JP2009537374A - 自動車の電動パワーステアリングシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車の電動パワーステアリングシステムに関する。前記システムは、ステアリングラック（３）のアクチュエータ（４）と、運転者によってハンドル（２）に加えられるトルクを測定するセンサ（７）とを備え、アクチュエータ及びセンサは、ハンドル（２）とステアリングラック（３）との間のステアリングコラム（１）に、そしてアクチュエータ（４）とハンドル（２）との間のステアリングコラム（１）にそれぞれ配設される。本発明によるシステムは、電動パワーステアリングの最終アシストトルクを高性能に制御する手段（９）を備え、最終アシストトルクは、ステアリングラック（３）のアクチュエータ（４）、及びステアリングコラム（１）上のトルク測定センサ（７）を同じ場所に配置しやすいように設定され、これにより、システムの動作を表わすボーデ線図における位相シフトが、システムの機械共振の２つの主要な周波数においてほぼゼロになる。

Description

本発明は、自動車の電動パワーステアリングに関するシステム及び方法に関する。

従来から、自動車にはシャーシと、客室と、シャーシに懸架機構を介して連結される車輪とが装備され、この場合、操蛇可能な前輪は、車両の客室の運転者が使用するハンドルで制御される。

ハンドルとこれらの車輪との間には、ステアリングコラムが配設され、連結されてハンドルと一緒に回転し、ステアリングコラムの下側端部には、ステアリングラックに作用するピニオンが配設され、ステアリングラックによって車輪をほぼ垂直な軸の回りに回動させて、これらの車輪の向き、及び車両シャーシの回動を確保することができる。

このようなステアリング機構には、電動パワーステアリングが採用され、電動パワーステアリングによって、運転者の作業、特に停止時（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）、例えば駐車運転操作時の運転操作中の作業を軽減することができる。

機構は普通、ハンドルとステアリングラックとの間のステアリングコラムに配設されるステアリングラックアクチュエータと、そして運転者によってハンドルに加えられるトルクを測定するセンサとを含み、センサはアクチュエータとハンドルとの間のステアリングコラムに配設される。

仏国特許第２８１４４２３号は、パワーステアリングシステムの電動モータによって供給する必要のあるアシストトルクを決定する方法に関する発明である。アシストトルクは、運転者によるトルクに、運転者によるトルク及び車両速度に応じたアシストゲインを乗算することにより得られる。
このようなシステムでは、システムの機械共振の問題を考慮に入れていない。

実際、電動パワーステアリングが、車両のフロントアクスルアセンブリに結合することにより、２つの大きな機械共振が発生する電気機械システムが構成される。
これら２つの大きな共振の各共振は、周波数（共振周波数）、減衰（共振時のＱファクタ）、及びモード変形によって特徴付けられる。

モード変形は、考察対象の共振周波数で同相振動するポイント全ての幾何学的変位のイメージとして理解することができる。
これらの共振周波数では、システムの安定性は大幅に低下し、これによって実際、システムの振動が発生する。

サーボゲインを小さくして、ループ系の通過帯域幅を、これら２つの主共振モードの周波数に対して小さくするシステムが存在する。しかしながら、ループ系のゲインのこのような低下によって、これら２つの主共振の内の一つが発生する場合の性能低下が著しくなる。

他のシステムでは、サーボゲインは、フィルタリングによって周波数領域で局部的に小さくなる。このようなシステムでは、２つの主共振周波数でのサーボ制御の性能が著しく低下する。

従って、本発明の一の目的は、これら２つの主共振の内の一つの動作モードに到達した際に、電動パワーステアリングシステムの性能を低下させることなく、これら２つの主共振に対する制御を管理することにある。

従って、本発明の一の態様によれば、自動車の電動パワーステアリングシステムが提案され、前記パワーステアリングシステムは、ステアリングラックのアクチュエータと、運転者によってハンドルに加えられるトルクを測定するセンサとを備え、前記アクチュエータ及びセンサは、ハンドルとステアリングラックとの間のステアリングコラム、及びアクチュエータとハンドルとの間のステアリングコラムにそれぞれ配設される。本システムは、電動パワーステアリングの最終アシストトルクを高性能に制御する高性能制御手段を備え、最終アシストトルクは、ステアリングラックのアクチュエータ、及びステアリングコラム上のトルク測定センサを同じ場所に配置しやすいように設定され、これによりシステムの２つの主要な機械共振周波数において、システムの動作を表わすボーデ線図における位相シフトがほぼゼロになる。

このようなフィルタリングにより、システムの動作を表わすボーデ線図における位相シフトを、共振周波数においてほぼゼロにすることができるので、ステアリングラックのアクチュエータ、及びステアリングコラム上のトルク測定センサを同じ場所に配置しやすくなり、従って、システム性能を低下させることなく、これらの共振周波数におけるシステムの発振を回避することができる。
電動パワーステアリングの最終アシストトルクは、アクチュエータによってステアリングコラムに伝達されるトルクである。

一の実施形態によれば、システムは、運転者によってハンドルに加えられるトルクの測定値に応じて、所定の初期アシストトルク及び所定のアシストゲインを推定する手段を備える。

例えば、所定の初期アシストトルクは、所定の数値関数、または車載測量システム（ｏｎ−ｂｏａｒｄ ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｙ）を利用して計算される。所定のアシストゲインは、初期アシストトルクの勾配値に対応し、この勾配値は、運転者によってハンドルに加えられるトルクの測定値によって変わる。

一の実施形態によれば、前記高性能制御手段は、アシストゲインに応じて初期アシストトルクの値をフィルタリングする第１フィルタリング手段を含む。

一の実施形態によれば、前記高性能制御手段は、運転者によってハンドルに加えられるトルクの測定値をフィルタリングする第２フィルタリング手段を含む。

一の実施形態によれば、前記高性能制御手段は、前記高性能制御手段の出力における前記最終アシストトルクの値を出力するために、第１フィルタリング手段及び第２フィルタリング手段からの出力信号を加算する手段を含む。

一の実施形態によれば、前記アクチュエータは電動モータを含み、前記システムは更に、前記最終アシストトルクを、電動モータに供給される電流に関する該当する指令に変換する手段を備える。

一の実施形態によれば、低域通過型の前記第１フィルタリング手段は、約π／４ラジアンの位相遅れを、システムの第１の主要な機械共振周波数に付与するのに適している。

一の実施形態によれば、高域通過型の前記第２フィルタリング手段は、約π／４ラジアンの位相進みを、システムの第２の主要な機械共振周波数に付与するのに適している。

本発明の別の態様によれば、自動車の電動パワーステアリングを管理する方法が提案され、前記方法では、電動パワーステアリングの最終アシストトルクが、ステアリングラックのアクチュエータ、及びステアリングコラム上に位置するトルク測定センサを同じ場所に配置しやすいように設定されるので、システムの２つの主要な機械共振周波数において、システムの動作を表わすボーデ線図における位相シフトが、ほぼゼロになる。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、本発明を限定しない幾つかの例に関する以下の記述を添付の図を参照しながら一読することにより、明確になると考えられる。

図１に示すように、自動車の電動パワーステアリングシステムは、一括して番号１で指示され、かつ一方の端部に、ハンドル２が回転可能に連結されたステアリングコラムを備え、このステアリングコラムは、ハンドルの回転運動を、番号３で指示され、それ自体は公知のステアリングラック／ピニオンアセンブリの並進運動に変換する。

減速ギア６によってアシストトルクをステアリングコラム１に発生させる電動モータ５を含むアクチュエータ４は、車両の操舵可能な車輪の転舵をアシストする。

運転者がハンドル２に加えるトルクを測定するセンサ７は、ハンドル２とアクチュエータ４との間に配置される。

モジュール８は、運転者がハンドル２に加えるトルクＣ_ｃの測定値に応じて、所定の初期アシストトルクＣ’_ａを推定するために設けられる。

トルク測定センサ７は、運転者がハンドル２に加えるトルクの値Ｃ_ｃを推定モジュール８と高性能制御モジュール９に、それぞれ接続線１０及び１１を介して送信する。

推定モジュール８は高性能制御モジュール９に、一方では接続線１２を介して所定の初期アシストトルクの値Ｃ’_ａを、そして他方では接続線１３を介して所定のアシストゲインＧ_ａを送信する。

高性能制御モジュール９は、電動パワーステアリングの最終アシストトルクＣ_ａを設定し、最終アシストトルクは、アクチュエータ４、及びトルク測定センサ７を同じ場所に配置しやすいように設定される。別の表現をすると、アクチュエータ４及びトルク測定センサ７をステアリングコラム上で同じ場所に位置決めしやすくするということである。

最終アシストトルクの値Ｃ_ａは、高性能制御モジュール９によって接続線１４を介して変換モジュール１５に送信され、変換モジュール１５は、最終アシストトルク指令Ｃ_ａを、該当する指令Ｃ_ｅｌに変換し、当該指令によって接続線１６を介して電動モータ５に電流を供給する。

変換モジュール１５には、出力から入力へのフィードバックループ１７が付加され、指令Ｃ_ｅｌを送信する。

図２は、高性能制御モジュール９の更に詳細な実施形態を示している。
高性能制御モジュール９は、低域通過型の第１フィルタリングモジュール１８と、高域通過型の第２フィルタリングモジュール１９、そして加算モジュール２０を含む。

第１フィルタリングモジュール１８は入力として、初期アシストトルクの値Ｃ’_ａ及びアシストゲインの値Ｇ_ａを、それぞれ接続線１２及び１３を介して受信する。

第２フィルタリングモジュール１９は入力として、運転者がハンドルに加え、かつセンサ７によって測定されるトルクの値Ｃ_ｃを、接続線１１を介して受信する。

加算モジュール２０は入力として、第１及び第２フィルタリングモジュール１８及び１９の該当する出力を、接続線２１及び２２を介して受信する。

加算モジュール２０は、高性能制御モジュール９からの出力として、最終アシストトルクの値Ｃ_ａを、接続線１４を介して出力する。

このようなシステムでは、２つの主要な機械共振周波数が観測される。
第１共振周波数は、フロントアクスルステアリングアセンブリの横方向剛性、及びハンドル及び自動車の慣性力によって発生する。第１共振周波数に対応する角周波数ω_{１Ｄ．Ａ．Ｅ}を表わす数式は次のようになる：

上の式では、パラメータは以下の通りである：
ｋ_０は、フロントアクスルアセンブリの横方向（走行方向に直交する方向の）剛性をＮ（ニュートン）／ｍ（メートル）で表わし；
ｎ_ｒｋは、ステアリングラックのギア比をｍ／ｒａｄ（ラジアン）で表わし；
ｎ_ｇｂは、無次元の減速比を表わし；
Ｊ_ｍｏｔは、電動モータの慣性力をｋｇ．ｍ^２で表わし；そして
Ｊ_ＳＷは、ハンドルの慣性力をｋｇ．ｍ^２で表わす。

第１共振周波数は、普通、３Ｈｚ〜６Ｈｚの範囲の低い共振周波数である。このような周波数では、トルクセンサ７の剛性は無限大であると考えることができる。

第２共振周波数は、トルクセンサ７の剛性、及びハンドル２の慣性力、及び電動モータ５の慣性力によって発生する。対応する角周波数ω_{２Ｄ．Ａ．Ｅ}を表わす数式は次のようになる：

上の式では、パラメータは以下の通りである：
ｋ_ｓｅｎは、トルクセンサの剛性をＮｍ／ｒａｄで表わしている。

この共振は、ほぼ１４Ｈｚ〜２０Ｈｚの高い方の周波数に対応する。振動は、電動モータ５の慣性力の位相がハンドル２の慣性力の位相と逆になり、かつトルクセンサ７の剛性がこれらの２つの慣性力の間の値になるような振動である。

一般的には、機械的要素によって生じる共振を持つシステムに関する、主要なサーボ制御安定性の問題は、トルクセンサ７及びアクチュエータ４を同じ場所に配置するという問題である。

センサ及びアクチュエータを組み込んだシステムでは、アクチュエータによって加わる力、及びセンサによって行なわれる測定が同じ慣性力に作用する場合に、これら２つの構成要素が同じ場所に配置される（ｉｄｅｎｔｉｃａｌｌｙ ｌｏｃａｔｅｄ）と言える。同じ場所に配置される（ｉｄｅｎｔｉｃａｌ ｌｏｃａｔｉｏｎ）ことによって、機械システムによる同相動作を確実に行なうことができ（入力と出力との間の位相ずれが無い）、共振周波数での安定性の問題を解決することができる。

電動パワーステアリングの場合、高いコストと嵩張るという理由により、アクチュエータ４及びセンサ７が同じ場所に配置されるという原理に対応することができない。

本発明により、同じ場所への配置（ｃｏ−ｌｏｃａｔｉｏｎ）がフィルタリングによって可能となり、共振周波数で、ほぼゼロの位相シフトを、システムの動作を表わすボーデ線図において達成することができる。

電動パワーステアリングは、以下の方程式系によってモデル化することができ、この方程式系では、ラプラス変換が適用されている（ｆが［０；＋∞］の区間で定義される局所可積分関数（ｌｏｃａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｂｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である場合、ｓ＝ｘ＋ｉｙと置いたときの関数

はｆのラプラス変換であると表現される）。

上の式では、パラメータは以下の通りである：
θ_ｍｏｔは、モータ角度をｒａｄ（ラジアン）で表わし；
Ｋｃは、モータトルク定数をＮｍ／Ａ（ニュートンメートル／アンペア）で表わし；
ｉは、モータ電流をＡ（アンペア）で表わし；
ｋ_ｇｂは、減速ギアの剛性をＮｍ／ｒａｄで表わし；
ｑ_ｇｂは、減速ギアの相対変位をｒａｄで表わし；
Ｍ_ｒｋは、ステアリングラックの質量をｋｇで表わし；
Ｊ_ｃｏｌは、ステアリングコラムの慣性力をｋｇ．ｍ^２で表わし；
ｘ_ｒｋは、ステアリングラックの変位をｍ（メートル）で表わし；
ｑ_ｓｅｎは、トルクセンサの相対変位をｒａｄで表わし；
Ｆｙは、アシスト力をＮ（ニュートン）で表わし；
θ_ＳＷは、ハンドルの回転角度をｒａｄで表わし；そして
Ｃ_Ｃは、運転者がハンドルに加えるトルクをＮｍ（ニュートンメートル）で表わす。

上に挙げた方程式によって、電動モータ５に供給される電流と、運転者がハンドル２に加えるトルクＣ_Ｃとの間の伝達特性に対応する伝達関数ＯＬ_ｄａｅを、以下のように導出することができる：

得られる伝達関数を考慮に入れながら、第１フィルタリングモジュール１８によって第１共振周波数で行なわれる低域通過型のフィルタリングを使用することにより、π／４ラジアンまたは４５°にほぼ等しい位相遅れを付与することができる。第１フィルタリングモジュール１８の伝達関数は次式によって与えられ：

上の式では、アシストゲインＧ_ａは、推定モジュール８の所定のアシスト発生条件（ａｓｓｉｓｔ ｌａｗ）によって与えられるゲインである。

更に、角周波数ω_{ｌｏｗ−ｐａｓｓ}は次の方程式によって定義される：

上の式では、パラメータは以下の通りである：
ξは、無次元の換算減衰係数（ｒｅｄｕｃｅｄ ｄａｍｐｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を表わす。

第１共振を所定の減衰係数ξで減衰させる動作が保証される。角周波数ω_{ｌｏｗ−ｐａｓｓ}を求める数式は、アシストトルクと運転者によって加えられるトルクとの間の閉ループ伝達関数を計算し、次に運転者によって加えられるトルクを、第１共振周波数の近傍でテイラー級数展開することにより導出される。減衰条件から、第１低域通過フィルタリングモジュール１８の角周波数ω_{ｌｏｗ−ｐａｓｓ}を求める。

角周波数ω_{ｌｏｗ−ｐａｓｓ}は、電動モータ５の物理パラメータ、フロントアクスルアセンブリの見掛け上の剛性、ステアリングラックのギア比、所望の減衰率及びアシストゲインＧ_ａの関数として明示的に与えられる。従って、角周波数ω_{ｌｏｗ−ｐａｓｓ}は、アシスト発生条件の動作ポイントによって変わる形で非定常的に変動し、このポイントによってアシストゲインＧ_ａの値が固定される。

これとは異なり、第２の高い共振周波数では、第２フィルタリングモジュール１９は、高域通過フィルタによるフィルタリング処理を行なって、π／４ラジアンまたは４５°にほぼ等しい位相進みを、システムの第２機械共振周波数に付与する。

第２フィルタリングモジュール１９の伝達関数は次式の通りである：

上の式では、パラメータは以下の通りである：
Ｋｖは、位相進みゲインをＡ／ｓ（アンペア／秒）で表わす。

ゲインＫｖ及び角周波数ω_{ｈｉｇｈ−ｐａｓｓ}は、以下の数式によって定義される：

閉ループでは、システムにおいて第２共振が、

に近い減衰率で減衰する。高域通過型の第２フィルタリングモジュール１９のカットオフ周波数に対応するゲインＫｖ及び角周波数ω_{ｈｉｇｈ−ｐａｓｓ}は、アシストゲインＧ_ａによって変わることはなく、電動パワーステアリングの物理パラメータによってのみ変わる。

従って、高性能制御モジュール９の制御方式により、全体として伝達関数は以下のようになる：

２つのフィルタリングモジュール１８及び１９では、実装し易い、従ってコストが安く付く１次フィルタリングを行なう。

本発明の一の実施形態によるシステムの一の実施形態を示す。 本発明の一の態様による電動パワーステアリングの最終アシストトルクを高性能に制御するモジュールを示す。

Claims (6)

1. 自動車の電動パワーステアリングシステムであって、ステアリングラック（３）のアクチュエータ（４）と、運転者によってハンドル（２）に加えられるトルクを測定するセンサ（７）とを備え、前記アクチュエータ及びセンサは、ハンドル（２）とステアリングラック（３）との間のステアリングコラム（１）、及びアクチュエータ（４）とハンドル（２）との間のステアリングコラム（１）にそれぞれ配設され、前記パワーステアリングシステムは、電動パワーステアリングの最終アシストトルクを高性能に制御する高性能制御手段（９）を備え、最終アシストトルクは、ステアリングラック（３）のアクチュエータ（４）、及びステアリングコラム（１）上のトルク測定センサ（７）を同じ場所に配置しやすいように設定されており、これによりシステムの２つの主要な機械共振周波数において、システムの動作を表わすボーデ線図の位相シフトがほぼゼロになり、前記高性能制御手段（９）は、アシストゲインに応じて初期アシストトルクの値をフィルタリングする第１フィルタリング手段（１８）と、運転者によってハンドル（２）に加えられるトルクの測定値をフィルタリングする第２フィルタリング手段（１９）とを含むことを特徴とし、前記パワーステアリングシステムは、運転者によってハンドル（２）に加えられるトルクの測定値に応じて、所定の初期アシストトルク及び所定のアシストゲインを推定する手段（８）を備えることを特徴とする、電動パワーステアリングシステム。
2. 前記高性能制御手段（９）は、前記高性能制御手段（９）の出力における前記最終アシストトルクの値を出力するために、第１フィルタリング手段（１８）及び第２フィルタリング手段（１９）からの出力信号を加算する手段（２０）を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記アクチュエータ（４）は電動モータ（５）を含み、そして前記システムは更に、前記最終アシストトルクの値を、電動モータ（５）に供給される電流に関する該当する指令に変換する手段（１５）を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 低域通過型の前記第１フィルタリング手段（１８）は、約π／４ラジアンの位相遅れを、システムの第１の主要な機械共振周波数に付与するのに適している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 高域通過型の前記第２フィルタリング手段（１９）は、約π／４ラジアンの位相進みを、システムの第２の主要な機械共振周波数に付与するのに適している、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 自動車の電動パワーステアリングを管理する方法であって、電動パワーステアリングの最終アシストトルクが、ステアリングラック（３）のアクチュエータ（４）、及びステアリングコラム（１）上に位置するトルク測定センサ（７）を同じ場所に配置しやすいように設定されるので、システムの２つの主要な機械共振周波数において、システムの動作を表わすボーデ線図における位相シフトが、アシストゲインに応じて初期アシストトルクをフィルタリングすることによって、そして運転者によってハンドルに加えられるトルクの測定値をフィルタリングすることによって、ほぼゼロになることを特徴とする方法。

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