CN110406589B - 马达控制装置 - Google Patents

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Abstract

手动转向操纵指令值生成部使用转向操纵转矩生成手动转向操纵指令值。统合角度指令值运算部对自动转向操纵指令值加上手动转向操纵指令值，来运算统合角度指令值。控制部基于统合角度指令值，对电动马达进行角度控制。控制部包含：基本转矩指令值运算部，基于统合角度指令值，来运算基本转矩指令值；干扰转矩推断部，推断作用于电动马达的驱动对象的干扰转矩，上述干扰转矩是除电动马达的马达转矩以外的转矩；以及干扰转矩补偿部，根据干扰转矩对基本转矩指令值进行修正。

Description

马达控制装置
相关申请的交叉引用
本申请主张于2018年4月27日提交的日本专利申请2018-086452号和2018年9月27日提交的2018-182677号的优先权，并在此引用其全部内容。
技术领域
本发明涉及转向角控制用的电动马达的控制装置。
背景技术
在电动动力转向系统(EPS：electric power steering)、线控转向系统以及后轮转向操纵系统等的自动驾驶、驾驶辅助中，通过电动马达控制转向轮的转向角。在这种马达控制中，使用根据目标转向角与实际转向角之差，来控制电动马达的马达转矩的角度反馈控制。作为角度反馈控制，一般而言，使用PID控制。具体而言，通过在对目标转向角与实际转向角之差的项、该差的积分项以及该差的微分项分别乘以比例增益、积分增益以及微分增益之后，将这些项相加来运算目标转矩。然后，控制电动马达，以使马达转矩等于目标转矩。(参照日本特开2004－256076号公报、国际公开第2014/162769号)
由于上述的PID控制是线性的控制算法，所以由于路面负荷转矩(齿条轴侧干扰转矩)、转向系统的摩擦转矩、转向操纵转矩(转向侧干扰转矩)等非线性的干扰转矩的变动，产生角度控制精度的降低、波动。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能够抑制针对角度控制性能的干扰转矩的影响，并能够进行精度较高的角度控制的马达控制装置。
用于驱动控制转向角控制用的电动马达的本发明的一个方式的马达控制装置的结构上的特征为：包含：手动转向操纵指令值生成部，使用转向操纵转矩生成手动转向操纵指令值；统合角度指令值运算部，对自动转向操纵指令值加上上述手动转向操纵指令值，来运算统合角度指令值；以及控制部，基于上述统合角度指令值，对上述电动马达进行角度控制，上述控制部包含：基本转矩指令值运算部，基于上述统合角度指令值，来运算基本转矩指令值；干扰转矩推断部，推断作用于上述电动马达的驱动对象的干扰转矩，上述干扰转矩是除上述电动马达的马达转矩以外的转矩；以及干扰转矩补偿部，根据上述干扰转矩对上述基本转矩指令值进行修正。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的优选实施方式进行的详细描述，本发明前述的和其它的特点和优点得以进一步明确。其中，附图标记表示本发明的要素，其中，
图1是表示应用本发明的一实施方式的马达控制装置的电动动力转向系统的简要结构的示意图。
图2是用于对马达控制用ECU的电气结构进行说明的框图。
图3是表示手动转向操纵指令值生成部的结构的框图。
图4是表示相对于转向操纵转矩Td的辅助转矩指令值Tac的设定例的图。
图5是表示在指令值设定部中使用的基准EPS模型的一个例子的示意图。
图6是表示角度控制部的结构的框图。
图7是表示电动动力转向系统的物理模型的构成例的示意图。
图8是表示干扰转矩推断部的结构的框图。
图9是表示转矩控制部的结构的示意图。
图10的A是表示自动转向操纵指令值θadac的曲线图，B是表示通过手动转向操纵对方向盘施加的转向操纵转矩Td的曲线图。
图11是表示自动转向操纵指令值以及转向操纵转矩分别如图10A以及图10B那样变化的情况下的手动转向操纵指令值θmdac以及统合角度指令值θacmd的变化的图。
图12是表示手动转向操纵指令值生成部的第一变形例的框图。
图13是表示手动转向操纵指令值生成部的第二变形例的框图。
图14是表示马达控制用ECU的第一变形例的框图。
图15是表示相对于手动转向操纵指令值θmdac的权重Wad的设定例的图。
图16是表示马达控制用ECU的第二变形例的框图。
图17是表示在输入了各模式设定信号S1、S2、S3时设定的第一权重Wad的设定例的图。
图18是表示输入了各模式设定信号S1、S2、S3时设定的第二权重Wmd的设定例的图。
图19是表示马达控制用ECU的第三变形例的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1是表示应用本发明的一实施方式的马达控制装置的电动动力转向系统的简要结构的示意图。电动动力转向系统1具备方向盘(手柄)2、转向机构4、以及转向操纵辅助机构5。方向盘2是用于操控车辆的转向操纵部件。转向机构4与该方向盘2的旋转联动地使转向轮3转向。转向操纵辅助机构5对驾驶员的转向操纵进行辅助。方向盘2和转向机构4经由转向轴6以及中间轴7机械式地连结。
转向轴6包含与方向盘2连结的输入轴8、以及与中间轴7连结的输出轴9。输入轴8和输出轴9经由扭杆10以能够相对旋转的方式连结。在扭杆10的附近，配置有转矩传感器12。转矩传感器12基于输入轴8以及输出轴9的相对旋转位移量，来检测对方向盘2赋予的转向操纵转矩(扭杆转矩)Td。在本实施方式中，通过转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td例如将用于朝向左方转向操纵的转矩检测为正值，将用于朝向右方转向操纵的转矩检测为负值。其绝对值越大转向操纵转矩Td的大小越大。
转向机构4由包含小齿轮轴13、以及作为转向轴的齿条轴14的齿条小齿轮机构构成。在齿条轴14的各端部经由转向横拉杆15以及转向节臂(图示略)连结有转向轮3。小齿轮轴13与中间轴7连结。小齿轮轴13与方向盘2的转向操纵联动地旋转。在小齿轮轴13的前端，连结有小齿轮16。
齿条轴14沿着车辆的左右方向直线状地延伸。在齿条轴14的轴向的中间部，形成有与小齿轮16啮合的齿条17。通过该小齿轮16以及齿条17，小齿轮轴13的旋转被转换为齿条轴14的轴向移动。通过使齿条轴14沿轴向移动，能够使转向轮3转向。
若方向盘2被转向操纵(旋转)，则该旋转经由转向轴6以及中间轴7传递至小齿轮轴13。而且，小齿轮轴13的旋转通过小齿轮16以及齿条17，转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3被转向。转向操纵辅助机构5包含电动马达18、减速器19。电动马达18产生转向操纵辅助力(辅助转矩)。减速器19对电动马达18的输出转矩进行放大并传递至转向机构4。减速器19由包含蜗杆(Worm gear)20、以及与该蜗杆20啮合的蜗轮(Worm wheel)21的蜗轮蜗杆机构构成。减速器19收容于作为传递机构壳体的齿轮壳体22内。以下，有用N表示减速器19的减速比(传动比)的情况。减速比N定义为蜗杆20的角速度ωwg相对于蜗轮21的角速度ωww之比ωwg/ωww。
蜗杆20被电动马达18旋转驱动。另外，蜗轮21以能够一体旋转的方式与输出轴9连结。若通过电动马达18旋转驱动蜗杆20，则蜗轮21被旋转驱动，对转向轴6赋予马达转矩并且转向轴6(输出轴9)旋转。而且，转向轴6的旋转经由中间轴7传递至小齿轮轴13。小齿轮轴13的旋转被转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3被转向。即，通过电动马达18旋转驱动蜗杆20，而能够进行基于电动马达18的转向操纵辅助、转向轮3的转向。在电动马达18中，设置有用于检测电动马达18的转子的旋转角的旋转角传感器23。
作为对输出轴9(电动马达18的驱动对象的一个例子)施加的转矩，有电动马达18的马达转矩、以及马达转矩以外的干扰转矩。马达转矩以外的干扰转矩Tlc中包含转向操纵转矩Td、路面负荷转矩(路面反作用力转矩)Trl、摩擦转矩Tf等。转向操纵转矩Td是通过驾驶员对方向盘2施加的力、根据转向惯性产生的力等，从方向盘2侧对输出轴9施加的转矩。
路面负荷转矩Trl是根据在轮胎中产生的自动回正转矩、因悬架、轮胎轮毂对准而产生的力、齿条小齿轮机构的摩擦力等，从转向轮3侧经由齿条轴14施加给输出轴9的转矩。在车辆中，安装有CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)照相机25、GPS(GlobalPositioning System：全球定位系统)26、雷达27以及地图信息存储器28。CCD照相机25对车辆的行进方向前方的道路进行拍摄。GPS26检测本车位置。雷达27检测道路形状、障碍物。地图信息存储器28存储有地图信息。
CCD照相机25、GPS26、雷达27以及地图信息存储器28与用于进行驾驶辅助控制、自动驾驶控制的上位ECU(ECU：Electronic Control Unit，电子控制单元)201连接。上位ECU201基于通过CCD照相机25、GPS26以及雷达27获得信息以及地图信息，进行周边环境识别、本车位置推断、路径计划等，并进行转向操纵、促动器的控制目标值的决定。
在本实施方式中，上位ECU201设定用于自动转向操纵的自动转向操纵指令值θadac。在本实施方式中，自动转向操纵控制例如是用于使车辆沿着目标轨道行驶的控制。自动转向操纵指令值θadac是用于使车辆沿着目标轨道自动行驶的转向操纵角的目标值。由于设定这样的自动转向操纵指令值θadac的处理是公知的，所以在这里省略详细的说明。
通过上位ECU201设定的自动转向操纵指令值θadac经由车载网络被给予给马达控制用ECU202。通过转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td、旋转角传感器23的输出信号被输入至马达控制用ECU202。马达控制用ECU202基于这些输入信号以及从上位ECU201给予的信息，来控制电动马达18。
图2是用于对马达控制用ECU202的电气结构进行说明的框图。
马达控制用ECU202具备微型计算机40、驱动电路(逆变器电路)31、以及电流检测电路32。驱动电路31由微型计算机40来控制，向电动马达18供给电力。电流检测电路32检测流入电动马达18的电流(以下，称为“马达电流I”)。
微型计算机40具备CPU以及存储器(ROM、RAM、非易失性存储器等)。微型计算机40通过执行规定的程序，作为多个功能处理部发挥作用。该多个功能处理部包含手动转向操纵指令值生成部41、统合角度指令值运算部42以及控制部43。手动转向操纵指令值生成部41为了在驾驶员操作方向盘2的情况下，将与该方向盘操作相应的转向操纵角(更准确而言为输出轴9的旋转角θ)设定为手动转向操纵指令值θmdac而设置。手动转向操纵指令值生成部41使用由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td来生成手动转向操纵指令值θmdac。
统合角度指令值运算部42对由上位ECU201设定的自动转向操纵指令值θadac加上手动转向操纵指令值θmdac，来运算统合角度指令值θacmd。
控制部43基于统合角度指令值θacmd，对电动马达18进行角度控制。更具体而言，控制部43对驱动电路31进行驱动控制，以使转向操纵角θ(输出轴9的旋转角θ)接近统合角度指令值θacmd。
控制部43包含角度控制部44和转矩控制部(电流控制部)45。角度控制部44基于统合角度指令值θacmd，运算电动马达18的马达转矩的目标值亦即马达转矩指令值Tm。转矩控制部45驱动驱动电路31，以使电动马达18的马达转矩接近马达转矩指令值Tm。图3是表示手动转向操纵指令值生成部41的结构的框图。
手动转向操纵指令值生成部41包含辅助转矩指令值设定部51、以及指令值设定部52。辅助转矩指令值设定部51设定手动操作所需要的辅助转矩的目标值亦即辅助转矩指令值Tac。辅助转矩指令值设定部51基于由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td，来设定辅助转矩指令值Tac。相对于转向操纵转矩Td的辅助转矩指令值Tac的设定例示于图4。
辅助转矩指令值Tac在应从电动马达18产生用于左方向转向操纵的转向操纵辅助力时为正值，在应从电动马达18产生用于右方向转向操纵的转向操纵辅助力时为负值。辅助转矩指令值Tac相对于转向操纵转矩Td的正值取正，相对于转向操纵转矩Td的负值取负。并且，辅助转矩指令值Tac被设定为转向操纵转矩Td的绝对值越大，其绝对值越大。
此外，辅助转矩指令值设定部51也可以通过转向操纵转矩Td乘以预先设定的常量，来运算辅助转矩指令值Tac。在本实施方式中，指令值设定部52使用基准EPS模型，来设定手动转向操纵指令值θmdac。图5是表示在指令值设定部52中使用的基准EPS模型的一个例子的示意图。
该基准EPS模型是包含下柱(Lower column)的单一惯性模型。下柱与输出轴9以及蜗轮21对应。在图5中，Jc是下柱的惯性，θc是是下柱的旋转角，Td是转向操纵转矩。对下柱，给予转向操纵转矩Td、从电动马达18作用于输出轴9的转矩N·Tm以及路面负荷转矩Trl。路面负荷转矩Trl使用弹簧常数k以及粘性衰减系数c，通过下式(1)来表示。
Trl＝－k·θc－c(dθc/dt)…(1)
在本实施方式中，作为弹簧常数k以及粘性衰减系数c，设定有预先通过实验、解析等求出的规定值。基准EPS模型的运动方程式通过下式(2)来表示。
Jc·d2θc/dt2＝Td+N·Tm－k·θc－c(dθc/dt)…(2)
指令值设定部52向Td代入由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td，并向N·Tm代入由辅助转矩指令值设定部51设定的辅助转矩指令值Tac，来求解式(2)的微分方程式。由此，运算下柱的旋转角θc。而且，指令值设定部52将获得的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。
图6是表示角度控制部44的结构的框图。角度控制部44基于统合角度指令值θacmd来运算马达转矩指令值Tm。角度控制部44包含低通滤波器(LPF)61、反馈控制部62、前馈控制部63、干扰转矩推断部64、转矩加法部65、干扰转矩补偿部66、第一减速比除法部67、减速比乘法部68、旋转角运算部69以及第二减速比除法部70。
减速比乘法部68对由第一减速比除法部67运算的马达转矩指令值Tm乘以减速器19的减速比N。由此，马达转矩指令值Tm被换算为作用于输出轴9(蜗轮21)的转向操纵转矩指令值Tcmd(＝N·Tm)。
旋转角运算部69基于旋转角传感器23的输出信号，来运算电动马达18的转子旋转角θm。第二减速比除法部70将由旋转角运算部69运算的转子旋转角θm除以减速比N。由此，转子旋转角θm被换算为输出轴9的旋转角(实际转向操纵角)θ。
低通滤波器61对统合角度指令值θacmd进行低通滤波处理。低通滤波处理后的统合角度指令值θcmd被给予给反馈控制部62以及前馈控制部63。反馈控制部62为了使由干扰转矩推断部64运算的转向操纵角推断值接近低通滤波处理后的统合角度指令值θcmd而设置。反馈控制部62包含角度偏差运算部62A和PD控制部62B。角度偏差运算部62A运算统合角度指令值θcmd与转向操纵角推断值
Figure BDA0002038424860000071
的偏差
Figure BDA0002038424860000072
此外，角度偏差运算部62A也可以运算统合角度指令值θcmd与由第二减速比除法部70运算的实际转向操纵角θ的偏差(θcmd－θ)作为角度偏差Δθ。
PD控制部62B对由角度偏差运算部62A运算的角度偏差Δθ进行PD运算(比例微分运算)。由此，运算反馈控制转矩Tfb。反馈控制转矩Tfb被给予给转矩加法部65。前馈控制部63为了对由电动动力转向系统1的惯性引起的响应性的延迟进行补偿，提高控制的响应性而设置。前馈控制部63包含角加速度运算部63A和惯性乘法部63B。角加速度运算部63A对统合角度指令值θcmd进行二阶微分。由此，来运算目标角加速度d2θcmd/dt2。
惯性乘法部63B对由角加速度运算部63A运算出的目标角加速度d2θcmd/dt2乘以电动动力转向系统1的惯性J。由此，运算前馈控制转矩Tff(＝J·d2θcmd/dt2)。惯性J例如可根据后述的电动动力转向系统1的物理模型(参照图7)来求出。前馈控制转矩Tff作为惯性补偿值，被给予给转矩加法部65。
转矩加法部65对反馈控制转矩Tfb加上前馈控制转矩Tff。由此，运算基本转矩指令值(Tfb+Tff)。干扰转矩推断部64为了推断机械设备(电动马达18的控制对象)中作为干扰产生的非线性的转矩(干扰转矩：马达转矩以外的转矩)而设置。干扰转矩推断部64基于机械设备的输入值亦即转向操纵转矩指令值Tcmd(＝N·Tm)和作为机械设备的输出的实际转向操纵角θ，来推断干扰转矩(干扰负荷)Tlc、转向操纵角θ以及转向操纵角微分值(角速度)dθ/dt。分别用
Figure BDA0002038424860000081
以及
Figure BDA0002038424860000082
/dt来表示干扰转矩Tlc、转向操纵角θ以及转向操纵角微分值(角速度)dθ/dt的推断值。对于干扰转矩推断部64的详细内容，后述。
由干扰转矩推断部64运算出的干扰转矩推断值
Figure BDA0002038424860000083
作为干扰转矩补偿值给予给干扰转矩补偿部66。由干扰转矩推断部64运算出的转向操纵角推断值
Figure BDA0002038424860000084
赋予给角度偏差运算部62A。干扰转矩补偿部66从基本转矩指令值(Tfb+Tff)减去干扰转矩推断值
Figure BDA0002038424860000085
由此，运算转向操纵转矩指令值
Figure BDA0002038424860000086
由此，获得对干扰转矩补偿后的转向操纵转矩指令值Tcmd(针对输出轴9的转矩指令值)。
转向操纵转矩指令值Tcmd赋予给第一减速比除法部67。第一减速比除法部67将转向操纵转矩指令值Tcmd除以减速比N。由此，运算马达转矩指令值Tm。该马达转矩指令值Tm被赋予给转矩控制部45(参照图2)。对干扰转矩推断部64进行详细说明。干扰转矩推断部64例如由使用图7所示的电动动力转向系统1的物理模型101，来推断干扰转矩Tlc、转向操纵角θ以及角速度dθ/dt的干扰观察器构成。
该物理模型101包含机械设备(马达驱动对象的一个例子)102，该机械设备包含输出轴9以及固定于输出轴9的蜗轮21。对机械设备102从方向盘2经由扭杆10给予转向操纵转矩Td，并且从转向轮3侧给予路面负荷转矩Trl。进一步，对机械设备102，经由蜗杆20给予转向操纵转矩指令值Tcmd(＝N·Tm)，并且通过蜗轮21与蜗杆20之间的摩擦给予摩擦转矩Tf。
若将机械设备102的惯性设为J，则物理模型101的惯性的运动方程式通过下式(3)来表示。
算式1
Figure BDA0002038424860000091
Tlc＝Td+Trl+Tf
d2θ/dt2是机械设备102的角加速度。N是减速器19的减速比。Tlc表示对机械设备102给予的马达转矩以外的干扰转矩。在本实施方式中，干扰转矩Tlc作为转向操纵转矩Td、路面负荷转矩Trl以及摩擦转矩Tf的和来表示，但实际上，干扰转矩Tlc包含有这些以外的转矩。
针对图7的物理模型101的状态方程式通过下式(4)来表示。
算式2
Figure BDA0002038424860000092
在上述式(4)中，x是状态变量向量。在上述式(4)中，u1是已知输入向量。在上述式(4)中，u2是未知输入向量。在上述式(4)中，y是输出向量(测定值)。在上述式(4)中，A是系统矩阵。在上述式(4)中，B1是第一输入矩阵。在上述式(4)中，B2是第二输入矩阵。在上述式(4)中，C是输出矩阵。在上述式(4)中，D是直达矩阵。
将上述状态方程式扩展为作为状态之一包含未知输入向量u2的系统。扩展系统的状态方程式(扩展状态方程式)通过下式(5)来表示。
算式3
Figure BDA0002038424860000101
在上述式(5)中，xe是扩展系统的状态变量向量，通过下式(6)来表示。
算式4
Figure BDA0002038424860000102
在上述式(5)中，Ae是扩展系统的系统矩阵。在上述式(5)中，Be是扩展系统的已知输入矩阵。在上述式(5)中，Ce是扩展系统的输出矩阵。
根据上述式(5)的扩展状态方程式，构建通过下式(7)的方程式表示的干扰观察器(扩展状态观察器)。
算式5
Figure BDA0002038424860000103
在式(7)中，
Figure BDA0002038424860000104
表示xe的推断值。另外，L是观察器增益。另外，
Figure BDA0002038424860000105
表示y的推断值。
Figure BDA0002038424860000106
通过下式(8)来表示。
算式6
Figure BDA0002038424860000107
在式(8)中，
Figure BDA0002038424860000108
是θ的推断值，
Figure BDA0002038424860000109
是Tlc的推断值。
干扰转矩推断部64基于上述式(7)的方程式来运算状态变量向量
Figure BDA00020384248600001010
图8是表示干扰转矩推断部64的结构的框图。干扰转矩推断部64包含输入向量输入部81、输出矩阵乘法部82、第一加法部83、增益乘法部84、输入矩阵乘法部85、系统矩阵乘法部86、第二加法部87、积分部88、以及状态变量向量输出部89。由减速比乘法部68(参照图6)运算的转向操纵转矩指令值Tcmd(＝N·Tm)被赋予给输入向量输入部81。输入向量输入部81输出输入向量u1。
积分部88的输出成为状态变量向量
Figure BDA0002038424860000111
(参照上述式(8))。在运算开始时，作为状态变量向量
Figure BDA0002038424860000112
赋予初始值。状态变量向量
Figure BDA0002038424860000113
的初始值例如为0。系统矩阵乘法部86对状态变量向量
Figure BDA0002038424860000114
乘以系统矩阵Ae。输出矩阵乘法部82对状态变量向量
Figure BDA0002038424860000115
乘以输出矩阵Ce。
第一加法部83从由第二减速比除法部70(参照图6)运算出的实际转向操纵角θ亦即输出向量(测定值)y中减去输出矩阵乘法部82的输出
Figure BDA0002038424860000116
换句话说，第一加法部83运算输出向量y与输出向量推断值
Figure BDA0002038424860000117
之差
Figure BDA0002038424860000118
增益乘法部84对第一加法部83的输出
Figure BDA0002038424860000119
Figure BDA00020384248600001110
乘以观察器增益L(参照上述式(7))。
输入矩阵乘法部85对从输入向量输入部81输出的输入向量u1乘以入力矩阵Be。第二加法部87将输入矩阵乘法部85的输出(Be·u1)、系统矩阵乘法部86的输出
Figure BDA00020384248600001111
以及增益乘法部84的输出
Figure BDA00020384248600001112
相加。由此，运算状态变量向量的微分值
Figure BDA00020384248600001113
/dt。积分部88对第二加法部87的输出(
Figure BDA00020384248600001114
/dt)进行积分。由此，运算状态变量向量
Figure BDA00020384248600001115
状态变量向量输出部89基于状态变量向量
Figure BDA00020384248600001116
来运算干扰转矩推断值
Figure BDA00020384248600001117
转向操纵角推断值
Figure BDA00020384248600001118
以及角速度推断值
Figure BDA00020384248600001119
/dt。
一般的干扰观察器与上述的扩展状态观察器不同，由机械设备的逆模型和低通滤波器构成。机械设备的运动方程式如上所述通过式(3)来表示。因此，机械设备的逆模型成为下式(9)。
算式7
Figure BDA00020384248600001120
对一般的干扰观察器的输入为J·d2θ/dt2以及N·Tm，由于使用实际转向操纵角θ的二阶微分值，所以受到旋转角传感器23的噪声的影响很大。与此相对，在上述的实施方式的扩展状态观察器中，由于通过积分型来推断干扰转矩，所以能够降低由微分引起的噪声影响。
此外，作为干扰转矩推断部64，也可以使用由机械设备的逆模型和低通滤波器构成的一般的干扰观察器。图9是表示转矩控制部45的结构的示意图。转矩控制部45(参照图2)包含马达电流指令值运算部91、电流偏差运算部92、PI控制部93、以及PWM(Pulse WidthModulation：脉冲宽度调制)控制部94。
马达电流指令值运算部91将由角度控制部44(参照图2)运算出的马达转矩指令值Tm除以电动马达18的转矩常量Kt。由此，运算马达电流指令值Icmd。电流偏差运算部92运算由马达电流指令值运算部91获得的马达电流指令值Icmd和由电流检测电路32检测出的马达电流I的偏差ΔI(＝Icmd－I)。
PI控制部93进行针对由电流偏差运算部92运算出的电流偏差ΔI的PI运算(比例积分运算)。由此，生成用于将流入电动马达18的马达电流I引至马达电流指令值Icmd的驱动指令值。PWM控制部94生成与上述驱动指令值对应的占空比的PWM控制信号，并供给至驱动电路31。由此，与驱动指令值对应的电力被供给至电动马达18。
对在进行自动转向操纵控制时由驾驶员操作了方向盘2时，统合角度指令值θacmd如何变化，进行了模拟。具体而言，对在如图10A中用曲线A表示的自动转向操纵指令值θadac从上位ECU201赋予给马达控制用ECU202时，通过手动转向操纵对方向盘2施加图10B中用折线B表示的转向操纵转矩Td的情况进行了模拟。
对方向盘2施加如图10B中用曲线B表示的转向操纵转矩Td。由此，手动转向操纵指令值θmdac如图11的曲线C所示变化。由此，统合角度指令值θacmd如图11中曲线D所示变化。换句话说，若在进行自动转向操纵控制时进行手动转向操纵，则随着手动转向操纵指令值θmdac的绝对值增大，统合角度指令值θacmd偏离自动转向操纵指令值θadac。另一方面，若手动转向操纵停止，则手动转向操纵指令值θmdac的绝对值几乎降低到0。由此，统合角度指令值θacmd缓缓地接近自动转向操纵指令值θadac，与自动转向操纵指令值θadac相等。因此，进行自动转向操纵控制主体中的转向操纵控制并且能够实现可进行手动转向操纵的协调控制。
在上述的实施方式中，对自动转向操纵指令值θadac加上手动转向操纵指令值θmdac，来运算统合角度指令值θacmd。基于该统合角度指令值θacmd来控制电动马达18。由此，不用在手动转向操纵控制和自动转向操纵控制之间进行切换，就能够进行自动转向操纵控制主体中的转向操纵控制并且实现可进行手动转向操纵的协调控制。另外，由于能够无缝地进行手动转向操纵控制和自动转向操纵控制之间的移动，所以在进行手动转向操纵时不会给驾驶员不协调感。
在上述的实施方式中，基于统合角度指令值θacmd来运算基本转矩指令值(Tfb+Tff)。通过由干扰转矩推断部64运算出的干扰转矩推断值
Figure BDA0002038424860000131
对基本转矩指令值(Tfb+Tff)进行修正。其结果，可抑制干扰转矩对角度控制性能的影响。由此，能够实现高精度的角度控制。另外，由此，由于能够排除角度控制部44对在自动转向操纵控制中进行手动转向操纵时的转向操纵感的影响，所以转向操纵感的设计变得容易。具体而言，由于能够获得与弹簧常数k以及粘性衰减系数c的设定值相应的转向操纵感，所以转向操纵感的设计变得容易。
图12是表示手动转向操纵指令值生成部的第一变形例的框图。在图12中，在与上述的图3的各部对应的部分标注与图3相同的附图标记来表示。手动转向操纵指令值生成部41A除了辅助转矩指令值设定部51以及指令值设定部52以外，还包含有弹簧常数运算部53。弹簧常数运算部53基于由干扰转矩推断部64(参照图6)运算出的干扰转矩推断值
Figure BDA0002038424860000132
以及由第二减速比除法部70运算的实际转向操纵角θ，来运算弹簧常数k。具体而言，弹簧常数运算部53基于下式(11)，来运算弹簧常数k。
Figure BDA0002038424860000133
上述的式(2)内的粘性衰减系数c与上述的实施方式相同，预先设定。指令值设定部52将通过式(11)运算的k以及预先设定的c分别作为上述式(2)内的k以及c来使用，来求解式(2)的微分方程式。由此运算θc，并将获得的θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。
在第一变形例的手动转向操纵指令值生成部41A中，使用由干扰转矩推断部64演算出的干扰转矩推断值
Figure BDA0002038424860000134
来运算弹簧常数k。由此，获得与实际的路面负荷相应的转向操纵感。图13是表示手动转向操纵指令值生成部的第二变形例的框图。在图13中，在与上述的图3的各部对应的部分标注与图3相同的附图标记来表示。
手动转向操纵指令值生成部41B除了辅助转矩指令值设定部51以及指令值设定部52以外，还包含有弹簧常数运算部53以及衰减系数运算部54。弹簧常数运算部53与第一变形例和弹簧常数运算部53相同，基于上述式(11)，来运算弹簧常数k。衰减系数运算部54基于由干扰转矩推断部64(参照图6)运算出的干扰转矩推断值
Figure BDA0002038424860000142
以及由第二减速比除法部70运算的实际转向操纵角θ，来运算粘性衰减系数c。具体而言，衰减系数运算部54基于下式(12)，来运算粘性衰减系数c。
Figure BDA0002038424860000141
指令值设定部52通过将由式(11)运算的k以及由式(12)运算的c分别作为上述的式(2)内的k以及c来使用，来求解式(2)的微分方程式来运算θc，并将获得的θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。在第二变形例的手动转向操纵指令值生成部41B中，使用由干扰转矩推断部64运算出的干扰转矩推断值
Figure BDA0002038424860000143
来运算弹簧常数k以及粘性衰减系数c。由此，获得与实际的路面负荷相应的转向操纵感。
图14是表示马达控制用ECU的第一变形例的框图。在图14中，对与上述的图2的各部对应的部分，标注与图2相同的附图标记来表示。以下，将仅基于自动转向操纵指令值θadac来控制电动马达18的转向操纵模式称为自动转向操纵模式。将仅基于手动转向操纵指令值θmdac来控制电动马达18的转向操纵模式称为手动转向操纵模式。
在图14的马达控制用ECU202A中，设置有对从上位ECU201给予的自动转向操纵指令值θadac进行加权处理的加权部46的点与图2的马达控制用ECU202不同。加权部46是“本发明的第一加权部”的一个例子。加权部46根据由手动转向操纵指令值生成部41生成的手动转向操纵指令值θmdac，对自动转向操纵指令值θadac进行加权处理。
具体而言，首先，加权部46基于手动转向操纵指令值θmdac来设定权重Wad。接下来，加权部46对从上位ECU201输入的自动转向操纵指令值θadac乘以权重Wad。而且，加权部46将相乘值Wad·θadac作为加权处理后的自动转向操纵指令值θadac’赋予给统合角度指令值运算部42。
统合角度指令值运算部42对由手动转向操纵指令值生成部41生成的手动转向操纵指令值θmdac，加上加权部46加权处理后的自动转向操纵指令值θadac’。由此，运算统合角度指令值θacmd。对由加权部46设定的权重Wad进行说明。相对于手动转向操纵指令值θmdac的权重Wad的设定例示于图15。权重Wad根据手动转向操纵指令值θmdac，被设定为0～1.0的范围内的值。权重Wad在手动转向操纵指令值θmdac为0时被设定为1.0。另外，权重Wad在手动转向操纵指令值θmdac的绝对值为规定值E(但是，E＞0)以上时被设定为0。而且，权重Wad被设定为在手动转向操纵指令值θmdac的绝对值为0～E的范围内时，随着手动转向操纵指令值θmdac的绝对值的增加而非线性地逐渐减小，随着手动转向操纵指令值θmdac的绝对值的降低而非线性地逐渐增加。规定值E预先通过实验、解析等来设定。
此外，权重Wad也可以设定为在手动转向操纵指令值θmdac的绝对值为0～E的范围内，随着手动转向操纵指令值θmdac的绝对值的增加而线性地逐渐减小，随着手动转向操纵指令值θmdac的绝对值的降低而线性地逐渐增加。在该马达控制用ECU202A中，在手动转向操纵指令值θmdac为0时，将从上位ECU201输入的自动转向操纵指令值θadac直接赋予给统合角度指令值运算部42。此时，由于仅基于自动转向操纵指令值θadac来控制电动马达18，所以转向操纵模式成为自动转向操纵模式。
另一方面，在手动转向操纵指令值θmdac的绝对值为规定值E以上时，自动转向操纵指令值θadac为0。此时，由于仅基于手动转向操纵指令值θmdac来控制电动马达18，所以转向操纵模式成为手动转向操纵模式。换句话说，在该马达控制用ECU202A中，能够将转向操纵模式设定为仅基于自动转向操纵指令值θadac来控制电动马达18的自动转向操纵模式，或设定为仅基于手动转向操纵指令值θmdac来控制电动马达18的手动转向操纵模式。自动转向操纵模式与手动转向操纵模式之间的切换基于使用转向操纵转矩Td计算的手动转向操纵指令值θmdac来进行。由此，能够通过驾驶员的转向操作来进行这些转向操纵模式间的切换。
另外，在从自动转向操纵模式朝向手动转向操纵模式的切换时自动转向操纵指令值θadac的绝对值逐渐减小到0，在从手动转向操纵模式向自动转向操纵模式的切换时自动转向操纵指令值θadac的绝对值从0开始逐渐增加。因此，在该马达控制用ECU202A中，能够流畅地进行自动转向操纵模式与手动转向操纵模式之间的切换。
此外，在第一变形例中，根据手动转向操纵指令值θmdac，对自动转向操纵指令值θadac进行了加权处理，但本发明并不限于这样的实施方式。例如，也可以根据转向操纵转矩Td，对自动转向操纵指令值θadac进行加权处理。具体而言，将由转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td输入至加权部46，若根据将图15的横轴设为转向操纵转矩Td的图设定权重Wad则能够起到与第一变形例相同的效果。
图16是表示马达控制用ECU的第二变形例的框图。在图16中，对于与上述的图2的各部对应的部分，标注与图2相同的附图标记来表示。在图16的马达控制用ECU202B中，输入来自第一模式开关111、第二模式开关112以及第三模式开关113的模式设定信号的点、以及设置有第一加权部47以及第二加权部48的点，与图2的马达控制用ECU202不同。
第一加权部47是“本发明的第三加权部”的一个例子，第二加权部48是“本发明的第四加权部”的一个例子。第一模式开关111在被驾驶员开启时，输出用于将转向操纵模式设定为通常转向操纵模式的通常转向操纵模式设定信号S1。所谓的通常转向操纵模式与图2的马达控制用ECU202相同，是基于手动转向操纵指令值θmdac以及自动转向操纵指令值θadac来控制电动马达18的模式。
第二模式开关112在被驾驶员开启时，输出用于将转向操纵模式设定为自动转向操纵模式的自动转向操纵模式设定信号S2。第三模式开关113在被驾驶员开启时，输出用于将转向操纵模式设定为手动转向操纵模式的手动转向操纵模式设定信号S3。各模式设定信号S1、S2、S3被赋予给第一加权部47以及第二加权部48。
第一加权部47根据所输入的模式设定信号，对从上位ECU201输入的自动转向操纵指令值θadac进行第一加权处理。具体而言，第一加权部47在输入了模式设定信号S1、S2、S3中的任意一个时，首先，根据当前的转向操纵模式以及输入的模式设定信号，设定第一权重Wad。接下来，第一加权部47对从上位ECU201输入的自动转向操纵指令值θadac乘以第一权重Wad。然后，第一加权部47将相乘值Wad·θadac作为第一加权处理后的自动转向操纵指令值θadac’赋予给统合角度指令值运算部42。
第二加权部48设置在手动转向操纵指令值生成部41与统合角度指令值运算部42之间。第二加权部48根据所输入的模式设定信号，对由手动转向操纵指令值生成部41生成的手动转向操纵指令值θmdac，进行第二加权处理。具体而言，第二加权部48在输入了模式设定信号S1、S2、S3中的任意一个时，首先，根据当前的转向操纵模式以及所输入的模式设定信号，来设定第二权重Wmd。接下来，第二加权部48对从手动转向操纵指令值生成部41输入的手动转向操纵指令值θmdac乘以第二权重Wmd。然后，第二加权部48将相乘值Wmd·θmdac作为第二加权处理后的手动转向操纵指令值θmdac’赋予给统合角度指令值运算部42。
统合角度指令值运算部42将第一加权处理后的自动转向操纵指令值θadac’和第二加权处理后的手动转向操纵指令值θmdac’相加，来运算统合角度指令值θacmd。在该第二变形例中，在转向操纵模式被设定为通常转向操纵模式的情况下，第一权重Wad以及第二权重Wmd为1.0。在转向操纵模式被设定为自动转向操纵模式的情况下，第一权重Wad成为1.0，第二权重Wmd成为0。在转向操纵模式被设定为手动转向操纵模式的情况下，第一权重Wad成为0，第二权重Wmd成为1.0。换句话说，在该马达控制用ECU202B中，通过由驾驶员进行的模式开关111、112、113的操作，能够在通常转向操纵模式、自动转向操纵模式以及手动转向操纵模式之间进行转向操纵模式的切换。
伴随转向操纵模式的切换的第一权重Wad以及第二权重Wmd的设定例分别示于图17以及图18。在图17中，用折线L1表示在从各模式设定信号S1、S2、S3的输入时(时刻t1)到经过规定时间T的时刻t2，第一权重Wad从0逐渐增加到1.0的状态，用折线L2表示从1.0逐渐减小到0的状态。另外，在图18中，用折线L3表示从时刻t1到时刻t2，第二权重Wmd从0逐渐增加到1.0的状态，用折线L4表示从1.0逐渐减小到0的状态。由此，第一加权处理后的自动转向操纵指令值θadac’以及第二加权处理后的手动转向操纵指令值θmdac’的各自的绝对值逐渐增加或者逐渐减小。因此，能够流畅地进行转向操纵模式间的切换。
将第一权重Wad以及第二权重Wmd在0和1.0之间切换所需要的时间T被设定为预先通过实验、解析等求出的规定值。另外，在第一权重Wad以及第二权重Wmd中，也可以设定为在0和1.0之间切换所需的时间T不同。另外，第一权重Wad以及第二权重Wmd也可以被设定为不是线性地，而是非线性地逐渐增加/逐渐减小。
在该第二变形例中，即使进行未伴随转向操纵模式的变更的模式开关111、112、113的操作，该操作也被设为无效。另外，在该第二变形例中，从操作各模式开关111、112、113到经过规定时间T，即使任意一个模式开关111、112、113被操作，该操作也被设为无效。
此外，也可以根据驾驶员把持还是释放方向盘2，来产生自动转向操纵模式设定信号S2或者手动转向操纵模式设定信号S3。具体而言，如图16中双点划线所示，设定用于判定驾驶员把持还是释放方向盘2的手把持释放判定部114。作为手把持释放判定部114，能够使用基于设置于方向盘2的触摸传感器(未图示)的输出信号来判定驾驶员把持还是释放方向盘2的结构、基于设置于车内的照相机(未图示)的拍摄图像来判定驾驶员把持还是释放方向盘2的结构等。此外，作为手把持释放判定部114，只要能够判定驾驶员把持还是释放方向盘2，也能够使用上述的结构以外的结构。
手把持释放判定部114在驾驶员从未把持方向盘2的状态(分离状态)变化为把持的状态(把持状态)时，输出手动转向操纵模式设定信号S3。另一方面，手把持释放判定部114在从把持状态变化为分离状态时，输出自动转向操纵模式设定信号S2。此外，在设置这样的手把持释放判定部114的情况下，优选驾驶员切换基于手把持释放判定部114来进行自动转向操纵模式与手动转向操纵模式的切换的动作模式、基于第二模式开关112、第三模式开关113来进行自动转向操纵模式与手动转向操纵模式的切换的动作模式。
图19是表示马达控制用ECU的第三变形例的框图。在图19中，对于与上述的图2的各部对应的部分，标注与图2相同的附图标记来表示。在图19的马达控制用ECU202C中，设置有驾驶可否判定部115和加权部49的点与图2的马达控制用ECU202不同。加权部49是“本发明的第二加权部”的一个例子。
驾驶可否判定部115例如基于由设置于车内的车载照相机120拍摄的驾驶员的映像，来判定是否是驾驶员不得驾驶的状态。例如，驾驶可否判定部115在判定为驾驶员打瞌睡的可能性较高时，判定为是驾驶员不得进行驾驶的状态。驾驶可否判定部115在判定为是驾驶员不得进行驾驶的状态时，输出驾驶禁止信号S4。驾驶禁止信号S4被赋予给加权部49。
加权部49设置在手动转向操纵指令值生成部41与统合角度指令值运算部42之间。加权部49根据从驾驶可否判定部115给予的驾驶禁止信号S4，对手动转向操纵指令值θmdac进行加权处理。具体而言，加权部49若输入驾驶禁止信号S4，则首先设定权重Wmd。接下来，加权部49对由手动转向操纵指令值生成部41生成的手动转向操纵指令值θmdac乘以权重Wmd。然后，加权部49将相乘值Wmd·θmdac作为加权处理后的手动转向操纵指令值θmdacc’赋予给统合角度指令值运算部42。
权重Wmd例如根据前述的图18的折线L4所示的特性来设定。换句话说，从输入驾驶禁止信号S4的时刻t1到经过规定时间T的时刻t2，权重Wmd从1.0逐渐减小到0。而且，在时刻t2以后，权重Wmd维持0。因此，在来自驾驶可否判定部115的驾驶禁止信号S4被输入至加权部49时，加权处理后的手动转向操纵指令值θmdacc’的绝对值逐渐减小，在经过规定时间T之后成为0。而且，在此之后，加权处理后的手动转向操纵指令值θmdacc’维持0。由此，由于转向操纵模式成为自动转向操纵模式，所以之后，即使驾驶员进行转向操作，该转向操作也不会反映至马达控制。由此，能够避免在处于驾驶员不得进行驾驶的状态时，基于驾驶员的转向操作来控制电动马达18。
此外，在该第三变形例中，优选设置用于将自动转向操纵模式返回到通常转向操纵模式的模式开关。以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明也能够进一步以其它方式来实施。例如，在上述的实施方式中，指令值设定部52(参照图3、图12、图13)基于基准EPS模型设定手动转向操纵指令值θmdac，但指令值设定部52也可以通过其它方法来设定手动转向操纵指令值θmdac。
例如，指令值设定部52也可以使用存储有转向操纵转矩Td与手动转向操纵指令值θmdac的关系的图表，来设定手动转向操纵指令值θmdac。更具体而言，指令值设定部52也可以按照每个弹簧常数k以及粘性衰减系数c的组合具备上述图表，从上述图表中获取预先设定或者运算的弹簧常数k和粘性衰减系数c以及与由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td对应的手动转向操纵指令值θmdac。指令值设定部52也可以为按照每个车速、或者按照每个由干扰转矩推断部64运算出的干扰转矩推断值
Figure BDA0002038424860000191
具备上述图表的结构。
在上述的实施方式中，角度控制部44(参照图6)具备前馈控制部63，但也可以省略前馈控制部63。在该情况下，由反馈控制部62运算的反馈控制转矩Tfb成为基本目标转矩。在上述的实施方式中，干扰转矩推断部64基于马达转矩指令值Tm和机械设备的旋转角θ来推断干扰转矩
Figure BDA0002038424860000192
但也可以设置获取由电动马达18产生的马达转矩的马达转矩获取部，使用由该马达转矩获取部获取的马达转矩代替马达转矩指令值Tm。
在上述的实施方式中，示出了将本发明应用于柱式EPS的马达控制的情况下的例子，但本发明也能够应用于柱式以外的EPS的马达控制。本发明也能够应用于线控转向系统的转向角控制用的电动马达的控制。其他，本发明能够在权利要求书所记载的事项的范围内实施各种设计变更。

Claims (9)

1.一种电动动力转向系统，包括：
电动马达；
输出轴，由电动马达驱动；
齿条小齿轮机构，用于控制车轮的转向，上述齿条小齿轮机构与上述输出轴机械连结；以及
马达控制装置，用于驱动控制转向角控制用的电动马达，
上述马达控制装置包含：
手动转向操纵指令值生成部，使用转向操纵转矩生成手动转向操纵指令值；
统合角度指令值运算部，对自动转向操纵指令值加上上述手动转向操纵指令值，来运算统合角度指令值；以及
控制部，基于上述统合角度指令值，对上述电动马达进行角度控制，
上述控制部包含：
基本转矩指令值运算部，基于上述统合角度指令值，来运算基本转矩指令值；
干扰转矩推断部，推断由上述电动马达产生并作用于上述输出轴的干扰转矩，上述干扰转矩是除上述电动马达的马达转矩以外的转矩，上述干扰转矩至少包含转向操纵转矩、路面负荷转矩和摩擦转矩；以及
干扰转矩补偿部，根据上述干扰转矩对上述基本转矩指令值进行修正。
2.根据权利要求1所述的电动动力转向系统，其中，
上述手动转向操纵指令值生成部构成为使用上述转向操纵转矩和用于生成路面负荷转矩的弹簧常数以及粘性衰减系数，来生成上述手动转向操纵指令值。
3.根据权利要求2所述的电动动力转向系统，其中，
上述弹簧常数根据由上述干扰转矩推断部推断的上述干扰转矩来设定，上述粘性衰减系数预先被设定为规定值。
4.根据权利要求2所述的电动动力转向系统，其中，
上述弹簧常数以及上述粘性衰减系数根据由上述干扰转矩推断部推断的上述干扰转矩来设定。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电动动力转向系统，其中,
上述干扰转矩推断部构成为基于由上述干扰转矩补偿部修正后的上述基本转矩指令值或者由上述电动马达产生的马达转矩、以及上述电动马达的旋转角，来推断上述干扰转矩以及上述输出轴的旋转角，
上述基本转矩指令值运算部包含：
角度偏差运算部，运算上述统合角度指令值与上述输出轴的旋转角之差亦即角度偏差；以及
反馈运算部，通过对上述角度偏差进行规定的反馈运算，来运算上述基本转矩指令值。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的电动动力转向系统，其中,
上述干扰转矩推断部构成为基于由上述干扰转矩补偿部修正后的上述基本转矩指令值或者由上述电动马达产生的马达转矩、以及上述电动马达的旋转角，来推断上述干扰转矩以及上述输出轴的旋转角，
上述基本转矩指令值运算部包含：
角度偏差运算部，运算上述统合角度指令值与上述输出轴的旋转角之差亦即角度偏差；
反馈运算部，通过对上述角度偏差进行规定的反馈运算，来运算反馈控制转矩；
前馈运算部，通过对上述统合角度指令值的二阶微分值乘以规定值，来运算前馈控制转矩；以及
加法部，通过对上述反馈控制转矩加上上述前馈控制转矩，来运算上述基本转矩指令值。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的电动动力转向系统，还具备：
第一加权部，根据规定的第一信息，对上述自动转向操纵指令值进行加权处理，
上述统合角度指令值运算部构成为对由上述第一加权部进行加权处理后的自动转向操纵指令值加上上述手动转向操纵指令值，来运算统合角度指令值。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的电动动力转向系统，还具备：
第二加权部，根据规定的第二信息，对上述手动转向操纵指令值进行加权处理，
上述统合角度指令值运算部构成为对上述自动转向操纵指令值加上由上述第二加权部进行加权处理后的上述手动转向操纵指令值，来运算统合角度指令值。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的电动动力转向系统，还具备：
第三加权部，根据规定的第三信息，对上述自动转向操纵指令值进行加权处理；以及
第四加权部，根据规定的第四信息，对上述手动转向操纵指令值进行加权处理，
上述统合角度指令值运算部构成为对由上述第三加权部进行加权处理后的自动转向操纵指令值加上由上述第四加权部进行加权处理后的上述手动转向操纵指令值，来运算统合角度指令值。
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