JP2002154450A

JP2002154450A - 電動パワーステアリング装置及びトルク推定方法

Info

Publication number: JP2002154450A
Application number: JP2000354260A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Fujiwara; 幸広藤原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-05-28
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: JP4295426B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ドライバの操舵意志に基づいた補助トルク
を、追従性よく与えることができ、かつ外乱除去性に優
れ、また、制御の目標値を適切に推定する。【解決手段】ハンドル３に加えられるドライバのハン
ドルトルクＴ_Hをステアリング系２を介して操舵輪Ｗに
伝達すると共に、制御手段１２により制御される電動機
８の発生する補助トルクＴａをステアリング系２に付加
してなる電動パワーステアリング装置１の、ステアリン
グ系２の途中に操舵トルクセンサＴＳを設けてステアリ
ングトルクＴを検出すると共に、制御手段１２はハンド
ルトルクに基づくフィードフォワード項とハンドルトル
クとステアリングトルクの偏差に基づくフィードバック
項の加算値にて補助トルクＴａを決定する。また、ハン
ドルトルクＴ_HをステアリングトルクＴから推定する。
また、フィードバック項に電動機回転速度とハンドルの
回転速度の偏差に基づく項を加算。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機の駆動力を
ステアリング系に直接作用させてドライバの操舵力をア
シストする電動パワーステアリング装置及びトルク推定
方法に関し、殊にドライバの真の操舵意志（ハンドルト
ルク）に基づいたアシストトルク（補助トルク）を追従
性よく与えることができ、かつ外乱除去性にも優れた電
動パワーステアリング装置及びドライバのハンドルトル
クと路面反力トルクを含むステアリングトルクからハン
ドルトルクを推定するトルク推定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の車両におけるエンジンの排気量拡
大（車両の大型化）、ＡＢＳ（Anti Lock Break Syste
m）やエアバッグシステムなどの安全装備の搭載などに
よる車両重量の増加、そしてタイヤ性能の向上と幅広化
などによって、ハンドル（ステアリングホイール）を操
作する際に必要とされるドライバの操舵力が大きくなっ
ている。このため、イージードライブ化を達成するため
の手段として、現在ではパワーステアリング装置がほぼ
全ての車種に装備されるようになった。パワーステアリ
ング装置は、ドライバの操舵力をアシストする補助トル
クを油圧により発生する油圧式パワーステアリング装置
が主流である。しかし、この油圧式パワーステアリング
装置は、複雑な油圧配管が必要なため、車両への搭載の
自由度が低いという問題がある。また、油圧ポンプがエ
ンジンにより駆動されるため、エンジン負荷の増加によ
り燃費が悪くなるという問題がある。特に最近これらの
点が、油圧式パワーステアリング装置における大きな問
題点としてクローズアップされるようになった。

【０００３】そこで、このような油圧式パワーステアリ
ング装置における問題を解決するものとして、電動機が
発生する補助トルクによりドライバの操舵をアシストす
る電動式パワーステアリング装置（電動パワーステアリ
ング装置）が注目されている。電動パワーステアリング
装置は、前記した油圧式パワーステアリング装置におけ
る欠点がないことに加え、油圧式のものに比べて高い制
御自由度をもつ。したがって、電動機を高精度に制御す
ることによって、油圧式パワーステアリング装置では実
現し得ないような良好な操舵フィーリングを得ることも
可能である。

【０００４】次に、従来の電動パワーステアリング装置
の構成及び制御を、図４及び図５を参照して説明する。
図４は、従来例の電動パワーステアリング装置の全体構
成図である。図５は、従来例の電動パワーステアリング
装置における制御をモデル化したブロック図である。

【０００５】図４に示すように電動パワーステアリング
装置５１は、ラック軸５９と同軸上に配された電動機５
８によって補助トルクを発生する。また、電動パワース
テアリング装置５１は、ステアリング軸５４とピニオン
ギア５７ａの角度差を「捩じれトルク（反力トルク；Re
action torque）Ｔ」として検出する操舵トルクセンサ
ＴＳを有する。ここで、電動機５８とラック軸５９の機
械的連結は、ボールねじ機構６１で実現され、これによ
って電動機５８が発生するトルク（補助トルク；Assist
torque）をラック軸５９の軸力に変換するメカニズム
になっている。そして、このラック軸５９における軸力
は、ラック軸５９の端部のタイロッド６０，６０を介し
て前輪Ｗ，Ｗ（タイヤ）の回転トルク（転舵トルク）へ
と変換され、前輪Ｗ，Ｗが転舵される。ここで、前輪
Ｗ，Ｗが転舵されるときは、路面の反力によって、前輪
Ｗ，Ｗが操舵されるのを妨げる方向にトルクが発生する
（路面反力トルク；Rack reaction torque）。一方、ス
テアリング軸５４にはステアリングホイールたるハンド
ル５３が結合されており、ドライバは、意図するハンド
ル角になるように適切なハンドルトルク（Driver torqu
e）をハンドル５３に加える。

【０００６】ここで、操舵トルクセンサＴＳのみを弾性
体と考えると、電動パワーステアリング装置５１は、ハ
ンドル５３と電動機５８の２つの慣性をもつ２慣性系に
近似でき、その両端にそれぞれドライバのハンドルトル
ク（Driver toque）と路面からの反力である路面反力ト
ルク（Rack reaction torque）が加わるようなシステム
と考えることができる。そして、電動パワーステアリン
グ装置５１は、これら入力に対して前記した捩じれトル
ク（反力トルク）Ｔの信号を小さく押さえることが制御
系の目的になる。なお、電動機５８は、電動機駆動手段
６３が生成する電動機駆動信号Ｖ_MによりＰＷＭ（Pulse
Width Modulation）駆動される。この電動機駆動信号
Ｖ_Mは、操舵トルクセンサＴＳの検出値である反力トル
ク（ステアリングトルク）Ｔを入力した制御手段６２
が、反力トルクＴに所定のゲインを乗じるなどして生成
した電動機制御信号Ｖ_Oに基づいて生成されるものであ
る。

【０００７】次に、図５を参照して説明を続ける。図５
に示すように、電動パワーステアリング装置５１の制御
系には、前記したハンドルトルクと路面反力トルクが入
力される。この図５において、ステアリングダイナミク
スＨ（ｓ）は、ハンドル５３に加えられるハンドルトル
クからこのハンドル５３の回転角（ハンドル５３から操
舵トルクセンサＴＳ）までの伝達特性（粘性項、慣性
項、ばね項）である。また、ギアボックスダイナミクス
Ｇ（ｓ）は、電動機５８に加えられる路面反力トルクか
らピニオンギア５７ａの回転角（電動機５８から操舵ト
ルクセンサＴＳ）までの伝達特性（粘性項、慣性項、ば
ね項）である。ここで、図５におけるＫは、ハンドル５
３の回転角とピニオンギア５７ａの回転角の差を反力ト
ルクに変換する変換係数である（図４における操舵トル
クセンサＴＳに相当する）。また、図５におけるＲは、
反力トルクを補助トルクに変換する変換係数である（図
４における電動機５８などに相当する）。

【０００８】つまり、図４及び図５に示すような従来の
電動パワーステアリング装置５１における制御では、操
舵トルクセンサＴＳが検出する反力トルクＴのフィード
バックのみで補助トルクを決定している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、操舵ト
ルクセンサＴＳが検出する反力トルクＴの信号成分は、
（１）ドライバのハンドルトルクに係るものと（２）路
面反力トルクに係るものとに分けられる。そして、定常
時は両方のトルクが釣り合うことによって保舵状態（ド
ライバがハンドル５３をある角度に維持する状態）が実
現される。ところが、保舵中に路面反力トルクが印加さ
れた場合などは、前記した操舵トルクセンサＴＳの検出
値では、ドライバが操舵をしているのか、あるいは路面
反力トルクが印加されているのかの判断が困難である。
このため、本来であれば、ドライバの操舵（ハンドルト
ルク）に対応する補助トルクと路面反力トルクを抑制す
る補助トルクは独立に設定されるべきであるが、前記し
たとおり両トルクを区別することなく反力トルクＴに基
づいて補助トルクを設定している。

【００１０】また、かかる従来の電動パワーステアリン
グ装置５１では、ドライバが操舵を開始するとき（操舵
開始時点）にハンドル５３が重くなり、ドライバの操舵
に対する補助トルクの追従性がよくないという問題があ
る。

【００１１】前記した問題を、図５を参照して補足する
（適宜図４参照）。図５の制御の場合、補助トルクの発
生比率Ｒを反力トルクＴに対するフィードバックゲイン
とすると、この図５の構成はレギュレータ系とみなせ
る。しかし、レギュレータ問題の場合、平衡点をゼロと
して、いかにこの平衡点に収束させていくかという制御
目標を設定するが、電動パワーステアリング装置５１の
場合、完全なレギュレーションを行うと前記した保舵状
態では、ドライバがハンドル５３に操舵力（ハンドルト
ルク）を加える必要がなくなってしまう（つまり補助ト
ルクのみで操舵される）。自動操舵装置の場合は、この
ような制御を行うことになるが、パワーステアリング装
置の場合は、あくまでもドライバのハンドルトルクを電
動機５８が発生する補助トルクでアシストするシステム
なので、完全なレギュレーションを行うことができない
という特殊性がある。一方、制御目標に相当する信号
（反力トルク信号）が不明確であるので、電動パワース
テアリング装置５１の制御系はトラッキング系にもなっ
ていない。このように、電動パワーステアリング装置５
１の制御構成は、通常のレギュレーション及びトラッキ
ング構成として分類できない特殊な構成となっている。

【００１２】なお、本願出願人による特開平８−２４４
６３５号公報には、ハンドルの慣性トルクやハンドル軸
の粘性トルクを補償してドライバの意図した操舵トルク
（ハンドルトルク）に対応した操舵補助力（補助トル
ク）を発生させ、操舵フィーリングの改善を図る電動パ
ワーステアリング装置が開示されている。この電動パワ
ーステアリング装置は、ハンドルトルクを推定すると共
に、フィードバック制御により補助トルクを発生するも
のである。この電動パワーステアリング装置によれば、
ドライバの操舵意志に基づく補助トルクを発生させるこ
とができ、操舵フィーリングが向上する。しかし、この
電動パワーステアリング装置は、ドライバの操舵に対す
る補助トルクの追従性において改良すべき課題を有す
る。また、ハンドルに加えられるドライバのハンドルト
ルクの推定という点からもまだ改良すべき課題を有す
る。

【００１３】そこで、本発明は、ドライバの真の操舵意
志に基づいた補助トルクを、ドライバの操舵に対して追
従性よく与えることができ、かつ外乱除去性に優れた電
動パワーステアリング装置、及び電動パワーステアリン
グ装置における制御の目標値を適切に推定することので
きる電動パワーステアリング装置におけるトルク推定方
法を提供することを主たる課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題に鑑み、ドライ
バの操舵（ハンドル操作）に基づくハンドルトルクに対
する補助トルクの追従性と路面反力トルクの影響を抑制
する外乱除去性、及び制御における目標信号について鋭
意研究を行い、追従性はフィードフォワード制御で対応
し、外乱の抑制はフィードバック制御で対応する２自由
度構成とすることとし、また、制御の目標値はドライバ
のハンドルを操舵する際のハンドルトルクとすることで
本発明を完成するに至った。即ち、前記課題を解決した
本発明のうち請求項１に記載の発明は、車両を操舵する
ハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクをステ
アリング系を介して操舵輪に伝達すると共に、制御手段
により制御される電動機の発生する補助トルクを前記ス
テアリング系に付加してなる電動パワーステアリング装
置において、前記ステアリング系の途中に操舵トルクセ
ンサを設けてステアリングトルクを検出すると共に、前
記制御手段は前記ハンドルトルクに基づくフィードフォ
ワード項と前記ハンドルトルクと前記ステアリングトル
クの偏差に基づくフィードバック項の加算値にて前記補
助トルクを決定する構成とした。

【００１５】この構成によれば、電動機が発生する補助
トルクは、ハンドルトルクを目標値とするものになる。
なお、ハンドルトルクは、ハンドルに作用するドライバ
の操舵トルクであり、従来例における反力トルク（本願
におけるステアリングトルク）とは異なる。このハンド
ルトルクにより、ドライバが操舵をしているのか、ある
いは路面反力が印加されているのかを判断することがで
きる。また、フィードフォワード制御により、電動パワ
ーステアリング装置は、ドライバのハンドル操作に対す
る追従性の優れたものになる。加えて、フィードバック
制御により、電動パワーステアリング装置は外乱除去性
に優れたものになる。なお、ハンドルトルクとステアリ
ングトルクの偏差は、路面状況の変化に対応した外乱ト
ルク（路面反力トルク）に相当するものである。よっ
て、この偏差に基づいてフィードバック制御（ポジティ
ブ的なフィードバック制御）することにより、例えば、
保舵時における安定性が向上する。

【００１６】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
の発明において、前記ハンドルトルクを前記ステアリン
グトルクから推定する構成とした。

【００１７】この構成によれば、一般的に使用されてい
る操舵トルクセンサを１つ備えるだけでよい。

【００１８】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
又は請求項２の発明において、前記フィードバック項に
前記電動機の回転速度と前記ハンドルの回転速度の偏差
に基づく項を加算する構成とした。

【００１９】電動機の回転速度とハンドルの回転速度に
おける偏差（ハンドルの回転角と電動機の回転角の差）
の変化は、ハンドルトルクと路面反力トルクの変化のズ
レに対応して生じる。この構成によれば、路面反力トル
クの変化に対して電動機の回転を抑制することが可能で
ある。

【００２０】また、請求項４に記載の発明は、車両を操
舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルク
をステアリング系を介して操舵輪に伝達すると共に、制
御手段により制御される電動機の発生する補助トルクを
前記ステアリング系に付加してなる電動パワーステアリ
ング装置におけるトルク推定方法であり、（１）前記ハ
ンドルトルク及び路面からの路面反力トルクの双方を含
むステアリングトルクＴを検出するステップ、（２）前
記ステアリングトルクＴを微分してステアリングトルク
微分値を求めるステップ、（３）前記電動機の回転速度
を検出するステップ、（４）下記の式から前記ハンドル
トルクを推定するステップ、を含んでなる。式 … ＫＴ_H∝Ｔ（ドット）＋ＫＮθ_M（ドット）ここで、Ｋは前記ステアリング系におけるトーションバ
ーばね定数、Ｔ_Hはハンドルトルク、Ｔ（ドット）はス
テアリングトルク微分値、Ｎは前記ハンドルの回転角度
と前記電動機の回転角度の比、θ_M（ドット）は前記電
動機の回転速度である。

【００２１】これによれば、ステアリングトルク（反力
トルク）と電動機の回転速度を検出するだけで、ドライ
バのハンドルトルクを推定することができる。なお、ス
テアリングトルク（反力トルク）は、電動パワーステア
リング装置における一般的な操舵トルクセンサ（例えば
ステアリングギアボックス内に設けられたもの）により
検出することができる。また、電動機の回転速度は、電
動機における電動機電圧と電動機電流により求めること
ができる。なお、トーションバーばね定数Ｋ及びハンド
ルの回転角度と電動機の回転角度の比Ｎは、一定値であ
る。

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の電動
パワーステアリング装置を、図面を参照して詳細に説明
する。

【００２２】先ず、電動パワーステアリング装置の構成
を、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施
形態の電動パワーステアリング装置の全体構成図であ
る。図２は、図１の電動機駆動手段の回路図である。

【００２３】図１に示すように、電動パワーステアリン
グ装置１は、ドライバによるハンドル３の操舵時に、手
動操舵力発生手段（ステアリング系）２によってマニュ
アルステアリングで前輪Ｗ，Ｗを転動させて車両の向き
を変える。さらに、電動パワーステアリング装置１は、
制御手段１２からの電動機制御信号Ｖ_Oに基づいて電動
機駆動手段１３で電動機駆動信号Ｖ_Mを生成し、この電
動機駆動信号Ｖ_Mで電動機８を駆動して補助操舵トルク
（補助操舵力）を発生させ、手動操舵力発生手段２によ
るドライバの操舵力（ハンドルトルク）を軽減する。

【００２４】手動操舵力発生手段２は、ハンドル３に一
体に設けられたステアリング軸４に連結軸５を介してス
テアリング・ギアボックス６内に設けたラック＆ピニオ
ン機構７のピニオンギア７ａが連結される。なお、連結
軸５は、その両端に自在継手５ａ，５ｂを備える。ラッ
ク＆ピニオン機構７は、ピニオンギア７ａに噛み合うラ
ック歯７ｂがラック軸９に形成され、ピニオンギア７ａ
とラック歯７ｂの噛み合いにより、ピニオンギア７ａの
回転をラック軸９の横方向の往復運動とする。さらに、
ラック軸９には、その両端にタイロッド１０，１０を介
して、転動輪としての左右の前輪Ｗ，Ｗが連結される。

【００２５】電動パワーステアリング装置１は、補助ト
ルクを発生させるために、電動機８が、ラック軸９と同
軸上に配設される。そして、電動機８の回転がラック軸
９と同軸に設けられたボールねじ機構１１を介して推力
に変換され、この推力をラック軸９（ボールねじ軸１１
ａ）に作用させる。これにより、前輪Ｗ，Ｗが転舵され
る。なお、転舵の際には、路面反力トルクが前輪Ｗ，Ｗ
及びタイロッド１０，１０を介してラック軸９に印加さ
れる。

【００２６】制御手段１２には、操舵トルクセンサＴＳ
及び電動機回転速度センサＮＳの検出信号Ｔ，θ_M（ド
ット）が入力される。そして、制御手段１２は、検出信
号Ｔ，θ_M（ドット）に基づいてそれぞれ電動機制御信
号Ｖ_O（方向信号＋ＰＷＭ信号）を生成し、電動機駆動
手段１３に出力する。この制御手段１２の詳細について
は後記する。

【００２７】電動機駆動手段１３は、制御手段１２が出
力した電動機制御信号Ｖ_Oに基づいた電動機駆動信号Ｖ_M
を電動機８に供給し、電動機８を駆動する。電動機駆動
手段１３は、例えば、図２に示すような４個のＦＥＴ
（電界効果型トランジスタ）１３ａ₁，１３ａ₂，１３ａ
₃，１３ａ₄のスイッチング素子からなるブリッジ回路１
３ａ及びゲート駆動回路１３ｂで構成される。パワーＦ
ＥＴ１３ａ₁，１３ａ₂，１３ａ₃，１３ａ₄の各ゲートＧ
１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に電動機制御信号Ｖ_O（方向信号
〔Ｖ_ON，Ｖ_OFF〕＋ＰＷＭ信号〔Ｖ_PWM〕）が入力される
と、この電動機制御信号Ｖ_Oに基づいて電動機８に電動
機駆動信号Ｖ_Mが供給される。これにより、電動機８に
は電動機電流が流れ、電動機８は電動機電流に比例した
補助トルクを発生し、ドライバの操舵をアシストする。

【００２８】操舵トルクセンサ（reaction torque sens
or）ＴＳは、ステアリング・ギアボックス６内に配設さ
れ、ハンドル３に加えられるドライバのハンドルトルク
（driver torque）に基づいてステアリング系２に発生
するステアリングトルク（反力トルク；reaction torqu
e）Ｔの大きさと方向を検出する（ステアリング軸４と
ピニオンギア７ａの角度差を「捩じれトルク（反力トル
ク）」として検出する）。そして、操舵トルクセンサＴ
Ｓは、捩じれトルクとして検出したステアリングトルク
Ｔをデジタル信号として制御手段１２に送信する。

【００２９】電動機回転速度センサＮＳは、電動機８に
流れる電動機電流及び電動機８に印加される電動機電圧
を検出する図示しない電動機電流検出手段及び電動機電
圧検出手段、並びに電動機電流及び電動機電圧から電動
機８の回転速度を演算する図示しない回転速度演算手段
を含んで構成される。これらの手段は、公知のものを使
用することができる。なお、回転速度演算手段は、後記
する（１）式に基づいて電動機回転速度を求めるもので
ある。

【００３０】演算により求められた電動機回転速度θ_M
（ドット）は、デジタル信号として制御手段１２に送信
される。なお、電動機回転速度センサＮＳは、ラック軸
９の移動速度を直接検出するセンサなどであってもよ
い。

【００３１】次に、図３を参照して制御手段１２の構成
を説明する。図３は、電動パワーステアリング装置にお
ける制御手段を含む電気系統のブロック構成図である。

【００３２】図３に示すように、制御手段１２は、信号
変換手段２１、ハンドルトルク推定手段２２、フィード
フォワード制御手段２３、偏差演算手段２４、フィード
バック制御手段２５、加算手段２６、駆動制御手段２７
を含んで構成される。なお、ハンドルトルク推定手段２
２は、カルマンフィルタ２２ａを主たる構成要素とす
る。また、フィードフォワード制御手段２３は、乗算手
段２３ａを主たる構成要素とする。さらに、フィードバ
ック制御手段２５は、乗算手段２５ａ，２５ｂ及び加算
手段２５ｃを主たる構成要素とする。

【００３３】ここで、本発明における制御の原理、つま
り電動機８が発生する補助トルクを求める手法を、式
（１）〜式（１２）並びに図１及び図３を参照して説明
する。

【００３４】〔ハンドルトルク推定〕ハンドル３に加え
られるドライバのハンドルトルクを推定する手法につい
て説明する。ハンドルトルクを推定するに際して、得ら
れる信号は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリ
ングトルクＴ、並びに電動機８の電動機電圧及び電動機
電流である。電動機電圧と電動機電流からは、次の
（１）式により電動機回転速度θ _M（ドット）を求める
ことができる。

【００３５】

【数１】

【００３６】この（１）式において、θ_Mは電動機回転
角度、Ｖ_Mは電動機電圧、Ｉ_Mは電動機電流、Ｒ_Mは電動
機抵抗（電機子の抵抗）、Ｋｅは逆起電圧係数（誘起電
圧定数）である。ここで、（１）式におけるθ_Mドット
は電動機回転速度である。なお、以下の説明において、
変数の上にドット（・）が付いているものは、当該変数
を微分したものであることを示す。つまり、θ_Mドット
は、電動機回転角度であるθ_Mを微分（時間微分）した
ものである。同様に、以下の各説明において、変数の上
にハット（＾）が付いているものは、当該変数は推定さ
れたもの（推定値）であることを示す。また、変数の添
字Ｈはハンドルを意味し、添字Ｍは電動機を意味する。

【００３７】説明をドライバのハンドルトルクの推定に
戻す。次に、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリ
ングトルクＴと前記のように求めた電動機回転速度θ_M
（ドット）に基づき、ドライバのハンドルトルクＴ
_Hを、カルマンフィルタ２２ａを適用して推定する。つ
まり、ハンドルトルクＴ_Hを推定値Ｔ_H（ハット）として
求める。推定に際して、先ず推定問題の定式化を行う。
操舵トルクセンサＴＳの検出信号であるステアリングト
ルクＴは、次の（２）式で与えられる。

【００３８】

【数２】

【００３９】ここで、Ｋはトーションバーばね定数（ト
ーションバーは操舵トルクセンサＴＳに相当する）、θ
_Hはハンドル角度（ハンドル３の切れ角）、Ｎはハンド
ル回転角度と電動機回転角度との比（図１におけるラッ
ク＆ピニオン機構７及びボールねじ機構１１の減速比を
合成したもの）である。（２）式を微分すると、次の
（３）式が得られる。

【００４０】

【数３】

【００４１】続いて、（３）式を変形すると、次の
（４）式が得られる。

【００４２】

【数４】

【００４３】この（４）式がカルマンフィルタ２２ａへ
の入力信号になる。一方、ステアリング系２の運動方程
式を考えると、次の（５）式が得られる。

【００４４】

【数５】

【００４５】ここで、ω_Hはハンドル回転速度、Ｊ_Hはハ
ンドル３の慣性係数、Ｂ_Hはハンドル回転軸回りの粘性
摩擦係数、Ｔ_Hはハンドルトルク（真値）である。この
（５）式を変形すると、次の（６）式になる。

【００４６】

【数６】

【００４７】この（６）式において、ハンドルトルクＴ
_Hをステップ的な信号と仮定すると、これを微分したＴ_H
（ドット）は（７）式のとおり０である。

【００４８】

【数７】

【００４９】ここで、ハンドルトルクＴ_Hを状態変数と
考えて、（６）式及び（７）式を状態空間表現で表する
と、次の（８）式のようになる。

【００５０】

【数８】

【００５１】また、（８）式とカルマンフィルタ２２ａ
への入力信号を表す（４）式とから、次の（９）式が導
き出される。

【００５２】

【数９】

【００５３】したがって、θ_Hドット（＝ω_H）は観測
（検出）できないため、Ｔ（ドット）＋ＫＮθ_M（ドッ
ト）を観測量（検出値）とし、ハンドル回転速度ω_H，
ハンドルトルクＴ_Hを推定するカルマンフィルタ２２ａ
を設計することができる。また、このようにすること
で、ドライバのハンドルトルクＴ_H及びハンドル回転速
度ω_Hの推定を精度よく行うことができるようになる。

【００５４】〔フィードフォワード制御〕本実施形態に
おいては、目標反力トルク信号として推定したドライバ
のハンドルトルクＴ_H（ハット）を用いるので、フィー
ドフォワード制御は、この推定したハンドルトルクＴ_H
（ハット）に所定のゲインＫfを乗じて補助トルクを発
生させるようにする（次の（１０）式参照）。なお、Ｔ
affは、フィードフォワードによる補助トルクである。
また、ゲインＫfは、理論計算や実験などにより定めら
れる。

【００５５】

【数１０】

【００５６】〔フィードバック制御〕フィードバック制
御を行うに際して、ドライバのハンドルトルクＴ_Hの変
化及び路面反力トルクの変化に対して、電動パワーステ
アリング装置１が内部安定となる必要がある（外乱除去
性）。この場合、着目すべき信号は、電動機回転速度θ
_M（ドット）になる。つまり、この電動機回転速度θ
_M（ドット）に制約を課すようなフィードバックループ
も必要になる。よって、本実施形態では、フィードバッ
ク制御は次の（１１）式に基づいて行う。ところで、制
御の基本からいうと、（１１）式の右辺第２項は、請求
項３で特定したようにＫs2（θ_H（ドット）−θ_M（ドッ
ト））とすべきであるが、本実施形態のようにθ_H（ド
ット）＝０と近似することにより、θ_M（ドット）のみ
で制御してもよい。なお、Ｔafbは、フィードバック制
御による補助トルクである。Ｋs1及びＫs2は、理論計算
や実験などにより定められる所定のゲインである（Ｋs1
及びＫs2は外乱トルクを抑制する方向に定められる）。

【００５７】

【数１１】

【００５８】さらに、フィードフォワード制御とフィー
ドバック制御を次の（１２）式のように統合すると、電
動機８が発生すべき補助トルクＴａが求まる。

【００５９】

【数１２】

【００６０】つまり、ドライバのハンドルトルクＴ_Hの
変化（つまり操舵）に対しては、フィードフォワード制
御で、路面反力トルクの変化（路面状況の変化など）に
対しては、フィードバック制御で対応する。換言する
と、ドライバの操舵（ハンドルトルクＴ_H）に対しては
補助トルクＴａの追従性をよくし、路面反力の変化（外
乱トルク）に対しては外乱除去性をよくする。

【００６１】次に、前記した制御の原理を踏まえて、図
３の制御手段１２を説明する。なお、この制御手段１２
は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトル
クＴからハンドルトルクＴ_Hを推定〔Ｔ_H（ハット）〕
し、これを電動機８が発生する補助トルクの目標信号と
するものである。また、この制御手段１２は、基本的な
補助トルクの設定をフィードフォワード制御で行い、路
面反力トルクの変化（外乱トルク）に対する影響の低減
をフィードバック制御で行うものである。また、図３に
おける補助トルクＴａ，Ｔaff，Ｔafbはいずれも目標信
号である。

【００６２】制御手段１２は、操舵トルクセンサＴＳか
ら送信されたデジタル信号であるステアリングトルクＴ
と電動機回転速度センサＮＳから送信されたデジタル信
号である電動機回転速度θ_M（ドット）の入力ポートを
有する。また、電動機制御信号Ｖ_Oを電動機駆動手段１
３に出力する出力ポートを有する。

【００６３】信号変換手段２１は、操舵トルクセンサＴ
Ｓが検出したステアリングトルクＴを微分して微分値Ｔ
（ドット）を、後段のハンドルトルク推定手段２２に送
信する。ハンドルトルク推定手段２２は、微分値Ｔ（ド
ット）と電動機回転速度θ_M（ドット）を入力して、カ
ルマンフィルタ２２ａで演算を行い、推定したハンドル
トルクＴ_H（ハット）を求める。なお、ハンドルトルク
推定手段２２は、トーションバーばね定数Ｋやハンドル
３の回転角度と電動機８の回転角度の比Ｎなどを、図示
しないＲＯＭに記憶している。なお、トーションバー
は、操舵トルクセンサＴＳに相当する。

【００６４】フィードフォワード制御手段２３は、乗算
手段２３ａで前記推定したハンドルトルクＴ_H（ハッ
ト）に所定のゲインＫfを乗じ、フィードフォワード制
御による補助トルクＴaff（目標信号）を求める。

【００６５】偏差演算手段２４は、推定したハンドルト
ルクＴ_H（ハット）からステアリングトルクＴを減算し
て偏差Ｔ_H（ハット）−Ｔを求め、フィードバック制御
手段２５に出力する。なお、推定したハンドルトルクＴ
_H（ハット）からステアリングトルクＴを減算すると、
路面反力トルクが求まることになる。

【００６６】次に、フィードバック制御手段２５では、
乗算手段２５ａで前記偏差Ｔ_H（ハット）−Ｔに所定の
ゲインＫs1を乗じる。また、フィードバック制御手段２
５は、乗算手段２５ｂで電動機回転速度θ_M（ドット）
に所定のゲインＫs2を乗じる。加算手段２５ｃでは、乗
算手段２５ａでの乗算結果と乗算手段２５ｂの乗算結果
を加算し、フィードバックによる補助トルクＴafbを求
める。ここで、フィードバック制御に電動機回転速度θ
Ｍ（ドット）を加味するのは、外乱トルク（路面反力ト
ルク）に対して電動機８の動きを抑制するためである。
なお、この補助トルクＴafbは、Ｋs1〔Ｔ_H（ハット）−
Ｔ〕＋Ｋs2θ_M（ドット）である。

【００６７】加算手段２６は、フィードフォワード制御
による補助トルクＴaffとフィードバック制御による補
助トルクＴafbを加算して、補助トルクＴa（目標信号）
を求める。ここで、補助トルクＴaffは、追従性をよく
する成分である。一方、補助トルクＴafbは、外乱除去
性をよくする成分である。

【００６８】駆動制御手段２７は、目標信号（電動機８
が発生すべき補助トルクの目標値）である補助トルクＴ
ａを入力して、その極性と大きさを加味して電動機制御
信号ＶＯを生成する。この電動機制御信号Ｖ_Oは、方向
信号とＰＷＭ信号から構成される。生成した、電動機制
御信号Ｖ_Oは、制御手段１２が備える出力ポートから、
電動機駆動手段１３に出力される。

【００６９】駆動制御手段２７は、前記したように電動
機制御信号Ｖ_Oに基づいて電動機駆動信号Ｖ_Mを生成し、
電動機８をＰＷＭ駆動する。これにより、目標信号であ
る補助トルクＴａに応じた実際の補助トルクを電動機８
が発生する。

【００７０】この構成の電動パワーステアリング装置１
の動作を説明する。ドライバがハンドル３を操作して操
舵を開始した場合、急激な操舵であっても（操舵トルク
センサＴＳの検出値が急変しても）、フィードフォワー
ド制御により、電動機８は、追従性よく補助トルクを発
生することができる。このため、操舵開始時点にハンド
ル３が重いなどという従来における問題が解消される。
しかも、補助トルクの目標信号（Ｔａ）は、操舵トルク
センサＴＳが検出したステアリングトルクＴではなく、
ドライバによるハンドルトルクＴ_H（ハット）に基づく
ものである。よって、電動機８は、ドライバの意志によ
る操舵に迅速に追従した補助トルクを発生することがで
きる。

【００７１】また、路面状況の変化などで（路面反力ト
ルクの変化が生じて）外乱トルクが入力された場合で
も、推定したハンドルトルクＴ_H（ハット）と操舵トル
クセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴの偏差
（外乱トルクに相当する分）に所定のゲインＫs1を乗じ
てフィードバック制御（ポジティブ的なフィードバック
制御）を行っているので、外乱トルクが入力されても安
定に制御される（外乱除去性）。かつ、電動機回転速度
θ_M（ドット）に対しても、同様のフイードバック制御
を行っているので、外乱トルクに対して電動機８の回転
が抑制され安定に制御される。

【００７２】よって、保舵状態で路面反力トルクが変化
しても、ドライバのハンドルトルクＴ_Hを変化させるこ
となく、保舵状態を維持することができる。

【００７３】なお、本発明は、前記した実施形態に限定
されることなく幅広く変形実施することができる。例え
ば、前記した実施形態では、フィードバック制御を電動
機回転速度も加味して行ったが、電動機回転速度を加味
しないで行うようにしてもよい。また、電動機回転速度
とハンドルの回転速度の偏差を加味してフィードバック
制御を行うようにしてもよい。なお、前記した実施形態
では、電動機の回転速度とハンドルの回転速度の偏差を
取らないものであったが（つまりハンドルの回転速度を
０又は一定値に固定したものであったが）、ハンドルの
回転速度を検出するセンサを備えて、電動機の回転速度
とハンドルの回転速度の偏差に基づいてフィードバック
制御を行うようにしてもよい。さらに、外乱除去性を向
上することができるからである。また、電動パワーステ
アリング装置について、ステアリングトルクを検出する
操舵トルクセンサに加えて、ハンドルトルクを検出する
ハンドルトルクセンサを設ける構成としてもよい。ま
た、トルクの推定について、電動機の回転速度を検出す
るのではなく、ラック軸の移動速度を検出してハンドル
トルクを推定する構成としてもよい。

【００７４】

【発明の効果】以上説明した本発明は、以下のような優
れた効果を有する。請求項１に記載の発明によれば、操
舵時にドライバの真の操舵意志に基づいた補助トルク
を、ドライバの操舵に対して追従性よく与えることがで
きる。かつ、路面反力の変化などに対する外乱除去性が
優れ、例えば保舵時に路面からの反力が変化してもドラ
イバの保舵力（ハンドルトルク）に変化を生じさせるこ
とがない。よって、電動パワーステアリング装置の操舵
フィーリングが向上する。また、請求項２に記載の発明
によれば、ハンドルトルクを推定するので、一般的に使
用されている操舵トルクセンサを１つ備えるだけで、本
発明の電動パワーステアリング装置を構成することがで
きる。よって、電動パワーステアリング装置の製造が容
易になると共に、製造コストを削減することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、路面反力トルク
の変化に対して電動機の回転を抑制などすることが可能
になるので、さらに外乱除去性を高めることができる。
また、請求項４に記載の発明によれば、電動パワーステ
アリング装置における一般的な構成で、車両を操舵する
ハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクを精度
よく推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施形態の電動パワーステア
リング装置の全体構成図である。

【図２】図１の電動機駆動手段の回路図である。

【図３】図１の電動パワーステアリング装置におけ
る制御手段を含む電気系統のブロック構成図である。

【図４】従来例の電動パワーステアリング装置の全
体構成図である。

【図５】従来例の電動パワーステアリング装置にお
ける制御をモデル化したブロック図である。

【符号の説明】

１ … 電動パワーステアリング装置２ … ステアリング系（手動操舵力発生手段）３ … ハンドル８ … 電動機１２ … 制御手段ＴＳ … 操舵トルクセンサＴ … ステアリングトルク（操舵トルクセンサの検
出値、反力トルク）Ｔ（ドット） … ステアリングトルクの微分値Ｔａ … 補助トルクＴ_H … ハンドルトルクＴ_H（ハット） … 推定したハンドルトルクＷ … 前輪（操舵輪）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車両を操舵するハンドルに加えられる
ドライバのハンドルトルクをステアリング系を介して操
舵輪に伝達すると共に、制御手段により制御される電動
機の発生する補助トルクを前記ステアリング系に付加し
てなる電動パワーステアリング装置において、前記ステアリング系の途中に操舵トルクセンサを設けて
ステアリングトルクを検出すると共に、前記制御手段は
前記ハンドルトルクに基づくフィードフォワード項と前
記ハンドルトルクと前記ステアリングトルクの偏差に基
づくフィードバック項の加算値にて前記補助トルクを決
定する構成を有することを特徴とする電動パワーステア
リング装置。
【請求項２】前記ハンドルトルクを前記ステアリン
グトルクから推定する構成を有することを特徴とする請
求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項３】前記フィードバック項に前記電動機の
回転速度と前記ハンドルの回転速度の偏差に基づく項を
加算する構成を有することを特徴とする請求項１に記載
の電動パワーステアリング装置。
【請求項４】車両を操舵するハンドルに加えられる
ドライバのハンドルトルクをステアリング系を介して操
舵輪に伝達すると共に、制御手段により制御される電動
機の発生する補助トルクを前記ステアリング系に付加し
てなる電動パワーステアリング装置におけるトルク推定
方法であって、前記ハンドルトルク及び路面からの路面反力トルクの双
方を含むステアリングトルクを検出するステップ、前記ステアリングトルクを微分してステアリングトルク
微分値を求めるステップ、前記電動機の回転速度を検出するステップ、下記の式から前記ハンドルトルクを推定するステップ、を含んでなる電動パワーステアリング装置におけるトル
ク推定方法。式 … ＫＴ_H∝Ｔ（ドット）＋ＫＮθ_M（ドット）ここで、Ｋは前記ステアリング系におけるトーションバ
ーばね定数、Ｔ_Hはハンドルトルク、Ｔ（ドット）はス
テアリングトルク微分値、Ｎは前記ハンドルの回転角度
と前記電動機の回転角度の比、θ_M（ドット）は前記電
動機の回転速度である。