JP2008120343A

JP2008120343A - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2008120343A
Application number: JP2006309307A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hara; 雄志原
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-15
Also published as: JP5109342B2; EP1923298A1; US20080114515A1

Abstract

【課題】舵角センサを使用することなくコストアップを回避すると共に、路面状況に拘わらず確実に中立点までハンドルを戻し、かつ戻り速度が速くなり過ぎないようにした電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】操舵トルク及び車速に基づいて演算された操舵補助指令値とモータの電流とから演算した電流制御値に基づいて、ステアリング機構に操舵補助力を付与する前記モータ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において、路面反力を検出する路面反力検出手段と、前記モータの角速度を検出する角速度検出手段と、前記路面反力、前記角速度、前記操舵トルク及び前記車速に基づいて戻り角速度制御信号を演算する戻り角速度制御部とを具備し、前記戻り角速度制御信号で前記操舵補助指令値を補正する。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両のステアリング系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特に操舵角の代わりに路面反力（セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）を含む）を用いてモータ角速度目標値を設定して収れん電流を求め、操舵補助指令値を補正して操舵機能を向上した電動パワーステアリング装置に関する。

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をアシスト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１２に示して説明すると、操向ハンドル１のコラム軸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。コラム軸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の操舵力をアシストするモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸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、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値Ｔと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいて、アシストマップ等を用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（Micro Processor Unit）やＭＣＵ（Micro Controller Unit）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１３のようになる。

図１３を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴ及び車速センサ１２で検出された車速Ｖは、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１を演算する操舵補助指令値演算部３１に入力される。操舵補助指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値となる操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１を決定する。操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１は特性改善の位相補償部３２を経て加算部３３に入力され、操舵トルクＴを微分補償部３５で補償した操舵トルクＴＡと加算され、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３として減算部３４に入力される。減算部３４で、フィードバックされているモータ電流Ｉｍとの偏差Ｉｒｅｆ４（＝Ｉｒｅｆ３−Ｉｍ）が演算され、その偏差Ｉｒｅｆ４が操舵動作の特性改善のためのＰＩ制御部３６に入力される。ＰＩ制御部３６で特性改善された電圧指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３７に入力され、インバータ３８を経てモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器で検出され、減算部３４にフィードバックされる。

上述のような一般的な電動パワーステアリング装置では、減速ギア等の摩擦などでハンドルの戻りが悪く、種々のハンドル戻り制御が開発されている。その中で、路面状況に拘わらず確実に中立点までハンドルを戻し、かつ戻り速度が速くなり過ぎないように制御する手段の一つとして、例えば特開昭６２−２４１７６８号公報（特許文献１）に開示された動力舵取装置が知られている。特許文献１に記載の装置は、操舵系を直進状態に戻すことができる戻しアシスト機構を有する動力舵取装置であり、戻し速度の目標値を決定する戻し速度目標値決定手段と、戻し速度目標値に基づき制御信号を出力して戻しアシスト機構を駆動制御する制御手段とを設け、操舵角に応じて戻し方向の操舵角速度目標値を設定し、実際の操舵角速度がそれに追従する方向に収れん電流を付与している。しかしながら、特許文献１に記載の装置では、路面反力の状況に応じた戻り方を反映し難い問題がある。

かかる問題を解決するものとして、特許第３７８８９０６号公報（特許文献２）に開示された電動パワーステアリング装置の制御装置がある。特許文献２に開示された装置は、操舵角及び車速に基づいてハンドルを中立位置へ戻すための目標操舵角を設定する目標操舵角設定手段と、目標操舵角と操舵角の偏差及び車速に基づいて目標操舵角速度を設定する目標操舵角速度設定手段と、目標操舵角速度と操舵角速度の偏差に基づいて目標収斂電流を設定する目標収斂電流設定手段と、路面反力を検出する路面反力検出手段とを備え、目標操舵角速度設定手段が路面反力検出手段が検出した路面反力情報に基づいて目標操舵角速度を補正するものである。
特開昭６２−２４１７６８号公報特許第３７８８９０６号公報

しかしながら、特許文献２に記載の装置では舵角センサを必要とするため、コストアップになる問題がある。特許文献１に記載の装置も同様である。

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、舵角センサを使用することなくコストアップを回避すると共に、路面状況に拘わらず確実に中立点までハンドルを戻し、かつ戻り速度が速くなり過ぎないようにした電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、操舵トルク及び車速に基づいて演算された操舵補助指令値とモータの電流とから演算した電流制御値に基づいて、ステアリング機構に操舵補助力を付与する前記モータ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に関し、本発明の上記目的は、路面反力を検出する路面反力検出手段と、前記モータの角速度を検出する角速度検出手段と、前記路面反力、前記角速度、前記操舵トルク及び前記車速に基づいて戻り角速度制御信号を演算する戻り角速度制御部とを設け、前記戻り角速度制御信号で前記操舵補助指令値を補正することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記路面反力検出手段が路面反力検出器であることにより、或いは前記路面反力検出手段がＳＡＴ推定手段であり、前記ＳＡＴ推定手段で推定されたＳＡＴ推定値を前記路面反力とすることにより、或いは前記角速度検出手段が、前記モータの端子間電圧及びモータ電流に基づいて前記角速度を検出若しくは推定することにより、或いは前記戻り角速度制御部を、前記路面反力に基づいてモータ角速度目標値を設定するモータ角速度目標値設定部と、前記車速に応じて目標値ゲイン調整する第１ゲイン調整部と、前記モータ角速度目標値に前記第１ゲイン調整部の第１ゲインを乗算した値と前記角速度の偏差を求める減算部と、前記操舵トルクに応じてゲイン調整する第３ゲイン調整部とで構成し、前記偏差に前記第３ゲイン調整部の第３ゲインを乗算して前記戻り角速度制御信号とすることにより、或いは前記戻り角速度制御部を、前記路面反力に基づいてモータ角速度目標値を設定するモータ角速度目標値設定部と、前記車速に応じて目標値ゲイン調整する第１ゲイン調整部と、前記車速に応じてゲイン調整する第２ゲイン調整部と、前記モータ角速度目標値に前記第１ゲイン調整部の第１ゲインを乗算した値と前記角速度の偏差を求める減算部と、前記操舵トルクに応じてゲイン調整する第３ゲイン調整部とで構成し、前記偏差に前記第２ゲイン調整部の第２ゲインを乗算し、その乗算値に前記第３ゲイン調整部の第３ゲインを乗算して前記戻り角速度制御信号とすることにより、或いは前記モータ角速度目標値をゲイン調整することにより、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によれば、路面反力若しくはＳＡＴ推定値を用いてモータ角速度目標値を設定しているので、舵角センサを用いることなく、通常の路面では舵角を用いてモータ角速度目標値を設定した場合とほぼ同じ作用効果が得られる。また、路面の摩擦係数が小さい場合、舵角に対する路面反力若しくはＳＡＴ推定値の増加は通常より小さくなるので、モータ角速度目標値も摩擦係数が小さくなるのに対応して小さく設定している。これによって、路面の摩擦が小さいときはハンドル戻り速度を抑え、かつ中立点までハンドルを確実に戻すことができる。逆に路面の摩擦係数が大きいときも、同じ理由で適切な戻り速度を設定することができる。

舵角（操舵角）と路面反力の関係は、図１及び図２に示すように線形な特性となっている。図１は車速をパラメータとした特性であり、図２は摩擦係数をパラメータとした特性である。いずれの場合も、舵角に比例して路面反力が大きくなる特性である。路面反力は、図３に示すように操舵軸に設けた路面反力検出器７によって検出されるが、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）と同等である。そのため、路面反力の代わりにＳＡＴ推定値を用いることも可能であり、ＳＡＴ推定値の算出は例えば特開２００３−２００８４４号公報に示される手法で行うことができる。舵角と路面反力の線形関係は、平坦でない路面や極低速を除けば維持される。従って、舵角の代わりに路面反力若しくはＳＡＴ推定値を用いてモータ角速度目標値を設定し、収れん電流を演算することができる。収れん電流は、特に手放しでハンドルを戻したときにハンドルが中立点で収まるように、ハンドルの回転速度にブレーキをかける電流であり、収れん電流がないと、特に高速でハンドルを手放したときにハンドルが左右に振れ、中立点に収まらないことになる。

通常収れん性は、回転運動であれば角速度に比例したブレーキ力を与えることによって向上する。つまり、直線運動の場合には質量とバネだけで振動し続けるが、ダッシュポッドで粘性力（速度に比例した抵抗力）を加えると収れんするのと同様である。従って、パワーステアリング装置の場合、角速度に比例したブレーキ力を与えることになるが、換言すれば角速度ゼロの目標値に対する比例制御を行うことと同じである。本発明は、この目標値をハンドル戻り方向に設定してしまうことによって、ハンドル戻り改善の機能も同時に持たせる。つまり、比例制御の目標値がハンドルを中立点に戻す方向に設定されているので、中立点に戻るまで中立点方向に動くように制御され、かつその制御量は粘性力のように出力される。更に、電動パワーステアリングのコラム軸とモータは減速ギアを介して結合しているので、コラム軸の回転速度とモータ回転速度は比例関係にあり、モータ角速度に対して同様の制御をすることによって、上記目的は達成される。

よって、本発明では、図４に示すように路面反力を用いてモータ角速度目標値を設定し、収れん電流を演算する手段を設ければ、通常の路面では舵角を用いてモータ角速度目標値を設定した場合とほぼ同じ作用効果が得られる。摩擦係数をパラメータとした場合の舵角とモータ角速度目標値の関係は図５に示すような関係となっており、路面の摩擦係数が小さいような場合、舵角に対する路面反力の増加は通常より小さくなり、モータ角速度目標値も摩擦係数が小さくなるのに対応して小さく設定される。

これによって、路面の摩擦が小さいときはハンドル戻り速度を抑え、かつ中立点までハンドルを確実に戻すことができる。逆に路面の摩擦係数が大きいときも、同じ理由で適切な戻り速度を設定することができる。これは、車速の変化に応じて路面反力が変化する場合にも同様のことが言える。ただし、高車速であまりハンドル戻りを速くしたくない場合には、車速感応ゲインなどで調整すれば良い。また、この機能による粘性感が操舵感に悪影響を与える場合などは、トルク感応ゲインでドライバの意志による操舵中、この機能を抑えることも可能である。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図６は本発明の実施の形態を図１３に対応させて示しており、戻り角速度制御信号ωｒを演算する戻り角速度制御部４０を設け、演算された戻り角速度制御信号ωｒを加算部３３に加算し、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２を補正している。戻り角速度制御部４０には、トルクセンサからの操舵トルクＴ、路面反力検出部からの路面反力ＲＲ、検出若しくは推定された角速度ωが入力されている。また、モータ２０には端子間電圧検出部５０が接続され、検出された端子間電圧Ｖｍは角速度検出部５１に入力される。角速度検出部５１は、モータ電流Ｉｍ及び端子間電圧Ｖｍに基づいて角速度ωを検出して戻り角速度制御部４０に入力する。

戻り角速度制御部４０は図７に示すように、車速Ｖを入力して車速感応ゲインＧ２を出力する車速感応出力ゲイン部４１と、車速Ｖを入力して車速感応目標値ゲインＧ１を出力する車速感応目標値ゲイン部４２と、路面反力ＲＲを所定ゲインＧ_０倍するゲイン部４３と、ゲイン部４３でゲインＧ_０倍された路面反力ＲＲａを入力して、例えば図４に示す特性でモータ角速度目標値Ｍｔを出力するモータ角速度目標値設定部４４と、モータ角速度目標値Ｍｔに車速感応目標値ゲインＧ１を乗算する乗算部４５と、乗算部４５からの乗算結果（＝Ｍｔ・Ｇ１）から角速度ωを減算する減算部４６と、減算部４６の減算結果（＝Ｍｔ・Ｇ１−ω）に車速感応ゲインＧ２を乗算する乗算部４７と、操舵トルクＴを入力してトルク感応ゲインＧ３を出力するトルク感応出力ゲイン部４８と、乗算部４７からの乗算結果（＝（Ｍｔ・Ｇ１−ω）Ｇ２）にトルク感応ゲインＧ３を乗算する乗算部４９とで構成されている。

車速感応出力ゲイン部４１の出力特性は図８に示すようになっており、車速感応目標値ゲイン部４２の出力特性は図９に示すようになっており、トルク感応出力ゲイン部４８の出力特性は図１０に示すようになっている。

このような構成において、その動作例を図１１のフローチャートを参照して説明する。

先ず操舵トルクＴ及び車速Ｖを入力し（ステップＳ１０）、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１〜Ｉｒｅｆ４を演算し、更に電圧指令値Ｖｍを求めて（ステップＳ１１）、図１３で説明したと同様な制御でモータ２０を駆動する（ステップＳ１２）。モータ２０のモータ電流Ｉｍは電流検出器（図示せず）で検出されて角速度検出部５１に入力され、端子間電圧Ｖｍは端子間電圧検出部５０で検出されて角速度検出部５１に入力される（ステップＳ１３）。角速度検出部５１は入力されたモータ電流Ｉｍ及び端子間電圧Ｖｍに基づいて角速度ωを検出し（ステップＳ１４）、戻り角速度制御部４０に入力する。戻り角速度制御部４０は車速Ｖに基づいて車速感応ゲイン部４１はゲインＧ２を出力し、車速感応ゲイン部４２はゲインＧ１を出力する（ステップＳ２０）。

また、トルク感応出力ゲイン部４８は操舵トルクＴに応じてゲインＧ３を出力し（ステップＳ２１）、路面反力ＲＲを入力し（ステップＳ２２）、ゲイン部４３及びモータ角速度目標値設定部４４によってモータ角速度目標値Ｍｔを設定する（ステップＳ２３）。そして、乗算部４５でモータ角速度目標値Ｍｔに車速感応目標値ゲインＧ１を乗算し、この乗算値（＝Ｍｔ・Ｇ１）から角速度ωを減算し、この減算値に車速感応ゲインＧ２を乗算し、この乗算値（＝（Ｍｔ・Ｇ１−ω）Ｇ２）にトルク感応出力ゲインＧ３を乗算して戻り角速度制御信号ωｒを演算する（ステップＳ２４）。即ち、戻り角速度制御部４０は下記（１）式の演算によって戻り角速度制御信号ωｒを演算する。

ωｒ＝（Ｍｔ・Ｇ１−ω）Ｇ２・Ｇ３・・・（１）

なお、ステップＳ２０〜ステップＳ２３の順番は任意に変更可能である。戻り角速度制御部４０で演算された戻り角速度制御信号ωｒが加算部３３に入力され、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２が路面反力ＲＲに対応して補正される（ステップＳ２５）。この補正された操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３に従ってモータ２０は駆動される。

なお、図６及び図７では、路面反力検出器からの路面反力ＲＲを入力して戻り角速度制御信号ωｒを求めているが、特開２００３−２００８４４号公報に示されるように操舵トルク、電流指令値、モータ角速度及びモータ角加速度から推定したＳＡＴ推定値を入力して演算するようにしても良い。

車速をパラメータとした場合の舵角と路面反力の関係の一例を示す特性図である。摩擦係数をパラメータとした場合の舵角と路面反力の関係の一例を示す特性図である。路面反力検出器を具備した電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。路面反力に対するモータ角速度目標値の設定例を示す図である。摩擦係数をパラメータとした場合の舵角とモータ角速度目標値設定値の関係の一例を示す特性図である。本発明の実施の形態の一例を示すブロック図である。戻り角速度制御部の構成例を示すブロック図である。車速感応ゲイン部の特性例を示す図である。車速感応目標値ゲイン部の特性例を示す図である。トルク感応出力ゲイン部の特性例を示す図である。本発明の動作例を示すフローチャートである。一般的な電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。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コラム軸
３減速ギア
７路面反力検出器
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
２０モータ
３０コントロールユニット
３１操舵補助指令値演算部
３２位相補償部
３５微分補償部
３６ＰＩ制御部
３７ＰＷＭ制御部
４０戻り角速度制御部
４１車速感応出力ゲイン部
４２車速感応目標値ゲイン部
４３ゲイン部
４４モータ角速度目標値設定部
４８トルク感応出力ゲイン部
５０端子間電圧検出部
５１角速度検出部

Claims

操舵トルク及び車速に基づいて演算された操舵補助指令値とモータの電流とから演算した電流制御値に基づいて、ステアリング機構に操舵補助力を付与する前記モータ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において、路面反力を検出する路面反力検出手段と、前記モータの角速度を検出する角速度検出手段と、前記路面反力、前記角速度、前記操舵トルク及び前記車速に基づいて戻り角速度制御信号を演算する戻り角速度制御部とを具備し、前記戻り角速度制御信号で前記操舵補助指令値を補正することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記路面反力検出手段が路面反力検出器である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
前記路面反力検出手段がＳＡＴ推定手段であり、前記ＳＡＴ推定手段で推定されたＳＡＴ推定値を前記路面反力とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
前記角速度検出手段が、前記モータの端子間電圧及びモータ電流に基づいて前記角速度を検出若しくは推定するようになっている請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
前記戻り角速度制御部が、前記路面反力に基づいてモータ角速度目標値を設定するモータ角速度目標値設定部と、前記車速に応じて目標値ゲイン調整する第１ゲイン調整部と、前記モータ角速度目標値に前記第１ゲイン調整部の第１ゲインを乗算した値と前記角速度の偏差を求める減算部と、前記操舵トルクに応じてゲイン調整する第３ゲイン調整部とで構成され、前記偏差に前記第３ゲイン調整部の第３ゲインを乗算して前記戻り角速度制御信号とする請求項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。
前記戻り角速度制御部が、前記路面反力に基づいてモータ角速度目標値を設定するモータ角速度目標値設定部と、前記車速に応じて目標値ゲイン調整する第１ゲイン調整部と、前記車速に応じてゲイン調整する第２ゲイン調整部と、前記モータ角速度目標値に前記第１ゲイン調整部の第１ゲインを乗算した値と前記角速度の偏差を求める減算部と、前記操舵トルクに応じてゲイン調整する第３ゲイン調整部とで構成され、前記偏差に前記第２ゲイン調整部の第２ゲインを乗算し、その乗算値に前記第３ゲイン調整部の第３ゲインを乗算して前記戻り角速度制御信号とする請求項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。
前記モータ角速度目標値がゲイン調整される請求項５又は６に記載の電動パワーステアリング装置。