JP2008222115A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラック軸の負荷による外乱を抑制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】電動パワーステアリング装置１０は、操舵トルクに応じて補助トルクを発生する装置であり、ステアリングホイール１１の操舵角に応じて目標ラック移動量ＳＴ１を設定するラック移動量設定部７１と、実際のラック移動量ＳＴ２を検出するラック移動量検出部７２と、目標ラック移動量と実際のラック移動量の偏差を算出する偏差演算部７３と、偏差演算部から出力される偏差信号が０になるように補助トルクの値を補正する補助トルク補正部７６とを備える。補助トルクを生じさせる目標電流制御指令値を、目標ラック移動量と実ラック移動量との偏差に基づいて補正する。
【選択図】図３

Description

本発明は電動パワーステアリング装置に関し、特に、自動車の運転の際に運転者の操舵負担を軽減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は、電気モータを動力源とする操舵力倍力装置と、マイクロコンピュータユニットおよびモータ駆動回路等から成る制御装置を備える。車両走行中に運転者がステアリングホイール（操舵ハンドル）を操舵力を与えると、電動パワーステアリング装置では、ステアリング軸で生じる操舵トルク、および車速を検出し、これらの検出信号に基づき制御装置でモータをＰＷＭ駆動する。これにより、操舵トルクを補う補助トルクを発生させ、運転者の操舵力を軽減する。この場合に、発生する補助トルクの値（アシスト量）は操舵トルクに応じて決定される。

電動パワーステアリング装置の従来例として特許文献１に記載された装置を挙げることができる。特許文献１は、本出願人が先に行った特許出願に基づく公知文献である。特許文献１に記載された電動パワーステアリング装置は、制御装置内のモータ駆動回路に電力を供給する車両の電源で出力電圧の変動が生じたとしても、モータの出力が変動しないようにし、運転者に快適な操舵感を与えることができる。

特許文献１に記載された電動パワーステアリング装置では、特許文献１の図１および図５を参照すれば、その制御装置（２２：括弧書き内に記載された参照番号は図１または図５に示された番号である。以下同じ。）内のモータ制御部（６０）は、基本制御部（６８等）と、イナーシャ制御部（６４）と、ダンパー制御部（６５）を含む。このモータ制御部（６０）に対して、検出部として、操舵トルク検出部（２０）と、車速検出部（２１）と、モータ回転角検出部（２３Ａ：最終的にはモータ角速度を検出する。）が設けられている。これらの検出部の各々の検出信号はモータ制御部（６０）に入力される。モータ制御部（６０）の基本制御部は目標電流を設定する手段（６８）を含む。またイナーシャ制御部（６４）はイナーシャを補正する手段であり、ダンパー制御部（６５）はダンピングを補正する手段である。
特開２００４−３３０８７７号公報

特許文献１に記載された電動パワーステアリング装置で明らかなように、従来の電動パワーステアリング装置のモータ制御部の基本的な構成は、操舵トルクと車速とモータ角速度の検知情報を用いて目標電流量とイナーシャ補正量とダンパー補正量を生成し、これらの量に基づき最終的な目標電流制御指令値を生成し、モータの動作制御を行って所要の補助トルクを得るようにしていた。

このため従来の電動パワーステアリング装置よれば、ステアリング軸と、両端部に転舵輪を備えたラック軸とを係合させるラック・ピニオン機構において、当該ラック軸に加わる負荷に起因する外乱を全く考慮していなかった。ラック軸の負荷による外乱を直接的に補償する制御構成は全く提案されていなかった。従って本発明の課題は、ラック軸の負荷による外乱を直接補償する制御構成を提案することである。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ラック軸の負荷による外乱を抑制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にある。

本発明に係る電動パワーステアリング装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の電動パワーステアリング装置（請求項１に対応）は、操舵トルクに応じて補助トルクを発生する装置であり、ステアリングホイールの操舵角に応じて目標ラック移動量を設定するラック移動量設定部と、実際のラック移動量を検出するラック移動量検出部と、目標ラック移動量と実際のラック移動量の偏差を算出する偏差演算部と、偏差演算部から出力される偏差信号が０になるように補助トルクの値を補正する補助トルク補正部とを備える。

上記の電動パワーステアリング装置では、操舵トルクに応じて当該操舵トルクに付加される補助トルクを生じさせるための目標電流制御指令値を生成する基本的な制御構成に対して、当該目標電流制御指令値を、目標ラック移動量と実際のラック移動量との偏差に基づいて補正する。すなわち、ラック軸の負荷に起因する外乱に対する補正を直接に行うことが可能となり、ラック軸の負荷に起因する外乱の影響を抑制する。

第２の電動パワーステアリング装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、補助トルク補正部は、偏差演算部から出力される偏差信号を補助トルクを発生させる目標電流制御指令値に加算する構成を有することを特徴とする。

本発明によれば、電動パワーステアリング装置において、操舵トルクに応じた補助トルクを生じさせる目標電流制御指令値を生成する基本的な制御構成に対して、当該目標電流制御指令値を、目標ラック移動量と実際のラック移動量との偏差に基づいて補正するようにしたため、ラック軸の負荷による外乱を直接補償することができ、ラック軸の負荷に起因する外乱の影響を抑制することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３を参照して、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施形態を説明する。

図１は本実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示す。電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール（操舵ハンドル）１１に連結されるステアリング軸１２に対して、運転者が与える操舵トルクを補助するトルク（補助トルク）を与えるように構成される。ステアリング軸１２の上端はステアリングホイール１１に連結され、下端にはピニオンギヤ１３が取り付けられている。ピニオンギヤ１３に対して、これに噛み合うラックギヤ１４ａを設けたラック軸１４が配置されている。ピニオンギヤ１３とラックギヤ１４ａによってラック・ピニオン機構１５が形成される。ラック軸１４の両端にはタイロッド１６が設けられ、各タイロッド１６の外側端には前輪（転舵輪）１７が取り付けられている。

上記のステアリング軸１２に対して、動力伝達機構１８を介してブラシレスモータ１９が設けられている。ブラシレスモータ１９は、操舵トルクを補助するための回転力を出力する。この回転力は、上記補助トルクとして、動力伝達機構１８を経由してステアリング軸１２に与えられる。

またステアリング軸１２には操舵トルク検出部２０が設けられている。操舵トルク検出部２０は、運転者がステアリングホイール１１を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸１２に加えたとき、ステアリング軸１２に加わる当該操舵トルクを検出する。操舵トルク検出部２０は例えばトーションバーを利用して成る検出装置で構成されている。

また図１において、符号２１はステアリング軸１２の回転による操舵角すなわち舵角を検出する舵角センサを示し、符号２２は車両の車速を検出する車速検出部を示し、符号２３はマイクロコンピュータ等で構成される制御装置を示している。

制御装置２３は、操舵トルク検出部２０から出力される操舵トルク信号（Ｔ）と、舵角センサ２１から出力される舵角信号（Ｓ）と、車速検出部２２から出力される車速信号（Ｖ）を取り入れ、操舵トルク情報を舵角情報と車速情報に基づいて、ブラシレスモータ１９の回転駆動するモータ電流ＳＧ１を出力する。またブラシレスモータ１９には、レゾルバを含むモータ回転角検出部２４が付設されている。モータ回転角検出部２４の回転角信号ＳＧ２は制御装置２３にフィードバックされている。上記のラック・ピニオン機構１５は、図１中で図示しないギヤボックスに収納されている。

電動パワーステアリング装置１０は、通常のステアリング系の機械的な装置構成に対し、動力伝達機構１８、ブラシレスモータ１９、操舵トルク検出部２０、舵角センサ２１、車速検出部２２、制御装置２３を付加した構成を有する。

上記の構成によれば、運転者がステアリングホイール１１を操作して自動車の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸１２に加えられた操舵トルクに基づく回転力はラック・ピニオン機構１５を介してラック軸１４の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド１６を介して前輪１７の走行方向を変化させる。この時、同時に、ステアリング軸１２に付設された操舵トルク検出部２０は、ステアリングホイール１１での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置２３へ出力する。また舵角センサ２１は舵角（操舵角またはハンドル角）を検出し、舵角信号Ｓを制御装置２３へ出力する。車速検出部２２は、車両の車速を検出して車速信号Ｖに変換し、この車速信号Ｖを制御装置２３へ出力する。制御装置２３は、操舵トルク信号Ｔ、舵角信号Ｓ、および車速信号Ｖに基づいて目標電流制御指令値を生成し、ブラシレスモータ１９を駆動するためのモータ電流を発生する。モータ電流によって駆動されるブラシレスモータ１９は、動力伝達機構１８を介して補助トルクをステアリング軸１２に作用させる。以上のごとくブラシレスモータ１９を駆動することにより、ステアリングホイール１１に加える運転者の操舵力が軽減される。

次に図２を参照して、ブラシレスモータ１９の回転動作（回転角）を制御するための基本的なモータ制御部の構成の一例を説明する。このモータ制御部３０は上記制御装置２３内に設けられる。

ブラシレスモータ１９にはその回転角を検出するためのレゾルバ２４Ａが取り付けられている。当該レゾルバ２４Ａはモータ回転角検出部２４に含まれている。

ブラシレスモータ１９の回転角を制御するためのモータ制御部３０は、その入力側の前段に、位相補正部３１、目標電流設定部３２、イナーシャ補正部３３、およびダンパー補正部３４を備えている。

位相補正部３１は、操舵トルク検出部２０からの操舵トルク信号Ｔを車速検出部２２からの車速信号Ｖに基づいて位相補正をして、補正操舵トルク信号Ｔ’を目標電流設定部３２に出力する。

イナーシャ補正部３３は、操舵トルク検出部２０からの操舵トルク信号Ｔ、車速検出部２１からの車速信号Ｖ、およびモータ回転角検出部２４から出力された回転角速度信号（モータ角速度信号）Ｗを微分する微分処理部３５からの角加速度信号に基づいて、イナーシャ補正を行うためのイナーシャ補正信号ｄｉを生成する。イナーシャ補正信号ｄｉは加算演算部３６に出力される。

ダンパー補正部３４は、操舵トルク検出部２０からの操舵トルク信号Ｔ、車速検出部２１からの車速信号Ｖ、およびモータ回転角検出部２４のＲＤ（レゾルバデジタル）変換部２４Ｂからの回転角速度信号Ｗに基づいて、ダンパー補正をするためのダンパー補正信号ｄｄを生成する。ダンパー補正信号ｄｄは減算演算部３７に出力される。

目標電流設定部３２は、補正操舵トルク信号Ｔ’と車速信号Ｖに基づいて、２相目標電流（Ｉｄ１，Ｉｑ１）を計算し出力する。２相目標電流（Ｉｄ１，Ｉｑ１）は、ブラシレスモータ１９の回転子上の永久磁石が作り出す回転磁束と同期した回転座標系で、永久磁石のｄ軸とｑ軸の各々に対応するものである。２相目標電流（Ｉｄ１，Ｉｑ１）の各々は「ｄ軸目標電流」、「ｑ軸目標電流」と呼ばれる。

２相の目標電流（Ｉｄ１，Ｉｑ１）には加算演算部３６でイナーシャ補正信号ｄｉが加算され、イナーシャ補正後目標電流（Ｉｄ２，Ｉｑ２）が生成される。イナーシャ補正後目標電流（Ｉｄ２，Ｉｑ２）は減算演算部３７でダンパー補正信号ｄｄが減算され、ダンパー補正後目標電流（Ｉｄ３，Ｉｑ３）が生成される。このダンパー補正後目標電流（Ｉｄ３，Ｉｑ３）の各々は「ｄ軸最終目標電流Ｉｄ^＊」，「ｑ軸最終目標電流Ｉｑ^＊」と呼ばれる。

さらに、モータ制御部３０の出力側の後段には、偏差演算部４１、ＰＩ設定部４２、非干渉化制御部４３、演算部７４、ｄｑ−３相変換部７５、モータ駆動部（インバータ）４６、３相の駆動電流路４７、モータ電流検出部４８，４９、３相−ｄｑ変換部５０が設けられている。

上記のｄ軸およびｑ軸の最終目標電流（Ｉｄ^＊，Ｉｑ^＊）は、偏差演算部４１で、ｄ軸およびｑ軸の検出電流（Ｉｄ，Ｉｑ）がそれぞれ減算され、これにより偏差（ＤＩｄ，ＤＩｑ）が計算され、ＰＩ設定部４２に出力される。

ＰＩ設定部４２は、偏差（ＤＩｄ，ＤＩｑ）に基づき演算し、検出電流（Ｉｄ，Ｉｑ）が最終目標電流に追従するように目標電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）を計算する。この目標電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）は、非干渉化制御部４３と演算部４４により、ｄ軸およびｑ軸の補正目標電圧（Ｖｄ’，Ｖｑ’）に補正され、ｄｑ−３相変換部４５に出力される。

なお図２では、図示の便宜上、１組の加算演算部３６、減算演算部３７、偏差演算部４１、ＰＩ設定部４２、演算部４４が示されているが、実際にはこの組は２つの目標電流（Ｉｄ１，Ｉｄ２）のそれぞれに設けられる。

非干渉化制御部４３は、検出電流（Ｉｄ，Ｉｑ）および回転子の回転角速度信号Ｗに基づいて、目標電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）のための非干渉化制御補正値を計算する。

演算部４４は、目標電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）から非干渉化制御補正値を減算することにより、補正目標電圧（Ｖｄ’，Ｖｑ’）を算出し、ｄｑ−３相変換手段７５に出力する。

ｄｑ−３相変換手段４５は、補正目標電圧（Ｖｄ’，Ｖｑ’）を３相目標電圧（Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊）に変換し、モータ駆動部（インバータ）４６に出力する。

モータ駆動部４６はＰＷＭ電圧発生部（プリドライブ回路）とインバータ回路を含む。モータ駆動部４６は、３相目標電圧（Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊）に対応したＰＷＭ制御電圧信号を生成してインバータ回路に出力し、インバータ回路は３相の交流駆動電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を発生し、駆動電流路４７を介してブラシレスモータ１９に供給する。

３相の駆動電流路４７のうちの２つにはモータ電流検出部４８，４９が設けられる。モータ電流検出部４８，４９は駆動電流Ｉｕ，Ｉｗを検出して３相−ｄｑ変換部５０に出力する。この３相−ｄｑ変換部５０では、検出した駆動電流Ｉｕ，Ｉｗに基づいて残りの駆動電流Ｉｖを計算する。３相−ｄｑ変換部５０は３相検出駆動電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを２相のｄ軸およびｑ軸の検出電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。

レゾルバ２４Ａからの信号は上記のＲＤ変換部２４Ｂに連続的に供給される。ＲＤ変換部２４Ｂは、ブラシレスモータ１９における回転子の固定子に対する角度（回転角：θ）を計算し、このモータの角度信号θをｄｑ−３相変換部４５と３相−ｄｑ変換部５０に供給する。さらにＲＤ変換部２４Ｂは、角度（θ）に基づき回転角速度（Ｗ）を計算し、回転角速度信号Ｗを、前述のごとくダンパー補正部３４と微分処理部３５と非干渉化制御部４３に供給する。

以上に説明したモータ制御部３０で、波線で示したブロック６０がモータ制御部３０の基礎的制御構成部である。この基礎的制御構成部６０の内部構成を、さらに機能的な観点のブロック図で示すと、図３に示すごとくなる。

図３において、基礎的制御構成部６０は、カスケードに接続されたベース制御部６１とイナーシャ制御部６２とダンパー制御部６３とから構成される。ベース制御部６１は上記の位相検出部３１と目標電流設定部３２とによって構成される。イナーシャ制御部６２は上記のイナーシャ補正部３３と加算演算部３６とによって構成される。ダンパー制御部６３は上記のダンパー補正部３４と減算演算部３７とによって構成される。

上記の基礎的制御構成部６０には、操舵トルク検出部２０からの操舵トルク信号Ｔと、車速検出部２２からの車速信号Ｖと、モータ回転角検出部２４からの回転角速度信号Ｗとが入力されている。さらに最終段のダンパー制御部６３からは、ダンパー補正後目標電流であるｄ軸最終目標電流Ｉｄ^＊とｑ軸最終目標電流Ｉｑ^＊が出力される。

電動パワーステアリング装置１０の基礎的制御構成部６０に対して、ラック軸１４の負荷（ラックロード）に起因する外乱を直接補償するラックロード外乱補正部７０が付加される。

ラックロード外乱補正部７０は、ラック軸１４の軸方向の移動量（以下「ラックストローク」と記す）について、制御目標値として設定される目標ラックストローク（ＳＴ１）と、実際に計測される実ラックストローク（ＳＴ２）との偏差を求め、当該偏差に応じて上記の最終目標電流（ｄ軸最終目標電流Ｉｄ^＊とｑ軸最終目標電流Ｉｑ^＊）を補正する機能を有している。

ラックロード外乱補正部７０において、目標ラックストロークＳＴ１は、舵角センサ２１から出力された舵角信号Ｓ（操舵角またはハンドル角に相当）に対して、乗算演算部７１でステアリングギヤ比（Ｓｎ）を掛けることにより算出される。また実ラックストロークＳＴ２は、モータ回転角検出部２４から出力されたモータの角度信号θに対して、乗算演算部７２でモータ回転角をラックストロークに換算するギヤ比（Ｓｚ）を掛けることにより算出される。算出された目標ラックストロークＳＴ１と実ラックストロークＳＴ２は減算演算部７３に入力される。減算演算部７３は目標ラックストロークＳＴ１と実ラックストロークＳＴ２の偏差を算出する。減算演算部７３から出力される偏差信号は、増幅部（Ｋ）７４と補償器フィルタ７５を経由して加算演算部７６に入力される。この加算演算部７６は、図２に示したモータ制御部３０の構成では、減算演算部３７と偏差演算部４１との間に配置される。加算演算部７６では、ダンパー制御部６３から出力される最終目標電流（ｄ軸最終目標電流Ｉｄ^＊とｑ軸最終目標電流Ｉｑ^＊）に対して、補償器フィルタ７５からの偏差信号が加算される。ダンパー制御部６３からの終目標電流に係る信号に補償器フィルタ７５からの偏差信号を加算して成る信号を目標電流制御指令値として偏差演算部４１に供給する。また実ラックストロークは、センサを追加して直接測定してもよい。

偏差演算部７３で偏差信号が出力することは、ラックロード成分（外乱）が原因となって本来あるべきラックストローク（目標ラックストロークＳＴ１）が実現されていないことを意味する。

電動パワーステアリング装置１０におけるモータ制御部３０の基礎的制御構成部６０に対して上記構成を有するラックロード外乱補正部７０を設けたため、偏差演算部７３の偏差信号が０になるように制御が行われ、これによりラック軸１４の負荷に起因する外乱を直接的に補償することができる。

上記のごときモータ制御部３０の基礎的制御構成部６０に対するラックロード外乱補正部７０の付加の構成については、波線に示すように、アクティブ反力等の車両挙動フィードバック制御の構成８１と組み合わせて付設するようにすることもできる。

以上の実施形態で説明された構成や配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、乗用自動車等で運転者の操舵力を軽減する電動パワーステアリングでラックロードに起因する外乱を除去し操舵感の良好性を高めるのに利用される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の全体構成を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置のモータ制御部の基本的な構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る電動パワーステアリング装置のモータ制御部の特徴的な構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 電動パワーステアリング装置
１１ ステアリングホイール
１２ ステアリング軸
１３ ピニオン
１４ ラック軸
１５ ラック・ピニオン機構
１９ ブラシレスモータ
２０ 操舵トルク検出部
２１ 舵角センサ
２２ 車速検出部
２３ 制御装置
２４ モータ回転角検出部
３０ モータ制御部
３１ 位相検出部
３２ 目標電流設定部
３３ イナーシャ補正部
３４ ダンパー補正部
６０ 基礎的制御構成部
６１ ベース制御部
６２ イナーシャ制御部
６３ ダンパー制御部
７０ ラックロード外乱補正部

Claims (2)

1. 操舵トルクに応じて補助トルクを発生する電動パワーステアリング装置において、
   ステアリングホイールの操舵角に応じて目標ラック移動量を設定するラック移動量設定手段と、
   実際のラック移動量を検出するラック移動量検出手段と、
   前記目標ラック移動量と前記実際のラック移動量の偏差を算出する偏差演算手段と、
   前記偏差演算手段から出力される偏差信号が０になるように前記補助トルクの値を補正する補助トルク補正手段と、
   を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記補助トルク補正手段は、前記偏差演算手段から出力される前記偏差信号を前記補助トルクを発生させる目標電流制御指令値に加算する構成を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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