JP4660883B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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、特に安価な構成で連続的な操舵感を与えることにより、安全かつ快適な操舵性能を与え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。
【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、電流制御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９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がクラッチ２１、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。クラッチ２１はコントロールユニット３０でＯＮ／ＯＦＦ制御され、通常の動作状態ではＯＮ（結合）されている。そして、コントロールユニット３０によりパワーステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニションキー１１によりバッテリ１４の電源（電圧Ｖｂ）がＯＦＦとなっている時に、クラッチ２１はＯＦＦ（切離）される。
【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１０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。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。
【０００６】
モータ駆動回路３７の構成例を図１１に示して説明すると、モータ駆動回路３７は加算器３０Ｂからの電流制御値Ｅに基いて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートを駆動するＦＥＴゲート駆動回路３７１、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４で成るＨブリッジ回路、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２のハイサイド側を駆動する昇圧電源３７２等で構成されている。ＦＥＴ１及びＦＥＴ２は、電流制御値Ｅに基いて決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、実際にモータ２０に流れる電流Ｉｒの大きさが制御される。ＦＥＴ３及びＦＥＴ４は、デューティ比Ｄ１の小さい領域では所定１次関数式（ａ，ｂを定数としてＤ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ）で定義されるデューティ比Ｄ２のＰＷＭ信号で駆動され、デューティ比Ｄ２も１００％に達した以降、ＰＷＭ信号の符号により決定されるモータ２０の回転方向に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。
【０００７】
一方、広く普及している油圧式パワーステアリング装置では、図１２に示すようにシリンダ圧Ｐに比例して（横軸Ｔは操舵トルク）、シリンダ部の摩擦が増加する特性を有し、この摩擦特性のためにヒステリシスを持つことになり、例えばコーナリング時にセルフアライニングトルクによってハンドルが急に戻されるのを防ぎ、ドライバの操舵感の向上にも役立っている。図１３はその様子を示しており、操舵トルクＴが急激にΔＴだけ変化した場合、ヒステリシスがない場合にはＰ１なるシリンダ圧が変化することになるが、ヒステリシスがある場合にはＰ２（＜Ｐ１）の変化となる。従って、ヒステリシスがあれば操舵トルクＴの変化に対して、シリンダ圧Ｐの変化を緩やかにすることができる。ここで、ヒステリシス幅は摩擦の大きさに応じて変化することが知られており、油圧シリンダのゴムパッキンでは、シリンダ圧の上昇に伴ってゴムが圧迫されることにより、クーロン摩擦が増えてヒステリシス幅が増える。そして、ドライバとしては中立点近くではセルフアライニングトルクを強く感じ、コーナリング時等にはセルフアライニングを余り感じないことが、操舵感の上で重要である。この意味から理想的には油圧式パワーステアリング装置のように、操舵角θが小さい領域では摩擦（ヒステリシス）が小さく、操舵角θが大きい領域では摩擦（ヒステリシス）が大きいことが望ましい。
【０００８】
これに対して、電動パワーステアリング装置では、図１４に示すようにアシストトルクＴに関係なく一定の摩擦を有する。電動パワーステアリング装置の場合、主にモータが持つクーロン摩擦が支配的であるため、操舵力によらず一定の摩擦特性を持つことが特徴であり、このため図１４に示すように一定幅のヒステリシス特性となる。但し、ヒステリシス幅は、油圧式パワーステアリング装置の高トルク時のヒステリシス幅よりも狭くなっている。従って、電動パワーステアリング装置では操舵トルクＴの小さい領域での摩擦特性を重視して、摩擦を補償するようにしている。しかしながら、このような補償による場合、図１５に示すように操舵トルクＴの大きい領域では摩擦が小さくなり過ぎ、結果としてコーナリング時等の操舵トルクＴが大きいときに、安定した操舵感を失なうことになっていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような問題を解決した制御装置として、例えば特開平９−１５６５２６号公報に示されるものがある。これは、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段を設け、前記操舵トルク検出手段から出力される検出信号に基づき、電気的なパワーアシスト手段のアシスト量を制御する車両用操舵制御装置において、前記操舵トルク検出手段の検出信号にヒステリシスを与える調整手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
調整手段を設けることにより、操舵トルク検出手段の検出信号にヒステリシスを与えることができる。よって、操舵トルクの検出信号に基づき、作動するパワーアシスト手段のヒステリシス特性を操舵状態に応じて可変することができるため、トルクアシスト量を最適化することが可能となる。 しかしながら、この従来装置では、操舵動作に断続感が残り、トルク制御系が不安定であると共に、新たにハードウェアの構成を具備するためにコストアップになるといった欠点がある。
【００１１】
また、本出願人による特開２０００−９５１３１で示されるように、ハンドル戻り時に負の微分ゲインを適応し、アシスト量の急激な減少を防ぎ、切り増し時に正の微分ゲインを適応して応答性を高め、結果として高トルク領域では大きなヒステリシス特性を、中立点近傍の低トルク領域では小さなヒステリシス特性を与えるようにしているものがある。しかしながら、この装置では、ハンドル戻りと切り増し操舵パターンにより、負と正の微分ゲインを切り換えることによって負と正の微分ゲインが離れ過ぎた場合、不自然な操舵感が発生する問題がある。
【００１２】
更に、走行速度及びステアリングホイールの操舵角度に拘らず快適な操舵感を得る装置として特開平１０−２９１４８１号に示されるものがあるが、制御系の安定性のみに着目しているため、アシストトルクの応答性の点で問題がある。
【００１３】
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、電動パワーステアリング装置にソフトウェア上の安価な構成で、連続的なヒステリシス特性を調整可能な幅で与えることにより、連続的で安定かつ快適な操舵感を得るようにし、ハンドルの操舵性能を向上した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。
【００１４】
【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、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える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、前記操舵トルクの信号を微分して前記操舵補助指令値に加算すると共に、前記微分のゲインが前記操舵トルク及び車速の増大に従って正の値から連続的に減小し、かつハンドルの切り増しの場合に、前記操舵トルク及び前記車速が所定値以上になった時に前記微分のゲインが正から負に変化する特性を有する補助演算手段を設けることによって達成される。
【００１５】
また、前記補助演算手段を前記演算手段と並列に接続すると共に、近似微分器、ゲイン調整器及び加算器で構成することにより、或は前記ゲイン調整器のゲインを、前記操舵トルクが小さくなるに従って大きく、前記操舵トルクが大きくなるに従って小さくなるようにすることにより、或は前記ゲイン調整器のゲインを、前記操舵トルクの所定領域において、前記車速が大きくなるに従って小さくなるようにすることによって、本発明の上記目的はより効果的に達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明では、アシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的として、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルク信号の微分に比例した値を、しかも操舵トルク及び車速の大きさに応じて微分ゲインを変化させて、制御系の応答性を高めるために加算している。このように微分ゲインを連続的に変化させることにより、操舵トルク、車速、操舵パターンなどの変化時の微分ゲインに大きな変化がないため、不自然な操舵感を防ぐことができ、快適な操舵性能を得ることができる。また、操舵トルクの小さな領域での微分ゲインを大きくすることにより、中立点近傍の応答性を高めて小さなヒステリシス特性が得られ、快適な操舵性能が得られると共に、操舵トルクの大きな領域での応答性及び安定性も保たれる。
【００１７】
更に、所定操舵トルクの領域において、車速が増加することに従って微分ゲインを小さく、負の微分ゲインを含むようにしており、これによりハンドル戻り時のアシスト量の急激な減少を防ぐことができ、等価的に大きなヒステリシス特性が得られ、コーナリング時の操舵安定性を実現している。
【００１８】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１９】
先ず本発明によるコントロールユニット３０Ａの構成を、図９に対応させて図１に示す。本発明では、位相補償器３１からの操舵トルクＴＡは操舵補助指令値Ｉを演算するための演算器３１０に入力され、演算器３１０は車速Ｖをパラメータとして操舵補助指令値Ｉを演算する。演算器３１０から出力された操舵補助指令値Ｉは加算器３１３に入力され、また、操舵トルクＴＡは近似微分器３１２で微分され、その微分出力信号は車速Ｖをパラメータとするゲイン調整器３１５に入力され、ゲイン調整された微分トルクＳＴＡが加算器３１３に入力され、加算器３１３で加算された電流指令値Ｉｒｅｆが加減算器３１４に入力されるようになっている。車速Ｖはパラメータとして、ゲイン調整器３１５に入力されている。近似微分器３１２、ゲイン調整器３１５及び加算器３１３で補助演算手段を構成している。
【００２０】
更に、コントロールユニット３０Ａ内のモータ角速度推定器３０１は、電流制御値Ｅ（モータ端子間電圧に対応）及びモータ電流値ｉよりモータ角速度ωを推定し、推定されたモータ角速度ωをロストルク補償器３０３及び収れん性制御器３０４に入力する。ロストルク補償器３０３及び収れん性制御器３０４の出力はそれぞれ加減算器３１４に入力され、ロストルク補償器３０３はモータ２０のロストルクの発生する方向、つまりモータ２０の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行ない、収れん性制御器３０４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いる。また、モータ角速度ωはモータ角加速度推定器（微分器）３０２に入力されてモータ角加速度が推定され、モータ角加速度は慣性補償器３０５に入力され、その補償信号が加減算器３１４に入力されている。慣性補償器３０５はモータ２０の慣性により発生する力相当分をアシストするものであり、慣性感又は制御の応答性の悪化を防止する。
【００２１】
ここにおいて、演算器３１０による操舵補助指令値Ｉの演算は、図２のブロック３１０Ａに示すような関数特性で演算出力され、△Ｉ／△ＴＡ＝Ｋとし、簡略化のためにＫ∝ＴＡなる関係を仮定する。近似微分器３１２の伝達関数はゲインを“１”として図２のブロック３１２のようになっており、その後段に接続されたゲイン調整器３１５のゲインＫｄｄは車速Ｖ及び操舵トルクＴに従って変化するようになっている。尚、Ｔ１は積分時定数であり、ｓはラプラス変数である。
図２のブロック図より、電流指令値Ｉｒｅｆについて下記数１が成り立つ。
【００２２】
【数１】
Ｉｒｅｆ＝Ｋ＋Ｋｄｄ・ｓ／（Ｔ１・ｓ＋１）
＝（Ｋ・Ｔ１・ｓ＋Ｋ＋Ｋｄｄ・ｓ）／（Ｔ１・ｓ＋１）
＝｛（Ｋ・Ｔ１＋Ｋｄｄ）ｓ＋Ｋ｝／（Ｔ１・ｓ＋１）
＝｛Ｋ／（Ｔ１・ｓ＋１）｝｛（Ｋ・Ｔ１＋Ｋｄｄ）ｓ／Ｋ＋１｝
ここで、下記数２が成り立つ。
【００２３】
【数２】
（Ｋ・Ｔ１＋Ｋｄｄ）／Ｋ＞Ｔ１
従って、上記数１の周波数特性は図３のようになる。
【００２４】
図３で示されるように、アシスト特性ゲインＫが小のときとアシスト特性ゲインＫが大のときとを比較すると、アシスト特性ゲインＫが大のときの周波数ａ以上の帯域では、アシスト特性ゲインＫの大小に拘らずゲインＧの差は小さい。即ち、周波数ａ以上の帯域では、アシスト特性ゲインＫの大小に拘らずほぼ一定の応答性が得られる。演算器３１０の出力である操舵補助指令値Ｉは、図４に示すように操舵トルクＴＡが小のときはアシスト特性ゲインＫが小で、操舵トルクＴＡが大のときはアシスト特性ゲインＫが大となっている。この結果、操舵トルクＴＡが小のときは、操舵トルクＴＡが大のときに比べて応答性が低下する。従って、図３のような特性をもたせることにより、高周波帯域での応答性を保ち、モータの摩擦や慣性の影響を補償することができる。
【００２５】
図５は本発明の動作例を示すフローチャートであり、車速ＶをV₂>V_１≧０として、先ず車速ＶがV₁より大きいか否かを判定し（ステップＳ１）、車速V_１以下の場合には微分ゲインＫｄｄをf₁(TA,V₁)とする（ステップＳ３）。また、車速ＶがＶ_１より大きい場合には更に車速ＶがV_２より大きいか否かを判定し（ステップＳ２）、車速V_２以下の場合には微分ゲインＫｄｄをf₂(TA,V_２)とする（ステップＳ４）。そして、車速ＶがＶ_２よりも大きい場合には、微分ゲインＫｄｄを下記数３とする（ステップＳ５）。
【００２６】
【数３】
Ｋｄｄ＝[f₂(TA,V_２) - f₁(TA,V₁)]×g(TA) + f₁(TA,V₁)
ここにおいて、本発明では微分ゲインＫｄｄを、車速Ｖをパラメータとして変化させると共に、操舵トルクＴＡに対して図６に示すように変化させる。即ち、図６は車速Ｖが０のときの操舵トルクＴＡと微分ゲインＫｄｄとの関係を示しており、操舵トルクＴＡの小さい領域において微分ゲインＫｄｄを大きく、操舵トルクＴＡが増加するに従って微分ゲインＫｄｄが小さくなるようにする。そして、図７に示すように、微分ゲインＫｄｄを所定の操舵トルクＴＡの領域において、車速Ｖが増加するに従って小さくなるようにする。
【００２７】
上述のように、車速Ｖが増加するに従って微分ゲインＫｄｄを小さくすることにより、等価的なアシスト特性のヒステリシスを調整することができる。微分ゲインＫｄｄが０になったときに、アシスト特性のヒステリシスは機械系の摩擦により定まる。そして、微分ゲインＫｄｄが負になったときに図８に示すように、アシスト特性のヒステリシスが機械系の摩擦によるヒステリシスより大きくなる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明では、アシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的として、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルクの微分に比例した値を、操舵トルク及び車速の大きさに応じて微分ゲインを変化させ、応答性及び安定性を高めるために加算している。このように微分した値で車速をパラメータとする大きさの信号をアシスト量に加算しているため、中立近傍での応答性とコーナリング時のアシスト量の急激な減少を両立でき、かつ不自然な操舵感を防ぐことができ、快適な操舵フィーリングを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の要部を示す伝達関数ブロック図である。
【図３】本発明の動作を説明するための図である。
【図４】演算器の特性例を示す図である。
【図５】本発明の動作例を示すフローチャートである。
【図６】本発明で使用する車速ゼロ時の微分ゲイン対操舵トルクの特性例を示す図である。
【図７】本発明で使用する車速増大時の微分ゲイン対操舵トルクの特性例を示す図である。
【図８】微分ゲイン負のときのヒステリシスを有するアシスト特性を示す図である。
【図９】電動パワーステアリング装置の一例を示すブロック構成図である
【図１０】コントロールユニットの一般的な内部構成を示すブロック図である。
【図１１】モータ駆動回路の一例を示す結線図である。
【図１２】油圧式パワーステアリング装置の動作例を示す図である。
【図１３】ヒステリシス特性の効果を説明するための図である。
【図１４】電動パワーステアリング装置の動作例を示す図である。
【図１５】電動パワーステアリング装置の動作例を示す特性図である。
【符号の説明】
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０ モータ
３０，３０Ａ コントロールユニット
３１２ 近似微分器
３１５ ゲイン調整器

Claims (4)

1. 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手段で演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える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、前記操舵トルクの信号を微分して前記操舵補助指令値に加算すると共に、前記微分のゲインが前記操舵トルク及び車速の増大に従って正の値から連続的に減小し、かつハンドルの切り増しの場合に、前記操舵トルク及び前記車速が所定値以上になった時に前記微分のゲインが正から負に変化する特性を有する補助演算手段を具備した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。
2. 前記補助演算手段が前記演算手段と並列に接続されると共に、近似微分器、ゲイン調整器及び加算器で成っている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記ゲイン調整器のゲインが、前記操舵トルクが小さくなるに従って大きく、前記操舵トルクが大きくなるに従って小さくなるようになっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
4. 前記ゲイン調整器のゲインが、前記操舵トルクの所定領域において、前記車速が大きくなるに従って小さくなるようになっている請求項２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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