JP3945263B2

JP3945263B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP3945263B2
Application number: JP2002026233A
Authority: JP
Inventors: 秀行小林
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2022-02-04
Also published as: JP2002308136A

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、特にハンドル急操舵時における操舵フイーリングの悪化を改善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５に示して説明すると、ステアリングホイール（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、ステアリングホイール１の舵角（操舵角）を検出する舵角センサ７及び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（メイントルク信号Tm、サブトルク信号Ts）、車速センサ１２で検出された車速Ｖ、舵角センサ７で検出された舵角θ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】
上述のような電動パワーステアリング装置では、ステアリングシャフトにより伝達される操舵トルクに応じた操舵補助力をモータ２０に付与するために、そ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、トルクセンサ１０はフェールセーフ機能のため、コントロールユニット３０への入力がメイン系統及びサブ系統の２系統を有し、メイントルク信号Tｍを操舵補助制御に用いると共に、サブトルク信号Tｓをフェールセーフ機能に用いるように構成している。そして、操舵補助制御はメイントルク信号Tmを基に行うが、アシスト制御は一般的にＭＣＵ(Micro Controller Unit)を使用して実現されるため、アナログのメイントルク信号TmをＡ／Ｄ変換してディジタル値に変換する必要がある。しかし、Ａ／Ｄ変換器は分解能が限られていることから、Ａ／Ｄ変換器の分解能を最大限に活かすため、通常使用される操舵トルクTの範囲がＡ／Ｄ変換器入力の最大値となるように、メイントルク信号Tmはアナログ的にゲイン倍（増幅）されるように構成される。つまり、予想される操舵トルクTの最大値が、Ａ／Ｄ変換器の最大値に対応するようにゲイン倍されて調整される。
【０００５】
図６は、トルクセンサ１０の信号をメイン及びサブの２系統で制御する場合のコントローラ３０のブロック構成を示しており、トルクセンサ１０からのメイントルク信号TmはＡ／Ｄ変換器３２１に入力されると共に、（アナログ型）ゲイン倍器（増幅器）３１を経てＡ／Ｄ変換器３２２に入力されている。また、トルクセンサ１０からのサブトルク信号TsはＡ／Ｄ変換器３２３に入力され、この出力が別途フェールセーフ機能に供されている。
【０００６】
Ａ／Ｄ変換器３２１からのディジタル値のメイントルク入力値Tgrもフェールセーフ機能に供される。Ａ／Ｄ変換器３２２からのゲイン倍メイントルク入力値信号Ｔgiは、操舵補助指令値演算部３２５及びセンター応答性改善部３２４に入力されると共に、フェールセーフ機能に供される。
【０００７】
センター応答性改善部３２４及び操舵補助指令値演算部３２５の各出力は加算器３２Ａで加算され、その加算結果がロバスト安定化補償部３２６及び加算器３２B、加減算器３２Cを経て電流制御部２０１に入力され、この電流制御値によってモータ２０が駆動される。モータ端子間電圧Vm及びモータ電流値ｉはモータ角速度推定部３２９に入力され、推定された角速度ωはモータ慣性補償部３２８及び収れん性制御部３２７に入力される。収れん性制御部３２７の出力は加算器３２Aに入力されて加算され、モータ慣性補償部３２８の出力は加算器３２Bに入力されて加算される。
【０００８】
なお、ブロック３０がコントローラを形成し、ブロック３２がMCU制御ブロックを形成している。即ち、コントローラ３０はMCU制御ブロック３２及びゲイン倍器３１で構成されている。
【０００９】
センター応答性改善部３２４は、ステアリングの中立付近の制御の応答性を高め、滑らかでスムーズな操舵を実現するためのものである。即ち、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おり、例えば本出願人による特願２０００−１５２５１７で説明されているものである。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、操舵トルク及び車速の大きさに応じて微分ゲインを変化させて、制御系の応答性を高めるために加算する。このように微分ゲインを連続的に変化させることにより、操舵トルク、車速、操舵パターンなどの変化時の微分ゲインに大きな変化がないため、不自然な操舵感を防ぐことができ、快適な操舵性能を得ることができる。また、操舵トルクの小さな領域での微分ゲインを大きくすることにより、中立点近傍の応答性を高めて小さなヒステリシス特性が得られ、快適な操舵性能が得られると共に、操舵トルクの大きな領域での応答性及び安定性も保たれるのである。
【００１０】
また、収れん性制御部３２７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おり、モータ慣性補償部３２８はモータ２０の慣性や摩擦を補償している。ロバスト安定化補償部３２６は特開平８−２９０７７８号公報に示されている補償部であり、ｓをラプラス演算子とする特性式Ｇ（ｓ）＝（ｓ^２＋ａ１・ｓ＋ａ２）／（ｓ^２＋ｂ１・ｓ＋ｂ２）を有し、検出トルクに含まれる慣性要素とバネ要素から成る共振系の共振周波数のピーク値を除去し、制御系の安定性と応答性を阻害する共振周波数の位相のずれを補償している。なお、特性式Ｇ（ｓ）のａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は共振系の共振周波数により決定されるパラメータである。
【００１１】
更に、モータ角速度推定部３２９は特開平１０−１０９６５５号に示されている手法で角速度推定を行っても良く、本出願人による特開平１０−３３８１５２号に記述された角速度推定を行っても良い。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このような制御装置において、ハンドルの急操舵を行った場合、トルクセンサ１０からのメイントルク信号Ｔｍが過大に大きくなり、ゲイン倍器３１によるゲイン倍された後のトルク信号TgoがＡ／Ｄ変換器３２２の入力範囲（フルスケール）を超えてしまう場合があり、Ａ／Ｄ変換される数値は当該Ａ／Ｄ変換器の最大値にクランプされてしまう。図７（A）に示すゲイン倍トルク入力値Ｔgiがセンター応答性改善部３２４に入力されると、センター応答性改善部３２４は上述のように微分要素で成っているため、その出力は図７（B）に示すような波形となり、ゲイン倍トルク入力値Ｔgiが飽和したときに、図７（B）に示すような波形となる。○印を付し符号Aで示すような電流指令値を一時的に減らすような微分波形が存在するため、操舵フィーリングが悪化するという問題があった。この問題点の発生理由を更に詳述すると次の通りである。
【００１３】
センター応答性改善部３２４は、図８（A）に示すようなゲイン−周波数特性、同図（B）に示すような位相−周波数特性を有する近似微分特性を有している。これに対し、操舵補助指令値演算部３２５は、例えば図９に示すようなゲイン倍トルク入力値(Ｔgi)−出力の入出力特性を有している。
【００１４】
ここで、前述したようにハンドルの急操舵を行った場合には、トルクセンサ１０の出力であるメイントルク信号Tm及びサブトルク信号Tsが大きくなり、ゲイン倍器３１でゲイン倍されたゲイン倍信号がＡ／Ｄ変換器３２２のフルスケールを超える場合（図１０の時点ｔ１）がある。このような場合、Ａ／Ｄ変換器３２２の出力であるゲイン倍トルク入力値Ｔgiは図１０（A）に示すようになり、操舵補助指令値演算部３２５の出力は同図（B）に示すようになり、センター応答性改善部３２４の出力は同図（C）に示すようになる。また、（センター応答性改善部３２４＋操舵補助指令値演算部３２５）の出力波形は、図１０（B）の波形と同図（C）の波形を加算したものであり、同図（D）に示すようになる。
【００１５】
時点ｔ１において、ゲイン倍トルク入力値ＴgiがＡ／Ｄ変換器３２２の最大値に制限されたことにより、センター応答性改善部３２４の出力にパルス状の微分波形が現れ（図８（B）のA部及び図１０（C）のB1部）、これが（センター応答性改善部３２４の出力＋操舵補助指令値演算部３２５の出力）の出力を減少させている（図１０（D）のB２部）。これにより、大きな操舵入力でアシストトルクが変動する場合が生じ、このため操舵フイーリングが悪化するという不具合を生じるのである。
【００１６】
また、ゲイン倍トルク入力値がＡ／Ｄ変換器の分解能を超えて入力された場合は、それ以上の操舵トルクに対して操舵補助力の制御が全くできなくなり、操舵トルク変動等の違和感が発生する場合があった。
【００１７】
本発明は上述のような事情に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制御装置において、急操舵時等にトルクセンサの信号がＡ／Ｄ変換器の分解能を超えた場合でも、操舵フイーリングの悪化を生じ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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トルクセンサからのメイントルク信号をＡ／Ｄ変換したメイントルク入力値と、前記メイントルク信号を第1ゲイン倍した後にＡ／Ｄ変換したゲイン倍トルク入力値と、前記トルクセンサからのサブトルク信号とに基づいて、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータを制御する操舵補助力制御手段を有し、フェールセーフ機能を行うようになっている電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記メイントルク入力値を第2ゲイン倍するゲイン倍器と、前記ゲイン倍器の出力及び前記ゲイン倍トルク入力値を切換えて前記操舵補助力制御手段に入力するスイッチ手段とを具備することによって達成される。
【００１９】
また、前記メイントルク信号がコントローラの入力範囲を超えた場合に、前記スイッチ手段を介して、前記メイントルク入力値を前記ゲイン倍器で前記第1ゲイン倍と同一にゲイン倍して前記操舵補助力制御手段に入力することによって、或は前記ゲイン倍器及び前記スイッチ手段をソフトウェアで機能させるようにすることによって、上記目的はより効果的に達成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明では、ゲイン倍トルク入力値がMCUの入力値、つまりＡ／Ｄ変換器の分解能を超えて入力された場合でも、メイントルク入力値を基に操舵トルク微分手段の計算を行うことにより、ゲイン倍トルク入力値が飽和した信号を用いることがなくなる。つまり、センター応答性改善部の出力にパルス状の出力がなくなる。このため、電流指令値の出力を減じることもなく、操舵フィーリングが悪化することもない。
【００２１】
また、ゲイン倍トルク入力値がＡ／Ｄ変換器の分解能を超えて入力された場合でも、メイントルク入力値によって操舵補助力制御手段が働くため、ゲイン倍トルク入力値のサチュレートの有無に拘わらず操舵補助力制御を継続することができる。
【００２２】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１に本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の構成例を、図６に対応させて示す。本発明では、Ａ／Ｄ変換器３２１からのメイントルク入力値Ｔgr及びＡ／Ｄ変換器３２２からのゲイン倍トルク入力値Ｔgiを所定条件で切り換えるスイッチ手段３０３が設けられ、このスイッチ手段３０３の出力で動作する操舵補助力制御手段３００が設けられている。
【００２４】
図２は図１の要部（スイッチ手段３０３、操舵補助力制御手段３００）を示すブロック図であり、本実施の形態に係る制御装置ではＡ／Ｄ変換器３２１より出力されるメイントルク入力値Ｔgrをゲイン倍する（ディジタル型）ゲイン倍器３０１が設けられている。また、ゲイン倍器３０１の出力をａ接点に、Ａ／Ｄ変換器３２２の出力をｂ接点に接続された切換スイッチ３０２が設けられ、切換スイッチ３０２の出力が操舵補助力制御手段３００に入力されるようになっている。切換スイッチ３０２の接点は、通常は接点ａに接続されており、Ａ／Ｄ変換器３２２に分解能を超えた信号が入力された時に、そのことを検知して接点ｂに切換えるようになっている。また、ゲイン倍器３０１、切換スイッチ３０２、操舵補助力制御手段３００はソフトウェアによる構成となっている。
【００２５】
以上のように構成された本制御装置においては、通常切換スイッチ３０２の接点はａに接続されており、Ａ／Ｄ変換器３２２の出力であるゲイン倍トルク入力値Ｔgiが操舵補助力制御手段３００に入力されている。図３は各部の波形を示しており、時点ｔ２までは従来と同様である（図１０参照）。
【００２６】
そして、急操舵等によってゲイン倍器３１の出力Tgoの大きさがＡ／Ｄ変換器３２２の分解能を超えると（時点ｔ２）、つまりゲイン倍器３１の出力TgoがＡ／Ｄ変換器３２２の最大値Ｔr_maxに相当する入力範囲を超えると（ただし、ハードウェアとしてＡ／Ｄ変換可能な入力電圧範囲を大きく超える電圧を入力しないための保護回路がある）、それが検知手段によって検知され、切換スイッチ３０２の接点がａからｂに切換えられる。これにより、Ａ／Ｄ変換器３２１の出力であるメイントルク入力値Ｔgrがゲイン倍器３０１に入力され、ゲイン倍器３１と同一の倍率でディジタル的にゲイン倍される。ゲイン倍器３０１の出力は切換スイッチ３０２の接点ｂを経て操舵補助力制御手段３００に入力される。
【００２７】
このように、時点ｔ２以降はゲイン倍器３０１でゲイン倍すると共に、切換スイッチ３０２の接点をｂとすることにより、ゲイン倍器３０１の出力、つまり操舵補助力制御手段３００の入力は図３（A）に示すように漸増波形となる。この結果、センター応答性改善部３２４の出力波形は図３（C）のようになり、操舵補助指令値演算部３２５の出力は従来と同様で図３（B）に示すようになっているので、（操舵補助指令値演算部３２５の出力＋センター応答性改善部３２４の出力）は同図（D）に示すように、従来生じたB2部分の減少出力がなくなる。
【００２８】
本制御装置によれば、図３（A）に示されるように、ゲイン倍トルク入力値Ｔgiが飽和することなく、この飽和信号を微分することがないため、図３（C）に示されるようにセンター応答性改善部３２４の出力には前述したパルス状波形がなくなる。この結果、図３（D）に示されるように（操舵補助指令値演算部３２５の出力＋センター応答性改善部３２４の出力）にも、出力を減少させる波形を生ずることがなく、これにより操舵フィーリングを悪化させることがなくなる。
【００２９】
また、操舵補助指令値演算部３２５の設定を図４のように行った場合、ゲイン倍トルク入力値Ｔgiが入力範囲を超えた場合でも、メイントルク入力値Ｔgrをゲイン倍３０１を通った値により、制御補助力制御を実行できるようになり、操舵フィーリングを悪化させることがなくなる。
【００３０】
なお、切換スイッチ３０２をソフトウェアの構成とした場合、切換スイッチのようなスイッチング処理の他に、ゲイン倍トルク入力値とメイントルク入力値を入力とした判断付きの演算も含まれる。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、ハンドルの急操舵を行った場合など、ゲイン倍されたメイントルク信号がＭＣＵのＡ／Ｄ変換器の入力範囲を超える場合に、ハードウェアでゲイン倍されていないメイントルク信号を基に操舵補助力制御を行うため、操舵トルク微分手段の出力にパルス状の波形がなくなる。この結果、操舵フィーリングの悪化が改善されるという顕著な効果が得られる。また、操舵補助指令値演算部の設定の自由度が大きくなるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る制御装置の要部の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る制御装置の各部波形例を示す波形図である。
【図４】操舵補助指令値演算部の設定例を示す図である。
【図５】従来の電動パワーステアリング装置の一般的な構成を示す機構図である。
【図６】従来の電動パワーステアリング装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】センター応答性改善部の入出力波形の例を示す波形図である。
【図８】センター応答性改善部の特性を示す図である。
【図９】操舵補助指令値演算部の特性を示す図である。
【図１０】従来の電動パワーステアリング装置の制御装置の各部動作波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１ステアリングホイール
２軸
３減速ギア
１０トルクセンサ
１２車速センサ
２０モータ
３０コントローラ
３１、３０１ゲイン倍器
３２ MCU制御ブロック
３００操舵補助力制御手段
３０２切換スイッチ
３２１，３２２，３２３Ａ／Ｄ変換器
３２４センター応答性改善部
３２５操舵補助指令値演算部
３２６ロバスト安定化補償部
３２７収れん性制御部
３２８モータ慣性補償部
３２９モータ角速度推定部

Claims

トルクセンサからのメイントルク信号をＡ／Ｄ変換したメイントルク入力値と、前記メイントルク信号を第1ゲイン倍した後にＡ／Ｄ変換したゲイン倍トルク入力値と、前記トルクセンサからのサブトルク信号とに基づいて、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータを制御する操舵補助力制御手段を有し、フェールセーフ機能を行う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、前記メイントルク入力値を第2ゲイン倍するゲイン倍器と、前記ゲイン倍器の出力及び前記ゲイン倍トルク入力値を切換えて前記操舵補助力制御手段に入力するスイッチ手段とを具備した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。
前記メイントルク信号がコントローラの入力範囲を超えた場合に、前記スイッチ手段を介して、前記メイントルク入力値を前記ゲイン倍器で前記第1ゲイン倍と同一にゲイン倍して前記操舵補助力制御手段に入力す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。
前記ゲイン倍器及び前記スイッチ手段をソフトウェアで機能させるようになっている請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。