JP2016020171A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】路面摩擦が大きく、車速が低速な場合でも、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】モータ回転角速度ωｍに基づく負荷トルクと、実電流Ｉｍに基づく指令トルクとの偏差から、外乱負荷トルク推定値τ０ｈを推定する外乱負荷トルク値推定部６０と、外乱負荷トルク推定値τ０ｈにゲインＧ０を積算するゲイン積算部６７と、外乱負荷トルク推定値τ０ｈにゲインＧ０を積算した値を電流指令値Ｉ＊に加算する加算器３８とを有し、マイコン２９は、車速Ｖが所定車速Ｖ０以下の場合には、ゲインＧ０を大きくする構成とした。
【選択図】図３

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、電動モータにより操舵補助を行う電動パワーステアリング装置では、車速と操舵トルクより電流指令値を生成し、電流センサで、電動モータに流れる実電流値を検出している。そして、電流指令値と実電流値の差分を演算し、この差分を公知のＰＩＤ制御（比例制御、積分制御、微分制御）することにより最適なアシスト力を発生させることによって、快適な操舵フィーリングが得られるようにモータ制御を行っている。

しかし、車両状態によっては、公知のＰＩＤ制御だけでは電動モータの発生するトルクが低下し、操舵フィーリングが劣化する虞があった。そのため、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、セルフアライニングトルクを推定し、推定したトルクを電流指令値にフィードフォワードし、電動モータの発生するトルクの低下を防止していた。

特開２００３−２００８４４号公報

しかし、上述したような方法では、特に路面摩擦が大きく、車速が低速な場合には、
応答性の良い、十分な操舵フィーリングが得られない場合があった。

本発明の目的は、路面摩擦が大きく、車速が低速な場合でも、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、モータによっ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、前記モータに流れる実電流値を検出する実電流値検出手段と、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、前記モータの回転角速度を演算するモータ回転角速度演算手段と、前記操舵トルクと、前記車速から前記アシスト力に相当する電流指令値を生成する電流指令値生成手段と、前記電流指令値に基づいて、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより、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、モータ回転角速度に基づく負荷トルクと前記実電流値に基づく指令トルクとの偏差から、外乱負荷トルク推定値を推定する外乱負荷トルク値推定手段と、前記外乱負荷トルク推定値にゲインを積算するゲイン積算手段と、前記外乱負荷トルク推定値に前記ゲインを積算した値を前記電流指令値に加算する加算手段とを有し、前記制御手段は、前記車速が所定車速以下の場合には、前記ゲインを大きくすること、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、モータ回転角速度に基づく負荷トルクと、実電流値に基づく指令トルクとの偏差から、外乱負荷トルク推定値を推定する外乱負荷トルク値推定手段と、外乱負荷トルク推定値にゲインを積算するゲイン積算手段と、外乱負荷トルク推定値にゲインを積算した値を電流指令値に加算する加算手段とを有し、制御手段は、車速が所定車速以下の場合には、ゲインを大きくする構成とした。

即ち、車速が所定車速以下の場合には、外乱負荷トルク推定値に積算するゲインを大きくする構成としたので、路面摩擦が大きくなった場合でも、応答性の良い、大きなトルクを発生させることができる。

本発明によれば、路面摩擦が大きく、車速が低速な場合でも、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。

本実施形態における電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 本実施形態におけるＥＰＳの制御ブロック図。 本実施形態における外乱負荷トルク値推定部のゲインの処理手順を示すフローチャート図。 本実施形態における車速／外乱負荷トルク値推定部のゲインのマップ図。

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（操舵力補助装置）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、車速検出手段である車速センサ２５、操舵トルク検出手段であるトルクセンサ２６、及びモータ回転角検出手段である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。

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制御手段であるマイコン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駆動回路４０、及びモータ２１に通電される実電流値Ｉｍを検出するための実電流値検出手段である電流センサ３０を備えている。

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）として各相に対応する２つのアームを並列接続してなる公知のＰＷＭインバータ（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の実電流値Ｉｍ、モータ回転角θｍ、モータ回転角θｍを微分したモータ回転角速度ωｍ、並びに上記操舵トルクτ、及び車速Ｖに基づいて、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を制御する電流指令値を生成する電流指令値生成手段である電流指令値生成部３１と、上記駆動回路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、外乱負荷トルク推定値を推定する外乱負荷トルク値推定手段である外乱負荷トルク値推定部６０を備えている。

電流指令値生成部３１には、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が入力される。電流指令値生成部３１は、その操舵トルクτ、及び車速Ｖに基づいて、アシストトルクの制御目標である電流指令値Ｉ＊を、操舵トルク/電流指令値マップより決定する。
尚、操舵トルク/電流指令値は、同じ操舵トルクの場合、車速Ｖが小さいほど、大きな電流指令値Ｉ＊を決定するように構成されている。

モータ制御信号生成部４４は、電流制御部３５（ＰＩＤ制御）、ＰＷＭ出力部３６、加算手段である加算器３８、及び減算器３９で構成されている。モータ制御信号生成部４４において、マイコン２９は、電流指令値生成部３１にて生成された電流指令値Ｉ＊に、外乱負荷トルク値推定部６０から出力される外乱負荷電流推定値Ｉｏｂｓを、加算器３８にて加算するとともに、電流センサ３０で検出された実電流値Ｉｍを、減算器３９にて減算して、電流偏差ΔＩを生成する。

そして、マイコン２９は、電流偏差ΔＩを電流制御部３５でＰＩＤ制御を実行して、電圧指令値Ｖ＊をＰＷＭ出力部３６に出力する。更に、マイコン２９は、ＰＷＭ出力部３６でモータ制御信号を生成し、駆動回路４０にモータ制御信号を出力する。

外乱負荷トルク値推定部６０は、実電流値Ｉｍとモータ回転角θｍを入力として、外乱負荷電流推定値Ｉｏｂｓを出力する。マイコン２９は、実電流値Ｉｍにモータトルク定数ノミナル値（Ｋｔｎ）６１を積算して理想推定トルクτ１を求め、減算器６６に入力する。

一方、マイコン２９は、モータ回転角θｍをモータ回転角速度演算手段である微分器６３で微分して、モータ回転角速度ωｍを求める。更に、マイコン２９は、モータ回転角速度ωｍにモータモデルノミナル値（ＪｎＳ＋Ｄｎ）６２を積算して実推定トルクτ２を求め、減算器６６に入力する。

そして、マイコン２９は、減算器６６から外乱負荷トルク推定値τ０ｈを出力し、外乱負荷トルク推定値τ０ｈにゲインＧ０を、ゲイン積算手段であるゲイン積算部６７にて積算する。そして、外乱負荷トルク推定値τ０ｈにゲインＧ０を積算した値を、電流／トルク変換器６５を介して、外乱負荷電流推定値Ｉｏｂｓを出力する。

次に、本実施形態のマイコン２９による外乱負荷トルク値推定部６０のゲイン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、車速Ｖを読み込む（ステップＳ１０１）。そして、マイコン２９は、読み込んだ車速Ｖが所定車速Ｖ０以下か否かを判定する（ステップＳ１０２）。そして、マイコン２９は、車速Ｖが所定車速Ｖ０以下の場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）には、ゲインＧ０を車速低速時ゲインＧ０１に設定（ステップＳ１０３）し、ゲインＧ０を出力（ステップＳ１０４）し、処理を終える。

一方、マイコン２９は、車速Ｖが所定車速Ｖ０より大きい場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）には、ゲインＧ０を車速高速時ゲインＧ０２に設定（ステップＳ１０５）し、ゲインＧ０を出力（ステップＳ１０４）し、処理を終える。
ここで、車速低速時ゲインＧ０１と、車速高速時ゲインＧ０２の関係は、Ｇ０１＞Ｇ０２である。

本実施形態の車速／外乱負荷トルク値推定部のゲインのマップ図は、図４のように図示できる。即ち、縦軸をゲインＧ０、横軸を車速Ｖとすると、車速Ｖが所定車速Ｖ０以下の場合には、車速低速時ゲインＧ０１となり、車速Ｖが所定車速Ｖ０より大きい場合には、車速高速時ゲインＧ０２となる。

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。
本実施形態では、モータ回転角速度ωｍに基づく負荷トルクと、実電流Ｉｍに基づく指令トルクとの偏差から、外乱負荷トルク値τ０ｈを推定する外乱負荷トルク値推定部６０と、外乱負荷トルク推定値τ０ｈにゲインＧ０を積算するゲイン積算部６７と、外乱負荷トルク推定値τ０ｈにゲインＧ０を積算した値を電流指令値Ｉ＊に加算する加算器３８とを有し、マイコン２９は、車速Ｖが所定車速Ｖ０以下の場合には、ゲインＧ０を大きくする構成とした。

即ち、車速Ｖが所定車速Ｖ０以下の場合には、外乱負荷トルク推定値τ０ｈに積算するゲインＧ０を大きくする構成としたので、路面摩擦が大きくなった場合でも、応答性の良い、大きなトルクを発生させることができる。

その結果、路面摩擦が大きく、車速が低速な場合でも、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。

尚、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、所定車速Ｖ０をトリガとして、車速Ｖが所定車速Ｖ０以下の車速低速時ゲインＧ０１を、車速Ｖが所定車速Ｖ０より大きい車速高速時ゲインＧ０２から急激に立ち上げたが、車速高速時ゲインＧ０２から車速低速時ゲインＧ０１へは漸増してもよい。

・本実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置に具体化したが、本発明を伝達比可変装置や自動操舵装置に適用してもよい。

・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。

・本実施形態では、本発明をＤＣモータに具体化したが、本発明をブラシレスＤＣモータや誘導モータ、リラクタンスモータ、及びステッピングモータに適用してもよい。

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（制御手段）、
３０：電流センサ（実電流値検出手段）、
３１：電流指令値生成部（電流指令値生成手段）、
３５：電流制御部（ＰＩＤ制御）、３６：ＰＷＭ出力部、３８：加算器（加算手段）、４０：駆動回路、４４：モータ制御信号生成部、３９、５２、６６：減算器、
５０：モータトルク定数（Ｋｔ）、５１：モータモデル（ＪＳ＋Ｄ）、
６０：外乱負荷トルク値推定部（外乱負荷トルク値推定手段）、
６１：モータトルク定数ノミナル値（Ｋｔｎ）、
６２：モータモデルノミナル値（ＪｎＳ＋Ｄｎ）、
６３：微分器（モータ回転角速度演算手段）、６４：ゲイン、
６５：電流／トルク変換器、６７：ゲイン積算部（ゲイン積算手段）、
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＊：電流指令値、Ｉｍ：実電流値、Ｉｏｂｓ：外乱負荷電流推定値、
ΔＩ：電流偏差、τ０：外乱負荷トルク、τ０ｈ：外乱負荷トルク推定値、
τ１：理想推定トルク、τ２：実推定トルク、
Ｖ＊：電圧指令値、Ｖ０：所定車速、
Ｇ０：ゲイン、Ｇ０１：車速低速時ゲイン、Ｇ０２：車速高速時ゲイン

Claims (1)

1. モータによっ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、
   前記モータに流れる実電流値を検出する実電流値検出手段と、
   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、
   前記モータの回転角速度を演算するモータ回転角速度演算手段と、
   前記操舵トルクと、前記車速から前記アシスト力に相当する電流指令値を生成する電流指令値生成手段と、
   前記電流指令値に基づいて、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより、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、
   モータ回転角速度に基づく負荷トルクと前記実電流値に基づく指令トルクとの偏差から、外乱負荷トルク推定値を推定する外乱負荷トルク値推定手段と、
   前記外乱負荷トルク推定値にゲインを積算するゲイン積算手段と、
   前記外乱負荷トルク推定値に前記ゲインを積算した値を前記電流指令値に加算する加算手段とを有し、
   前記制御手段は、前記車速が所定車速以下の場合には、前記ゲインを大きくすること、
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。

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