JP4192442B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents
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Description
【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、特に周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を行うことによりチューニングし易く、安全で快適な操舵性能が得られる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、電流指令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7に示して説明すると、操向ハンドル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、操向ハンドル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、操向ハンドル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と車速センサ12で検出された車速Vと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8のようになる。例えば位相補償器31は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、CPUで実行される位相補償機能を示している。
【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。
【0006】
このような電動パワーステアリング装置において、従来はロバスト安定化補償器により、システムの安定性と路面情報及び外乱情報の感度特性が同時に設計されるようになっている(例えば特開平8−290778号)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の制御装置では、ステアリング中立点付近の操舵時の反力が小さいため、摩擦の影響により、路面情報をドライバに正確に伝えることが困難である。また、従来の電動パワーステアリング装置では、操舵角と操舵力との間のヒステリシス特性を、油圧式パワーステアリング並みの特性にすることが困難である。
【0008】
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、周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を行うことにより、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能が得られる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。
【0009】
【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された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値に基いて、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、モータ回転角速度、モータ回転角加速度、操舵補助力及び操舵信号を入力してセルフアライニングトルクの推定を行うSATフィードバック部を設け、前記SATフィードバック部で求められたSAT値を、静特性ゲインが車速信号に感応して変化されるようになっていると共に、周波数特性を有しているフィードバックフィルタを通して前記操舵補助指令値にフィードバックすることによって達成される。
【0010】
また、本発明の上記目的は、前記フィードバックフィルタの動特性を、ドライバに伝えたい路面情報の周波数領域のゲインを大きくし、ドライバに伝えたくない路面情報の周波数領域のゲインを小さくするか又は遮断することによって、より効果的に達成される。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明では、セルフアライニングトルク(SAT)の推定を行うSAT推定フィードバック部を設け、SAT推定フィードバック部で推定されたSAT推定値を、フィードバックフィルタを通して電動パワーステアリング装置の操舵補助指令値にフィードバックしており、これにより周波数領域で路面情報及び外乱等に対する信号処理を行うことができる。SATを推定してフィードバックするSAT推定フィードバック部の代わりに、SATをセンサで測定してフィードバックするようなSAT測定フィードバック部としても良い。
【0012】
また、本発明では、フィードバックフィルタの静特性ゲインを車速信号に感応して変化させると共に、フィードバックフィルタの動特性を、ドライバに伝えたい路面情報の周波数領域のゲインを大きく、ドライバに伝えたくない路面情報の周波数領域のゲインを小さくするか、又は遮断するようにしている。これにより、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能が得られる。
【0013】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
【0014】
本発明では、図1に示すブロック制御系としている。即ち、ステアリング装置の補助操舵力を発生するモータ40はモータ駆動部41によって駆動され、モータ駆動部41は二点鎖線で示すコントロールユニット100で制御され、コントロールユニット100にはトルクセンサからのトルク信号Tr及び車速検出系からの車速信号Velが入力される。モータ40では、モータ端子間電圧Vm及びモータ電流値iが計測されて出力される。
【0015】
コントロールユニット100はトルク信号Trを用いて制御を行う破線で示すトルク系制御部50と、モータ40の駆動に関連した制御を行う一点鎖線で示すモータ系制御部60とで構成されている。トルク系制御部50はアシスト量演算部51、微分制御器52、ヨーレート収れん性制御部53、ロバスト安定化補償部54及びセルフアライニングトルク(SAT)推定フィードバック部55によって構成され、加算器56及び57、減算器58を具備している。また、モータ系制御部60は補償器61、外乱推定器62、モータ角速度推定部63、モータ角加速度推定部(微分器)64及びモータ特性補償部65で構成され、加算器66及び67を具備している。
【0016】
トルク信号Trはアシスト量演算部51、微分制御器52、ヨーレート収れん性制御部53及びSAT推定フィードバック部55に入力され、いずれも車速信号Velをパラメータ入力としている。アシスト量演算部51はトルク信号Trに基づいてアシストトルク量を演算し、ヨーレート収れん性制御部53はトルク信号Tr及びモータ角速度の推定値ωを入力とし、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いる。また、微分制御器52はステアリングの中立点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ようになっており、SAT推定フィードバック部55はトルク信号Trと、アシスト量演算部51の出力に微分制御器52の出力を加算器56で加算した信号と、モータ角速度推定部63で推定された角速度推定値ωと、モータ角加速度推定部64からの角加速度推定値*ωとを入力し、後述する式に従ってSATを推定し、推定したSATを後述するフィードバックフィルタ(70)を用いて信号処理し、ハンドルに適切な路面情報を反力として与えるようになっている。
【0017】
また、アシスト量演算部51の出力に微分制御器52の出力を加算器56で加算した信号に、ヨーレート収れん性制御部53の出力を加算器57で加算した信号をアシスト量AQとしてロバスト安定化補償部54に入力している。ロバスト安定化補償部54は特開平8−290778号公報に示されている補償部であり、検出トルクに含まれる慣性要素とばね要素で成る共振系の共振周波数におけるピーク値を除去し、制御系の応答性と安定性を阻害する共振周波数の位相のズレを補償するものである。ロバスト安定化補償部54の出力からSAT推定フィードバック部55の出力を減算器58で減算することで、路面情報を反力としてハンドルに伝えることができるアシスト量Iaが得られる。
【0018】
更に、モータ角速度推定部63はモータ端子間電圧Vm及びモータ電流値iに基づいてモータ角速度ωを推定するものであり、モータ角速度ωはモータ角加速度推定部64、ヨーレート収れん性制御部53及びSAT推定フィードバック部55に入力される。モータ角加速度推定部64では、入力されたモータ角速度ωに基づいてモータ角加速度を推定し、推定したモータ角加速度*ωはモータ特性補償部65に入力される。モータ特性補償部65の出力Icに、ロバスト安定化補償部58の出力からSAT推定フィードバック部55の出力を減算したアシスト量Iaが加算器66で加算され、その加算信号が電流指令値Irとして微分補償器等で成る補償器61に入力される。補償器61で補償された電流指令値Iraに外乱推定器62の出力を加算器67で加算した信号がモータ駆動部41及び外乱推定器62に入力される。外乱推定器62は特開平8−310417号公報で示されるような装置であり、モータ出力の制御目標である補償器61で補償された電流指令値Iraに外乱推定器62の出力を加算した信号と、モータ電流値iとに基づいて、制御系の出力基準における希望するモータ制御特性を維持することができ、制御系の安定性を失うことがないようにしている。
【0019】
ここで、路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を図2に示して説明する。ドライバがハンドルを操舵することによって操舵トルクThが発生し、その操舵トルクThに従ってモータ40がアシストトルクTmを発生する。その結果、車輪が転舵され、反力としてSATが発生する。また、その際、モータ40の慣性J及び摩擦(静摩擦)Frによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、下記(1)式のような運動方程式が得られる。
【0020】
J・*ω + Fr・sign(ω) + SAT = Tm + Th ・・・(1)
ここで、上記(1)式を初期値ゼロとしてラプラス変換し、SATについて解くと下記(2)式が得られる。
【0021】
SAT(s) = Tm(s) + Th(s) − J・*ω(s) − Fr・sign(ω(s)) ・・・(2)
上記(2)式から分るように、モータ40の慣性J及び静摩擦Frを定数として予め求めておくことで、モータ回転角速度ω、回転角加速度*ω、操舵補助力及び操舵信号よりSAT(セルフアライニングトルク)を推定することができる。かかる理由より、SAT推定フィードバック部55にはトルク信号Tr、角速度ω、角加速度*ω、アシスト量演算部51の出力がそれぞれ入力されている。
【0022】
また、SAT推定フィードバック部55で推定したSAT情報をそのままフィードバックした場合、ステアリングが重くなり過ぎるため、操舵感覚を向上することはできない。そこで、本発明では、図3のブロック図で示すように、車速感応ゲインと周波数特性を有するフィードバックフィルタ70を用いてSATの推定値を信号処理し、操舵感覚を向上するのに必要十分な情報のみをフィードバックする。ここで用いるフィードバックフィルタ70は静特性ゲインとして、推定したSATの大きさを必要十分な値に減少させるゲインを持つQフィルタと、図4に示すような車速に感応したゲインKを持ち、据え切りや低速走行といった路面情報の重要性が比較的低い場合には、フィードバックする路面情報を小さくしている。
【0023】
更に、フィードバックフィルタ70は図5又は図6に示す動特性を持ち、推定したSATを周波数領域で処理することができる。例えば図5のフィルタを用いた場合は、設定したSATをカットオフ周波数以上の情報は遮断されるが、図6のフィルタを用いた場合は、設定した周波数以上の情報を完全に遮断せずに、減衰させた情報として残すことができる。
【0024】
本発明は、コラム式及びピニオン式電動パワーステアリング装置に適用できることは勿論、ラックアシスト式電動パワーステアリング装置にも適用可能である。また、上述では、SATを推定してフィードバックするSAT推定フィードバック部を55を説明しているが、SATを直接センサで測定してフィードバックするような構成としても良い。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、セルフアライニングトルク(SAT)の推定を行うSAT推定フィードバック部を設け、このSAT推定フィードバック部で推定されたSAT推定値を、フィードバックフィルタを通して操舵補助指令値にフィードバックするようになっているので、周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理ができ、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能を得ることができる。
【0026】
また、フィードバックフィルタの静特性ゲインを車速信号に感応して変化させると共に、動特性を、ドライバに伝えたい路面情報の周波数領域のゲインを大きくし、ドライバに伝えたくない路面情報の周波数領域のゲインを小さくするか又は遮断するようにしているので、より安全で快適な操舵性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成を示すブロック図である。
【図2】路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を示す模式図である。
【図3】本発明のフィードバックフィルタの構成例を示すブロック図である。
【図4】フィードバックフィルタの特性例を示す図である。
【図5】フィードバックフィルタの特性例を示す図である。
【図6】フィードバックフィルタの特性例を示す図である。
【図7】一般的なパワーステアリング装置の構成例を示す図である。
【図8】コントロールユニットの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 操向ハンドル
5 ピニオンラック機構
20、40 モータ
30、100 コントロールユニット
41 モータ駆動部
50 トルク系制御部
51 アシスト量演算部
52 微分制御器
53 ヨーレート推定フィードバック部
54 ロバスト安定化補償部
55 SAT推定フィードバック部
60 モータ系制御部
61 補償部
62 外乱推定器
63 モータ角速度推定部
64 モータ角加速度推定部
65 モータ特性補償部
70 フィードバックフィルタ
Claims (2)
- 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された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値に基いて、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、モータ回転角速度、モータ回転角加速度、操舵補助力及び操舵信号を入力してセルフアライニングトルクの推定を行うSATフィードバック部を設け、前記SATフィードバック部で求められたSAT値を、静特性ゲインが車速信号に感応して変化されるようになっていると共に、周波数特性を有しているフィードバックフィルタを通して前記操舵補助指令値にフィードバック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。
- 前記フィードバックフィルタの動特性を、ドライバに伝えたい路面情報の周波数領域のゲインを大きくし、ドライバに伝えたくない路面情報の周波数領域のゲインを小さくするか又は遮断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。
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