JP4696572B2 - 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、特にハンドルの切増し切戻し方向に基づいてセルフアライニングトルクを補償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（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を経てイグニションキー信号が供給され、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で検出されて入力される操舵トルク値Ｔ及び車速センサ１２からの車速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は減算器３２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３３に入力される。ＰＩ制御部３３で特性改善された操舵補助指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３４に入力され、更に駆動部としてのインバータ回路３５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３６で検出され、減算器３２にフィードバックされる。インバータ回路３５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。

このような電動パワーステアリング装置はセルフアライニング機能を有する。即ち、転舵後に直進状態に戻る過程で、ドライバがハンドルを回転させる力を緩めるか零（いわゆる手放し状態）にすれば、車輪は自動的に中立位置方向に戻ろうとする。この中立位置方向に戻ろうとするセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）は、車速が大きい程大きい。この時、電動パワーステアリング装置においては、先ず車輪が例えば右に転舵しているものとすれば、セルフアライニング機能により車輪は中立位置方向（左方向）に動く。そして、ドライバがハンドルを回転させる力は零なので、操舵トルクも本来は零のはずである。従って、トルクセンサにより検出される操舵トルク値も零になり、モータは通電されず、操舵補助力を発生せず、ステアリング装置に接続されたまま左方向に回転する。勿論、ハンドルも左へ回転する。

しかしながら、従来の電動パワーステアリング装置においては、モータのロータや車両及びステアリング系のフリクションに相当する摩擦力等により、低速走行時に転舵後のハンドルの戻りが悪く、また高速走行時にハンドルの戻り感やフリクション感等のオンセンタ感が悪いという問題点があった。即ち、低速でドライバがハンドルを回転させて転舵した後に直進状態に戻る過程において、マニュアルステアリング装置や油圧パーワーステアリング装置に比べ戻りが悪く、甚だしい場合には、ドライバがハンドルを直進方向へ回転し直す必要があった。また、高速において車線変更や方向修正のために転舵した後に直進に戻る過程（特に手放し状態で戻る過程）において、セルフアライニング機能により車輪が中立位置方向に戻ろうとする時にも、真ん中（中立位置）まで戻りきらず、甚だしい場合にはドライバがハンドルを直進方向へ回転し直す必要があった。

このような不具合を解消する方法として、フリクションを補正又は打ち消すハンドル戻り補正部として路面反力トルク検出器を用い、この路面反力トルク検出器としてハンドルの回転角度を検出するハンドル角検出器を有し、ハンドル角検出器より出力されるハンドル角信号に基づいてハンドル戻し補正量を求め、且つこの補正量を、ハンドル及びステアリング系の回転或いは運動の方向によるフリクションのアンバランスを調整できるようにすることで、ハンドル戻り特性の左右差を解消するように構成したものが提案されている。

同様に、フリクションを補正或いは打ち消すハンドル戻り補正部としての路面反力トルク検出器を路面反力トルク推定手段により構成し、この路面反力トルク推定手段により、操舵トルク検出器の出力に、モータの電流を検出する電流検出器の出力から演算されるステアリング軸換算のモータトルクを加算すると共に、ステアリング軸換算のモータ慣性トルクを減算して得られる値に、ローパスフィルタ或いは遅延フィルタ処理を施して路面反力トルク推定信号を生成し、この路面反力トルク推定信号に基づいてハンドル戻し補正量を求め、且つこの補正量をハンドル及びステアリング系の回転或いは運動の方向によるフリクションのアンバランスを調整できるようにすることで、ハンドル戻り特性の左右差を解消するように構成したものもある。

この従来例は、低車速においては、手放し時にハンドルの戻りを改善する効果は期待できるが、車両のフリクションが大きな場合には、ハンドルの切増し時に操舵力が重くなり過ぎる欠点があった。一般に、カーブでの旋回中のハンドル切増し時におけるパワーアシスト無し時のマニュアル操舵力は、路面からの反力に操舵系のフリクションを加算した値となり、路面反力よりフリクション分だけ更に重くなり、逆にハンドル戻し時には、路面反力から操舵系のフリクションを減算した値となり、路面反力よりフリクション分軽くなり、これがハンドル戻りを悪化させる主原因となっている。このため、特に車両及びステアリング系のフリクションの値が大きい車では、フリクションに打ち勝ってハンドルを戻すためのハンドル戻し補正量が大きくなる傾向があり、切増し時と切戻し時に補正を路面反力に基づいて同一係数で実施すると、特に大舵角からの良好なハンドル戻りを要求される低速走行時におけるカーブでの旋回時のハンドル切戻し切増し時に重くなり過ぎ、大きなアンバランスが生じる欠点があった。

このような問題を解決するものとして、特開２００２−２９４４１号公報（特許文献１）に示される電動式ステアリング装置の制御装置がある。この制御装置は、ハンドルから車輪までの操舵トルク伝達機構中に介挿され、ドライバによる操舵トルクを補助するトルクを発生する電動モータを備えた電動パワーステアリング装置であり、モータのロータのフリクションや車両及びステアリング系のフリクションを補正するハンドル戻り補正部と、ハンドルの切増しと切戻しを判別する操舵状態判別補償部とを備え、ハンドル戻り補正部の補正量をハンドルの切増しと切戻し方向によって異なった値に設定するようにしている。
特開２００２−２９４４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、セルフアライニングトルクを考慮したものではなく、ハンドルの低速回転時のハンドル戻りの悪さだけを問題にしている。そのため、車両の路面反力が強過ぎて、ハンドルが急に戻り過ぎる場合があり、その解決が強く望まれていた。

また、近年は電動パワーステアリングを搭載した車両の大型化が進んできており、従来の小型車両の制御では良好な操舵フィーリング（特にハンドル切増しと切戻し）を実現できないという問題がある。

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、セルフアライニングトルクを考慮することにより、ハンドル戻りが悪い場合と戻り過ぎる場合の両方に対応可能で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。

本発明は、操舵トルク検出手段からの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、モータの電流値及び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前記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、セルフアライニングトルクを検出若しくは推定するセルフアライニングトルク部と、ハンドルの切増し切戻しを判定する切増し切戻し判定部と、前記切増し切戻し判定部の出力に従って前記セルフアライニングトルクをゲイン変化させるゲイン部とを設け、前記ゲイン部から出力されるセルフアライニング補償値を前記電流指令値から減算することにより達成される。

本発明の上記目的は、前記切増し切戻し判定部が前記切増しを判定したときに前記ゲインを０若しくは正とし、前記切戻しを判定したときに前記ゲインを負とすることにより、或いは前記切増し切戻しの判定を前記操舵トルク値及び角速度に基づいて行うことにより、或いは前記切増し切戻しの判定を前記操舵トルク値に基づいて行うことにより、より効果的に達成される。

また、本発明は、操舵トルク検出手段からの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、モータの電流値及び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前記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、セルフアライニングトルクを検出若しくは推定するセルフアライニングトルク部と、ハンドルの切増し切戻しを判定する切増し切戻し判定部と、前記切増し切戻し判定部の出力に従って前記セルフアライニングトルクをゲイン変化させるゲイン部と、角速度を関数変換する関数変換部と、前記ゲイン部から出力されるセルフアライニング補償値を前記関数変換部から出力される角速度関数と乗算する乗算部とを設け、前記乗算部の乗算結果を前記電流指令値から減算することにより達成される。

本発明の上記目的は、前記切増し切戻し判定部が前記切増しを判定したときに前記ゲインを０若しくは正とし、前記切戻しを判定したときに前記ゲインを負とすることにより、或いは前記切増し切戻しの判定を前記操舵トルク値及び角速度に基づいて行うことにより、或いは前記切増し切戻しの判定を前記操舵トルク値に基づいて行うことにより、或いは前記関数変換部の関数を１次遅れ関数とすることにより、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、ハンドル戻り時のみに負のゲインを乗じることにより、路面反力によるハンドル戻りにパワーステアリングでブレーキをかけるように制御しており、ハンドルが戻り過ぎることはない。また、高速回転時にゲインが大きくブレーキになり、低速回転時にゲインを小さくして余計なアシストトルクを発生させないようにしているので、強すぎる路面反力によってハンドルが急回転することもない。

本発明はセルフアライニングトルクを考慮してハンドル戻りを制御しているので、小型車のみならず大型車においても良好な操舵フィーリングを実現することができる。

図１は本発明の実施例を図７に対応させて示しており、トルクセンサ（図示せず）からの操舵トルク値Ｔは電流指令値演算部３１に入力されると共に、切増し切戻し判定部４０に入力され、車速センサ（図示せず）からの車速Ｖは電流指令値演算部３１に入力され、電流指令値演算部３１で演算された電流指令値Ｉｒｅｆは減算器４３に入力される。また、切増し切戻し判定部４０には、測定若しくは推定された角速度ωが入力され、切増し切戻し判定部４０で判定された判定信号ＤＳはゲイン部４２に入力され、セルフアライニングトルク部４１で測定若しくは推定されたセルフアライニングトルクＳＡＴは、ゲイン部４２でゲインＧ倍（Ｇ・ＳＡＴ）されて減算器４３に入力される。減算器４３での減算結果（Ｉｒｅｆ−Ｇ・ＳＡＴ）は電流指令値Ｉｒｅｆ１として加算器４４に入力され、特性を改善するための補償部５０からの補償信号ＣＭも加算器４４に入力される。

補償部５０は慣性５１及び収れん性５２を加算器５３で加算し、その加算結果を補償信号ＣＭとして加算器４４に入力する。加算器４４での加算結果（Ｉｒｅｆ１＋ＣＭ）は電流指令値Ｉｒｅｆ２として減算器３２に入力され、ＰＩ制御部３３、ＰＷＭ制御部３４及びインバータ３５を経てモータ２０が制御される。

切増し切戻し判定部４０は、図２に示すように操舵トルク値Ｔと角速度ωの符号が同一の場合に切増しと判定し、操舵トルク値Ｔと角速度ωが異符号の場合に切戻しと判定して２値（切増し、切戻し）の判定信号ＤＳを出力する。また、特開２００３−１７０８５６で示されるように操舵トルク値Ｔの符号と操舵トルク変化率の符号とが同一で、かつ操舵トルク変化率の絶対値が所定値以上のときに切増しと判定し、操舵トルク値Ｔの符号と操舵トルク変化率の符号とが異符号で、かつ操舵トルク変化率の絶対値が所定値以上のときに切戻しと判定するようにしても良い。つまり、角速度ωを用いることなく、操舵トルク値Ｔのみで切増しと切戻しを判定することができる。

また、セルフアライニングトルクＳＡＴの推定は、例えば特開２００２−２７４４０５で示されるようにモータ回転信号及びモータ電流指令値を用いて外乱オブザーバ構成によって行っても良い。

このような構成において、モータ２０は電流指令値演算部３１で演算された電流指令値Ｉｒｅｆで制御されるが、本発明では電流指令値ＩｒｅｆにセルフアライニングトルクＳＡＴをゲイン部４２でゲインＧ倍されたセルフアライニングトルクＧ・ＳＡＴを減算して電流指令値Ｉｒｅｆ１（＝Ｉｒｅｆ−Ｇ・ＳＡＴ）にすると共に、電流指令値Ｉｒｅｆ１に補償信号ＣＭを加算して電流指令値Ｉｒｅｆ２（＝Ｉｒｅｆ１＋ＣＭ）としている。ゲイン部４２のゲインＧは切増し切戻し判定部４０の判定信号ＤＳに従って切替えられ、切戻しの場合に正、切増しの場合に負のゲインＧが２値で与えられる。即ち、図３に示すように切戻し時のゲインが“−１．０”であれば切増し時のゲインは“０”、切戻し時のゲインが“−０．８”であれば切増し時のゲインは“＋０．２”というように設定されている。これにより、ハンドルが戻り過ぎる場合は戻り時のみに負のゲインが乗ぜられるので、路面反力によるハンドル戻りにパワーステアリングでブレーキをかけるように作用する。切増しの場合には正のゲインを乗ぜられて減算されるので、操舵力が軽減される。

図４は、本発明の他の実施例を図１に対応させて示しており、強すぎる路面反力によってハンドルが急回転することが問題であるので、角速度ωの関数変換部４５を設け、関数変換された角速度ｆ（ω）をセルフアライニングトルクＳＡＴの補償値Ｇ・ＳＡＴと乗算部４６で乗算して減算器４３に入力する。この場合、高速回転時にゲインが大きくブレーキになり、低速回転時はゲインを小さくして余計なアシストトルクを発生させないようにするため、関数変換部４５の特性は図５に示すような１次遅れ関数となっている。低速回転時はドライバが手で保持しているが、路面反力が小さいと考えられるからである。

このような構成において、図１の実施例と同様に、セルフアライニングトルクＳＡＴは切増し切戻し判定部４０の判定結果に従ってゲイン部４２でゲインＧ倍され、そのセルフアライニングトルクＧ・ＳＡＴが乗算部４６に入力される。角速度ωは関数変換部４５で関数変換ｆ（ω）されて乗算部４６に入力され、ゲイン部４２からのセルフアライニングトルクＧ・ＳＡＴと乗算されて減算部４３に入力される。減算部４３では電流指令値Ｉｒｅｆ１から乗算部４６の出力（＝Ｇ・ＳＡＴ・ｆ（ω））を減算して電流指令値Ｉｒｅｆ１を生成すると共に、加算部４４で電流指令値Ｉｒｅｆ１に補償部５０からの補償信号ＣＭを加算して電流指令値Ｉｒｅｆ２（＝Ｉｒｅｆ１＋ＣＭ）としている。

このように、本実施例によればＳＡＴ補償値に操舵速度（ω）感応のゲインｆ（ω）が乗ぜられるので、高速回転時にゲインが大きくブレーキになり、低速回転時はゲインが小さくて余計なアシストトルクを発生することがない。また、低摩擦路などのハンドル戻りが弱い場合は、ステアリングトルクも小さいため、バランスがとれて良好な操舵フィーリングが得られる。

なお、上述の実施例では関数変換部の関数を１次遅れ関数としているが、１次関数でも良い。

本発明によれば、セルフアライニングトルクをハンドル切増し又は切戻しの判定結果に従って正負ゲインでゲイン倍し、その信号を電流指令値から減算するようにしているので、路面反力によるハンドル戻りに対してブレーキをかけることができ、ハンドルが戻り過ぎることがなくなり、高性能なパワーステアリング装置を実現することができる。

本発明の実施例を示すブロック構成図である。 本発明における切増し切戻しの判定例を説明するための図である。 ゲイン部のゲイン例を示す図である。 本発明の他の実施例を示すブロック構成図である。 関数変換部の特性例を示す図である。 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。

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
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 ＰＩ制御部
３４ ＰＷＭ制御部
３５ インバータ回路
４０ 切増し切戻し判定部
４１ セルフアライニングトルク
４２ ゲイン部
４５ 関数変換部
４６ 乗算部
５０ 補償部

Claims (9)

1. 操舵トルク検出手段からの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、モータの電流値及び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前記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、セルフアライニングトルクを検出若しくは推定するセルフアライニングトルク部と、ハンドルの切増し切戻しを判定する切増し切戻し判定部と、前記切増し切戻し判定部の出力に従って前記セルフアライニングトルクをゲイン変化させるゲイン部とを具備し、前記ゲイン部から出力されるセルフアライニング補償値を前記電流指令値から減算するようになっている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. 前記切増し切戻し判定部が前記切増しを判定したときに前記ゲインを０若しくは正とし、前記切戻しを判定したときに前記ゲインを負とす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. 前記切増し切戻しの判定を前記操舵トルク値及び角速度に基づいて行う請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
4. 前記切増し切戻しの判定を前記操舵トルク値に基づいて行う請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
5. 操舵トルク検出手段からの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、モータの電流値及び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前記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、セルフアライニングトルクを検出若しくは推定するセルフアライニングトルク部と、ハンドルの切増し切戻しを判定する切増し切戻し判定部と、前記切増し切戻し判定部の出力に従って前記セルフアライニングトルクをゲイン変化させるゲイン部と、角速度を関数変換する関数変換部と、前記ゲイン部から出力されるセルフアライニング補償値を前記関数変換部から出力される角速度関数と乗算する乗算部とを具備し、前記乗算部の乗算結果を前記電流指令値から減算するようになっている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。
6. 前記切増し切戻し判定部が前記切増しを判定したときに前記ゲインを０若しくは正とし、前記切戻しを判定したときに前記ゲインを負とするようになっている請求項５に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
7. 前記切増し切戻しの判定を前記操舵トルク値及び角速度に基づいて行う請求項５又は６に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
8. 前記切増し切戻しの判定を前記操舵トルク値に基づいて行う請求項５又は６に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
9. 前記関数変換部の関数が１次遅れ関数である請求項５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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