JP2007106283A - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

電動パワーステアリング装置の制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】新たに外部からの信号を必要とすることなく中立点を高精度に推定することができ、同時に絶対角の算出が可能な電動パワーステアリング装置の制御装置を提供する。
【解決手段】トルク制御部で演算された電流指令値でステアリング機構にアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置の制御装置において、モータ角を検出するモータ角センサと、ステアリングシャフトに印加される操舵トルクを検出するトルクセンサと、モータ角センサの出力よりステアリングの相対舵角を検出する相対舵角検出部と、モータの角速度を求める舵角速度検出部と、車速を判定する車速判定部とを具備し、舵角速度、操舵トルク及び車速に基づいて車両の直進走行の判定を行い、直進走行が所定時間以上継続したときの相対舵角を中立点とみなして演算を行う中立点演算部と、中立点演算部で得られた中立点を相対舵角との差分で絶対舵角の演算を行う絶対舵角演算部とを設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、操舵トルク及び車速に基づいてステアリングのアシスト量を制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置の改良に関し、特に操舵補助電流指令値の演算や補償等に利用される舵角利用機能を有し、絶対舵角を推定するアルゴリズム機能を具備した電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。
自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢(アシスト)する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を、減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助負荷付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク(操舵補助トルク)を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM(パルス幅変調)制御のデュ−ティ比の調整で行っている。
ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図7に示して説明すると、操向ハンドル1のステアリングシャフト(コラム軸)2は減速ギア3、ユニバーサルジョイント4A及び4B、ピニオンラック機構5を経て操向車輪のタイロッド6に連結されている。ステアリングシャフト2には、操向ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ10が設けられており、操向ハンドル1の操舵力を補助(アシスト)するモータ20が減速ギア3を介してステアリングシャフト2に連結されている。パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット30には、バッテリ14から電力が供給されると共に、イグニションキー11からイグニションキー信号が入力されている。また、モータ20には、モータ角を検出するためのモータ角センサ110が配設されており、モータ角センサ110からのモータ角θsはコントロールユニット30に入力される。コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクTと車速センサ12で検出された車速Vとに基づいてアシスト指令の操舵補助指令値Iの演算を行い、演算された操舵補助指令値Iに基づいてモータ20に供給する電流を制御する。
コントロールユニット30は主としてCPU(MPUも含む)で構成されるが、そのCPU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図8のようになる。例えば位相補償器31は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、CPUで実行される位相補償機能を示している。
コントロールユニット30の機能及び動作を図8に基づいて説明すると、トルクセンサ10で検出されて入力される操舵トルクTは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器31で位相補償され、位相補償された操舵トルクTAが操舵補助指令値演算器32に入力される。また、車速センサ12で検出された車速Vも操舵補助指令値演算器32に入力される。更に、モータ角センサ110から出力されるモータ角θsが舵角利用機能部100に入力される。
操舵補助指令値演算器32は、入力された操舵トルクTA及び車速Vに基づいてモータ20に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Iを決定する。操舵補助指令値Iは減算器30Aに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器34に入力され、減算器30Aの偏差(I−i)は比例演算器35に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算器36に入力される。微分補償器34の出力と共に、比例演算器35及び積分演算器36の出力並びに舵角利用機能部100の出力も加算器30Bに加算入力され、加算器30Bでの加算結果である電流制御値Eが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路37に入力され、モータ20が駆動される。モータ20の電流iはモータ電流検出回路38で検出され、減算器30Aにフィードバックされる。
このような電動パワーステアリング装置において、適正なアシスト制御を行うために、絶対値の絶対舵角を検出若しくは推定する必要がある。そのため、特開2003−276635(特許文献1)ではモータの角度信号を用いて相対舵角を算出し、直進走行の判定を各車輪速及び操舵トルクを用いて行い、直進走行と判断された時のハンドルの相対舵角を中立点として推定し、推定された中立点から絶対舵角を算出するようにしている。即ち、特許文献1では、モータの回転角を検出するモータ回転角検出手段と、車両の車輪の回転速度に基づいて、ステアリング機構の中立点位置を検出する中立点位置検出手段と、この中立点位置検出手段によって検出された中立点位置及び前記モータ回転角検出手段によって検出される回転角に基づいて、ステアリング機構の絶対舵角を検出する絶対舵角検出手段とを設けている。
特開2003−276635
しかしながら、上記特許文献1に開示されている電動パワーステアリング装置では絶対舵角検出手段を設け、直進走行の判定に車輪速差を利用しているため、車輪速センサが必要であり、車輪速センサが装着されていない車両には適用できない問題がある。
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、モータ角センサからハンドルの相対舵角、舵角速度又はモータ角速度を算出することにより、新たに外部からの信号を必要とすることなく中立点(中立位置)を高精度に推定することができ、同時に絶対角の算出が可能な電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。
本発明は、トルク制御部で演算された電流指令値で電流制御部を介してモータを駆動し、前記モータの駆動によってステアリング機構にアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、モータ角を検出するモータ角センサと、ステアリングシャフトに印加される操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記モータ角センサの出力よりステアリングの相対舵角θrを検出する相対舵角検出部と、前記モータの角速度を求める舵角速度検出部と、車速を判定する車速判定部とを設け、前記舵角速度、操舵トルク及び車速に基づいて車両の直進走行の判定を行い、前記直進走行が所定時間以上継続したときの前記相対舵角θrを中立点とみなして演算を行う中立点演算部と、前記中立点演算部で得られた中立点を前記相対舵角θrとの差分で絶対舵角の演算を行う絶対舵角演算部とを具備することにより達成される。
本発明の上記目的は、前記中立点演算部は、前記直進走行を判定している条件下で直進走行継続時間が第1スレッショルド以上となると、前記車速及び直進走行継続時間に従って大きくなる信頼度係数を設定し、前回補正した中立点角度θk−1と前記相対舵角θrとの偏差に前記信頼度係数Dを乗じた値D(θr−θk−1)を前回補正した前記中立点角度θk−1に加算して新たな中立点角度θとすることにより、或いは前記信頼度係数Dを積分した推定値信頼度係数を設定し、前記推定値信頼度係数が第2スレッショルド以上になったときに、前記信頼度係数Dを減少させて前記中立点角度θの補正変位を少なくすることにより、或いは前記直進走行判定に車輪回転速度を加えて行うことにより、より効果的に達成される。
本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、絶対舵角演算のためのアルゴリズムを使用すると共に、直進判定に舵角速度を用いており、更にトルクセンサと車速センサを用いることにより、高精度の中立点の推定が可能となる。また、直進走行の判定に車輪回転速度を加えることにより、より早く確実な推定を行いことが可能となる。
本発明では、モータ角センサから得られるモータ角により減速部のギア比を考慮してハンドルの相対舵角を算出し、得られた相対舵角に基づいて中立点の推定を行う。また、本発明では直進走行の判定に車速、操舵トルク、舵角速度を用いており、直進走行と判断できる条件を満たしかつその状態が所定時間継続したときに直進走行であると判定し、そのときの相対舵角を基に中立点を推定する。さらに直進信頼度係数を設定し、信頼度係数に応じた推定をすることにより、より高精度でかつ早い中立点推定を可能にすると共に、得られた中立点から相対舵角を差分することにより絶対舵角の算出を行う。求められた絶対舵角と、信頼度係数から求めた推定値信頼度係数とからハンドル戻し制御等の舵角利用機能を正確に動作させている。
以下に本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施例を示しており、電動パワーステアリング装置はモータ角を検出するモータ角センサ110と、ステアリングシャフトに印加される操舵トルクを検出するトルクセンサ111と、車両の車速を検出する車速センサ112とが設けられている。モータ角センサ110からのモータ角θsは相対舵角検出部101及び舵角速度検出部102に入力され、トルクセンサ111からの操舵トルクT及び車速センサ112からの車速Vは直進判定部200に入力される。なお、車両によっては加速度センサが搭載されており、前後方向に対する加速度加速度信号が得られるので、CAN(controller area network)経由等で取得して積分することによって速度Vを得ることも可能である。
相対舵角検出部101はモータ角θsに基づきギア比を考慮してステアリングの相対舵角θrを検出し、舵角速度検出部102はモータ角θsを微分してギア比を考慮して舵角速度ωを検出する。舵角速度検出部102で検出された舵角速度ωは直進判定部200に入力され、直進判定部200で演算された直進判定信号Niは絶対舵角演算部104に入力される。また、舵角速度ωは、モータ角速度そのままでも良い。
相対舵角検出部102は、イグニションキーがONになりモータ角センサ110からモータ角θsの出力が開始されてから、モータ角θsを積算してギア比を考慮し操向ハンドルの相対舵角θrの検出を行い、舵角速度検出部102は舵角速度ωの検出を行う。絶対舵角演算部104は相対舵角θr及び直進判定信号Niに基づいて絶対舵角θa及び推定値信頼度係数Diを検出する。絶対舵角θa及び推定値信頼度係数Diを入力する舵角利用機能部100は、舵角を利用したハンドル戻し制御や車両挙動に合わせた舵角調整機能などを行う。
直進判定部200は、舵角速度ωと操舵トルクTrが中立であると判断されるスレッショルド以下であり、セルフアライニングトルク(SAT)が作用する車速V以上の状態が一定時間(t)以上継続した時に、直進走行と判断する機能を有している。
絶対舵角演算部104は中立点角度の推定と下記数1の演算を実行することで、絶対舵角を算出する。
(数1)
絶対舵角=相対舵角−推定中立点角度

絶対舵角演算部104で算出された絶対舵角θaは舵角利用機能部100で使用されるが、推定値信頼度係数Diは次のような意義を有している。即ち、本発明での絶対舵角θaは車両情報から推定されているため、推定初期段階と推定が十分行われた後とでは、精度に対する信頼が異なる。絶対舵角θaを利用する機能によっては、十分な推定がなされる前は機能の効果を低減させておく方が安全な場合がある。このような機能のため、推定値の信頼度係数を与え、それに応じた制御ができるようにしている。例えばハンドル戻し制御の出力では、推定値信頼度係数Diが低いときは小さく、高いときは大きくする。
直進判定部200の詳細を図2及び図3を参照して説明する
図2において、先ず入力された操舵トルクT及び車速Vは、それぞれローパスフィルタ(LPF)201及び203に入力される。また、モータ角θsは舵角速度検出部102に入力されると共に、相対舵角検出部101及びローパスフィルタ204を経て中立点角度補正手段240に入力される。なお、ローパスフィルタ201〜204は必須の要素ではない。
次に、操舵トルクT、モータ角速度ω、車速Vがそれぞれ基準値Tth、基準値ωth、基準値Vthとそれぞれ比較器210,211,212で大小比較され、各大小の比較結果のAND条件により直進判定を実行し、直進判定の場合に直進信号Stを出力する。
ローパスフィルタ201を介した操舵トルクTは比較器210に入力され、比較器210は、操舵トルクTと設定器213が示す基準値Tthとを比較した結果を出力する。つまり、操舵トルクTが基準値Tthより小さい場合は直進している場合が多く、例えば論理値「1」を出力する。モータ角速度ωはローパスフィルタ202を経て比較器211に入力され、比較器211は、モータ角速度ωと設定器214が示す基準値ωthとを比較した結果を出力する。つまり、モータ角速度ωが基準値ωthより小さい場合は直進している場合が多く、論理値「1」を出力する。また、ローパスフィルタ203を介した車速Vは比較器212に入力され、比較器212は、車速Vと設定器215が示す基準値Vthとを比較した結果を出力する。つまり、車速Vが基準値Vthより速い場合は直進している場合が多く、論理値「1」を出力する。
そして、比較器210〜212の全出力のAND条件をAND回路220でとって、総合的に判断した結果の直進信号Stを出力する。即ち、比較器210〜212の出力が全て論理値「1」の場合を直進と判定して論理値「1」の直進信号Stを出力し、それ以外は直進でないとして論理値「0」の直進信号Stを出力する。
直進信号Stは比較器221に入力され、比較器221は、直進信号Stの論理値「1」が設定器222が示す継続判定時間t0以上継続したときに直進継続の判定を行い、直進継続信号Scを出力する。直進継続信号Scは中立角度補正手段240に入力される。
次に、中立点角度補正手段240について図3を参照して説明する。先ず、中立点角度補正手段240には、相対舵角検出部101を経たローパスフィルタ204の出力である相対舵角θrと、ローパスフィルタ203の出力である車速Vと、比較器221からの直進継続信号Scとが入力される。しかし、中立角度補正は、車輌が直進しているとの条件の下に実施する必要がある。従って、その条件を課すためのスイッチ241がローパスフィルタ204と減算部244との間、スイッチ242がローパスフィルタ203とDvテーブル243との間に配されている。そして、スイッチ241及び242は、直進継続信号Scが存在する間だけ閉じられるようになっている。
中立点舵角の推定は下記数2に基づいて行われ、中立点角度補正手段240は下記数2を実行している。
(数2)
θ=(θr−θk−1)・D+θk−1

ここで、θk−1は前回推定正した中立点角度であり、θkは今回推定した後の新たな中立点角度である。また、Dは信頼度係数であり、基本的には車速Vが速いほど大きくなる係数である。
次に中立点角度補正を、図3を参照して説明する。スイッチ242を介して入力された車速Vが、Dvテーブル243に入力される。Dvテーブルとは、車速Vが速いほど大きくなる信頼度基本係数Dvから構成されており、基本的にはこの信頼度基本係数Dvが大きいほど信頼度係数Dも大きくなる。ここで、Dvテーブルの一例を図4に示す。
Dvテーブル243に車速Vが入力されると、図4の関数に従って信頼度基本係数Dvが出力される。出力された信頼度基本係数Dvは加算器250の加算値の1つとして入力される。加算器250の出力はリミッタ251に入力され、リミッタ251の出力、即ち信頼度係数Dが設定値以内に収まるように制御される。リミッタ251の出力である信頼度係数Dは遅延器252(Z−1)に入力され、遅延器252の出力にゲイン(253)Dtが乗算され、乗算結果が加算器250に入力されてDvテーブル243からの信頼度基本係数Dvと加算器250で加算される。このように車速Vに関する信頼度基本係数Dvが積算されて、信頼度係数Dが算出される。また、信頼度係数Dは乗算器245にも入力される。
中立点角度補正手段240に入力された相対舵角θrは減算器244に入力され、減算器244には遅延器247の出力である前回推定した中立点角度θk−1が入力される。よって、減算器244の出力は、偏差(θr−θk−1)となる。減算器244からの偏差とリミッタ251からの信頼度係数Dとが乗算器245において乗算され、乗算器245から乗算値D・(θr−θk−1)が出力される。そして、乗算器245から出力されたD・(θr−θk−1)は加算器246に入力され、遅延器247の出力である前回推定した中立点角度θk−1と加算され、演算結果として{D・(θr−θk−1)+θk−1}が出力される。この出力値が、推定された新たな中立点角度θは下記数3となる。
(数3)
θ=D・(θr−θk−1)+θk−1

この中立点角度θが中立点角度補正手段240の出力となる。
演算D・(θr−θk−1)による積算は、直進継続信号Scが存在する時だけ、つまり直進継続の間だけ実施される。また、直進継続信号Scが無くなると、継続時間tは“0”にリセットされる。また、直進継続信号Scが無くなると、演算結果の中立点角度θはRAM等の記憶手段に記憶されて、次回再び直進継続信号Scが出力されて、中立点角度補正手段240の演算を開始するときのオフセット初期値θk−1として用いられる。
上述のように、直進判定部200では直進判定と判断された時の相対舵角を中立点とみなし演算を行うが、中立点角度の算出方法として前回補正した中立角度θk−1と新たに取得した相対舵角θrにより検出された偏差(θr−θk−1)に、信頼度係数D(V、t)を乗じた値D・(θr−θk−1)を算出する。そこに、前回中立点角度θk−1を加算して新たな中立点角度θを数3に従って算出する。
信頼度係数D(V、t)は直進継続時間(t)がスレッショルド以上となると、車速Vに依存した車速信頼度Dvを継続時間で積算することにより算出される。高速走行で条件に入った際の相対舵角は信頼の出来る値であると考えられるため、車速信頼度Dvを高く設定することにより信頼度係数Dが高くなり、また、継続時間が長いほど信頼度係数Dが高くなり、相対舵角が即座に中立点角度へ反映される。
また、推定が開始された初期の値は誤推定の可能性があるので、推定が一定時間以上継続するまでは舵角を利用する機能が機能しないように、信頼度係数Dの値を積分した推定値信頼度係数Destを推定値の信頼度として設定する。推定値信頼度係数Destがスレッショルド以上になると中立点の精度が向上したと判定し、その後、中立点角度が急変しないように信頼度係数Dの値を一定の割合で小さくする。また、推定値信頼度係数Destは絶対舵角を使用する機能の動作条件やゲイン用としてモジュール外に出力する。
上述の動作は図5に示すフローチャートに従って実行される。即ち、相対舵角θr、舵角速度ω、操舵トルクT及び車速Vを取得し(ステップS1)、車速Vが車速スレッショルドVthより大きいか否かを判定し(ステップS2)、車速Vが車速スレッショルドVth以下であれば中立点位置及び推定値信頼度を決め、前回値を保持して直進信頼度をリセットする(ステップS8)。上記ステップS2で車速Vが車速スレッショルドVthより大きい場合には、操舵トルクTの絶対値|T|がスレッショルドTthよりも小さいか否かを判定し(ステップS3)、操舵トルクTの絶対値|T|がスレッショルドTth以上の場合には上記ステップS8に進み、操舵トルクTの絶対値|T|がスレッショルドTthよりも小さい場合には、更に舵角速度ωの絶対値|ω|がスレッショルドωthよりも小さいか否かを判定する(ステップS4)。そして、舵角速度ωの絶対値|ω|がスレッショルドωth以上の場合には上記ステップS8に進み、舵角速度ωの絶対値|ω|がスレッショルドωthよりも小さい場合にはタイマーがカウントアップし(ステップS5)、カウント時間tがスレッショルドth以上になったか否かを判定する(ステップS6)。タイマーのカウント時間tがスレッショルドよりも小さい場合には上記ステップS8に進み、タイマーのカウント時間tがスレッショルドth以上となった場合には、直進信頼度の積分、中立位置及び推定値信頼度の更新を行う(ステップS7)。そして、中立点位置及び推定値信頼度を出力して終了する(ステップS10)。
次に本発明の他の実施例を説明する。
車輪回転速度を利用できる場合は、上記の推定法に車輪回転速度を直進判定条件に加えることで、更に精度の高い推定が可能となる。車輪回転速度による判定条件は以下のようにする。左右の車輪速差も、理想の直進状態では0になるため、同じ条件にできる。しかし、車輪速差は車速によって大きく値が異なるので、車輪速差に対するスレッショルドを設けるのではなく、旋回半径に基づいた以下の関係式を利用する。
Figure 2007106283

上記数4において、操舵角θと、左後輪車輪速Ψ、右後輪車輪速Ψとは、kを定数として下記数5で表される。
(数5)
tanθ=k・(Ψ−Ψ)/(Ψ+Ψ

そして、操舵角θが小さいときは直進とみなせるので、上記数5の右辺がスレッショルド以下であるかを判定するが、三角関数のtanや除算があるとCPUやMPUでの演算が困難になる。このため、本発明では、kを定数として下記数6のように変形している。
(数6)
0 ≦ k/k・|Ψ+Ψ|−|Ψ−Ψ

上記数6より、右辺が0以上であれば直進と判定する。
左右車輪回転速を利用した場合の装置例を、図1に対応させて図6に示す。本実施例では左右車輪速回転センサ120を設け、車輪速回転信号を処理する演算部130からの出力が中立点検出部200Aに入力されており、より正確に直進を判定できる。即ち、図6の実施例では直進判定部200Aの直進判定に、数6の条件を実行する演算部130を付加しており、他は図1の構成と全く同じである。
このように左右車輪回転速を利用した場合には、より高精度な絶対舵角の推定を行うことができる。
本発明に係る制御装置の一例を示すブロック構成図である。 中立点検出部の詳細構成例を示すブロック構成図である。 中立点検出部の詳細構成例を示すブロック構成図である。 Dvテーブルの一例を示す図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 本発明に係る制御装置の他の例を示すブロック構成図である。 一般的な電動パワーステアリング装置の概略を示す構造図である。 コントロールユニットの一例を示すブロック構成図である。
符号の説明
1 操向ハンドル
2 ステアリングシャフト(コラム軸)
3 減速ギア
10 トルクセンサ
11 イグニションキー
12 車速センサ
14 バッテリ
15 舵角センサ
20 モータ
30 コントロールユニット
100 舵角利用機能部
101 相対舵角検出部
102 舵角速度検出部
104 絶対舵角演算部
110 モータ角センサ
111 トルクセンサ
112 車速センサ
120 左右車輪回転速センサ
130 演算部
200、200A 直進判定部
210〜212 比較器
220 AND回路
240 中立角度補正手段
243 Dvテーブル
251 リミッタ

Claims (5)

  1. トルク制御部で演算された電流指令値で電流制御部を介してモータを駆動し、前記モータの駆動によってステアリング機構にアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置の制御装置において、モータ角を検出するモータ角センサと、ステアリングシャフトに印加される操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記モータ角センサの出力よりステアリングの相対舵角θrを検出する相対舵角検出部と、前記モータの角速度を求める舵角速度検出部と、車速を判定する車速判定部とを具備し、前記舵角速度、操舵トルク及び車速に基づいて車両の直進走行の判定を行い、前記直進走行が所定時間以上継続したときの前記相対舵角θrを中立点とみなして演算を行う中立点演算部と、前記中立点演算部で得られた中立点を前記相対舵角θrとの差分で絶対舵角の演算を行う絶対舵角演算部とを具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
  2. 前記中立点演算部は、前記直進走行を判定している条件下で直進走行継続時間が第1スレッショルド以上となると、前記車速及び直進走行継続時間に従って大きくなる信頼度係数を設定し、前回補正した中立点角度θk−1と前記相対舵角θrとの偏差に前記信頼度係数Dを乗じた値D(θr−θk−1)を前回補正した前記中立点角度θk−1に加算して新たな中立点角度θとする請求項1に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
  3. 前記信頼度係数Dを積分した推定値信頼度係数を設定し、前記推定値信頼度係数が第2スレッショルド以上になったときに、前記信頼度係数Dを減少させて前記中立点角度θの補正変位を少なくする請求項2に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
  4. 前記直進走行判定に車輪回転速度を加えて行う請求項1に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置を搭載した車両。
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