JP2013189123A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法で、保舵時のハンドルの振動や騒音を防止し、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供すること。
【解決手段】モータ電流指令値Ｉ^＊と、操舵トルクτと、モータ回転角速度ωｍから、車両の操舵状態を判定する操舵状態判定手段３８を構成した。そして、操舵状態判定手段から通常操舵状態と判定された場合には、電流フィードバック手段の比例ゲインＫｐを第１の所定値とし、積分ゲインＫｉを第２の所定値とする。一方、操舵状態判定手段から保舵状態と判定された場合には、電流フィードバック手段の比例ゲインＫｐを通常操舵状態時の第１の所定値より大きくし、積分ゲインＫｉを零とする構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、電動パワーステアリング装置は、操舵トルクτ、及び車速Ｖからモータ電流指令値Ｉ*を生成し、このモータ電流指令値Ｉ*とアシスト用モータに流れるモータ実電流値Ｉmとの電流偏差値ΔＩをＰＩＤ制御（比例・積分・微分補償）する電流フィードバック制御系を構成することにより、アシスト力を発生させている。

しかし、従来の電流フィードバック制御系では、電流偏差値ΔＩが小さな値であっても、積分項が大きな値となるので、特に、保舵時のような場合には、ハンドルの振動や騒音が発生し、運転者に不快な感じを与える場合がある。例えば、特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置では、車両の操舵状態を判定し、判定した操舵状態に応じて、位相進み遅れ補償を可変にすることにより、保舵時のハンドルの振動や騒音を低減し、操舵フィーリングの向上を図っている。

特開２０１１−０６３２６５号公報

しかし、上述したような方法では、判定した操舵状態に応じて適宜、最適な位相進み遅れ補償を実施することは、演算が複雑で、また位相進み遅れ補償が、適切に補償されなかった時には、操舵フィーリングの向上が十分に図れないという場合があった。

本発明の目的は、簡易な方法で、保舵時のハンドルの振動や騒音を防止し、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、モータ（２１）を駆動源として操舵系にステアリング操作を補助するアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置（２４）と、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段（２６）と、車速を検出する車速検出手段（２５）と、前記モータ（２１）の電流を検出する電流検出手段（４１）と、前記モータ（２１）の回転角を検出するモータ回転角検出手段（２２）と、前記モータ回転角検出手段（２２）から検出した前記モータの回転角からモータ回転角速度を演算するモータ回転角速度演算手段（２９）と、前記操舵トルク検出手段（２６）から検出した操舵トルクと、前記車速検出手段（２５）から検出した車速からモータ電流指令値を生成する電流指令値演算手段（２９）と、前記電流指令値演算手段（２９）から生成されたモータ電流指令値に応じて、前記モータ（２１）をフィードバック系で駆動する少なくとも比例・積分補償器を有する電流フィードバック手段（２９）と、前記電流指令値演算手段（２９）から生成されたモータ電流指令値と、前記操舵トルク検出手段（２６）から検出される操舵トルクと、前記モータ回転角速度演算手段（２９）から演算されるモータ回転角速度から、車両の操舵状態を判定する操舵状態判定手段（２９）とを備え、前記モータ（２１）に対する駆動電力の供給を通じて、前記操舵力補助装置（２４）の作動を制御する制御手段（２９）とを備えた電動パワーステアリング装置（１）において、前記制御手段（２９）は、前記操舵状態判定手段（２９）から通常操舵状態と判定された場合には、前記電流フィードバック手段（２９）の比例ゲインを第１の所定値とし、積分ゲインを第２の所定値とする一方、前記操舵状態判定手段（２９）から保舵状態と判定された場合には、前記電流フィードバック手段（２９）の比例ゲインを通常操舵状態時の第１の所定値より大きくし、積分ゲインを零にすること、を要旨とする。

本請求項の電動パワーステアリング装置では、モータ電流指令値と、操舵トルクと、モータ回転角速度から、車両の操舵状態を判定する操舵状態判定部を構成した。そして、操舵状態判定部から通常操舵状態と判定された場合には、電流フィードバック制御部の比例ゲインを第１の所定値とし、積分ゲインを第２の所定値とする。一方、操舵状態判定部から保舵状態と判定された場合には、電流フィードバック制御部の比例ゲインを通常操舵状態時の第１の所定値より大きくし、積分ゲインを零とする構成とした。

その結果、通常操舵状態の場合には、モータ電流指令値が大きいので、比例ゲイン、及び積分ゲインを一定値以上の大きさにすることにより、応答性を早くすることができる。また、保舵状態の場合には、モータ電流指令値が小さいので、比例ゲインを通常操舵状態の場合よりも大きくすることによって応答性を早くすることができる。一方、積分ゲインを零にすることによって、急峻な電流の立ち上がりが防止できるので、保舵時のハンドルの振動や騒音を抑制することができ、操舵フィーリングの向上を図ることができる。

本発明によれば、簡易な方法で、保舵時のハンドルの振動や騒音を防止し、操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの制御ブロック図。 操舵状態判定手段の処理手順を示すフローチャート。

以下、コラム型の電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳという）に具体化した本発明の一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態のＥＰＳ１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されている。ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト８、インターミディエイトシャフト９、及びピニオンシャフト１０を連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド１１を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪１２の舵角が変更されるようになっている。

また、ＥＰＳ１は、モータ２１を駆動源として操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ２４と、ＥＰＳアクチュエータ２４の作動を制御するＥＣＵ２７とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ２４は、コラム型のＥＰＳアクチュエータであり、その駆動源であるモータ２１は、減速機構２３を介してコラムシャフト８と駆動連結されている。そして、同モータ２１の回転を減速機構２３により減速してコラムシャフト８に伝達することによって、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する構成となっている。

一方、ＥＣＵ２７には、車速センサ２５、トルクセンサ２６、及びモータ回転角センサ２２が接続されており、ＥＣＵ２７は、これら各センサの出力信号に基づいて、車速Ｖ、操舵トルクτ、及びモータ回転角θmを検出する。

尚、トルクセンサ２６はツインレゾルバ型のトルクセンサである。ＥＣＵ２７は、図示しないトーションバーの両端に設けられた一対のレゾルバの各出力信号に基づいて操舵トルクτを演算する。また、ＥＣＵ２７は、これら検出される各状態量に基づいて目標アシスト力を演算し、その駆動源であるモータ２１への駆動電力の供給を通じて、ＥＰＳアクチュエータ２４の作動、即ち操舵系に付与するアシスト力を制御する。

次に、本実施形態のＥＰＳ１における電気的構成について説明する。
図２は、本実施形態のＥＰＳ１の制御ブロック図である。同図に示すように、ＥＣＵ２７は、モータ制御信号を出力するマイコン２９と、そのモータ制御信号に基づいて、ＥＰＳアクチュエータ２４の駆動源であるモータ２１に駆動電力を供給するモータ駆動回路４０、及びモータ２１に通電されるモータ実電流値Ｉmを検出するためのモータ電流検出部４１とを備えている。

モータ駆動回路４０は、直列に接続された一対のスイッチング素子を基本単位（アーム）として２つのアームを並列接続してなる公知のＨブリッジ回路（図示せず）である。また、マイコン２９の出力するモータ制御信号は、モータ駆動回路４０を構成する各スイッチング素子のオンデューティ比を規定するものとなっている。モータ制御信号が各スイッチング素子のゲート端子に印加され、モータ制御信号に応答して、各スイッチング素子がオン／オフすることにより、バッテリ２８の電源電圧に基づくモータ駆動電力を生成して、モータ２１へと出力する構成になっている。

ＥＣＵ２７には、モータ２１のモータ回転角θmを検出するためのモータ回転角センサ２２が接続されている。そして、マイコン２９は、これら各センサの出力信号に基づき検出されたモータ２１のモータ回転角θm、モータ２１に通電されるモータ実電流値Ｉm、並びに上記操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、モータ駆動回路４０にモータ制御信号を出力する。

以下に示す各制御ブロックは、マイコン２９が実行するコンピュータプログラムにより実現されるものである。マイコン２９は、所定のサンプリング周期で上記各状態量を検出し、所定周期毎に以下の各制御ブロックに示される各演算処理を実行することにより、モータ制御信号を生成する。

図２に示すように、マイコン２９は、モータ２１を制御するモータ電流指令値Ｉ*を演算する電流指令値演算部３０と、上記モータ駆動回路４０を制御するモータ制御信号を生成するモータ制御信号生成部４４と、を備えている。

トルクセンサ２６により検出された操舵トルクτ、及び車速センサ２５により検出された車速Ｖは、電流指令値演算部３０に入力される。電流指令値演算部３０は、横軸に操舵トルクτ、縦軸にモータ電流指令値Ｉ*で構成されたマップ（図示せず）である。また、上記マップは、車速Ｖをパラメータとして、同じ操舵トルクτの場合、車速Ｖが小さいほど、モータ電流指令値Ｉ*は大きくなっている。

モータ制御信号生成部４４は、電流指令値演算部３０で演算されたモータ電流指令値Ｉ*と、電流検出器４１から検出されたモータ実電流値Ｉmと、モータ回転角センサ２２から検出されたモータ回転角θmを入力する。そして、モータ制御信号生成部４４は、上記入力した各状態量（Ｉ*、Ｉm、θm）と、減算器３５、ＰＩＤ制御器（比例・積分・微分補償）３１、加算器３６、ＰＷＭ出力部３７、操舵状態判定部３８、メモリ領域３８Ｍ、及び微分器３９と、を備え電流フィードバック制御部を構成する。

操舵状態判定部３８は、電流指令値演算部３０で演算されたモータ電流指令値Ｉ*、トルクセンサ２６から検出された操舵トルクτ、及びモータ回転角センサ２２から検出されたモータ回転角θmを、微分器３９で微分したモータ回転角速度ωmを入力信号とする。そして、操舵状態判定部３８で判定した車両操舵状態により、メモリ領域３８Ｍから、比例ゲインＫp、及び積分ゲインＫiを読み出し、ＰＩＤ制御器３１の比例項３２、及び積分項３３に入力することによって、電流フィードバック制御を補償する。

ＰＩＤ制御器（比例・積分・微分補償）３１は、モータ電流指令値Ｉ*と、モータ実電流値Ｉmとを、減算器３５で減算して得られる電流偏差値ΔＩを入力する。そして、電流偏差値ΔＩを、比例項３２、積分項３３、及び微分項３４で補償演算し、その出力値を加算器３６で加算する。加算された状態量は、後段のＰＷＭ出力部３７に入力される。尚、本実施形態では、上記比例項３２、及び積分項３３の比例ゲインＫp、及び積分ゲインＫiは、操舵状態判定部３８の判定結果により、可変構造となっている。

次に、本実施形態のマイコン２９による、操舵状態判定部３８の処理手順について、図３に基づいて説明する。
最初に、マイコン２９は、モータ電流指令値Ｉ*を読込む（ステップＳ１０１）。そして、マイコン２９は、操舵トルクτを読込む（ステップＳ１０２）。更に、マイコン２９は、モータ回転角θmを読込む（ステップＳ１０３）。そして、マイコン２９は、読込んだモータ回転角θmを微分演算することによって、モータ回転角速度ωmを演算する（ωm＝dθm/dt、ステップＳ１０４）。

次に、マイコン２９は、モータ電流指令値Ｉ*がモータ電流所定値Ｉ0以下か否かを判定する（ステップＳ１０５）。そして、マイコン２９は、モータ電流指令値Ｉ*がモータ電流所定値Ｉ0以下の場合（Ｉ*≦Ｉ0、ステップＳ１０５：ＹＥＳ）には、マイコン２９は、操舵トルクτが操舵トルク所定値τ0以下か否かを判定する（ステップＳ１０６）。そして、マイコン２９は、操舵トルクτが操舵トルク所定値τ0以下の場合（τ≦τ0、ステップＳ１０６：ＹＥＳ）には、マイコン２９は、モータ回転角速度ωmがモータ回転角速度所定値ωm0以下か否かを判定する（ステップＳ１０７）。

そして、マイコン２９は、モータ回転角速度ωmがモータ回転角速度所定値ωm0以下の場合（ωm≦ωm0、ステップＳ１０７：ＹＥＳ）には、マイコン２９は、操舵状態を保舵状態と判定し、保舵状態用比例ゲインＫp、及び積分ゲインＫiをメモリ領域３８Ｍから読み出す（ステップＳ１０８）。この時の比例ゲインＫpの値を、保舵状態時の比例ゲイン所定値α2とする（α2＞α1）。尚、α1は、通常操舵状態時の比例ゲインＫpの所定値（第１の所定値）である。そして、この時の積分ゲインＫiは零とする。マイコン２９は、ＰＩＤ制御器３１に、比例ゲインＫp、及び積分ゲインＫiを出力し（ステップＳ１０９）、処理を終わる。

一方、マイコン２９は、モータ電流指令値Ｉ*がモータ電流所定値Ｉ0より大きい場合（Ｉ*＞Ｉ0、ステップＳ１０５：ＮＯ）、または、操舵トルクτが操舵トルク所定値τ0より大きい場合（τ＞τ0、ステップＳ１０６：ＮＯ）、または、モータ回転角速度ωmがモータ回転角速度所定値ωm0より大きい場合（ωm＞ωm0、ステップＳ１０７：ＮＯ）には、ステップＳ１１０に移行する。

そして、マイコン２９は、操舵状態を通常操舵状態と判定し、通常操舵状態用比例ゲインＫp、及び積分ゲインＫiをメモリ領域３８Ｍから読み出す（ステップＳ１１０）。この時の比例ゲインＫpの値を、通常操舵状態時の比例ゲイン所定値α1、積分ゲインＫiの値を、通常操舵状態時の積分ゲイン所定値β1（第２の所定値）とする。そして、マイコン２９は、ＰＩＤ制御器３１に、比例ゲインＫp、及び積分ゲインＫiを出力し（ステップＳ１０９）、処理を終わる。

次に、上記のように構成された本実施形態のＥＰＳ１の作用及び効果について説明する。
本実施形態のＥＰＳ１では、モータ電流指令値と、操舵トルクと、モータ回転角速度から、車両の操舵状態を判定する操舵状態判定部を構成した。そして、操舵状態判定部から通常操舵状態と判定された場合には、電流フィードバック制御部の比例ゲインを第１の所定値とし、積分ゲインを第２の所定値とする。一方、操舵状態判定部から保舵状態と判定された場合には、電流フィードバック制御部の比例ゲインを通常操舵状態時の第１の所定値より大きくし、積分ゲインを零とする構成とした。

その結果、通常操舵状態の場合には、モータ電流指令値が大きいので、比例ゲイン、及び積分ゲインを一定値以上の大きさにすることにより、応答性を早くすることができる。また、保舵状態の場合には、モータ電流指令値が小さいので、比例ゲインを通常操舵状態の場合よりも大きくすることによって、応答性を早くすることができる。
一方、積分ゲインを零にすることによって、急峻な電流の立ち上がりが防止できるので、保舵時のハンドルの振動や騒音を抑制することができ、操舵フィーリングの向上を図ることができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、操舵状態判定手段をモータ電流指令値と、操舵トルクと、モータ回転角速度から求めたが、ヨーレートセンサを用いて求めても良い。

・本実施形態では、モータをＤＣモータについて記載したが、モータはブラシレスＤＣモータでもよい。

・本実施形態では、本発明をコラムアシストＥＰＳに具体化したが、本発明をラックアシストＥＰＳやピニオンアシストＥＰＳに適用してもよい。

１：電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２：ステアリング、
３：ステアリングシャフト、４：ラックアンドピニオン機構、５：ラック軸、
８：コラムシャフト、９：インターミディエイトシャフト、１０：ピニオンシャフト、１１：タイロッド、１２：転舵輪、２１：モータ、
２２：モータ回転角センサ（モータ回転角検出手段）、２３：減速機構、
２４：ＥＰＳアクチュエータ（操舵力補助装置）、
２５：車速センサ（車速検出手段）、２６：トルクセンサ（操舵トルク検出手段）、
２７：ＥＣＵ、２８：バッテリ、
２９：マイコン（モータ回転角速度演算手段、電流指令値演算手段、電流フィードバック手段、操舵状態判定手段、制御手段）、
３０：電流指令値演算部、３１：ＰＩＤ制御器（比例・積分・微分補償）、
３２：比例項、３３：積分項、３４：微分項、３５：減算器、３６：加算器、
３７：ＰＷＭ出力部、３８：操舵状態判定部、３８Ｍ：メモリ領域、
３９：微分器、４０：モータ駆動回路、４１：モータ電流検出部（電流検出手段）、
４４：モータ制御信号生成部、
Ｖ：車速、τ：操舵トルク、θm：モータ回転角、ωm：モータ回転角速度、
Ｉ*：モータ電流指令値、Ｉm：モータ実電流値、ΔＩ：電流偏差値、
Ｉ0：モータ電流所定値、τ0：操舵トルク所定値、ωm0：モータ回転角速度所定値、
Ｋp：比例ゲイン、Ｋi：積分ゲイン、
α1：通常操舵状態時の比例ゲイン所定値（第１の所定値）、
α2：保舵状態時の比例ゲイン所定値、
β1：通常操舵状態時の積分ゲイン所定値（第２の所定値）

Claims (1)

1. モータを駆動源として操舵系にステアリング操作を補助するアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、
   操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   車速を検出する車速検出手段と、
   前記モータの電流を検出する電流検出手段と、
   前記モータの回転角を検出するモータ回転角検出手段と、
   前記モータ回転角検出手段から検出した前記モータの回転角からモータ回転角速度を演算するモータ回転角速度演算手段と、
   前記操舵トルク検出手段から検出した操舵トルクと、前記車速検出手段から検出した車速からモータ電流指令値を生成する電流指令値演算手段と、
   前記電流指令値演算手段から生成されたモータ電流指令値に応じて、前記モータをフィードバック系で駆動する少なくとも比例・積分補償器を有する電流フィードバック手段と、
   前記電流指令値演算手段から生成されたモータ電流指令値と、前記操舵トルク検出手段から検出される操舵トルクと、前記モータ回転角速度演算手段から演算されるモータ回転角速度から、車両の操舵状態を判定する操舵状態判定手段とを備え、
   前記モータに対する駆動電力の供給を通じて、前記操舵力補助装置の作動を制御する制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記制御手段は、前記操舵状態判定手段から通常操舵状態と判定された場合には、前記電流フィードバック手段の比例ゲインを第１の所定値とし、積分ゲインを第２の所定値とする一方、前記操舵状態判定手段から保舵状態と判定された場合には、前記電流フィードバック手段の比例ゲインを通常操舵状態時の第１の所定値より大きくし、積分ゲインを零にすること、
   を特徴とした電動パワーステアリング装置。

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