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JP3525681B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

電動パワーステアリング装置の制御装置

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JP3525681B2
JP3525681B2 JP15107597A JP15107597A JP3525681B2 JP 3525681 B2 JP3525681 B2 JP 3525681B2 JP 15107597 A JP15107597 A JP 15107597A JP 15107597 A JP15107597 A JP 15107597A JP 3525681 B2 JP3525681 B2 JP 3525681B2
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current
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power steering
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JP15107597A
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修司 遠藤
慧 陳
秀行 小林
秀明 川田
裕輔 板倉
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NSK Ltd
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  • Steering Control In Accordance With Driving Conditions (AREA)
  • Power Steering Mechanism (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】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
タ角速度を温度に影響されることなく高精度に推定し
て、全体的な制御精度や追従性といった操舵性を向上で
き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。
【0002】
【従来の技術】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なっている。フィードバッ
ク制御は、電流制御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−ティ比の調整で行なっている。
【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8に示して説明すると、操向ハンドル1
の軸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に結合されている。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がク
ラッチ21、減速ギア3を介して軸2に結合されてい
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からイグニションキー1
1を経て電力が供給され、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とに基いてアシスト指令
の操舵補助指令値Iの演算を行ない、演算された操舵補
助指令値Iに基いてモータ20に供給する電流を制御す
る。クラッチ21はコントロールユニット30でON/
OFF制御され、通常の動作状態ではON(結合)され
ている。そして、コントロールユニット30によりパワ
ーステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニ
ションキー11によりバッテリ14の電源(電圧Vb)
がOFFとなっている時に、クラッチ21はOFF(切
離)される。
【0004】コントロールユニット30は主としてCP
U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9のようになる。
例えば位相補償器31は独立したハードウェアとしての
位相補償器を示すものではなく、CPUで実行される位
相補償機能を示している。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は、操舵系の安定性を高め
るために位相補償器31で位相補償され、位相補償され
た操舵トルクTAが操舵補助指令値演算器32に入力さ
れる。又、車速センサ12で検出された車速Vも操舵補
助指令値演算器32に入力される。操舵補助指令値演算
器32は、入力された操舵トルクTA及び車速Vに基い
てモータ20に供給する電流の制御目標値である操舵補
助指令値Iを決定し、操舵補助指令値演算器32にはメ
モリ33が付設されている。メモリ33は車速Vをパラ
メータとして操舵トルクに対応する操舵補助指令値Iを
格納しており、操舵補助指令値演算器32による操舵補
助指令値Iの演算に使用される。操舵補助指令値Iは減
算器30Aに入力されると共に、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器34に入力され、
減算器30Aの偏差(I−i)は比例演算器35に入力
され、その比例出力は加算器30Bに入力されると共に
フィードバック系の特性を改善するための積分演算器3
6に入力される。微分補償器34及び積分補償器36の
出力も加算器30Bに加算入力され、加算器30Bでの
加算結果である電流制御値Eが、モータ駆動信号として
モータ駆動回路37に入力される。モータ20のモータ
電流値iはモータ電流検出回路38で検出され、モータ
電流値iは減算器30Aに入力されてフィードバックさ
れる。
【0005】モータ駆動回路37の構成例を図10に示
して説明すると、モータ駆動回路37は加算器30Bか
らの電流制御値Eに基いて電界効果トランジスタ(FE
T)FET1〜FET4の各ゲートを駆動するFETゲ
ート駆動回路371、FET1〜FET4で成るHブリ
ッジ回路、FET1及びFET2のハイサイド側を駆動
する昇圧電源372等で構成されている。FET1及び
FET2は、電流制御値Eに基いて決定されるデューテ
ィ比D1のPWM(パルス幅変調)信号によってON/
OFFされ、実際にモータ20に流れる電流Irの大き
さが制御される。FET3及びFET4は、デューティ
比D1の小さい領域では所定1次関数式(a,bを定数
としてD2=a・D1+b)で定義されるデューティ比
D2のPWM信号で駆動され、デューティ比D2も10
0%に達した以降、PWM信号の符号により決定される
モータ20の回転方向に応じてON/OFFされる。
【0006】図3は、図10に示すようなHブリッジ回
路のFET1〜FET4のON/OFFと、モータ20
を流れる電流との関係を示しており、例えばFET3が
導通状態にあるときは、電流はFET1、モータ20、
FET3、抵抗R1を経て流れ(モードA)、モータ2
0に正方向の電流が流れる。又、FET4が導通状態に
あるときは、電流はFET2、モータ20、FET4、
抵抗R2を経て流れ(モードA)、モータ20に負方向
の電流が流れる。従って、加算器30Bからの電流制御
値EもPWM出力となっている。又、FET1がOFF
でFET3がONの場合には、FET4の回生ダイオー
ドを介して電流が流れ(モードB)、FET1及びFE
T3が共にOFFの場合には、モータ20に蓄えられて
いた磁気エネルギーが電気エネルギーに変換され、FE
T2及びFET4の各回生ダイオードを介して電流が流
れる(モードC)。そして、モータ電流検出回路38は
抵抗R1の両端における電圧降下に基いて正方向電流の
大きさを検出すると共に、抵抗R2の両端における電圧
降下に基いて負方向の電流の大きさを検出する。モータ
電流検出回路38で検出されたモータ電流値iは、減算
器30Aに入力されてフィードバックされる。
【0007】尚、モードA〜Cでの実効電流Ie及び実
効電圧Veは図4の(A)及び(B)に示すようにな
る。つまり、モードBはHブリッジ回路内での回生モー
ドであり、このモードBでは基板抵抗やダイオードのO
N電圧に起因した損失があり、このためにモードA及び
Cの発生時間に差を生じる。この結果、実効電圧Veを
発生し、R=Ve/Ieなるインピーダンスを持つこと
になる。
【0008】このような電動パワーステアリング装置の
制御装置では、モータの慣性の影響を補償したり、車両
のヨーレートの収れん性制御のために、モータ角速度や
モータ角加速度の推定値若しくは検出値に基づいた制御
を行なっている。特開平3−74262号公報に示され
るように、コスト低減という大きな目的から、角速度は
モータに発生する逆起電力から推定する方法が一般的に
知られている。即ち、従来モータ角速度の推定は、モー
タの端子間電圧及びモータ電流を検出し、モータのイン
ピーダンスモデルを基にしてモータ逆起電力を算出し、
そのモータ逆起電力がモータ角速度に比例して発生する
ということにより行なっている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】一般的に、モータの電
気的時定数に対してPWM駆動の周波数が十分に高い場
合、駆動方式の特性は無視できる。しかしながら、モー
タの駆動方法として、図10に示すようなHブリッジ回
路で対角に位置する上下のFETをPWM駆動する方式
を採用している場合、図11に示すようにデューティ比
対モータ電流特性に不感帯DBを生じる。図11の曲線
B1が通常の操舵(角速度ω=0)を示し、曲線A1が
ハンドル戻りの操舵を示している。この不感帯DBでは
電流がPWM周期で間欠的に流れることから、ここでは
「断続モード」と呼ぶ。断続モードは、図12の(A)
に示すようにPWMの1サイクル内に電流I=0となる
区間を有するモードである。これに対し、同図の破線の
ように1サイクル内にI=0とならないとその電流分だ
け順次重畳され、同図(B)のように電流Iが上昇する
ことから、ここでは「連続モード」と呼ぶ。この連続モ
ードでは、モータの電気的時定数に比べてPWM周期が
十分に短い時は、モータの電気的特性に応じた過渡応答
を示す。また、断続モードでは、駆動方式が電流及びモ
ータへの実効印加電圧に影響を及ぼしているため、結果
として駆動方式が駆動系のインピーダンスに及ぼす影響
が無視できない。
【0010】従って、駆動系の影響が考慮されていない
従来の推定方式では、インピーダンスモデルが実際と異
なることによるモータ角速度推定誤差を発生する。つま
り、従来の推定方式では、デューティ比とバッテリ電圧
よりモータ印加電圧を推定しているため、モータ印加電
圧の推定値に誤差が生じるからである。その結果、図2
の特性V1に示すように、モータが回っていないにも拘
わらずモータが回っているが如く推定されたり、電流の
小さい領域では、角速度が小さく推定される問題があっ
た。つまり、逆起電力は図2に示すような電流I対モー
タ端子間電圧Vのグラフ上では、ω=0のときの特性
V2と実際の特性V1との差として求められる。従っ
て、ω=0のときのモデルV2と実際の特性V1との差
eはオフセット誤差となり、ω=0に拘らずモータが回
転しているように推定してしまう。従来の推定モデルV
2は、断続モードでのインピーダンスを考慮していない
ため、オフセットの誤差を発生するのである。尚、図2
において、r1はVe/Ieであり、r2はモータの内
部抵抗にほぼ等しいインピーダンスである。上記制御系
では、モータの角速度推定値に基づいて、モータの慣性
の補償、車両のヨーレートの収れん性の制御、電動パワ
ーステアリングの摩擦の補償を行なっているが、これら
の制御が十分に機能せず操舵性能を悪くしていた。
【0011】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、電動パワーステアリング装
置のモータ角速度を高精度に推定することによって、モ
ータの慣性の補償、車両の収れん性制御等を十分に機能
発揮させて、ハンドルの操舵性を向上した電動パワース
テアリング装置の制御装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、ステアリング
シャフトに発生する操舵トルクに基いて演算された操舵
補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御
値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える前記
モータを、PWM周期で制御するようになっている電動
パワーステアリング装置の制御装置に関するもので、本
発明の上記目的は、前記PWM周期において電流がゼロ
となる区間を有する断続モード及び前記PWM周期にお
いて電流がゼロとなる区間を有さない連続モードの各モ
ータ駆動系のインピーダンスモデルを定義してモータ角
度推定を行なうことによって達成される。また、前記
モータ角速度推定における逆起電力演算部に、前記モー
タ電流値に比例する不感帯を設定し、前記不感帯のゲイ
ンを前記断続モード及び連続モードで切替えるようにし
ても良い。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明では、断続モードと連続モ
ードとでそれぞれ異なったモータ駆動系のインピーダン
スモデルを定義することにより、駆動方式が駆動系イン
ピーダンスに及ぼす影響を考慮し、モータ角速度推定を
行なうことにより高精度なモータ角速度推定を可能にし
ている。更に、温度変動によるモータ駆動系のインピー
ダンス特性変化により発生する推定誤差を補償すべく電
流値に比例する不感帯を設定し、不感帯のゲインを断続
モードと連続モードとで切替えるようにしている。又、
モータ温度を測定あるいは推定し、温度変動による推定
誤差を補償するようにしても良い。
【0014】以下、本発明の実施例を図面を参照して説
明する。
【0015】先ず本発明によるモータ角速度ωの推定と
その補償形態を、図9に対応させて図1に示す。コント
ロールユニット30A内のモータ角速度推定器301
は、電流制御値E(モータ端子間電圧に対応)及びモー
タ電流値iよりモータ角速度ωを推定し、推定されたモ
ータ角速度ωをロストルク補償器303及び収れん性制
御器304に入力する。ロストルク補償器303及び収
れん性制御器304の出力はそれぞれ加減算器30Aに
入力され、ロストルク補償器303はモータ20のロス
トルクの発生する方向、つまりモータ20の回転方向に
対してロストルク相当のアシストを行ない、収れん性制
御器304は、車両のヨーの収れん性を改善するために
ハンドルが振れ回る動作に対してブレーキをかけるよう
になっている。また、モータ角速度ωはモータ角加速度
推定器(微分器)302に入力されてモータ角加速度が
推定され、モータ角加速度は慣性補償器305に入力さ
れ、その補償信号が加減算器30Aに入力されている。
慣性補償器305はモータ20の慣性により発生する力
相当分をアシストするものであり、慣性感又は制御の応
答性の悪化を防止する。
【0016】本発明において、断続モードでインピーダ
ンスを発生する理由は、図4に対応させて図5に示すよ
うに立ち上がり時、立ち下がり時の時定数に比べ回生モ
ード(モードB)での時定数が、ダイオードのON電
圧、FETのON抵抗の影響により大きくなり、その結
果実効電圧Veを発生することによる。尚、図5の
(C)はモータ端子間電圧Vを示し、同図(D)はモ
ータ電流値(実効電流)Ieを示し、同図(E)は電流
検出値Idを示している。コントロールユニットでは、
断続的に流れる実効電流値Ieと電流検出値Idが図5
の(D)及び(E)のようにモニターされるので、これ
ら実効電流値Ieで求まるインピーダンスをモータ駆動
系が持っていると認識する。その結果、図2に示すよう
な電流対電圧特性で表わされるインピーダンスとして認
識される。図2において、V1が実際の特性であり、V
2が従来のモデルを示しており、推定誤差eが生じてい
る。
【0017】ここで、断続モードでは、図5を基にイン
ピーダンスRdを求めると、下記数1のようにデューテ
ィ比D1の関数で表わされる。尚、図2において電流I
よりも小さい領域が断続モードでのインピーダンスを
示し、電流I以上の領域が連続モードでのインピーダ
ンスを示している。
【0018】
【数1】Rd=(m1・D1+m2・D1)/(m3
・D1+m4・D1+m5) ただし、m1,m2,m3,m4,m5はバッテリ電圧
(Vb)、PWM周期、モータの時定数で決まる定数で
ある。
【0019】しかしながら、実用上は、一定値のインピ
ーダンスR1と近似できる。断続モードから連続モード
への変曲点は、実際にはモータ角速度に従い変化する。
しかしながら、断続モードにおけるインピーダンスが十
分に大きいことから、一定の電流値になったら変曲する
とみなすことができる。従って、電流Iを検出して推
定のためのインピーダンスモデルを切り換えるようにす
るため、次の数2のようなインピーダンスモデルを定義
できる。
【0020】
【数2】I<Iの場合 K・ω=V−R1・i I≧Iの場合 K・ω=V−(R2・i+b) ただし、K・ωは逆起電力の推定値、Iは断続モー
ドから連続モードへ切り換わる電流値、R1は基準温度
における断続モードのインピーダンス、R2は基準温度
における連続モードのインピーダンスである。
【0021】一方、実際のモータ駆動系の特性は、温度
変動の影響を受ける。従来は、温度変動の影響を排除す
るため電流値に比例した不感帯を設定することにより対
処してきた。本発明においても、電流値に比例した不感
帯を設定することで,モータ内部抵抗のモデル化誤差と
その温度変動の影響を排除できる。ここで、不連続モー
ドのインピーダンス直線は、図6のように温度変動に拘
わらず必ず原点を通り、連続モードでは必ず切片bを通
ることが定性的に分かっており、以下の条件で不感帯を
設定すればよいことが分かる。尚、図6において、Wは
温度変動を受けてインピーダンス特性が存在する幅を示
しており、Vはインピーダンス特性が変曲するモータ
端子間電圧値である。
【0022】
【数3】I<IO/Kの場合 *KT・ω=KT・ω−K1・i I≧IO/Kの場合 *KT・ω=KT・ω−K2・i ただし、K1は断続モードにおける不感帯比例定数、K
2は連続モードにおける不感帯比例定数、Kは基準温度
における断続モードインピーダンスと温度変動を受けて
後のインピーダンスの比であり、K1・i及びK2・i
が不感帯を示している。
【0023】上記例では、不感帯を設定することにより
温度変動の影響を補償したが、温度変動が大きいときは
モータ温度を推定あるいは、測定して補償すると良い。
ところで、モータ印加電圧からみて変曲する位置は、図
6に示すように温度に拘わらずほぼ一定である
(V)。なぜなら、変曲点は、上下段のFETのデュ
ーティ比が支配的であり、モータ印加電圧は、デューテ
ィ比とバッテリ電圧のみの関数で決まるからである。一
方、断続モードにおける電流は、モータの内部抵抗が大
きくなるほど小さくなる。よって、モータ駆動系の温度
変動は、図6の破線に示すように変化する。従って、温
度補償は、以下の数4の条件で行なえる。
【0024】
【数4】I<I/Kの場合 K・ω=V−R1T・i I≧I/Kの場合 K・ω=V−(R2T・i+b) ただし、R1Tは温度Tにおける断続モードのインピー
ダンス、R2Tは温度Tにおける連続モードのインピー
ダンス、K=R1T/R2Tである。
【0025】モータのインピーダンスモデルの変化は、
温度変動の他、製造誤差によるものがある。従って、不
感帯による補正方法と併用し補正を行なうことにより、
より高精度な推定が行なうことができる。尚、モータの
印加電圧については、従来は、デューティ比より推定す
る方法がとられていたが、モータ角速度をパラメータと
したモータ印加電圧とデューティ比の関係は、図7に示
すような非線形特性となるため、モータ印加電圧を直接
モニターに用いるのがよい。図7の実線が通常操舵時で
あり、一点鎖線がハンドル戻りの操舵である。
【0026】
【発明の効果】本発明では、断続モードと連続モードと
それぞれ異なったモータ駆動系のインピーダンスモデル
を定義することにより、駆動方式が駆動系インピーダン
スに及ぼす影響を考慮しており、かかる影響を除去して
モータ角速度推定を行なうようになっているので、高精
度なモータ角速度の推定が可能である。これにより、モ
ータの慣性の影響、フリクションを高精度に補償するこ
とができる。また、温度変動によるモータ駆動系のイン
ピーダンス特性変化により発生する推定誤差を補償すべ
く電流値に比例な不感帯を設定し、不感帯のゲインを断
続モードと連続モードとで切替えるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成例を示すブロック図である。
【図2】本発明によるモータ電流対モータ端子間電圧の
関係を、従来例と比較して示す図である。
【図3】Hブリッジ回路における電流の経路例を示す図
である。
【図4】モードA〜Cにおける実効電圧及び実効電流の
例を示す図である。
【図5】本発明の動作を説明するための図である。
【図6】温度によるインピーダンス変化を説明するため
の図である。
【図7】モータ角速度をパラメータとしたデューティ比
対モータ端子間電圧の関係を示す図である。
【図8】電動パワーステアリング装置の一例を示すブロ
ック構成図である
【図9】コントロールユニットの一般的な内部構成を示
すブロック図である。
【図10】モータ駆動回路の一例を示す結線図である。
【図11】デューティ比対モータ電流(端子間電圧)特
性の例を示す図である。
【図12】断続モードと連続モードを説明するための図
である。
【符号の説明】
1 操向ハンドル 5 ピニオンラック機構 10 トルクセンサ 12 車速センサ 20 モータ 30,30A コントロールユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川田 秀明 群馬県前橋市鳥羽町78番地 日本精工株 式会社内 (72)発明者 板倉 裕輔 群馬県前橋市鳥羽町78番地 日本精工株 式会社内 (56)参考文献 特開 平9−39808(JP,A) 特開 平8−67261(JP,A) 特開 平3−176272(JP,A) 特開 平5−338544(JP,A) 特開 平3−74262(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B62D 5/04 B62D 6/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ステアリングシャフトに発生する操舵トル
    クに基いて演算された操舵補助指令値と、モータの電流
    値とから演算した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前記モータを、PWM周期で制御
    するようになってい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PWM周期において電流がゼロと
    なる区間を有する断続モード及び前記PWM周期におい
    て電流がゼロとなる区間を有さない連続モードの各モー
    タ駆動系のインピーダンスモデルを定義してモータ角速
    度推定を行なう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。
  2. 【請求項2】前記モータ角速度推定における逆起電力演
    算部に、前記モータ電流値に比例する不感帯を設定し、
    前記不感帯のゲインを前記断続モード及び連続モードで
    切替えるようになっている請求項1に記載の電動パワー
    ステアリング装置の制御装置。
  3. 【請求項3】モータ温度を測定し温度変動による推定誤
    差を補償するようになっている請求項2に記載の電動パ
    ワーステアリング装置の制御装置。
JP15107597A 1996-10-01 1997-06-09 電動パワーステアリング装置の制御装置 Expired - Fee Related JP3525681B2 (ja)

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JP15107597A JP3525681B2 (ja) 1997-06-09 1997-06-09 電動パワーステアリング装置の制御装置
US08/931,619 US6013994A (en) 1996-10-01 1997-09-16 Controller of electric power-steering system
DE19742370A DE19742370B4 (de) 1996-10-01 1997-09-25 Steuerung eines elektrischen Leistungslenksystems
KR1019970050209A KR100338965B1 (ko) 1996-10-01 1997-09-30 전기 파워 스티어링 시스템의 제어 장치

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP15107597A JP3525681B2 (ja) 1997-06-09 1997-06-09 電動パワーステアリング装置の制御装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH10338152A JPH10338152A (ja) 1998-12-22
JP3525681B2 true JP3525681B2 (ja) 2004-05-10

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