는 데 필요한 상기 모터의 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 연산하는 전동 파워 어시스트 제어부와, 상기 모터의 회전 각도를 검출하는 각도 검출부와, 상기 전동 파워 어시스트용 목표 전류와 일치하도록, 상기 모터의 전류를 제어하는 전류 제어부와, 가변의 시정수를 갖는 시정수 가변 필터와, 상기 각도 검출부에서 검출하는 상기 모터의 회전 각도를 이용하여, 상기 모터가 발생하는 코깅 토크 또는 토크 리플의 주파수에 대응하는 시정수를 연산하고, 상기 시정수를 상기 시정수 가변 필터에 설정하는 시정수 연산부와, 상기 조타 토크나 상기 모터의 회전 각도 등의 상태량을 상기 시정수 가변 필터에 의해 필터 처리하는 필터 처리 연산부를 구비한 조타 제어 장치이기 때문에, 운전자가 스티어링 휠을 조타중에 얻어지는 센서 정보 중에서, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 정밀하게 추출하여, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크 등의 맥동을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 시정수 가변 필터를 구비한 조타 제어 장치를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 컨트롤러 유닛(7)의 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 전동 파워 어시스트 제어부(71)의 구성을 나타내는 블록도,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 맥동 성분 추출기(44)의 구성을 나타내는 블록도,
도 5는 맥동하는 시정수를 이용한 밴드패스 필터 처리의 결과를 나타낸 설명도,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 맥동 성분 추출기(44)의 동작을 나타내는 흐름도,
도 7은 밴드패스 필터의 주파수 응답 특성의 일례를 나타낸 설명도,
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 기준 각도의 설정에 의한 효과를 나타낸 설명도,
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 모터 회전 각도의 기준 각도 변화량과 샘플링수 카운트와의 관계를 나타낸 설명도,
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 시정수를 설정하는 수법의 효과를 나타낸 설명도,
도 11은 본 발명의 실시예 1에 따른 맥동 성분 추출의 효과를 나타낸 설명도,
도 12는 본 발명의 실시예 1에 따른 추출 맥동 성분이 복수 존재하는 경우의 기준 각도의 설정을 나타낸 설명도이다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 시정수 가변 필터를 구비한 조타 제어 장치를 나타내는 사시도이다. 운전자가 조작하는 스티어링 휠(1)에 스티어링 축(2)이 연결되어 있다. 스티어링 축(2)의 회전에 따라 좌우의 전타 휠(steered wheel)(8)이 전타된다. 스티어링 축(2)에는, 토크 센서(3)가 배치되고, 스티어링 축(2)에 작용하는 운전자의 조작에 의해 발생하는 조타 토크를 검출한다. 모터(4)는 3상 모터로 구성되어 있다. 모터(4)는 감속 기구(5)를 통해 스티어링 축(2)에 연결되어 있고, 모터(4)가 발생하는 어시스트 토크는 스티어링 축(2)에 부여되어 조타 토크를 보조한다. 모터(4)에는 모터 회전 각도를 검출하는 각도 센서(6)가 배치되어 있다. 차량의 차속은 차속 센서(vehicle-speed sensor)(11)(도 2에 기재)에서 검출한다. 또한, 모터(4)에 흐르는 전류는 전류 센서(19)(도 2에 기재)에서 검출한다. 컨트롤러 유닛(7)은 전동 파워 어시스트 제어부(71)와 전류 제어부(72)를 구비하고 있다. 전동 파워 어시스트 제어부(71)는, 토크 센서(3)에서 검출한 조타 토크와 차속 센서(11)에서 검출한 차속으로부터, 운전자의 스티어링 조타를 어시스트하는 전동 파워 어시스트 제어를 실시하기 위해 필요한, 모터(4)의 목표 전류인 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 연산한다. 전동 파워 어시스트용 목표 전류는 어시스트 토크의 목표치에 상당한다. 전류 제어부(72)는, 전류 센서(19)에서 검출한 전류가 전동 파워 어시스트용 목표 전류와 일치하도록 모터(4)의 전류를 제어한다.

도 2는 컨트롤러 유닛(7)의 주요부를 나타내는 블록도이다. 컨트롤러 유닛(7)은, 상술한 전동 파워 어시스트 제어부(71)와 전류 제어부(72) 외에, 도 2에 나타낸 바와 같이, 스위칭 소자 구동 회로(21)와 인버터(22)를 구비하고 있다. 인버터(22)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 6개의 스위칭 소자(61A~63A 및 61B~63B)를 갖고 있다. 스위칭 소자(61A)와 소자(61B)가 쌍을 구성하고, 그들은 모터(4)의 3상(phase) 중의 하나의 상에 접속되어 있다. 마찬가지로, 스위칭 소자(62A)와 소자(62B)가 쌍을 구성하고, 스위칭 소자(63A)와 소자(63B)가 쌍을 구성하여, 그들은, 모터(4)의 3상중의 별도의 상에 각각 접속되어 있다. 또한, 스위칭 소자(61B~63B)에는 전류 센서(19)가 각각 마련되어 있고, 이들 전류 센서(19)는 모터의 각 상에 흐르는 전류를 검출한다.

전동 파워 어시스트 제어부(71)에는, 인터페이스(31)를 통해 차속 센서(11)에서 검출한 차속 신호가 입력됨과 동시에, 인터페이스(32)를 통해 토크 센서(3)에서 검출한 조타 토크 신호가 입력된다. 전동 파워 어시스트 제어부(71)는, 차속 신호와 조타 토크 신호에 따른 모터 토크의 방향과 크기를 결정하고, 그것에 의하여, 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 산출하여, 전류 제어부(72)에 입력한다. 또한, 인터페이스(33)는, 각도 센서(6)로부터의 모터 회전 각도 신호를 받아, 모터 회전 각도를 전동 파워 어시스트 제어부(71)와 전류 제어부(72)에 입력한다. 또한, 인터페이스(34)는 3개의 전류 센서(19)로부터 모터의 각 상의 검출 전류 신호를 받아 모터의 검출 전류를 전류 제어부(72)에 입력한다.

전류 제어부(72)는 전동 파워 어시스트용 목표 전류, 모터의 검출 전류, 및, 모터의 회전 각도에 따라 전압 지령을 산출한다. 스위칭 소자 구동 회로(21)는 이 전압 지령을 PWM 변조하여, 인버터(22)로 스위칭 조작을 지시한다. 인버터(22)는, 스위칭 조작 신호를 받아, 스위칭 소자(61A~63A 및 61B~63B)의 쵸퍼(chopper) 제어를 실현하고, 배터리(23)로부터 공급되는 전력에 의해, 모터(4)에 전류를 공급한다. 이 전류에 의해, 모터 토크, 즉 어시스트 토크가 발생한다.

한편, 상술한 인버터(22)의 구성은 3상 모터에 대응한 것이지만, 모터(4)가 브러시부착 DC 모터인 경우, H 브리지 회로를 이용하면 된다.

도 3은 전동 파워 어시스트 제어부(71)의 구성을 나타낸 블록도를 나타내고 있다. 전동 파워 어시스트 제어부(71)는 마이크로컴퓨터로 구성되어 있다. 차속 센서(11), 토크 센서(3), 각도 센서(6), 및, 전류 센서(19)의 출력은, 각 인터페이스(31~34)를 통해 결정된 샘플링 시간마다, 마이크로컴퓨터에 디지털값으로서 판독된다.

전동 파워 어시스트 제어부(71)는, 위상 보상기(35)와, 기본 어시스트 전류 연산기(36)와, 각속도(angular velocity) 연산기(37)와, 댐핑 보상 전류 연산기(38)와, 마찰 보상 전류 연산기(39)와, 각가속도 연산기(angular acceleration)(40)와, 관성 보상 전류 연산기(41)와, 옵저버(observer) 댐핑 보상 전류 연산기(42)와, 맥동 성분 추출기(44)와, 맥동 보상 전류 연산기(45)가 마련되어 있다. 한편, 도 3에서, 참조부호 43은 전동 파워 어시스트 제어부(71)가 출력하는 전동 파워 어시스트용 목표 전류다.

위상 보상기(35)에서는, 토크 센서(3)가 검출한 조타 토크가 입력되고, 상기 조타 토크에 대해 위상 보상을 행하여 주파수 특성을 개선한다. 기본 어시스트 전류 보상기(36)는, 위상 보상 후의 조타 토크와 차속에 따른 기본 어시스트 전류의 값을 맵핑값으로서 미리 기억하고 있다. 기본 어시스트 전류 보상기(36)는, 위상 보상기(35)가 출력하는 위상 보상 후의 조타 토크와, 차속 센서(11)에서 검출된 차속이 입력되면, 기억하고 있는 맵핑값을 이용하여, 위상 보상 후의 조타 토크와 차속에 따른 기본 어시스트 전류를 연산한다. 차속이 작을 때는, 위상 보상 후의 조타 토크에 관한 기본 어시스트 전류의 값을 크게 함으로써 주차시 등의 저속 주행시의 운전자의 조타 토크를 작게 하여, 조타를 용이하게 한다. 한편, 기본 어시스트 전류 보상기(36)에서 맵핑 연산에 의해 기본 어시스트 전류를 구하는 방법을 설명했지만, 게인을 곱하는 연산에 의해 구하도록 해도 좋다.

각속도 연산기(37)에서는, 각도 센서(6)에서 검출된 모터 회전 각도를 미분하여 모터 회전 각속도를 연산한다. 댐핑 보상 전류 연산기(38)에서는, 모터 회전 각속도에 제어 게인을 승산하여 댐핑 보상 전류를 연산한다. 댐핑 보상 전류는 스티어링 휠의 수렴성(convergence)을 향상시키는 효과가 있다. 한편, 댐핑 보상 전류 연산기(38)에는, 제어 게인 등의 연산에 필요한 맵핑이나 비례 계수 등의 정수는 미리 ROM에 설정해 두는 것으로 한다. 마찰 보상 전류 연산기(39)에서는, 모터 회전 각속도의 부호에 근거하여 마찰 보상 전류를 연산한다. 마찰 보상 전류는, 모터 회전 각속도의 부호에 따라 변화된다. 마찰 보상 전류는, 스티어링 기구에 존재하는 마찰을 상쇄시키기 위한 토크를 모터(4)에 발생시키기 위한 전류이며, 조타감을 향상시키는 효과가 있다. 각가속도 연산기(40)에서는, 각속도 연산기(37)에서 연산한 모터 회전 각속도를 미분하여 모터 회전 각가속도를 연산한다. 관성 보상 전류 연산기(41)에서는 모터 회전 각가속도로부터 관성 보상 전류를 연산한다. 관성 보상 전류는 모터의 관성력을 상쇄하기 때문에, 조타감이 향상된다.

옵저버 댐핑 보상 전류 연산기(42)에서는, 토크 센서(3)에서 검출한 조타 토크와 전류 센서(19)에서 검출한 모터(4)의 전류로부터, 옵저버를 이용하여 모터(4)의 진동 속도를 추정하여, 감쇠 토크를 부여하기 위한 옵저버 댐핑 보상 전류를 연산한다.

여기서, 옵저버 댐핑 보상 전류 연산기(42)에 대하여 설명한다. 스티어링의 기구는, 운전자가 스티어링 휠을 움직이는 것에 따라 입력되는 조타 토크, 모터가 발생하는 어시스트 토크 및 타이어로부터의 반력을 중심으로 하는 반력 토크의 균형으로 표현된다. 한편, 스티어링 진동은 일반적으로 30Hz 이상의 빠른 주파수에서 발생한다. 이 빠른 주파수에서는, 스티어링 휠각의 변동이나 노면 반력(road surface reaction force) 변동은 무시할 수 있을 정도로 작게 되기 때문에, 모터(4)를, 용수철 특성을 갖는 토크 센서에 의해 지지된 진동계라고 간주할 수 있다. 따라서, 이것에 상당하는 운동 방정식, 예컨대, 모터의 관성 모멘트를 관성항(inertia term), 토크 센서의 강성을 용수철항(spring term)으로 하는 진동 방정식에 근거하여, 회전 속도 옵저버를 구성하면, 코일 전류로부터 코일에서의 전압 강하를 구할 때에 필요한 미분기를 이용하지 않고, 조타 주파수를 초과하는 주파수 대역에서의 모터의 회전 속도를 추정할 수 있다.

옵저버 댐핑 보상 전류 연산기(42)에서의 연산은, 전류 센서(19)에서 검출한 모터(4)의 전류와 각도 센서(6)에서 검출된 모터 회전 각도를 이용하여 행할 수도 있지만, 본 실시예에 있어서는, 토크 센서(3)에서 검출한 조타 토크와 전류 센서(19)에서 검출한 모터(4)의 전류를 이용하여 연산을 행한다. 그 이유를 이하에 설명한다. 스티어링 발진이 발생하는 고주파 대역에서는, 운전자에 의한 스티어링 휠의 보지(保持) 및 스티어링 휠 자신의 관성의 영향에 의해, 스티어링 휠은 거의 움직이지 않는다. 따라서, 용수철 특성을 갖는 토크 센서의 뒤틀림각을 모터 회전 각도라고 간주할 수 있고, 토크 센서 출력을 토크 센서의 용수철 정수로 나누고, 조타 주파수 성분을 제거한 뒤에 부호를 반전시키는 것에 의해, 모터(4)의 회전각과 등가인 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 옵저버 댐핑 보상 전류 연산기(42)는, 모터의 관성 모멘트를 관성항, 토크 센서의 강성을 용수철항으로 하는 진동 방정식을 이용하여, 모터(4)의 회전각과 등가인 신호와 전류 센서(19)에서 검출한 모터(4)의 전류에 근거하여 회전 속도를 추정한다.

한편, 옵저버 댐핑 보상 전류 연산기(42), 기본 어시스트 전류 연산기(36), 댐핑 보상 전류 연산기(38), 마찰 보상 전류 연산기(39), 관성 보상 전류 연산기(41)는 일본 특허 제3712876호 등에 기재된 공지 기술이다.

다음으로 상술한 바와 같이 하여 구한, 기본 어시스트 전류, 댐핑 보상 전류, 마찰 보상 전류, 관성 보상 전류, 및, 옵저버 댐핑 보상 전류를, 가산기 등의 가산 수단에 의해 가산하여, 전동 파워 어시스트용 목표 전류(43)를 얻는다.

맥동 성분 추출기(44)는, 토크 센서(3)에서 검출한 조타 토크로부터, 운전자의 조타 성분이나, 맥동 성분보다 고주파 대역의 노이즈 성분 등을 제거하여, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크의 맥동 성분을 추출한다. 도 4는 맥동 성분 추출기(44)의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 맥동 성분 추출기(44)는, 시정수 연산기(51)와 밴드패스 필터(52)로 구성되어 있다.

전동 모터에서는 모터의 극수나 슬롯수, 또는, 제조 오차 등의 모터의 구조에 기인하는 코깅 토크나, 철심의 자기(磁氣) 포화 등에 기인하는 토크 리플이 전동 모터의 회전과 함께 발생한다. 여기서, 모터의 극쌍수 Pn, 모터의 전기각 θe라고 하면, 모터의 기계각 θm(모터 회전 각도에 상당)은 식 (1)로 된다.

모터 1회전당 발생하는 토크 맥동의 수를 극쌍수 Pn으로 나눈 값을 토크 리플 발생 조파 차수(torque-ripple generation harmonic order) n으로 한다. 일반적으로 전동 모터의 토크 리플 발생 조파 차수 n은 복수 존재하지만, n은 정수이며, n=1, 2, 6, 12 등의 성분이 발생한다.

발생 조파 차수 n차 성분의 토크 리플의 주파수 fn[Hz]는 식 (2-1)로 된다.

즉, 토크 리플의 주파수 fn[Hz]는 모터 회전 각속도 dθm/dt에 따라 변화한다.

따라서, 밴드패스 필터의 중심 주파수 fc를 식 (2-2)와 같이 fn과 동일해지도록 설정한다.

또한, 밴드패스 필터의 시정수 Tc는 식 (2-3)으로 설정한다.

밴드패스 필터의 시정수를 식 (2-3)으로 설정하는 시정수 가변 필터를 토크 센서(3)에서 검출한 조타 토크에 적용하면, 검출한 조타 토크로부터 운전자의 조타 성분이나, 맥동 성분보다 고주파 대역의 노이즈 성분 등을 제거하여, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크의 맥동 성분을 추출할 수 있다. 식 (2-1) 내지 식 (2-3)까지의 연산이, 도 4에 나타내는 시정수 연산기(51)에서 실시된다. 밴드패스 필터(52)에서는, 예컨대, 식 (3)에 나타내는 4차 밴드패스 필터를 이용한다. 여기서, Gbpf는 필터의 전달 함수, s는 라플라스 연산자이다. 또한, K1은 중심 주파수 fc[Hz]에서 게인이 -12dB로 되는 것에 대한 보정 게인이며, 중심 주파수 fc[Hz]에서 게인이 0dB로 되도록 K1을 설정한다.

[수학식 1]

중심 주파수 fc를 10Hz로 했을 때의 밴드패스 필터의 주파수 응답 특성을 도 7에 나타낸다. 도 7의 특성으로부터, 중심 주파수 fc(10Hz)에서는, 게인 0dB, 위상 지연 0으로 맥동 성분을 추출할 수 있고, 그 밖의 성분을 저역, 고역 모두 -40dB/decade의 경사로 제거할 수 있기 때문에, 필터 입력 신호(53)로부터 맥동 성분을 정밀하게 추출할 수 있다.

단, 코깅 토크나 토크 리플에 의해, 모터 회전 각도도 맥동하기 때문에, 모터 회전 각도를 미분하여 얻은 모터의 회전 각속도 dθm/dt에도 맥동 성분이 포함되어 버린다. 즉, 식 (2-1)로 나타낸 바와 같이, 모터 회전 각도를 미분하여 얻은 모터 회전 각속도 dθm/dt를 이용하여 토크 리플의 주파수 fn을 연산하고, 밴드패스 필터의 시정수를 변경하면, 시정수가 토크 리플 주파수에 의해 변동한다. 그리고, 시정수가 토크 리플 주파수에 의해 변동함으로써 밴드패스 필터의 출력값이 왜곡되어, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크의 맥동 성분의 추출 정밀도가 저하되어 버리는 과제가 생기는 것을 새롭게 알았다. 도 5는 맥동하는 시정수를 이용한 밴드패스 필터 처리의 결과를 나타낸 그림이다. 도 5에서, L1은 맥동 성분을 포함한 회전 각속도 dθm/dt에 의해 설정한 중심 주파수를 나타낸다. L2는 밴드패스 필터에 입력한 조타 토크이며, 조타 성분과 맥동 성분이 포함되어 있다. L3은 조타 토크 성분에 부여한 맥동 성분이다. 또한, L4는 밴드패스 필터의 출력값이다. 도 5의 L2과 L4을 비교함으로써 운전자에 의한 조타 성분을 제거하고, 조타 토크의 맥동 성분이 추출될 수 있는 것을 알 수 있다. 단, L3과 L4을 비교하면, L4은 왜곡되어 있고, 맥동 성분의 추출 정밀도가 저하하는 것을 알 수 있다.

상기의 새로운 과제를 감안하여, 맥동 성분 추출기(44)에는, 시정수의 맥동을 억제하는 대책을 더 추가했다. 이것에 의해, 시정수의 맥동에 의한 변형을 제거하여, 토크 센서(3)에서 검출한 조타 토크로부터 운전자의 조타 성분이나, 맥동 성분보다 고주파 대역의 노이즈 성분 등을 제거하고, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크의 맥동 성분을 정밀하게 추출한다. 도 6은 맥동 성분 추출기(44)의 일련의 동작을 나타내는 흐름도이다. 시정수 연산기(51)를 이용하여, 모터 회전 각도로부터 밴드패스 필터의 시정수를 연산한다. 밴드패스 필터(52)로의 입력 신호(53)는, 예컨대 조타 토크나, 모터 회전 각도 등, 맥동 성분을 추출하고자 하는 신호가 입력된다. 밴드패스 필터(52)로서는, 예컨대, 상기의 식 (3)으로 한다.

맥동 성분 추출기(44)의 일련의 동작을 도 6의 흐름도에 따라 설명한다. 도 6의 흐름도의 제어는, 예컨대 이그니션 스위치(ignition switch)가 닫혔을 때에, 초기값의 설정을 한다. 즉, Δθm=0, cnt=0, 검출한 모터 회전 각도를 θm[k-1]로 한다. 중심 주파수 fc의 초기값은 후술하는 중심 주파수 fc의 상한치로 한다. 그 후 개시하여, 이그니션 스위치가 열릴 때까지 소정의 실행 주기 및 무한 루프로 실행된다. 소정의 실행 주기 Ts는 대상으로 하는 토크 리플의 주파수 fn[Hz]보다 빠른 주기로 실행하도록 설정하고, 예컨대 Tsmp=0.005초 이하로 설정한다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 단계 S1에서는, 인터페이스(32, 33)를 통해, A/D 변환(아날로그/디지털 변환)한 조타 토크 Ts 및 모터 회전 각도 θm[k]를 메모리에 기억한다. 단계 S2에서는, 식 (4)에 나타낸 바와 같이 모터 회전 각도의 전회값 θm[k-1]와 모터 회전 각도 θm[k]와의 편차를 연산하고, 모터 회전 각도의 변화량의 적산값 Δθm[k]를 연산한다.

단계 S3에서는, 모터 회전 각도의 변화량의 적산값 Δθm[k]가 기준 각도 θmr 이상으로 될 때까지 필요한 샘플링 횟수 cnt를 카운트한다. 즉, cnt×Tsmp은 모터 회전 각도의 변화량의 적산값 Δθm[k]가 기준 각도 θmr 이상으로 될 때까지 필요한 시간이 된다.

단계 S4에서는, 모터 회전 각도의 변화량의 적산값 Δθm[k]의 절대치와 미리 설정한 기준 각도 θmr의 크기를 비교한다. 모터 회전 각도의 변화량의 적산값 Δθm[k]의 절대치가 기준 각도 θmr 미만인 때는 단계 S5에 진행하고, 모터 회전 각도의 변화량의 적산값 Δθm[k]의 절대치가 기준 각도 θmr 이상인 때는 단계 S6에 진행한다.

여기서, 기준 각도 θmr의 설정 수법에 대하여 설명한다. 기준 각도 θmr는 추출 대상으로 하는 토크 리플의 발생 조파 차수 n에 따라 식 (5)에 의해 설정한다. 단, K2는 정수의 게인이다.

단, 상기의 기준 각도 θmr는 기계각 환산이며, 전기각 환산의 기준 각도 θmre는 식 (6)으로 된다.

즉, 360/n은, 추출 대상으로 하는 코깅 토크나 토크 리플의 1주기분에 상당하는 기준 각도로 된다. 예컨대, 발생 조파 차수 n=6의 토크 리플 성분을 추출하는 경우, 기준 각도 θmre는 60deg의 정수배로 된다. 도 8에, 본 실시예에 나타내는 기준 각도의 설정에 의해 얻어지는 효과를 나타낸다. 도 8은, 이해하기 쉽게, 조타 성분을 제거한 발생 조파 차수 n=6의 회전 각도 맥동 성분 C1을 나타내고 있다. 상술한 바와 같이 기준 각도를 설정함으로써 도 8에 나타낸 바와 같이, 맥동 성분의 위상이 같은 타이밍에서, 샘플링 횟수 cnt를 카운트할 수 있다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 회전 각도 맥동 성분의 영향을 제거하고, 기준 각도 θmr 이상 변화되는 데 필요한 샘플링 횟수를 카운트할 수 있다.

단계 S6에서는, 기준 각도 θmr 이상으로 될 때까지 필요한 샘플링 횟수 cnt를 이용하여, 식 (7)으로부터 중심 주파수를 설정한다.

본 발명의 중심 주파수를 설정하는 수법의 효과를 도 10에 나타낸다. 도 10에서, T1은 단계 S6에서 시정수를 연산하는 타이밍을 나타낸다. 또한, 도 10에서, L5는, 각 샘플링에 의해 모터의 회전 각속도 dθm/dt를 연산하고, 식 (2-1) 및 (2-2)로부터 중심 주파수 fc를 설정한 결과다. L6은 본 실시예의 식 (7)로부터 중심 주파수 fc를 설정한 결과다. L6에서는, 회전 각도 맥동 성분의 영향을 제거하여, 중심 주파수 fc를 설정할 수 있는 것을 알 수 있다. 한편, 중심 주파수 fc로부터 시정수 Ts=1/(2π fc)가 연산된다. 또한, 단계 S6에서, 시정수가 갱신되기까지의 사이는, 시정수가 일정값이 되기 때문에, 그동안, 필터는 시정수 시간에 따라 변하지 않는 필터로 되어, 노이즈 등에 강해진다. 본 실시예의 시정수를 설정하는 수법에 의해, 조타 속도가 변화하고, 토크 리플의 주파수 fn이 변화하더라도, 회전 각도 맥동 성분의 영향을 제거하고, 토크 리플의 주파수 fn에 대응한 시정수를 설정할 수 있다.

또한, 샘플링 횟수 cnt에 대한 중심 주파수 fc, 또는, 시정수 Tc=1/(2πfc)의 값을 미리 기억해 두고, 단계 S6에서, 샘플링 횟수 cnt에 따른 시정수 Tc=1/(2πfc)를 설정하더라도 좋다. 이것에 의해, 연산 부하를 감소시킬 수 있다.

또한, 중심 주파수 fc는 하한치와 상한치를 설정한다. 예컨대, 하한치를 5Hz 이상으로 한다. 중심 주파수 fc가 하한치 이하로 되면, 운전자의 조타 성분과 토크 리플에 의한 맥동 성분의 주파수가 가까워지고, 밴드패스 필터 출력값에 운전자의 조타 성분을 충분히 제거할 수 없을 우려가 있기 때문이다. 상한치에 관해서는, 추출하고 싶은 주파수 영역의 상한치로서 설정하면 바람직하다. 또한 디지털 필터에서는 나이키스트 주파수로부터 상한치를 설정할 수도 있다.

단계 S7에서는, 샘플링 횟수 cnt, 및, 모터 회전 각도의 변화량의 적산값 Δθm[k]를 0으로 리셋한다.

단계 S5에서는, 모터 회전 각도 θm[k]를 θm[k-1]에 기억한다. 단계 S8에서는, 설정한 시정수를 이용한 식 (3)에 나타내는 필터 처리를 실시하고, 출력 신호(54)를 출력한다. 예컨대, 조타 토크 Ts를 필터 입력 신호(53)로 한다. 본 실시예에 따른 맥동 성분 추출의 효과를 도 11에 나타낸다. 도 11에서, L7은 본 실시예의 식 (7)에 의해 설정한 중심 주파수를 나타낸다. L8은 밴드패스 필터의 출력값이다. L2, L3은 도 5와 같다. 도 5의 L1과 도 11의 L7을 비교하면, L7은, 본 실시예에 의해, 밴드패스 필터의 중심 주파수 fc의 맥동 성분을 제거할 수 있고, 또한, 도 5의 L4과 비교하여, 도 11의 L8은 조타 토크의 맥동 성분을 정밀하게 추출할 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 추출 대상으로 하는 맥동이 복수 존재하는 경우는, 각각의 토크 리플 발생 조파 차수에 따라, 각각의 기준각과 각각의 샘플링 횟수 cnt를 연산하더라도 좋지만, 이 경우, 토크 리플 발생 조파 차수가 큰 쪽의 샘플링 횟수 cnt에는 토크 리플 발생 조파 차수가 작은 쪽의 맥동 성분이 영향을 주는 경우가 있다.

따라서 추출 대상으로 하는 맥동이 복수 존재하는 경우는, 토크 리플 발생 조파 차수가 가장 작은 맥동의 토크 리플 발생 조파 차수로부터 식 (5), 식 (6)을 이용하여 기준 각도를 설정하고, 식 (7)을 이용하여 각 맥동에 대응하는 중심 주파수, 또는, 시정수를 설정한다. 이것에 의해 추출 대상으로 하는 복수의 맥동의 각각 대응하는 시정수로부터, 맥동 성분을 제거할 수 있다. 도 12는 추출 맥동 성분이 복수 존재하는 경우의 기준 각도의 설정을 나타낸 그림이다. 도 12에서, C2는, 발생 조파 차수 n=6과 발생 조파 차수 n=2의 회전 각도 맥동 성분을 포함한 맥동 성분을 나타낸다. 추출하고 싶은 토크 리플 발생 조파 차수 n이 2와 6이기 때문에, 기준 각도 180[deg]를 K2=1, n=2로 하고 있다. K2를 크게 설정하면, 기준 각도가 커지기 때문에, 회전 각도의 노이즈 등의 변동에 강해진다.

도 3에 나타내는 맥동 보상 전류 연산기(45)에서는, 맥동 성분 추출기(44)에서 추출한 맥동 성분에 따라, 맥동 성분을 저감하기 위한 맥동 보상 전류가 연산된다. 예컨대, 맥동 성분 추출기(44)에서 추출한 맥동 성분에 비례 게인을 승산한 것을 맥동 보상 전류로 한다. 맥동 보상 전류를, 전동 파워 어시스트용 목표 전류에 가산하는 것으로, 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 보정한다.

도 2에 나타내는 전류 제어부(72)는, 이 보정한 전동 파워 어시스트용 목표 전류와 일치하도록 모터(4)의 전류를 제어함으로써, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크 등의 맥동을 저감할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시예는, 맥동 성분을 제거한 시정수를 설정할 수 있고, 그 시정수는 토크 리플 주파수에 따라 변경되기 때문에, 운전자가 조타중에서도, 조타 제어 장치에서 이용하는 상태량, 예컨대, 조타 토크나 모터 회전 각도로부터 조타 성분이나 노이즈를 제거하여, 주파수가 변화하는 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분 이외의 성분을 제거하고, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 정밀하게 추출할 수 있다고 하는 효과가 있다. 또한, 시정수에 포함되는 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 저감할 수 있기 때문에, 밴드패스 필터의 출력값이 왜곡되어 버리는 것을 억제할 수 있고, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 맥동 성분을 정밀하게 추출할 수 있다. 또한, 추출한 맥동 성분으로 맥동 보상 전류를 연산하기 때문에, 조타 토크 등에 생기는 맥동을 조타감과의 간섭을 방지하면서, 적절히 저감할 수 있다.

또한, 시정수 연산기(51)가, 모터(4)의 회전 각도가 미리 설정한 기준 각도를 회전하는 데 필요한 시간에 근거하여, 시정수를 연산하도록 했기 때문에, 조타 토크 등의 상태량으로부터 조타 성분이나 노이즈를 제거하여, 주파수가 변화하는 코깅 토크나 토크 리플에 관한 맥동 성분을 정밀하게 추출할 수 있고, 또한, 시정수가 맥동하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 필터 출력값의 변형을 저감할 수 있고, 주파수가 변화하는 코깅 토크나 토크 리플에 관한 맥동 성분을 더 정밀하게 추출할 수 있다.

또한, 모터(4)의 회전 각도에 대하여 미리 설정한 기준 각도를, 코깅 토크나 토크 리플의 1주기분에 상당하는 회전 각도의 정수배로 했기 때문에, 조타 토크 등의 상태량으로부터 조타 성분이나 노이즈를 제거하고, 주파수가 변화하는 코깅 토크나 토크 리플에 관한 맥동 성분을 정밀하게 추출할 수 있고, 또한, 시정수가 맥동하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 필터 출력값의 변형을 저감할 수 있고, 주파수가 변화하는 코깅 토크나 토크 리플에 관한 맥동 성분을 더 정밀하게 추출할 수 있다.

또한, 시정수 가변 필터의 출력 신호에 따라, 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 보정하도록 했기 때문에, 코깅 토크나 토크 리플에 의한 조타 토크의 맥동을 억제할 수 있다.

한편, 본 실시예 1에서는, 밴드패스 필터를 식 (3)으로 했지만, 이것에 한정하는 것이 아니다. 예컨대, 하측의 차단 주파수 fc1과 상측의 차단 주파수 fc2를 다른 값으로 설정하더라도 좋다. 또한, 버터워스(butterworth) 필터나 타원 필터의 구성으로 해도 좋다. 이것에 의해, 식 (3)과 비교하여, 보다 급격한 차단 특성을 얻을 수 있다. 또한, 식 (3)에서는 필터의 차수를 4차로 했지만, 차수를 이것에 한정하는 것이 아니다. 예컨대, 2차 필터라도 좋다. 그 경우에는, 연산 부하가 적어진다. 단, 바람직하게는 조타 성분을 충분히 제거하기 위해서는 4차 이상의 필터로 한다.

또한, 본 실시예 1에서는 필터를 밴드패스 필터로 했지만, 로우패스 필터나 하이패스 필터의 시정수의 설정에, 본 실시예 1의 시정수의 설정 방법을 적용하는 것도 가능하다. 조타 성분을 제거하기 위해서 하이패스 필터의 시정수를 본 발명의 수법으로 설정하고, 로우패스 필터의 시정수는 일정값으로 함으로써 연산 부하를 적게 할 수 있다.

또한, 본 실시예 1에서는, 모터 회전 각도를 이용하여 시정수의 연산을 행했지만, 모터 회전 각도에 한정하는 것이 아니라, 스티어링 휠의 회전 각도 등, 모터 회전 각도에 관련되는 것이라도 좋고, 추정한 모터 회전 각도라도 좋다. 필터에 입력하는 신호에 대해서도 조타 토크에 한정하는 것이 아니라, 조타 제어 장치에서 이용하는 상태량, 예컨대 모터 회전 각도, 모터 회전 속도 등이라도 좋다.

1 : 스티어링 휠 2 : 스티어링 축
3 : 토크 센서 4 : 모터
5 : 감속 기구 6 : 각도 센서
7 : 컨트롤러 유닛 8 : 전타 휠(steered wheel)

Claims

운전자에 의한 조타 토크를 검출하는 토크 검출부와,
상기 조타 토크를 보조하기 위한 어시스트 토크를 발생시키는 모터와,
상기 검출된 조타 토크에 근거하여, 상기 어시스트 토크를 발생시키는 데 필요한 상기 모터의 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 연산하는 전동 파워 어시스트 제어부와,
상기 모터의 회전 각도를 검출하는 각도 검출부와,
상기 전동 파워 어시스트용 목표 전류와 일치하도록, 상기 모터의 전류를 제어하는 전류 제어부와,
가변의 시정수를 갖는 시정수 가변 필터와,
상기 각도 검출부에서 검출하는 상기 모터의 회전 각도를 이용하여, 상기 모터가 발생하는 코깅 토크(cogging torque) 또는 토크 리플의 주파수에 대응하는 시정수를 연산하고, 상기 시정수를 상기 시정수 가변 필터에 설정하는 시정수 연산부와,
상기 조타 토크나 상기 모터의 회전 각도 등의 상태량을 상기 시정수 가변 필터에 의해 필터 처리하는 필터 처리 연산부
를 구비한 것을 특징으로 하는 조타 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 시정수 연산부는, 상기 모터의 회전 각도에 대한 기준 각도를 미리 설정해 두고, 상기 모터가 상기 기준 각도를 회전하는 데 필요한 시간에 근거하여 상기 시정수를 연산하는 것을 특징으로 하는 조타 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 기준 각도는, 상기 코깅 토크 또는 상기 토크 리플의 1주기분에 상당하는 회전 각도의 정수배로 하는 것을 특징으로 하는 조타 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시정수 가변 필터의 출력 신호에 따라, 상기 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 보정하기 위한 보상 전류를 연산하는 보상 전류 연산부를 더 구비하고,
상기 보상 전류를 상기 전동 파워 어시스트용 목표 전류에 가산함으로써, 상기 전동 파워 어시스트용 목표 전류를 보정하는
것을 특징으로 하는 조타 제어 장치.