JP4114349B2

JP4114349B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4114349B2
Application number: JP2001374168A
Authority: JP
Inventors: 健治新井; 秀行小林; 修司遠藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP2003170856A

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に関し、特に機械系の摩擦補償を行って操舵フィーリングを改良した電動パワーステアリング装置に関する。
【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、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を経て走行車輪のタイロッド６に結合されている。軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ（操舵トルク検出手段）１０が設けられており、ハンドル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。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、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】
上述のように電動パワーステアリング装置では、操舵補助トルクを発生させるモータ２０は減速機構（減速ギア３）を介してステアリング機構に接続されている。この減速機構は摩擦が多く、その摩擦によって操舵フィーリングを悪化させている。そのため、摩擦を補償して操舵フィーリングを改良する機能を制御装置に備える必要があった。
【０００７】
ここにおいて、従来の摩擦制御は、モータの回転方向に応じて一定の補償電流値を計算し、モータの制御電流値に上乗せして摩擦感を低減していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような補償電流値を計算しモータの制御電流値に上乗せする摩擦補償では、減速機構の摩擦の大きさは減速機構に働く力にほぼ比例することから、操舵補助力の小さいセンタ付近の操舵では補償が大きくなり過ぎて操舵が過度に軽くなったり、操舵補助力の大きいステアリングを切り増した状態では補償が小さく、摩擦感を感じるといった操舵フィーリング上の不具合があった。
【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、操舵補助力の大きさによらず摩擦補償の効果が変わらず、操舵フィーリングを向上させた電動パワーステアリング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、操舵トルク検出手段からの操舵トルクに基いて操舵補助指令値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に関するもので、本発明の上記目的は、前記操舵トルク及び前記操舵補助指令値に基づいて前記モータから前記ステアリング機構に対する摩擦の補償を行う摩擦補償部を設け、前記摩擦補償部が前記操舵補助力に応じて摩擦補償を行うようになっていることによって達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
電動パワーステアリング装置では、減速機構の摩擦は減速機構に働く力にほぼ比例し、その力はモータより発生する操舵補助トルクとほぼ同じになり、操舵補助トルクは操舵補助指令値により制御されている。このことから、本発明では、減速機構の摩擦は操舵補助指令値とほぼ比例することを利用し、摩擦補償値を操舵補助指令値と、操舵の切り増し／切り戻しの状態とに基づいて計算し、減速機構で発生している摩擦を正確に補償するようにしている。これにより、減速機構の摩擦力の大きさの変化に影響されない摩擦補償を達成でき、良好な操舵フィーリングを実現している。
【００１２】
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１３】
先ず、本発明の前提となる電動パワーステアリング装置の制御機能ブロックを図１に示して説明する。
【００１４】
トルクセンサ（操舵トルク検出手段）からの操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部１００、センタ応答性改善部１０１及びＳＡＴ(Self Aligning Torque)フィードバック制御部１２４に入力され、操舵補助指令値演算部１００で演算された操舵補助指令値は位相補償部１０２を経て加算器１０３に入力され、センタ応答性改善部１０１の出力も加算器１０３に入力され、その加算結果がロバスト安定化補償部１０４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。また、ロバスト安定化補償部１０４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、操舵トルクＴ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。ロバスト安定化補償部１０４の出力信号はモータロス電流補償部１０５に入力され、その出力が加算器１０６を経て最大電流制限部１０７に入力され、最大電流制限部１０７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１０５は、モータ電流が流れてもモータ１１２の出力に現れない電流を上乗せして、モータ１１２の出力トルク０からの立ち上りを改善し、最大電流制限部１０７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の出力は電流ドライブ回路１１１に入力され、これによりモータ１１２を駆動する。
【００１５】
モータ１１２のモータ電流ｉは、モータ電流オフセット補正部１１３を経てモータ角速度推定部１２０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１２０に入力される。モータ角速度推定部１２０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１２１、モータロストルク補償部１２２、ヨーレート推定部１２３及びＳＡＴフィードバック制御部１２４に入力され、ヨーレート推定部１２３の出力は収れん制御部１２５に入力されている。収れん制御部１２５の出力とＳＡＴフィードバック制御部１２４との偏差が減算器１３１で求められ、その偏差が加算器１３２でモータロストルク補償部１２２の出力と加算され、その加算結果が加算器１３３に入力され、モータ角加速度推定部・慣性補償部１２１の出力と加算され、その加算結果が加算器１０３に入力されている。
【００１６】
モータ角加速度推定部・慣性補償部１２１はモータ慣性を加減速させるトルクを操舵トルクＴから排除し、慣性感のない操舵感にし、収れん制御部１２５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、モータロストルク補償部１２２はモータ１１２のロストルクの発生する方向、つまりモータ１１２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１１２の出力トルクのうち、モ−タ１１２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。また、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の出力が加算器１０６で加算される。電流ディザ信号発生部１３０は、モータ１１２が静摩擦で張り付いてしまうのを防止する。
【００１７】
また、センタ応答性改善部１０１は図２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で構成され、位相補償部１０１Ａは図３に示す周波数特性であり、近似微分部１０１Ｂは図４に示す周波数特性である。これにより、位相補償と近似微分との合成特性は図５に示すようになる。また、ゲイン設定部１０１Ｃでは、操舵トルクＴ（車速）によってゲインを切り換えて設定する。更に、ハンド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。
【００１８】
上述のような構成に対して、本発明では図６に示すようにトルクセンサからの操舵トルクＴ及び加算器１０６の出力である操舵補助指令値ＡＳを入力し、摩擦補償値ＭＳを出力する摩擦補償部１４０を設けると共に、操舵補助指令値ＡＳ及び摩擦補償値ＭＳを加算して最大電流制限部１０７に入力する加算器１０８を設けている。
【００１９】
摩擦補償部１４０の詳細は図７に示すように、操舵トルクＴの符号を判定する符号判定部１４１と、操舵トルクＴにより操舵の切り増し／切り戻しを判定する操舵方向判定部１４２と、操舵方向判定部１４２からの操舵方向信号ＳＤ及び符号判定部１４１からの符号信号ＣＳによって摩擦補償値符号ＦＣを決定する摩擦補償値符号決定部１４３とを具備している。また、操舵補助指令値ＡＳの絶対値を求める絶対値化部１４４を有し、絶対値化部１４４で求められた絶対値ＡＶは操舵切り増し時の摩擦補償値計算部１４５及び操舵切り戻し時の摩擦補償値計算部１４６に入力され、摩擦補償値計算部１４５の出力はスイッチ１４７の接点ａに、摩擦補償値計算部１４６の出力はスイッチ１４７の接点ｂにそれぞれ入力されている。スイッチ１４７の接点ａ，ｂは操舵方向判定部１４２からの操舵方向信号ＳＤによって切り換えられ、スイッチ１４７の出力は符号化部１４８に入力され、符号化部１４８から摩擦補償値ＭＳが出力される。
【００２０】
ここにおいて、電動パワーステアリング装置の摩擦は、操舵補助トルクを発生するモータとステアリング機械系との間にある減速ギアによるものが大きい。減速ギアの摩擦は下記（１）式の関係から操舵補助指令値にほぼ比例する。
【００２１】
減速ギアの摩擦力 ∝ 減速ギアに働く力 ∝ モータ出力トルク
∝ モータ電流 ∝ 操舵補助指令値 …（１）
このことから、本発明では摩擦補償値ＭＳの絶対値は、操舵補助指令値ＡＳの絶対値ＡＶの１次関数で計算して求めている。摩擦力の大きさが別の関数で近似できるのであれば、１次関数に限られるものではない。また、減速ギアに働く力が増加する方向と減少する方向で摩擦力が異なることに備え、操舵切り増し方向と切り戻し方向の補償値を別々に設定できるように、摩擦補償値計算部１４５及び１４６を設けている。
【００２２】
また、操舵方向判定部１４２における操舵の切り増し／切り戻しの判定は次のように行っている。
【００２３】
切り増し：操舵トルクＴの符号と操舵トルクＴの変化率の符号が同じで、かつ操舵トルクＴの変化率の大きさが所定値より大きい場合
切り戻し：操舵トルクＴの符号と操舵トルクＴの変化率の符号が違い、かつ操舵トルクＴの変化率の大きさが所定値より大きく、かつモータ回転数が所定値より小さい場合
そして、操舵方向判定部１４２が切り増し方向と判定した場合には、操舵方向信号ＳＤによってスイッチ１４７の接点をａに切り換え、切り戻し方向と判定した場合には、操舵方向信号ＳＤによってスイッチ１４７の接点をｂに切り換える。
【００２４】
操舵補助指令値ＡＳは静的な操舵補助以外にモータ慣性補償値、収れん性制御値、制御の安定化のための指令値等を含み、動的な信号も含まれる。動的な信号を基に摩擦補償を行うと、振動等の操舵フィーリング上好ましくない場合もあるため、図８に示すように静的な操舵補助指令値に基づいて摩擦補償値を決定している。即ち、操舵トルクＴ及び操舵補助指令値演算部１００の出力を入力して摩擦補償値ＭＳを求める摩擦補償部１４０を設け、操舵補助指令値演算部１００の出力と摩擦補償値ＭＳとを加算器１０８で加算して位相補償部１０２に入力している。
【００２５】
【発明の効果】
本発明では、操舵の切り増しと切り戻しを判定して摩擦補償を行っているので、操舵補助力の大きさによらず摩擦補償の効果が変わらず、操舵フィーリングを著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる電動パワーステアリング装置の制御機能ブロック図である。
【図２】センタ応答改善部のブロック構成図である。
【図３】位相補償部の特性例を示す図である。
【図４】近似微分部の特性例を示す図である。
【図５】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６】本発明の一実施例を示すブロック構成図である。
【図７】本発明の摩擦補償部の一例を示すブロック図である。
【図８】本発明の他の実施例を示すブロック構成図である。
【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
１１０電流制御部
１１１電流ドライブ回路
１１２モータ
１２１モータ角加速度推定部・慣性補償部
１２２モータロストルク補償部
１２５収れん制御部
１４０摩擦補償部
１４１符号判定部
１４２操舵方向判定部
１４３摩擦補償値符号決定部
１４５摩擦補償値計算部（操舵切り増し時）
１４６摩擦補償値計算部（操舵切り戻し時）

Claims

操舵トルク検出手段からの操舵トルクに基いて操舵補助指令値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において、前記操舵トルク及び前記操舵補助指令値に基づいて前記モータから前記ステアリング機構に対する摩擦の補償を行う摩擦補償部を設け、前記摩擦補償部が前記操舵補助力に応じて摩擦補償を行う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。
操舵トルク検出手段からの操舵トルクに基いて操舵補助指令値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において、操舵の切り増し／切り戻しを判定する操舵方向判定手段と、前記操舵方向判定手段により得られる操舵方向及び前記操舵補助指令値に基づいて、前記モータから前記ステアリング機構に対する摩擦の摩擦補償値を演算する摩擦補償値演算手段とを具備し、前記摩擦補償値を前記操舵補助指令値に加算して新たな操舵補助指令値とし、前記新たな操舵補助指令値に基づいて前記モータを制御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。
前記操舵方向判定手段は、前記操舵トルクの符号と操舵トルク変化率の符号とが同一で、かつ前記操舵トルク変化率の絶対値が所定値以上のとき切り増しと判定し、モータ回転数が所定値より小さいときに、前記操舵トルクの符号と前記操舵トルク変化率の符号とが異符号で、かつ前記操舵トルク変化率の絶対値が所定値以上のときに切り戻しと判定する請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
前記摩擦補償値演算手段は、前記操舵トルクの符号と切り増し／切り戻しの判定とに基づいて前記摩擦補償値の符号を決定し、前記摩擦補償値の絶対値を前記操舵補助指令値の絶対値に基づいて決定するようになっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
前記摩擦補償値の絶対値を切り増し時と切り戻し時とで異なる計算とすると共に、前記操舵補助指令値の絶対値の１次関数で計算するようになっている請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。
前記摩擦補償値演算手段に使用する操舵補助指令値は、前記操舵トルクに基づいて静的に決定される静的操舵補助指令値である請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。