CN117652094A - 马达控制装置 - Google Patents

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CN117652094A
CN117652094A CN202280049545.4A CN202280049545A CN117652094A CN 117652094 A CN117652094 A CN 117652094A CN 202280049545 A CN202280049545 A CN 202280049545A CN 117652094 A CN117652094 A CN 117652094A
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吉田光子
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Abstract

本发明的马达控制装置包含：辅助转矩指令值生成部，使用转向操纵转矩生成辅助转矩指令值；手动转向操纵指令值生成部，使用转向操纵转矩以及辅助转矩指令值生成手动转向操纵指令值；综合角度指令值运算部，将自动转向操纵指令值与手动转向操纵指令值相加来运算综合角度指令值；以及切换部，基于切换信号切换第一控制和第二控制，上述第一控制是基于辅助转矩指令值控制电动马达的控制，上述第二控制是基于综合角度指令值控制电动马达的控制。

Description

马达控制装置
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
在下述专利文献1中，公开了基于将自动转向操纵指令值与手动转向操纵指令值相加后的综合角度指令值，对电动马达进行角度反馈控制的马达控制装置。另外，在专利文献1中，公开了通过将第一加权处理后的自动转向操纵指令值与第二加权处理后的手动转向操纵指令值相加，来运算综合角度指令值。
专利文献1：日本特开2019－194059号公报
在专利文献1所记载的马达控制装置中，由干扰转矩估计部(干扰观测器)估计包含路面负荷转矩的干扰转矩、转向操纵角等。通过对综合角度指令值与由干扰转矩估计部运算的转向操纵角估计值的偏差进行比例微分运算等，来运算基本转矩指令值。通过从基本转矩指令值减去由干扰转矩估计部运算的干扰转矩估计值来运算转向操纵转矩指令值。由此，得到从基本转矩指令值去除干扰转矩(路面负荷转矩)后的转向操纵转矩指令值。然后，通过将转向操纵转矩指令值除以减速比，来运算马达转矩指令值。
在专利文献1所记载的马达控制装置中，从基本转矩指令值除去干扰转矩(路面负荷转矩)。取而代之地，手动转向操纵指令值生成部生成考虑了虚拟的路面负荷的手动转向操纵指令值。在专利文献1所记载的马达控制装置中，能够基于由手动转向操纵指令值生成部生成的手动转向操纵指令值来控制电动马达。然而，由于手动转向操纵指令值不是考虑实际的路面负荷，而是考虑虚拟的路面负荷生成的，因此驾驶员无法感觉到路面是否容易打滑等实际的路面状态。因此，存在驾驶员对转向操纵感到不自然的担忧。
发明内容
本发明的目的在于，提供在能够基于将自动转向操纵指令值与手动转向操纵指令值相加后的综合角度指令值控制电动马达的马达控制装置中，能够进行驾驶员能够感觉到实际的路面状态那样的马达控制的马达控制装置。
本发明的一实施方式提供一种马达控制装置，是用于驱动控制转向角控制用的电动马达的马达控制装置，包含：辅助转矩指令值生成部，使用转向操纵转矩生成辅助转矩指令值；手动转向操纵指令值生成部，使用上述转向操纵转矩以及上述辅助转矩指令值生成手动转向操纵指令值；综合角度指令值运算部，将自动转向操纵指令值与上述手动转向操纵指令值相加来运算综合角度指令值；以及切换部，基于切换信号切换第一控制和第二控制，其中，上述第一控制是基于上述辅助转矩指令值控制上述电动马达的控制，上述第二控制是基于上述综合角度指令值控制上述电动马达的控制。
在该结构中，在能够基于将自动转向操纵指令值与手动转向操纵指令值相加后的综合角度指令值控制电动马达的马达控制装置中，能够进行驾驶员能够感觉到实际的路面状态那样的马达控制。
关于本发明中的上述的或者其他的目的、特征以及效果，通过参照附图在以下叙述的实施方式的说明而变得明确。
附图说明
图1是表示应用了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是用于对马达控制用ECU的电气构成进行说明的框图。
图3是表示针对转向操纵转矩Td的辅助转矩指令值Tas的设定例的图表。
图4是表示手动转向操纵指令值生成部中使用的参考EPS模型的一个例子的示意图。
图5是表示角度控制部的结构的框图。
图6是表示电动助力转向系统的物理模型的结构例的示意图。
图7是表示干扰转矩估计部的结构的框图。
图8是表示转矩控制部的结构的示意图。
图9是表示在输入各模式设定信号S1、S2、S3时设定的第一权重W1的设定例的图表。
图10是表示在输入各模式设定信号S1、S2、S3时设定的第二权重W2的设定例的图表。
图11是表示在输入各模式设定信号S1、S2、S3时设定的第三权重W3的设定例的图表。
图12是表示上位ECU根据车辆的行驶状态切换转向操纵模式的例子的示意图。
图13是用于对马达控制用ECU的变形例进行说明的框图。
具体实施方式
[本发明的实施方式的说明]
本发明的一实施方式提供一种马达控制装置，是用于驱动控制转向角控制用的电动马达的马达控制装置，包含：辅助转矩指令值生成部，使用转向操纵转矩生成辅助转矩指令值；手动转向操纵指令值生成部，使用上述转向操纵转矩以及上述辅助转矩指令值生成手动转向操纵指令值；综合角度指令值运算部，将自动转向操纵指令值与上述手动转向操纵指令值相加来运算综合角度指令值；以及切换部，基于切换信号切换第一控制和第二控制，上述第一控制是基于上述辅助转矩指令值控制上述电动马达的控制，上述第二控制是基于上述综合角度指令值控制上述电动马达的控制。
在该结构中，在能够基于将自动转向操纵指令值与手动转向操纵指令值相加后的综合角度指令值控制电动马达的马达控制装置中，能够进行驾驶员能够感觉到实际的路面负荷那样的马达控制。
在本发明的一实施方式中，上述切换部包含：第一加权部，基于上述切换信号对上述辅助转矩指令值进行第一加权处理；第二加权部，基于上述切换信号对与上述综合角度指令值对应的综合转矩指令值进行第二加权处理；以及马达转矩指令值运算部，基于上述第一加权处理后的辅助转矩指令值和上述第二加权处理后的综合转矩指令值，运算马达转矩指令值。
在本发明的一实施方式中，上述切换部构成为基于上述切换信号切换上述第一控制、上述第二控制以及第三控制，上述第三控制是基于上述自动转向操纵指令值控制上述电动马达的控制。
在本发明的一实施方式中，上述切换部包含：第一加权部，基于上述切换信号对上述辅助转矩指令值进行第一加权处理；第二加权部，基于上述切换信号对与上述综合角度指令值对应的综合转矩指令值进行第二加权处理；第三加权部，基于上述切换信号对上述手动转向操纵指令值进行第三加权处理；以及马达转矩指令值运算部，基于上述第一加权处理后的辅助转矩指令值和上述第二加权处理后的综合转矩指令值，运算马达转矩指令值，上述综合角度指令值运算部构成为将上述自动转向操纵指令值与上述第三加权处理后的上述手动转向操纵指令值相加，来运算上述综合角度指令值。
在本发明的一实施方式中，上述切换部包含：加法部，用于将由上述辅助转矩指令值生成部生成的上述辅助转矩指令值、和与由上述综合角度指令值运算部运算的上述综合角度指令值对应的综合转矩指令值相加来运算马达转矩指令值；第一开关，设置于上述辅助转矩指令值生成部与上述加法部之间，基于上述切换信号而接通断开；以及第二开关，设置于上述综合角度指令值运算部与上述加法部之间，基于上述切换信号而接通断开。
在本发明的一实施方式中，上述切换部包含：加法部，用于将由上述辅助转矩指令值生成部生成的上述辅助转矩指令值、和与由上述综合角度指令值运算部运算的上述综合角度指令值对应的综合转矩指令值相加来运算马达转矩指令值；第一开关，设置于上述辅助转矩指令值生成部与上述加法部之间，基于上述切换信号而接通断开；第二开关，设置于上述综合角度指令值运算部与上述加法部之间，基于上述切换信号而接通断开；以及第三开关，设置于上述手动转向操纵指令值生成部与上述综合角度指令值运算部之间，基于上述切换信号而接通断开。
在本发明的一实施方式中，用于进行上述第二控制的控制部包含基于上述综合角度指令值进行角度控制的角度控制部，上述角度控制部包含：基本转矩指令值运算部，基于上述综合角度指令值运算基本转矩指令值；干扰转矩估计部，估计作用于上述电动马达的驱动对象的上述电动马达的马达转矩以外的干扰转矩；以及干扰转矩补偿部，利用上述干扰转矩修正上述基本转矩指令值。
在本发明的一实施方式中，上述干扰转矩估计部构成为使用上述马达转矩指令值和上述电动马达的旋转角来估计上述干扰转矩以及上述驱动对象的旋转角，上述基本转矩指令值运算部包含：角度偏差运算部，运算作为上述综合角度指令值与上述驱动对象的旋转角的差的角度偏差；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。
在本发明的一实施方式中，上述手动转向操纵指令值生成部构成为使用上述辅助转矩指令值、上述转向操纵转矩、以及用于生成路面负荷转矩的弹簧常数及粘性衰减系数，生成上述手动转向操纵指令值。
[本发明的实施方式的详细说明]
以下，参照附图，对本发明的实施方式详细地进行说明。
图1是表示应用了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：作为用于使车辆转向的转向操纵部件的方向盘(手柄)2、与该方向盘2的旋转联动并使转向轮3转向的转向机构4、以及用于辅助驾驶员的转向操纵的转向操纵辅助机构5。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、和与中间轴7连结的输出轴9。输入轴8和输出轴9经由扭杆10连结为能够相对旋转。
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，来检测施加于方向盘2的转向操纵转矩(扭杆转矩)Td。在本实施方式中，对于由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td，例如，用于向左方向的转向操纵的转矩被检测为正值，用于向右方向的转向操纵的转矩被检测为负值，其绝对值越大则转向操纵转矩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的各端部经由横拉杆15以及转向节臂(省略图示)连结有转向轮3。小齿轮轴13连结于中间轴7。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延伸为直线状。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，将小齿轮轴13的旋转转换为齿条轴14的轴向移动。能够通过使齿条轴14沿轴向移动，来使转向轮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。然后，小齿轮轴13的旋转通过小齿轮16以及齿条17被转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3转向。
转向操纵辅助机构5包含用于产生转向操纵辅助力(辅助转矩)的电动马达18、和用于放大电动马达18的输出转矩并传递至转向机构4的减速机19。减速机19由包含蜗杆20和与该蜗杆20啮合的蜗轮21的蜗杆机构构成。减速机19收纳于作为传递机构壳体的齿轮箱22内。
以下，存在以N表示减速机19的减速比(传动比)的情况。减速比N被定义为蜗杆20的旋转角亦即蜗杆角θwg相对于蜗轮21的旋转角亦即蜗轮角θww的比(θwg/θww)。
蜗杆20由电动马达18旋转驱动。另外，蜗轮21能够一体旋转地连结于输出轴9。
若由电动马达18旋转驱动蜗杆20，则蜗轮21被旋转驱动，对转向轴6施加马达转矩，并且转向轴6(输出轴9)旋转。然后，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的旋转转换为齿条轴14的轴向移动。由此，转向轮3转向。即，通过由电动马达18旋转驱动蜗杆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。
作为施加于输出轴9(电动马达18的驱动对象的一个例子)的转矩，存在由电动马达18产生的马达转矩、和马达转矩以外的干扰转矩Tlc。在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是通过由驾驶员施加于方向盘2的力、因转向惯性而产生的力等，而从方向盘2侧施加于输出轴9的转矩。
路面负荷转矩Trl是通过产生于轮胎的自对准转矩、由悬架、轮胎对准产生的力、齿条小齿轮机构的摩擦力等，而从转向轮3侧经由齿条轴14施加于输出轴9的转矩。
在车辆中，搭载有拍摄车辆的行进方向前方的道路的CCD(Charge CoupledDevice：电荷耦合元件)照相机25、用于检测本车位置的GPS(Global Positioning System：全球定位系统)26、用于检测道路形状、障碍物的雷达27以及存储了地图信息的地图信息存储器28。在车辆中，还搭载有用于手动切换转向操纵模式的三个模式开关31、32、33。
如后述那样，在转向操纵模式中，存在通过手动驾驶进行转向操纵的手动转向操纵模式、通过自动驾驶进行转向操纵的自动转向操纵模式、以及能够进行基于手动驾驶及自动驾驶双方的转向操纵的协作转向操纵模式。这些转向操纵模式的更具体的定义后述。
CCD照相机25、GPS26、雷达27以及地图信息存储器28连接于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。上位ECU201基于由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、路径规划等，并进行转向操纵、驱动致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。这样的设定自动转向操纵指令值θadac的处理是公知的，因此这里省略详细的说明。此外，自动转向操纵控制(驾驶辅助控制)例如也可以是用于使车辆维持在车道内的车道保持辅助(LaneKeeping Assist，LKA)控制。
另外，上位ECU201生成与模式开关31、32、33的操作对应的模式设定信号S1、S2、S3。具体而言，在第一模式开关31被驾驶员接通时，上位ECU201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设定信号S1。在第二模式开关32被驾驶员接通时，上位ECU201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。在第三模式开关33被驾驶员接通时，上位ECU201输出用于将转向操纵模式设定为协作转向操纵模式的协作转向操纵模式设定信号S3。模式设定信号S1、S2、S3是本发明中的“切换信号”的一个例子。
由上位ECU201设定的自动转向操纵指令值θadac以及模式设定信号S1、S2、S3经由车载网络被提供给马达控制用ECU202。由转矩传感器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提供的信息，来控制电动马达18。
图2是用于对马达控制用ECU202的电气构成进行说明的框图。
马达控制用ECU202具备微型计算机50、由微型计算机50控制并向电动马达18供给电力的驱动电路(逆变器电路)41、以及用于检测流过电动马达18的电流(以下，称为“马达电流I”)的电流检测电路42。
微型计算机50具备CPU以及存储器(ROM、RAM、非易失性存储器等)，通过执行规定的程序而作为多个功能处理部发挥功能。在该多个功能处理部中，包含辅助转矩指令值设定部51、手动转向操纵指令值生成部52、综合角度指令值运算部53、角度控制部54、转矩控制部(电流控制部)55、第一加权部56、第二加权部57、第三加权部58、以及加法部59。在本实施方式中，第一加权部56、第二加权部57以及加法部59是本发明中的“切换部”的一个例子。另外，第一加权部56、第二加权部57、第三加权部58以及加法部59是本发明中的“切换部”的一个例子。加法部59是本发明中的“马达转矩指令值运算部”的一个例子。
辅助转矩指令值设定部51设定作为手动操作所需要的辅助转矩的目标值的辅助转矩指令值Tas。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Tas。针对转向操纵转矩Td的辅助转矩指令值Tas的设定例如图3所示。
在应当从电动马达18产生用于左方向转向操纵的转向操纵辅助力时，辅助转矩指令值Tas设为正值，在应当从电动马达18产生用于右方向转向操纵的转向操纵辅助力时，辅助转矩指令值Tas设为负值。辅助转矩指令值Tas针对转向操纵转矩Td的正值取正，针对转向操纵转矩Td的负值取负。然后，辅助转矩指令值Tas设定为转向操纵转矩Td的绝对值越大，则其绝对值越大。
此外，辅助转矩指令值设定部51也可以通过将转向操纵转矩Td乘以预先设定的常数，来运算辅助转矩指令值Tas。
第一加权部56根据输入的模式设定信号，对由辅助转矩指令值设定部51设定的辅助转矩指令值Tas进行第一加权处理。具体而言，第一加权部56在被输入模式设定信号S1、S2、S3中的任一个时，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W1。接下来，第一加权部56将辅助转矩指令值Tas乘以第一权重W1。然后，第一加权部56将乘法值W1·Tas作为第一加权处理后的辅助转矩指令值Tas’提供给加法部59。
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(更准确地说是输出轴9的旋转角θ)设定为手动转向操纵指令值θmdac而设置有手动转向操纵指令值生成部52。手动转向操纵指令值生成部52使用由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td、和由辅助转矩指令值设定部51设定的辅助转矩指令值Tas来生成手动转向操纵指令值θmdac。手动转向操纵指令值生成部52的详细内容后述。
第三加权部58根据输入的模式设定信号，对由手动转向操纵指令值生成部52生成的手动转向操纵指令值θmdac进行第三加权处理。具体而言，第三加权部58在被输入模式设定信号S1、S2、S3中的任一个时，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三权重W3。接下来，第三加权部58将手动转向操纵指令值θmdac乘以第三权重W3。然后，第三加权部58将乘法值W3·θmdac作为第三加权处理后的手动转向操纵指令值θmdac’提供给综合角度指令值提供给运算部53。
综合角度指令值运算部53将由上位ECU201设定的自动转向操纵指令值θadac与第三加权处理后的手动转向操纵指令值θmdac’相加，来运算综合角度指令值θsint。
角度控制部54基于综合角度指令值θsint，运算与综合角度指令值θsint对应的综合马达转矩指令值Tmint。综合马达转矩指令值Tmint是本发明中的“综合转矩指令值”的一个例子。角度控制部54的详细内容后述。
第二加权部57根据输入的模式设定信号，对综合马达转矩指令值Tmint进行第二加权处理。具体而言，第二加权部57在被输入模式设定信号S1、S2、S3中的任一个时，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二权重W2。接下来，第二加权部57将综合马达转矩指令值Tmint乘以第二权重W2。然后，第二加权部57将乘法值W2·Tmint作为第二加权处理后的综合马达转矩指令值Tmint’提供给加法部59。
加法部59通过将第一加权处理后的辅助转矩指令值Tas’与第二加权处理后的综合马达转矩指令值Tmint’相加，来运算针对电动马达18的马达转矩指令值Tm。
转矩控制部55驱动驱动电路41，以使电动马达18的马达转矩接近马达转矩指令值Tm。
在本实施方式中，手动转向操纵指令值生成部52使用参考EPS模型设定手动转向操纵指令值θmdac。
图4是表示手动转向操纵指令值生成部52中使用的参考EPS模型的一个例子的示意图。
该参考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4中，Jc是下柱的惯性，θc是下柱的旋转角，Td是转向操纵转矩。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施加于下柱。路面负荷转矩Trl使用弹簧常数k以及粘性衰减系数c由下式(1)表示。
Trl＝－k·θc－c(dθc/dt)…(1)
在本实施方式中，将预先通过实验、分析等求出的规定值设定为弹簧常数k以及粘性衰减系数c。
参考EPS模型的运动方程式由下式(2)表示。
Jc·d2θc/dt2＝Td+N·Tm－k·θc－c(dθc/dt)…(2)
手动转向操纵指令值生成部52将由转矩传感器12检测的转向操纵转矩Td代入Td，将由辅助转矩指令值设定部51设定的辅助转矩指令值Tas代入至N·Tm，求解式(2)的微分方程式，由此运算下柱的旋转角θc。然后，手动转向操纵指令值生成部52将得到的下柱的旋转角θc生成为手动转向操纵指令值θmdac。
图5是表示角度控制部54的结构的框图。
角度控制部54基于综合角度指令值θsint运算综合马达转矩指令值Tmint。角度控制部54包含低通滤波器(LPF)61、反馈控制部62、前馈控制部63、干扰转矩估计部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通过将由加法部59(参照图2)运算的马达转矩指令值Tm乘以减速机19的减速比N，从而将马达转矩指令值Tm换算为作用于输出轴9(蜗轮21)的输出轴转矩指令值N·Tm。
旋转角运算部69基于旋转角传感器23的输出信号运算电动马达18的转子旋转角θm。第二减速比除法部70通过将由旋转角运算部69运算的转子旋转角θm除以减速比N，从而将转子旋转角θm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θsint进行低通滤波处理。低通滤波处理后的综合角度指令值θsin被提供给反馈控制部62以及前馈控制部63。
为了使由干扰转矩估计部64运算的转向操纵角估计值^θ接近低通滤波处理后的综合角度指令值θsin而设置有反馈控制部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运算综合角度指令值θsin与转向操纵角估计值^θ的偏差Δθ(＝θsin－^θ)。此外，角度偏差运算部62A也可以运算综合角度指令值θsin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(θsin－θ)作为角度偏差Δθ。
PD控制部62B通过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)，来运算反馈控制转矩Tfb。反馈控制转矩Tfb被提供给转矩加法部65。
为了对电动助力转向系统1的由惯性导致的响应性的延迟进行补偿，使控制的响应性提高而设置有前馈控制部63。前馈控制部63包含角加速度运算部63A和惯性乘法部63B。角加速度运算部63A通过对综合角度指令值θsin进行二阶微分，来运算目标角加速度d2θsin/dt2。
惯性乘法部63B通过将由角加速度运算部63A运算出的目标角加速度d2θsin/dt2乘以电动助力转向系统1的惯性J，来运算前馈控制转矩Tff(＝J·d2θsin/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6)求出惯性J。前馈控制转矩Tff作为惯性补偿值，被提供给转矩加法部65。
转矩加法部65通过将反馈控制转矩Tfb与前馈控制转矩Tff相加，来运算基本转矩指令值(Tfb+Tff)。
为了估计在机械设备(电动马达18的控制对象)作为干扰而产生的非线性的转矩(干扰转矩：马达转矩以外的转矩)而设置有干扰转矩估计部64。干扰转矩估计部64基于输出轴转矩指令值N·Tm和实际转向操纵角θ，估计干扰转矩(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。分别以^Tlc、^θ以及d^θ/dt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的估计值。干扰转矩估计部64的详细内容后述。
由干扰转矩估计部64运算出的干扰转矩估计值^Tlc作为干扰转矩补偿值而被提供给干扰转矩补偿部66。由干扰转矩估计部64运算出的转向操纵角估计值^θ被提供给角度偏差运算部62A。
干扰转矩补偿部66通过从基本转矩指令值(Tfb+Tff)减去干扰转矩估计值^Tlc，来运算综合转向操纵转矩指令值Tsint(＝Tfb+Tff－^Tlc)。由此，得到已补偿干扰转矩的综合转向操纵转矩指令值Tsint(对输出轴9的转矩指令值)。
综合转向操纵转矩指令值Tsint被提供给第一减速比除法部67。第一减速比除法部67通过将综合转向操纵转矩指令值Tsint除以减速比N，来运算综合马达转矩指令值Tmint。该综合马达转矩指令值Tmint被提供给第二加权部57(参照图2)。
对干扰转矩估计部64详细地进行说明。干扰转矩估计部64例如由干扰观测器构成，该干扰观测器使用图6所示的电动助力转向系统1的物理模型101估计干扰转矩Tlc、转向操纵角θ以及角速度dθ/dt。
该物理模型101包含包括输出轴9以及固定于输出轴9的蜗轮21的机械设备(马达驱动对象的一个例子)102。从方向盘2经由扭杆10向机械设备102施加转向操纵转矩Td，并且从转向轮3侧向机械设备102施加路面负荷转矩Trl。
并且，经由蜗杆20向机械设备102施加输出轴转矩指令值N·Tm，并且由于蜗轮21与蜗杆20之间的摩擦而向机械设备102施加摩擦转矩Tf。
若将机械设备102的惯性设为J，则关于物理模型101的惯性的运动方程式由下式(3)表示。
[数1]
d2θ/dt2是机械设备102的角加速度。N是减速机19的减速比。Tlc表示施加于机械设备102的马达转矩以外的干扰转矩。在本实施方式中，干扰转矩Tlc表示为转向操纵转矩Td、路面负荷转矩Trl、以及摩擦转矩Tf的和，但实际上干扰转矩Tlc包含它们以外的转矩。
对于图6的物理模型101的状态方程式由下式(4)表示。
[数2]
在上述式(4)中，x是状态变量矢量，u1是已知输入矢量，u2是未知输入矢量，y是输出矢量(测定值)。另外，在上述式(4)中，A是系统矩阵，B1是第一输入矩阵，B2是第二输入矩阵，C是输出矩阵，D是直接矩阵。
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。扩展系统的状态方程式(扩展状态方程式)由下式(5)表示。
[数3]
在上述式(5)中，xe是扩展系统的状态变量矢量，由下式(6)表示。
[数4]
在上述式(5)中，Ae是扩展系统的系统矩阵，Be是扩展系统的已知输入矩阵，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，构建由下式(7)的方程式表示的干扰观测器(扩展状态观测器)。
[数5]
在式(7)中，^xe表示xe的估计值。另外，L是观测器增益。另外，^y表示y的估计值。^xe由下式(8)表示。
[数6]
在式(8)中，^θ是θ的估计值，^Tlc是Tlc的估计值。
干扰转矩估计部64基于上述式(7)的方程式运算状态变量矢量^xe。
图7是表示干扰转矩估计部64的结构的框图。
干扰转矩估计部64包含输入矢量输入部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、以及状态变量矢量输出部89。
由减速比乘法部68(参照图5)运算的输出轴转矩指令值N·Tm被提供给输入矢量输入部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^xe(参照上述式(8))。在运算开始时，提供初始值作为状态变量矢量^xe。状态变量矢量^xe的初始值例如为0。
系统矩阵乘法部86将状态变量矢量^xe乘以系统矩阵Ae。输出矩阵乘法部82将状态变量矢量^xe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5)运算出的实际转向操纵角θ亦即输出矢量(测定值)y减去输出矩阵乘法部82的输出(Ce·^xe)。即，第一加法部83运算输出矢量y与输出矢量估计值^y(＝Ce·^xe)的差(y－^y)。增益乘法部84将第一加法部83的输出(y－^y)乘以观测器增益L(参照上述式(7))。
输入矩阵乘法部85将从输入矢量输入部81输出的输入矢量u1乘以输入矩阵Be。第二加法部87通过将输入矩阵乘法部85的输出(Be·u1)、系统矩阵乘法部86的输出(Ae·^xe)、以及增益乘法部84的输出(L(y－^y))相加，来运算状态变量矢量的微分值d^xe/dt。积分部88通过对第二加法部87的输出(d^xe/dt)进行积分，来运算状态变量矢量^xe。状态变量矢量输出部89基于状态变量矢量^xe，运算干扰转矩估计值^Tlc、转向操纵角估计值^θ以及角速度估计值d^θ/dt。
一般的干扰观测器与上述的扩展状态观测器不同，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述那样由式(3)表示。因此，机械设备的逆模型成为下式(9)。
[数7]
向一般的干扰观测器的输入是J·d2θ/dt2以及N·Tm，使用实际转向操纵角θ的二阶微分值，因此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，用积分型估计干扰转矩，因此能够减少微分引起的噪声影响。
此外，作为干扰转矩估计部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测器。
图8是表示转矩控制部55的结构的示意图。
转矩控制部55(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 Width Modulation：脉冲宽度调制)控制部94。
马达电流指令值运算部91通过将由加法部59(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，来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得到的马达电流指令值Icmd与由电流检测电路42检测到的马达电流I的偏差ΔI(＝Icmd－I)。
PI控制部93通过进行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)，来生成用于将流过电动马达18的马达电流I导入马达电流指令值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，并将该PWM控制信号供给至驱动电路41。由此，向电动马达18供给与驱动指令值对应的电力。
以下，对本实施方式的动作进行说明。
自动转向操纵模式是指基于自动转向操纵指令值θadac控制电动马达18的转向操纵模式。手动转向操纵模式是指基于辅助转矩指令值Tas控制电动马达18的转向操纵模式。协作转向操纵模式是指基于考虑了自动转向操纵指令值θadac和手动转向操纵指令值θmdac双方后的综合角度指令值θsint控制电动马达18的转向操纵模式。
在转向操纵模式被设定为协作转向操纵模式的情况下，第一权重W1为0，第二权重W2以及第三权重W3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W1以及第三权重W3为零，第二权重W2为1.0。
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W1为1.0，第二权重W2为零，第三权重W3为0或者1.0。
即，该马达控制用ECU202能够通过驾驶员对模式开关31、32、33的操作，而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。
伴随着转向操纵模式的切换的第一权重W1、第二权重W2以及第三权重W3的设定例分别如图9、图10以及图11所示。
在图9中，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为止，由折线L1表示第一权重W1从零递增至1.0的状态，由折线L2表示从1.0递减至零的状态。
在图10中，从时刻t1到时刻t2为止，由折线L3表示第二权重W2从零递增至1.0的状态，由折线L4表示从1.0递减至零的状态。
在图11中，从时刻t1到时刻t2为止，由折线L5表示第三权重W3从零递增至1.0的状态，由折线L6表示从1.0递减至零的状态。
由此，由于第一加权处理后的辅助转矩指令值Tas’、第二加权处理后的综合马达转矩指令值Tmint’以及第三加权处理后的手动转向操纵指令值θmdac’各自的绝对值递增或者递减，因此平滑地进行转向操纵模式间的切换。
对于将第一权重W1、第二权重W2以及第三权重W3在零与1.0之间切换所需的时间T，设定预先通过实验、分析等求出的规定值。另外，也可以设定为在第一权重W1、第二权重W2以及第三权重W3中，在零与1.0之间切换所需的时间T不同。另外，也可以第一权重W1、第二权重W2以及第三权重W3设定为不是线性，而是非线性地递增、递减。
在本实施方式中，即使进行不伴随转向操纵模式的变更的模式开关31、32、33的操作，该操作也被设为无效。另外，在本实施方式中，在从操作各模式开关31、32、33起到经过规定时间T为止，即使操作任意模式开关31、32、33，该操作也被设为无效。
此外，转向操纵模式的切换通过模式开关31、32、33进行，但也可以上位ECU201根据驾驶辅助功能或者自动驾驶功能的ON/OFF信号、障碍物、驾驶员状态、加速及制动等驾驶员操作以及车辆的行驶状态来进行转向操纵模式的切换。在这种情况下，上位ECU201根据驾驶辅助功能或者自动驾驶功能的ON/OFF信号、障碍物、驾驶员状态、加速及制动的驾驶员操作以及车辆的行驶状态来生成模式设定信号，并将该模式设定信号提供给马达控制用ECU202。在该情况下，上位ECU201根据驾驶辅助功能或者自动驾驶功能的ON/OFF信号、障碍物、驾驶员状态、加速及制动等驾驶员操作以及车辆的行驶状态生成的模式设定信号是本发明中的“切换信号”的一个例子。
例如，在进行用于使车辆维持在车道内的车道保持辅助控制的情况下，也可以如以下那样，上位ECU201自动地切换转向操纵模式。
在图12中，在俯视下以车道线LL、LR的中心线LS为中心的宽度α(其中，α＞0)的第一区域E1内存在有车辆300的宽度中心上的长度规定位置(以下，称为“基准位置”。)的情况下，上位ECU201将转向操纵模式设定为手动转向操纵模式。
在俯视下以车道线LL、LR的中心线LS为中心的宽度β(其中，β＞α)的第二区域E2内且第一区域外的第三区域E3内存在有车辆300的基准位置的情况下，上位ECU201将转向操纵模式设定为协作转向操纵模式。
并且，在俯视下车辆300的基准位置存在于第二区域E2的外侧的情况下，上位ECU201将转向操纵模式设定为自动转向操纵模式。
在上述的实施方式中，能够切换能够基于综合角度指令值θsint控制电动马达18的协作转向操纵模式、能够基于辅助转矩指令值Tas控制电动马达18的手动转向操纵模式、以及能够基于自动转向操纵指令值θadac控制电动马达18的自动转向操纵模式。
即，在能够基于综合角度指令值θsint控制电动马达18的电动助力转向系统1中，能够基于辅助转矩指令值Tas控制电动马达18。
在上述的实施方式中，在手动转向操纵模式时，由于基于辅助转矩指令值Tas控制电动马达18，因此驾驶员能够接收实际的路面负荷转矩(路面反作用力转矩)。由此，驾驶员能够感觉到路面是否容易打滑等实际的路面状态，因此驾驶员对转向操纵感到不自然的情况减少。
另外，在上述的实施方式中，基于综合角度指令值θsint运算基本转矩指令值(Tfb+Tff)，通过由干扰转矩估计部64运算出的干扰转矩估计值^Tlc来修正基本转矩指令值(Tfb+Tff)，因此能够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。
图13是用于对马达控制用ECU202的变形例进行说明的框图。在图13中，在与上述的图2的各部对应的部分标记与图2的各部相同的附图标记来示出。
在该马达控制用ECU202中，分别代替图2的第一加权部56、第二加权部57以及第三加权部58而设置有第一开关156、第二开关157以及第三开关158。
在转向操纵模式被设定为协作转向操纵模式的情况下，第一开关156断开，第二开关157以及第三开关158接通。
在转向操纵模式被设定为自动转向操纵模式的情况下，第一开关156以及第三开关158断开，第二开关157接通。
在转向操纵模式被设定为手动转向操纵模式的情况下，第一开关156接通，第二开关157断开，第三开关158断开或接通。
第一开关156、第二开关156以及加法部59是本发明中的“切换部”的一个例子。另外，第一开关156、第二开关157、第三开关158以及加法部59是本发明中的“切换部”的一个例子。加法部59是本发明中的“加法部”的一个例子。
以上，对本发明的实施方式以及变形例进行了说明，但本发明还能够以其他的方式实施。
在上述的实施方式中，上述式(2)中的弹簧常数k预先通过实验、分析等求出。但是，也可以使用由干扰转矩估计部64(参照图5)运算的干扰转矩估计值^Tlc、和由第二减速比除法部70运算的实际转向操纵角θ，基于下式(10)来运算上述式(2)中的弹簧常数k。
k＝^Tlc/θ…(10)
另外，在上述的实施方式中，上述式(2)中的粘性衰减系数c预先通过实验、分析等求出。
但是，也可以使用由干扰转矩估计部64运算的干扰转矩估计值^Tlc、和由第二减速比除法部70运算的实际转向操纵角θ，基于下式(11)来运算上述式(2)中的粘性衰减系数c。
c＝^Tlc/(dθ/dt)…(11)
另外，在上述的实施方式中，角度控制部54(参照图5)具备前馈控制部63，但也可以省略前馈控制部63。在这种情况下，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。
另外，在上述的实施方式中，设置有第一加权部56、第二加权部57以及第三加权部58，但也可以省略第三加权部58。在这种情况下，转向操纵模式为手动转向操纵模式和协作转向操纵模式两种。
相同地，在上述的变形例中，设置有第一开关156、第二开关157以及第三开关158，但也可以省略第三开关158。在这种情况下，转向操纵模式为手动转向操纵模式和协作转向操纵模式两种。
另外，在上述的实施方式中，示出了将本发明应用于柱型EPS的马达控制的情况的例子，但本发明也能够应用于柱型以外的EPS的马达控制。另外，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。
对本发明的实施方式详细地进行了说明，但这些仅是为了明确本发明的技术内容而使用的具体例，本发明不应当限定于这些具体例而被解释，本发明的范围仅由所附的权利要求书限定。
附图标记的说明
1...电动助力转向装置；3...转向轮；4...转向机构；18...电动马达；51...辅助转矩指令值设定部；52...手动转向操纵指令值生成部；53...综合角度指令值运算部；54...角度控制部；55...转矩控制部；56...第一加权部；57...第二加权部；58...第三加权部；59...加法部；61...低通滤波器(LPF)；62...反馈控制部；63...前馈控制部；64...干扰转矩估计部；65...转矩加法部；66...干扰转矩补偿部；156...第一开关；157...第二开关；158...第三开关

Claims (7)

1.一种马达控制装置，是用于驱动控制转向角控制用的电动马达的马达控制装置，包含：
辅助转矩指令值生成部，使用转向操纵转矩生成辅助转矩指令值；
手动转向操纵指令值生成部，使用上述转向操纵转矩以及上述辅助转矩指令值生成手动转向操纵指令值；
综合角度指令值运算部，将自动转向操纵指令值与上述手动转向操纵指令值相加来运算综合角度指令值；以及
切换部，基于切换信号切换第一控制和第二控制，其中，上述第一控制是基于上述辅助转矩指令值控制上述电动马达的控制，上述第二控制是基于上述综合角度指令值控制上述电动马达的控制。
2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
上述切换部包含：
第一加权部，基于上述切换信号对上述辅助转矩指令值进行第一加权处理；
第二加权部，基于上述切换信号对与上述综合角度指令值对应的综合转矩指令值进行第二加权处理；以及
马达转矩指令值运算部，基于上述第一加权处理后的辅助转矩指令值和上述第二加权处理后的综合转矩指令值，运算马达转矩指令值。
3.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
上述切换部构成为基于上述切换信号切换上述第一控制、上述第二控制以及第三控制，上述第三控制是基于上述自动转向操纵指令值控制上述电动马达的控制。
4.根据权利要求3所述的马达控制装置，其中，
上述切换部包含：
第一加权部，基于上述切换信号对上述辅助转矩指令值进行第一加权处理；
第二加权部，基于上述切换信号对与上述综合角度指令值对应的综合转矩指令值进行第二加权处理；
第三加权部，基于上述切换信号对上述手动转向操纵指令值进行第三加权处理；以及
马达转矩指令值运算部，基于上述第一加权处理后的辅助转矩指令值和上述第二加权处理后的综合转矩指令值，运算马达转矩指令值，
上述综合角度指令值运算部构成为将上述自动转向操纵指令值与上述第三加权处理后的上述手动转向操纵指令值相加，来运算上述综合角度指令值。
5.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
上述切换部包含：
加法部，用于将由上述辅助转矩指令值生成部生成的上述辅助转矩指令值、和与由上述综合角度指令值运算部运算的上述综合角度指令值对应的综合转矩指令值相加来运算马达转矩指令值；
第一开关，设置于上述辅助转矩指令值生成部与上述加法部之间，基于上述切换信号而接通断开；以及
第二开关，设置于上述综合角度指令值运算部与上述加法部之间，基于上述切换信号而接通断开。
6.根据权利要求3所述的马达控制装置，其中，
上述切换部包含：
加法部，用于将由上述辅助转矩指令值生成部生成的上述辅助转矩指令值、和与由上述综合角度指令值运算部运算的上述综合角度指令值对应的综合转矩指令值相加来运算马达转矩指令值；
第一开关，设置于上述辅助转矩指令值生成部与上述加法部之间，基于上述切换信号而接通断开；
第二开关，设置于上述综合角度指令值运算部与上述加法部之间，基于上述切换信号而接通断开；以及
第三开关，设置于上述手动转向操纵指令值生成部与上述综合角度指令值运算部之间，基于上述切换信号而接通断开。
7.根据权利要求2、4、5以及6中任一项所述的马达控制装置，其中，
用于进行上述第二控制的控制部包含基于上述综合角度指令值进行角度控制的角度控制部，
上述角度控制部包含：
基本转矩指令值运算部，基于上述综合角度指令值运算基本转矩指令值；
干扰转矩估计部，估计作用于上述电动马达的驱动对象的上述电动马达的马达转矩以外的干扰转矩；以及
干扰转矩补偿部，利用上述干扰转矩修正上述基本转矩指令值。
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