WO2014156633A1

WO2014156633A1 - 負荷制御装置、電動パワーステアリング装置及び負荷制御装置を制御する方法

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Publication number: WO2014156633A1
Application number: PCT/JP2014/056432
Authority: WO
Inventors: 功貴長江; 大脇　淳一
Original assignee: カヤバ工業株式会社
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-10-02
Also published as: JP2014192961A; EP2982995B1; US20160001812A1; CA2907510C; EP2982995A1; CN105051553B; EP2982995A4; CA2907510A1; US9403553B2; KR101665904B1; KR20150116454A; JP5674845B2; CN105051553A

Abstract

　負荷制御装置は、負荷を駆動する負荷制御手段と、電流検出用抵抗と、差動アンプと、電流演算手段と、を備える。負荷制御手段は、スイッチング素子の一方をＯＮにしてスイッチング素子の他方をＯＦＦにする状態と、スイッチング素子の一方をＯＦＦにしてスイッチング素子の他方をＯＮにする状態と、を繰り返すスタンバイ状態と、スイッチング素子の両方をＯＮにする駆動状態と、を切り換え可能である。電流演算手段は、駆動状態である場合に差動アンプから出力された値とスタンバイ状態である場合に差動アンプから出力されたオフセット値とに基づいて電流検出用抵抗に流れる電流を演算する。

Description

負荷制御装置、電動パワーステアリング装置及び負荷制御装置を制御する方法

　本発明は、負荷制御装置、電動パワーステアリング装置及び負荷制御装置を制御する方法に関する。

　ステアリングホイールに入力される操舵トルクに応じたアシスト力をモータによって発生させる電動パワーステアリング装置が知られている。電動パワーステアリング装置は、モータと電源との間に介装されるインバータ回路と、インバータ回路のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御するコントローラと、を備える。各スイッチング素子は、コントローラから送信されるＰＷＭ信号に基づいて電源とモータとの接続をＯＮ状態とＯＦＦ状態との間で切り換える。

　ＪＰ２００７－１８９８２５Ａには、上記のような電動パワーステアリング装置において、電源とスイッチング素子との間に電流検出抵抗を直列に介装し、電流検出抵抗によって生じる電圧降下を差動アンプによって増幅して検出する電圧検出装置を備えることが開示されている。電圧検出装置は、検出された電圧値に基づいてインバータ回路を流れる電流値を推定する。

　差動アンプは２つの入力端子と１つの出力端子とを有し、入力端子間の電位差を出力端子から出力する。電圧検出装置は、コントローラの電源がオン状態となった後であって、差動アンプの入力端子間に電圧が印加されていない状態で差動アンプの出力値を取得して初期値として保存しておく。その後、入力端子間に電圧が印加されると、電圧検出装置は、差動アンプの出力値と保存しておいた初期値とを比較することで入力端子間の電圧を演算する。

　しかし、２つの入力端子に電圧が印加された状態では、差動アンプの出力値はその特性上、素子によって異なる入力オフセット電圧及び同相信号除去比の影響を含んだ値となる。したがって、電圧検出装置によって検出される電圧と実際の入力端子間電圧との間には誤差が生じるので、インバータ回路の電流値の検出精度が低下する可能性がある。

　本発明の目的は、回路内の電流値を精度よく検出することが可能な負荷制御装置を提供することである。

　本発明のある態様によれば、負荷制御装置は、電源と負荷との間を接続する上アーム及び下アームにそれぞれ介装されるスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作させる負荷制御手段と、負荷に直列に接続される電流検出用抵抗と、電流検出用抵抗に生じる電圧を増幅して出力する差動アンプと、差動アンプの出力値に基づいて電流検出用抵抗に流れる電流を演算する電流演算手段と、を備える。負荷制御手段は、スイッチング素子の一方をＯＮにしてスイッチング素子の他方をＯＦＦにする状態と、スイッチング素子の一方をＯＦＦにしてスイッチング素子の他方をＯＮにする状態と、を交互に繰り返すスタンバイ状態と、スイッチング素子の両方をＯＮにして負荷に電流を流す駆動状態と、を切り換え可能である。電流演算手段は、スタンバイ状態である場合に差動アンプから出力された値をオフセット値として設定し、駆動状態である場合に差動アンプから出力された値とオフセット値とに基づいて電流検出用抵抗に流れる電流を演算する。

図１は、本発明の実施形態に係るモータ制御装置を搭載した電動パワーステアリング装置を示す構成図である。図２は、本発明の実施形態に係るモータ制御装置を示す構成図である。図３は、コントローラが行う処理内容を示すフローチャートである。図４Ａは、入力オフセット電圧について説明するための図である。図４Ｂは、同相信号除去比について説明するための図である。図４Ｃは、同相信号除去比について説明するための図である。図５は、差動アンプの出力値の時間変化を示すタイムチャートである。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

　図１は、本実施形態におけるモータ制御装置を搭載した電動パワーステアリング装置１を示す構成図である。

　電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール（図示せず）に連結されて車輪（図示せず）を操舵する操舵機構２と、入力トルクを検出するトルクセンサ３と、操舵機構２にアシストトルクを付与する負荷としての電動モータ４（以下、単に「モータ４」と称する）と、トルクセンサ３の検出信号が入力されるとともにモータ４の出力を制御する負荷制御手段としてのコントローラ５と、を備える。

　操舵機構２は、ステアリングホイールに連結されるステアリングシャフト６と、ステアリングシャフト６に形成されるピニオン７と、ピニオン７に噛み合うラック８と、を備える。ステアリングシャフト６の回転によってピニオン７が回転すると、ピニオン７に噛み合うラック８が軸方向（車両の左右方向）に移動し、ラック８に連結されるタイロッド（図示せず）を介して車輪が操舵される。

　操舵機構２はさらに、ステアリングシャフト６に連結されるウォームホイール９と、ウォームホイール９に噛み合うウォーム１０と、を備える。ウォーム１０は、モータ４の出力軸に連結される。モータ４がウォーム１０を回転駆動すると、ウォームホイール９が回転駆動されることで、ステアリングシャフト６にアシストトルクが付与される。

　トルクセンサ３は、ステアリングシャフト６の途中に介装され、運転者がステアリングホイールを介してステアリングシャフト６に付与する入力トルクを検出する。

　コントローラ５は、トルクセンサ３から入力されたトルク検出信号に基づいてアシストトルクを演算し、モータ４の出力を制御する。

　以下、コントローラ５によるモータ４の制御について説明する。図２は、本実施形態におけるモータ制御装置２０を示す構成図である。

　負荷制御装置としてのモータ制御装置２０は、電源１１とモータ４とを接続する上アーム２１及び下アーム２２と、上アーム２１に介装される上スイッチング素子２３と、下アーム２２に介装される下スイッチング素子２４と、上スイッチング素子２３及び下スイッチング素子２４をＯＮ／ＯＦＦ動作させるコントローラ５と、を備える。

　電源１１は、電動パワーステアリング装置１が搭載される車両のバッテリである。モータ４は、３相交流モータである。なお、図２では、説明の簡略化のため１組の上アーム２１及び下アーム２２のみを示しているが、実際にはモータ４のステータコイルのＵ相、Ｖ相及びＷ相にそれぞれ対応する３組の上アーム２１及び下アーム２２が電源１１に対して並列に配置される。

　コントローラ５は、演算されたアシストトルクに基づいて所定のデューティ比を有するＰＷＭ信号を上スイッチング素子２３及び下スイッチング素子２４に出力する。

　コントローラ５は、上スイッチング素子２３及び下スイッチング素子２４の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返すスタンバイ制御と、上スイッチング素子２３及び下スイッチング素子２４の両方をＯＮにしてモータ４を駆動するモータ駆動制御と、を切り換え可能である。

　モータ駆動制御は、運転者がステアリングホイールを操作したことでステアリングシャフト６にモータ４のアシストトルクを付与する必要があると判断された場合に行われる。

　スタンバイ制御は、車両のイグニッションスイッチがオン状態となってコントローラ５が起動した場合に行われる。すなわち、車両運転中は、常にスタンバイ制御が行われており、運転者の操作に応じて適宜モータ駆動制御に切り換えられる。

　スタンバイ制御が行われると、モータ４に所定の周期のステップ電圧が印加されるので、その後、モータ４によるアシストトルクが必要となった場合に速やかにモータ４を駆動させることができる。

　モータ制御装置２０は、さらに、下アーム２２の下スイッチング素子２４よりモータ４側に介装される電流検出用抵抗２５と、電流検出用抵抗２５に生じる電圧降下を検出し増幅して出力する差動アンプ２６と、を備える。

　電流検出用抵抗２５はモータ４に直列に接続される。差動アンプ２６は、電流検出用抵抗２５の両端にそれぞれ接続されるプラス入力端子２６ａ及びマイナス入力端子２６ｂと、コントローラ５に接続される出力端子２６ｃと、を有する。差動アンプ２６は、プラス入力端子２６ａとマイナス入力端子２６ｂとの電位差を増幅し、出力端子２６ｃを介してコントローラ５へ送信する。

　電流演算手段としてのコントローラ５は、差動アンプ２６から受信した値に基づいて電流検出用抵抗２５に流れる電流値を推定する。電流値は、予め実験などによって求めておいた差動アンプ２６の出力値と電流値との関係を規定したマップに基づいて推定される。

　コントローラ５は、上記のように推定した電流値が、モータ４がアシストトルクを発揮するために必要なモータ電流値の目標値となるように、ＰＷＭ信号のデューティ比をフィードバック制御する。

　以下、コントローラ５によるＰＷＭ信号の出力及びモータ電流値の演算について説明する。なお、説明の簡略化のためフィードバック制御については省略する。

　図３は、コントローラ５の処理内容を示すフローチャートである。

　ステップＳ１においてコントローラ５は、コントローラ５の電源がＯＮであるか否かを判定する。コントローラ５の電源がＯＮであると判定されると処理がステップＳ２へ進み、ＯＦＦであると判定されると本ステップが再度行われる。運転者が車両のイグニッションスイッチをＯＮにしてコントローラ５が起動された時、コントローラ５の電源がＯＮであると判定される。

　ステップＳ２においてコントローラ５は、スタンバイ制御を行う。すなわち、コントローラ５は、上スイッチング素子２３及び下スイッチング素子２４の一方をＯＮにして他方をＯＦＦにする状態と一方をＯＦＦにして他方をＯＮにする状態とを交互に繰り返す。

　ステップＳ３においてコントローラ５は、差動アンプ２６からオフセット値を取得する。オフセット値は、この時点における差動アンプ２６の出力値である。

　ここで、オフセット値について説明する。

　ステップＳ２においてスタンバイ制御が開始されると、モータ４に所定の周期のステップ電圧が印加される。スタンバイ制御では上スイッチング素子２３と下スイッチング素子２４とが同時にＯＮすることはないので、モータ４が駆動されるほど電流が流れることはない。

　しかし、上スイッチング素子２３と下スイッチング素子２４とを順にＯＮ／ＯＦＦ動作させるので、電流検出用抵抗２５には常にステップ電圧が印加された状態となる。したがって、差動アンプ２６の出力値は、入力オフセット電圧及び同相信号除去比の影響を含んだ値となる。

　図４Ａは、入力オフセット電圧について説明するための図であり、横軸が入力電圧を示し、縦軸が出力オフセット値を示している。

　入力電圧は差動アンプ２６のプラス入力端子２６ａとマイナス入力端子２６ｂとの電位差であり、出力オフセット値は入力電圧からのズレ量である。図４Ａに示すように、差動アンプ２６の出力値は、入力電圧に出力オフセット値を加算した値として出力される。したがって、差動アンプ２６の出力値は、入力電圧に応じて微小な誤差を含むことになる。

　図４Ｂ及び図４Ｃは、同相信号除去比について説明するための図であり、各図とも上段が入力電圧の時間変化を示し、下段が出力電圧の時間変化を示している。

　図４Ｂに示すように、差動アンプ２６の入力電圧がステップ的に上昇すると、差動アンプ２６の出力値が上下に変動してノイズが出力される。同様に、図４Ｃに示すように、差動アンプ２６の入力電圧がステップ的に下降すると、差動アンプ２６の出力値が上下に変動してノイズが出力される。差動アンプ２６のノイズはステップ電圧の周波数に応じて変化する値であり、周波数が高いほどノイズの影響が大きくなる。

　このように、差動アンプ２６の出力値は、プラス入力端子２６ａ及びマイナス入力端子２６ｂにステップ電圧が印加されていると、入力オフセット電圧及び同相信号除去比の影響を受けた分だけ入力値からオフセットする。このオフセット量を含む値が前述のオフセット値に相当する。

　図３に戻って、ステップＳ３においてコントローラ５は、電流検出用抵抗２５に電流は流れていないがステップ電圧を印加したことによって差動アンプ２６から出力される値をオフセット値として取得する。

　図５は、スタンバイ制御時における差動アンプ２６の出力値の時間変化を示すタイムチャートである。

　差動アンプ２６の出力端子２６ｃとコントローラ５との間には、図示しない抵抗とコンデンサから成るローパスフィルタが配置されるので、差動アンプ２６の出力値の波形は、ステップ電圧のような矩形波ではなく、出力値が電圧の印加時にステップ的に上昇した後、徐々に低下する波形となる。

　図５に示すように、差動アンプ２６の出力値は時間とともに変化するが、コントローラ５が差動アンプ２６から出力値を取得する周期とステップ電圧の周期とは等しいので、スタンバイ制御時に取得されたオフセット値は取得のタイミングにかかわらずほぼ一定である。

　図３に戻って、ステップＳ４においてコントローラ５は、モータ４のアシストトルクが必要であるか否かを判定する。アシストトルクが必要であると判定されると処理がステップＳ５へ進み、アシストトルクが不要であると判定されると処理がステップＳ６へ進む。運転者がステアリングホイールを操作してステアリングシャフト６にアシストトルクを付与する必要がある場合、アシストトルクが必要であると判定される。

　ステップＳ５においてコントローラ５は、モータ駆動制御を行う。すなわち、コントローラ５は、上スイッチング素子２３及び下スイッチング素子２４の両方をＯＮにしてモータ４を駆動する。

　モータ駆動制御では、モータ４がアシストトルクを発揮するために必要なモータ電流値の目標値と、差動アンプ２６から出力された値に基づいてコントローラ５によって演算された電流値と、が等しくなるようにＰＷＭ信号のデューティ比がフィードバック制御される。

　コントローラ５は、差動アンプ２６から出力された値からステップＳ３において取得されたオフセット値を減算した値に基づいてモータ駆動制御時の電流値の演算を行う。

　ステップＳ６においてコントローラ５は、コントローラ５の電源がＯＦＦであるか否かを判定する。コントローラ５の電源がＯＦＦであると判定されると処理が終了し、ＯＮであると判定されると処理がステップＳ４へ戻る。運転者が車両のイグニッションスイッチをＯＦＦにした時、コントローラ５の電源がＯＦＦであると判定される。

　以上の制御をまとめると、コントローラ５が起動した後、スタンバイ制御が開始されてから差動アンプ２６の出力値をオフセット値として取得する。その後、スタンバイ制御が継続され、モータ４のアシストトルクが必要になった時だけモータ駆動制御が行われる。モータ駆動制御時の電流値は、差動アンプ２６から出力された値からオフセット値を減算した値に基づいて演算される。

　これにより、差動アンプ２６の出力誤差の影響を加味して電流値を演算することができるので、電流検出用抵抗２５を流れる電流値を精度よく検出することができる。よって、ＰＷＭ信号のデューティ比のフィードバック制御を精度よく行うことができ、適切なアシストトルクをステアリングシャフト６に付与することができる。

　以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

　スタンバイ制御時に差動アンプ２６から出力された値をオフセット値として取得しておき、モータ駆動制御時に差動アンプ２６から出力された値とオフセット値とに基づいて電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算するので、スタンバイ制御によってステップ電圧が印加されている時に生じる差動アンプ２６の特性による検出値の誤差を考慮して、電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算することができる。よって、モータ制御装置２０の回路内の電流値を精度よく検出することができる。

　さらに、コントローラ５は、モータ駆動状態である場合に差動アンプ２６から出力された値からオフセット値を減算した値に基づいて電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算するので、スタンバイ制御によってステップ電圧が印加されている場合の差動アンプ２６の出力値を基準として電流検出用抵抗２５に流れる電流を演算することができる。よって、モータ制御装置２０の回路内の電流値をさらに精度よく検出することができる。

　さらに、モータ４は電動パワーステアリング装置１のアシストモータとして用いられるので、モータ制御装置２０の回路内の電流値の検出精度が向上することで、より適切なアシストトルクをステアリングシャフト６に付与することができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　例えば、上記実施形態では、モータ制御装置２０を例示したが、モータ４に代えてソレノイド等の負荷の制御装置に適用してもよい。

　さらに、上記実施形態では、電動パワーステアリング装置１のモータ制御装置２０について例示したが、その他の装置に用いられるモータ４の制御装置に適用してもよい。

　さらに、上記実施形態では、コントローラ５は、差動アンプ２６から出力された値からオフセット値を減算した値に基づいてモータ駆動制御時の電流値の演算を行っているが、これに代えて、オフセット値ごとに用意されるマップを参照して差動アンプ２６の出力に基づいて電流値を演算してもよい。

　さらに、上記実施形態では、コントローラ５がモータ４の出力を制御するとともに電流値を推定しているが、モータ制御用のコントローラと電流値推定用のコントローラとを別々に設けてもよい。

　さらに、上記実施形態では、モータとして３相交流モータを例示したが、その他の種類のモータであってもよい。

　本願は、２０１３年３月２６日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－０６４４１８に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　負荷制御装置であって、
　電源と負荷との間を接続する上アーム及び下アームにそれぞれ介装されるスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作させる負荷制御手段と、
　前記負荷に直列に接続される電流検出用抵抗と、
　前記電流検出用抵抗に生じる電圧を増幅して出力する差動アンプと、
　前記差動アンプの出力値に基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算する電流演算手段と、
を備え、
　前記負荷制御手段は、前記スイッチング素子の一方をＯＮにして前記スイッチング素子の他方をＯＦＦにする状態と、前記スイッチング素子の一方をＯＦＦにして前記スイッチング素子の他方をＯＮにする状態と、を交互に繰り返すスタンバイ状態と、前記スイッチング素子の両方をＯＮにして前記負荷に電流を流す駆動状態と、を切り換え可能であり、
　前記電流演算手段は、前記スタンバイ状態である場合に前記差動アンプから出力された値をオフセット値として設定し、前記駆動状態である場合に前記差動アンプから出力された値と前記オフセット値とに基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算する、
負荷制御装置。
　請求項１に記載の負荷制御装置であって、
　前記電流演算手段は、前記駆動状態である場合に前記差動アンプから出力された値から前記オフセット値を減算した値に基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算する、
負荷制御装置。
　請求項１に記載の負荷制御装置を備える電動パワーステアリング装置であって、
　ステアリングシャフトの回転に伴って車輪を操舵させる操舵機構と、
　前記操舵機構にアシストトルクを付与する電動モータと、
を備え、
　前記負荷制御装置の前記負荷は前記電動モータである、
電動パワーステアリング装置。
　電源と負荷との間を接続する上アーム及び下アームにそれぞれ介装されるスイッチング素子をＰＷＭ信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作させる負荷制御装置を制御する方法であって、
　前記負荷制御装置は、前記負荷に直列に接続される電流検出用抵抗と、前記電流検出用抵抗に生じる電圧を増幅して出力する差動アンプと、を備え、
　前記スイッチング素子の一方をＯＮにして前記スイッチング素子の他方をＯＦＦにする状態と、前記スイッチング素子の一方をＯＦＦにして前記スイッチング素子の他方をＯＮにする状態と、を交互に繰り返すステップと、
　前記差動アンプから出力された値をオフセット値として設定するステップと、
　前記スイッチング素子の両方をＯＮにして前記負荷に電流を流すことで前記負荷を駆動するステップと、
　前記差動アンプから出力された値と前記オフセット値とに基づいて前記電流検出用抵抗に流れる電流を演算するステップと、
を含む負荷制御装置を制御する方法。