JP2008092633A

JP2008092633A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2008092633A
Application number: JP2006268199A
Authority: JP
Inventors: Shuji Endo; 修司遠藤; Hideyuki Kobayashi; 秀行小林
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】モータの慣性補償制御の演算負荷を抑えつつ、操舵感を一様にすることができる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】操舵系に操舵補助力を付与する電動モータ１２を備え、少なくとも操舵トルクＴに基づいて基本アシスト指令値Ｉ_M ^*を演算し、慣性補償部２８でモータ角加速度αに基づいて慣性補償値Ｉａを演算し、慣性補償値Ｉａを基本アシスト指令値Ｉ_M ^*に正帰還して電流指令値Ｉｒを演算し、電流指令値Ｉｒに基づいて電動モータ１２を駆動制御する。ここで、慣性補償部２８は、モータ角加速度αの位相を進ませる位相進み補償部２８ａと、位相進み補償部２８ａの出力である基本慣性補償値Ｉａ’に慣性補償ゲインＧを乗じて慣性補償値Ｉａを演算する慣性補償値出力部２８ｂとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、操舵系に運転者の操舵負担を軽減する操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置に関し、特に路面からの入力を運転者へ良好に伝える電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置として、検出舵角加速度信号の所望の周波数域における位相を進ませると共にノイズ除去機能を有するファジー演算フィルタに、検出舵角加速度信号を供給し、上記ファジー演算フィルタにより抽出された舵角加速度信号に基づいて、モータの慣性を補償する慣性制御信号を演算し、この慣性制御信号を操舵アシスト指令値に正帰還することで、ハンドル手放し時の安定性及び戻り時の収束性を改善するというものが知られている（例えば、特許文献１）。
特許第３２９３０４７号明細書

上記特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置にあっては、舵角加速度検出にあるローパスフィルタの遅れや電流ループの遅れをファジーフィルタで補償することで、慣性補償の効果を上げ、ハンドル手放し時の安定性を向上している。しかしながら、ファジーフィルタは演算が複雑であり、演算負荷が大きい。
また、上記特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置にあっては、舵角加速度検出値の大きさにより、角加速度検出値の遅れ補償量が変化するため、ファジーフィルタ出力が非線形となり、特にセンタ付近の操舵では操舵感が一様にならない。

そこで、本発明は、モータの慣性補償制御の演算負荷を抑えつつ、操舵感を一様にすることができる電動パワーステアリング装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に係る電動パワーステアリング装置は、操舵系に運転者の操舵負担を軽減する操舵補助力を付与する電動モータと、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記電動モータのモータ角加速度を検出する角加速度検出手段と、少なくとも操舵トルクに基づいて基本アシスト指令値を演算する基本アシスト指令値演算手段と、該角加速度検出手段で検出したモータ角加速度に基づいて、前記電動モータの慣性を補償するための慣性補償値を演算する慣性補償手段と、前記慣性補償値を前記基本アシスト指令値に正帰還して電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、前記電流指令値に基づいて前記電動モータを駆動制御するモータ駆動制御手段とを備える電動パワーステアリング装置であって、前記慣性補償手段は、前記モータ角加速度に対し、位相を進ませる位相進み補償手段と慣性補償ゲインを乗じるゲイン乗算手段とを作用させることを特徴としている。

また、請求項２に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１に係る発明において、前記慣性補償ゲインは、前記操舵トルクに応じて変更されることを特徴としている。
さらに、請求項３に係る電動パワーステアリング装置は、請求項２に係る発明において、前記慣性補償ゲインは、前記操舵トルクが大きいほど小さく設定されることを特徴としている。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、モータ角加速度に対し、位相進み補償手段とゲイン乗算手段とを作用させる慣性補償手段で演算した慣性補償値を基本アシスト指令値に正帰還して電流指令値を演算し、この電流指令値に基づいて電動モータを駆動制御するので、慣性補償制御の演算負荷の増加を抑えつつ適切に電動モータの慣性を補償して、操舵感を一様にすることができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す全体構成図である。
図中、符号１は、ステアリングホイールであり、このステアリングホイール１に運転者から作用される操舵力が入力軸２ａと出力軸２ｂとを有するステアリングシャフト２に伝達される。このステアリングシャフト２は、入力軸２ａの一端がステアリングホイール１に連結され、他端は操舵トルク検出手段としてのトルクセンサ３を介して出力軸２ｂの一端に連結されている。

そして、出力軸２ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント４を介してロアシャフト５に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。このピニオンシャフト７に伝達された操舵力はステアリングギヤ８を介してタイロッド９に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ８は、ピニオンシャフト７に連結されたピニオン８ａとこのピニオン８ａに噛合するラック８ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン８ａに伝達された回転運動をラック８ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、操舵補助力を出力軸２ｂに伝達する操舵補助機構１０が連結されている。この操舵補助機構１０は、出力軸２ｂに連結した減速ギヤ１１と、この減速ギヤ１１に連結されて操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータ（ブラシモータ）１２とを備えている。
トルクセンサ３は、ステアリングホイール１に付与されて入力軸２ａに伝達された操舵トルクを検出するもので、操舵トルクを入力軸２ａ及び出力軸２ｂ間に介装した図示しないトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位を例えばポテンショメータで検出するように構成されている。

操舵補助制御装置２０には、トルクセンサ３で検出された操舵トルクＴ及び車速センサ１６で検出された車速検出値Ｖｓが入力される。そして、操舵補助制御装置２０は、入力されるトルク検出値Ｔ及び車速検出値Ｖｓに応じた操舵補助力を操舵系に付与する操舵補助力制御を行う。
図２は、操舵補助制御装置２０の構成を示すブロック図である。この図２に示すように、操舵補助制御装置２０は、基本アシスト指令値演算部２１と、加算部２２と、加算部２３と、電流制御部２４と、モータ駆動部２５と、モータ角速度演算部２６と、モータ角加速度演算部２７と、慣性補償部２８とを備えている。

基本アシスト指令値演算部２１は、操舵トルクＴ及び車速検出値Ｖｓが入力されて、操舵トルクＴ及び車速検出値Ｖｓに応じた操舵補助力を電動モータ１２で発生するための基本アシスト指令値Ｉ_M ^*を算出する。
加算部２２は、基本アシスト指令値演算部２１から出力される基本アシスト指令値Ｉ_M ^*と、後述する慣性補償部２８から出力される慣性補償値Ｉａとを加算し、その結果を電流指令値Ｉｒとして加算部２３に出力する。

加算器２３は、加算部２２から出力される電流指令値Ｉｒと、モータ電流検出器１４で検出されたモータ電流Ｉｍとを減算処理し、その電流偏差ΔＩを電流制御部２４に出力する。
電流制御部２４は、電流偏差ΔＩに対してＰＩ制御を施して電流制御値（電圧指令値）Ｅを算出し、電流制御値Ｅに基づいてモータ駆動部２５の半導体スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号のデューティ比を演算し、これをモータ駆動部２５に出力する。

モータ駆動部２５は、前記デューティ比に基づいて半導体スイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路を作動させて電動モータ１２を駆動する。
このように、電動モータ１２に流れるモータ電流Ｉｍは、モータ電流検出器１４で検出され、加算器２３に入力されてフィードバックされる。
モータ角速度演算部２６は、モータ電流Ｉｍと電圧指令値Ｅとに基づいて、例えば、次式をもとにモータ角速度ωを算出する。

ω＝（Ｅ−Ｉｍ×Ｒ）／Ｋ ………（１）
ここで、Ｒはモータ抵抗、Ｋは逆起電圧定数である。
モータ角加速度演算部２７は、微分演算部２７ａと、ＬＰＦ処理部２７ｂとを備える。微分演算部２７ａは、モータ角速度演算部２６で算出したモータ角速度ωを微分することによりモータ角加速度αを算出し、これをＬＰＦ処理部２７ｂに出力する。

ＬＰＦ処理部２７ｂは、微分演算部２７ａから出力されたモータ角加速度αをローパスフィルタ（ＬＰＦ）に通すことにより、ノイズを除去したノイズ除去後のモータ角加速度αを慣性補償部２８に出力する。
慣性補償部２８は、モータ角加速度αに基づいて、電動モータ１２の慣性を補償するための慣性補償値Ｉａを出力する。ここで、本実施形態では、慣性補償に位相進みを含ませるものとする。

この慣性補償部２８は、モータ角加速度αの位相を進ませる位相進み補償部２８ａと、位相進み補償部２８ａの出力値に慣性補償ゲインＧを乗じて慣性補償値Ｉａを出力する慣性補償値出力部（ゲイン乗算部）２８ｂとで構成される。
位相進み補償部２８ａは、モータ角加速度αに対し位相を進ませる演算を施し、慣性補償値Ｉａの基本値である基本慣性補償値Ｉａ’を出力する。具体的には、（Ｔ₁ｓ＋１）／（Ｔ₂ｓ＋１）のような伝達特性をモータ角加速度αに作用させるものとする。なお、Ｔ₁＞Ｔ₂である。

図３は、慣性Ｊのみの機械系（１／Ｊｓ，ｓはラプラス演算子）に慣性補償を行ったときの位相特性である。
図中曲線Ａは、慣性補償部２８を、慣性補償値出力部２８ｂのみで構成したときの位相特性、曲線Ｂは、位相進み補償部２８ａと慣性補償値出力部２８ｂとで構成したときの位相特性である。

前者の場合、モータ角速度検出の際に施すローパスフィルタ処理により、位相が徐々に遅れる特性となる。
そこで、位相進み補償部２８ａを作用させると、曲線Ｂに示すように、ある周波数までの領域では位相が進んだ特性となる。
慣性補償値出力部２８ｂは、位相進み補償部２８ａの出力である基本慣性補償値Ｉａ’に慣性補償ゲインＧを乗じて、慣性補償値Ｉａを演算し、これを加算部２２に出力する。

ここで、慣性補償ゲインＧは、図４に示す慣性補償ゲイン算出マップを参照し、トルクセンサ３で検出された操舵トルクＴに基づいて算出する。
図４に示すように、慣性補償ゲイン算出マップは、操舵トルクＴの絶対値が比較的小さいセンタ位置付近では慣性補償ゲインＧが“Ｋ”に算出され、操舵トルクＴの絶対値が大きいほど慣性補償ゲインＧがＫより小さい値に算出されるように設定されている。

このように、慣性補償部２８は、モータ角加速度αに対し、位相を進ませる位相進み補償と慣性補償ゲインＧを乗じるゲイン乗算とを作用させるようになっている。
図２において、基本アシスト指令値演算部２１が基本アシスト指令値演算手段に対応し、加算部２２が電流指令値演算手段に対応し、加算部２３、電流制御部２４及びモータ駆動部２５がモータ駆動制御手段に対応し、慣性補償部２８が慣性補償手段に対応し、位相進み補償部２８ａが位相進み補償手段に対応し、慣性補償値出力部２８ｂがゲイン乗算部に対応している。

なお、実際に電流指令値Ｉｒを設定する場合には、電動モータの慣性を補償するための慣性補償値Ｉａの他に、車両挙動の収斂性の確保等のためのダンピング補償値等の各種補償値が基本アシスト指令値Ｉ_M ^*に付加されるが、説明の便宜上、本実施形態ではそれら他の補償値の付加は省略している。
次に、本実施形態の動作及び効果について説明する。

今、操舵角一定の保舵状態で車両が走行中であるものとする。この場合、操舵補助制御装置２０は、モータ角速度演算部２６でモータ角速度ωを０に算出し、モータ角加速度演算部２７でモータ角加速度αを０に算出するため、慣性補償部２８で慣性補償値Ｉａ＝０を出力する。したがって、操舵トルクＴ及び車速検出値Ｖｓに基づいて演算した基本アシスト指令値Ｉ_M ^*がそのまま加算部２２の出力（電流指令値Ｉｒ）となり、その電流指令値Ｉｒに基づいて電動モータ１２が駆動制御され、電動モータ１２の発生トルクが減速ギヤ１１を介してステアリングシャフト２の回転トルクに変換されて、運転者の操舵がアシストされる。

この状態から、運転者が操舵トルクの小さいセンタ位置付近でステアリング操作を行ったものとすると、操舵補助制御装置２０は、ＬＰＦ処理部２７ｂで微分演算部２７ａから出力されたモータ角加速度αをローパスフィルタに通すことで、モータ角加速度αに含まれるノイズを除去する。そして、ノイズ除去後のモータ角加速度αに対して位相進み補償部２８ａで位相進み補償を行い、その結果である基本慣性補償値Ｉａ’を算出する。

このとき、操舵トルクＴは比較的小さい値であることから、慣性補償値出力部２８ｂで、図４の慣性補償ゲイン算出マップをもとに慣性補償ゲインＧが“Ｋ”に算出され、これを上記基本慣性補償値Ｉａ’に乗じることにより、慣性補償値Ｉａが算出される。そして、この慣性補償値Ｉａを基本アシスト指令値Ｉ_M ^*に加算した値が電流指令値Ｉｒとなり、その電流指令値Ｉｒに基づいて電動モータ１２が駆動制御される。

このように、基本アシスト指令値Ｉ_M ^*に慣性補償値Ｉａを正帰還することで、電動モータ１２の慣性が打ち消され、違和感のない操舵補助力制御が実施される。
ところで、ハンドル手放し時の安定性及び戻り時の収束性を改善する電動パワーステアリング装置として、検出舵角加速度信号の所望の周波数域における位相を進ませると共にノイズ除去機能を有するファジー演算フィルタに、検出舵角加速度信号を供給し、上記ファジー演算フィルタにより抽出された舵角加速度信号に基づいて、モータの慣性を補償する慣性制御信号を演算し、この慣性制御信号を操舵アシスト指令値に正帰還するというものがある。

この場合、舵角加速度検出にあるローパスフィルタによる遅れや電流ループによる遅れをファジーフィルタで補償することで、慣性補償の効果を上げ、ハンドル手放し時の安定性を向上しているが、ファジーフィルタは演算が複雑であり、演算負荷が大きい。
また、舵角加速度検出値の大きさにより、角加速度検出値の遅れ補償量が変化するため、ファジーフィルタ出力が非線形となり、特にセンタ付近の操舵では操舵感が一様にならない。

これに対して本実施形態では、慣性補償部２８を、位相進み補償部２８ａと、その出力である基本慣性補償値Ｉａ’に操舵トルクＴに応じたゲインＧを乗じて慣性補償値Ｉａを出力する慣性補償値出力部２８ｂとで構成している。
このように、位相進み補償部２８ａでモータ角加速度αの位相を進ませることで、上述したファジーフィルタによる位相進み補償と異なり、線形位相進みとすることができるため、慣性補償制御の演算負荷を抑えつつ操舵感を一様にすることができる。

また、位相進み補償部２８ａを設けることで、図３の曲線Ｂに示すように、ある周波数までは位相が進む特性となる。このように、低周波数領域で位相が進むため、ステアリング機械系が動き易い特性となる。そのため、路面からの外力に対して機械系が動き易くなるため、外力を運転者に伝え易くなり操舵性が向上する。
しかし、これだけでは、ある周波数以上の高周波数領域では位相が遅れるため、ＥＰＳシステムの安定性を悪化させてしまう。

そこで、本実施形態では、慣性補償値出力部２８ｂで、位相進み補償部２８ａの出力である基本慣性補償値Ｉａ’に乗じる慣性補償ゲインＧを操舵トルクＴに応じて決定するものとし、ＥＰＳシステムの安定性の余裕が減少する操舵トルクＴが大きい領域では、慣性補償ゲインＧを“Ｋ”より小さく設定して安定性悪化を防止している。
つまり、運転者が、操舵トルクＴが大きい状態で急なステアリング操作を行っているものとすると、慣性補償値出力部２８ｂで、慣性補償ゲインＧがＫより小さい値に算出される。そのため、操舵トルクＴが小さいときと比較して慣性補償値Ｉａが小さく算出される。そして、この慣性補償値Ｉａに基づいて慣性補償制御を行うことで、安定性悪化を防止する。

一方、操舵トルクＴが小さく操舵安定性の余裕があるときには、慣性補償ゲインＧをＫとして慣性補償値Ｉａを算出し、これに基づいて慣性補償制御を行う。
このように、上記実施形態では、少なくとも操舵トルクに基づいて基本アシスト指令値を演算すると共に、慣性補償部でモータ角加速度に基づいて電動モータの慣性を補償するための慣性補償値を演算し、慣性補償値を基本アシスト指令値に正帰還することで電流指令値を演算し、その電流指令値に基づいて電動モータを駆動制御する。そして、前記慣性補償部を、モータ角加速度の位相を進ませる位相進み補償部と、位相進み補償部の出力である基本慣性補償値に、操舵トルクに応じた慣性補償ゲインを乗じて慣性補償値を演算するゲイン乗算部とで構成する。

慣性補償部に位相進み補償部を設けることにより、低周波数領域で機械系の位相が進んだ特性とすることができ、路面からの外力を運転者に伝え易くして操舵性を向上させることができる。
また、ファジーフィルタによる位相進み補償と異なり、線形位相進みとすることで、特にセンタ付近の操舵において操舵感を一様にすることができる。

したがって、慣性補償制御の演算負荷を抑えつつ、適切に電動モータの慣性を補償することができ、操舵感を一様にして運転者に違和感のない操舵補助力制御を実施することができる。
さらに、慣性補償部にゲイン乗算部を設け、操舵トルクに応じて慣性補償ゲインの大きさを変更するので、ＥＰＳシステムの安定性の余裕の有無に応じて慣性補償制御の度合いを設定することができる。

また、操舵トルクが大きいほど慣性補償ゲインを小さい値に設定するので、ＥＰＳシステムの安定性の余裕が少ないほど慣性補償ゲインを小さく設定して、高周波数領域での慣性補償遅れに起因する安定性悪化を防止することができる。
なお、上記実施形態においては、モータ電流Ｉｍ及び電圧指令値Ｅに基づいてモータ角速度ωを算出する場合について説明したが、操舵角センサを備えている場合には、操舵角センサの検出値からモータ角速度ωを算出することもできる。

また、上記実施形態においては、電動モータとしてブラシモータシステムを適用する場合について説明したが、ホールセンサタイプのロータ角度センサを備えた矩形波駆動ブラシレスモータを適用することもできる。
さらに、上記実施形態においては、電動モータとして３相ブラシレスモータを適用することもできる。この場合、操舵補助制御装置２０の構成は図５に示すようになる。即ち、３相ブラシレスモータは、ロータの回転位置を検出するレゾルバ、エンコーダ等で構成されるロータ位置検出回路１５を備えるものとし、このロータ位置検出回路１５で検出したロータ回転角θをモータ角速度演算部２６’に入力し、このモータ角速度演算部２６’で、ロータ回転角θに基づいてモータ角速度ωを演算すればよい。

本発明の実施形態における車両の概略構成図である。操舵補助制御装置の一例を示すブロック図である。慣性Ｊのみの機械系に慣性補償を行ったときの位相特性である。慣性補償ゲイン算出マップである。操舵補助制御装置の他の例を示すブロック図である。

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…トルクセンサ、１０…操舵補助機構、１１…減速ギヤ、１２…電動モータ、１６…車速センサ、２０…操舵補助制御装置、２１…基本アシスト指令値演算部、２２…加算部、２３…加算部、２４…電流制御部、２５…モータ駆動部、２６…モータ角速度演算部、２７…モータ角加速度演算部、２７ａ…微分演算部、２７ｂ…ＬＰＦ処理部、２８…慣性補償部、２８ａ…位相進み補償部、２８ｂ…慣性補償値出力部

Claims

操舵系に運転者の操舵負担を軽減する操舵補助力を付与する電動モータと、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、前記電動モータのモータ角加速度を検出する角加速度検出手段と、少なくとも操舵トルクに基づいて基本アシスト指令値を演算する基本アシスト指令値演算手段と、該角加速度検出手段で検出したモータ角加速度に基づいて、前記電動モータの慣性を補償するための慣性補償値を演算する慣性補償手段と、前記慣性補償値を前記基本アシスト指令値に正帰還して電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、前記電流指令値に基づいて前記電動モータを駆動制御するモータ駆動制御手段とを備える電動パワーステアリング装置であって、
前記慣性補償手段は、前記モータ角加速度に対し、位相を進ませる位相進み補償手段と慣性補償ゲインを乗じるゲイン乗算手段とを作用させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記慣性補償ゲインは、前記操舵トルクに応じて変更され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。
前記慣性補償ゲインは、前記操舵トルクが大きいほど小さく設定されることを特徴とする請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。