JP4872298B2 - 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、操舵トルク及び車速に基づいてステアリングのアシスト量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の改良に関し、特に何らかの要因（ステアリングジオメトリ、サスペンション等）で違和感の生じる電動パワーステアリング装置のハンドル戻し制御（アクティブリターン）を改善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のステアリングシャフト（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。ステアリングシャフト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（アシスト）するモータ２０が減速ギア３を介してステアリングシャフト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からイグニションキー信号が入力されている。また、ステアリングシャフト２には操舵角を検出するための舵角センサ１５が配設されており、舵角センサ１５からの操舵角θはコントロールユニット３０に入力される。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とに基づ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。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。

コントロールユニット３０の機能及び動作を図７に基づいて説明すると、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、舵角センサ１５からの操舵角θ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に基づいてモータ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の出力と共に、比例演算器３５及び積分演算器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、モータ２０が駆動される。モータ２０の電流ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、減算器３０Ａにフィードバックされる。

このような電動パワーステアリング装置において、特開昭６２−１８７６５３（特許文献１）では車両の走行状態によらず、車速が低速と高速の場合にアッカーマンステアリングジオメトルとパラレルステアリングジオメトルを、ステアリングラックを前後に可変とすることにより操舵フィーリングを向上させるようにしたステアリング装置を提案している。即ち、左右前輪に取り付けられたナックルアームをタイロッドを介して連結し、ハンドル操舵によって左右方向へ移動される連結部材と、この連結部材を車両前輪方向へ移動させる移動手段とを設け、ハンドル操舵によって定まる左輪と右輪の操舵角の関係を変更するようにしている。

また、特許第３５５１１４７（特許文献２）では、アシストトルクの減算方法としてハンドル戻し制御（アクティブリターン）を開示している。即ち、舵角センサを用いてハンドルを中立点に戻すハンドル戻し制御部を設け、常時ハンドル戻し制御を行うと共に、収れん性制御を行い、舵角速度が大きいほど戻し電流を抑えることにより、ハンドル戻し制御と収れん性制御のバランスをとるようにしている。
特開昭６２−１８７６５３ 特許第３５５１１４７

上記特許文献１の装置では、車両の操作性（旋回性能）に関する根本の原因（ステアリングジオメトリ）をジオメトリ可変システムを導入することで解決しているが、操舵力の違和感を補償するものではない。また、新規システム（ジオメトリ可変システム）が必要になるため、コストアップとなる。

特許文献２の装置はハンドル戻りに重点を置いており、操舵角−戻し電流テーブルは適切なハンドル戻りのために設定され、操舵力の違和感を補償するものではない。

ここにおいて、車両レイアウト等の要因により操舵角と操舵トルクの関係が、運転者に違和感を与える関係となる車両がある。例として、パラレルジオメトリに近い特性のステアリングジオメトリの採用が増加しているが、完全なパラレルジオメトリで設計された車両とアッカーマンジオメトリで設計された車両は、低速時の操舵角と操舵トルクの関係は図８及び図９に示すような特性となる。図８はパラレルジオメトリの操舵角−操舵トルク特性を示しており、操舵角が小さいときには操舵角の増加に伴い操舵トルクも大きくなり、途中から操舵角が大きくなるに従って操舵トルクも小さくなる特性になっている。これが、運転者に違和感を与える要因となっている。また、図９は理想的なアッカーマンジオメトリでの操舵角−操舵トルク特性を示しており、操舵トルクは操舵角に直線的に比例して増加している。

このようにパラレルジオメトリで設計された車両では、旋回内輪の横すべり角が反対向きに転じるためにＳＡＴ（セルフアライニングトルク）が発散側に転じ、操舵角が大きくなると操舵トルクが軽くなり、運転者に違和感を与える。

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、ハンドル戻し制御により操舵角に応じた操舵フィーリングの補正を行うことにより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。本発明は、操舵角−戻し電流テーブルを車両の操舵角−操舵力の関係を補正するための設計とすることにより、車両側の問題による操舵力の違和感を補償する。

本発明は、モータが発生する操舵補助力をステアリング機構に伝達して操舵力を軽減させる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、ステアリングシャフトの操舵角を検出する舵角センサと、前記ステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサと、車速を検出する車速検出手段と、前記操舵角、前記操舵角の舵角速度、前記操舵トルク及び前記車速に基づいて前記モータを制御する制御手段とを具備し、前記制御手段がハンドル戻し制御部を有し、前記ハンドル戻し制御部が、前記操舵角に基づいてハンドル戻し基本電流値を求めるハンドル戻し基本電流部と、前記舵角速度に基づいて舵角速度感応ゲインを求める第１ゲイン部と、前記車速に基づいて車速感応ゲインを求める第２ゲイン部と、前記ハンドル戻し基本電流値及び前記舵角速度感応ゲインを乗算する第１乗算部と、前記第１乗算部の乗算結果に前記車速感応ゲインを乗算する第２乗算部と、前記第２乗算部の出力を正負の上下最大値で制限するリミッタとで構成され、前記リミッタから出力されるハンドル戻し制御信号を前記制御手段に入力することにより、前記操舵角に応じた操舵フィーリングを補正することにより達成される。

本発明の上記目的は、前記ハンドル戻し基本電流部が、前記操舵角が０のときに前記ハンドル戻し基本電流値も０、前記操舵角が０から負方向に行くに従って前記ハンドル戻し基本電流値は徐々に正方向に大きくなり、前記操舵角が０から正方向に行くに従って前記ハンドル戻し基本電流値は徐々に負方向に大きくなる特性を有し、前記第１ゲイン部が、前記舵角速度が０のときに前記舵角速度感応ゲインは１であり、前記舵角速度が大きくなるに従って前記舵角速度感応ゲインも徐々に小さくなる特性であり、前記第２ゲイン部が、前記車速が０のときに前記車速感応ゲインは１であり、前記車速が大きくなるに従って前記車速感応ゲインも徐々に小さくなる特性であることにより、或いは前記ハンドル戻し制御信号が出力制御部を経て前記制御手段に入力され、装置の異常及び禁止信号が条件信号として前記出力制御部に入力されたとき、前記ハンドル戻し制御信号の前記制御手段への入力を停止するようになっていることにより、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、ステアリングジオメトリに拘わらず、理想的な反力特性を再現することができる。本発明では常時収れん性制御を行うと共に、戻し制御も常時に行うようにしている。そのため、舵角速度に応じて戻し制御を調整することによって、収れん性制御とのバランスをとることで両者の利点を全領域で生かし、良好な操舵フィーリングを得ることができる。

また、本発明では、ハンドル戻し制御の出力を舵角速度に応じた出力ゲインで調整し、舵角速度が高いときの戻し電流を抑えることによって、ハンドル戻し電流が収れん性に与える悪影響を低減することができる。このことにより、ハンドル戻し制御と収れん性制御を常時並行して動作させることができ、両者の利点を損なうことなく、確実な中立点へのハンドル戻りと、素早い収れん性を両立させることができる。

本発明は、モータが発生する操舵補助力をステアリング機構に伝達し、操舵補助力を軽減させる電動パワーステアリング装置の制御装置であり、ステアリングシャフトの操舵角を検出する舵角センサと、操舵角の角速度を得る手段と、ステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサと、車速を検出する車速検出手段とを有しており、得られた操舵角、舵角速度、操舵トルク及び車速に応じたハンドル戻し制御電流を求め、ハンドル戻し制御電流で電流指令値を補正している。つまり、操舵角−戻し電流テーブルを車両の操舵角−操舵力の関係を補正するための設計とし、車両側の問題による操舵力の違和感を補償している。

本発明では、パラレルジオメトリのような操舵角と操舵トルクの特性を示す車両において、操舵角に応じてハンドル戻し制御電流によって電流指令値を補正し、大きな操舵角に対して操舵反力を付けることにより、運転者が望む操舵フィーリングを得ている。これにより、ステアリングジオメトリに拘わらず、理想的な反力特性を再現することができる。

以下に本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図１は本発明による制御装置例を示すブロック図であり、ステアリングシャフトに取り付けられたトルクセンサからの操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部１００及びセンター応答性改善部１０１に入力され、各出力が加算部１０２に入力され、その加算結果（電流指令値Ｉｒ１）がロバスト安定化補償部１０３に入力されている。センター応答性改善部１０１は、アシスト特性不感帯での安定性確保、静摩擦の補償を行い、ロバスト安定化補償部１０３は、検出トルクに含まれる慣性要素とバネ要素から成る共振系の共振周波数のピーク値を除去し、制御系の安定性と応答性を阻害する共振周波数の位相ずれを補償するものである。ロバスト安定化補償部１０３で補償された電流指令値Ｉｒ２は加算部１０４に入力される。

また、車速センサ等からの車速Ｖは操舵補助指令値演算部１００に入力されると共に、ハンドル戻し制御部１３０に入力されている。車両には加速度センサが搭載されており、前後方向に対する加速度加速度信号が得られるので、ＣＡＮ（controller area network）経由等で取得して積分することによって速度Ｖを得ることも可能である。

また、加算部１０４には補償信号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。即ち、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）１１０と慣性１１１を加算部１１３で加算し、その加算結果に更に収れん性１１２を加算部１１４で加算し、加算部１１４の加算結果を補償信号ＣＭとしている。慣性補償は、モータ慣性を加減速させるトルクを操舵トルクから排除し、慣性感のない操舵感にし、収れん性制御は、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。

加算部１０４で補償された電流指令値Ｉｒ３はモータロス電流補償部１２０に入力され、その出力（電流指令値Ｉｒ４）が加算部１２１に入力される。モータロス電流補償部１２０は、モータ電流が流れてもモータ出力に現れない電流を上乗せして、モータ出力トルクのゼロからの立ち上りを改善する。

更に、ステアリングシャフトに取り付けられている舵角センサからの操舵角θはハンドル戻し制御部１３０に入力され、微分部１３１で微分された舵角速度ωもハンドル戻し制御部１３０に入力される。ハンドル戻し制御部１３０には車速Ｖも入力されており、ハンドル戻し制御部１３０からのハンドル戻し制御信号ＨＲは、条件信号ＣＮで制御される出力制御部１４０を経て減算部１２１に入力される。

減算部１２１には、ハンドル戻し制御部１３０からのハンドル戻し制御信号ＨＲが出力制御部１４０を経て減算入力され、ハンドル戻し制御部１３０には車速Ｖ、操舵角θ及び舵角速度ωが入力されている。舵角速度ωとしては、本例では舵角センサからの操舵角θを微分部１４１で微分した微分値（ｄθ／ｄｔ）を用いているが、モータ角速度推定部（図示せず）によって推定されたモータ角速度、或いは舵角速度センサを設け、その舵角速度センサからの値を利用するものであってもよい。

モータロス電流補償部１２０から出力される電流指令値Ｉｒ４は減算部１２１でハンドル戻し制御信号ＨＲを減算され、その減算値である電流指令値Ｉｒ５（＝Ｉｒ４−ＨＲ）は更に減算部１２２に入力され、フィードバックされているモータ電流値ｉとの偏差Ｉ（Ｉｒ５−ｉ）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１２３に入力される。ＰＩ制御部１２３で特性改善された操舵補助指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部１２４に入力され、更に駆動部としてのインバータ１２５を介してモータ１２６がＰＷＭ駆動される。モータ１２６の電流値ｉはモータ電流検出器１２７で検出され、減算部１２２にフィードバックされる。インバータ１２５の駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

図２はハンドル戻し制御部１３０の構成例を示しており、操舵角θに基づいて所定関数でハンドル戻し基本電流値Ｉｒｈを出力するハンドル戻し基本電流部１３１と、舵角速度ωを入力して所定関数により舵角速度ωに応じた舵角速度感応ゲインＧ１（最大値“１”）を出力するゲイン部１３２と、車速Ｖを入力して所定関数により車速Ｖに応じた車速感応ゲインＧ２（最大値“１”）を出力するゲイン部１３３と、ハンドル戻し基本電流１３１からのハンドル戻し基本電流値Ｉｒｈとゲイン部１３２からの舵角速度感応ゲインＧ１とを乗算する乗算部１３４と、乗算部１３４からの出力Ｉｒｈ・Ｇ１をゲイン部１３３からの車速感応ゲインＧ２と乗算する乗算部１３５と、乗算部１３５から出力される電流値Ｉｒｈ・Ｇ１・Ｇ２を正負の上下最大値で制限するリミッタ１３６とで構成されている。

図３はハンドル戻し制御部１３０の動作例を示しており、先ず舵角センサから操舵角θを入力して読取り（ステップＳ１）、中立点θｃを基準とした操舵角θを確定する（ステップＳ２）。操舵角θの確定は読取値をθｒとすれば、θ＝θｒ−θｃで求められる。そして、ハンドル戻し基本電流部１３１は操舵角θからハンドル戻し基本電流値Ｉｒｈを求め（ステップＳ３）、次に舵角速度ωを入力して読込む（ステップＳ４）。そして、舵角速度ωを入力することで、ゲイン部１３２から舵角速度感応ゲインＧ１が出力され（ステップＳ５）、更に乗算部１３４で電流値Ｉｒｈ・Ｇ１が演算される（ステップＳ６）。次に車速Ｖを入力して読取り（ステップＳ７）、ゲイン部１３３から車速感応ゲインＧ２が出力され（ステップＳ８）、乗算部１３５において電流値Ｉｒｈ・Ｇ１・Ｇ２を乗算し（ステップＳ９）、リミッタ１３６を経てハンドル戻し制御信号ＨＲを出力する（ステップＳ１０）。

なお、操舵角θ、舵角速度ω及び車速Ｖの入力の順番は任意であり、結果的に電流値Ｉｒｈ・Ｇ１・Ｇ２を求めることができれば良い。

また、出力制御部１４０は、条件信号ＣＮによってハンドル戻し制御信号ＨＲの減算部１２１への入力をＯＮ／ＯＦＦ制御し、舵角センサの異常時、ホールセンサの異常時、アシスト停止時に条件信号ＣＮによってハンドル戻し制御信号ＨＲの減算部１２１への入力を停止（ＯＦＦ）するようになっている。

このような構成において、その動作を説明する。

条件信号ＣＮによって出力制御部１４０がＯＦＦされている場合には、ハンドル戻し制御部１３０からのハンドル戻し制御信号ＨＲは減算部１２１に入力されない。即ち、操舵補助指令値演算部１００は操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいて補助電流指令値Ｉｒｅｆを演算し、センター応答性改善部１０１からの改善信号を加算部１０２で加算した電流指令値Ｉｒ１をロバスト安定化補償部１０３に入力し、ロバスト安定化された電流指令値Ｉｒ２が加算部１０４に入力される。加算部１０４ではＳＡＴ１１０、慣性１１１及び収れん性１１２による補償信号ＣＭが電流指令値Ｉｒ２に加算され、その電流指令値Ｉｒ３がモータロス電流補償部１２０で補償され、減算部１２１及び１２２を経てＰＩ制御部１２３に入力され、ハンドル戻し制御信号ＨＲのない通常のアシストが実行される。

一方、条件信号ＣＮによって出力制御部１４０がＯＮされている場合には、ハンドル戻し制御部１３０からのハンドル戻し制御信号ＨＲが減算部１２１に入力される。即ち、本発明では操舵角θに応じてアシストを減少させるハンドル戻し制御を行っており、予め減少するトルクを補正する電流指令値を操舵角θに応じて電流指令値として設定する。舵角速度ω及び車速Ｖについては最大値を“１”としたゲインＧ１及びＧ２を設定し、操舵角θにより算出された基本電流値Ｉｒｈから、舵角速度感応ゲインＧ１と車速感応ゲインＧ２を乗算して得られる電流指令値Ｉｒｈ・Ｇ１・Ｇ２をトルク系の出力とは反対側、つまりアシストを抜くように演算するため、減算部１２１で電流指令値Ｉｒ４から減算している。そのため、操舵角θに応じて操舵反力を付けることが可能である。
このように、本発明ではハンドル戻し制御機能を採用することにより、低速時の大きな操舵角において操舵反力が逆に働く大きな操舵角において、図４及び図５に示すようにハンドル戻し制御の出力を大きく設定し、操舵反力を付けることにより違和感のない操舵感と共に、ハンドル戻りを実現することができる。

図４は操舵角θに対するハンドル戻し制御信号ＨＲの特性を示しており、図５は操舵角に対する操舵トルクの特性を示している。図８で説明したように、操舵角が大きくなるに従って操舵トルクが減少すると運転者に違和感を与えるので、これを補正するためにハンドル戻り制御の操舵角−出力（ハンドル戻し制御信号ＨＲ）の特性を図４の実線のようにすることで、操舵力特性を図の実線のように補正することが可能である。また、操舵力特性を、図５の点線のようにすることも可能である。

本発明に係る制御装置の一例を示すブロック構成図である。 ハンドル戻し制御部の構成例を示すブロック図である。 ハンドル戻し制御部の動作例を示すフローチャートである。 本発明による特性例を示す特性図である。 本発明による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概略を示す構造図である。 コントローラの一例を示すブロック構成図である。 従来装置の特性例を示す特性図である。 従来装置の特性例を示す特性図である。

符号の説明

１ 操向ハンドル
２ ステアリングシャフト（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
１５ 舵角センサ
２０，１２６ モータ
３０ コントローラ
１００ 操舵補助指令値演算部
１０１ センター応答性改善部
１０３ ロバスト安定化補償部
１１０ ＳＡＴ
１１１ 慣性
１１２ 収れん性
１２０ モータロス電流補償部
１１０ 電流制御部
１３０ ハンドル戻し制御部
１３１ 基本電流部
１３２、１３３ ゲイン部
１３６ リミッタ
１４０ 出力制御部

Claims (3)

1. モータが発生する操舵補助力をステアリング機構に伝達して操舵力を軽減させる電動パワーステアリング装置の制御装置において、
   ステアリングシャフトの操舵角を検出する舵角センサと、前記ステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサと、車速を検出する車速検出手段と、前記操舵角、前記操舵角の舵角速度、前記操舵トルク及び前記車速に基づいて前記モータを制御する制御手段とを具備し、前記制御手段はハンドル戻し制御部を有し、
   前記ハンドル戻し制御部は、前記操舵角に基づいてハンドル戻し基本電流値を求めるハンドル戻し基本電流部と、前記舵角速度に基づいて舵角速度感応ゲインを求める第１ゲイン部と、前記車速に基づいて車速感応ゲインを求める第２ゲイン部と、前記ハンドル戻し基本電流値及び前記舵角速度感応ゲインを乗算する第１乗算部と、前記第１乗算部の乗算結果に前記車速感応ゲインを乗算する第２乗算部と、前記第２乗算部の出力を正負の上下最大値で制限するリミッタとで構成され、
   前記リミッタから出力されるハンドル戻し制御信号を前記制御手段に入力することにより、前記操舵角に応じた操舵フィーリングを補正す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. 前記ハンドル戻し基本電流部は、前記操舵角が０のときに前記ハンドル戻し基本電流値も０、前記操舵角が０から負方向に行くに従って前記ハンドル戻し基本電流値は徐々に正方向に大きくなり、前記操舵角が０から正方向に行くに従って前記ハンドル戻し基本電流値は徐々に負方向に大きくなる特性を有し、
   前記第１ゲイン部は、前記舵角速度が０のときに前記舵角速度感応ゲインは１であり、前記舵角速度が大きくなるに従って前記舵角速度感応ゲインも徐々に小さくなる特性であり、
   前記第２ゲイン部は、前記車速が０のときに前記車速感応ゲインは１であり、前記車速が大きくなるに従って前記車速感応ゲインも徐々に小さくなる特性である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記ハンドル戻し制御信号が出力制御部を経て前記制御手段に入力され、装置の異常及び禁止信号が条件信号として前記出力制御部に入力されたとき、前記ハンドル戻し制御信号の前記制御手段への入力を停止するようになっている請求項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。

Images