JP4075432B2

JP4075432B2 - 電気式操舵制御装置

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Publication number: JP4075432B2
Application number: JP2002090004A
Authority: JP
Inventors: 峰一樅山; 俊博高橋; 英一小野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003285752A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両の操舵制御装置に関し、特に、操舵系の粘性変動による操舵フィーリングの影響を排除した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気式操舵制御装置、いわゆる電動パワーステアリング装置は、モータのクーロン摩擦と装置内部の粘性摩擦による内部抗力（粘性トルク）や路面からの反力トルク（ＳＡＴ）に対抗してなされる操舵力に応じて操舵アシストトルクを発生させるものであり、当該アシストトルクの量を制御する操舵制御装置を備えるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、粘性トルクは操舵速度ω_pと一定値である粘性係数ρの積として捉えられており、当該ρω_pに比例するアシストトルクを発生させていた。しかしこのような操舵装置の制御装置では、内部抗力（粘性トルク）が経年変化や車両間のばらつきによる個々の車両に対応できないなどの問題点があった。特に低温下でのプリロードが増加することによりハンドル戻り等の操舵感が悪化する。即ち低温下では実際の粘性係数が基準値ρ₀よりも大きいため、ハンドル戻りが悪くなり、また、操舵も重く感じられるものである。そこで本発明は低温下での操舵感の悪化を改善する目的でなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１の手段によれば、電気モータによりアシストトルクを付与するようにした電気式操舵制御装置において、操舵系の粘性トルクの、操舵角速度に対する比となる粘性係数を推定する粘性係数推定手段と、推定された粘性係数の、制御特性を設計する際の基準値に対する増加量と現時刻における操舵角速度とに応じて、現時刻におけるアシストトルクを増量補正するアシストトルク補正手段とを有し、アシストトルク補正手段は、粘性係数に対して連続な単調増加関数である第１のゲインと、粘性係数と、操舵角速度の積に基づいてアシストトルクの増量補正をするものであり、第１のゲインは、粘性係数が基準値を超えない場合は０、粘性係数が基準値より大きな所定値を超えた場合は一定の値であることを特徴とする。
【０００５】
また、請求項２の手段によれば、アシストトルク補正手段は、操舵角速度に対して連続な単調増加関数である第２のゲインと、粘性係数と、操舵角速度の積に基づいてアシストトルクの増量補正をするものであり、第２のゲインは、操舵角速度がある範囲の下限値に達しない場合は０、操舵角速度が当該範囲の上限値を超える場合は一定の値であることを特徴とする。
【０００６】
【作用及び発明の効果】
粘性係数を推定して基準値を越える場合はその増加量と操舵角速度に応じてアシストトルクを増量補正することで、粘性上昇分の操舵力を補償することができる。これにより、低温下でのプリロードの増加によるハンドル戻り等の操舵感の悪化がなくなる。また、基本的には粘性係数及び操舵角速度に比例するアシストトルク増量補正としながら、粘性係数及び操舵角速度の一方又は両方にしきい値を設け、しきい値を超えない場合はアシストトルク増量補正を０とする補正により、よりきめ細かなアシストトルクの増量補正をすることが可能となる（請求項１、２）。特に請求項２の場合はハンドル収斂性の悪化を防止することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
【０００８】
図１は、本発明の一実施例な係る電動パワーステアリング装置１００のハードウェア構成図である。以下、本実施例の電動パワーステアリング装置１００について説明する。
【０００９】
ステアリングシャフト１０の一端には、ステアリングホイール１１（ハンドル）が取り付けられ、他端にはギヤボックス１２に軸承されたピニオン軸１３が結合されている。ピニオン軸１３は、ギヤボックス１２に嵌装されたラック軸１４に噛合され、また図示していないが、このラック軸１４の両端はボールジョイント等を介して図略の操向車輪に連結されている。また、ステアリングシャフト１０には、アシストトルクを付与するブラシレス直流モータＭ（以下、単に「モータＭ」という）が、２つの歯車１７を介して連結されている。
【００１０】
このモータＭには、モータ制御装置２００の駆動回路２１３より、電流検出器２１５を介してＵ，Ｖ，Ｗの３相に対する各モータ駆動電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給される。更に、ステアリングシャフト１０には、運転者からステアリングホイール（ハンドル）１１に加えられたマニュアル操舵力の大きさ及びその方向（操舵トルクＴ）を検出するためのトルク検出器１５が設けられている。
【００１１】
また、モータＭには、その回転角を検出する同期用の回転角センサＥ（エンコーダ）が付設されており、回転角センサＥが出力するモータＭの回転角θ_mに基づいてピニオン回転角（＝ハンドルの操舵角）θ_pが求められる。
モータ制御装置２００は、ＣＰＵ２１０、ＲＯＭ２１１、ＲＡＭ２１２、駆動回路２１３、入力インターフェイス（ＩＦ）２１４、電流検出器２１５等から構成されている。駆動回路２１３は、図略のバッテリー、ＰＷＭ変換器、ＰＭＯＳ駆動回路等から構成され、チョッパ制御により駆動電流を正弦波にしてモータＭに電力を供給する。
【００１２】
モータ制御装置２００のＣＰＵ２１０には、上記の回転角θ_mや、操舵トルクＴの検出に利用されるトルクセンサ１５、車速Ｖを与える車速計５０等からの出力信号（測定値）が、入力インターフェイス（ＩＦ）２１４を介して入力される。ＣＰＵ２１０は、これらの入力値から所定のトルク計算に基づいて、モータＭが出力すべきトルク値（指令トルクＴ_m）を決定し、更に、この指令トルクＴ_mに基づいてｄ軸とｑ軸の各電流指令値（Ｉｄ^*，Ｉｑ^*）を決定する。だだし、本実施例においては、「Ｉｄ^*＝０」である。
【００１３】
図２は、本実施例に係わる、電動パワーステアリング装置１００のモータ制御装置２００の制御ブロック・ダイヤグラムである。各制御ブロックの入出力の関係は以下の通りである。
トルクセンサ１５は操舵トルクを位相補償部２１と微分演算部２３に出力する。
位相補償部２１は位相補償された操舵トルクをアシスト制御部２０に出力する。
微分演算部２３は操舵トルクの微分を慣性補償部２２に出力する。
車速計５０は車速をアシスト制御部２０、ダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６に出力する。
モータからは回転角が相対角演算部６０に出力され、操舵角の相対角が計算されて微分演算部６１に出力される。
微分演算部６１は操舵角の角速度をダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６に出力する。
アシスト制御部２０、慣性制御部２２、ダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６は、上記入力値から設定された特性に基づいてトルクを出力する。尚、アシスト制御部２０においては、制御特性は粘性係数に関して基準値ρ₀に基づいて設計されている。アシスト制御部２０と慣性制御部２２の出力するトルクは
操舵速度と同方向、ダンパ制御部２４とハンドル戻し制御部２６の出力するトルクは操舵速度と逆方向である。
アシスト制御部２０、慣性制御部２２、ダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６の出力が加算部２８にて加算され、モータトルクＴ_mとして電流指令演算部３０に出力される。電流指令演算部３０からは電流制御部４０にｑ軸の電流指令値（Ｉｑ^*）が出力され、モータ駆動電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとしてモータＭに供給される。
【００１４】
上記の従来構成に、本願発明の要部である粘性係数推定演算部３００と粘性補償制御部３０１が加わる。粘性係数推定演算部３００には、トルクセンサ１５からは操舵トルク（ピニオントルクＴ_P）、車速計５０からは車速ｕ、相対角演算部６０からはピニオン回転角度θ_p、微分演算部６１からはピニオン角速度ω_p、加算部２８からはモータトルクＴ_mが入力される。粘性補償制御部３０１には、推定された粘性係数ρ_hが出力される。粘性補償制御部３０１からは粘性補償トルクが加算部２８に出力され、アシスト制御部２０、慣性制御部２２、ダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６の出力とともに加算される。
【００１５】
図３は、本実施例の粘性係数推定演算部３００の処理内容を示すブロック図である。ＥＰＳ全作用力算出部３００１では、ピニオン回転角度θ_pと角速度ω_pからＥＰＳ全作用力を算出する。ラック推力算出部３００２では、ピニオントルクＴ_PとモータトルクＴ_mからラック推力を算出する。外乱トルク算出部３００３ではＥＰＳ全作用力とラック推力の差から外乱トルクＴ_dを算出する。一方、横滑り角算出部３００４ではピニオン回転角度θ_pと車速ｕから横滑り角α_fが算出される。ＳＡＴ／内部抗力算出部３００５ではピニオン角速度ω_pと、横滑り角α_fと外乱トルクＴ_dから、勾配κと粘性係数ρとを推定する。ＳＡＴ／内部抗力算出部３００５の推定した勾配κと粘性係数ρとは更新されながら、粘性係数ρは粘性補償制御部３０１での制御のために読み出される。
【００１６】
Ｔ_pは運転者の操舵トルク、ω_pはピニオン角速度（＝ｄθ_p／ｄｔ）であり、ピニオン回転角θ_pはθ_p＝θ_S−Ｔ_p／Ｋ_Sで求められる。ここで、θ_Sは操舵角センサで検出した操舵角であり、Ｋ_Sはステアリング・シャフトのトーションバーのねじれ剛性を示すバネ定数である。また、バネ定数Ｋ_Sの値が非常に大きい場合には、θ_p≒θ_Sと考えても差支えないので、以下、この様な前提条件のもとに、ピニオン角と操舵角とを区別せずに論ずる場合がある。
【００１７】
路面反力に起因するトルク（セルフアライニングトルクＴ_S）は、操舵系の運動方程式（次式（１））に基づいて、式（２）の様に表すことができる。
【数１】
Ｊ_e・ｄω_p／ｄｔ＝Ｔ_p＋ｇＴ_m＋Ｔ_S−ρω_p≡ｄ …（１）
【数２】
Ｔ_S−ρω_p＝ｄ−Ｔ_p−ｇＴ_m …（２）
【００１８】
ただし、ここで、Ｊ_eは操舵系の回転運動に関する全慣性（イナーシャ）、Ｔ_mはモータ３４の出力トルク（補助トルク）、ｇは減速機のギヤ比、ρはハンドルの回転に抗する粘性トルクのピニオン角速度ω_pに係わる粘性係数、ｄは操舵系に作用する全トルクである。
【００１９】
Ｔ_p、ω_pは各センサの出力値に基づいて求めることができ、更に、モータＥの出力トルクＴ_mは、モータＥに通電される電流値に基づいて随時推定することができる。式（１）の全トルクｄに関しては、周知のフィードバック制御の制御理論に基づいて、図４の式（ａ）に示すオブザーバ（状態推定器）を構成することができる。ただし、ここで、Ｇはオブザーバ・ゲイン（３行×２列の定数行列）であり、ｄ_hは全トルクｄの推定値、下付きの添字ｈはその変数が推定値であることを示すものである。また、更に、上記の式（ａ）を前記のサンプリング周期Δｔにて離散化すれば、図４の式（ｂ），（ｃ）に示す様に離散化された状態方程式を得ることができる。ただし、ここで、Ａ，Ｃは定数行列（３行×３列）、Ｂ，Ｄは定数行列（３行×２列）、ｘは操舵系の状態を表す状態ベクトル（３行×１列の縦ベクトル）であり、ｋはサンプリング周期Δｔで離散化された時刻パラメータ（配列引数）である。
【００２０】
以上のことから、図４の離散化された状態方程式（式（ｂ），（ｃ））に基づいて、操舵系に作用する全トルクｄの推定値ｄ_hを正確に算出できれば、上記の外乱トルクＴ_S−ρω_pは、式（２）より正確に算出できることが判る。
【００２１】
上記の粘性係数ρは、温度により変化することが多く、また、パワーステアリング装置の経年、修理、調整、部品交換、或いは仕様変更等により変動する場合もある。そこでオンライン最小二乗法に基づいた所定のアルゴリズムにより粘性係数ρと、セルフアライニングトルクＴ_Sを前輪横滑り角α_fで除した勾配κを同時に推定する。
【００２２】
まず、前輪横滑り角α_fを推定する。車両の前輪横滑り角α_fは、図４の式（ｄ）、式（ｅ）で表される運動方程式により、近似或いは推定できることが一般に知られている。ここで、下付きの添字ｆは前輪、下付きの添字ｒは後輪をそれぞれ表しており、ν［ｍ／ｓ］は横速度、ｒ［ｒａｄ／ｓ］はヨー角速度、ｕ［ｍ／ｓ］は車速、ｃ_f［Ｎ／ｒａｄ］は前輪のコーナリングパワー、Ｌ_f［ｍ］は前輪車軸と車両重心間の距離、Ｍ［ｋｇ］は車両質量、Ｉ_z［ｋｇ・ｍ²］は車両のｚ軸回りの慣性モーメント、ｇ_hはハンドル角（ピニオン角θ_p）と実舵角の比である。
【００２３】
車速ｕ及びピニオン角θ_pを入力する際のサンプリング間隔Δｔで、この運動方程式（図４の式（ｄ）、式（ｅ））を離散化することにより、次式（３），（４）が得られる。
【数３】
ｚ(k+1)＝（Ｉ＋Ｑｕ(k)＋Ｒ／ｕ(k)）ｚ(k)＋Ｓθ_p(k) …（３）
【数４】
α_f＝（ａ／ｕ(k)，ｂ／ｕ(k)）ｚ(k)−ｃθ_p(k) …（４）
【００２４】
ただし、ここで、ｋはサンプリング周期Δｔで離散化された第２実施例と同様の時刻パラメータ（配列引数）であり、ｚは車体の状態を表す状態ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）、Ｉは２行×２列の単位行列、Ｑは２行×２列の定数行列で、Ｓは定数ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）である。また、式（４）のａ，ｂ，ｃはそれぞれ定数である。以上のことから、図５に例示する前輪横滑り角α_fの推定手順（ステップ７１０〜ステップ７８０）に従えば、車速ｕ及びピニオン角θ_pを随時検出することにより、前輪横滑り角α_fの推定値がリアルタイムで得られることが判る。
【００２５】
次に、ｄ_h，α_fに基づいて粘性係数ρを推定する。ｄ_h，α_f、ω_p、Ｔ_p、Ｔ_m、ｇが求められたので、次の式（５）で決定されていないものは勾配κと粘性係数ρである。
【数５】
κα_f−ρω_p＝ｄ−Ｔ_p−ｇＴ_m …（５）
【００２６】
ここで、式（５）に対してオンライン最小２乗法を適用することにより、以下に示す様に、勾配κと粘性係数ρとを同時に推定することができる。図６は、オンライン最小２乗法に基づいて粘性係数ρの値を推定する推定手順のフローチャートである。本アルゴリズムでは、まず最初に、ステップ８１０により忘却係数行列Ｌの各成分と前記の時刻パラメータｋを初期化する。λ₁，λ₂の各値は、粘性係数ρと勾配κの各変動特性を考慮して、例えば「λ₁＝0.999，λ₂＝0.95」などの様に設定しておけば良い。
【００２７】
次に、ステップ８１５により、５つの代数ｙ，Ｋ，ｑ，Ｐ，φの初期化をそれぞれ行う。ただし、ここで、ｙはスカラー、Ｋは２行×１列の縦ベクトル（状態ベクトル）、ｑは２行×１列の縦ベクトル（粘性係数ρ，勾配κから成る推定値ベクトル）、Ｐは２行×２列の可変行列、φは２行×１列の縦ベクトルで、ρ０、κ０はそれぞれ粘性係数ρ，勾配κの初期値（適当な仮定値）、Ｉは２行×２列の単位行列、ｃは適当な定数である。
【００２８】
ステップ８２０では、図示する様に、ｑ(k)，ｙ(k)，φ(k)，Ｋ(k)の各値に基づいてｑ(k+1)の値を算出する。
ステップ８３０では、図示する様に、Ｌ，Ｐ(k)，φ(k)の各値に基づいてＰ(k+1)の値を算出する。
ステップ８４０では、次のステップ８５０が周期Δｔ毎に実行される様に、ステップ８５０の次回の実行時刻を待つ。ステップ８５０ではｋの値を１だけ増加させる。
ステップ８６０では、α_f，ｄ_h，θ_p，Ｔ_p，Ｔ_mの各値を入力する。ただし、ｄ_h、α_fについては、同定済みの推定値を充てる。
【００２９】
ステップ８７０では、入力したα_f，ｄ_h，θ_p，Ｔ_p，Ｔ_mの各値に基づいて、図示する様に代数φ，ｙの値をそれぞれ更新する。ただし、代数ｙ(k)の更新は、式（５）に基づいて、ｄ＝ｄ_hを仮定した上で実行するものとする。
ステップ８８０では、Ｐ(k)，φ(k)の各値に基づいて図示する様に代数Ｋ(k)の値を更新する。
ステップ８９０では、粘性係数ρの推定値を上記のステップ８２０で算出した推定値ベクトルｑ(k)から求める。
以上の処理手順に従えば、粘性係数ρと勾配κの推定値を算出することができる。この推定された粘性係数をρ_hとおく。
【００３０】
図７に粘性補償制御部３０１の作用をブロック図で示す。図７に示す粘性係数推定値ρ_hに対するゲインｋ(ρ_h)が演算される。粘性係数推定値ρ_hに対するゲインｋ(ρ_h)は、粘性係数推定値ρ_hがρ₀以下では０、ρ₁以上では一定値であって、ρ₀からρ₁の間で単調増加するものである。また、操舵速度ω_pについてもゲインｋ(ω)をもたせるが、その値は１で一定として良い。こうして、粘性係数推定値ρ_h、それに対するゲインｋ(ρ_h)、操舵速度ω_p、それに対するゲインｋ(ω)を全て乗じて、ハンドル粘性に対する粘性補償トルクを算出し、加算部２８に出力する。
【００３１】
図８に、本発明の粘性補償制御を加えた場合と、従来例である加えない場合のＭＡ−ＭＴ特性の実測結果を示す。条件は車速を40km/hとして、ハンドルを1周期操舵したときの操舵トルク性である。粘性係数が大きいと菱形の上辺と下辺の幅が広くなり、グラフも長方形に近づく。図８（ａ）が本発明であり、粘性感は0.4Nms/radと、（ｂ）に示す従来例における粘性感0.54Nms/radから大きく改善された。
【００３２】
図９に、本発明の粘性補償制御を加えた場合と、従来例である加えない場合のハンドルの戻り特性の実測結果を示す。条件は、車速10km/hでハンドルを360deg切った状態から手を離したものであり、最終的にハンドルが停止した角度を残留角とした。粘性係数が大きいとハンドル角速度は小さくなり、残留角は大きくなる。図９（ａ）が本発明であり、残留角は60deg、最大角速度は3rad/sと、（ｂ）に示す従来例における残留角230deg、最大角速度1rad/sから大きく改善された。
【００３３】
本実施例では図７に示したように操舵速度ω_pについてのゲインｋ(ω)を１で一定としたが、図１０のように操舵速度ω_pが小さい場合にゲインｋ(ω)を０として、操舵速度ω_pが小さい場合に粘性補償制御による粘性補償トルクを０としてハンドル収斂性を向上させても良い。
【００３４】
尚、粘性係数関連値推定手段として、粘性係数を推定したが、粘性係数によって一意的に決定される他の物理量を推定しても良い。さらに、推定手段としては系を状態方程式で表したオブザーバを用いたが、他の方法を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例な係る電動パワーステアリング装置１００のハードウェア構成図。
【図２】電動パワーステアリング装置１００のモータ制御装置２００の制御ブロック・ダイヤグラム。
【図３】粘性係数推定演算部３００の構成を示すブロック図。
【図４】粘性係数推定演算部３００の作用原理に係わる物理公式の公式表。
【図５】前輪横滑り角α_fの推定手順を示したフローチャート。
【図６】オンライン最小２乗法に基づいて粘性係数ρの値を推定する推定手順のフローチャート。
【図７】粘性補償制御部３０１の構成を示すブロック図。
【図８】（ａ）は、本発明の粘性補償制御を加えた場合のＭＡ−ＭＴ特性の実測結果を示すグラフ図、（ｂ）は、粘性補償制御を加えない従来例のＭＡ−ＭＴ特性の実測結果を示すグラフ図。
【図９】（ａ）は、本発明の粘性補償制御を加えた場合のハンドルの戻り特性の実測結果を示すグラフ図、（ｂ）は、粘性補償制御を加えない従来例のハンドルの戻り特性の実測結果を示すグラフ図。
【図１０】粘性補償制御部３０１の他の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
θ_p… ピニオン角
ω_p… ピニオン角速度
Ｔ_p… 運転者の操舵トルク
Ｔ_s… セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）
Ｔ_d… 外乱トルク（粘性トルクとＳＡＴの和）
Ｔ_m… モータの出力トルク（補助トルク）
ｇ … ギヤ比
ｕ … 車速
Ｊ_e… 操舵系の回転運動に関する全慣性（イナーシャ）
ｄ … 操舵系に作用する全トルク
ｄ_h… 全トルクｄの推定値
ｈ … 下付きの添字（その変数が推定値であることを示す）
ρ … 粘性トルクのピニオン角速度ω_pに係わる粘性係数
α_f… 前輪横滑り角
κ … 前輪横滑り角α_fに対するセルフアライニングトルクの勾配
Ａ … 定数行列（３行×３列）
Ｂ … 定数行列（３行×２列）
Ｃ … 定数行列（３行×３列）
Ｄ … 定数行列（３行×２列）
Ｇ … オブザーバ・ゲイン（３行×２列の定数行列）
ｘ … 状態ベクトル（３行×１列の縦ベクトル）
ｚ … 状態ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）
ｋ … 時刻ｔに対応し、離散化された時刻パラメータ（配列引数）
ｑ(k) … ρ，κから成る推定値ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）
Ｋ(k) … 状態ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）
Ｐ(k) … 可変行列（２行×２列）

Claims

電気モータによりアシストトルクを付与するようにした電気式操舵制御装置において、
操舵系の粘性トルクの、操舵角速度に対する比となる粘性係数を推定する粘性係数推定手段と、
推定された前記粘性係数の、制御特性を設計する際の基準値に対する増加量と現時刻における操舵角速度とに応じて、現時刻における前記アシストトルクを増量補正するアシストトルク補正手段と
を有し、
前記アシストトルク補正手段は、前記粘性係数に対して連続な単調増加関数である第１のゲインと、前記粘性係数と、前記操舵角速度の積に基づいて前記アシストトルクの増量補正をするものであり、
前記第１のゲインは、前記粘性係数が前記基準値を超えない場合は０、前記粘性係数が前記基準値より大きな所定値を超えた場合は一定の値であることを特徴とする電気式操舵制御装置。
前記アシストトルク補正手段は、前記操舵角速度に対して連続な単調増加関数である第２のゲインと、前記粘性係数と、前記操舵角速度の積に基づいて前記アシストトルクの増量補正をするものであり、
前記第２のゲインは、前記操舵角速度がある範囲の下限値に達しない場合は０、前記操舵角速度が当該範囲の上限値を超える場合は一定の値であることを特徴とする請求項１に記載の電気式操舵制御装置。