JP3705718B2

JP3705718B2 - モータを有する駆動機構のための制御装置

Info

Publication number: JP3705718B2
Application number: JP23376899A
Authority: JP
Inventors: 耕治神田
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2019-08-20
Also published as: JP2001061292A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば、パワーステアリング装置の駆動源などとして使用されるモータを含む駆動機構を駆動制御するための制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車両のステアリング機構に電動モータが発生するトルクを伝達し、これにより、操舵の補助を行う電動パワーステアリング装置が用いられている。このような電動パワーステアリング装置のためのモータ制御装置の構成は、図６に示されている。このモータ制御装置は、ステアリング機構に与えるべき操舵補助力の発生源としての電動モータ５０をフィードバック制御する。すなわち、電動モータ５０に実際に流れる電流であるモータ電流Ｉmoは、フィードバックされて、減算部５１に入力される。この減算部５１には、ステアリングホイールに加えられたトルクや車速などに基づいて設定される目標電流Ｉrが入力されるようになっている。したがって、減算部５１からは、モータ電流Ｉmoの目標電流Ｉrに対する偏差が出力されることになる。この偏差に基づき、比例積分（ＰＩ）制御部５２が、電動モータ２０に印加すべき制御電圧を発生する。さらに、この制御電圧に対応したデューティ比がデューティ演算部５３により演算され、こうして演算されたデューティ比により、電動モータ５０は、ＰＷＭ制御部５４によって駆動制御される。
【０００３】
必要に応じて、ＰＩ制御に代えて、ＰＩＤ（比例積分微分）制御が適用される場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＩ制御およびＰＩＤ制御は、いずれも、一定の制御パラメータを用いて制御対象を制御する制御手法である。しかし、電動パワーステアリング装置における制御対象である電動モータは、個々にばらつきがあるうえ、周囲温度や、コントローラから電動モータまでのハーネスの長さなどの種々の要因により、その電気的時定数τ（＝Ｌ／Ｒ：Ｌは電動モータの等価的インダクタンス、Ｒは電動モータの等価的抵抗）にばらつきや変動が生じる。そのため、一定の制御パラメータを用いたＰＩ制御またはＰＩＤ制御では、電流応答にばらつきが生じ、安定な操舵フィーリングを得ることができない場合がある。
【０００５】
個々の電動パワーステアリング装置間のばらつきの問題は、個々の電動パワーステアリング装置において電動モータの時定数を実測し、それに応じて、ＰＩまたはＰＩＤ制御の制御パラメータを適切に定めることにより解決できるであろう。しかし、この手法は、個々の装置ごとの時定数の測定と、その測定結果を基にコンピュータを用いて最適な制御パラメータを推論させる処理とが必要であり、作業が極めて面倒であり、量産に適した手法ではない。
【０００６】
しかも、電動モータの時定数τは、周囲温度に依存するから、電動パワーステアリング装置の使用時の周囲温度を考慮する必要があるうえ、この周囲温度が一定であることは望むべくもないから、上述の手法では、電動モータの制御の改善に限界がある。
そこで、この発明の目的は、モータを含む駆動機構に関連した様々な変動要因を補償して、駆動機構を良好に制御することができる制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、モータを含む駆動機構を指令信号に応じて制御するための制御装置であって、
指令信号に応答して前記駆動機構の目標動作状態に相当する目標信号を発生する目標応答モデル手段と、
前記目標信号と前記駆動機構の実際の動作状態に相当する実作動信号との偏差を求める偏差演算手段と、
前記偏差に対して修正ゲインを乗じるモデル誤差修正手段を有し、このモデル誤差修正手段により生成された信号に基づいて、前記駆動機構に与えるべき駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成手段とを含み、
前記モデル誤差修正手段は、前記偏差が０のときは前記修正ゲインを０または正の所定値とし、前記偏差が０を中心とした一定範囲内の値をとる場合には当該偏差の絶対値が大きいほど前記修正ゲインを大きな値とし、前記偏差が当該一定範囲外の値をとるときには前記修正ゲインを予め定めた一定値とするものであることを特徴とする、モータを有する駆動機構のための制御装置である。
【０００８】
前記駆動制御信号生成手段は、前記モデル誤差修正手段の出力を前記駆動制御信号とするものであってもよい。
また、請求項２に記載されているように、前記制御装置は、前記目標信号に対応するフィードフォワード信号を出力するフィードフォワード手段をさらに含むものであってもよく、この場合に、前記駆動制御信号生成手段は、前記フィードフォワード手段が出力するフィードフォワード信号を前記モデル誤差修正手段によって生成された信号に加算することにより、前記駆動制御信号を作成する加算手段をさらに含むものであってもよい。
【０００９】
指令信号をｒで表し、実作動信号をｙで表し、目標応答モデルをＭで表し、修正ゲインをＫで表し、駆動機構のモデルをＰ＋ΔＰ（Ｐは設計上の駆動機構のモデルを表し、ΔＰは実際の駆動機構のばらつきや温度等の影響による変動分を表す。）で表すと、請求項１の構成の場合における実作動信号ｙは、次の第(1)式（伝達式）で表される。
（Ｍｒ−ｙ）Ｋ（Ｐ＋ΔＰ）＝ｙ・・・・・・(1)
これをｙについて解くと、次の第(2)式を得る。
【００１０】
【数１】

【００１１】
そこで、修正ゲインＫを十分大きくすることにより、ｙ→Ｍｒとなる。
したがって、実際の駆動機構の変動分ΔＰによらずに、指令信号に対応した目標どおりの応答が得られる。
また、請求項２記載の構成を採用すれば、目標信号Ｍｒに対応する信号がフィードフォワードされることによって、目標信号が直接的に制御に加味されるので、応答性をさらに良好にすることができる。
【００１２】
たとえば、フィードフォワード手段が出力するフィードフォワード信号がＭｒ／Ｐで表されるとすると、実作動信号ｙは、次の第(3)式（伝達式）で表される。
｛（Ｍｒ−ｙ）Ｋ＋Ｍｒ／Ｐ｝・（Ｐ＋ΔＰ）＝ｙ・・・・・・(3)
これをｙについて解くと、次の第(4)式が得られる。
【００１３】
【数２】

【００１４】
したがって、修正ゲインＫを十分大きくすることにより、ｙ→Ｍｒとなる。
よって、実際の駆動機構の変動分ΔＰによらずに、指令信号に対応した目標どおりの応答が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成を示すブロック図である。操作手段としてのステアリングホイール１に加えられた操舵トルクは、ステアリングシャフト２を介して、ステアリング機構３に機械的に伝達される。ステアリング機構３には、電動モータ２０から操舵補助力が伝達されるようになっている。
【００１６】
ステアリングシャフト２は、ステアリングホイール１側に結合された入力軸２Ａと、ステアリング機構３側に結合された出力軸２Ｂとに分割されていて、これらの入力軸２Ａおよび出力軸２Ｂは、トーションバー４によって互いに連結されている。トーションバー４は、操舵トルクに応じてねじれを生じるものであり、このねじれの方向および量は、トルクセンサ５によって検出されるようになっている。このトルクセンサ５の出力信号は、コントローラ１０（ＥＣＵ）に入力されている。
【００１７】
コントローラ１０は、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクに応じた駆動電流を電動モータ２０に与え、操舵トルクに応じた操舵補助力がステアリング機構３に与えられるように、電動モータ２０を駆動制御する。
図２は、コントローラ１０の機能構成を説明するための機能ブロック図である。コントローラ１０は、マイクロコンピュータを備えていて、図２に示された各機能手段は、このマイクロコンピュータが所定のプログラムを実行することにより実現されるようになっている。
【００１８】
詳細について説明すると、コントローラ１０は、トルクセンサ５およびその他のセンサ類（たとえば車速センサなど）からの信号に基づいて電動モータ２０に印加すべき指令電圧を決定する指令電圧決定手段１１を備えている。決定された指令電圧を表す指令電圧信号ｒは、目標応答モデル手段１２に入力されるようになっている。目標応答モデル手段１２は、指令電圧信号ｒを目標応答モデルＭにあてはめて、目標電流信号Ｍｒを生成する。
【００１９】
目標応答モデルＭとしては、たとえば、下記第(5)式または第(6)式で表されるものを例示することができる。
【００２０】
【数３】

【００２１】
目標電流信号Ｍｒは、減算手段１３（偏差演算手段）に入力されるようになっている。ここには、電動モータ２０に実際に流れる電流を表す電流信号ｙ（実作動信号）がフィードバックされている。すなわち、減算手段１３は、目標電流信号Ｍｒに対する実際の電流信号ｙの偏差ｕ（＝Ｍｒ−ｙ）を出力する。
この偏差ｕは、モデル誤差修正手段１４に入力され、修正ゲインＫ(u)（偏差ｕの線形または非線形関数）が乗じられる。すなわち、モデル誤差修正手段１４の出力信号はＫｕと表すことができる。
【００２２】
モデル誤差修正手段１４の出力信号Ｋｕは、加算手段１５に入力されるようになっている。この加算手段１５には、フィードフォワード手段１６からのフィードフォワード信号Ｍｒ／Ｐ（ただし、Ｐは電動モータ２０の設計値に対応したモデルである。）が入力されるようになっている。そして、加算手段１５は、モデル誤差修正手段１４の出力信号Ｋｕとフィードフォワード信号Ｍｒ／Ｐとを加算することにより、電動モータ２０の駆動制御のためのモータ駆動制御信号を作成する。すなわち、モデル誤差修正手段１４および加算手段１５により、駆動制御信号生成手段が構成されている。
【００２３】
フィードフォワード手段１６は、目標電流信号Ｍｒをモータ駆動制御信号に直接的に加味するためのものであり、これにより、応答性の改善が図られている。電動モータ２０は、時定数τ（＝Ｌ／Ｒ）に個々のばらつきがあり、また、温度変化などにより時定数τが変動する。そこで、設計上の電動モータ２０のモデルをＰ（たとえば、Ｐ＝１／（Ｌｓ＋Ｒ））で表し、個々の電動モータごとのばらつきや温度変化などによる特性変動をΔＰで表すとすると、実際の電動モータ２０のモデルは、Ｐ＋ΔＰと表すことができる。
【００２４】
この場合に、図２の構成においては、電流信号ｙは、下記第(7)式で表すことができる。
｛（Ｍｒ−ｙ）Ｋ＋Ｍｒ／Ｐ｝（Ｐ＋ΔＰ）＝ｙ・・・・・・(7)
この第(7)式をｙについて解くことにより、下記第(8)式を得る。
【００２５】
【数４】

【００２６】
したがって、修正ゲインＫを十分大きくすることにより、ｙ→Ｍｒとなり、変動分ΔＰによらずに、指令電圧信号ｒに対応した目標どおりの応答が得られることがわかる。
図３は、この実施形態における制御によるステップ応答特性を示す図であり、図４は、従来からのＰＩ制御によるステップ応答特性を示す図である。これらの図３および図４には、設計上の電動モータの等価的な直流抵抗Ｒ０（たとえば、Ｒ０＝０．１Ω）および等価的なインダクタンスＬ０（たとえば、Ｌ０＝０．４ｍＨ）に対して、実際の電動モータ２０の等価的直流抵抗Ｒおよび等価的インダクタンスＬが、次の第(9)式および第(10)式の範囲でそれぞれ変動するものとし、等価的直流抵抗Ｒおよび等価的インダクタンスＬが下記表１の値をとる場合に対して、それぞれ、曲線Ｃ０〜Ｃ４が描かれている。
【００２７】
Ｒmin≦Ｒ≦Ｒmax ・・・・・・(9)
ただし、Ｒmin＝０．５・Ｒ０、Ｒmax＝１．５・Ｒ０
Ｌmin≦Ｌ≦Ｌmax ・・・・・・(10)
ただし、Ｌmin＝０．５・Ｌ０、Ｌmax＝１．５・Ｌ０
【００２８】
【表１】

【００２９】
なお、図３および図４には、横軸に時間を示し、縦軸には、設計上の抵抗Ｒ０およびインダクタンスＬ０に対して十分な時間が経過した時点での電流信号の値を「１」として、これに合わせて各場合の電流信号を正規化した値を示してある。
図３および図４の比較から、従来のＰＩ制御においては、個々の電動モータの特性のばらつきや変動によりステップ応答に顕著なばらつきが生じるのに対して、本実施形態によれば、電動モータの特性のばらつきまたは変動に対する応答のばらつきが著しく抑制されることが理解される。
【００３０】
図５(a)〜(d)は、修正ゲインＫ(u)の例を示す図である。図５(a)(b)の例では、修正ゲインＫは、偏差ｕが０のときには０になるようにされていて、偏差ｕが０を中心とした一定範囲内の値をとる場合には、偏差ｕの絶対値が大きくなるほど大きな値をとり、偏差ｕが当該一定範囲外の値をとるときには、予め定めた一定値とされる。
また、図５(c)(d)の例では、修正ゲインＫは、偏差ｕが０のときにも正の値をとり、偏差ｕが０を中心とした一定範囲内の値をとる場合には、偏差ｕの絶対値が大きくなるほど大きな値をとり、偏差ｕが当該一定範囲外の値をとるときには、予め定めた一定値とされる。
【００３１】
図５(a)(c)の例では、偏差ｕが０を中心とした一定の範囲内の値をとる場合に、修正ゲインＫは偏差ｕに対して線形に変化するようになっている。そして、図５(b)(d)の例では、偏差ｕが０を中心とした一定範囲内の値をとる場合に、修正ゲインＫは偏差ｕに対して非線形に変化するようになっている。指令電圧信号ｒの変動周波数が高い場合には、線形の特性（図５(a)(c)）を採用すると、電流信号ｙにあばれが生じて収束しにくくなるので、非線形の特性（図５(b)(d)）を採用する方が好ましい。
【００３２】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、他の形態でも実施することが可能である。たとえば、「課題を解決するための手段および発明の効果」の項ですでに説明したとおり、応答性がやや低下するものの、フィードフォワード手段１６を省いてもかまわない。
また、フィードフォワード手段には、指令電圧信号ｒを与えるかわりに、目標応答モデル手段１２が出力する目標電流信号Ｍｒを与えてもよい。この場合には、フィードフォワード手段は、演算子１／Ｐによる演算を目標電流信号Ｍｒに対して行うものであることが好ましい。
【００３３】
また、上述の実施形態では、目標応答モデルＭとして、電動モータ２０に対する目標応答を表すモデルを採用しているが、たとえば、電動モータ２０およびステアリング機構３を含む全体の駆動機構の目標応答を表すモデルを採用することとし、当該駆動機構全体としての応答性を改善するようにしてもよい。
さらに、上述の実施形態では、電動モータ２０の駆動力をステアリング機構３に与える電動パワーステアリング装置の駆動制御の場合を例にとったが、この発明は、電動モータによりポンプを駆動することにより操舵補助のための油圧を発生する油圧式パワーステアリング装置の場合における電動モータまたはこの電動モータおよびステアリング機構を含む全体の駆動機構の応答性の改善のために適用することも可能である。
【００３４】
さらに、この発明は、電動モータを用いた駆動機構に対して広く適用することができ、電動モータの用途は、電動パワーステアリング装置に限られない。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態が適用される電動パワーステアリング装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】電動モータを制御するためのコントローラの機能構成を説明するための機能ブロック図である。
【図３】この実施形態における制御によるステップ応答特性を示す図である。
【図４】従来からのＰＩ制御によるステップ応答特性を示す図である。
【図５】修正ゲインの設定例を示す図である。
【図６】従来のモータ制御装置の構成を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
３ステアリング機構
１０コントローラ
２０電動モータ
１２目標応答モデル手段
１３減算手段
１４モデル誤差修正手段
１５加算手段
１６フィードフォワード手段

Claims

モータを含む駆動機構を指令信号に応じて制御するための制御装置であって、
指令信号に応答して前記駆動機構の目標動作状態に相当する目標信号を発生する目標応答モデル手段と、
前記目標信号と前記駆動機構の実際の動作状態に相当する実作動信号との偏差を求める偏差演算手段と、
前記偏差に対して修正ゲインを乗じるモデル誤差修正手段を有し、このモデル誤差修正手段により生成された信号に基づいて、前記駆動機構に与えるべき駆動制御信号を生成する駆動制御信号生成手段とを含み、
前記モデル誤差修正手段は、前記偏差が０のときは前記修正ゲインを０または正の所定値とし、前記偏差が０を中心とした一定範囲内の値をとる場合には当該偏差の絶対値が大きいほど前記修正ゲインを大きな値とし、前記偏差が当該一定範囲外の値をとるときには前記修正ゲインを予め定めた一定値とするものであることを特徴とする、モータを有する駆動機構のための制御装置。
前記目標信号に対応するフィードフォワード信号を出力するフィードフォワード手段をさらに含み、
前記駆動制御信号生成手段は、前記フィードフォワード手段が出力するフィードフォワード信号を前記モデル誤差修正手段によって生成された信号に加算することにより、前記駆動制御信号を作成する加算手段をさらに含むものであることを特徴とする請求項１記載の、モータを有する駆動機構のための制御装置。