JP3922010B2

JP3922010B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP3922010B2
Application number: JP2001376989A
Authority: JP
Inventors: 雄志原; 修司遠藤; 正博村田; 勝利阪田; 小林　　直樹
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: JP2003175835A

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、特に運転者にモータ及びステアリング機構の慣性を感じさせない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、ステアリングホイール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を経て走行車輪のタイロッド６に結合されている。軸２には、ステアリングホイール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、ステアリングホイール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（ＥＣＵ）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、車速センサ１２で検出された車速Ｖに基いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、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。
【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。
【０００５】
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。また、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。比例演算器３５の出力は加算器３０Ｂに入力されると共に、微分補償器３４及び積分演算器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、検出されたモータ電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。
【０００６】
ここにおいて、上述のようなモータ２０によって操舵力を補助する電動パワーステアリング装置では、モータ２０自身が慣性モーメントを有しているため、運転者の操舵感にも慣性感を与えてしまう。このような慣性感を解消するために、従来慣性分を補償するための電流を演算し、出力に加える制御部を設けている（例えば特許第３０８４９３７号、特許第２７７３３２５号、特許第２７６７６３７号）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような制御部で、モータやステアリング機構の慣性を充分に補償しようとすると、ステアリング機構に発生する不要な振動（外力によるフラッタやシステムの共振）に敏感に反応してしまい、滑らかな操舵感や操舵の剛性感を失ってしまう欠点がある。
【０００８】
また、特開平５−１５５３５１号公報では、共振成分を除去するため、検出された操舵トルク、つまり制御演算の入力部に帯域除去フィルタを設けているが、この方法では操舵トルクを用いる全ての制御演算が影響を受けてしまう問題がある。
【０００９】
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、モータ及びステアリング機構の慣性を補償する補償部を設け、なおかつ不要なステアリング系の振動に過剰反応しない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。
【００１０】
【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関するもので、本発明の上記目的は、前記モータ及びステアリング機構の慣性を補償する補償部を設け、前記補償部の補償出力信号を車両に組み付けられた状態でのステアリング機構の共振周波数帯域でゲインを減衰させる帯域除去フィルタに通して前記操舵補助指令値に印加することによって達成される。
【００１１】
また、本発明の上記目的は、前記帯域除去フィルタのゲイン特性を周波数１０Ｈｚ付近で小さく、位相特性をほぼ１０Ｈｚ以下で遅れ位相、ほぼ１０Ｈｚ以上で進み位相とすることにより、或いは前記帯域除去フィルタの特性を車速によって変化させることにより、或いは前記操舵トルクと車両のヨーレートから前記車両が直進状態にあるか否かを判定し、直進時にのみ前記帯域除去フィルタを用いることにより、より効果的に達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
電動パワーステアリング装置では、運転者にモータ及びステアリング機構の慣性を感じさせないように、慣性を補償する制御を行っている。しかし、充分に補償を行うと外力によるフラッタや車両に組み付けられた状態でのステアリング機構の共振に反応してしまい、滑らかな操舵感及び剛性感を失う。そこで本発明では、フラッタや共振が特定の周波数（約７〜２０Ｈｚ）で特に大きくなることに着目し、フラッタが大きく発生する周波数で慣性の制御を行わない（感度を低減する）ようにコントローラを構成する。
【００１３】
フラッタや共振車両の特性によって特有の周波数領域で特に大きくなる性質を有するので、慣性補償部の演算結果をフラッタの周波数帯域でゲインを減衰させる帯域除去フィルタを通すことで、上記特有の周波数領域での補償制御を低減し、フラッタや共振に過剰反応しないようにする。
【００１４】
また、帯域除去フィルタの特性を車速によって変化させることにより、外力によるフラッタやステアリング機構の共振が起き易い車速でのみ帯域除去フィルタを用いている。更に、操舵トルクとヨーレートから車両の直進状態を判定し、直進時にのみ帯域除去フィルタを用いるようにしている。これにより必要以上に慣性補償を抑えずにすむ
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の制御機能ブロック図であり、トルクセンサからの操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部１００及びセンタ応答性改善部１０１に入力され、各出力が加算器１０２に入力され、その加算結果がトルク制御演算部１０３に入力されている。センタ応答性改善部１０１は、アシスト特性不感帯での安定性確保、静摩擦の補償を行う。トルク制御演算部１０３の出力信号はモータロス電流補償部１０４に入力され、その出力が加算器１０５を経て最大電流制限部１０６に入力され、最大電流制限部１０６で最大電流値が制限されて電流制御部１１０に入力される。モータロス電流補償部１０４は、モータ電流が流れてもモータ出力に現れない電流を上乗せして、モータ出力トルク０からの立ち上りを改善し、最大電流制限部１０６は、電流指令値の最大値が定格電流となるように制限している。電流制御部１１０の出力は、Ｈブリッジ特性補償部１１１を経て電流ドライブ回路１１２に入力され、これによりモータ１１３を駆動する。
【００１６】
モータ１１３のモータ電流ｉは、モータ電流オフセット補正部１２０を経てモータ角速度推定部１２１、電流ドライブ切換部１２２及び電流制御部１１０に入力され、モータ端子電圧Ｖｍはモータ角速度推定部１２１に入力される。モータ角速度推定部１２１で推定された角速度ωはモータ角加速度推定部・慣性補償部１２３、モータロストルク補償部１２４及びヨーレート推定部１２５に入力され、ヨーレート推定部１２５の出力は収れん制御部１２６に入力され、モータロストルク補償部１２４及び収れん制御部１２６の各出力は加算器１２７で加算され、その加算結果が加算器１０２に入力される。モータ角加速度推定部・慣性補償部１２３はモータ慣性を加減速させるトルクを操舵トルクから排除し、慣性感のない操舵感にし、収れん制御部１２６は車両のヨー方向の挙動の収れん性を改善するために、ステアリングホイー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おり、モータロストルク補償部１２４はモータ１１３のロストルクの発生する方向、つまりモータ１１３の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行う。ロストルクはモ−タの出力トルクのうち、モ−タの構造に基く摩擦損失及び磁気的要因に基く損失であり、このようなロストルクは、直進走行時に僅かな操舵が行われたときに操舵方向に対して意図しない力が付加されたり、反対方向の力が付加されたりして操舵感覚を悪化させるものである。
【００１７】
また、モータ角加速度推定部・慣性補償部１２３には帯域除去フィルタ１３２が接続されており、更に電流ディザ信号発生部１３０が設けられており、電流ディザ信号発生部１３０及び帯域除去フィルタ１３２の各出力が加算器１３１で加算され、その加算結果が加算器１０５に入力されている。電流ディザ信号発生部１３０は、モータが静摩擦で張り付いてしまうのを防止する。
【００１８】
帯域除去フィルタ１３２の周波数特性は図２に示すようになっており、ゲイン特性は周波数約７Ｈｚ〜３０Ｈｚで小さく、１２Ｈｚ近辺で最小となっている。また、位相特性はほぼ１０Ｈｚ以下で遅れ位相、１０Ｈｚ以上で進み位相となっている。つまり、帯域除去フィルタの特性となっているので、フラッタや共振の周波数帯域でゲインを小さくして、補償された信号成分を除去（減衰）するようになっているので、慣性補償がフラッタや共振に過剰反応するのを防ぐ。
【００１９】
次に、図１の他の部分の構成を簡単に説明する。本例では先ずセンタ応答性改善部１０１を図３に示すように、位相補償部１０１Ａ、近似微分部１０１Ｂ及びゲイン設定部１０１Ｃで構成とし、位相補償部１０１Ａを図４に示す周波数特性とし、近似微分部１０１Ｂを図５に示す周波数特性とする。これにより、位相補償と近似微分との合成特性は図６に示すようになる。また、ゲイン設定部１０１Ｃでは、車速Ｖ及び操舵トルクＴによってゲインを切り換えて設定する。更に、ステアリングホイールが急に戻されるような不安な操舵感を低減し、保舵を安定させるため、操舵トルク大で、かつ操舵トルク変化率大とし、操舵トルク減少方向の場合にゲインを小さくする。
【００２０】
また、本発明では操舵補助指令値演算部１００におけるアシスト量の計算において、３つの代表車速（０、Ｖ１、Ｖ２Ｋｍ／ｈ）によるアシスト特性を基本特性として設定し、その他の車速では車速補間ゲインに応じて各基本特性間を車速２Ｋｍ／ｈ毎の補間を行う。そして、アシスト特性の車速設定範囲０〜Ｖ２Ｋｍ／ｈ、分解能２Ｋｍ／ｈとする。基本アシスト特性（トルク対電流）は図７に示すものであり、０Ｋｍ／ｈ＝Ｉｏ特性、Ｖ１＝Ｉａ特性、Ｖ２＝Ｉｂ特性で表わされている。そして、その他の車速についての車速補間演算は、図８で示す車速（Ｋｍ／ｈ）対車速補間係数γで２Ｋｍ／ｈ毎に行う。車速０〜Ｖ１のとき、アシスト電流ＩはＩ＝Ｉａ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（Ｉｏ（Ｔ）−Ｉａ（Ｔ））であり、車速（Ｖ１＋２）〜Ｖ２Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝Ｉｂ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（Ｉａ（Ｔ）−Ｉｂ（Ｔ））である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明では、フラッタや共振がステアリング機構の特性によって特有の周波数領域で特に大きくなる性質を有することを利用し、慣性補償部の演算結果をフラッタの周波数帯域でゲインを減衰させる帯域除去フィルタを通すようにしている。このため、上記特有の周波数領域での補償制御を低減でき、フラッタやステアリング機構の共振に過剰反応しないようにできる。
【００２２】
また、帯域除去フィルタの特性を車速によって変化させることにより、外力によるフラッタやステアリング機構の共振が起き易い車速でのみ帯域除去フィルタを用いたり、操舵トルクとヨーレートから車両の直進状態を判定することにより、直進時にのみ帯域除去フィルタを用いたりすることができ、必要以上に慣性補償を抑えずにすむ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御機能ブロック図である。
【図２】本発明で用いる帯域除去フィルタの特性例を示す図である。
【図３】センタ応答改善部のブロック構成図である。
【図４】位相補償部の特性例を示す図である。
【図５】近似微分部の特性例を示す図である。
【図６】位相補償部及び近似微分部の合成特性を示す図である。
【図７】基本アシスト特性を示す図である。
【図８】車速補間演算の一例を示す図である。
【図９】電動パワーステアリングの一般例を示す機構図である。
【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。
【符号の説明】
１０トルクセンサ
１２車速センサ
２０モータ
３０コントロールユニット
１００操舵補助指令値演算部
１０１センタ応答性改善部
１０３トルク制御演算部
１１０電流制御部
１１２電流ドライブ回路
１１３モータ
１２１モータ角速度推定部
１２４モータロストルク補償部
１２５ヨーレート推定部
１２６収れん制御部
１３０電流ディザ信号発生部
１３２帯域除去フィルタ

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、前記モータ及びステアリング機構の慣性を補償する補償部を具備し、前記補償部の補償出力信号を車両に組み付けられた状態でのステアリング機構の共振周波数帯域でゲインを減衰させる帯域除去フィルタに通して前記操舵補助指令値に印加す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。
前記帯域除去フィルタのゲイン特性を周波数１０Ｈｚ付近で小さくすると共に、位相特性をほぼ１０Ｈｚ以下で遅れ位相、ほぼ１０Ｈｚ以上で進み位相としている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記帯域除去フィルタの特性を車速によって変化させ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。
前記操舵トルクと車両のヨーレートから前記車両が直進状態にあるか否かを判定し、直進時にのみ前記帯域除去フィルタを用い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。