JP2004130899A

JP2004130899A - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2004130899A
Application number: JP2002296652A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Mukai; 向　良信; Kyoji Hamamoto; 浜本　恭司; Hiroaki Horii; 堀井　宏明; Kazuhisa Watanabe; 渡辺　和久
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: US6874595B2; JP3705545B2; US20040083822A1

Abstract

【課題】応答性が必要な場合には十分な応答性が得られ、かつ、固有振動の発生がなく十分な安定性も兼ね備えた電動パワーステアリング装置の実現を課題とする。
【解決手段】目標電流ｒと電動機駆動電流ｙの偏差ｅに応じてフィードバック制御を行うフィードバック機能部２２と、目標電流ｒに応じてフィードフォワード制御を行うフィードフォワード機能部２１とを有する電動パワーステアリング制御装置において、フィードフォワード制御部２１のフィードフォワード制御のゲインを車速が早いほど大きくすることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機のパワー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軽減する電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の転舵輪を転舵する運転操作装置として、ステアリング系にモータ（電動機）を備え、モータから供給する動力を、制御装置を用いて制御することにより、ドライバの操舵力を軽減する電動パワーステアリング装置が知られている。
【０００３】
この電動パワーステアリング装置は、モータの駆動を制御するために、まず、ＥＣＵ（制御装置）が操舵トルクや車速などに応じてモータに供給する目標電流を設定し、これをモータに流れる実電流と比較する。そして、比較した値である偏差を処理してモータを制御するようにしている。
【０００４】
ところで、ＥＣＵは電動パワーステアリング装置の制御を司るＩＣ（マイコン）を有し、マイコンは操舵トルクに応じた目標電流と実際にモータに流れる実電流が一致するように、換言すると偏差がゼロになるように処理して、電流フィードバックを行う。ＥＣＵおよびマイコンを含んで構成される電流フィードバックループ内には、前記した偏差の値を素早くゼロにして応答性を高めるため、例えばＰＩＤ機能などを備えており、目標電流に対する電流変化の追従性を向上させている。
【０００５】
しかしながら、このようなフィードバック制御だけではモータ電流の変化の応答性は必ずしも充分とはいえない。このため、偏差に応じてモータ駆動信号を大きくするフィードバック制御に加えて、目標電流に応じてモータ駆動信号を大きくするフィードフォワード制御を設けることで（２自由度制御）、操舵の応答性を向上する手法が用いられる（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
このフィードフォワード制御は、目標電流に基づくフィードフォワード制御要素を生成し、直接出力するためのもので、例えば、目標電流が小さいときには目標電流に比例した値をモータ駆動信号として生成し、モータを駆動するモータ駆動回路に出力する。これにより、フィードバック制御だけの場合よりも操舵の応答性を高めることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２３４４５７号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００１−２８７６５８号公報（第４−５頁、第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにフィードフォワード制御とフィードバック制御を行う系で応答性を向上させようとしてフィードフォワード制御の利得を上げるとステップ操舵入力に対してオーバシュートが発生し、これにより電流が急に大きくなって、モータなどの装置の発熱やリレー接点の溶着などの問題が発生する。なお、ステップ操舵入力は、例えば低車速時におけるラックエンドへの突き当てが生じた場合、高車速時では遠心力が大きく作用しているときに遠心力に反する方向に急に操舵する場合に生じる。
一方で、逆に安定性を増すためにフィードフォワードの利得を下げるなどの措置を講じると、操作の応答性が低下し操舵フィーリングが悪化する。さらに、一旦オーバシュートや振動などが発生した場合は収束性が悪く、なかなかオーバシュートや振動などが収まらないという問題が発生する。つまり、応答性と安定性とはトレードオフの関係になっている。
また、フィードバック制御では利得を上げると系に固有振動が発生しやすいという問題がある。
【０００８】
本発明はこの問題を解決して、応答性が必要な場合には応答性が得られ、かつ、固有振動の発生がなく安定性も兼ね備えた電動パワーステアリング装置の実現を課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため本発明の請求項１の発明は、ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、ステアリング系に操舵補助力を与える電動機と、この電動機の駆動電流を検出する電動機電流検出手段と、前記操舵トルク検出手段が検出する操舵トルクに基づいて前記電動機を駆動する目標電流を設定する目標電流設定手段と、この目標電流設定手段が設定する目標電流と前記電動機電流検出手段が検出する電動機駆動電流の偏差に応じてフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、前記目標電流に応じてフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部とを有する電動パワーステアリング装置において、前記フィードフォワード制御部のフィードフォワード制御のゲインを車速が早いほど大きくすることを特徴とする。
これにより、車速の遅い（低い）ところで発生しやすいオーバシュートを押さえて安定性を増すことができ、車速の早い（高い）ところでは、高速応答性を高くして操作性を向上し、振動の収束性を上げることができる。
【００１０】
また、本発明の請求項２の発明は、前記フィードバック制御部のフィードバック制御のゲインを車速が早いほど大きくすることを特徴とする。
これにより、車速が遅い時に生まれやすい固有振動の発生を押さえることができ、その分安定性を増すことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の電動パワーステアリング装置の実施形態を、図面を参考にして詳細に説明する。図１に電動パワーステアリング装置の模式構造図を、図２に電動パワーステアリング装置の制御装置のブロック図を示す。
【００１２】
まず、電動パワーステアリング装置ＥＰＳの構造部分を、図１を参照して説明する。
図１において、符号１はステアリングホイール（ハンドル）、符号２はステアリング軸、符号３は連結軸、符号３ａ、３ｂは自在継手、符号５はラック・ピニオン機構、符号５ａはピニオン、符号６は手動操舵トルク発生機構、符号７はラック軸、符号７ａはラック歯、符号８はタイロッド、符号９は前輪、符号１０はモータ（電動機）、符号１０ａは駆動側ヘリカルギャ、符号１１はボールねじ機構、符号１１ａはねじ軸、符号１１ｂはヘリカルギャ、符号１２は手動操舵トルク検出部、符号１４は制御装置である。
【００１３】
電動パワーステアリング装置ＥＰＳでは、ステアリングホイール１に一体に設けられたステアリング軸２に、自在継手３ａ、３ｂを有する連結軸３を介してラック・ピニオン機構５のピニオン５ａが連結されることによって、手動操舵トルク発生機構６が構成されている。
【００１４】
また、電動パワーステアリング装置ＥＰＳでは、ピニオン５ａに噛み合うラック歯７ａを有し、この噛み合いにより運動が軸方向に変換されて往復運動するラック軸７は、その両端でタイロッド８を介して転動輪としての左右の前輪９に連結されている。ドライバがステアリングホイール（ハンドル）１を操作することにより、手動操舵トルク発生機構６とステアリング装置を介して、前輪９を揺動させ車両の向きを変えることができる。
【００１５】
ところで、手動操舵トルク発生機構６によって発生する操舵トルクを軽減してドライバの操舵を容易にするために、操舵補助トルクを供給するモータ１０が、例えば、ラック軸７と同軸的に配設されている。そうしてラック軸７とほぼ平行に設けられたボールねじ機構１１を介してモータ１０からの回転力によって供給される操舵補助トルクが直進運動のための力に変えられ、ラック軸７に作用する。
【００１６】
モータ１０のロータには、駆動側ヘリカルギャ１０ａが一体的に設けられている。この駆動側ヘリカルギャ１０ａは、ボールねじ機構１１のねじ軸１１ａの軸端に一体的に設けられたヘリカルギャ１１ｂと噛み合っている。また、ボールねじ機構１１のナットはラック軸７に連結されている。これにより、ドライバの操舵力がモータによりアシストされ前輪９を揺動・転舵する。
【００１７】
次に、センサ類を説明する。
図示しないステアリングギャボックス内には、ピニオン５ａに作用する手動操舵トルクＴを検出する手動操舵トルク検出部（操舵トルクセンサ）１２が設けられている。この手動操舵トルク検出部１２は検出した手動操舵トルクＴを手動操舵トルク検出信号Ｔｄに変換し、変換された手動操舵トルク検出信号Ｔｄを制御装置１４に入力する。制御装置１４は手動操舵トルク検出信号Ｔｄを入力信号としてモータ１０の運転を行って、モータ１０の出力する動力（操舵補助トルク）を制御する。また、電動パワーステアリング装置ＥＰＳは、モータ１０に流れる電動機駆動電流（モータ実電流ｙ）を検出する図示しない電動機電流検出手段（電流センサ）が設けられている。
【００１８】
電動パワーステアリング装置ＥＰＳの制御装置１４を、図２を参照して説明する。
図２は、電動パワーステアリング装置ＥＰＳの制御装置１４のブロック図である。御装置１４は図示しないＩＣ（マイコン）および周辺回路から構成され、マイコンが図示しないＲＯＭに書き込まれたプログラムを読み出すことにより該プログラムの各モジュール（後記する目標電流決定部１６など）を実行して、電動パワーステアリング装置ＥＰＳの制御を行う。また、制御装置１４は、電動パワーステアリング装置ＥＰＳの制御を行うため、各種信号・情報・指令などを入出力する入出力ポート、アナログ信号をデジタル信号に変換してマイコンでデジタル処理するためのＡＤ変換器、マイコンが処理したデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器などを備える。
【００１９】
図２に示すように、制御装置１４はモータ１０の電流信号を目標値として電流信号を発生する目標電流決定部１６と、この目標値に基づいてモータを駆動制御する制御部１７を備えている。目標電流決定部１６は手動操舵トルク検出信号Ｔｄに基づいて目標補助トルクを決定し、目標補助トルクをモータ１０から供給するために必要な目標電流ｒを出力する。なお、図２の目標電流決定部１６に模式的に示すように、目標電流ｒは、手動操舵トルク検出信号Ｔｄに対して、手動操舵トルク検出信号Ｔｄが０近傍では０が対応づけられ（不感帯の設定）、所定の手動操舵トルク検出信号Ｔｄ以上になると手動操舵トルク検出信号Ｔｄの増加に従って増加する値が対応づけられる。なお、この目標電流ｒは、車速に対して、路面反力の大きい低車速時は大きい値を対応づけ、走行時の安定性を確保するために高車速時は小さい値を対応づけるようにしてもよい。
【００２０】
続いて、図２の制御部１７を、図３を参照してより詳細に説明する。
図３は制御部１７の機能を示すブロック図である。この図３に示すように、制御部１７はフィードフォワード機能部２１とフィードバック機能部２２と加算器２９を含んで構成され、フィードバック機能部２２は偏差演算器２３、減衰器回路（アッテネータ）２４、比例要素２５、積分要素２６、微分要素２７、加算器２８を含んで構成されている。
【００２１】
偏差演算器２３では、目標電流値ｒとモータ実電流ｙとの偏差ｅを演算する。この偏差ｅは減衰器回路２４で増幅（減衰）された後に、比例要素Ｐ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）２５、積分要素Ｉ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）２６、および微分要素Ｄ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）２７でそれぞれ処理を施されたのち、処理値は加算器２８で加算され、この値がさらに加算器２９でフィードフォワード機能部２１出力と加算されて、偏差ｅを０とするようなモータ駆動信号ｕとしてモータ１０（図示しないモータ駆動回路）に出力される。このように、フィードバック機能部２２にＰＩＤ機能を備えることで目標電流ｒに対する電流変化の追従性を向上させている。
【００２２】
しかしながら、このようなフィードバック機能部２２に基づく制御だけではモータ電流の変化の応答性は必ずしも充分とはいえない。例えば、ＰＷＭ信号のデューティー比を変えてモータ電流を制御するような場合、デューティー比が小さなところではモータ電流の変化の割合が極端に小さく、デューティー比が所定の値を超えたところで大きくなる傾向があり、このような傾向は、操舵の応答性を押さえることになる。
【００２３】
これを逃れるため、本実施形態では、目標電流ｒに応じてモータ駆動信号ｕを大きくするフィードフォワード制御を設けることで操舵の応答性を向上する。
フィードフォワード機能部２１はフィードフォワード制御要素を生成し出力するためのもので、例えば、目標電流ｒが小さいときには目標電流ｒに比例した値を、目標電流ｒに比例する値が所定以上になる場合は一定値を出力する。これにより、操舵の応答性を高めることができる。
【００２４】
ここで、本実施形態ではさらに、操舵の応答性が必要な場合には充分な応答性が得られ、かつ、固有振動の発生がなく充分な安定性も兼ね備えた電動パワーステアリング装置ＥＰＳを実現するため、車速センサＶＳを設け、フィードフォワード機能部（制御部）２１におけるフィードフォワード制御のゲインを車速Ｖが早いほど大きくする制御を行う。また、フィードバック機能部（制御部）２２におけるフィードバック制御のゲインを車速Ｖが早いほど大きくする。
【００２５】
本発明を具現化した本実施形態での基本的な考え方を図３の機能ブロック図に沿って説明する。この機能の基本的な動作は先に述べているので、ここでは本発明に関する部分について説明する。
【００２６】
制御装置１４からモータ１０（モータ１０の駆動回路）に対して出力されるモータ駆動信号ｕは、次の式（１）および式（２）に基づいて生成される。
【００２７】
ｕ＝ｒ×Ｋｆ＋Ａｔ×Ｋｐｉｄ（ｓ）　　　　　　　　　　（１）
【００２８】

【００２９】
ただし、　ｒは目標電流
Ｋｆはフィードフォワード機能部２１の利得
Ａｔは減衰器回路２４の利得
Ｋｐｉｄ（ｓ）は制御手段の伝達関数
Ｋｐは比例要素２５の伝達関数
Ｋｉは積分要素２６の伝達関数
Ｋｄは微分要素２７の伝達関数
ｓ＝ｊω
Ｔｉ＝Ｋｐ／Ｋｉ
Ｔｄ＝Ｋｄ／Ｋｐである。
【００３０】
本実施形態では、式（１）でフィードフォワード機能部２１の利得Ｋｆおよび減衰器回路２４の利得Ａｔを車速Ｖによって可変にする。
【００３１】
フィードフォワード機能部２１の利得Ｋｆは、次の式（３）および図４に示すように、車速Ｖに関係しない固定部分ＦＦｂａｓｅと車速Ｖに応じて変化するＦＦｖｅｌとの和で表されるものとし、さらにＦＦｖｅｌは式（４）に示すように車速Ｖの遅いところでの車速Ｖに不感帯の部分ＤＺと車速Ｖに応じて増加する部分と車速Ｖの早いところでの車速Ｖに対して一定のＬｉｍｉｔ部分とに区別されるものとする。
【００３２】
Ｋｆ＝ＦＦｂａｓｅ＋ＦＦｖｅｌ　　　　　　　　　　　（３）
ＦＦｖｅｌ＝ｋ（Ｖ−ＤＺ）（＜Ｌｉｍｉｔ）　　　　　（４）
【００３３】
このようにすることで、ステアリングホイール（ハンドル）１の操作量が大きく、ハンドルの操作限界まで到達した場合のラックエンド突当てなどで急激な操作トルクの立ち上がり（ステップ入力）が発生しやすい車速Ｖの低いところでフィードフォワード利得を押さえて、オーバシュートを押さえることができる。
一方、操作性が要求される車速Ｖの高いところではフィードフォワード利得が高いので、高速応答性を高くすることができ、さらに振動の収束性を上げることができる。
【００３４】
また、フィードバック機能部２２に関しては利得を上げると応答性が増すが、系の固有振動が発生して発振するおそれがある。これを逃れるため、減衰器回路２４の利得Ａｔを図５に示すように車速Ｖの遅い部分で低くする。これにより、比較的低い周波数で発生しやすい固有振動の発振を押さえることができる。
【００３５】
図６は、本発明の制御部でのステップ入力に対する応答を、車速をパラメータにして示した図である。ここで縦軸は標準化されたモータ実電流ｙ（ｔ）＝実電流／目標電流で、横軸は秒で表された時間経過である。この図の実線で示すように、Ｆ／Ｆ（フィードフォワード）制御を行わない場合は、オーバシュートが大きく発生すると共に、オーバシュートの収束にも長い時間がかかっている。ここで、Ｆ／Ｆ制御を行うと、二点鎖線で示すように、オーバシュートが抑制されると共に、発生したオーバシュートが収束する時間も短くなっている。さらに、本実施形態のように車速による可変Ｆ／Ｆ制御を行うと、破線で示すように、オーバシュートが一層抑制され、発生したオーバシュートが収束する時間もより短くなっている。
【００３６】
なお、以上説明した本発明は、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、フィードフォワード機能部２１のフィードフォワード制御のゲインＫｆを車速Ｖが早いほど大きくする制御と、フィードバック機能部のフィードバック制御のゲインＡｔを車速が早いほど大きくする制御を同時に行ったが、ゲインＫｆだけを車速Ｖが早いほど大きくする制御のみを行ってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、フィードフォワード制御部のフィードフォワード制御のゲインを車速が早いところで大きくし、車速が遅いところで小さくし（請求項１）、フィードバック制御部のフィードバック制御のゲインも同様に車速が早い大きくし、車速が遅いところで小さくした（請求項２）。これにより、車速の低いところで発生しやすいオーバシュートや固有振動の発生を押さえて安定性を増すことができ、車速の高いところでは、高速応答性を高くして操作性を向上し、振動の収束性を上げ、安定した操作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動パワーステアリング装置の模式構造図である。
【図２】電動パワーステアリング装置の制御装置のブロック図である。
【図３】図３に示す制御装置の制御部の機能を示すブロック図である。
【図４】フィードフォワード機能部の利得の車速に関する変化を示す図である。
【図５】フィードバック機能部の減衰器回路の利得の車速に関する変化を示す図である。
【図６】本発明の電動パワーステアリング装置のステップ入力に対する応答を示す図である。
【符号の説明】
１…ステアリングホイール、　　２…ステアリング軸、　　３…連結軸、
３ａ、３ｂ…自在継手、　　５…ラック・ピニオン機構、
５ａ…ピニオン、　　６……手動操舵トルク発生機構、　　７…ラック軸、
７ａ…ラック歯、　　８…タイロッド、　　９…前輪、　　１０…モータ、
１０ａ…駆動側ヘリカルギャ、　　１１…ボールねじ機構、
１１ａ…ねじ軸、　　１１ｂ…ヘリカルギャ、
１２…手動操舵トルク検出部、
１４…制御装置、　　１６…目標電流決定部、　　１７…制御部、
２１…フィードフォワード機能部、　　２２…フィードバック機能部、
２３…偏差演算器、　　２４…減衰器回路、　　２５…比例要素、
２６…積分要素、　　２７…微分要素、　　２８…加算器、
２９…加算器、
ＥＰＳ…電動パワーステアリング装置
Ａｔ…減衰器回路の利得、　　ｒ…目標電流、　　Ｔ…操舵トルク、
Ｔｄ…手動操舵トルク検出信号、　　ｕ…モータ駆動信号、
Ｖ…車速、　　ｙ…モータ実電流

Claims

ステアリング系の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
前記ステアリング系に操舵補助力を与える電動機と、
この電動機の駆動電流を検出する電動機電流検出手段と、
前記操舵トルク検出手段が検出する操舵トルクに基づいて前記電動機を駆動する目標電流を設定する目標電流設定手段と、
この目標電流設定手段が設定する目標電流と前記電動機電流検出手段が検出する電動機駆動電流の偏差に応じてフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、
前記目標電流に応じてフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部とを有する電動パワーステアリング装置において、
前記フィードフォワード制御部のフィードフォワード制御のゲインを車速が早いほど大きくすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記フィードバック制御部のフィードバック制御のゲインを車速が早いほど大きく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。