JP3857543B2

JP3857543B2 - 操舵装置におけるモータ回転角加速度演算装置及び慣性補償指令値演算装置

Info

Publication number: JP3857543B2
Application number: JP2001175843A
Authority: JP
Inventors: 英一小野; 彰司浅井; 洋畔柳; 俊博高橋; 峰一樅山
Original assignee: JTEKT Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: JTEKT Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2021-06-11
Also published as: JP2002362394A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵装置におけるモータ回転角加速度演算装置及び慣性補償指令値演算装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの車両では、その車輪のいくつかの向きを変えることにより操舵が行われる。この操舵において、運転者の力を補償するための力（アシストトルク）を発生するパワーステアリング装置が存在する。
【０００３】
このパワーステアリング装置では、いくつかの異なる性質の補償を行うが、その一つに慣性補償がある。この慣性補償は、ステアリング系の慣性モーメントを補償するものである。つまり、ステアリング系の慣性モーメントがたとえ大きくても、操舵者が小さな力でハンドルを操作することを可能とする。
【０００４】
慣性補償においては、操舵角加速度に応じたアシストトルクが発生される。ここで、ステアリング系の構成より、操舵角はピニオン回転角及びモータ回転角に対応する。
【０００５】
操舵角加速度は、操舵角速度信号の１階微分や操舵角信号の２階微分によって求めることができる。しかし、微分操作は高周波領域のノイズを増幅することになるので、従来の慣性補償では、特開平８−１７５４０４号公報に開示されるように、微分操作とローパスフィルタとを組み合わせたハイパス又はバンドパスフィルタを用いて、操舵角速度信号又は操舵角信号から擬似的に操舵角加速度信号を生成し、この信号を用いて慣性補償制御を行っていた。
【０００６】
また、特開平５−２３４１０号公報に開示されるように、操舵トルクの微分信号にゲインを乗じて慣性補償を行う技術も知られていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
操舵角速度信号又は操舵角信号にハイパス又はバンドパスフィルタ処理を施すことによって擬似的に操舵角加速度信号を生成する場合、高周波ノイズは除去可能である。しかし、その一方で、ローパスフィルタの影響によって、位相遅れが生じるという問題があった。
【０００８】
次に操舵トルクの微分信号を用いる慣性補償を行う場合には、やはり微分によって高周波領域のノイズが増幅されるという問題があり、これを除去するためにローパスフィルタを挿入した場合には、位相遅れが生じるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、位相遅れが抑制され、操舵に対してアシストトルクが発生するまでの時間レスポンスが向上した操舵装置を実現するモータ回転角加速度演算装置及び慣性補償指令値演算装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る操舵装置のモータ回転角加速度演算装置は、モータの回転角加速度信号の低周波領域成分を、前記モータの回転角速度信号又は回転角信号に対して所定の第１の高域通過フィルタ処理を行うことによって算出する第１演算手段と、前記回転角加速度信号の高周波領域成分を、操舵トルクとアシストトルクとの加算信号に対して所定の第２の高域通過フィルタ処理を行うことによって算出する第２演算手段と、前記低周波領域成分と前記高周波領域成分とを加算して前記回転角加速度信号を生成する加算手段とを有する。
【００１１】
モータの回転角加速度信号は、ある特性を有するローパスフィルタと当該ローパスフィルタと相補的な特性を有するハイパスフィルタとに対応して、低周波領域成分と高周波領域成分とに区分することができる。この低周波領域成分は、回転角速度に所定のハイパスフィルタ（第１の高域通過フィルタ）を作用させる形で表すことができる。一方、高周波領域成分は、ステアリング系の回転運動方程式を用いて回転角加速度をステアリング系に作用するトルクに置き換えることにより、当該トルクに所定のハイパスフィルタ（第２の高域通過フィルタ）を作用させる形で表される。ここで回転運動方程式に現れるトルクは、基本的に、操舵者によってハンドルに加えられる操舵トルク、モータにより発生されるアシストトルク、及び外力によるトルクを合成したものである。このうち、外力によるトルクは、一般には、路面から車輪に入力するセルフアライニングトルク（以下、ＳＡＴと記す）などの低周波外乱が主であり、回転角加速度信号の高周波領域成分への寄与を無視することが可能である。本発明のモータ回転角加速度演算装置によれば、回転角速度信号又は回転角信号と、ステアリング系に作用するトルクとの両方を組み合わせて回転角加速度信号が算出される。また、その組み合わせ方として、低周波領域成分を回転角速度信号又は回転角信号に基づいて算出し、高周波領域成分をトルクに基づいて算出することを提示する。この構成では、回転角加速度信号の低周波領域成分及び高周波領域成分のいずれもがハイパスフィルタを用いて求められるので、微分演算による高周波ノイズの増幅や、ローパスフィルタを組み合わせることによる位相遅れが回避される。
【００１２】
本発明に係る操舵装置の慣性補償指令値演算装置は、慣性補償指令値信号の低周波領域成分を、モータの回転角速度信号又は回転角信号に対して所定の第１の高域通過フィルタ処理を行うことによって算出する第１演算手段と、前記慣性補償指令値信号の高周波領域成分を、操舵トルクとアシストトルクのうち慣性補償トルク成分を除く成分との加算信号に対して所定の第２の高域通過フィルタ処理を行うことによって算出する第２演算手段と、前記低周波領域成分と前記高周波領域成分とを加算して前記慣性補償指令値信号を生成する加算手段とを有する。
【００１３】
慣性補償トルク成分は、モータの回転角加速度に比例して発生される。回転角加速度は、上述の本発明のモータ回転角加速度演算装置で述べたように、低周波領域成分と高周波領域成分とに区分され、これに対応して、慣性補償トルク成分も低周波領域成分と高周波領域成分とに分けられ、各成分は、回転角速度信号又は回転角信号及び、操舵トルクとアシストトルクのうち慣性補償トルク成分を除く成分との加算信号に、それぞれに応じたハイパスフィルタを作用することにより得られる。つまり、この構成でも回転角加速度信号の場合と同様に、慣性補償指令値信号の低周波領域成分及び高周波領域成分のいずれもがハイパスフィルタを用いて求められるので、微分演算による高周波ノイズの増幅や、ローパスフィルタを組み合わせることによる位相遅れが回避される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態にかかる操舵装置２０の概略構成図である。操舵装置２０は、ラックアンドピニオン機構を有するパワーステアリング装置である。運転者が車両の旋回などを行うために操作するステアリングホイール２２は、ステアリングシャフト２４を介して、前記ラックアンドピニオン機構のピニオン２６に結合している。ピニオン２６は、ラックロッド２８上に設けられたラックとかみ合い、ここでステアリングホール２２の回転運動がラックロッド２８の直線運動に変換される。このラックロッド２８の動きがタイロッドを介してナックルに伝達され操舵車輪３０，３２の向き、すなわち実操舵角が変更される。さらに、運転者の操舵操作を補助するアシストトルクを発生するためにモータ３４が備えられ、モータ３４の出力は、ボールねじのナット３８に伝達される。ナット３８は、ラックロッド２８上に設けられたボールねじに係合し、ここでモータ３４の回転が直線運動に変換される。
【００１５】
ステアリングシャフト２４上には、このシャフトに加わるトルクを検出するトルクセンサ４０と、シャフトの回転角速度である操舵角速度を検出する操舵角速度センサ４２が設けられている。これらのセンサの出力は、制御部５０に送られる。ここでは、ステアリングシャフト２４（又はピニオン２６）の回転角速度を直接測定しているが、モータ３４の回転角速度から推定することもできる。この場合、シャフトのねじれ剛性を無視して、ギア比のみで換算してもよいし、ねじれ剛性を考慮して補正してもよい。
【００１６】
制御部５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ（読み出し専用メモリ）５４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。制御部５０には、トルクセンサ４０からの操舵トルク信号や、操舵角速度センサ４２からの操舵角速度信号が入力される。また、制御部５０は、車体に設けられた車速センサ５８からの車速信号も入力される。
【００１７】
制御部５０は、前述の入力信号に従い所定のアシストトルクが発生されるようにモータ３４の駆動電流を制御する。これによって、操舵装置の状態を含む車両の状態に適した操舵力のアシストトルクが発生される。
【００１８】
図２は、制御部５０の概略のブロック構成図である。制御部５０では、操舵力に対して、位相補償、慣性補償、粘性補償の３種類のトルク補償を行う。位相補償は操舵トルクの位相を制御し、トルクリップルなどを低減するものであり、位相補償器７０は入力された操舵トルク信号から操舵トルクの位相を検知し、その位相に対応するアシストトルク指令値をアシストマップ７２から読み出して出力する。
【００１９】
慣性補償器７４は、ステアリング系の慣性モーメントを補償するものであり、操舵トルク信号と操舵角速度信号とを入力され、ステアリング系の慣性モーメントに応じたアシストトルク指令値を出力する。この慣性補償により、慣性モーメントがたとえ大きくても、操舵者が小さな力でハンドルを操作することが可能となる。
【００２０】
粘性補償器７６は、操舵角速度に比例して発生する粘性トルクを補償するものであり、操舵角速度にゲインを乗じて粘性トルクに対するアシストトルク指令値を算出する。
【００２１】
これら３つの補償器７０，７４，７６を用いて得られる各アシストトルク指令値は加算器７８にて加算され、それら指令値の総和が電流制御部８０に入力される。電流制御部８０は入力されたアシストトルクの総和指令値に応じたアシストトルクが発生されるような駆動電流をモータ３４に供給する。ここで、ＣＰＵ５２が位相補償器７０、慣性補償器７４、粘性補償器７６の役割を担い、各補償器の処理に応じた演算がＣＰＵ５２にて実行される。アシストマップ７２は、例えばＲＯＭ５４又はＲＡＭ５６に格納され、ＣＰＵ５２は位相補償処理において、これを読み出す。
【００２２】
本操舵装置の特徴は慣性補償器７４にある。慣性補償器７４は、操舵トルク及び操舵角速度を協調させることによって、ノイズに強く、また位相遅れの抑制された慣性補償を行う。以下、その原理を説明する。
【００２３】
操舵装置２０のステアリングシャフト２４に関するトルク運動方程式は次式で表される。なお、ピニオン２６の回転角（これはモータ３４の回転角に対応付けることができる。）をθp、角速度をω、角加速度をαと記す。
【００２４】
【数１】

ここで、Ｍrはラック質量、Ｊmはモータ慣性、ｇpはピニオンギアのリード、ｇbはボールねじのリード、ＴdはＳＡＴなどの外力、Ｔpはピニオントルク、Ｔmはモータアシストトルクである。トルクセンサ４０が出力する操舵トルク信号は、ステアリングシャフト２４に作用する各トルク成分の合成トルクを表すものであり、トルクセンサ４０による測定値は制御部５０に入力される。
【００２５】
（１）式はラプラス演算子ｓを用いて次の簡潔な形式に書き直すことができる。
【００２６】
【数２】

但し、Ｊは次の（３）式で表される慣性であり、ＴcJは慣性補償のための制御トルク、Ｔcは慣性補償以外の制御トルクであり（４）式の関係を有する。
【００２７】
【数３】

さて、ωにラプラス演算子ｓを作用させたｓωは角速度の時間微分、すなわち回転角加速度αを意味する。ここでｓωを低周波領域成分と高周波領域成分とに分解することを考える。この分解は、次の（５）式で表すように互いに足すと１になる、すなわち相補的な低域通過フィルタ（ローパスフィルタ：ＬＰＦ）演算子及び高域通過フィルタ（ハイパスフィルタ：ＨＰＦ）演算子をｓωに作用させることにより実現される。ちなみに、左辺第１項がＬＰＦ演算子であり、第２項がＨＰＦ演算子である。τは時定数パラメータであり、これに応じてＬＰＦの通過帯域の上限、ＨＰＦの通過帯域の下限が定まる。
【００２８】
【数４】

これら演算子を作用させることにより、ｓωは次式のように分解される。
【００２９】
【数５】

（６）式は（２）式を第２項に代入して次のように変形される。
【００３０】
【数６】

（７）式は、ｓωの低周波領域成分に起因する右辺第１項がωに所定のＨＰＦ演算子を作用させることにより得られ、ｓωの高周波領域成分に起因する右辺第２項がステアリングシャフト２４に作用するトルクの総和に所定のＨＰＦ演算子を作用させることにより得られることを表している。
【００３１】
Ｔdは、ヒステリシス特性などの低周波外乱や路面外乱などの高周波外乱を含むが、通常は低周波外乱が主成分であると考えることができる。よって、第２項のＨＰＦ処理においてＴdの寄与を無視する近似を行うことができる。この近似によりピニオン２６（又はモータ３４）の回転角加速度は次の形式に示されるように、操舵角速度センサ４２により検知される回転角速度信号ωに対して所定のＨＰＦ処理を施して得られる低周波領域成分と、操舵トルクＴpとモータ３４により発生されるアシストトルク（Ｔc＋ＴcJ）との加算信号に対して所定のＨＰＦ処理を施して得られる高周波領域成分とを加算したものとして表される。
【００３２】
【数７】

制御部５０は、位相補償器７０及び粘性補償器７６によるアシストトルク指令値の合計値をＴc、慣性補償器７４によるアシストトルク指令値をＴcJとして、モータ３４の回転角加速度の指令値を定めることができる。
【００３３】
また、制御部５０は、以下のようにして慣性補償トルクの指令値ＴcJを算定する。つまり、慣性補償トルクＴcJを表す次式、
【数８】

に（８）式を代入して整理することにより、
【数９】

となる。但し、ｋは次式で定義される慣性の補償率である。
【００３４】
【数１０】

（８）式を用いて（１０）式を得る具体的な式変形過程から明らかであるように、（１０）式の右辺第１項は（８）式の右辺第１項に起因するものであり、右辺第２項は（８）式の右辺第２項に起因するものであって、よって（１０）式の右辺第１項はＴcJの低周波領域成分、右辺第２項はＴcJの高周波領域成分となる。また（１０）式の右辺第１項におけるωに対する演算子はＨＰＦ処理であり、右辺第２項における（Ｔp＋Ｔc）に対する演算子もＨＰＦ処理である。すなわち、慣性補償指令値信号ＴcJは、回転角速度信号ωに対して所定のＨＰＦ処理を施して得られる低周波領域成分と、操舵トルクＴpと慣性補償以外のアシストトルクＴcとの加算信号に対して所定のＨＰＦ処理を施して得られる高周波領域成分とを加算したものとして表される。
【００３５】
制御部５０は（１０）式を用いて、慣性補償の制御トルクＴcJを算出する。さらに制御部５０は、慣性補償以外の制御トルクＴcを位相補償器７０及び粘性補償器７６に相当する処理により算出する。これら各制御トルクが加算器７８にて加算され、その値に応じて電流制御部８０からモータ３４の駆動電流が供給され、ステアリングホイール２２に適切なアシストトルクが与えられる。
【００３６】
本装置は、回転角加速度αや慣性補償制御トルクＴcJの高周波領域成分をトルクセンサ値を用いて求める構成である。この構成により、高周波領域でのノイズを抑制することができる。
【００３７】
また（８）式の回転角加速度、（１０）式の慣性補償トルクを導出する際に、Ｔdに含まれる高周波成分を無視した。このことは、高周波の路面外乱に関しては慣性補償を行わないことを意味し、すなわち、路面外乱に応答しにくいロバストな好適な特性が得られる。
【００３８】
上述の実施形態の操舵装置は、ステアリングシャフト２４に操舵角速度センサ４２を有し、制御部５０が操舵角速度センサ４２の出力である回転角速度ωと操舵トルクＴpとを用いて回転角加速度α、慣性補償指令値ＴcJを求める構成であった。しかし、ステアリングシャフト２４に操舵角度センサを設け、制御部５０が操舵角度センサの出力である回転角θと操舵トルクＴpとを用いて回転角加速度α、慣性補償指令値ＴcJを求める操舵装置を構成することも可能である。この構成においては、（５）式に代えて例えば次式の関係を有するＬＰＦとＨＰＦとを用いる。
【００３９】
【数１１】

これを用いると、（８）式と同様にして、回転角加速度を表す次式が得られる。
【００４０】
【数１２】

なお、ここで、
【数１３】

であることを用い、またＴdを無視する近似を行った。（１３）式は、ピニオン２６（又はモータ３４）の回転角加速度αが、操舵角度センサにより検知される回転角度信号θに対して所定のＨＰＦ処理を施して得られる低周波領域成分と、操舵トルクＴpとモータ３４により発生されるアシストトルク（Ｔc＋ＴcJ）との加算信号に対して所定のＨＰＦ処理を施して得られる高周波領域成分とを加算したものとして表されることを意味している。
【００４１】
また、（１０）式と同様にして、慣性補償指令値を表す次式が得られる。
【００４２】
【数１４】

（１５）式は、慣性補償指令値信号ＴcJが、回転角度信号θに対して所定のＨＰＦ処理を施して得られる低周波領域成分と、操舵トルクＴpと慣性補償以外のアシストトルクＴcとの加算信号に対して所定のＨＰＦ処理を施して得られる高周波領域成分とを加算したものとして表されることを意味している。さらに、
【数１５】

と選ぶことによって、（１５）式の分母はバタワースの極配置となる。
【００４３】
なお、操舵角速度ωと操舵トルクとを用いて回転角加速度α、慣性補償指令値ＴcJを求める際のω及びトルクに対する各ＨＰＦ、及び操舵角θと操舵トルクとを用いて回転角加速度α、慣性補償指令値ＴcJを求める際のθ及びトルクに対する各ＨＰＦは上述のものに限られない。また上述の各パラメータτ、ｋ、ωc、ζは好適なステアリング特性が得られるように選択される。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のモータ回転角加速度演算装置及び慣性補償指令値演算装置によれば、回転角加速度や慣性補償指令値を求める際に、微分操作を行わないので、高周波領域のノイズが低減される。また、当該ノイズを除去するために微分操作にローパスフィルタを組み合わせる必要がないので、位相遅れの発生を回避することができる。すなわち、本発明によれば、位相遅れが抑制され、操舵に対してアシストトルクが発生するまでの時間レスポンスが向上した操舵装置を実現するモータ回転角加速度演算装置及び慣性補償指令値演算装置が得られる。
【００４５】
また、本発明の慣性補償指令値演算装置によれば、操舵角速度又は操舵角のほか、操舵者の入力トルクと慣性補償以外の制御トルクをフィードバックする構成となっており、操舵者のステアリング操作に対しては慣性補償が実施されて低慣性のステアリング操作が実現される。またこのとき、高周波の路面外乱に対する補償を行わないことにより、高周波の路面外乱に関しては高慣性の状態となり、路面外乱に起因した振動がステアリングホイールに伝達されにくくなり、操舵者に滑らかなステアリング操作の感触が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態にかかる操舵装置の概略構成図である。
【図２】制御部の概略のブロック構成図である。
【符号の説明】
２０操舵装置、２２ステアリングホイール、２４ステアリングシャフト、２６ピニオン、２８ラックロッド、３４モータ、３８ナット、５０制御部、５２ＣＰＵ、７０位相補償器、７４慣性補償器、７６粘性補償器、８０電流制御部。

Claims

ハンドルの操作に応じたアシストトルクをモータにより発生し前記ハンドルに作用する操舵装置において、前記モータの回転角加速度を求めるモータ回転角加速度演算装置であって、
前記モータの回転角加速度信号の低周波領域成分を、前記モータの回転角速度信号又は回転角信号に対して所定の第１の高域通過フィルタ処理を行うことによって算出する第１演算手段と、
前記回転角加速度信号の高周波領域成分を、操舵トルクと前記アシストトルクとの加算信号に対して所定の第２の高域通過フィルタ処理を行うことによって算出する第２演算手段と、
前記低周波領域成分と前記高周波領域成分とを加算して前記回転角加速度信号を生成する加算手段と、
を有することを特徴とするモータ回転角加速度演算装置。
ハンドルの操作に応じたアシストトルクをモータにより発生し前記ハンドルに作用する操舵装置において、前記アシストトルクのうち慣性補償トルク成分に関する指令値を求める慣性補償指令値演算装置であって、
慣性補償指令値信号の低周波領域成分を、前記モータの回転角速度信号又は回転角信号に対して所定の第１の高域通過フィルタ処理を行うことによって算出する第１演算手段と、
前記慣性補償指令値信号の高周波領域成分を、操舵トルクと前記アシストトルクのうち前記慣性補償トルク成分を除く成分との加算信号に対して所定の第２の高域通過フィルタ処理を行うことによって算出する第２演算手段と、
前記低周波領域成分と前記高周波領域成分とを加算して前記慣性補償指令値信号を生成する加算手段と、
を有することを特徴とする慣性補償指令値演算装置。