JP4999984B2 - 電動式パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、モータにより操舵力を補助する電動式パワーステアリング制御装置に関するものである。

従来の電動式パワーステアリング制御装置は、運転者による操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、上記検出された操舵トルク信号に基づいて上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、上記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、上記モータの回転速度を推定する回転速度推定手段と、上記推定されたモータ回転速度の推定値を用いて、上記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、モータ回転角検出手段とモータ電流検出手段を備えていた。この回転速度検出手段は、モータ回転角の検出値及びモータ電流検出手段から操舵による成分を除去する操舵成分除去手段と、モータの慣性モーメントを慣性項，トルクセンサの剛性をバネ項とする振動方程式に対して構成され、上記操舵成分除去手段から出力されるモータ回転角とモータ電流とに基づいてモータ回転速度の推定値を演算する回転速度オブザーバとなっていた（例えば特許文献１）。

特開２０００-１６８６００号公報（１０頁、図１２）

電動式パワーステアリング制御装置は、モータに流れる目標電流信号を演算するとともに目標電流信号と実際の電流値が一致するように電流制御がなされる。電流制御は、例えば特許文献１に示すように、モータ電流検出器により検出された検出電流信号を目標電流信号に対しフィードバックする構成と、非特許文献１に示すように目標トルクからコイルインピーダンス特性に基づき演算される誘起電圧がない場合の制御量にモータ回転数検出器により誘起電圧をフィードフォワード補正する方法がある（清水他、「電動パワーステアリング」 自動車技術会学術講演会前刷集９１１ ９１１１０２、自動車技術会、１９９１年５月発行 参照。以下、非特許文献１と呼ぶ）。

上記の特許文献１に示すような従来の電動式パワーステアリング制御装置にあっては、モータ電流検出器により検出された検出電流信号を用いていたため、上記の非特許文献１に示すようなモータ電流検出器を用いない電流制御を行う場合にモータ回転速度を推定することができなかった。

また、上記特許文献１には、検出電流信号の代わりに目標電流信号を用いる構成例も示されているが、この場合には、コイルインピーダンス特性の温度特性などによりコイル目標電流信号と実際の電流に差異が発生した場合に正確なモータ回転速度の推定を行うことができないなどの課題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、モータ電流検出器を用いずとも正確なモータ回転速度を推定しダンピング制御を行うことができる電動式パワーステアリング制御装置を得ることを目的としている。

この発明に係る電動式パワーステアリング制御装置は、
運転者による操舵トルクをトーションバーの相対角から検出する操舵トルク検出手段と、
上記操舵トルク検出手段によって検出された操舵トルク信号に基づいて、上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、
上記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、
上記モータの回転速度を推定する回転速度推定手段と、
上記推定されたモータ回転速度の推定値を用いて、上記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、
を備えた電動式パワーステアリング制御装置であって、
上記回転速度推定手段は、
上記操舵トルク検出手段の出力から操舵による成分を除去する操舵トルク用操舵成分除去手段と、
上記操舵トルク用操舵成分除去手段の出力をトーションバーの剛性の逆数と−１を乗算して回転角度相当値を演算する回転角度相当値演算手段と、
上記回転角度相当値演算手段の出力を微分演算して回転角速度相当値を演算する回転角度微分器と、を備えたものである。

この発明によれば、モータ電流検出器を用いずとも正確なモータ回転速度を推定しダンピング制御を行うことができる電動式パワーステアリング制御装置を得ることができる、という従来にない顕著な効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１のアルゴリズムを示すフローチャートである。 位相補償器の特性を示す図である。

符号の説明

１ トルクセンサ、２ 位相補償器、３ トルク制御器、４ トルクＨＰＦ、５ 回転速度演算器、６ ダンピング制御器、７ 加算器、８ 電流制御器、９ モータ、１０ 誘起電圧回転速度演算器、１１ 回転速度ＨＰＦ。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。同図において、１は運転者が操舵した場合の操舵トルクを検出するトルクセンサ、２は上記トルクセンサ１の出力信号を位相補償してその周波数特性を改善する位相補償器、３は位相補償されたトルクセンサ１の出力に基づいて上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器、４はトルクセンサ１の出力から操舵周波数成分を除去する操舵成分除去手段であるトルクハイパスフィルタ（以下、トルクＨＰＦという）、５はトルクＨＰＦ出力からモータ回転速度を演算する回転速度演算器、６は上記回転速度演算器５の出力に基づいて操舵の減衰特性を制御するためのダンピング電流を演算するダンピング制御器、７はトルク制御器３で演算された補助トルク電流、ダンピング制御器６で演算されたダンピング電流を加算し目標電流を演算する加算器である。８は電流制御器であり、アシストトルクを発生すべく、モータ９に通電される電流が上記目標電流に一致するように、例えば目標電流にコイルインピーダンスの逆特性を通して誘起電圧補償を行う演算を行うことによりモータ８の端子に印加する駆動電圧指令値を設定して、例えばＰＷＭ信号として出力する。

次に、上記構成の電動式パワーステアリング制御装置の動作について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
ステップＳ１０１で、位相補償器２で位相補償されたトルクセンサ１の出力をマイコンに読み込みメモリに記憶し、ステップＳ１０２で、誘起電圧演算値を読み込みメモリに記憶する。誘起電圧演算は例えばレゾルバなどのモータ回転角センサ出力を微分器とローパスフィルタなどで構成される低周波微分器で微分して得られる低周波のモータ角速度信号に誘起電圧定数を乗ずることにより得られる。次に、ステップＳ１０３において、トルク制御器３により、上記メモリに記憶された位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、補助トルク電流をマップ演算しメモリに記憶する。
ステップＳ１０４では、トルクＨＰＦ４において、上記メモリに記憶された位相補償後のトルクセンサ出力を読み込みハイパスフィルタの演算を行いトルクＨＰＦ出力としてメモリに記憶し、ステップＳ１０５では、回転速度演算器５においてトルクＨＰＦ出力にトルクセンサを構成するトーションバーの剛性の逆数を乗じるとともに−１を乗じてモータ回転速度演算を行う。ステップＳ１０６において、ダンピング制御器６により、上記メモリに記憶された回転速度演算器出力を読み込み、制御ゲインを乗じてダンピング電流を演算しメモリに記憶する。ステップＳ１０７では、加算器７において、上記メモリに記憶された補助トルク電流とダンピング電流とを加算し、目標電流としてメモリに記憶する。ステップＳ１０８では、電流制御器８において、目標電流と誘起電圧演算値から電流制御演算を行いＰＷＭ信号として出力しモータ９を駆動する。上記ステップＳ１０１からＳ１０８までの動作を、制御サンプリング毎に繰り返す。なお、上記ステップＳ１０３で使用したトルクセンサ出力と補助トルク電流の関係を示すマップや、上記ステップＳ１０７で使用したダンピング電流を演算するための制御ゲインなどの目標電流の演算を行う際に必要なマップや比例係数等の定数は予めＲＯＭに設定しておくものとする。

ここで、上記操舵成分除去手段であるトルクＨＰＦ４について説明する。
トルクセンサでは次式（１）のようにトーションバーの上側であるハンドル角をθｈ、下側であるモータ回転角をθｃとしたときの相対角にトーションバーの剛性Ｋｓを乗じてトルク信号Ｔｓを検出する。
Ｔｓ＝Ｋｓ（θｈ−θｃ） （１）
このとき、ハンドル角θｈは運転者による操舵により定まる。またモータ回転角はモータの応答周波数にいたる高周波まで応答する。モータが高周波で振動しているような場合にもハンドルの慣性によりハンドル角θｈはモータ回転角θｃに比べて十分小さくなることが知られている。

一般に運転者が操舵可能な周波数は３Ｈｚ程度以下である。また、例えばレーンチェンジ時の操舵周波数は、０．２Ｈｚ付近であり、通常はこのような低周波の操舵を行うケースが多い。これに対し、ステアリング発振を生じやすい周波数帯域は３０Ｈｚ以上であり、操舵周波数との周波数分離が可能である。

従って、ステアリング発振を発生するような周波数領域ではハンドル角θｈは０とみなせる。従ってトルク信号Ｔｓは、
Ｔｓ＝−Ｋｓθｃ （２）
となり、ステアリング発振を発生するような周波数領域ではモータ回転角θｃを次式（３）の通り、トルク信号Ｔｓにトーションバーの剛性Ｋｓの逆数と−１を乗じることにより得ることができる。
θｃ＝−Ｔｓ／Ｋｓ （３）

従って、位相補償器２で位相補償されたトルクセンサ１の出力を周波数分離し、操舵周波数成分を取り除く周波数分離器で構成することにより、操舵成分を除去したモータ回転角を得ることができる。

一般に低周波成分を除去したい場合には、周波数分離器として次式（４）の伝達関数で表されるハイパスフィルタが用いられる。
Ｔ_３ｓ／（Ｔ_３ｓ＋１） （４）
ここにＴ_３は、ハイパスフィルタの折点周波数ｆ_３に対応する周期（Ｔ_３＝１／（２πｆ_３））、すなわち、ハイパスフィルタの時定数を表す。

このとき、ハイパスフィルタの折点周波数ｆ_３を低く設定すれば操舵による成分が残り易くなり、高く設定すれば、ハイパスフィルタを通して得られたトルク信号のステアリング発振周波数成分の位相ずれが大きくなるので、通常行われる操舵周波数からステアリング発振を生ずる周波数の範囲内のいずれかの周波数にハイパスフィルタの折点周波数ｆ_３を設定しておけば、トルク信号のステアリング発振の周波数成分を残して操舵周波数成分を除去することが可能である。

そこで、本実施の形態１では、トルクＨＰＦ４として、一般の運転者が操舵可能な最大周波数を狙って、折点周波数ｆ_３が０．２〜３０Ｈｚの範囲に設定したハイパスフィルタを用い、操舵成分を除去したモータ回転角を得るようにしている。
ここで得られた操舵成分を除去したモータ回転角を微分演算することによりモータの回転速度が得られる。

位相補償器２は伝達関数で示すと次式（５）のようになり、周波数f_a1=１／（２πＴ_a1）からf_a2=１／（２πＴ_a2）の範囲を中心に位相を進めている。
（Ｔ_a1ｓ＋１）／（Ｔ_a2ｓ＋１） （５）
ここに、f_a1は、位相補償器２のゲインの立上り開始部の周波数を示し、f_a2は、ゲインの立上り終了部の周波数を示す(図３参照)。

この影響を除去するため、トルクＨＰＦ４の前段にこの影響を除去する逆位相補償器を前置して使用しても良い。

また、ハイパスフィルタの時定数Ｔ_３をＴ_a1と一致させることによりトータルの伝達関数が
Ｔ_３ｓ／（Ｔ_a2ｓ＋１） （６）
となり微分器にローパスフィルタを乗じた特性となる。

一般にf_a2は１００Ｈｚ以上に設定されることが多いので、ステアリング発振周波数よりも十分高い場合には、Ａ／Ｄにより分解能が低下したトルク信号を微分演算することなくモータの回転速度を得ることが可能である。さらに低周波成分をカットしたい場合は、もう一段ハイパスフィルタを加えても良い。

このように、本実施の形態１においては、上記操舵周波数成分を除去されたトルク信号から演算した回転速度に基づいてダンピング電流を演算する構成としたので、トルクセンサ出力と補助トルク電流の関係を示すマップの勾配であるトルク比例ゲインを大きくしても制御系の発振を防止することができる。
したがって、ダンピング制御器６のダンピング制御ゲインを大きくしてダンピングを強く効かせることができるので、ハンドルの振動を運転者が感じることなく、操舵トルクを低減することができる。

Claims (3)

1. 運転者による操舵トルクをトーションバーの相対角から検出する操舵トルク検出手段と、上記操舵トルク検出手段によって検出された操舵トルク信号に基づいて、上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、
   上記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、
   上記モータの回転速度を推定する回転速度推定手段と、
   上記推定されたモータ回転速度の推定値を用いて、上記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、
   を備えた電動式パワーステアリング制御装置であって、
   上記回転速度推定手段は、
   上記操舵トルク検出手段の出力から操舵による成分を除去する操舵トルク用操舵成分除去手段と、
   上記操舵トルク用操舵成分除去手段の出力をトーションバーの剛性の逆数と−１を乗算して回転角度相当値を演算する回転角度相当値演算手段と、
   上記回転角度相当値演算手段の出力を微分演算して回転角速度相当値を演算する回転角度微分器と、
   を備えたことを特徴とする電動式パワーステアリング制御装置。
2. 操舵トルク検出手段の周波数特性を改善する位相進み補償器を備え、
   トルク制御器は位相進み補償後の操舵トルク検出手段の出力に基づいて上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算し、
   操舵トルク用操舵成分除去手段は位相進み補償後の操舵トルク検出手段の出力から操舵による成分を除去するものであって、位相進み補償器の伝達関数の分子の値と操舵トルク用操舵成分除去手段の伝達関数の分母の値とが同一となるよう設定し、
   上記回転速度推定手段は、上記操舵トルク用操舵成分除去手段の出力を上記トーションバーの剛性の逆数と−１を乗算して回転角速度相当値を演算することを特徴とする請求項１記載の電動式パワーステアリング制御装置。
3. 操舵トルク用操舵成分除去手段は２段のハイパスフィルタで構成されることを特徴とする請求項２記載の電動式パワーステアリング制御装置。

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