JP4356456B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Description

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する。

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。

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８に示して説明すると、操向ハンドル１のコラム軸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。コラム軸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を介してコラム軸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及びリレー１３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。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵも含む）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９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。

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の出力と共に、比例演算器３５及び積分演算器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の電流ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、減算器３０Ａにフィードバックされる。

このような電動パワーステアリング装置において、従来制御装置の停止時にアシストが急になくなり、操舵フィーリングが低下し、運転者に違和感を与えるといった問題があり、アシスト力を徐々に減少させ、その後停止することで違和感を解消させていた。

図１０はかかる従来のアシスト動作の様子を示しており、電源電圧が予め設定されている動作限界電圧Ｖ_１０に達すると、直ちにアシストを停止するようにしている。
特許第３３２８５９５号

従来、電動パワーステアリングを停止する時にアシストが急になくなり、ハンドルが重くなるために発生する違和感を防止するために、時間と共に徐々にアシストを制限することが行われて来た。また、このようなフィーリングの低下による違和感の防止処理を行う場合にも、極端に車両の電源電圧が変動すると、通常の制御を行うことができない（制御装置を破壊してしまうような高電圧、アシストを継続できないような低電圧）状況が発生するので、極端な電源電圧の低下又は上昇時には、制御装置を停止させなければならない。

これら２つの問題の解決法として、通常のアシスト動作範囲の外側に第１の判定値を設定し、電源電圧がこの判定値を超えた時に、先ず徐々にアシストを制限する処理を行う。そして、その外側に更に第２の判定値を設定しておき、電源電圧が第１の判定値を超え、更に第２の判定値を超えた場合には、アシスト系の制御装置を停止するような処理を行っている（特許文献１）。

図１１はその構成例を示しており、操舵トルク検出手段４０の検出信号が操舵トルク入力補正手段４１に入力され、補正された操舵トルク信号がモータ制御信号発生手段４２に入力され、電源（バッテリ）電圧を検出するバッテリ電圧検出手段４４の検出信号がアシスト低減開始電圧範囲検出手段４５及びアシスト停止電圧範囲検出手段４７に入力されている。アシスト低減開始電圧範囲検出手段４５の出力はアシスト低減ゲイン設定検出手段４６を経て操舵トルク入力補正手段４１に入力され、アシスト停止電圧範囲検出手段４７の停止信号はモータ制御信号発生手段４２に入力され、モータはモータ駆動手段４３を介して駆動される。また、モータ駆動回路３７は、一般的にＦＥＴのブリッジ回路で構成される。

このような構成において、アシスト低減開始電圧範囲検出手段４５には図１２（Ａ）に示す第１の判定値としての低減開始電圧Ｖ_１１が設定されており、アシスト低減ゲイン設定検出手段４６には図１２（Ｂ）に示す傾斜（ゲイン）が設定されており、アシスト停止電圧範囲検出手段４７には図１２（Ａ）に示す第２の判定値としての動作限界電圧Ｖ_１２が設定されている。電源電圧はバッテリ電圧検出手段４４で常時検出されており、図１２（Ａ）に示すように電源電圧が低下して低減開始電圧Ｖ_１１になると（時点Ｔ_１）、アシスト低減開始電圧範囲検出手段４５がこれを検出し、その検出信号をアシスト低減ゲイン設定検出手段４６に入力する。これによりアシスト低減ゲイン設定検出手段４６は図１２（Ｂ）の時点Ｔ_１〜Ｔ_２について操舵トルク入力補正手段４１でゲイン補正を行い、この補正された操舵トルク信号がモータ制御信号発生手段４２に入力される。また、その後電源電圧が動作限界電圧Ｖ_１２になると（時点Ｔ_２）、これがアシスト停止電圧範囲検出手段４７によって検出され、停止信号がモータ制御信号発生手段４２に入力されることによって、時点Ｔ_２以降アシストが停止される。

電動パワーステアリングの停止時にアシストが急になくなり、ハンドルが重くなるために発生する違和感、ハンドル取られを防止するために、時間と共に徐々にアシストを制限する処理が行われている。また、このような違和感の防止処理を行う場合にも、極端に車両の電源電圧が低下すると、通常の制御を行うことができない（アシストを継続できないような低電圧）状況が発生するので、極端な電圧の低下時には制御装置を直ちに停止させなければならない。

このような２つの問題の解決策として、通常動作範囲（例えば１８Ｖ＞電源電圧＞９Ｖ）の外側に第１基準電圧値（例えば８．５Ｖ）を持ち、この値を超える場合に先ず徐々にアシストを制限する処理を行い、その外側の第１基準電圧値を超える第２基準電圧値（例えば７．５Ｖ）を超える場合にはアシストを０にし、制御装置を停止する処理が行われていた。

しかしながら、自動車の電源は変動幅が大きく、また不特定であるので、第１基準電圧値及び第２基準電圧値共に値の最適化が難しい。第１基準電圧値の有する意味は次の通りである。第１基準電圧値を超えるまでは何の制限もなく、１００％のアシスト性能を発揮しなければならないが、第１基準電圧値を超えた場合には数秒以内にアシストを停止しなければならない。１００％のアシスト性能とアシスト停止処理の境界値を決めることは、容易なことではない。第２基準電圧値も同様に、第２基準電圧値を超えるまでは数秒以内にアシストを停止すれば良いが、第２基準電圧値を超えると直ちにアシストを停止しなければならないというので、容易には求められない。

電源電圧の低下時には、モータ駆動回路３７のＦＥＴのゲート電圧が低いため、ＦＥＴのＯＮ抵抗が増加する。ＯＮ抵抗が増加するとＦＥＴの発熱量が増加するため、回路焼損の危険が生じると共に、制御装置の過熱保護機能が早期に働き、十分なアシストが得られないという問題がある。発熱量Ｑは

Ｑ＝ＲＩ^２

で表わされ、電流が例えば２０％低減すると発熱量Ｑは３６％低減される。

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、電源電圧の低下時にアシストを制限する機能を持たせ、電源電圧に応じてアシスト制限のための制限値を変化させ、操舵フィーリングを低下させることなく、円滑で、より違和感の小さいアシスト制限を行い得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。

本発明は、電流指令値に基づいてモータによるアシスト力を操舵系に付与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し、本発明の上記目的は、電源電圧検出部で検出された電源電圧に基づいてアシストを制限するアシスト制限部を具備し、前記アシスト制限部は、前記電源電圧が制限開始電圧値以下となったときに前記電源電圧に応じて徐々に制限値を印加し、前記電流指令値にリミット処理で最大電流を制限する第１アシスト制限を行うと共に、前記電流指令値の演算部へのトルク信号入力値にゲイン乗算処理で制限する第２アシスト制限を行うことにより達成される。

本発明によれば、電源電圧が動作限界電圧に達するまでにゲインを徐々に低減するようにしているので、操舵フィーリングを低下させることなく常に円滑なアシストを行うことができ、ドライバに違和感を与えることがない。

また、本発明によって電動パワーステアリング装置の制御装置の設計業務が簡便になり、電源としてのバッテリの消耗を防ぐと共に、制御装置のＦＥＴの焼損を防止できる利点がある。

本発明では、電源電圧の低下時にギリギリに設定された第１基準電圧値及び第２基準電圧値ではなく、比較的早い段階から電源電圧に応じたアシスト制限を行うようにする。制限開始電圧値は第１基準電圧値を超えない程度の値（例えば９Ｖ）とし、アシスト量を１００％から電源電圧値に応じて変化させる。１００％のアシストをしないので、電源電圧が第１基準電圧値を超えても連続してアシストを行うことができる。アシストを０にするアシスト停止電圧値は第１基準電圧値と第２基準電圧値の中間程度の値（８Ｖ）とし、電源電圧値がアシスト停止電圧値を超えた場合、アシストを直ちに停止する。電源電圧値に応じてアシストが制限されているため、徐変処理を行わなくてもドライバに違和感を与えることがない。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明の動作原理を示しており、同図（Ａ）に示すように電源電圧に対して制限開始電圧値Ｖ_Ｌ、第１基準電圧値Ｖ_１、アシスト停止電圧値Ｖ_Ｓ、第２基準電圧値Ｖ_２が設定されている。そして、電源電圧が制限開始電圧Ｖ_Ｌになると（時点ｔ１）、図１（Ｂ）に示すようにアシストの制限（リミット）を開始する。そして、更に電源電圧が低下してアシスト停止電圧Ｖ_Ｓに達したとき（時点ｔ２）に、アシスト停止となる。図１ではアシストの制限特性を線形にしているが、本発明では図２に示すように、制限開始（時点ｔ１）後アシスト停止（時点ｔ２）に至るまでのアシスト制限の変化を、電源電圧に応じて変化させる。

図３は本発明の実施例を示しており、トルクセンサ５０の出力がＡ／Ｄ変換器５１でディジタル値に変換されて操舵トルク演算部５２に入力され、操舵トルク演算部５２の出力が操舵補助指令値演算部５３及びセンター応答性改善部５７に入力される。操舵補助指令値演算部５３の出力は位相補償部５４を経て加算器５５に入力され、加算器５５での加算結果がロバスト安定化補償部５６に入力され、その出力はセンター応答性改善部５７の出力と共に、加算器５８に入力される。加算器５８の加算結果は最大電流制限部６０に入力され、更に電流制御部６１、電流ドライブ回路６２を経てモータ６３に印加される。

モータ６３の端子電圧Ｖｍ及びモータ電流ｉはモータ角速度推定部６４に入力され、推定されたモータ角速度ωはモータ角加速度推定部６５及びヨーレート推定部６７に入力される。推定されたモータ角加速度は慣性補償部６６に入力され、慣性補償の信号は加算器５８に入力される。また、ヨーレート推定部６７からのヨーレート信号は収れん制御部６８に入力され、その出力が加算器５５に入力される。

更に、電源電圧を検出する電源電圧検出部７０が設けられ、その検出電圧に従って制限信号Ｌ１及びＬ２を出力するアシスト制限部７１が設けられ、制限信号Ｌ２は操舵トルク演算部５２に入力され、制限信号Ｌ１は最大電流制限部６０に入力されている。アシスト制限部７１には、制限開始電圧値Ｖ_Ｌ、第１基準電圧値Ｖ_１、アシスト停止電圧値Ｖ_Ｓ、第２基準電圧値Ｖ_２が設定されている。

位相補償部５４は前述したように制御特性を改善するためのものであり、収れん制御部６８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、センター応答性改善部５７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ようになっている。ロバスト安定化補償部５６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するものである。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。

このような構成において、その動作を図４のフローチャートを参照して説明する。

先ず回路系のイニシアライズを行い（ステップＳ１）、トルクセンサ５０（Ａ／Ｄ変換器５１）からのディジタル値の入力を行い（ステップＳ２）、モータ電流ｉ及びモータ端子電圧Ｖｍの入力を行い（ステップＳ３）、更に電源電圧検出部７０から電源電圧の入力を行う（ステップＳ４）。そして、アシスト制限部７１は電源電圧が制限開始電圧値Ｖ_Ｌ以下であるか否かを判定し（ステップＳ５）、制限開始電圧値Ｖ_Ｌ以上であればアシスト制限部７１からは制限信号Ｌ１及びＬ２の出力はなく、操舵トルク演算部５２等は通常のアシストを実施するためにモータ制御信号の演算を行い（ステップＳ６）、電流制御部６１はモータ制御信号の出力を行い（ステップＳ７）、電流ドライブ回路６２を経てモータ６３の制御を行い、上記ステップＳ２にリターンする。

また、上記ステップＳ５で電源電圧が制限開始電圧値Ｖ_Ｌ以下であると判定された場合には、アシスト制限部７１は制限信号Ｌ１及びＬ２を出力し（ステップＳ１０）、アシスト制限を行う（ステップＳ１１）。即ち、制限信号Ｌ１で最大電流制限部６０を図５に示すようにリミット処理すると共に、制限信号Ｌ２で操舵トルク演算部５２を図６に示すようにゲイン乗算の処理をしてアシスト制限を行う。その際、アシスト制限は図２に示すように電源電圧に応じて行う。

更に、アシスト制限部７１は電源電圧がアシスト停止電圧値Ｖ_Ｓ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、電源電圧がアシスト停止電圧値Ｖ_Ｓより大きければ、上記ステップＳ５に戻って上述したアシスト制限若しくは通常アシスト動作を継続し、電源電圧がアシスト停止電圧値Ｖ_Ｓ以下である場合にはアシストを停止し（ステップＳ１３）、電動パワーステアリングのアシストを終了する（ステップＳ１４）。

図７は電源電圧とアシスト制限値の関係を示しており、本例の場合、アシストを徐々に復帰させるための復帰電圧値Ｖ_Ｒが設定されており、アシスト制限部７１内に設定される。電源電圧が制限開始電圧値Ｖ_Ｌ以下になると（時点ｔ_１０）、アシスト制限が実行され、時点ｔ_１１以降は電源電圧値に応じて制限値を下限で維持し（時点ｔ_１２まで）、時点ｔ_１２以降のように更に電源電圧が低下すればアシスト制限値も下げる（時点ｔ_１３まで）。そして、電源電圧が上昇して復帰電圧値Ｖ_Ｒに達すると（時点ｔ_１４）、以後は徐々にアシストを１００％まで復帰させる。

本発明によれば電源電圧が低下した場合であっても、直ちにアシストを停止するのではなく、第１基準電圧に達する前からアシスト制限を行うと共に、電源電圧に応じてアシスト制限を調整しているので、円滑で安全なアシスト制限を実現でき、自動車や車両の高性能電動パワーステアリングに適用可能である。

本発明の動作原理を説明するための図である。 本発明の動作原理を説明するための図である。 本発明の実施例を示すブロック構成図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 本発明の動作例を示す図である。 本発明の動作例を示す図である。 本発明の動作例を示す図である。 一般的な電動パワーステアリングの構成図である。 従来の制御装置のブロック図である。 従来の動作例を示すタイムチャートである。 従来装置の構成例を示すブロック図である。 図１１の動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 操向ハンドル
２ コラム軸
３ 減速ギア
１０、５０ トルクセンサ
１１ イグニションキー
１２ 車速センサ
２０、６３ モータ
３０ コントロールユニット
５１ Ａ／Ｄ変換器
５２ 操舵トルク演算部
５３ 操舵補助指令値演算部
５４ 位相補償部
５６ ロバスト安定化補償部
５７ センター応答性改善部
６０ 最大電流制限部
６１ 電流制御部
６４ モータ角速度推定部
６６ 慣性補償部
６７ ヨーレート推定部
６８ 収れん制御部
７０ 電源電圧検出部
７１ アシスト制限部

Claims (1)

1. 電流指令値に基づいてモータによるアシスト力を操舵系に付与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、電源電圧検出部で検出された電源電圧に基づいてアシストを制限するアシスト制限部を具備し、前記アシスト制限部は、前記電源電圧が制限開始電圧値以下となったときに前記電源電圧に応じて徐々に制限値を印加し、前記電流指令値にリミット処理で最大電流を制限する第１アシスト制限を行うと共に、前記電流指令値の演算部へのトルク信号入力値にゲイン乗算処理で制限する第２アシスト制限を行う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。

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