JP5200033B2

JP5200033B2 - 電動パワーステアリング制御装置

Info

Publication number: JP5200033B2
Application number: JP2009546088A
Authority: JP
Inventors: 勲家造坊; 正彦栗重; 雅也遠藤; 隆之喜福; 誠晋澤田; 正樹松下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: EP2221236A4; CN101821150B; EP2221236B1; US8326493B2; KR20100057906A; CN101821150A; WO2009078074A1; JPWO2009078074A1; US20110153162A1; EP2221236A1; KR101216822B1

Description

この発明は、自動車の運転者の操舵力をアシストする電動パワーステアリング制御装置に関し、特にトルクリップルや外乱などによる振動を抑制するものに関する。

自動車の運転者がハンドルに加えた操舵トルクに応じて電動モータによるアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置においては、操舵トルクに略比例するアシストトルクを定め、この比例関係を保つトルク比例ゲインを大きく取ることにより運転者の操舵力を低減・円滑化すると共に、モータが発生するトルクリップルや路面から伝わる外乱などの振動を抑制して、運転者のフィーリングを向上することが行われている。

従来のこの種の電動パワーステアリング制御装置においては、上記モータのトルクリップルや路面外乱などの振動を抑制するために、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）とハイパスフィルタ（ＨＰＦ）とからなる混合フィルタを使用し、ＬＰＦにて操舵成分を抽出して操舵アシストトルクの制御を実施すると共に、ＨＰＦにてトルクリップル等の高周波振動成分を抽出し、この成分に対しては上記低周波とは別の制御器（別のゲイン）を用いて制御するようにしたものが提案されている。（例えば、特許文献１を参照）

また、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いて、モータ回転速度または操舵角の角速度の振動成分を抽出して、その振動成分にゲインを掛けた信号を目標電流から減算して、新たに目標電流とすることで、角速度の負帰還制御を構成し、振動を低減するものも既に提案されている。（例えば、特許文献２を参照）
更に、この他に、操舵トルク信号からビット変動のような微細な変動を除去するために、ヒステリシス関数でフィルタリングするヒステリシス処理手段を備えたものもある。（例えば、特許文献３を参照）

特登２８３８０５３号公報特開２００３−２６０２２号公報特開２００４−１７０１７４号公報

上記特許文献１、２のような従来の電動パワーステアリング装置においては、トルクリップルや路面外乱などの振動成分を抽出する際にハイパスフィルタ（ＨＰＦ）やローパスフィルタ（ＬＰＦ）、あるいはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いており、例えば、モータが発生するトルクリップルと路面から伝わる外乱の周波数帯域が離れているような場合には、いずれか一方の周波数帯域成分しか抽出できないこととなり、また、トルクリップルや路面外乱などの振動成分が操舵成分の周波数帯域と一部でも重なる場合には正確な抽出ができないことになり、広範な帯域に亘る全ての振動成分を抑制することは不可能であった。

また、上記特許文献３のような従来の電動パワーステアリング装置のように、ビット変動のような微細な変動を除去するために、ヒステリシス関数を用いてフィルタリングする方法は、振動成分を抽出することができないという問題があった。
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、モータの発生するトルクリップルや路面からの外乱などの振動成分を精度よく抽出し、制御によりそれらの振動成分を簡単に低減することができる電動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。

この発明になる電動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トルクセンサと、上記トルクセンサにより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、上記補助トルク電流により補助トルクを発生するモータとからなる電動パワーステアリング制御装置において、上記電動パワーステアリング装置または自動車の動的状態量を検出する動的状態量検出手段と、上記動的状態量の振動成分に対応するヒステリシス幅をもったヒステリシス関数処理を行うヒステリシスを有して上記動的状態量検出手段の検出出力から上記ヒステリシス幅より振幅の小さい振動成分を濾過する小振幅濾過フィルタと、この小振幅濾過フィルタによって得られる振動成分信号を低減する振動抑制制御手段を備え、上記トルク制御器の出力である補助トルク電流と上記振動抑制制御手段の出力である振動抑制電流との加減算を含む帰還制御ループを構成することによって上記モータの振動成分を抑制することを特徴とするものである。

この発明の小振幅濾過フィルタを用いることにより、モータの発生するトルクリップルや路面からの外乱など、操舵成分に比べて振幅の小さな振動成分を精度よく抽出し、それらの振動成分を帰還制御ループにより効率的に低減させることができる電動パワーステアリング制御装置を実現できる効果を有する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の電動パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック線図である。なお、電動パワーステアリング装置そのものの詳細説明はここでは割愛するが、既に周知の構成のものでよく、例えば、上記特許文献１及び２にて説明のものを参照することができる。
図において、運転者が操舵した場合の操舵トルクτ0を周知のトーションバー等を用いたトルクセンサ１にて検出し、このトルクセンサ出力に基づいてトルク制御器２がモータ５に与えられる補助トルク電流Ｉaを演算する。一方、モータ５の回転速度を周知の回転速度検出手段７により検出する。

次に、図２で示す入出力特性を有する小振幅濾過フィルタ８により、上記回転速度検出手段７からの回転速度信号Ｓnをフィルタリングすることにより、回転速度信号Ｓnから、操舵成分を除去し、振動成分Ｓbのみを抽出する。なお、上記小振幅濾過フィルタ８は操舵成分より振幅の小さな振動成分のみを抽出するフィルタであり、その構成方法については、後で詳しく説明する。

小振幅濾過フィルタ８により抽出された振動成分信号Ｓbに基づいて振動抑制制御手段９にて振動抑制電流Ｉsを演算するとともに、これを減算器１０にて、上記トルク制御器２からの補助トルク電流Iａから減算することによりモータ５を制御すべき目標電流Iｔを得る。演算された目標電流Iｔと電流検出手段６にて検出された電流Iｄが一致するように電流制御手段３により制御され、例えばＰＷＭ信号などの電圧指令信号Sｖとして例えばＨブリッジ回路からなる駆動回路４に出力され、これによってＰＷＭ信号に対応する駆動電流をモータ５へ出力する。モータ５は運転者によるステアリング軸の操舵力を補助するアシストトルクを発生させる。

なお、図１に示す制御装置の構成ブロックは、全てがハードウエアで構成されるものではなく、トルクセンサ１の出力トルク信号τ0と、回転速度検出手段７で検出された信号Ｓnから減算器１０で目標電流Ｉtを演算するまでの構成、あるいは電流制御手段３からの電圧指令信号Ｓvまでの構成をマイコンによるソフトウエアで構成されるものとする。マイコンは周知の中央処理装置（ＣＰＵ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、インターフェース（ＩＦ）等からなり、ＲＯＭに収納されたプログラムを順次抽出してＣＰＵで所望の演算を行うとともに演算結果をＲＡＭに一時保存する等により、ソフトウエアを実行して所定の制御動作が行われる。

上記構成の電動パワーステアリング制御装置の動作について、図３のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップS１０１でトルクセンサ１の出力である操舵トルク信号τ0をマイコンに読み込み、メモリに記憶する。続いてステップS１０２で回転速度検出手段７から読み込んだ回転速度信号Ｓnをメモリに記憶する。次に、ステップＳ１０３で操舵トルク信号τ0に対してトルク制御器２による補助トルク電流Ｉaの演算を行い、その出力をメモリに記憶する。ここで、トルク制御器２も公知の方法でよく、例えば、あらかじめ定めたマップデータに基づいて演算する方法がある。

次に、ステップＳ１０４で、回転速度検出手段７から読み込んだ回転速度信号Ｓnに対して、小振幅濾過フィルタ８により振動成分信号Ｓbを演算し、メモリに記憶する。次に、ステップＳ１０５で、小振幅濾過フィルタ８の出力である振動成分信号Ｓbに対して、振動抑制制御手段９により振動抑制電流Ｉsを演算し、メモリに記憶する。そして、ステップＳ１０６で減算器１０において、上記トルク制御器２からの補助トルク電流Ｉaから振動抑制電流Ｉsを減算し目標電流Ｉtを決定する。上記ステップＳ１０１からＳ１０６までの動作を制御サンプルごとに繰り返し目標電流Ｉtを演算する。

次に、小振幅濾過フィルタ８について説明する。小振幅濾過フィルタは、図２に示すように、大きさＢ以上の変動成分は飽和して出力しないが、入力信号のある動作点付近における大きさＢ以下の変動成分は、大きさＢ以下の変動としてそのまま出力するという性質を持っている。この幅すなわちヒステリシス幅Ｈの大きさは抽出したい振動成分の大きさを基準にそれに対応して設定すればよく、例えば、回転速度信号に含まれる振動成分は、ハンドル軸周りに換算して、およそ０．０２５〜０．２５ｒａｄ/ｓであり、また、操舵トルク信号における振動成分も、およそ０．０２５〜０．２５Ｎｍである。なお、これらの振幅値は片振幅で表している。

図４は小振幅濾過フィルタ８の一般的な構成例を示すブロック線図であり、上記回転速度検出手段７の出力信号を入力し上記振動成分に対応するヒステリシス幅をもったヒステリシス処理を行うヒステリシスフィルタと、上記回転速度検出手段の出力信号から上記ヒステリシスフィルタの出力信号を減算する減算器とから構成したものである。回転速度検出手段７からの入力信号Ｓnを分岐してヒステリシスフィルタ２１を介してフィルタリングした信号Ｈ0を入力信号Ｓnから減算して振動成分信号Ｓbを得るものである。図４の方式ならば、一般的な要素で簡単に小振幅濾過フィルタ８を構成できる。

図５は上記図４に示す小振幅濾過フィルタ８の各部信号の時間波形を示しており、図中、（a）は入力信号Ｓnの波形図、（b）ヒステリシスフィルタ２１の出力信号Ｈ0の波形図、(c)は出力信号Ｓbの波形図である。いずれも回転速度信号に含まれる振動成分は、ハンドル軸周りに換算した値（ｒａｄ/ｓ）として示している。(a)で示す入力信号Ｓnには、振動成分の他に振幅の大きな成分として１点破線で示した操舵成分Ｐsが存在している。(b)に示すヒステリシス出力Ｈ0は入力信号Ｓnより振動成分が減衰した波形となっており、このヒステリシス出力Ｈ0と上記入力信号Ｓnとの減算器２２による演算結果である(c)に示す出力信号Ｓbは、入力信号Ｓnに対して操舵成分Ｐsが除去され、振動成分Ｓbのみが抽出されている。

この場合、振動成分Ｓbの振幅はヒステリシス幅Ｈ（片波で０．０３〜０．０４）に相当し、入力信号Ｓnの振幅(片波で０．０５)よりＳだけ減衰していることからヒステリシス処理がなされていることを示しており、このヒステリシス幅Ｈを適宜調整することにより上記減衰量をコントロールできることは言うまでもない。一般に、主たる成分である操舵成分Ｐsに比べて、振動成分は小さいという性質があるので、操舵成分Ｐsより振幅の小さな成分のみを抽出する小振幅濾過フィルタ８によって、操舵成分Ｐsを除去し、振動成分Ｓbを精度よく抽出できるものである。

次に、振動抑制制御手段９について説明する。振動抑制制御手段９は、例えば、図６の（ａ）〜（ｄ）のような代表例があるが、いずれも周知の構成例であり、その他のどのような制御手段を用いてもよい。以下、図６の代表例について説明する。
先ず、（ａ）は比例ゲイン制御器を示し、この場合、回転速度から抽出した振動成分信号Ｓbに基づいて、ダンピング制御を実施する制御器として動作し、ゲインＫに基づいて振動を低減できる。

上記特許文献２にも記載があるが、回転速度にゲインを掛けて負帰還制御をすることでダンピング制御を構成すれば、回転速度の変動を抑制する方向に制御が働き、振動を低減できる。
（ｂ）はＰＩＤゲイン制御器の場合を示し、位相特性やゲイン特性を複数のパラメータで調整できるので、様々な種類の振動に対して、単純な比例ゲイン制御器よりも最適な振動抑制性能を得ることができる。

（ｃ）はリレー関数を用いたリレー制御器を示し、この場合、例えば、振幅の大きさが有限で、上限が既知の外乱を抑制する目的、または、ごく僅かな振幅として抽出される振動成分信号に基づいて振動を抑制する目的に適しており、クーロン摩擦のように変動を抑制するように動作する。（ｄ）は飽和関数を用いた飽和制御器の場合を示し、リレー関数を用いた場合と同様な効果があるが、リレー関数のような急激な値の変化があるときに発生し易いチャタリングなどの期待しない振動を抑制する効果がある。上記図６（ａ）〜（ｄ）で示した制御手段は、一般的に使用される要素であり、これらの制御手段と小振幅濾過フィルタ８を組み合わせ、減衰器１０を含む負帰還制御により、振動抑制を容易に実現した点が特徴である。

以上のように、この発明の実施の形態１の構成によれば、回転速度信号Ｓnから操舵成分Ｐsを除去し、それよりも振幅の小さな成分であるモータが発生するトルクリップルや路面からの外乱などの振動成分を精度よく抽出することができ、その抽出した振動成分信号Ｓbに基づいて振動を簡単に低減することができので、操舵運転の際に運転者の感じるフィーリングを改善することが可能となる。
なお、上記の構成では、モータの回転速度を直接検出する回転速度検出手段を用いたが、回転速度検出手段の代わりに、モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、検出された回転角度信号から回転速度を演算する回転速度算出手段を用いて、回転速度信号を得てもよい。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２の制御装置の構成を示すブロック線図である。実施の形態１では、回転速度信号Ｓnに対して、小振幅抽出フィルタ８を適用し振動抑制制御を実施したが、本実施の形態では、トルクセンサ１で検出した操舵トルク信号τ0に対して小振幅抽出フィルタ８を適用し振動抑制制御を実施するものである。図７において、図１と同一部分あるいは相当部分には同一符号で示している。

図において、運転者が操舵した場合の操舵トルクをトルクセンサ１にて検出し、トルクセンサ出力である操舵トルク信号τ0に基づいてトルク制御器２にて補助トルク電流Ｉaを演算する。次に、図２で示す入出力特性を有する小振幅濾過フィルタ８により、上記トルクセンサ１からの操舵トルク信号τ0をフィルタリングすることにより、操舵トルク信号から操舵成分を除去し、振動成分Ｓbを抽出する。なお、上記小振幅濾過フィルタ８の構成及び動作については、先に実施の形態１で説明したものと同じであるので、ここではその説明は割愛する。

小振幅濾過フィルタ８により抽出された振動成分信号Ｓbに基づいて振動抑制制御手段９にて振動抑制電流Ｉsを演算するとともに、これを加算器１２にて、上記トルク制御器２からの補助トルク電流Ｉaと加算することにより目標電流Ｉtを得る。演算された目標電流Ｉtと電流検出手段６にて検出された電流Ｉdが一致するように電流制御手段３により制御され、例えばＰＷＭ信号などの電圧指令信号Ｓvとして駆動回路４に出力され、モータ５を駆動することによりアシストトルクを発生させる。

次に、上記構成の電動パワーステアリング制御装置の動作について、図８のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップS２０１でトルクセンサ１の出力である操舵トルク信号τ0をマイコンに読み込みメモリに記憶する。次に、ステップＳ２０２で操舵トルク信号τ0に対してトルク制御器２による補助トルク電流Ｉaの演算を行い、その出力をメモリに記憶する。ここで、トルク制御器２は公知の方法でよく、例えば、あらかじめ定めたマップに基づいて演算する方法がある。

続いて、ステップＳ２０３で、操舵トルク信号τ0に対して、小振幅濾過フィルタ８により振動成分信号Ｓbを演算し、メモリに記憶する。次に、ステップＳ２０４で、振動成分信号Ｓbに対して、振動抑制制御手段９により振動抑制電流Ｉsを演算し、メモリに記憶する。そして、ステップＳ２０５で加算器１２によって、上記トルク制御器２からの補助トルク電流Ｉdと上記振動抑制制御手段９からの振動抑制電流Ｉsを加算し目標電流Ｉtを決定する。ステップＳ２０１からＳ２０５までの動作を制御サンプルごとに繰り返し目標電流Ｉtを演算する。

次に、振動抑制制御手段９について説明する。
操舵トルク信号τ0に対して小振幅濾過フィルタ８と振動抑制制御手段９を適用する場合は、従来からあるトルク制御器２のゲインによる外乱抑制効果を補うように動作する。操舵トルク信号τ0には操舵成分の他にトルクリップルや路面外乱などによる振動成分が存在し、トルク制御器２では、操舵を補助する以外に、その制御ゲインによって、前記振動成分を抑制する効果がある。一般に、開ループゲインを１よりも充分大きくすると、外乱の影響を低減できることが知られており、このとき、ダンピング制御で用いる速度信号のように位相の進んだ信号を用いる必要はなく、回転角度や操舵トルク信号についての比例ゲイン制御などにより制御ゲインを増大させれば、開ループゲインがより大きくなり外乱の影響を更に低減できる。振動抑制制御手段９は、公知のどのような制御手段を用いてもよく、代表例として、例えば、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｄ）の構成について以下説明する。

図６（ａ）の比例ゲイン制御器の場合、操舵トルクから抽出した振動成分信号に基づいて、振動成分に対してのみ比例ゲインを増大する制御器として動作する。（ｂ）のＰＩＤゲイン制御器の場合、位相特性やゲイン特性を複数のパラメータで調整できるので、様々な種類の振動に対して、単純な比例ゲイン制御器よりも最適な振動抑制性能を得ることができる。例えば、開ループゲインを１よりも充分大きくできない場合でも、Ｄゲインにより位相を進ませることで、ダンピングのような効果を得ることができ、振動を抑制できる。また、（ｄ）の飽和関数を用いた飽和制御器の場合、勾配領域では、（ａ）の比例ゲイン制御器と同様に動作し、飽和領域に達すると一定値とし、必要以上に制御指令を増大させることを防ぐことができる。図６（ａ）、（ｂ）、（ｄ）で示した振動抑制手段は、一般的に使用される要素であり、これらと小振幅濾過フィルタ８を組み合わせ、帰還制御ループを構成することで、振動抑制を容易に実現できる。

以上のように、この発明の実施の形態２の構成によれば、操舵トルク信号τ0から操舵成分を除去し、それよりも振幅の小さな成分であるモータが発生するトルクリップルや路面からの外乱などの振動成分を精度よく抽出すると共に、その抽出した振動成分信号に基づいて振動を低減することができるため、運転者の感じるフィーリングを改善すること可能になる。

なお、上述の実施の形態１または２では、回転速度の検出信号や回転角度から算出した回転速度信号、または、操舵トルク信号に対して、小振幅濾過フィルタと振動抑制制御手段を適用する場合を示したが、この他に、回転角度信号、オブザーバ等により推定された回転速度の推定信号、操舵トルク信号の推定信号、ステアリングホイールの操舵角度や操舵速度、または、自動車の横方向加速度や、ヨーレートなどの動的状態量に対して適用することもできる。

本発明の実施の形態１による電動パワーステアリング制御装置を示すブロック線図である。本発明の実施の形態１および２における小振幅濾過フィルタを示す入出力特性図である。本発明の実施の形態１におけるマイコン内の処理を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１および２における小振幅濾過フィルタの構成例を示すブロック線図である。本発明の実施の形態１および２における小振幅濾過フィルタの動作例を示す入出力時間波形である。本発明の実施の形態１および２における振動抑制制御器を示すブロック線図である。本発明の実施の形態２による電動パワーステアリング制御装置を示すブロック線図である。本発明の実施の形態２におけるマイコン内の処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１トルクセンサ、２トルク制御器、５モータ、
６電流検出手段、７回転速度検出手段、８小振幅濾過フィルタ、
９振動抑制制御手段、２１ヒステリシスフィルタ。

Claims

運転者による操舵トルクを検出するトルクセンサと、上記トルクセンサにより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、上記補助トルク電流により補助トルクを発生するモータとからなる電動パワーステアリング制御装置において、上記電動パワーステアリング装置または自動車の動的状態量を検出する動的状態量検出手段と、上記動的状態量の振動成分に対応するヒステリシス幅をもったヒステリシス関数処理を行うヒステリシスを有して上記動的状態量検出手段の検出出力から上記ヒステリシス幅より振幅の小さい振動成分を濾過する小振幅濾過フィルタと、この小振幅濾過フィルタによって得られる振動成分信号を低減する振動抑制制御手段を備え、上記トルク制御器の出力である補助トルク電流と上記振動抑制制御手段の出力である振動抑制電流との加減算を含む帰還制御ループを構成することによって上記モータの振動成分を抑制することを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
上記小振幅濾過フィルタは、上記動的状態量検出手段の出力信号を入力し上記振動成分に対応するヒステリシス幅をもったヒステリシス関数処理を行うヒステリシスフィルタと、上記動的状態量検出手段の出力信号から上記ヒステリシスフィルタの出力信号を減算する減算器とから構成したことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置。
上記動的状態量検出手段は、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段からなることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置。
上記動的状態量検出手段は、上記操舵トルク信号を検出するトルクセンサからなることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置。
上記動的状態量検出手段は、上記モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、検出された回転角度信号から回転速度を演算する回転速度算出手段とからなることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置。