CN110775151B - 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。综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，来运算综合角度指令值。控制部基于综合角度指令值，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，其基于综合角度指令值，运算基本转矩指令值；外部干扰转矩估计部，其估计作用于电动马达的驱动对象的除了电动马达的马达转矩以外的外部干扰转矩；以及外部干扰转矩补偿部，其根据外部干扰转矩修正基本转矩指令值。手动转向操纵指令值生成部在手动转向操纵指令值的生成时，使用基于外部干扰转矩计算出的估计转矩。

Description

马达控制装置
相关申请的交叉引用
本申请主张于2018年7月31日申请的日本申请编号2018－144000的优先权，并在此引用其全部内容。
技术领域
该发明涉及转向角控制用的电动马达的控制装置。
背景技术
在基于电动助力转向系统(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、驾驶支援中，通过电动马达控制转向轮的转向角。这种马达控制使用根据目标转向角与实际转向角之差，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，通过分别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，马达转矩以与目标转矩相等的方式控制电动马达。(参照日本特开2004－256076号公报、国际公开第2014/162769号)。
上述的PID控制是线性的控制算法，所以由于路面负荷转矩(齿条轴侧外部干扰转矩)、转向系统的摩擦转矩、转向操纵转矩(转向侧外部干扰转矩)等非线性的外部干扰转矩的变动，而产生角度控制精度的降低、偏差。
发明内容
该发明的目的之一在于提供能够抑制外部干扰转矩对角度控制性能的影响，进行高精度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方式的马达控制装置的构成上的特征在于，包含：手动转向操纵指令值生成部，其使用转向操纵转矩生成手动转向操纵指令值；综合角度指令值运算部，其对自动转向操纵指令值加上上述手动转向操纵指令值，来运算综合角度指令值；以及控制部，其基于上述综合角度指令值，角度控制上述电动马达，上述控制部包含：基本转矩指令值运算部，其基于上述综合角度指令值，运算基本转矩指令值；外部干扰转矩估计部，其估计作用于上述电动马达的驱动对象的除了上述电动马达的马达转矩以外的外部干扰转矩；以及外部干扰转矩补偿部，其根据上述外部干扰转矩修正上述基本转矩指令值，上述手动转向操纵指令值生成部在上述手动转向操纵指令值的生成时使用基于上述外部干扰转矩计算出的估计转矩。
附图说明
通过参照附图下述的详细的记述，本公开的上述目的以及其它的目的、特征、优点变得更加明确。其中，
图1是表示应用本发明的一实施方式所涉及的马达控制装置的电动助力转向系统的概略结构的示意图。
图2是用于说明马达控制用ECU的电构成的框图。
图3是表示手动转向操纵指令值生成部的构成的框图。
图4是表示相对于转向操纵转矩Td的辅助转矩指令值Tac的设定例的图表。
图5是表示指令值设定部所使用的参考EPS模型的一个例子的示意图。
图6是表示角度控制部的构成的框图。
图7是表示电动助力转向系统的物理模型的构成例的示意图。
图8是表示外部干扰转矩估计部的构成的框图。
图9是表示转矩控制部的构成的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对该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所涉及的马达控制装置的电动助力转向系统的概略结构的示意图。电动助力转向系统1具备方向盘2、转向机构4、以及转向操纵辅助机构5。方向盘2是用于对车辆进行方向操纵的转向操纵部件。转向机构4与该方向盘2的旋转联动地对转向轮3进行转向。转向操纵辅助机构5辅助驾驶员的转向操纵。方向盘2与转向机构4经由转向轴6以及中间轴7以机械的方式连结。
转向轴6包含与方向盘2连结的输入轴8、和与中间轴7连结的输出轴9。输入轴8与输出轴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，检测给予方向盘2的转向操纵转矩(扭杆转矩)Td。在该实施方式中，对于通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td来说，例如用于向左方的转向操纵的转矩被检测为正的值，用于向右方的转向操纵的转矩被检测为负的值。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、和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(图示省略)与转向轮3连结。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向轴向移动，能够使转向轮3转向。
若对方向盘2进行转向操纵(旋转)，则该旋转经由转向轴6以及中间轴7，传递到小齿轮轴13。然后，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、和减速机19。电动马达18产生转向操纵辅助力(辅助转矩)。减速机19放大电动马达18的输出转矩并将其传递到转向机构4。减速机19由包含蜗轮蜗杆20、和与该蜗轮蜗杆20啮合的蜗轮21的蜗轮蜗杆机构构成。减速机19收容在作为传递机构壳体的齿轮壳体22内。以下，有时以N表示减速机19的减速比(传动比)。减速比N定义为相对于蜗轮21的角速度ωww的蜗轮蜗杆20的角速度ωwg之比ωwg/ωww。
蜗轮蜗杆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旋转驱动蜗轮蜗杆20，则旋转驱动蜗轮21，对转向轴6给予马达转矩并且转向轴6(输出轴9)旋转。转向轴6的旋转经由中间轴7传递到小齿轮轴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，通过利用电动马达18旋转驱动蜗轮蜗杆20，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。
作为施加给输出轴9(电动马达18的驱动对象的一个例子)的转矩，有基于电动马达18的马达转矩、和马达转矩以外的外部干扰转矩。马达转矩以外的外部干扰转矩Tlc包含有转向操纵转矩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是由于由驾驶员施加给方向盘2的力、由于转向惯性产生的力等，而从方向盘2侧施加给输出轴9的转矩。
路面负荷转矩Trl是由于在轮胎产生的回正转矩、由悬架或者轮胎定位器产生的力、齿条小齿轮机构的摩擦力等，而从转向轮3经由侧齿条轴14施加给输出轴9的转矩。摩擦转矩Tf是施加给输出轴9(电动马达18的驱动对象)的摩擦转矩中，不包含于转向操纵转矩Td以及路面负荷转矩Trl的摩擦转矩。摩擦转矩Tf至少包含在电动马达18与输出轴9之间产生的摩擦转矩。在该实施方式中，摩擦转矩Tf主要由由减速机19产生摩擦转矩(在蜗轮21与蜗轮蜗杆20之间产生的摩擦转矩)构成。
在车辆搭载有CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)照相机25、GPS(Global Positioning 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拍摄车辆的行进方向前方的道路。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与用于进行驾驶支援控制、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得到的信息以及地图信息，进行周边环境识别、本车位置估计、路径计划等，并进行转向操纵、驱动促动器的控制目标值的决定。
在该实施方式中，上位ECU201设定用于自动转向操纵的自动转向操纵指令值θadac。在该实施方式中，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。这样的设定自动转向操纵指令值θadac处理是公知的，所以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经由车载网络给予马达控制用ECU202。通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td、旋转角传感器23的输出信号输入到马达控制用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，控制电动马达18。
图2是用于说明马达控制用ECU202的电构成的框图。
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被微型计算机40控制，并对电动马达18供给电力。电流检测电路32检测在电动马达18流过的电流(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、综合角度指令值运算部42、以及控制部43。为了在驾驶员操作了方向盘2的情况下，将与该方向盘操作对应的转向操纵角(更正确而言是输出轴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。手动转向操纵指令值生成部41使用通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td以及从后述的控制部43内的角度控制部44给予的外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000051
生成手动转向操纵指令值θmdac。
综合角度指令值运算部42对通过上位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，来对综合角度指令值θacmd进行运算。控制部43基于综合角度指令值θacmd，对电动马达18进行角度控制。更具体而言，控制部43以转向操纵角θ(输出轴9的旋转角θ)接近综合角度指令值θacmd的方式，对驱动电路31进行驱动控制。
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基于综合角度指令值θacmd，对电动马达18的马达转矩的目标值亦即马达转矩指令值Tm进行运算。转矩控制部45以电动马达18的马达转矩接近马达转矩指令值Tm的方式对驱动电路31进行驱动。图3是表示手动转向操纵指令值生成部41的构成的框图。
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、和指令值设定部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基于通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td，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的设定例如图4所示。
辅助转矩指令值Tac在用该从电动马达18产生用于左方向转向操纵的转向操纵辅助力时为正的值，在应该从电动马达18产生用于右方向转向操纵的转向操纵辅助力时为负的值。辅助转矩指令值Tac相对于转向操纵转矩Td的正的值取为正，相对于转向操纵转矩Td的负的值取为负。而且，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也可以通过对转向操纵转矩Td乘以预先设定的常数，来对辅助转矩指令值Tac进行运算。返回到图3，指令值设定部52基于转向操纵转矩Td、辅助转矩指令值Tac、以及通过后述的角度控制部44内的外部干扰转矩估计部64(参照图6)运算出的外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000061
设定手动转向操纵指令值θmdac。
通过外部干扰转矩估计部64运算出的外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000062
是作用于电动马达18的驱动对象(输出轴9)的马达转矩以外的外部干扰转矩的估计值。外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000063
包含上述的转向操纵转矩Td、路面负荷转矩Trl、摩擦转矩Tf等。指令值设定部52基本而言使用图5的参考EPS模型，设定手动转向操纵指令值θmdac。
该参考EPS模型是包含下柱的单一惯性模型。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。
以下式(1)表示参考EPS模型的运动方程式。
Jc·d2θc/dt2＝Td+N·Tm+Trl…(1)
在该实施方式中，指令值设定部52使用通过外部干扰转矩估计部64(参照图3以及图6)运算出的外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000064
作为图5的路面负荷转矩Trl(式(1)的Trl)。该情况下，以下式(2)表示参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000065
指令值设定部52通过将通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td代入Td，将通过辅助转矩指令值设定部51设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(2)的微分方程式，来对下柱的旋转角θc进行运算。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角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的构成的框图。角度控制部44基于综合角度指令值θacmd对马达转矩指令值Tm进行运算。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、外部干扰转矩估计部64、转矩加算部65、外部干扰转矩补偿部66、第一减速比除算部67、减速比乘算部68、旋转角运算部69、以及第二减速比除算部70。
减速比乘算部68将减速机19的减速比N与通过第一减速比除算部67运算出的马达转矩指令值Tm相乘。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，对电动马达18的转子旋转角θm进行运算。第二减速比除算部70将通过旋转角运算部69运算出的转子旋转角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对综合角度指令值θacmd进行低通滤波处理。低通滤波处理后的综合角度指令值θcmd给予反馈控制部62以及前馈控制部63。为了使通过外部干扰转矩估计部64运算出的转向操纵角估计值
Figure BDA0002143317150000071
接近低通滤波处理后的综合角度指令值θcmd而设置反馈控制部62。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对综合角度指令值θcmd与转向操纵角估计值
Figure BDA0002143317150000072
的偏差
Figure BDA0002143317150000073
进行运算。此外，角度偏差运算部62A也可以对综合角度指令值θcmd与通过第二减速比除算部70运算出的实际转向操纵角θ的偏差(θcmd－θ)进行运算作为角度偏差Δθ。
PD控制部62B对通过角度偏差运算部62A运算出的角度偏差Δθ进行PD运算(比例微分运算)。由此，运算出反馈控制转矩Tfb。反馈控制转矩Tfb给予转矩加算部65。为了对电动助力转向系统1的基于惯性的响应性的延迟进行补偿，使控制的响应性提高而设置前馈控制部63。前馈控制部63包含角加速度运算部63A和惯性乘算部63B。角加速度运算部63A通过对综合角度指令值θcmd进行二阶微分，对目标角加速度d2θcmd/dt2进行运算。
惯性乘算部63B对通过角加速度运算部63A运算出的目标角加速度d2θcmd/dt2乘以电动助力转向系统1的惯性J。由此，运算出前馈控制转矩Tff(＝J·d2θcmd/dt2)。例如根据后述的电动助力转向系统1的物理模型(参照图7)求出惯性J。前馈控制转矩Tff作为惯性补偿值，给予转矩加算部65。
转矩加算部65对反馈控制转矩Tfb加上前馈控制转矩Tff。由此，运算出基本转矩指令值(Tfb+Tff)。为了估计在设备(电动马达18的控制对象)作为外部干扰产生的非线性的转矩(外部干扰转矩：马达转矩以外的转矩)而设置外部干扰转矩估计部64。外部干扰转矩估计部64基于对设备的输入值亦即转向操纵转矩指令值Tcmd(＝N·Tm)、和作为设备的输出的实际转向操纵角θ，估计外部干扰转矩(外部干扰负荷)Tlc、转向操纵角θ以及转向操纵角微分值(角速度)dθ/dt。分别以
Figure BDA0002143317150000081
Figure BDA0002143317150000082
以及
Figure BDA0002143317150000083
Figure BDA0002143317150000084
表示外部干扰转矩Tlc、转向操纵角θ以及转向操纵角微分值(角速度)dθ/dt的估计值。后述外部干扰转矩估计部64的详细。
通过外部干扰转矩估计部64运算出的外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000085
给予手动转向操纵指令值生成部41内的指令值设定部52(参照图3)，并且作为外部干扰转矩补偿值给予外部干扰转矩补偿部66。通过外部干扰转矩估计部64运算出的转向操纵角估计值
Figure BDA0002143317150000086
给予角度偏差运算部62A。外部干扰转矩补偿部66从基本转矩指令值(Tfb+Tff)减去外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000087
由此，运算出转向操纵转矩指令值
Figure BDA0002143317150000088
由此，得到补偿了外部干扰转矩的转向操纵转矩指令值Tcmd(对输出轴9的转矩指令值)。
转向操纵转矩指令值Tcmd给予第一减速比除算部67。第一减速比除算部67将转向操纵转矩指令值Tcmd除以减速比N。由此，运算出马达转矩指令值Tm。该马达转矩指令值Tm给予转矩控制部45(参照图2)。对外部干扰转矩估计部64进行详细说明。外部干扰转矩估计部64例如由使用图7所示的电动助力转向系统1的物理模型101，估计外部干扰转矩Tlc、转向操纵角θ以及角速度dθ/dt的外部干扰观测器构成。
该物理模型101包括包含输出轴9以及固定于输出轴9的蜗轮21的设备(马达驱动对象的一个例子)102。在设备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。并且，在设备102经由蜗轮蜗杆20给予转向操纵转矩指令值Tcmd(＝N·Tm)。并且，由于蜗轮21与蜗轮蜗杆20之间的摩擦而给予摩擦转矩Tf。
若将设备102的惯性设为J，则以下式(3)表示物理模型101的惯性的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000091
Tlc＝Td+Trl+Tf
d2θ/dt2是设备102的角加速度。N是减速机19的减速比。Tlc表示给予设备102的马达转矩以外的外部干扰转矩。在该实施方式中，作为转向操纵转矩Td、路面负荷转矩Trl以及摩擦转矩Tf的和示出外部干扰转矩Tlc，但实际上外部干扰转矩Tlc包含这些转矩以外的转矩。
以下式(4)表示对于图7的物理模型101的状态方程式。
Figure BDA0002143317150000092
在上述式(4)中，x是状态变量矢量。在上述式(4)中，u1是已知输入矢量。在上述式(4)中，u2是未知输入矢量。在上述式(4)中，y是输出矢量(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包含未知输入矢量u2作为状态之一的系统。以下式(5)表示扩展系的状态方程式(扩展状态方程式)。
Figure BDA0002143317150000093
在上述式(5)中，xe是扩展系的状态变量矢量，以下式(6)表示。
Figure BDA0002143317150000094
在上述式(5)中，Ae是扩展系的系统矩阵。在上述式(5)中，Be是扩展系的已知输入矩阵。在上述式(5)中，Ce是扩展系的输出矩阵。
根据上述式(5)的扩展状态方程式，构建以下式(7)的方程式表示的外部干扰观测器(扩展状态观测器)。
Figure BDA0002143317150000095
在式(7)中，
Figure BDA0002143317150000096
表示xe的估计值。另外，L是观测器增益。另外，
Figure BDA0002143317150000097
表示y的估计值。以下式(8)表示
Figure BDA0002143317150000101
Figure BDA0002143317150000102
在式(8)中，
Figure BDA0002143317150000103
是θ的估计值，
Figure BDA0002143317150000104
是Tlc的估计值。外部干扰转矩估计部64基于上述式(7)的方程式对状态变量矢量
Figure BDA0002143317150000105
进行运算。
图8是表示外部干扰转矩估计部64的构成的框图。外部干扰转矩估计部64包含输入矢量输入部81、输出矩阵乘算部82、第一加算部83、增益乘算部84、输入矩阵乘算部85、系统矩阵乘算部86、第二加算部87、积分部88、以及状态变量矢量输出部89。通过减速比乘算部68(参照图6)运算出的转向操纵转矩指令值Tcmd(＝N·Tm)给予输入矢量输入部81。输入矢量输入部81输出输入矢量u1。
积分部88的输出成为状态变量矢量
Figure BDA0002143317150000106
(参照上述式(8))。在运算开始时，给予初始值作为状态变量矢量
Figure BDA0002143317150000107
状态变量矢量
Figure BDA0002143317150000108
的初始值例如为0。系统矩阵乘算部86对状态变量矢量
Figure BDA0002143317150000109
乘以系统矩阵Ae。输出矩阵乘算部82对状态变量矢量
Figure BDA00021433171500001010
乘以输出矩阵Ce。
第一加算部83从通过第二减速比除算部70(参照图6)运算出的实际转向操纵角θ亦即输出矢量(测定值)y减去输出矩阵乘算部82的输出
Figure BDA00021433171500001011
换句话说，第一加算部83对输出矢量y与输出矢量估计值
Figure BDA00021433171500001012
Figure BDA00021433171500001013
之差
Figure BDA00021433171500001014
进行运算。增益乘算部84对第一加算部83的输出
Figure BDA00021433171500001015
乘以观测器增益L(参照上述式(7))。
输入矩阵乘算部85对从输入矢量输入部81输出的输入矢量u1乘以输入矩阵Be。第二加算部87将输入矩阵乘算部85的输出(Be·u1)、系统矩阵乘算部86的输出
Figure BDA00021433171500001016
以及增益乘算部84的输出
Figure BDA00021433171500001017
相加。由此，运算出状态变量矢量的微分值
Figure BDA00021433171500001018
积分部88对第二加算部87的输出
Figure BDA00021433171500001019
进行积分。由此，运算出状态变量矢量
Figure BDA00021433171500001020
状态变量矢量输出部89基于状态变量矢量
Figure BDA00021433171500001021
对外部干扰转矩估计值
Figure BDA00021433171500001022
转向操纵角估计值
Figure BDA00021433171500001023
以及角速度估计值
Figure BDA00021433171500001024
を运算する。
一般的外部干扰观测器与上述的扩展状态观测器不同，由设备的逆模型和低通滤波器构成。如上述那样以式(3)表示设备的运动方程式。因此，设备的逆模型成为下式(9)。
Figure BDA0002143317150000111
向一般的外部干扰观测器的输入为J·d2θ/dt2以及N·Tm，使用实际转向操纵角θ的二阶微分值，所以较大地受到旋转角传感器23的噪声的影响。与此相对，在上述的实施方式的扩展状态观测器中，以积分型估计外部干扰转矩，所以能够降低微分所引起的噪声影响。
此外，也可以使用由设备的逆模型和低通滤波器构成的一般的外部干扰观测器作为外部干扰转矩估计部64。图9是表示转矩控制部45的构成的示意图。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(PulseWidth Modulation：脉冲宽度调制)控制部94。
马达电流指令值运算部91将通过角度控制部44(参照图2)运算出的马达转矩指令值Tm除以电动马达18的转矩常数Kt。由此，运算出马达电流指令值Icmd。电流偏差运算部92对通过马达电流指令值运算部91得到的马达电流指令值Icmd与通过电流检测电路32检测到的马达电流I的偏差ΔI(＝Icmd－I)进行运算。
PI控制部93进行对通过电流偏差运算部92运算出的电流偏差ΔI的PI运算(比例积分运算)。由此，生成用于将在电动马达18流过的马达电流I导向马达电流指令值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，对电动马达18供给与驱动指令值对应的电力。
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，运算综合角度指令值θacmd，并基于该综合角度指令值θacmd控制电动马达18。由此，能够实现能够不在手动转向操纵控制与自动转向操纵控制之间进行切换，而在进行自动转向操纵控制主体下的转向操纵控制的同时进行手动转向操纵的協调控制。另外，能够无缝地进行手动转向操纵控制与自动转向操纵控制之间的移行，所以在进行手动转向操纵时不会给予驾驶员不协调感。
在上述的实施方式中，基于综合角度指令值θacmd对基本转矩指令值(Tfb+Tff)进行运算，并通过由外部干扰转矩估计部64运算出的外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000112
修正基本转矩指令值(Tfb+Tff)。因此，能够抑制对角度控制性能的外部干扰转矩的影响。由此，能够实现高精度的角度控制。
另外，在上述的实施方式中，使用通过外部干扰转矩估计部64运算出并且包含路面负荷转矩Trl的外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000121
设定手动转向操纵指令值θmdac。因此，能够在手动转向操纵时得到与实际的路面状况对应的转向操纵感。以下，对手动转向操纵指令值生成部41内的指令值设定部52(参照图3)的变形例进行说明。在第一变形例中，指令值设定部52使用从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000122
减去转向操纵转矩Td后的值
Figure BDA0002143317150000123
作为图5的路面负荷转矩Trl(上述式(1)的Trl)。
该情况下，以下式(10)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000124
指令值设定部52将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(10)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。
在第一变形例中，使用从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000125
减去转向操纵转矩Td后的值
Figure BDA0002143317150000126
设定手动转向操纵指令值θmdac。因此，能够防止外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000127
所包含的转向操纵转矩Td被使用于手动转向操纵指令值θmdac的设定。由此，能够在手动转向操纵时更有效地得到与实际的路面状况对应的转向操纵感。在第二变形例中，指令值设定部52使用从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000128
减去转向操纵转矩Td以及摩擦转矩Tf后的值
Figure BDA0002143317150000129
作为图5的路面负荷转矩Trl。例如能够使用估计在减速机19产生的摩擦的摩擦模型等估计摩擦转矩Tf。
该情况下，以下式(11)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA00021433171500001210
指令值设定部52将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(11)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。
在第二变形例中，使用从外部干扰转矩估计值
Figure BDA00021433171500001211
减去转向操纵转矩Td以及摩擦转矩Tf后的值
Figure BDA00021433171500001212
设定手动转向操纵指令值θmdac。因此，能够防止外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000131
所包含的转向操纵转矩Td以及摩擦转矩Tf被使用于手动转向操纵指令值θmdac的设定。由此，能够在手动转向操纵时更有效地得到与实际的路面状况对应的转向操纵感。在第三变形例中，指令值设定部52使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd与外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000132
的和
Figure BDA0002143317150000133
作为图5的路面负荷转矩Trl。
使用弹性常数k以及粘性衰减系数c，以下式(12)表示假想弹簧阻尼器负荷Tvsd。
Tvsd＝－k·θc－c(dθc/dt)…(12)
该情况下，以下式(13)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000134
作为弹性常数k以及粘性衰减系数c，设定预先利用实验·解析等求出的规定值。在后述的第四～第十变形例中也相同。指令值设定部52将通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td代入Td，将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(13)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。
在第三变形例中，手动转向操纵指令值θmdac的设定使用外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000135
所以能够在手动转向操纵时得到与实际的路面状况对应的转向操纵感。另外，在第三变形例中，手动转向操纵指令值θmdac的设定使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd。因此，在手动转向操纵时产生想要使手动转向操纵指令值θmdac返回到零的反作用力。由此，即使在自动转向操纵中进行了手动操作，在停止了手动操作时，转向操纵角θ也容易追随自动转向操纵指令值θadac。在第四变形例中，指令值设定部52使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd与从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000136
减去转向操纵转矩Td后的值
Figure BDA0002143317150000137
的和
Figure BDA0002143317150000138
作为图5的路面负荷转矩Trl。
该情况下，以下式(14)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000139
指令值设定部52将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(14)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。在第四变形例中，也能够得到与第三变形例相同的效果。
在第五变形例中，指令值设定部52使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd与从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000141
减去了转向操纵转矩Td以及摩擦转矩Tf后的值
Figure BDA0002143317150000142
的和
Figure BDA0002143317150000143
作为图5的路面负荷转矩Trl。例如能够使用估计在减速机19产生的摩擦的摩擦模型等估计摩擦转矩Tf。
该情况下，以下式(15)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000144
指令值设定部52将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(15)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。在第五变形例中，也能够得到与第三变形例相同的效果。
通过外部干扰转矩估计部64(参照图6)运算出的外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000145
包含于路面负荷转矩Trl。该路面负荷转矩Trl包含用于使转向操纵角返回到中立位置(直行位置)的稳定成分(回正转矩)、和路面外部干扰转矩(例如，由于路面上的岩石、路面表面的凹凸等而产生的外部干扰转矩)、齿条小齿轮机构的摩擦转矩等变动成分。外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000146
所包含的路面负荷转矩Trl的低频成分为稳定成分，该路面负荷转矩Trl的高频成分为变动成分。
在第六变形例中，指令值设定部52使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd与外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000147
的高频成分
Figure BDA0002143317150000148
的和
Figure BDA0002143317150000149
作为图5的路面负荷转矩Trl。能够通过使用高通滤波器，从外部干扰转矩估计值
Figure BDA00021433171500001410
的频率成分中仅提取比规定频率高的频率成分来求出外部干扰转矩估计值
Figure BDA00021433171500001411
的高频成分
Figure BDA00021433171500001412
该情况下，以下式(16)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000151
指令值设定部52将通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td代入Td，将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(16)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。
在第六变形例中，手动转向操纵指令值θmdac的设定使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd。因此，在手动转向操纵时产生使手动转向操纵指令值θmdac返回到零的反作用力。另一方面，手动转向操纵指令值θmdac的设定不使用外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000152
的低频成分(稳定成分)。因此，与上述的第三～第五变形例相比，在手动转向操纵时降低用于使转向操纵角返回到中立位置(前进位置)的反作用力。由此，即使在自动转向操纵中进行手动转向操纵，在停止了手动操作时，转向操纵角也更容易追随自动转向操纵指令值θadac。
另外，在第六变形例中，手动转向操纵指令值θmdac的设定使用外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000153
的高频成分
Figure BDA0002143317150000154
由此，路面外部干扰转矩、齿条小齿轮机构的摩擦转矩等被使用于手动转向操纵指令值θmdac的设定，所以能够在手动转向操纵时得到与实际的路面状况对应的转向操纵感。在第七变形例中，指令值设定部52使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd与从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000155
减去转向操纵转矩Td后的值
Figure BDA0002143317150000156
的高频成分HPF
Figure BDA0002143317150000157
的和
Figure BDA0002143317150000158
作为图5的路面负荷转矩Trl。能够通过使用高通滤波器，从
Figure BDA0002143317150000159
的频率成分中仅提取比规定频率高的频率成分来求出
Figure BDA00021433171500001510
该情况下，以下式(17)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA00021433171500001511
指令值设定部52将通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td代入Td，将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，求解式(17)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。在第七变形例中，也能够得到与第六变形例相同的效果。
在第八变形例中，指令值设定部52使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd与从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000161
减去转向操纵转矩Td以及摩擦转矩Tf后的值
Figure BDA0002143317150000162
的高频成分
Figure BDA0002143317150000163
的和
Figure BDA0002143317150000164
Figure BDA0002143317150000165
作为图5的路面负荷转矩Trl。
例如能够使用估计在减速机19产生的摩擦的摩擦模型等估计摩擦转矩Tf。能够通过使用高通滤波器，从
Figure BDA0002143317150000166
的频率成分中仅提取比规定频率高的频率成分来求出
Figure BDA0002143317150000167
该情况下，以下式(18)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000168
指令值设定部52将通过转矩传感器12检测出的转向操纵转矩Td代入Td，将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(18)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。在第八变形例中，也能够得到与第六变形例相同的效果。
在第九变形例中，指令值设定部52使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd与从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000169
的高频成分
Figure BDA00021433171500001610
减去转向操纵转矩Td后的值
Figure BDA00021433171500001611
的和
Figure BDA00021433171500001612
作为图5的路面负荷转矩Trl。
该情况下，以下式(19)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA00021433171500001613
指令值设定部52将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(19)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。在第九变形例中，也能够得到与第六变形例相同的效果。
在第十变形例中，指令值设定部52使用假想弹簧阻尼器负荷Tvsd与从外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000171
的高频成分
Figure BDA0002143317150000172
减去转向操纵转矩Td以及摩擦转矩Tf后的值
Figure BDA0002143317150000173
的和
Figure BDA0002143317150000174
Figure BDA0002143317150000175
作为图5的路面负荷转矩Trl。例如能够使用估计在减速机19产生的摩擦的摩擦模型等估计摩擦转矩Tf。
该情况下，以下式(20)表示图5的参考EPS模型的运动方程式。
Figure BDA0002143317150000176
指令值设定部52将通过辅助转矩指令值设定部51(参照图3)设定的辅助转矩指令值Tac代入N·Tm，并求解式(20)的微分方程式。由此，运算出下柱的旋转角θc。然后，指令值设定部52将得到的下柱的旋转角θc设定为手动转向操纵指令值θmdac。在第十变形例中，也能够得到与第六变形例相同的效果。
也可以在采用上述的第一变形例～第十变形例中任意一个变形例的情况下，在判定为驾驶员未把持方向盘2时，分别将转向操纵转矩Ttb、从电动马达18作用于输出轴9的转矩N·Tm、以及基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000177
的估计转矩设定为零。
基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000178
的估计转矩是指上述式(13)的
Figure BDA0002143317150000179
上述式(14)的
Figure BDA00021433171500001710
上述式(15)的
Figure BDA00021433171500001711
上述式(16)的
Figure BDA00021433171500001712
上述式(17)的
Figure BDA00021433171500001713
上述式(18)的
Figure BDA00021433171500001714
Figure BDA00021433171500001715
上述式(19)的
Figure BDA00021433171500001716
或者上述式(20)的
Figure BDA00021433171500001717
Figure BDA00021433171500001718
具体而言，如图2以及图3的点划线所示，设置用于判定驾驶员把持(握住)方向盘2，还是未把持(放手)的握住放手判定部48。作为握住放手判定部48，能够使用基于设置在方向盘2的触摸传感器的输出信号判定握住放手的判定部、基于设置在车内的照相机的拍摄图像判定握住放手判定部等。此外，作为握住放手判定部48，只要能够判定握住放手，则能够使用上述的构成以外的判定部。
从握住放手判定部48输出的握住放手判定信号给予指令值设定部52。指令值设定部52在通过握住放手判定部48判定为驾驶员把持方向盘2时，使用基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000181
的估计转矩对手动转向操纵指令值θmdac进行运算。换句话说，指令值设定部52基于上述式(13)～(20)中的任意一个，对手动转向操纵指令值θmdac(＝θc)进行运算。
另一方面，在通过握住放手判定部48判定为驾驶员未把持方向盘2时，指令值设定部52分别将零代入上述式(13)～(20)的Ttb、N·Tm以及基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000182
的估计转矩并求解微分方程式。由此，运算手动转向操纵指令值θmdac(＝θc)。在该变形例中，在驾驶员未进行手动转向操纵的情况下，使输入到手动转向操纵指令值生成部41的转向操纵转矩Ttb实质为零。并且，在手动转向操纵指令值θmdac的运算时使基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000183
的估计转矩为零。由此，能够防止在驾驶员未进行手动转向操纵的情况下，基于驾驶员转矩以外的外部干扰，设定手动转向操纵指令值θmdac。
在上述的其它的变形例中，在判定为驾驶员未把持方向盘2时，分别将转向操纵转矩Ttb、从电动马达18作用于输出轴9的转矩N·Tm、以及基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000184
的估计转矩设定为零。但是，也可以在判定为驾驶员未把持方向盘2时，仅将转向操纵转矩Ttb、从电动马达18作用于输出轴9的转矩N·Tm、以及基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000185
的估计转矩中的基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000186
的估计转矩设定为零，也可以将转向操纵转矩Ttb和基于外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000187
的估计转矩设定为零。
以上，对该发明的一实施方式进行了说明，但该发明也能够以其它的方式实施。例如，虽然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。该情况下，通过反馈控制部62运算出的反馈控制转矩Tfb成为基本转矩指令值。
另外，在上述的实施方式中，外部干扰转矩估计部64基于马达转矩指令值Tm和设备的旋转角θ对外部干扰转矩估计值
Figure BDA0002143317150000188
进行运算。然而，也可以设置获取电动马达18产生的马达转矩的马达转矩获取部，并代替马达转矩指令值Tm使用该马达转矩获取部获取的马达转矩。在上述的实施方式中，示出了将该发明应用于柱型EPS的马达控制的情况下的例子。然而，该发明也能够应用于柱型以外的EPS的马达控制。该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。
除此之外，该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 (5)

1.一种马达控制装置，用于驱动控制转向角控制用的电动马达，
该马达控制装置包含：
手动转向操纵指令值生成部，其使用转向操纵转矩生成手动转向操纵指令值；
综合角度指令值运算部，其对自动转向操纵指令值加上上述手动转向操纵指令值，来运算综合角度指令值；以及
控制部，其基于上述综合角度指令值，对上述电动马达进行角度控制，
其中，
上述控制部包含：
基本转矩指令值运算部，其基于上述综合角度指令值，运算基本转矩指令值；
外部干扰转矩估计部，其估计作用于上述电动马达的驱动对象的除了上述电动马达的马达转矩以外的外部干扰转矩；以及
外部干扰转矩补偿部，其根据上述外部干扰转矩修正上述基本转矩指令值，上述外部干扰转矩包含路面负荷转矩、转向系统的摩擦转矩、转向操纵转矩，
上述手动转向操纵指令值生成部在生成上述手动转向操纵指令值时使用基于上述外部干扰转矩计算出的估计转矩作为参考模型的运动方程式的输入，
上述参考模型为包含下柱的单一惯性模型。
2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
上述手动转向操纵指令值生成部构成为还使用假想弹簧阻尼器负荷，生成上述手动转向操纵指令值。
3.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
上述路面负荷转矩使用假想弹簧阻尼器负荷以及上述估计转矩的高于规定频率的高频成分来计算。
4.根据权利要求2所述的马达控制装置，其中，
上述路面负荷转矩是从上述外部干扰转矩的高于规定频率的高频成分减去上述转向操纵转矩得到的值以及从上述外部干扰转矩的上述高频成分减去上述转向操纵转矩及上述摩擦转矩得到的值中的任意一个。
5.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
上述手动转向操纵指令值生成部构成为还使用从上述外部干扰转矩减去上述转向操纵转矩得到的值以及从上述外部干扰转矩减去上述转向操纵转矩及上述摩擦转矩得到的值中的任意一个，生成上述手动转向操纵指令值。
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