(57)【要約】【課題】角度センサからの信号で角速度を算出する際、角速度に対応してサンプリング周期を可変とし、角度信号誤差の影響を少なくした角速度演算装置を提供する。【解決手段】モータに取り付けられた位置センサの角度信号から角速度を算出する角速度演算装置において、前記モータの回転速度に対応して前記角度信号のサンプリング周期を可変とする。また、前記角度信号を複数のサンプリング周期でサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段だサンプリングされた角度信号に基づいてそれぞれ角速度を算出する角速度算出手段と、前記角速度算出手段で算出された角速度を判定する角速度判定部と、前記角速度判定部の判定結果に従って前記角速度の出力を切替えるスイッチ手段とを設ける。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに取り付けられた位置センサの角度信号から角速度を算出する角速度演算装置において、前記モータの回転速度に対応して前記角度信号のサンプリング周期を可変としていることを特徴とする角速度演算装置。
【請求項２】
前記回転速度が高いときに前記サンプリング周期を長くする請求項１に記載の角速度演算装置。
【請求項３】
前記位置センサがレゾルバである請求項１又は２に記載の角速度演算装置。
【請求項４】
モータに取り付けられた位置センサの角度信号から角速度を算出する角速度演算装置において、前記角度信号を複数のサンプリング周期でサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段でサンプリングされた角度信号に基づいてそれぞれ角速度を算出する角速度算出手段と、前記角速度算出手段で算出された角速度を判定する角速度判定部と、前記角速度判定部の判定結果に従って前記角速度の出力を切替えるスイッチ手段とを具備していることを特徴とする角速度演算装置。
【請求項５】
前記角速度判定部が所定値ＴＨ１以上を判定したときにサンプリング周期の最も長い角速度を出力し、前記角速度判定部が所定値ＴＨ２（＜ＴＨ１）未満を判定したときにサンプリング周期の最も短い角速度を出力するようになっている請求項４に記載の角速度演算装置。
【請求項６】
前記サンプリング手段及び角速度算出手段が３系列である請求項５に記載の角速度演算装置。
【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に最適な角速度演算装置に関し、特に位置検出手段としてレゾルバ若しくはエンコーダを使用した角速度演算装置に関する。
【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負荷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負荷付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助トルク）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデュ−ティ比の調整で行っている。電動パワーステアリング装置の各種制御においては、モータの角速度を使用する。
【０００３】
ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図５に示して説明すると、操向ハンドル１のコラム軸２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４Ａ及び４Ｂ、ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット３０には、バッテリ１４から直接電力が供給されると共に、イグニションキー１１からイグニションキー信号が入力され、コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。
【０００４】
コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（又はＭＰＵやＭＣＵ）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、図６のようになっている。
【０００５】
図６を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出されて入力される操舵トルクＴ及び車速センサ１２からの車速Ｖは、操舵補助指令値演算部３１に入力されて基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１が演算される。演算された基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１は操舵系の安定性を高めるための位相補償部３２で位相補償され、位相補償された操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２が加算部３３に入力される。また、操舵トルクＴは応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償部３５に入力され、微分補償された操舵トルクＴＡは加算部３３に入力され、加算部３３は操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２と操舵トルクＴＡを加算し、その加算結果である操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３を減算部３４に入力する。
減算部３４は、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３とフィードバックされているモータ電流ｉとの偏差Ｉｒｅｆ４（＝Ｉｒｅｆ３−ｉ）を求め、偏差Ｉｒｅｆ４はＰＩ制御部３６でＰＩ制御され、更にＰＷＭ制御部３７に入力されてデューティを演算され、インバータ３８を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出手段（図示せず）で検出され、減算部３４に入力されてフィードバックされる。
【０００６】
このような電動パワーステアリング装置はＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵも含む）で制御されるためディジタル系で構成されており、モータ逆起電圧の補償や切増し切戻しの判定、インバータのデッドバンド補償等で、角度（位置）若しくは角速度を計測する必要があり、高精度位置検出センサ若しくは回転速度センサとしてレゾルバ若しくはエンコーダが使用される。ディジタル制御装置では、ディジタル指令と、速度や位置等のアナログ量をサンプリングしたディジタルフィードバックデータが用いられる。このようなサンプル値制御系では、制御処理周期が短いほど制御帯域を広くすることができるため、ディジタル制御装置は、最近のＣＰＵ等の高速化に伴い制御処理周期を短くするようにしている。
【０００７】
また、速度制御に用いるモータの回転速度情報は、処理周期毎のエンコーダパルス数から求めるのが一般的であり、回転速度の検出計算値ωｅ（ｒｐｍ）は下記（１）式で示される。
ωｅ＝Ｖｐ×（６０／Ｔｓ）×１／Ｅ        ・・・（１）
ここにおいて、Ｖｐは回転速度情報（処理周期での差分パルス数）、Ｅは１回転当り
のエンコーダパルス数、Ｔｓは処理周期（ｓ）である。
ところで、エンコーダの分解能は有限であるため、制御処理周期で取得する量子化誤差の影響は、モータの回転速度が低いほど顕著になり、回転速度情報に大きなノイズを伴う。そして、最低検出回転速度より低い場合には、処理周期内で回転速度情報が得られない場合も生ずる。また、ディジタル制御装置における最低検出回転速度ωｅｍは、（１）式で回転速度情報Ｖｐ＝１の場合であるから、下記（２）式となる。
ωｅｍ＝１×（６０／Ｔｓ）×１／Ｅ         ・・・（２）
従って、モータが最低検出回転速度ωｅｍ程度の低速で回転する場合、フィードバック情報の精度が悪くなり、速度の変動が顕著に生じたり、ビビリ振動等好ましくない現象が起きる。
【０００８】
また、（２）式は制御処理周期が短くなるに従って最低検出回転速度ωｅｍが大きくなることを意味するので、量子化誤差の制御系への影響が大きくなる。このような量子化誤差の影響を回避するためには、エンコーダの分解能を高くすればよいが、エンコーダが高価格となり実用性に欠ける。
【０００９】
かかる問題を解決するものとして特許第２６５８９７６号（特許文献１）がある。特許文献１に記載のモータ速度制御方式は、 駆動回路により回転駆動されると共に、回転速度を検出する回転速度検出手段を備えたモータ速度制御方式であり、速度指令に基づき前記駆動回路を駆動する駆動指令を生成する速度補償器と、この速度補償器からの駆動指令と前記回転速度検出手段の回転速度検出値とを基に低域から高域に亘る周波数帯域を推定した２以上の速度推定値を出力する速度推定手段と、この速度推定手段からの２以上の速度推定値を任意の周波数領域でフィルタ処理して合成して速度計算値として出力する実速度算出手段とによりフィ−ドバック制御系を構成し、速度補償器により速度指令と実速度算出手段からの速度計算値とに基づくフィードバック制御による駆動指令を生成してモータを駆動制御するものである。
【００１０】
また、検出精度を回転数の高低に拘わらず一定にする回転数検出装置として、特開平１１−１８３４８９号公報（特許文献２）に示されるものがある。特許文献２に示される検出装置は、
回転体の回転角度データであるディジタル信号を生成する回転角度センサと、この回転角度センサから一定時間毎に角度データをラッチし、前回ラッチ角度データと今回ラッチ角度データとから角度変化量を演算する角度変化量演算手段と、この角度変化量演算手段により算出された角度変化量から回転数を演算する回転数演算手段とを備えたものである。
【特許文献１】特許第２６５８９７６号
【特許文献２】特開平１１−１８３４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記特許文献１に記載の制御方式では、エンコーダ（位置センサ若しくは角度センサ）の出力に含まれる誤差の影響が考慮されておらず、精度の点で問題がある。また、特許文献２に記載の検出装置では、角速度に応じて演算周期を変えておらず、レゾルバ（位置センサ若しくは角度センサ）出力に含まれる誤差の影響が考慮されていない問題がある。
【００１２】
上記従来の装置では、高速回転時に角速度を求める単位時間（サンプリング周期）が短いと、位置センサ若しくは角度センサの精度誤差が角速度変動となって出力に現われ、角速度を用いる機能に影響を与え、騒音を出す。そのため、上記従来の装置を電動パワーステアリングに利用した場合には、逆起電圧補償の振幅が脈動したり、電流指令値の制限値が脈動して電流の振幅が変動したりして、操舵音が発生しドライバに違和感を与える。
【００１３】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、モータ速度制御系における角度センサからの信号で角速度を算出する際、角速度に対応してサンプリング周期を可変とし、角度信号誤差の影響を少なくした角速度演算装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、モータに取り付けられた位置センサの角度信号から角速度を算出する角速度演算装置に関し、本発明の上記目的は、前記モータの回転速度に対応して前記角度信号のサンプリング周期を可変とすることにより達成される。
【００１５】
本発明の上記目的は、前記回転速度が高いときに前記サンプリング周期を長くすることにより、或いは前記位置センサがレゾルバであることにより、より効果的に達成される。
【００１６】
また、本発明は、モータに取り付けられた位置センサの角度信号から角速度を算出する角速度演算装置に関し、本発明の上記目的は、前記角度信号を複数のサンプリング周期でサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段だサンプリングされた角度信号に基づいてそれぞれ角速度を算出する角速度算出手段と、前記角速度算出手段で算出された角速度を判定する角速度判定部と、前記角速度判定部の判定結果に従って前記角速度の出力を切替えるスイッチ手段とを具備することにより達成される。
【００１７】
本発明の上記目的は、前記角速度判定部が所定値ＴＨ１以上を判定したときにサンプリング周期の最も長い角速度を出力し、前記角速度判定部が所定値ＴＨ２（＜ＴＨ１）未満を判定したときにサンプリング周期の最も短い角速度を出力することにより、或いは前記サンプリング手段及び角速度算出手段が３系列であることにより、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の角速度演算装置によれば、高速回転時に角速度を求めるサンプリングの周期（単位時間）を角度誤差周期程度に長くしているので、レゾルバ等の位置センサの角度に精度誤差が角速度変動となることを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
電動パワーステアリング装置では、モータの操舵角度、角速度の検出に角度センサとしてレゾルバが使用されることが多く、レゾルバは例えば図１に示すような誤差を有している。このようなレゾルバをディジタル制御系で使用する場合には、レゾルバ出力を所定周期でサンプリングしてディジタル値に変換（量子化）する必要がある。モータ角速度は、ある単位周期でレゾルバ出力の電気角をサンプリングし、差分に基づいて算出している。角度信号に誤差がある場合、その誤差量は角速度算出時には角速度変化分として現われてしまう。つまり、誤差量の時間微分が角速度の誤差になる。
【００２０】
図２はレゾルバ誤差とサンプリング周期（単位周期）の関係を示しており、特性Ａはサンプリング周期が長い場合を示しており、特性Ｂはサンプリング周期が短い場合を示している。この特性図からも分かるように、サンプリング周期を長くすれば誤差の影響を低減できる。つまり、角速度信号はモータが高速回転ほど角度信号誤差の影響を受けて誤差が大きくなるため、モータが高速回転時に角速度を算出する際、角度信号のサンプリング周期を長くすることにより、角度信号誤差変化量の割合を低減させ、角度信号誤差の影響を少なくすることができる。
【００２１】
本発明は上記原理に基づくものであり、モータのディジタル速度制御系において、モータの低速回転時にサンプリング周期を短くして角速度を算出すると共に、高速回転時にサンプリング周期を長くして角速度を算出してフィードバックする。
【００２２】
図３は本発明を適用できる速度制御系を示しており、速度指令（角速度指令）ωｃとフィードバックされた角速度ωとの偏差が減算器２０４で演算され、偏差が速度制御部２００に入力され、駆動部２０１を介してモータ２０２が速度制御される。モータ２０２には角度センサとしてのレゾルバ２０３が取り付けられており、レゾルバ２０３からの角度θが角速度演算部１００に入力されて角速度ωが算出される。
【００２３】
図４は角速度演算部１００の構成例を示しており、レゾルバ１００からの角度θは０．５ｍｓ周期でサンプリングを行うサンプリング手段１０１、３．０ｍｓ周期でサンプリングを行うサンプリング手段１０２、６．０ｍｓ周期でサンプリングを行うサンプリング手段１０３に入力される。サンプリング手段１０１において０．５ｍｓ周期でサンプリングされた角度θ１は角速度算出手段１１１に入力されて角速度ω１が算出され、サンプリング手段１０２において３．０ｍｓ周期でサンプリングされた角度θ２は角速度算出手段１１２に入力されて角速度ω２が算出され、サンプリング手段１０３において６．０ｍｓ周期でサンプリングされた角度θ３は角速度算出手段１１３に入力されて角速度ω３が算出される。
【００２４】
なお、図示の数値は任意であり、適宜変更可能である。
【００２５】
角速度算出手段１１１で算出された角速度ω１は、スイッチ１２１の接点ａ１に入力される。また、角速度算出手段１１２で算出された角速度ω２は、角速度判定部１２３に入力されると共に、スイッチ１２２の接点ａ２に入力され、角速度算出手段１１３で算出された角速度ω３は、角速度判定部１２４に入力されると共に、スイッチ１２２の接点ｂ２に入力される。角速度判定部１２３は角速度ω２が５００ｒｐｍ未満であるか否かを判定し、判定結果ＤＳ１を出力して切替部１２５を介してスイッチ１２１の接点ａ１，ｂ１を切替える。スイッチ１２１の出力はローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２０を経て角速度ωとして出力される。また、角速度判定部１２４は角速度ω３が１８００ｒｐｍ以上であるか否かを判定し、判定結果ＤＳ２を出力して切替部１２６を介してスイッチ１２２の接点ａ２，ｂ２を切替える。
【００２６】
このような構成において、レゾルバ２０３からの角度θはサンプリング手段１０１〜１０３においてそれぞれ所定周期でサンプリングされ、サンプリングされた角度θ１〜θ３はそれぞれ角速度算出部１１１〜１１３に入力され角速度ω１〜ω３が算出される。角速度判定部１２３は角速度ω２が所定速度（例えば５００ｒｐｍ）未満か否かを判定しており、角速度ω２が５００ｒｐｍ未満となったときに切替部１２５を介してスイッチ１２１の接点をａ１とする。従って、角速度ω２が５００ｒｐｍ未満のときは、角速度算出手段１１１で算出された角速度ω１が、スイッチ１２１及びＬＰＦ１２０を経て角速度ωとして出力される。
【００２７】
角速度ω２が５００ｒｐｍ以上になると、スイッチ１２１の接点はａ１からｂ１に切替えられる。また、角速度判定部１２４は角速度ω３が１８００ｒｐｍ以上か否かを判定しており、角速度ω３が１８００ｒｐｍ以上のときに切替部１２６を介してスイッチ１２２の接点をｂ２とし、１８００ｒｐｍ未満のときに接点をａ２とする。従って、角速度ω３が１８００ｒｐｍ以上の場合には、スイッチ１２２、１２１及びＬＰＦ１２０を経て角速度ω３が角速度ωとして出力され、角速度ω２が５００ｒｐｍ以上で角速度ω３が１８００ｒｐｍ未満の場合には、スイッチ１２２、１２１及びＬＰＦ１２０を経て角速度ω２が角速度ωとして出力される。
【００２８】
なお、本例では角速度判定部１２３が角速度ω２の角速度を判定し、角速度判定部１２４が角速度ω３の角速度を判定しているが、１つの角速度判定部で５００ｒｐｍ未満、１８００ｒｐｍ以上を判定してスイッチ１２１、１２２を切替えるようにしても良い。
【００２９】
以上より、本発明によればモータ回転数（角速度）に対応して、サンプリングの単位周期を下記表１のように３段階に切替えることができる。
【００３０】
【表１】
2007278776.tif 000003
なお、上述では角度センサとしてレゾルバを用いた場合を説明したが、エンコーダでも同様に適用可能である。また、上述では回転速度を５００ｒｐｍ、１８００ｒｐｍをスレッショルドとしてサンプリング周期の切替えを行っているが、このスレッショルドは適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】レゾルバの誤差例を示す特性図である。
【図２】サンプリングを説明するための図である。
【図３】本発明に係る角速度演算部を備えた制御系の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る角速度演算部の構成例を示すブロック図である。
【図５】電動パワーステアリング装置の一般的な構造例を示す図である。
【図６】コントロールユニットの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１                  操向ハンドル
１０                トルクセンサ
１２                車速センサ
２０、５２          モータ
３０                コントロールユニット
１００              角速度演算部
１０１〜１０３      サンプリング手段
１１１〜１１３      角速度算出手段
１２０              ローパスフィルタ
１２１、１２２      スイッチ
１２３、１２４      角速度判定部
２００              速度制御部
２０１              駆動部
２０２              モータ
２０３              レゾルバ
【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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