JP2004203113A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種補償によりステアリングホイールの操作性が悪化することのない電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】目標電流設定部１２は、操舵トルクＴの微分値に基づき慣性補償トルク値Ｔｉを出力する慣性補償部１２１２および操舵角速度ωに基づきダンピング制御トルク値Ｔｄを出力するダンパ制御部１２１３を含んでおりこれらの出力値が加算された補償トルク値Ｔｃを出力する補償部１２１と、この補償トルク値Ｔｃと操舵トルクＴとを加算し補正された操舵トルクＴ’として出力する加算器１２３と、この補正された操舵トルクＴ’に基づき目標電流値Ｉｔを出力するアシスト電流設定部１２２とを含む。このように補償部１２１の後段にアシスト電流設定部１２２が接続されるため、アシストテーブルの不感帯内では電流目標値Ｉｔは０となり、不要な操舵補助力が発生しない。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータによって車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が用いられている。この電動パワーステアリング装置では、操舵のための操作手段であるハンドルに加えられる操舵トルクを検出して当該操舵トルクを示すトルク検出信号を出力するトルクセンサが設けられており、そのトルクセンサからのトルク検出信号に基づき電動モータに流すべき電流の目標値が設定される。なお、この目標値の設定には、予め定められたトルク値と電流値との対応関係を示すテーブル（「アシストテーブル」と呼ばれる）が用いられる。そして、比例積分制御器によりこの目標値と電動モータに実際に流れる電流の検出値との偏差に基づき、電動モータの駆動手段に与えるべき指令値が生成される。電動モータの駆動手段は、その指令値に応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じてオン／オフするパワートランジスタを用いて構成されるモータ駆動回路とから成り、そのデューティ比に応じた電圧すなわち指令値に応じた電圧を電動モータに印加する。この電圧印加によって電動モータに流れる電流は電流検出回路によって検出され、上記目標値とこの検出値との差が上記指令値を生成するための偏差として使用される。このように、電動パワーステアリング装置では、比例積分制御器により、トルクセンサからのトルク検出信号が示す操舵トルクに基づき設定される目標値の電流が電動モータに流れるようにフィードバック制御が行われる。
【０００３】
この比例積分制御器の比例ゲインおよび積分ゲイン（以下「ＰＩゲイン」という）の値は、システム全体の応答性を上げるために高い方が望ましいが、ＰＩゲインの値を高くしすぎると機械系の固有振動周波数近傍、具体的には１０〜２５Ｈｚ近傍でシステムが不安定になりやすくなる。そのため、従来では、ＰＩゲインの値はあまり高く設定することなくシステム全体の応答性を犠牲にしてシステムを安定系とし、さらに電動モータの慣性モーメントの影響を抑制するための慣性補償、ステアリングホイールの収斂性を向上させるためのダンピング制御、およびステアリングホイールの戻り時の操作性を向上させるための戻し制御などのダイナミクス補償を含む各種補償が行われる。さらに実用周波数帯域における位相特性を改善するために位相補償器が設けられる。具体的には、トルクセンサからのトルク検出信号が位相補償器に与えられ、位相補償器によりトルク検出信号の位相が進められることにより実用周波数帯域におけるシステム全体の応答性が向上する。なお、この構成によりゲイン特性が高くなる周波数帯域では、さらに新たなローパスフィルタが追加される。
【０００４】
ここで、位相補償を除く上記各種補償はそれぞれが独立して行われ、かつ当該補償は、上記アシストテーブルに基づき電動モータに流すべき電流の基本的な目標値が設定された後に、この基本的な目標値に対して所定の演算に基づき得られる補償値を加算することにより行われる。この補償が行われた目標値と実際に流れる電流の検出値との偏差は上記比例積分制御器に与えられる。このような構成は、例えば特開２００２−２１１４２７号公報や特開平８−２９０７７８号公報などに開示されている。なお、特開平８−２９０７７８号公報には、比例積分微分（ＰＩＤ）制御器により、上記指令値が設定される構成が開示されているが、基本的な目標値が設定された後に補償が行われる点では他の上記従来例と同様である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２１１４２７号公報
【特許文献２】
特開平８−２９０７７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記電動パワーステアリング装置では、アシストテーブルに基づく目標値の設定に対して独立して（位相補償を除く）上記の各種補償が行われることにより、ステアリングホイールの操作性が悪化することがある。
【０００７】
すなわち、操舵トルクがアシストテーブルの不感帯領域内にあるため目標値が０となるべき場合（すなわち電動モータに電流が流れるべきではない場合）であっても、上記各種補償（において加算されるべき補償値）により目標値が０とはならず、頻繁に不要な操舵補助力が発生する。そのためステアリングホイールの操作がふらつき、操舵操作性が悪化する。
【０００８】
また、操舵トルクがアシストテーブルの不感帯領域とアシスト領域との境界近傍の値をとるときに上記補償が行われると、操舵トルクが不連続となるためステアリングホイールの操作において不連続感が生じ、操舵操作性が悪化する。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、各種補償により操舵操作の操作性が悪化することのない電動パワーステアリング装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記操舵トルクを検出するトルクセンサと、
前記電動モータに供給すべき電流の値を目標値として設定する目標値設定手段と、
前記電流目標値と前記電動モータに流れる電流との電流偏差に基づき、前記電動モータに対してフィードバック制御を行う制御手段と
を備え、
前記目標値設定手段は、
前記操舵トルクを補正する補償値を出力する補償手段と、
前記操舵トルクと前記補償値とを加算することにより得られる加算値を出力する加算手段と、
前記加算値に基づき前記電流目標値を設定するアシスト電流設定手段と
を含むことを特徴とする。
【００１１】
このような第１の発明によれば、補償手段は、アシスト電流設定手段の前段に設けられる。そのため、補償手段から出力される補償値が０でない場合であっても補正された操舵トルクがアシストテーブルの不感帯内の値をとる限り目標値は０となり、頻繁に不要な操舵補助力が発生することがない。よって、操舵操作の操作性を安定かつ良好に保つことができる。補償手段からの補償値を含む補正された操舵トルク（加算値）がアシスト電流設定手段に与えられる。そのため、補償のために補正された操舵トルクがアシストテーブルの不感帯領域とアシスト領域との境界近傍の値をとるときに上記補償が行われる場合であっても、アシストテーブルに応じた目標値が出力されるので、操舵操作において不連続感が生じず、操舵操作の操作性を良好に保つことができる。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、
前記補償手段は、前記操舵トルクに基づき位相補償を行う位相補償手段とは異なるものであって、
前記電動モータの慣性補償のための慣性補償値を設定する慣性補償手段と、
前記操作手段の収斂性を向上させるためのダンピング制御値を設定するダンパ制御手段と
の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
＜１．全体構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両構成と共に示した概略図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵のための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の回転角度である操舵角を検出する舵角センサ２と、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、この電動パワーステアリング装置が搭載される車両の車速を検出する車速センサ４と、ハンドル操作（操舵操作）による運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生させる電動モータ６と、そのモータ６の発生する操舵補助力をステアリングシャフト１０２に伝達する減速ギヤ７と、車載バッテリ８からイグニションスイッチ９を介して電源の供給を受け、舵角センサ２、トルクセンサ３、および車速センサ４からのセンサ信号に基づきモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。
【００１４】
ここで、ステアリングシャフト１０２において、ハンドル１００側の部分と、減速ギヤ７を介して操舵補助トルクの加えられる部分との間にはトーションバーが介装されている。トルクセンサ３は、そのトーションバーのねじれを検出することにより操舵トルクを検出する。このようにして検出された操舵トルクの検出値Ｔは、操舵トルク検出信号としてトルクセンサ３から出力され、ＥＣＵ５に入力される。また、舵角センサ２は、ハンドル１００の回転角度である舵角の検出値θを示す信号を舵角信号として出力する。さらに、車速センサ４は、車両の走行速度である車速の検出値Ｖを示す信号を車速信号として出力する。これらの舵角信号および車速信号もＥＣＵ５に入力される。
【００１５】
このような電動パワーステアリング装置を搭載した車両において運転者がハンドル１００を操作すると、その操作による操舵トルクがトルクセンサ３によって検出され、その操舵トルクの検出値Ｔと車速センサ４によって検出された車速の検出値Ｖとに基づいてＥＣＵ５によりモータ６が駆動される。これによりモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力が減速ギヤ７を介してステアリングシャフト１０２に加えられることにより、操舵操作による運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクと、モータ６の発生する操舵補助力によるトルクとの和が出力トルクとして、ステアリングシャフト１０２を介してラックピニオン機構１０４に与えられる。これによりピニオン軸が回転すると、その回転がラックピニオン機構１０４によってラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームから成る連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１０８の向きが変わる。
【００１６】
＜２．制御装置の構成および動作＞
図２は、上記電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵ５の機能的構成を示すブロック図である。このＥＣＵ５は、モータ制御部として機能するマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略記する）１０と、そのマイコン１０から出力される指令値Ｄに応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路１８と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じた電圧をモータ６に印加するモータ駆動回路２０と、モータ６に流れる電流を検出する電流検出器１９とから構成される。
【００１７】
マイコン１０は、その内部のメモリに格納された所定のプログラムを実行することにより、目標電流設定部１２と減算器１４とフィードバック制御演算部（以下「ＦＢ制御演算部」と略記する）１６とからなるモータ制御部として機能する。このモータ制御部において、目標電流設定部１２は、舵角センサ２から出力される舵角の検出値θ（以下、単に「舵角θ」という）と、トルクセンサ３から出力される操舵トルクの検出値Ｔ（以下、単に「操舵トルクＴ」という）と、車速センサ４から出力される車速の検出値Ｖ（以下、単に「車速Ｖ」という）とに基づき、モータ６に流すべき電流の目標値Ｉｔを決定する。この目標電流設定部１２の詳細な構成および動作については後述する。減算器１４は、この目標電流設定部１２から出力される電流目標値Ｉｔと電流検出器１９から出力されるモータ電流の検出値Ｉｓとの偏差Ｉｔ−Ｉｓを算出する。ＦＢ制御演算部１６は、この偏差Ｉｔ−Ｉｓに基づく比例積分制御演算によって、ＰＷＭ信号生成回路１８に与えるべきフィードバック制御のための上記指令値Ｄを生成する。
【００１８】
ＰＷＭ信号生成回路１８は、この指令値Ｄに応じたデューティ比のパルス信号、すなわち指令値Ｄに応じてパルス幅の変化するＰＷＭ信号を生成する。モータ駆動回路２０は、典型的にはバッテリ８の電源ラインと接地ラインとの間に接続される４個の電力用の電界効果型トランジスタからなるブリッジ回路であって、ＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比）に応じた電圧をモータ６に印加する。モータ６は、その電圧印加によって流れる電流に応じた大きさおよび方向のトルクを発生する。このように、電流目標値Ｉｔを受け取る減算器１４、ＦＢ制御演算部１６、ＰＷＭ信号生成回路１８、モータ駆動回路２０、およびモータ電流の検出値Ｉｓを減算器１４へ出力する電流検出器１９は、モータ６に対するフィードバック制御を行う制御手段を構成する。
【００１９】
＜３．目標電流設定部の詳細な構成および動作＞
図３は、本発明の一実施形態における目標電流設定部１２の構成を示すブロック図である。この目標電流設定部１２は、各種補償のために算出される補償トルク値Ｔｃを出力する補償部１２１と、補償トルク値Ｔｃと操舵トルクＴとを加算することにより上記補償のための補正された操舵トルクＴ’を出力する加算器１２３と、補正された上記操舵トルクＴ’を受け取り上記電流目標値Ｉｔを出力するアシスト電流設定部１２２とを含む。また、補償部１２１は、操舵トルクＴを受け取りその微分値ｄＴ／ｄｔを出力する微分器１２１１ａと、この微分値ｄＴ／ｄｔを受け取りモータ６の慣性モーメントの影響を抑制するための慣性補償トルク値Ｔｉを出力する慣性補償部１２１２と、舵角θを受け取りその微分値である操舵角速度ωを出力する微分器１２１１ｂと、この操舵角速度ωを受け取りステアリングホイール１００の収斂性を向上させるためのダンピング制御トルク値Ｔｄを出力するダンパ制御部１２１３と、慣性補償トルク値Ｔｉとダンピング制御トルク値Ｔｄとを加算することにより上記補償トルク値Ｔｃを出力する加算器１２１４とを含む。
【００２０】
ここで、上記操舵トルクＴは、所定のパラメータを有する位相進み等のフィルタからなる図示されない位相補償器を通すことにより位相補償が行われてもよい。ただし、位相補償は、前述のようにシステム全体の位相特性を改善するために設けられるものであって目標電流設定部１２と独立して補償を行うものではないため、上記補償部１２１には、この位相補償器は含まれないものとする。以下、目標電流設定部１２の各構成要素の動作について詳細に説明する。
【００２１】
慣性補償部１２１２は、微分器１２１１ａから出力される操舵トルクＴの微分値（ｄＴ／ｄｔ）に基づき慣性補償トルク値Ｔｉを算出する。具体的には、適切な慣性補償を行うための慣性補償トルク値Ｔｉと操舵トルクＴの微分値（ｄＴ／ｄｔ）との関係を示すテーブルまたは慣性補償トルク値Ｔｉを算出するための所定のゲインＫｊが慣性補償部１２１２に予め保持されており、慣性補償部１２１２は、このテーブルまたはゲインＫｊに基づき慣性補償トルク値Ｔｉを設定する。また、ダンパ制御部１２１３は、微分器１２１１ｂから出力される操舵角速度ωに基づきダンピング制御トルク値Ｔｄを出力する。このダンパ制御部１２１３も、慣性補償部１２１２と同様に、適切なダンパ制御を行うためのダンピング制御トルク値Ｔｄと操舵角速度ωとの関係を示すテーブルまたはダンピング制御トルク値Ｔｄを算出するための所定のゲインＫｃがダンパ制御部１２１３に予め保持されており、ダンパ制御部１２１３は、このテーブルまたはゲインＫｃに基づきダンピング制御トルク値Ｔｄを設定する。なお、これらのテーブルは、後述するアシストテーブルと同様に、車速Ｖをパラメータとして上記関係を示すテーブルであってもよい。以上のように設定される慣性補償トルク値Ｔｉおよびダンピング制御トルク値Ｔｄは、加算器１２１４により加算されて上記補償トルク値Ｔｃとして出力され、さらにこの補償トルク値Ｔｃと操舵トルクＴとが加算器１２３により加算されて補正された操舵トルクＴ’としてアシスト電流設定部１２２に与えられる。
【００２２】
アシスト電流設定部１２２は、補正された操舵トルクＴ’と車速Ｖとに基づき電流目標値を算出する。具体的には、適切な操舵補助力を発生させるためにモータ６に供給すべき電流目標値Ｉｔと補正された操舵トルクＴ’との関係を車速Ｖをパラメータとして示すアシストテーブルがアシスト電流設定部１２２に予め保持されており、アシスト電流設定部１２２は、このアシストテーブルを参照して電流目標値Ｉｔを設定する。図４は、このアシストテーブルの一例を示す図である。図４に示されるように、このアシストテーブルは、車速Ｖが小さいほど、また補正された操舵トルクＴ’が大きいほど電流目標値Ｉｔを大きくするように設定される。そうすれば、ハンドルが重いときほど操舵補助力が大きくなり、操舵操作が容易になる。また、このアシストテーブルは、補正された操舵トルクＴ’が０近傍の所定の範囲内にある場合には電流目標値Ｉｔが０となる不感帯を有しており、この不感帯以外の領域は電流目標値Ｉｔが０とならないためアシスト領域と呼ばれる。このように、補正された操舵トルクＴ’が不感帯内の値をとる場合には、補償トルク値Ｔｃが０でない場合であっても電流目標値Ｉｔが０となる。
【００２３】
＜４．効果＞
上記一実施形態によれば、補償部１２１は、アシスト電流設定部１２２の前段に設けられる。そのため、補償部１２１から出力される補償トルク値Ｔｃが０でない場合であっても補正された操舵トルクＴ’が不感帯内の値をとる限り電流目標値Ｉｔは０となり、頻繁に不要な操舵補助力が発生することがない。よって、ステアリングホイールの操作性を安定かつ良好に保つことができる。
【００２４】
また上記一実施形態によれば、補償部１２１からの補償トルク値Ｔｃを含む補正された操舵トルクＴ’がアシスト電流設定部１２２に与えられる。そのため、補償のために補正された操舵トルクＴ’がアシストテーブルの不感帯領域とアシスト領域との境界近傍の値をとるときに上記補償が行われる場合であっても、アシストテーブルに応じた目標電流値Ｉｔが出力されるので、ステアリングホイールの操作において不連続感が生じず、ステアリングホイールの操作性を良好に保つことができる。
【００２５】
＜５．変形例＞
上記一実施形態では、微分器１２１１ａは、慣性補償部１２１２に操舵トルクＴの微分値（ｄＴ／ｄｔ）を与える構成である。しかし、微分器１２１１ａは、微分器１２１１ｂからの操舵角速度ωを受け取りその微分値である操舵角加速度を慣性補償部１２１２に与え、慣性補償部１２１２はこの操舵角加速度に基づき慣性補償トルク値Ｔｉを出力してもよい。また、舵角センサ２に代えてステアリングホイールの操舵角速度ωを検出する操舵角速度センサが設けられ、さらに微分器１２１１ｂが省略され、操舵角速度センサからの操舵角速度ωがダンパ制御部１２１３に入力されてもよい。
【００２６】
上記一実施形態では、補償部１２１には、慣性補償部１２１２およびダンパ制御部１２１３が含まれるが、さらにステアリングホイールの戻り時の操作性を向上させるための戻し制御を行う戻し制御部など、電動パワーステアリング装置を含む車両の機械的要素に関連する補償や電気的要素に関連する公知の補償（例えばダイナミクス補償）を行う各種制御部が含まれていてもよい。ただし、補償部１２１は、制御系全体の位相特性を改善するための位相補償を含まないことについては前述したとおりである。
【００２７】
上記一実施形態では、マイコン１０が所定のプログラムを実行することにより、目標電流設定部１２における各種構成要素をソフトウェア的に実現するように構成したが、これらの構成要素の一部または全部は、専用の電子回路等によりハードウェア的に実現されてもよい。また、上記一実施形態では、電動モータ６はブラシ付きの一般的な直流モータであるが、本発明における駆動手段としての電動モータは、上記モータに限定されるものではなく、例えばブラシレスモータであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。
【図２】上記一実施形態に係る電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】上記一実施形態における目標電流設定部の構成を示すブロック図である。
【図４】上記一実施形態におけるアシスト電流設定部に予め保持されるアシストテーブルの一例を示す図である。
【符号の説明】
２ …舵角センサ
３ …トルクセンサ
４ …車速センサ
５ …電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６ …モータ
１０ …マイクロコンピュータ（モータ制御部）
１２ …目標電流設定部（目標値設定手段）
１４ …減算器
１６ …フィードバック制御演算部（ＦＢ制御演算部）
１８ …ＰＷＭ信号生成回路
１９ …電流検出器
２０ …モータ駆動回路
１２１ …補償部
１２２ …アシスト電流設定部
１２３，１２１４ …加算器
１２１１ａ，１２１１ｂ …微分器
１２１２ …慣性補償部
１２１３ …ダンパ制御部
Ｉｔ …電流目標値
Ｉｓ …電流検出値
Ｔｉ …慣性補償トルク値
Ｔｄ …ダンピング制御トルク値
Ｔｃ …補償トルク値
Ｖ …車速
Ｔ …操舵トルク
Ｔ’ …補正された操舵トルク
θ …舵角
ω …操舵角速度

Claims (2)

1. 車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
   前記操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   前記電動モータに供給すべき電流の値を目標値として設定する目標値設定手段と、
   前記電流目標値と前記電動モータに流れる電流との電流偏差に基づき、前記電動モータに対してフィードバック制御を行う制御手段と
   を備え、
   前記目標値設定手段は、
   前記操舵トルクを補正する補償値を出力する補償手段と、
   前記操舵トルクと前記補償値とを加算することにより得られる加算値を出力する加算手段と、
   前記加算値に基づき前記電流目標値を設定するアシスト電流設定手段と
   を含むことを特徴とする、電動パワーステアリング装置。
2. 前記補償手段は、前記操舵トルクに基づき位相補償を行う位相補償手段とは異なるものであって、
   前記電動モータの慣性補償のための慣性補償値を設定する慣性補償手段と、
   前記操作手段の収斂性を向上させるためのダンピング制御値を設定するダンパ制御手段と
   の少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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