JP2010069975A

JP2010069975A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2010069975A
Application number: JP2008237458A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nakano; 泰宏中野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】操舵時の音や振動を低減し操舵フィーリングを向上させた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１は、ＥＰＳ制御部２０において、Ａ−Ｄ変換器３１は、トルクセンサ５からのトルクセンサ信号をＡ−Ｄ変換し、ＬＰＦ３２によって濾波した後に、このトルクセンサ信号に基づいて、ＥＰＳ制御部２０のアシスト制御部３８などが目標電流を演算し、モータ７を駆動することで車両の操舵をアシストする。Ａ−Ｄ変換器３１では、電動パワーステアリング装置１の制御周期よりも短い周期でサンプリングを行い、トルクセンサ信号のＡ−Ｄ変換を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、操舵時に音や振動を大幅に低減した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、運転者がステアリングホイールを操作した操舵力に応じ、電動モータを駆動して補助操舵力を操舵系に加え、運転者の負担を軽減するものである。電動パワーステアリング装置において、良好な操舵フィーリングを得るには、ステアリングホイールの操作（すなわち、トルクセンサによるトルクの検出）から、実際に補助操舵力が操舵系に加わるまでの応答遅れ（位相遅れ）が小さく、不測の振動などが生じないことが求められる。

従来、制御用トルクデータを低域通過フィルタ（ＬＰＦ）で処理して高周波成分を除去し、低域通過フィルタでの処理前のトルクデータと処理後のトルクデータとの差を求めて、トルクデータの微分値を求め、目標電流値をこの微分値で補正して、電動モータを駆動する「パワーステアリング装置」が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２４９０５８号公報

しかしながら、ＥＰＳ（電動パワーステアリング）装置では、一般に、ＥＰＳ制御に用いる信号の周波数帯と、これに対するノイズの周波数帯が近く、ノイズ除去用のＬＰＦのカットオフ周波数及びそのゲイン設定が困難であった。
また、ＬＰＦの後段に、ＬＰＦによる処理で遅れた信号の位相を戻すための「位相補償」を入れると、この位相補償によって減衰させたノイズが復活してしまう。
この問題を解消するには、位相補償のゲイン設定をきめ細かく精密に行う必要があるため、工程数が増え、非常に手間が掛かる問題点があった。
また、前記従来の「パワーステアリング装置」では、低域通過フィルタで処理したトルクデータを用いているため、位相遅れが生じ、操舵時の音や振動が十分に低減できない問題点があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、操舵時の音や振動を低減し操舵フィーリングを向上させた電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の電動パワーステアリング装置は、トルクセンサからのトルクセンサ信号をＡ−Ｄ変換し、低域通過濾波器によって濾波した後に、当該トルクセンサ信号に基づいて制御回路が目標電流を演算し、モータを駆動することで車両の操舵をアシストする電動パワーステアリング装置であって、当該電動パワーステアリング装置の制御周期よりも短い周期で前記トルクセンサ信号のＡ−Ｄ変換を行うことを特徴とする。

本発明によれば、操舵時の音や振動を低減し操舵フィーリングを向上させた電動パワーステアリング装置を提供できる。

次に、添付した各図を参照し、本発明による実施形態及び比較例について詳細に説明する。なお、実質的に同一の構成でよい要素には、同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。

＜本発明による実施形態＞
図１は、本発明による一実施形態の電動パワーステアリング装置１の全体構成図である。
この電動パワーステアリング装置１は、運転者が操向操作するステアリングホイール２を有し、このステアリングホイール２はステアリング軸３を介してピニオン軸４に連結されている。運転者がステアリングホイール２を操作して生じる操舵トルクは、ステアリング軸３を介してピニオン軸４に伝達される。ピニオン軸４にはステアリング系に作用する操舵トルクを電気信号として検出する磁歪式などのトルクセンサ５及び減速器６が取り付けられている。減速器６には、ステアリング系に補助トルクを加えるためのモータ（電動機）７が接続されている。モータ７は、例えば、シンクロナスリラクタンスモータまたはＤＣブラシレスモータである。

電動パワーステアリング装置１は、ラック・アンド・ピニオン式の構成である。ピニオン軸４の下端に設けられたピニオン４Ａは、ラック軸８に形成されたラック歯８Ａと噛み合わされ、ピニオン軸４の回転がラック軸８の軸方向の変位に変換されて操向輪９，９を転舵させる。また、トルクセンサ５は、制御装置１０へ操舵トルク信号Ｔを出力している。制御装置１０は、トルクセンサ５から出力された操舵トルク信号Ｔと速度センサ１１から出力された車両の車速信号ｖとに基づいて補助トルクを算出し、３相の電動機駆動電圧Ｖ_Oを印加してモータ７を駆動している。

また、減速器６は、モータ７の回転に応じて、ウォームギア（図示せず）を介してピニオン軸４を回転させるように構成されている。このようにして、モータ７からの補助トルクは、減速器６を介してピニオン軸４に伝達され、さらにピニオン４Ａとラック歯８Ａを介して、ラック軸８からステアリング系に伝達され、操向輪９，９を転舵させる。

このような構成によって、運転者がステアリングホイール２を操作して車両（図示せず）の走行運転中に操舵を行うとき、ステアリング軸３に加えられた操舵トルクに基づく回転力は、ピニオン４Ａからラック歯８Ａを介してラック軸８の軸方向の直線運動に変換されて操向輪９，９の操向方向を変化させる。このとき、同時に、ステアリング軸３に付設されたトルクセンサ５は、ステアリングホイール２による運転者の操舵に応じた操舵トルクを検出して電気信号である操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置１０へ出力する。また、速度センサ１１は、車両の車速信号ｖを検出して制御装置１０へ出力する。

制御装置１０は、操舵トルク信号Ｔ及び車速信号ｖに基づいた目標信号と、モータ７の回転角を示す角度信号θとに基づいて、モータ７を駆動させるための電動機駆動電圧Ｖ_０を生起する。モータ７が３相モータである場合、モータ７は、電動機駆動電圧Ｖ_０（Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相）に基づいて回転駆動し、３相交流電流Ｉ_ＡＣ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）が流れる。

こうして、モータ７の回転トルクに基づく補助操舵力は、減速器６を介して、ステアリング軸３に連結されたピニオン軸４に作用し、ラック・アンド・ピニオン機構によってラック軸８に伝達される。以上のように、モータ７の駆動によって、ステアリングホイール２に加えられる運転者による操舵力が軽減される。

図２は、図１に示す電動パワーステアリング装置１の制御系を模式的に示すブロック図である。
この制御系は、加算器１４と、ＥＰＳ(Electric Power Steering)制御部２０及びモータ制御部２１を含む制御装置（ＥＣＵ（Electronic Control Unit））１０と、モータ７と、減速器６とを備えている。
ステアリングホイール２（図１参照）を操作することによって発生した手入力は、加算器１４に入力される。加算器１４には、さらに、現に発生しているアシストトルク分が加算入力されるとともに、路面負荷分が減算入力される。加算器１４は、これら手入力、アシストトルク、路面負荷が考慮されたトルクセンサ値を、制御装置１０へ出力する。

制御装置１０に入力されたトルクセンサ値は、ＥＰＳ制御部２０に入力される。
ＥＰＳ制御部２０は、モータ７を適切に制御するための目標信号を生成し、モータ制御部２１へ出力する。なお、ＥＰＳ制御部２０の詳細については、図３を参照して後記する。
モータ制御部２１は、この目標信号に応じた電動機駆動電圧を生起してモータ７へ出力し、モータ７の回転トルクを制御する。

モータ７は、前記したとおり、電動機駆動電圧を印加されて回転する。
減速器６は、モータ７の機械的な回転速度を所定の比率で減速し、アシストトルク（補助トルク）として、ピニオン軸４（図１参照）に加える。このアシストトルクは、トルクセンサ５（図１参照）によって検出され、これを表す信号が再び加算器１４へ出力される。

このように、電動パワーステアリング装置１の制御系では、ステアリングホイール２（図１参照）への手入力に、路面負荷と、現に発生しているアシストトルクとを加味して目標信号が生成され、この目標信号に基づいて、モータ７の回転が制御され、アシストトルクが適切に保たれる。

図３は、本発明による一実施形態のＥＰＳ制御部２０を詳細に示すブロック図である。
ＥＰＳ制御部２０は、Ａ−Ｄ(Analog-to-Digital)変換器３１と、ＬＰＦ（Low-pass filter; 低域通過濾波器）３２と、ダウンサンプラ３３と、微分演算部３４と、トルク微分制御部３５と、ダンパ制御部３６と、位相補償器３７と、アシスト制御部３８と、加算器３９と、を具備している。

Ａ−Ｄ変換器３１には、トルクセンサ値をアナログ値で示すトルクセンサ信号が入力されている。Ａ−Ｄ変換器３１は、比較的高い所定のサンプリング周波数で、アナログ信号であるトルクセンサ信号をサンプリングし、トルクセンサ値をデジタル値で示すトルクセンサ信号を出力する。Ａ−Ｄ変換器３１のサンプリング周期は、例えば、１００[μｓ]である。すなわち、サンプリング周波数は、１０[ｋＨｚ]である。好ましくは、折り返し雑音を防止するため、トルクセンサ５（図１参照）の後段に、このサンプリング周波数の２分の１の周波数よりも若干低いカットオフ周波数を有するアナログＬＰＦ（図示せず）を挿入しておく。

ＬＰＦ３２には、Ａ−Ｄ変換器３１からのトルクセンサ信号が入力されている。ＬＰＦ３２は、デジタル値で示される信号をデジタル処理によって低域濾波するデジタルＬＰＦである。ＬＰＦ３２のカットオフ周波数は、Ａ−Ｄ変換器３１のサンプリング周波数と同じでよい。好ましくは、ＬＰＦ３２のカットオフ周波数は、トルクセンサ信号の信号成分の周波数が１００[Ｈｚ]のとき、位相遅れが１[ｄｅｇ]以下になるように設定する。なぜなら、通常、トルクセンサ信号のトルク成分の周波数は、通常、ＤＣ〜１００[Ｈｚ]程度であり、位相遅れの上限を１[ｄｅｇ]にすれば、操舵フィーリングに実質的に影響を及ぼさないからである。また、ＬＰＦ３２で行う処理として、移動平均を用いて平均化を行うよう構成してもよい。

なお、特許請求の範囲に記載の「トルクセンサ信号のＡ−Ｄ変換を行う」「周期」は、Ａ−Ｄ変換器３１のサンプリング周波数（１０[ｋＨｚ]）に対応したサンプリング周期（１００[μｓ]）が相当する。

ダウンサンプラ３３は、ＬＰＦ３２から出力された信号のサンプリング周波数を、後段の制御周波数に合わせた周波数に変換する（低下させる）機能を有する。
なお、特許請求の範囲に記載の「電動パワーステアリング装置の制御周期」は、この後段の制御周波数に応じた制御周期（１[ｍｓ]）に相当する。

図４は、図３に示すＥＰＳ制御部２０における量子化ノイズの周波数分布を模式的に示すグラフである。
サンプリングにおける量子化ノイズは、実用上白色ノイズとみなすことができ、サンプリング周波数（１０[ｋＨｚ]）まで均一にノイズレベルが分布している。そこで、Ａ−Ｄ変換器３１が後段の制御周波数よりも高い周波数でサンプリングを行い、ＬＰＦ３２が量子化ノイズを平均化することによって、Ａ−Ｄ処理の分解能をあげることなく量子化ノイズを低減することができる。

図３に戻り、位相補償器３７は、Ａ−Ｄ変換器３１、ＬＰＦ３２、ダウンサンプラ３３による処理によって遅れたトルクセンサ信号の位相を補償し、アシスト制御部３８へ出力する。

アシスト制御部３８は、位相補償されたトルクセンサ信号及び車速信号を入力され、アシスト制御信号を加算器３９へ出力する。

微分演算部３４は、トルクセンサ信号を入力され、トルクセンサ信号を微分して、トルク信号の時間変化率を演算する。例えば、急速にステアリングホイール２を操作した場合は、この時間変化率が大きくなるので、補正量が大きくなるように後段のトルク微分制御部３５へ信号を出力する。
トルク微分制御部３５は、トルクセンサ信号を微分して得られた時間変化率を基に、アシスト制御信号を補正する信号を加算器３９へ出力する。

ダンパ制御部３６には、舵角速度信号及び車速信号が入力されている。ダンパ制御部３６は、ステアリング系が備える粘性を補償するため、また車両（図示せず）が高速走行時に収斂性が低下する際にこれを補償するステアリングダンパ機能を有するために設けられるものであり、舵角速度信号に基づき、ダンパ制御部３６が有するダンパテーブル（図示せず）を参照することによって補償信号を生成し、加算器３９へ出力する。ダンパテーブルは、モータ７（図１参照）の回転速度が増加するほど補償値が増加する特性を備えている。また、車速信号ｖの値が高いほど、モータ７の出力トルクを減衰させるように動作する。

加算器３９は、トルク微分制御部３５、ダンパ制御部３６、アシスト制御部３８から入力された信号を基に、モータ７（図１参照）を制御するための目標信号を生成し、モータ制御部２１（図２参照）へ出力する。

＜比較例＞
図５は、比較例のＥＰＳ制御部２０ｂを詳細に示すブロック図である。
この比較例のＥＰＳ制御部２０ｂは、Ａ−Ｄ変換器３１の代わりにＡ−Ｄ変換器３１ｂを備え、ＬＰＦ３２の代わりにＬＰＦ３２ｂを備え、ダウンサンプラ３３を備えないほかは、図３に示す本発明による一実施形態のＥＰＳ制御部２０と同様の構成を有する。

Ａ−Ｄ変換器３１ｂは、後段の制御周波数（１[ｋＨｚ]）と同一のサンプリング周波数でトルクセンサ信号をサンプリングし、Ａ−Ｄ変換処理を行う。
ＬＰＦ３２ｂは、カットオフ周波数が後段の制御周波数（１[ｋＨｚ]）と同じであるほかは、ＬＰＦ３２（図３参照）と同一の構成である。

図６は、図５に示すＥＰＳ制御部２０ｂにおける量子化ノイズの周波数分布を模式的に示すグラフである。
サンプリングにおける量子化ノイズは、実用上白色ノイズとみなすことができ、サンプリング周波数（１[ｋＨｚ]）まで均一にノイズレベルが分布している。そこで、Ａ−Ｄ変換器３１ｂが後段の制御周波数と同じ周波数でサンプリングを行い、ＬＰＦ３２ｂが量子化ノイズを平均化しているので、図４に示すグラフと比較すると、量子化ノイズがあまり低減されないことが分かる。

＜本発明による実施形態の効果＞
本発明による一実施形態によれば、例えば次の効果が得られる。
（１）トルクセンサ信号を後段の制御周波数より高い周波数でサンプリングし、Ａ−Ｄ変換処理を行っているため、量子化ノイズのパワーが高周波側に分散化され、カットオフ周波数の高いＬＰＦ３２を用いても、十分に量子化ノイズをカットできる。
（２）カットオフ周波数の高いＬＰＦ３２を使用しているため、位相遅れが少なくて済み、応答性のよい操舵アシストが行える。また、位相補償器３７で復活するノイズレベルが非常に小さくなる。
（３）また、目標信号の位相補償量が少なくて済むので、操舵時の音や振動が大幅に低減される。
（４）トルクセンサ値の微分値を算出する際の量子化ノイズの影響が少ないため、トルク微分処理がさらに効果的に行われる。
（５）ＥＰＳ制御に用いる信号の周波数帯に対し、ノイズの周波数帯が分散化されるため、ノイズ除去用のＬＰＦ３２のカットオフ周波数及びそのゲイン設定が容易である。
（６）トルクセンサ信号のサンプリング周波数と、ＥＰＳの制御周波数が離れているため、位相補償器３７のゲイン設定が容易である。

本発明による一実施形態の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。図１に示す電動パワーステアリング装置の制御系を模式的に示すブロック図である。本発明による一実施形態のＥＰＳ制御部を詳細に示すブロック図である。図３に示すＥＰＳ制御部における量子化ノイズの周波数分布を模式的に示すグラフである。比較例のＥＰＳ制御部を詳細に示すブロック図である。図５に示すＥＰＳ制御部における量子化ノイズの周波数分布を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１電動パワーステアリング装置
２ステアリングホイール
３ステアリング軸
４ピニオン軸
４Ａピニオン
５トルクセンサ
６減速器
７モータ
８ラック軸
８Ａラック歯
９操向輪
１０制御装置
１１速度センサ
１４加算器
２０，２０ｂＥＰＳ制御部
２１モータ制御部
３１，３１ｂＡ−Ｄ変換器
３２，３２ｂＬＰＦ
３３ダウンサンプラ
３４微分演算部
３５トルク微分制御部
３６ダンパ制御部
３７位相補償器
３８アシスト制御部
３９加算器

Claims

トルクセンサからのトルクセンサ信号をＡ−Ｄ変換し、低域通過濾波器によって濾波した後に、当該トルクセンサ信号に基づいて制御回路が目標電流を演算し、モータを駆動することで車両の操舵をアシストする電動パワーステアリング装置であって、
当該電動パワーステアリング装置の制御周期よりも短い周期で前記トルクセンサ信号のＡ−Ｄ変換を行うことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記低域通過濾波器のカットオフ周波数を前記トルクセンサ信号をＡ−Ｄ変換するときの周波数と同等とした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装置。