JP2004276636A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク信号に対する位相補償処理を改良することによって、慣性補償制御の遅れを補填し、操舵フィーリングを改善する。
【解決手段】補正値演算部２７は、操作角加速度ｄω_ｈ／ｄｔに応じた補正値Ｉｃを定める。この補正値Ｉｃによって目標電流値Ｉａが補正されることで、慣性補償が行われる。トルクセンサ５が出力するトルク信号に対して、位相補償処理を施す位相補償処理部４０のゲインは、車速Ｖおよび操作角速度ω_ｈに応じて可変設定される。すなわち、速い操舵が行われて操作角速度ω_ｈが大きな値をとるときには、位相補償処理部４０のゲインが大きくなり、応答性が高められる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動モータが発生する駆動力をステアリング機構に伝達して操舵補助する構成の電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動モータの駆動力をステアリング機構に機械的に伝達することによって操舵補助する電動パワーステアリング装置が従来から用いられている。電動モータは、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクに応じて設定される目標電流値に基づいて制御され、これによって、操舵トルクに応じた操舵補助力がステアリング機構に与えられる。
【０００３】
しかし、電動モータを含む操舵系における可動部の慣性の影響のために、操舵速度が変化するときに操舵フィーリングが悪くなる。そこで、モータの回転角加速度や操舵トルクの微分値に基づいて目標電流値を補正することによって、いわゆる慣性補償制御を行うことが提案されている（特許文献１参照）。
モータ回転角速度は、モータ端子間電圧、モータ電流、モータ抵抗および逆起電力定数に基づいて推定することができるから、この推定されたモータ回転角速度を時間微分することによってモータ回転角加速度を得ることができる。
【０００４】
一方、低車速時に十分な操舵補助力を確保するとともに、高速走行時における操舵補助の応答性を確保するために、操舵トルクを検出するためのトルクセンサが出力するトルク信号には、位相補償が施される。この位相補償により、トルク信号のゲインおよび位相の遅れまたは進みが適切に定められ、良好な操舵フィーリングが実現される。
最近では、下記特許文献２に見られるように、ソフトウェア処理によって位相補償処理が実行されるようになってきている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２６９４２１３号公報
【特許文献２】
特開平８−９１２３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、モータ端子間電圧およびモータ電流等に基づいて推定されるモータ回転角速度は、操舵周波数が高いとき（操舵速度が速いとき）には、実際の操舵に対して、その位相がずれる。そのために、モータ回転角加速度に基づく慣性補償制御では、補償遅れが生じ、切り返し時の操舵負担が重くなる現象が生じていた。
【０００７】
この問題を解決するために、本願出願人は、先に提出された特願２００２−３１７９１２号において、モータ回転角速度と操舵トルク微分値とに基づいて、ステアリングホイールの回転に対応した操舵角加速度を求め、この操舵角加速度に基づく慣性補償制御を提案した。
しかし、この提案に係る慣性補償制御によって一定の効果が得られたものの、操舵周波数が高い領域では、完全には問題を解決できず、操舵フィーリングの改善の余地が残されていた。
【０００８】
一方、トルク信号に対して施される位相補償に関しては、慣性補償の観点からの位相補償はなされていない。本願発明者は、この点に着目し、トルク信号の位相補償処理を改良することで、慣性補償制御の問題点を克服できるのではないかと考えた。
そこで、この発明の目的は、トルク信号に対する位相補償処理を改良することによって、操舵フィーリングを改善した電動パワーステアリング装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、操作部材（１）に加えられた操舵トルクに応じて電動モータ（Ｍ）を制御し、この電動モータが発生する駆動力をステアリング機構（３）に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、上記操作部材に加えられる操舵トルクを検出してトルク信号を出力するトルクセンサ（５）と、上記操作部材の操作速度を検出する操作速度検出手段（２５）と、上記トルクセンサが出力するトルク信号に対して、位相補償処理を施す位相補償手段（４０）と、この位相補償手段の特性を、上記操作速度検出手段が検出する操作速度に基づいて変更する操作速度適応特性変更手段（４２）と、上記位相補償手段によって位相補償されたトルク信号に基づいて、上記電動モータの目標駆動値を設定する目標駆動値設定手段（２１）と、この目標駆動値設定手段が設定した目標駆動値に基づいて上記電動モータを駆動するモータ駆動手段（３３，３４，３０）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である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
【００１０】
この発明によれば、トルクセンサが出力するトルク信号に対して、操作速度に応じた位相補償処理が施され、この位相補償されたトルク信号に基づいて電動モータの目標駆動値が設定される。これにより、操作速度の大小に応じて目標駆動値が変動することになり、慣性補償制御等の応答遅れを補填して、良好な操舵フィーリングを実現することができる。すなわち、たとえば、操作速度が大きいほど、位相進みの多い位相補償特性となるように、位相補償手段の特性を変更すればよい。
【００１１】
操作速度検出手段は、電動モータの回転角速度を検出する回転角速度検出手段（２３）を含んでいてもよく、電動モータの回転角速度を操作速度に対応する値として用いてもよい。
上記電動パワーステアリング装置は、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の車速を検出する車速センサ（６）と、上記位相補償手段の特性を上記車速センサが出力する車速に基づいて変更する車速適応特性変更手段（４１）とをさらに含むことが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、車速に応じて、位相補償手段の特性を変更できるから、たとえば、停車時は、応答性が低い特性とし、走行時にはそれよりも応答性の高い特性とすることができる。さらに、上記車速適応特性変更手段は、車速が大きいほど、位相遅れの少ない（位相進みの多い）位相補償特性となるように上記位相補償手段の特性を変更するものであってもよい。
このようにして、車速に応じて適切な位相補償を行えるから、いずれの車速域においても、良好な操舵フィーリングが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この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電気的構成を示すブロック図である。操作部材としてのステアリングホイール１に加えられた操舵トルクは、ステアリングシャフト２を介して、ラック軸を含むステアリング機構３に機械的に伝達される。ステアリング機構３には、電動モータＭから操舵補助力が、ギヤ機構（減速機構）等の駆動力伝達機構を介して、またはダイレクトドライブ方式によって、機械的に伝達されるようになっている。
【００１４】
ステアリングシャフト２は、ステアリングホイール１側に結合された入力軸２Ａと、ステアリング機構３側に結合された出力軸２Ｂとに分割されていて、これらの入力軸２Ａおよび出力軸２Ｂは、トーションバー４によって互いに連結されている。トーションバー４は、操舵トルクに応じてねじれを生じるものであり、このねじれの方向および量は、トルクセンサ５によって検出されるようになっている。
【００１５】
トルクセンサ５は、たとえば、入力軸２Ａと出力軸２Ｂとの回転方向の位置関係の変化に応じて変化する磁気抵抗を検出する磁気式のもので構成されている。このトルクセンサ５の出力信号（トルク信号）は、コントローラ１０（ＥＣＵ：電子制御ユニット）に入力されている。
コントローラ１０には、さらに、当該電動パワーステアリング装置が搭載される車両の走行速度を検出する車速センサ６の出力信号が入力されている。
【００１６】
コントローラ１０は、マイクロコンピュータ２０と、このマイクロコンピュータ２０からの制御信号に基づいて電動モータＭを駆動するモータドライバ３０とを有している。コントローラ１０は、さらに、電動モータＭの端子間電圧を検出するモータ端子電圧検出部１１と、電動モータＭに流れる電流（モータ電流）を検出するモータ電流検出部１２とが備えられている。モータ端子電圧検出部１１およびモータ電流検出部１２の出力信号は、トルクセンサ５および車速センサ６の各出力信号とともに、マイクロコンピュータ２０に入力されている。
【００１７】
マイクロコンピュータ２０は、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクＴ、車速センサ６によって検出される車速Ｖ、およびモータ回転角速度ω_ｍ等に応じて、電動モータＭに与えるべき目標電流値を定め、操舵トルクＴ等に応じた操舵補助力がステアリング機構３に与えられるように、電動モータＭを駆動制御する。
マイクロコンピュータ２０は、プログラム処理を実行することによって実現される機能処理部である目標電流値設定部２１と、マイクロコンピュータ２０内のメモリの記憶領域により構成されるアシスト特性記憶部２２とを備えている。アシスト特性記憶部２２は、複数の車速域のそれぞれに対して予め定めた複数の基本アシスト特性にそれぞれ対応する複数の基本アシストマップを記憶している。基本アシスト特性は、操舵トルクに対する目標電流値の基本特性を定めたものであり、複数の操舵トルクの値に対応付けて、目標電流値の基本値がアシストマップ（テーブル）の形式でアシスト特性記憶部２２に記憶されている。
【００１８】
マイクロコンピュータ２０は、さらに、機能処理部として、モータ端子電圧検出部１１によって検出されるモータ端子間電圧Ｖｍと、モータ電流検出部１２によって検出されるモータ電流Ｉｍとに基づき、次式に従ってモータ回転角速度ω_ｍを推定演算するモータ回転角速度演算部２３を備えている。
【００１９】
【数１】

【００２０】
ただし、Ｒｍはモータ抵抗であり、Ｋは逆起電圧定数である。
マイクロコンピュータ２０は、また、機能処理部として、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクＴを時間微分することによってトルク微分値ｄＴ／ｄｔを演算するトルク微分値演算部２４と、このトルク微分値ｄＴ／ｄｔとモータ回転角速度ω_ｍとを用い、次式に従ってステアリングホイール１の操作角速度ω_ｈを推定する操作角速度演算部２５とを備えている。
【００２１】
【数２】

【００２２】
ただし、Ｋはトーションバー４の捩じり剛性に対応する定数であり、Ｎはステアリングシャフト２Ｂの回転角速度に対する電動モータＭの回転角速度の比（すなわち減速比）を表わす定数であり、αは定数であって、たとえばα＝１である。
マイクロコンピュータ２０は、さらに、機能処理部として、操作角速度演算部２５によって求められた操作角速度ω_ｈを時間微分して操作角加速度ｄω_ｈ／ｄｔを求める操作角加速度演算部２６と、この操作角加速度演算部２６により求められた操作角加速度ｄω_ｈ／ｄｔに基づき、電動モータＭを含む操舵系の可動部の慣性を補償するための補正値を求める補正値演算部２７とを備えている。
【００２３】
マイクロコンピュータ２０は、また、機能処理部として、トルクセンサ５が出力するトルク信号に対して位相補償処理を施す位相補償処理部４０と、この位相補償処理部４０に対して車速Ｖに対応したゲインを設定する車速適応ゲイン設定部４１と、上記位相補償処理部４０に対して操作角速度ω_ｈに対応したゲインを設定する操作角速度適応ゲイン設定部４２と、位相補償処理部４０の出力を所定の上限値と下限値との間の値に制限するリミッタ４３とを備えている。このリミッタ４３から出力されるトルク信号に基づき、目標電流値設定部２１によって目標電流値Ｉａが設定される。
【００２４】
補正値演算部２７によって求められた補正値Ｉｃは、加算部３２において、目標電流値設定部２１によって設定される目標電流値Ｉａに加算され、これにより、補正後の目標電流値Ｉａ＋Ｉｃが求められる。この補正後の目標電流値Ｉａ＋Ｉｃと、モータ電流検出部１２によって検出されるモータ電流Ｉｍとの偏差が偏差演算部３３によって求められ、この偏差演算部３３によって求められた偏差に基づいて、モータドライバ３０に与えるべき制御信号（たとえば、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号）が、制御信号生成部３４によって生成されるようになっている。
【００２５】
図２は、アシスト特性記憶部２２に記憶されたアシスト特性の一例を示す図である。アシスト特性は、操舵トルクＴの大きさが大きくなるほど目標電流値Ｉａの大きさが大きくなるように定められ、また車速Ｖが低速になるほど目標電流値Ｉａの大きさが大きくなるように定められる。たとえば、操舵トルクＴが正の値（右方向操舵に相当する。）をとるときには目標電流値Ｉａも正の値とされ、操舵トルクＴが負の値（左方向操舵に相当する。）をとるときには目標電流値Ｉａも正の値とされる。
【００２６】
図３は、補正値演算部２７の働きを説明するための図であり、操作角加速度ｄω_ｈ／ｄｔに対する補正値Ｉｃの関係が示されている。この例では、操作角加速度ｄω_ｈ／ｄｔの大きさが大きくなるほど、補正値Ｉｃの大きさが大きくなるように両者の関係が定められている。補正値演算部２７は、図３に示された関係をマップ（テーブル）の形式で記憶したメモリを含んでいてもよいし、図３に示された関係を表わす演算式に基づいて、操作角加速度ｄω_ｈ／ｄｔに対応する補正値Ｉｃを演算するものであってもよい。
【００２７】
図４（ａ）（ｂ）は、位相補償特性の一例を示す図である。図４（ａ）には、トルク信号の周波数に対するゲインの特性が示されており、図４（ｂ）には、トルク信号の周波数に対する位相の特性が示されている。曲線Ｌ０，Ｌ１０は、停車時または極低速時（たとえば、車速が０〜５ｋｍ／ｈのとき）のゲイン特性および位相特性をそれぞれ示す。これに対して、曲線Ｌ１，Ｌ１１は、走行時（たとえば、車速が２０ｋｍ／ｈ以上）のときのゲイン特性および位相特性をそれぞれ示す。
【００２８】
ステアリング機構を構成するメカ系との共振に起因する顕著な振動または異音を回避するために、曲線Ｌ０に見られるように、とくに大きな操舵トルクがかかる停車時または極低速時には、所定の共振周波数ｆｒの付近におけるゲインが、可能な限り小さく抑えられている。
位相補償処理部４０は、車速適応ゲイン設定部４１および操作角速度適応ゲイン設定部４２によって、そのゲインを可変設定できるようになっている。このゲインを可変設定することにより、位相遅れまたは位相進みも、併せて、そのゲインに対応した特性に設定される。
【００２９】
図５は、車速適応ゲイン設定部４１によって設定される車速適応ゲインの特性の一例を示す図である。車速適応ゲインは、車両が停車している時または極低速域（たとえば、０≦Ｖ≦５ｋｍ／ｈ）においては、所定の下限値（たとえば「１」）に保持され、この極低速域から所定の車速閾値Ｖｔｈ（たとえば、２０ｋｍ／ｈ）の車速域においては、車速Ｖが大きくなるに従って所定値の上限値（たとえば、「２」）まで単調に（たとえばリニアに）増加する。車速閾値Ｖｔｈ以上の車速域においては、車速適応ゲインは上記上限値に保持される。
【００３０】
車速適応ゲイン設定部４１は、図５に示す特性に対応したマップ（テーブル）を記憶したメモリによって構成することもでき、また、図５に示す特性を表す演算を実行することによって車速Ｖに応じたゲインを求める構成によって実現することもできる。
図６は、操作角速度適応ゲイン設定部４２によって設定される操作角速度適応ゲインの特性の一例を示す図である。操作角速度適応ゲインは、操作角速度ω_ｈが大きくなるほど大きくなるように、所定の下限値（たとえば「１」）と所定の上限値（たとえば「２」）との間で定められる。より具体的には、操作角速度ω_ｈが零のときには、操作角速度適応ゲインは下限値とされ、操作角速度ω_ｈが大きくなるに従って、単調に（たとえばリニアに）増加するように設定される。
【００３１】
位相補償処理部４０は、たとえば、車速適応ゲイン設定部４１および操作角速度適応ゲイン設定部４２によって設定された各ゲインの積（合成ゲイン）に基づいて、その位相補償特性が変動するようになっている。
操作角速度適応ゲイン設定部４２は、図６に示す特性に対応したマップ（テーブル）を記憶したメモリによって構成することもでき、また、図６に示す特性を表す演算を実行することによって操作角速度ω_ｈに応じたゲインを求める構成によって実現することもできる。
【００３２】
図６の特性のゲインを位相補償処理部４０に設定することによって、操作角速度ω_ｈが大きいほど、位相補償処理部４０のゲインが高められ、トルク信号の位相が進められる。これにより、操作角速度ω_ｈが大きいほど、応答性が高められるので、補正値Ｉｃに基づく慣性補償制御に多少の遅れが生じても、この遅れをトルク信号の位相を進めることによって補填することができる。
このようにして、操舵周波数が高い場合（操作角速度ω_ｈが大きい場合）であっても、慣性補償制御の遅れに起因して操舵負担が増加することがないから、切り返し操舵時における操舵フィーリングを改善することができる。
【００３３】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、上記の実施形態では、モータ端子間電圧Ｖｍおよびモータ電流Ｉｍ等に基づいてモータ回転角速度ω_ｍが推定され、これとトルク微分値ｄＴ／ｄｔとに基づいて操作角加速度ｄω_ｈ／ｄｔを求める構成が採用されているが、たとえば、ステアリングシャフト２Ａの回転角を検出するセンサ（舵角センサ）を設け、このセンサの出力を時間微分することによって操作角速度ω_ｈを求める構成としてもよい。
【００３４】
さらに、上記の実施形態では、アシスト特性記憶部２２に、基本アシスト特性に対応するアシストマップを記憶させておいて、このアシストマップから目標電流値Ｉａを読み出す構成とされているが、関数演算によって、操舵トルクＴに対応した目標電流値Ｉａを定める構成としてもよい。
また、上記の実施形態では、目標電流値をモータ駆動目標値とし、操舵トルクに対する目標電流値の特性をアシスト特性として説明したが、本発明はこれに限らず、アシストトルク目標値またはモータ電圧目標値をモータ駆動目標値とし、操舵トルクとこれらとの関係をアシスト特性としてもよい。
【００３５】
また、モータ回転角速度ω_ｍを、操作速度対応値として、直接、位相補償処理部４０のゲイン設定に用いてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この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電気的構成を示すブロック図である。
【図２】アシスト特性の一例を示す図である。
【図３】操作角加速度に対する補正値の関係の一例を示す図である。
【図４】位相補償特性の一例を示す図である。
【図５】車速適応ゲインの特性の一例を示す図である。
【図６】操作角速度適応ゲインの特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３ ステアリング機構
４ トーションバー
５ トルクセンサ
６ 車速センサ
１０ コントローラ
１１ モータ端子電圧検出部
１２ モータ電流検出部
２０ マイクロコンピュータ
２１ 目標電流値設定部
２２ アシスト特性記憶部
２３ モータ回転角速度演算部
２４ トルク微分値演算部
２５ 操作角速度演算部
２６ 操作角加速度演算部
２７ 補正値演算部
３０ モータドライバ
３２ 加算部
３３ 偏差演算部
３４ 制御信号生成部
４０ 位相補償処理部
４１ 車速適応ゲイン設定部
４２ 操作角速度適応ゲイン設定部
４３ リミッタ
Ｍ 電動モータ

Claims (1)

1. 操作部材に加えられた操舵トルクに応じて電動モータを制御し、この電動モータが発生する駆動力をステアリング機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   上記操作部材に加えられる操舵トルクを検出してトルク信号を出力するトルクセンサと、
   上記操作部材の操作速度を検出する操作速度検出手段と、
   上記トルクセンサが出力するトルク信号に対して、位相補償処理を施す位相補償手段と、
   この位相補償手段の特性を、上記操作速度検出手段が検出する操作速度に基づいて変更する操作速度適応特性変更手段と、
   上記位相補償手段によって位相補償されたトルク信号に基づいて、上記電動モータの目標駆動値を設定する目標駆動値設定手段と、
   この目標駆動値設定手段が設定した目標駆動値に基づいて上記電動モータを駆動するモータ駆動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。

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