JP2008278646A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間操舵を継続した場合にもトルクリップルを生じることなく、良好な操舵感を実現し得る電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】運転者の操舵力を検出するトルクセンサ２と、運転者の操舵力を補助する３相ブラシレスモータ３と、この３相ブラシレスモータ３の電流を制御する制御装置４とから成り、電界効果トランジスタで構成されるインバータ回路４１にて３相ブラシレスモータ３をＰＷＭ駆動すると共に、下側電界効果トランジスタＦＥＴ４〜ＦＥＴ６のソースとグランドＧの間に配設した電流検出抵抗４１１〜４１３の両端電圧差を差動増幅し、下側電界効果トランジスタＦＥＴ４〜ＦＥＴ６のオン期間の差動増幅出力からオフ期間の差動増幅出力を減じて３相ブラシレスモータ３の相電流を検出し、この相電流をトルクセンサ２にて検出した運転者の操舵力に応じて制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車等の車両を運転する運転者の操舵力を３相ブラシレスモータにより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。

自動車等の車両の操舵力をモータによりアシストする電動パワーステアリング装置においては、運転者の操舵トルクをトルクセンサにて検出し、この操舵トルクに応じて設定した目標電流にモータ電流をフィードバック制御することにより操舵のアシスト力を発生している。特に、３相ブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置では、モータの３つの相の電流を個々に検出して、それらを所定の演算式にて合成した電流値が上記目標電流と一致するようにモータの各相の電流をフィードバック制御している。

図５に３相ブラシレスモータの３つの相の電流が制御されている様子を示す。３つの相の電流は一般にＵ相、Ｖ相、Ｗ相と呼称される。同図における横軸はモータの電気角の１周期である３６０度を示し、縦軸は各相の電流値を示す。同図において、一点鎖線で表した中心線から上のプラス側はモータから電流が流れ出す方向を示し、中心線から下のマイナス側はモータに電流が流れ込む方向を示している。同図に示すように、モータの３つの相の電流は互いに１２０度シフトして正弦波状に制御され、モータではこの３つの相の電流を合成してトルクが発生する。ここで、モータから発生するトルク、即ち操舵のアシスト力は正弦波の振幅に比例し、振幅を大きく制御すると大きなアシスト力が発生し、小さく制御すると小さなアシスト力となる。

このようにモータ電流をフィードバック制御する為には、モータの各相の電流を精度良く検出する必要がある。この電流検出手法の１つとして、モータを駆動するインバータ回路の上下アームのスイッチング素子を構成する電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと称する）のうち、下側アームのＦＥＴのソースとグランドとの間に電流検出抵抗を挿入し、モータの各相の電流がこの抵抗を流れた時に生じる抵抗の両端電圧差から電流を検出する方法が知られている。

上記方法においては、電流検出抵抗の両端電圧差を差動増幅器により検出するのであるが、一般に差動増幅器には直流オフセットが含まれる。この直流オフセットはバラツキを持ち、モータの３つの相の電流検出値の直流オフセットは互いに異なるものである。

図６にこの直流オフセットのバラツキの影響の様子を示す。図６は図５と同様に、３相ブラシレスモータの３つの相の電流が制御されている様子を示したものである。図６では、Ｕ相の電流を基準として、Ｗ相の電流がプラス側にオフセットし、Ｖ相の検出電流がマイナスにオフセットして制御されている場合を示している。このように、モータの３つの相の電流の直流オフセットが互いに異なる場合、３つの相の電流を合成して発生されるトルクはリップルを生じ、電動パワーステアリング装置の振動や音となって現れて操舵感の悪化をもたらす。

この直流オフセットのバラツキを補正する方法として、モータに電流が流れていない期間の差動増幅器の出力を中点電位として学習し、この学習した中点電位を基準とすることによりバラツキを補正する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２９４３２号公報

しかし、一般に差動増幅器の直流オフセットは温度依存性を持つので、装置が動作を開始してモータに電流が通電されると装置の自己発熱により装置の温度が上昇し、学習された中点電位と実際の中点電位との間に乖離が生じて正確な補正が行えなくなる。長時間操舵を継続するとこの乖離によりモータの出力トルクにリップルが生じて操舵感の悪化をもたらす問題が生じる。

この発明はこのような従来の電動パワーステアリング装置の問題を解決するもので、電流検出器の直流オフセットの影響を除去して、長時間操舵を継続した場合にもトルクリップルを生じることなく、良好な操舵感を実現し得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している。

この発明にかかる電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵力を検出するトルクセンサと、上記運転者の操舵力を補助する３相ブラシレスモータと、上記３相ブラシレスモータの電流を制御する制御装置とを備え、上記制御装置を、電界効果トランジスタで構成されるインバータ回路により上記３相ブラシレスモータをＰＷＭ駆動すると共に、上記電界効果トランジスタの下アーム側電界効果トランジスタのソースとグランドの間に配設される抵抗の両端電圧差を差動増幅し、上記下アーム側電界効果トランジスタのオン期間の差動増幅出力からオフ期間の差動増幅出力を減じて上記３相ブラシレスモータの各相の電流を検出し、この各相の電流を上記トルクセンサにて検出した上記運転者の操舵力に応じて制御するように構成したものである。

この発明によれば、差動増幅器の直流オフセットの影響が除去され、長時間操舵を継続した場合にもトルクリップルを生じることなく、良好な操舵感を実現し得る電動パワーステアリング装置を提供することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電動パワーステアリング装置について好適な実施の形態を説明する。

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を示すブロック図である。同図において、電動パワーステアリング装置１は、自動車の運転者の操舵力を検出するトルクセンサ２、運転者の操舵力を補助する３相ブラシレスモータ３、および制御装置４から構成されている。

制御装置４は、３相ブラシレスモータ３を駆動するインバータ回路４１と、このインバータ回路４１の上下一対からなる３つのアームを構成する６個のＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）を駆動するゲート駆動回路４２と、インバータ回路４１の下アームを構成するＦＥＴ（ＦＥＴ４，ＦＥＴ５，ＦＥＴ６）のそれぞれのソースとグランドＧとの間に挿入された電流検出抵抗４１１，４１２，４１３と、これらの電流検出抵抗４１１，４１２，４１３のそれぞれの両端電圧差を検出する差動増幅回路４３，４４，４５と、３相ブラシレスモータ３の電流制御を司るＣＰＵ４６とから構成されている。

インバータ回路４１を構成する６個のＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）は、ＣＰＵ４６から出力される６個の相補ＰＷＭパルスにより、ゲート駆動回路４２を介してパルス駆動される。各アームの駆動は後述する相補駆動方式にて行われ、上下一対のＦＥＴにおける上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３）がオンの期間には下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）はオフとなり、上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３）がオフの期間には下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）がオンとなるように駆動される。パルスの周期は例えば５０μｓに設定されており、１周期間のオンとオフの比率、即ちデューティ比により３相ブラシレスモータ３の各相に作用する電圧が定まる。

次に、上記インバータ回路４１の動作を図１、および図２（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
ＣＰＵ４６には相補ＰＷＭパルスを発生する相補ＰＷＭパルス発生ブロックＢ１が設けられており、図２（ａ）（ｂ）において記号ａで示す三角波を発生する。この三角波ａの周期は例えば５０μｓにプログラムされている。相補ＰＷＭパルス発生ブロックＢ１では、この三角波ａと所定のデューティ設定値ｂとを比較してパルスを発生する。

図２において記号ｃで示したパルスは、インバータ回路４１の上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３）を駆動するパルスである。このパルスｃは、三角波ａの値がデューティ設定値ｂ以上の期間でＨｉｇｈ出力となって上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３）をオンし、デューティ設定値ｂ以下の期間でＬｏｗとなって上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３）をオフする。また、記号ｄで示したパルスはインバータ回路４１の下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）を駆動するパルスである。このパルスｄは、上記上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３）を駆動するパルスｃとは逆に、三角波ａの値がデューティ設定値ｂ以上の期間でＬｏｗとなって下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）をオフし、デューティ設定値ｂ以下の期間でＨｉｇｈとなって下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）をオンする。該パルスｃと該パルスｄのオンとオフの関係は常に逆の関係にあって相補ＰＷＭ駆動を実現している。

上記図２（ａ）は、ＰＷＭ駆動の１周期間に占める上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３）のオン時間比率、即ちデューティ比が下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）のオン時間比よりも小さい場合を示しており、図２（ｂ）は上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３）のオン時間比率、即ちデューティ比が下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）のオン時間比よりも大きい場合を示している。３相ブラシレスモータ３の各相には、電源電圧にこのデューティ比を乗じた電圧が作用する。例えば、電源電圧が１２Ｖでデューティ比が６０％の場合、モータ３の相には１２Ｖに６０％を乗じた７．２Ｖの電圧が作用する。ＣＰＵ４６は上記デューティ設定値ｂによりモータ３の各相に作用する電圧を調整して、図１に示した正弦波電流を通電する。

この相補ＰＷＭパルスで駆動されたインバータ回路４１の各アームの動作について、図３および図４に従って説明する。これらの図は、インバータ回路４１の一つのアームを取り出して示したものであって、他の２つのアームの動作も同様である。また、これらの図ではＦＥＴ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ４）のオンとオフの動作をスイッチ記号を用いて模式的に表している。

図３（ａ）（ｂ）は前記図１においてモータ３の相電流がマイナス側にある場合、即ち相電流がモータ３へ流れ込む場合の電流経路を示した図である。
図３（ａ）に示すように、上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１）がオフで下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４）がオンの場合、電流はグランドＧから電流検出抵抗４１１を介して下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４）からモータ３へと流れ込む。逆に、上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１）がオンで下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４）がオフの場合は、図３（ｂ）に示すように、電流は電源から上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１）を介してモータ３へと流れ込む。この図３（ｂ）の場合、電流検出抵抗４１１には電流が流れない。

次に、図４（ａ）（ｂ）は前記図１にてモータ３の相電流がプラス側にある場合、即ち相電流がモータ３から流れ出す場合の電流経路を示した図である。図４（ａ）に示すように、上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１）がオフで下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４）がオンの場合、電流はモータ３から流れ出て下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４）と電流検出抵抗４１１を介してグランドＧへと流れ込む。逆に、上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１）がオンで下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４）がオフの場合は図４（ｂ）に示すように、電流はモータ３から流れ出て上側ＦＥＴ（ＦＥＴ１）を介して電源へと流れ込む。この図４（ｂ）の場合、電流検出抵抗４１１には電流が流れない。

以上述べたように、３相ブラシレスモータ３の各相の電流は各アームの下側ＦＥＴ、例えばＦＥＴ４がオンの期間に電流検出抵抗４１１を流れてオフの期間には流れないので、このオフの期間の差動増幅器４３の出力が直流オフセット電圧となる。従って、オンの期間に読み取った差動増幅器４３の出力からオフの期間に読み取った差動増幅器４３の出力を差し引くことにより直流オフセットを除去出来る。

この、差動増幅器４３の出力の読み取り方法について、図１および図２（ａ）（ｂ）に従って説明する。図２（ａ）（ｂ）中の信号ｅは読み取りタイミングを調整する調整タイマＢ２の時間幅を示し、信号ｆは差動増幅器４３の出力を表している。同信号ｆ中に示す丸印は差動増幅器４３の出力を読み取るタイミングを表している。差動増幅器４３の出力はＣＰＵ４のＡ／Ｄ変換器Ｂ３にて読み取られるのであるが、その読み取りは前述した図２（ａ）の三角波ａに同期して行われる。この三角波ａの谷のタイミングではインバータ回路４１の下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４）はオン状態にあり電流検出抵抗４１１にはモータ３の相電流が流れている。また、三角波（ａ）の山のタイミングでは該ＦＥＴ４はオフ状態にあり、電流検出抵抗４１１にモータ３の相電流は流れていない。従って、差動増幅器４３の出力を、三角波ａの谷のタイミングで読み取るとモータ３の相電流を得ることが出来、山のタイミング読み取ると差動増幅器４３の直流オフセットを読み取ることが出来る。この谷のタイミングで読み取った差動増幅器４３の出力から山のタイミングで読み取った差動増幅器４３の出力を差し引くことにより直流オフセットを除去することが出来る。

ところで、差動増幅器４３には一定の動作遅れが含まれる。前述した調整タイマＢ２の時間幅ｅは、この遅れ時間に対応してＣＰＵ４６の内部にて設定されるものであって、三角波ａの山または谷のタイミングから所定の時間を経過した後に前述したＡ／Ｄ変換器Ｂ３による読み取りが実行されるように作用する。前記図２（ａ）（ｂ）では、この読み取りタイミングを信号ｆ中に丸印にて示している。

以下、ＣＰＵ４６による電流検出処理について図１のブロック図に従って説明する。
ＣＰＵ４６はＡ／Ｄ変換器Ｂ３にて差動増幅器４３，４４，４５の出力をディジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器Ｂ３の入力段にはサンプルホールド回路Ｂ４が設けられており、差動増幅器４３，４４，４５の出力は、相補ＰＷＭパルス発生ブロックＢ１で作られる三角波ａの山と谷のタイミングに同期して、このサンプルホールド回路Ｂ４に取り込まれる。このサンプルホールドのタイミングは、前述したように、調整タイマＢ２により調整される。取り込まれた差動増幅器４３，４４，４５の出力は後段のＡ／Ｄ変換器Ｂ３においてディジタル値に変換される。上記三角波ａの谷のタイミングに同期して得た値は通電電流値として記憶され、山のタイミングに同期して得た値は直流オフセット値として記憶される。次に直流オフセット除去ブロックＢ５にて、この通電電流値から直流オフセット値を減算する。以上のようにして差動増幅器４３，４４，４５の直流オフセットを除去したモータ各相の電流を得る。

次に、３相ブラシレスモータ３の電流制御について図１に示すブロック図に従って説明する。ＣＰＵ４６は、目標電流設定ブロックＢ６にてトルクセンサ２で検出した運転者の操舵力に応じてモータ３に通電すべき電流の目標値を設定する。次段の電流制御ブロックＢ７では、上述した処理にて直流オフセットが除去されたモータ３の３つの相の電流値から所定の計算式に従って合成された電流を算出し、この算出値が前記目標と一致するように３つの相のＰＷＭパルスのデューティ値を算出する。次段の相補ＰＷＭパルス発生ブロックＢ１では、前述したようにこのデューティ値に従ってＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）の駆動パルスを発生する。以上のようにしてモータ電流が制御されて所望のアシスト力が発生する。

以上のように、実施の形態１によれば、自動車等の車両を運転する運転者の操舵力を補助する３相ブラシレスモータ３の電流制御において、ＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）で構成したインバータ回路４１にてモータ３をＰＷＭ駆動するとともに、このＦＥＴ（ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６）の下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）のソースとグランドＧの間に挿入した電流検出抵抗４１１，４１２，４１３の両端電圧差を差動増幅し、下側ＦＥＴ（ＦＥＴ４〜ＦＥＴ６）のオン期間の差動増幅された信号からオフ期間の差動増幅された信号を減じてモータ３に流れる相電流を検出し、この相電流を運転者の操舵力に応じて制御するようにしたので、該差動増幅の直流オフセットの影響が除去され、長時間操舵を継続した場合にもトルクリップルを生じることなく、良好な操舵感を実現し得る電動パワーステアリング装置を得ることができる。

この発明による電動パワーステアリング装置は、操舵のアシストモータとしてブラシレスモータを使用し、長時間操舵を継続する自動車に適用できる。

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を示すブロック図である。 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相補ＰＷＭ駆動を示すタイミングチャート図である。 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モータ電流検出の動作を説明する図である。 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モータ電流検出の動作を説明する図である。 ３相ブラシレスモータの電気角と相電流の関係を示す図である。 ３相ブラシレスモータの電気角と相電流の関係を示す図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
２ トルクセンサ
３ ３相ブラシレスモータ
４ 制御装置
４１ インバータ回路
４２ ゲート駆動回路
４３〜４５ 差動増幅器
４１１〜４１３ 電流検出抵抗
４６ ＣＰＵ
Ｂ１ 相補PWMパルス発生ブロック
Ｂ２ 調整タイマ
Ｂ３ Ａ／Ｄ変換器
Ｂ４ サンプルホールド回路
Ｂ５ 直流オフセット除去ブロック
Ｂ６ 目標電流設定ブロック
Ｂ７ 電流制御ブロック
ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６ 電界効果トランジスタ

Claims (3)

1. 運転者の操舵力を検出するトルクセンサと、上記運転者の操舵力を補助する３相ブラシレスモータと、上記３相ブラシレスモータの電流を制御する制御装置とを備え、上記３相ブラシレスモータの各相の電流を、上記トルクセンサにて検出した上記運転者の操舵力に応じて制御することにより上記運転者の操舵力を補助する電動パワーステアリング装置において、
   上記制御装置を、
   上記３相ブラシレスモータをＰＷＭ駆動する電界効果トランジスタで構成されるインバータ回路と、
   上記電界効果トランジスタの下アーム側電界効果トランジスタのソースとグランドの間に配設される抵抗の両端電圧差を差動増幅する差動増幅器と、
   上記下アーム側電界効果トランジスタのオン期間の上記差動増幅器の出力をＡ／Ｄ変換して得た値から、上記下アーム側電界効果トランジスタのオフ期間の上記差動増幅器の出力をＡ／Ｄ変換して得た値を減算する手段と、
   を含む構成としたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 上記制御装置に三角波を発生するパルス発生ブロックを備え、上記三角波と所定の値とを比較することにより上記ＰＷＭ駆動のパルスを発生すると共に、上記三角波の山のタイミングと谷のタイミングに同期して上記Ａ／Ｄ変換のサンプルホールドを実行するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 上記三角波の山、または谷のタイミングから所定の時間を経過した後に上記Ａ／Ｄ変換のサンプルホールドを実行するようにしたことを特徴とする請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
   

Images