JP4415791B2

JP4415791B2 - 電動パワーステアリング制御装置

Info

Publication number: JP4415791B2
Application number: JP2004243817A
Authority: JP
Inventors: 公志福住; 正彦栗重; 聖二坂西; 隆之喜福; 千明藤本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: JP2006062390A

Description

本発明は操舵フィーリングに影響を及ぼすことなくステアリング系の安定度を増加させる電動パワーステアリング制御装置に関わるものである。

従来、測定あるいは推定したモータ回転速度をハイパスフィルタに通してダンピング制御器にて演算を行い、目標電流にフィードバックすることで操舵フィーリングによる影響をなくしつつ、安定性を確保し、ハンドルの振動を抑制するような構成となっている（例えば特許文献１参照）。すなわち、操舵トルクセンサで検出されたトルクセンサ出力から操舵周波数成分を除去するトルクハイパスフィルタ(以下ハイパスフィルタはＨＰＦと記す)からのトルクセンサＨＰＦ出力と、モータ電流検出器で検出された駆動電流検出値を駆動電流ＨＰＦに通して操舵周波数成分を除去した駆動電流ＨＰＦ出力とに基づいて、モータ回転速度を推定する回転速度オブザーバとを設けると共に、ダンピング制御器において、この回転速度オブザーバ出力に基づいてダンピング電流を演算するようにして、目標電流にフィードバックすることで操舵フィーリングによる影響をなくすようにしている。

また、従来は、測定または推定されたモータあるいは操舵速度を高速でフィードバックすることによりハンドル振動を抑制している（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−２６０２２（７頁、図１）

上記のような方法では電動パワーステアリング装置におけるアシストゲインとダンピングゲイン間の関係を示すアシストマップの傾き（アシストマップの特性線の傾き）、すなわち、アシストゲインが変化したときに十分な安定性を確保できない可能性がある。また、ダンピング制御器のダンピングゲイン（フィードバックゲイン）を大きくすると、本制御方式が操舵フィーリングに影響を及ぼし、操舵速度が大きいほどハンドルが重くなってしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はアシストゲインが変化してもステアリング系の安定性を十分に確保することができる電動パワーステアリング制御装置を提供するものである。

この発明に係る電動パワーステアリング制御装置は、
操舵トルクを補助する補助トルクを生み出すベース電流を演算するトルク制御手段と、
前記補助トルクを発生するモータの回転速度から操舵周波数成分を除去した信号を出力する回転速度検出手段と該回転速度検出手段の出力を基にダンピング電流を演算するダンピング制御器とを備えたダンピング制御手段と、
前記トルク制御手段の出力とダンピング制御手段の出力とから、前記モータの目標電流を算出する目標電流演算手段と、
を備えた電動パワーステアリング制御装置において、
前記ダンピング制御手段を、位相余裕が変化しないか、より大きくなるように、マップ又はアシストゲインとダンピングゲイン間の関係を定める関数によりダンピングゲインを定めるものである。

上記発明の構成によれば、アシストゲインが変化してもステアリング系の安定性を十分に確保することができる電動パワーステアリング制御装置を提供することが可能となる。例えば、目標電流決定手段の中のアシストゲインに応じて、ダンピング制御器の制御パラメータであるダンピングゲインを変化させることで、位相余裕の低下を防ぎ、ステアリング系の安定性を常に確保することができる。

以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。同図において、運転者が操舵した場合の操舵トルクを検出するトルクセンサ１、上記トルクセンサの出力信号に基づいてシステムの安定性を改善する位相補償器２、位相補償されたトルクセンサ１の出力に基づいて上記操舵トルクを補助する補助トルクを生み出すベース電流を演算するトルク制御手段であるトルク制御器３が備えられ、これらによりベース電流を決定する。また、制御信号の１つである位相補償されたトルクセンサの出力信号をＨＰＦの１つであるトルクＨＰＦ１２に通過させることで、操舵トルク信号の操舵周波数成分を除去し、別の制御信号である電流検出器６の出力をＨＰＦの１つである電流ＨＰＦ１３に通過させることで電流検出器からの信号のうち操舵周波数成分を除去した後、これら両ＨＰＦの後段に設けた回転速度検出手段としての回転速度オブザーバ１０によりモータ回転速度を推定して検出する。そして、トルク制御器３により設定される、ダンピング制御器８のパラメータと、推定して検出されたモータ回転速度とを用いて、ダンピング制御器８でダンピング電流の演算を行う。そして、演算器７によりトルク制御器の出力であるベース電流にダンピング電流を減算もしくは加算したものがモータの目標電流となり、電流制御器４に入力される。また、補助トルク（アシストトルク）を発生すべく、電流検出器６で検出したモータ５に通電される駆動電流検出値が上記目標電流と一致するように電流制御器４により制御される。また、以上において、目標電流演算手段２０の構成要素であるトルク制御手段、ダンピング制御手段、及び演算器を使用して、目標電流が演算され、さらに、ダンピング制御手段２１の構成要素であるトルクＨＰＦ、電流ＨＰＦ、回転速度オブザーバ、及びダンピング制御器により、ダンピング電流が制御される。その後、さらに、上述の目標電流とダンピング電流の演算結果が電流制御器に入力される。

次に、上記構成の電動パワーステアリング制御装置の動作について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
本発明の従来の技術と異なる点は、図１の目標電流演算手段２０によって目標電流を決定するまでのプロセスである。従って、以下では目標電流演算手段２０における目標電流を決定するまでのアルゴリズムについて説明を行う。
まず、ステップＳ１０１でトルクセンサ１での出力をマイコンのメモリに記憶し、ステップＳ１０２で電流検出器６から読み込んだモータ実電流を当該メモリに記憶する。次に、ステップＳ１０３で位相補償器２によりトルクセンサ出力に対して位相補償を行い、その出力を当該メモリに記憶する。ステップＳ１０４ではトルク制御器３により位相補償器出力からベース電流を演算し当該メモリに記憶する。この際、トルク制御器内に記憶されているアシストマップ（ここでは、位相補償されたトルクセンサ出力に対してベース電流を決定するためのマップを意味する）を用いる。ステップＳ１０５ではトルクＨＰＦ１２により、トルクセンサ出力の操舵周波数成分を除去する。ステップＳ１０６では、電流検出器６の出力を電流ＨＰＦ１３に通し、モータ電流に含まれる操舵周波数成分を除去する。ステップＳ１０７では、トルクＨＰＦ１２及び電流ＨＰＦ１３の出力から回転速度オブザーバ１０によりモータ回転速度を推定して検出する。ステップＳ１０８では、トルク制御器３で用いたダンピング制御器８の外部パラメータであるアシストマップの傾きを演算し、それをもとにダンピング制御器８でのダンピングゲインを決定する。ステップＳ１０９ではステップＳ１０７で得られた回転速度オブザーバの出力にステップＳ１０８で演算したダンピング制御器のダンピングゲインを乗算することによりダンピング電流を求める。そして、ステップＳ１１０で演算器７において、目標電流を決定する。ステップＳ１０１からＳ１１０までの動作を繰り返し目標電流を演算する。

なお、ベース電流はマップ演算ではなく一定ゲインによる演算、あるいは、これら以外の別の関数による演算に従って求めてもよい。さらに位相補償器はアナログ方式でも、アナログ方式とディジタル方式の組合せでもよい。さらに、摩擦補償制御器で演算された摩擦補償電流や慣性補償制御器で演算された慣性補償電流を目標電流に加算してもよい。

以上において、モータ５に通電する駆動電流の制御に関してはＰＩＤ制御（図示しない）などの方法を用いて実施する。

次に、回転速度オブザーバについて説明する。回転速度オブザーバ１０は（１）式で表され、トルクセンサ１あるいは位相補償器２の出力Ｔ_ｓと電流検出器６の出力ｉから推定して検出したモータ回転速度ωest（サフィックスのestは推定した検出値の意味。サフィックスがついていない場合はそれに限定されない意味を表す）を出力する。ここで、Ｊはモータ慣性モーメント、Ｃ_ｓはトーションバー減衰定数、Ｋ_ｓはトーションバーばね定数、Ｋ_ｔはモータトルク定数、ｗは中間状態量、−ｆ_１が回転速度オブザーバの極である。

なお、上述の回転速度オブザーバ１０は、トルクセンサ１あるいは位相補償器２の出力と電流検出器６の出力を用いて推定して検出したが、トルクセンサ１あるいは位相補償器２の出力のかわりに回転角度検出器などからの出力である回転角度θを用いて、（２）式のように構成してもよい。

また、電流検出器６の出力ｉのかわりに、演算器７の出力、すなわち目標電流を用いてもよい。さらに、電流値のかわりに指令電圧やモータ端子間電圧などの電圧値を用いてもよい。電圧値Ｖを用いる場合、（３）式のようにして電流値ｉを求め、それを（１）式あるいは（２）式に代入すればよい。あるいは演算負荷を小さくするため、（４）式のように近似して電流値ｉを求めてもよい。

図３はダンピング制御器のダンピングゲインを一定とした場合のステアリングシステムの閉ループ周波数特性である。図３で実線はある基準のアシストゲインとしたときの周波数特性であり、破線はアシストゲインをこの基準の値の２倍としたときの周波数特性、点線はアシストゲインをこの基準の値の３倍としたときの周波数特性である。図３からアシストゲインが大きくなることでピーク値が大きくなり、安定度が低下していることがわかる。また、このときのステアリングシステムの開ループ特性における位相余裕は実線のときのアシストゲインが２４．９ｄｅｇ、アシストゲインを２倍としたときが１８．２ｄｅｇ、アシストゲインを３倍としたときが１５．２ｄｅｇとなっており、ダンピング制御器のダンピングゲインが一定のままでアシストゲインが大きくなると安定度が低下してしまう可能性がある。

図４は（制御パラメータの１つである）ダンピング制御器のダンピングゲインを、（外部パラメータの１つである）トルク制御手段のアシストゲインに応じて、言いかえれば、アシストゲインが変化しても位相余裕が変化しないようなダンピングゲインに設定して、すなわち、ステアリングシステムの周波数特性において、位相余裕が変化しないか、より大きくなるように、マップ又はアシストゲインとダンピングゲイン間の関係を定める関数によりダンピングゲインを設定して、変化させた場合の閉ループ周波数特性である。例として、基準アシストゲインのときのダンピング制御器のダンピングゲインを１としたときに、アシストゲイン２倍のときのダンピング制御器のダンピングゲインを１．７５倍、アシストゲイン３倍のときのダンピング制御器のダンピングゲインを１．８５倍した。このとき、図４よりピーク値はほとんどかわらないことがわかる。ステアリングシステムの開ループ特性における位相余裕は基準アシストゲインのときが２４．９ｄｅｇ、アシストゲイン２倍のときが２５．３ｄｅｇ、アシストゲイン３倍のときが２５．２ｄｅｇでほぼ同じである。したがって、外部パラメータの１つである上記アシストゲインに応じて、制御パラメータの１つである上記ダンピングゲインを変化させることによって、アシストゲイン（アシストマップの傾き）の変化によるステアリング系の安定性の低下を防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図を図５に示す。構成要素は実施の形態１と同様である。ただし、ダンピング制御器の外部パラメータであるトルク制御器のアシストマップの傾きに応じて（上記アシストゲインに応じてと同義）、ダンピング制御器のダンピングゲインを変化させるのではなく、ＨＰＦとしてのトルクＨＰＦおよび電流ＨＰＦの制御パラメータであるフィルタ定数を、これらのＨＰＦの外部パラメータであるダンピング制御器のダンピングゲインに応じて変化させる、つまり、カットオフ周波数でのフィルタゲインが１になるようにＨＰＦのフィルタ周波数を決める、ことが異なる。

次に本実施の形態に係わる電動式パワーステアリング制御装置の動作について図６のフローチャートに基づいて説明する。ステップＳ２０４までは実施の形態１のステップＳ１０４までと同様である。ステップＳ２０５にてダンピング制御器のダンピングゲインを用いてトルクＨＰＦ１２と電流ＨＰＦ１３の制御パラメータであるフィルタ定数を演算する。ステップＳ２０６ではトルクＨＰＦ１２により、トルクセンサ出力の操舵周波数成分を除去する。ステップＳ２０７では、電流検出器６の出力を電流ＨＰＦ１３に通し、操舵周波数成分を除去する。ステップＳ２０８では、トルクＨＰＦ出力と電流ＨＰＦ出力から回転速度オブザーバ１０によりモータ回転速度を推定して検出する。ステップＳ２０９ではステップＳ２０８で得られた回転速度オブザーバの出力にダンピング制御器のダンピングゲインを乗算することによりダンピング電流を求める。そして、ステップＳ２１０で演算器７において、ベース電流とダンピング電流とから目標電流を決定する。

次に、ＨＰＦのフィルタ定数の演算方法について説明する。例えば、（５）式で表されるような一次のＨＰＦを用いた場合、ダンピング電流Ｉ_ｄａｍｐは（６）式で示される。ここで、Ｋ_ｄは、理論的あるいは実験的に求めたダンピング制御器のダンピングゲインである。

今ここでＨＰＦのフィルタ周波数Ｆ_ｈ＝１／（２πＴ_ｈ）を変えずに、すなわちＦ_ｈ１＝Ｆ_ｈ２とし、ダンピング制御器のダンピングゲインをＫ_ｄ１からＫ_ｄ２に大きくした場合の（６）式の周波数特性をボード線図で示したものが図７である。図７からわかるようにフィルタ周波数を変えずにダンピング制御器のダンピングゲインを大きくした場合、０ｄＢと交差する周波数がＦ_ｃ１からＦ_ｃ２に低下してしまう。したがって、ダンピング制御器のダンピングゲインを大きくすると、本来除去すべき周波数成分が除去されず、操舵フィーリングに影響を及ぼす可能性がある。

そこで、ダンピング制御器のダンピングゲインが大きくなっても、０ｄＢで交差する周波数が変化しないようにすることが重要である。これは、０ｄＢ以下にしたい角周波数、すなわちカットオフ角周波数をωとすると、

となるようにＨＰＦのフィルタ周波数Ｆ_ｈを決めることである。（５）式で示される伝達関数の場合、ＨＰＦのフィルタ周波数Ｆ_ｈは（８）式のようになる。

のとき（Ｋ_ｄが（９）式を満たす場合）には、Ｆ_ｈ＝Ｆ_ｃとすればよい。

（８）式に基づいてＨＰＦのフィルタ周波数を演算したときの周波数特性をボード線図で示したものを図８に示す。図８のように、ダンピング制御器のダンピングゲインを大きくしても０ｄＢで交差する周波数、すなわちカットしたい周波数成分は変わらないことがわかる。（８）式は計算負荷を小さくするため、（１０）式のように近似してもよい。

また、ＨＰＦのフィルタ定数の決定方法を一次のフィルタを用いて説明したが、式（７）を満足するようにＨＰＦのフィルタ周波数Ｆ_ｈを決めてやれば、二次以上のフィルタでもかまわない。
さらに、基準ゲインを０ｄＢとしたが、他の値を基準ゲインとして、その値と交差する周波数をＦ_ｃとしてもかまわない。

以上のことから、ダンピングゲインが変化しても操舵フィーリングに影響を及ぼさないようなＨＰＦのフィルタ周波数の設定が可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図を図９に示す。構成要素は実施の形態１と同様である。ただし、トルク制御器のアシストマップの傾きであるアシストゲインに応じて（実施の形態１の場合と同様）、ダンピング制御器のダンピングゲインを変化させるのではなく、回転速度オブザーバの外部パラメータとしてのトルク制御器の該アシストゲインに応じて（実施の形態１の場合と同様）、制御パラメータである回転速度オブザーバの極を変化させるところが異なる。

次に本実施の形態に係わる電動式パワーステアリング制御装置の動作について図１０のフローチャートに基づいて説明する。ステップＳ３０４までは実施の形態１のステップＳ１０４までと同様である。ステップＳ３０５にてトルクセンサ１からの出力あるいは位相補償器２からの出力をトルクＨＰＦ１２に通す。ステップＳ３０６では電流検出器６の出力を電流ＨＰＦ１３に通す。ステップＳ３０７では、トルク制御器３で用いたアシストゲインを演算し、それをもとに回転速度オブザーバ１０での回転速度オブザーバの極−ｆ_１を決定する。次にステップＳ３０８ではＳ３０７で決定した回転速度オブザーバの極−ｆ_１を用いて、トルクＨＰＦ出力と電流ＨＰＦ出力から回転速度オブザーバ１０によりモータ回転速度を推定して検出する。そして、ステップＳ３０９で回転速度オブザーバ１０の出力からダンピング制御器８によりダンピング電流を演算し、ステップＳ３１０で演算器７において、ベース電流とダンピング電流とを演算し目標電流を決定する。

回転速度オブザーバ（１）式および（２）式において、回転速度オブザーバの極−ｆ_１は推定した検出値への収束性を示すパラメータであり、この値が大きいほど推定した検出値に速く収束する。その反面、高周波ノイズの影響を受けやすくなる。逆に小さくすると高周波ノイズの影響を受けにくくなるが、収束が遅くなるため安定性が低下するという特徴を持つ。したがって、アシストゲインが大きくなるにつれ回転速度オブザーバの極の絶対値を大きくすることで安定性を確保することができる。回転速度オブザーバの極の決定方法はアシストゲインに定数を乗算したものやマップ演算、あるいはアシストゲインの関数にすればよい。

また、実施の形態１〜３では、回転速度検出手段として回転速度オブザーバを用いたが、図１１のように、回転速度オブザーバの代わりに、回転速度検出手段としてのタコジェネレータなどの回転速度検出器９を用いてもよい。この場合、操舵フィーリングへの影響を除去するために、ＨＰＦとしての回転速度ＨＰＦ１１を用い、制御信号である回転速度検出器の出力から操舵周波数成分を除去する。また、エンコーダやレゾルバなどの角度検出器を微分あるいは差分することによりモータ回転速度を求めてもよい。

また、実施の形態１〜３ではトルクＨＰＦ１２と電流ＨＰＦ１３を用いて操舵周波数成分を除去したが、図１２のように回転速度オブザーバの出力に回転速度ＨＰＦ１１を通す構成にしてもよい。

また、上記すべての実施の形態に関して、ダンピング電流を演算したが、ダンピングトルクを演算し、位相補償器２あるいはトルク制御器３の前に加算してもよい。

実施の形態４．
実施の形態４に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図を図１３に示す。これは実施の形態１〜３におけるパラメータ調整要素をすべて含んでいる場合の一例を示す図である。

図において、アシストゲインの変化に応じて（実施の形態１の場合と同様）ダンピングゲイン及び回転速度オブザーバの極が演算されるとともに、ダンピングゲイン変化に応じて（実施の形態２の場合と同様）トルクＨＰＦと電流ＨＰＦのフィルタ定数が演算され、アシストゲインとダンピングゲインの両者の変化に対応した目標電流が演算される。

このような構成の場合、アシストゲインに応じて（実施の形態１の場合と同様）ダンピング制御器のダンピングゲインを決定し、決定したダンピング制御器のダンピングゲインに応じて（実施の形態２の場合と同様）ＨＰＦのフィルタ定数を決定することができるため、アシストゲインが変化しても操舵フィーリングに影響を及ぼすことなく安定性を確保することが可能である。

実施の形態１に示す電動パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図。実施の形態１に示す電動パワーステアリング制御装置の動作を説明するフローチャート。実施の形態１に示す電動パワーステアリング制御装置のステアリング系の閉ループ周波数特性の一例。実施の形態１に示す電動パワーステアリング制御装置のステアリング系の閉ループ周波数特性の別の例。実施の形態２に示す電動パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図。実施の形態２に示す電動パワーステアリング制御装置の動作を説明するフローチャート。ダンピング電流の周波数特性の一例を示すボード線図。回転速度ＨＰＦのフィルタ周波数の周波数特性の一例を示すボード線図。実施の形態３に示す電動パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図。実施の形態３に示す電動パワーステアリング制御装置の動作を説明するフローチャート。回転速度検出手段として回転速度検出器を用いた場合の電動パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図。ＨＰＦとして回転速度ＨＰＦを用いた場合の電動パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図。実施の形態４に示す電動パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１トルクセンサ、２位相補償器、３トルク制御器、４電流制御器、５モータ、６電流検出器、７演算器、８ダンピング制御器、９回転速度検出器、１０回転速度オブザーバ、１１回転速度ＨＰＦ、１２トルクＨＰＦ、１３電流ＨＰＦ、２０目標電流演算手段、２１ダンピング制御手段

Claims

操舵トルクを補助する補助トルクを生み出すベース電流を演算するトルク制御手段と、
前記補助トルクを発生するモータの回転速度から操舵周波数成分を除去した信号を出力する回転速度検出手段と該回転速度検出手段の出力を基にダンピング電流を演算するダンピング制御器とを備えたダンピング制御手段と、
前記トルク制御手段の出力とダンピング制御手段の出力とから、前記モータの目標電流を算出する目標電流演算手段と、
を備えた電動パワーステアリング制御装置において、
前記ダンピング制御手段を、位相余裕が変化しないか、より大きくなるように、マップ又はアシストゲインとダンピングゲイン間の関係を定める関数によりダンピングゲインを定めることを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
ダンピング制御手段の外部パラメータは、モータの回転速度から操舵周波数成分を除去するハイパスフィルタのフィルタ定数であり、このフィルタ定数をダンピングゲインに応じて可変とすることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング制御装置。
回転速度検出手段を回転速度オブザーバとするとともに、当該回転速度オブザーバの極の絶対値をアシストゲインが大きくなるにつれ大きくすることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング制御装置。