JP6198725B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、運転者の操舵力を軽減する電動パワーステアリング装置に係り、特にモータ電流のフィードバック制御技術に関するものである。

従来、電動パワーステアリング装置は、操舵トルク、車速などの情報に基づいてモータを駆動し、運転者の操舵力を軽減している。そのため、モータを駆動制御するためにモータ電流を検出し、目標のモータ電流に追従するようにフィードバック制御をすることが基本となっていた。さらに、モータ電流を供給するためのスイッチング素子の制御にはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が用いられ、モータ電流の断続供給を行っており、アシスト量を増大させるために、ＰＷＭ制御におけるオンデューティを上げ、一方要求電流が少ない場合はオンデューティを下げるように制御していた。

また、フィードバック制御においてはゲインを可変することも可能で、ゲインを大きくすれば応答性を向上でき、逆にゲインを下げるとハンチングを抑制できるものであった。（例えば、特許文献１参照）

特開２０１１−１６４３５号公報

前記特許文献１に開示された技術は、よりよい操舵フィーリング、静粛性向上のためにアシスト勾配が所定値以上の場合は、フィードバック制御に使用されているゲインを低減するものである。特に、低速、停車時の静粛性を確保するためにそれらのゲインを低減することにより、作動音、振動の発生を抑制するものである。しかし、この特許文献１に開示された技術では、アシスト勾配は所定値以上であり、言い換えれば操舵トルクに対するモータ電流値の変化割合が大の場合であって、目標モータ電流の急増時に制御を変更するものである。

制御ゲイン変更の内、ゲイン低下は追従性を鈍らせ、一方、増加はハンチング、騒音、振動を引き起こすこともあり、慎重に判断しなければならない。

以上のように、操舵中は前記のようなモータ電流の急増のみならず、種々の事象が発生し得るものであるので、その状況に応じた対応が必要となり、その条件判断が煩雑となっていた。

この発明は、この問題を解決するためになされたもので、ＰＷＭ制御におけるデューティに基づいてフィードバックのゲインを変更する電動パワーステアリング装置の提供を目的とするものである。

この発明に係る電動パワーステアリング装置は、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサと、ハンドル操舵力をアシストするモータと、前記トルクセンサの情報に基づいて前記モータの電流を制御し、前記モータを駆動させるＰＷＭ信号を出力するコントロールユニットと、を備えた電動パワーステアリング装置において、
前記モータは多相巻線を有し、前記コントロールユニットはマイクロコンピュータを備え、前記マイクロコンピュータは、前記トルクセンサの情報に基づいて目標モータ電流値を演算すると共に、前記モータへ供給している電流をモニタし、前記目標モータ電流値と前記モニタにより検出された実モータ電流値との差異に従ってフィードバック制御を行い、制御量を算出する制御量算出手段と、前記制御量から前記多相巻線各相の前記ＰＷＭ信号のデューティ中の最大デューティが所定値以上であることを検出した場合、前記フィードバック制御に使用されるゲインを変更するゲイン変更手段と、を備え、
前記ゲイン変更手段は、前記所定値を値が減少する複数の所定値とし、大きい値の所定値から順次小さい値の所定値に沿って、最大デューティと前記所定値との比較を複数回行い、フィードバックのゲイン低下を次第に増加させることを特徴とする。

この発明による電動パワーステアリング装置は、前記構成により単純に制御ゲインが変更可能となり、その結果、騒音、振動の発生を抑制することができる効果を奏する。また、ゲイン低下を複数回に分けて行うため、制御の連続性を犠牲にすることなく、静粛性の向上、振動の抑制を図ることが可能となる。
この発明の前記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の全体回路を示すブロック図である。 実施の形態１による電動パワーステアリング装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、この発明による電動パワーステアリング装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の全体回路を示すブロック図である。図１において、電動パワーステアリング装置１００は、コントロールユニット（以下、ＥＣＵと称する。）１、イグニッションキーなどにより投入される電源２、車速センサ３、ハンドル操舵力を検出するトルクセンサ４、バッテリ５、およびモータ６から主に構成されている。

ＥＣＵ１は、制御量の演算を受け持つマイクロコンピュータ（以下、ＣＰＵと称する。）１０を中心に、電源２からの電力により１２Ｖ系電源ａから５Ｖ定電圧ｂを作る５Ｖ電源１１、及び車速センサ３、トルクセンサ４からの信号をＣＰＵ１０が受信できる信号へ変換するインターフェース回路１２、１３、モータ６へ電流を供給するための制御信号をＣＰＵ１０からの制御量に応じて出力する駆動回路１４、モータ６への電流の供給、遮断を行う複数のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６、さらにはモータ６の制御状態を検出するためのモータ端子電圧モニタ回路１５、およびモータ電流モニタ回路１６を備えている。

ＣＰＵ１０は、車速センサ３、トルクセンサ４の情報からアシストすべき操舵トルクを発生する目標モータ電流を演算し、この制御量をスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６が制御できるような信号に変換して駆動回路１４へ出力する。駆動回路１４は、これらの信号に基づき、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６をＰＷＭ制御する出力信号を出力する。ここで、モータ６は３相ブラシレスモータが用いられており、各相をｕ相、ｖ相、ｗ相とする。

モータ端子Ｍｕ、Ｍｖ、Ｍｗの電圧は、モータ端子電圧モニタ回路１５の抵抗Ｒ４、Ｒ５で分圧されて夫々アナログ−ディジタル変換ポートＡＤＭｕ、ＡＤＭｖ、ＡＤＭｗへ入力される。また、モータ電流は、モータ電流モニタ回路１６を介して夫々アナログ−ディジタル変換ポートＡＤＩｕ、ＡＤＩｖ、ＡＤＩｗへ入力される。モータ電流モニタ回路１６は、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６のそれぞれのアノードと接地間に接続される抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の電圧を増幅することにより電流を検出する。そのためモータ電流モニタ回路１６には、増幅用のＩＣであるＡＭＰ１と増幅率を決定する抵抗Ｒ６、Ｒ７が夫々挿入されている。

また、モータ６には回転子の回転位置を検出するための回転センサ７が布設され、その信号は回転位置検出回路１７を介して、ＣＰＵ１０へ入力されている。回転センサ７としては、ホール素子、レゾルバ等が考えられる。さらにモータ電流の基であるバッテリ５のラインを開閉するメインリレー１８がスイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５の上流に配置されており、制御不要時、又は故障時の対応のためにＣＰＵ１０の制御信号に基づき駆動回路１４がオン、オフ信号を出力する。以上は従来の電動パワーステアリング装置と同様の構成である。

次に制御ゲインの可変について説明する。この一連の動作、処理はすべてＣＰＵ１０で成し遂げられるので、図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず電源２が投入され、ＣＰＵ１０の５Ｖが供給されると、ステップＳ１においてＲＡＭ、ポート等を初期化する。そして、ステップＳ２において、各種の入力情報、車速、トルク、モータ端子電圧、モータ電流等々を入力する。

次にステップＳ３において、現在のＣＰＵ１０の動作状況とステップＳ２で入力した情報により、ＥＣＵ１の各部分に故障が発生していないかをチェックする、いわゆるフェール判定を行う。即ち、トルクセンサモニタ回路として機能するインターフェース回路１３、モータ端子電圧モニタ回路１５、モータ電流モニタ回路１６、回転位置検出回路１７等のデータを監視することにより、異常の有無をチェックする。

ステップＳ４において、車速Ｖｌ、トルクＴｒから目標モータ電流ＩＴを算出する。具体的には、例えば目標モータ電流ＩＴを車速Ｖｌ、トルクＴｒのマップから算出する。そして、ステップＳ２で入力しておいた実際のモータ電流Ｉｒとの差異から、比例項、積分項を有するＰＩフィードバック制御により、最終の制御量ＣＴＬｎを算出する。この際に比例項、積分項には夫々ゲインＫｐ、Ｋｉが加味されている。このステップＳ４が制御量算出手段に相当する。

次に、算出された制御量ＣＴＬｎを、モータ６の回転位置検出回路１７による回転位置に応じ、３相各々のデューティＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗに換算する。ここでデューティＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗは、図１におけるスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のモータ端子Ｍｕ、Ｍｖ、Ｍｗの上流側に配置されたスイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５のオンデューティを示すことにする。また、上流側スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５それぞれに対応する下流側スイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６では、貫通電流を防止するために上流側スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５のオンデューティを反転したデューティとなる。この上流側スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５のオンデューティが大きい場合、下流側スイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６のオンデューティは小さく、つまりオン時間が短時間であり、電流検出用のシャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３が下流側スイッチング素子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６のさらに下流に配置されているため、モータ電流検出が時間的に困難となる。

このような状況下では、３相の内１相のモータ電流は検出不可能である。しかし、３相ブラシレスモータでは各スイッチング素子に流れる電流の総和はゼロという原則があり、これを利用して、検出できる２相から検出できない１相を推定する。この推定値も含んで電流フィードバック制御を行うことができる。そのため検出可能、不可能を判断することが必要となるが、この判断を簡略化するために所定デューティ比以上は検出不可能とする。この所定値は若干の余裕有して実験により予め決定できる。

そこでステップＳ６において、３相各々のデューティＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗから算出された最大デューティＤｙが所定値Ａ以上か否かをチェックする。最大デューティＤｙが所定値Ａ未満であれば、通常のゲインとする。ステップＳ７において比例項ゲインＫｐ＝Ｂ、積分項ゲインＫｉ＝Ｃとする。一方、最大デューティＤｙが所定値Ａ以上の場合、ステップＳ８において、比例項Ｋｐ＝Ｄ、積分項Ｋｉ＝Ｅに変更する。ここで、Ｄ＜Ｂ、Ｅ＜Ｃであり、例えば７０〜３０％のゲイン低下を行う。なお、ステップＳ６〜Ｓ８がゲイン変更手段に相当する。

ステップＳ９において、算出された３相各々のデューティＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗに基づき駆動回路１４に対して信号を出力する。ステップＳ１０ではＣＰＵ１０が周期的に各処理を行うために、所定時間が経過するまで待機し、所定時間が経過するとステップＳ２へ戻って、周期的に同様に処理を続ける。

以上のように、実施の形態１による電動パワーステアリング装置は、電流フィードバックゲインの変更をＰＷＭ制御のデューティ比に応じて低下、復帰を行うことになり、非常に簡単な判断で成し遂げられると共に、３相、２相の切替えも同時にできるものである。また、デューティ比が大ではモータトルク最大近傍の制御であるので、作動音、振動も比較的大きな領域である。そのためこのゲイン低下処理は、それらの発生抑制効果も期待できる。なお、ステップＳ８にてゲイン変更を行ったので、ＣＰＵ１０の次回のステップＳ４処理においてそのゲイン変更が効果を現すものとなっている。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による電動パワーステアリング装置について説明する。実施の形態２による電動パワーステアリング装置の全体の回路は、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

実施の形態１では、図２のフローチャートのステップＳ８において、ゲインを低下させるようにゲイン定数を変更したが、ＣＰＵ１０が例えば１０ｍｓｅｃで各ルーチンを周期的に処理しているとすると、１０ｍｓｅｃ後には一瞬でゲインが急減されることになる。そのため制御の連続性が途切れる可能性もある。さらに制御量も急減し、次回のルーチンでは再度デューティが所定値Ａより下回る可能性もある。そのために、ゲインを処理周期の１０ｍｓｅｃ毎に次第に低下させる漸減処理が望ましい。

また、ゲイン値の移動平均を取ることにより大きなステップ状の低下を防ぐことができる。以上のような方法によりゲイン低下を漸減とする場合は、その時定数はモータの電流に対するトルク時定数よりは早い設定とする必要がある。

さらにまた、ＣＰＵ１０の制御周期、ＰＷＭの周期、フィードバック制御周期がすべて同一であれば問題はないが、ＣＰＵ１０の動作、ＥＣＵ１としての動作事情等によりそれら周期が異なる場合が考えられる。この場合、制御性能、音、振動、さらにはＣＰＵ１０のソフトウエアの構築を考慮して、３者択一することは可能である。

ＣＰＵ１０の制御周期を選択した場合、図２のフローチャートどおりの処理ですむことになり、ソフトウエア構築が簡単である。ＰＷＭの周期を選択した場合、デューティ変換時にゲイン低下を加味して変換を行うことになるので、図２とは別のサブルーチンを利用して変換を行うことになる。一方、フィードバック制御周期を選択した場合、制御量演算時にゲイン低下を付加すればよいが、図２とは別のサブルーチン処理となる。いずれにしてもそのシステムに適した選択をすればよい。

このようにゲイン値の漸減により、ノイズの発生防止、制御の連続性確保により、騒音、振動を抑制することができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による電動パワーステアリング装置について説明する。実施の形態３による電動パワーステアリング装置の全体の回路は、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

実施の形態１では、図２のステップＳ６において、最大デューティＤｙと所定値Ａとを比較したが、この比較は１回でなくＡ１、Ａ２、Ａ３と異なる所定値（Ａ１＞Ａ２＞Ａ３）で複数回行い、そのたび毎にゲインを低下させてゆく。さらにまた、目標モータ電流ＩＴと実モータ電流Ｉｒとの差異が所定値以内であると、さらにゲインを低下させることもできる。実モータ電流Ｉｒが目標モータ電流ＩＴに近い場合は、ゲインを低下させても応答性が悪化することも、ハンチングを起こすこともないので、静粛性、振動抑制の両面からもさらにゲイン低下を行うことができる。

このように、ゲイン低下の条件を追加し、ゲイン低下を複数回に分けて行うことで制御の連続性を犠牲にすることなく、静粛性の向上、振動の抑制を図ることが可能となる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による電動パワーステアリング装置について説明する。実施の形態４による電動パワーステアリング装置の全体の回路は、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

前記において説明した実施の形態１から３では、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を制御する３相各々のデューティＤｕ、Ｄｖ、Ｄｗから算出された最大デューティＤｙの値を所定値Ａと比較して判断しているが、実際のデューティＤｙは制御周期毎に大きく変動する場合もある。そのため、実施の形態２で説明したように、ゲインが所定時間を要して漸減した場合であっても、ゲイン低下の実施、非実施とハンチングを繰り返す可能性がある。そこで、ゲイン低下を実施する所定値Ａに対して、非実施の判断を行う所定値Ｆを異なる値としてヒステリシスを付加する。または、最大デューティＤｙに対してフィルタを付加してデューティ値の急変動を抑制したデューティＤｙｆを使用し、このＤｙｆと所定値Ａと比較するという方法であってもよい。

以上のように、所定値にヒステリシスを付加、又はフィルタ通過デューティを利用することで、前記のようなハンチングを防止することができ、ゲイン低下、復帰においてよりスムーズな過渡制御とすることができる。

以上、この発明の実施の形態１から実施の形態４による電動パワーステアリング装置について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり。各実施の形態を適宜、変更、省略することが可能である。

１ コントロールユニット（ＥＣＵ） ２ 電源
３ 車速センサ ４ トルクセンサ
５ バッテリ ６ モータ
７ 回転センサ １０ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）
１１ ５Ｖ電源 １２、１３ インターフェース回路
１４ 駆動回路 １５ モータ端子電圧モニタ回路
１６ モータ電流モニタ回路 １７ 回転位置検出回路
１８ メインリレー １００ 電動パワーステアリング装置

Claims (6)

1. ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサと、ハンドル操舵力をアシストするモータと、前記トルクセンサの情報に基づいて前記モータの電流を制御し、前記モータを駆動させるＰＷＭ信号を出力するコントロールユニットと、
   を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記モータは多相巻線を有し、
   前記コントロールユニットはマイクロコンピュータを備え、
   前記マイクロコンピュータは、前記トルクセンサの情報に基づいて目標モータ電流値を演算すると共に、前記モータへ供給している電流をモニタし、前記目標モータ電流値と前記モニタにより検出された実モータ電流値との差異に従ってフィードバック制御を行い、制御量を算出する制御量算出手段と、
   前記制御量から前記多相巻線における各相の前記ＰＷＭ信号のデューティの中の最大デューティが所定値以上であることを検出した場合、前記フィードバック制御に使用されるゲインを変更するゲイン変更手段と、を備え、
   前記ゲイン変更手段は、前記所定値を値が減少する複数の所定値とし、大きい値の所定値から順次小さい値の所定値に沿って、最大デューティと前記所定値との比較を複数回行い、フィードバックのゲイン低下を次第に増加させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記ゲイン変更手段は、前記ゲインを所定時間内に予め決められた値に低下させることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記ゲインを所定時間内に予め決められた値に低下させる場合、制御周期に基づいて前記低下を実行し、前記モータの電流に対するトルク発生の時定数よりも早い時定数で低下させることを特徴とする請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記マイクロコンピュータは前記デューティが所定値以上である場合、一部の巻線におけるモータ電流のモニタを中止し、残った巻線におけるモータ電流のモニタによりフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記ゲイン変更手段は、前記デューティが所定値以上であって、前記目標モータ電流値と前記モニタにより検出された実モータ電流値との差異が所定値以内である場合、前記ゲインをさらに低下させることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記ゲインは、前記目標モータ電流値と前記モニタにより検出された実モータ電流値との差異に基づく電流値の比例項、及び積分項の両方とも変更されるものであることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電動パワーステアリング装置。

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