JP2009166715A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵補助制御の安定性を確保しつつ、良好な操舵感を実現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に基づいて基本操舵補助指令値Ｉｒを演算し、位相遅れ補償部２２で基本操舵補助指令値Ｉｒに対して位相遅れ補償を行って操舵補助指令値Ｉｒａを演算し、ロバスト安定化補償部２３で位相補償された操舵補助指令値Ｉｒａに対してロバスト安定化補償を行って操舵補助指令値Ｉｒｂを演算する。そして、この操舵補助指令値Ｉｒｂを各補償値で補償した操舵補助指令値Ｉｔに基づいて電動モータ１２を駆動制御する。
【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、特に良好な操舵感を実現でき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、操舵トルク検出手段の出力をモータ回転速度に応じて位相補償した値を用いて、モータを制御するというものが知られている（例えば、特許文献１）。ここでは、モータ回転速度が速くなるにしたがって、位相進み補償のゲインを小さくすることにより、ゆっくり操舵したときは位相進み補償を効かせてアシストトルク制御の安定性を確保し、速い操舵をしたときは位相進み補償の効果を弱めてハンドルのフラフラ感を低減させている。
特開平８−２８２５１９号公報

しかしながら、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、アシストトルク制御の安定性を確保するために設けられている位相進み補償を、操舵感の調整のために用いているため、特に、速い操舵では安定性の確保が不十分となり、操舵状態によっては安定性が悪化してしまう。
そこで、本発明は、操舵補助制御の安定性を確保しつつ、良好な操舵感を実現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、操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記操舵補助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、
前記操舵補助指令値演算手段は、操舵トルクに基づいて演算される基本操舵補助指令値に対して位相遅れ補償を行う位相遅れ補償手段を備え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、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、操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記操舵補助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、
前記操舵補助指令値演算手段は、操舵トルクに基づいて演算される基本操舵補助指令値に対して位相遅れ補償を行う位相遅れ補償手段と、該位相遅れ補償手段で位相補償した操舵補助指令値をロバスト安定化補償する安定化補償手段とを備えることを特徴としている。

また、請求項３に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１又は２に係る発明において、前記位相遅れ補償手段の周波数帯が１０Ｈｚ以下に設定されていることを特徴としている。
さらに、請求項４に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１〜３の何れか１項に係る発明において、周波数に対する相補感度関数が１０Ｈｚ〜３０Ｈｚの周波数帯で１に近づくように設定されてい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、操舵補助指令値演算手段が位相遅れ補償手段を含むので、ハンドル操作による操舵トルクに対する操舵補助を遅らせて、操舵に手応えを与えることができ、その結果、ハンドルのフラフラ感を無くして良好な操舵感を実現することができる。
また、安定性補償手段でアシストトルク制御の安定性を確保し、その上で位相遅れ補償を加えるので、アシストトルク制御の安定性を確保するための手段を用いることなく操舵感を調整可能となり、安定性を確保しつつ良好な操舵感を実現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Ｔ検出する非接触式トルクセンサである。

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、操舵補助指令値演算部４１と、指令補償部４２と、モータ駆動部４３と、を備えている。

操舵補助指令値演算部４１は、アシストマップ部２１と、位相遅れ補償部２２と、ロバスト安定化補償部２３と、センタ応答性改善部２４とを備えている。
アシストマップ部２１には、操舵トルクＴ及び車速Ｖｓが入力され、ルックアップテーブル等を参照して基本操舵補助指令値Ｉｒが出力される。
位相遅れ補償部２２は、アシストマップ部２１から入力される基本操舵補助指令値Ｉｒに対し位相遅れ補償を施し、その結果である操舵補助指令値Ｉｒａをロバスト安定化補償部２３に出力する。具体的には、（Ｔ₁ｓ＋１）／（Ｔ₂ｓ＋１）のような伝達特性を基本操舵補助指令値Ｉｒに作用させるものとする。なお、Ｔ₁＜Ｔ₂である。

図３は、位相遅れ補償部２２の周波数特性を示す図である。この位相遅れ補償部２２は、１０Ｈｚ以下の低周波数帯を位相遅れ特性とするように設定されている。
ロバスト安定化補償部２３は、特開平８−２９０７７８号公報に示されているような補償部であり、ｓをラプラス演算子とする特性式Ｇ（ｓ）＝（ｓ²＋ａ１・ｓ＋ａ２）／（ｓ²＋ｂ１・ｓ＋ｂ２）を有し、検出トルクに含まれる慣性要素とバネ要素から成る共振系の共振周波数のピーク値を除去し、制御系の安定性と応答性を阻害する共振周波数の位相のずれを補償する。なお、特性式Ｇ（ｓ）のａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は共振系の共振周波数により決定されるパラメータである。

このロバスト安定化補償部２３は、図４に示す周波数特性を有する。
そして、このロバスト安定化補償部２３から出力される操舵補助指令値Ｉｒｂは、後述する加算器３６に出力される。
センタ応答性改善部２４は、操舵トルクＴが入力されて、センタ応答性改善指令値Ｉｒｃを加算器３６に対して出力する。このセンタ応答性改善部２４では、アシスト特性不感帯での安定性確保、静摩擦の補償を行うようになっている。

具体的には、センタ応答性改善部２４は、図５に示すように、位相補償部２４Ａ、近似微分部２４Ｂ及びゲイン設定部２４Ｃで構成され、位相補償と近似微分との合成特性は図６に示すようになる。また、ゲイン設定部２４Ｃでは、車速Ｖｓ及び操舵トルクＴによってゲインを切り換えて設定する。更に、ハンドルが急に戻されるような不安な操舵感を低減し、保舵を安定させるため、操舵トルク大で、かつ操舵トルク変化率大とし、操舵トルク減少方向の場合にゲインを小さくする。

指令補償部４２は、角速度演算部３１と、角加速度演算部３２と、収斂性補償部３３と、慣性補償部３４と、加算器３５と、を備えている。
角速度演算部３１は、モータ電流検出部６０で検出されたモータ電流Ｉｍと、端子電圧検出部７０で検出された電動モータ１２の端子電圧Ｖｍ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＝（Ｖｍ−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
角加速度演算部３２は、角速度演算部３１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、これを慣性補償部３４に出力する。
収斂性補償部３３は、角速度演算部３１で算出されたモータ角速度ω及び車速Ｖｓに基づいてヨーレートの収斂性を補償する収斂性補償値Ｉｃを出力する。

慣性補償部３４は、モータ角速度αに基づいて、電動モータ１２の慣性により発生するトルク相当分を補償して慣性感又は制御応答性の悪化を防止するための慣性補償値Ｉｉを出力する。
そして、収斂性補償値Ｉｃと慣性補償値Ｉｉとが加算器３５で加算されて指令補償値Ｉｃｏｍが算出され、これが加算器３６に出力される。

加算器３６では、ロバスト安定化補償部２３から出力される操舵補助指令値Ｉｒｂと、センタ応答性改善部２４から出力されるセンタ応答性改善指令値Ｉｒｃと、指令補償部４２から出力される指令補償値Ｉｃｏｍとが加算され、その結果である操舵補助指令値Ｉｔをモータ駆動部４３に出力する。
モータ駆動部４３は、電流指令値Ｉｔからモータ電流検出部６０で検出されたモータ電流Ｉｍを減算して電流偏差ΔＩを求める減算器６１と、電流偏差ΔＩに対して比例積分制御を行って電圧指令値Ｖｔを算出するＰＩ電流制御部６２と、電圧指令値Ｖｔに基づいてデューティ演算を行ってデューティ比を算出し、そのデューティ比に基づいてパルス幅変調を行ってパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調部６３と、このパルス幅変調信号に基づいてモータ電流Ｉを電動モータ１２に出力するＨブリッジ回路６４と、を備えている。

さらに、本実施形態では、周波数に対する相補感度関数を、抑制したい外乱が存在する帯域（１０Ｈｚ〜３０Ｈｚ）で１に近づくように設定するものとする。
図７は、望ましい相補感度関数を示す特性図である。この図７に示すように、運転者が感応する周波数に対する相補感度関数Ｔ（ｓ）は常時１以下であり、電動パワーステアリング装置の固有値（１０Ｈｚ〜１３Ｈｚ）からサスペンションの固有値（１３Ｈｚ〜１７Ｈｚ）を経て、更にフラッタ振動領域（１５Ｈｚ〜２５Ｈｚ）を経てモータのトルクリップル領域（１５Ｈｚ〜３０Ｈｚ）までにおいて、平坦つまり０ｄＢ＝１に近い直線特性となっており、他の領域においてはゼロに近づくような傾斜特性となっている。

つまり、抑制したい外乱が存在する帯域では相補感度関数Ｔ（ｓ）が“１”に近づくように、伝えたい外乱が存在する帯域では相補感度関数Ｔ（ｓ）が“０”に近づくように設定する。これは、相補感度関数Ｔ（ｓ）の定義から、“１”のときは完全に外乱を抑制し、“０”のときは外乱が全く抑圧されずに伝わることを意味するからである。
そして、本実施形態では、以下のような機械設計が図７に示す相補感度関数をより効果的に実現する。具体的には、特開２０００−１５９１２８号公報に示されているような転がり式ラックアンドピニオンを使用し、プレッシャパッド部に摩擦ブロックを配設することでラック推力が低い領域での逆入力を低くし、高速走行で重要な微小舵角領域での路面情報を改善したり、モータ減速機構のウォーム軸支持部において、ラバーダンパ（ゴム）を、ブッシュを介してスプライン部に挿入することで、モータの摩擦及び慣性に阻止されることなく路面情報をハンドル軸に伝達したり、操舵トルクを検出するトルクセンサとして非接触式トルクセンサを使用することで、トルクセンサの検出特性のヒステリシス特性を小さく抑えたりする。

なお、図２において、操舵補助指令値演算部４１が操舵補助指令値演算手段に対応し、モータ駆動部４３がモータ駆動制御手段に対応し、位相遅れ補償部２２が位相遅れ補償手段に対応し、ロバスト安定化補償部２３が安定化補償手段に対応している。
以上のような構成により、運転者による操舵操作によってトルクセンサ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が操舵補助制御装置２０に入力され、アシストマップ部２１で操舵トルクＴ及び車速Ｖｓに応じた基本操舵補助指令値Ｉｒが算出される。基本操舵補助指令値Ｉｒは、操舵トルクに対する操舵補助を遅らせるために位相遅れ補償部２２で位相補償され、位相補償された操舵補助指令値Ｉｒａがロバスト安定化補償部２３に入力される。そして、ロバスト安定化補償部２３でロバスト安定化補償された操舵補助指令値Ｉｒｂが加算器３６に入力される。

一方、モータ電流検出部６０で検出されたモータ電流Ｉｍと、端子電圧検出部７０で検出された電動モータ１２の端子電圧Ｖｍとが角速度演算部３１に入力されてモータ角速度ωが算出され、このモータ角速度ωが角加速度演算部３２に入力されてモータ角加速度αが算出される。
そして、収斂性補償部３３でモータ角速度ω及び車速Ｖｓに基づいて収斂性補償値Ｉｃが算出され、慣性補償部３４でモータ角加速度αに基づいて慣性補償値Ｉｉが算出され、これらが加算器３５に入力されて指令値補償値Ｉｃｏｍが算出され、これが加算器３６で操舵補助指令値Ｉｒｂに加算される。

さらに、センタ応答性改善部２４でセンタ応答性改善指令値Ｉｒｃが算出され、これも加算器３６で操舵補助指令値Ｉｒｂに加算される。
加算器３６から出力される操舵補助指令値Ｉｔは、モータ駆動部４３に入力され、このモータ駆動部４３で、モータ電流検出部６０で検出されたモータ電流Ｉｍと上記操舵補助指令値Ｉｔとに基づいた電流フィードバック制御により電動モータ１２が駆動制御される。これにより、操舵トルクＴに応じた操舵補助トルクが発生され、これが減速ギヤ１１を介してステアリングシャフト２の出力軸２ｂに伝達されるので、運転者の操舵負担を軽減させることができる。

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操舵補助指令値を演算し、位相遅れ補償部で当該基本操舵補助指令値に対して位相遅れ補償を施すと共に、安定化補償部で位相遅れ補償部から出力される操舵補助指令値をロバスト安定化補償する。したがって、操舵補助指令値演算部に位相遅れ補償を含むので、ハンドル操作による操舵トルクに対する操舵補助を遅らせて、操舵に手応えを与えることができ、その結果、ハンドルのフラフラ感を無くして良好な操舵感を実現することができる。

ところで、従来の電動パワーステアリング装置として、操舵補助指令値演算部に位相進み補償を含み、操舵速度が大きくなるにしたがって当該位相進み補償のゲインを小さくすることで、ゆっくり操舵したときには位相進み補償を効かせて安定性を確保し、速い操舵をしたときには位相進み補償の効果を弱めてハンドルのフラフラ感を低減させるというものがある。

しかしながら、この場合、アシストトルク制御の安定性を確保するために用いる位相進み補償を、操舵感の改善のために用いているため、安定性の確保が不十分となり、操舵状態によっては安定性が悪化してしまう。
これに対して、本実施形態では、操舵補助指令値演算部に安定性確保のためのロバスト安定化補償と操舵感改善のための位相遅れ補償とを含むので、操舵系の安定性の確保と操舵感の向上との両立を実現することができる。

また、前記位相遅れ補償の周波数帯を１０Ｈｚ以下に設定するので、数Ｈｚ程度の低周波数帯を位相遅れ特性とすることができ、速いハンドル操作においても手応え感のある良好な操舵感を実現することができる。
さらに、前記位相遅れ補償の周波数に対する相補感度関数を、１０Ｈｚ〜３０Ｈｚで１に近づけるように設定するので、路面情報に合致した望ましい相補感度関数に適合した制御系を実現することができ、安定かつ快適な操舵感を得ることができる。

なお、上記実施形態においては、モータ電流Ｉｍ及びモータ端子電圧Ｖｍ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、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を備えるものとし、このロータ位置検出回路で検出したロータ回転角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。 位相遅れ補償部の周波数特性である。 ロバスト安定化補償部の周波数特性である。 センタ応答性改善部の構成を示すブロック図である。 センタ応答性改善部における位相補償部及び近似微分部の合成特性を示す図である。 望ましい相補感度関数を示す特性図である。

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…アシストマップ部、２２…位相遅れ補償部、２３…ロバスト安定化補償部、２４…センタ応答性改善部、３１…角速度演算部、３２…角加速度演算部、３３…収斂性補償部、３４…慣性補償部、３５…加算器、３６…加算器、４１…操舵補助指令値演算部、４２…指令補償部、４３…モータ駆動部

Claims (4)

1. 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、操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記操舵補助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、
   前記操舵補助指令値演算手段は、操舵トルクに基づいて演算される基本操舵補助指令値に対して位相遅れ補償を行う位相遅れ補償手段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. 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、操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記操舵補助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、
   前記操舵補助指令値演算手段は、操舵トルクに基づいて演算される基本操舵補助指令値に対して位相遅れ補償を行う位相遅れ補償手段と、該位相遅れ補償手段で位相補償した操舵補助指令値をロバスト安定化補償する安定化補償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。
3. 前記位相遅れ補償手段の周波数帯が１０Ｈｚ以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 周波数に対する相補感度関数が１０Ｈｚ〜３０Ｈｚの周波数帯で１に近づくように設定されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。

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