JP4984712B2

JP4984712B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP4984712B2
Application number: JP2006201487A
Authority: JP
Inventors: 秀亮岡崎; 雄志原; 栄根城
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: JP2008024239A

Description

本発明は、車両の操舵系にモータの駆動によって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、特に車両のヨーレートの収れん性を確実に確保できるようにした高性能な電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

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５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からイグニションキー信号が入力され、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（又はＭＰＵやＭＣＵ）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６のようになっている。

図６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Ｔ及び車速センサ１２からの車速Ｖは、操舵補助指令値演算部３１に入力されて基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１が演算される。操舵補助指令値演算部３１で演算された基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆ１は操舵系の安定性を高めるための位相補償部３２で位相補償され、位相補償された操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２が加算部３３に入力される。また、操舵トルクＴは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部３５に入力され、微分補償された操舵トルクＴＡは加算部３３に入力される。加算部３３は操舵補助指令値Ｉｒｅｆ２と操舵トルクＴｄとを加算し、その加算結果である操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３（＝Ｉｒｅｆ２＋Ｔｄ）をフィードバック用の減算部３４に入力する。
減算部３４では、操舵補助指令値Ｉｒｅｆ３とフィードバックされているモータ電流ｉとの偏差Ｉｒｅｆ４（＝Ｉｒｅｆ３−ｉ）を求める。偏差Ｉｒｅｆ４はＰＩ制御部３６でＰＩ制御され、更にＰＷＭ制御部３７に入力されてデューティを演算され、インバータ３８を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流ｉはモータ電流検出部（図示せず）で検出され、減算部３４に入力されて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の制御装置において、急ハンドル操作時に適度な手応えが生じるようにした装置として、転舵時におけるステアリングシャフトの捩りトルクを検出する捩りトルクセンサを設け、この捩りトルクセンサの出力信号に応じてモータの回転方向、回転トルクを制御するようにしたものが知られている（特公昭４５−４１２４６号公報、特許文献１）。

しかしながら、かかる制御装置は、出力を大きく設定するとその慣性のため、車両の手放し運転時にハンドルの収束性（収れん性）が悪化するという問題がある。また、一般に、車両が急カーブを急ハンドルで走行するときには、ハンドルに適度な手応えがある方が操舵感覚が良いので、補助操舵力（アシスト）を転舵速度に応じて補正する手段がないために、半径の小さなカーブを急ハンドルで走行するとき、ハンドルが軽すぎて不安感を生じるといった問題がある。

このような問題を解決する制御装置としては、特許第２５６８８１７号（特許文献２）に示されるようなハンドル舵角に対してブレーキをかけるようにした制御装置がある。即ち、操舵系の捩りトルクを検出する捩りトルクセンサの出力信号に基づいた指令信号に応じて、操舵系に舵角速度の検出手段と、舵角速度に応じて舵の進む方向及び逆方向の回転トルクを定めた減衰信号を発する舵角位相補償指令部と、減衰信号及び操舵系の捩りトルク信号に基づいた指令信号を加算した信号を指令信号としてモータの回転方向、回転トルクを制御する駆動制御部とを設けている。しかしながら、この制御装置では、操舵角速度に応じて操舵の進む方向と逆方向の回転トルクを発生し、操舵角の動きに対してブレーキをかけているため、車両のヨーが発散することがあり、車両のヨーの動きと操舵角が同期していないため、ドライバにとって不自然な操舵感となっていた。また、操舵角の動きに対して直接ブレーキをかけているため、ハンドルの収れん速度が遅くなり、その間に車両が横に流れてしまい危険であるといった問題があった。

かかる問題を解決するものとして特開２０００−９５１３２号公報（特許文献３）に示される制御装置があり、この制御装置では、車両のヨーレートの変化率を検出し、変化率に基づいてヨーレートにダンピングを与えるようにしている。
特公昭４５−４１２４６号公報特許第２５６８８１７号特開２０００−９５１３２号公報

しかしながら、上記特許文献３に開示された制御装置にあっては、ヨーレートを制動によって収れんさせる制御のみであり、外乱によりヨーレートが低下したときにはヨーレートを推進する方には機能できない。つまり、低速走行時等でハンドルを手放した際に、ハンドルが戻ると同時にヨーレートが収束していくような場合に、フリクション等の外乱によりハンドルが戻らなくなり、その結果ヨーレートが収束しない状況があるという問題がある。

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、良好なハンドル戻りを得ると共に、どのような車速状態においてもヨーレートを収束できるようにした高性能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクと車速とに基づいてトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、前記トルク指令値に基づいて前記モータの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前記モータを駆動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に関し、本発明の上記目的は、車両のヨーレートを検出若しくは推定するヨーレート検出部と、車速から目標車速に変換する車速変換テーブルと、操舵角を目標舵角に変換する舵角変換テーブルと、前記目標速度及び前記目標舵角を乗算して第１収れん性制御値を演算する第１乗算部と、前記第１収れん性制御値から前記ヨーレート検出部で求められた実ヨーレート値を減算し、ゲインテーブルでゲイン調整した収れん性制御値に基づいて前記電流指令値を補正する補正部とを設けことにより達成される。

本発明の上記目的は、前記車速変換テーブルが、前記車速の増加に対応して前記目標車速が徐々に増加する特性であり、前記舵角変換テーブルは、前記舵角が小さい領域では前記舵角に対応して上昇し、中途で徐々に下降して後、所定値以降はほぼ一定の特性となっていることにより、或いは前記操舵トルクをトルク変換テーブルで第１操舵トルクに変換し、前記第１操舵トルクを車速感応テーブルで第２操舵トルクに変換し、前記第２操舵トルクを前記第１収れん性制御値と乗算する第２乗算部を設け、前記第２乗算部の結果を第２収れん性制御値としてゲインテーブルに入力して前記収れん性制御値を演算するようになっていることにより、或いは前記トルク変換テーブルが、前記操舵トルクが小さい領域では前記操舵トルクに対応して上昇し、中途で徐々に下降して後、所定値以降はほぼ一定の特性となっており、前記車速感応テーブルは、前記車速の増加に対応して徐々に増加する特性となっていることにより、或いは前記ヨーレート検出部がモータ回転速度に基づいて前記ヨーレートを推定することにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、操舵トルク及び車速を収れん性制御に用いているので、どのような操舵状態及び車速においてもヨーレートを確実に収束できる。本発明に係る収れん性制御は、目標ヨーレートに対して実際のヨーレートの偏差を０にするような電流指令値、即ちモータのアシストトルク又はブレーキトルクを生成している。このため、低速では、戻り速度を任意の速度で確実に舵角θの中立まで戻すことができ、高速走行での操舵で手放しした場合には、車両の収れん速度を適度に抑えて安全なヨーレートの収束を実現できる
更に、ヨーレートが現在の舵角に適したヨーレートより低下した場合でも、ヨーレートを推進させるように制御することができるため、車両状況に応じた最適な収れん性を得ることができる。

本発明は、車両速度、舵角及び操舵トルクに応じたヨーレート目標値を持ち、検出されるヨーレート信号又は推定されたヨーレート値との差を求め、ヨーレートを確実に収れんさせる制動力又はヨーレートを推進させるアシストトルクを算出する機能を有している。

本発明の収れん性制御部は、舵角（ハンドル角度信号又はモータ角度信号）から車両のヨー運動がヨーレート目標値に近づくようにダンピング機能を制御する。ヨーレート信号が目標値に対して小さいときには、積極的にヨーレートを早く収束させる方向に機能し、ヨーレート信号が目標値に対して大きいときには、ヨーレートを遅く収束させる方向にブレーキとして機能する。ヨー運動の小さい低速では積極的にヨー運動を推進し、ヨー運動の大きい高速では積極的にヨー運動を収束できるように車速感応テーブルでゲイン調整する。また、運転者が積極的にヨー運動を作り出したいモード或いは収束させたいモード（トルク入力がある状態）では、操舵感に対して影響を及ぼす可能性があるため、車速別の感応テーブルを付与する。これにより、どのような操舵状態及び車速においてもヨーレートを確実に収束することができる。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る制御装置の構成例を図６に対応させて示しており、操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部３１及び微分補償部３５に入力されると共に、収れん性制御部４０に入力される。モータ２０にはレゾルバ、ホールセンサ等の舵角検出部２０１が取り付けられており、検出された舵角θは収れん性制御部４０及び角速度検出部２０２に入力され、角速度検出部２０２で検出された角速度ωは摩擦補償部５０及び角加速度検出部２０３に入力される。角加速度検出部２０３で検出された角加速度ωａは慣性補償部６０に入力される。

収れん性制御部４０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ものであり、収れん性制御部４０には舵角θ、操舵トルクＴ、車速Ｖ及びヨーレート信号ＹＲが入力されている。摩擦補償部５０は操舵系の機構内の摩擦、タイヤと路面との間の摩擦を補償し、慣性補償部６０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。摩擦補償部５０からの摩擦補償値ＳＦ及び慣性補償部６０からの慣性補償値ＳＩは加算部２１０で加算され、加算結果である補償信号ＣＭ１（＝ＳＩ＋ＳＦ）は加算部２１１で収れん性制御部４０からの収れん性制御値ＳＣと加算され、その加算結果である補償信号ＣＭ２（＝ＣＭ１＋ＳＣ＝ＳＩ＋ＳＦ＋ＳＣ）は加算部３３で電流指令値Ｉｒｅｆ２及び操舵トルクＴＡと加算されて補正される。なお、ヨーレート信号ＹＲは、ヨーレート測定部での実測或いはヨーレート推定部で推定から得られる。

図２は収れん性制御部４０の構成例を示しており、舵角θは舵角変換テーブル４１で目標舵角θ１に変換され、車速Ｖは車速変換テーブル４２で目標車速Ｖ１に変換され、目標舵角θ１と目標車速Ｖ１は乗算部４７Ａで乗算され、乗算結果ＳＣ１は減算部４７Ｂに加算入力される。ヨーレート信号ＹＲはヨーレート信号処理部４５に入力され、周波数領域で信号処理されたヨーレート信号ＹＲａが減算部４７Ｂに減算入力され、その減算結果ＳＣ２（＝ＳＣ１−ＹＲａ）が乗算部４７Ｃに入力される。また、操舵トルクＴはトルク変換テーブル４３に入力されてゲイン変換され、ゲイン変換された操舵トルクＴ１は車速感応テーブル４４で車速Ｖに対応した操舵トルクＴ２に変換されて乗算部４７Ｃに入力される。乗算部４７Ｃの乗算結果ＳＣ３はゲインテーブル４６でゲイン調整され、収れん性制御値ＳＣとして出力される。

収れん性制御部４０は、現在の車速・舵角に適したヨーレートになるようにアシスト量を制御している。即ち、目標ヨーレートと実際のヨーレートとの偏差を０にするように収れん性制御値を演算し、電流指令値に加算する。低速では、戻り速度を任意の速度で確実に舵角θの中立まで戻すことができ、高速走行での操舵で手放しした場合には、車両の収れん速度を適度に抑えて安全なヨーレートの収束性を実現する。

舵角変換テーブル４１は舵角θに対するヨーレートの目標速度を定義するテーブルで、実際のヨーレート（ヨーレート信号ＹＲａ）との偏差にゲインを乗算したものが制御出力になる。目標値に対してヨーレートが大きい場合にはダンピングとして機能し、逆に小さい場合にはヨーレートを速める方向、つまりステアリングを動かし易い方向に機能する。舵角変換テーブル４１の特性は図２に示すように、舵角θが小さい領域では舵角θに対応して上昇し、中途で徐々に下降して後、所定値以降はほぼ一定の特性となっている。

また、車速変換テーブル４２は目標に対する車速感応テーブルであり、車速Ｖが上がるに従ってゲインを低く設定することが望ましい。これは、車速が大きくなるほどハンドルの戻りが良くなり、車両のヨーレートの収れん性が良くなるためである。それに対して、ステアリング系の摩擦が大きくハンドルが十分に戻らない車両の場合は、図２示すように車速Ｖの増加に対応して目標車速ゲインが徐々に増加する特性である。

トルク変換テーブル４３は操舵トルクＴに応じて出力を制限するテーブルであり、ダンピング制御が目的であるために、操舵トルクＴが大きいとき（運転者が積極的に切り込む場合等）は出力を制限し、操舵し易い状況を出現する。そのため、トルク変換テーブル４３の特性は図２に示すように、操舵トルクＴが小さい領域では操舵トルクＴに対応して上昇し、中途で徐々に下降して後、所定値以降はほぼ一定の特性となっている。

更に、車速感応テーブル４４は、高速で積極的にダンピングが必要な場合で、ヨーレートの偏差が小さい場合に収れん性制御部４０の出力が小さくなるため、ゲインを大きくする必要があるために使用され、その特性は図２に示すように車速Ｖの増加に対応して徐々に増加する特性となっている。ヨーレート信号処理部４５は高周波領域でゲインが一旦大きくなり、それ以上の周波数で減衰する特性となっている。

操舵補助指令値演算部３１等に入力される車速Ｖは車速センサ若しくはＣＡＮ(Controller Area Network)より得られ、舵角θはモータに取り付けられた舵角センサ若しくは舵角推定より得られる。また、モータ角速度ωは図１ではモータ角速度検出部２０２で検出しているが、モータ２０の逆起電力より得ても良い。

このような構成において、その動作を図３及び図４のフローチャートを参照して説明する。

先ずトルクセンサより操舵トルクＴを入力し（ステップＳ１）、車速センサより車速Ｖを入力し（ステップＳ２）、操舵補助電流指令値演算部３１等で電流指令値を演算し（ステップＳ３）、インバータ３８でモータ２０を駆動する（ステップＳ４）。なお、操舵トルクＴ及び車速Ｖの入力の順番は任意である。舵角検出部２０１で検出された舵角θ、角速度検出部２０２で検出された角速度ω、角加速度検出部２０３で検出された角加速度ωａを入力し（ステップＳ５）、慣性補償部６０は慣性補償値ＳＩを算出し（ステップＳ６）、摩擦補償部５０は摩擦補償値ＳＦを算出し（ステップＳ７）する。そして、ヨーレートＹＲを入力し（ステップＳ８）、収れん性制御部４０は車速Ｖ、操舵トルクＴ、舵角θ及びヨーレートＹＲに基づいて収れん性制御値ＳＣを算出し（ステップＳ９）、慣性補償値ＳＩ、摩擦補償値ＳＦ及び収れん性制御値ＳＣに基づいて補償信号ＣＭ２を算出して加算部３３で電流指令値Ｉｒｅｆ２を補正して補償する（ステップＳ１０）。

収れん性制御値ＳＣの算出（ステップＳ９）は図４に示すように実行される。即ち、先ず舵角θの目標舵角θ１への変換が舵角変換テーブル４１で行われ（ステップＳ９１）、車速Ｖの目標車速Ｖ１への変換が車速変換テーブル４２で行われ（ステップＳ９２）、目標舵角θ１と目標車速Ｖ１との乗算が乗算部４７Ａで行われる（ステップＳ９３）。舵角θの変換と車速Ｖの変換の順番は任意である。ヨーレート信号ＹＲはヨーレート信号処理部４５で周波数領域で処理され（ステップＳ９４）、信号処理されたヨーレート信号ＹＲａが減算部４７Ａで乗算結果ＳＣ１から減算され（ステップＳ９５）、減算結果ＳＣ２が乗算部４７Ｃに入力される。

一方、操舵トルクＴはトルク変換テーブル４３でトルクＴ１に変換され（ステップＳ９６）、車速感応テーブル４４で車速Ｖに応じてゲイン調整される（ステップＳ９７）。ゲイン調整された操舵トルクＴ２は乗算部４７ＣでＳＣ２と乗算され（ステップＳ９８）、乗算結果ＳＣ３がゲインテーブル４６でゲイン調整され（ステップＳ９９）、収れん性制御値ＳＣとして出力される。

なお、上述の例では補償例として摩擦補償と慣性補償を挙げているが、モータの回転方向に対してロストルク相当のアシストを行うモータロストルク補償、ステアリングの中立付近の制御の応答性を高め、滑らかでスムーズな操舵を行うためのロバスト安定化補償等を追加して行うようにしても良い。また、舵角変換テーブル４１、車速変換テーブル４２、トルク変換テーブル４３、車速感応テーブル４４、ヨーレート信号処理部４５、ゲインテーブル４６はそれぞれ複数の特性テーブルを格納しており、切替えて使用するようにしても良い。

本発明に係る制御装置の構成例を示すブロック図である。収れん性制御部の構成例を示すブロック図である。本発明の全体の動作例を示すフローチャートである。収れん性制御部の動作例を示すフローチャートである。電動パワーステアリング装置の一般的な構成例を示す図である。コントロールユニットの構成例を示すブロック図である。

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
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操舵補助指令値演算部
３２位相補償部
３５微分補償部
３６ＰＩ制御部
３７ＰＷＭ制御部
３８インバータ
４０収れん性制御部
４１舵角変換テーブル
４２車速変換テーブル
４３トルク変換テーブル
４４車速感応テーブル
４５ヨーレート信号処理部
４６ゲインテーブル
５０摩擦補償部
６０慣性補償部
２０１舵角検出部
２０２角速度検出部
２０３角加速度検出部

Claims

ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータと、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクと車速とに基づいてトルク指令値を演算するトルク指令値演算部と、前記トルク指令値に基づいて前記モータの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前記モータを駆動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において、
車両のヨーレートを検出若しくは推定するヨーレート検出部と、車速から目標車速に変換する車速変換テーブルと、操舵角を目標舵角に変換する舵角変換テーブルと、前記目標速度及び前記目標舵角を乗算して第１収れん性制御値を演算する第１乗算部と、前記第１収れん性制御値から前記ヨーレート検出部で求められた実ヨーレート値を減算し、ゲインテーブルでゲイン調整した収れん性制御値に基づいて前記電流指令値を補正する補正部とを設けことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記車速変換テーブルは、前記車速の増加に対応して前記目標車速が徐々に増加する特性であり、前記舵角変換テーブルは、前記舵角が小さい領域では前記舵角に対応して上昇し、中途で徐々に下降して後、所定値以降はほぼ一定の特性となっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
前記操舵トルクをトルク変換テーブルで第１操舵トルクに変換し、前記第１操舵トルクを車速感応テーブルで第２操舵トルクに変換し、前記第２操舵トルクを前記第１収れん性制御値と乗算する第２乗算部を設け、前記第２乗算部の結果を第２収れん性制御値としてゲインテーブルに入力して前記収れん性制御値を演算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。
前記トルク変換テーブルは、前記操舵トルクが小さい領域では前記操舵トルクに対応して上昇し、中途で徐々に下降して後、所定値以降はほぼ一定の特性となっており、前記車速感応テーブルは、前記車速の増加に対応して徐々に増加する特性となっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
前記ヨーレート検出部がモータ回転速度に基づいて前記ヨーレートを推定する請求項１乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。