JP2008174013A - パワーステアリング機構の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 慣性補償制御と粘性補償制御との間の制御干渉を廃しながら、パワーステアリング機構によるアシストトルクを高精度で制御する。
【解決手段】
操舵角に応じて操舵輪の舵角を変更する舵角変更機構１３と、電動モータ１５を有し舵角変更機構１３を駆動するパワーステアリング機構１４と、操舵力と車速とに基づいてパワーステアリング機構１４から出力される基本駆動力を演算する基本駆動力演算手段４１と、基本駆動力を補償しパワーステアリング機構１４の慣性を抑制する慣性補償制御を実行する慣性補償手段４２と、電動モータ１５の回転角加速度の増大に従って基本駆動力の大きさを低減させる粘性補償制御を実行する粘性補償手段４４と、慣性補償制御の実行開始時期よりも粘性補償制御の実行開始時期を遅らせる補償制御時期調整手段４７とを備えて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ドライバによるステアリングホイールの操作を高い精度で補助する、パワーステアリング機構の制御装置に関するものである。

従来より、ドライバによるステアリングホイールの操作を補助するパワーステアリング装置が知られている。このパワーステアリング装置に関する技術は、種々のものが存在しているが、その一例として、以下の特許文献１の技術が挙げられる。
さらに、この特許文献１においては、同文献の第１図に示されるように、電動パワーステアリング装置において、舵角を中立位置へ戻す力である復元力をモータに生じさせる制御（粘性補償制御）を実行する粘性制御部（３０）や、モータのロータ慣性があたかも小さくなったかのようにモータを制御する制御（慣性補償制御）を実行する慣性制御部（４０）を設けることが開始されている。

さらに、この特許文献１においては、この慣性制御部（４０）内に舵角加速度検出部（４１），一次遅れ要素（４３）および慣性補償値算出部（４２）を設けることが開始されている。
これにより、舵角加速度検出部（４１）により得られた舵角加速度Δｖのノイズを減少させて、慣性補償値算出部（４２）のゲインを増加させることができるものと解される。
特開平３−１７８８７２号公報

しかしながら、この特許文献１のように、一次遅れ要素（４３）を用いた電動パワーステアリング装置の慣性補償においては、慣性補償がステアリングホイールの動きに遅れることとなるため、慣性補償の制御精度が低下するという課題が生じる。具体的には、ステアリングホイールを回転させ始めた時点でアシストトルクを十分に発生させられなかったり、或いは、ステアリングホイールを回転させ終わる時点でアシストトルクを適切に減じることが出来なかったりする事態が生じるのである。

本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、慣性補償制御と粘性補償制御との間の制御干渉を廃しながら、パワーステアリング機構によるアシストトルクを高精度で制御することができる、パワーステアリング機構の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のパワーステアリング機構の制御装置（請求項１）は、車両のドライバにより操作され操舵輪に接続された操舵部と、該操舵部に入力された操舵角に応じて該操舵輪の舵角を変更する舵角変更機構と、該操舵部に入力された操舵力を検出する操舵力検出手段と、該車両の車速を検出する車速検出手段と、電動モータを有し該操舵力検出手段により検出された該操舵力および該車速検出手段によって検出された該車速に応じた補助駆動力で該電動モータにより該舵角変更機構を駆動するパワーステアリング機構と、該電動モータの回転角加速度を検出する角加速度検出手段と、該操舵力検出手段により検出された該操舵力と該車速検出手段によって検出された該車速とに基づいて該パワーステアリング機構から出力される該補助駆動力の基本値である基本駆動力を演算する基本駆動力演算手段と、該基本駆動力演算手段によって演算された該基本駆動力を補償し該パワーステアリング機構の慣性を抑制する制御である慣性補償制御を実行する慣性補償手段と、該角加速度検出手段によって検出された該電動モータの回転角加速度が増大するに従って該基本駆動力の大きさを低減させる制御である粘性補償制御を実行する粘性補償手段と、該慣性補償手段による慣性補償制御の実行開始時期よりも、該粘性補償手段による該粘性補償制御の実行開始時期を遅らせる補償制御時期調整手段とを備えることを特徴としている。

また、請求項２記載の本発明のパワーステアリング機構の制御装置は、請求項１記載の内容において、該補償制御時期調整手段は、該慣性補償制御の実行開始時期に対する該粘性補償制御の実行開始時期を車速に応じて変化させることを特徴としている。

本発明のパワーステアリング機構の制御装置によれば、慣性補償制御と粘性補償制御との間の制御干渉を廃しながら、パワーステアリング機構によるアシストトルクを高精度で制御することができる。（請求項１）
また、慣性補償制御の実行開始時期に対する該粘性補償制御の実行開始時期を車速に応じて変化させることで、適切に制御干渉を廃し、車両の乗員に与える違和感をさらに抑制することもできる。（請求項２）

以下、図面により、本発明の一実施形態に係るパワーステアリング機構の制御装置について説明すると、図１はその全体構成を示す模式的なブロック図，図２は基本アシスト電流の算出に用いられるマップを示す模式図，図３は操舵制御の内容を示す模式的なフローチャート，図４は粘性補償制御の開始を慣性補償制御の開始よりも遅らせる制御（粘性補償タイミング制御）を実行した場合における電動パワーステアリング機構の出力アシストトルクを示す模式的なグラフ，図５は粘性補償タイミング制御を実行しない、すなわち、一般的な電動パワーステアリング機構の出力アシストトルクを示す模式的なグラフである。

図１に示すように、車両１０には前輪１２，１２が設けられ、その舵角θ_FTを変更できる車輪（即ち、操舵輪）として用いられている。
また、この車両１０には、ドライバにより操作されるステアリングホイール（操舵部）１１と、このステアリングホイール１１と機械的に接続され、ステアリングホイール１１の操舵角δ_SW（すなわち、前輪１２，１２の目標舵角）に応じて車両１０の前輪１２，１２の舵角θ_FTを変更する操舵機構（舵角変更機構）１３と、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルク（操舵力）Ｔ_SWおよび車速Ｖに応じたアシストトルク（補助駆動力）Ｔを発生させ、このアシストトルクＴを操舵機構１３に入力する電動パワーステアリング機構（パワーステアリング機構）１４とが設けられている。

また、この車両１０には、操舵トルクセンサ（操舵力検出手段）２１および車速センサ（車速検出手段）２２が備えられている。
このうち、操舵トルクセンサ２１は、ドライバからステアリングホイール１１に入力されたトルクである操舵トルクＴ_SWを検出するものである。
また、車速センサ２２は、車両１０の車速Ｖを検出するものである。

また、この電動パワーステアリング機構１４には電動モータ１５が備えられ、この電動モータ１５は、モータ駆動ユニット１６を介してＥＰＳ ＥＣＵ３１の制御を受けて駆動するようになっている。
また、このＥＰＳ（Electrical control Power Steering） ＥＣＵ３１は、いずれも図示しないインターフェース，メモリ，ＣＰＵなどが備えられた電子制御ユニットであって、モータ角速度検出部（モータ角速度検出手段）２３および基本制御ユニット３２を有して構成されている。

モータ角速度検出部２３は、電動パワーステアリング機構１４に備えられた電動モータ１５に流れるモータ電流を検出し、この検出値の変化率に基づいて、電動モータ１５の角速度ω_Mを算出するものである。
基本制御ユニット３２には、基本アシスト電流設定部（基本駆動力演算手段）４１と、慣性補償部（慣性補償手段）４２と、摩擦補償部４３と、粘性補償部（粘性補償手段）４４と、タイミング調整部（補償制御時期調整手段）４７とが設けられている。なお、これらの基本アシスト電流設定部４１，慣性補償部４２，摩擦補償部４３，粘性補償部４４およびタイミング調整部（補償制御時期調整手段）４７は、それぞれ、メモリ内に格納されたソフトウェアによって実現されている。

基本アシスト電流設定部４１は、操舵トルクセンサ２１によって検出された操舵トルクＴ_SWと、車速センサ２２によって検出された車速Ｖとに応じて、基本アシストトルク（基本駆動力）Ｔ_baseを設定し、その後、この基本アシストトルクＴ_baseに対応した電流である基本アシスト電流Ｉ_baseに変換するものである。なお、この基本アシストトルクＴ_baseは、電動パワーステアリング機構１４の電動モータ１５により生じさせるべきアシストトルクの基本となるものである。

また、基本アシスト電流Ｉ_baseは、この基本アシスト電流設定部４１が図２に示すマップ４６を参照することによって設定されるようになっている。なお、この図２に示すように、操舵トルクＴ_SWおよび基本アシスト電流Ｉ_baseの正負（＋，−）はステアリングホイール１１を基準として、正は左方向（反時計回り方向）、負は右方向（時計回り方向）を示す。

このマップ４６において、基本アシスト電流Ｉ_baseの絶対値は、操舵トルクＴ_SWが第１閾値（±Ｔ_SW1）の絶対値よりも小さい場合にはゼロであり、他方、操舵トルクＴ_SWが第１閾値（±Ｔ_SW1）の絶対値以上になると、第２閾値（±Ｔ_SW2）に達するまでの区間においては、操舵トルクＴ_SWの絶対値の増加に比例して増加するように設定されている。そして、この基本アシスト電流Ｉ_baseの絶対値の増加割合（図２に示す特性線±Ｌ₁，±Ｌ₂，±Ｌ₃の傾き）は、車速Ｖが大きいほど小さくなるように設定されている。また、操舵トルクＴ_SWが第２閾値の絶対値以上の区間において、基本アシスト電流Ｉ_baseの絶対値は一定となるように設定されている。

慣性補償部４２は、電動モータ１５の回転子（図示略）による慣性力を補償する慣性補償制御を実行するものである。より具体的には、モータ角加速度ω_M′と車速Ｖとに基づいて慣性補償トルクＴ_intに対応した電流である慣性補償電流Ｉ_intを算出し、この慣性補償電流Ｉ_intを基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_baseに対して加える制御である慣性補償制御を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_baseを補償するようになっている。なお、モータ角加速度ω_M′は、モータ角速度算出部２３によって算出された電動モータ１５の角速度ω_Mを、モータ角加速度算出部４５が微分することによって得られるようになっている。

また、摩擦補償部４３は、電動モータ１５を含む電動パワーステアリング機構１４におけるギア等の磨耗損失分を補償する摩擦補償制御を実行するものである。より具体的には、車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Mに基づいて、摩擦補償トルクＴ_frcに対応した電流である摩擦補償電流Ｉ_frcを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_baseに対して算出した摩擦補償電流Ｉ_frcを加える制御である摩擦補償制御を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_baseを補償するようになっている。

粘性補償部４４は、電動モータ１５に対するダンピング補償制御（粘性補償制御）を実行するものである。より具体的には、車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Mに基づいて、ダンピング補償トルクＴ_dmpに対応した電流であるダンピング補償電流Ｉ_dmpを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_baseに対して算出したダンピング補償電流Ｉ_dmpを加える制御であるダンピング補償制御を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_baseを補償するようになっている。

タイミング調整部４７は、慣性補償部４２による慣性補償制御の実行開始時期よりも、粘性補償部４４によるダンピング補償制御の実行開始時期を遅らせる制御（粘性補償タイミング制御）を実行するものである。
モータ駆動ユニット１６は、ＥＰＳ ＥＣＵ３１から発せられた目標アシスト電流Ｉ_Tを受け、この目標アシスト電流Ｉ_Tに従って、図示しない電源から電動モータ１５へ供給される電力を制御することで、電動モータ１５へ供給される出力を制御するものであり、電気回路によって実現されている。

本発明の実施形態に係るパワーステアリング機構の制御装置は上述のように構成されているので、以下のような作用および効果を奏する。
図３のフローチャートに示すように、まず、基本制御ユニット３２内の基本アシスト電流設定部４１が、操舵トルクセンサ２１によって検出された操舵トルクＴ_SWを読み込むとともに、車速センサ２２によって検出された車速Ｖを読み込む。そして、これらの操舵トルクＴ_SWと車速Ｖとをマップ４６に適用することで、基本アシストトルクＴ_baseを設定する（ステップＳ１１）。

また、モータ角加速度算出部４５が、モータ角速度算出部２３によって算出された電動モータ１５の角速度ω_Mを微分することでモータ角加速度ω_M′を得る。また、慣性補償部４２が、モータ角加速度算出部４５により得られたモータ角加速度ω_M′を読み込むとともに、車速センサ２２によって検出された車速Ｖを読み込み、モータ角加速度ω_M′と車速Ｖとに基づいて、慣性補償電流Ｉ_intを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_baseに対して算出した慣性補償電流Ｉ_intを加える制御（慣性補償制御）を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_baseを補正する（ステップＳ１２）。

同時に、摩擦補償部４３が、車速センサ２２によって検出された車速Ｖを読み込むとともに、モータ角速度算出部２３によって算出された電動モータ１５の角速度ω_Mを読み込む。そして、読み込んだ車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Mに基づいて、摩擦補償電流Ｉ_frcを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_baseに対して算出した摩擦補償電流Ｉ_frcを加える制御（摩擦補償制御）を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_baseを補正する（ステップＳ１２）。

また、粘性補償部４４が、車速センサ２２によって検出された車速Ｖを読み込むとともに、モータ角速度算出部２３によって算出された電動モータ１５の角速度ω_Mを読み込む。そして、これらの車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Mに基づいて、ダンピング補償電流Ｉ_dmpを算出し、基本アシスト電流設定部４１によって得られた基本アシスト電流Ｉ_baseに対して算出したダンピング補償電流Ｉ_dmpを加える制御（ダンピング補償制御）を実行することで、基本アシスト電流Ｉ_baseを補正する。

このとき、タイミング調整部４７が粘性補償タイミング制御を実行し、慣性補償部４２による慣性補償制御の実行開始時期よりも、粘性補償部４４によるダンピング補償制御の実行開始時期を遅らせる（ステップＳ１３）。
そして、ＥＰＳ ＥＣＵ３１は、上述のステップＳ１２およびＳ１３において補償された基本アシスト電流Ｉ_baseを最終的なアシストトルクＴを示す電流である目標アシスト電流Ｉ_Tを示す指令としてモータ駆動ユニット１６に向けて出力する。そして、モータ駆動ユニット１６が、この目標アシスト電流Ｉ_tを示す指令に従って、電動モータ１５へ供給される出力を制御し、電動モータ１５から操舵機構１３に入力されるアシストトルクＴを調整する（ステップＳ１４）。

ここで、図４を用いて、タイミング調整部４７により、粘性補償タイミング制御が実行された場合に、電動パワーステアリング機構１４から出力されるアシストトルクＴがどのように変化するかを説明する。なお、図４中、実線はステアリングホイール１１の操舵角δ_SWを示し、一点鎖線は慣性補償制御による効果の度合いを示し、二点差線は粘性補償制御による効果の度合いを示し、鎖線は最終的なアシストトルクＴを示す。また、操舵角δ_SWが正である場合にはステアリングホイール１１が左方向（反時計回り方向）に回転していることを示している。

走行中の車両１０のドライバがステアリングホイール１１を左方向に回転させ所定の操舵角δ_SW1で保持しようとした場合を仮定する。
このとき、本実施形態に係る本発明による場合には、ステアリングホイール１１の回転開始から即座に正のアシストトルクＴが所定の大きさＴ₁で立ち上がる。
そして、タイミング調整部４７によって実行された粘性補償タイミング制御により、慣性補償制御の開始時期ｔ₀よりも後の時点ｔ₁において、粘性補償制御が開始される。

なお、この粘性補償制御は、上述のように、車速Ｖおよび電動モータ１５の角速度ω_Mに基づいて、基本アシスト電流Ｉ_baseを減ずるように補償するものであるので、アシストトルクＴは粘性補償制御の開始とともに低減する。
その後、操舵角δ_SWの変化率（操舵角速度）が低減すると（すなわち、操舵角δ_SWの傾きが小さくなると）、これに追従して負のアシストトルクＴもなだらかに抑制されるので（図４中矢印Ｂ₁参照）、ドライバに対して操舵の違和感を覚えさせないようにすることができる。

これに対して、粘性補償タイミング制御が実行されない場合（すなわち、一般的な技術の場合）、図５に示すように、ステアリングホイールを回転させ始めた時点ｔ₀でアシストトルクＴを十分に発生させられず、また、ステアリングホイールを回転させ終わる直前でアシストトルクＴを適切に減じることが出来ない。
より具体的には、図５に示すように、ステアリングホイールを回転させ始めた時点ｔ₀におけるアシストトルクＴの大きさＡ₂（Ｔ＝Ａ₂）は、図４に示す時点ｔ₀におけるアシストトルクＴの大きさＡ₁（Ｔ＝Ａ₁）よりも小さい（Ａ₂＜Ａ₁）。これは、慣性補償と粘性補償との間で制御干渉が生じていることによるものである。このため、ドライバはステアリングホイールを素早く回転させることが出来ない。

これに対して、本実施形態に係る本願発明では、図４に示すように、ステアリングホイール１１の回転開始から即座にアシストトルクＴが十分な大きさＡ₁で立ち上がり、ドライバがステアリングホイール１１を素早く回転させることが出来るのである。
また、従来の技術では、図５中矢印Ｂ₂で示すように、ステアリングホイールを回転させ終わる直前で負のアシストトルク（操舵反力）が急峻に抑制されている。つまり、これは、粘性補償および慣性補償が、それぞれ、操舵角の微分値およびその２回微分値に比例しているため、ステアリングホイール１１の停止と同時にそれぞれの値が０になることによるものである。

このため、従来の技術では、ドライバはステアリングホイールが急激に軽くなったように感じることとなり、ドライバに違和感を与えてしまう。
これに対して、本実施形態に係る本願発明では、図４に示すように、ステアリングホイール１１を回転させ終わる直前であっても負のアシストトルク（操舵反力）がゆるやかに抑制されている。これは、粘性補償を遅れて作用させることで、ステアリングホイール１１の回転が停止しても負のアシストトルクが残るようにしたことによるものである。したがって、ドライバはステアリングホイール１１が急激に軽くなったり重くなったりすることなく、ドライバに違和感を与えないようにすることが出来るのである。

このように、本発明の実施形態に係るパワーステアリング機構の制御装置によれば、慣性補償制御の実行開始時期よりも、粘性補償制御の実行開始時期を遅らせることで、慣性補償制御と粘性補償制御との間の制御干渉を廃しながら、電動パワーステアリング機構１４によるアシストトルクＴを高精度で制御することが出来る。
また、アシストトルクＴの制御を適切に行なうことで、ドライバの適切な操舵を促し、車両１０の挙動を安定させることが出来る。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、タイミング調整部（タイミング調整手段）４７が慣性補償制御の実行開始時期に対する粘性補償制御の実行開始時期を車速に応じて変化させる（すなわち、遅れの時定数を変更する）ようにしてもよい。より好ましくは、車速が速くなるほど遅れの時定数を小さくすることで、慣性補償制御の実行開始時期に対する粘性補償制御の実行開始時期を早めるようにしてもよい。

これにより、高速走行時において、粘性補償が遅れることによるハンドルの収斂性の悪化を防止できるという利点がある。

本発明の一実施形態に係るパワーステアリング機構の制御装置の全体構成を示す模式的なブロック図である。 本発明の一実施形態に係るパワーステアリング機構の制御装置において、基本アシスト電流の算出に用いられるマップを示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るパワーステアリング機構の制御装置による制御の内容を示す模式的なフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るパワーステアリング機構の制御装置により、粘性補償制御に対してタイミング調整を施した場合における電動パワーステアリング機構のアシストトルクを示す模式的なグラフである。 従来の技術により、粘性補償制御に対してタイミング調整を施さなかった場合における電動パワーステアリング機構のアシストトルクを示す模式的なグラフである。

符号の説明

１０ 車両
１１ ステアリングホール（操舵部）
１２ 操舵輪
１３ 操舵機構（舵角変更機構）
１４ 電動パワーステアリング機構（パワーステアリング機構）
２１ 操舵トルクセンサ（操舵力検出手段）
２２ 車速センサ（車速検出手段）
２３ モータ角速度検出部（モータ角速度検出手段）
４１ 基本アシスト電流設定部（基本駆動力演算手段）
４２ 慣性補償部（慣性補償手段）
４４ 粘性補償部（粘性補償手段）
４７ タイミング調整部（補償制御時期調整手段）
Ｔ_SW 操舵トルク（操舵力）
Ｖ 車速

Claims (2)

1. 車両のドライバにより操作され操舵輪に接続された操舵部と、
   該操舵部に入力された操舵角に応じて該操舵輪の舵角を変更する舵角変更機構と、
   該操舵部に入力された操舵力を検出する操舵力検出手段と、
   該車両の車速を検出する車速検出手段と、
   電動モータを有し該操舵力検出手段により検出された該操舵力および該車速検出手段によって検出された該車速に応じた補助駆動力で該電動モータにより該舵角変更機構を駆動するパワーステアリング機構と、
   該電動モータの回転角加速度を検出する角加速度検出手段と、
   該操舵力検出手段により検出された該操舵力と該車速検出手段によって検出された該車速とに基づいて該パワーステアリング機構から出力される該補助駆動力の基本値である基本駆動力を演算する基本駆動力演算手段と、
   該基本駆動力演算手段によって演算された該基本駆動力を補償し該パワーステアリング機構の慣性を抑制する制御である慣性補償制御を実行する慣性補償手段と、
   該角加速度検出手段によって検出された該電動モータの回転角加速度が増大するに従って該基本駆動力の大きさを低減させる制御である粘性補償制御を実行する粘性補償手段と、
   該慣性補償手段による慣性補償制御の実行開始時期よりも、該粘性補償手段による該粘性補償制御の実行開始時期を遅らせる補償制御時期調整手段とを備える
   ことを特徴とする、パワーステアリング機構の制御装置。
2. 該補償制御時期調整手段は、該慣性補償制御の実行開始時期に対する該粘性補償制御の実行開始時期を車速に応じて変化させる
   ことを特徴とする、請求項１記載のパワーステアリング機構の制御装置。

Images