JP4692058B2 - 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し、特にアンチロールオーバ制御の機能を有する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（アシスト）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（操舵補助力）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６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に連結されている。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に連結されている。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から電力が供給されると共に、イグニションキー１１からイグニション信号が供給され、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値Ｔと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいて、アシストマップ等を用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に基づいてモータ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（Micro Processor Unit）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７のようになる。

図７を参照して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で検出された操舵トルク値Ｔ及び車速センサ１２で検出された車速Ｖは、電流指令値Ｉｒｅｆを演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルク値Ｔ及び車速Ｖに基いてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆを決定する。電流指令値Ｉｒｅｆは加算器３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算器３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差Ｉ（Ｉｒｅｆ−Ｉｍ）が演算され、その偏差が操舵動作の特性改善のためのＰＩ制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された操舵補助指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更に駆動部としてのインバータ回路３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算器３２Ｂにフィードバックされる。インバータ回路３７は駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

また、加算器３２Ａには補償部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によってシステム系の補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようようになっている。補償部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４３と慣性３４２を加算部３４４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４１を加算部３４５で加算し、加算部３４５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

上述のような一般的な電動パワーステアリング装置において、ドライバが速い操舵をした場合には過度なヨーレート（横加速度）が発生し、その結果車両に大きなロール角が付く。このロール角はサスペンションのバネを圧縮する力となり、最初に入力した逆の方向に操舵した場合には、バネに貯留したエネルギーが一気に解放され、ロールオーバ（横転）を招く事態となる。

このロールオーバを防止するため、車両安定化制御（ＶＤＣ(Vehicle Dynamics Control(登録商標)、ＥＳＰ(Electronic Stability Program(登録商標)、ＶＳＣ(Vehicle Stability Control(登録商標)等を含む)によってブレーキを用いてロールオーバを抑制するように制御する機能を搭載した車両も増加して来ているが、ブレーキによる制御は車両運動に対して遅れがあると共に、人間の感覚として違和感を感じることが多く、車両の商品性が損なわれる可能性もある。

ロールオーバを抑制する制御として、特開２００４−９８１２号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１の装置は、コントローラがロール角により車両の横転傾向を判断し、横転傾向にあると判断したとき、電動パワーステアリングにより横転を抑制する方向の操舵力を操向車輪に付加することで、素早く横加速度を減じて横転（ロールオーバ）を抑制するようにしている。

また、特開２００４−２０３０８４号公報（特許文献２）に開示の車両の運動制御装置もロールオーバの抑制を制御しているが、ロールオーバ検出手段の検出によって制御している。
特開２００４−９８１２号公報 特開２００４−２０３０８４号公報 特開２０００−９５１３２号公報

上記特許文献１の装置ではヨーが発生し、その結果生じたロール角に基づいて制御しているため、車両安定化制御等で制御を実施したのと同様に不自然であり、ロールオーバの予防効果は小さい。また、特許文献２に記載の装置は種々の制御装置によるステア特性制御を実施してアンチロールオーバ性を実現しているが、目標操舵角を決定して行っている。上記特許文献１及び２の装置はいずれも、ロールオーバの制御はロールオーバ検出手段によるものである。

ここにおいて、車両運動の経路を考えると、図８に示すようにドライバの操舵は先ずトルクに現れ、以下順次舵角、ヨー、横加速度、ロール角の順に遅れを生じる。電動パワーステアリングの制御対象はトルクであるため、ロールオーバ状態の検出をロール角若しくはロール角速度で行うと大きな遅れを含むものとなり、確度の高い制御ができない問題がある。

また、ＳＵＶ（Sport Utility Vehicle）クラスの車両は一般の乗用車に比べ車高が高く、重心も高いのでアンチロールオーバ性が低い特性となっており、ロールオーバを生じ易い。特に近年ＳＵＶクラスの車両数が増加していることから、その横転事故も増えており、Ｊターンやフィッシュフックターン時においても、ロールオーバのない制御が強く望まれている。

更に特開２００−９５１３２号公報（特許文献３）はヨーレート微分値を推定し、ヨーレートにダンピングを与えているがアンチロールオーバ性を制御するものではない。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、ロールオーバが発生しないように、ドライバが早い操舵入力をすることができないようなアンチロールオーバ性を有する高性能な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。

また、本発明は操舵トルク値及び車速に基づいて電流指令値を演算する電流指令値演算部と、前記電流指令値に基づいてステアリング機構に操舵補助力を付与するモータを制御するモータ駆動制御部とを具備した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、前記車速の増大に従って小さくなる不感帯をヨー角加速度に設ける不感帯部と、前記車速の大きい領域のゲインが前記車速の小さい領域のゲインより大きく、かつ前記不感帯部からの信号をゲイン倍するゲイン部と、前記電流指令値から前記ゲイン部の出力を減算して得た結果を新たな電流指令値とする補償部とを具備することによって達成される。

本発明の上記目的は、前記ヨー角加速度をヨーレートの微分で求めることにより、或いは前記ヨーレートが、ヨーレート検出器で検出された値又は推定部で推定された値、或いはそれらに関連した信号であることにより、より効果的に達成される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、トルクに対して運動量の遅れの小さいヨーレートの検出値又は推定値或いはその関連値を入力し、ヨー角加速度に基づいてロールオーバを抑制している。

また、車速に基づいて不感帯幅を可変すると共に、ゲインを可変しているので、車両走行状態に応じた制御ができ、より安全なアンチロールオーバを実現することができる。

ロールオーバを引き起こす操舵入力は、操舵の切り始めと切り返しの速い舵角入力であり、かかる速い入力に対して過敏にヨーレート及び横加速度が発生することが要因であるので、過度なヨーレート変化が発生した場合には、速い操舵ができないようにステアリングにブレーキ力を持たせることが有効である。フィッシュフックターンのような場合を考えると、ステアリング系にブレーキ力を持たせることは、図１のフィッシュフックターンの操舵パターンにおいて、Ａ領域ではサスペンションに貯まるエネルギーの低減に寄与し、Ｂ領域ではサスペンション系に貯まったエネルギーの解放速度を低減できるため、ロールオーバの抑制が可能となる。ステアリング入力はロールオーバ発生の直接的要因であるため、予知防止とロールオーバ発生時の抑制の双方が可能である。ブレーキによる抑制はロールオーバが発生してからの抑制となる。

なお、図１において、時間Ｔ１はロール角速度が１．５ｄｅｇ／ｓｅｃとなる時間であり、時間Ｔ２は３ｓｅｃである。また、領域Ａは５０ｍｐｈ（ｍｉｌｅｓ／ｈｏｕｒ）にて０．３Ｇとなる操舵角×６．５で、操舵速度は７２０ｄｅｇ／ｓｅｃである。

このため、本発明では、ステアリング制御でドライバの操作を補助することによってロールオーバを抑制するようにする。図８に示す車両特性から、車両運動としてトルクに対してヨー又はヨーレートはロール角よりも遅れが小さいので、本発明ではロールオーバ状態の検出手段として、ヨー又はヨーレートを使用する。そして、ヨーレートの微分であるヨー角加速度が大きいときには、ドライバが速い操舵入力をできないようにモータアシストをヨー角加速度に応じて補正する。

以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図２は本発明の実施例を図７に対応させて示しており、ヨーレート検出器（図示せず）で検出されるか又は別途推定部で推定されたヨーレートＹ（或いはそれらに関連した信号）が正負最大値を入力制限するリミッタ３００に入力され、リミッタ３００で正負最大値を制限されたヨーレートＹａは微分回路３０１に入力されて微分され、ヨーレート変化率（ヨー角加速度）Ｙｂが求められる。ヨーレート変化率Ｙｂは更に車速Ｖに基づいて不感帯幅ＤＺを可変される不感帯部３０２に入力され、不感帯部３０２から出力されたヨーレート変化率Ｙｃはゲイン部３０３で車速Ｖの低中高速に対応してゲインを可変される。ゲイン部３０３の出力Ｙｄは、正負最大値を出力制限するリミッタ３０４を通して電流指令値Ｉｒｅｆから減算して補正するための補償部３０５に入力される。

なお、車速Ｖは不感帯部３０２及びゲイン部３０３に入力されている。

リミッタ３００の出力Ｙａを微分回路３０１で微分し、その微分されたヨー角加速度Ｙｂを内部の演算に使用している。ヨーレートＹそのものの信号では、定常円旋回（舵角が一定）状態でもロールオーバ制御が働く可能性があるため、本発明ではヨーレートＹを微分回路３０１で微分して使用している。つまり、ロールオーバ状態が発生するのは過度なヨーレートの急変時であるので、本発明ではヨー角加速度をロールオーバ制御に使用する。これにより、定常円旋回などのヨーレートが一定な場合には、余計な制御が働くことがない。

ヨー角加速度を内部演算に使用しているため、ヨーレートの変化率、つまりヨー角加速度が大きい場合にはロールオーバ状態になる可能性が高い。しかし、車速Ｖが低い場合にはロールオーバ状態になる可能性が低いため、不感帯を大きくしてロールオーバ制御の機能割合を少なくし、逆に車速Ｖが高い場合にはロールオーバ状態になる可能性が高いため、不感帯を小さくしてロールオーバ制御の機能割合を多くする必要がある。このため、本発明では図３に示すような不感帯幅ＤＺを有する不感帯部３０２を設けており、不感帯幅ＤＺは図４に示すように車速Ｖが大きいとき（高速）に狭く、車速Ｖが小さいとき（低速）に広くなる車速感応型となっている。

また、不感帯部３０２の後段には車速感応型のゲイン部３０３が設けられており、車速Ｖに対応して出力ゲインＧを可変している。即ち、図５に示すように車速Ｖが低い場合にはロールオーバ状態になる可能性が低いため、ゲインＧを小さくしてロールオーバ制御の機能割合を小さくし、車速Ｖが高い場合にはロールオーバ状態になる可能性が高いため、ゲインＧを大きくしてロールオーバ制御の機能割合を多くする。なお、本例では高中低の速度でゲインＧを可変しているが、連続可変等も可能である。

このような構成において、本発明の制御装置は図７で説明したと同様なアシスト制御を行うと共に、以下のアンチロールオーバ制御を実行する。

ヨーレート検出器で検出されるか又は別途推定部で推定されたヨーレートＹ（或いはそれらに関連した信号）が正負最大値を制限するリミッタ３００に入力され、正負最大値を制限されたヨーレートＹａは微分回路３０１で微分されてヨー角加速度Ｙｂとなる。ヨー角加速度Ｙｂは図３及び図４に示す特性を有する不感帯部３０２に入力され、車速Ｖに対応した不感帯幅ＤＺで不感帯を付せられたヨー角加速度Ｙｃは、図５に示す特性のゲイン部３０３に入力される。ゲイン部３０３でゲインＧ倍されたヨー角加速度Ｙｄは、出力の最大値を制限するリミッタ３０４を経て減算部３０５に減算入力される。

減算部３０５は、電流指令値演算部３１からの電流指令値Ｉｒｅｆとリミッタ３０４からのヨー角加速度Ｙｅとの差（Ｉｒｅｆ−Ｙｅ）を求め、この差（Ｉｒｅｆ−Ｙｅ）を新たな電流指令値として加算部３２Ａに入力する。従って、ヨーレートＹの変化率であるヨー角加速度（Ｙｅ）がリミッタ３０４から出力されて減算部３０５に入力されると、その分だけ電流指令値Ｉｒｅｆが減少するので、ステアリング制御でドライバの操作を補助してロールオーバを抑制することができる。つまり、ヨーレートの微分であるヨー角加速度が大きいときには、ドライバが速い操舵入力をできないようにモータアシストをヨー角加速度に応じて補正する。

なお、上述の実施例では不感帯部３０２及びゲイン部３０３は車速感応型で説明したが、固定型であっても良い。また、上述ではヨーレートの入出力部にリミッタ３００及び３０４を設けているが、少なくとも入力側に設ければ良い。

本発明によれば、ヨー角加速度に基づいてロールオーバを抑制しているので、ドライバが早い操舵入力を行おうとしてもロールオーバすることがなく、ドライバに不快感や違和感を与えることもなく、より安全なアンチロールオーバ機能を具備した高性能な電動パワーステアリング装置を実現することができる。

本発明の原理を説明するためのフィッシュフックターンの操舵パターン例を示す図である。 本発明の実施例を示すブロック構成図である。 不感帯部の特性例を示す特性図である。 不感帯の可変特性例を示す特性図である。 ゲイン部の特性例を示す特性図である。 一般的な電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。 コントロールユニットの一例を示すブロック構成図である。 車両運動を説明するための図である。

符号の説明

１ 操向ハンドル
２ コラム軸
３ 減速ギア
１０ トルクセンサ
１１ イグニションキー
１２ 車速センサ
１４ バッテリ
２０ モータ
３０ コントロールユニット
３１ 電流指令値演算部
３３ 電流制限部
３４ 補償部
３５ ＰＩ制御部
３６ ＰＷＭ制御部
３７ インバータ回路
３００、３０４ リミッタ
３０１ 微分回路
３０２ 不感帯部
３０３ ゲイン部

Claims (3)

1. 操舵トルク値及び車速に基づいて電流指令値を演算する電流指令値演算部と、前記電流指令値に基づいてステアリング機構に操舵補助力を付与するモータを制御するモータ駆動制御部とを具備した電動パワーステアリング装置の制御装置において、
   前記車速の増大に従って小さくなる不感帯をヨー角加速度に設ける不感帯部と、前記車速の大きい領域のゲインが前記車速の小さい領域のゲインより大きく、かつ前記不感帯部からの信号をゲイン倍するゲイン部と、前記電流指令値から前記ゲイン部の出力を減算して得た結果を新たな電流指令値とする補償部と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. 前記ヨー角加速度をヨーレートの微分で求めるようになっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記ヨーレートが、ヨーレート検出器で検出された値又は推定部で推定された値、或いはそれらに関連した信号である請求項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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