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KR101885842B1 - 전동 파워 스티어링 장치 - Google Patents

전동 파워 스티어링 장치 Download PDF

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KR101885842B1
KR101885842B1 KR1020187007173A KR20187007173A KR101885842B1 KR 101885842 B1 KR101885842 B1 KR 101885842B1 KR 1020187007173 A KR1020187007173 A KR 1020187007173A KR 20187007173 A KR20187007173 A KR 20187007173A KR 101885842 B1 KR101885842 B1 KR 101885842B1
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다카요시 스가와라
히데키 사와다
료 미나키
Original Assignee
닛본 세이고 가부시끼가이샤
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Abstract

[해결하려고 하는 과제] 저속 조타에서도 양호한 정밀도로 각도 추정을 행할 수 있도록, 모터 회생 전류를 이용한 각도 추정으로 행할 수 있는 전동 파워 스티어링 장치를 제공한다.
[해결 수단] 적어도 조타 토크에 기초하여 전류 지령값을 연산하고, 전류 지령값에 기초하여 조타계에 어시스트 토크를 부여하는 모터를, PWM의 각각의 상 Duty에 의한 인버터에서 구동 제어하고, 또한 조타계 또는 모터의 각도를 검출하는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서, 각도의 검출계가 고장났을 때 각도를 추정하는 각도 추정부를 포함하고, 각도 추정부에서 추정된 추정 각도에 기초하여 어시스트 제어를 행한다. 다계통 권선을 구비한 모터의 제어에도 적용할 수 있다.

Description

전동 파워 스티어링 장치
본 발명은, 적어도 조타 토크에 기초하여 연산된 전류 지령값에 의해, 차량의 조타계에 모터에 의한 어시스트력을 부여하는 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것이며, 특히 모터 회전각을 얻어 제어할 필요가 있는 브러시리스 모터에 대하여, 각도 검출계가 고장(이상을 포함함)났을 때, 모터 회전각을 정확하게 추정하여 어시스트 제어를 계속할 수 있게 한 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것이다.
전동 파워 스티어링 장치(EPS)는, 차량의 스티어링 기구(機構)에 모터의 회전력으로 조타 보조력(어시스트력)을 부여하는 것이고, 전력 공급부(인버터)로부터 공급되는 전력에 의해 제어되는 모터의 구동력을, 기어 등의 전달 기구에 의해, 스티어링 샤프트 또는 랙(rack)축에 조타 보조력을 부여한다. 이러한 종래의 전동 파워 스티어링 장치는, 조타 보조력의 토크를 정확하게 발생시키기 위해서, 모터 전류의 피드백 제어를 행하고 있다. 피드백 제어는, 조타 보조 지령값(전류 지령값)과 모터 전류 검출값의 차이가 작아지도록 모터 인가 전압을 조정하는 것이며, 모터 인가 전압의 조정은, 일반적으로 PWM(펄스 폭 변조) 제어의 듀티의 조정에 의해 행하고 있다.
전동 파워 스티어링 장치의 일반적인 구성을 도 1에 나타내어 설명하면, 핸들(1)의 컬럼축(스티어링 샤프트, 핸들축)(2)은 감속 기어(3), 유니버설 조인트(4a 및 4b), 피니언 랙 기구(5), 타이 로드(6a, 6b)를 거쳐, 허브 유닛(7a, 7b)을 더 통하여 조향(操向) 차륜(8L, 8R)에 연결되어 있다. 또한, 컬럼축(2)에는, 핸들(1)의 조타 토크 Th를 검출하는 토크 센서(10) 및 조타각 θ를 검출하는 타각 센서(14)가 설치되어 있고, 핸들(1)의 조타력을 보조하는 모터(20)가 감속 기어(3)를 통하여 컬럼축(2)에 연결되어 있다. 전동 파워 스티어링 장치를 제어하는 컨트롤 유닛(ECU)(30)에는, 배터리(13)로부터 전력이 공급되고, 또한 이그니션 키(ignition key)(11)를 경유하여 이그니션 키 신호가 입력된다. 컨트롤 유닛(30)은, 토크 센서(10)에서 검출된 조타 토크 Th와 차속 센서(12)에서 검출된 차속 Vs에 기초하여 어시스트(조타 보조) 지령의 전류 지령값의 연산을 행하고, 전류 지령값에 보상 등을 행한 전압 제어 지령값(Vref)에 의해, EPS용 모터(20)에 공급하는 전류를 제어한다.
그리고, 타각 센서(14)로부터는 조타각 θ가 검출되고, 모터(20)에 연결된 리졸버 등의 회전 센서로부터 조타각을 취득하는 것도 가능하다.
컨트롤 유닛(100)에는, 차량의 각종 정보를 주고받는 CAN(Controller Area Network)(40)이 접속되어 있고, 차속 Vel은 CAN(40)으로부터 수신하는 것도 가능하다. 또한, 컨트롤 유닛(30)에는, CAN(40) 이외의 통신, 아날로그/디지털 신호, 전파 등을 주고받는 비(非)CAN(41)도 접속 가능하다.
컨트롤 유닛(30)은 주로 CPU(MPU나 MCU 등도 포함함)로 구성되지만, 그 CPU 내부에 있어서 프로그램에 의해실행되는 일반적인 기능을 나타내면 도 2와 같이 된다.
도 2를 참조하여 컨트롤 유닛(30)을 설명하면, 토크 센서(10)에서 검출된 조타 토크 Th 및 차속 센서(12)에서 검출된[또는 CAN(40)로부터의] 차속 Vs는, 전류 지령값 Iref1을 연산하는 전류 지령값 연산부(31)에 입력된다. 전류 지령값 연산부(31)는, 입력된 조타 토크 Th 및 차속 Vs에 기초하여 어시스트 맵 등을 이용하여, 모터(20)에 공급하는 전류의 제어 목표값인 전류 지령값 Iref1을 연산한다. 전류 지령값 Iref1은 가산부(32A)를 경유하여 전류 제한부(33)에 입력되고, 최대 전류가 제한된 전류 지령값 Irefm이 감산부(32B)에 입력되고, 피드백되고 있는 모터 전류값 Im과의 편차 I(=Irefm-Im)가 연산되어, 그 편차(I)가 조타 동작의 특성 개선을 위한 PI 제어부(34)에 입력된다. PI 제어부(34)에서 특성 개선된 전압 제어 지령값 Vref가 PWM 제어부(35)에 입력되고, 또한 인버터(36)를 통하여 모터(20)가 PWM 구동된다. 모터(20)의 전류값 Im은 모터 전류 검출기(37)에서 검출되고, 감산부(32B)에 피드백된다. 인버터(36)는, 반도체 스위칭 소자로서의 FET의 브리지 회로에 의해 구성되어 있다.
모터(20)에는 리졸버 등의 회전 센서(21)가 연결되어 있고, 회전 센서(21)로부터 모터 회전 각도 θ가 출력되고, 또한 모터 속도 ω이 모터 속도 연산부(22)에서 연산된다.
또한, 가산부(32A)에는 보상 신호 생성부(38)로부터의 보상 신호 CM이 가산되고 있고, 보상 신호 CM의 가산에 의해 조타 시스템계의 특성 보상을 행하여, 수렴성이나 관성 특성 등을 개선하도록 되어 있다. 보상 신호 생성부(38)는, 셀프 얼라이닝 토크(SAT)(38-1)와 관성(38-2)을 가산부(38-4)에서 가산하고, 그 가산 결과에 수렴성(38-3)을 가산부(38-5)에서 더 가산하여, 가산부(38-5)의 가산 결과를 보상 신호 CM으로 하고 있다.
모터(20)가 3상 브러시리스 모터인 경우, PWM 제어부(35) 및 인버터(36)의 상세는, 예를 들면 도 3에 나타낸 바와 같은 구성으로 되어 있고, PWM 제어부(35)는, 전압 제어 지령값 Vref를 소정 식에 따라서 3상분(相分)의 PWM 듀티값 D1∼D6을 연산하는 듀티 연산부(35A)와, PWM 듀티값 D1∼D6으로 구동 소자로서의 FET의 게이트를 구동시키고, 또한 데드 타임의 보상으로서 ON/OFF하는 게이트 구동부(35B)로 구성되어 있다. 인버터(36)는 반도체 스위칭 소자로서의 FET의 3상 브리지(FET1∼FET6)로 구성되어 있고, PWM 듀티값 D1∼D6로 ON/OFF되는 것에 의해 모터(20)를 구동한다. 또한, 인버터(36)와 모터(20) 사이의 전력 공급선에는, 전력 공급을 행하거나(ON) 또는 차단(OFF)하기 위한 모터 릴레이(23)가 각 상에 접속되어 있다.
이와 같은 브러시리스 모터를 사용한 전동 파워 스티어링에서는, 모터 전류를 정확하게 제어하지 않으면, 모터의 발생 토크를 정확하게 얻을 수 없어, 모터 각도를 양호한 정밀도로 검출하는 센서가 필요로 되고 있다. 각도 센서로서는, 리졸버나 홀 센서, MR 센서 등이 있고, 어느 방식이라도 모터의 각도를 필요한 정밀도로 검출하는 기능을 갖추고 있다.
도 4는 각도 검출계의 전체 구성을 나타내고, 핸들(1)에 연결되어 있는 스티어링 샤프트(컬럼축)(2)는 토션 바(2A)를 구비하고 있고, 토션 바(2A)를 사이에 두고 핸들(1) 측에는 핸들 측 각도 센서(14H)가 설치되고, 피니언 측에는 피니언 측 각도(14P)가 형성되어 있다. 또한, 스티어링 샤프트(2)에 감속 기어(3)를 통하여 설치되어 있는 모터(20)에는, 리졸버 등의 회전 센서(21)가 설치되어 있다. 피니언 측 각도 센서(14P)에서 검출된 피니언 측 각도 θp, 회전 센서(21)로부터의 모터 각도 θm, 전류 검출 회로에서 검출된 모터 전류 Im은 컨트롤 유닛(30)에 입력된다.
그러나, 브러시리스 모터를 사용한 전동 파워 스티어링은, 모터 효율이 높은 것 등의 이유로, 비교적 랙 추력이 큰 차량에 사용되고 있다. 따라서, 모터 각도 센서가 고장나면, 모터 전류를 제어하는 것이 불가능해지고, 어시스트 기능이 실함(失陷)되어, 정상 시와는 전혀 다른 조타감이 되어버리는 문제가 있었다. 또한, 어시스트 기능의 실함은, 그때까지는 모터에서 어시스트하고 있던 힘이 갑자기 상실되므로, 운전자는 모터의 어시스트력 상당의 힘을 핸들로부터의 급격한 반력으로서 받아버리게 되고, 이것은 핸들로부터의 충격으로서 받게 된다. 충격의 정도가 운전자에게 컨트롤할 수 있는 범위 내이면 문제는 작지만, 컨트롤할 수 있는 범위 밖인 경우에는, 운전자에 대한 영향뿐만 아니라, 차량 거동에 대한 영향도 일으킬 수 있기 때문에, 안전상의 문제로 될 수 있다.
이에, 브러시리스 모터를 사용한 전동 파워 스티어링은, 모터의 각도 센서가 고장나도 각도 검출할 수 있는 대체 수단을 탑재하는 것이 요구되고 있다.
일본특허 제5614598호 공보 일본특허 제5168057호 공보
종래에는, 주로 모터가 회전할 때 발생시키는 역기 전압을 ECU에서 모니터하고 연산함으로써, 모터의 각도(전기 각도)를 추정하고 있다. 그러나, 모터의 역기 전압은 저속 조타 영역에서는 충분한 전압 진폭을 얻는 것이 어렵고, 스티어링 유지 상태나 저속 조타(100deg/s 이하 등)에서는 각도 추정이 곤란해져, 잘못된 각도를 추정해 버리는 등의 문제가 있다. 이 때문에, 모터의 역기 전압이 충분한 진폭으로 되도록 의도적으로 모터에 전류를 흐르게 하여, 충분한 역기 전압이 얻어지는 모터 회전수를 발생시키는 조작을 행해 보거나, 모터 내의 스테이터에 고주파 전압(200Hz 등)을 인가하고, 벡터 제어의 d축과 q축에서의 인덕턴스 차이를 이용하여, 흐르는 모터 전류의 진폭이나 위상(벡터)을 계측하거나 하는, 복잡한 조작을 행하는 등 각도 추정을 행하고 있다.
그러나, 처음부터 각도 추정되는 것을 전제로 한 모터 구조가 아니므로, 이들 추정 수단을 이용했다고 해도, 저속 조타 영역이나 충분한 조타 어시스트 전류를 흐르게 하고 있는 상태에서는, 추정 정도(精度)의 악화나 오(誤)추정 등의 영향이 커져, 모터 각도 센서가 정상일 때와는 크게 상이한 조타감이 되어버리는 문제가 남아있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 사정에 의해 이루어진 것이고, 본 발명의 목적은, 저속 조타에서도 양호한 정밀도로 각도 추정을 행할 수 있도록, 모터 회생 전류를 이용한 각도 추정을 행할 수 있는 전동 파워 스티어링 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 적어도 조타 토크에 기초하여 전류 지령값을 연산하고, 상기 전류 지령값에 기초하여 조타계에 어시스트 토크를 부여하는 모터를, PWM의 각각의 상 Duty에 의한 인버터에서 구동 제어하고, 또한 상기 조타계 또는 상기 모터의 각도를 검출하는 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것이고, 본 발명의 상기 목적은, 상기 각도의 검출계가 고장났을 때 상기 각도를 추정하는 각도 추정부를 포함하고, 상기 각도 추정부에서 추정된 추정 각도에 기초하여 어시스트 제어를 행함으로써 달성된다.
본 발명의 상기 목적은, 상기 각도 추정부는, 상기 모터의 회생 전류의 검출 위해 상기 각각의 상 Duty를 0% 또는 100%로 고정하는 것에 의해, 또는 모터 전류 검출 회로가 상기 인버터의 하단 스위칭 소자와 접하고 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 0%로 하는 것에 의해, 또는 모터 전류 검출 회로가 상기 인버터의 상단 스위칭 소자와 접하고 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 100%로 하는 것에 의해, 또는 모터 전류 검출 회로가 모터상(相) 위에 배치되어 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 0% 또는 100%로 선택할 수 있는 것에 의해, 또는 상기 각도 추정부는, 상기 각각의 상 Duty의 모두를 고정 중에 상기 모터의 전류를 검출하도록 되어 있는 것에 의해, 또는 상기 각도 추정부는, 검출된 모터 전류로부터 상기 각도를 추정하도록 되어 있는 것에 의해, 또는 상기 각도 추정부는, 스티어링 샤프트 각도의 회전 방향으로부터 추정 각도를 보정하도록 되어 있는 것에 의해, 또는 상기 각도 추정부는, 스티어링 샤프트 각도의 회전 방향 대신에 상기 조타 토크의 부호 또는 상기 조타 토크의 미분값의 부호를 사용하는 것에 의해, 또는 상기 각각의 상 Duty의 고정 시간을 조타 속도 및 어시스트 토크 등의 상황에 따라서 변경할 수 있는 것에 의해, 또는 상기 각도 추정부는, 상기 모터가 전혀 회전하지 않는 상황이면서, 또한 각도 추정이 일정하지 않은 경우에는, 상기 모터에 전류를 흐르게 하여 상기 모터를 움직이고, 그 직후에 상기 각각의 상 Duty를 고정하여 전류를 검출함으로써 각도 추정을 행하도록 되어 있는 것에 의해, 보다 효과적으로 달성된다.
또한, 본 발명은, 적어도 조타 토크에 기초하여 전류 지령값을 연산하고, 상기 전류 지령값에 기초하여 조타계에 어시스트 토크를 부여하는 2계통 권선(卷線)을 가지는 모터를, PWM의 각각의 상 Duty에 의한 각 계통 인버터에서 구동 제어하고, 또한 상기 조타계 또는 상기 모터의 각도를 검출하는 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것이고, 본 발명의 상기 목적은, 상기 각도의 검출계가 고장났을 때 상기 각도를 추정하는 각도 추정부를 각 계통에 포함하고, 상기 각도 추정부에서 추정된 추정 각도에 기초하여 각 계통의 어시스트 제어를 행하는 것에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적은, 상기 각 계통의 각도 추정부는, 상기 2계통 권선의 회생 전류의 검출을 위해 상기 각 계통의 각각의 상 Duty를 0% 또는 100%로 고정하는 것에 의해, 또는 모터 전류 검출 회로가 상기 각 계통 인버터의 하단 스위칭 소자와 접하고 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 0%로 하는 것에 의해, 또는 모터 전류 검출 회로가 상기 각 계통 인버터의 상단 스위칭 소자와 접하고 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 100%로 하는 것에 의해, 또는 모터 전류 검출 회로가 모터상 위에 배치되어 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 0% 또는 100%로 선택할 수 있는 것에 의해, 또는 2계통에서 어시스트 제어해 두고, 각도 추정이 필요해졌을 때만, 한쪽 계통의 어시스트 제어를 정지하도록 되어 있는 것에 의해, 또는 한쪽의 계통에서 어시스트 제어하고, 다른 쪽 계통에서 각도 추정하고 있는 동안에 부족한 어시스트량은, 어시스트 제어하고 있는 계통의 어시스트량을 증가시킴으로써 보충하도록 되어 있는 것에 의해, 또는 각도 추정하고 있는 계통의 회생 전류가 과대해지지 않도록, 모터 개방 릴레이를 ON/OFF 제어하도록 되어 있는 것에 의해, 또는 각도 추정하고 있는 계통의 회생 전류가 과대해지지 않도록, Duty 고정 모드와 0[A] 제어를 고속으로 교대로 전환하도록 되어 있는 것에 의해, 또는 각도 추정하고 있는 계통이 발생시키는 브레이크 토크를 상쇄하는 어시스트 토크를 어시스트하는 계통에서 발생하도록 되어 있는 것에 의해, 또는 상기 각 계통의 인버터의 데드 타임의 영향을 고려하지 않는 경우에는, 고정하는 Duty는 한정하지 않고 3상 모두 동일한 Duty로 하고, 또한 필요한 전류값을 측정할 수 있는 Duty이면 되는 것에 의해, 보다 효과적으로 달성된다.
본 발명에 관한 전동 파워 스티어링 장치에 의하면, 모터 회생 전류를 이용한 각도 추정을 행하도록 하고 있으므로, 저속 조타에서도 양호한 정밀도로 각도 추정을 행할 수 있다. 이에 의해, 각도 검출계가 고장나도, 어시스트 제어를 계속하는 것이 가능해진다.
도 1은, 전동 파워 스티어링 장치의 개요를 나타내는 구성도이다.
도 2는, 전동 파워 스티어링 장치의 컨트롤 유닛(ECU)의 구성예를 나타낸 블록도이다.
도 3은, 전동 파워 스티어링 장치의 모터 제어부의 구성예를 나타낸 선도(線圖)이다.
도 4는, 각도 검출계의 전체 구성을 나타낸 모식도이다.
도 5는, 본 발명의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 6은, 본 발명의 동작예를 나타낸 플로차트다.
도 7은, 상전류로부터 전기각을 추정하기 위한 일례를 나타낸 특성도이다.
도 8은, 2계통 권선을 가지는 모터(Y결선)의 결선도이다.
도 9는, 2계통 권선을 가지는 모터(델타 결선)의 결선도이다.
도 10은, 2계통 권선을 가지는 모터(Y결선)를 구동 제어하는 본 발명이 구체적인 구성예를 나타낸 블록도이다.
본 발명의 구체적인 구성예를 나타낸 블록도이다.
전동 파워 스티어링 장치(EPS)의 구동 소자에 브러시리스 모터를 사용하고 있는 경우, 정확한 모터 토크를 발생시키기 위해 모터 회전각을 얻을 필요가 있다. 통상, 리졸버나 홀 센서, MR 센서 등을 이용하여 각도를 검출하고 있다. 따라서, 이들 각도 검출 수단이 고장(이상을 포함함)난 경우, 정확한 모터 토크를 발생시킬 수 없게 되므로, 전동 파워 스티어링 장치의 주기능이 되는 조타 어시스트 기능을 계속할 수 없게 되는 문제가 있다.
그래서, 본 발명에서는, 각도 센서를 포함하는 각도 검출계가 고장나도 각도를 추정하는 각도 추정 수단을 설치함으로써, 각도 검출계가 고장난 경우라도 추정 각도에 의해 조타 어시스트 기능을 계속시킨다. 각도 추정의 구체적인 수단은, 각도 센서의 고장이 발생하여 각도 추정이 필요해진 타이밍에서, 의도적으로 UVW상 전부의 Duty 지령값을 0%로 고정한다. 이것은, 모터를 완전한 전자(電磁) 브레이크 모드로 함으로써, 스티어링계에 덤핑 성분을 부여하고, 급격한 조타 속도의 변화에 의한 차량 거동의 불안정 상태[요 레이트(yaw rate)의 발산이나, 선회 중의 급격한 조타 토크의 상승, 급격한 횡가속도의 발생 등]를 피하는 것을 목적으로 하고, 또한 모터가 회전함으로써 발생하는 회생 전류를 즉석에서 ECU로 정확하게 검출시켜, 각도 추정을 실시하기 위해서다. 상기 Duty의 전체 상 0% 고정은, 전류 검출 방식이 하류 션트(shunt) 방식의 ECU인 경우이고, 전류 검출 방식이 상류 션트 방식이면, Duty는 전체 상 100%로 고정시킴으로써 덤핑의 부여와 회생 전류 검출이 가능해지고, 상전류 검출 방식의 ECU이면, 0% 또는 100%로 고정하면 된다.
그리고, 각도 추정이 완료되었을 때 Duty 0% 고정을 해제하고, 각도 센서의 각도 정보를 사용할 수 없는 대신, 추정된 각도 정보에 기초하여 통상과 동등한 어시스트 제어를 행하여, 어시스트 기능을 계속시킨다. 어시스트 기능의 계속 중에는 각도 정보를 얻을 수 없게 되므로, 각도 추정(Duty 0% 또는 100% 고정)과 어시스트 제어를 교호로 반복함으로써, 각도 추정하면서 어시스트 제어를 행하는 것이 가능해진다.
본 발명에서는, 저속 조타에서도 양호한 정밀도로 각도 추정을 행할 수 있도록, 각도 검출계가 고장난 타이밍에서 모터 회생 전류를 사용한 각도 추정을 행한다. 이 방법은, ECU의 내부 임피던스(저항 성분)나 모터 권선의 임피던스(저항 성분)가 충분히 낮은 것을 이용하고 있다. 통상, ECU나 모터의 임피던스(저항 성분)는 10mΩ 정도이기 때문에, 모터의 역기 전압으로는 진폭이 지나치게 작아서 계측이 어려운 저속 조타 영역에서도, 충분한 검출 전류값을 얻을 수 있고, 양호한 정밀도로 각도 추정이 가능해진다. 모터의 회생 전류를 ECU에서 양호한 정밀도로 검출하기 위해서는, 3상 모두 동일한 Duty로 유지한다. 이것은 ECU 측으로부터 모터로 쓸데없는 전류를 흐르게 하지 않고, 회생 전류만을 검출하기 위해서다. 그러나, 통상의 모터 구동에 사용되는 회로 구성은, 각 상에 스위칭 소자를 2개 배치한 인버터 구성이므로, 상기 2개의 스위칭 소자가 단락되지 않는 가드 간격으로서 데드 타임이 형성되어 있고, 전류 검출의 정도가 저하되어 버린다. 데드 타임에 의한 검출 정도의 악화를 방지하기 위해, 3상 전부의 Duty는 0% 또는 100%로 고정하는 것에 의해, 데드 타임의 영향을 제외하는 것이 가능해진다.
다만, 모터 전류의 검출 방식에 의해, 고정하는 최적의 Duty는 상이한 것에 주의할 필요가 있다. 예를 들면, 하단의 스위칭 소자와 인접하는 형태로 전류 검출용으로 션트 저항 등의 전류 검출 소자를 배치한 것과 같은 경우에는, Duty를 0%로 고정하여, 모든 모터 회생 전류가 션트 저항을 흐르도록 한다. 이와는 반대로, 상단의 스위칭 소자와 인접하는 형태로 전류 검출 소자가 배치되어 있는 경우에는, Duty를 100%로 고정한다.
만약, 전류 검출 소자가 상단과 하단 사이의 모터상 위에 직접 배치되어 있는 경우, Duty는 100%여도 되고 0%여도 되고 어느 쪽이라도 상관없다. 이와 같이 함으로써, 극히 느린 조타 속도(예를 들면, 10deg/s 이하)라도, 양호한 정밀도로 모터 회생 전류를 검출할 수 있고, 3상의 전류의 대소 관계 등으로부터, 전기각을 추정하는 것이 가능해진다.
이하에, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 구성예를 나타내고 있고, 각도 검출계는 도 4와 동일하게 되어 있다. ECU(200) 내에는 MCU(230), 안정화 전원 회로(201), A/D 변환부(202) 등이 설치되어 있고, MCU(230)는 고장 판정부(210), 각도 추정부(220), 토크 방향 판정부(221), 보정부(222)의 기능을 구비하고 있다. ECU(200)는, FET 게이트 구동 회로(130)에 연산한 각각의 상 Duty를 입력하고, 인버터(140)를 통하여 모터(100)를 구동한다. 인버터(140)에는 배터리(105)로부터 스위치부(131)를 경유하여 전력이 공급되고, 스위치부(131)는 ECU(200)에서 ON/OFF된다. 또한, 배터리(105)로부터 ECU(200)에 전력이 공급되고, 또한 이그니션 키(104)로부터의 이그니션 키 신호가 ECU(200) 및 스위치부(131)에 입력된다.
모터(100)의 로터에는 회전 센서로서 리졸버(101)가 연결되어 있고, 리졸버(101)로부터의 검출 신호는 로터 회전각 검출 회로(102)에 입력되고, 검출된 회전각 θ는 ECU(200)에 입력된다. 또한, 모터(100)의 상전류는 전류 검출 회로(103)에서 검출되고, 검출된 상전류 Ip는 ECU(200)에 입력된다. 또한, 토크 센서(110)에서 검출된 조타 토크 Th는 A/D 변환부(202)에서 디지털값으로 변환되어 MCU(230)에 입력되고, 차속 센서(111)로부터의 차속 Vs는 MCU(230)에 입력된다.
이와 같은 구성에 있어서, 그 동작예를 도 6의 플로차트를 참조하여 설명한다.
동작이 개시로 되면 토크 센서(110)로부터 조타 토크 Th가 입력되고, 또한 차속 센서(111)로부터 차속 Vs가 입력된다(스텝 S1). ECU(200)[MCU(230)]는 조타 토크 Th 및 차속 Vs에 기초하여 전류 지령값을 연산하고(스텝 S2), 또한 각각의 상 Duty를 연산한다(스텝 S3). 게이트 구동 회로(130) 및 인버터(140)를 통하여 모터(100)가 구동된다(스텝 S4). 상기 어시스트 제어 상태에서, 상전류 Ip는 전류 검출 회로(103)에서 검출되고, 회전각 θ는 로터 회전각 검출 회로(102)에서 검출되어, 각각 ECU(200)에 입력된다.
MCU(230) 내의 고장 판정부(210)는, 전술한 바와 같이 어시스트 제어 중에, 각도 센서[리졸버(101) 등]에 고장(이상을 포함함)이 발생하고 있는지 아닌지를 판정한다(스텝 S5). 각도 센서[리졸버(101) 등]의 고장 판정은, sinθ2+cosθ2=1에 들어가고 있는지의 여부 등의, 일반적인 방법을 이용한다. 고장이 발생하지 않은 경우에는, 상기 스텝 S1로 리턴하여 상기 동작을 반복한다.
상기 스텝 S5에 있어서, 고장 판정부(210)에 의해 각도 센서에 고장이 발생한 것으로 판정된 경우에는, Duty를 0%로 고정하여 모터(100)의 구동을 정지하고(스텝 S10), 또한 전류 검출 회로(103)에서 검출한 상전류 Ip의 진폭이 역치 Pth 이상인지 아닌지를 판정한다(스텝 S11). 상전류 Ip의 진폭이 역치 Pth보다 작을 경우에는, 상기 스텝 S10으로 리턴한다. 그리고, 역치 Pth는, A/D 변환 후의 전류 검출값의 노이즈 진폭보다 큰 값으로 한다. 필터 처리 등에 의해 노이즈를 저감시킴으로써, 보다 작은 임계값 Pth를 설정하는 것도 가능하다.
상기 스텝 S11에 있어서, 상전류 Ip의 진폭이 역치 Pth 이상이라고 판정된 경우에는, MCU(230) 내의 각도 추정부(220)는 상전류 Ip로부터 전기각을 추정한다(스텝 S12). 상전류 Ip로부터 전기각을 추정하기 위한 실시예는, 도 7에 나타낸 바와 같은 특성이다. 즉, 예를 들면 U상과 V상이 플러스의 값이고, W상이 마이너스의 값일 때는, 추정 각도는 0∼60°의 범위라고 추정한다. 더욱 상세하게는, U상보다 V상이 클 때는 0∼30°의 범위라고 추정하고, 반대로 U상이 V상보다 큰 경우에는 30∼60°의 범위라고 추정한다. 다른 각도에 대해서도 마찬가지로, 전류의 부호와 대소 관계로부터 30°씩 각도를 추정할 수 있다.
다음에, ECU(200) 내의 토크 방향 판정부(221)는, 피니언 측 각도의 동작으로부터, 모터(100)에 걸리는 토크의 방향을 판정한다(스텝 S13). 상기 스텝 S12에서 추정한 추정 각도는, 모터(100)에 걸리는(발생함) 토크의 방향이 역전되면, 180° 어긋나기 때문에, 컬럼축의 피니언 측 각도(출력축 각도)인 스티어링 샤프트 각도 θp가 변화되는 방향(각도의 변화 방향이란, 회전 방향을 의미함)으로부터, 모터(100)에 걸리는 토크의 방향을 추정하고, 필요하면 180°보정한다. 예를 들면, 스티어링 샤프트 각도 θp가 CW 방향으로 회전하고 있는 경우에는, 모터(100)는 3상이 단락되어 있는 것과 동등하므로, CW 회전에 대하여 브레이크 토크를 발생시킨다. 이 브레이크 토크는 회전 방향과는 반대 방향으로 되므로, 모터(100)의 토크 방향은 CCW로 된다. 반대로 스티어링 샤프트 각도 θp가 CCW 방향으로 회전하고 있는 경우에는, 모터(100)의 토크 방향은 CW로 된다.
MCU(230) 내의 보정부(222)는, 토크 방향 판정부(221)에서 판정된 토크의 방향으로부터 추정 전기각을 보정한다(스텝 S14). 모터(100)의 상전류 Ip는, 모터(100)의 토크 방향이 반전되면, 극성이 반전되는 특성이 있다. 즉, CW 방향의 모터 토크가 각도 90°에서 발생한 경우와, CCW 방향의 모터 토크가 각도 270°에서 발생한 경우에는, 동일한 상전류의 부호와 대소 관계로 된다. 따라서, 보정부(222)는, 예를 들면 도 7에 나타내는 전류와 각도의 관계가, 모터(100)의 발생하는 토크가 CW 방향이었을 경우를 가정하면, 모터(100)의 토크가 CCW 방향이었던 경우에는, 추정 각도를 180°오프셋 보정시킴으로써 바른 각도를 추정할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이 전기각의 추정 및 보정이 종료되면, ECU(200)은 각각의 상 Duty의 0% 고정을 해제하고(스텝 S15), 보정된 추정 각도로 통상과 동일한 어시스트 제어를 행한다(스텝 S16).
전술에서는 전류 검출 회로(103)를 모터상 사이에 배치하여, Duty를 0%로 고정하도록 하고 있지만, 100%로 고정해도 된다. 또한, 인버터 하단의 FET(Q2, Q4, Q6)와 인접하는 형태로 전류 검출용 션트 저항 등의 전류 검출 소자를 배치한 것과 같은 경우는, Duty를 0%로 고정하여, 모든 모터 회생 전류가 션트 저항을 흐르도록 한다. 이와는 반대로, 인버터 상단의 FET(Q1, Q3, Q5)와 인접하는 형태로 전류 검출 소자가 배치되어 있는 경우에는, Duty를 100%로 고정한다.
또한, 각도 추정부(220)는, 스티어링 샤프트 각도(피니언 측 각도) 대신 조타 토크 Th의 부호 또는 조타 토크 Th의 미분값의 부호를 사용하여 토크 방향을 판정해도 되고, 각각의 상 Duty의 고정 시간(각도 추정에 요하는 시간)은, 조타 속도 및 어시스트 토크 등의 상황에 따라서 변경할 수 있다. 또한, 각도 추정부(220)는, 모터(100)가 전혀 회전하지 않는 상황이면서, 또한 각도 추정이 일정하지 않은 경우에는, 모터(100)에 전류를 흘려 모터(100)를 움직이게 하고, 그 직후에 각각의 상 Duty를 고정하여 전류를 검출함으로써 각도 추정을 행하도록 해도 된다.
한편, 최근 모터의 안전성을 높이기 위해, 모터 권선을 다계통화한 모터가 출현하고 있다. 도 8은 Y결선의 3상 모터를 나타내고 있고, 1계통이 U상 권선(UW1), V상 권선(VW1), W상 권선(WW1)으로 구성되고, 다른 1계통이 U상 권선(UW2), V상 권선(VW2), W상 권선(WW2)으로 구성되어 있다. 권선 UW1∼WW1 또는 권선 UW2∼WW2에 3상 전류를 흐르게 함으로써 모터가 구동된다. 또한, 도 9는 델타 결선의 3상 모터를 나타내고 있고, 1계통이 U상 권선(UW1), V상 권선(VW1), W상 권선(WW1)으로 구성되고, 다른 1계통이 U상 권선(UW2), V상 권선(VW2), W상 권선(WW2)으로 구성되어 있다. 권선 UW1∼WW1 또는 권선 UW2∼WW2에 3상 전류를 흐르게 함으로써 모터가 구동된다.
이와 같은 다계통 권선을 가지는 모터로 구동되는 전동 파워 스티어링 장치에도 본 발명을 적용할 수 있고, 그 구성예를 도 5에 대응시켜 도 10에 나타낸다. 본 예에서는, Y결선의 2계통 권선(L1:L1u∼L1w, L2:L2u∼L2w)을 가지는 모터(150)의 구동 제어에 대하여 설명한다.
2계통 모터 권선을 가지는 모터(150)를 구동하는 모터 제어부는, 권선 L1(L1u∼L1w)을 구동 제어하는 제어부(150A)와, 권선 L2(L2u∼L2w)를 구동 제어하는 제어부(150B)로 구성되어 있다. 제어부(150A 및 150B)는 동일 구성이고, 제어부(150A 및 150B)는 각각 ECU(200A 및 200B)에서 제어된다. ECU(200A 및 200B)는 각각 적어도, 고장 판정부(210A 및 210B), 각도 추정부(220A 및 220B), 토크 방향 판정부(221A 및 221B), 보정부(222A 및 222B)의 기능을 구비하고 있다.
ECU(200A 및 200B)에는 조타 토크 Th, 차속 Vs 및 로터 회전각 검출 회로(102)로부터의 회전각 θ가 입력되고, ECU(200A)에는, 제1 계통의 모터 권선(L1)의 각 상 코일로부터 검출된 모터 전류 I1d(Iu1, Iv1, Iw1)가 입력되고, ECU(200B)에는 제2 계통의 모터 권선(L2)의 각 상 코일로부터 검출된 모터 전류 I2d(Iu2, Iv2, Iw2)가 입력된다. ECU(200A)에서, 전술한 바와 같이 연산된 Duty의 구동 신호 GtA는 게이트 구동 회로(130A)에 입력되고, ECU(200B)에서 연산된 Duty의 구동 신호 GtB는 게이트 구동 회로(130B)에 입력된다. 또한, ECU(200A) 내의 고장 판정부(210A)에서 판정된 고장 신호 SAa는 게이트 구동 회로(130A)에 입력되고, ECU(200B) 내의 고장 판정부(210B)에서 판정된 고장 신호 SAb는 게이트 구동 회로(130B)에 입력된다.
또한, 제어부(150A 및 150B)에는, 직류 전원으로서의 배터리(105)로부터 노이즈 필터(106)를 경유하고, 각각 게이트 구동 회로(130A 및 130B)에 의해 ON/OFF되는 전원 차단 회로(131A 및 131B)를 더 통하여 직류 전류가 공급되고 있다. 전원 차단 회로(131A 및 131B)의 각각은, 2개의 FET(QC1, QC2 및 QD1, QD2)가 소스끼리를 접속하여 기생 다이오드가 반대 방향으로 되는 직렬 회로 구성을 갖는다. 그리고, FET(QC1 및 QD1)의 드레인이 서로 접속되어 노이즈 필터(106)의 출력 측에 접속되고, FET(QC2 및 QD2)의 드레인이 인버터(122A 및 122B)의 각 FET(Q1, Q2 및 Q3)의 소스에 접속되어 있다.
인버터(140A 및 140B)의 전원 공급부에는, 전원 평활용 전해 컨덴서(CA 및 CB)가 병렬로 접속되어 있다. 또한, 인버터(140A)와 모터(150)의 권선(L1) 사이에는, 전류 차단용 FET(QA1, QA2 및 QA3)로 이루어지는 모터 개방 릴레이(132A)가 접속되고, 인버터(140B)와 모터(150)의 권선(L2) 사이에는, 전류 차단용 FET(QB1, QB2 및 QB3)로 이루어지는 모터 개방 릴레이(132B)가 접속되어 있다. 모터 개방 릴레이(132A 및 132B)의 FET(QA1∼QA3 및 QB1∼QB3)가 각각의 기생 다이오드(D)의 캐소드를 인버터(140A 및 140B) 측으로 하여, 각각이 동일 방향으로 접속되어 있다.
ECU(200A)는, 각도 검출계의 고장이 판정되지 않아 고장 신호 SAa를 출력하고 있지 않을 때, 연산한 구동 신호 GtA에 기초하여 게이트 구동 회로(130A), 인버터(140A)를 통하여 모터(150)의 권선(L1)을 구동하고, ECU(200B)는, 각도 검출계의 고장이 판정되지 않아 고장 신호 SAb를 출력하고 있지 않을 때, 연산한 구동 신호 GtB에 기초하여 게이트 구동 회로(130B), 인버터(140B)를 통하여 모터(150)의 권선(L2)을 구동한다. 게이트 구동 회로(130A)는 ECU(200A)로부터 고장 신호 SAa가 입력되었을 때, Duty를 0% 또는 100%로 고정하고, 또한 필요에 따라 전원 차단 회로(131A) 및 모터 개방 릴레이(132A)를 OF/OFF 제어한다. 또한, 게이트 구동 회로(130B)는 ECU(200B)로부터 고장 신호 SAb가 입력되었을 때, Duty를 0% 또는 100%로 고정하고, 또한 필요에 따라 전원 차단 회로(131B) 및 모터 개방 릴레이(132B)를 OF/OFF 제어한다.
이와 같은 2계통의 하드웨어 구성의 경우에는, 한쪽의 계통은 구동 전용으로서, 다른 한쪽의 계통은 모터의 전류로부터 각도를 추정하는 전용으로서 사용할 수도 있다. 구체적으로는, 한쪽의 계통은 Duty를 0% 내지 100%로 고정하여, 모터 전류를 항상 검출하여 각도를 계속해서 추정한다. 나머지 다른 한쪽은, 추정된 각도를 사용하여 어시스트 제어를 한다. 이와 같이 함으로써, 각도 추정과 어시스트 제어를 동시에 행하는 것이 가능해지고, 보다 매끄러운 조타감으로 하는 것이 가능해진다. 또한, Duty를 고정한 계통의 모터는 브레이크 토크를 항상 발생시키기 때문에, 어시스트 제어하는 측의 계통에서는, 브레이크 토크를 상쇄하는 어시스트 토크를 발생시킴으로써, 조타감의 변화를 상쇄할 수 있다. 또한, 브레이크 토크 과대에 의한 어시스트 부족이나 불필요한 점성감을 피하기 위해, Duty를 고정한 계통의 모터 개방 릴레이를 ON/OFF 제어함으로써, 과도한 브레이크 토크로 되지 않도록 제어할 수도 있다. 또는, Duty 고정 모드와 0[A] 제어를 고속으로 교호로 반복함으로써도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
각 계통의 인버터의 데드 타임의 영향을 고려하지 않는 경우에는, 고정하는 Duty는 한정하지 않고 3상 모두 동일한 Duty로 하면서, 또한 필요한 전류값을 측정할 수 있는 Duty이면 된다.
1 : 핸들
2A : 토션 바
2 : 컬럼축(스티어링 샤프트, 핸들축)
10, 110 : 토크 센서
12, 111 : 차속 센서
14H : 핸들 측 각도 센서
14P : 피니언 측 각도 센서
20, 100, 150 : 모터
23 : 모터 개방 스위치
30, 200 : 컨트롤 유닛(ECU)
31 : 전류 지령값 연산부
34 : PI 제어부
35 : PWM 제어부
36, 140 : 인버터
101 : 리졸버
102 : 로터 회전각 검출 회로
103 : 전류 검출 회로
130 : FET 게이트 구동 회로
210 : 고장 판정부
220: 각도 추정부
221 : 토크 방향 판정부
222 : 보정부
230 : MCU

Claims (22)

  1. 적어도 조타 토크에 기초하여 전류 지령값을 연산하고, 상기 전류 지령값에 기초하여 조타계에 어시스트 토크를 부여하는 모터를, PWM의 각각의 상 Duty에 의한 인버터에서 구동 제어하고, 또한 상기 조타계 또는 상기 모터의 각도를 검출하는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서,
    상기 각도의 검출계가 고장났을 때 상기 각각의 상 Duty를 고정하여 전류를 검출하고, 상기 각도를 추정하는 각도 추정부를 포함하고, 상기 각도 추정부에서 추정된 추정 각도에 기초하여 어시스트 제어를 행하는,
    전동 파워 스티어링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도 추정부는, 상기 모터의 회생 전류의 검출을 위해 상기 각각의 상 Duty를 0% 또는 100%로 고정하는, 전동 파워 스티어링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    모터 전류 검출 회로가 상기 인버터의 하단 스위칭 소자와 접하고 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 0%로 하는, 전동 파워 스티어링 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    모터 전류 검출 회로가 상기 인버터의 상단 스위칭 소자와 접하고 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 100%로 하는, 전동 파워 스티어링 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    모터 전류 검출 회로가 모터상(相) 위에 배치되어 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 0% 또는 100%로 선택할 수 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각도 추정부는, 상기 각각의 상 Duty의 전부를 고정 중에 상기 모터의 전류를 검출하도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각도 추정부는, 검출된 모터 전류로부터 상기 각도를 추정하도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 각도 추정부는, 스티어링 샤프트 각도의 회전 방향으로부터 추정 각도를 보정하도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 각도 추정부는, 스티어링 샤프트 각도의 회전 방향 대신에 상기 조타 토크의 부호 또는 상기 조타 토크의 미분값의 부호를 사용하고 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 상 Duty의 고정 시간을 조타 속도 및 어시스트 토크 등의 상황에 따라서 변경할 수 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 각도 추정부는, 상기 모터가 전혀 회전하지 않는 상황이면서, 또한 각도 추정이 일정하지 않은 경우에는, 상기 모터에 전류를 흘려 상기 모터를 움직이게 하고, 그 직후에 상기 각각의 상 Duty를 고정하여 전류를 검출함으로써 각도 추정을 행하도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  12. 적어도 조타 토크에 기초하여 전류 지령값을 연산하고, 상기 전류 지령값에 기초하여 조타계에 어시스트 토크를 부여하는 2계통 권선(卷線)을 가지는 모터를, PWM의 각각의 상 Duty에 의한 각 계통 인버터에서 구동 제어하고, 또한 상기 조타계 또는 상기 모터의 각도를 검출하는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서,
    상기 각도의 검출계가 고장났을 때 상기 각각의 상 Duty를 고정하여 전류를 검출하고, 상기 각도를 추정하는 각도 추정부를 각 계통에 포함하고, 상기 각도 추정부에서 추정된 추정 각도에 기초하여 각 계통의 어시스트 제어를 행하는,
    전동 파워 스티어링 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 각 계통의 각도 추정부는, 상기 2계통 권선의 회생 전류의 검출을 위해 상기 각 계통의 각각의 상 Duty를 0% 또는 100%로 고정하는, 전동 파워 스티어링 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    모터 전류 검출 회로가 상기 각 계통 인버터의 하단 스위칭 소자와 접하고 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 0%로 하는, 전동 파워 스티어링 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    모터 전류 검출 회로가 상기 각 계통 인버터의 상단 스위칭 소자와 접하고 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 100%로 하는, 전동 파워 스티어링 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    모터 전류 검출 회로가 모터상 위에 배치되어 있는 경우에는, 고정하는 Duty를 0% 또는 100%로 선택할 수 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    2계통에서 어시스트 제어해 두고, 각도 추정이 필요해졌을 때만, 한쪽 계통의 어시스트 제어를 정지하도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    한쪽의 계통에서 어시스트 제어하고, 다른 쪽의 계통에서 각도 추정하고 있는 동안에 부족한 어시스트량은, 어시스트 제어하고 있는 계통의 어시스트량을 증가시킴으로써 보충하도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    각도 추정하고 있는 계통의 회생 전류가 과대해지지 않도록, 모터 개방 릴레이를 ON/OFF 제어하도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  20. 제12항에 있어서,
    각도 추정하고 있는 계통의 회생 전류가 과대해지지 않도록, Duty 고정 모드와 0[A] 제어를 고속으로 교호로 전환하도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  21. 제12항에 있어서,
    각도 추정하고 있는 계통이 발생시키는 브레이크 토크를 상쇄하는 어시스트 토크를 어시스트하는 계통에서 발생시키도록 되어 있는, 전동 파워 스티어링 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 각 계통의 인버터의 데드 타임의 영향을 고려하지 않는 경우에는, 고정하는 Duty는 한정하지 않고 3상 모두 동일한 Duty로 하고, 또한 필요한 전류값을 측정할 수 있는 Duty이면 되는, 전동 파워 스티어링 장치.
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