JP4539154B2

JP4539154B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4539154B2
Application number: JP2004125715A
Authority: JP
Inventors: 正博久保田; 正行渡辺
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-04-21
Also published as: JP2005306204A

Description

本発明は、ドライバの操舵負担を軽減する電動パワーステアリング装置の技術分野に属する。

従来の電動パワーステアリング装置では、切り増し操舵時よりも切り戻し操舵時にアシストトルクを大きくすることにより、切り過ぎ抑制と操舵フィーリング向上との両立を狙っている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−４８９９８号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、切り増し操舵時はハンドルが重く、切り戻し操舵時はハンドルが軽くなるようにアシストトルクを制御しているため、切り増しから切り戻しへ操舵方向が変化するとき、操舵力の抜け感が発生し、ドライバに違和感を与えることがある。さらに、車両挙動が限界付近の場合は、操舵力の抜けにより操舵角が過剰入力され、車両挙動の不安定化を招く可能性があるという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、切り増しから切り戻しへ操舵方向が変化するときの操舵力の抜け感を防止し、自然な操舵フィーリングが得られる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、ステアリング操作手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、前記ステアリング操作手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、舵取り機構にドライバの操舵力を補助するアシストトルクを出力するモータと、検出された操舵トルクに応じたアシストトルクが得られるよう、前記モータを駆動制御する操舵制御手段と、を備えた電動パワーステアリング装置において、
前記操舵トルクの増減方向と前記操舵角の増減方向とが一致している状態を操舵の切り始め、不一致の状態を操舵の切り終わりと定義したとき、操舵の切り始めと切り終わりとを判断する操舵状態判断手段と、
検出された操舵トルクがステップ状に変化する過渡的なトルクであるとき、操舵トルクを増加させる方向へ逆アシストトルクを発生させ、時間の経過と共に操舵トルクを減少させる方向へアシストトルクを発生させるよう、前記操舵トルクに応じたアシストトルクを補正する補償制御量を算出する補償制御量算出手段と、
操舵の切り終わりと判断されたとき、前記補償制御量を減少補正する補償制御量変更手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、操舵の切り始めではアシストトルクが小さくなり、操舵の終わりではアシストトルクが大きくなるため、切り増しから切り戻しへ操舵方向が変化するときの操舵力の抜けを防止でき、自然な操舵フィーリングが得られる。

以下、本発明の電動パワーステアリング装置を実施するための最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の電動パワーステアリング装置を適用した車両用操舵装置の構成図である。
ドライバの舵取り操作用のハンドル（ステアリング操作手段）１と、舵取り動作を行う舵取り機構２とを連結する操舵軸３に、ハンドル１に加わる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）４とドライバの操舵力を補助するモータ５とが配置されている。

前記ハンドル１は、図示しない車室内部のドライバと対向する位置に、軸周りに回動可能に設けられている。舵取り機構２は、操舵軸３の下端に一体形成されたピニオン６と、これに噛合するラック軸７とを備えるラック&ピニオン式の舵取り装置により構成されている。ラック軸７は、図示しない車両前部に、左右方向摺動可能に固定されており、その両端は、左右のタイロッド８，９を介して操向用の転舵輪１０，１１に連結されている。

前記モータ５は、モータ５の発生トルクを操舵軸３の回転トルクに変換する減速機１２を介して、操舵軸３に結合されている。このモータ５に供給されるモータ電流は、コントローラ（操舵制御手段）１３により制御されている。

続いて、図２の制御ブロック図を加えて、実施例１の制御系を説明する。
ドライバによりハンドル１が操舵されると、ハンドル１と機械的に連結された転舵輪１０，１１が操向される。このとき、トルクセンサ４に入力される捩れ方向の負荷は、操舵トルクとしてコントローラ１３へ入力される。さらに、このコントローラ１３には、車両の走行速度を検出する車速センサ１４等の信号が与えられる。

コントローラ１３は、モータ５の回転速度を推定するためのモータ端子間電圧センサ１３ａやモータ電流センサ１３ｂが内蔵されている。コントローラ１３の出力は、モータ５に与えられ、コントローラ１３は、操舵トルク、モータ５の回転速度、車速等を用いて、モータ５の駆動電流を算出し、算出された駆動電流を内蔵するモータ電流センサ１３ｂによりモータ電流を参照しつつ、モータ５を制御駆動する。モータ５へ供給される電源は、バッテリ１５により与えられる。

コントローラ１３では、検出された操舵トルクを、位相補償器１６に通すことにより、過渡的なトルク変化に対して、操舵トルクを増大させる方向（逆アシスト）へモータ５を駆動する（補償制御量算出手段に相当）。位相補償器１６は、車速、操舵トルクや操舵角速度に応じてその特性を変更できるものとする。

ここで、位相補償器１６を下記の式(1)に示すように、１次進み／１次遅れで構成した場合、その周波数特性は、図３のようになる。
Ｃ(S)＝（１−τ_numS）／（１＋τ_denS） …(1)

そして、この位相補償器１６の出力は、過渡的な入力、例えば、ステップ状のトルク入力があった場合、図４のような特性となる。図４において、出力の下方へのゲインは、１次進みの時定数τ_numで決まる。また、出力の遅れは、１次遅れの時定数τ_denで決まることになる。

この出力の時系列推移から分かるように、コントローラ１３は、目標電流値として、過渡入力が入った直後は、ハンドル１を重くする方向へ逆アシストを実施し、時間の推移とともにハンドル１を軽くする方向へアシストを実施することとなる。

続いて、図５を用いてコントローラ１３の操舵状態判断部（操舵状態判断手段）１７と補償制御量変更部（補償制御量変更手段）１８について説明する。
操舵状態判断部１７には、モータ５の回転速度と操舵トルクが入力され、まず、操舵トルクが微分器１７ａにより微分され、操舵トルク微分値が算出される。モータ５の回転速度と操舵トルク微分値は、それぞれ所定の不感帯手段１７ｂ，１７ｃを通過した後、積分器１７ｄにより乗算され、補償制御量変更部１８へ出力される。すなわち、モータ５の回転速度と操舵トルク微分値が同じ方向の場合は、正が出力され、逆の場合は負が出力されることになる。

補償制御量変更部１８は、操舵状態判断部１７の出力値が正の場合、補償制御変更量を１とし、位相補償部１６の出力をそのまま出力する。操舵状態判断部１７の出力値が負の場合、補償制御変更量をゼロとし、位相補償部１６の出力をゼロとする。

次に、作用を説明する。
［補償制御量変更作用］
図６に、実際の操舵時のデータを示す。
操舵の切り始めは、モータ５の回転速度（操舵角速度と同じ）と操舵トルク微分値の方向が同じとなるので、コントローラ１３では、算出した目標電流値に位相補償部１６で算出した補償制御量がそのまま加算される。次の操舵が止まる過程では、モータ５の回転速度と操舵トルク微分値の方向が異なるので、位相補償部１６の制御量はゼロに補正され、補償制御が実施されない。

続いて、操舵停止後、ハンドル１を中立方向へ切り始めると、モータ５の回転速度（操舵角速度と同じ）と操舵トルク微分値の方向が同じとなるので、コントローラ１３では、算出した目標電流値に位相補償部１６で算出した補償制御量がそのまま加算される。最後の操舵が中立にて止まる過程では、モータ５の回転速度と操舵トルク微分値の方向が異なるので、位相補償部１６の制御量はゼロに補正され、補償制御が実施されない。

すなわち、実施例１では、直進時に微小修正舵を行った場合に、切り始めにおいては逆方向へのアシストが行われ、ハンドル１が重くなるため、ドライバへ車両が直進するハンドル位置を教えることができる（中立感を出すことができる）。さらに、操舵の切り終わりにおいては、タイヤ入力に応じた反力がドライバへ伝わり、自然な操舵フィーリングを実現できる。

次に、効果を説明する。
実施例１の電動パワーステアリング装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。

(1) コントローラ１３は、操舵の切り始めと切り終わりとを判断する操舵状態判断部１７と、検出された操舵トルクが過渡的なトルクであるとき、逆アシストトルクを発生させるよう、モータ５を補償制御する補償制御量算出手段と、この補償制御量算出手段の補償制御量を、操舵の切り始めでは大きく、操舵の切り終わりでは小さくする補償制御量変更部１８と、を備えるため、切り増しから切り戻しへと操舵方向が変化するとき、操舵力の抜けが発生せず、自然な操舵フィーリングが得られる。よって、車両挙動が限界付近の場合、操舵角の過剰入力が抑制され、車両挙動が不安定となるのを防止できる。

(2) 操舵状態判断部１７は、操舵トルク微分値と操舵角速度とに基づいて、操舵の切り始めと切り終わりとを判断するため、切り始めと切り終わりを確実に判断できる。

実施例２では、切り終わりのとき、補償制御量を負とする点で実施例１と異なり、他の構成は実施例１と同じであるため、構成の説明は省略する。

図７は、実施例２の補償制御量変更部１８の補償制御変更量特性を示す図であり、補償制御量変更部１８は、操舵状態判断部１７の出力値（モータ５の回転速度と操舵トルク微分値の積）が正の場合、補償制御変更量を１とする。一方、操舵状態判断部１７の出力値が負の場合、補償制御変更量を−１とする。

次に、作用を説明する。
実施例２では、コントローラ１３において、モータ５の回転速度と操舵トルク微分値の積が負の場合、すなわち、操舵が止まる時に、算出した目標電流値に対し、負の補償制御量が加算されることになる。従って、切り始めにおいては逆方向へのアシストが行われてハンドル１が重くなるため、ドライバへ車両が直進するハンドル位置を教えることができる（中立感を出すことができる）。

さらに、切り終わりにおいては、補償制御量が負となるので、ハンドル１が軽くなり、そこから中立方位へ操舵を開始すると位相補償量１６は正となり、ハンドル１は重くなる。従って、スラローム操舵や直線走行時に微小な操舵を繰り返し場合において、操舵停止から操舵開始時の操舵力差、いわゆる操保舵力を自由に設定できる。

次に、効果を説明する。
実施例２の電動パワーステアリング装置にあっては、実施例１の効果(1)，(2)に加え、以下の効果が得られる。

(3) 補償制御量変更部１８は、操舵の切り終わりと判断されたとき、補償制御量を負の値とするため、スラローム操舵や直線走行時に微小な操舵を繰り返す場合において、操舵停止から操舵開始時の操舵力差、いわゆる操保舵力を自由に設定できる。

実施例３では、補償制御量を、車速、操舵トルクおよび操舵角（ハンドル角）に応じて変化させる点で実施例２と異なり、他の構成は実施例１，２と同一であるため、構成の説明は省略する。

図８は、車速に応じた補償制御変更量特性を示す図であり、補償制御量変更部１８は、車速が高いほど、補償制御変更量を大きくする。なお、補償制御変更量の上限値は１に設定されている。

図９は、操舵トルクに応じた補償制御変更量特性を示す図であり、補償制御量変更部１８は、操舵トルクが大きいほど、補償制御変更量を小さくする。なお、補償制御変更量の上限値は１に設定されている。

図１０は、操舵角に応じた補償制御変更量特性を示す図であり、補償制御量変更部１８は、操舵角が大きいほど、補償制御変更量を小さくする。なお、補償制御変更量の上限値は１に設定されている。

補償制御量変更部１８では、車速、操舵トルクおよび操舵角に応じて３つの補償制御変更量を算出し、最終的に３つの補償制御変更量を乗算して最終的な補償制御変更量を設定する。

次に、作用を説明する。
実施例３では、車速が高いほど補償制御量が増加するため、車速が高いほどハンドル１が重くなり、高速走行時の中立をしっかりさせることができる。また、操舵トルクや操舵角に応じて補償制御量を減らすことにより、早い操舵時に操舵力が重くなっているときに、不要な操舵力変化の発生を防止できる。

次に、効果を説明する。
実施例３の電動パワーステアリング装置にあっては、実施例１の効果(1)，(2)、実施例２の効果(3)に加え、以下の効果が得られる。

(4) 補償制御量変更部１８は、操舵トルク、操舵角および車速に応じて補償制御量を変更するため、操舵停止から操舵開始時の操舵力差、いわゆる操保舵力を走行状態に合わせて自由に設定できる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施する最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は実施例１〜３に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、電動パワーステアリング装置においては、モータとハンドルとは機械的に連結された構成であるため、実施例１〜３では、モータの回転速度を操舵角速度としているが、操舵軸に操舵角速度センサを取り付け、または操舵軸に操舵角センサを取り付け、検出値を微分することで、操舵角速度を算出する構成としてもよい。さらに、モータにモータ角度センサを取り付け、検出値を微分してモータ回転速度を算出する構成や、モータにモータ回転速度センサを取り付ける構成としてもよい。

また、実施例３では、操舵制御変更量を、操舵トルク、操舵角および車速に応じて変化させたが、これらのうち１つまたは２つに応じて変化させる構成としてもよい。

実施例１の電動パワーステアリング装置を適用した車両用操舵装置の構成図である。実施例１の制御ブロック図である。位相補償器の周波数特性図である。位相補償器の入出力特性図である。操舵状態判断部と補償制御量変更部の詳細な制御ブロック図である。実施例１の補償制御量変更作用を示す図である。実施例２の補償制御変更量特性を示す図である。実施例３の車速に応じた補償制御変更量特性を示す図である。実施例３の操舵トルクに応じた補償制御変更量特性を示す図である。実施例３の操舵角に応じた補償制御変更量特性を示す図である。

符号の説明

１ハンドル
２舵取り機構
３操舵軸
４トルクセンサ
５モータ
６ピニオン
７ラック軸
８，９タイロッド
１０，１１転舵輪
１２減速機
１３コントローラ
１３ａモータ端子間電圧センサ
１３ｂモータ電流センサ
１４車速センサ
１５バッテリ
１６位相補償器
１７操舵状態判断部
１８補償制御量変更部

Claims

ステアリング操作手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
前記ステアリング操作手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
舵取り機構にドライバの操舵力を補助するアシストトルクを出力するモータと、
検出された操舵トルクに応じたアシストトルクが得られるよう、前記モータを駆動制御する操舵制御手段と、
を備えた電動パワーステアリング装置において、
前記操舵トルクの増減方向と前記操舵角の増減方向とが一致している状態を操舵の切り始め、不一致の状態を操舵の切り終わりと定義したとき、操舵の切り始めと切り終わりとを判断する操舵状態判断手段と、
検出された操舵トルクがステップ状に変化する過渡的なトルクであるとき、操舵トルクを増加させる方向へ逆アシストトルクを発生させ、時間の経過と共に操舵トルクを減少させる方向へアシストトルクを発生させるよう、前記操舵トルクに応じたアシストトルクを補正する補償制御量を算出する補償制御量算出手段と、
操舵の切り終わりと判断されたとき、前記補償制御量を減少補正する補償制御量変更手段と、
を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記補償制御量変更手段は、操舵の切り終わりと判断されたとき、前記補償制御量を負の値とすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記補償制御量変更手段は、操舵トルク、操舵角または車速の少なくとも１つに応じて前記補償制御量を変更することを特徴とする電動パワーステアリング装置。