JP2006335252A

JP2006335252A - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2006335252A
Application number: JP2005163297A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sakamaki; 正彦酒巻; Shigeki Nagase; 茂樹長瀬
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-14
Also published as: EP1728705B1; CN1872606A; CN100522721C; US7298109B2; US20060273247A1; EP1728705A3; KR20060125609A; EP1728705A2

Abstract

【課題】操舵補助用ブラシレスＤＣモータのロータ位置検出器の異常を早期に検出することができる電動パワーステアリング装置の提供。
【解決手段】ブラシレスＤＣモータ６のロータ位置に応じた正弦波信号及び余弦波信号を出力する角度検出器２５と、操舵部材（図示せず）に加えられた操舵トルクを検出するトルク検出器３とを備え、角度検出器２５が出力した正弦波信号及び余弦波信号と、トルク検出器３が検出した操舵トルクとに基づき、ブラシレスＤＣモータ６を駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置。正弦波信号及び余弦波信号を各２乗する手段６３と、その各２乗した正弦波信号及び余弦波信号を加算する手段６３と、その加算した結果が所定範囲に収まるか否かを判定する手段６３とを備え、判定する手段が否と判定することにより、角度検出器２５の異常を検出する構成である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータのロータ位置に応じた正弦波信号及び余弦波信号を出力する角度検出器と、操舵部材に加えられた操舵トルクを検出するトルク検出器とを備え、角度検出器が出力した正弦波信号及び余弦波信号と、トルク検出器が検出した操舵トルクとに基づき、ブラシレスＤＣモータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置に関するものである。

モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置は、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルクセンサが入力軸に加わる操舵トルク値を検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用のモータを駆動制御するものである。

このような電動パワーステアリング装置では、最近、ブラシレスＤＣモータが使用されるようになっている。電動パワーステアリング装置のブラシレスＤＣモータでは、ロータの回転する位置に応じて、回転磁界が発生するように、ステータに流す電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御している。ロータ位置の検出には、レゾルバ、ＭＲセンサ等のｓｉｎ波信号及びｃｏｓ波信号を出力する検出器が使用されている。
特許文献１には、磁気検出素子のアナログ信号をディジタル変換し、レゾルバの信号との差分値により、角度センサの異常を検出することが開示されている。
特許文献２には、角度センサから所定周期で与えられる操舵角を記憶し、操舵角の微分値を演算し、前と今の検出値の差の絶対値を求め、閾値と比較する方法が開示されている。

特許文献３には、３つの操舵角センサの夫々の出力の任意の２つの出力差を調べ、ゼロから離れた値を示す組み合わせの中に、異常であるセンサが含まれると判断することが開示されている。
特許文献４には、操舵角センサが検出した操舵角を、所定時間内に所定回数サンプリングして平均・分散を演算し、平均又は分散が所定範囲外にあるときは故障と判断することが開示されている。
特開２００２−８１９６１号公報特開平１０−２７８８２６号公報特開平１０−２５８７５７号公報特開平１０−１９７２３８号公報

ロータ位置の検出に使用される検出器に故障が発生し、正確な回転位置データが得られない場合、ロータ位置に応じた適切な電流を流すことができず、ステアリングホイール（ハンドル、操舵部材）が振動したり、ロックする可能性がある。その為、検出器の異常を早期に検出する必要があるという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、操舵補助用ブラシレスＤＣモータのロータ位置検出器の異常を早期に検出することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置は、ブラシレスＤＣモータのロータ位置に応じた正弦波信号及び余弦波信号を出力する角度検出器と、操舵部材に加えられた操舵トルクを検出するトルク検出器とを備え、前記角度検出器が出力した正弦波信号及び余弦波信号と、前記トルク検出器が検出した操舵トルクとに基づき、前記ブラシレスＤＣモータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置において、前記正弦波信号及び余弦波信号を各２乗する手段と、該手段が各２乗した正弦波信号及び余弦波信号を加算する手段と、該手段が加算した結果が所定範囲に収まるか否かを判定する手段とを備え、該手段が否と判定することにより、前記角度検出器の異常を検出するように構成してあることを特徴とする。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記所定範囲の上限は、前記正弦波信号及び余弦波信号の各誤差範囲に基づき定められていることを特徴とする。

第３発明に係る電動パワーステアリング装置は、前記正弦波信号及び余弦波信号の中性点との各ずれを各補正する各オフセット補正手段と、前記正弦波信号及び余弦波信号の各振幅値を補正する各振幅補正手段とを更に備え、前記所定範囲の下限は、前記各オフセット補正手段及び各振幅補正手段により、前記正弦波信号及び余弦波信号の補正可能な範囲における前記加算した結果の最小値に基づき定められていることを特徴とする。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、角度検出器が、ブラシレスＤＣモータのロータ位置に応じた正弦波信号及び余弦波信号を出力し、各２乗する手段が、角度検出器が出力した正弦波信号及び余弦波信号を各２乗する。加算する手段が、その各２乗した正弦波信号及び余弦波信号を加算し、判定する手段が、その加算した結果が所定範囲に収まるか否かを判定し、否と判定することにより、角度検出器の異常を検出する。これにより、操舵補助用ブラシレスＤＣモータのロータ位置検出器の異常を早期に検出することができる電動パワーステアリング装置を実現することができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の構成を示す模式図である。この電動パワーステアリング装置は、例えば舵取りの為のハンドル１（ステアリングホイール、操舵部材）と、ハンドル１の操舵に応じて駆動される操舵補助用のブラシレスＤＣモータ６と、モータ６の回転を減速歯車機構７を介して舵取機構１２，１２に伝える伝動手段１３と、モータ６を駆動制御するＥＣＵ（コントローラ）５とを備えている。ＥＣＵ５には、車両の走行速度を検出する車速センサ４が出力した車速信号が与えられている。

伝動手段１３は、ハンドル１に連結された入力軸２に図示しないトーションバーを介して連結される出力軸８と、出力軸８にユニバーサルジョイントを介して連結される連結軸９と、連結軸９にユニバーサルジョイントを介して連結されるピニオン軸１０と、ピニオン軸１０のピニオンに噛合するラック歯を有し、左右の操向輪Ａ，Ａに舵取機構１２，１２を介して連結されるラック軸１１とを備えている。入力軸２及び伝動手段１３は操舵軸１４を構成している。

入力軸２の周りには、ハンドル１を操作することにより入力軸２に加わる操舵トルクを、トーションバーに生じる捩れによって検出するトルクセンサ３が配置されており、トルクセンサ３が検出した操舵トルクに基づいて、ＥＣＵ５がモータ６を駆動制御するように構成してある。
減速歯車機構７は、モータ６の出力軸に繋がるウォームと、出力軸８の途中に嵌合されるウォームホイールとを備えており、モータ６の回転をウォーム及ウォームホイールから出力軸８に伝達するように構成してある。

このような構成の電動パワーステアリング装置では、ハンドル１の操作による舵取り操作力を入力軸２、トーションバー（図示せず）、出力軸８、連結軸９、及びピニオン軸１０を介してラック軸１１に伝達し、ラック軸１１を軸長方向へ移動させ、舵取機構１２，１２を作動させる。また、それと共に、トルクセンサ３が検出した操舵トルクに基づき、ＥＣＵ５がモータ６を駆動制御し、モータ６の駆動力を出力軸８に伝達することにより、舵取り操作力を補助し、舵取りの為の運転者の労力負担を軽減する。

図２は、図１に示す電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。この電動パワーステアリング装置は、トルクセンサ３が検出した操舵トルク値Ｔs が、位相補償器３１に与えられ、位相補償器３１で位相補償された操舵トルク値が、ＥＣＵ５のトルク−電流テーブル３３に与えられる。また、車速センサ４が検出した車速値Ｖs が、トルク−電流テーブル３３及び収斂性補正部２７に与えられている。

トルク−電流テーブル３３では、操舵トルク値が所定の不感帯を超えると、操舵トルク値の増加に従ってモータ電流の目標値が比例的に増加し、さらに操舵トルク値が所定値以上になると目標値が飽和するような関数が、車速値Ｖs に応じて可変的に定められている。前記関数は車速値Ｖs が大となるに従って操舵トルク値に対するモータ電流の目標値の比が小となると共に、目標値の飽和値が小となるように定められている。トルク−電流テーブル３３が定めたモータ電流の目標値Ｉt は、加算手段２０及び指令電流方向指定部２９へ与えられる。

モータ電流の目標値Ｉt は、ｄｑ座標変換を用いたモータ制御におけるｄ軸電流の目標値を示す符号付きの値であり、その正負は、操舵補助の方向を示している。
指令電流方向指定部２９は、与えられたモータ電流の目標値Ｉt の正負符号に基づき、操舵補助の方向を示す方向信号Ｓdir を作成し、収斂性補正部２７に与える。

操舵補助を行うブラシレスＤＣモータであるモータ６には、そのロータ位置を検出する為の角度検出器であるレゾルバ２５が内蔵され、レゾルバ２５が出力したｓｉｎ波信号及びｃｏｓ波信号は、ＥＣＵ５内のロータ位置検出部６２、及びレゾルバ２５の異常を検出する異常検出部６３に与えられる。ロータ位置検出部６２は、与えられたｓｉｎ波信号及びｃｏｓ波信号について、各振幅補正及び各オフセット補正を行い、各補正を施したｓｉｎ波信号及びｃｏｓ波信号に基づいて電気角θreを求め、正弦波ＲＯＭテーブル４０及びロータ角速度演算部４２に与える。

ロータ位置検出部６２は、ｓｉｎ波信号値及びｃｏｓ波信号値に対応させた電気角θreのテーブルを備えており、各補正を施したｓｉｎ波信号値及びｃｏｓ波信号値に基づいてテーブルを参照することにより、電気角θreを求める。
正弦波ＲＯＭテーブル４０は、与えられた電気角θreにより正弦波値ｓｉｎθreを出力し、三相交流／ｄｑ座標変換部３８及びｄｑ／三相交流変換部３２に与える。

ロータ角速度演算部４２は、与えられた電気角θreによりロータ角速度ωreを算出し、収斂性補正部２７に与える。収斂性補正部２７は、与えられた車速値Ｖs 、方向信号Ｓdir 及びロータ角速度ωreに基づき、車両収斂性を確保する為の補償電流値ｉc を作成し、加算手段２０に与える。
加算手段２０は、モータ電流の目標値Ｉt に補償電流値ｉc を加算し、その加算結果をｑ軸電流指令値ｉ^*q として減算手段２４に与える。

ＥＣＵ５内のｖ相電流検出器５４及びｕ相電流検出器５６が、モータ６のｖ相界磁コイル及びｕ相界磁コイルにそれぞれ流れる電流値ｉv 及びｉu を検出し、三相交流／ｄｑ座標変換部３８に与える。
三相交流／ｄｑ座標変換部３８は、与えられた電流値ｉv ，ｉu 及び正弦波値ｓｉｎθreに基づき、ｑ軸電流値ｉq 及びｄ軸電流値ｉd へｄｑ変換し、ｑ軸電流値ｉq を減算手段２４へ、ｄ軸電流値ｉd を減算手段２２へそれぞれ与える。

減算手段２４は、ｑ軸電流指令値ｉ^*q とｑ軸電流値ｉq との偏差ｅq を演算し、その偏差ｅq をｑ軸電流ＰＩ制御部２８へ与える。
減算手段２２は、トルクに関与しないので０であるｄ軸電流指令値ｉ^*d とｄ軸電流値ｉd との偏差ｅd を演算し、その偏差ｅd をｄ軸電流ＰＩ制御部２６へ与える。
ｑ軸電流ＰＩ制御部２８及びｄ軸電流ＰＩ制御部２６は、与えられた偏差ｅq 及び偏差ｅd に基づき、ＰＩ制御の為のｑ軸電圧Ｖq 及びｄ軸電圧Ｖd を演算して、制限処理部３０に与える。

制限処理部（制限手段）３０は、与えられたｄ軸電圧Ｖd 及びｑ軸電圧Ｖq を、各相の電圧指令値が常に正弦波となるように制限したｄ軸電圧指令値ｖ^*d 及びｑ軸電圧指令値ｖ^*q を作成して、ｄｑ／三相交流変換部３２に与える。
ｄｑ／三相交流変換部３２は、与えられたｑ軸電圧指令値ｖ^*q 及びｄ軸電圧指令値ｖ^*d に基づき、ｄｑ逆変換（三相変換）して、三相のｕ相電圧指令値Ｖ^*u 及びｖ相電圧指令値Ｖ^*v を演算し、減算手段３４及び三相ＰＷＭ変調部５０へ与える。

減算手段３４は、Ｖ^*w ＝−Ｖ^*u −Ｖ^*v を演算し、演算したｗ相電圧指令値Ｖ^*w を三相ＰＷＭ変調部５０へ与える。
三相ＰＷＭ変調部５０は、与えられた三相の各電圧指令値Ｖ^*u ，Ｖ^*v ，Ｖ^*w をパルス幅変調し、三相の各ＰＷＭ信号Ｓu ，Ｓv ，Ｓw としてモータ駆動回路５２へ与える。
モータ駆動回路５２は、与えられた各ＰＷＭ信号Ｓu ，Ｓv ，Ｓw （パルス信号）により、図示しない各相の界磁コイルと電源及び接地端子との間をスイッチングして、モータ６をＰＷＭ駆動し、モータ６はトルクＴm を出力する。

尚、上述したトルク−電流テーブル３３、収斂性補正部２７、加算手段２０、指令電流方向指定部２９、異常検出部６３、ロータ角速度演算部４２、正弦波ＲＯＭテーブル４０、三相交流／ｄｑ座標変換部３８、ｄｑ／三相交流変換部３２、減算手段２４、減算手段２２、ｑ軸電流ＰＩ制御部２８、ｄ軸電流ＰＩ制御部２６、制限処理部３０及び減算手段３４は、マイクロコンピュータ２１により実現されている。

図３，４は、このような電動パワーステアリング装置の、レゾルバ２５（角度検出器）が出力したｓｉｎ波信号及びｃｏｓ波信号についての各振幅補正値及び各オフセット補正値を演算する動作を示すフローチャートである。各補正値を演算する動作は、例えば、イグニッションキーがオンになったとき、又は車両運転時に所定時間が経過する都度等に、パラメータ類を初期化した後実行される。
ＥＣＵ５は、ロータ位置検出部６２が、先ず、レゾルバ２５が出力したｓｉｎ波信号ｓｉｎθreを読み込み（Ｓ２）、次いで、例えば、読み込んだｓｉｎ波信号ｓｉｎθreが、増加から減少に転じる値を検出することにより、ｓｉｎ波信号ｓｉｎθreの極大値を検出する処理を実行する（Ｓ４）。

ロータ位置検出部６２は、ｓｉｎ波信号ｓｉｎθreの極大値を検出する処理を実行した（Ｓ４）結果、極大値を検出したとき（Ｓ６）は、その検出した極大値を記憶し（Ｓ８）、パラメータＴ１に１を加算する（Ｓ１０）。
ロータ位置検出部６２は、次に、例えば、読み込んだｓｉｎ波信号ｓｉｎθre（Ｓ２）が、減少から増加に転じる値を検出することにより、ｓｉｎ波信号ｓｉｎθreの極小値を検出する処理を実行する（Ｓ１２）。その結果、極小値を検出したとき（Ｓ１４）は、その検出した極小値を記憶し（Ｓ１６）、パラメータＴ２に１を加算する（Ｓ１８）。

ロータ位置検出部６２は、極大値を検出しなかったとき（Ｓ６）は、直接、ｓｉｎ波信号ｓｉｎθreの極小値を検出する処理（Ｓ１２）へ移る。また、極小値を検出しなかったとき（Ｓ１４）は、そのままリターンする。
ロータ位置検出部６２は、パラメータＴ２に１を加算した（Ｓ１８）後、パラメータＴ１，Ｔ２が共にｎ（ｎは正整数）以上であるか否かを判定し（Ｓ２０）、その結果が否であれば、そのままリターンする。
ロータ位置検出部６２は、パラメータＴ１，Ｔ２が共にｎ以上であれば（Ｓ２０）、記憶してある極大値（Ｓ８）、及び記憶してある極小値（Ｓ１６）の各平均値を各演算し（図４Ｓ２２）、パラメータＴ１，Ｔ２を初期化する（Ｓ２４）。

ロータ位置検出部６２は、次に、各演算した極大値の平均値及び極小値の平均値（Ｓ２２）を用いて、オフセット補正値＝０−（極大値の平均値＋極小値の平均値）／２を演算し（Ｓ２６）、演算したオフセット補正値を記憶する（Ｓ２８）。次いで、振幅補正値＝２／（極大値の平均値−極小値の平均値）を演算し（Ｓ３０）、演算した振幅補正値を記憶し（Ｓ３２）リターンする。
ロータ位置検出部６２は、オフセット補正値を記憶し（Ｓ２８）、振幅補正値を記憶した（Ｓ３２）後は、次に、オフセット補正値及び振幅補正値が記憶更新される迄、記憶したオフセット補正値及び振幅補正値により、読み込んだｓｉｎ波信号ｓｉｎθreに各補正を施す。

ロータ位置検出部６２は、読み込んだｓｉｎ波信号ｓｉｎθreにオフセット補正値を加算することにより、オフセット補正を施し、オフセットを施したｓｉｎ波信号ｓｉｎθreに振幅補正値を乗算することにより、振幅補正を施す。
尚、上述した演算動作では、ｓｉｎ波信号ｓｉｎθreについて説明したが、ｃｏｓ波信号ｃｏｓθreについても同様であり、ロータ位置検出部６２は、ｓｉｎ波信号ｓｉｎθre及びｃｏｓ波信号ｃｏｓθreについての各補正動作を並行して実行している。

以下に、このような電動パワーステアリング装置のレゾルバ２５（角度検出器）の異常を検出する動作を、それを示す図５のフローチャートを参照しながら説明する。
ＥＣＵ５は、異常検出部６３が、レゾルバ２５が出力したｓｉｎ波信号ｓｉｎθre及びｃｏｓ波信号ｃｏｓθreを読み込み（Ｓ４０）、ｓｉｎ² θre＋ｃｏｓ² θreを演算する（Ｓ４２）。次いで、演算したｓｉｎ² θre＋ｃｏｓ² θreが、所定範囲ｍ〜Ｍに収まるか否かを判定し（Ｓ４４）、所定範囲ｍ〜Ｍに収まるときは、そのままリターンする。

異常検出部６３は、演算したｓｉｎ² θre＋ｃｏｓ² θreが、所定範囲ｍ〜Ｍに収まらないとき（Ｓ４４）は、角度検出器が異常であると判定し、角度検出器異常信号を出力して（Ｓ４６）リターンする。
ＥＣＵ５は、異常検出部６３が角度検出器異常信号を出力したときは、例えば、モータ６の駆動制御を停止し、モータ６がハンドル１の回転に合わせて自由に回転できる状態にする。

ここで、所定範囲ｍ〜Ｍは、図６（ａ）に示す（ｃｏｓθre，ｓｉｎθre）を成分とするベクトルの大きさに基づき、誤差及び余裕を見込んで、図６（ｂ）に示すように定められている。
ｃｏｓθre及びｓｉｎθreは、理論上は、夫々−１〜＋１の範囲に収まる筈であるが、図７（ａ）に示すように、レゾルバ２５の誤差範囲の最大値である範囲外フェイル閾値±√Ｍから、所定範囲ｍ〜Ｍの上限値Ｍを定める。

所定範囲ｍ〜Ｍの下限値ｍは、図７（ｂ）に示すように、レゾルバ２５の出力信号であるｃｏｓθre及びｓｉｎθreの、上述した各振幅補正及び各オフセット補正により補正可能な範囲におけるｓｉｎ² θre＋ｃｏｓ² θreが取り得る値の最小値ｍとしている。例えば、補正可能な最小振幅値である場合に、オフセット補正可能範囲で最大値分ずれているときを想定して最小値ｍとする。尚、ｃｏｓθre及びｓｉｎθreは、振幅補正及びオフセット補正を行う前の値である。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の構成を示す模式図である。図１に示す電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。レゾルバが出力したｓｉｎ波信号及びｃｏｓ波信号についての各振幅補正値及び各オフセット補正値を演算する動作を示すフローチャートである。レゾルバが出力したｓｉｎ波信号及びｃｏｓ波信号についての各振幅補正値及び各オフセット補正値を演算する動作を示すフローチャートである。本発明に係る電動パワーステアリング装置のレゾルバの異常を検出する動作を示すフローチャートである。本発明に係る電動パワーステアリング装置のレゾルバの異常を検出する動作を説明する為の説明図である。本発明に係る電動パワーステアリング装置のレゾルバの異常を検出する動作を説明する為の説明図である。

符号の説明

１ハンドル（操舵部材、ステアリングホイール）
３トルクセンサ
５ＥＣＵ（コントローラ、正弦波信号及び余弦波信号を各２乗する手段、各２乗した正弦波信号及び余弦波信号を加算する手段）
６（ブラシレスＤＣ）モータ
２５レゾルバ（検出器、角度検出器）
３２ｄｑ／三相交流変換部
３３トルク−電流テーブル
３８三相交流／ｄｑ座標変換部
５２モータ駆動回路
５４ｖ相電流検出器
５６ｕ相電流検出器
６２ロータ位置検出部（オフセット補正手段、振幅補正手段）
６３異常検出部（加算した結果が所定範囲に収まるか否かを判定する手段）

Claims

ブラシレスＤＣモータのロータ位置に応じた正弦波信号及び余弦波信号を出力する角度検出器と、操舵部材に加えられた操舵トルクを検出するトルク検出器とを備え、前記角度検出器が出力した正弦波信号及び余弦波信号と、前記トルク検出器が検出した操舵トルクとに基づき、前記ブラシレスＤＣモータを駆動して操舵補助する電動パワーステアリング装置において、
前記正弦波信号及び余弦波信号を各２乗する手段と、該手段が各２乗した正弦波信号及び余弦波信号を加算する手段と、該手段が加算した結果が所定範囲に収まるか否かを判定する手段とを備え、該手段が否と判定することにより、前記角度検出器の異常を検出するように構成してあることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記所定範囲の上限は、前記正弦波信号及び余弦波信号の各誤差範囲に基づき定められている請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記正弦波信号及び余弦波信号の中性点との各ずれを各補正する各オフセット補正手段と、前記正弦波信号及び余弦波信号の各振幅値を補正する各振幅補正手段とを更に備え、前記所定範囲の下限は、前記各オフセット補正手段及び各振幅補正手段により、前記正弦波信号及び余弦波信号の補正可能な範囲における前記加算した結果の最小値に基づき定められている請求項１又は２記載の電動パワーステアリング装置。