JP2014141172A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 仮想動特性モデルを使ってモータ回転角速度を制御しつつ、ドライバーに路面反力を適切に感じさせるようにする。
【解決手段】 目標回転角速度演算部１１０は、操舵トルクＴhandから路面反力Ｔreactを減算した調整後操作力Ｆを仮想モデルの運動方程式に代入して、目標回転角速度ω＊を演算する。モータ制御部１２０は、回転角速度のフィードバック制御によりモータ２０を駆動する。路面反力演算部１３０は、モータ電流ｉに基づいて推定路面反力Ｔmotorを演算し、この推定路面反力Ｔmotorに調整係数αを乗算した値を路面反力Ｔreactとして目標回転角速度演算部１１０に出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ドライバーの操舵操作に基づいてモータを駆動制御して操舵アシストトルクを発生する電動パワーステアリング装置に関する。

従来から、電動パワーステアリング装置は、ドライバーが操舵ハンドルに付与した操舵トルクをトルクセンサにより検出し、検出した操舵トルクに基づいてモータを駆動してドライバーの操舵操作をアシストする。こうしたモータの駆動制御は、マイコンを主要部として備えたアシストＥＣＵにより行われる。一般に、アシストＥＣＵは、操舵トルクが大きくなるほどアシスト比が増加する目標アシストトルクを設定し、この目標アシストトルクに対応する目標電流がモータに流れるように、目標電流と実電流との偏差に応じた電流フィードバック制御を実行する。

また、特許文献１に提案されているように、操舵トルクと車速と操舵角とに基づいて目標操舵角速度を演算し、目標操舵角速度と実際の操舵角速度との差がゼロとなるようにモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置も知られている。

特開２００６−２３２０５５号公報

しかしながら、操舵トルクに基づいて目標アシストトルクを設定する従来装置では、路面反力がドライバーに伝達される度合がアシスト比Ｒａによって一義的に決まってしまう。例えば、ドライバーに伝達される路面反力は、操作力に対して（１／（Ｒａ＋１））倍になる。このため、特にアシスト比Ｒａが高い場合には、ドライバーに適切な路面反力を感じさせることができない。従って、路面情報を反力としてドライバーに良好に伝達することができない。また、操舵ハンドルの握りを緩めて舵角を中立位置に戻すとき、きちんと中立位置にまで戻らないこともある。また、特許文献１に提案されている電動パワーステアリングにおいては、操舵角速度のフィードバック制御により路面反力を打ち消してしまうため、同様な問題が生じる。

本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、ドライバーに路面反力を適切に感じさせるようにすることにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生するモータ（２０）と、ドライバーの入力した操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段（１７）と、操舵角あるいは操舵角速度を表す操舵角関連量を検出する操舵角関連量検出手段（１８，１２４）と、路面からタイヤを介して前記ステアリング機構に入力される路面反力の情報を取得する路面反力取得手段（１３０，１６０）と、前記操舵トルクと前記路面反力とに基づいて、目標とする操舵角あるいは操舵角速度を表す目標操舵角関連量を演算する目標操舵角関連量演算手段（１１０，１４０）と、前記操舵角関連量検出手段により検出される操舵角関連量が、前記目標操舵角関連量に追従するように前記モータを駆動する操舵角関連量フィードバック制御手段（１２０，１５０）とを備えたことにある。

本発明においては、操舵トルク検出手段が、ドライバーの入力した操舵トルクを検出し、操舵角関連量検出手段が、操舵角あるいは操舵角速度を表す操舵角関連量を検出する。また、路面反力取得手段が、路面からタイヤを介してステアリング機構に入力される路面反力の情報を取得する。この路面反力は、センサにより検出されるものであってもよいし、演算により算出されるものであってもよい。また、路面反力は、直線方向の力として取り扱われるものであってもよいし、力のモーメント（トルク）として取り扱われるものであってもよい。また、操舵トルクについても、力の働く点における接線方向の力に換算されて取り扱われるものであってもよい。また、操舵角あるいは操舵角速度は、モータの回転角あるいは回転角速度と対応関係にあるため、操舵角関連量は、モータの回転角あるいは回転角速度を表すモータ角関連量として取り扱われるものであってもよい。

この操舵トルクと路面反力とに基づいて、目標操舵角関連量演算手段は、目標とする操舵角あるいは操舵角速度を表す目標操舵角関連量を演算する。操舵角関連量フィードバック制御手段は、操舵角関連量検出手段により検出される操舵角関連量が、目標操舵角関連量に追従するようにモータを駆動する。つまり、検出操舵角を目標操舵角に追従させる操舵角フィードバック制御、あるいは、検出操舵角速度を目標操舵角速度に追従させる操舵角速度フィードバック制御によりモータを駆動する。これにより、モータは、操舵アシストトルクを発生する。この場合、操舵角あるいは操舵角速度のフィードバック制御を行っているため、ステアリング機構の経年変化や製造バラツキによる操舵フィーリングの変化が防止される。

操舵角関連量のフィードバック制御では、路面反力を考慮していないと、上記フィードバック制御によって路面反力が打ち消されてしまい、路面情報を路面反力としてドライバーに伝達することができないが、本発明においては、操舵トルクと路面反力とに基づいて目標操舵角関連量を演算しているため、ドライバーに路面反力を適切に感じさせることができる。

本発明の他の特徴は、前記目標操舵角関連量演算手段（１１０，１４０）は、前記操舵トルクが大きいほど操舵角速度が大きくなり、前記路面反力が大きいほど操舵角速度が小さくなるように前記目標操舵角関連量を演算することにある。

本発明によれば、操舵トルクが大きいほど操舵角速度が大きくなるように目標操舵角関連量が演算されるため、操舵トルクが大きいほどモータが高速に回転する。これにより、ドライバーは、操舵ハンドルを速く軽く回動操作することができる。また、路面反力が大きいほど操舵角速度が小さくなるように目標操舵角関連量が演算されるため、路面反力が大きいほどモータの回転速度が小さくなる。これにより、ハンドル操作が重くなり、ドライバーは、路面反力を感じることができる。

尚、目標操舵角関連量として操舵角が演算される構成の場合においては、「操舵トルクが大きいほど操舵角速度が大きくなるように目標操舵角関連量を演算する」とは、操舵トルクが大きいほど単位時間当たりの変化量が大きくなる目標操舵角を演算することであり、「路面反力が大きいほど操舵角速度が小さくなるように目標操舵角関連量を演算する」とは、路面反力が大きいほど単位時間当たりの変化量が小さくなる目標操舵角を演算することである。このため、目標操舵角関連量として操舵角が演算される場合であっても操舵角速度が演算される場合であっても、同じようにモータの回転速度を制御することができる。

本発明の他の特徴は、前記目標操舵角関連量演算手段（１１０，１４０）は、ドライバーの操舵フィーリングを決める仮想の動特性を設定した仮想動特性モデルを記憶した仮想モデル記憶手段（１１３）と、前記路面反力が大きいほど操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクを少なくするように調整した調整後操舵トルクを演算する調整後操舵トルク演算手段（１１１）とを備え、前記仮想動特性モデルと前記調整後操舵トルクとに基づいて、前記目標操舵角関連量を演算することにある。

本発明においては、仮想モデル記憶手段が、ドライバーの操舵フィーリングを決める仮想の動特性を設定した仮想動特性モデルを記憶している。この仮想動特性モデルは、理想の操舵フィーリングが得られる動特性（操舵ハンドル回りの動特性であり、例えば、慣性特性、粘性特性、摩擦特性で表される）を設定したものであり、実際のステアリングシステムの動特性とは全く無関係に設定したものでよい。従って、この仮想動特性モデルを使った運動方程式に操舵トルクを代入すれば、理想とされる操舵角あるいは操舵角速度を演算することができる。この場合、検出された操舵トルクをそのまま運動方程式に代入してしまうと、路面反力をドライバーに感じさせることができない。そこで、本発明では、調整後操舵トルク演算手段が、路面反力が大きいほど操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクを少なくするように調整した調整後操舵トルクを演算する。そして、目標操舵角関連量演算手段が、仮想動特性モデルと調整後操舵トルクとに基づいて、目標操舵角関連量を演算する。

これにより、本発明によれば、ステアリング機構の経年変化や製造バラツキに影響されることなく、ドライバーが入力した操舵トルクに対して所望の操舵アシストが得られるとともに、路面反力をドライバーに感じさせることができる。従って、良好な操舵フィーリングが得られる。また、仮想動特性モデルのパラメータ（動特性）を調整するだけで操舵フィーリングを任意に変更することができるためチューニングが容易となる。

本発明の他の特徴は、前記路面反力取得手段（１３０）は、前記モータの電流値、あるいは、前記モータの出力トルクに基づいて路面反力の推定値である推定路面反力を演算することにある。

モータの出力トルクは、路面反力が大きいほど大きくなる。従って、モータの出力トルクから路面反力を推定することができる。また、モータの出力トルクは、モータに流れる電流に比例する。そこで、本発明においては、路面反力取得手段が、モータの電流値、あるいは、モータの出力トルクに基づいて路面反力の推定値である推定路面反力を演算する。
これにより、目標操舵角関連量演算手段は、操舵トルクと推定路面反力とに基づいて目標操舵角関連量を演算することができる。従って、本発明によれば、路面反力を検出するセンサ（例えば、ラックバーに働く軸力を検出するセンサなど）を設ける必要が無く、低コストにて実施することができる。

本発明の他の特徴は、前記路面反力取得手段（１６０）は、実際の電動パワーステアリング装置における実動特性を使って、路面反力の推定値である推定路面反力を演算することにある。

本発明においては、路面反力取得手段が、実際の電動パワーステアリング装置における実動特性を使って、路面反力の推定値である推定路面反力を演算する。つまり、予め設定された実際の機械的な動特性（慣性特性、粘性特性、摩擦特性など）を使った運動方程式に基づいて推定路面反力を演算する。従って、本発明によれば、路面反力を高精度に推定することができる。尚、推定路面反力の演算に当たっては、運動方程式に必要となるパラメータ（例えば、ステアリング機構へ入力される操舵トルク、操舵角速度等を表す情報）を取得するとよい。

本発明の他の特徴は、ドライバーに路面反力を感じさせる程度を設定した反力伝達調整値（α）に基づいて前記推定路面反力を調整する推定反力調整手段（１３２，１６２）を備え、前記目標操舵角関連量演算手段（１１０，１４０）は、前記調整した後の推定路面反力を使って前記目標操舵角関連量を演算することにある。

本発明においては、推定反力調整手段が、ドライバーに路面反力を感じさせる程度を設定した反力伝達調整値に基づいて推定路面反力を調整する。そして、目標操舵角関連量演算手段が、調整した後の推定路面反力と操舵トルクとに基づいて目標操舵角関連量を演算する。従って、本発明によれば、ドライバーに路面反力を感じさせる程度を任意に調整することができるため、よりきめ細かく操舵フィーリングを調整することができる。

本発明の他の特徴は、前記推定反力調整手段（１３２，１６２）は、前記操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクが大きくなるにしたがって前記推定路面反力を小さくするように調整することにある。

本発明においては、推定反力調整手段が、操舵トルクが大きくなるにしたがって推定路面反力を小さくするように調整する。このため、操舵フィーリングが良好となる。また、操舵トルクが小さい場合は、操舵角も小さい状態となってセルフアライニングトルクが小さくなるが、本発明によれば、操舵トルクが小さい場合は大きい場合に比べて推定路面反力が大きくなるように調整されるため、操舵角を良好に中立位置に戻すことができる。

尚、上記説明においては、発明の理解を助けるために、実施形態に対応する発明の構成に対して、実施形態で用いた符号を括弧書きで添えているが、発明の各構成要件は前記符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。

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図である。 第１実施形態に係るアシストＥＣＵのマイクロコンピュータの処理を表す機能ブロック図である。 反力伝達係数マップを表すグラフである。 第２実施形態に係るアシストＥＣＵのマイクロコンピュータの処理を表す機能ブロック図である。 第３実施形態に係るアシストＥＣＵのマイクロコンピュータの処理を表す機能ブロック図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置について図面を用いて説明する。図１は、実施形態に係る車両の電動パワーステアリング装置の概略構成を表している。

この電動パワーステアリング装置は、操舵ハンドル１１の操舵操作により転舵輪を転舵するステアリング機構１０と、ステアリング機構１０に組み付けられ操舵アシストトルクを発生するモータ２０と、モータ２０を駆動するモータ駆動回路３０と、モータ駆動回路３０を制御する電子制御装置１００とを主要部として備えている。以下、電子制御装置１００をアシストＥＣＵ１００と呼ぶ。

ステアリング機構１０は、操舵ハンドル１１の回転操作により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲを転舵するための機構で、操舵ハンドル１１を上端に一体回転するように接続したステアリングシャフト１２を備える。このステアリングシャフト１２の下端には、ピニオンギヤ１３が一体回転するように接続されている。ピニオンギヤ１３は、ラックバー１４に形成されたラック歯と噛み合って、ラックバー１４とともにラックアンドピニオン機構を構成する。ラックバー１４の両端には、タイロッド１５Ｌ，１５Ｒを介して左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲのナックル（図示略）が操舵可能に接続されている。左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲは、ステアリングシャフト１２の軸線回りの回転に伴うラックバー１４の軸線方向の変位に応じて左右に操舵される。

ラックバー１４には、モータ２０が組み付けられている。本実施形態で用いるモータ２０は、３相ブラシレスモータである。モータ２０の出力軸は、ボールねじ機構１６を介してラックバー１４に動力伝達可能に接続されていて、その回転により左右前輪ＦＷＬ，ＦＷＲに転舵力を付与して操舵操作をアシストする。ボールねじ機構１６は、減速機および回転−直線変換器として機能するもので、モータ２０の回転を減速するとともに直線運動に変換してラックバー１４に伝達する。

ステアリングシャフト１２には、操舵トルクセンサ１７が設けられる。操舵トルクセンサ１７は、例えば、ステアリングシャフト１２の中間部に介装されたトーションバー（図示略）の捩れ角度をレゾルバ等により検出し、この捩れ角に基づいてステアリングシャフト１２に働いた操舵トルクＴhandを検出する。操舵トルクＴhandは、正負の値により操舵ハンドル１１の操作方向が識別される。例えば、操舵ハンドル１１の左方向への操舵時における操舵トルクＴhandを正の値で、操舵ハンドル１１の右方向への操舵時における操舵トルクＴhandを負の値で示す。以下、操舵トルクＴhandの大きさについて述べる場合には、その絶対値を使うものとする。尚、本実施形態においては、トーションバーの捩れ角度をレゾルバにより検出するが、エンコーダ等の他の回転角センサにより検出することもできる。

モータ２０には、回転角センサ１８が設けられる。この回転角センサ１８は、モータ２０内に組み込まれ、モータ２０のロータの回転角度位置に応じた検出信号を出力するもので、例えば、レゾルバにより構成される。回転角センサ１８は、モータ２０の回転角θを表す検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。アシストＥＣＵ１００は、この回転角θからモータ２０の電気角を算出し、この電気角に基づいてモータ２０の電流位相を制御する。また、モータ２０は、ステアリング機構１０に組み付けされているため、モータ２０の回転角θは、操舵角に対応するものとなり、回転角θを時間微分して算出される回転角速度ｄθ／ｄｔは、操舵角速度に対応するものとなる。

モータ駆動回路３０は、図示しないスイッチング素子により３相インバータ回路を構成したものであり、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電力供給ライン３１を介してモータ２０に接続されている。モータ駆動回路３０は、アシストＥＣＵ１００から出力されるＰＷＭ制御信号に応じたデューティ比で各相のスイッチング素子がオン・オフ制御されて３相電流をモータ２０に流す。これによりモータ２０は、３相電流に応じた操舵アシストトルクをステアリング機構１０に付与する。

モータ駆動回路３０には、モータ２０の各相に流れる電流を検出する電流センサ１９が設けられている。電流センサ１９は、モータ２０の各相に流れる電流ｉを表す検出信号をアシストＥＣＵ１００に出力する。

アシストＥＣＵ１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータを主要部として構成される。アシストＥＣＵ１００は、操舵トルクセンサ１７、回転角センサ１８、電流センサ１９、および、車速を検出する車速センサ２１を接続し、操舵トルクＴhand、回転角θ、電流ｉ、車速Ｖｘを表す検出信号を入力する。そして、入力した検出信号に基づいて、運転者の操舵操作に応じた最適な操舵アシストトルクが得られるようにモータ２０に流す指令電流を演算し、その指令電流が流れるようにモータ駆動回路３０の各スイッチング素子のデューティ比を制御する。

尚、アシストＥＣＵ１００は、モータ２０に流す電流を制御する場合、モータ２０の回転子に設けられた永久磁石の磁界が貫く方向（Ｎ極の向く方向）にｄ軸、ｄ軸に直交する方向（ｄ軸に対して電気角がπ／２だけ進んだ方向）にｑ軸を定めたｄ−ｑ座標（２相回転座標）を用いた電流ベクトル制御を実施する。ｄ−ｑ座標における電流ベクトルのｄ軸成分をｄ軸電流と呼び、ｑ軸成分をｑ軸電流と呼ぶ。ｑ軸電流は、ｑ軸方向に磁界が発生するように作用する。従って、ｑ軸電流は、モータトルクを発生させる。一方、ｄ軸電流は、ｄ軸方向に磁界を発生させるため、モータトルクを発生できず、弱め界磁制御に使用される。アシストＥＣＵ１００は、最大のモータトルク効率を得るために、電流ベクトルがｑ軸上を移動するように電流位相を制御する（弱め界磁制御を実行しない場合）。アシストＥＣＵ１００は、こうした電流ベクトル制御を行うにあたって、回転角センサ１８によって検出された回転角θからモータ２０の電気角を算出し、この電気角に基づいてモータ２０の電流位相を制御する。こうした電流ベクトル制御は、本実施形態の特徴ではないため、モータ２０に流す電流を単にモータ電流ｉと称して説明する。本実施形態においては、後述するモータ指令電流ｉ＊は、モータトルクを発生させるｑ軸電流の目標値となる。ｄ軸電流の目標値は、弱め界磁制御を実行しない場合には、ゼロとすればよい。

＜アシストＥＣＵの第１実施形態＞
次に、アシストＥＣＵ１００の機能について図２を用いて説明する。アシストＥＣＵ１００については、以下、複数の実施形態を説明する。図２は、第１実施形態に係るアシストＥＣＵ１００のマイクロコンピュータのプログラム制御により処理される機能を表す機能ブロック図である。アシストＥＣＵ１００は、目標回転角速度演算部１１０と、モータ制御部１２０と、路面反力演算部１３０とを備えている。各機能部は、所定の短い演算周期で当該処理を繰り返す。

目標回転角速度演算部１１０は、モータ２０の目標回転角速度ω＊を演算する機能部であり、算出した目標回転角速度ω＊をモータ制御部１２０に出力する。モータ制御部１２０は、モータ２０の実際の回転角速度ωが目標回転角速度ω＊に追従するようにモータ２０の通電を制御する機能部である。路面反力演算部１３０は、路面からタイヤを介してステアリング機構１０に入力される力である路面反力を演算により推定し、その路面反力をドライバーに感じさせる程度を調整する機能部である。以下、各機能部について説明する。

目標回転角速度演算部１１０は、トルク減算部１１１と、目標加速度演算部１１２と、仮想モデル記憶部１１３と、時間積分部１１４とを備えている。トルク減算部１１１は、操舵トルクセンサ１７により検出された操舵トルクＴhandと、路面反力演算部１３０により算出された路面反力Ｔreactとを入力し、操舵トルクＴhandから路面反力Ｔreactを減算した調整後トルク（Ｔhand−Ｔreact）を算出する。そして、調整後トルクを操舵ハンドル１１の接線方向の力に換算し、換算された力を調整後操作力Ｆとして目標加速度演算部１１２に出力する。調整後トルクを調整後操作力Ｆに換算するには、調整後トルクを操舵ハンドル１１の半径で除算すればよい。

この路面反力Ｔreactは、後述するようにステアリングシャフト回りに働くトルクに換算された値である。従って、調整後トルクは、ドライバーが入力した操舵トルクから、路面反力に対応する反力トルクを減算した値となり、調整後操作力Ｆは、調整後トルクを操舵ハンドル１１の接線方向の力に換算した値となる。この換算は、計算を容易にするためである。従って、直交単位系に換算せずに、そのままトルクを使った回転単位系を使って演算するようにしてもよい。

尚、この説明においては、操舵トルクＴhandを小さくする意味合いを示すために操舵トルクＴhandから路面反力Ｔreactを減算しているが、路面反力Ｔreactを符号（正負）によって方向を表せば、加算処理を行うことになる。何れであっても、路面反力Ｔreactが操舵トルクＴhandに対して反対方向に働くように考えて、路面反力Ｔreactによって操舵トルクＴhandが小さくなるように調整された調整後トルクを算出すればよい。

目標加速度演算部１１２は、次式（１）で表される運動方程式を使って、操舵ハンドル１１の接線方向の目標加速度ａ＊を計算する。
ａ＊＝（Ｆ―ｆ−ｄ・Ｖ０）／ｍ ・・・（１）
ここで、ｆ，ｄ，ｍは、仮想モデル記憶部１１３に記憶されている値である。目標加速度演算部１１２は、仮想モデル記憶部１１３からｆ，ｄ，ｍを読み取って式（１）に代入する。また、Ｖ０は、１演算周期前に演算された目標速度Ｖ＊（後述する）である。

仮想モデル記憶部１１３は、ドライバーが操舵操作したときのハンドル回りの慣性力、粘性抵抗、摩擦抵抗を決める動特性である慣性ｍ［ｋｇ］、粘性係数ｄ［Ｎ／（ｍ／ｓ）］、摩擦抵抗ｆ［Ｎ］を設定した仮想動特性モデルを記憶している。この仮想動特性モデルは、ドライバーにとって最も操舵フィーリングの良好となる理想的な慣性（慣性質量）ｍ、粘性係数ｄ、摩擦抵抗ｆを各種の実験に基づいて設定したものである。従って、慣性ｍ、粘性係数ｄ、摩擦抵抗ｆは、実際のステアリングシステムにおける機械的な値とは、無関係に設定されたものとなっている。

目標加速度ａ＊は、この仮想動特性モデルで表される慣性ｍ、粘性係数ｄ、摩擦抵抗ｆを使って算出されるため、調整後操作力Ｆが操舵ハンドル１１に入力された場合の、仮想動特性モデルにおける操舵ハンドル１１の接線方向の加速度を表している。

目標加速度演算部１１２は、算出した目標加速度ａ＊を時間積分部１１４に出力する。時間積分部１１４は、目標加速度ａ＊を時間積分することにより目標速度Ｖ＊を計算し、この目標速度Ｖ＊をモータ２０の回転角速度ω＊に換算する。時間積分部１１４は、次式（２）を使って、目標速度Ｖ＊を計算する。
Ｖ＊＝Ｖ０＋ａ＊・Δｔ ・・・（２）
ここで、Δｔは、目標回転角速度演算部１１０の演算周期を表す。また、Ｖ０は、１演算周期前に算出された目標速度Ｖ＊である。以下、Ｖ０を前回速度と呼ぶ。前回速度Ｖ０の初期値は、ゼロに設定されている。時間積分部１１４は、算出した目標速度Ｖ＊を次回の演算時における前回速度Ｖ０として記憶する（Ｖ０←Ｖ＊）。この記憶された前回速度Ｖ０は、目標加速度演算部１１２が上記式（１）を使って目標加速度ａ＊を計算する場合においても使用される。

上記式（２）は、仮想動特性モデルのパラメータを使って次式（３）のように表すことができる。
Ｖ＊＝Ｖ０＋（Ｆ―ｆ−ｄ・Ｖ０）Δｔ／ｍ ・・・（３）
この目標速度Ｖ＊は、仮想動特性モデルにおける操舵ハンドル１１の接線方向の速度となる。この場合、仮想動特性モデルで設定されている摩擦抵抗ｆが小さいほど速くなる目標速度Ｖ＊が設定される。また、粘性係数ｄが小さいほど粘性抵抗（ｄ・Ｖ０）が小さくなって速くなる目標速度Ｖ＊が設定される。また、慣性質量ｍが小さいほど速くなる目標速度Ｖ＊が設定される。従って、仮想動特性モデルのパラメータを調整することで、目標速度Ｖ＊の特性を自在に変更することができる。

また、調整後操作力Ｆが大きいほど速くなる目標速度Ｖ＊が設定される。この調整後操作力Ｆは、操舵トルクから路面反力を減算した力に相当するため、操舵トルクＴhandが大きくなるほど速くなる目標速度Ｖ＊が設定され、路面反力Ｔreactが大きくなるほど遅くなる目標速度Ｖ＊が設定される。

時間積分部１１４は、算出した目標速度Ｖ＊［ｍ／ｓ］をモータ２０の目標回転角速度ω＊［ｒａｄ／ｓ］に換算する。操舵ハンドル１１とモータ２０とは、ステアリング機構１０を介して連結されているため、操舵ハンドル１１の接線方向の速度が決まれば、モータ２０の回転角速度も一義的に決まる。この場合、ハンドル半径、減速ギヤのギヤ比を使って、操舵ハンドル１１の目標速度Ｖ＊からモータ２０の目標回転角速度ω＊を計算することができる。目標回転角速度ω＊は、その符号によって回転方向が特定される。時間積分部１１４は、算出した目標回転角速度ω＊をモータ制御部１２０に出力する。

モータ制御部１２０は、回転角速度フィードバック制御部１２１と、電流フィードバック制御部１２２と、ＰＷＭ信号発生部１２３と、実回転角速度演算部１２４とを備えている。回転角速度フィードバック制御部１２１は、目標回転角速度演算部１１０によって演算された目標回転角速度ω＊と、実回転角速度演算部１２４によって演算された実回転角速度ωとを入力し、実回転角速度ωが目標回転角速度ω＊に追従するように、つまり、実回転角速度ωと目標回転角速度ω＊との偏差（ω−ω＊）をゼロに近づけるように、回転角速度のフィードバック制御（例えば、ＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御）によってモータ指令トルクを演算し、そのモータ指令トルクをトルク定数で除算することによりモータ指令電流ｉ＊（モータ２０に通電する目標電流値）を算出する。回転角速度フィードバック制御部１２１は、算出したモータ指令電流ｉ＊を電流フィードバック制御部１２２に出力する。

実回転角速度ωは、実回転角速度演算部１２４によって算出される。実回転角速度演算部１２４は、回転角センサ１８により検出される回転角θを時間で微分する（例えば、単位時間当たりの回転角θの変化量を計算する）ことによってモータ２０の実回転角速度ωを計算する。

電流フィードバック制御部１２２は、モータ指令電流ｉ＊と、電流センサ１９により検出されたモータ実電流ｉとを入力し、モータ実電流ｉがモータ指令電流ｉ＊に追従するように、つまり、モータ実電流ｉとモータ指令電流ｉ＊との偏差（ｉ−ｉ＊）をゼロに近づけるように、電流フィードバック制御（例えば、ＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御）によってモータ指令電圧ｖ＊を演算する。電流フィードバック制御部１２２は、算出したモータ指令電圧ｖ＊をＰＷＭ信号発生部１２３に出力する。尚、電流フィードバック制御部１２２は、回転角センサ１８により検出される回転角θを電気角に変換し、この電気角に基づいて電流位相を制御する。

ＰＷＭ信号発生部１２３は、モータ指令電圧ｖ＊に対応したＰＷＭ制御信号をモータ駆動回路３０の各スイッチング素子に出力する。これによりモータ２０にモータ指令電流ｉ＊が流れて、モータ２０が目標回転角速度ω＊で駆動される。

路面反力演算部１３０は、路面反力推定部１３１と路面反力調整部１３２とを備えている。路面反力推定部１３１は、電流センサ１９により検出されるモータ実電流ｉを入力し、このモータ実電流ｉから算出されるモータ２０の出力トルクをステアリングシャフト回りのトルクに換算した値を計算し、この計算値を推定路面反力Ｔmotorに設定する。モータ２０の出力トルクは、ラックバー１４を軸方向に移動させる軸力に変換されて車輪を転舵する。一方、路面反力は、モータ２０によって付勢されるラックバー１４の移動を妨げるように路面からタイヤを介してラックバーに作用する。従って、モータ２０の出力トルクを路面反力としてみなす（推定する）ことができる。尚、路面反力の推定を精度良く行う例については、第３実施形態にて後述する。

この例では、モータ実電流ｉを使って推定路面反力Ｔmotorを計算しているが、モータ実電流ｉとモータ指令電流ｉ＊とは、電流フィードバック制御によってほとんど同じ値になるため、モータ実電流ｉに代えてモータ指令電流ｉ＊を使って、推定路面反力Ｔmotorを計算するようにしてもよい。また、モータ２０の出力トルクは、モータ電流にトルク定数を乗算して計算できるものであるため、モータ電流を使って推定路面反力Ｔmotorを計算することは、モータ２０の出力トルクを使って推定路面反力Ｔmotorを計算することと実質同一である。従って、モータ指令電流ｉ＊の計算過程でモータ指令トルクを算出している場合には、モータ指令トルクを使用して推定路面反力Ｔmotorを計算してもよい。

路面反力推定部１３１は、算出した推定路面反力Ｔmotorを路面反力調整部１３２に出力する。路面反力調整部１３２は、推定路面反力Ｔmotorに調整係数αを乗算して、最終的な路面反力Ｔreact（＝Ｔmotor×α）を算出する。この調整係数αは、ドライバーに路面反力を感じさせる程度を設定する反力伝達調整値であり、任意に設定することができる。本実施形態においては、路面反力調整部１３２は、図３に示す調整係数マップを記憶しており、この調整係数マップを参照して調整係数αを設定する。調整係数マップは、操舵トルクセンサ１７によって検出された操舵トルクＴhandと調整係数αとを関係付けたデータであって、操舵トルクＴhandの大きさ（絶対値）が大きいほど調整係数αが減少する特性を有する。路面反力調整部１３２は、算出した路面反力Ｔreactを上述したトルク減算部１１１に出力する。

目標回転角速度演算部１１０では、トルク減算部１１１によって操舵トルクＴhandから路面反力Ｔreactを減算した調整後トルク（Ｔhand−Ｔreact）を使って、仮想動特性モデルにおける操舵速度（モータ２０の目標回転角速度ω＊）を演算する。この場合、路面反力Ｔreactが大きいほど、減算トルク（Ｔhand−Ｔreact）が小さくなって調整後操作力Ｆが減少し、目標回転角速度ω＊が減少する。これによりモータ２０の回転速度が減少し、ハンドル操作が重くなる。この回転速度の減少によりハンドル操作が重くなる分が、ドライバーにとって路面反力として感じる部分となる。

以上説明した電動パワーステアリング装置によれば、ドライバーの操舵フィーリングを決める仮想動特性モデルを使って目標回転角速度ω＊を演算し、実回転角速度ωが目標回転角速度ω＊に追従するように、回転角速度のフィードバック制御を行う。このため、ステアリング機構１０の機械的抵抗のバラツキを打ち消すことができ、ステアリング機構１０の経年変化や製造バラツキに影響されることなく、ドライバーが入力した操舵トルクに対して所望の操舵アシストが得られる。つまり、あたかも仮想動特性モデルのステアリングシステムを操作しているかのような操舵フィーリングが得られる。また、仮想動特性モデルのパラメータを調整するだけで操舵フィーリングを任意に変更することができるためチューニングが容易となる。

この場合、検出された操舵トルクＴhandをそのまま運動方程式に代入してしまうと、路面反力をドライバーに感じさせることができないが、本実施形態では、路面反力を推定し、推定路面反力が大きいほど操舵トルクＴhandを少なくするように調整した調整後操舵トルクを使って、目標回転角速度ω＊を演算するため、その分だけハンドル操作が重くなり、ドライバーに適度な路面反力を感じさせることができる。また、路面反力は、モータ電流ｉ、モータ指令電流ｉ＊、モータ指令トルクの何れかを使って推定されるものであるため、路面反力を検出するセンサ（例えば、ラックバー１４に働く軸力を検出するセンサなど）を設ける必要が無く、低コストにて実施することができる。また、調整係数αを任意に設定することができるため、ドライバーに路面反力を感じさせる程度を自由に設定することができる。これにより、よりきめ細かく操舵フィーリングを調整することができる。

また、本実施形態においては、調整係数αを使って操舵トルクが大きくなるにしたがって推定路面反力を小さくし、操舵トルクが小さくなるにしたがって推定路面反力を大きくするように調整している。このため、操舵フィーリングが良好となる。また、操舵トルクが小さい場合は、操舵角も小さい状態となってセルフアライニングトルクが小さくなり、操舵角が中立位置に戻りにくくなるが、操舵トルクが小さいほど調整係数αを大きくしているため、操舵ハンドル１１を手の平で滑らせながら良好に中立位置に戻すことができる。

一方、従来の一般的な電動パワーステアリング装置では、操舵トルクと目標アシストトルクとの関係を設定するアシストマップを用いてモータ指令トルクを決めているため、ハンドルの切り始めの低操舵トルク域においては、アシストマップでのアシスト比が低く設定されていることから、モータ指令トルクが僅かとなる。このため、ステアリング機構１０の機械抵抗（粘性、摩擦、慣性）のバラツキを打ち消すことができず、そのバラツキがハンドル切り始めの操舵フィーリングにおいて表れてしまう。従って、機械抵抗削減のために、精密な加工や高価な材料が必要となる。また、路面反力がドライバーに伝達される比率は、アシストマップのアシスト比によって決まってしまうため、路面反力の感じ方を調整することは難しい。これらの結果、操舵フィーリングを定量的に調整することが難しい。

これに対して、本実施形態の電動パワーステアリング装置によれば、こうした課題を簡単に解決することができる。

尚、上記実施形態において、さらに、車速Ｖｘに応じて操舵アシストを可変する構成を採用することが好ましい。例えば、仮想モデル記憶部１１３に記憶される動特性パラメータを車速Ｖｘによって異なる値に設定されるようにすればよい。この場合、仮想モデル記憶部１１３は、複数の代表的な車速毎に理想の動特性パラメータを設定した仮想動特性モデルを記憶している。そして、仮想モデル記憶部１１３は、車速センサ２１により検出される車速Ｖｘを読み込み、この車速Ｖｘに対応する動特性パラメータを目標加速度演算部１１２に出力する。動特性パラメータとしては、上記実施形態で用いた慣性ｍ、粘性係数ｄ、摩擦抵抗ｆのうちの任意のものを車速Ｖｘに応じて変更する（高速時は低速時に比べて動特性パラメータを大きくする）ようにすればよいが、特に、慣性ｍ、摩擦抵抗ｆを車速によって切り替えることが好ましい。これにより、操舵フィーリングと走行安定性とを一層良好に両立させることができる。

また、路面反力調整部１３２に記憶されている調整係数αを車速Ｖｘに応じて変更するようにしてもよい。この場合、路面反力調整部１３２は、複数の代表的な車速毎に設定した調整係数マップを記憶している。そして、路面反力調整部１３２は、車速センサ２１により検出される車速Ｖｘを読み込み、この車速Ｖｘに対応する調整係数マップを選択して路面反力Ｔreact（＝Ｔmotor×α）を算出する。この調整係数マップは、高速時は低速時に比べて調整係数αが大きくなるように設定されているとよい。これにより、操舵フィーリングと走行安定性とを一層良好に両立させることができる。

＜アシストＥＣＵの第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るアシストＥＣＵ１００の機能について説明する。図４は、第２実施形態に係るアシストＥＣＵ１００のマイクロコンピュータのプログラム制御により処理される機能を表す機能ブロック図である。この第２実施形態のアシストＥＣＵ１００は、第１実施形態における目標回転角速度演算部１１０、モータ制御部１２０に代えて目標回転角演算部１４０、モータ制御部１５０を備えている。以下、第１実施形態と同じ構成については、図面に第１実施形態と共通の符号を付して説明を省略する。

目標回転角演算部１４０は、モータ２０の目標回転角θ＊を演算する機能部であり、算出した目標回転角θ＊をモータ制御部１５０に出力する。目標回転角演算部１４０は、第１実施形態と同じ構成であるトルク減算部１１１、目標加速度演算部１１２、仮想モデル記憶部１１３、時間積分部１１４に加えて、更に、第２時間積分部１１５を備えている。以下、時間積分部１１４を、第２時間積分部１１５と区別するために第１時間積分部１１４と呼ぶ。

第２時間積分部１１５は、第１時間積分部１１４により算出された目標回転角速度ω＊を入力し、次式（４）を使って目標回転角θ＊を計算する。
θ＊＝θ０＋ω＊・Δｔ ・・・（４）
ここで、θ０は、１演算周期前に演算された目標回転角θ＊である。以下、θ０を前回角度と呼ぶ。前回角度θ０の初期値は、目標回転角演算部１４０が起動したときの回転角センサ１８により検出された回転角θとする。

第２時間積分部１１５は、式（４）を使って目標回転角θ＊を算出する都度、その目標回転角θ＊を次回の演算時における前回角度θ０として記憶する（θ０←θ＊）。式（４）の右辺第２項のω＊・Δｔは、１演算周期Δｔの間にモータ２０を回転させる角度Δθ［ｒａｄ］を表している。従って、第２時間積分部１１５は、回転角θの初期値に、１演算周期Δｔの間にモータ２０を回転させる角度Δθを、所定の演算周期で加算していくことにより、モータ２０の目標回転角θ＊を演算する。この目標回転角θ＊は、仮想動特性モデルにおける操舵ハンドル１１の回転角度（回転位置）をモータ２０の回転角度（回転位置）に換算したものとなる。第２時間積分部１１５は、算出した目標回転角θ＊をモータ制御部１５０に出力する。

モータ制御部１５０は、第１実施形態のモータ制御部１２０において、回転角速度フィードバック制御部１２１に代えて回転角フィードバック制御部１２５を備え、実回転角速度演算部１２４を省略したものである。回転角フィードバック制御部１２５は、目標回転角演算部１４０によって演算された目標回転角θ＊と、回転角センサ１８によって検出されたモータ２０の回転角θ（実回転角θと呼ぶ）とを入力し、実回転角θが目標回転角θ＊に追従するように、つまり、実回転角θと目標回転角θ＊との偏差（θ−θ＊）をゼロに近づけるように、回転角のフィードバック制御（例えば、ＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御）によってモータ指令トルクを演算し、そのモータ指令トルクをトルク定数で除算することによりモータ指令電流ｉ＊（モータ２０に通電する目標電流値）を算出する。回転角フィードバック制御部１２５は、算出したモータ指令電流ｉ＊を電流フィードバック制御部１２２に出力する。

以上説明した第２実施形態の電動パワーステアリング装置によれば、ドライバーの操舵フィーリングを決める仮想動特性モデルを使って目標回転角θ＊を演算し、実回転角θが目標回転角θ＊に追従するように、回転角のフィードバック制御を行う。これにより、操舵トルクＴhandが大きくなるほどモータ２０の回転速度が速くなり、路面反力Ｔreactが大きくなるほどモータ２０の回転速度が遅くなる。従って、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

＜アシストＥＣＵの第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係るアシストＥＣＵ１００の機能について説明する。図５は、第３実施形態に係るアシストＥＣＵ１００のマイクロコンピュータのプログラム制御により処理される機能を表す機能ブロック図である。この例は、第１実施形態における路面反力演算部１３０に代えて路面反力演算部１６０を設けたものであるが、第２実施形態における路面反力演算部１３０に代えて適用することもできる。

路面反力演算部１６０は、路面反力推定部１６１と路面反力調整部１６２と実機械抵抗記憶部１６３とを備えている。ステアリングシステムにおける運動方程式は、次式（５）のように表すことができる。
Ｔhand＋Ｔmotor−（ｆ’＋ｄ’・ω）−Ｔin＝ｍ’・ｄω／ｄｔ ・・・（５）
ここで、各項は、ステアリングシャフト回りのトルクに換算した値であって、Ｔhandはドライバーの入力した操舵トルク（操舵トルクセンサ１７により検出された実測値）、Ｔmotorはモータ出力トルク、Ｔinは路面から入力された路面入力トルクである。また、ｆ’、ｄ’、ｍ’は、実機械抵抗記憶部１６３に記憶されている値であって、ステアリングシステム（モータ２０を含めたステアリング機構１０）における実際の摩擦抵抗トルク、粘性係数、慣性（回転慣性）を表す。また、ωは、モータ２０の回転角速度ω（実測値）をステアリングシャフト１２の回転角速度に換算した値を表す。ｄω／ｄｔは、ωの時間微分値であり角加速度を表す。

モータ出力トルクＴmotorは、電流センサ１９により検出されるモータ実電流ｉから算出されるモータ２０の出力トルクをステアリングシャフト回りのトルクに換算することにより算出することができる。回転角速度ωは、実回転角速度演算部１２４によって算出された実回転角速度ωをステアリングシャフト回りの回転角速度に変換することにより算出することができる。

実機械抵抗記憶部１６３は、ステアリングシステムにおける実際の摩擦抵抗トルクｆ’、粘性係数ｄ’、回転慣性ｍ’を記憶している。尚、「実際の」という表現は、仮想モデルにおける「仮想」に対するものである。従って、値ｆ’、ｄ’、ｍ’は、必ずしも真の値を表しているわけではなく、実機における設計値に相当するものである。

路面反力推定部１６１は、上記式（５）を使って路面入力トルクＴinを算出する。この路面入力トルクＴinは推定路面反力に相当するものであるので、以下、路面入力トルクＴinを推定路面反力Ｔinと呼ぶ。

路面反力推定部１６１は、算出した推定路面反力Ｔinを路面反力調整部１６２に出力する。路面反力調整部１６２は、推定路面反力Ｔinに調整係数αを乗算して、最終的な路面反力Ｔreact（＝Ｔin×α）を算出する。この調整係数αについては、第１実施形態と同様とするが、任意に設定することができる。路面反力調整部１６２は、算出した路面反力Ｔreactを上述したトルク減算部１１１に出力する。

以上説明した第３実施形態によれば、ステアリングシステムにおける実際の摩擦抵抗トルク、粘性係数、慣性（回転慣性）を使って推定路面反力Ｔinを計算するため、路面反力の推定精度が高くなる。このため、一層適切な路面情報をドライバーに伝達することができる。

以上、本実施形態の電動パワーステアリング装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、路面反力を演算により推定しているが、路面反力センサ（例えば、ラックバー１４に働く軸力を検出するセンサ）を設けて路面反力を表す情報を取得するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、回転角センサ１８により検出されたモータ２０の回転角θに基づいて操舵角あるいは操舵角速度を検出しているが、これに代えて、操舵角センサあるいは操舵角速度センサを設けて、そのセンサの検出信号により操舵角あるいは操舵角速度を検出するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、モータ２０の発生するトルクをラックバー１４に付与するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置について説明したが、モータの発生するトルクをステアリングシャフト１２に付与するコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置であってもよい。

また、本実施形態においては、仮想モデル記憶部１１３に記憶される動特性として、慣性特性、粘性特性、摩擦特性を用いているが、必ずしもこの３つに限るものではない。例えば、弾性特性を加えるようにしてもよい。また、任意の特性を除いてもよい。

１０…ステアリング機構、１１…操舵ハンドル、１２…ステアリングシャフト、１４…ラックバー、１７…操舵トルクセンサ、１８…回転角センサ、１９…電流センサ、２０…モータ、２１…車速センサ、３０…モータ駆動回路、１００…アシストＥＣＵ、１１０…目標回転角速度演算部、１１１…トルク減算部、１１２…目標加速度演算部、１１３…仮想モデル記憶部、１１４，１１５…時間積分部、１２０，１５０…モータ制御部、１２１…回転角速度フィードバック制御部、１２２…電流フィードバック制御部、１２３…ＰＷＭ信号発生部、１２４…実回転角速度演算部、１２５…回転角フィードバック制御部、１３０，１６０…路面反力演算部、１３１，１６１…路面反力推定部、１３２，１６２…路面反力調整部、１４０…目標回転角演算部、１６３…実機械抵抗記憶部、ｄ…粘性係数、ｆ…摩擦抵抗、ｍ…慣性、Ｆ…調整後操作力、Ｔhand…操舵トルク、Ｔin…路面入力トルク、Ｔmotor…モータ出力トルク、Ｔreact…路面反力、α…調整係数、θ…回転角、ω…回転角速度。

Claims (7)

1. ステアリング機構に設けられて操舵アシストトルクを発生するモータと、
   ドライバーの入力した操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   操舵角あるいは操舵角速度を表す操舵角関連量を検出する操舵角関連量検出手段と、
   路面からタイヤを介して前記ステアリング機構に入力される路面反力の情報を取得する路面反力取得手段と、
   前記操舵トルクと前記路面反力とに基づいて、目標とする操舵角あるいは操舵角速度を表す目標操舵角関連量を演算する目標操舵角関連量演算手段と、
   前記操舵角関連量検出手段により検出される操舵角関連量が、前記目標操舵角関連量に追従するように前記モータを駆動する操舵角関連量フィードバック制御手段と
   を備えた電動パワーステアリング装置。
2. 前記目標操舵角関連量演算手段は、前記操舵トルクが大きいほど操舵角速度が大きくなり、前記路面反力が大きいほど操舵角速度が小さくなるように前記目標操舵角関連量を演算することを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記目標操舵角関連量演算手段は、
   ドライバーの操舵フィーリングを決める仮想の動特性を設定した仮想動特性モデルを記憶した仮想モデル記憶手段と、
   前記路面反力が大きいほど操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクを少なくするように調整した調整後操舵トルクを演算する調整後操舵トルク演算手段とを備え、
   前記仮想動特性モデルと前記調整後操舵トルクとに基づいて、前記目標操舵角関連量を演算することを特徴とする請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記路面反力取得手段は、前記モータの電流値、あるいは、前記モータの出力トルクに基づいて路面反力の推定値である推定路面反力を演算することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記路面反力取得手段は、実際の電動パワーステアリング装置における実動特性を使って、路面反力の推定値である推定路面反力を演算することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項記載の電動パワーステアリング装置。
6. ドライバーに路面反力を感じさせる程度を設定した反力伝達調整値に基づいて前記推定路面反力を調整する推定反力調整手段を備え、
   前記目標操舵角関連量演算手段は、前記調整した後の推定路面反力を使って前記目標操舵角関連量を演算することを特徴とする請求項４または５記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記推定反力調整手段は、前記操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクが大きくなるにしたがって前記推定路面反力を小さくするように調整することを特徴とする請求項６記載の電動パワーステアリング装置。

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