(57)【要約】【課題】  ブラシ付き直流モータの回転速度を精度よく検出することが可能な車両の電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】  運転者のステアリング動作に基づいて、ブラシ付き直流モータを通電駆動してステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両の電動パワーステアリング制御装置において、ブラシ付き直流モータに流れるモータ実電流を検出する電流検出手段と、モータ実電流の値が変動する周期を検出する周期検出手段と、周期に基づいてブラシ付き直流モータの回転速度を推定する回転速度演算手段と、を有することを特徴とする車両の電動パワーステアリング装置として提供可能である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転者のステアリング動作に基づいて、ブラシ付き直流モータを通電駆動してステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両の電動パワーステアリング制御装置において、前記ブラシ付き直流モータに流れるモータ実電流を検出する電流検出手段と、前記モータ実電流の値が変動する周期を検出する周期検出手段と、前記周期に基づいて前記ブラシ付き直流モータの回転速度を推定する回転速度推定手段と、を有することを特徴とする車両の電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記ブラシ付き直流モータに印加するモータ電流指令値を演算する指令値演算手段を有し、前記周期検出手段は、前記モータ電流指令値と前記モータ実電流との偏差に基づいて前記周期を検出するものである請求項１に記載の車両の電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操舵ハンドルの操作をモータによりアシストする車両の電動パワーステアリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
操舵トルクを検出して、同検出した操舵トルクおよび車両の速度に応じてモータの回転を制御することにより、操舵ハンドルの回動操作に対してアシスト力を付与するようにした車両の電動パワーステアリング装置はよく知られている。
【０００３】
モータとしてブラシ付き直流モータ（以下、モータと略称することもある）を使用する場合、モータの回転速度をブラシと整流子（コンミテータ）との間の電圧降下を考慮したモータの逆起電力に基づいて推定している（特許文献１および２参照）。従来の回転速度推定の式は
回転速度＝（モータ端子間電圧−モータ抵抗×電流量）／逆起電圧定数
で表される。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１３９３３９号公報
【特許文献２】特開平１０−１０９６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の式の中で、モータ抵抗は、電流量，コイル温度，ブラシ温度，ブラシおよび整流子との接触抵抗，およびブラシの酸化状態により複雑に変化し、安定した値を示さない。図５にモータに流れる電流とモータ抵抗との関係を示す。理論上は実線部Ｃのような関係となるが、モータの状態を考慮すると斜線部Ｄと図の縦軸および横軸で囲まれた範囲のいずれかの値の抵抗となり、モータ回転速度を正確に算出することができない。よって、車両の電動パワーステアリング装置においては制御性が悪くなる場合がある。
【０００６】
特許文献２のように、モータ角速度推定値に対する不感帯を設けるといった方法もあるが、該不感帯に含まれる場合にはモータ角速度（即ち、モータ回転速度）を一律にゼロとしているので、運転者が操舵違和感を受けることも有り得る。
【０００７】
上記問題を背景として、本発明の課題は、ブラシ付き直流モータの回転速度を精度よく検出することが可能な車両の電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための車両の電動パワーステアリング装置を提供するものである。即ち、請求項１によれば、運転者のステアリング動作に基づいて、ブラシ付き直流モータを通電駆動してステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両の電動パワーステアリング制御装置において、ブラシ付き直流モータに流れるモータ実電流を検出する電流検出手段と、モータ実電流の値が変動する周期を検出する周期検出手段と、周期に基づいてブラシ付き直流モータの回転速度を推定する回転速度演算手段と、を有することを特徴とする車両の電動パワーステアリング装置として構成される。
【０００９】
本発明は、モータ構造に起因する電流変動を用いた回転速度検出方法である。ブラシ付き直流モータが原理的に持つモータ１回転あたりの抵抗変動（図７および図８参照，詳細は後述）に着目し、これに起因する電流変動の周期を計測してモータの回転速度を検出するものである。電流変動は、モータに流れる電流の所定の成分（例えば、４４次成分）によって発生する。これをフィルタにより抽出することで回転速度を検出できる。
【００１０】
図４はモータの回転速度（即ち、回転数）がＮ［ｒｐｍ］のときに流れる電流を高速フーリエ変換した場合の波形である。図４（ａ）のＸは、モータ電流の４４次成分のピーク値で、このときの電流変動周波数はＦである。電流変動周波数はモータの回転数がゼロに近づくにつれて増加し、モータの回転数が上昇するにつれて減少しゼロに近づく直線Ｂのような特性を持つ。この特性を利用すれば電流変動周波数からモータの回転速度（即ち、回転数）を求めることが可能となる。
【００１１】
上記構成によって、モータ回転角センサ等の新たなセンシング手段を付加することなく、つまり、コストの上昇を伴うことなく、正確なモータ回転速度を求めることができ、運転者が操舵違和感を受けることのない車両の電動パワーステアリング装置を構成することができる。
【００１２】
請求項２によれば、本発明の車両の電動パワーステアリング装置は、ブラシ付き直流モータに印加するモータ電流指令値を演算する指令値演算手段を有し、周期検出手段は、モータ電流指令値とモータ実電流との偏差に基づいて周期を検出する構成をとる。
【００１３】
高速フーリエ変換を行なうためには処理能力の非常に高いマイクロプロセッサを必要とするためコスト上昇要因となってしまう。しかし、上記構成によって、高速フーリエ変換を用いることなく単なる減算によりモータ回転速度を求めることができる。よって、高価なマイクロプロセッサおよびモータ回転角センサ等の新たなセンシング手段を付加することなく、つまり、コストの上昇を伴うことなく、正確なモータ回転速度を求めることができ、運転者が操舵違和感を受けることのない車両の電動パワーステアリング装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
車両の電動パワーステアリング装置においてブラシ付き直流モータの回転速度を精度よく検出するという目的を、該モータに流れる電流の変動周波数に基づいて回転速度を検出する方法によって実現した。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態である車両の電動パワーステアリング装置（以下、単に電動パワーステアリング装置と称する）について、図面を用いて説明する。
図１は、電動パワーステアリング装置１の構成図である。操舵ハンドル１０が操舵軸１２ａに接続されている。また、この操舵軸１２ａの下端はトルクセンサ１１に接続されており、ピニオンシャフト１２ｂの上端がトルクセンサ１１に接続されている。また、ピニオンシャフト１２ｂの下端には、ピニオン（図示せず）が設けられ、このピニオンがステアリングギヤボックス１６内においてラックバー１８に噛合されている。更に、ラックバー１８の両端には、それぞれタイロッド２０の一端が接続されると共に各タイロッド２０の他端にはナックルアーム２２を介して操舵輪２４が接続されている。また、ピニオンシャフト１２ｂにはモータ１５が歯車（図示せず）を介して取り付けられていて、いわゆる、コラムタイプの電動パワーステアリング装置を構成している。
【００１６】
モータ１５の取り付け位置は、図１の構成の他にラックバー１８に同軸的に取り付けられるラックタイプ、あるいはモータ１５がステアリングギヤボックス１６に取り付けられ、ピニオンシャフト１２ｂを回転させるピニオンタイプを用いてもよい。
【００１７】
トルクセンサ１１は運転者の操舵ハンドル１０の動きを検出するもので、トーションバーおよびその軸線方向に離間して設置された一対のレゾルバ等の周知のトルク検出部から構成される。操舵軸１２ａが回転すると、その回転量に応じたトルクが検出され、検出された情報は操舵制御部３０に送られる。
【００１８】
操舵制御部３０（本発明の周期検出手段，回転速度演算手段，指令値演算手段）は周知のＣＰＵ３１，ＲＡＭ３２，ＲＯＭ３３，入出力インターフェースであるＩ／Ｏ３４およびこれらの構成を接続するバスライン３５が備えられている。ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３３およびＲＡＭ３２に記憶されたプログラムおよびデータにより制御を行なう。ＲＯＭ３３は、プログラム格納領域３３ａとデータ記憶領域３３ｂとを有している。プログラム格納領域３３ａには操舵制御プログラム３３ｐが格納される。データ記憶領域３３ｂには操舵制御プログラム３３ｐの動作に必要なデータが格納されている。
【００１９】
１９は周知のフィルタ回路で構成されるバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと称することもある）である。ＢＰＦ１９に周知のディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いてもよいし、操舵制御プログラム３３ｐに該フィルタ処理を含む構成を採ってもよい。
【００２０】
電流センサ８（本発明の電流検出手段）は周知のシャント抵抗を含んで構成される。検出された情報は操舵制御部３０に送られ、図示しないＡＤ変換器によってディジタル信号に変換されＣＰＵ３１の処理に用いられる。
【００２１】
さらに、操舵制御部３０には車両の速度を計測するための周知のロータリエンコーダ等の回転検出部を含む車速センサ１７が接続されていて、検出された車両の速度は操舵制御部３０に送られる。
【００２２】
操舵制御部３０においてＣＰＵ３１がＲＯＭ３３に格納された操舵制御プログラムを実行することにより、トルクセンサ１１で検出されたトルクに対応したモータ１５で発生させる駆動トルクを算出し、モータドライバ１４を介してブラシ付き直流モータであるモータ１５に、算出した駆動トルクを発生させるための電圧を印加する。なお、モータ１５については、本発明の電動パワーステアリング装置１に使用可能であれば特に種類を問わない。
【００２３】
図２は操舵制御部３０で行なわれるモータ制御処理の概要を表したブロック図である。なお、この処理は電動パワーステアリング装置１が動作中に操舵制御プログラム３３ｐの他の処理とともに繰り返し行われる。
【００２４】
トルクセンサ１１で検出された操舵トルクを位相補償演算部４９において補正演算した結果と車速センサ１７で検出された車速とに基づいて、アシスト電流演算部５０においてモータ１５に印加する基本アシスト電流を演算する。また、モータ１５の回転速度（即ち、回転数）と車速とに基づいて、補正電流演算部５１においてアシスト電流を補正するための補正電流を演算する。電流加算演算部５２においてアシスト電流と補正電流を加算してモータ１５に印加する電流（モータ電流指令値）を演算する。なお、モータ１５の回転速度の算出方法については後述する。
【００２５】
そして、最大電流演算部５３では指令電流がモータ１５に印加可能な値の範囲内にあるかを調べ、該範囲内にない場合には、指令電流は予め定められた上限値を用いる。そして、電流制御演算部５４では、指令電流を発生するための電圧値を求め、その電圧値をモータ１５に印加する。
【００２６】
図３のフロー図を用いて、操舵制御部３０で行なわれるモータ回転速度演算処理について説明する。まず、最大電流演算部５３でモータ電流指令値を演算する（Ｓ１）。次いで、電流センサ８によりモータ１５に流れるモータ実電流を検出する（Ｓ２）。そして、電流偏差演算部５５において、モータ電流指令値とモータ実電流との偏差を求める（Ｓ３）。求めた偏差を操舵制御部３０に含まれるＤＡ変換器によってアナログ信号に再変換してＢＰＦ１９に入力する。
【００２７】
ＢＰＦ１９では入力されたアナログ信号の直流成分を除去するとともに所定周波数帯域の成分（本発明では４４次成分）を抽出し、その信号（図６参照）をＣＰＵ３１に出力する（Ｓ４）。ＣＰＵ３１は該信号をＡＤ変換した後にモータ回転速度演算部５６において周期を測定する。周期は信号のピーク値間の時間を測定することにより求められる。該信号の波形を微分した結果（波形の傾き）がゼロあるいはゼロに近い値となる場合がピーク値となり、該信号の値が正かつピーク値となった時刻（例えば、ＣＰＵ３１の内部に含まれているカウンタ値による）と、前回の該信号の値が正かつピーク値となった時刻（該カウンタ値）との差が周期Ｔとなる（Ｓ５）。
【００２８】
そして、求めた周期Ｔからモータ１５の回転速度を求める（Ｓ６）。４４次成分を利用している場合には、
（１／（Ｔ×４４））×６０［ｒｐｍ］        ・・・  （１）
となる。ここで、（Ｔ×４４）はモータ１回転あたりの時間（秒）である。
【００２９】
なお、本実施例に用いているモータは、図７（ａ）（モータ軸断面図の一部）のように、ブラシ４個（４１ａ〜４１ｄ），モータ軸と同軸上に配された整流子２２個による２２スロット重ね巻き構成となっている。モータ回転時のブラシ４１ａ〜ブラシ４１ｂ〜ブラシ４１ｃの間の状態について以下に説明する。図７（ｂ）（図７（ａ）をブラシ４１ｂの外側から見た図）の状態では、ブラシ４１ａ〜コイルａ〜コイルｂ〜コイルｃ〜コイルｄ〜コイルｅ〜ブラシ４１ｂの経路と、ブラシ４１ｂ〜コイルｇ〜コイルｈ〜コイルｉ〜コイルｊ〜コイルｋ〜ブラシ４１ｃの経路が生成され、計１０個のコイルに通電がなされる。
【００３０】
図７（ｃ）の状態では、ブラシ４１ａ〜コイルｂ〜コイルｃ〜コイルｄ〜コイルｅ〜ブラシ４１ｂの経路と、ブラシ４１ｂ〜コイルｇ〜コイルｈ〜コイルｉ〜コイルｊ〜コイルｋ〜ブラシ４１ｃの経路が生成され、計９個のコイルに通電がなされる。図７（ｄ）の状態では、ブラシ４１ａ〜コイルｂ〜コイルｃ〜コイルｄ〜コイルｅ〜コイルｆ〜ブラシ４１ｂの経路と、ブラシ４１ｂ〜コイルｇ〜コイルｈ〜コイルｉ〜コイルｊ〜コイルｋ〜ブラシ４１ｃの経路が生成され、計１０個のコイルに通電がなされる。図７（ｅ）の状態では、ブラシ４１ａ〜コイルｂ〜コイルｃ〜コイルｄ〜コイルｅ〜コイルｆ〜ブラシ４１ｂの経路と、ブラシ４１ｂ〜コイルｈ〜コイルｉ〜コイルｊ〜コイルｋ〜〜ブラシ４１ｃの経路が生成され、計９個のコイルに通電がなされる。
【００３１】
このように、ブラシが整流子１個分（１セグメント）移動する際に、通電されるコイル数の変化が２回発生する。コイルには抵抗分が含まれていて、モータ内のブラシと整流子との接触抵抗あるいは配線抵抗（全てのコイルの長さが同一というわけではない）を考慮しても、図８のように、ブラシが１セグメント移動する際にコイル数の変化に対応したモータ抵抗値の変化が２回発生する。即ち、図７（ｂ）の状態では横軸の回転角ｂの位置の状態となり、同様に図７（ｃ）の状態では回転角ｃの位置、図７（ｄ）の状態では回転角ｄの位置、図７（ｅ）の状態では回転角ｅ位置となる。回転角ｃおよびｅの位置で通電されるコイルは９個で、回転角ｂおよびｄの位置で通電されるコイルは１０個であるため、回転角ｃおよびｅの位置の抵抗値を基準（１）とすると、回転角ｂおよびｄの位置の抵抗値は基準値よりも大きな値となる（即ち、抵抗値の比が大きくなる）。
【００３２】
つまり、モータが１回転すると抵抗値の変化が４４（２×２２）回発生する。そこで、本実施例ではＢＰＦ１９により４４次成分を抽出している。また、式（１）においてもモータ１回転あたりの時間（秒）は（Ｔ×４４）となる。よって、この値「４４」は、モータが１回転あたりの抵抗値の変化回数のため、スロット数などのモータの構造により異なる値となる。また、図４（ａ）における点Ｘ以外のピークに対応する電流成分の変動を検出してもよい。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の電動パワーステアリング装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】操舵制御を説明するためのブロック図。
【図３】モータ回転速度演算方法を説明するためのフロー図。
【図４】電流成分の変動周波数とモータ回転数との関係を示す図。
【図５】モータ電流とモータ抵抗値との関係を示す図。
【図６】電流成分の変動の一例を示す図。
【図７】モータ回転時のブラシと整流子との関係を示す図。
【図８】モータ回転時のモータ抵抗値の変化を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１    電動パワーステアリング装置
８    電流センサ（電流検出手段）
１０    操舵ハンドル
１１    トルクセンサ
１５    モータ
１７    車速センサ
３０    操舵制御部（周期検出手段，回転速度演算手段，指令値演算手段）
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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