(57)【要約】【課題】構成が簡単で、車速や操舵トルク、モータ回転速度を考慮に入れたデッドタイム補償を用いることにより、モータ電圧、電流の歪みやトルクリップルの少ない電動パワーステアリング装置の制御装置を提供する。【解決手段】ステアリングシャフトに発生する操舵トルク及び車速に基いて操舵補助指令値を演算し、前記操舵補助指令値を入力とする電流制御部からの電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流をインバータを用いて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記車速の関数に基づいて前記インバータのデッドタイム補償を実施するデッドタイム補償手段を設ける。【選択図】    図１
2006111062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングシャフトに発生する操舵トルク及び車速に基いて操舵補助指令値を演算し、前記操舵補助指令値を入力とする電流制御部からの電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流をインバータを用いて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記車速の関数に基づいて前記インバータのデッドタイム補償を実施するデッドタイム補償手段を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
【請求項２】
前記車速の関数が、前記車速が小さい場合に前記デッドタイム補償値を小さくする関数である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
【請求項３】
ステアリングシャフトに発生する操舵トルク及び車速に基いて操舵補助指令値を演算し、前記操舵補助指令値を入力とする電流制御部からの電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流をインバータを用いて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記操舵トルクの関数に基づいて前記インバータのデッドタイム補償を実施するデッドタイム補償手段を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
【請求項４】
前記操舵トルク関数が、前記操舵トルクが小さい場合に前記デッドタイム補償値を小さくする関数である請求項３に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
【請求項５】
ステアリングシャフトに発生する操舵トルク及び車速に基いて操舵補助指令値を演算し、前記操舵補助指令値を入力とする電流制御部からの電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流をインバータを用いて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、モータ回転速度検出手段からの回転速度の関数に基づいて前記インバータのデッドタイム補償を実施するデッドタイム補償手段を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
【請求項６】
前記モータの回転速度の関数が、前記回転速度が小さい場合に前記デッドタイム補償値を小さくする関数である請求項５に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特にモータ駆動用インバータのデッドタイム補償を操舵状態に応じて実施するようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助力付勢する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助力付勢するようになっている。そして、当該モータが所望のトルクを発生するようにモータに電流を供給するため、モータ駆動回路としてインバータなどが用いられている。
【０００３】
ここで、特開平８−１４２８８４号公報（特許文献１）に開示されている電動パワーステアリング装置の基本的な構成を図６に示して説明する。
【０００４】
図６において、トルクセンサ１０３で検出されたトルクが位相補償器１２１に入力されてトルク指令値が算出され、この算出されたトルク指令値が電流指令演算器１２２に入力され、車速センサ１１２で検出された車速を加味して電流指令演算器１２２で電流指令値Ｉｒｅｆが算出される。この制御ではフィードバック制御が採用されており、制御対象であるモータ１１０の電流ｉをモータ電流検出回路１４２で検出して比較器（減算器）１２３にフィードバックし、電流指令値Ｉｒｅｆと比較して偏差（Ｉｒｅｆ−ｉ）が算出される。偏差は比例演算器１２５及び積分演算器１２６でいわゆる比例積分補償される。また、過渡応答を良くするための微分補償器１２４には電流指令値Ｉｒｅｆが入力され、加算器１２７にて微分補償器１２４、比例演算器１２５及び積分演算器１２６の各出力が合算されて電流制御値Ｅが算出される。モータ駆動回路１４１は入力値である電流制御値Ｅに基き、モータ駆動回路（インバータ）１４１はモータ１１０に電流を供給する。なお、１１４はモータ駆動回路１４１の供給電源（バッテリ）である。
【０００５】
次に、モータ駆動回路１４１の詳細を図７に示して説明する。モータ駆動回路１４１はスイッチング素子であるＦＥＴ１〜ＦＥＴ４から成るインバータ部と、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートを制御するゲート制御部とから構成されている。インバータ部はＦＥＴ１及びＦＥＴ３による上下アーム、或いはＦＥＴ２及びＦＥＴ４による上下アームが構成されてＨブリッジを構成している。ゲート制御部は電流制御値Ｅが変換部１３０に入力され、各ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４に対するタイミング信号が作成され、ゲート駆動回路１３３ａ，１３４ａ、１３３ｂ、１３４ｂへ入力されてＦＥＴのゲート駆動が可能なゲート信号が作成される。しかし、変換部１３０で作成されたタイミング信号は直接ゲート駆動回路１３４ａ及び１３４ｂに入力されず、それぞれデッドタイム回路１３１及びデッドタイム回路１３２に入力されている。この理由は、次の通りである。
【０００６】
インバータ部を構成する各上下アーム、例えばＦＥＴ１及びＦＥＴ３は交互にオン、オフを繰り返し、同じようにＦＥＴ２及びＦＥＴ４は交互にオン、オフを繰り返す。しかし、ＦＥＴは理想スイッチではなく、ゲート信号の指示通りに瞬時にオン、オフせず、ターンオンタイムやターンオフタイムを要する。このため、ＦＥＴ１へのオンの指示とＦＥＴ３へのオフの指示が同時になされると、ＦＥＴ１及びＦＥＴ３が同時にオンになって上下アームが短絡する問題がある。そこで、ＦＥＴ１及びＦＥＴ３が同時にオンすることのないように、ゲート駆動回路１３３ａへオフ信号を与えた場合、ゲート駆動回路１３４ａに直ちにオン信号を与えず、デッドタイム回路１３１でいわゆるデッドタイムという所定時間の間をおいてオン信号をゲート駆動回路１３４ａに与えることにより、ＦＥＴ１及びＦＥＴ３の上下の短絡を防止している。このことは、ＦＥＴ２及びＦＥＴ４にも同様に当てはまる。
【０００７】
しかし、このデッドタイムの存在は、電動パワーステアリング装置の制御にとってトルク不足やトルクリップルの問題を引起こす原因となっている。以下、この問題について詳しく説明する。
【０００８】
先ずデッドタイム、ターンオンタイム、ターンオフタイムについて、図８にそれらの関係を示す。図８において、信号Ｋが基本的なＦＥＴ１及びＦＥＴ３に対するオン、オフ信号とする。しかし、実際にはＦＥＴ１にはＫ１のゲート信号が与えられ、ＦＥＴ２にはＫ２のゲート信号が与えられる。つまり、デッドタイムＴｄが確保されている。そして、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２で構成される相電圧をＶａｎとすると、ゲート信号Ｋ１によるオン信号が与えられてもＦＥＴ１は直ちにオンせず、ターンオンタイムＴｏｎの時間を要してターンオンしており、一方、オフ信号を与えても直ちにオフせずターンオフタイムＴｏｆｆの時間を要している。なお、Ｖｄｃはインバータの電源電圧である。よって、全遅れ時間はＴｔｏｔは（１）式のように示される。
Ｔｔｏｔ＝Ｔｄ＋Ｔｏｎ−Ｔｏｆｆ        …（１）
ここで、ターンオンタイムＴｏｎやターンオフタイムＴｏｆｆは使用するＦＥＴやＩＧＢＴなどの種類、容量などによって変化する。また、デッドタイムＴｄは、一般的にターンオンタイムＴｏｎやターンオフタイムＴｏｆｆより大きい値である。
【０００９】
次に、デッドタイムＴｄによる影響について説明する。
【００１０】
先ず電圧に対する影響では、次のような影響がある。図８に示すように、理想のゲート信号Ｋに対して実際のゲート信号Ｋ１及びＫ２はデッドタイムＴｄの影響でゲート信号Ｋとは異なったものとなる。そのため電圧に歪みが発生するが、その歪電圧の値ΔＶをモータ電流の向きが正の場合（電流の向きが電源からモータへ流れる場合）は下記（２）式に示すものとなり、電流の向きが負の場合（電流の向きがモータから電源へ流れる場合）は下記（３）式に示すものとなる。
−ΔＶ＝−（Ｔｔｏｔ／Ｔｓ）・（Ｖｄｃ／２）      …（２）
ただし、ＴｓはインバータをＰＷＭ制御した場合のＰＷＭ周波数ｆｓの逆
数Ｔｓ＝１／ｆｓである。
ΔＶ＝（Ｔｔｏｔ／Ｔｓ）・（Ｖｄｃ／２）      …（３）
上記（２）式及び（３）式を１つの式で表わすと、下記（４）式のようになる。
ΔＶ＝−ｓｉｇｎ（Ｉｓ）・（Ｔｔｏｔ／Ｔｓ）・（Ｖｄｃ／２）      …（４）
ここで、ｓｉｇｎ（Ｉｓ）はモータ電流の極性を表わす。
（４）式から導かれることは、歪み電圧ΔＶは周波数ｆｓが高く、電源電圧Ｖｄｃが小さい時ほど、デッドタイムＴｄの影響が大きく現れることが分かる。
【００１１】
ここでは、電圧歪みΔＶに対するデッドタイムＴｄの影響について説明したが、電流或いはトルクに関しても、デッドタイムＴｄによる好ましくない影響がある。電流歪みについては、電流が正から負へ、或いは負から正へ変化するときに電流が零付近に張り付く現象（零クランピング現象）がデッドタイムＴｄによって引起こされる。これは負荷（モータ）がインダクタンスのため、デッドタイムＴｄによる電圧の減少が電流を零に維持しようとする傾向があるためである。また、トルクに対するデッドタイムＴｄの影響としては、トルクの出力不足やトルクリップルの増加に現れる。つまり、電流歪みが低次の高調波を発生させ、それがトルクリップルの増加につながる。また、トルクの出力不足は理想の電流よりデッドタイムＴｄの影響を受けた現実の電流が小さくなるために発生する。
【００１２】
このようなデッドタイムの好ましくない影響を防止するために種々の対策、いわゆるデッドタイム補償が考えられてきた。その基本的な考えは、上記（４）式に示す歪み電圧ΔＶを補償することである。
【００１３】
ここで、問題となるのは電流Ｉｓの極性ｓｉｇｎ（Ｉｓ）を正しく検出できないことである。電流Ｉｓの極性を測定するとき、ＰＷＭ制御のノイズや前述した電流の零クランピング現象が電流Ｉｓの極性を正しく測定することを困難にしている。
【００１４】
多くの従来のデッドタイム補償（例えば非特許文献１）は方法が複雑で、ハードウエアの追加が必要で、さらにモータ電流などの負荷電流の変化を考慮に入れた対策を施していないものである。
【特許文献１】特開平８−１４２８８４号公報
【非特許文献１】ベン  ブラヒム  「３相ＰＷＭインバータのデッドタイム補償解析」学会誌ＩＥＥＥ−ＩＥＣＯＮ９８、２巻、７９２頁から７９７頁（Ｂｅｎ−Ｂｒａｈｉｍ、Ｔｈｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｄｅａｄ−ｔｉｍｅ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｔｈｒｅｅ  ｐｈａｓｅ  ＰＷＭ  ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ−ＩＥＣＯＮ９８、Ｖｏｌｕｍｅ２，ｐａｇｅｓ７９２−７９２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
インバータの上下アーム短絡を防止するためのデッドタイム補償がモータ電圧、電流の歪み、或いはトルクの出力不足やトルクリップルの増加を招き、従来そのデッドタイム補償の改善策が複雑で、かつハードウエアの追加を招き、またモータ負荷電流の影響を考慮しない不完全なデッドタイム補償であった。
【００１６】
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、構成が簡単で、車速や操舵トルク、モータ回転速度といった操舵状態を考慮に入れたデッドタイム補償を用いることにより、モータ電圧、電流の歪みやトルクリップルの極めて少ない電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルク及び車速に基いて操舵補助指令値を演算し、前記操舵補助指令値を入力とする電流制御部からの電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流をインバータを用いて制御する電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記車速の関数に基づいて前記インバータのデッドタイム補償を実施するデッドタイム補償手段を設けることによって達成され、前記車速の関数を、前記車速が小さい場合に前記デッドタイム補償値を小さくすることにより、より効果的に達成される。
【００１８】
また、本発明の上記目的は、前記操舵トルクの関数に基づいて前記インバータのデッドタイム補償を実施するデッドタイム補償手段を設けることにより達成され、前記操舵トルクの関数を、操舵トルクが小さい場合に前記デッドタイム補償値を小さくすることにより、より効果的に達成される。
【００１９】
また、本発明の上記目的は、モータ速度検出手段からのモータ回転速度の関数に基づいて前記インバータのデッドタイム補償を実施するデッドタイム補償手段を設けることにより達成され、前記モータ回転速度の関数を、前記回転速度が小さい場合に前記デッドタイム補償値を小さくすることにより、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、パワーステアリングの操舵状態（車速、操舵トルク、モータ回転速度）によってデッドタイム補償量を変えるようにしているので、様々な使用状況において正しくデッドタイム補償を行うことができる利点がある。
【００２１】
特に低速時、低トルク時或いは低回転時などに、デッドタイム補償値に起因する音や振動を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、インバータのデッドタイム補償を実施するに当たり所定の補償値を印加すると共に、車速又は操舵トルク又はモータ回転速度と言った操舵状態に基づいて算出した補償値を加算してインバータのデッドタイムを補償しており、様々な使用状況において正しくデッドタイム補償を行うことができる。
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
【００２４】
図１は電動パワーステアリング装置の制御装置の基本構成をブロック図で示しており、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出するトルクセンサ（図示せず）からの操舵トルク信号Ｔと、車速検出手段（図示せず）からの車速Ｖとに基いて操舵補助指令値算出部４で操舵補助指令値が演算され、操舵補助指令値は、補償系制御部８からの補償値ＣＭと加算部７で加算される。補償系制御部８は、セルフアライニングトルクと慣性を補償する慣性補償値とを加算部８１で加算し、その加算値と収れん性を補償する収れん性補償値とを加算部８２で加算し、その加算値を補償値ＣＭとして出力する。加算部７で加算された加算値（操舵補助指令値＋補償値ＣＭ）が電流指令値Ｉｒｅｆとして電流制御部３に入力され、電流制御部３からは電流制御値ｕが出力される。電流制御値ｕはデッドタイム補償部５に入力されると共に、加算部９に入力される。
【００２５】
一方、モータ１はインバータ２で駆動制御され、モータ１の電流Ｉｍｅｓは電流検出器６で検出されて電流制御部３にフィードバックされ、電流指令値Ｉｒｅｆとの偏差が０となるように制御される。電流制御部３は上記偏差が０になるように制御するＰＩ（比例積分）制御系、又は特許第３５２１５４７に示されるようなフィードフォワード制御と外乱オブザーバ型の組み合わせであっても良い。また、車速検出手段からの車速Ｖは操舵補助指令値算出部４に入力されると共に、インバータ２のデッドタイムを補償するためのデッドタイム補償部５に入力され、デッドタイム補償部５で算出された補償値Δｕが加算部９に入力され、電流制御部３からの電流制御値ｕと加算される。インバータ２は、加算部９からの電流制御値ｕ’（＝Δｕ＋ｕ）に基いてＰＷＭ制御される。インバータ２の構成は、図７に示すような上下アームが２本の単相インバータでも良いし、上下アームが３本から構成される３相インバータであっても良い。
【００２６】
従来におけるインバータのデッドタイム補償には、前述したように印加すべきデッドタイム補償電圧の大きさや、電流の極性を正しく検出することが困難であるといった問題があった。本発明では、歪み電圧ΔＶを電流制御値（電圧指令値若しくはデューティ信号）に加算するが、その際の条件として、モータ単体のデッドタイム補償問題として正確にデッドタイム補償するというより、電動パワーステアリングというアプリケーションとしてデッドタイムが及ぼす悪影響を抑えるようにする。本発明は車速に基づくデッドタイム補償、操舵トルクに基づくデッドタイム補償、モータの回転速度に基づくデッドタイム補償といった操舵状態に応じた補償に適用可能である。
【００２７】
次に、デッドタイム補償部５の詳細を図２に示して説明する。
【００２８】
デッドタイム補償部５の車速関数部５１には車速Ｖが入力され、車速関数部５１で算出された車速関数値Ｖａは極性付与部（乗算部）５３に入力される。また、極性判定部５２には電流制御部３からの電流制御値ｕが入力されており、その正負極性が判定される。正負の極性を示す極性信号Ｐは極性付与部５３に入力され、極性付与部５３で極性を付与された補償値Δｕがデッドタイム補償部５から出力される。
【００２９】
ブラシモータのインバータでは上下アームが２本であり、極性判定部５２の極性判定は、単に電流制御値（電圧指令値若しくはデューティ信号）の符号を極性信号Ｐとして用いれば良い。また、ブラシレスモータのインバータでは上下アームが３本であり、極性判定部５２の極性判定は、各相の電流の極性を正しく判定する必要がある（例えば特願２００３−３１０１３１）。
【００３０】
車速関数部５１の特性は、例えば図３に示すように低速で小さく、中速から次第に大きくなり、高速では一定となるような関数で良い。即ち、車速関数部５１は、車速Ｖの入力に対してＶａ＝ｆ（Ｖ）なる関数に従って車速関数値Ｖａを出力する。
【００３１】
デッドタイム補償値は前記（４）式に示すように、インバータのスイッチング素子の特性によって決まる一定値ΔＶである。しかし、この一定値ΔＶは製造バラツキや経年変化、更には負荷電流の大きさによっても変化すると共に、極性判定も現実には判定ミスが発生する。このため、デッドタイム補償は大きさや極性が誤って設定される可能性があるが、電動パワーステアリングというアプリケーションではかかる設定ミスを改善することができる。つまり、低車速では、誤って設定されるデッドタイム補償による騒音や振動が目立ってしまうので、低車速ではデッドタイム補償値を小さくする。
【００３２】
なお、本例では車速Ｖを入力して車速に対応した車速関数値Ｖａを出力するようにしているが、操舵トルクＴやモータ回転速度ωといった操舵状態のパラメータで関数値を出力するようにしても良い。図４は操舵トルクＴの場合の関数例を示しており、操舵トルクＴの入力に対してＴａ＝ｆ（Ｔ）なる関数に従って操舵トルク関数値Ｔａを出力する。操舵トルクＴの場合、図４に示すように所定値Ｔ０から一定値を保持し、中速から１次関数的に増加し、高速で一定値を保持する関数で良い。デッドタイム補償値は、インバータのスイッチング素子によって決まる一定値ΔＶであるが、負荷電流の大きさによっても変化する値である。そして、操舵トルクが小さい範囲では負荷電流が小さいため、デッドタイム補償値を小さくする。電流が小さい範囲ではデッドタイム補償を行わなくても、デッドタイムによる悪影響が小さい。
【００３３】
また、図５はモータ回転速度ωの場合の関数例を示しており、回転速度ωの入力に対してωａ＝ｆ（ω）なる関数に従って回転速度関数値ωａを出力している。モータ回転速度ωは、別途モータ回転速度検出手段（図示せず）から送信しても良いし、推定によって求めるようにしても良い。モータ回転速度ωの場合は、図５に示すように低速から１次関数的に増加し、中高速で一定値を保持する関数である。上述のようにデッドタイム補償値は、インバータのスイッチング素子によって決まる一定値ΔＶであるが、負荷電流の大きさによっても変化する値である。そして、モータ回転速度が小さい範囲では負荷電流が小さいため、デッドタイム補償値を小さくする。電流が小さい範囲ではデッドタイム補償を行わなくても、デッドタイムによる悪影響が小さいからである。
【００３４】
なお、図４、図５及び図６の特性はいずれも一例を示しており、車両特性に応じて実験的に求めて設定することが望ましい。例えば、あるしきい値までは０で、それ以上で一定値ΔＶという簡単なステップ関数でも良い。
【００３５】
極性判定部５２は電流制御値ｕの正負極性の判定に従って、＋１又は−１を極性信号Ｐとして出力し、極性付与部５３は車速関数値Ｖａと極性信号Ｐの乗算を行うので、補償値Δｕは下記のように表わされる。
極性Ｐが正の場合：  Δｕ＝＋Ｖａ
極性Ｐが負の場合：  Δｕ＝−Ｖａ
また、本例では極性判定部５２は電流制御部３からの電流制御値ｕの極性を判定するようになっているが、モータ１の回転方向で判別するようにしても良い。
【００３６】
このようにして算出された補償値Δｕは、図１で示した電流制御部３の出力である電流制御値ｕに加算部８で加算される。電流制御値ｕに対し補償値Δｕが加算される意味は、電流制御値ｕの示す基本制御に上下アーム短絡を防止するためのデッドタイムによる電圧歪み、電流歪みやトルクリップルを改善させる補償値Δｕを加味して制御することである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のデッドタイム補償を備えた電動パワーステアリング装置の制御装置の一例を示すブロック図である。
【図２】デッドタイム補償部の構成例を示すブロック図である。
【図３】車速関数部の特性例を示す図である。
【図４】操舵トルク関数の場合の特性例を示す図である。
【図５】モータ回転速度関数の場合の特性例を示す図である。
【図６】電動パワーステアリング装置の制御構成を示す図である。
【図７】電動パワーステアリング装置のインバータのデッドタイムを考慮したゲート回路構成を示す図である。
【図８】インバータのスイッチングにおけるデッドタイム、ターンオンタイム、ターンオフタイムの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１                    モータ
２                    インバータ
３                    電流制御部
４                    電流指令値算出部
５                    デッドタイム補償部
６                    電流検出器
７、９、８１、８２    加算部
８                    補償系制御部
５１                  車速関数部
５２                  極性判定部
５３                  極性付与部（乗算部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006111062.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006111062.tif 000009
【図８】
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