JP4969368B2 - 電動ステアリング装置の制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、電動ステアリング装置の制御方法に関するものである。

電動ステアリング装置は、ステアリングシャフトに設けたトルクセンサにより運転者がハンドルに付加した操舵トルクを検出し、検出された操舵トルクに応じてアシストモータを制御し、該モータで発生させたアシストトルクをステアリングシャフトあるいはラックに付加することで、運転者のハンドル操作負担を軽減している。

したがって、トルクセンサが故障すると適正なアシストトルクを得ることが困難となる。そこで、トルクセンサ故障時にもアシストモータを制御することができる代替制御方法が考えられている。例えば、特許文献１に記載の発明では、ステアリングシステムのいずれか（トルクセンサを含む）に故障が検出された場合に、故障箇所に応じて予め設定された代替信号を設定し、この代替信号を使ってアシストモータを制御することが開示されている。
なお、トルクセンサの故障検出については、例えば、特許文献２に開示されている。
特開２００５−１９３８３４号公報 特開２００２−３９８８３号公報

しかしながら、従来のトルクセンサ故障時の代替制御方法では、予め設定された代替信号に基づいてアシストモータを制御するので、アシストトルクの大きさや増減に不自然さがあり、トルクセンサ正常時におけるアシストトルクの増減感との違いに、運転者が戸惑う場合があった。

そこで、この発明は、トルクセンサ故障時にも正常時に近い操舵フィーリングを得ることができる電動ステアリング装置を提供するものである。

この発明に係る電動ステアリング装置では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、操舵トルクセンサ（例えば、後述する実施例における操舵トルクセンサ１６）により検出された操舵トルクおよび該操舵トルクの微分値に応じて操舵アシスト量を制御する電動ステアリング装置（例えば、後述する実施例における電動ステアリング装置１００）の制御方法において、前記操舵トルクセンサの異常時には、前記操舵トルクセンサのセンシング間隔よりもセンシング間隔が長い車内ネットワークを介して取得した車両の状態情報に基づいて操舵トルクを推定し、この推定操舵トルクを前記操舵トルクの代わりに用い、推定操舵トルクおよび推定操舵トルクの微分値に基づいて前記操舵アシスト量の制御を行い、前記推定操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインを、前記操舵トルクセンサが正常時の操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインよりも大きく設定することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記推定操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインを、前記操舵トルクセンサが正常時の操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインよりも全車速に亘って大きく設定することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、ハンドルの操舵角を検出する操舵角検出手段と、操舵アシストを付与するアシストモータと、前記アシストモータの回転角を検出するモータ回転角検出手段と、前記車両の状態情報より車両の転舵輪の転舵角を推定する転舵角推定手段と、トーションバーを有する前記操舵トルクセンサと、を備え、前記操舵角と前記モータ回転角に基づきハンドル遊び量を算出し、前記操舵角と前記ハンドル遊び量と前記転舵角より前記トーションバーの捩れ角を推定し、前記捩れ角に基づいて前記推定操舵トルクを推定することを特徴とする。

請求項１から請求項３に係る発明によれば、操舵トルクセンサの異常時には、車両の状態情報に基づいて推定した推定操舵トルクおよびこの推定操舵トルクの微分値に基づいて操舵アシスト量を制御することができる。
しかも、車内ネットワークを介して取得可能な車両の状態情報のセンシング間隔は、操舵トルクセンサのセンシング間隔よりも大きいが、推定操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインを、操舵トルクセンサが正常時の操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインよりも大きく設定しているので、操舵トルクセンサ異常時に操舵アシストの応答性が低下するのを抑制することができ、正常時に近い操舵フィールを得ることができる。

以下、この発明に係る電動ステアリング装置の制御方法の実施例を図１から図５の図面を参照して説明する。
初めに、図１を参照して、電動ステアリング装置の構成を説明する。電動ステアリング装置１００は、ステアリングホイール２に連結されたステアリングシャフト１を備えている。ステアリングシャフト１は、ステアリングホイール２に一体結合されたメインシャフト３と、ラック＆ピニオン機構のピニオン７が設けられたピニオン軸５とが、ユニバーサルジョイント４によって連結されて構成されている。
ピニオン７はピニオン軸５の下端部に設けられており、車幅方向に往復動し得るラック軸８のラック歯８ａに噛合し、ラック軸８の両端には、タイロッド９，９を介して転舵輪としての左右の前輪１１，１１が連係されている。この構成により、ステアリングホイール２の操舵時に通常のラック＆ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪１１，１１を転舵させて車両の向きを変えることができる。ラック軸８とタイロッド９，９は転舵機構を構成する。

電動パワーステアリング装置１００は、ステアリングホイール２による操舵力を軽減するための操舵補助力を発生させるブラシレスモータからなるアシストモータ１０を備えており、アシストモータ１０で発生したトルク（アシストトルク）は、減速装置１４によって倍力されてピニオン軸５に伝達される。なお、減速装置１４は、アシストモータ１０の出力軸に設けられたウォームギヤ１２と、ピニオン軸５に設けられウォームギヤ１２に噛合するウォームホイールギヤ１３とからなる。

アシストモータ１０は、モータシャフトの回転角を検出するためのレゾルバ１７を備え、検出した回転角に対応する出力信号をステアリング電子制御装置（以下、ＥＰＳ−ＥＣＵと略す）３０へ出力する。
前記ラック＆ピニオン機構（８ａ，７）を収容するステアリングギアボックス（図示略）内には、ピニオン軸５に作用する操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサ１６が設けられており、操舵トルクセンサ１６は検出した操舵トルクに対応する出力信号をＥＰＳ−ＥＣＵ３０へ出力する。

また、メインシャフト３には、操舵角を検出するための舵角センサ（操舵角検出手段）１５が設けられている。さらに、車体の適所には、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサ１８と、車速を検出する車速センサ１９と、車両の水平方向加速度（横Ｇ）を検出する横Ｇセンサ２０と、車両の前後方向加速度（縦Ｇ）を検出する縦Ｇセンサ２１が取り付けられている。

舵角センサ１５は検出した操舵角に対応する出力信号を、ヨーレートセンサ１８は検出したヨーレートに対応する出力信号を、車速センサ１９は検出した車速に対応した出力信号を、横Ｇセンサ２０は検出した横Ｇに対応した出力信号を、縦Ｇセンサ２１は検出した縦Ｇに対応する出力信号を、それぞれ車内ネットワーク（車内ＬＡＮ）へ出力する。

ＥＰＳ−ＥＣＵ３０や車両挙動安定化電子制御装置（以下、ＶＳＡ−ＥＣＵと略す）５０等の車載の電子制御装置は、車内ＬＡＮを介してそれぞれの制御に必要な信号を選択的に取り込み、必要な処理を行う。
なお、ＶＳＡ−ＥＣＵ５０は、ブレーキ時の車輪ロックを防ぐＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）と、加速時などの車輪空転を防ぐＴＣＳ（トラクションコントロールシステム）と、旋回時の横すべり抑制を総合的に制御して車両挙動を安定させる電子制御装置である。
ＥＰＳ−ＥＣＵ３０は、電動ステアリング装置１００のアシストモータ１０を制御する電子制御装置であり、この実施例では、操舵トルク情報は操舵トルクセンサ１６からＥＰＳ−ＥＣＵ３０に直接入力されるが、車速、操舵角、ヨーレート、横Ｇの各情報（車両の状態情報）に関しては車内ＬＡＮを介してＥＰＳ−ＥＣＵ３０に入力される。

ＥＰＳ−ＥＣＵ３０は、操舵トルクセンサ１６が正常に作動しているときには、レゾルバ１７で検出されたアシストモータ１０の回転角と、車速センサ１９で検出された車速と、操舵トルクセンサ１６により検出された操舵トルクに基づいてアシストモータ１０に供給すべき目標電流を決定し、アシストモータ１０に流れる実電流（アシスト電流）が目標電流と一致するようにＰＩＤ制御を行うことにより、アシストモータ１０のアシスト電流を制御し、出力トルク（操舵補助力）を制御する。

また、ＥＰＳ−ＥＣＵ３０は、操舵トルクセンサ１６の異常時には、車内ＬＡＮを介して取得した車両の状態情報に基づいて操舵トルクを推定し、この推定操舵トルクを、操舵トルクセンサ１６により検出される操舵トルクの代わりに用いて、アシストモータ１０に供給すべき目標電流を決定し、アシストモータ１０に流れる実電流（アシスト電流）が目標電流と一致するようにＰＩＤ制御を行うことにより、アシストモータ１０のアシスト電流を制御し、出力トルク（操舵補助力）を制御する。

そのため、この電動ステアリング装置１００は、図２の制御ブロック図に示すように、操舵トルクセンサ１６が正常か否かを判定するトルクセンサ故障検出部（故障判定手段）２３と、アシストモータ１０に流れる実電流を検出する２つの電流センサ２４ａ，２４ｂを備えている。

次に、図２の制御ブロック図を参照して、この実施例におけるアシストモータ１０に対する電流制御を説明する。
ＥＰＳ−ＥＣＵ３０は、トルクセンサ故障検出部２３、ベース電流算出部３１、イナーシャ補償電流算出部３２、ダンパ補償電流算出部３３、フィルタ３４、回転速度算出部３５、加減算器３６、切り替え器３７、３相ｄｑ変換器３８、ＰＩＤ制御部３９、操舵トルク推定部４０、とを備えている。

トルクセンサ故障検出部２３は、操舵トルクセンサ１６の出力信号に基づいて操舵トルクセンサ１６が正常か否かを判定し、判定結果に応じた出力信号（正常信号あるいは異常信号）を切り替え器３７およびイナーシャ補償電流算出部３２へ出力する。
切り替え器３７は、トルクセンサ故障検出部２３から正常信号を入力したときには、操舵トルクセンサ１６により検出された操舵トルク（以下、実操舵トルクという）をベース電流算出部３１およびフィルタ３４へ出力し、トルクセンサ故障検出部２３から異常信号を入力したときには、操舵トルク推定部４０により算出された推定操舵トルクをベース電流算出部３１およびフィルタ３４へ出力する。

ここで、操舵トルク推定部４０について説明する。操舵トルク推定部４０は、操舵トルクセンサ１６が異常の場合に、車内ＬＡＮを介して取得可能な車両の状態情報に基づいて操舵トルクを推定算出するもので、タイヤ角算出部４１、捩れ角算出部４２、推定操舵トルク算出部４３、ハンドル遊び補正部４４とから構成されている。
タイヤ角算出部４１は、車内ＬＡＮを介して取得した車速情報およびヨーレート情報（車両の状態情報）に基づいてタイヤ角を算出し、捩れ角算出部４２へ出力する。ここで、タイヤ角とは、前輪１１の中心面と車両の前後方向軸とのなす角をいい、すなわち実舵角のことである。
なお、ヨーレート情報に代えて、車内ＬＡＮを介して取得した横Ｇ情報を用いてタイヤ角を算出することも可能である。

ハンドル遊び補正部４４は、車内ＬＡＮを介して取得した操舵角情報（車両の状態情報）と、レゾルバ１７で検出されたアシストモータ１０の回転角θとに基づいて、ステアリングホイール２の遊び分に相当する角度（以下、ハンドル遊び角と称す）を算出し、捩れ角算出部４２へ出力する。
捩れ角算出部４２は、車内ＬＡＮを介して取得した操舵角情報（車両の状態情報）から、タイヤ角算出部４１から入力したタイヤ角とハンドル遊び補正部４４から入力したハンドル遊び角を減算して、トーションバーの捩れ角に対応する偏差（以下、捩れ角という）を算出し、推定操舵トルク算出部４３へ出力する。

推定操舵トルク算出部４３は、捩れ角算出部４２から入力した捩れ角に基づいて、推定操舵トルクを算出し、切り替え器３７へ出力する。例えば、この電動ステアリング装置１００におけるトーションバーのバネ係数を予め求めておき、このバネ係数と捩れ角に基づいて推定操舵トルクを算出してもよいし、予め捩れ角と推定操舵トルクとの関係をマップにしておき、該マップを参照して捩れ角に対応する推定操舵トルクを算出してもよい。

このようにして、切り替え器３７には、操舵トルクセンサ１６により検出された実操舵トルクと、操舵トルク推定部４０により推定された推定操舵トルクが入力され、そのいずれか一方が、トルクセンサ故障検出部２３からの出力に応じて出力される。この後の説明では、切り替え器３７から出力される実操舵トルクおよび推定操舵トルクを操舵トルクと総称して説明する。

ベース電流算出部３１は、切り替え器３７から出力された操舵トルクＴおよび車速センサ１９で検出された車速Ｖに基づき、図３に示すベース電流テーブルを参照して、操舵トルクＴと車速Ｖに応じたベース電流Ｄ_Ｔを算出する（Ｄ_Ｔ＝ｆ（Ｔ，Ｖ））。この実施例のベース電流テーブルは、操舵トルクＴが大きくなるにしたがってベース電流Ｄ_Ｔのゲインが大きくなるように設定されており、また、車速Ｖが高くなるにしたがってベース電流Ｄ_Ｔのゲインが小さく且つ不感帯（ゲインがゼロに設定されるトルク域）が大きくなるように設定されている。これにより、車速Ｖの増大に応じてしっかりとした操舵トルクの手応え感を付与している。

また、切り替え器３７から出力された操舵トルクＴはフィルタ３４において時間微分され、操舵トルクＴの時間微分値Ｆ4が算出される。
イナーシャ補償電流算出部３２は、車速センサ１９で検出された車速Ｖに基づき、図４（Ａ），（Ｂ）に示す慣性係数テーブルを参照して車速Ｖに応じた慣性係数ｋ_Ｔを算出し、切り替え器３７から出力された操舵トルクＴと、フィルタ３４から出力される操舵トルクＴの時間微分値Ｆ4と、慣性係数ｋ_Ｔとを乗じてイナーシャ補償電流Ｄ_ＴＤを算出する（Ｄ_ＴＤ＝Ｔ・Ｆ4・ｋ_Ｔ）。このイナーシャ補償電流Ｄ_ＴＤは、アシストモータ１０およびステアリングシステムの慣性モーメントを打ち消すためのトルクを発生させるものであり、これによりアシストモータ１０の応答性を向上させる。この実施例の慣性係数テーブルでは、車速Ｖが高くなるにしたがって慣性係数ｋ_Ｔが小さくなるように設定されている。

このイナーシャ補償電流算出部３２は慣性係数テーブルを２つ備えており、操舵トルクセンサ１６の正常時と異常時で慣性係数テーブルを持ち替えてイナーシャ補償電流Ｄ_ＴＤを算出する。
詳述すると、トルクセンサ故障検出部２３から操舵トルクセンサ１６が正常であることを示す正常信号を入力したときには、図４（Ａ）に示される正常時慣性係数テーブルを参照して慣性係数ｋ_Ｔを算出し、トルクセンサ故障検出部２３から操舵トルクセンサ１６が異常であることを示す異常信号を入力したときには、図４（Ｂ）に示される異常時慣性係数テーブルを参照して慣性係数ｋ_Ｔを算出する。

正常時慣性係数テーブルと異常時慣性係数テーブルを比較すると、全車速域において、異常時の慣性係数の方が正常時の慣性係数よりも大きい値に設定されている。例えば異常時の慣性係数の最大値が１．５に設定されているのに対して、正常時の慣性係数の最大値は１．０に設定されている。したがって、車速が同一で、操舵トルクと推定操舵トルクが同一の場合には、イナーシャ補償電流Ｄ_ＴＤのゲインは操舵トルクセンサ１６の正常時よりも異常時の方が大きくなる。

このようにイナーシャ補償電流Ｄ_ＴＤのゲインを操舵トルクセンサ１６の正常時と異常時で変更するのは次の理由による。
操舵トルクセンサ１６のセンシング間隔と車内ＬＡＮを介して所得可能な車両の状態情報のセンシング間隔を比較すると、前者の方が後者よりも短い。例えば、操舵トルクセンサ１６のセンシング間隔は約５００μｓであるのに対して、ヨーレートセンサ１８、車速センサ１９、横Ｇセンサ２０、縦Ｇセンサ２１のセンシング間隔は約５〜１０ｍｓである。そのため、操舵トルク推定部４０で算出した推定操舵トルクに基づいて目標電流を算出しアシストモータ１０を制御する場合は、操舵トルクセンサ１６の出力に基づいて目標電流を算出しアシストモータ１０を制御するときよりも応答性が悪化することが予想される。この応答性の悪化を補うために、推定操舵トルクに基づいて目標電流を算出するときには、イナーシャ補償電流Ｄ_ＴＤのゲインを大きくすることにより、応答性の向上を図ったのである。

回転速度算出部３５は、レゾルバ１７で検出されたアシストモータ１０の回転角θを時間微分した値に減速係数ｋ_θを乗じてステアリングシャフト１の回転速度Ｓを算出する（Ｓ＝ｋ_θ・ｄθ／ｄｔ）。
そして、ダンパ補償電流算出部３３は、回転速度算出部３５で算出された回転速度Ｓと車速センサ１９で検出された車速Ｖに基づいて、図５に示すダンパ補償電流テーブルを参照し、回転速度Ｓと車速Ｖに応じたダンパ補償電流Ｄ_Ｓを算出する。

この実施例のダンパ補償電流テーブルでは、回転速度Ｓが大きくなるにしたがってダンパ補償電流Ｄ_Ｓのゲイン（以下、ダンパゲインと略す）が大きくなるように設定されており、また、車速Ｖが高くなるにしたがってダンパゲインが大きくなるように設定されていて、回転速度Ｓが大きいほど、車速Ｖが高いほど大きなダンパ効果が得られるようにしている。これにより、良好な操舵フィールを得ることができ、ステアリングホイール２の収斂性を向上させることができる。

加減算器３６は、ベース電流算出部３１で算出したベース電流Ｄ_Ｔと、イナーシャ補償電流算出部３２で算出したイナーシャ補償電流Ｄ_ＴＤを加算し、ダンパ補償電流算出部３３で算出したダンパ補償電流Ｄ_Ｓを減算して目標電流Ｄｒを算出し（Ｄｒ１＝Ｄ_Ｔ＋Ｄ_ＴＤ−Ｄ_Ｓ）、ＰＩＤ制御部３９へ出力する。

そして、３相ｄｑ変換器３８は、電流計２４ａ，２４ｂにより検出されたアシストモータ１０に流れている実電流とレゾルバ１７により検出された回転角により３相からｄｑ変換する。
そして、ＰＩＤ制御部３９は、アシストモータ１０に流れる交流電流を、目標電流Ｄｒと一致させるようにＰＩＤ制御を行う。

この電動ステアリング装置１００の制御方法では、操舵トルクセンサ１６が正常に作動しているときには、操舵トルクセンサ１６の出力および該出力の微分値に基づいてアシストモータ１０を制御し、操舵補助力（操舵アシスト量）を制御することができ、操舵トルクセンサ１６の異常が検出されたときには、車内ＬＡＮを介して取得した車両の状態情報（ヨーレート、車速、操舵角）に基づいて算出した推定操舵トルクおよび推定操舵トルクの微分値に基づいてアシストモータ１０を制御し、操舵補助力（操舵アシスト量）を制御することができる。つまり、操舵トルクセンサ１６のバックアップを行うことができる。

しかも、推定操舵トルクに基づいて目標電流を算出するとき（すなわち、操舵トルクセンサ１６の異常時）には、イナーシャ補償電流Ｄ_ＴＤのゲインを大きくして応答性の向上を図っているので、操舵トルクセンサ１６の正常時に近い操舵フィールを得ることができ、運転者に違和感を感じさせないようにすることができる。

この発明に係る制御方法を実施可能な電動ステアリング装置の一例を示す構成図である。 前記電動ステアリング装置のアシストモータに対する電流制御のブロック図である。 ベース電流テーブルの一例を示す図である。 慣性係数テーブルの一例を示す図である。 ダンパ補償電流テーブルの一例を示す図である。

符号の説明

１０ アシストモータ
１６ 操舵トルクセンサ
２３ トルクセンサ故障検出部（故障判定手段）
１００ 電動ステアリング装置

Claims (3)

1. 操舵トルクセンサにより検出された操舵トルクおよび該操舵トルクの微分値に応じて操舵アシスト量を制御する電動ステアリング装置の制御方法において、
   前記操舵トルクセンサの異常時には、前記操舵トルクセンサのセンシング間隔よりもセンシング間隔が長い車内ネットワークを介して取得した車両の状態情報に基づいて操舵トルクを推定し、この推定操舵トルクを前記操舵トルクの代わりに用い、推定操舵トルクおよび推定操舵トルクの微分値に基づいて前記操舵アシスト量の制御を行い、前記推定操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインを、前記操舵トルクセンサが正常時の操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインよりも大きく設定することを特徴とする電動ステアリング装置の制御方法。
2. 前記推定操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインを、前記操舵トルクセンサが正常時の操舵トルクの微分値に基づく制御ゲインよりも全車速に亘って大きく設定することを特徴とする請求項１に記載の電動ステアリング装置の制御方法。
3. ハンドルの操舵角を検出する操舵角検出手段と、操舵アシストを付与するアシストモータと、前記アシストモータの回転角を検出するモータ回転角検出手段と、前記車両の状態情報より車両の転舵輪の転舵角を推定する転舵角推定手段と、トーションバーを有する前記操舵トルクセンサと、を備え、
   前記操舵角と前記モータ回転角に基づきハンドル遊び量を算出し、
   前記操舵角と前記ハンドル遊び量と前記転舵角より前記トーションバーの捩れ角を推定し、
   前記捩れ角に基づいて前記推定操舵トルクを推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動ステアリング装置の制御方法。

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