JP3812229B2

JP3812229B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP3812229B2
Application number: JP20745099A
Authority: JP
Inventors: 修司遠藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP2000095132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特に車両のヨーレートの収れん性を確実に確保できるようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を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補助負荷付勢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、アシストトルク（操舵補助トルク）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なっている。フィードバック制御は、電流制御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−ティ比の調整で行なっている。
【０００３】
ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図９に示して説明すると、操向ハンドル１の軸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を経て操向車輪のタイロッド６に結合されている。軸２には、操向ハンドル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、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０がクラッチ２１、減速ギア３を介して軸２に結合されている。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３０には、バッテリ１４からイグニションキー１１及びリレー１３を経て電力が供給され、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Ｔと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行ない、演算された操舵補助指令値Ｉに基いてモータ２０に供給する電流を制御する。クラッチ２１はコントロールユニット３０でＯＮ／ＯＦＦ制御され、通常の動作状態ではＯＮ（結合）されている。そして、コントロールユニット３０によりパワーステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニションキー１１又はリレー１３によりバッテリ１４の電源（電圧Ｖｂ）がＯＦＦとなっている時に、クラッチ２１はＯＦＦ（切離）される。
【０００４】
コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ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図１０のようになる。例えば位相補償器３１は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、ＣＰＵで実行される位相補償機能を示している。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で検出されて入力される操舵トルクＴは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器３２に入力される。又、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算器３２に入力される。操舵補助指令値演算器３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基いてモータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを決定し、操舵補助指令値Ｉは減算器３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器３４に入力され、減算器３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器３５及び積分演算器３６に入力され、その比例出力及び積分出力は共に加算器３０Ｂに入力される。積分演算器３６はフィードバック系の特性を改善するためのものである。微分補償器３４及び積分補償器３６の出力も加算器３０Ｂに加算入力され、加算器３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。
【０００５】
モータ駆動回路３７の構成例を図１１に示して説明すると、モータ駆動回路３７は加算器３０Ｂからの電流制御値Ｅに基いて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートを駆動するＦＥＴゲート駆動回路３７１、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４で成るＨブリッジ回路、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２のハイサイド側を駆動する昇圧電源３７２等で構成されている。ＦＥＴ１及びＦＥＴ２は、電流制御値Ｅに基いて決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、実際にモータ２０に流れる電流Ｉｒの大きさが制御される。ＦＥＴ３及びＦＥＴ４は、デューティ比Ｄ１の小さい領域では所定１次関数式（ａ，ｂを定数としてＤ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ）で定義されるデューティ比Ｄ２のＰＷＭ信号で駆動され、デューティ比Ｄ２も１００％に達した以降、ＰＷＭ信号の符号により決定されるモータ２０の回転方向に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。
【０００６】
上述のような電動パワーステアリング装置のモータ制御装置において、急ハンドル操作時に適度な手応えが生じるようにした装置としては、転舵時におけるステアリングシャフトの捩りトルクを検出する捩りトルクセンサを設け、この捩りトルクセンサの出力信号に応じて電動モータの回転方向、回転トルクを制御するようにしたものが従来知られている（特公昭４５−４１２４６号公報参照）。
【０００７】
ところで、かかる電動モータの制御装置は、出力を大きく設定するとその慣性のため、車両の手放し運転時にハンドルの収束性（収れん性）が悪化するという問題がある。また、一般に、車両が急カーブを急ハンドルで走行するときには、ハンドルに適度な手応えがある方が操舵感覚が良いが、上述のような電動パワーステアリング装置では、補助操舵力（パワーアシスト）を転舵速度に応じて補正する手段がないために、半径の小さなカーブを急ハンドルで走行するとき、ハンドルが軽すぎて不安感を生じるといった問題がある。
【０００８】
上述のような問題を解決する制御装置としては、特許第２５６８８１７号に示されるようなハンドル舵角に対してブレーキをかけるようにした制御装置がある。即ち、操舵系の捩りトルクを検出する捩りトルクセンサの出力信号に基づいた指令信号に応じて、前記操舵系に補助操舵力を与えるための電動モータの回転方向、回転トルクを制御する電動パワーステアリング装置のモータ制御装置において、前記操舵系に舵角速度の検出手段と、舵角速度に応じて舵の進む方向及び逆方向の回転トルクを定めた減衰信号を発する舵角位相補償指令部と、減衰信号及び操舵系の捩りトルク信号に基づいた指令信号を加算した信号を指令信号として電動モータの回転方向、回転トルクを制御する駆動制御部とを具備して成るものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来装置では、操舵角速度に応じて操舵の進む方向と逆方向の回転トルクを発生し、操舵角の動きに対してブレーキをかけているため、次のような問題がある。即ち、操舵角の動きに直接ブレーキをかけているため、車両のヨーが発散することがあり、また、車両のヨーの動きと操舵角が同期していないため、ドライバーにとって不自然な操舵感となっていた。更に、操舵角の動きに対して直接ブレーキをかけているため、ハンドルの収れん速度が遅くなり、その間に車両が横に流れてしまいドライバーによっては不安を感じる可能性があるといった問題があった。
【００１０】
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、電動パワーステアリング装置の操舵角と車両のヨーレートの関係に基づいてヨーレートを収れんさせる収れん信号を発生することによって、車両のヨーレートに制動をかけて収れん性を確実に、しかもドライバに不快感を与えることなく行ない得るようにした電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える前記モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置に関するもので、本発明の上記目的は、車両のヨーレートの変化率を求め、求めたヨーレートの変化率にゲインを乗じてから、当該ヨーレートの変化率をモータ出力トルクにフィードバックすることによって前記ヨーレートにダンピングを与えることによって達成される。前記ヨーレートの変化率は、操舵角速度演算手段及びヨーレート微分推定手段によって求めることができる。
【００１２】
また、前記操舵角速度演算手段がモータ角速度＊θを入力するようになっており、前記ヨーレート微分推定手段が、ｓをラプラス演算子、ｂ₀，ｂ₁，ａ₁，ａ₂を定数、ｈを減速比としたとき、（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）・ｈ・＊θなる演算を実行するようになっていれば良く、前記ヨーレートの変化率をヨーレートの検出及びその微分によって求めるようにしても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明では、電動パワーステアリング装置の操舵角と車両のヨーレートの関係に基づいてヨーレートを収れんさせる収れん信号を発生させ、ヨーレートについての収れん性を確実に収れんさせるようにし、更に、車両が固有に有するヨーレートの収れん速度以上に遅くなることを防いで、ドライバーが不快感を持たないようにしている。即ち、本発明ではヨーレートの変化率を制御系にフィードバックすることによって、ヨーレートに対するダンピングを与えるようにして車両の収れん性を確保している。
【００１４】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１５】
一般に自動車の動特性は２輪モデルを用いると下記数１のようになる。ただし、βは横すべり角、γはヨーレート（ヨー速度）、δは実舵角、Ａ₁₁〜Ａ₂₂及びＢ₁、Ｂ₂は速度をパラメータとした定数である。
【００１６】
【数１】

上記数１はマトリクスＡ及びＢで簡略化すると、数２で表わすことができる。
【００１７】
【数２】

また、車両が動いた際に働くセルフアライニングトルク（Ｔｓ）は下記数３で表わせる。
【００１８】
【数３】

上記数１、数２、数３より、実舵角δを入力とし、セルフアライニングトルクＴｓを出力とした伝達特性は、Ｉを２×２の単位行列、ｓをラプラス演算子、ａ₁、ａ₂、ｃ₀、ｂ₀、ｂ₁、ｃ₁、ｃ₂を速度パラメータとした定数とすると数４及び数５となる。
【００１９】
【数４】

【数５】

図２は車両のモデルを示しており、ドライバーの操舵力をＴｈ、モータが発生するトルクのコラム軸換算値をＴｍとし、電動パワーステアリングのトーションバーのバネで与えられる共振系は、γの固有振動数に比べると１０倍以上高いので、簡易的に剛体とみなせる。このとき、ｇをラック・ピニオンの増速比、Ｊをハンドルイナーシャ、モータイナーシャ、減速比等を含めた定数とすると、図２のモデルは図３の伝達特性ブロックのようになる。そして、図３のブロックにおいて、コラム軸換算値Ｔｍから出力δまでの伝達特性を求めると、下記数６となる。
【００２０】
【数６】

上記数６を用いて換算値Ｔｍからヨーレートγまでの伝達特性を簡略化すると、数７になる。
【００２１】
【数７】

上記数７を用いて、＊γ（γの微分）をフィードバックすることによりヨーレートγにダンピングを与えること、即ちヨーレートの収れん性を良くできることが確認される。モータ出力トルクＴｍを、ヨーレートγを入力した信号で一定のフィードバックする図４のような系を考える。
【００２２】
図４より、下記数８が成り立つ。
【００２３】
【数８】

ここで、ヨーレートγのフィードバックゲインをＫｄとして、Ｐ（ｓ）＝Ｋｄ・ｓ／（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）とおくと、数８は下記数９となる。
【００２４】
【数９】

ヨーレートγをフィードバックする前の数７及び数９の相違を見ると、分母の第２項（ｓの１次の項）にゲインＫｄが新たに加わっていることである。従って、操舵トルクＴｈからヨーレートγまでの伝達特性に、ヨーレートγのフィードバックゲインＫｄに応じたダンピングが与えられ、例えば手離し操舵時における車両の収れん性を改善することができる。
【００２５】
次に、ｓの１次の項の正定数が大きくなると、ダンピングが増す理由について説明する。伝達関数Ｇ（ｓ）＝ω²／（ｃ・ｓ²＋２ζ・ω・ｓ＋ω²）の特性は、ゲイン１、固有振動数ω、ダンピングζとなり、図５のような周波数特性を示す。ここで、ダンピングζはｓの１次の項のみに現れており、数７及び数９を比較すると、固有振動数ωは定義されている分母の定数項について同一であり、分母のｓの１次の項のみが数９では増えている。従って、数９は数７に対し、ダンピングが増えたと考えることができる。ここで、モータトルクへのフィードバック値は
【数１０】

で表わすことができる。即ち、ヨーレートの微分＊γ（ｓ）をモータトルクＴｍにフィードバックすることにより、ヨーレートγにダンピングを与えることができることが分かる。
【００２６】
上述ではヨーレートγを測定してヨーレートの微分＊γを求め、モータトルクＴｍにフィードバックする方法を説明したが、推定によって＊γを求め、モータトルクＴｍにフィードバックする方法を説明する。電動パワーステアリング装置では通常モータ角速度＊θを測定もしくは推定して、モータの慣性や摩擦の補償制御を行なっている。そして、実舵角δを入力とし、ヨーレートγを出力する系の伝達特性は数１１である。
【００２７】
【数１１】
γ（ｓ）／δ（ｓ）＝（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）
ここで、減速比をｈとすると、δ＝ｈ・θ（ｓ）であることより下記数１２が成り立つ。
【００２８】
【数１２】
γ（ｓ）＝｛（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）｝・δ（ｓ）
γ（ｓ）＝｛（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）｝・ｈ・θ（ｓ）
したがって、数１２を微分することにより下記数１３となる。
【００２９】
【数１３】
＊γ（ｓ）＝｛（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）｝・ｈ・＊θ（ｓ）
モータ角速度＊θ（ｓ）の代りに推定値＃θ（ｓ）を用いて、下記数１４に従って＊γ（ｓ）を推定することができる。ここに、＃γ（ｓ）は＊γ（ｓ）の推定値である。
【００３０】
【数１４】
＃γ（ｓ）＝｛（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）｝・ｈ・＃θ（ｓ）
従って、下記数１５となり、モータの角速度推定値＃θを用いて数１５で定める演算を行ない、モータトルクＴｍを定めることによって同様の効果が得られる。
【００３１】
【数１５】
Ｔｍ（ｓ）＝｛Ｋｄ／（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）｝・＊γ（ｓ）
＝｛Ｋｄ／（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）｝・＃γ（ｓ）
＝｛（ｂ₀・ｓ＋ｂ₁）／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）｝
・ｈ・｛Ｋｄ／（ｂ ₀ ・ｓ＋ｂ ₁ ）｝・＃θ（ｓ）
＝｛ｈ・Ｋｄ／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）｝・＃θ（ｓ）
本発明の構成例を図１０に対応させて図１に示す。コントロールユニット３０Ａ内のモータ角速度推定器３０１は、電流制御値Ｅ（モータ端子間電圧に対応）及びモータ電流値ｉよりモータ角速度ωを推定し、推定されたモータ角速度ωをロストルク補償器３０３及び収れん性制御器３４０に入力する。ロストルク補償器３０３の出力は加減算器３０Ａに入力され、ロストルク補償器３０３はモータ２０のロストルクの発生する方向、つまりモータ２０の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行なう。収れん性制御器３４０はモータ角速度ωから操舵角θを求める操舵角速度演算器３４１と、操舵角速度＊θに基づいてヨーレートを収れんさせる収れん信号ＣＮを出力するヨーレート微分推定器３４２とで成っており、収れん信号ＣＮは加減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。また、モータ角速度ωはモータ角加速度推定器（微分器）３０２に入力されてモータ角加速度が推定され、モータ角加速度は慣性補償器３０５に入力され、その補償信号が加減算器３０Ａに入力されている。慣性補償器３０５はモータ２０の慣性により発生する力相当分をアシストするものであり、慣性感又は制御の応答性の悪化を防止する。
【００３２】
本発明では、先ずモータ角速度ωより操舵角速度＊θを操舵角演算器３４１で求める。モータ角速度ωと操舵角速度＊θとはほぼ比例関係を有しており、モータ角速度ωより容易に操舵角速度＊θを求めることができる。ヨーレート微分推定器３４２では、操舵角速度＊θより車両のヨーレートγの変化率を求める。一般に操舵角θとヨーレートγの関係は、下記数１６となる。
【００３３】
【数１６】
γ（ｓ）＝｛（ｂ₀・ｓ²＋ｂ₁・ｓ＋ｂ₂）／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）｝・θ（ｓ）・ｂ₀／｛（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）・θ（ｓ）｝
ここで、数１６の両辺を微分すると下記数１７となる。
【００３４】
【数１７】
＊γ（ｓ）＝ｂ₀／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）・＊θ（ｓ）
つまり、操舵角速度＊θ（ｓ）より数１７を用いてヨーレートの変化率＊γ（ｓ）を求めることができる。ここにおいて、ステアリング装置の機械系のトルク対操舵角の伝達特性の固有振動数は、操舵角対ヨーレートの固有振動数より約１０倍高いので、トルクＴは操舵角θにほぼ比例するとみなすことができる。従って、数１７における＊γ（ｓ）に比例したトルク信号をフィードバックすることにより、ヨーレートの変化率に同期した操舵角信号を発生することができ、結果としてヨーレートに対してダンピングを与えることができる。この理由は前述した通りである。
【００３５】
【数１８】
γ（ｓ）＝ｂ₀／（ｓ²＋ａ₁・ｓ＋ａ₂）・θ（ｓ）
Ｔ（ｓ）＝θ（ｓ）
図６は図７の伝達関数を得るブロック構成であり、定数ｍ及びｃに対して定数Ｋが大きいと図７となる。図６において、ブロック３５０はステアリング装置の伝達関数を示し、ブロック３５１は車両の伝達関数を示している。この図７を数式で表わすと下記数１９となる。
【００３６】
【数１９】
γ（ｓ）／Ｔ（ｓ）＝（１／Ｋ）・ｂ₀／（ｓ²＋（ａ₁＋Ｋｄ）・ｓ＋ａ₂）
従って、ヨーレートに対しダンピングを与えることができる。また、数１９より車両が持っている固有の振動数√ａ₂に影響を及ぼすダンピング（ａ₁＋Ｋｄ）を増加しているため、収れん速度を損なうことはない。ａ₁，ａ₂，ｂ₀，ｂ₁は速度をパラメータとした変数なので、車速に応じて変化させると車に良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明では、電動パワーステアリング装置の操舵角と車両のヨーレートの関係に基づいてヨーレートを収れんさせる収れん信号を発生させ、ヨーレートの収れん性を確実に収れんさせることができ、更に車両が固有に有するヨーレートの収れん速度以上に遅くなることを防いでいる。
【００３８】
図８は、ヨーレート収れん性制御を行なった場合と、ヨーレート収れん性制御を行なわない場合の実験特性例を示しており、この結果からも本発明の効果は大きいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成例を示すブロック図である。
【図２】自動車をモデル化した図である。
【図３】図２のモデルを伝達関数のブロックで示す図である。
【図４】モータトルクとヨーレートγのフィードバック系ブロック図である。
【図５】伝達関数Ｇ（ｓ）の周波数特性図である。
【図６】本発明による収れん性系の構成を示すブロック図である。
【図７】図６の等価回路図である。
【図８】ヨーレート収れん性制御の効果を示す図である。
【図９】電動パワーステアリング装置の一例を示すブロック構成図である。
【図１０】コントロールユニットの一般的な内部構成を示すブロック図である。
【図１１】モータ駆動回路の一例を示す結線図である。
【符号の説明】
１操向ハンドル
５ピニオンラック機構
１０トルクセンサ
１２車速センサ
２０モータ
３０，３０Ａコントロールユニット
３４０収れん制御器
３４１操舵角検出器
３４２ヨーレート演算器

Claims

ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える前記モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置において、車両のヨーレートの変化率を求め、求めたヨーレートの変化率にゲインを乗じてから、当該ヨーレートの変化率をモータ出力トルクにフィードバックすることによって前記ヨーレートにダンピングを与えることを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記ヨーレートの変化率を操舵角速度演算手段及びヨーレート微分推定手段で求めるようになっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記操舵角速度演算手段がモータ角速度＊θを入力するようになっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記ヨーレート微分推定手段が、ｓをラプラス演算子、ｂ0，ｂ1，ａ1，ａ2を定数、ｈを減速比としたとき、（ｂ0・ｓ＋ｂ1）／（ｓ2＋ａ1・ｓ＋ａ2）・ｈ・＊θなる演算を実行するようになっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記ヨーレートの変化率を、ヨーレートの検出及びその微分によって求めるようになっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。