JP5098687B2 - 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、特に急発進時にタイヤ状態や路面状況により発生するトルクステア状態を低減す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（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からイグニション信号が供給され、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（ＭＰＵ（Micro Processor Unit）やＭＣＵ（Micro Controller Unit）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６のようになる。

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で検出された操舵トルク値Ｔ及び車速センサ１２で検出された車速Ｖは、電流指令値Ｉｒｅｆを演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルク値Ｔ及び車速Ｖに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆを決定する。電流指令値Ｉｒｅｆは減算部３２に入力され、フィードックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差Ｉ（Ｉｒｅｆ−Ｉｍ）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３３に入力される。ＰＩ制御部３３で特性改善された操舵補助指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部及びインバータで成るモータ駆動回路３４に入力され、モータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器３５で検出され、減算部３２にフィードバックされる。

上述のような一般的な電動パワーステアリング装置において、車両を急発進するとタイヤ状態や路面状況によってトルクステアが発生する。トルクステアは、ＦＦ車両で左右のタイヤ状態や路面状況の違いがある状態で急激な駆動力がかかった場合、キングピン回りのモーメント差が発生することにより起こる現象で、転舵輪側から操舵ハンドルを回そうとするとハンドル取られが発生し、ドライバに不安感を与えて好ましくない。

このようなトルクステアの発生を防止する装置として、特開平９−２０７８０２号公報（特許文献１）に示されるものがある。特許文献１に記載の装置は、パワーアシストステアリング装置を有する車両におけるトルクステアを補償するための装置であり、トルクステアを表わす車両の作動特性を感知する特性感知手段と、運転者適用ステアリングトルクを感知する手段と、トルクステアを補償するために、感知した運転者適用ステアリングトルクに基づくと共に、トルクステアを表わす感知した作動特性に基づいてパワーアシストステアリング装置を制御する制御手段とを設けたものである。

また、特開２００４−６７０４０号公報（特許文献２）にも開示されており、特許文献２の装置は、左右輪の制駆動力を個別に制御する制駆動力制御手段を備えた車両用の電動パワーステアリング装置であって、操舵系に生じた操舵反力に基づいて当該操舵系に加えるアシストトルクを設定し、アシストトルクを、制駆動力制御手段によって制御された左右輪の制駆動力の差に応じて変更するものである。

更に特開２００５−１４８１号公報（特許文献３）に開示されている装置は、操舵ハンドルの操舵トルクに応じて電動モータを駆動し、補助操舵を行う電動パワーステアリング装置であって、車両の車輪速度を検出する車輪速度検出手段と、この車輪速度検出手段により検出された車輪速度から車体速度を算出する車速演算手段と、操舵トルク及び車速演算手段により算出された車体速度に応じて目標モータ電流を算出するアシスト制御手段と、車輪速度及び車体速度から左右の車輪のスリップ量を算出するスリップ演算手段と、このスリップ演算手段により算出された左右の車輪のスリップ量に応じて目標モータ電流を補正する補正手段とを設けたものである。
特開平９−２０７８０２号公報 特開２００４−６７０４０号公報 特開２００５−１４８１号公報

上記特許文献１及び２の装置では、いずれもトルクステアの状態検出に駆動力トルクを感知する必要があり、駆動力トルクセンサの構造上システムの価格が高くなってしまう問題がある。

また、上記特許文献３の装置では、車輪速度からスリップ率を求め、左右輪のスリップ率の差からトルクステア状態と判定している。しかしながら、スリップ率の差のみからでは、ドライバが任意に操舵したことによって発生したものなのか、或いはトルクステアによって発生したものなのかを、的確に判断することができない問題がある。

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、左右輪の駆動トルクをモニタすることなく簡易且つ安価なシステム構成で、車両状態に応じて制御系を切替えることにより、トルクステアを打ち消すアシストトルクを操舵系に与えることで操舵の安定性を図った高性能な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、操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値１を演算し、前記電流指令値１に基づいてモータを駆動することによって車両のステアリング機構にアシストトルクを付与す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、前記操舵トルクの微分値を求めるトルク微分制御部と、前記微分値にゲイン１又はゲインＫｄ（＞１）を与えるゲイン部と、前記操舵トルク、操舵角、車輪速、前記車速及びアクセル開度に基づいて前記車両の状態を推定する車両状態推定部と、前記車両状態推定部でトルクステアが検出されたときに前記ゲイン部を切替える切替部とを具備し、前記切替部の出力である電流指令値２を前記電流指令値１に加算して前記モータを駆動することによって達成される。

本発明の上記目的は、前記トルクステアが、前記操舵角と、左車輪速の変化率及び右車輪速の変化率の差の絶対値とに基づいて検出され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。

また、本発明は、操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値１を演算し、前記電流指令値１に基づいてモータを駆動することによって車両のステアリング機構にアシストトルクを付与す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、前記操舵トルクの微分値を求めるトルク微分制御部と、前記微分値にゲイン１又はゲインＫｄ（＞１）を与える第１ゲイン部と、前記操舵トルク、操舵角、車輪速、前記車速及びアクセル開度に基づいて前記車両の状態を推定する車両状態推定部と、前記車両状態推定部の所定条件１によって前記第１ゲイン部を切替える第１切替部と、前記操舵角のダンピング値を求めるダンピング制御部と、前記ダンピング値にゲイン１又はゲインＫｄ２（＞１）を与える第２ゲイン部と、前記車両状態推定部の所定条件２によって前記第２ゲイン部を切替える第２切替部とを具備し、前記車両の状態に応じて、前記電流指令値１に前記第１切替部の出力を加算し、前記電流指令値１から前記第２切替部の出力を減算した電流指令値２により前記モータを駆動することにより達成され、前記所定条件１が、前記操舵角及び前記車輪速に基づいて設定されるトルクステアであることにより、或いは前記所定条件２が、前記操舵角の変化率及び前記操舵トルクの変化率に基づいて設定されることにより、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、左右輪の駆動トルクをモニタすることなく簡易且つ安価なシステム構成で、車両状態に応じて制御系を切替えることにより、トルクステアを打ち消すアシストトルクを操舵系に与えることで操舵の安定性を図ることができる。

なお、車輪速センサは近年の車両にはほとんど搭載されており、本制御のために新たに追加する必要はないので、コストアップになることもない。

本発明は、舵角センサの出力又は舵角推定より推定された舵角信号と左右車輪速の差とを比較することで、よりトルクステアと断定できる条件を付加している。更に、トルクステアの発生要件として急激なエンジン出力の上昇が挙げられることから、運転者のアクセル開度をモニタすることで、よりトルクステア状態であるかの判定精度を高めている。

トルクステア発生メカニズムの概要として第１に急発進（急加速）が挙げられ、これはアクセル開度の急激な変化Δαや車速Ｖの急激な変化ΔＶを計測することで、およその予測が可能である。つまり、一般的にＦＦ車両では、アクセルを急激に開ける動作は急激な駆動力を生み、トルクステアが発生するという考えに基づく。その結果、車速の急変、即ち急加速状態が発生する。もう少し状況を詳細に見ていくと、左右駆動力の差は車両が動き出した後の状態では、左右車輪速の差として見えるはずである。そこで、左右の車輪速の差“ω_Ｒ−ω_Ｌ”を計測することによって、トルクステアの状態と推測することができる。しかしながら、車輪速の差“ω_Ｒ−ω_Ｌ”という条件だけでは旋回中の条件とも見ることができるため、本発明では車輪速変化率の差
“Δω_Ｒ−Δω_Ｌ”を計測し、これがある一定以上でトルクステアが発生する条件とする。因みに、車速０[ｋｐｈ]が初期状態である。

次に、トルクステア状態と推定された場合の電動パワーステアリング制御の動作について説明する。

トルクステアが発生した場合、ステアリングの動きとしては大きく分けて２通り挙げられる。１つは手放し時のハンドル舵角の動き、もう１つは保舵中のトルク変化である。即ち、運転者はトルク又は舵角の変化によって、トルクステアが発生している状態に気が付くことになる。そこで、電動パワーステアリング制御としては、トルクステア状態という状況のみにおいて、トルク変化を打ち消す方向又は舵角変化を打ち消す方向にアシストすれば良いことになる。更に、操向ハンドルを動き難くすることで、運転者はトルクステアを認知し難い状況になることを考えると、摩擦補償などの機能はマスクし、積極的に粘性摩擦（ダンピング制御）を付加することで、トルクステアの影響を低減することができる。つまり、運転者が保舵していない（手放し）状態では、ハンドルが動くということで、運転者はトルクステアが発生していることを認知するので、トルクステアが発生していると判断された場合は、ハンドルが動かないように制御する。

本発明は以上の前提の基になされたものであり、以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例を示しており、コントロールユニット１００には操舵トルクＴｈ、操舵角θ、右車輪速ω_Ｒ及び左車輪速ω_Ｌ、車速Ｖ及びアクセル開度αが入力され、コントロールユニット１００はモータ２００を駆動制御する。コントロールユニット１００は、操舵トルクＴｈ、操舵角θ及び車速Ｖを入力して電流指令値Ｉｒｅｆ１を算出するトルク制御部１１０と、操舵トルクＴｈ、操舵角θ、車輪速ω、車速Ｖ及びアクセル開度αを入力して運転者による操舵トルクＴｈの単位時間当たりの変化率ΔＴｈ、操舵角θの単位時間当たりの変化率Δθ、車輪速ωの単位時間当たりの変化率Δω、車速Ｖの単位時間当たりの変化率ΔＶ及びアクセル開度αの単位時間当たりの変化率Δαを求める信号処理部１３０と、操舵トルクＴｈの変化率ΔＴｈ、操舵角θの変化率Δθ、車輪速ωの変化率Δω、車速ＶのΔＶ及びアクセル開度αの変化率Δαに基づいて車両状態（トルクステア）を推定する車両状態推定部１４０と、車両状態推定部１４０で推定された車両状態に基づいて制御指令値Ｉｒｅｆ２を演算する制御指令値演算部１５０と、電流指令値Ｉｒｅｆ１及び制御指令値Ｉｒｅｆ２を加算部１０１で加算して求められた制御指令値Ｉｒｅｆ３に基づいてモータ２００を駆動制御する電流制御部１２０とを具備している。

車両状態推定部１４０はトルクステアを推定するが、例えばアクセル開度αの変化率Δαが小さい場合はアクセルを緩やかに踏み込む状態であるので、トルクステアは発生し難い。一方、アクセル開度αの変化率Δαが大きい場合、運転者がラフなアクセルワークをしている状況であり、エンジン出力が急激にタイヤに伝達されることになり、ＦＦ車ではエンジンレイアウトの都合上、ドライブシャフトが非常に長くて捩じり剛性の差があり、このためタイヤに伝達される駆動トルクが異なる要因となり、トルクステアが発生する。

また、トルクステアが発生して車両状態推定部１４０で検出された場合、制御指令値演算部１５０は所定の機能の制御ゲインを切替える。制御ゲインはトルクステアを低減できる値を予め試験的に求めたものであり、運転者が保舵している条件又は手を放している条件の２通りを想定して制御ゲインを切替える。保舵条件ではトルクステアの影響がトルクの変化（ハンドル取られ）となって運転者に伝わるので、トルクステアが発生したと判定された場合には、検出されたトルク微分値（トルク変化率）とトルクステア発生時用の制御ゲインとの乗算値が電流指令値Ｉｒｅｆ２となる。手放しと判定された場合には、トルク微分値を基にトルクステアによる影響を補償することはできないので、操舵角θの動き、即ち舵角速度とトルクステア発生時用の制御ゲインとの乗算値が電流指令値Ｉｒｅｆ２となる。

このような構成において、その動作を図２のフローチャートを参照して説明する。

先ず、運転者が急速なアクセル操作をしていないかを判定するために、アクセル開度Δαが所定値α_０よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ１）、アクセル開度Δαが所定値α_０以下の場合には処理中止とし、アクセル開度Δαが所定値α_０よりも大きい場合には更に、運転者の操舵角θによる車輪速ωの差であるかを下記（１）式に従って判定する（ステップＳ２）。

ｓｉｎ（２θ／ａ）＝４Ｌ／Ｅ・（ω_Ｌ−ω_Ｒ）／（ω_Ｌ＋ω_Ｒ） ・・・（１）
ただし、ａは係数、Ｌは車両のホイールベース、Ｅは車両のトレッド幅である。

（１）式が成立するのは、実際の状況においてタイヤにスリップが生じていないことが挙げられ、成立しない場合にはスリップが生じている可能性がある。

よって、上記（１）式が成立する場合は操舵による車輪速差と判定して処理を中止し、上記（１）式が成立しない場合には更に、左右車輪速の変化率Δω_Ｌ及びΔω_Ｒの差を求めることで、トルクステアが発生しているかを判定する（ステップＳ３）。即ち、左車輪速の変化率Δω_Ｌと右車輪速の変化率Δω_Ｒの差の絶対値｜Δω_Ｒ−Δω_Ｌ｜が所定値ω_０よりも大きいか否かを判定し、差の絶対値｜Δω_Ｒ−Δω_Ｌ｜が所定値ω_０よりも小さい場合には、左右車輪速の変化率の差が小さくてトルクステアになる可能性が低いので、処理の中止とする。

一方、上記ステップＳ３において、左右車輪速の変化率の差の絶対値｜Δω_Ｒ−Δω_Ｌ｜が所定値ω_０以上の場合には、操舵角θの変化率Δθは所定値θ_０よりも小さく、操舵トルクＴｈの変化率ΔＴｈが所定値Ｔｈ_０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。操舵角θの変化率Δθが所定値θ_０よりも小さく、かつ操舵トルクＴｈが所定値Ｔｈ_０よりも大きい場合には、操舵角θの変化がなく（Δθ≒０）、操舵トルクＴｈの変化が発生していることになるので、保舵状態でトルクステアの影響を受けていると判定してトルク微分制御の処理となる。操舵角θの変化率Δθが所定値θ_０以上であったり、或いは操舵トルクＴｈの変化率ΔＴｈが所定値Ｔｈ_０以下の場合には、手放し時のトルクステアの可能性がるため、操舵角θの変化率Δθが所定値θ_０よりも大きく、かつ操舵トルクＴｈの変化率ΔＴｈが所定値Ｔｈ_０よりも小さいかを判定し（ステップＳ５）、両方の条件を満たした場合には、操舵トルクＴｈの変化がなく、操舵角θが動いている状況、つまり手放し状態であるので、トルクステアの影響を受けていると判断してダンピング制御の処理となり、両方の条件を満たしていない場合には処理中止となる。

ここにおいて、トルク微分制御処理は図３に示す構成によって実行され、ダンピング制御処理は図４に示す構成によって実行される。なお、図３及び図４は図１に対応しており、図１のトルク制御部１１０は、図３に示すようにトルク制御部１１１及びトルク微分制御部１１２で構成されるか、或いは図４に示すようにトルク制御部１１１及びダンピング制御部１１３で構成されるので、図１のトルク制御部１１０をトルク制御部１１１、トルク微分制御部１１２及びダンピング制御部１１３で構成し、トルク微分制御及びダンピング制御の両方の処理を行うようにしても良い。

先ず図３に示すトルク微分制御の処理について説明する。トルク制御部１１０内のトルク微分制御部１１２は操舵トルクＴｈを微分演算し、単位時間当たりの変化率ΔＴｈとして扱い、トルク変化を抑える方、つまりトルク変化率ΔＴｈが小さくなる方向にアシストの電流指令値を演算する。トルク微分制御部１１２からのトルク変化率ΔＴｈはゲイン部１５１（ゲイン＝１）及び１５２（ゲインＫｄ１＞１）に入力され、ゲイン部１５１の出力（＝ΔＴｈ）は切替部１５３の接点ａ１に入力され、ゲイン部１５２の出力（＝ΔＴｈ×Ｋｄ１）は切替部１５３の接点ｂ１に入力される。切替部１５３の接点ａ１及びｂ１は車両状態推定部１４０からの切替信号ＳＷ１によって切替えられ、トルクステアが検出された場合に切替信号ＳＷ１は接点ｂ１とし、切替部１５３からの出力である電流指令値Ｉｒｅｆ２が加算部１０１に加算入力される。

このような構成において、トルクステアが発生していない通常時には切替信号ＳＷ１は切替部１５３の接点をａ１とし、トルク変化率ΔＴｈをそのまま電流指令値Ｉｒｅｆとしている。そして、車両状態推定部１４０でトルクステアが検出されると、切替信号ＳＷ１によって切替部１５３の接点を“ａ１”から“ｂ１”に切替え、ゲイン部１５２からのΔＴｈ×Ｋｄ１を電流指令値Ｉｒｅｆ２として出力する。保舵している状況では、トルクステアの発生は急激なトルク変化として現れ、トルク変化率が大きくなり、通常は操舵の切り始めや切り戻し時に感じる静摩擦を補償するために使用され、操舵感のバランスをとるため必要以上に大きな値ではなくても、トルクステア発生時には積極的にトルク変化率を抑える必要があるので、通常時には接点ａ１でゲインを“１”にして処理し、トルクステア時には接点ｂ１でゲインをＫｄ１（＞１）にして処理している。

次に図４に示すダンピング制御の処理について説明する。トルク制御部１１０内のダンピング制御部１１３は操舵角θ（又は操舵角速度、モータ角速度）を入力し、ダンピング制御部１１３でダンピング係数を乗算されたダンピング信号Ｄｓはゲイン部１５１（ゲイン＝１）及び１５２（ゲインＫｄ２＞１）に入力され、ゲイン部１５１の出力（＝Ｄｓ）は切替部１５３の接点ａ２に入力され、ゲイン部１５２の出力（＝Ｄｓ×Ｋｄ２）は切替部１５３の接点ｂ２に入力される。切替部１５３の接点ａ２及びｂ２は車両状態推定部１４０からの切替信号ＳＷ２によって切替えられ、前述の図２における要件を具備したときに切替信号ＳＷ２は接点ｂ２とし、切替部１５３からの出力である電流指令値Ｉｒｅｆ２が加減算部１０１に減算入力される。

このような構成において、電流指令値Ｉｒｅｆ２をトルク制御部１１１で求められた電流指令値Ｉｒｅｆ１から減算することにより、モータアシストにブレーキをかけることができ、車両のヨーの運動に対して操舵系にダンピングを持たせることで収れん性を確保することができる。

本発明の基本構成例を示すブロック構成図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 本発明のトルク微分制御の構成例を示すブロック構成図である。 本発明のダンピング制御の構成例を示すブロック構成図である。 一般的な電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。 コントロールユニットの一例を示すブロック構成図である。

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
１１ イグニションキー
１２ 車速センサ
１４ バッテリ
２０、２００ モータ
３０ コントロールユニット
３１ 電流指令値演算部
３２ 減算部
３３ ＰＩ制御部
３４ モータ駆動回路
１００ コントロールユニット
１１０、１１１ トルク制御部
１１２ トルク微分制御部
１１３ ダンピング制御部
１２０ 電流制御部
１３０ 信号処理部
１４０ 車両状態推定部
１５０ 制御指令値演算部
１５１、１５２ ゲイン部
１５３ 切替部

Claims (5)

1. 操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値１を演算し、前記電流指令値１に基づいてモータを駆動することによって車両のステアリング機構にアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置の制御装置において、
   前記操舵トルクの微分値を求めるトルク微分制御部と、前記微分値にゲイン１又はゲインＫｄ（＞１）を与えるゲイン部と、前記操舵トルク、操舵角、車輪速、前記車速及びアクセル開度に基づいて前記車両の状態を推定する車両状態推定部と、前記車両状態推定部でトルクステアが検出されたときに前記ゲイン部を切替える切替部とを具備し、
   前記切替部の出力である電流指令値２を前記電流指令値１に加算して前記モータを駆動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. 前記トルクステアが、前記操舵角と、左車輪速の変化率及び右車輪速の変化率の差の絶対値とに基づいて検出され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. 操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値１を演算し、前記電流指令値１に基づいてモータを駆動することによって車両のステアリング機構にアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置の制御装置において、
   前記操舵トルクの微分値を求めるトルク微分制御部と、前記微分値にゲイン１又はゲインＫｄ（＞１）を与える第１ゲイン部と、前記操舵トルク、操舵角、車輪速、前記車速及びアクセル開度に基づいて前記車両の状態を推定する車両状態推定部と、前記車両状態推定部の所定条件１によって前記第１ゲイン部を切替える第１切替部と、前記操舵角のダンピング値を求めるダンピング制御部と、前記ダンピング値にゲイン１又はゲインＫｄ２（＞１）を与える第２ゲイン部と、前記車両状態推定部の所定条件２によって前記第２ゲイン部を切替える第２切替部とを具備し、
   前記車両の状態に応じて、前記電流指令値１に前記第１切替部の出力を加算し、前記電流指令値１から前記第２切替部の出力を減算した電流指令値２により前記モータを駆動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。
4. 前記所定条件１が、前記操舵角及び前記車輪速に基づいて設定されるトルクステアである請求項３に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
5. 前記所定条件２が、前記操舵角の変化率及び前記操舵トルクの変化率に基づいて設定される請求項４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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