JP3826582B2

JP3826582B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP3826582B2
Application number: JP26871598A
Authority: JP
Inventors: 修司遠藤; 秀行小林
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JP2000095131A

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、特に安価な構成で連続的な操舵感を与えることにより安全な操舵能力を与え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７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８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を決定する。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に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算器３６に入力される。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９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】
一方、広く普及している油圧式パワーステアリング装置では、図１０に示すようにシリンダ圧Ｐに比例して（横軸Ｔは操舵トルク）、シリンダ部の摩擦が増加する特性を有し、この摩擦特性のためにヒステリシスを持つことになり、例えばコーナリング時にセルフアライニングトルクによってハンドルが急に戻されるのを防ぎ、ドライバの操舵感の向上にも役立っている。図１１はその様子を示しており、操舵トルクＴが急激にΔＴだけ変化した場合、ヒステリシスがない場合にはＰ１なるシリンダ圧が変化することになるが、ヒステリシスがある場合にはＰ２（＜Ｐ１）の変化となる。従って、ヒステリシスがあれば操舵トルクＴの変化に対して、シリンダ圧Ｐの変化を緩やかにすることができる。ここで、ヒステリシス幅は摩擦の大きさに応じて変化することが知られており、油圧シリンダのゴムパッキンでは、シリンダ圧の上昇に伴ってゴムが圧迫されることにより、クーロン摩擦が増えてヒステリシス幅が増える。そして、ドライバとしては中立点近くではセルフアライニングトルクを強く感じ、コーナリング時等にはセルフアライニングを余り感じないことが、操舵感の上で重要である。この意味から理想的には油圧式パワーステアリング装置のように、操舵角θが小さい領域では摩擦（ヒステリシス）が小さく、操舵角θが大きい領域では摩擦（ヒステリシス）が大きいことが望ましい。
【０００７】
これに対して、電動パワーステアリング装置では、図１２に示すようにアシストトルクＡＴに関係なく一定の摩擦を有する。電動パワーステアリン装置の場合、主にモータが持つクーロン摩擦が支配的であるため、操舵力によらず一定の摩擦特性を持つことが特徴であり、このため図１３に示すように一定幅のヒステリシス特性となる。但し、ヒステリシス幅は、油圧式パワーステアリン装置の高トルク時のヒステリシス幅よりも狭くなっている。従って、電動パワーステアリン装置では操舵トルクＴの小さい領域での摩擦特性を重視して、摩擦を補償するようにしている。しかしながら、このような補償による場合、図１３に示すように操舵トルクＴの大きい領域では摩擦が小さくなり過ぎ、結果としてコーナリング時等の操舵トルクＴが大きいときに、安定した操舵感を失なうことになっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような問題を解決した制御装置として、例えば特開平９−１５６５２６号公報に示されるものがある。これは、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段を設け、前記操舵トルク検出手段から出力される検出信号に基づき、電気的なパワーアシスト手段のアシスト量を制御する車両用操舵制御装置において、前記操舵トルク検出手段の検出信号にヒステリシスを与える調整手段を備えたことを特徴とするものである。調整手段を設けることにより、操舵トルク検出手段の検出信号にヒステリシスを与えることができる。よって、操舵トルクの検出信号に基づき、作動するパワーアシスト手段のヒステリシス特性を操舵状態に応じて可変することができるため、トルクアシスト量を最適化することが可能となる。
【０００９】
しかしながら、上記従来装置では、操舵動作に断続感が残り、トルク制御系が不安定であると共に、新たにハードウエアの構成を具備するためにコストアップになるといった欠点がある。
【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にソフトウエア上の安価な構成で、連続的なヒステリシス特性を調整可能な幅で与えることにより、連続的で安定した操舵感を得るようにし、ハンドルの操舵性を向上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、前記操舵トルクの信号を微分して前記操舵補助指令値に加算する補助演算手段を設け、前記補助演算手段を前記演算手段と並列に接続させると共に、近似微分器及び加算器で構成し、前記操舵トルクの向きと大きさに応じて前記近似微分器のゲインを変えるようにすることによって達成される。又、車速の大きさに応じて前記近似微分器のゲインを変えるとともに、前記操舵トルクが減少するときに前記近似微分器のゲインを負にするようにする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明では、アシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的として、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルク信号の微分に比例した値を、制御系の応答性を高めるために加算している。このようにトルク量を微分した信号をアシスト量に加算しているため、ハンドル戻り時、つまり操舵角θが減少するときに負のゲインを適用することになり、アシスト量（操舵補助指令値）の急激な減少を防ぎ、結果として高トルク域では大きなヒステリシス特性を、中立点近傍の低トルク域では小さなヒステリシス特性を与えることになる。
【００１３】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１４】
先ず本発明によるコントロールユニット３０Ａの構成を、図７に対応させて図１に示す。本発明では、位相補償器３１からの操舵トルクＴＡは操舵補助指令値Ｉを演算するための演算器３１０に入力され、演算器３１０は車速Ｖをパラメータとして操舵補助指令値Ｉを演算する。演算器３１０から出力された操舵補助指令値Ｉは加算器３１３に入力され、また、操舵トルクＴＡは近似微分器３１２で微分されてその微分トルクＳＴＡが加算器３１３に入力され、加算器３１３で加算された電流指令値Ｉｒｅｆが加減算器３１４に入力されるようになっている。車速Ｖは近似微分器３１２にも入力されている。
【００１５】
更に、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３０４に入力する。ロストルク補償器３０３及び収れん性制御器３０４の出力はそれぞれ加減算器３１４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い、収れん性制御器３０４は、車両のヨーの収れん性を改善するためにハンドルが振れ回る動作に対してブレーキをかけるようになっている。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３１４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。
【００１６】
ここにおいて、演算器３１０による操舵補助指令値Ｉの演算は、図２のブロック３１０Ａに示すような関数特性で演算出力され、△Ｉ／△ＴＡ＝Ｋとし、簡略化の為Ｋ∝ＴＡなる関係を仮定する。近似微分器３１２の伝達関数はゲインをＫｄｄとして図２のブロック３１２のようになっている。尚、Ｔ１は積分時定数であり、ｓはラプラス変数である。図２のブロック図より、電流指令値Ｉｒｅｆについて下記数１が成り立つ。
【００１７】
【数１】
Ｉｒｅｆ＝Ｋ＋Ｋｄｄ・ｓ／（Ｔ１・ｓ＋１）＝（Ｋ・Ｔ１・ｓ＋Ｋ＋Ｋｄｄ・ｓ）／（Ｔ１・ｓ＋１）＝｛（Ｋ・Ｔ１＋Ｋｄｄ）ｓ＋Ｋ｝／（Ｔ１・ｓ＋１）＝｛Ｋ／（Ｔ１・ｓ＋１）｝｛（Ｋ・Ｔ１＋Ｋｄｄ）ｓ／Ｋ＋１｝
ここで、下記数２が成り立つ。
【００１８】
【数２】
（Ｋ・Ｔ１＋Ｋｄｄ）／Ｋ＞Ｔ１
従って、上記数１の周波数特性は図３のようになる。図３で示されるように、アシスト特性ゲインＫが小のときとアシスト特性ゲインＫが大のときとを比較すると、アシスト特性ゲインＫが大のときの周波数１／Ｔ１以上の帯域では、アシスト特性ゲインＫの大小に拘らずゲインＧの差は小さい。即ち、周波数１／Ｔ１以上の帯域では、アシスト特性ゲインＫの大小に拘らずほぼ一定の応答性が得られる。演算器３１０の出力である操舵補助指令値Ｉは、図４に示すように操舵トルクＴＡが小のときはアシスト特性ゲインＫが小で、操舵トルクＴＡが大のときはアシスト特性ゲインＫが大となっている。この結果、操舵トルクＴＡが小のときは、操舵トルクＴＡが大のときに比べて応答性が低下する。従って、図３のような特性をもたせることにより、高周波帯域での応答性を保ち、モータの摩擦や慣性の影響を補償することができる。
【００１９】
図５は本発明の動作例を示すフローチャートであり、操舵トルクＴＡが減少するとき、Ｋ２（＞Ｋ１）又はＫ１（≦０）なるゲインＫｄｄを適用し、操舵トルクＴＡの減少を防ぐ方向（ヒステリシスが発生する方向）の電流指令値Ｉｒｅｆを定義する。先ず操舵トルクＴＡの絶対値が所定値αより大きいか否かを判定し（ステップＳ１）、トルク値が小さい所定値α以下の場合には中央部の操舵安定を図るためにゲインＫｄｄを大きいゲインＫ２とし（ステップＳ４）、所定値のαよりもトルク値の大きい場合には、過去の値との大小関係を判定する（ステップＳ２）。即ち、操舵トルクＴＡの現在値の絶対値｜ＴＡ（ｋ）｜から、１サンプリング前の過去の絶対値｜ＴＡ（ｋ−１）｜を減算して、“０”よりも小さいか否かを判定する。減算した値が“０”よりも小さい場合、つまり過去のトルク値の方が大きい場合にはゲインＫｄｄを小さな負のゲインＫ１（≦０）とする（ステップＳ３）。また、上記ステップＳ２において、現在値と過去の値との差が“０”以上の場合、つまり現在のトルク値の方が大きい場合には、大きなゲインＫ２を設定する。尚、ゲインＫ２は車速Ｖの関数となっている。
【００２０】
以上のように本発明によれば、操舵角θが減少するときに負のゲインＫｄｄを適用することにより、電流指令値Ｉｒｅｆの急激な減少を防ぐようにしているので、図６に示すような油圧式パワーステアリン装置と同等なヒステリシス特性を得ることができる。
【００２１】
ここで、クーロン摩擦を有すると電動パワーステアリング装置における操舵トルクＴＡ対電流（操舵補助指令値Ｉ）特性にヒステリシス特性を持つ理由を以下に説明する。
【００２２】
ステアリング軸の角速度をωとして、摩擦Ｆｃが図１４に示すようなクーロン摩擦ｆを持つものとし、路面からの反力を操舵角θに比例する単純なバネ（バネ定数：α）とすると、力の釣り合いより下記数３が得られる。
【００２３】
【数３】
Ｋ_T・Ｉ＋ＴＡ−ｆ・ｓｉｇｎ（ω）＝α・θ
この場合、操舵は緩やかに滑らかに行なうと、操舵トルクＴＡ対操舵角θの特性は図１５のようになる。即ち、操舵してハンドルを動かすためには、摩擦力ｆを越える力が常に必要となる。ここで、Ｋ_T・Ｉ≫ＴＡ、Ｋ_T・Ｉ≫ｆであるので、近似的にＫ_T・Ｉ∝α・θとみなすことができ、図１５は図１６のようなヒステリシス特性を持つことになる。
【００２４】
次に、アシスト電流に操舵トルクＴＡの微分を減算した場合におけるヒステリシスについて、上述モデルからｆ・ｓｉｇｎ（ω）の項を除き簡略化して説明する。入力系のフリクションを全て無視すると、
【数４】
Ｋ_T・Ｉ＋ＴＡ＝α・θ
であり、微分を＊で表記すると
【数５】
Ｋ_T・（−Ｋｄ・＊ＴＡ＋Ｋ・ＴＡ）＋ＴＡ＝α・θ
となり、
【数６】
−Ｋ_T・Ｋｄ・＊ＴＡ＋Ｋ_T・Ｋ・ＴＡ＝α・θ
が成り立つ。ここで、Ｋ_T・Ｉ∝Ｋ・θよりＩ∝θであり、Ｋ_T・Ｉ＝Ｋ・ＴＡよりＴＡ∝θであるので、下記数７が成り立つ。
【００２５】
【数７】
−β１・＊θ＋β２・θ＋ＴＡ＝α・θ
よって、下記数８となる。
【００２６】
【数８】
（α−β２）・θ＋β１・＊θ＝ＴＡ
数８に基づいて、操舵パターン時の操舵トルク対操舵角の特性を図示すると図１７のようになる。図１７において、Ａ部は（α−β２）・θを加算した場合を示し、Ｂ部は（α−β２）・θを加算しない場合を示しており、−Ｋｄ・ＴＡを演算器３１０の出力に加算することにより、粘性摩擦を与えるのと同等の効果が得られる。Ｋ_T・Ｉ∝α・θより、操舵トルクＴＡ対電流Ｉ特性においても同様なヒステリシス特性を持たせることができる。尚、以上ではＫｄ・＊ＴＡを減算した場合を示したが、通常の状態ではＫ２（Ｖ）・＊ＴＡが加算されており、Ｋ２（Ｖ）＞Ｋ１なるゲインＫ１を加算することでも同様な通常状態に対して、ヒステリシスを増加させる効果が得られる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明では、アシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的として、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルクの微分に比例した値を、応答性を高めるために加算している。このように微分した値をアシスト量に加算しているため、操舵角θが減少するときに負のゲインを適用することにより、アシスト量（操舵補助指令値）の急激な減少を防ぎ、結果として油圧式パワーステアリング装置と同様なヒステリシス特性を与えることができる。
【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】本発明の要部を示す伝達関数ブロック図である。
【図３】本発明の動作を説明するための図である。
【図４】演算器の特性例を示す図である。
【図５】本発明の動作例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の効果を示す図である。
【図７】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８】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９】モータ駆動回路の一例を示す結線図である。
【図１０】油圧式パワーステアリング装置の動作例を示す図である。
【図１１】ヒステリシス特性の効果を説明するための図である。
【図１２】電動パワーステアリング装置の動作例を示す図である。
【図１３】電動パワーステアリング装置の動作例を示す特性図である。
【図１４】クーロン摩擦特性を示す図である。
【図１５】操舵トルク対操舵角特性例を示す図である。
【図１６】操舵トルク対操舵角のヒステリシス特性を示す特性図である。
【図１７】操舵トルク対操舵角特性例を示す図である。
【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
３１０演算器
３１１メモリ

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手段で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、前記操舵トルクの信号を微分して前記操舵補助指令値に加算する補助演算手段を具備し、前記補助演算手段が前記演算手段と並列に接続されると共に、近似微分器及び加算器で成っており、前記操舵トルクの向きと大きさに応じて前記近似微分器のゲインを変えるようになってい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。
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手段で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、前記操舵トルクの信号を微分して前記操舵補助指令値に加算する補助演算手段を具備し、前記補助演算手段が前記演算手段と並列に接続されると共に、近似微分器及び加算器で成っており、
車速の大きさに応じて前記近似微分器のゲインを変えるとともに、前記操舵トルクが減少するときに前記近似微分器のゲインを負にするようにす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。