JP3770297B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータの回転力を利用して車両のステアリング機構に操舵補助力を与えるための電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、モータの回転力を利用して、ステアリングホイールの操作を補助する電動パワーステアリング装置が用いられている。このような電動パワーステアリング装置においては、運転者がステアリングホイールを回転させて操舵を行った時の操舵トルクに応じた操舵補助力が、モータからステアリング機構に与えられるようになっている。
【０００３】
具体的に説明すると、上記モータは、たとえば三相交流モータで構成されており、このモータから発生する操舵補助力の大きさは、コントローラがモータの各相に流れる正弦波電流を制御することにより調整されるようになっている。コントローラには、操舵トルクを検出するためのトルクセンサの出力信号と、モータの回転角を検出するためのモータ回転角センサの出力信号とが入力されている。このトルクセンサおよびモータ回転角センサの出力信号に基づき、コントローラは、モータの各相に与えるべき目標電流値を演算する。また、コントローラには、モータの各相に流れている電流値を検出するためのモータ電流検出回路からの出力信号が入力されている。コントローラは、モータ各相に流れている正弦波電流のピーク値がそれぞれの目標電流値に一致するようにモータ駆動回路を制御する。これにより、操舵トルクに応じた操舵補助力が、モータから発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の電動パワーステアリング装置では、モータのトルクリップルが発生して、ステアリング機構に不快な振動を生じるおそれがあった。
すなわち、モータを長時間連続して使用すると、モータの巻線温度が上昇し、その温度上昇に伴って巻線抵抗が増大する。モータへの最大印加電圧は車両に搭載されたバッテリの発生電圧により制限されるから、モータの巻線抵抗が増大すると、その巻線を流れることのできる許容電流値が小さくなる。そして、モータのいずれか一相でも、許容電流値が上記目標電流値よりも小さくなると、図５に実線で示すように、その相を流れる正弦波電流波形のピーク部分に歪みが生じて、モータのトルクリップルが発生してしまう。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、モータのトルクリップルに起因するステアリング機構の不快な振動の発生を抑制できる電動パワーステアリング装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための本発明は、目標電流に基づいてモータ（Ｍ）を駆動し、このモータの駆動力をステアリング機構（１）に伝達して操舵補助を行う電動パワーステアリング装置（２）において、上記モータに供給すべき目標電流を設定する目標電流設定手段（４１，Ｓ３）と、上記モータに流れる実電流を検出するモータ電流検出手段（７０，Ｓ５）と、上記目標電流設定手段によって設定される目標電流と上記モータ電流検出手段によって検出される実電流との偏差を演算する演算手段（４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗ）と、この演算手段によって演算された偏差が所定値以上の場合に、その偏差に応じて上記目標電流を低減補正する手段（４１，４６，Ｓ６，Ｓ７）とを含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置である。
【０００７】
なお、括弧内は、後述の実施形態における対応構成要素などの符号を表す。以下、この項において同じである。
モータの巻線を流れる巻線電流値は、巻線抵抗値×巻線電流値＋モータ誘起電圧×モータ回転数≦バッテリ電圧の関係を満たしている。したがって、たとえばモータの巻線温度が上昇すると、この温度上昇に伴って巻線抵抗が増大して、その巻線の許容電流値は小さくなる。もしも、この巻線許容電流値がその巻線に供給すべき目標電流値よりも小さくなると、その巻線を流れる電流波形に歪みが生じてしまう。この電流波形の歪みは、モータのトルクリップルが発生する原因となり、ステアリング機構の不快な振動を発生する原因となる。
【０００８】
この発明によれば、目標電流設定手段によって設定される目標電流と上記モータ電流検出手段によって検出される実電流との偏差が所定値以上の場合には、その偏差に応じてモータに供給すべき目標電流が低減補正される。これにより、たとえモータの巻線抵抗が増大した場合であっても、目標電流値を上記巻線許容電流値よりも小さく抑えることができ、モータ巻線を流れる電流波形に歪みが生じるのを防ぐことができる。ゆえに、モータ巻線に流れる電流波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を防止することができ、ひいてはステアリング機構に不快な振動を生じるおそれをなくすことができる。
【０００９】
なお、上記モータは、交流モータであることが好ましく、三相交流モータであることがより好ましい。
また、上記モータとして三相交流モータが適用された場合には、上記目標電流を低減補正する手段は、モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの少なくとも１つの相で、各相目標電流値と各相実電流値との偏差が所定値以上である場合に、その偏差に応じてモータに与えるべき目標電流を低減補正するものであることが好ましい。
【００１０】
さらに、上記目標電流を低減補正する手段は、モータに供給される電流波形が正弦波波形となるように目標電流を低減補正するものであることが好ましい。こうすることにより、たとえ巻線抵抗が増大して、その巻線の許容電流値が小さくなっても、モータに流れる正弦波電流波形のピーク部分に歪みを生じることがない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成をステアリング機構の断面構造とともに示すブロック図である。ステアリング機構１は、車幅方向に沿って配置されたラック１１と、このラック１１にギアボックス１７内において噛合するピニオン部を先端に有するピニオン軸１２と、ラック１１の両端に回動自在に結合されたタイロッド１３と、このタイロッド１３の先端に回動自在に結合されたナックルアーム１４とを備えている。
【００１２】
ナックルアーム１４は、キングピン１５まわりに回動自在に設けられており、このナックルアーム１４に操舵輪１６が取り付けられている。ピニオン軸１２の基端部は、ユニバーサルジョイントを介してステアリング軸に結合されており、このステアリング軸の一端には、図示しないステアリングホイールが固定されている。この構成により、ステアリングホイールを回転させることによって、ラック１１がその長手方向に変位し、ナックルアーム１４がキングピン１５まわりに回動して、操舵輪１６の方向が変化する。
【００１３】
電動パワーステアリング装置２は、ラック１１の途中部に関連して設けられた三相ブラシレスモータＭを有している。モータＭは、車両に固定されたケース２１を備えており、このケース２１内には、ラック１１を取り囲むようにロータ２２が配置され、さらに、ロータ２２を取り囲むようにステータ２３が配置されている。
【００１４】
ロータ２２の一端部には、ボールナット３１が連結されている。このボールナット３１は、ラック１１の途中部に形成されたねじ軸部３２に複数個のボールを介して螺合していて、これによりボールねじ機構３０が形成されている。また、ボールナット３１とモータＭのケース２１との間には、軸受け３３，３４が介装されており、ケース２１とロータ２２の他端部付近との間には、軸受け３５が介装されている。
【００１５】
この構成により、モータＭへの通電が行われて、ロータ２２にトルクが与えられると、その与えられたトルクは、ロータ２２に連結されたボールナット３１に伝達される。ボールナット３１に伝達されたトルクは、ボールねじ機構３０によってラック１１の車幅方向への駆動力に変換される。こうして、モータＭから発生する力がステアリング機構１に与えられる。
【００１６】
操舵補助力の大きさは、モータＭの駆動電流を制御することによって調整される。モータＭの駆動電流は、コントローラ４０によりモータドライバ５０を介して制御されるようになっている。コントローラ４０には、車速を検出するための車速センサ６１、操舵トルクを検出するためのトルクセンサ６２、モータＭの回転角を検出するためのモータ回転角センサ６３、およびモータＭに流れる電流の大きさを検出するためのモータ電流検出回路７０の出力信号が入力されている。コントローラ４０は、上記各出力信号に基づいてモータＭに供給すべき電流値を求め、この電流値に基づいてモータドライバ５０を制御し、これにより、モータＭの各相に流れる電流を制御する。
【００１７】
車速センサ６１は、たとえば、車輪に関連して設けられ、車輪の回転速度に対応した周期でパルス信号を出力する車輪速センサによって実現される。この場合、パルス信号の周期または周波数を計測することによって、車両の速さである車速を求めることができる。
トルクセンサ６２は、ピニオン軸１２をステアリングホイール側の入力軸とラック１１側の出力軸とに分割しておき、入力軸と出力軸との間をトーションバーで結合するとともに、このトーションバーのねじれ量を検出する構成によって実現される。つまり、ステアリングホイールに加えられたトルクとトーションバーのねじれ量が一対一に対応するので、このねじれ量をポテンショメータなどの適当な検出機構で検出することによって操舵トルクを検出できる。
【００１８】
モータ回転角センサ６３は、ロータリエンコーダなどで構成され、ロータ２２に関連して設けられている。ロータリエンコーダから出力されるパルス信号に基づいて、ロータ２２の回転位置、つまりモータＭの回転角を検出することができる。
図２は、コントローラ４０、モータドライバ５０およびモータ電流検出回路７０の構成を示すブロック図である。コントローラ４０は、たとえばＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを含むマイクロコンピュータで構成されており、この図２には、その機能がブロックで示されている。
【００１９】
コントローラ４０は、車速センサ６１およびトルクセンサ６２の出力に基づいてモータＭに与えるべき目標電流値を演算する目標電流演算部４１と、この目標電流演算部４１およびモータ回転角センサ６３の出力信号に基づいて三相分相処理を行う三相分相処理部４２とを備えている。三相分相処理では、目標電流演算部４１で求められた目標電流値に対して、モータＭの回転角に応じたモータ各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の目標電流値が演算される。
【００２０】
三相分相処理部４２から出力されるＵ相目標電流値、Ｖ相目標電流値およびＷ相目標電流値は、それぞれ、減算部４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに与えられている。減算部４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗにはまた、モータ電流検出回路７０が検出したモータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の実電流値が与えられている。減算部４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗは、モータ各相について各相目標電流値と実電流値との差を演算して、その演算結果をそれぞれＵ相ＰＩ(Proportional-Integral）制御部４４Ｕ、Ｖ相ＰＩ制御部４４ＶおよびＷ相ＰＩ制御部４４Ｗに与える。
【００２１】
ＰＩ制御部４４Ｕ，４４Ｖ，４４Ｗは、それぞれ減算部４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗからの出力に基づいてＰＩ演算を行う。このＰＩ演算の結果は、Ｕ相ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御部４５Ｕ、Ｖ相ＰＷＭ制御部４５ＶおよびＷ相ＰＷＭ制御部４５Ｗに与えられる。ＰＷＭ制御部４５Ｕ，４５Ｖ，４５Ｗは、それぞれＰＩ演算結果に対応したＰＷＭ制御信号を作成し、その作成したＰＷＭ制御信号をモータドライバ５０に向けて出力する。
【００２２】
また、減算部４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗの出力は、偏差判定部４６に与えられている。偏差判定部４６は、減算部４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗで求められたモータ各相についての目標電流値と実電流値との偏差が所定値以上であるか否かを判定し、その判定結果を目標電流演算部４１に与える。目標電流演算部４１は、偏差判定部４６からの出力に応じて、車速センサ６１およびトルクセンサ６２の出力に基づいて演算した目標電流値をそのまま三相分相処理部４２に与えたり、目標電流値を低減補正して三相分相処理部４２に与えたりする。
【００２３】
モータドライバ５０は、ＦＥＴ(Field-Effect Transistor) ５１Ｕ，５２Ｕの直列回路と、ＦＥＴ５１Ｖ，５２Ｖの直列回路と、ＦＥＴ５１Ｗ，５２Ｗの直列回路とを並列に接続して構成されており、各直列回路には、車両に搭載されたバッテリからの電圧（たとえば１２Ｖ）が印加されている。そして、ＦＥＴ５１Ｕ，５２Ｕ間の接続点５３ＵがモータＭのＵ相巻線に接続され、ＦＥＴ５１Ｖ，５２Ｖ間の接続点５３ＶがモータＭのＶ相巻線に接続され、ＦＥＴ５１Ｗ，５２Ｗ間の接続点５３ＷがモータＭのＷ相巻線に接続されている。
【００２４】
ＦＥＴ５１Ｕ，５２Ｕ、ＦＥＴ５１Ｖ，５２ＶおよびＦＥＴ５１Ｗ，５２Ｗには、それぞれＰＷＭ制御部４５Ｕ，４５Ｖ，４５ＷからのＰＷＭ制御信号が入力されている。
モータ電流検出回路７０は、たとえばホール素子を用いた変流器７１Ｕ，７１Ｖ，７１Ｗを備えている。変流器７１Ｕ，７１Ｖ，７１Ｗは、それぞれ接続点５３Ｕ，５３Ｖ，５３ＷからモータＭの各相巻線に向けて流れる電流を検出できるように配設されている。変流器７１Ｕ，７１Ｖ，７１Ｗの出力は、それぞれ増幅器（Ａｍｐ）７２Ｕ，７２Ｖ，７２Ｗで増幅された後に、減算部４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗに与えられている。
【００２５】
図３は、コントローラ４０によるモータ制御動作を説明するためのフローチャートである。コントローラ４０は、まず、車速センサ６１およびトルクセンサ６２の出力信号を参照して、車速および操舵トルクについてのデータを取得する（ステップＳ１，Ｓ２）。次いで、コントローラ４０は、車速および操舵トルクに基づいて、モータＭに与えるべき目標電流値を演算する（ステップＳ３）。目標電流値が定まると、コントローラ４０は、その目標電流値に対して、モータＭの回転角に応じたモータ各相の目標電流値を演算する（ステップＳ４）。
【００２６】
次に、コントローラ４０は、モータ電流検出回路７０からの出力を取り込んで、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に流れている実電流値を調べる（ステップＳ５）。そして、モータ各相について各相目標電流値と各相実電流値との偏差を演算し、その偏差が所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ６）。
モータＭの各相巻線を流れる巻線電流値は、車両に搭載されたバッテリの最大電圧を１２Ｖとすると、下記式の関係を満たしている。
【００２７】
巻線抵抗値×巻線電流値＋モータ誘起電圧×モータ回転数≦１２Ｖ …（式）
したがって、たとえばモータＭの各相巻線温度が上昇すると、この温度上昇に伴って各相巻線抵抗が増大して、その巻線の許容電流値は小さくなる。もしも、この巻線許容電流値がステップＳ４で求められるモータ各相の目標電流値よりも小さくなると、図４に実線で示すように、その相を流れる正弦波電流の波形のピーク部分に歪みが生じてしまう。この電流波形の歪みは、モータＭのトルクリップルを発生する原因となる。
【００２８】
そこで、この実施形態においては、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの相で、各相目標電流値と各相実電流値との偏差が所定値以上である場合には、その偏差に応じた比率でモータＭに与えるべき目標電流値が抑制される（ステップＳ７）。これにより、たとえモータＭの各相巻線抵抗が増大した場合であっても、モータ各相についての目標電流値を巻線許容電流値よりも小さく抑えることができ、モータ各相に歪みのない正弦波電流（図４に二点鎖線で示す。）を入力することができる。
【００２９】
コントローラ４０は、こうして新たに設定した目標電流値に対して、モータＭの回転角に応じたモータ各相の目標電流値を再び演算する（ステップＳ８）。そして、コントローラ４０は、各相目標電流値とモータ電流検出回路７０で検出される各相実電流値との偏差に基づいてＰＩ演算を行い（ステップＳ９）、さらにＰＩ演算の結果に対応したＰＷＭ制御信号を作成し、その作成したＰＷＭ制御信号をモータドライバ５０に向けて出力する（ステップＳ１０）。
【００３０】
一方、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれの相においても、目標電流値と実電流値との偏差が所定値未満である場合には（ステップＳ６でＮＯ）、コントローラ４０は、ステップＳ７，Ｓ８の処理をスキップして、ステップＳ４で設定した各相目標電流値とモータ電流検出回路７０で検出される各相実電流値との偏差に基づいてＰＩ演算を行う（ステップＳ９）。そして、ＰＩ演算の結果に対応したＰＷＭ制御信号を作成し、その作成したＰＷＭ制御信号をモータドライバ５０に向けて出力する（ステップＳ１０）。
【００３１】
ステップＳ１０の処理の後、コントローラ４０は、車両のイグニションスイッチがオフされたか否かを判断し、イグニションスイッチがオンのままであればステップＳ１に戻って、上述したステップＳ１以降の処理を行い、イグニションスイッチがオフにされると処理を終了する。
以上のようにこの実施形態によれば、たとえモータＭの各相巻線温度の上昇に伴って巻線抵抗が増大した場合であっても、モータ各相についての目標電流値を巻線許容電流値よりも小さく抑えることができ、モータ各相に歪みのない正弦波電流を入力することができる。これにより、モータ各相に流れる電流波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を防止することができ、ひいてはステアリング機構１に不快な振動を生じるおそれをなくすことができる。
【００３２】
なお、上述の説明では、モータ各相についての目標電流値を巻線許容電流値よりも小さく抑えることができるとしたが、モータ各相についての目標電流値が巻線許容電流値に等しくなるように低減補正されてもよい。この場合であっても、モータ各相に歪みのない正弦波電流を入力することができ、モータ各相に流れる電流波形の歪みに起因するトルクリップルの発生を防止することができる。
【００３３】
以上、この発明の一実施形態について説明した。しかしながら、この発明は、上記の一実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の設計変更を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成をステアリング機構の断面構造とともに示すブロック図である。
【図２】コントローラ、モータドライバおよびモータ電流検出回路の構成を示すブロック図である。
【図３】コントローラによるモータ制御動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】モータ各相への入力電流波形を示す図である。
【図５】モータへの入力電流波形の歪みについて説明するための図である。
【符号の説明】
１ ステアリング機構
２ 電動パワーステアリング装置
４０ コントローラ
４１ 目標電流演算部
４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗ 減算部
４６ 偏差判定部
５０ モータドライバ
７０ モータ電流検出回路
Ｍ モータ

Claims (1)

1. 目標電流に基づいてモータを駆動し、このモータの駆動力をステアリング機構に伝達して操舵補助を行う電動パワーステアリング装置において、
   上記モータに供給すべき目標電流を設定する目標電流設定手段と、
   上記モータに流れる実電流を検出するモータ電流検出手段と、
   上記目標電流設定手段によって設定される目標電流と上記モータ電流検出手段によって検出される実電流との偏差を演算する演算手段と、
   この演算手段によって演算された偏差が所定値以上の場合に、その偏差に応じて上記目標電流を低減補正する手段と
   を含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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