JP2013121744A - 電動パワーステアリング装置における機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の走行中、ラック軸力やステアリング角などの車両状態量をリアルタイムで計測し、その計測値を機械系ステアリングモデルに当てはめて、機械系ステアリングモデルを更新する。
【解決手段】電動パワーステアリング装置における機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法であって、操舵部材２の操舵トルクと、タイヤを転舵させるラック軸１７の軸力の各値を測定して記憶し、これらの記憶した値を機械系ステアリングモデルに当てはめて、当該機械系ステアリングモデルのパラメータをリアルタイムに更新することにより、当該車両に適合した値として使用する。
【選択図】図４

Description

本発明は車両の電動パワーステアリング装置における機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法に関する。

車両用の電動パワーステアリングに用いられる操舵補助電動モータは、ラックとピニオンからなるステアリングギア装置に設けられるもの、ステアリングホイールとステアリングギア装置との間のコラム機構に設けられるものなどがあり、いずれの場合も転舵輪に連結される転舵軸の作動を電動モータにより補助するようにしている。
ステアリングホイールを大きく回転させて、車の進行方向に対してタイヤを大きく傾けるほど路面から反力を受け、ステアリングホイールを回転させるには大きな力を必要とする。従って、上述した電動モータにあってはステアリングホイールの操舵トルクが大きくなるに従い、モータ電流を増大させることによって、その補助力となる操舵補助トルクが大きくなるように動作する。

ステアリング機構は、ステアリングコラムに連結されるピニオン軸と、ピニオン軸に噛み合い、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸とを含んでいる。ラック軸の一対の端部のそれぞれにタイロッドを介してナックルアームが連結されている。ラック軸にかかる左又は右方向の力を「ラック軸力」と言う。
ステアリングホイールを回転させるとラック軸力が発生し、発生したラック軸力に基づいてナックルアームが回動し転舵輪を転回させる。

特開2002-104221号公報 特開2007-269251号公報

電動パワーステアリング装置において、ステアリング機構を機械系ステアリングモデル化し、この機械系ステアリングモデルを利用して、必要なラック軸力を得るための操舵補助電動モータの操舵補助トルクを計算で求めることが行われている。
しかし、操舵補助電動モータの回転をシャフトに伝達するステアリングコラムやラック軸に噛み合うピニオンギア部分が、剛性、慣性、粘性の影響を受けるため、実際の機構がデフォルトの機械系ステアリングモデルに当てはまらなくなり、計算で求めた操舵補助トルクに誤差が内蔵されてしまうという問題がある。このため、タイヤから伝達される路面情報が正確にステアリングホイールに伝達されなくなるという問題がある。特にこの問題は、操舵補助電動モータがコラム機構に設けられるコラムタイプの電動パワーステアリング装置において顕著である。

そこで本発明は、かかる実情に鑑み、車両の走行中、ラック軸力やステアリング角などの車両状態量をリアルタイムで計測し、その計測値を機械系ステアリングモデルに当てはめて、機械系ステアリングモデルを更新することにより、常に精度の良いパワーアシスト制御を行うことのできる機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法を提供しようとするものである。

本発明は、電動パワーステアリング装置における機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法であって、操舵部材の操舵角と、タイヤを転舵させるラック軸の軸力の各値を測定して記憶し、これらの記憶した値を機械系ステアリングモデルに当てはめて、当該機械系ステアリングモデルのパラメータをリアルタイムに更新することを特徴とする。
機械系ステアリングモデルのパラメータ更新手順において、機械系ステアリングモデルの粘性パラメータ、慣性パラメータの更新を行わず、剛性パラメータのみ更新するようにすることが好ましい。

この場合、操舵角加速度の絶対値が所定の閾値ａ以下、かつ操舵角速度の絶対値が所定の閾値ｂ以下で、舵角の絶対値が所定の閾値ｃ以上の条件で、操舵部材の操舵角及びラック軸の軸力の各値を測定することが好ましい。

本発明によれば、ラック軸力や操舵角などの車両状態量を計測し、それらの計測値を機械系ステアリングモデルに当てはめて、当該機械系ステアリングモデルの、特に剛性値のパラメータをリアルタイムに更新することにより、当該車両に適合した値として使用することができる。したがって、常に精度の良いパワーアシスト制御を行うことができるという効果を奏する。

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概略構成を示す模式図である。 伝達関数で表した電動パワーステアリングの質点系モデルのブロック図である。 各伝達関数の関数形を示す図である。 ＥＰＳ制御部１５の、補助電動モータ１２を駆動制御する駆動制御系を示すブロック図である。 質点系モデルの変形例に係るブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
図１は、電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール等の操舵部材２と、操舵部材２に同行回転可能に連結されるステアリングシャフト３とを有している。ステアリングシャフト３には、操舵部材２の操舵角を検出する操舵角センサ４と、操舵部材２の回転に基づく操舵トルクを検出するトルクセンサ１０とが設けられている。操舵角センサ４は、例えばステアリングシャフト３の円周上に取り付けられた磁石からの磁気をホールセンサで検出することによりステアリングシャフト３の回転角を検出するセンサである。トルクセンサ１０は、操舵部材２によるトーションバーの捩れに基づく操舵トルクを検出するセンサである。

ステアリングシャフト３の中間部は、減速機６を介して、操舵補助電動モータ１２に連結されている。この操舵補助電動モータ１２によって操舵補助力が与えられる。なお操舵補助電動モータ１２は、この実施形態では、減速機６を介して、ステアリングシャフト３に連結されているが、後述するように減速機を介してラック軸に連結されるように、あるいは同軸となるように設置されていてもよい。

ステアリングシャフト３の他端部は、自在継手７、中間軸８、自在継手９及び舵取り機構を介して、前輪タイヤ４Ｌ，４Ｒと連結されている。
舵取り機構は、ピニオン軸１６と、ピニオン軸１６の先端のピニオンに噛み合い、車両の左右方向に延びる転舵軸としてのラック軸１７と、ラック軸１７の一対の各端部にタイロッド８Ｌ，８Ｒを介して連結されるナックルアーム９Ｌ，９Ｒとを有している。したがって、ピニオンの回転がラック軸１７の軸方向の運動に変換され、各タイロッド８Ｌ，８Ｒを介して対応するナックルアーム９Ｌ，９Ｒがそれぞれ移動する。これにより、各ナックルアーム９Ｌ，９Ｒに連結された対応する前輪タイヤ４Ｌ，４Ｒがそれぞれ操向する。

ラック軸１７のいずれかの端部には、ラック軸１７の軸力を検出するラック軸力センサ１３が設けられている。ラック軸力センサ１３の構成は限定されないが、例えば、ラック軸１７の軸力を受けて変化する歪ゲージの電気抵抗値の変化を電圧で測定するロードセルが用いられる。
またラック軸１７のいずれかの端部には、ラック軸変位センサ１４が設けられている。このセンサの方式も限定されないが、ラック軸に目盛りを設けてその目盛りの値を読み取る変位センサであってもよい。読み取る方式は限定されないが、磁気的若しくは光学的であってもよい。

図１において、“１５”は操舵補助電動モータ１２を駆動制御するＥＰＳ制御部１５を示す。ＥＰＳ制御部１５には、前述の操舵角センサ４、トルクセンサ１０、ラック軸力センサ１３、ラック軸変位センサ１４の各検出信号が入力される。ＥＰＳ制御部１５は、ステアリングシャフト３に作用する操舵補助電動モータ１２の出力トルクに対応する出力電流を操舵補助電動モータ１２に供給する。そして操舵補助電動モータ１２のトルクがラック軸１７の軸力に変換され、この軸力がナックルアーム９Ｌ，９Ｒをそれぞれ押圧又は吸引し、これにより、各ナックルアーム９Ｌ，９Ｒに連結された対応する前輪タイヤの転舵力が補助される。

ここで本発明に係る機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法を説明する。
前述した電動パワーステアリング装置においては、機械要素の特性から電動パワーステアリングの機械系ステアリングモデルを作成し、そのモデル内の粘性項、慣性項、剛性値のパラメータを用いて、操舵補助電動モータ１２のモータ電流が目標電流値に一致するように運算し、操舵補助電動モータ１２を駆動制御する場合がある。

図２は、伝達関数で表した電動パワーステアリングの質点系モデルのブロック図である。
ブロクッＢ１で示す機械系伝達関数(1)は、操舵部材２から減速機６までのステアリングシャフト３の前半部分を表す伝達関数であり、操舵トルクを入力とし操舵角を出力とする。ブロクッＢ２で示す制御伝達関数は、操舵角を入力とし操舵補助電動モータ１２の操舵補助力を出力とする伝達関数である。ブロクッＢ３で示す機械系伝達関数(2)は、操舵補助力を入力としてラック軸１７の変位を出力とする伝達関数である。ラック軸１７の変位は、前輪タイヤ４Ｌ，４Ｒの操向角、すなわち車両側キングピン軸を回転軸とするナックルアームを介して転回される前輪タイヤの転舵角に相当する。ブロクッＢ４で示す路面負荷伝達関数は、前輪タイヤ４Ｌ，４Ｒの物理特性、タイヤと路面との摩擦係数などを変数としてラック軸１７の変位に基づいてラック軸力を出力する伝達関数である。

各伝達関数の関数形は、図３のように表される。ここで“ｓ”はラプラス演算子である。ブロクッＢ１の機械系伝達関数(1)は、操舵部材２から減速機６までのステアリングシャフト３の前半部分を表す伝達関数であり、操舵トルクを入力とし操舵角を出力とする。この機械系伝達関数(1)は分母にラプラス演算子ｓの二次関数を有し、その係数ｍ１は慣性パラメータ、ｃ１は粘性パラメータ、Ｋ１は剛性パラメータである。ブロクッＢ２の制御伝達関数は図示のように分母と分子にそれぞれラプラス演算子ｓの一次関数を有し、分母の係数ａ，ｂ、分子の係数ｃ，ｄはそれぞれ機械系パラメータに依存する係数である。ブロクッＢ３の機械系伝達関数(2) は分母にラプラス演算子ｓの二次関数を有し、その係数ｍ２は慣性パラメータ、ｃ２は粘性パラメータ、Ｋ２は剛性パラメータである。ブロクッＢ４の路面負荷伝達関数は分母に定数１を有し、その係数Ｋ３はタイヤの剛性を表すパラメータである。ここでｍ１，ｃ１，Ｋ１，ｍ２，ｃ２，Ｋ２，Ｋ３を「機械系パラメータ」という。

図４はＥＰＳ制御部１５の、補助電動モータ１２を駆動制御する駆動制御系を示すブロック図である。駆動制御系は、機械系ステアリングモデル演算部１５１と、それに基づいて目標電流値を設定する操舵補助力演算部１５２と、操舵補助電動モータ１２を制御するモータ電流制御部１５３と、各種センサの検出値を記憶するメモリ１５４とを備えている。

ＥＰＳ制御部１５は、機械系伝達関数(1)、機械系伝達関数(2)及び路面負荷伝達関数を用いて質点間のバネの合成としての機械系ステアリングモデルを想定し、その機械系ステアリングモデルに対応した前記制御伝達関数を用いて目標電流値を演算し、操舵補助電動モータ１２を駆動制御する。
ここで本発明の機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法の実施手順を説明する。最初に注意的に述べると、いままで伝達関数を用いて説明してきたが、これは本発明の応用例として説明の便宜上、伝達関数を用いて説明したものにすぎない。本発明のリアルタイム同定方法は、機械系ステアリングモデルの物理的パラメータを使用した方法の発明である。

本発明の実施の形態の係る電動パワーステアリング装置を装備した車両を走行させ、操舵角センサ４で検出された操舵角の値と、ラック軸力センサ１３で検出された軸力の値とをメモリ１５４に記憶する。そしてこれらの記憶した値に基づいて機械系ステアリングモデル演算部１５１における剛性値のパラメータをリアルタイムに修正する。
剛性値のパラメータの修正方法としては、（１）走行中、操舵角センサ４で検出された操舵角の値に基づいて、操舵角加速度、操舵角速度を算出する。操舵角加速度の絶対値が所定の閾値ａ以下、かつ操舵角速度の絶対値が所定の閾値ｂ以下で、舵角の絶対値が所定の閾値ｃ以上の条件が満たされるかどうか判定する。ここで操舵角加速度の絶対値が所定の閾値ａ以下とは、粘性による力が０とみなせるほど、操舵角加速度が０又はそれに近い値であることを意味する。操舵角速度の絶対値が所定の閾値ｂ以下とは、慣性パラメータｍが０とみなせるほど、操舵角速度が０又はそれに近い値であることを意味する。舵角の絶対値が所定の閾値ｃ以上としたのは、舵角＝０を排除するためであり、舵角＝０の条件では剛性値を算出できないからである。以上の観点から、閾値ａ，ｂはともに０近傍の値をとり、閾値ｃは０より大きなある角度の値をとるものとする。

このような条件では、粘性項、慣性項による力を０とみなせるので、操舵部材２から路面までの合成された剛性値は１／Ｋ＝Σ（１／Ｋｊ）と表すことができる（変数ｊは１から３までの値をとる）。
ここで変数ｊ＝１に対応する剛性値（１／Ｋ１）は、操舵部材２から減速機６までのステアリングシャフト３の前半部分の機械系剛性値を表し、変数ｊ＝２に対応する剛性値（１／Ｋ２）は、操舵角を入力とし操舵補助電動モータ１２の操舵補助力を出力とする機械系剛性値を表す。変数ｊ＝３に対応する剛性値（１／Ｋ３）は、路面負荷剛性値である。

ここでメモリ１５４に記憶した操舵角の値とラック軸力の値とを取り出す。そして取り出した操舵角の値とラック軸力の値とを用いて、操舵角−ラック軸力間の全体剛性値（リアルタイム実測値）を算出する。この全体剛性値（リアルタイム実測値）を（１／Ｋ′）と置く。
そして、この全体剛性値（リアルタイム実測値）（１／Ｋ′）を用いて、ステアリングモデルの各質点間を結ぶ合成値のための修正ゲインＧを計算する。

Ｇ＝（１／Ｋ′）／（１／Ｋ）
この修正ゲインＧを用いて、ステアリングモデルの各質点間を結ぶ合成値を更新する。具体的には、機械系剛性値（１／Ｋ１）を（Ｇ／Ｋ１）と修正し、機械系剛性値（１／Ｋ２）を（Ｇ／Ｋ２）と修正し、路面負荷剛性値（１／Ｋ３）を（Ｇ／Ｋ３）に修正する。
ＥＰＳ制御部１５は、機械系ステアリングモデルとしてこの修正後の剛性値を用いた機械系ステアリングモデルを想定し、その機械系ステアリングモデルに対応した制御伝達関数を用いて目標電流値を演算し、操舵補助電動モータ１２を駆動制御する。

以上の機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法の実施により、車両の走行中に電動パワーステアリングモデルの剛性値のパラメータをリアルタイムに修正することができるようになる。実際のステアリングシステムにおいては、操舵角−ラック軸力の伝達には機械系伝達関数に応じた遅れが生じる。機械系伝達関数の遅れの大きな要素（質点系のモデルパラメータにより決まる）を打ち消すように制御伝達関数を入れることで、その操舵角−軸力間の遅れを緩和することができる。したがって、質点系のモデルパラメータの一部の精度（剛性値）が正確になり、車両毎にその打ち消す要素の精度が上がるので、車両に応じた適切な制御量を計算できる。無駄な制御をしなくてよく、制御電流効率が向上する。

図５は、本は鶴居の質点系モデルの変形例に係るブロック図である。このモデルでは、図２のモデルと違うところは、機械系伝達関数(2)の出力であるラック軸１７の変位を、制御伝達関数にフィードバックしていることである。すなわち、操舵部材２の操舵角と転舵角との差を埋めるような制御（例：PID制御）をしている。その時の質点系の変位の精度がよくないと過大な制御量となるが、このフィードバック制御により、モデルから計算される変位量の精度が上がるので、車両固体にあった適切な制御量となり、制御電流の精度を向上させることができる。

以上説明した本発明の実施形態の機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法では、操舵角加速度の絶対値が閾値ａ以下、かつ操舵角速度の絶対値が閾値ｂ以下で、舵角の絶対値が閾値ｃ以上の条件で、全体剛性値（リアルタイム実測値）（１／Ｋ′）を測定するたびにこの測定値に基づいて修正ゲインＧを算出し、この修正ゲインＧを用いて、ステアリングモデルの各質点間を結ぶ剛性値を修正していた。しかし修正ゲインＧを過去Ｎ回分記憶しておき（Ｎは任意の自然数）、そのＮ回分の平均値、若しくは新しいゲインＧほど比重を大きくした重み付け平均値を用いて、新しい修正ゲインＧを算出するようにしてもよい。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

２…操舵部材、６…減速機、１０…トルクセンサ、１２…操舵補助電動モータ、１７…ラック軸、１５…ＥＰＳ制御部

Claims (3)

1. 電動パワーステアリング装置における機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法であって、
   操舵部材の操舵角と、タイヤを転舵させるラック軸の軸力の各値を測定して記憶し、
   これらの記憶した値を機械系ステアリングモデルに当てはめて、当該機械系ステアリングモデルのパラメータをリアルタイムに更新することを特徴とする機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法。
2. 機械系ステアリングモデルの粘性パラメータ、慣性パラメータの更新を行わず、剛性値のパラメータのみ更新することを特徴とする、請求項１に記載の機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法。
3. 操舵角加速度の絶対値が所定の閾値(ａ)以下、かつ操舵角速度の絶対値が所定の閾値(ｂ)以下で、舵角の絶対値が所定の閾値(ｃ)以上の条件での、操舵部材の操舵トルク及びラック軸の軸力の各値を測定することを特徴とする、請求項２に記載の機械系ステアリングモデルのリアルタイム同定方法。

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