JP2014234146A - 電動パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操舵角度やモータ回転角度が変化する動的な場合であっても、高い精度で操舵トルクを推定する電動パワーステアリング制御装置を提供する【解決手段】 ハンドルに加えられるトルクを推定するトルク推定部１０と、トルク推定部が演算するトルク推定値Ｔｓｕｂに基づいてモータ３を制御するモータ制御部１３と、を備える。トルク推定部１０は、ハンドルの操舵角度θHと、ハンドルの操舵角速度θ’Hと、モータの回転角度θMと、トルク推定値Ｔｓｕｂをフィードバックした値と、に基づいてハンドルに加えられるトルクを推定する電動パワーステアリング制御装置１。【選択図】 図１

Description

本発明は、ハンドルの操舵支援を行う電動パワーステアリング制御装置に関する。

従来から、車の運転者によるステアリング系に与えられる操舵トルクに基づいて、モータを制御することでステアリング系の操舵を支援する電動パワーステアリング制御装置が知られている。しかし、操舵トルクを検知するトルクセンサが故障すると操舵トルクが不明となる。この場合、安全性の観点からモータの制御を停止させることとなるが、運転者にとってはハンドルが非常に重くなり、操舵性の悪いものとなってしまう。

そこで、トルクセンサを使用できない場合であっても操舵トルクを推定し、その推定値を使用してモータを制御することが知られている。例えば、特許文献１は、トルクセンサを含むトルク系に異常が検出された場合に、運転者がより快適な操舵感の得られる代替制御機能を備えた電動パワーステアリング装置を開示している。この電動パワーステアリング装置は、トルク系に異常が検出された場合に、モータ回転角度及びステアリングホイール回転角度に基づいて代替制御トルクを算出し、トルクセンサによって検出される操舵トルクの代わりに代替制御トルクを用いてモータを制御するための電流指令値を決定する。

また、特許文献２は、簡素な構成にて、トルクセンサの異常時においても安定的にアシスト力の付与を継続することのできる電動パワーステアリングを開示している。この電動パワーステアリングは、車両における左右の車輪速に基づき転舵角を推定する転舵角推定演算部と、その転舵角をトーションバーよりも転舵輪側におけるステアリングシャフトの回転角に換算するピニオン角を演算するピニオン角演算部とを備える。そして、この電動パワーステアリングは、ステアリングセンサにより検出される操舵角及びピニオン角に基づいて代替操舵トルクを演算する。そして、電動パワーステアリングは、トルクセンサの異常時には、当該トルクセンサにより検出される操舵トルクに代えて、この代替操舵トルクを用いることにより、操舵を支援する。

また、特許文献３は、トルクセンサ故障時にも正常時に近い操舵フィーリングを得ることのできる電動ステアリング装置を開示している。この電動ステアリング装置は、操舵をアシストするアシストトルクを発生させるアシストモータと、運転者により入力された操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、車両に発生した実ヨーレートを検出するヨーレートセンサと、操舵トルクセンサが正常か否かを判定するトルクセンサ故障検出部を備える。そして、電動ステアリング装置は、トルクセンサ故障検出部により操舵トルクセンサが正常であると判定されたときには、操舵トルクセンサの検出値に基づいてアシストモータに供給するアシスト電流を制御する。一方、電動ステアリング装置は、操舵トルクセンサが正常でないと判定されたときには、車両の状態情報に基づいて算出される規範ヨーレートとヨーレートセンサにより検出される実ヨーレートとの偏差に基づいてアシストモータに供給するアシスト電流を制御する。

特開２００９−０１２５１１号公報 特開２０１０−２６９７６３号公報 特開２００９−０５１２９２号公報

操舵トルクの推定値を求めるに当たり、中でも特許文献１および２にあるように、操舵角度とモータ回転角度、または操舵角度と転舵角度を使用して、フックの法則から操舵トルクを推定することが行われている。
Ｔ_H＝Ｋ（θ_H−θ_M） ・・・ （１）
ここで、Ｔ_Hは操舵トルク、Ｋはバネ係数、θ_Hは操舵角度、θ_Mはモータ回転角度である。

しかし、この（１）式が成り立つのは、操舵角度θ_Hとモータ回転角度θ_Mが変化しない場合、即ち静的な場合のみである。これらが刻々と変化する動的な場合は、フックの法則は成り立たない。また、推定性能の観点から、推定に用いる数学モデルは実際の制御装置を反映させた正確なモデルであることが望ましいが、電動パワーステアリング制御装置は、不確かな路面反力の影響を受けるために、その制御装置全体を正確に反映させた数学モデルを獲得するのは困難である。

そこで、本発明では、操舵トルクを推定するに当たり、動的な場合の推定性能を備え、路面反力が現れない入力パラメータを用いて推定性能を精度よく補償する電動パワーステアリング制御装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、車両のハンドルの操舵トルクに基づいてモータを制御することでそのハンドルの操舵支援をする電動パワーステアリング制御装置であって、ハンドルに加えられるトルクを推定するトルク推定部と、そのトルク推定部が演算するトルク推定値に基づいてモータを制御するモータ制御部と、を備え、トルク推定部は、ハンドルの操舵角度と、ハンドルの操舵角速度と、モータの回転角度と、トルク推定値をフィードバックした値と、に基づいてハンドルに加えられるトルクを推定する電動パワーステアリング制御装置が提供される。
これによれば、操舵角度やモータ回転角度が変化する動的な場合の操舵トルクの推定値を算出し、操舵を支援する電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

さらに、トルク推定部は、ハンドルの操舵角速度と、ハンドルの操舵角速度、ハンドルの操舵角度、モータの回転角度、およびトルク推定値によって求めた操舵角速度推定値と、に基づいてトルク推定値を出力することを特徴としてもよい。
これによれば、操舵トルクの推定値を算出するに当たり、路面反力が現れないハンドルの操舵角速度を入力パラメータに用いることで、推定精度の高い電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

さらに、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサの異常を検出する異常検出部をさらに備え、モータ制御部は、異常検出部が異常を検出していない場合にはトルクセンサが検出した操舵トルクに基づいてモータを制御し、異常検出部が異常を検出している場合にはトルク推定値に基づいてモータを制御することを特徴としてもよい。
これによれば、トルクセンサに異常がある場合に、動的な場合であっても精度よく操舵トルクの推定値を算出し、操舵を支援する電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、操舵トルクを推定するに当たり、動的な場合の推定性能を備え、路面反力が現れない入力パラメータを用いて推定性能を精度よく補償する電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

本発明に係る第一実施例の電動パワーステアリング制御装置を示すブロック図。 本発明に係る第一実施例の電動パワーステアリング制御装置おける制御ステップを示すフローチャート。 本発明に係る第一実施例の電動パワーステアリング制御装置おけるトルク推定部のブロック図。

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る実施例について説明する。
＜第一実施例＞
図１は、本実施例における電動パワーステアリング制御装置１のブロック図である。電動パワーステアリング制御装置１は、車両のハンドルの操舵トルクに基づいてモータを制御することでハンドルの操舵支援をする制御装置である。電動パワーステアリング制御装置１は、車の運転者により操舵装置２に与えられる、操舵トルクを検出するトルクセンサ２１から操舵トルクＴｒｑを、操舵角度を検出する操舵角度センサ２２から操舵角度θ_Hを得る。また、電動パワーステアリング制御装置１は、操舵装置２を駆動するモータ３のモータ回転角度を検出するモータ回転角度センサ３１からモータ回転角度θ_Mを得る。さらに、電動パワーステアリング制御装置１は、車の走行スピードを検出し出力する車速情報出力部４から走行速度Ｓｐｄを得る。そして、電動パワーステアリング制御装置１は、トルクセンサ２１、操舵角度センサ２２、モータ回転角度センサ３１、および車速情報出力部４からの情報に基づいて、運転者のハンドル操作に伴う操舵トルクに対する操舵支援を行うために、操舵装置２を駆動するモータ３の電流を制御する。

電動パワーステアリング制御装置１は、トルク推定部１０と、舵角微分部１１と、電流指令部１２と、モータ制御部１３と、異常検出部１４とを備える。

トルク推定部１０は、運転者によりハンドルに加えられるトルクを推定する。トルク推定部１０は、操舵角度センサ２２から得られるハンドルの操舵角度θ_Hと、舵角微分部１１から得られるハンドルの操舵角速度θ’_Hと、モータ回転角度センサ３１から得られるモータの回転角度θ_Mと、トルク推定値Ｔｓｕｂをフィードバックした値とに基づいてハンドルに加えられるトルクを推定する。これによれば、操舵角度やモータ回転角度が変化する動的な場合の操舵トルクの推定値を算出し、操舵を支援する電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

舵角微分部１１は、操舵角度センサ２２から得られる操舵角度θ_Hの入力を受けると、それを微分演算することにより得られる操舵角速度θ’_Hをトルク推定部１０に対して出力する。

電流指令部１２は、車速情報出力部４が出力した車の走行速度Ｓｐｄと、トルクセンサ２１が出力する操舵トルクＴｒｑまたはトルク推定部１０が出力するトルク推定値Ｔｓｕｂに基づいて、電流指令値Ｉｒｅｆを算出し、出力する。電流指令部１２による電流指令値の算出方法は、様々な方法が考えられる。

例えば、電流指令部１２は、走行速度Ｓｐｄと操舵トルクＴｒｑ／トルク推定値Ｔｓｕｂに対応したトルク補助力を駆動できる電流値を保持し、走行速度Ｓｐｄを車速情報出力部４から取得し、操舵トルクＴｒｑをトルクセンサ２１から取得したかまたはトルク推定値Ｔｓｕｂをトルク推定部１０から取得した時に、これらに対応した電流値を指令値Ｉｒｅｆとして出力してもよい。電流指令部１２が出力した電流指令値Ｉｒｅｆは、モータ制御部１３に対して出力される。

モータ制御部１３は、電流指令値Ｉｒｅｆに基づき、操舵装置２の操舵を補助するモータ３の駆動を制御する。即ち、モータ制御部１３は、電流指令値Ｉｒｅｆにより、操舵装置２のハンドルの操舵を補助するモータ３を駆動し、運転者に対して操舵支援を行う。

異常検出部１４は、ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサ２１の異常を検出し、電流指令部１２へ出力する。電流指令部１２は、異常検出部１４からの出力が無い場合はトルクセンサ２１が出力する操舵トルクＴｒｑを採用し、または、異常検出部１４からの出力がある場合にはトルク推定部１０が出力したトルク推定値Ｔｓｕｂを採用し、電流指令値Ｉｒｅｆを出力する。

その結果、モータ制御部１３は、異常検出部１４が異常を検出していない場合にはトルクセンサ２１が検出した実際の操舵トルクＴｒｑに基づいてモータ３を制御し、異常検出部１４が異常を検出している場合にはトルク推定部１０が出力したトルク推定値Ｔｓｕｂに基づいてモータ３を制御する。この場合、モータ制御部１３は、トルク推定部１０が演算するトルク推定値Ｔｓｕｂに基づいてモータ３を制御することとなる。

図２を参照し、電動パワーステアリング制御装置１の作用について説明する。なお、フローチャートにおけるステップはＳと省略して記載する。まず、電動パワーステアリング制御装置１は、Ｓ１００において、トルクセンサ２１から操舵トルクＴｒｑを、車速情報出力部４から車両の走行速度Ｓｐｄを読み込んで、得る。次に、電動パワーステアリング制御装置１の異常検出部１４は、Ｓ１０２において、操舵トルクＴｒｑが読み込めなかったり、異常値が読み込まれた等トルクセンサ２１に異常があるかどうかの検出を行う。

電動パワーステアリング制御装置１は、Ｓ１０４において、トルクセンサ２１に異常があるかどうか判断する。異常がなかった場合は、電動パワーステアリング制御装置１の電流指令部１２は、Ｓ１０６において、Ｓ１００で読み込んだ操舵トルクＴｒｑと走行速度Ｓｐｄを基にして電流指令値Ｉｒｅｆを計算し、モータ制御部１３へ出力する。そうすると、モータ制御部１３は、Ｓ１０８において、その電流指令値Ｉｒｅｆに基づきモータ３を制御する。即ち、電動パワーステアリング制御装置１は、トルクセンサ２１に異常がない場合は、運転者が実際にハンドルを操作した操舵トルクＴｒｑに基づいて、操舵装置２に対して操舵支援を行う。

一方、Ｓ１０４においてトルクセンサに異常があったと判断された場合、電流指令部１２は、トルク推定部１０が出力するトルク推定値Ｔｓｕｂを採用する。トルク推定部１０は、Ｓ１１０において、操舵角度センサ２２からハンドルの操舵角度θ_Hを、舵角微分部１１から得られるハンドルの操舵角速度θ’_Hを、モータ回転角度センサ３１からモータ３のモータ回転角度θ_Mを、フィードバックとしてトルク推定部１０自身が前回推定したトルク推定値Ｔｓｕｂを、読み込む。そして、トルク推定部１０は、Ｓ１１２において、上記４つの入力パラメータを基に操舵角速度推定値Ｚを計算する。

ここで、図３を参照し、トルク推定部１０における推定方法としての操舵角速度推定値Ｚの求め方を説明する。操舵角速度推定値Ｚは、操舵角速度モデル（図示点線で囲まれる部分）により求められる。操舵角速度モデルは、操舵角度θ_H、操舵角速度θ’_H、モータ回転角度θ_M、および前回出力したトルク推定値Ｔｓｕｂを入力として、操舵角速度推定値Ｚを出力するモデルである。

操舵トルクを推定するにあたり、操舵角度θ_H、操舵角速度θ’_H、モータ回転角度θ_M、モータ回転角速度等の間には、一般に式（２）の関係が成立する。
・・・（２）

なお、ａ₁はバネ係数をハンドル側の慣性モーメントで割った値、ａ₂は操舵角側の粘性係数をハンドル側慣性モーメントで割った値、ａ₃はバネ係数をモータ側の慣性モーメントで割った値、ａ₄は粘性係数をモータ側の慣性モーメントで割った値、ｕはモータトルク、Ｔ_iは操舵トルク、Ｔ_sは路面反力トルク、ｂはモータ側の慣性モーメントの逆数、ｇはハンドル側の慣性モーメントの逆数である。

一般に、操舵トルクを推定するモデルは、推定精度の観点から、現実の現象をすべて取り入れた数学モデルが好ましいが、操舵トルクの推定においては不確かな路面反力の影響を受けるため、正確な数学モデルを獲得することは困難である。そこで、本願では、路面反力が現れないハンドルの操舵角速度を使用した操舵角速度モデルとする。

そうすると、図３に示されるトルク推定値Ｔｓｕｂは、式（３）のように表される。
・・・（３）

ここで、Ｌは設計パラメータである。また、表記として、
である。

また、操舵角速度モデルは式（４）のように表される。
・・・（４）

操舵角速度推定値Ｚの微分値Ｚ’は、操舵角度θ_Hとバネ係数をハンドル側の慣性モーメントで割った値−ａ₁の積と、モータ回転角度θ_M、とバネ係数をハンドル側の慣性モーメントで割った値ａ₁の積と、操舵角速度θ’_Hと操舵角側の粘性係数をハンドル側慣性モーメントで割った値−ａ₂の積と、当モデルに対するトルク推定値Ｔｓｕｂのフィードバック値ｇＴ’_iとの和である。操舵角速度推定値Ｚは、操舵角速度推定値Ｚの微分値Ｚ’を積分することにより求められる。

即ち、トルク推定部１０は、ハンドルの操舵角速度θ’_Hと、ハンドルの操舵角速度θ’_H、ハンドルの操舵角度θ_H、モータの回転角度θ’_M、およびトルク推定値Ｔｓｕｂによって求めた操舵角速度推定値Ｚと、に基づいてトルク推定値Ｔｓｕｂを出力する。
ここで、実際の操舵トルクＴｒｑ（＝Ｔ_i）とトルク推定値Ｔｓｕｂの誤差ｅ_tは、式（５）のように表される。

・・・（５）
ここで、操舵トルクＴｒｑが目標のために一定の値を取ると仮定する（Ｔ’_i＝０）と、式（６）のように表される。

・・・（６）
従って、実際の操舵トルクＴｒｑとトルク推定値Ｔｓｕｂの差は、式（７）のように表される。

・・・（７）
従って、結果として、式（８）となる。

・・・（８）

これは、実際の操舵トルクＴｒｑとトルク推定値Ｔｓｕｂの誤差ｅ_tは時間に従って、指数関数的に減少することを意味し、即ち、すばやく精度の良いトルク推定値を得ることができることを示している。また、設計パラメータＬを調整することにより、収束性能を自由に設計することができる。これによれば、操舵トルク推定値を算出するに当たり、路面反力が現れないハンドルの操舵角速度を入力パラメータに用いることで、推定精度の高い電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

上述したように、式（４）に基づき操舵角速度推定値Ｚを計算した後、トルク推定部１０は、Ｓ１１４において、式（３）に基づき、トルク推定値Ｔｓｕｂを計算する。そして、電流指令部１２は、Ｓ１１６において、Ｓ１１４で求めたトルク推定値Ｔｓｕｂと、Ｓ１００で得た走行速度Ｓｐｄから電流指令値Ｉｒｅｆを計算する。そうすると、モータ制御部１３は、Ｓ１０８において、その電流指令値Ｉｒｅｆに基づきモータ３を制御する。即ち、電動パワーステアリング制御装置１は、トルクセンサ２１に異常がある場合は、トルク推定部１０が求めたトルク推定値Ｔｓｕｂに基づいて、操舵装置２に対して操舵支援を行う。これによれば、トルクセンサに異常がある場合にも、動的な場合であっても精度よく操舵トルクの推定値を算出し、操舵を支援する電動パワーステアリング制御装置を提供することができる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

１ 電動パワーステアリング制御装置
２ 操舵装置
３ モータ
４ 車速情報出力部
１０ トルク推定部
１１ 舵角微分部
１２ 電流指令部
１３ モータ制御部
１４ 異常検出部
２１ トルクセンサ
２２ 操舵角度センサ
３１ モータ回転角度センサ

Claims (3)

1. 車両のハンドルの操舵トルクに基づいてモータを制御することで前記ハンドルの操舵支援をする電動パワーステアリング制御装置であって、
   前記ハンドルに加えられるトルクを推定するトルク推定部と、
   前記トルク推定部が演算するトルク推定値に基づいて前記モータを制御するモータ制御部と、
   を備え、
   前記トルク推定部は、
   前記ハンドルの操舵角度と、
   前記ハンドルの操舵角速度と、
   前記モータの回転角度と、
   前記トルク推定値をフィードバックした値と、
   に基づいて前記ハンドルに加えられるトルクを推定する
   電動パワーステアリング制御装置。
2. 前記トルク推定部は、
   前記ハンドルの操舵角速度と、
   前記ハンドルの操舵角速度、前記ハンドルの操舵角度、前記モータの回転角度、および前記トルク推定値によって求めた操舵角速度推定値と、
   に基づいて前記トルク推定値を出力する
   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制御装置。
3. 前記ハンドルの操舵トルクを検出するトルクセンサの異常を検出する異常検出部をさらに備え、
   前記モータ制御部は、前記異常検出部が異常を検出していない場合には前記トルクセンサが検出した操舵トルクに基づいて前記モータを制御し、前記異常検出部が異常を検出している場合には前記トルク推定値に基づいて前記モータを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電動パワーステアリング制御装置。