JP2009101930A - 電動パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の運動性能やステアフィールをより向上することが可能な電動パワーステアリング制御装置を提供すること。
【解決手段】補正値算出部７０は、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性を考慮した補正値を算出するピニオン軸捩れ角度補正値算出部７４及びピニオン軸捩れ角速度補正値算出部７５を備えている。このため、トルクセンサ３の検出値によって定められる目標値をその補正値で補正することにより、電動モータ６は、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性による影響を補償した補助操舵トルクを発生することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステアリングホイールから操舵系に操舵トルクが印加されたとき、補助操舵トルクを発生するように電動モータを制御する電動パワーステアリング制御装置に関する。

従来の電動パワーステアリング制御装置では、トルクセンサの微分出力を用いて、電動モータの慣性あるいは電動モータの回転を操舵軸に伝達する伝達機構の応答遅れを補償していた。

しかしながら、従来の電動パワーステアリング制御装置では、一般的に、トーションバーの捩れによって回転力を検出するトルクセンサが、ステアリングホイールと電動モータとの間に設けられている。このため、トルクセンサの微分出力のみを用いて電動モータの慣性を補償した場合、ステアリングホイールの操舵速度に応じてステアリングホイールの慣性が増大し、ステアリングホイールのオーバーシュート量が増加する等の悪影響が発生する。

そのため、例えば特許文献１に記載された電動パワーステアリング制御装置では、操舵トルクセンサの出力から電動モータへ供給すべき目標電流を決定するとともに、操舵トルクセンサの出力と電動モータの回転速度とから位相補償値を求め、目標電流を位相補償値によって補正する。具体的には、操舵トルクセンサの出力を電動モータの回転速度により位相補償した値を用いて電動モータを制御している。
特開平８−２８２５１９号公報

上述したように、従来の電動パワーステアリング制御装置では、基本的に、トーションバーの捩れによって、ステアリングホイールの回転に対する電動モータの回転に位相遅れが生じるので、その位相遅れを補償するように電動モータを制御していた。

しかしながら、本願発明者の詳細な検討によって、電動モータが発生した補助操舵トルクが、左右前輪タイヤまで当該補助操舵トルクを伝達する伝達系における伝達特性の影響を受けるため、即座に左右前輪タイヤに伝達されるわけではないことが明らかとなった。すなわち、そのような伝達系は、操舵軸、ラック軸、及びタイロッドなどからなり、所定の質量を有するとともに、バネ要素も含む。その質量に基づく慣性やバネ要素によって、補助操舵トルクの伝達に遅れが発生するのである。その結果、電動モータが車両の運転者による操舵操作に応じた補助操舵トルクを発生しても、左右前輪タイヤは、車両の運転者の意図通りに転舵されず、車両の運動性能（旋回性能）やステアフィールに悪影響を及ぼす要因となっていた。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、車両の運動性能やステアフィールをより向上することが可能な電動パワーステアリング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に、請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置は、
ステアリングホイールから操舵系に印加される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、
操舵系に連結され、補助操舵トルクを発生する電動モータと、
操舵トルクセンサによって検出される操舵トルクに基づいて、電動モータが発生すべき補助操舵トルクの目標値を演算する目標値演算手段と、
操舵系における、電動モータからタイヤまでの補助操舵トルクの伝達特性に基づいて、補助操舵トルクの補正値を演算する補正値演算手段と、
補助操舵トルクの目標値を補正値によって補正した後の補正目標値に一致するように、電動モータが発生する補助操舵トルクを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

上述した構成によれば、補正値演算手段により、操舵系における、電動モータからタイヤまでの補助操舵トルクの伝達特性に基づいて、補助操舵トルクの補正値が演算される。そして、制御手段は、補助操舵トルクの目標値を補正値によって補正した後の補正目標値に一致するように、電動モータが発生する補助操舵トルクを制御する。その結果、電動モータは、電動モータからタイヤまでの補助操舵トルクの伝達特性による影響を補償した補助操舵トルクを発生することができる。そのため、車両の運動性能及びステアフィールの向上を図ることができる。

請求項２に記載したように、補正値演算手段は、電動モータの回転角度とタイヤの転舵角度との関係が、両角度を対比可能な角度に換算した場合に、両角度の差がゼロに近づく補正値を算出することが好ましい。また、請求項３に記載したように、補正値演算手段は、電動モータの回転角速度とタイヤの転舵角速度との関係が、両角速度を対比可能な角速度に換算した場合に、両角速度の差がゼロに近づく補正値を算出するようにしても良い。いずれの場合も、電動モータからタイヤまでの補助操舵トルクの伝達特性による影響を緩和する補正値を算出することができる。

なお、請求項２に記載した両角度の差に応じた補正値と、請求項３に記載した両角速度の差に応じた補正値とをともに求めても良い。この場合、請求項４に記載したように、角度差に応じて算出された第１の補正値と角速度差に応じて算出された第２の補正値とを加算することにより、最終的な補助操舵トルクの補正値とすることができる。

請求項５に記載したように、操舵系は、トーションバーを介して連結された第１及び第２の操舵軸を有し、操舵トルクセンサは、第１及び第２の操舵軸の回転角度差に応じた値を、ステアリングホイールから操舵系に印加される操舵トルクとして検出するものであり、補正値演算手段は、電動モータが発生する補助操舵トルクと、操舵トルクセンサによって検出される第１及び第２の操舵軸の回転角度差に応じた値を入力し、電動モータの回転角度と前記タイヤの転舵角度とを対比可能な角度に換算した場合の換算角度差を推定する状態推定部を備えることが好ましい。このような状態推定部を備えることにより、センサ等によって容易に観測可能な補助操舵トルク及び第1及び第２の操舵軸の回転角度差から、電動モータの回転角度と、タイヤの転舵角度との角度差を推定により求めることができる。

また、請求項６に記載したように、操舵系は、トーションバーを介して連結された第１及び第２の操舵軸を有し、操舵トルクセンサは、第１及び第２の操舵軸の回転角度差に応じた値を、ステアリングホイールから操舵系に印加される操舵トルクとして検出するものであり、補正値演算手段は、電動モータが発生する補助操舵トルクと、操舵トルクセンサによって検出される第１及び第２の操舵軸の回転角度差に応じた値を入力し、電動モータの回転角速度とタイヤの転舵角速度とを対比可能な角速度に換算した場合の換算角速度差を推定する状態推定部を備えるように構成することもできる。これにより、補助操舵トルク及び第1及び第２の操舵軸の回転角度差から、電動モータの回転角速度と、タイヤの転舵角速度との角速度差を推定により求めることができる。

請求項７に記載したように、操舵系は、ステアリングホイールに接続された操舵軸と、当該操舵軸とラック・ピニオン機構を介して結合され、操舵軸の回転により車両の左右方向への直線運動を行うラック軸と、ラック軸の両端と左右のタイヤホイールとをそれぞれ連結する一対のタイロッドとからなり、電動モータは、操舵軸に連結されても良い。また、請求項８に記載したように、操舵系は、ステアリングホイールに接続された操舵軸と、当該操舵軸とラック・ピニオン機構を介して結合され、操舵軸の回転により車両の左右方向への直線運動を行うラック軸と、ラック軸の両端と左右のタイヤホイールとをそれぞれ連結する一対のタイロッドとからなり、電動モータは、ラック軸に連結されても良い。いずれの構成を採用する場合であっても、電動モータからタイヤまで補助操舵トルクを伝達する伝達系が存在するためである。

（第１実施形態）
次に本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態によるモータ制御装置の制御対象となる、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）を備えたステアリングシステムの全体構成を示す構成図である。

図１において、ステアリングホイール１に接続されたステアリングシャフト２には、トルクセンサ３が設けられている。このトルクセンサ３は、トーションバーを備え、このトーションバーの捩れ角を、ステアリングホイール１に加えられた力である操舵トルクとして検出する。つまり、トーションバーを挟んで上下のステアリングシャフト２には回転角度差が生じる。この回転角度差に応じた値を、ステアリングホイール１からステアリングシャフト２に印加された操舵トルクとして検出するのである。さらに、トーションバーの下側のステアリングシャフト２には、運転者の操舵操作を補助する補助操舵トルクを与える電動パワーステアリング装置４が取り付けられている。

ステアリングシャフト２の先端は、ピニオン軸７に連結されている。このピニオン軸７は、ラックアンドピニオン式のギア機構を介してラック軸８に連結されている。ラック軸８の両端には、タイロッド等を介して左右操舵輪としての一対のタイヤ（ホイール）９がそれぞれ連結されている。従って、ピニオン軸７の回転運動が、ラック軸８の直線運動に変換されると、そのラック軸８の直線運動変位に応じた角度だけ、左右の操舵輪９が転舵される。

電動パワーステアリング装置４は、補助操舵トルクを発生する電動モータ６、及び電動モータ６の回転を減速してステアリングシャフト２に伝達する減速機５を備える。これにより、電動パワーステアリング装置４は、電動モータ６の駆動によって、ステアリングホイール１の操舵方向及び操舵トルクに応じた補助操舵トルクをステアリングシャフト２に伝達することができる。

電動モータ６の駆動は、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、トルクセンサ３によって検出される操舵トルクと、車速センサ１１によって検出される車速とに基づいて、電動モータ６が発生すべき補助操舵トルクの目標値を定める。さらに、ＥＣＵ１０は、詳しくは後述するように、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性に基づいて、補助操舵トルクの補正値を演算する。そして、ＥＣＵ１０は、補助操舵トルクの目標値を補正値によって補正した後の補正目標値に一致するように、電動モータ６が発生する補助操舵トルクを制御する。

以下、本実施形態の特徴部分に係る補助操舵トルクの補正値の演算方法について説明する。本実施形態では、図２に示すモデルに基づいて、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性を考慮した補正値を算出する。このようなモデルを用いることにより、トルクセンサ３による検出値及び電動モータ６が発生する補助操舵トルクから、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性に相当する、電動モータ６の回転角度とラックストロークをそれぞれステアリングシャフトの回転角度に換算した場合の角度差や、それらの角速度差が演算により推定できるためである。

まず、図２に示すモデルについて説明する。図２において、ステアリングホイール１は、慣性質量Ｉｈ［ｋｇｍ²］及び減衰定数Ｃｈ［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］を有する。さらに、運転者によってステアリングホイール１が操舵されたとき、ステアリングホイール１に操舵トルクＴｈ［Ｎｍ］がかかり、かつ、操舵角度θｈ［ｒａｄ］だけ回転される。

２０は、トルクセンサ３におけるトーションバーに相当するものである。ステアリングホイール１が操舵されると、トーションバー２０が捻られる。このとき、トーションバー２０は、捩れバネ定数Ｋｔ［Ｎｍ／ｒａｄ］に従って、捻られていない状態に戻そうとするバネ力を発生する。

３０は、電動モータ６及びステアリングシャフト２を仮想的に一体化したものに相当する。この電動モータ６及びステアリングシャフト２の仮想一体物３０は、慣性質量Ｉｃ［ｋｇｍ²］及び減衰定数Ｃｃ［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］を有する。なお、その際、電動モータ６分の慣性質量は、ステアリングシャフト２における慣性質量に換算して算出される。また、電動モータ６及びステアリングシャフト２の仮想一体物３０は、電動モータ６を含むため、ステアリングシャフト２に対してトルクＴＭ［Ｎｍ］を作用させる。なお、この電動モータ６が発生するトルクＴＭ［Ｎｍ］も、ステアリングシャフト２におけるトルクに換算されている。また、θｃは、ステアリングシャフト２の回転角度に換算した電動モータ６の回転角度である。

ピニオン軸７も、トーションバー２０と同じく、多少ではあるが、回転方向に弾性要素として捩れる。このため、図２では、ピニオン軸７の捩れバネ定数をＫｉｎ［Ｎｍ／ｒａｄ］として示している。５０は、ピニオン軸７が連結されるラック軸８から操舵輪９までを仮想的に一体化したものに相当する。このラック軸８から操舵輪９までの仮想一体物５０は、慣性質量ＩＬ［ｋｇｍ²］及び減衰定数ＣＬ［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］を有する。なお、その際、仮想一体物５０の慣性質量ＩＬは、ステアリングシャフト２における慣性質量に換算して算出されている。また、ＴＬ［Ｎｍ］は、ラック軸８を直線運動させ、ひいては操舵輪９を転舵させる横力を、ステアリングシャフト２の回転トルクに換算したものである。さらに、ラック軸８のストロークは、ステアリングシャフト２の回転角に換算され、θＬ［ｒａｄ］として表されている。

上述したモデルにおいて、ステアリングホイール１、電動モータ６及びステアリングシャフト２の仮想一体物３０、及びラック軸８から操舵輪９までの仮想一体物５０に関しての運動方程式を数式１に示す。

ここで、トーションバー２０における捩れ角度を（θｈ−θｃ）＝θｔとし、ピニオン軸７による捩れ角度を（θｃ−θＬ）＝θｐとすると、数式１は以下の数式２のように変形できる。

上記の数式２をまとめると、以下の数式３に示す状態方程式が得られる。

数式３の状態方程式は、数式４のように簡略化して表記される。

ここで、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性に相当する、電動モータ６の回転角度とラックストロークをそれぞれステアリングシャフト２の回転角度に換算した場合の角度差、つまり、ピニオン軸７の捩れ角度θｐをゼロに近づけることができれば、電動モータ６の回転角と、操舵輪９の転舵角度との差を小さくすることができる。この結果、電動モータ６が車両の運転者による操舵操作に応じた補助操舵トルクを発生して回転すれば、それにほぼ同期して操舵輪９が転舵される。従って、操舵輪９の転舵角度は、車両の運転者の意図通りのものとなり、車両の運動性能（旋回性能）やステアフィールを向上することができる。

上記状態方程式において、ピニオン軸７の捩れ角度θｐをゼロに近づけるためには、最適レギュレータを用いて、以下の数式５に示す評価関数Ｊを最小にする制御入力ｕを求めれば良い。

数式５を、数式６に示す2次形式で表現すると、数式６における行列Ｑ，Ｒは数式７に示すようになる。

なお、数式７において、ｓ＞＞ｒとすれば、Ｔｈ，ＴＬに対するゲインを無視できるほど小さくできる。そして、数式７に示す行列Ｑ，Ｒから、以下の数式８に示すRiccati方程式の解Ｐを求め、その解Ｐを用いて、数式９に示すように制御入力ｕを定めることにより、評価関数Ｊを最小にする制御入力ｕ、すなわち状態フィードバックゲインＫを求めることができる。

他の状態量に対しても、行列Ｑでの重みｑの位置を変えて上記計算を行うことで、評価関数Ｊを最小にする制御入力ｕを求めることが可能である。例えば、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性に相当するパラメータとしては、電動モータ６の回転角速度とラックストローク速度をそれぞれステアリングシャフト２の回転角速度に換算した場合の角速度差、つまり、ピニオン軸７の捩れ角度θｐの一次微分である捩れ角速度がある。この角速度をゼロに近づけるためには、行列Ｑの（５，５）成分を重みｑとすれば良い。

ここで、状態量ｘに対してフィードバックゲインＫを乗じて求めた制御入力ｕによって状態フィードバック制御を行うためには、状態量ｘが全て求められている必要がある。しかしながら、状態量ｘの内、上述した構成におけるセンサ等によって全ての状態量が検出できるわけではない。そのため、本実施形態では、全次元オブザーバを利用して、残りの状態量を推定する。

例えば、トーションバーの捩れ角度θｔだけが検出可能である場合に、このθｔを用いて残りの状態量を推定するには、まず出力方程式を数式１０のように定義する。

さらに、数式１０の出力方程式と数式４の状態方程式を用いて、状態量ｘの推定値ｘ_{_est}を、以下の数式１１に示すように定義する。

このように定義すると、状態量ｘと推定値ｘ_{_est}との差ｅは、以下の数式１２のように表すことができる。

従って、Ｌを適切に定めることにより、状態量ｘと推定値ｘ_{_est}との差ｅがゼロ、すなわち、状態量ｘと推定値ｘ_{_est}とが等しくなり、センサ等によって検出できない状態量の推定が可能になる。

図３に、補助操舵トルクの補正値を算出するための制御ブロック図を示す。図３において、状態量推定部６０は、全次元オブザーバにより構成され、トーションバーの上下のステアリングシャフト２の捩れ角θｔ及び電動モータ６が発生するトルクＴＭを入力として、状態量ｘの推定値ｘ_{_est}を算出するものである。

なお、状態量推定部６０には、モータ発生トルクＴＭの他、ステアリングホイール１の操舵トルクＴｈ及びラック横力ＴＬが入力されても良い。ただし、上述したように、行列Ｒの重みを適宜設定することで、Ｔｈ，ＴＬに対するゲインを無視できるほど小さくできるので、Ｔｈ及びＴＬはゼロとみなしても良い。Ｔｈ及びＴＬを入力する場合には、Ｔｈ及びＴＬをセンサ等によって検出しても良いし、オブザーバなどによって推定しても良い。

また、モータ発生トルクＴＭは、電動モータ６に通電される電流値を電流センサによって検出し、その検出値から算出することができる。その他にも、電動モータ６への電流指令値から推定することも可能であるし、トルクセンサを用いて実際に電動モータ６が発生するトルクを検出しても良い。

補正量算出部７０は、状態量ｘの各パラメータに、上述した最適レギュレータを用いてそれぞれ求めた状態フィードバックゲインＫを乗算することにより、最適な制御入力ｕ、すなわち補助操舵トルクの補正値を算出する。すなわち、補正量算出部７０は、図３に示すように、トーションバーの捩れ角度に応じた補正値を算出するトーションバー捩れ角度補正値算出部７１、トーションバーの捩れ角速度に応じた補正値を算出するトーションバー捩れ角速度補正値算出部７２、電動モータ６の回転速度に応じた補正値を算出するモータ回転速度補正値算出部７３、ピニオン軸７の捩れ角度に応じた補正値を算出するピニオン軸捩れ角度補正値算出部７４、及びピニオン軸７の捩れ角速度に応じた補正値を算出するピニオン軸捩れ角速度補正値算出部７５を有する。これらの補正値算出部７１〜７５でそれぞれ算出された補正値は、加算部８０で加算され、最終的な補助操舵トルクの補正値として出力される。

本実施形態では、このような補正値算出部７０を備え、特に、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性を考慮した補正値を算出するピニオン軸捩れ角度補正値算出部７４及びピニオン軸捩れ角速度補正値算出部７５を備えているので、電動モータ６は、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性による影響を補償した補助操舵トルクを発生することができる。

図４は、モータ発生トルクＴＭの変化が生じたときに、ピニオン捩れ角度θｐが変化する際の周波数特性を示すグラフである。図４に示すように、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性を考慮しない従来例に比較して、本実施形態では、周波数に対するゲインの大きさ及び位相がいずれも滑らかに変化していることがわかる。これにより、電動モータ６から操舵輪９までのトルクの伝達機構が持つ共振特性による影響を緩和し、運転者が意図した通りに操舵輪９が転舵されやすくなるので、車両の運動性能やステアフィールを飛躍的に向上することができる。

なお、上述した実施形態では、補正値算出部７０が、ピニオン軸捩れ角度補正値算出部７４及びピニオン軸捩れ角速度補正値算出部７５をともに備える例について説明したが、いずれか一方の補正値算出部を備えるものであっても良い。いずれかの補正値算出部を備えていれば、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性による影響を補償するための補正値を算出することができるためである。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。上述した第1実施形態では、電動パワーステアリング制御装置の制御対象として、補助操舵トルクを発生する電動モータ６がステアリングシャフト２に連結された、いわゆるコラム式の電動パワーステアリング装置を用いた例について説明した。しかしながら、本発明による電動パワーステアリング制御装置は、電動モータがラック軸に連結された、いわゆるラック式の電動パワーステアリング装置にも適用可能である。

そこで、第２実施形態として、本発明の電動パワーステアリング制御装置が、ラック式電動パワーステアリング装置に適用された場合の、補助操舵トルクの補正値を算出する基礎となるモデルの構成等について説明する。

まず、図５に基づいて、ラック式電動パワーステアリング装置について簡単に説明する。図５に示すように、ラック式電動パワーステアリング装置を有する操舵機構は、電動モータ６の連結位値を除き、コラム式電動パワーステアリング装置を有する操舵機構と同様の構成を備えている。すなわち、ラック式電動パワーステアリング装置を有する操舵機構も、ステアリングホイール１、ステアリングシャフト２、トルクセンサ３、ピニオン軸７、ラック軸８、タイロッド１２等を備えている。

ただし、電動モータ６は、減速機５を介してラック軸８に連結されている。このとき、電動モータ６の出力軸に取り付けられたギアは、ラック軸８の長手方向と直交する方向に切られたギア溝と噛み合わされている。このギア溝は、ラック軸８の長手方向に沿って複数形成されているので、電動モータ６が回転することにより、ラック軸８が車両の左右方向に直線的に移動する。

図６は、ラック式電動パワーステアリング装置を制御対象とする場合の、補助操舵トルクの補正値を算出する基礎となるモデルを説明するためのものである。この図６において、ステアリングホイール１及びトーションバー２０に関しては、コラム式電動パワーステアリング装置の場合と同様である。

３０ａは、電動モータ６及びラック軸８を仮想的に一体化したものに相当する。この電動モータ６及びラック軸８の仮想一体物３０ａは、慣性質量Ｉｃ［ｋｇｍ²］及び減衰定数Ｃｃ［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］を有する。なお、その際、電動モータ６及びラック軸８の慣性質量Ｉｃは、ステアリングシャフト２における慣性質量に換算して算出される。また、電動モータ６及びラック軸８の仮想一体物３０ａは、電動モータ６を含むため、トルクＴＭ［Ｎｍ］を発生する。なお、この電動モータ６が発生するトルクＴＭ［Ｎｍ］も、ステアリングシャフト２におけるトルクに換算されている。

４０は、ラック軸８と操舵輪（ホイール）９間のタイロッド１２や、その間に設けられるブッシュなど、ラック・操舵輪連結部に相当する。このラック・操舵輪連結部４０も弾性を有するため、そのバネ定数をＫｉｎ［Ｎｍ／ｒａｄ］として定めている。５０ａは、操舵輪９のホイールやタイヤに相当するものである。操舵輪９のホイールやタイヤに相当する部分５０ａは、慣性質量ＩＬ［ｋｇｍ²］及び減衰定数ＣＬ［Ｎｍ・ｓ／ｒａｄ］を有する。その際、部分５０ａの慣性質量ＩＬは、ステアリングシャフト２における慣性質量に換算して算出されている。また、ＴＬ［Ｎｍ］は、操舵輪９を転舵させるべくホイールにかかる横力を、ステアリングシャフト２の回転トルクに換算したものである。さらに、操舵輪９の転舵角度は、ステアリングシャフト２の回転角に換算され、θＬ［ｒａｄ］として表されている。

上述したようにモデルを構成し、ステアリングホイール１、電動モータ６及びラック軸８の仮想一体物３０ａ、及び操舵輪９のホイール及びタイヤに相当する部分５０ａに関しての運動方程式を立てると、それは、上記した数式１に示す運動方程式と全く同一となる。従って、ラック式電動パワーステアリング装置を制御対象とする場合であっても、第1実施形態において説明した手法と全く同じ方法で、電動モータ６から操舵輪９までの補助操舵トルクの伝達特性を考慮した補正値を算出することができる。

（第３実施形態）
上述した第１実施形態及び第２実施形態では、ステアリングホイール１から操舵輪９までのステアリングシステム全体を１つのモデルによって表現していた。しかしながら、第３実施形態では、ステアリングシステム全体を１つのモデルで表現するのではなく、図７に示すように、電動モータ６を基準としてステアリングシステムを分離し、ステアリングホイール１から電動モータ６までの上側モデルと、電動モータ６から操舵輪９までの下側モデルとによって表現する。このように上側モデルと下側モデルとに分離された分離モデルを用いることにより、例えば上側モデルにおける電動モータの挙動に対する要求と、下側モデルにおける電動モータの挙動に対する要求が異なる場合でも、それぞれの要求に応じた補正値を独立して算出することができる。このように、分離モデルを用いることによって、電動モータが発生する補助操舵トルクの制御の自由度が向上するので、より適切な制御を行うことができる。なお、以下に、電動モータ６がステアリングシャフト２に連結されたコラム式の場合について説明するが、ラック式の場合でも同様であることは言うまでも無い。

上側モデルにおける、ステアリングホイール１、及び電動モータ６とステアリングシャフト２の仮想一体物３０に関しての運動方程式を、以下の数式１３に示す。

なお、上側モデルにおける電動モータ６の回転角度はθｃｕと表されている。また、下側モデルから上側モデルに入力されるトルクをＴｉｎとして表している。

θｈ−θｃｕ＝θｔとすると、数式１３の運動方程式から数式１４に示す状態方程式が得られる。

同様にして、下側モデルに関する運動方程式を数式１５に示し、状態方程式を数式１６に示す。なお、下側モデルにおける電動モータ６の回転角度はθｃｌと表される。また、上側モデルから下側モデルに入力されるトルクをＴｔとして表す。

そして、上述した状態方程式に基づいて、上側モデル及び下側モデルに関して、第１実施形態と同様の手法を用いて状態フィードバックゲインＫを求める。

図８に、本実施形態における、補助操舵トルクの補正値を算出するための制御ブロック図を示す。図８において、状態量推定部６０Ａは、上側モデル推定部６１と下側モデル推定部６２とからなる。上側モデル推定部６１は、トーションバーの捩れ角度θｔを観測可能であるため、全次元オブザーバを利用している。一方、下側モデル推定部６２の場合、観測可能な状態量がないので、制御入力ｕのみモデルに与えることで、全ての状態量の推定値を演算している。

なお、上述したように、上側モデル推定部６１から下側モデル推定部６２にトルクＴｔを入力すべく、上側モデル推定部６１が出力する状態量ｘの内、トーションバーの捩れ角度θｔに所定のゲインＫｔを乗じてトルクＴｔを求めて、下側モデル推定部６２に与えている。逆に、下側モデル推定部６２から上側モデル推定部６１にトルクＴｉｎを入力すべく、下側モデル推定部６２が出力する状態量ｘのうち、ピニオン軸７の捩れ角度θｐに所定のゲイン−Ｋｉｎを乗じてトルクＴｉｎを求め、上側モデル推定部６１に与えている。

補正量算出部７０Ａは、上側モデル推定部６１及び下側モデル推定部６２からそれぞれ出力された状態量ｘの各パラメータに、状態フィードバックゲインＫを乗算することにより、補助操舵トルクの補正値を算出する。この補正量算出部７０Ａの構成は、ほぼ、第1実施形態における補正量算出部７０と同様であるが、上側モデル推定部６１から出力される電動モータの回転速度に応じて補正値を算出するモータ回転速度補正値算出部７３Ａと、下側モデル推定部６２から出力される電動モータ６の回転速度に応じて補正値を算出するモータ回転速度補正値算出部７３Ｂとを備える点で異なる。

このように、電動モータ６の回転速度に応じて補正値を算出する算出部を、上側モデル及び下側モデルに対応して２箇所に設けたので、上側モデルにおける要求と下側モデルにおける要求をそれぞれ満足するように補正値を独立して設定することができる。

第１実施形態による電動パワーステアリング制御装置の制御対象となる、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）を備えたステアリングシステムの全体構成を示す構成図である。 図１に示すステアリングシステムのモデル図である。 第１実施形態の電動パワーステアリング制御装置における、補助操舵トルクの補正値を算出するための制御ブロック図である。 モータ発生トルクＴＭの変化が生じたときに、ピニオン捩れ角度θｐが変化する際の周波数特性を示すグラフである。 第２実施形態による電動パワーステアリング制御装置の制御対象となる、ラック式電動パワーステアリング装置について説明するための説明図である。 ラック式電動パワーステアリング装置を制御対象とする場合の、補助操舵トルクの補正値を算出する基礎となるモデルを示すモデル図である。 第３実施形態において、電動モータを基準として、ステアリングシステムを上側モデルと下側モデルとに分離したモデル図である。 第３実施形態の電動パワーステアリング制御装置における、補助操舵トルクの補正値を算出するための制御ブロック図である。

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、４…電動パワーステアリング装置、５…減速機、６…電動モータ、７…ピニオン軸、８…ラック軸、９…操舵輪、１０…ＥＣＵ、１１…車速センサ、６０…状態量推定部、７０…補正量算出部

Claims (8)

1. ステアリングホイールから操舵系に印加される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、
   前記操舵系に連結され、補助操舵トルクを発生する電動モータと、
   前記操舵トルクセンサによって検出される操舵トルクに基づいて、前記電動モータが発生すべき補助操舵トルクの目標値を演算する目標値演算手段と、
   前記操舵系における、前記電動モータからタイヤまでの補助操舵トルクの伝達特性に基づいて、前記補助操舵トルクの補正値を演算する補正値演算手段と、
   前記補助操舵トルクの目標値を前記補正値によって補正した後の補正目標値に一致するように、前記電動モータが発生する補助操舵トルクを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
2. 前記補正値演算手段は、前記電動モータの回転角度と前記タイヤの転舵角度との関係が、両角度を対比可能な角度に換算した場合に、両角度の差がゼロに近づく補正値を算出す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制御装置。
3. 前記補正値演算手段は、前記電動モータの回転角速度と前記タイヤの転舵角速度との関係が、両角速度を対比可能な角速度に換算した場合に、両角速度の差がゼロに近づく補正値を算出す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制御装置。
4. 前記補正値演算手段は、
   前記電動モータの回転角度と前記タイヤの転舵角度との関係が、両角度を対比可能な角度に換算した場合に、両角度の差がゼロに近づく第１の補正値を算出し、
   前記電動モータの回転角速度と前記タイヤの転舵角速度との関係が、両角速度を対比可能な角速度に換算した場合に、両角速度の差がゼロに近づく第２の補正値を算出して、
   前記第１の補正値と前記第２の補正値を加算して前記補助操舵トルクの補正値を演算す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制御装置
5. 前記操舵系は、トーションバーを介して連結された第１及び第２の操舵軸を有し、
   前記操舵トルクセンサは、前記第１及び第２の操舵軸の回転角度差に応じた値を、前記ステアリングホイールから操舵系に印加される操舵トルクとして検出するものであり、
   前記補正値演算手段は、前記電動モータが発生する補助操舵トルクと、前記操舵トルクセンサによって検出される前記第１及び第２の操舵軸の回転角度差に応じた値を入力し、前記電動モータの回転角度と前記タイヤの転舵角度とを対比可能な角度に換算した場合の換算角度差を推定する状態推定部を備えることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の電動パワーステアリング制御装置。
6. 前記操舵系は、トーションバーを介して連結された第１及び第２の操舵軸を有し、
   前記操舵トルクセンサは、前記第１及び第２の操舵軸の回転角度差に応じた値を、前記ステアリングホイールから操舵系に印加される操舵トルクとして検出するものであり、
   前記補正値演算手段は、前記電動モータが発生する補助操舵トルクと、前記操舵トルクセンサによって検出される前記第１及び第２の操舵軸の回転角度差に応じた値を入力し、前記電動モータの回転角速度と前記タイヤの転舵角速度とを対比可能な角速度に換算した場合の換算角速度差を推定する状態推定部を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電動パワーステアリング制御装置。
7. 前記操舵系は、前記ステアリングホイールに接続された操舵軸と、当該操舵軸とラック・ピニオン機構を介して結合され、前記操舵軸の回転により車両の左右方向への直線運動を行うラック軸と、前記ラック軸の両端と左右のタイヤホイールとをそれぞれ連結する一対のタイロッドとからなり、
   前記電動モータは、前記操舵軸に連結されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電動パワーステアリング制御装置。
8. 前記操舵系は、前記ステアリングホイールに接続された操舵軸と、当該操舵軸とラック・ピニオン機構を介して結合され、前記操舵軸の回転により車両の左右方向への直線運動を行うラック軸と、前記ラック軸の両端と左右のタイヤホイールとをそれぞれ連結する一対のタイロッドとからなり、
   前記電動モータは、前記ラック軸に連結されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電動パワーステアリング制御装置。

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