JP5028888B2 - 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、車両の操舵系にモータによる操舵補助力（アシストトルク）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、特に振動抑制制御のゲインを操舵補助指令値（若しくは電流指令値）感応とし、外乱振動を抑制した高速走行時に安全で快適な操舵性能が得られる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１００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入力され、コントロールユニット１００は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｒと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト指令の操舵補助指令値（電流指令値）Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値（電流指令値）Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。

このような電動パワーステアリング装置において、従来は例えば特開平８−２９０７７８号公報（特許文献１）に示すように、コントロールユニット１００内のロバスト安定化補償器により、システムの安定性と路面情報及び外乱情報の感度特性が同時に設計されるようになっている。

しかしながら、かかる従来の制御装置では、ステアリング中立点付近の操舵時の反力が小さいため、摩擦の影響により、路面情報をドライバに正確に伝えることが困難である。また、従来の電動パワーステアリング装置では、操舵角と操舵力との間のヒステリシス特性を、油圧式パワーステアリング並みの特性にすることが困難である。

このような問題を解決する装置として、特開２００２−３６９５６５号公報（特許文献２）に開示されているものがある。

特許文献２に開示されている装置の概略を図６に示して説明する。ステアリング装置の補助操舵力（アシストトルク）を発生するモータ２０はモータ駆動部２１によって駆動され、モータ駆動部２１は二点鎖線で示すコントロールユニット１００で制御され、コントロールユニット１００にはトルクセンサ１０からの操舵トルクＴｒ及び車速センサ１２等の車速検出系からの車速Ｖｅｌが入力される。モータ２０では、モータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉが計測されて出力される。

コントロールユニット１００は操舵トルクＴｒ及び車速Ｖｅｌを用いて制御を行う破線で示すトルク系制御部１１０と、モータ２０の駆動に関連した制御を行う一点鎖線で示すモータ系制御部１２０とで構成されている。トルク系制御部１１０はアシスト量演算部１１１、微分制御器１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３、ロバスト安定化補償部１１４及びセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）推定フィードバック部１１５によって構成され、加算器１１６Ａ及び１１６Ｂ、減算器１１６Ｃを具備している。また、モータ系制御部１２０は補償器１２１、外乱推定器１２２、モータ角速度推定部１２３、モータ角加速度推定部（微分器）１２４及びモータ特性補償部１２５で構成され、加算器１２６Ａ及び１２６Ｂを具備している。

操舵トルクＴｒはアシスト量演算部１１１、微分制御器１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力され、いずれも車速Ｖｅｌをパラメータ入力としている。アシスト量演算部１１１は操舵トルクＴｒに基づいてアシストトルク量となる操舵補助指令値Ｉｒ０を演算し、ヨーレート収れん性制御部１１３は操舵トルクＴｒ及びモータ角速度の推定値ωを入力とし、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。また、微分制御器１１２はステアリングの中立点付近の制御の応答性を高め、滑らかでスムーズな操舵を実現するようになっており、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５は操舵トルクＴｒと、アシスト量演算部１１１の出力である操舵補助指令値Ｉｒ０に微分制御器１１２の出力を加算器１１６Ａで加算した操舵補助指令値Ｉｒ１と、モータ角速度推定部１２３で推定された角速度推定値ωと、モータ角加速度推定部１２４からの角加速度推定値＊ωとを入力して車両のＳＡＴを推定し、推定したＳＡＴ推定値＊ＳＡＴをフィードバックフィルタを用いて信号処理し、ハンドルに適切な路面情報を反力として電流指令値Ｉｒ３に与えるようになっている。

また、アシスト量演算部１１１の操舵補助指令値Ｉｒ０に微分制御器１１２の出力を加算器１１６Ａで加算した操舵補助指令値Ｉｒ１に、ヨーレート収れん性制御部１１３の出力を加算器１１６Ｂ７で加算した操舵補助指令値Ｉｒ２をロバスト安定化補償部１１４に入力している。ロバスト安定化補償部１１４は例えば特開平８−２９０７７８号公報に示されている補償部であり、検出トルクに含まれる慣性要素とばね要素で成る共振系の共振周波数におけるピーク値を除去し、制御系の応答性と安定性を阻害する共振周波数の位相のズレを補償するものである。ロバスト安定化補償部１１４の出力Ｉｒ３からＳＡＴ推定フィードバック部１１５からのＳＡＴ推定値＊ＳＡＴを減算器１１６Ｃで減算することで、路面情報を反力としてハンドルに伝えることができる電流指令値Ｉｒａが得られる。

更に、モータ角速度推定部１２３はモータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉに基づいてモータ角速度ωを推定するものであり、モータ角速度ωはモータ角加速度推定部１２４、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力される。モータ角加速度推定部１２４では、入力されたモータ角速度ωに基づいてモータ角加速度を推定し、推定したモータ角加速度＊ωはモータ特性補償部１２５に入力される。モータ特性補償部１２５の出力Ｉｃにトルク系制御部１１０からの電流指令値Ｉｒａが加算器１２６Ａで加算され、その加算結果である電流指令値Ｉｒｂが微分補償器等で成る補償器１２１に入力される。補償器１２１で補償された電流指令値Ｉｒｃに外乱推定器１２２の出力ＤＳを加算器１２６Ｂで加算した電流指令値Ｉｒｄがモータ駆動部２１及び外乱推定器１２２に入力される。外乱推定器１２２は特開平８−３１０４１７号公報で示されるような装置であり、モータ出力の制御目標である補償器１２１で補償された電流指令値Ｉｒｃに外乱推定器１２２の出力ＤＳを加算した電流指令値Ｉｒｄと、モータ電流値ｉとに基づいて、制御系の出力基準における希望するモータ制御特性を維持することができ、制御系の安定性を失うことがないようにしている。

ここで、路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を図７に示して説明する。ドライバが操向ハンドル１を操舵することによって操舵トルクＴｒが発生し、その操舵トルクＴｒに従ってモータ２０がアシストトルクＴｍを発生する。その結果、車輪が転舵され、反力としてＳＡＴが発生する。また、その際、モータ２０の慣性Ｊ及び摩擦（静摩擦）Ｆｒによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、下記（１）式のような運動方程式が得られる。

J・*ω + Fr・sign(ω) + SAT = Tm + Tr …(1)

ここで、上記（１）式を初期値ゼロとしてラプラス変換し、ＳＡＴについて解くと下記（２）式が得られる。

SAT(s) = Tm(s) + Tr(s) − J・*ω(s) + Fr・sign(ω(s)) …(2)

上記（２）式から分るように、モータ２０の慣性Ｊ及び静摩擦Ｆｒを定数として予め求めておくことで、モータ回転角速度ω、モータ回転角加速度＊ω、操舵補助力（操舵補助指令値Ｉｒ１、Ｉｒ２）及び操舵トルクＴｒよりＳＡＴを推定することができる。かかる理由より、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５には操舵トルクＴｒ、モータ角速度ω、モータ角加速度＊ω、アシスト量演算部１１１からの操舵補助指令値Ｉｒ１がそれぞれ入力されている。

また、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５で推定したＳＡＴ推定値＊ＳＡＴをそのままフィードバックした場合、ステアリングが重くなり過ぎるため、操舵感覚を向上することはできない。そのため図８に示すように、車速感応ゲインと周波数特性を有するフィードバックフィルタ１１５Ａを用いてＳＡＴ推定値＊ＳＡＴを信号処理し、操舵感覚を向上するのに必要十分な情報のみをフィードバックする。ここで用いるフィードバックフィルタは静特性ゲインとして、推定したＳＡＴの大きさを必要十分な値に減少させるゲインを持つＱフィルタ（位相遅れ）１１５Ｂと、図９に示すような車速Ｖに感応したゲイン部１１５Ｃを持ち、据え切りや低速走行といった路面情報の重要性が比較的低い場合には、フィードバックする路面情報を小さくしている。
特開平８−２９０７７８号公報 特開２００２−３６９５６５号公報 特開２００２−１４５０７５号公報 特開２００２−１６１９６９号公報

上述の特許文献２に記載の装置では、抑制したい外乱が存在する周波数帯域と、伝えたい外乱が存在する周波数帯域とを両立するようにＳＡＴ推定のフィードバックを構成しているが、抑制したい外乱を積極的に打ち消すという機能はない。

一方、車両では、通常制動時及び定常走行時に、乗員に不快感を与えるブレーキジャダーとシミーが発生する。ブレーキジャダーは車両の制動時に発生するフロア・ペダル振動のことで、ステアリング回転方向に振動を伴う場合もある。ブレーキディスクのＤＴＶ(Disk Thickness Variation)により発生する制動トルク変動が起振源で、車輪の回転の１次成分及び高次成分を有する。これがサスペンションの前後の共振などで増幅され、車体やステアリングシステムを伝達して、フロア・ペダル振動やステアリング振動となる。また、シミーは車両走行時にステアリング回転方向に発生する振動のことであり、タイヤ・ホイールなどの回転部分のアンバランスやノンユニフォミティが起振源となり、サスペンション共振で増幅され、ステアリングシステムを介してステアリング回転方向の振動となる。

このようなブレーキジャダーやシミーについて特許文献２の装置では何ら考慮しておらず、また、特開２００２−１４５０７５（特許文献３）や特開２００２−１６１９６９（特許文献４）ではブレーキジャダーやシミーの振動を減衰させる装置を開示しているが、いずれも機械的な対応であり、コストアップになると共に、車速感応といったきめ細かな抑制ができないという問題がある。

更に、ステアリング系の慣性や摩擦が大きい場合はブレーキジャダーによる振動はステアリング・ホイールまで伝わらないが、良好な操舵フィーリングや車両安定性のためには、ステアリング系の慣性や摩擦は極力小さいことが望ましい。

上述のように従来は、電動パワーステアリングの制御方法の工夫により路面からの外乱をハンドルに伝え難くすることを目指しているが、下記の理由により外乱抑制性能には限界がある。外乱を抑えるには、外乱と補償信号の位相が重要である。位相が合わないと、外乱を増加することになるからである。外乱を抽出するためには、例えばバンドパスフィルタが必要であるが、フィルタの特性によって位相が変わってしまう。また、コラム軸に作用した外乱信号をモータの挙動で推定しようとすると、減速機の歯車のガタやヒステリシス特性により推定外乱の位相が遅れる問題がある。

このように補償信号の位相が変化してしまうと、外乱を増加してしまう周波数帯が発生してしまう。これは、アシスト制御の安定性が必要な周波数帯で発生してしまうことがあり、操舵したときに振動を起こし易い。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、高周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を行うことによりチューニングし易くし、ブレーキジャダーやシミーの抑制を図ると共に、高速走行時においても外乱振動を抑制できるようにして快適な操舵性能が得られる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、ステアリングシャフトに発生する操舵トルク及び車速に基づいて操舵補助指令値を演算し、前記操舵補助指令値を用いてトルク制御を行う電流指令値を求めるトルク系制御部と、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モータを制御するモータ系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、ＳＡＴ値を求めるＳＡＴ推定部若しくはＳＡＴ測定部と、前記ＳＡＴ値を入力するハイパスフィルタを含む伝達関数部と、前記伝達関数部からの出力を前記操舵補助指令値若しくは電流指令値に感応してゲインを変化させるゲイン部とを設け、前記ＳＡＴ推定部は、モータ回転角速度、モータ回転角加速度、前記操舵補助指令値及び操舵トルクに基づいて前記ＳＡＴ値を推定するようになっており、前記ゲイン部のゲイン特性は、前記操舵補助指令値若しくは電流指令値が小さいときに大きく、前記操舵補助指令値若しくは電流指令値が大きいときに小さくなっており、前記ゲイン部の出力を前記電流指令値に加算することにより達成される。

本発明の上記目的は、前記伝達関数部及びゲイン部が更に前記車速に感応して変化することにより、或いは補正開始信号を受けたときに前記加算を実行することにより、より効果的に達成される。

本発明によれば、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）の推定を行うＳＡＴ推定部若しくはセンサによる測定を行うＳＡＴ測定部を設け、このＳＡＴ推定部で推定されたＳＡＴ推定値若しくはＳＡＴ測定部で測定されたＳＡＴ値を、ハイパスフィルタ及びゲイン部で成るフィードバック部を通して操舵補助指令値に加算するようになっており、高周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を実行することができるので、ブレーキジャダーやシミーの抑制を図ることができ、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能を得ることができる。その際、ゲインが操舵補助指令値感応になっているため、外乱振動を抑制したい高速走行時に大きな効果がある。

また、本発明の補正機能を使用するとブレーキジャダーやシミーは勿論、キックバックのようなハンドルの挙動も低減することができ、快適な操舵フィーリングを提供できる。

ＳＡＴは電動パワーステアリングへの外乱のように見えるため、外乱オブザーバ構成でＳＡＴの推定を行う。特許文献２の外乱オブザーバでは、ドライバにフィードバックしたい低周波数域の外乱をＱフィルタで選択している。

本発明ではＳＡＴ推定値にハイパスフィルタを含む伝達関数部を介挿し、外部から入力されるラック反力を推定（ＳＡＴ推定値）し、ドライバに伝えたくない反力を打ち消すようにモータを制御し、ブレーキジャダーやシミーの抑制を図るようにしている。ＳＡＴ推定値を外乱として積極的に打ち消すことにより操舵フィーリングが向上する。また、外乱振動を抑制したい高速走行時に一層効果を上げるため、ＳＡＴのフィードバックゲインを操舵補助指令値若しくは電流指令値に応じて変えるようにしている。

更に、遅れを補償するために位相進み要素を介挿しても良く、車速（高中低）でＳＡＴの特性やドライバに伝えたくない路面情報の特性が変化するため、車速に応じてフィードバック特性を変化させても良い。

以下に本発明の実施例を、図６に対応させた図１を参照して説明する。図６と同一部には同一符号を付して、説明を省略する。

本発明では、ＳＡＴ推定部１１７は操舵トルクＴｒ、モータ角速度ω、モータ角加速度＊ω及び加算器１１６Ａの加算結果である操舵補助指令値Ｉｒ１を入力してＳＡＴを推定し、そのＳＡＴ推定値＊ＳＡＴをフィードバック部１１８を経て、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴｃを加算器１１６Ｄにおいて操舵補助指令値Ｉｒ３と加算している。

フィードバック部１１８の構成は例えば図２に示すようになっている。即ち、ＳＡＴ推定部１１７からのＳＡＴ推定値＊ＳＡＴを入力して高周波成分を出力するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を含む伝達関数部１１８−１と、ゲインＫを乗算する操舵補助指令値感応型のゲイン部１１８−３とで構成されている。なお、ＳＡＴ推定部１１７は操舵補助指令値Ｉｒ１を入力する“ギア比×トルク定数”のブロック１１７−１と、操舵トルクＴｒを加算する加算部１１７−２と、慣性Ｊを示すブロック１１７−３と、減算部１１７−４と、摩擦（静摩擦）Ｆｒを示すブロック１１７−５と、減算部１１７−６とで構成されている。

このような構成において、ＳＡＴ推定部１１７は操舵トルクＴｒ、モータ角速度ω、モータ角加速度＊ω及び操舵補助指令値Ｉｒ１を入力してＳＡＴを推定するが、その推定は前述した（２）式による。推定されたＳＡＴ推定値＊ＳＡＴはフィードバック部１１８のハイパスフィルタを含む伝達関数部１１８−１に入力され、これによりブレーキジャダーやシミーに関連した高周波成分のみが通過し、ブレーキジャダーやシミーの抑制を行うことができる。高周波成分のみが通過した伝達関数部１１８−１の出力はゲイン部１１８−３に入力されてゲインＧ倍され、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴｃとして出力される。ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴｃは加算器１１６Ｄで操舵補助指令値Ｉｒ３と加算され、電流指令値Ｉｒａとしてモータ系制御部１２０に入力される。

ゲイン部１１８−３は操舵補助指令値（Ｉｒ１）感応となっており、そのゲイン特性は図３に示すように操舵補助指令値Ｉｒ１が小さいときに大きく（ゲイン“１”）、操舵補助指令値Ｉｒ１が所定値Ｉｒ_０より大きくなると次第に小さくなり、操舵補助指令値Ｉｒ１が所定値Ｉｒｓよりも大きくなるとゲインＧは“０”となる。

従来（特許文献２）では、ドライバにフィードバックしたい低周波数域の外乱をＱフィルタで選択しているが、これは不快な振動（ブレーキジャダーやシミー）を打ち消すことにはならない。そのため、本発明では、反力推定値としてのＳＡＴ推定値＊ＳＡＴにハイパスフィルタを含む伝達関数部１１８−１を通過させ、ドライバに伝えたくない反力成分を抽出して電流指令値に加算して補正する。これにより、ドライバに伝えたくない反力成分を打ち消すことができる。ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴをそのまま加算すると良好に低減できないため、ゲインＧを乗じて加算しているが、その際、操舵補助指令値Ｉｒ１に感応する特性としている。また、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴに位相補償を行っても良い。更に、不要な外乱やノイズの影響が無視できない場合は、ローパスフィルタを配設することで不要な外乱やノイズを除去することができる。

なお、図２ではゲイン部１１８−３を操舵補助指令値Ｉｒ１で感応させているが、図４に示すように加算部１２６Ａで得られる電流指令値Ｉｒｂで感応させるようにしても良い。

更に、車両の低速走行、中速走行或いは高速走行時ではＳＡＴの特性や不快な振動、ドライバに感受させたくない路面情報の特性がタイヤの回転数（速度）に応じて変化するため、車速信号Ｖｅｌに応じてフィルタ特性やゲインＧを切替えるようにしても良い。つまり、車速感応型のフィードバック部を構成しても良い。この場合、高速時はハイパスフィルタ１１８−１のカットオフ周波数を高くすると共に、ゲインＧも大きくし、低速時はハイパスフィルタ１１８−１のカットオフ周波数を低くすると共に、ゲインＧも小さくする。このようなアクティブな振動制御は、制御系をうまく設計しないと振動を助長してしまう。そのため、外部のコントローラ（例えばＡＢＳコントローラ）からの補正開始信号を利用して、高速走行時の制動など振動が発生し易い状況のときにのみ補正を行うようにしても良い。

以上説明したように本発明では、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴにハイパスフィルタを含む伝達関数１１８−１を介挿し、更にゲイン部１１８−３で操舵補助指令値若しくは電流指令値感応でゲイン調整してＳＡＴのフィードバックをしているので、ブレーキジャダーやシミーを抑制することができると共に、高速走行時においても外乱振動を抑制することができる。

なお、上述の各実施例ではＳＡＴをＳＡＴ推定部１１７で推定するようにしているが、センサによる測定でＳＡＴを求めるようにしても良い。

本発明の実施例を示すブロック構成図である。 本発明に使用するフィードバック部の構成例を示すブロック構成図である。 本発明のゲイン部の特性例を示す図である。 本発明に使用するフィードバック部の他の構成例を示すブロック構成図である。 一般的なステアリン機構例を示す図である。 従来装置の構成例を示すブロック図である。 路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を示す模式図である。 フィードバック部の構成例を示す図である。 フィードバックフィルタの特性例を示す図である。

符号の説明

１ 操向ハンドル
３ 減速ギア
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０ モータ
２１ モータ駆動部
１００ コントロールユニット
１１０ トルク系制御部
１１１ アシスト量演算部
１１２ 微分制御器
１１３ ヨーレート収れん性制御部
１１４ ロバスト安定化補償部
１１５ ＳＡＴ推定フィードバック部
１１７ ＳＡＴ推定部
１１８ フィードバック部
１１８−１ 伝達関数部
１１８−３ ゲイン部
１２０ モータ系制御部
１２１ 補償器
１２２ 外乱推定器
１２３ モータ角速度推定部
１２４ モータ角加速度推定部
１２５ モータ特性補償部

Claims (3)

1. ステアリングシャフトに発生する操舵トルク及び車速に基づいて操舵補助指令値を演算し、前記操舵補助指令値を用いてトルク制御を行う電流指令値を求めるトルク系制御部と、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モータを制御するモータ系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、
   ＳＡＴ値を求めるＳＡＴ推定部若しくはＳＡＴ測定部と、
   前記ＳＡＴ値を入力するハイパスフィルタを含む伝達関数部と、
   前記伝達関数部からの出力を前記操舵補助指令値若しくは電流指令値に感応してゲインを変化させるゲイン部とを設け、
   前記ＳＡＴ推定部は、モータ回転角速度、モータ回転角加速度、前記操舵補助指令値及び操舵トルクに基づいて前記ＳＡＴ値を推定するようになっており、
   前記ゲイン部のゲイン特性は、前記操舵補助指令値若しくは電流指令値が小さいときに大きく、前記操舵補助指令値若しくは電流指令値が大きいときに小さくなっており、
   前記ゲイン部の出力を前記電流指令値に加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. 前記伝達関数部及びゲイン部が更に前記車速に感応して変化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. 補正開始信号を受けたときに前記加算を実行するようになっている請求項１又は請求項２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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