JP2017171059A - Electric power steering device - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、電流指令値によってモータを駆動し、車両の操舵系にアシスト力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特に粘弾性モデルを規範モデルとし、ラックエンド近傍で電流指令値を絞ることによりアシストトルクを減少させ、端当て時の勢いを減衰して衝撃エネルギーを低くし、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制し、操舵フィーリングを向上した電動パワーステアリング装置に関する。 The present invention relates to an electric power steering apparatus that calculates a current command value based on at least a steering torque, drives a motor based on the current command value, and applies an assist force to a steering system of a vehicle. As a reference model, the assist torque is reduced by narrowing the current command value near the rack end, the momentum at the time of end contact is attenuated, impact energy is lowered, damage to the torque and thrust transmission mechanism is suppressed, and steering feeling The present invention relates to an electric power steering apparatus with improved performance.
車両の操舵系にモータの回転力でアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置(EPS)は、モータの駆動力で減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸にアシスト力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシスト力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM(パルス幅変調)制御のデューティの調整で行っている。 An electric power steering device (EPS) that applies an assist force to a vehicle steering system by a rotational force of a motor assists a steering shaft or a rack shaft by a transmission mechanism such as a gear or a belt via a reduction gear by a driving force of the motor. It is designed to give power. Such a conventional electric power steering apparatus performs feedback control of motor current in order to accurately generate assist torque. In feedback control, the motor applied voltage is adjusted so that the difference between the current command value and the motor current detection value becomes small. In general, the adjustment of the motor applied voltage is performed by the duty of PWM (pulse width modulation) control. It is done by adjustment.
電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図1に示して説明すると、ハンドル1のコラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)2は減速ギア3、ユニバーサルジョイント4a及び4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a,6bを経て、更にハブユニット7a,7bを介して操向車輪8L,8Rに連結されている。また、コラム軸2には、ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ10が設けられており、ハンドル1の操舵力を補助するモータ20が減速ギア3を介してコラム軸2に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット(ECU)30には、バッテリ13から電力が供給されると共に、イグニションキー11を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクThと車速センサ12で検出された車速Velとに基づいて、アシストマップを用いてアシスト指令の電流指令値の演算を行い、演算された電流指令値に補償等を施した電圧制御値Vrefによってモータ20に供給する電流を制御する。
The general configuration of the electric power steering apparatus will be described with reference to FIG. 1. A column shaft (steering shaft, handle shaft) 2 of a
コントロールユニット30には、車両の各種情報を授受するCAN(Controller Area Network)40が接続されており、車速VelはCAN40から受信することも可能である。また、コントロールユニット30には、CAN40以外の通信、アナログ/ディジタル信号、電波等を授受する非CAN41も接続可能である。
The
このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット30は主としてCPU(MPUやMCUを含む)で構成されるが、そのCPU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、例えば図2に示されるような構成となっている。
In such an electric power steering apparatus, the
図2を参照してコントロールユニット30の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ10からの操舵トルクTh及び車速センサ12からの車速Velは電流指令値を演算するトルク制御部31に入力され、演算された電流指令値Iref1は減算部32Bに入力され、モータ電流検出値Imと減算される。減算部32Bでの減算結果である偏差I(=Iref1−Im)はPI制御等の電流制御部35で制御され、電流制御された電圧制御値VrefがPWM制御部36に入力されてデューティを演算され、PWM信号でインバータ37を介してモータ20をPWM駆動する。モータ20のモータ電流値Imはモータ電流検出器38で検出され、減算部32Bに入力されてフィードバックされる。モータ20にはレゾルバ等の回転角センサ21が連結されており、回転角θが検出されて出力される。
The function and operation of the
このような電動パワーステアリング装置では、操舵系の最大舵角(ラックエンド)の近傍で大きなアシストトルクがモータにより付加されると、操舵系が最大舵角に至った時点で大きな衝撃が生じ、トルク及び推力伝達機構に過大な負荷がかかり、耐久性を劣化させる可能性がある。 In such an electric power steering device, when a large assist torque is applied by the motor in the vicinity of the maximum steering angle (rack end) of the steering system, a large impact occurs when the steering system reaches the maximum steering angle, and the torque In addition, an excessive load is applied to the thrust transmission mechanism, which may deteriorate durability.
そのため、特公平6−4417号公報(特許文献1)には、操舵系の操舵角が最大操舵角より所定値手前になったことを判定する操舵角判定手段を備えると共に、操舵角が最大操舵角より所定値手前になったときにモータへ供給する電力を減少させて、アシストトルクを減少させる補正手段を備えた電動式パワーステアリング装置が開示されている。 Therefore, Japanese Patent Publication No. 6-4417 (Patent Document 1) includes steering angle determination means for determining that the steering angle of the steering system is a predetermined value before the maximum steering angle, and the steering angle is maximum steering. There has been disclosed an electric power steering apparatus provided with a correction means for reducing the assist torque by reducing the electric power supplied to the motor when the angle is a predetermined value before the angle.
また、特許第4115156号公報(特許文献2)には、調節機構が端位置に近づいているかどうかを決定し、調節機構が端位置に近づいていることがわかった場合、ステアリング補助を減少するように駆動手段を制御し、調節機構が端位置に近付く速度を決定するため、位置センサによって決定された調節速度が評価される電動パワーステアリング装置が示されている。 Japanese Patent No. 4115156 (Patent Document 2) determines whether or not the adjusting mechanism is approaching the end position, and if it is found that the adjusting mechanism is approaching the end position, the steering assist is reduced. An electric power steering device is shown in which the adjustment speed determined by the position sensor is evaluated in order to control the drive means and determine the speed at which the adjustment mechanism approaches the end position.
しかしながら、特許文献1に開示された電動式パワーステアリング装置では、操舵角が最大操舵角より所定値手前になったことで電力を減少させており、操舵速度等を全く考慮していないので、微細な電流低減制御ができない。また、モータのアシストトルクを減少させる特性が全く示されておらず、具体的な構成となっていない。
However, in the electric power steering apparatus disclosed in
また、特許文献2に開示された電動パワーステアリング装置では、アシスト量が終端に向かうに従って減少していくが、終端に近づく速度に応じてアシスト量低減の速さを調整し、終端での速度を十分に落とすようにしている。しかし、特許文献2では、速度に応じて低減する特性を変化させることのみを示しており、物理的なモデルには基づいていない。また、フィードバック制御していないため、路面状況(負荷状態)によっては特性或いは結果が変化する恐れがある。
Moreover, in the electric power steering device disclosed in
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、物理モデルに基づいた制御系を構成し、規範モデルに制御対象の出力(ラックエンドまでの距離)が追従するようなモデルフォローイング制御を構成し、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制する電動パワーステアリング装置を提供することにある。さらに、モデルフォローイング制御前後でのアシスト力の変化により、運転者に違和感を与えないようにする。 The present invention has been made under the circumstances described above, and an object of the present invention is to configure a control system based on a physical model so that the output of the control target (distance to the rack end) follows the reference model. It is an object of the present invention to provide an electric power steering device that constitutes simple model following control and suppresses breakage of a torque and thrust transmission mechanism. Furthermore, the driver does not feel uncomfortable due to the change in assist force before and after the model following control.
本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動することにより、操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、ラックエンド手前の所定角度の範囲内で粘弾性モデルを規範モデルとしたモデルフォローイング制御の構成とし、前記モデルフォローイング制御での制御量を前記制御量の変化量が所定値以内になるように変更し、ラックエンド端当てを防止することにより達成される。 The present invention relates to an electric power steering apparatus that calculates a current command value based on at least a steering torque and drives a motor based on the current command value to assist control the steering system. The model following control is configured with a viscoelastic model as a reference model within a predetermined angle range in front of the rack end so that the control amount in the model following control is within a predetermined value. This is accomplished by changing and preventing rack end end padding.
また、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値1を演算し、前記電流指令値1に基づいてモータを駆動することにより、操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記電流指令値1をラック軸力若しくはコラム軸トルク1に変換する第1の変換部と、前記モータの回転角から判定用ラック位置に変換するラック位置変換部と、前記判定用ラック位置に基づいてラックエンドに接近したことを判定し、ラック変位及び切替信号を出力するラックエンド接近判定部と、前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク1、前記ラック変位及び前記切替信号に基づいて、粘弾性モデルを規範モデルとしたラック軸力若しくはコラム軸トルク2を生成する粘弾性モデル追従制御部と、前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク2の変化量が所定値を超えたとき、前記変化量が前記所定値となるように、前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク2を変更する変化量制限部と、前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク2を電流指令値2に変換する第2の変換部とを具備し、前記電流指令値2を前記電流指令値1に加算して前記アシスト制御を行い、ラックエンド端当てを防止することにより達成される。
In addition, the present invention relates to an electric power steering apparatus that calculates a
本発明の電動パワーステアリング装置によれば、物理モデルに基づいた制御系を構成しているので、定数設計に見通しが立て易くなり、規範モデルに制御対象の出力(ラックエンドまでの距離)が追従するようなモデルフォローイング制御を構成しているので、負荷状態(外乱)や制御対象の変動にロバスト(頑健)なトルク及び推力伝達機構の保護が可能となる利点がある。 According to the electric power steering apparatus of the present invention, since the control system based on the physical model is configured, it is easy to make a constant design perspective, and the output of the control target (distance to the rack end) follows the reference model. Therefore, there is an advantage that it is possible to protect the torque and the thrust transmission mechanism that are robust against the load state (disturbance) and the fluctuation of the control target.
また、モデルフォローイング制御によりアシスト力が急変しないように、制御量の変化量に制限を設けているので、運転者が操舵トルクの変動を感じることを抑えることができる。 In addition, since the amount of change in the control amount is limited so that the assist force does not change suddenly due to model following control, it is possible to suppress the driver from feeling fluctuations in the steering torque.
本発明は、ラックエンド近傍の物理モデルに基づいた制御系を構成し、粘弾性モデル(バネ定数、粘性摩擦係数)を規範モデルとし、その規範モデルに制御対象の出力(ラックエンドまでの距離)が追従するようなモデルフォローイング制御を構成し、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制する電動パワーステアリング装置である。 The present invention constitutes a control system based on a physical model in the vicinity of the rack end, uses a viscoelastic model (spring constant, viscous friction coefficient) as a reference model, and outputs the control target (distance to the rack end) to the reference model. This is an electric power steering device that constitutes model following control that follows and suppresses damage to the torque and thrust transmission mechanism.
モデルフォローイング制御は粘弾性モデル追従制御部で構成し、粘弾性モデル追従制御部をフィードフォワード制御部若しくはフィードバック制御部或いはその両者で構成し、ラックエンド手前の所定角度外では通常のアシスト制御を行い、ラックエンド手前の所定角度内でモデルフォローイング制御を行い、ラックエンドに当たることを防止する。 Model following control is composed of a viscoelastic model following control unit, and the viscoelastic model following control unit is composed of a feedforward control unit and / or a feedback control unit, and normal assist control is performed outside a predetermined angle before the rack end. The model following control is performed within a predetermined angle before the rack end to prevent it from hitting the rack end.
また、モデルフォローイング制御の開始時点や通常のアシスト制御に戻る時点等でアシスト力が急変し、運転者に操舵トルクの変動を感じることがないように、そのような時点付近では、モデルフォローイング制御により変化する制御量の変化量を抑えるようにしている。具体的には、変化量制限部において、制御量に相当する粘弾性モデル追従制御部からの出力をトレースし、出力の変化量が所定値より大きくなった場合、変化量が所定値になるように出力を変更している。電流指令値を算出するためのパラメータを調整することよりアシスト力の急変を抑えることも可能であるが、操舵速度、タイヤや路面状況等の様々な要因の中で最適なパラメータを求めるのは、調整の自由度が少なく、調整に時間がかかる可能性があるので、本発明ではアシスト力に直結する制御量に制限をかけることにより、調整の自由度を増し、調整時間の短縮も図っている。 Also, in order to prevent the driver from suddenly changing the steering torque at the start of model following control or when returning to normal assist control, etc. The amount of change in the control amount that changes due to the control is suppressed. Specifically, the change amount limiting unit traces the output from the viscoelastic model following control unit corresponding to the control amount, and when the output change amount becomes larger than a predetermined value, the change amount becomes the predetermined value. The output has been changed. It is possible to suppress sudden changes in assist force by adjusting the parameter for calculating the current command value, but finding the optimal parameter among various factors such as steering speed, tires and road surface conditions, Since the degree of freedom of adjustment is small and the adjustment may take time, in the present invention, the degree of freedom of adjustment is increased and the adjustment time is shortened by limiting the control amount directly linked to the assist force. .
変化量制限部で使用する所定値は、モデルフォローイング制御が開始或いは終了するラックエンド手前の所定角度の近辺とラックエンドの近辺とでは大きさを変え、ラックエンドの近辺で大きくなるように設定される。ラックエンド近辺では、第1の目的である端当て時の異音発生防止のために、粘弾性モデル追従制御部からの出力の変化量を抑えすぎないように所定値を大きくする。ラックエンド手前の所定角度近辺では、アシスト力の急変を抑えるべく、可能な範囲で所定値を小さくする。これを実現するために、後述で説明するラック変位、モータの回転角、舵角等の操舵情報に基づいて所定値を変更する。即ち、操舵情報の値が大きくなるにつれ、ラックエンドに接近するので、所定値が大きくなるように設定する。また、ラックエンド手前の所定角度の範囲に入る場合と出る場合とでは、通常、粘弾性モデル追従制御部からの出力の変化の向き(±)が逆であるから、出力の変化の向きによって所定値を変更することにより、入る場合と出る場合とで異なる特性の所定値を使用するようにし、より柔軟な調整ができるようにする。 The predetermined value used in the variation limiter is set so that the size changes near the predetermined angle before and after the rack end where model following control starts or ends, and increases near the rack end. Is done. In the vicinity of the rack end, the predetermined value is increased so as not to suppress the amount of change in the output from the viscoelastic model follow-up control unit in order to prevent the generation of abnormal noise during end contact, which is the first purpose. In the vicinity of a predetermined angle before the rack end, the predetermined value is reduced as much as possible in order to suppress a sudden change in assist force. In order to realize this, the predetermined value is changed based on steering information such as rack displacement, motor rotation angle, and steering angle, which will be described later. That is, as the value of the steering information increases, the closer to the rack end, the greater the predetermined value is set. In addition, the direction of change (±) of the output from the viscoelastic model following control unit is usually opposite between when entering and leaving the range of a predetermined angle in front of the rack end. By changing the value, it is possible to use a predetermined value having different characteristics for entering and exiting, and to make more flexible adjustment.
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図3は本発明の実施形態の一例を図2に対応させて示しており、電流指令値Iref1は変換部101でラック軸力fに変換され、ラック軸力fは粘弾性モデル追従制御部120に入力される。ラック軸力fはコラム軸トルクと等価であるが、以下の説明では便宜的にラック軸力として説明する。なお、図2に示される構成と同一構成には同一符号を付して説明は省略する。
FIG. 3 shows an example of an embodiment of the present invention corresponding to FIG. 2. The current command value Iref1 is converted into the rack axial force f by the
電流指令値Iref1からラック軸力fへの変換は、下記数1に従って行われる。 The conversion from the current command value Iref1 to the rack axial force f is performed according to the following equation (1).
回転角センサ21からの回転角θはラック位置変換部100に入力され、判定用ラック位置Rxに変換される。判定用ラック位置Rxはラックエンド接近判定部110に入力され、ラックエンド接近判定部110は図4に示すように、判定用ラック位置Rxがラックエンド手前の所定位置x0以内にあると判定したときに端当て抑制制御機能を働かせ、ラック変位xを出力すると共に切替信号SWSを出力する。切替信号SWS及びラック変位xは、ラック軸力fと共に粘弾性モデル追従制御部120へ入力され、粘弾性モデル追従制御部120で制御演算されたラック軸力ffは変換部102で電流指令値Iref2に変換され、電流指令値Iref2は加算部103で電流指令値Iref1と加算されて電流指令値Iref3となる。電流指令値Iref3に基づいて、上述したアシスト制御が行われる。
The rotation angle θ from the
なお、図4に示すラックエンド近接領域を設定する所定位置x0は、適宜な位置に設定可能である。また、回転角θをモータに連結された回転角センサ21から得ているが、舵角センサから取得するようにしても良い。
The predetermined position x 0 to set the rack end proximal region shown in FIG. 4 can be set at an appropriate position. Further, although the rotation angle θ is obtained from the
変換部102でのラック軸力ffから電流指令値Iref2への変換は、下記数2に従って行われる。
The conversion from the rack axial force ff to the current command value Iref2 in the
粘弾性モデル追従制御部120の詳細を、図5又は図6に示す。
Details of the viscoelastic model follow-up
図5の実施形態1では、ラック軸力fはフィードフォワード制御部130及びフィードバック制御部140に入力され、ラック変位xはフィードバック制御部140に入力される。フィードフォワード制御部130からのラック軸力FFは切替部121に入力され、フィードバック制御部140からのラック軸力FBは切替部122に入力される。切替部121及び122は切替信号SWSによってON/OFFされ、切替信号SWSによってOFFされているときは、各出力u1及びu2はゼロである。切替信号SWSによって切替部121及び122がONされたとき、切替部121からのラック軸力FFがラック軸力u1として出力され、切替部122からのラック軸力FBがラック軸力u2として出力される。切替部121及び122からのラック軸力u1及びu2が加算部123で加算され、加算値のラック軸力ffが粘弾性モデル追従制御部120から出力される。ラック軸力ffは、変換部102で電流指令値Iref2に変換される。
In
また、図6の実施形態2では、ラック変位xはフィードフォワード制御部130及びフィードバック制御部140に入力され、ラック軸力fはフィードバック制御部140に入力される。以下は図5の実施形態1と同様に、フィードフォワード制御部130からのラック軸力FFは切替部121に入力され、フィードバック制御部140からのラック軸力FBは切替部122入力される。切替部121及び122は切替信号SWSによってON/OFFされ、切替信号SWSによってOFFされているときは、各出力u1及びu2はゼロである。切替信号SWSによって切替部121及び122がONされたとき、切替部121からのラック軸力FFがラック軸力u1として出力され、切替部122からのラック軸力FBがラック軸力u2として出力される。切替部121及び122からのラック軸力u1及びu2が加算部123で加算され、加算値のラック軸力ffが粘弾性モデル追従制御部120から出力される。ラック軸力ffは変換部102で電流指令値Iref2に変換される。
In the second embodiment of FIG. 6, the rack displacement x is input to the
このような構成において、先ず本発明の動作例全体を図7のフローチャートを参照して、次いで粘弾性モデル追従制御(実施形態1及び2)の動作例を図8のフローチャートを参照して説明する。 In such a configuration, first, an entire operation example of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. .
スタート段階においては、切替部121及び122は切替信号SWSによってOFFされている。そして、動作がスタートすると先ず、トルク制御部31は操舵トルクTh及び車速Velに基づいて電流指令値Iref1を演算し(ステップS10)、ラック位置変換部100は回転角センサ21からの回転角θを判定用ラック位置Rxに変換する(ステップS11)。ラックエンド接近判定部110は判定用ラック位置Rxに基づいてラックエンド接近か否かを判定し(ステップS12)、ラックエンド接近でない場合には、粘弾性モデル追従制御部120からラック軸力ffは出力されず、電流指令値Iref1に基づく通常の操舵制御が実行され(ステップS13)、終了となるまで継続される(ステップS14)。
In the start stage, the switching
一方、ラックエンド接近判定部110でラックエンド接近が判定された場合には、粘弾性モデル追従制御部120による粘弾性モデル追従制御が実行される(ステップS20)。即ち、図8に示すように、ラックエンド接近判定部110から切替信号SWSが出力されると共に(ステップS201)、ラック変位xが出力される(ステップS202)。また、変換部101は、前記数1に従って電流指令値Iref1をラック軸力fに変換する(ステップS203)。図5の実施形態1では、フィードフォワード制御部130はラック軸力fに基づいてフィードフォワード制御を行い(ステップS204)、フィードバック制御部140はラック変位x及びラック軸力fに基づいてフィードバック制御を行う(ステップS205)。また、図6の実施形態2では、フィードフォワード制御部130はラック変位xに基づいてフィードフォワード制御を行い(ステップS204)、フィードバック制御部140はラック変位x及びラック軸力fに基づいてフィードバック制御を行う(ステップS205)。なお、いずれの場合も、フィードフォワード制御及びフィードバック制御の順番は、逆であっても良い。
On the other hand, when the rack end
ラックエンド接近判定部110からの切替信号SWSは切替部121及び122に入力され、切替部121及び122がONされる(ステップS206)。切替部121及び122がONされると、フィードフォワード制御部130からのラック軸力FFがラック軸力u1として出力され、フィードバック制御部140からのラック軸力FBがラック軸力u2として出力される。ラック軸力u1及びu2は加算部123で加算され(ステップS207)、加算結果としてのラック軸力ffが変換部102で、前記数2に従って電流指令値Iref2に変換される(ステップS208)。
The switching signal SWS from the rack end
ここで、本発明の粘弾性モデル追従制御部120は、ラックエンド近辺の物理モデルに基づいた制御系となっており、ラックエンド手前の所定角度以内で粘弾性モデル(バネ定数k0[N/m]、粘性摩擦係数μ[N/(m/s)])を規範モデル(入力:力、出力:変位で記述された物理モデル)としたモデルフォローイング制御を構成し、ラックエンドに当たることを防止している。
Here, the viscoelastic model follow-up
図9はラックエンド近傍の模式図を示しており、質量mと力F0,F1の関係は数3である。粘弾性モデルの方程式の算出は、例えば関西大学理工学会誌「理工学と技術」Vol.17(2010)の「弾性膜と粘弾性の力学の基礎」(大場謙吉)に示されている。
FIG. 9 shows a schematic diagram in the vicinity of the rack end, and the relationship between the mass m and the forces F 0 and F 1 is
数10に上記数4及び数6を代入すると、下記数11となる。
Substituting Equation 4 and Equation 6 into
本発明では、数15で表される2次関数を規範モデルGmとして説明する。即ち、数16を規範モデルGmとしている。ここで、μ1=μとしている。
In the present invention, the quadratic function expressed by Equation 15 will be described as the reference model Gm. That is, Equation 16 is used as the reference model Gm. Here, μ 1 = μ.
次に、電動パワーステアリング装置の実プラント146を下記数17で表わされるPとし、本発明の規範モデル追従型制御を2自由度制御系で設計すると、Pn及びPdを実際のモデルとして図10の構成となる。ブロック143(Cd)は制御要素部を示している。(例えば朝倉書店発行の前田肇、杉江俊治著「アドバンスト制御のためのシステム制御理論」参照)
Next, when the
図10の構成を規範モデルGmに適用すると、x/f=Gmとなるためには、1/Fを下記数19のように設定する必要がある。なお、数19は、数16及び数18より導かれる。
When the configuration of FIG. 10 is applied to the reference model Gm, 1 / F needs to be set as in the following equation 19 in order to satisfy x / f = Gm. Equation 19 is derived from Equations 16 and 18.
2自由度制御系の一例を示す図10において、実プラントPへの入力(ラック軸力若しくはコラム軸トルクに対応する電流指令値)uは、下記数22で表される。
In FIG. 10 showing an example of the two-degree-of-freedom control system, the input (current command value corresponding to the rack axial force or the column shaft torque) u to the actual plant P is expressed by the following equation (22).
実プラントPを正確に表現できたとすれば、Pn=N、Pd=Dとすることができ、入力fに対する出力xの特性は、Pn/F(=N/F)として表わされるので、数26が成立する。
If the actual plant P can be expressed accurately, Pn = N and Pd = D can be obtained, and the characteristic of the output x with respect to the input f is expressed as Pn / F (= N / F). Is established.
図10において、フィードフォワード制御系をブロック144→実プラントPの経路で考えると、図11となる。ここで、P=N/Dとすると、図11(A)は図11(B)となり、数20より図11(C)が得られる。図11(C)より、f=(m・s2+μ・s+k0)xとなるので、これを逆ラプラス変換すると、下記数29が得られる。
In FIG. 10, when the feedforward control system is considered by the route of
一方、図12に示すようなフィードフォワード制御系の伝達関数ブロックを考えると、下記数30が入力f及び出力xにおいて成立する。
On the other hand, when a transfer function block of the feedforward control system as shown in FIG. 12 is considered, the following
上記前提を踏まえ、以下に本発明の具体的な構成例を図14及び図15に示して説明する。図14の実施形態3は図5の実施形態1に対応し、ラック軸力fがフィードフォワード制御部130内のフィードフォワード要素144(数21で示されるD/F)及びフィードバック制御部140に入力され、ラック変位xがフィードバック制御部140に入力される。また、図15の実施形態4は図6の実施形態2に対応し、ラック変位xがフィードフォワード制御部130内のバネ定数項131及び粘性摩擦係数項132に入力され、ラック軸力fがフィードバック制御部140に入力される。
Based on the above assumption, a specific configuration example of the present invention will be described below with reference to FIGS. The third embodiment of FIG. 14 corresponds to the first embodiment of FIG. 5, and the rack axial force f is input to the feedforward element 144 (D / F expressed by Equation 21) and the
図14の実施形態3ではフィードフォワード要素144からのラック軸力FFは切替部121のb1接点に入力される。また、図15の実施形態4では、フィードフォワード制御部130内のバネ定数項131及び粘性摩擦係数項132の出力を減算部133で減算し、減算部133の減算結果であるラック軸力FFが切替部121のb1接点に入力される。切替部121のa1接点には、固定部125から固定値「0」が入力されている。
In
図14の実施形態3及び図15の実施形態4のいずれにおいても、フィードバック制御部140はフィードバック要素(N/F)141、減算部142、制御要素部143で構成され、フィードバック制御部140からのラック軸力FB、つまり制御要素部143の出力は切替部122のb2接点に入力される。切替部122のa2接点には、固定部126から固定値「0」が入力されている。
In both
図14の実施形態3では、ラック軸力fはフィードフォワード制御部130内のフィードフォワード要素144に入力されると共に、フィードバック制御部140のフィードバック要素(N/F)141に入力される。ラック変位xはフィードバック制御部140の減算部142に減算入力されると共に、パラメータ設定部124に入力される。パラメータ設定部124はラック変位xに対して、例えば図16に示すような特性のバネ定数k0及び粘性摩擦係数μを出力し、バネ定数k0及び粘性摩擦係数μは、フィードフォワード制御部130内のフィードフォワード要素144及びフィードバック制御部140内のフィードバック要素(N/F)141に入力される。
In the third embodiment of FIG. 14, the rack axial force f is input to the
図15の実施形態4では、ラック変位xはフィードフォワード制御部130内のバネ定数項131及び粘性摩擦係数項132に入力されると共に、フィードバック制御部140の減算部142に入力され、更にパラメータ設定部124に入力される。ラック軸力fはフィードバック制御部140のフィードバック要素(N/F)141に入力される。パラメータ設定部124はラック変位xに対して、上述と同様なバネ定数k0及び粘性摩擦係数μを出力し、バネ定数k0はバネ定数項131及びフィードバック要素(N/F)141に入力され、粘性摩擦係数μは粘性摩擦係数項132及びフィードバック要素(N/F)141に入力される。
In the fourth embodiment shown in FIG. 15, the rack displacement x is input to the spring
また、切替信号SWSは、実施形態3及び4においていずれも切替部121及び122に入力され、切替部121及び122の接点は通常時はそれぞれ接点a1及びa2に接続されており、切替信号SWSによってそれぞれ接点b1及びb2に切替えられるようになっている。
The switching signal SWS is input to the switching
このような構成において、図15の実施形態4の動作例を図17のフローチャートを参照して説明する。 In such a configuration, an operation example of the fourth embodiment in FIG. 15 will be described with reference to a flowchart in FIG.
ラックエンド接近判定部110から切替信号SWSが出力されると共に(ステップS21)、ラック変位xが出力される(ステップS22)。ラック変位xはバネ定数項131、粘性摩擦係数項132、パラメータ設定部124及び減算部142に入力される。パラメータ設定部124は、ラック変位xに応じて図16の特性に従って求められたバネ定数k0及び粘性摩擦係数μを、バネ定数項131、粘性摩擦係数項132及びフィードバック要素(N/F)141に設定する(ステップS23)。また、変換部101は電流指令値Iref1をラック軸力fに変換し(ステップS23A)、ラック軸力fはフィードバック要素(N/F)141に入力され、N/F演算される(ステップS24)。N/F演算値は減算部142に加算入力され、ラック変位xが減算され(ステップS24A)、その減算値が制御要素部143でCd演算される(ステップS24B)。制御要素部143から、演算されたラック軸力FBが出力されて切替部122の接点b2に入力される。
A switching signal SWS is output from the rack end approach determination unit 110 (step S21), and a rack displacement x is output (step S22). The rack displacement x is input to the spring
フィードフォワード制御部130内の粘性摩擦係数項132は、粘性摩擦係数μに基づいて“(μ−η)・s”の演算を行い(ステップS25)、バネ定数項131にバネ定数k0を設定し(ステップS25A)、減算部でバネ定数k0及び“(μ−η)・s”の減算を行い(ステップS25B)、演算結果としてラック軸力FFを出力する。ラック軸力FFは切替部121の接点b1に入力される。なお、フィードフォワード制御部130及びフィードバック制御部140の演算の順番は、逆であっても良い。
Viscous
ラックエンド接近判定部110からの切替信号SWSは切替部121及び122に入力され、切替部121及び122の各接点がa1からb1へ、a2からb2へ切替えられ、切替部121及び122からのラック軸力u1及びu2が加算部123で加算され(ステップS26)、加算結果としてのラック軸力ffが変換部102で電流指令値Iref2に変換される(ステップS26A)。電流指令値Iref2は加算部103に入力され、電流指令値Iref1に加算され(ステップS27)、操舵制御が実行され、ステップS14へとつながる。
The switching signal SWS from the rack end
なお、制御要素部143(Cd)は任意のPID(比例積分微分)制御、PI制御、PD制御の構成のいずれでも良い。また、図14の実施形態3の動作も、ラック軸力f及びラック変位xが入力する部分(要素)が異なるだけで、同様である。さらに、図14の実施形態3及び図15の実施形態4では、フィードフォワード制御部130及びフィードバック制御部140の両方の制御演算を実行しているが、フィードフォワード制御部130のみの構成でも良く、フィードバック制御部140のみの構成でも良い。
Note that the control element unit 143 (Cd) may have any configuration of PID (proportional integral derivative) control, PI control, and PD control. Further, the operation of the third embodiment shown in FIG. 14 is the same except that the portion (element) to which the rack axial force f and the rack displacement x are input is different. Further, in the third embodiment of FIG. 14 and the fourth embodiment of FIG. 15, the control calculation of both the
次に、本発明の実施例について説明する。 Next, examples of the present invention will be described.
図18は本発明の実施例を図3に対応させて示しており、図3に示される実施形態に対して変化量制限部150が追加されている。ラックエンド接近判定部110から出力されるラック変位x及び粘弾性モデル追従制御部120から出力されるラック軸力ffが変化量制限部150に入力され、変化量制限部150から出力されるラック軸力ffmが変換部102に入力される。
FIG. 18 shows an embodiment of the present invention corresponding to FIG. 3, and a change
変化量制限部150では、時刻tでのラック軸力ff(t)とT時刻前(1サンプル時間前、Tはサンプリング時間)の時刻t−Tでのラック軸力ffm(t−T)の差Δffm(t)=ff(t)−ffm(t−T)の絶対値|Δffm(t)|(変化量)が所定値THfより大きい場合、変化量が所定値THfと同じになるように、下記数33によりラック軸力ff(t)を変更し、ラック軸力ffmとして出力する。
In the change
上記の所定値THfとして、ラック変位xに対して、例えば図19に示すような比例する値を使用する。つまり、変化量制限部150は、入力されるラック変位xより所定値THfを決定し、決定された所定値THfを用いてラック軸力ffに制限をかけて、ラック軸力ffmとして出力する。なお、図19において、所定値THfとして実際に使用されるのは、ラックエンド手前の所定角度の範囲に相当する、ラック変位xがゼロからラックエンドに対応する値までの範囲である。
As the predetermined value THf, for example, a value proportional to the rack displacement x as shown in FIG. 19 is used. That is, the change
このような構成において、本実施例の動作例を、図20及び図21のフローチャートを参照して説明する。 In such a configuration, an operation example of the present embodiment will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
図20に全体の動作例をフローチャートで示しており、図7のフローチャートと比べると、通常操舵(ステップS13)及び粘弾性モデル追従制御(ステップS20)に変化量制限部150での処理が加わるので、変更が生じている(ステップS13A、S20A)。
FIG. 20 is a flowchart showing an example of the entire operation. Compared with the flowchart of FIG. 7, processing in the
通常操舵(ステップS13A)では、まず、ラックエンド接近判定部110からラック変位xが出力される。粘弾性モデル追従制御部120からは値がゼロのラック軸力ffが出力される。変化量制限部150はラック変位x及びラック軸力ffを入力し、ラック変位xより図19に従って所定値THfを決定する。そして、ラック軸力ffの値(ゼロ)及びT時刻前のラック軸力ffmの値の変化量と所定値THfの比較からラック軸力ffmを算出し、出力する。ラック軸力ffmは変換部102で電流指令値Iref2に変換され、加算部103で電流指令値Iref1に加算される。粘弾性モデル追従制御から通常操舵に変わった直後はT時刻前のラック軸力ffmはゼロ以外の値である可能性が高く、その結果、電流指令値Iref2がゼロ以外の値となる可能性があるが、時間の経過と共にラック軸力ffmはゼロに近づいていき、その結果、電流指令値Iref2もゼロとなるので、電流指令値Iref1に基づいて操舵制御されることとなる。
In normal steering (step S13A), first, the rack displacement x is output from the rack end
粘弾性モデル追従制御(ステップS20A)での動作は、図21のフローチャートで示されている。図8のフローチャートと比べると、ステップS207Aが追加されている。ステップS207Aでは、上記の通常操舵での変化量制限部150の動作と同様の動作が実行される。つまり、ラック変位xより図19に従って所定値THfを決定し、ラック軸力ffの値及びT時刻前のラック軸力ffmの値の変化量と所定値THfの比較からラック軸力ffmを算出し、出力する。そして、ラック軸力ffmは変換部102で電流指令値Iref2に変換され(ステップS208A)、加算部103で電流指令値Iref1に加算される。
The operation in the viscoelastic model follow-up control (step S20A) is shown in the flowchart of FIG. Compared with the flowchart of FIG. 8, step S207A is added. In step S207A, an operation similar to the operation of the change
本発明の他の実施例(実施例2)について説明する。 Another embodiment (embodiment 2) of the present invention will be described.
実施例1では、変化量制限部で使用する所定値はラック変位に基づいて変更しているが、本実施例ではモータの回転角に基づいて変更する。ラック位置変換部100において回転角θが判定用ラック位置Rxに変換されているように、ラック位置と回転角は連動しているので、回転角に基づいて所定値を変更しても、実施例1と同等の効果を得ることができる。
In the first embodiment, the predetermined value used in the change amount limiting unit is changed based on the rack displacement, but in the present embodiment, the predetermined value is changed based on the rotation angle of the motor. Since the rack position and the rotation angle are linked so that the rotation angle θ is converted into the determination rack position Rx in the rack
図22に実施例2の構成例を示しており、図18に示される実施例1の構成例と比べると、変化量制限部にラック変位xではなく回転角θが入力されている。 FIG. 22 shows a configuration example of the second embodiment. Compared with the configuration example of the first embodiment shown in FIG. 18, the rotation angle θ is input to the change amount limiting unit instead of the rack displacement x.
変化量制限部250では、実施例1の場合と同様に、時刻tでのラック軸力ff(t)及びT時刻前の時刻t−Tでのラック軸力ffm(t−T)の変化量と所定値THfの比較からラック軸力ffmが算出されるが、所定値THfとして、図23に示されるように、回転角θに比例する値が使用される。つまり、変化量制限部250は、入力される回転角θより所定値THfを決定し、決定された所定値THfを用いてラック軸力ffに制限をかけて、ラック軸力ffmとして出力する。なお、図23において、所定値THfとして実際に使用されるのは、回転角θがラックエンド手前の所定位置に対応する回転角とラックエンドに対応する回転角との間の範囲である。
In the
実施例2の動作は、変化量制限部250での所定値THfの決定が回転角センタ21から出力された回転角θに基づいて実行される点が異なるだけで、他は実施例1の動作と同様である。
The operation of the second embodiment is different from that of the first embodiment except that the determination of the predetermined value THf by the change
実施例1及び実施例2での変化量制限部では、時刻tでのラック軸力ff(t)と時刻t−Tでのラック軸力ffm(t−T)の差Δffm(t)の絶対値を変化量として所定値THfと比較しているので、Δffm(t)の符号が違っても絶対値が同じならば、同じ所定値THfが使用されるが、Δffm(t)の符号により使用する所定値THfを変えることも可能である。つまり、Δffm(t)の絶対値が同じでも符号が違う場合、違う所定値THfを使用する。通常、ラックエンド手前の所定角度の範囲に入る場合と出る場合とではΔffm(t)の符号が逆であるから、Δffm(t)の符号により所定値THfを変えることにより、より柔軟な調整ができるようになる。 In the change amount limiting unit in the first and second embodiments, the absolute value of the difference Δffm (t) between the rack axial force ff (t) at time t and the rack axial force ffm (t−T) at time t−T. Since the value is compared with the predetermined value THf as the amount of change, if the absolute value is the same even if the sign of Δffm (t) is different, the same predetermined value THf is used, but it is used depending on the sign of Δffm (t). It is also possible to change the predetermined value THf. That is, when the absolute value of Δffm (t) is the same but the sign is different, a different predetermined value THf is used. Usually, the sign of Δffm (t) is opposite between when entering and leaving the range of a predetermined angle before the rack end, so that by changing the predetermined value THf according to the sign of Δffm (t), more flexible adjustment is possible. become able to.
このような場合の実施例(実施例3)での変化量制限部で使用される所定値の特性の例を図24に示す。図24に示されるように、Δffm(t)がプラスの場合は実線で示される特性を使用し、マイナスの場合は点線で示される特性を使用する。 FIG. 24 shows an example of the characteristic of the predetermined value used in the change amount limiting unit in the example (Example 3) in such a case. As shown in FIG. 24, when Δffm (t) is positive, a characteristic indicated by a solid line is used, and when Δffm (t) is negative, a characteristic indicated by a dotted line is used.
上記の実施例(実施例1〜3)では、時刻tでのラック軸力ff(t)と時刻t−Tでのラック軸力ffm(t−T)の差Δffm(t)の絶対値を変化量としているが、比率を変化量としても良い。例えば、Δffm(t)の絶対値がラック軸力ffm(t−T)に対する割合を変化量とし、そのような変化量に対して所定値を設定する。また、所定値は操舵情報(ラック変位、回転角)に比例する特性となっているが、操舵情報の増加に従い増加する特性であれば、曲線的に変化する特性やステップ関数のような特性等でも良い。さらに、ラックエンド接近判定部から出力される切替信号SWSを変化量制限部にも入力するようにし、切替信号SWSのON/OFFによりラックエンド手前の所定角度の範囲に入る場合と出る場合の判別を行い、ラックエンド手前の所定角度の範囲内及び範囲から出た次のタイミングまででしか変化量の制限を行わないようにしても良い。これにより、通常操舵での処理量を軽減することができる。また、上記判別を行い、ラックエンド手前の所定角度の範囲に入る場合と出る場合とで、実施例3のように所定値THfを変えても良い。これにより、実施例3と同様な効果を得ることができる。 In the above embodiments (Examples 1 to 3), the absolute value of the difference Δffm (t) between the rack axial force ff (t) at time t and the rack axial force ffm (t−T) at time t−T is calculated. Although the amount of change is used, the ratio may be the amount of change. For example, the ratio of the absolute value of Δffm (t) to the rack axial force ffm (t−T) is set as a change amount, and a predetermined value is set for the change amount. In addition, the predetermined value is a characteristic proportional to the steering information (rack displacement, rotation angle), but if the characteristic increases as the steering information increases, a characteristic that changes in a curve, a characteristic such as a step function, etc. But it ’s okay. Further, the switching signal SWS output from the rack end approach determining unit is also input to the change amount limiting unit, so that it is determined whether the switching signal SWS enters or leaves a predetermined angle range in front of the rack end by ON / OFF of the switching signal SWS. It is also possible to limit the amount of change only within a predetermined angle range before the rack end and until the next timing out of the range. Thereby, the amount of processing in normal steering can be reduced. In addition, the above-described determination may be performed, and the predetermined value THf may be changed as in the third embodiment depending on whether the predetermined angle is in the range of the predetermined angle before the rack end. Thereby, the same effect as Example 3 can be acquired.
なお、上記の実施例でも、粘弾性モデル追従制御部を、フィードフォワード制御部のみの構成やフィードバック制御部のみの構成としても良い。 In the above-described embodiment, the viscoelastic model follow-up control unit may be configured with only the feedforward control unit or only the feedback control unit.
1 ハンドル
2 コラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)
10 トルクセンサ
12 車速センサ
13 バッテリ
14 舵角センサ
20 モータ
21 回転角センサ
30 コントロールユニット(ECU)
31 トルク制御部
35 電流制御部
36 PWM制御部
100 ラック位置変換部
110 ラックエンド接近判定部
120 粘弾性モデル追従制御部
121、122 切替部
124 パラメータ設定部
130 フィードフォワード制御部
140 フィードバック制御部
150、250 変化量制限部
1
DESCRIPTION OF
31
Claims (14)
ラックエンド手前の所定角度の範囲内で粘弾性モデルを規範モデルとしたモデルフォローイング制御の構成とし、
前記モデルフォローイング制御での制御量を前記制御量の変化量が所定値以内になるように変更し、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制するようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。 In the electric power steering device for calculating the current command value based on at least the steering torque and driving the motor based on the current command value to assist the steering system,
A model following control with a viscoelastic model as a reference model within a predetermined angle range before the rack end,
An electric power steering apparatus characterized in that a control amount in the model following control is changed so that a change amount of the control amount is within a predetermined value, and damage to the torque and the thrust transmission mechanism is suppressed.
前記電流指令値1をラック軸力若しくはコラム軸トルク1に変換する第1の変換部と、
前記モータの回転角から判定用ラック位置に変換するラック位置変換部と、
前記判定用ラック位置に基づいてラックエンドに接近したことを判定し、ラック変位及び切替信号を出力するラックエンド接近判定部と、
前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク1、前記ラック変位及び前記切替信号に基づいて、粘弾性モデルを規範モデルとしたラック軸力若しくはコラム軸トルク2を生成する粘弾性モデル追従制御部と、
前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク2の変化量が所定値を超えたとき、前記変化量が前記所定値となるように、前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク2を変更する変化量制限部と、
前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク2を電流指令値2に変換する第2の変換部と、
を具備し、前記電流指令値2を前記電流指令値1に加算して前記アシスト制御を行い、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制するようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。 In the electric power steering apparatus that calculates the current command value 1 based on at least the steering torque and drives the motor based on the current command value 1, thereby assisting the steering system.
A first converter that converts the current command value 1 into rack axial force or column axial torque 1;
A rack position conversion unit for converting the rotation angle of the motor into a determination rack position;
A rack end approach determination unit that determines that the rack end is approached based on the determination rack position and outputs a rack displacement and a switching signal;
A viscoelastic model follow-up control unit that generates a rack axial force or a column shaft torque 2 using a viscoelastic model as a reference model based on the rack axial force or the column shaft torque 1, the rack displacement, and the switching signal;
A change amount limiting unit that changes the rack shaft force or the column shaft torque 2 so that the change amount becomes the predetermined value when the change amount of the rack shaft force or the column shaft torque 2 exceeds a predetermined value;
A second converter for converting the rack shaft force or column shaft torque 2 into a current command value 2;
The electric power steering apparatus is characterized in that the assist command control is performed by adding the current command value 2 to the current command value 1 to suppress damage to the torque and thrust transmission mechanism.
前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク1に基づいてフィードフォワード制御してラック軸力若しくはコラム軸トルク3を出力するフィードフォワード制御部と、
前記ラック変位及び前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク1に基づいてフィードバック制御してラック軸力若しくはコラム軸トルク4を出力するフィードバック制御部と、
前記切替信号により前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク3の出力をON/OFFする第1の切替部と、
前記切替信号により前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク4の出力をON/OFFする第2の切替部と、
前記第1及び第2の切替部の出力を加算して前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク2を出力する加算部とで構成されている請求項6に記載の電動パワーステアリング装置。 The viscoelastic model following control unit is
A feedforward control unit that outputs a rack axial force or a column shaft torque 3 by performing a feedforward control based on the rack axial force or the column shaft torque 1;
A feedback control unit that performs a feedback control based on the rack displacement and the rack axial force or the column shaft torque 1 to output a rack axial force or a column shaft torque 4;
A first switching unit for turning on / off the output of the rack shaft force or the column shaft torque 3 by the switching signal;
A second switching unit for turning on / off the output of the rack shaft force or the column shaft torque 4 by the switching signal;
The electric power steering apparatus according to claim 6, further comprising: an adding unit that adds the outputs of the first and second switching units to output the rack axial force or the column shaft torque 2.
前記ラック変位に基づいてフィードフォワード制御してラック軸力若しくはコラム軸トルク3を出力するフィードフォワード制御部と、
前記ラック変位及び前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク1に基づいてフィードバック制御してラック軸力若しくはコラム軸トルク4を出力するフィードバック制御部と、
前記切替信号により前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク3の出力をON/OFFする第1の切替部と、
前記切替信号により前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク4の出力をON/OFFする第2の切替部と、
前記第1及び第2の切替部の出力を加算して前記ラック軸力若しくはコラム軸トルク2を出力する加算部とで構成されている請求項6に記載の電動パワーステアリング装置。 The viscoelastic model following control unit is
A feedforward control unit that performs feedforward control based on the rack displacement and outputs a rack axial force or a column axial torque 3.
A feedback control unit that performs a feedback control based on the rack displacement and the rack axial force or the column shaft torque 1 to output a rack axial force or a column shaft torque 4;
A first switching unit for turning on / off the output of the rack shaft force or the column shaft torque 3 by the switching signal;
A second switching unit for turning on / off the output of the rack shaft force or the column shaft torque 4 by the switching signal;
The electric power steering apparatus according to claim 6, further comprising: an adding unit that adds the outputs of the first and second switching units to output the rack axial force or the column shaft torque 2.
The electric power steering apparatus according to claim 12 or 13, wherein the steering information is the rack displacement or the rotation angle of the motor.
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