JP2006298102A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置における操舵特性を適正化するための制御系の設計を簡単化する。
【解決手段】操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶し、車両の舵角に対応する舵角対応値θ_p とモータ出力補正値ｉ₁ との対応関係を補正特性として記憶する。操舵トルクとアシスト特性とから求めた基本アシストトルクを発生するのに要するモータ１０の出力を、舵角対応値θ_p と補正特性とから求めたモータ出力補正値ｉ₁ に応じて補正する。舵角対応値θ_p に対するモータ出力補正値ｉ₁ の周波数伝達関数（Ｋ₁ θ_p ＋Ｋ₂ θ_p ｓ＋Ｋ₃ θ_p ｓ² ）／（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）における分母が、車両のヨー運動の共振角周波数ω_o を含む項と車両のヨー運動の減衰比ζ_o を含む項とを有するように、その補正特性が定められている。
【選択図】図２

Description

本発明は、操舵補助力をモータによって付与する電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置においては、操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶し、舵角対応値とモータ出力補正値との対応関係を補正特性として記憶し、トルクセンサにより求めた操舵トルクに応じた基本アシストトルクを発生するのに要するモータ出力を、求めた舵角対応値に対応するモータ出力補正値に応じて補正することで、操舵特性を適正化することが図られている。例えば、戻し操舵状態においては切り込み操舵状態におけるよりも操舵補助力を大きくする戻し操舵制御、舵角変化速度に応じて操舵補助力を減衰させることでステアリングホイールの収斂性を向上するダンピング制御、操舵加速度に応じて操舵補助力を変化させることで操舵補助力発生用モータの慣性の影響を補償する慣性補償制御が行われている（特許文献１参照）。
特許第２９４９２９３号公報

操舵特性を適正化するための制御系の設計に際しては、電動パワーステアリング装置の特性だけでなく車両の特性も考慮する必要がある。しかし、電動パワーステアリング装置の特性と車両の特性は相互に複雑に影響するため、操舵特性を適正化するための制御系の設計は容易なものではなかった。本発明は、そのような問題を解決することのできる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明の電動パワーステアリング装置の特徴は、操舵補助力を発生するモータと、操舵トルクを求める手段と、操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶する手段と、車両の舵角に対応する舵角対応値を求める手段と、舵角対応値とモータ出力補正値との対応関係を補正特性として記憶する手段と、求めた操舵トルクと前記アシスト特性とに基づき求めた基本アシストトルクを発生するのに要するモータ出力を、求めた舵角対応値と前記補正特性とに基づき求めたモータ出力補正値に応じて補正する手段とを備え、舵角対応値に対するモータ出力補正値の周波数伝達関数における分母が、車両のヨー運動の共振角周波数を含む項と車両のヨー運動の減衰比を含む項とを有するように、前記補正特性が定められている点にある。
本発明における舵角対応値は、その変化量が舵角変化量に対応する値であればよく、例えば、ステアリングホイールやステアリングシャフトのようなドライバーの操舵操作を操舵用車輪に伝達する経路を構成する部材の作動量や、操舵補助力を発生するモータの出力軸の作動量とされる。補正特性は、例えば戻し操舵制御、ダンピング制御、慣性補償制御等により操舵特性を適正化できるよう設定されるものであればよい。
操舵補助力を発生するモータの出力の補正特性を、操舵特性が適正化されるように設定する上では、舵角変化による車両挙動の影響をできるだけ低減するのが好ましい。そのような舵角変化に対する車両挙動は、舵角変化により操舵用車輪に作用する軸力に基づき車両のヨー運動が生じることから、舵角対応値に対する操舵用車輪に作用する軸力対応値の周波数伝達関数により表すことができる。その軸力対応値は、例えば操舵用車輪に作用する軸力、車両のヨーレート、車両の横加速度とされる。そのような舵角対応値に対する操舵用車輪に作用する軸力対応値の周波数伝達関数における分母は、車両のヨー運動の共振角周波数を含む項と車両のヨー運動の減衰比を含む項とを有するように設定できる。
本発明においては、舵角対応値に対するモータ出力補正値の周波数伝達関数における分母を、車両のヨー運動の共振角周波数を含む項と車両のヨー運動の減衰比を含む項とを有するものとしているので、舵角対応値に対する操舵用車輪に作用する軸力対応値の周波数伝達関数における分母に一致するように設定できる。これにより、舵角変化による車両挙動が操舵補助力発生用モータの出力の補正特性に与える影響を、その舵角対応値に対するモータ出力補正値の周波数伝達関数における分子の項の係数を変化させるだけで低減でき、操舵特性を適正化するための制御系の設計を周波数応答を用いて容易に行うことができ、また、その分子における全ての項を操作できるので設計の自由度も増大する。

本発明において、舵角対応値に対するモータ出力補正値の周波数伝達関数における分子は、戻し操舵制御ゲインをＫ₁ 、ダンピング制御ゲインをＫ₂ 、慣性補償制御ゲインをＫ₃ 、舵角対応値をθ_p 、ラプラス演算子をｓとして、Ｋ₁ θ_p 、Ｋ₂ θ_p ｓ、およびＫ₃ θ_p ｓ² の中の少なくとも一つの項を含み、前記戻し操舵制御ゲインＫ₁ は、戻し操舵状態においては切り込み操舵状態におけるよりも操舵補助力が大きくなるように定められ、前記ダンピング制御ゲインＫ₂ は、舵角変化速度に応じて操舵補助力を減衰させるように定められ、前記慣性補償制御ゲインＫ₃ は、舵角変化加速度に応じて操舵補助力を変化させるように定められるのが好ましい。これにより、操舵特性を適正するための戻し操舵制御、ダンピング制御、慣性補償制御を行うための制御系の設計に本発明を適用できる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、操舵特性を適正化するための制御系の設計を簡単化できる。

図１に示す車両用電動パワーステアリング装置１は、操舵によるステアリングホイール２の回転を舵角が変化するように操舵用車輪３に伝達する機構を備える。本実施形態では、ステアリングホイール２の回転がステアリングシャフト４を介してピニオン５に伝達されることで、ピニオン５に噛み合うラック６が移動し、そのラック６の動きがタイロッド７やナックルアーム８を介して車輪３に伝達されることで舵角が変化する。

ドライバーの操舵によるステアリングホイール２の回転を車輪３に伝達する経路に作用する操舵補助力を発生するモータ１０が設けられている。本実施形態では、モータ１０の出力シャフトの回転を減速ギヤ機構１１を介してステアリングシャフト４に伝達することで操舵補助力を付与する。

モータ１０は駆動回路２１を介してコンピュータにより構成される制御装置２０に接続される。制御装置２０に、ステアリングホイール２の操舵トルクＴを求めるトルクセンサ２２、車両の舵角に対応する舵角対応値としてピニオン５の回転角θ_p を求める舵角センサ２３、車速Ｖを求める車速センサ２４、モータ１０の駆動電流ｉを求める電流センサ２６が接続される。

図２、図３は制御装置２０によるモータ１０の制御ブロック線図を示す。
図２に示すように、制御装置２０は、モータ１０の目標駆動電流ｉ^* を、基本アシスト電流ｉ_o とモータ出力補正値に対応する補正電流ｉ₁ との和として求める。目標駆動電流ｉ^* と求めた駆動電流ｉとの偏差を低減するようにモータ１０をフィードバック制御することでピニオン５の回転角θ_p を変化させ、これにより操舵補助力を付与する。

操舵トルクＴと基本アシストトルクに対応する値である基本アシスト電流ｉ_o との対応関係がアシスト特性として例えばテーブルや演算式により記憶され、求めた操舵トルクＴに対応する基本アシスト電流ｉ_o が演算部４１において演算される。操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉ_o との対応関係は、例えば図２の演算部４１に示すように、操舵トルクＴの大きさが大きくなる程に基本アシスト電流ｉ_o の大きさが大きくなるものとされる。操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉ_o の正負の符号は、右操舵時と左操舵時とで逆とされる。なお、操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉ_o との対応関係は車速Ｖに応じて変化するものでもよく、例えば車速Ｖが小さい時は大きい時よりも基本アシスト電流ｉ_o の大きさが大きくされる。

ピニオン５の回転角θ_p と補正電流ｉ₁ との対応関係が補正特性として例えばテーブルや演算式により記憶され、求めた回転角θ_p に対応する補正電流ｉ₁ が演算部４３において演算される。その補正特性は、回転角θ_p に対する補正電流ｉ₁ の周波数伝達関数Ｇ（ｓ）における分母が、車両のヨー運動の共振角周波数を含む項と車両のヨー運動の減衰比を含む項とを有するように定められている。

すなわち演算部４３は、図３のブロック線図に示すように、車両特性設定要素４３ａ、戻し操舵制御ゲイン設定要素４３ｂ、微分要素４３ｃ、二階微分要素４３ｄ、ダンピング制御ゲイン設定要素４３ｅ、慣性補償制御ゲイン設定要素４３ｆ、操舵判定要素４３ｇ、加算要素４３ｈを有する。

車両特性設定要素４３ａにおいては、回転角θ_p に対する補正電流ｉ₁ の周波数伝達関数における分母が設定される。本実施形態では、車両のヨー運動の共振角周波数をω_o 、車両のヨー運動の減衰比をζ_o 、ラプラス演算子をｓとして、その分母は（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）とされる。その共振角周波数ω_o と減衰比ζ_o は車速Ｖの関数であり、例えば以下の式（１）、式（２）により求められる。なお、式（１）、式（２）においてＬはホイルベース、ｍは車両質量、Ｌ_f は前輪と車両重心間距離、Ｌ_r は後輪と車両重心間距離、Ｉ_z は車両慣性モーメント、Ｋ_f は前輪コーナリングパワー、Ｋ_r は後輪コーナリングパワーである。

周波数伝達関数Ｇ（ｓ）における分子は、戻し操舵制御ゲインをＫ₁ 、ダンピング制御ゲインをＫ₂ 、慣性補償制御ゲインをＫ₃ として、Ｋ₁ θ_p 、Ｋ₂ θ_p ｓおよびＫ₃ θ_p ｓ² の項を含むものとされる。
戻し操舵制御ゲイン設定要素４３ｂにおいて戻し操舵制御ゲインＫ₁ が、戻し操舵状態においては切り込み操舵状態におけるよりも操舵補助力が大きくなるように正値として定められ、戻し操舵状態および保舵状態においては回転角θ_p の絶対値が大きい場合は小さい場合よりも操舵補助力が大きく設定される。戻し操舵状態での戻し操舵制御ゲインＫ₁ は、例えば図４に示すように車速Ｖが大きくなると大きくされる。戻し操舵状態か切り込み操舵状態かは操舵判定要素４３ｇにて判定される。本実施形態では、ピニオン５が右操舵位置にある時と左操舵位置にある時とで互いに逆とされる操舵トルクＴの正負の符号と、ステアリングホイール２の右回転時と左回転時とで互いに逆とされる回転角θ_p の変化速度の正負の符号が一致する場合は切り込み操舵状態、一致しない場合は戻し操舵状態と判定される。切り込み操舵状態においては、戻し操舵制御ゲイン設定要素４３ｂへの信号伝達経路の常閉スイッチ４３ｇ′が開かれ、戻し操舵制御ゲインＫ₁ は零とされる。これにより、Ｋ₁ θ_p ／（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）により定まる戻し操舵制御用補正電流ｉ_a が求められ、その補正電流ｉ_a は切り込み操舵状態において零となる。

ダンピング制御ゲイン設定要素４３ｅにおいてダンピング制御ゲインＫ₂ が、舵角変化速度に応じて操舵補助力を減衰させるように負値として定められ、微分要素４３ｃで求められる回転角θ_p の変化速度が大きい程に操舵補助力は低減される。ダンピング制御ゲインＫ₂ の絶対値は、例えば図５に示すように車速Ｖが大きくなると大きくされる。これにより、Ｋ₂ θ_p ｓ／（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）により定まるダンピング制御用補正電流ｉ_b が求められる。

慣性補償制御ゲイン設定要素４３ｆにおいて慣性補償制御ゲインＫ₃ が、舵角変化加速度に応じて操舵補助力を変化させるように正値として定められ、二階微分要素４３ｄにおいて求められる回転角θ_p の変化加速度が大きい程に操舵補助力は増大される。慣性補償制御ゲインＫ₃ は、例えば図６に示すように車速Ｖが大きくなると小さくされる。これにより、Ｋ₃ θ_p ｓ² ／（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）により定まる慣性補償制御用補正電流ｉ_c が求められる。

加算要素４３ｈにおいて各補正電流ｉ_a 、ｉ_b 、ｉ_c を加算することで補正電流ｉ₁ が求められる。これにより、周波数伝達関数Ｇ（ｓ）が本実施形態では以下の式により求められる。
Ｇ（ｓ）＝（Ｋ₁ θ_p ＋Ｋ₂ θ_p ｓ＋Ｋ₃ θ_p ｓ² ）／（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）

図２に示すように、制御装置２０は、加算部４５において求めた基本アシスト電流ｉ_o と補正電流ｉ₁ の和として目標駆動電流ｉ^* を求め、目標駆動電流ｉ^* と電流センサ２６により求めた駆動電流ｉとの偏差を低減するようにモータ１０をフィードバック制御することで、基本アシストトルクを発生するのに要するモータ１０の出力を補正電流ｉ₁ に応じて補正する。

モータ１０の出力の補正特性を操舵特性が適正化されるように設定する上では、舵角変化による車両挙動の影響をできるだけ低減するのが好ましい。そのような舵角変化に対する車両挙動は、舵角変化により操舵用車輪に作用する軸力に基づき車両にヨー運動が生じることから、回転角θ_p に対する操舵用車輪３に作用する軸力対応値の周波数伝達関数により表すことができる。回転角θ_p に対する操舵用車輪３に作用する軸力対応値の周波数伝達関数における分母は、車両のヨー運動の共振角周波数ω_o を含む項と車両のヨー運動の減衰比ζ_o を含む項とを有するように設定できる。上記実施形態においては、回転角θ_p に対する補正電流ｉ₁ の周波数伝達関数における分母を、車両のヨー運動の共振角周波数ω_o を含む項と減衰比ζ_o を含む項とを有するものとしているので、回転角θ_p に対する操舵用車輪３に作用する軸力対応値の周波数伝達関数における分母に一致するように設定できる。
その軸力対応値は、例えば車輪３に作用する軸力、車両のヨーレート、車両の横加速度とされ、いずれであっても回転角θ_p に対する周波数伝達関数を、分母が共振角周波数ω_o を含む項と減衰比ζ_o を含む項とを有する共通のものに設定できる。
例えば、回転角θ_p に対する操舵用車輪３に作用する軸力Ｆの周波数伝達関数は、ａ₀ 、ａ₁ 、ａ₂ を定数として以下の式により表すことができる。
Ｆ／θ_p ＝（ａ₂ ｓ² ＋ａ₁ ｓ＋ａ₀ ）／（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）
回転角θ_p に対する車両のヨーレートγの周波数伝達関数は、ｂ₀ 、ｂ₁ を定数として以下の式により表すことができる。
γ／θ_p ＝（ｂ₁ ｓ＋ｂ₀ ）／（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）
回転角θ_p に対する車両の横加速度Ｇ_Y の周波数伝達関数は、ｃ₀ 、ｃ₁ 、ｃ₂ を定数として以下の式により表すことができる。
Ｇ_Y ／θ_p ＝（ｃ₂ ｓ² ＋ｃ₁ ｓ＋ｃ₀ ）／（ｓ² ／ω_o ² ＋２ζ_o ｓ／ω_o ＋１）
これにより、舵角変化による車両挙動がモータ１０の出力の補正特性に与える影響を、周波数伝達関数Ｇ（ｓ）における分子の項の係数を変化させるだけで低減でき、操舵特性を適正化するための制御系の設計を周波数応答を用いて容易に行うことができ、また、その分子における全ての項を操作できるので設計の自由度も増大する。

図７は、１００ｋｍ／時で走行中の車両のステアリングホイール２の収斂性を表し、手放し状態でステアリングホイール２が直進位置に戻るまでの時間（秒）とステアリングホイール２の操作角（度）との関係の一例を示し、モータ１０の出力を補正する制御を行わない場合の特性を図中実線により示し、上記実施形態による制御を行う場合の特性を図中破線により示す。この図より、モータ１０の出力を補正する制御を行うことでステアリングホイール２の収斂性が向上することを確認できる。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、舵角対応値はピニオン５の回転角θ_p に限定されず、その変化量が舵角変化量に対応する値であればよく、ステアリングホイール２の回転角、モータ２０の出力軸回転角、ラック６の移動量等でもよい。また、上記実施形態の補正特性は戻し操舵制御、ダンピング制御、慣性補償制御が行われるように設定されたが、それら制御の中の少なくとも一つが行われるように設定されるように、周波数伝達関数Ｇ（ｓ）における分子がＫ₁ θ_p 、Ｋ₂ θ_p ｓ、およびＫ₃ θ_p ｓ² の中の少なくとも一つの項を含むものでもよいし、操舵特性を適正化するための別の制御が行われるものであってもよい。さらに、ステアリングホイールの回転を舵角が変化するように車輪に伝達する機構は実施形態に限定されず、ステアリングホイールの回転をステアリングシャフトからラックピニオン以外のリンク機構を介して車輪に伝達するようなものでもよい。また、操舵補助力発生用モータの出力の操舵系への伝達機構は操舵補助力を付与することができれば実施形態に限定されず、例えばラックと一体のボールスクリューにねじ合わされるボールナットをモータの出力により駆動することで操舵補助力を付与してもよい。

本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置の構成説明図 本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置における操舵補助力発生用モータの制御ブロック線図 本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置における補正電流を求めるための制御ブロック線図 本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置における戻し操舵制御ゲインＫ₁ と車速Ｖとの関係を示す図 本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置におけるダンピング制御ゲインＫ₂ と車速Ｖとの関係を示す図 本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置における慣性補償制御ゲインＫ₃ と車速Ｖとの関係を示す図 本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置におけるモータの出力補正の有無とステアリングホイールの操作角と時間との関係の一例を示す図

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
１０ モータ
２０ 制御装置
２２ トルクセンサ
２３ 舵角センサ

Claims (2)

1. 操舵補助力を発生するモータと、
   操舵トルクを求める手段と、
   操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶する手段と、
   車両の舵角に対応する舵角対応値を求める手段と、
   舵角対応値とモータ出力補正値との対応関係を補正特性として記憶する手段と、
   求めた操舵トルクと前記アシスト特性とに基づき求めた基本アシストトルクを発生するのに要するモータ出力を、求めた舵角対応値と前記補正特性とに基づき求めたモータ出力補正値に応じて補正する手段とを備え、
   舵角対応値に対するモータ出力補正値の周波数伝達関数における分母が、車両のヨー運動の共振角周波数を含む項と車両のヨー運動の減衰比を含む項とを有するように、前記補正特性が定められている電動パワーステアリング装置。
2. 舵角対応値に対するモータ出力補正値の周波数伝達関数における分子は、戻し操舵制御ゲインをＫ₁ 、ダンピング制御ゲインをＫ₂ 、慣性補償制御ゲインをＫ₃ 、舵角対応値をθ_p 、ラプラス演算子をｓとして、Ｋ₁ θ_p 、Ｋ₂ θ_p ｓ、およびＫ₃ θ_p ｓ² の中の少なくとも一つの項を含み、
   前記戻し操舵制御ゲインＫ₁ は、戻し操舵状態においては切り込み操舵状態におけるよりも操舵補助力が大きくなるように定められ、
   前記ダンピング制御ゲインＫ₂ は、舵角変化速度に応じて操舵補助力を減衰させるように定められ、
   前記慣性補償制御ゲインＫ₃ は、舵角変化加速度に応じて操舵補助力を変化させるように定められる請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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