JP4295426B2 - 電動パワーステアリング装置及びトルク推定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の駆動力をステアリング系に直接作用させてドライバの操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置及びトルク推定方法に関し、殊にドライバの真の操舵意志（ハンドルトルク）に基づいたアシストトルク（補助トルク）を追従性よく与えることができ、かつ外乱除去性にも優れた電動パワーステアリング装置及びドライバのハンドルトルクと路面反力トルクを含むステアリングトルクからハンドルトルクを推定するトルク推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の車両におけるエンジンの排気量拡大（車両の大型化）、ＡＢＳ（Anti Lock Break System）やエアバッグシステムなどの安全装備の搭載などによる車両重量の増加、そしてタイヤ性能の向上と幅広化などによって、ハンドル（ステアリングホイール）を操作する際に必要とされるドライバの操舵力が大きくなっている。このため、イージードライブ化を達成するための手段として、現在ではパワーステアリング装置がほぼ全ての車種に装備されるようになった。
パワーステアリング装置は、ドライバの操舵力をアシストする補助トルクを油圧により発生する油圧式パワーステアリング装置が主流である。しかし、この油圧式パワーステアリング装置は、複雑な油圧配管が必要なため、車両への搭載の自由度が低いという問題がある。また、油圧ポンプがエンジンにより駆動されるため、エンジン負荷の増加により燃費が悪くなるという問題がある。特に最近これらの点が、油圧式パワーステアリング装置における大きな問題点としてクローズアップされるようになった。
【０００３】
そこで、このような油圧式パワーステアリング装置における問題を解決するものとして、電動機が発生する補助トルクによりドライバの操舵をアシストする電動式パワーステアリング装置（電動パワーステアリング装置）が注目されている。電動パワーステアリング装置は、前記した油圧式パワーステアリング装置における欠点がないことに加え、油圧式のものに比べて高い制御自由度をもつ。したがって、電動機を高精度に制御することによって、油圧式パワーステアリング装置では実現し得ないような良好な操舵フィーリングを得ることも可能である。
【０００４】
次に、従来の電動パワーステアリング装置の構成及び制御を、図４及び図５を参照して説明する。
図４は、従来例の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。図５は、従来例の電動パワーステアリング装置における制御をモデル化したブロック図である。
【０００５】
図４に示すように電動パワーステアリング装置５１は、ラック軸５９と同軸上に配された電動機５８によって補助トルクを発生する。また、電動パワーステアリング装置５１は、ステアリング軸５４とピニオンギア５７ａの角度差を「捩じれトルク（反力トルク；Reaction torque）Ｔ」として検出する操舵トルクセンサＴＳを有する。
ここで、電動機５８とラック軸５９の機械的連結は、ボールねじ機構６１で実現され、これによって電動機５８が発生するトルク（補助トルク；Assist torque）をラック軸５９の軸力に変換するメカニズムになっている。そして、このラック軸５９における軸力は、ラック軸５９の端部のタイロッド６０，６０を介して前輪Ｗ，Ｗ（タイヤ）の回転トルク（転舵トルク）へと変換され、前輪Ｗ，Ｗが転舵される。ここで、前輪Ｗ，Ｗが転舵されるときは、路面の反力によって、前輪Ｗ，Ｗが操舵されるのを妨げる方向にトルクが発生する（路面反力トルク；Rack reaction torque）。
一方、ステアリング軸５４にはステアリングホイールたるハンドル５３が結合されており、ドライバは、意図するハンドル角になるように適切なハンドルトルク（Driver torque）をハンドル５３に加える。
【０００６】
ここで、操舵トルクセンサＴＳのみを弾性体と考えると、電動パワーステアリング装置５１は、ハンドル５３と電動機５８の２つの慣性をもつ２慣性系に近似でき、その両端にそれぞれドライバのハンドルトルク（Driver toque）と路面からの反力である路面反力トルク（Rack reaction torque）が加わるようなシステムと考えることができる。そして、電動パワーステアリング装置５１は、これら入力に対して前記した捩じれトルク（反力トルク）Ｔの信号を小さく押さえることが制御系の目的になる。
なお、電動機５８は、電動機駆動手段６３が生成する電動機駆動信号ＶMによりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動される。この電動機駆動信号ＶMは、操舵トルクセンサＴＳの検出値である反力トルク（ステアリングトルク）Ｔを入力した制御手段６２が、反力トルクＴに所定のゲインを乗じるなどして生成した電動機制御信号ＶOに基づいて生成されるものである。
【０００７】
次に、図５を参照して説明を続ける。
図５に示すように、電動パワーステアリング装置５１の制御系には、前記したハンドルトルクと路面反力トルクが入力される。この図５において、ステアリングダイナミクスＨ（ｓ）は、ハンドル５３に加えられるハンドルトルクからこのハンドル５３の回転角（ハンドル５３から操舵トルクセンサＴＳ）までの伝達特性（粘性項、慣性項、ばね項）である。また、ギアボックスダイナミクスＧ（ｓ）は、電動機５８に加えられる路面反力トルクからピニオンギア５７ａの回転角（電動機５８から操舵トルクセンサＴＳ）までの伝達特性（粘性項、慣性項、ばね項）である。ここで、図５におけるＫは、ハンドル５３の回転角とピニオンギア５７ａの回転角の差を反力トルクに変換する変換係数である（図４における操舵トルクセンサＴＳに相当する）。また、図５におけるＲは、反力トルクを補助トルクに変換する変換係数である（図４における電動機５８などに相当する）。
【０００８】
つまり、図４及び図５に示すような従来の電動パワーステアリング装置５１における制御では、操舵トルクセンサＴＳが検出する反力トルクＴのフィードバックのみで補助トルクを決定している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、操舵トルクセンサＴＳが検出する反力トルクＴの信号成分は、（１）ドライバのハンドルトルクに係るものと（２）路面反力トルクに係るものとに分けられる。そして、定常時は両方のトルクが釣り合うことによって保舵状態（ドライバがハンドル５３をある角度に維持する状態）が実現される。ところが、保舵中に路面反力トルクが印加された場合などは、前記した操舵トルクセンサＴＳの検出値では、ドライバが操舵をしているのか、あるいは路面反力トルクが印加されているのかの判断が困難である。
このため、本来であれば、ドライバの操舵（ハンドルトルク）に対応する補助トルクと路面反力トルクを抑制する補助トルクは独立に設定されるべきであるが、前記したとおり両トルクを区別することなく反力トルクＴに基づいて補助トルクを設定している。
【００１０】
また、かかる従来の電動パワーステアリング装置５１では、ドライバが操舵を開始するとき（操舵開始時点）にハンドル５３が重くなり、ドライバの操舵に対する補助トルクの追従性がよくないという問題がある。
【００１１】
前記した問題を、図５を参照して補足する（適宜図４参照）。
図５の制御の場合、補助トルクの発生比率Ｒを反力トルクＴに対するフィードバックゲインとすると、この図５の構成はレギュレータ系とみなせる。しかし、レギュレータ問題の場合、平衡点をゼロとして、いかにこの平衡点に収束させていくかという制御目標を設定するが、電動パワーステアリング装置５１の場合、完全なレギュレーションを行うと前記した保舵状態では、ドライバがハンドル５３に操舵力（ハンドルトルク）を加える必要がなくなってしまう（つまり補助トルクのみで操舵される）。自動操舵装置の場合は、このような制御を行うことになるが、パワーステアリング装置の場合は、あくまでもドライバのハンドルトルクを電動機５８が発生する補助トルクでアシストするシステムなので、完全なレギュレーションを行うことができないという特殊性がある。
一方、制御目標に相当する信号（反力トルク信号）が不明確であるので、電動パワーステアリング装置５１の制御系はトラッキング系にもなっていない。このように、電動パワーステアリング装置５１の制御構成は、通常のレギュレーション及びトラッキング構成として分類できない特殊な構成となっている。
【００１２】
なお、本願出願人による特開平８−２４４６３５号公報には、ハンドルの慣性トルクやハンドル軸の粘性トルクを補償してドライバの意図した操舵トルク（ハンドルトルク）に対応した操舵補助力（補助トルク）を発生させ、操舵フィーリングの改善を図る電動パワーステアリング装置が開示されている。この電動パワーステアリング装置は、ハンドルトルクを推定すると共に、フィードバック制御により補助トルクを発生するものである。この電動パワーステアリング装置によれば、ドライバの操舵意志に基づく補助トルクを発生させることができ、操舵フィーリングが向上する。しかし、この電動パワーステアリング装置は、ドライバの操舵に対する補助トルクの追従性において改良すべき課題を有する。また、ハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクの推定という点からもまだ改良すべき課題を有する。
【００１３】
そこで、本発明は、ドライバの真の操舵意志に基づいた補助トルクを、ドライバの操舵に対して追従性よく与えることができ、かつ外乱除去性に優れた電動パワーステアリング装置、及び電動パワーステアリング装置における制御の目標値を適切に推定することのできる電動パワーステアリング装置におけるトルク推定方法を提供することを主たる課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題に鑑み、ドライバの操舵（ハンドル操作）に基づくハンドルトルクに対する補助トルクの追従性と路面反力トルクの影響を抑制する外乱除去性、及び制御における目標信号について鋭意研究を行い、追従性はフィードフォワード制御で対応し、外乱の抑制はフィードバック制御で対応する２自由度構成とすることとし、また、制御の目標値はドライバのハンドルを操舵する際のハンドルトルクとすることで本発明を完成するに至った。
即ち、前記課題を解決した本発明のうち請求項１に記載の発明は、車両を操舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクをステアリング系を介して操舵輪に伝達すると共に、制御手段により制御される電動機の発生する補助トルクを前記ステアリング系に付加してなる電動パワーステアリング装置において、前記ステアリング系の途中に操舵トルクセンサを設けてステアリングトルクを検出すると共に、前記制御手段は前記ハンドルトルクに基づくフィードフォワード項と前記ハンドルトルクと前記ステアリングトルクの偏差に基づくフィードバック項の加算値にて前記補助トルクを決定する構成とした。
【００１５】
この構成によれば、電動機が発生する補助トルクは、ハンドルトルクを目標値とするものになる。なお、ハンドルトルクは、ハンドルに作用するドライバの操舵トルクであり、従来例における反力トルク（本願におけるステアリングトルク）とは異なる。このハンドルトルクにより、ドライバが操舵をしているのか、あるいは路面反力が印加されているのかを判断することができる。また、フィードフォワード制御により、電動パワーステアリング装置は、ドライバのハンドル操作に対する追従性の優れたものになる。加えて、フィードバック制御により、電動パワーステアリング装置は外乱除去性に優れたものになる。なお、ハンドルトルクとステアリングトルクの偏差は、路面状況の変化に対応した外乱トルク（路面反力トルク）に相当するものである。よって、この偏差に基づいてフィードバック制御（ポジティブ的なフィードバック制御）することにより、例えば、保舵時における安定性が向上する。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、前記ハンドルトルクを前記ステアリングトルクから推定する構成とした。
【００１７】
この構成によれば、一般的に使用されている操舵トルクセンサを１つ備えるだけでよい。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記フィードバック項に前記電動機の回転速度と前記ハンドルの回転速度の偏差に基づく項を加算する構成とした。
【００１９】
電動機の回転速度とハンドルの回転速度における偏差（ハンドルの回転角と電動機の回転角の差）の変化は、ハンドルトルクと路面反力トルクの変化のズレに対応して生じる。この構成によれば、路面反力トルクの変化に対して電動機の回転を抑制することが可能である。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明は、車両を操舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクをステアリング系を介して操舵輪に伝達すると共に、制御手段により制御される電動機の発生する補助トルクを前記ステアリング系に付加してなる電動パワーステアリング装置におけるトルク推定方法であり、（１）前記ハンドルトルク及び路面からの路面反力トルクの双方を含むステアリングトルクＴを検出するステップ、（２）前記ステアリングトルクＴを微分してステアリングトルク微分値を求めるステップ、（３）前記電動機の回転速度を検出するステップ、（４）下記の式から前記ハンドルトルクを推定するステップ、を含んでなる。
式 … ＫＴH∝Ｔ（ドット）＋ＫＮθM（ドット）
ここで、Ｋは前記ステアリング系におけるトーションバーばね定数、ＴHはハンドルトルク、Ｔ（ドット）はステアリングトルク微分値、Ｎは前記ハンドルの回転角度と前記電動機の回転角度の比、θM（ドット）は前記電動機の回転速度である。
【００２１】
これによれば、ステアリングトルク（反力トルク）と電動機の回転速度を検出するだけで、ドライバのハンドルトルクを推定することができる。なお、ステアリングトルク（反力トルク）は、電動パワーステアリング装置における一般的な操舵トルクセンサ（例えばステアリングギアボックス内に設けられたもの）により検出することができる。また、電動機の回転速度は、電動機における電動機電圧と電動機電流により求めることができる。なお、トーションバーばね定数Ｋ及びハンドルの回転角度と電動機の回転角度の比Ｎは、一定値である。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の電動パワーステアリング装置を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
先ず、電動パワーステアリング装置の構成を、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。図２は、図１の電動機駆動手段の回路図である。
【００２３】
図１に示すように、電動パワーステアリング装置１は、ドライバによるハンドル３の操舵時に、手動操舵力発生手段（ステアリング系）２によってマニュアルステアリングで前輪Ｗ，Ｗを転動させて車両の向きを変える。さらに、電動パワーステアリング装置１は、制御手段１２からの電動機制御信号ＶOに基づいて電動機駆動手段１３で電動機駆動信号ＶMを生成し、この電動機駆動信号ＶMで電動機８を駆動して補助操舵トルク（補助操舵力）を発生させ、手動操舵力発生手段２によるドライバの操舵力（ハンドルトルク）を軽減する。
【００２４】
手動操舵力発生手段２は、ハンドル３に一体に設けられたステアリング軸４に連結軸５を介してステアリング・ギアボックス６内に設けたラック＆ピニオン機構７のピニオンギア７ａが連結される。なお、連結軸５は、その両端に自在継手５ａ，５ｂを備える。ラック＆ピニオン機構７は、ピニオンギア７ａに噛み合うラック歯７ｂがラック軸９に形成され、ピニオンギア７ａとラック歯７ｂの噛み合いにより、ピニオンギア７ａの回転をラック軸９の横方向の往復運動とする。さらに、ラック軸９には、その両端にタイロッド１０，１０を介して、転動輪としての左右の前輪Ｗ，Ｗが連結される。
【００２５】
電動パワーステアリング装置１は、補助トルクを発生させるために、電動機８が、ラック軸９と同軸上に配設される。そして、電動機８の回転がラック軸９と同軸に設けられたボールねじ機構１１を介して推力に変換され、この推力をラック軸９（ボールねじ軸１１ａ）に作用させる。これにより、前輪Ｗ，Ｗが転舵される。なお、転舵の際には、路面反力トルクが前輪Ｗ，Ｗ及びタイロッド１０，１０を介してラック軸９に印加される。
【００２６】
制御手段１２には、操舵トルクセンサＴＳ及び電動機回転速度センサＮＳの検出信号Ｔ，θM（ドット）が入力される。そして、制御手段１２は、検出信号Ｔ，θM（ドット）に基づいてそれぞれ電動機制御信号ＶO（方向信号＋ＰＷＭ信号）を生成し、電動機駆動手段１３に出力する。
この制御手段１２の詳細については後記する。
【００２７】
電動機駆動手段１３は、制御手段１２が出力した電動機制御信号ＶOに基づいた電動機駆動信号ＶMを電動機８に供給し、電動機８を駆動する。電動機駆動手段１３は、例えば、図２に示すような４個のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）１３ａ1，１３ａ2，１３ａ3，１３ａ4のスイッチング素子からなるブリッジ回路１３ａ及びゲート駆動回路１３ｂで構成される。パワーＦＥＴ１３ａ1，１３ａ2，１３ａ3，１３ａ4の各ゲートＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に電動機制御信号ＶO（方向信号〔ＶON，ＶOFF〕＋ＰＷＭ信号〔ＶPWM〕）が入力されると、この電動機制御信号ＶOに基づいて電動機８に電動機駆動信号ＶMが供給される。これにより、電動機８には電動機電流が流れ、電動機８は電動機電流に比例した補助トルクを発生し、ドライバの操舵をアシストする。
【００２８】
操舵トルクセンサ（reaction torque sensor）ＴＳは、ステアリング・ギアボックス６内に配設され、ハンドル３に加えられるドライバのハンドルトルク（driver torque）に基づいてステアリング系２に発生するステアリングトルク（反力トルク；reaction torque）Ｔの大きさと方向を検出する（ステアリング軸４とピニオンギア７ａの角度差を「捩じれトルク（反力トルク）」として検出する）。そして、操舵トルクセンサＴＳは、捩じれトルクとして検出したステアリングトルクＴをデジタル信号として制御手段１２に送信する。
【００２９】
電動機回転速度センサＮＳは、電動機８に流れる電動機電流及び電動機８に印加される電動機電圧を検出する図示しない電動機電流検出手段及び電動機電圧検出手段、並びに電動機電流及び電動機電圧から電動機８の回転速度を演算する図示しない回転速度演算手段を含んで構成される。これらの手段は、公知のものを使用することができる。なお、回転速度演算手段は、後記する（１）式に基づいて電動機回転速度を求めるものである。
【００３０】
演算により求められた電動機回転速度θM（ドット）は、デジタル信号として制御手段１２に送信される。なお、電動機回転速度センサＮＳは、ラック軸９の移動速度を直接検出するセンサなどであってもよい。
【００３１】
次に、図３を参照して制御手段１２の構成を説明する。
図３は、電動パワーステアリング装置における制御手段を含む電気系統のブロック構成図である。
【００３２】
図３に示すように、制御手段１２は、信号変換手段２１、ハンドルトルク推定手段２２、フィードフォワード制御手段２３、偏差演算手段２４、フィードバック制御手段２５、加算手段２６、駆動制御手段２７を含んで構成される。なお、ハンドルトルク推定手段２２は、カルマンフィルタ２２ａを主たる構成要素とする。また、フィードフォワード制御手段２３は、乗算手段２３ａを主たる構成要素とする。さらに、フィードバック制御手段２５は、乗算手段２５ａ，２５ｂ及び加算手段２５ｃを主たる構成要素とする。
【００３３】
ここで、本発明における制御の原理、つまり電動機８が発生する補助トルクを求める手法を、式（１）〜式（１２）並びに図１及び図３を参照して説明する。
【００３４】
〔ハンドルトルク推定〕
ハンドル３に加えられるドライバのハンドルトルクを推定する手法について説明する。
ハンドルトルクを推定するに際して、得られる信号は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴ、並びに電動機８の電動機電圧及び電動機電流である。電動機電圧と電動機電流からは、次の（１）式により電動機回転速度θM（ドット）を求めることができる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
この（１）式において、θMは電動機回転角度、ＶMは電動機電圧、ＩMは電動機電流、ＲMは電動機抵抗（電機子の抵抗）、Ｋｅは逆起電圧係数（誘起電圧定数）である。ここで、（１）式におけるθMドットは電動機回転速度である。
なお、以下の説明において、変数の上にドット（・）が付いているものは、当該変数を微分したものであることを示す。つまり、θMドットは、電動機回転角度であるθMを微分（時間微分）したものである。同様に、以下の各説明において、変数の上にハット（＾）が付いているものは、当該変数は推定されたもの（推定値）であることを示す。また、変数の添字Ｈはハンドルを意味し、添字Ｍは電動機を意味する。
【００３７】
説明をドライバのハンドルトルクの推定に戻す。
次に、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴと前記のように求めた電動機回転速度θM（ドット）に基づき、ドライバのハンドルトルクＴHを、カルマンフィルタ２２ａを適用して推定する。つまり、ハンドルトルクＴHを推定値ＴH（ハット）として求める。
推定に際して、先ず推定問題の定式化を行う。操舵トルクセンサＴＳの検出信号であるステアリングトルクＴは、次の（２）式で与えられる。
【００３８】
【数２】
【００３９】
ここで、Ｋはトーションバーばね定数（トーションバーは操舵トルクセンサＴＳに相当する）、θHはハンドル角度（ハンドル３の切れ角）、Ｎはハンドル回転角度と電動機回転角度との比（図１におけるラック＆ピニオン機構７及びボールねじ機構１１の減速比を合成したもの）である。
（２）式を微分すると、次の（３）式が得られる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
続いて、（３）式を変形すると、次の（４）式が得られる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
この（４）式がカルマンフィルタ２２ａへの入力信号になる。
一方、ステアリング系２の運動方程式を考えると、次の（５）式が得られる。
【００４４】
【数５】
【００４５】
ここで、ωHはハンドル回転速度、ＪHはハンドル３の慣性係数、ＢHはハンドル回転軸回りの粘性摩擦係数、ＴHはハンドルトルク（真値）である。
この（５）式を変形すると、次の（６）式になる。
【００４６】
【数６】
【００４７】
この（６）式において、ハンドルトルクＴHをステップ的な信号と仮定すると、これを微分したＴH（ドット）は（７）式のとおり０である。
【００４８】
【数７】
【００４９】
ここで、ハンドルトルクＴHを状態変数と考えて、（６）式及び（７）式を状態空間表現で表すると、次の（８）式のようになる。
【００５０】
【数８】
【００５１】
また、（８）式とカルマンフィルタ２２ａへの入力信号を表す（４）式とから、次の（９）式が導き出される。
【００５２】
【数９】
【００５３】
したがって、θHドット（＝ωH）は観測（検出）できないため、Ｔ（ドット）＋ＫＮθM（ドット）を観測量（検出値）とし、ハンドル回転速度ωH，ハンドルトルクＴHを推定するカルマンフィルタ２２ａを設計することができる。また、このようにすることで、ドライバのハンドルトルクＴH及びハンドル回転速度ωHの推定を精度よく行うことができるようになる。
【００５４】
〔フィードフォワード制御〕
本実施形態においては、目標反力トルク信号として推定したドライバのハンドルトルクＴH（ハット）を用いるので、フィードフォワード制御は、この推定したハンドルトルクＴH（ハット）に所定のゲインＫfを乗じて補助トルクを発生させるようにする（次の（１０）式参照）。なお、Ｔaffは、フィードフォワードによる補助トルクである。また、ゲインＫfは、理論計算や実験などにより定められる。
【００５５】
【数１０】
【００５６】
〔フィードバック制御〕
フィードバック制御を行うに際して、ドライバのハンドルトルクＴHの変化及び路面反力トルクの変化に対して、電動パワーステアリング装置１が内部安定となる必要がある（外乱除去性）。この場合、着目すべき信号は、電動機回転速度θM（ドット）になる。つまり、この電動機回転速度θM（ドット）に制約を課すようなフィードバックループも必要になる。よって、本実施形態では、フィードバック制御は次の（１１）式に基づいて行う。ところで、制御の基本からいうと、（１１）式の右辺第２項は、請求項３で特定したようにＫs2（θH（ドット）−θM（ドット））とすべきであるが、本実施形態のようにθH（ドット）＝０と近似することにより、θM（ドット）のみで制御してもよい。なお、Ｔafbは、フィードバック制御による補助トルクである。Ｋs1及びＫs2は、理論計算や実験などにより定められる所定のゲインである（Ｋs1及びＫs2は外乱トルクを抑制する方向に定められる）。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
さらに、フィードフォワード制御とフィードバック制御を次の（１２）式のように統合すると、電動機８が発生すべき補助トルクＴａが求まる。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
つまり、ドライバのハンドルトルクＴHの変化（つまり操舵）に対しては、フィードフォワード制御で、路面反力トルクの変化（路面状況の変化など）に対しては、フィードバック制御で対応する。換言すると、ドライバの操舵（ハンドルトルクＴH）に対しては補助トルクＴａの追従性をよくし、路面反力の変化（外乱トルク）に対しては外乱除去性をよくする。
【００６１】
次に、前記した制御の原理を踏まえて、図３の制御手段１２を説明する。
なお、この制御手段１２は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴからハンドルトルクＴHを推定〔ＴH（ハット）〕し、これを電動機８が発生する補助トルクの目標信号とするものである。また、この制御手段１２は、基本的な補助トルクの設定をフィードフォワード制御で行い、路面反力トルクの変化（外乱トルク）に対する影響の低減をフィードバック制御で行うものである。また、図３における補助トルクＴａ，Ｔaff，Ｔafbはいずれも目標信号である。
【００６２】
制御手段１２は、操舵トルクセンサＴＳから送信されたデジタル信号であるステアリングトルクＴと電動機回転速度センサＮＳから送信されたデジタル信号である電動機回転速度θM（ドット）の入力ポートを有する。また、電動機制御信号ＶOを電動機駆動手段１３に出力する出力ポートを有する。
【００６３】
信号変換手段２１は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴを微分して微分値Ｔ（ドット）を、後段のハンドルトルク推定手段２２に送信する。ハンドルトルク推定手段２２は、微分値Ｔ（ドット）と電動機回転速度θM（ドット）を入力して、カルマンフィルタ２２ａで演算を行い、推定したハンドルトルクＴH（ハット）を求める。
なお、ハンドルトルク推定手段２２は、トーションバーばね定数Ｋやハンドル３の回転角度と電動機８の回転角度の比Ｎなどを、図示しないＲＯＭに記憶している。なお、トーションバーは、操舵トルクセンサＴＳに相当する。
【００６４】
フィードフォワード制御手段２３は、乗算手段２３ａで前記推定したハンドルトルクＴH（ハット）に所定のゲインＫfを乗じ、フィードフォワード制御による補助トルクＴaff（目標信号）を求める。
【００６５】
偏差演算手段２４は、推定したハンドルトルクＴH（ハット）からステアリングトルクＴを減算して偏差ＴH（ハット）−Ｔを求め、フィードバック制御手段２５に出力する。なお、推定したハンドルトルクＴH（ハット）からステアリングトルクＴを減算すると、路面反力トルクが求まることになる。
【００６６】
次に、フィードバック制御手段２５では、乗算手段２５ａで前記偏差ＴH（ハット）−Ｔに所定のゲインＫs1を乗じる。また、フィードバック制御手段２５は、乗算手段２５ｂで電動機回転速度θM（ドット）に所定のゲインＫs2を乗じる。加算手段２５ｃでは、乗算手段２５ａでの乗算結果と乗算手段２５ｂの乗算結果を加算し、フィードバックによる補助トルクＴafbを求める。ここで、フィードバック制御に電動機回転速度θＭ（ドット）を加味するのは、外乱トルク（路面反力トルク）に対して電動機８の動きを抑制するためである。
なお、この補助トルクＴafbは、Ｋs1〔ＴH（ハット）−Ｔ〕＋Ｋs2θM（ドット）である。
【００６７】
加算手段２６は、フィードフォワード制御による補助トルクＴaffとフィードバック制御による補助トルクＴafbを加算して、補助トルクＴa（目標信号）を求める。ここで、補助トルクＴaffは、追従性をよくする成分である。一方、補助トルクＴafbは、外乱除去性をよくする成分である。
【００６８】
駆動制御手段２７は、目標信号（電動機８が発生すべき補助トルクの目標値）である補助トルクＴａを入力して、その極性と大きさを加味して電動機制御信号ＶＯを生成する。この電動機制御信号ＶOは、方向信号とＰＷＭ信号から構成される。生成した、電動機制御信号ＶOは、制御手段１２が備える出力ポートから、電動機駆動手段１３に出力される。
【００６９】
駆動制御手段２７は、前記したように電動機制御信号ＶOに基づいて電動機駆動信号ＶMを生成し、電動機８をＰＷＭ駆動する。これにより、目標信号である補助トルクＴａに応じた実際の補助トルクを電動機８が発生する。
【００７０】
この構成の電動パワーステアリング装置１の動作を説明する。
ドライバがハンドル３を操作して操舵を開始した場合、急激な操舵であっても（操舵トルクセンサＴＳの検出値が急変しても）、フィードフォワード制御により、電動機８は、追従性よく補助トルクを発生することができる。このため、操舵開始時点にハンドル３が重いなどという従来における問題が解消される。
しかも、補助トルクの目標信号（Ｔａ）は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴではなく、ドライバによるハンドルトルクＴH（ハット）に基づくものである。
よって、電動機８は、ドライバの意志による操舵に迅速に追従した補助トルクを発生することができる。
【００７１】
また、路面状況の変化などで（路面反力トルクの変化が生じて）外乱トルクが入力された場合でも、推定したハンドルトルクＴH（ハット）と操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴの偏差（外乱トルクに相当する分）に所定のゲインＫs1を乗じてフィードバック制御（ポジティブ的なフィードバック制御）を行っているので、外乱トルクが入力されても安定に制御される（外乱除去性）。かつ、電動機回転速度θM（ドット）に対しても、同様のフイードバック制御を行っているので、外乱トルクに対して電動機８の回転が抑制され安定に制御される。
【００７２】
よって、保舵状態で路面反力トルクが変化しても、ドライバのハンドルトルクＴHを変化させることなく、保舵状態を維持することができる。
【００７３】
なお、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。
例えば、前記した実施形態では、フィードバック制御を電動機回転速度も加味して行ったが、電動機回転速度を加味しないで行うようにしてもよい。また、電動機回転速度とハンドルの回転速度の偏差を加味してフィードバック制御を行うようにしてもよい。なお、前記した実施形態では、電動機の回転速度とハンドルの回転速度の偏差を取らないものであったが（つまりハンドルの回転速度を０又は一定値に固定したものであったが）、ハンドルの回転速度を検出するセンサを備えて、電動機の回転速度とハンドルの回転速度の偏差に基づいてフィードバック制御を行うようにしてもよい。さらに、外乱除去性を向上することができるからである。
また、電動パワーステアリング装置について、ステアリングトルクを検出する操舵トルクセンサに加えて、ハンドルトルクを検出するハンドルトルクセンサを設ける構成としてもよい。
また、トルクの推定について、電動機の回転速度を検出するのではなく、ラック軸の移動速度を検出してハンドルトルクを推定する構成としてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明した本発明は、以下のような優れた効果を有する。
請求項１に記載の発明によれば、操舵時にドライバの真の操舵意志に基づいた補助トルクを、ドライバの操舵に対して追従性よく与えることができる。かつ、路面反力の変化などに対する外乱除去性が優れ、例えば保舵時に路面からの反力が変化してもドライバの保舵力（ハンドルトルク）に変化を生じさせることがない。よって、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングが向上する。
また、請求項２に記載の発明によれば、ハンドルトルクを推定するので、一般的に使用されている操舵トルクセンサを１つ備えるだけで、本発明の電動パワーステアリング装置を構成することができる。よって、電動パワーステアリング装置の製造が容易になると共に、製造コストを削減することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、路面反力トルクの変化に対して電動機の回転を抑制などすることが可能になるので、さらに外乱除去性を高めることができる。
また、請求項４に記載の発明によれば、電動パワーステアリング装置における一般的な構成で、車両を操舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクを精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施形態の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図２】 図１の電動機駆動手段の回路図である。
【図３】 図１の電動パワーステアリング装置における制御手段を含む電気系統のブロック構成図である。
【図４】 従来例の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図５】 従来例の電動パワーステアリング装置における制御をモデル化したブロック図である。
【符号の説明】
１ … 電動パワーステアリング装置
２ … ステアリング系（手動操舵力発生手段）
３ … ハンドル
８ … 電動機
１２ … 制御手段
ＴＳ … 操舵トルクセンサ
Ｔ … ステアリングトルク（操舵トルクセンサの検出値、反力トルク）
Ｔ（ドット） … ステアリングトルクの微分値
Ｔａ … 補助トルク
ＴH … ハンドルトルク
ＴH（ハット） … 推定したハンドルトルク
Ｗ … 前輪（操舵輪）
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の駆動力をステアリング系に直接作用させてドライバの操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置及びトルク推定方法に関し、殊にドライバの真の操舵意志（ハンドルトルク）に基づいたアシストトルク（補助トルク）を追従性よく与えることができ、かつ外乱除去性にも優れた電動パワーステアリング装置及びドライバのハンドルトルクと路面反力トルクを含むステアリングトルクからハンドルトルクを推定するトルク推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の車両におけるエンジンの排気量拡大（車両の大型化）、ＡＢＳ（Anti Lock Break System）やエアバッグシステムなどの安全装備の搭載などによる車両重量の増加、そしてタイヤ性能の向上と幅広化などによって、ハンドル（ステアリングホイール）を操作する際に必要とされるドライバの操舵力が大きくなっている。このため、イージードライブ化を達成するための手段として、現在ではパワーステアリング装置がほぼ全ての車種に装備されるようになった。
パワーステアリング装置は、ドライバの操舵力をアシストする補助トルクを油圧により発生する油圧式パワーステアリング装置が主流である。しかし、この油圧式パワーステアリング装置は、複雑な油圧配管が必要なため、車両への搭載の自由度が低いという問題がある。また、油圧ポンプがエンジンにより駆動されるため、エンジン負荷の増加により燃費が悪くなるという問題がある。特に最近これらの点が、油圧式パワーステアリング装置における大きな問題点としてクローズアップされるようになった。
【０００３】
そこで、このような油圧式パワーステアリング装置における問題を解決するものとして、電動機が発生する補助トルクによりドライバの操舵をアシストする電動式パワーステアリング装置（電動パワーステアリング装置）が注目されている。電動パワーステアリング装置は、前記した油圧式パワーステアリング装置における欠点がないことに加え、油圧式のものに比べて高い制御自由度をもつ。したがって、電動機を高精度に制御することによって、油圧式パワーステアリング装置では実現し得ないような良好な操舵フィーリングを得ることも可能である。
【０００４】
次に、従来の電動パワーステアリング装置の構成及び制御を、図４及び図５を参照して説明する。
図４は、従来例の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。図５は、従来例の電動パワーステアリング装置における制御をモデル化したブロック図である。
【０００５】
図４に示すように電動パワーステアリング装置５１は、ラック軸５９と同軸上に配された電動機５８によって補助トルクを発生する。また、電動パワーステアリング装置５１は、ステアリング軸５４とピニオンギア５７ａの角度差を「捩じれトルク（反力トルク；Reaction torque）Ｔ」として検出する操舵トルクセンサＴＳを有する。
ここで、電動機５８とラック軸５９の機械的連結は、ボールねじ機構６１で実現され、これによって電動機５８が発生するトルク（補助トルク；Assist torque）をラック軸５９の軸力に変換するメカニズムになっている。そして、このラック軸５９における軸力は、ラック軸５９の端部のタイロッド６０，６０を介して前輪Ｗ，Ｗ（タイヤ）の回転トルク（転舵トルク）へと変換され、前輪Ｗ，Ｗが転舵される。ここで、前輪Ｗ，Ｗが転舵されるときは、路面の反力によって、前輪Ｗ，Ｗが操舵されるのを妨げる方向にトルクが発生する（路面反力トルク；Rack reaction torque）。
一方、ステアリング軸５４にはステアリングホイールたるハンドル５３が結合されており、ドライバは、意図するハンドル角になるように適切なハンドルトルク（Driver torque）をハンドル５３に加える。
【０００６】
ここで、操舵トルクセンサＴＳのみを弾性体と考えると、電動パワーステアリング装置５１は、ハンドル５３と電動機５８の２つの慣性をもつ２慣性系に近似でき、その両端にそれぞれドライバのハンドルトルク（Driver toque）と路面からの反力である路面反力トルク（Rack reaction torque）が加わるようなシステムと考えることができる。そして、電動パワーステアリング装置５１は、これら入力に対して前記した捩じれトルク（反力トルク）Ｔの信号を小さく押さえることが制御系の目的になる。
なお、電動機５８は、電動機駆動手段６３が生成する電動機駆動信号ＶMによりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動される。この電動機駆動信号ＶMは、操舵トルクセンサＴＳの検出値である反力トルク（ステアリングトルク）Ｔを入力した制御手段６２が、反力トルクＴに所定のゲインを乗じるなどして生成した電動機制御信号ＶOに基づいて生成されるものである。
【０００７】
次に、図５を参照して説明を続ける。
図５に示すように、電動パワーステアリング装置５１の制御系には、前記したハンドルトルクと路面反力トルクが入力される。この図５において、ステアリングダイナミクスＨ（ｓ）は、ハンドル５３に加えられるハンドルトルクからこのハンドル５３の回転角（ハンドル５３から操舵トルクセンサＴＳ）までの伝達特性（粘性項、慣性項、ばね項）である。また、ギアボックスダイナミクスＧ（ｓ）は、電動機５８に加えられる路面反力トルクからピニオンギア５７ａの回転角（電動機５８から操舵トルクセンサＴＳ）までの伝達特性（粘性項、慣性項、ばね項）である。ここで、図５におけるＫは、ハンドル５３の回転角とピニオンギア５７ａの回転角の差を反力トルクに変換する変換係数である（図４における操舵トルクセンサＴＳに相当する）。また、図５におけるＲは、反力トルクを補助トルクに変換する変換係数である（図４における電動機５８などに相当する）。
【０００８】
つまり、図４及び図５に示すような従来の電動パワーステアリング装置５１における制御では、操舵トルクセンサＴＳが検出する反力トルクＴのフィードバックのみで補助トルクを決定している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、操舵トルクセンサＴＳが検出する反力トルクＴの信号成分は、（１）ドライバのハンドルトルクに係るものと（２）路面反力トルクに係るものとに分けられる。そして、定常時は両方のトルクが釣り合うことによって保舵状態（ドライバがハンドル５３をある角度に維持する状態）が実現される。ところが、保舵中に路面反力トルクが印加された場合などは、前記した操舵トルクセンサＴＳの検出値では、ドライバが操舵をしているのか、あるいは路面反力トルクが印加されているのかの判断が困難である。
このため、本来であれば、ドライバの操舵（ハンドルトルク）に対応する補助トルクと路面反力トルクを抑制する補助トルクは独立に設定されるべきであるが、前記したとおり両トルクを区別することなく反力トルクＴに基づいて補助トルクを設定している。
【００１０】
また、かかる従来の電動パワーステアリング装置５１では、ドライバが操舵を開始するとき（操舵開始時点）にハンドル５３が重くなり、ドライバの操舵に対する補助トルクの追従性がよくないという問題がある。
【００１１】
前記した問題を、図５を参照して補足する（適宜図４参照）。
図５の制御の場合、補助トルクの発生比率Ｒを反力トルクＴに対するフィードバックゲインとすると、この図５の構成はレギュレータ系とみなせる。しかし、レギュレータ問題の場合、平衡点をゼロとして、いかにこの平衡点に収束させていくかという制御目標を設定するが、電動パワーステアリング装置５１の場合、完全なレギュレーションを行うと前記した保舵状態では、ドライバがハンドル５３に操舵力（ハンドルトルク）を加える必要がなくなってしまう（つまり補助トルクのみで操舵される）。自動操舵装置の場合は、このような制御を行うことになるが、パワーステアリング装置の場合は、あくまでもドライバのハンドルトルクを電動機５８が発生する補助トルクでアシストするシステムなので、完全なレギュレーションを行うことができないという特殊性がある。
一方、制御目標に相当する信号（反力トルク信号）が不明確であるので、電動パワーステアリング装置５１の制御系はトラッキング系にもなっていない。このように、電動パワーステアリング装置５１の制御構成は、通常のレギュレーション及びトラッキング構成として分類できない特殊な構成となっている。
【００１２】
なお、本願出願人による特開平８−２４４６３５号公報には、ハンドルの慣性トルクやハンドル軸の粘性トルクを補償してドライバの意図した操舵トルク（ハンドルトルク）に対応した操舵補助力（補助トルク）を発生させ、操舵フィーリングの改善を図る電動パワーステアリング装置が開示されている。この電動パワーステアリング装置は、ハンドルトルクを推定すると共に、フィードバック制御により補助トルクを発生するものである。この電動パワーステアリング装置によれば、ドライバの操舵意志に基づく補助トルクを発生させることができ、操舵フィーリングが向上する。しかし、この電動パワーステアリング装置は、ドライバの操舵に対する補助トルクの追従性において改良すべき課題を有する。また、ハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクの推定という点からもまだ改良すべき課題を有する。
【００１３】
そこで、本発明は、ドライバの真の操舵意志に基づいた補助トルクを、ドライバの操舵に対して追従性よく与えることができ、かつ外乱除去性に優れた電動パワーステアリング装置、及び電動パワーステアリング装置における制御の目標値を適切に推定することのできる電動パワーステアリング装置におけるトルク推定方法を提供することを主たる課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題に鑑み、ドライバの操舵（ハンドル操作）に基づくハンドルトルクに対する補助トルクの追従性と路面反力トルクの影響を抑制する外乱除去性、及び制御における目標信号について鋭意研究を行い、追従性はフィードフォワード制御で対応し、外乱の抑制はフィードバック制御で対応する２自由度構成とすることとし、また、制御の目標値はドライバのハンドルを操舵する際のハンドルトルクとすることで本発明を完成するに至った。
即ち、前記課題を解決した本発明のうち請求項１に記載の発明は、車両を操舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクをステアリング系を介して操舵輪に伝達すると共に、制御手段により制御される電動機の発生する補助トルクを前記ステアリング系に付加してなる電動パワーステアリング装置において、前記ステアリング系の途中に操舵トルクセンサを設けてステアリングトルクを検出すると共に、前記制御手段は前記ハンドルトルクに基づくフィードフォワード項と前記ハンドルトルクと前記ステアリングトルクの偏差に基づくフィードバック項の加算値にて前記補助トルクを決定する構成とした。
【００１５】
この構成によれば、電動機が発生する補助トルクは、ハンドルトルクを目標値とするものになる。なお、ハンドルトルクは、ハンドルに作用するドライバの操舵トルクであり、従来例における反力トルク（本願におけるステアリングトルク）とは異なる。このハンドルトルクにより、ドライバが操舵をしているのか、あるいは路面反力が印加されているのかを判断することができる。また、フィードフォワード制御により、電動パワーステアリング装置は、ドライバのハンドル操作に対する追従性の優れたものになる。加えて、フィードバック制御により、電動パワーステアリング装置は外乱除去性に優れたものになる。なお、ハンドルトルクとステアリングトルクの偏差は、路面状況の変化に対応した外乱トルク（路面反力トルク）に相当するものである。よって、この偏差に基づいてフィードバック制御（ポジティブ的なフィードバック制御）することにより、例えば、保舵時における安定性が向上する。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、前記ハンドルトルクを前記ステアリングトルクから推定する構成とした。
【００１７】
この構成によれば、一般的に使用されている操舵トルクセンサを１つ備えるだけでよい。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記フィードバック項に前記電動機の回転速度と前記ハンドルの回転速度の偏差に基づく項を加算する構成とした。
【００１９】
電動機の回転速度とハンドルの回転速度における偏差（ハンドルの回転角と電動機の回転角の差）の変化は、ハンドルトルクと路面反力トルクの変化のズレに対応して生じる。この構成によれば、路面反力トルクの変化に対して電動機の回転を抑制することが可能である。
【００２０】
また、請求項４に記載の発明は、車両を操舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクをステアリング系を介して操舵輪に伝達すると共に、制御手段により制御される電動機の発生する補助トルクを前記ステアリング系に付加してなる電動パワーステアリング装置におけるトルク推定方法であり、（１）前記ハンドルトルク及び路面からの路面反力トルクの双方を含むステアリングトルクＴを検出するステップ、（２）前記ステアリングトルクＴを微分してステアリングトルク微分値を求めるステップ、（３）前記電動機の回転速度を検出するステップ、（４）下記の式から前記ハンドルトルクを推定するステップ、を含んでなる。
式 … ＫＴH∝Ｔ（ドット）＋ＫＮθM（ドット）
ここで、Ｋは前記ステアリング系におけるトーションバーばね定数、ＴHはハンドルトルク、Ｔ（ドット）はステアリングトルク微分値、Ｎは前記ハンドルの回転角度と前記電動機の回転角度の比、θM（ドット）は前記電動機の回転速度である。
【００２１】
これによれば、ステアリングトルク（反力トルク）と電動機の回転速度を検出するだけで、ドライバのハンドルトルクを推定することができる。なお、ステアリングトルク（反力トルク）は、電動パワーステアリング装置における一般的な操舵トルクセンサ（例えばステアリングギアボックス内に設けられたもの）により検出することができる。また、電動機の回転速度は、電動機における電動機電圧と電動機電流により求めることができる。なお、トーションバーばね定数Ｋ及びハンドルの回転角度と電動機の回転角度の比Ｎは、一定値である。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の電動パワーステアリング装置を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
先ず、電動パワーステアリング装置の構成を、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。図２は、図１の電動機駆動手段の回路図である。
【００２３】
図１に示すように、電動パワーステアリング装置１は、ドライバによるハンドル３の操舵時に、手動操舵力発生手段（ステアリング系）２によってマニュアルステアリングで前輪Ｗ，Ｗを転動させて車両の向きを変える。さらに、電動パワーステアリング装置１は、制御手段１２からの電動機制御信号ＶOに基づいて電動機駆動手段１３で電動機駆動信号ＶMを生成し、この電動機駆動信号ＶMで電動機８を駆動して補助操舵トルク（補助操舵力）を発生させ、手動操舵力発生手段２によるドライバの操舵力（ハンドルトルク）を軽減する。
【００２４】
手動操舵力発生手段２は、ハンドル３に一体に設けられたステアリング軸４に連結軸５を介してステアリング・ギアボックス６内に設けたラック＆ピニオン機構７のピニオンギア７ａが連結される。なお、連結軸５は、その両端に自在継手５ａ，５ｂを備える。ラック＆ピニオン機構７は、ピニオンギア７ａに噛み合うラック歯７ｂがラック軸９に形成され、ピニオンギア７ａとラック歯７ｂの噛み合いにより、ピニオンギア７ａの回転をラック軸９の横方向の往復運動とする。さらに、ラック軸９には、その両端にタイロッド１０，１０を介して、転動輪としての左右の前輪Ｗ，Ｗが連結される。
【００２５】
電動パワーステアリング装置１は、補助トルクを発生させるために、電動機８が、ラック軸９と同軸上に配設される。そして、電動機８の回転がラック軸９と同軸に設けられたボールねじ機構１１を介して推力に変換され、この推力をラック軸９（ボールねじ軸１１ａ）に作用させる。これにより、前輪Ｗ，Ｗが転舵される。なお、転舵の際には、路面反力トルクが前輪Ｗ，Ｗ及びタイロッド１０，１０を介してラック軸９に印加される。
【００２６】
制御手段１２には、操舵トルクセンサＴＳ及び電動機回転速度センサＮＳの検出信号Ｔ，θM（ドット）が入力される。そして、制御手段１２は、検出信号Ｔ，θM（ドット）に基づいてそれぞれ電動機制御信号ＶO（方向信号＋ＰＷＭ信号）を生成し、電動機駆動手段１３に出力する。
この制御手段１２の詳細については後記する。
【００２７】
電動機駆動手段１３は、制御手段１２が出力した電動機制御信号ＶOに基づいた電動機駆動信号ＶMを電動機８に供給し、電動機８を駆動する。電動機駆動手段１３は、例えば、図２に示すような４個のＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）１３ａ1，１３ａ2，１３ａ3，１３ａ4のスイッチング素子からなるブリッジ回路１３ａ及びゲート駆動回路１３ｂで構成される。パワーＦＥＴ１３ａ1，１３ａ2，１３ａ3，１３ａ4の各ゲートＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に電動機制御信号ＶO（方向信号〔ＶON，ＶOFF〕＋ＰＷＭ信号〔ＶPWM〕）が入力されると、この電動機制御信号ＶOに基づいて電動機８に電動機駆動信号ＶMが供給される。これにより、電動機８には電動機電流が流れ、電動機８は電動機電流に比例した補助トルクを発生し、ドライバの操舵をアシストする。
【００２８】
操舵トルクセンサ（reaction torque sensor）ＴＳは、ステアリング・ギアボックス６内に配設され、ハンドル３に加えられるドライバのハンドルトルク（driver torque）に基づいてステアリング系２に発生するステアリングトルク（反力トルク；reaction torque）Ｔの大きさと方向を検出する（ステアリング軸４とピニオンギア７ａの角度差を「捩じれトルク（反力トルク）」として検出する）。そして、操舵トルクセンサＴＳは、捩じれトルクとして検出したステアリングトルクＴをデジタル信号として制御手段１２に送信する。
【００２９】
電動機回転速度センサＮＳは、電動機８に流れる電動機電流及び電動機８に印加される電動機電圧を検出する図示しない電動機電流検出手段及び電動機電圧検出手段、並びに電動機電流及び電動機電圧から電動機８の回転速度を演算する図示しない回転速度演算手段を含んで構成される。これらの手段は、公知のものを使用することができる。なお、回転速度演算手段は、後記する（１）式に基づいて電動機回転速度を求めるものである。
【００３０】
演算により求められた電動機回転速度θM（ドット）は、デジタル信号として制御手段１２に送信される。なお、電動機回転速度センサＮＳは、ラック軸９の移動速度を直接検出するセンサなどであってもよい。
【００３１】
次に、図３を参照して制御手段１２の構成を説明する。
図３は、電動パワーステアリング装置における制御手段を含む電気系統のブロック構成図である。
【００３２】
図３に示すように、制御手段１２は、信号変換手段２１、ハンドルトルク推定手段２２、フィードフォワード制御手段２３、偏差演算手段２４、フィードバック制御手段２５、加算手段２６、駆動制御手段２７を含んで構成される。なお、ハンドルトルク推定手段２２は、カルマンフィルタ２２ａを主たる構成要素とする。また、フィードフォワード制御手段２３は、乗算手段２３ａを主たる構成要素とする。さらに、フィードバック制御手段２５は、乗算手段２５ａ，２５ｂ及び加算手段２５ｃを主たる構成要素とする。
【００３３】
ここで、本発明における制御の原理、つまり電動機８が発生する補助トルクを求める手法を、式（１）〜式（１２）並びに図１及び図３を参照して説明する。
【００３４】
〔ハンドルトルク推定〕
ハンドル３に加えられるドライバのハンドルトルクを推定する手法について説明する。
ハンドルトルクを推定するに際して、得られる信号は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴ、並びに電動機８の電動機電圧及び電動機電流である。電動機電圧と電動機電流からは、次の（１）式により電動機回転速度θM（ドット）を求めることができる。
【００３５】
【数１】
この（１）式において、θMは電動機回転角度、ＶMは電動機電圧、ＩMは電動機電流、ＲMは電動機抵抗（電機子の抵抗）、Ｋｅは逆起電圧係数（誘起電圧定数）である。ここで、（１）式におけるθMドットは電動機回転速度である。
なお、以下の説明において、変数の上にドット（・）が付いているものは、当該変数を微分したものであることを示す。つまり、θMドットは、電動機回転角度であるθMを微分（時間微分）したものである。同様に、以下の各説明において、変数の上にハット（＾）が付いているものは、当該変数は推定されたもの（推定値）であることを示す。また、変数の添字Ｈはハンドルを意味し、添字Ｍは電動機を意味する。
【００３７】
説明をドライバのハンドルトルクの推定に戻す。
次に、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴと前記のように求めた電動機回転速度θM（ドット）に基づき、ドライバのハンドルトルクＴHを、カルマンフィルタ２２ａを適用して推定する。つまり、ハンドルトルクＴHを推定値ＴH（ハット）として求める。
推定に際して、先ず推定問題の定式化を行う。操舵トルクセンサＴＳの検出信号であるステアリングトルクＴは、次の（２）式で与えられる。
【００３８】
【数２】
ここで、Ｋはトーションバーばね定数（トーションバーは操舵トルクセンサＴＳに相当する）、θHはハンドル角度（ハンドル３の切れ角）、Ｎはハンドル回転角度と電動機回転角度との比（図１におけるラック＆ピニオン機構７及びボールねじ機構１１の減速比を合成したもの）である。
（２）式を微分すると、次の（３）式が得られる。
【００４０】
【数３】
続いて、（３）式を変形すると、次の（４）式が得られる。
【００４２】
【数４】
この（４）式がカルマンフィルタ２２ａへの入力信号になる。
一方、ステアリング系２の運動方程式を考えると、次の（５）式が得られる。
【００４４】
【数５】
ここで、ωHはハンドル回転速度、ＪHはハンドル３の慣性係数、ＢHはハンドル回転軸回りの粘性摩擦係数、ＴHはハンドルトルク（真値）である。
この（５）式を変形すると、次の（６）式になる。
【００４６】
【数６】
この（６）式において、ハンドルトルクＴHをステップ的な信号と仮定すると、これを微分したＴH（ドット）は（７）式のとおり０である。
【００４８】
【数７】
ここで、ハンドルトルクＴHを状態変数と考えて、（６）式及び（７）式を状態空間表現で表すると、次の（８）式のようになる。
【００５０】
【数８】
また、（８）式とカルマンフィルタ２２ａへの入力信号を表す（４）式とから、次の（９）式が導き出される。
【００５２】
【数９】
したがって、θHドット（＝ωH）は観測（検出）できないため、Ｔ（ドット）＋ＫＮθM（ドット）を観測量（検出値）とし、ハンドル回転速度ωH，ハンドルトルクＴHを推定するカルマンフィルタ２２ａを設計することができる。また、このようにすることで、ドライバのハンドルトルクＴH及びハンドル回転速度ωHの推定を精度よく行うことができるようになる。
【００５４】
〔フィードフォワード制御〕
本実施形態においては、目標反力トルク信号として推定したドライバのハンドルトルクＴH（ハット）を用いるので、フィードフォワード制御は、この推定したハンドルトルクＴH（ハット）に所定のゲインＫfを乗じて補助トルクを発生させるようにする（次の（１０）式参照）。なお、Ｔaffは、フィードフォワードによる補助トルクである。また、ゲインＫfは、理論計算や実験などにより定められる。
【００５５】
【数１０】
〔フィードバック制御〕
フィードバック制御を行うに際して、ドライバのハンドルトルクＴHの変化及び路面反力トルクの変化に対して、電動パワーステアリング装置１が内部安定となる必要がある（外乱除去性）。この場合、着目すべき信号は、電動機回転速度θM（ドット）になる。つまり、この電動機回転速度θM（ドット）に制約を課すようなフィードバックループも必要になる。よって、本実施形態では、フィードバック制御は次の（１１）式に基づいて行う。ところで、制御の基本からいうと、（１１）式の右辺第２項は、請求項３で特定したようにＫs2（θH（ドット）−θM（ドット））とすべきであるが、本実施形態のようにθH（ドット）＝０と近似することにより、θM（ドット）のみで制御してもよい。なお、Ｔafbは、フィードバック制御による補助トルクである。Ｋs1及びＫs2は、理論計算や実験などにより定められる所定のゲインである（Ｋs1及びＫs2は外乱トルクを抑制する方向に定められる）。
【００５７】
【数１１】
さらに、フィードフォワード制御とフィードバック制御を次の（１２）式のように統合すると、電動機８が発生すべき補助トルクＴａが求まる。
【００５９】
【数１２】
つまり、ドライバのハンドルトルクＴHの変化（つまり操舵）に対しては、フィードフォワード制御で、路面反力トルクの変化（路面状況の変化など）に対しては、フィードバック制御で対応する。換言すると、ドライバの操舵（ハンドルトルクＴH）に対しては補助トルクＴａの追従性をよくし、路面反力の変化（外乱トルク）に対しては外乱除去性をよくする。
【００６１】
次に、前記した制御の原理を踏まえて、図３の制御手段１２を説明する。
なお、この制御手段１２は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴからハンドルトルクＴHを推定〔ＴH（ハット）〕し、これを電動機８が発生する補助トルクの目標信号とするものである。また、この制御手段１２は、基本的な補助トルクの設定をフィードフォワード制御で行い、路面反力トルクの変化（外乱トルク）に対する影響の低減をフィードバック制御で行うものである。また、図３における補助トルクＴａ，Ｔaff，Ｔafbはいずれも目標信号である。
【００６２】
制御手段１２は、操舵トルクセンサＴＳから送信されたデジタル信号であるステアリングトルクＴと電動機回転速度センサＮＳから送信されたデジタル信号である電動機回転速度θM（ドット）の入力ポートを有する。また、電動機制御信号ＶOを電動機駆動手段１３に出力する出力ポートを有する。
【００６３】
信号変換手段２１は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴを微分して微分値Ｔ（ドット）を、後段のハンドルトルク推定手段２２に送信する。ハンドルトルク推定手段２２は、微分値Ｔ（ドット）と電動機回転速度θM（ドット）を入力して、カルマンフィルタ２２ａで演算を行い、推定したハンドルトルクＴH（ハット）を求める。
なお、ハンドルトルク推定手段２２は、トーションバーばね定数Ｋやハンドル３の回転角度と電動機８の回転角度の比Ｎなどを、図示しないＲＯＭに記憶している。なお、トーションバーは、操舵トルクセンサＴＳに相当する。
【００６４】
フィードフォワード制御手段２３は、乗算手段２３ａで前記推定したハンドルトルクＴH（ハット）に所定のゲインＫfを乗じ、フィードフォワード制御による補助トルクＴaff（目標信号）を求める。
【００６５】
偏差演算手段２４は、推定したハンドルトルクＴH（ハット）からステアリングトルクＴを減算して偏差ＴH（ハット）−Ｔを求め、フィードバック制御手段２５に出力する。なお、推定したハンドルトルクＴH（ハット）からステアリングトルクＴを減算すると、路面反力トルクが求まることになる。
【００６６】
次に、フィードバック制御手段２５では、乗算手段２５ａで前記偏差ＴH（ハット）−Ｔに所定のゲインＫs1を乗じる。また、フィードバック制御手段２５は、乗算手段２５ｂで電動機回転速度θM（ドット）に所定のゲインＫs2を乗じる。加算手段２５ｃでは、乗算手段２５ａでの乗算結果と乗算手段２５ｂの乗算結果を加算し、フィードバックによる補助トルクＴafbを求める。ここで、フィードバック制御に電動機回転速度θＭ（ドット）を加味するのは、外乱トルク（路面反力トルク）に対して電動機８の動きを抑制するためである。
なお、この補助トルクＴafbは、Ｋs1〔ＴH（ハット）−Ｔ〕＋Ｋs2θM（ドット）である。
【００６７】
加算手段２６は、フィードフォワード制御による補助トルクＴaffとフィードバック制御による補助トルクＴafbを加算して、補助トルクＴa（目標信号）を求める。ここで、補助トルクＴaffは、追従性をよくする成分である。一方、補助トルクＴafbは、外乱除去性をよくする成分である。
【００６８】
駆動制御手段２７は、目標信号（電動機８が発生すべき補助トルクの目標値）である補助トルクＴａを入力して、その極性と大きさを加味して電動機制御信号ＶＯを生成する。この電動機制御信号ＶOは、方向信号とＰＷＭ信号から構成される。生成した、電動機制御信号ＶOは、制御手段１２が備える出力ポートから、電動機駆動手段１３に出力される。
【００６９】
駆動制御手段２７は、前記したように電動機制御信号ＶOに基づいて電動機駆動信号ＶMを生成し、電動機８をＰＷＭ駆動する。これにより、目標信号である補助トルクＴａに応じた実際の補助トルクを電動機８が発生する。
【００７０】
この構成の電動パワーステアリング装置１の動作を説明する。
ドライバがハンドル３を操作して操舵を開始した場合、急激な操舵であっても（操舵トルクセンサＴＳの検出値が急変しても）、フィードフォワード制御により、電動機８は、追従性よく補助トルクを発生することができる。このため、操舵開始時点にハンドル３が重いなどという従来における問題が解消される。
しかも、補助トルクの目標信号（Ｔａ）は、操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴではなく、ドライバによるハンドルトルクＴH（ハット）に基づくものである。
よって、電動機８は、ドライバの意志による操舵に迅速に追従した補助トルクを発生することができる。
【００７１】
また、路面状況の変化などで（路面反力トルクの変化が生じて）外乱トルクが入力された場合でも、推定したハンドルトルクＴH（ハット）と操舵トルクセンサＴＳが検出したステアリングトルクＴの偏差（外乱トルクに相当する分）に所定のゲインＫs1を乗じてフィードバック制御（ポジティブ的なフィードバック制御）を行っているので、外乱トルクが入力されても安定に制御される（外乱除去性）。かつ、電動機回転速度θM（ドット）に対しても、同様のフイードバック制御を行っているので、外乱トルクに対して電動機８の回転が抑制され安定に制御される。
【００７２】
よって、保舵状態で路面反力トルクが変化しても、ドライバのハンドルトルクＴHを変化させることなく、保舵状態を維持することができる。
【００７３】
なお、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。
例えば、前記した実施形態では、フィードバック制御を電動機回転速度も加味して行ったが、電動機回転速度を加味しないで行うようにしてもよい。また、電動機回転速度とハンドルの回転速度の偏差を加味してフィードバック制御を行うようにしてもよい。なお、前記した実施形態では、電動機の回転速度とハンドルの回転速度の偏差を取らないものであったが（つまりハンドルの回転速度を０又は一定値に固定したものであったが）、ハンドルの回転速度を検出するセンサを備えて、電動機の回転速度とハンドルの回転速度の偏差に基づいてフィードバック制御を行うようにしてもよい。さらに、外乱除去性を向上することができるからである。
また、電動パワーステアリング装置について、ステアリングトルクを検出する操舵トルクセンサに加えて、ハンドルトルクを検出するハンドルトルクセンサを設ける構成としてもよい。
また、トルクの推定について、電動機の回転速度を検出するのではなく、ラック軸の移動速度を検出してハンドルトルクを推定する構成としてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明した本発明は、以下のような優れた効果を有する。
請求項１に記載の発明によれば、操舵時にドライバの真の操舵意志に基づいた補助トルクを、ドライバの操舵に対して追従性よく与えることができる。かつ、路面反力の変化などに対する外乱除去性が優れ、例えば保舵時に路面からの反力が変化してもドライバの保舵力（ハンドルトルク）に変化を生じさせることがない。よって、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングが向上する。
また、請求項２に記載の発明によれば、ハンドルトルクを推定するので、一般的に使用されている操舵トルクセンサを１つ備えるだけで、本発明の電動パワーステアリング装置を構成することができる。よって、電動パワーステアリング装置の製造が容易になると共に、製造コストを削減することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、路面反力トルクの変化に対して電動機の回転を抑制などすることが可能になるので、さらに外乱除去性を高めることができる。
また、請求項４に記載の発明によれば、電動パワーステアリング装置における一般的な構成で、車両を操舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクを精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施形態の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図２】 図１の電動機駆動手段の回路図である。
【図３】 図１の電動パワーステアリング装置における制御手段を含む電気系統のブロック構成図である。
【図４】 従来例の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図５】 従来例の電動パワーステアリング装置における制御をモデル化したブロック図である。
【符号の説明】
１ … 電動パワーステアリング装置
２ … ステアリング系（手動操舵力発生手段）
３ … ハンドル
８ … 電動機
１２ … 制御手段
ＴＳ … 操舵トルクセンサ
Ｔ … ステアリングトルク（操舵トルクセンサの検出値、反力トルク）
Ｔ（ドット） … ステアリングトルクの微分値
Ｔａ … 補助トルク
ＴH … ハンドルトルク
ＴH（ハット） … 推定したハンドルトルク
Ｗ … 前輪（操舵輪）
Claims (4)
- 車両を操舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクをステアリング系を介して操舵輪に伝達すると共に、制御手段により制御される電動機の発生する補助トルクを前記ステアリング系に付加してなる電動パワーステアリング装置において、
前記ステアリング系の途中に操舵トルクセンサを設けてステアリングトルクを検出すると共に、前記制御手段は前記ハンドルトルクに基づくフィードフォワード項と前記ハンドルトルクと前記ステアリングトルクの偏差に基づくフィードバック項の加算値にて前記補助トルクを決定する構成を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。 - 前記ハンドルトルクを前記ステアリングトルクから推定する構成を有することを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記フィードバック項に前記電動機の回転速度と前記ハンドルの回転速度の偏差に基づく項を加算する構成を有することを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
- 車両を操舵するハンドルに加えられるドライバのハンドルトルクをステアリング系を介して操舵輪に伝達すると共に、制御手段により制御される電動機の発生する補助トルクを前記ステアリング系に付加してなる電動パワーステアリング装置におけるトルク推定方法であって、
前記ハンドルトルク及び路面からの路面反力トルクの双方を含むステアリングトルクを検出するステップ、
前記ステアリングトルクを微分してステアリングトルク微分値を求めるステップ、
前記電動機の回転速度を検出するステップ、
下記の式から前記ハンドルトルクを推定するステップ、
を含んでなる電動パワーステアリング装置におけるトルク推定方法。
式 … ＫＴH∝Ｔ（ドット）＋ＫＮθM（ドット）
ここで、Ｋは前記ステアリング系におけるトーションバーばね定数、ＴHはハンドルトルク、Ｔ（ドット）はステアリングトルク微分値、Ｎは前記ハンドルの回転角度と前記電動機の回転角度の比、θM（ドット）は前記電動機の回転速度である。
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