CN107873008B - 电动助力转向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置的ECU具有：转向角控制部(200)，其输入转向角指令值，控制转向的转向角；助力控制部(147)，其输入助力图渐变增益，输出助力控制输出渐变增益；以及切换判定/渐变增益生成部(145)，其生成与转向角控制输出和助力控制输出相乘的渐变增益，乘以该渐变增益来进行转向角控制部(200)的转向角控制模式和助力控制部(147)的助力控制模式的切换判定。转向角控制部(200)具有位置控制部(208)、转向角速度控制部(212)、转向介入补偿兼方向盘减振单元(220)。在车辆的自动驾驶中驾驶员的方向盘操作即转向介入时，充分反映介入的操作，且降低该操作介入时驾驶员有可能感觉到的不适应、不愉快。

Description

电动助力转向装置
技术领域
本发明涉及一种电动助力转向装置。
背景技术
以往，在用于汽车的转向系统中提出了电动助力转向装置(EPS：Electric PowerSteering)，并使之实用化。当前，根据向方向盘施加的转向转矩，由电动机生成辅助转向转矩，向转向轴传递该辅助转向转矩的电动助力转向装置的开发正不断推进。在这样的电动助力转向装置中，电动机经由减速机构与转向轴相连接，电动机的旋转在通过减速机构减速后传递至转向轴。
另外，近年来，着眼于对车辆进行自动转向的自动驾驶技术，开发了各种技术。当在电动助力转向装置中实现自动转向时，采用以下结构等，即独立地具有转向角控制(运算并控制用于使转向的转向角追随期望的角度的电动机电流指令值)和助力控制(运算并控制用于通过电动机的旋转力向转向机构赋予转向辅助力(助力)的电动机电流指令值)，并对这些输出进行切换(例如，参照专利文献1～3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：专利第3912279号公报
专利文献2：专利第3917008号公报
专利文献3：特开2004-017881号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在自动驾驶过程中，当驾驶员进行的方向盘操作(转向操作)介入时，存在未充分反映所介入的操作的情况。另外，当该操作介入时，驾驶员有时感觉到不适应、不愉快。若对以上内容进行详细叙述，则如下所述。
<课题1(自动驾驶过程中驾驶员介入时的不适应、转向角控制和助力控制的共存)>
在转向角控制中，使用在针对转向角指令的响应性、针对路面反作用力等的干扰抑制性方面具有优秀性能的位置速度控制，例如，在位置控制部中采用P控制(比例控制)，在速度控制部中采用PI控制(比例积分控制)。在切换转向角控制和助力控制各自的输出即指令值时，例如，如果由于驾驶员进行的开关输入而产生突然的切换时，指令值急剧变动，方向盘的举动变得不自然，因此给驾驶员带来不适应。因此，采用以下的方法：对转向角控制指令值和助力控制指令值乘以各个渐变增益(逐渐变化的增益)来逐渐切换输出，由此抑制电流指令值的急剧变动(参照专利文献3等)。
但是，在该方法中，在切换过程中转向角控制指令值被渐变增益限制，向电流指令值输出，相对于转向角控制指令值，电流指令值的输出被限制而相应变小。由于该限制，电动机的实速度相对于转向角速度指令值变慢，因此在转向角速度指令值与实速度之间产生偏差，速度控制中的I控制(积分控制)的积分值积累，由此从速度控制输出更大的转向角控制指令值。结果，在针对助力控制指令值的渐变增益逐渐变大的状态下，基于渐变增益的限制逐渐缓和，因此随着渐变增益的变大，转向角控制指令值成为过度的值，方向盘对于转向角速度指令值过度地响应，以感到担心的形式给驾驶员带来不适应和不愉快。
<课题2>
说起来在包含上述课题1的现有技术(例如，参照专利文献3)的方法中，对转向角偏差进行P控制，对速度控制进行PI控制，当在转向角控制过程中有驾驶员的手动输入的介入时，当然进行动作使得转向角控制追随转向角指令值，在进行从转向角控制向助力控制的“切换动作”之前难以通过手动转向。另外，由于“手动输入检测”和“切换动作”，有时发生时间上的延迟，无法充分进行驾驶员的转向介入动作。
本发明的目的在于，提供一种电动助力转向装置，其在车辆的自动驾驶过程中，当驾驶员的方向盘操作(转向)介入时，能够充分反映所介入的操作，并且能够减少该操作介入时驾驶员有时感觉到的不适应、不愉快。
用于解决课题的手段
为解决该课题，本发明是一种电动助力转向装置，其具有对车辆的转向赋予转向助力的电动机和根据基于所述车辆的目标轨道运算出的转向角指令值来生成所述转向的控制信号的ECU，并且根据所述转向角指令值驱动所述电动机来对所述车辆的所述转向进行助力控制，并且相互切换自动转向控制模式和手动转向控制模式，
所述ECU具有：
转向角控制部，其输入所述转向角指令值，控制所述转向的转向角；
助力控制部，其输入助力图渐变增益，输出助力控制输出渐变增益；以及
切换判定/渐变增益生成部，其生成与所述转向角控制输出和助力控制输出相乘的渐变增益，并乘以该渐变增益来进行所述转向角控制部的转向角控制模式和所述助力控制部的助力控制模式的切换判定，
所述转向角控制部具有：
位置控制部，其对所述转向的目标转向角θt与实际转向角θr之间的偏差乘以比例增益，并且使用FF滤波器来计算转向角速度指令值ωref；
转向角速度控制部，其基于输入的目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr，通过使用了模拟积分的PI控制来计算针对所述电动机的电流指令值，使得所述实际转向角速度ωr追随所述目标转向角速度ωt；以及
转向介入补偿兼方向盘减振单元，其基于驾驶员的转向介入时的转向转矩，输出向以下方向的电流指令值，所述方向为将该转向介入引起的所述转向的扭力杆的扭转消除的方向。
通过如上结构的电动助力转向装置，即使在车辆的自动驾驶过程中没有“手动输入检测”和“切换动作”，也能够实现无不适应的转向介入。另外，能够减轻转向介入时不安感等不适应，并且还能够实现从转向角控制向助力控制的抑制了不适应的切换动作。
优选地在电动助力转向装置中，所述转向角控制部还具有降低方向盘振动频率成分的滤波器或通过相位延迟补偿降低振动频率成分的方向盘振动去除单元。
在以往一般的技术(例如，参照专利文献2)中，进行在位置控制部使用P控制，在速度控制部使用速度PI控制的转向角追随控制。当在车辆中进行转向角控制时，由于行驶车速、摩擦或路面反作用力的变化等，干扰或负荷状况发生大的变化，因而必须是对这些有耐受性的控制结构。然而，仅凭过去的控制技术中的结构，例如在路面反作用力发生变化的情况下还有目标转向角快速变化的情况下，由于方向盘的弹簧和惯性系统而产生振动，足够有可能使驾驶员对此感觉到不适应或不愉快(课题3)。对此，根据如上所述的电动助力转向装置，通过采用方向盘振动去除单元和转向介入补偿兼方向盘减振单元，能够实现自动转向过程中的方向盘的振动抑制。
另外，优选地，所述转向角控制部还具有上下限可变限制器，该上下限可变限制器通过限制器限制所述转向角速度指令值ωref，直到所述渐变完成为止。
在过去的一般的技术(例如，参照专利文献1)中提出了一种进行控制使得在转向角控制开始时使转向角速度渐渐增加，减轻因开始时的方向盘急剧变动给驾驶员带来的不适感的方法。然而，在该方法中，当渐变开始时，继续增加至达到转向角速度上限值为止，因此I控制的积分值会过度地累积。结果，随着渐变增益变大，转向角控制指令值成为过度的值，方向盘对转向角速度指令值过度地响应，给驾驶员带来不适应(课题4)。对此，根据如上所述的电动助力转向装置，通过上下限可变限制器以及转向角控制输出渐变增益、速度指令渐变增益、速度指令渐变增益，来降低如上所述的给驾驶员带来的不适应。
可选地，所述ECU对所述转向角速度控制部中的信号乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度控制渐变增益。
可选地，所述ECU对所述转向角速度指令值ωref乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度指令渐变增益。
可选地，所述转向角控制部还具有可变速率限制器，该可变速率限制器对所述转向角指令值进行速率限制处理，避免由于该转向角指令值θref的剧变使得作为转向角控制输出的转向角控制电流指令值急剧变动的情况。
可选地，所述ECU对来自所述可变速率限制器的转向角指令值乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的转向角指令渐变增益。
可选地，在电动助力转向装置中，所述ECU还具有输入助力图渐变增益并输出助力控制输出的助力控制部，并且对所述助力控制部的输出乘以助力控制输出渐变增益GFT1。
为解决该课题，本发明是一种电动助力转向装置，其具有对车辆的转向赋予转向助力的电动机和根据基于所述车辆的目标轨道运算出的转向角指令值来生成所述转向的控制信号的ECU，并且根据所述转向角指令值驱动所述电动机来对所述车辆的所述转向进行助力控制，并且相互切换自动转向控制模式和手动转向控制模式，
所述ECU具有：
转向角控制部，其输入所述转向角指令值，控制所述转向的转向角；
助力控制部，其通过所述电动机的旋转力对所述转向赋予转向辅助力；以及
切换判定/渐变增益生成部，其生成与所述转向角控制输出和助力控制输出相乘的渐变增益，乘以该渐变增益来进行所述转向角控制部的转向角控制模式和所述助力控制部的助力控制模式的切换判定，
所述转向角控制部具有：
位置控制部，其对所述转向的目标转向角θt与实际转向角θr之间的偏差乘以比例增益，并且使用FF滤波器计算转向角速度指令值ωref；
转向角速度控制部，其基于输入的目标转向角速度ωt和实际转向角速度ωr，通过使用了比例增益Kv和相位延迟补偿的控制来计算针对所述电动机的电流指令值，使得所述实际转向角速度ωr追随所述目标转向角速度ωt；以及
转向介入补偿兼方向盘减振单元，其基于驾驶员的转向介入时的转向转矩，输出向以下方向的电流指令值，所述方向为将该转向介入引起的所述转向的扭力杆的扭转消除的方向。
通过如上结构的电动助力转向装置，即使在车辆的自动驾驶过程中没有“手动输入检测”和“切换动作”，也能够实现无不适应的转向介入。另外，能够减轻转向介入时不安感等不适应，并且还能够实现从转向角控制向助力控制的抑制了不适应的切换动作。
优选地在电动助力转向装置中，所述转向角控制部还具有降低方向盘振动频率成分的滤波器或通过相位延迟补偿降低振动频率成分的方向盘振动去除单元。
在以往一般的技术(例如，参照专利文献2)中，进行在位置控制部使用P控制，在速度控制部使用速度PI控制的转向角追随控制。当在车辆中进行转向角控制时，由于行驶车速、摩擦或路面反作用力的变化等，干扰或负荷状况发生大的变化，因而必须是对这些有耐受性的控制结构。然而，仅凭过去的控制技术中的结构，例如在路面反作用力发生变化的情况下，还有目标转向角快速变化的情况下，由于方向盘的弹簧和惯性系统而产生振动，足够有可能使驾驶员对此感觉到不适应或不愉快(课题3)。对此，根据如上所述的电动助力转向装置，通过采用方向盘振动去除单元和转向介入补偿兼方向盘减振单元，能够实现自动转向过程中的方向盘的振动抑制。
另外，优选地，所述转向角控制部还具有上下限可变限制器，该上下限可变限制器通过限制器限制所述转向角速度指令值ωref，直到所述渐变完成为止。
在过去的一般的技术(例如，参照专利文献1)中提出了一种进行控制使得在转向角控制开始时使转向角速度渐渐增加，减轻因开始时的方向盘急剧变动给驾驶员带来的不适感的方法。然而，在该方法中，当渐变开始时，继续增加至达到转向角速度上限值为止，因此I控制的积分值会过度地累积。结果，随着渐变增益变大，转向角控制指令值成为过度的值，方向盘对转向角速度指令值过度地响应，给驾驶员带来不适应(课题4)。对此，根据如上所述的电动助力转向装置，通过上下限可变限制器以及转向角控制输出渐变增益、速度指令渐变增益、速度指令渐变增益，来降低如上所述的给驾驶员带来的不适应。
可选地，所述ECU对所述转向角速度控制部中的信号乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度控制渐变增益。
可选地，所述ECU对所述转向角速度指令值ωref乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度指令渐变增益。
可选地，所述转向角控制部还具有可变速率限制器，该可变速率限制器对所述转向角指令值进行速率限制处理，避免由于该转向角指令值θref的剧变使得作为转向角控制输出的转向角控制电流指令值急剧变动的情况。
可选地，所述ECU对来自所述可变速率限制器的转向角指令值乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的转向角指令渐变增益。
可选地，在电动助力转向装置中，所述ECU还具有输入助力图渐变增益并输出助力控制输出的助力控制部，并且对所述助力控制部的输出乘以助力控制输出渐变增益GFT1。
为解决该课题，本发明是一种电动助力转向装置，其具有对车辆的转向赋予转向助力的电动机和根据基于所述车辆的目标轨道运算出的转向角指令值来生成所述转向的控制信号的ECU，并且根据所述转向角指令值驱动所述电动机来对所述车辆的所述转向进行助力控制，并且相互切换自动转向控制模式和手动转向控制模式，
所述ECU具有：
转向角控制部，其输入所述转向角指令值，控制所述转向的转向角；
助力控制部，其通过所述电动机的旋转力对所述转向赋予转向辅助力；以及
切换判定/渐变增益生成部，其生成与所述转向角控制输出和助力控制输出相乘的渐变增益，乘以该渐变增益来进行所述转向角控制部的转向角控制模式和所述助力控制部的助力控制模式的切换判定，
所述转向角控制部具有：
位置控制部，其对所述转向的目标转向角θt与实际转向角θr之间的偏差乘以比例增益，并且使用FF滤波器计算转向角速度指令值ωref；
转向角速度控制部，其基于输入的目标转向角速度ωt和实际转向角速度ωr，通过比例控制来计算针对所述电动机的电流指令值，使得所述实际转向角速度ωr追随所述目标转向角速度ωt；以及
转向介入补偿兼方向盘减振单元，其基于驾驶员的转向介入时的转向转矩，输出向以下方向的电流指令值，所述方向为将该转向介入引起的所述转向的扭力杆的扭转消除的方向。
通过如上结构的电动助力转向装置，即使在车辆的自动驾驶过程中没有“手动输入检测”和“切换动作”，也能够实现无不适应的转向介入。另外，能够减轻转向介入时不安感等不适应，并且还能够实现从转向角控制向助力控制的抑制了不适应的切换动作。
优选地在电动助力转向装置中，所述转向角控制部还具有降低方向盘振动频率成分的滤波器或通过相位延迟补偿降低振动频率成分的方向盘振动去除单元。
在以往一般的技术(例如，参照专利文献2)中，进行在位置控制部使用P控制，在速度控制部使用速度PI控制的转向角追随控制。当在车辆中进行转向角控制时，由于行驶车速、摩擦或路面反作用力的变化等，干扰或负荷状况发生大的变化，因而必须是对这些有耐受性的控制结构。然而，仅凭过去的控制技术中的结构，例如在路面反作用力发生变化的情况下还有目标转向角快速变化的情况下，由于方向盘的弹簧和惯性系统而产生振动，足够有可能使驾驶员对此感觉到不适应或不愉快(课题3)。对此，根据如上所述的电动助力转向装置，通过采用方向盘振动去除单元和转向介入补偿兼方向盘减振单元，能够实现自动转向过程中的方向盘的振动抑制。
另外，优选地，所述转向角控制部还具有上下限可变限制器，该上下限可变限制器通过限制器限制所述转向角速度指令值ωref，直到所述渐变完成为止。
在过去的一般的技术(例如，参照专利文献1)中提出了一种进行控制使得在转向角控制开始时使转向角速度渐渐增加，减轻因开始时的方向盘急剧变动给驾驶员带来的不适感的方法。然而，在该方法中，当渐变开始时，继续增加至达到转向角速度上限值为止，因此I控制的积分值会过度地累积。结果，随着渐变增益变大，转向角控制指令值成为过度的值，方向盘对转向角速度指令值过度地响应，给驾驶员带来不适应(课题4)。对此，根据如上所述的电动助力转向装置，通过上下限可变限制器以及转向角控制输出渐变增益、速度指令渐变增益、速度指令渐变增益，来降低如上所述的给驾驶员带来的不适应。
可选地，所述ECU对所述转向角速度控制部中的信号乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度控制渐变增益。
可选地，所述ECU对所述转向角速度指令值ωref乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度指令渐变增益。
可选地，所述转向角控制部还具有可变速率限制器，该可变速率限制器对所述转向角指令值进行速率限制处理，避免由于该转向角指令值θref的剧变使得作为转向角控制输出的转向角控制电流指令值急剧变动的情况。
可选地，所述ECU对来自所述可变速率限制器的转向角指令值乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的转向角指令渐变增益。
可选地，在电动助力转向装置中，所述ECU还具有输入助力图渐变增益并输出助力控制输出的助力控制部，并且对所述助力控制部的输出乘以助力控制输出渐变增益GFT1。
发明的效果
根据本发明，在车辆的自动驾驶过程中，当驾驶员进行的方向盘操作(转向)介入时，能够充分反映所介入的操作，并且能够减少该操作介入时驾驶员有时感觉到的不适应、不愉快。
附图说明
图1是表示电动助力转向装置的概要的结构图。
图2是一同表示电动助力转向装置的控制系统的结构例和助力图输出电流的一例的框图。
图3是表示具有自动转向控制模式和手动转向控制模式的切换功能的电动助力转向装置的一例的框图。
图4是表示具有自动转向控制模式和手动转向控制模式的切换功能的电动助力转向装置的概要动作例的流程图。
图5是表示整个车辆系统的结构例的框图。
图6A是表示EPS侧ECU内的转向角控制部的一例的框图。
图6B对各个渐变增益在手动输入判定后向助力控制的迁移进行说明的图表。
图7是表示转向角控制的第一实施方式的转向角控制部的框图。
图8是表示转向角控制的第二实施方式的转向角控制部的框图。
图9是表示转向角控制的第三实施方式的转向角控制部的框图。
图10是表示转向角控制的第四实施方式的转向角控制部的框图。
图11是表示转向角控制的第五实施方式的转向角控制部的框图。
图12是表示转向角控制的第六实施方式的转向角控制部的框图。
图13A是表示转向角控制的第六实施方式的另一例的转向角控制部的框图。
图13B是表示转向角控制的第七实施方式的转向角控制部的框图。
图13C是表示转向角控制的第八实施方式的转向角控制部的框图。
图14A是表示角度(目标角度、方向盘转向角)和转向转矩的随时间变化的模拟积分时的图表，表示实现了无不适应的转向介入的根据。
图14B是表示角度(目标角度、方向盘转向角)和转向转矩的随时间变化的P控制时的图表，表示实现无不适应的转向介入的根据。
图15是表示实施例1的基于转向角速度控制的积分方式的不同的方向盘转向角和转向转矩之间的关系的图表(在转向角速度控制部进行模拟积分的情况)。
图16是表示实施例1的基于转向角速度控制的不同的方向盘转向角和转向转矩之间的关系的图表(在转向角速度控制部进行P控制的情况)。
图17A是表示使转向角指令值从0[deg]至00[deg]斜坡状地变化时的转向角时间响应的图表。
图17B是表示在P控制的情况下使转向角指令值从0[deg]至100[deg]斜坡状地变化时的转向角时间响应的图表。
图18是表示对于转向角指令值进行了转向角控制时的扭力杆转矩的时间响应的图表。
图19是表示在实施例2-1中使转向角指令值从0[deg]至100[deg]斜坡状变化时的转向角时间响应的图表。
图20是表示在实施例2-1中对于转向角指令值进行了转向角控制时的扭力杆转矩的时间响应的图表。
图21表示从目标转向角θt向实际转向角θr的传递函数Gθ(频率响应)。
图22是表示通过2次滤波器对频率响应的增益进行了拟合的结果的伯德图。
图23是表示在实施例3中使转向角指令值从0[deg]至100[deg]斜坡状地变化时的转向角时间响应的图表。
图24是分别表示实施例4的(A)目标转向角速度ωt、(B)转向角控制输出渐变增益GFA1、(C)助力控制输出渐变增益GFT1、(D)转向角速度指令值上下限可变极限值的图表。
图25是分别表示转向角控制渐变增益成为100％时切换了极限值的情况的(A)目标转向角速度ωt、(B)转向角控制输出渐变增益GFA1、(C)助力控制输出渐变增益GFT1、(D)转向角速度指令值上下限可变极限值的图表。
图26表示在考虑了驾驶员的转向模型的仿真中使用的受控体模型的图。
图27表示驾驶员的转向模型的一例。
图28是表示助力图的一例(速度0km/h)的图表。
图29是表示助力图的一例(速度20km/h)的图表。
图30是表示助力图的一例(速度60km/h)的图表。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的电动助力转向装置的优选实施方式进行详细说明(参照图1等)。此外，在本说明书和附图中，对于具有实质相同的功能结构的构成要素，赋予相同的符号来省略重复的说明。
在图中表示电动助力转向装置100的一般的结构来进行说明(参照图1)。方向盘(转向盘)1的柱轴(转向轴)2经由减速齿轮3、万向接头4a、4b、小齿轮齿条机构5、拉杆6a、6b，并且经由轮毂单元7a、6b与转向车轮8L、8R相连结。在与柱轴2相同的轴上配置有扭力杆和方向盘轴。
另外，在柱轴2上设置有检测方向盘1的转向角θr的转向角传感器14和检测转向转矩Tt的转矩传感器10，对方向盘1的转向力进行助力的电动机20经由减速齿轮3与柱轴2相连结。
从电池13向控制电动助力转向装置100的控制单元(ECU)30供给电力，并且经由点火钥匙11向控制单元30输入点火钥匙信号IG。控制单元30基于转矩传感器10检测出的转向转矩Tt和车速传感器12检测出的车速Vs进行助力控制的电流指令值的运算，并根据对电流指令值实施了补偿等的电压控制指令值Vref控制向电动机20供给的电流。此外，从转向角传感器14检测转向角θr，但也可以从与电动机20相连结的旋转传感器取得转向角θr。
在控制单元30上连接有交接车辆的各种信息的CAN(Controller Area Network控制器局域网路)40，也可从CAN40接收车速Vs。另外，在控制单元30上也可连接CAN40以外的对通信、模拟/数字信号、电波等进行交接的非CAN41。
控制单元30主要由CPU(也包括MPU或MCU)构成，若表示在该CPU内部通过程序执行的一般的功能，则如图2所示。
若参照图2说明控制单元30的功能和动作，将转矩传感器10检测出的转向转矩Tt和车速传感器12检测出的(或者来自CAN40的)车速Vs输入至用于运算电流指令值Iref1的电流指令值运算部31。电流指令值运算部31基于输入的转向转矩Tt和车速Vs，利用助力图等运算向电动机20供给的电流的控制目标值即电流指令值Iref1。
所谓的助力图是表示转向转矩和转向助力指令值(电流值)的对应关系的信息，图28～图30所示的图表中的“电流指令值”相当于该助力图。助力图例如包含表示低速、中速和高速的各速度域中的转向转矩与转向助力指令值的对应关系的信息。表示对应关系的信息既有由多个一次函数的参数表示的情况，也有用高次多项式表示的情况。
将电流指令值Iref1经由加法部32A输入至电流限制部33，将以过热保护条件限制了最大电流的电流指令值Iref3输入至减法部32B，运算与反馈的电动机电流值Im之间的偏差Iref4(＝Iref3-Im)，将该偏差Iref4输入至用于改善转向动作的特性的PI控制部35。将在PI控制部35进行了特性改善后的电压控制指令值Vref输入至PWM控制部36，并且经由作为驱动部的逆变器37对电动机20进行PWM驱动。通过电动机电流检测器38检测电动机20的电流值Im，并反馈至减法部32B。
另外，在电动机20上连接有旋转变压器等旋转传感器21，检测实际转向角θs。在加法部32A对来自补偿部34的补偿信号CM进行相加，通过补偿信号CM的加法运算进行系统体系的补偿，从而改善收敛性和惯性特性等。补偿部34在加法部344将自我回正转矩(SAT)343与惯性342进行相加，并且在加法部345对该加法结果进一步相加收敛性341，将加法部345的加法结果作为补偿信号CM。
近年来，正在进行利用搭载在车辆上的摄像头、激光雷达等自动刹车来安全停止或进行自动驾驶支援等的努力。作为自动驾驶支援，例如，驾驶员通过方向盘或别的装置输入转矩，由此电动助力转向装置通过转矩传感器检测转向转矩，将该信息用于车辆或电动助力转向装置中的控制的切换，解除自动驾驶支援而返回至通常的助力控制(手动转向控制)等。
首先，参照图3对成为本发明的前提的电动助力转向装置，即具备自动转向控制模式和手动转向控制模式的功能，且具有切换转向控制模式的功能的一般的电动助力转向装置100进行说明。
在电动机150上连接有用于检测电动机旋转角θs的旋转变压器等旋转传感器151，经由车辆侧ECU130和EPS(电动助力转向装置)侧ECU140驱动控制电动机150。车辆侧ECU130具备基于表示驾驶员的意图的按钮、开关等输出自动转向控制或手动转向控制的切换指令SW的切换指令部131和基于摄像头(图像)或激光雷达等的信号生成目标转向角θt的目标转向角生成部132。另外，将设置在柱轴(转向轴、方向盘轴)的转向角传感器14检测到的实际转向角θr经由车辆侧ECU130输入至EPS侧ECU140内的转向角控制部200。
切换指令部131根据用于识别进入自动转向控制的信号，例如关于驾驶员的意图，基于在仪表板或方向盘周边设置的按钮或开关、或在换挡中设置的停车模式等的车辆状态的信号来输出切换指令SW，将切换指令SW输入至EPS侧ECU140内的切换部142。另外，目标转向角生成部132基于摄像头(图像)、激光雷达等的数据，通过公知的方法生成目标转向角θt，并将生成的目标转向角θt输入至EPS侧ECU140内的转向角控制部200。
EPS侧ECU140具备：转矩控制部141，其输出基于转向转矩Tt和车速Vs运算出的电动机电流指令值Itref；转向角控制部200，其基于目标转向角θt、实际转向角θr、电动机角速度ω和转向转矩Tt运算并输出用于转向角自动控制的电动机电流指令值Imref；切换部142，其根据切换指令SW切换电动机电流指令值Itref和Imref；电流控制/驱动部143，其基于来自切换部142的电动机电流指令值Iref(＝Itref或Imref)驱动控制电动机150；以及电动机角速度运算部144，其基于来自旋转传感器151的电动机旋转角θs运算电动机角速度ω。切换部142基于来自车辆侧ECU130的切换指令部131的切换指令SW，切换转矩控制部141的转矩控制模式(手动转向控制)和转向角控制部200的位置/速度控制模式(自动转向控制)，在手动转向控制中输出电动机电流指令值Itref，在自动转向控制中输出电动机电流指令值Imref。另外，电流控制/驱动部143由PI电流控制部、PWM控制部、逆变器等构成。
下面参照流程图对这种结构的概要动作例进行说明(参照图4)。
若转向系统的动作开始，则首先执行矩控制部141的转矩控制(手动转向控制模式)(步骤SP1)，利用电动机电流指令值Itref由电流控制/驱动部143驱动电动机150(步骤SP2)。在从切换指令部131输出向自动转向控制的切换指令SW之前，重复上述手动转向的动作(步骤SP3)。
当成为自动转向控制模式，由切换指令部131输出切换指令SW时，从目标转向角生成部132输入目标转向角θt(步骤SP4)，从转向角传感器14输入实际转向角θr(步骤SP5)，从转矩传感器154输入转向转矩Tt(步骤SP6)，从电动机角速度运算部144输入电动机角速度ω(步骤SP7)，在转向角控制部200生成电动机电流指令值Imref(步骤SP10)。此外，目标转向角θt、实际转向角θr、转向转矩Tt、电动机角速度ω的输入顺序可以适当变更。
然后，切换部142根据来自切换指令部131的切换指令SW进行切换(步骤SP11)，利用来自转向角控制部200的电动机电流指令值Imref通过电流控制/驱动部143驱动电动机150(步骤SP12)，返回至上述步骤SP3。在从切换指令部131变更切换指令SW之前，重复进行基于电动机电流指令值Imref的驱动控制(自动转向控制)。
在本实施方式中，构成为在具备如上所述的一般结构的电动助力转向装置100的车辆中，当在自动驾驶过程中驾驶员进行的方向盘操作(转向)介入时，充分反映介入的操作，并且减少该操作介入时给驾驶员带来的不适应或不愉快。下面对本实施方式的电动助力转向装置100中的各结构进行说明(参照图5等)。
表示与本实施方式的电动助力转向装置100相关的车辆侧ECU130、EPS侧ECU140、受控体160的结构(参照图5)。此外，图5中的双线表示发送或接收多个信号。
车辆侧ECU130具备车辆状态量检测器130a、切换指令部131、目标轨道运算部134、车辆运动控制部135。
车辆状态量检测器130a基于搭载在车辆上的摄像头、距离传感器、角速度传感器、加速度传感器等检测到的各数据检测车辆状态量，并将该车辆状态量发送至切换指令部131、目标轨道运算部134、车辆运动控制部135。
切换指令部131基于上述车辆状态量和来自按钮或开关等的信号，向EPS侧ECU140(的切换判定/渐变增益生成部145)输出切换指令SW。
目标轨道运算部134基于车辆状态量运算目标轨道数据，并将其输出至车辆运动控制部135。
车辆运动控制部135基于车辆状态量，通过转向角指令值生成部135a生成转向角指令值θref，并向EPS侧ECU140的转向角控制部200输出该转向角指令值θref。
EPS侧ECU140具备切换部142、电流控制/驱动部143、切换判定/渐变增益生成部145、EPS状态量检测器146、助力控制部147、转向角控制部200(参照图5)。
EPS状态量检测器146基于从受控体160输出的方向盘转向角θh以及由搭载在车辆上的角度传感器(方向盘侧、柱轴侧)、电动机角度传感器、转矩传感器等检测出的各种数据来检测EPS状态量。将通过EPS状态量检测器146检测出的EPS状态量(方向盘转向角θh、柱轴转向角(扭力杆下侧的转向角)、方向盘转向角(扭力杆上侧的转向角)、电动机角度、转向转矩、其他)分别输出至切换判定/渐变增益生成部145、助力控制部147。此外，在图5所举例表示的车辆系统中，由EPS侧ECU140检测方向盘转向角θh，但也可以却取而代之在车辆侧ECU130侧进行检测。
切换判定/渐变增益生成部145基于来自车辆侧ECU130的切换指令部131的(助力控制和转向角控制的)切换指令SW和转向转矩Tt进行切换判定，并且管理各渐变增益，向各功能进行输出。本实施方式的切换判定/渐变增益生成部145向转向角控制部200输出速度控制渐变增益GFA2、速度指令渐变增益GFA3和转向角指令渐变增益GFA4，向助力控制部147输出助力图渐变增益GFT2，并向切换部142输出转向角控制输出渐变增益GFA1以及助力控制输出渐变增益GFT1。
助力控制部147基于转向转矩Tt和助力图渐变增益GFT2，向切换部142输出转向角控制电流指令值IrefP1，通过电动机20的旋转力赋予转向辅助力(助力)。
转向角控制部200基于转向角指令值θref、速度控制渐变增益GFA2、速度指令渐变增益GFA3、转向角指令渐变增益GFA4、EPS状态量来计算转向角控制电流指令值IrefP1，并输出至切换部142。切换部142根据来自切换判定/渐变增益生成部145的转向角控制输出渐变增益GFA1和助力控制输出渐变增益GFT1来切换来自转向角控制部200的转向角控制电流指令值IrefP1和来自助力控制部147的电流指令值IrefT1。电流控制/驱动部143进行反馈控制使得电流检测值追随电动机电流指令值Iref。由此，能够控制电动机150的驱动转矩。电流控制/驱动部143是通常采用的电动机控制的系统所涉及的结构即可。
受控体160具备或发挥以下特性：按照来自电流控制/驱动部143的电动机驱动控制信号(电动机电流)的机械传递特性(关于EPS和车辆)和按照驾驶员的转向手动输入的驾驶员转向传递特性(参照图5)。此外，本说明书中所谓的“受控体”是指车辆和电动助力转向装置100的机械特性、驾驶员的特性等，简而言之是对控制对象的总称。
接着，对EPS侧ECU140中的转向角控制部200的概要和各结构进行说明(参照图6)。
关于实际转向角速度的计算，通过未图示的实际转向角速度运算部进行通常所采用的运算。具体而言，例如可以根据电动机角度传感器的差分运算和齿轮比来计算实际转向角速度，也可以根据方向盘转向角或柱轴转向角的差分运算来计算实际转向角速度。为减少高频噪音，在运算系统的末段插入未图示的LPF(低通滤波器)。
此外，在本实施方式中，将方向盘转向角(扭力杆的上侧的角度)当作实际转向角进行处理，但即使将柱轴转向角当作实际转向角处理也能够实现。
<上下限可变限制器202>
对于从车辆侧ECU130接收到的用于自动驾驶等的转向角指令值θref，为了防止由通信错误等引起的异常值、过度的值被输入至转向角控制，通过上下限可变限制器(也称为转向角指令值上下限可变限制器)202进行限制。伴随转向角控制和助力控制的切换动作，根据转向角指令渐变增益GFA4，上下限限制值可逐渐成为恰当的值。
<可变速率限制器204>
为了避免由于转向角指令值θref的聚变使得作为转向角控制输出的转向角控制电流指令值急剧变动，可变速率限制器204对转向角指令值θref进行速率限制处理。可变速率限制器204的处理还关系到通过突然的方向盘举动来提高驾驶员的安全性。在本实施方式的可变速率限制器204中，伴随转向角控制和助力控制的切换动作，根据转向角指令渐变增益GFA4，速率限制值可逐渐成为恰当的值。
<方向盘振动去除单元206>
当在自动转向过程中转向角指令发生变化时，在转向角指令值θref3中产生基于扭力杆的弹性系数和方向盘的转动惯量的激励振动的频率(约10Hz左右)成分。为了降低转向角指令值上下限可变限制器202、可变速率限制器204、转向角指令渐变后的转向角指令值θref3中包含的方向盘振动频率成分，可通过低通滤波器、陷波滤波器(在方向盘振动去除单元206中使用这些滤波器)，或通过相位延迟补偿来减少振动频率成分。
<位置控制部208>
位置控制部208对目标转向角θt与实际转向角θr的偏差乘以比例增益来计算转向角速度指令值ωref。通过该功能，能够生成用于使实际转向角(转向角)θr接近目标转向角θt的转向角速度指令值。另外，关于位置控制部208，通过后述的FF滤波器230，向目标转向角θt的追随性提高。此外，本说明书中所谓的位置控制是控制周向上的转向角的位置，换言之，也可表现为“方向盘转向角的角度控制”。
<速度指令值上下限可变限制器210>
对乘以渐变增益后的转向角速度指令值ωref1进行速度指令值上下限可变限制器210的处理，输出目标转向角速度ωt。该速度指令值上下限可变限制器210可通过速度指令渐变增益GFA3将限制值逐渐变更为恰当值，在渐变增益GFA3小于某个阈值时使上下限限制值减小，在渐变增益GFA3为某个阈值以上时使上下限限制值增大，由此来限制转向角速度指令值。
<转向角速度控制部212>
在本实施方式的转向角控制部200中，向转向角速度控制部212输入目标转向角速度ωt和实际转向角速度ωr，计算使实际转向角速度ωr追随目标转向角速度ωt的电流指令值。
<转向角控制输出上下限限制器214>
对于转向角控制的电流指令值为了防止过输出，通过转向角控制输出上下限限制器214进行限制。
<转向介入补偿兼方向盘减振单元220>
转向介入补偿兼方向盘减振单元220作为基于转矩传感器检测出的转矩信号的方向盘减振单元发挥功能。由此，与仅使用方向盘振动去除单元206的情况相比，自动转向中的方向盘振动的减振效果进一步提高。本实施方式的转向介入补偿兼方向盘减振单元220通过增益和相位补偿实现方向盘减振功能。例如，相位补偿也可由1次滤波器构成。由此，在消除扭力杆的扭转的方向上输出电流指令值。另外，转向介入补偿兼方向盘减振单元220在减小扭转角的方向上动作，还兼有减低驾驶员的手动输入介入时所担心的不适应的效果。
<FF滤波器230>
FF(前馈)滤波器230是可设定在位置控制部208内的可选结构(参照图7等所示的后述实施方式等)。通过FF滤波器230，向目标转向角θt的追随性提高。FF滤波器230例如是起到1次的相位超前滤波器的效果的滤波器，但也可以是除此之外的进行相位补偿的滤波器，还可以是利用模拟微分、HPF(高通滤波器)的滤波器。
此外，若对本实施方式中的各种渐变增益进行说明，则如下所述(参照图5、图6)。
<转向角控制输出渐变增益GFA1>
对转向角控制输出上下限限制器214的输出的电流指令值乘以转向角控制输出渐变增益GFA1。转向角控制输出渐变增益GFA1用于顺畅地进行助力控制和转向角控制的切换动作，用于实现对驾驶员带来不适应、安全性等。
<速度控制渐变增益GFA2>
对转向角速度控制部212中的信号乘以速度控制渐变增益GFA2，用于实现顺畅的切换。主要用于缓解切换时转向角速度控制中的积分值的积蓄造成的影响。
<速度指令渐变增益GFA3>
速度指令渐变增益GFA3主要用于在从助力控制向转向角控制的切换时实现顺畅的切换。对位置控制输出的转向角速度指令值ωref乘以速度指令渐变增益GFA3。
<转向角指令渐变增益GFA4>
对来自可变速率限制器204的转向角指令值乘以转向角指令渐变增益GFA4。
<助力控制输出渐变增益GFT1>
对作为来自助力控制部147的输出的电流指令值乘以助力控制输出渐变增益GFT1。助力控制输出渐变增益GFT1用于使转向角控制和助力控制的切换动作顺畅以及实现自动驾驶过程中的驾驶员进行的转向的介入。
<助力图渐变增益GFT2>
对助力控制中的助力图输出电流(参照记载了助力图输出电流的一例的图2的图表(纵轴表示电流指令值，横轴表示转向转矩Tt))乘以助力图渐变增益GFT2。助力图渐变增益GFT2用于使转向角控制和助力控制的切换动作顺畅以及实现自动驾驶过程中的驾驶员进行的转向的介入。
<手动输入判定后的向助力控制的迁移>
此处，对手动输入判定后的向助力控制的迁移进行说明(参照图6B)。下面对在自动驾驶状态(转向角控制和助力控制的二者已介入的状态)下，检测到驾驶员的手动输入后的各渐变增益进行说明。
关于渐变增益GFA1～4(转向角控制输出渐变增益GFA1、速度控制渐变增益GFA2、速度指令渐变增益GFA3、转向角指令渐变增益GFA4)，在手动输入判定后从100％逐渐减少迁移至0％的本实施方式中使其线性变化。此外，为了使切换动作更顺畅，可以沿S型曲线进行迁移，也可以针对线性变化的信号将通过LPF(低通滤波器)后的值作为各渐变增益(例如，1次LPF，截止频率2[Hz])。但是，不需要使渐变增益GFA1～4作为相同的迁移联动，可以使渐变增益GFA1～4作为调整要素分别独立迁移。
(转向角指令渐变增益GFA4)
将转向角指令值的可变速率限制器的变化率设定值设为0。即，将θref2设为恒定值。对此省略流程图等图示，但如果在转向角指令渐变增益GFA4从100％的状态变化为0％侧时变更变化率设定值则能够实现。即，若进入了切换状态则将θref2设为恒定值，并对恒定值乘以转向角指令渐变增益GFA4，由此使θref3与目标转向角θt接近0。另外，通过对θref2乘以转向角指令渐变增益GFA4，来使切换过程中的目标转向角θt接近0[deg]，使转向角控制在中立状态下起作用。另外，通过在方向盘振动去除单元206之前乘以转向角指令渐变增益GFA4，去除通过乘以转向角指令渐变增益GFA4而产生的方向盘振动频率成分。
(助力图渐变增益GFT2)
在车辆的自动驾驶状态下，也可以将该助力图渐变增益GFT2设定为100％以上(此外，在图6B所示的例中设定为300％)。由此，能够减少驾驶员的操作介入时由于转向角控制的干扰而产生的不安感、不适应。此外，为了使切换动作更顺畅，可以使助力控制输出渐变增益GFT1、助力图渐变增益GFT2沿S型曲线迁移，也可以针对线性变化的信号将通过LPF(低通滤波器)后的值作为各渐变增益。
(助力控制输出渐变增益GFT1)
在自动驾驶状态、手动助力状态下，可以将该助力控制输出渐变增益GFT1始终设定为100％以上，也可以如图6B所示。
在自动驾驶状态下，存在将助力图渐变增益GFT2提升至100％以上由此导致系统的稳定性向不稳定侧产生影响，从而发生振动的情况。为确保稳定性，通过将助力控制输出渐变增益GFT1作为调整要素例如设定为120％，能够抑制振动的发生。
接着，表示转向角控制的实施方式(参照图7等)。此外，在图7等中图示了方向盘振动去除单元206(参照图6)的后级的目标转向角θt及其之后的结构。
<转向角控制的第一实施方式>
图7所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212对转向角速度控制进行PI控制，对I控制进行模拟积分。更具体而言，对目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差ωe乘以Kvi来作为与偏差的大小成比例的操作量D1，并且进行基于模拟积分的I控制(参照图7)。图中的标记Ir1表示模拟积分后的信号，Ir2表示比例增益Kvp后的信号，Ir3表示加法后的信号(在其他实施方式中也相同)。在转向角控制的第一实施方式中，对加法后的信号Ir3乘以速度控制渐变增益GFA2，作为信号IrefW从转向角速度控制部212输出。如上所述，对转向角速度控制部212中的信号乘以速度控制渐变增益GFA2，用于实现顺畅的切换。此外，关于转向角速度控制部212中的模拟积分，例如可通过1次延迟的传递函数和增益构成为[1/(Ts+1)]×T。
<转向角控制的第二实施方式>
图8所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212对转向角速度控制进行PI控制，对I控制进行模拟积分。更具体而言，对目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以Kvi来作为与偏差的大小成比例的操作量D1，并且进行基于模拟积分的I控制(参照图8)。在转向角控制的第二实施方式中，与上述第一实施方式相同，对加法后的信号Ir3乘以速度控制渐变增益GFA2，作为信号IrefW从转向角速度控制部212输出。
<转向角控制的第三实施方式>
图9所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212对转向角速度控制进行PI控制，对I控制进行模拟积分。在转向角控制的第三实施方式中，对目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以速度控制渐变增益GFA2来生成信号ωe1，并对该信号ωe1乘以Kvi来作为与偏差的大小成比例的操作量D1，并且进行基于模拟积分的I控制(参照图9)。
<转向角控制的第四实施方式>
图10所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212进行相位延迟补偿。在转向角控制的第四实施方式中，对目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以Kvp来作为与偏差的大小成比例的操作量D1，并且对进行了相位延迟补偿后的信号Ir4乘以速度控制渐变增益GFA2，作为信号IrefW从转向角速度控制部212输出(参照图10)。
<转向角控制的第五实施方式>
图11所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212进行相位延迟补偿。在转向角控制的第五实施方式中，与上述第四实施方式相同，对目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以KvP来作为与偏差的大小成比例的操作量D1，并且对进行了相位延迟补偿后的信号Ir4乘以速度控制渐变增益GFA2，作为信号IrefW从转向角速度控制部212输出(参照图11)。将模拟积分的PI控制等价地置换为相位延迟补偿和增益。
<转向角控制的第六实施方式>
图12、图13A所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212进行比例控制(P控制)。在转向角控制的第六实施方式中，对于将目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以Kvp而得到的与偏差的大小成比例的操作量的信号Ir1乘以速度控制渐变增益GFA2，作为信号IrefW从转向角速度控制部212输出(参照图12、图13A)。
<转向角控制的第七实施方式>
图13B所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212通过使用比例增益和相位延迟补偿的控制来计算电流指令值。更具体而言，对目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差ωe乘以增益Kv来作为与偏差的大小成比例的操作量D1，并且对进行了相位延迟补偿后的信号Ir4乘以速度控制渐变增益GFA2来计算电流指令值IrefW。
<转向角控制的第八实施方式>
图13C所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212通过使用了比例增益和相位延迟补偿的控制来计算电流指令值。更具体而言，对目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差ωe乘以增益Kv来作为与偏差的大小成比例的操作量D1，根据该操作量D1和速度控制渐变增益GFA2求出操作量D2，并进行相位延迟补偿来计算电流指令值IrefW。
根据上述转向角控制的第一至第八实施方式，即使在车辆的自动驾驶过程中没有“手动输入检测”、“切换动作”，也能够现无不安感等不适应的转向介入。下面作为实施例1说明成为其根据的结果等(参照图14A～图20)。
<实施例1>
(解决课题1和课题2的根据)
作为一个例子在图14A等中表示通过考虑了驾驶员的转向模型的仿真，在自动驾驶过程中(将转向角指令值θref固定为0[deg])，与驾驶员目标角度θarm(参照图中粗线)相对的实际转向角(以下还称为方向盘转向角，用标记θh来表示。参照细线)以及转向转矩Tt(参照虚线)的时间响应。
此处，对在仿真中采用的受控体模型进行说明(参照图26、图27)。
在图26中表示在仿真中使用的受控体模型(机械模型)。在该受控体模型中，使电动机电流值对于电流指令值的追随性足够快，省略电流控制部的详细说明，设为电流指令值＝电动机电流，作为信号名Iref进行处理。使车速V恒定。使柱轴转动惯量Jc为将电动机转动惯量、轴、齿条和小齿轮、轮胎的转动惯量换算为柱轴的总和。使电动机角度θm与柱轴角度θc为涡轮减速比的关系。使柱轴角度θc与轮胎转向角δ为总体比率(Overall ratio)Nover的比的关系。使扭力杆转矩与转向转矩为相同的信号为Tt。从柱轴至轮胎模型化为一个柱轴惯性。
Jc：柱轴惯性[kgm^2]
Dc：柱轴衰减系数[Nm/(rad/s)]
Jh：方向盘惯性[kgm^2]
Dh：方向盘衰减系数[Nm/(rad/s)]
Ks：扭力杆弹簧常数[Nm/rad]
Ds：扭力杆衰减常数[Nm/(rad/s)]
Kt：电动机转矩常数[Nm/A]
减速比：ng
Tc：电动机产生转矩的柱轴换算[Nm]
其中，电动机产生转矩被换算成柱轴的转矩(考虑减速机)。另外，对于电流指令值Iref作为与实际的电动机电流一致进行处理，因而省略电流控制。
Th：方向盘手动输入转矩[Nm]
Tt：扭力杆转矩[Nm]
Iref：电流指令值[A]
θh：方向盘转向角[rad]
θc：柱轴转向角[rad]
V：车速[m/s]
Yveh：在车辆重心的横向移动距离[m]
δ：轮胎转向角[rad]
Fd：作用于车辆重心的横向外力[N]
Tsat：Tsat’的柱轴换算[Nm]
Tsat’：通过路面反作用力围绕主销作用的力矩[Nm]
对车辆运动模型进行说明。车辆的微分方程式如数学式1、数学式2那样。
[数学式1]
[数学式2]
在数学式3中表示拉普拉斯变换后的横滑角β和横摆角速度γ。
[数学式3]
在数学式4中表示围绕主销作用的轮胎从路面受到的力矩。
[数学式4]
在数学式5中表示近似条件下的在车辆重心的横向加速度。
[数学式5]
ay＝V(sβ+γ)
在数学式6中表示在车辆重心的横向移动距离。
[数学式6]
此外，车辆运动模型只要考虑了从轮胎转向角δ向由于路面反作用力围绕主销作用的力矩Tsat’的传递特性即可。此外，对于在仿真中采用的车辆模型和转向模型，不限于以上所述，也可以参照一般的文献等。另外，关于作为车辆模型的关系式的数学式1、数学式2、数学式4、数学式5，例如在东京电机大学出版社，“自動車の運動と制御(汽车的运动和控制)”(安部正人著)中进行了表示。关于转向模型，例如在三重大学硕士论文“(腕の筋骨格特性を考慮した車のステアリング操舵感評価に関する研究(关于考虑了手腕的肌骨骼特性的车辆的转向感评价的研究))”(横井大介著)中进行了表示。
图27中表示驾驶员的转向模型的一例。当对驾驶员的转向进行仿真时，使用图27所示的转向模型，将从机械模型(参照图26)输出的方向盘转向角θh输入至转向模型，并将从转向模型输出的手动输入转矩Th输出至机械模型。这里，设目标角度(驾驶员的转向目标角度)为θarm。
作为一例表示的条件为以下说明的“模拟积分、助力控制输出渐变增益GFT1＝1倍，助力图渐变增益GFT2＝3倍”，“其中，转向角控制输出渐变增益GFA1、速度控制渐变增益GFA2、速度指令渐变增益GFA3以及转向角指令渐变增益GFA4为1倍”。
对图14A所示的输入了驾驶员目标角度θarm时的各个条件下的方向盘转向角θh和转向转矩Tt(＝扭力杆转矩)进行了比较(参照图14A～图16)。
粗线···模拟积分(图16中为P控制)，助力控制输出渐变增益GFT＝1倍，助力图渐变增益GFT2＝1倍；
细线···模拟积分(图16中为P控制)，助力控制输出渐变增益GFT1＝1倍，助力图渐变增益GFT2＝3倍；
虚线···纯积分(图16中为PI控制)，助力控制输出渐变增益GFT1＝1倍，助力图渐变增益GFT2＝1倍。
其中，使转向角控制输出渐变增益GFA1、速度控制渐变增益GFA2、速度指令渐变增益GFA3和转向角指令渐变增益GFA4为1倍。
根据粗线和虚线可知通过“模拟积分”进行了速度控制的PI控制的情况(图16的情况为通过P控制进行的情况)进行了转向。作为其理由，可以列举如下。
即，虚线是将方向盘转向角θh转至7.5[deg]，但由于速度控制PI的纯积分的影响，速度偏差(转向角速度指令值与实际转向角速度的偏差)继续累积，最终强制返回至转向角指令值θref(＝0[deg])，并且产生了非常大的转向转矩，由此驾驶员的转向变得困难(在0[deg]产生15[Nm]以上的转向转矩)。但是，在现有技术中，在切换前的转向角控制中，助力控制指令值为0[deg]，由于与虚线相比转向困难，因此省略。另外，为了与本实施方式的电动助力转向装置进行比较，设GFT1＝1倍，GFT2＝1倍来观察积分方式的不同。
与此相对，在粗线，转向至约14[deg]，且也未拉回至转向角指令值0[deg]。这是因为通过使用模拟积分(图16中为P控制)，限定速度偏差的累积(在图16中，没有积分导致的速度偏差的累积)。并且，在细线(助力图渐变增益GFT2＝3倍)，可确认能够实现比粗线轻的转向。可知通过加大助力图渐变增益GFT2，能够通过轻的转向实现驾驶员的转向介入。
另外，对图14B所示的输入了驾驶员目标角度θarm时的各个条件下的方向盘转向角θh和转向转矩Tt(＝扭力杆转矩)进行了比较(参照图14B～图16)。
粗线···P控制，助力控制输出渐变增益GFT1＝1倍，助力图渐变增益GFT2＝1倍；
细线···P控制，助力控制输出渐变增益GFT1＝1倍，助力图渐变增益GFT2＝3倍；
虚线···PI控制，助力控制输出渐变增益GFT1＝1倍，助力图渐变增益GFT2＝1倍。
其中，设转向角控制输出渐变增益GFA1、速度控制渐变增益GFA2、速度指令渐变增益GFA3和转向角指令渐变增益GFA4为1倍。
根据粗线和虚线可知通过P控制进行了速度控制的情况(参照图14B、图16)进行了转向。作为其理由，可以列举如下。
即，虚线是将方向盘转向角θh转至7.5[deg]，但由于速度控制PI的纯积分的影响，速度偏差(转向角速度指令值与实际转向角速度的偏差)继续累积，最终强制返回至转向角指令值θref(＝0[deg])，并且产生非常大的转向转矩，由此驾驶员的转向变得困难(在0[deg]产生15[Nm]以上的转向转矩)。但是，在现有技术中，在切换前的转向角控制中，助力控制指令值为0[deg]，由于与虚线相比转向困难，因此省略。另外，为了与本实施方式的电动助力转向装置进行比较，设GFT1＝1倍，GFT2＝1倍来观察积分方式的不同。
与此相对，在粗线，转向至约14[deg]，且也未拉回至转向角指令值0[deg]。这是因为通过采用比例控制，没有积分导致的速度偏差的累积。并且，在细线(助力图渐变增益GFT2＝3倍)，可确认能够实现比粗线轻的转向。可知通过加大助力图渐变增益GFT2，能够通过轻的转向实现驾驶员的转向介入。
另外，根据上述转向角控制的第一～第五实施方式，通过采用方向盘振动去除单元206和转向介入补偿兼方向盘减振单元220，能够实现自动转向中的方向盘的振动抑制。为对此进行验证，对没有驾驶员的转向介入(方向盘手动输入转矩Th＝0[Nm])，只进行转向角控制，自动驾驶中的转向角控制下的方向盘振动的优劣进行了比较。下面，作为实施例2进行说明(参照图17、图18)。(此外，关于方向盘手动输入转矩Th＝0，只执行转向角控制，图19～图23也相同)
<实施例2-1>
(课题3的解决的根据)
首先，图17A表示了使转向角指令值从0[deg]至100[deg]斜坡状地变化的时间响应。作为一例，对于转向角指令值(虚线)表示方向盘振动去除单元206后级的目标转向角(细线)、实际转向角(粗线)各自的响应的情况。
此处为P控制，因此在转向角指令值与实际转向角之间发生稳态偏差，但因为在确保系统的稳定性的范围内(组合方向盘减振单元的相位补偿和增益来进行验证)，将比例增益Kvp调整得大，且通过车辆运动控制部的转向角指令值生成部修正稳态偏差量，因此没有问题(参照图17B)。
接下来，图18表示对于与上述相同的转向角指令值进行了转向角控制时的扭力杆转矩的时间响应。
虚线···无方向盘振动去除单元，无方向盘减振单元；
细线···有方向盘振动去除单元，无方向盘减振单元；
粗线···有方向盘振动去除单元，有方向盘减振单元。
其中，在方向盘振动去除单元206采用了1次LPF截止频率2Hz，在转向介入补偿兼方向盘减振单元220采用了增益(对于扭力杆转矩1Nm，相当于柱轴换算转矩5Nm)和1次相位补偿(分子截止频率2Hz、分母截止频率5Hz)的相位超前。
从该图表可知方向盘振动去除单元206和转向介入补偿兼方向盘减振单元220的效果，并且可知两者皆有的情况抑制了方向盘的振动(参照图18)。
<实施例2-2>
(课题3的解决的根据)
(对转向角指令的追随性)
图19表示使转向角指令值从0[deg]至100[deg]斜坡状地变化的时间响应。作为一例，相对于转向角指令值(虚线)，表示方向盘振动去除单元206后级的目标转向角(细线)、有FF时的实际转向角(粗线)、无FF时的实际转向角(一点划线)各自的响应的情况。其中，作为FF滤波器230，采用了分子的截止频率为0.2Hz，分母为5Hz的1次相位超前滤波器，增益Kpf＝0.2。与无FF相比，有FF的情况对于目标转向角的追随性提高。
(方向盘振动的降低效果)
接下来，图20表示对于与上述相同的转向角指令值进行了转向角控制时的扭力杆转矩的时间响应。
虚线···无方向盘振动去除单元，无方向盘减振单元；
细线···有方向盘振动去除单元，无方向盘减振单元；
粗线···有方向盘振动去除单元，有方向盘减振单元。
其中，在方向盘振动去除单元206采用了1次LPF截止频率2Hz，在转向介入补偿兼方向盘减振单元220采用了增益(对于扭力杆转矩1Nm，相当于柱轴换算转矩5Nm)和1次相位补偿(分子截止频率2Hz，分母截止频率5Hz)的相位超前。
根据该图表可知方向盘振动去除单元206和转向介入补偿兼方向盘减振单元220的效果，并且可知两者皆有的情况抑制了方向盘的振动(参照图20)。
<实施例3>
在图8中考虑了FF滤波器230为通过状态(增益＝1的状态)下的从目标转向角θt向实际转向角θr的传递函数Gθ(频率响应)(参照图21)。设粗线：增益，细线：相位。传递函数Gθ可以根据受控体模型的数学式求出，也可以采用实验的频率响应法等一般的确定方法来求出。
在本实施例3的FF滤波器230中，在控制理论中通常采用的方法中，若以该传递函数Gθ的逆传递函数为FF滤波器230，则就转向角控制追随性而言，目标转向角θt与实际转向角θr一致。
图22表示对上述传递函数Gθ的增益进行了拟合后的结果的伯德图(细线：Gθ，粗线：拟合结果)。其中，拟合结果用以下的5次传递函数来表示。
[数学式7]
[b5,b4,b3,b2,b1,b0]＝1.0e+06*[0.000000001711022 0.0000003655228210.000039448300246 0.002478609805019 0.090668013717508 1.67554097535588]
[a5,a4,a3,a2,a1,a0]＝1.0e+06*[0.000000026525824 0.0000033200000000.000208645315616 0.007649590856893 0.162938496592083 1.76372734247987]
(对转向角指令的追随性)
表示在FF滤波器230中应用上述GFIT的逆传递函数(替换分母和分子)的仿真结果(参照图23)。
图23表示使转向角指令值从0[deg]至100[deg]斜坡状地变化的时间响应。作为例子，对于转向角指令值(虚线)，表示方向盘振动去除单元206后级的目标转向角(细线)、有FF的实际转向角(粗线)、无FF的实际转向角(一点划线)的响应的情况。其中，在方向盘振动去除单元206中应用了1次LPF(截止频率2[Hz])。与无FF的情况相比，有FF的情况更追随目标转向角，表示了FF滤波器的有效性。
<实施例4>
(课题4的解决的根据)
在转向角控制开始时(从助力控制的切换时)，对位置控制部输出的转向角速度指令值ωref乘以渐变增益GFA3。该渐变增益GFA3与对转向角控制电流指令值IrefP1相乘的渐变增益GFA1同步。并且，对乘以渐变增益GFA3后的转向角速度指令值ωref1设置上下限可变限制器。该限制器可逐渐切换转向角速度指令值的限制值，将该限制值在渐变增益GFA3小于设定阈值的情况用小的值进行固定，并使其渐渐增大为阈值以上，由此限制转向角速度指令值，并作为目标转向角速度ωt输出至转向角速度控制部。并且，对速度控制器内的信号乘以渐变增益GFA。
结果，抑制速度控制中的积分值的过度的累积(通过比例和模拟积分进行的PI控制的情况或通过相位延迟补偿和增益进行的PI控制的情况)，或者抑制从速度控制输出的过度的电流指令值的产生(比例控制的情况)，降低作为对驾驶员带来不适应的转向角控制输出的电流指令值。另外，在渐变完成后，由于不通过渐变增益GFA3和上下限可变限制器限制转向角速度指令值，并且不通过渐变增益GFA2限制速度控制中的信号，因此能够迁移至通常的转向角控制(其中，在本实施方式中，速度控制渐变增益GFA2、速度指令渐变增益GFA3未表示在图24，使其与转向角控制输出渐变增益GFA1一致)。由此，不对驾驶员产生不适应地顺畅地进行从助力控制向转向角控制的切换。
另外，在上述实施例4中，在图25中表示在转向角控制渐变增益成为100％时对限制值进行了切换时的结果。
至此为止说明的本实施方式的电动助力转向装置100实现了车辆的自动驾驶中的高性能的人机界面。即，在自动驾驶过程中驾驶员的转向介入时，即使在没有“手动输入检测”、“切换动作”的状态下也实现手动转向，并确保驾驶员的紧急转向时的高安全性，实现了转向角控制和助力控制共存的控制方法。另外，在从转向角控制向助力控制的切换时也降低不安感等驾驶员的不适应、不愉快。另外，无不适应地顺畅地执行从助力控制向转向角控制的切换。
此外，上述实施方式为本发明的优选实施方式的一例，但不限于此，在不脱离本发明的主旨的范围内可实施各种变形。例如，在上述实施方式中，在方向盘振动去除单元206中采用了LPF，但这不过是优选的一例，此外，例如也可通过与方向盘振动频率(约10Hz左右)相符的陷波滤波器来降低成分。
另外，在上述实施方式中，在转向介入补偿兼方向盘减振单元220中采用了1次相位超前补偿，但也可以使用2次以上的相位补偿滤波器。
工业上的应用
本发明适用于电动助力转向。
符号说明
1…方向盘(转向盘)
2…柱轴(扭力杆)
3…减速齿轮
4a、4b…万向接头
5…小齿轮齿条机构
6a、6b…拉杆
7a、6b…轮毂单元
8L、8R…转向车轮
10…转矩传感器
12…车速传感器
14…转向角传感器
20…电动机
21…旋转传感器
30…控制单元
31…电流指令值运算部
32A…加法部
32B…减法部
33…电流限制部
34…补偿部
35…PI控制部
36…PWM控制部
37…逆变器
38…电动机电流检测器
40…CAN
100…电动助力转向装置
130…车辆侧ECU
130a…车辆状态量检测器
131…切换指令部
132…目标转向角生成部
134…目标轨道运算部
135…车辆运动控制部
135a…转向角指令值生成部
140…EPS(电动助力转向装置)侧ECU
141…转矩控制部
142…切换部
143…电流控制/驱动部
144…电动机角速度运算部
145…切换判定/渐变增益生成部
146…EPS状态量检测器
147…助力控制部
150…电动机
151…旋转传感器
154…转矩传感器
160…受控体
200…转向角控制部
202…上下限可变限制器
204…可变速率限制器
206…方向盘振动去除单元
208…位置控制部
210…速度指令值上下限可变限制器
212…转向角速度控制部
214…转向角控制输出上下限限制器
220…转向介入补偿兼方向盘减振单元
230…FF滤波器
341…收敛性
342…惯性
343…自我回正转矩(SAT)
344…加法部
345…加法部
CM…补偿信号
GFA1…转向角控制输出渐变增益GFA2…速度控制渐变增益
GFA3…速度指令渐变增益
GFA4…转向角指令渐变增益
GFT1…助力控制输出渐变增益
GFT2…助力图渐变增益
IrefP1…转向角控制电流指令值
Th…转向转矩
Vs…车速
θr…实际转向角
θref…转向角指令值
θs…电动机旋转角
θt…目标转向角
ωref…转向角速度指令值。

Claims (24)

1.一种电动助力转向装置，其具有对车辆的转向赋予转向助力的电动机和根据基于所述车辆的目标轨道运算出的转向角指令值来生成所述转向的控制信号的ECU，并且根据所述转向角指令值驱动所述电动机来对所述车辆的所述转向进行助力控制，并且相互切换自动转向控制模式和手动转向控制模式，其特征在于，
所述ECU具有：
转向角控制部，其输入所述转向角指令值，控制所述转向的转向角；
助力控制部，其通过所述电动机的旋转力对所述转向赋予转向辅助力；以及
切换判定/渐变增益生成部，其生成与所述转向角控制输出和助力控制输出相乘的渐变增益，并乘以该渐变增益来进行所述转向角控制部的转向角控制模式和所述助力控制部的助力控制模式的切换判定，
所述转向角控制部具有：
位置控制部，其对所述转向的目标转向角θt与实际转向角θr之间的偏差乘以比例增益，并且使用FF滤波器来计算转向角速度指令值ωref；
转向角速度控制部，其基于输入的目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr，通过使用了模拟积分的PI控制来计算针对所述电动机的电流指令值，使得所述实际转向角速度ωr追随所述目标转向角速度ωt；以及
转向介入补偿兼方向盘减振单元，其基于驾驶员的转向介入时的转向转矩，输出向以下方向的电流指令值，所述方向为将该转向介入引起的所述转向的扭力杆的扭转消除的方向。
2.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有降低方向盘振动频率成分的滤波器或通过相位延迟补偿降低振动频率成分的方向盘振动去除单元。
3.根据权利要求1或2所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有上下限可变限制器，该上下限可变限制器通过限制器限制所述转向角速度指令值ωref，直到所述渐变完成为止。
4.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对所述转向角速度控制部中的信号乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度控制渐变增益。
5.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对所述转向角速度指令值ωref乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度指令渐变增益。
6.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有可变速率限制器，该可变速率限制器对所述转向角指令值进行速率限制处理，避免由于该转向角指令值θref的剧变使得作为转向角控制输出的转向角控制电流指令值急剧变动的情况。
7.根据权利要求6所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对来自所述可变速率限制器的转向角指令值乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的转向角指令渐变增益。
8.根据权利要求1所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU还具有输入助力图渐变增益并输出助力控制输出的助力控制部，并且对所述助力控制部的输出乘以助力控制输出渐变增益GFT1。
9.一种电动助力转向装置，其具有对车辆的转向赋予转向助力的电动机和根据基于所述车辆的目标轨道运算出的转向角指令值来生成所述转向的控制信号的ECU，并且根据所述转向角指令值驱动所述电动机来对所述车辆的所述转向进行助力控制，并且相互切换自动转向控制模式和手动转向控制模式，其特征在于，
所述ECU具有：
转向角控制部，其输入所述转向角指令值，控制所述转向的转向角；
助力控制部，其通过所述电动机的旋转力对所述转向赋予转向辅助力；以及
切换判定/渐变增益生成部，其生成与所述转向角控制输出和助力控制输出相乘的渐变增益，乘以该渐变增益来进行所述转向角控制部的转向角控制模式和所述助力控制部的助力控制模式的切换判定，
所述转向角控制部具有：
位置控制部，其对所述转向的目标转向角θt与实际转向角θr之间的偏差乘以比例增益，并且使用FF滤波器计算转向角速度指令值ωref；
转向角速度控制部，其基于输入的目标转向角速度ωt和实际转向角速度ωr，通过使用了比例增益Kv和相位延迟补偿的控制来计算针对所述电动机的电流指令值，使得所述实际转向角速度ωr追随所述目标转向角速度ωt；以及
转向介入补偿兼方向盘减振单元，其基于驾驶员的转向介入时的转向转矩，输出向以下方向的电流指令值，所述方向为将该转向介入引起的所述转向的扭力杆的扭转消除的方向。
10.根据权利要求9所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有减少方向盘振动频率成分的滤波器或通过相位延迟补偿减少振动频率成分的方向盘振动去除单元。
11.根据权利要求9或10所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有上下限可变限制器，该上下限可变限制器通过限制器限制所述转向角速度指令值ωref，直到所述渐变完成为止。
12.根据权利要求9所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对所述转向角速度控制部中的信号乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度控制渐变增益。
13.根据权利要求9所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对所述转向角速度指令值ωref乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度指令渐变增益。
14.根据权利要求9所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有可变速率限制器，该可变速率限制器对所述转向角指令值进行速率限制处理，避免由于该转向角指令值θref的剧变使得作为转向角控制输出的转向角控制电流指令值急剧变动的情况。
15.根据权利要求14所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对来自所述可变速率限制器的转向角指令值乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的转向角指令渐变增益。
16.根据权利要求9所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU还具有输入助力图渐变增益并输出助力控制输出的助力控制部，并且对所述助力控制部的输出乘以助力控制输出渐变增益GFT1。
17.一种电动助力转向装置，其具有对车辆的转向赋予转向助力的电动机和根据基于所述车辆的目标轨道运算出的转向角指令值来生成所述转向的控制信号的ECU，并且根据所述转向角指令值驱动所述电动机来对所述车辆的所述转向进行助力控制，并且相互切换自动转向控制模式和手动转向控制模式，其特征在于，
所述ECU具有：
转向角控制部，其输入所述转向角指令值，控制所述转向的转向角；
助力控制部，其通过所述电动机的旋转力对所述转向赋予转向辅助力；以及
切换判定/渐变增益生成部，其生成与所述转向角控制输出和助力控制输出相乘的渐变增益，乘以该渐变增益来进行所述转向角控制部的转向角控制模式和所述助力控制部的助力控制模式的切换判定，
所述转向角控制部具有：
位置控制部，其对所述转向的目标转向角θt与实际转向角θr之间的偏差乘以比例增益，并且使用FF滤波器计算转向角速度指令值ωref；
转向角速度控制部，其基于输入的目标转向角速度ωt和实际转向角速度ωr，通过比例控制来计算针对所述电动机的电流指令值，使得所述实际转向角速度ωr追随所述目标转向角速度ωt；以及
转向介入补偿兼方向盘减振单元，其基于驾驶员的转向介入时的转向转矩，输出向以下方向的电流指令值，所述方向为将该转向介入引起的所述转向的扭力杆的扭转消除的方向。
18.根据权利要求17所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有减少方向盘振动频率成分的滤波器或通过相位延迟补偿减少振动频率成分的方向盘振动去除单元。
19.根据权利要求17或18所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有上下限可变限制器，该上下限可变限制器通过限制器限制所述转向角速度指令值ωref，直到所述渐变完成为止。
20.根据权利要求17所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对所述转向角速度控制部中的信号乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度控制渐变增益。
21.根据权利要求17所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对所述转向角速度指令值ωref乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的速度指令渐变增益。
22.根据权利要求17所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述转向角控制部还具有可变速率限制器，该可变速率限制器对所述转向角指令值进行速率限制处理，避免由于该转向角指令值θref的剧变使得作为转向角控制输出的转向角控制电流指令值急剧变动的情况。
23.根据权利要求22所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU对来自所述可变速率限制器的转向角指令值乘以由所述切换判定/渐变增益生成部向所述转向角控制部已输出的转向角指令渐变增益。
24.根据权利要求17所述的电动助力转向装置，其特征在于，
所述ECU还具有输入助力图渐变增益并输出助力控制输出的助力控制部，并且对所述助力控制部的输出乘以助力控制输出渐变增益GFT1。
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