JP5212454B2 - 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、自動車や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、特にステアリングセンター位置を検出することにより、操舵角（舵角）の検出をセンサなしで行う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する。

自動車や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（操舵補助トルク）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、電流制御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８に示して説明すると、操向ハンドル１の軸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に結合されている。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を介して軸２に結合されている。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からイグニションキー１１を経て電力が供給され、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で構成されるが、そのＣＰＵ（又はＭＣＵ）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９のようになる。例えば位相補償器３１は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、ＣＰＵ（又はＭＣＵ）で実行される位相補償機能を示している。

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は、操舵系の安定性を高めるために位相補償器３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器３２に入力される。また、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算器３２に入力される。操舵補助指令値演算器３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基づいてモータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを決定する。操舵補助指令値Ｉは減算器３０Ａに入力されると共に、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器３４に入力され、減算器３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器３５に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算器３６に入力される。微分補償器３４及び積分補償器３６の出力も加算器３０Ｂに加算入力され、加算器３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。

上述のような電動パワーステアリング装置において、従来舵角を検出して戻り制御や電子安定制御を行う場合には、ハード構成の舵角センサを取付けている。

特開平２−２９０７８２

上述のように舵角センサを取付ける場合、次のような問題がある。即ち、舵角センサのゼロ点と車のステアリング系との整合性を調整する必要がある。例えばハンドルの取替え、タイヤの取替えなどにより、舵角センサのゼロ点と車の直進状態との整合がとれなくなる可能性がある。また、舵角センサを取付けることにより、電動パワーステアリング装置の部品点数が多くなり、コストが高くなる。

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、従来車両に存在するセンサのみによってステアリングセンター位置を検出すると共に、舵角センサを設けることなく舵角を検出できるようにした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に基づいて演算手段で演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基づいてステアリング機構に操舵補助力を与える前記モータを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の制御装置に関し、本発明の上記目的は、車速が所定値１以上であり、かつ前記操舵トルクが所定値２より小さく、かつ前記演算された操舵補助指令値、前記モータの回転角速度、前記モータの回転角加速度及び前記操舵トルクにより推定されたＳＡＴ推定値が所定値３より小さい状態が所定時間を継続した時のステアリングホイールの角度θをステアリングセンター位置とするセンター位置検出部と、前記モータの回転角度信号に基づいてモータ回転角度変化量Δθｍを求め、ステアリング角度変化量Δθ（ｔ）＝ｆ（Δθｍ）を演算し、前記センター位置検出部がセンター位置を検出していないとき、θ（ｔ−Ｔ）を１サンプリング時間前の舵角検出値、Ｎをステアリングの回転数としたとき、θ（ｔ）＝θ（ｔ−Ｔ）＋Δθ（ｔ）、Ｎ＝floor（θ（ｔ）／３６０）を演算すると共に、θ（ｔ−Ｔ）＝θ（ｔ）を出力し、前記センター位置検出部がセンター位置を検出しているとき、θ（ｔ）＝０、Ｎ＝０、θ（ｔ−Ｔ）＝０を出力する舵角検出部とを具備することにより達成される。

本発明では、新たな舵角センサを設けずに、ＳＡＴ推定値、車速及び操舵トルク信号によりステアリングセンターを検出し、更にモータの回転角度信号若しくは回転角度推定信号により絶対舵角を検出することができる。よって、センサなしで舵角センサの機能を実現でき、かつステアリングセンター（ゼロ舵角）の自動検出もでき、安価で部品点数の少ないパワーステアリング装置の制御装置を提供できる。

本発明の構成例を示すブロック図である。 ＳＡＴ（セルフアライニングトルク）を説明するための図である。 車速変化に基づくＳＡＴと舵角の関係を示す図である。 ステアリングセンター位置（舵角θ＝０）の検出動作例を示すフローチャートである。 バックラッシュの特性例を示す図である。 舵角検出時の初期化を示すフローチャートである。 舵角検出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例を示すブロック構成図である コントロールユニットの一般的な内部構成を示すブロック図である。

本発明では、車の直進状態時にＳＡＴ（セルフアライニングトルク）がほぼゼロになることを利用し、ＳＡＴ推定値、車速及び操舵トルクに基づいて車両の直進状態を推定する。この状態により、ステアリングセンター位置（ゼロ舵角）を検出する。また、モータ回転角度信号により、モータ回転角度の変化量を舵角の変化量に換算し、ステアリングセンター位置（ゼロ舵角）と舵角の変化量とにより、舵角センサなしで舵角を検出する。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図１は本発明の構成例を示しており、ステアリング装置の補助操舵力を発生するモータ４０はモータ駆動部４１によって駆動され、モータ駆動部４１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にはトルクセンサからの操舵トルク信号Ｔｈ及び車速検出系からの車速信号Ｖｅｌが入力される。モータ４０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、操舵トルク信号Ｔｈを用いて制御を行う破線で示すトルク系制御部５０と、モータ４０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６０とで構成されている。トルク系制御部５０はアシスト量演算部５１、微分制御器５２、ヨーレート収れん性制御部５３、ロバスト安定化補償部５４、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）推定フィードバック部５５、ステアリングセンター位置検出部１０１及び舵角検出部１０２によって構成され、更に加算器５６及び５７、減算器５８を具備している。また、モータ系制御部６０は補償器６１、外乱推定器６２、モータ角速度推定部６３、モータ角加速度推定部（微分器）６４及びモータ特性補償部６５で構成され、加算器６６及び６７を具備している。

操舵トルク信号Ｔｈはアシスト量演算部５１、微分制御器５２、ヨーレート収れん性制御部５３及びＳＡＴ推定フィードバック部５５に入力され、いずれも車速信号Ｖｅｌをパラメータ入力としている。操舵トルク信号Ｔｈ及び車速信号Ｖｅｌはステアリングセンター位置検出部１０１に入力されている。アシスト量演算部５１は操舵トルク信号Ｔｈに基づいてアシストトルク量を演算し、ヨーレート収れん性制御部５３は操舵トルク信号Ｔｈ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５２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５５は操舵トルク信号Ｔｈと、アシスト量演算部５１の出力に微分制御器５２の出力を加算器５６で加算した信号と、モータ角速度推定部６３で推定された角速度推定値ωと、モータ角加速度推定部６４からの角加速度推定値＊ωとを入力し、後述する式に従ってＳＡＴを推定し、推定したＳＡＴ推定値Ｓ_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与えるようになっている。

また、アシスト量演算部５１の出力に微分制御器５２の出力を加算器５６で加算した信号に、ヨーレート収れん性制御部５３の出力を加算器５７で加算した信号をアシスト量ＡＱとしてロバスト安定化補償部５４に入力している。ロバスト安定化補償部５４は特開平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５４の出力からＳＡＴ推定フィードバック部５５のＳＡＴ推定値Ｓ_ＳＡＴを減算器５８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アシスト量Ｉａが得られる。

ステアリングセンター位置検出部１０１で検出されたステアリングセンター検出信号ＳＣは舵角検出部１０２に入力され、舵角検出部１０２にはモータ４０に取付けられているセンサからのモータ回転角度信号ＲＳも入力されている。舵角検出部１０２は、ステアリングセンター検出信号ＳＣ及びモータ回転角度信号ＲＳに基づいて舵角を検出して舵角信号θを出力する。舵角信号θは戻り制御や車の電子安定制御等に使用される。

更に、モータ角速度推定部６３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６４、ヨーレート収れん性制御部５３及びＳＡＴ推定フィードバック部５５に入力される。モータ角加速度推定部６４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６５に入力される。モータ特性補償部６５の出力Ｉｃに、ロバスト安定化補償部５８の出力からＳＡＴ推定フィードバック部５５のＳＡＴ推定値Ｓ_ＳＡＴを減算したアシスト量Ｉａが加算器６６で加算され、その加算信号が電流指令値Ｉｒとして微分補償器等で成る補償器６１に入力される。補償器６１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定器６２の出力を加算器６７で加算した信号がモータ駆動部４１及び外乱推定器６２に入力される。外乱推定器６２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６１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定器６２の出力を加算した信号と、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２に示して説明する。ドライバがハンドルを操舵することによって操舵トルクＴｈが発生し、その操舵トルクＴｈに従ってモータ４０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４０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+Th ・・・(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)+Th(s)−J・*ω(s)−Fr・sign(ω(s)) ・・・(2)

上記（２）式から分かるように、モータ４０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、回転角加速度＊ω、操舵補助力及び操舵トルク信号ＴｈよりＳＡＴ（セルフアライニングトルク）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５５には操舵トルク信号Ｔｈ、角速度ω、角加速度＊ω、アシスト量演算部５１の出力がそれぞれ入力されている。

次に、ステアリングセンター位置検出部１０１におけるステアリングセンター位置の検出について説明する。

ステアリングセンター位置は車の直進状態でのステアリングホイールの位置である。ステアリング系の摩擦がない場合、ステアリングを切った後、操舵力を与えなくてもＳＡＴの作用によりステリングホイールがセンター位置に戻る。つまり、ターン状態から直進状態に戻り、ＳＡＴがゼロになる。摩擦を考慮した場合、操舵力を与えないと摩擦とＳＡＴのバランスで、ＳＡＴはゼロにならなくてもステアリングホイールが止まってしまう。つまり、ターン状態から完全な直進状態に戻らない。前記（２）式より、SAT(s)=−Fr・sign(ω(s))になる。

車速変化によるＳＡＴと舵角θの関係は図３に示すようになっており、同じ車速（Ｖｅｌ２）に対してステアリングホイールがセンターよりずれる角度(舵角)θ２は摩擦Ｆｒ（＝ＳＡＴ）の大きさに依存する。摩擦が大きければ、ずれ角度は大きくなる。しかし、同じ舵角（θ２）に対して、車速（Ｖｅｌ２→Ｖｅｌ１）が大きくなるほどＳＡＴ（Ｐ２→Ｐ１）が大きくなる。図３のＰ２→Ｐ３から分かるように、同じ摩擦Ｆｒに対して、車速（Ｖｅｌ１＞Ｖｅｌ２）が大きくなれば、ステアリングホイールがセンターよりずれる角度（θ１＜θ２）が小さくなる。

本発明では、車速Ｖｅｌが所定車速以上（例えばＶｅｌ≧Ｖｅｌ０）の時に、操舵トルクＴｈが所定値より小さく（|Ｔｈ|≦Ｔｈ０）、直進状態（|ＳＡＴ推定値Ｓ_ＳＡＴ|≦ＳＡＴ０）が所定時間Ｔ_０を続けて検出された時のステアリングホイールの角度θをステアリングセンター位置（舵角θ＝０）として検出する。

ステアリングセンター位置（舵角θ＝０）の検出動作例を、図４のフローチャートに従って説明する。

先ずセンター条件としての車速Ｖｅｌ≧Ｖｅｌ０、操舵トルク信号|Ｔｈ|≦Ｔｈ０、ＳＡＴによる直進状態|ＳＡＴ推定値Ｓ_ＳＡＴ|≦ＳＡＴ０を判断する（ステップＳ１）。ここで、Ｖｅｌ０はセンター条件判断用の車速閾値、Ｔｈ０はセンター条件判断用の操舵トルク閾値、ＳＡＴ０はセンター条件判断用のＳＡＴ閾値である。上記条件の全てが成立したときに、センター検出用の計時カウンタｃｎｔを「＋１」し（ステップＳ２）、計時カウンタｃｎｔがセンター検出用のカウンタ閾値Ｔ_０以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。つまり、所定時間を経過したか否かを判定する。そして、計時カウンタｃｎｔがカウンタ閾値Ｔ_０以上であればセンター検出用フラグｃｅｎ_ｆｌｇを立て（ステップＳ４）、計時カウンタｃｎｔをリセットして終了し（ステップＳ５）、計時カウンタｃｎｔがカウンタ閾値Ｔ_０より小さければセンター検出用フラグｃｅｎ_ｆｌｇをリセットして終了する（ステップＳ７）。また、上記ステップＳ１で全ての条件が成立しない場合には、センター検出用フラグｃｅｎ_ｆｌｇをリセットし（ステップＳ６）、計時カウンタｃｎｔをリセットして終了する（ステップＳ５）。

次に、舵角検出部１０２における舵角（絶対ステアリング角度）検出の動作を説明する。

モータ４０に取付けられたセンサからのモータ回転角度信号ＲＳ（又はモータ回転角度推定信号）により、モータ回転角度変化量Δθｍが得られる。また、モータ軸とステアリングホイール軸との間の減速ギア比（Ｇｒ）によって、下記（３）式に従って舵角変化量Δθが求められる。

Δθ＝（１／Ｇｒ）×Δθｍ …（３）

しかし、モータ軸とステアリングホイール軸との間にメカ機構があるので、ダンパ、バックラッシュ、バネ特性等を考慮する必要がある。例えばバックラッシュの特性は図５に示すようになっており、−Ａ〜＋Ａがバックラッシュとなる。舵角θの変化量Δθは下記（４）式で求められる。

Δθ＝ｆ（Δθｍ） …（４）

また、舵角θはステアリングセンター角度θ＝０より変化量Δθを累積して計算する。

θ（ｔ）＝θ（ｔ−Ｔ）＋Δθ（ｔ） …（５）

θ（ｔ−Ｔ）は１サンプリング時間前の舵角検出値である。ステアリングの回転数Ｎはθ（ｔ）の３６０度の倍数より計算される。

Ｎ＝ｆｌｏｏｒ（θ（ｔ）／３６０） …（６）

ここで、絶対ステアリング角度検出の動作を、図６及び図７のフローチャートを参照して説明する。

図６は初期化のフローを示しており、全てのパラメータを０に初期化する（ステップＳ１０）。なお、ａｂｓ_ａｎｇｌｅ_ｆｌｇは絶対ステアリング角度有効フラグであり、“１”は有数、“０”は無数を示している。また、θ（ｔ）は絶対ステアリング角度検出値であり、Ｎはステアリングの回転数であり、θ（ｔ−Ｔ）は１サンプリング時間前の絶対ステアリング角度検出値である。

その後、図７の動作を実行する。即ち、先ずモータ回転角度変化量Δθｍを読取り（ステップＳ２０）、ステアリング角度変化量Δθ（ｔ）＝ｆ（Δθｍ）を計算する（ステップＳ２１）。そして、ステアリングセンター位置検出部１０１でステアリングセンターを検出し（ステップＳ２２）、センター検出フラグｃｅｎ_ｆｌｇが立っている（＝１）か否かを判定し（ステップＳ２３）、センター検出フラグｃｅｎ_ｆｌｇが立っていない場合には、絶対ステアリング角度有数フラグａｂｓ_ａｎｇｌｅ_ｆｌｇが立っているか否かを判定する（ステップＳ２４）。絶対ステアリング角度有数フラグａｂｓ_ａｎｇｌｅ_ｆｌｇが立っていれば上記（５）式及び（６）式を演算すると共に、θ（ｔ−Ｔ）＝θ（ｔ）を演算して終了する（ステップＳ２５）。また、上記ステップＳ２３でセンター検出フラグｃｅｎ_ｆｌｇが立っている場合には絶対ステアリング角度有効フラグａｂｓ_ａｎｇｌｅ_ｆｌｇを立て（ステップＳ２６）、θ（ｔ）＝０、Ｎ＝０、θ（ｔ−Ｔ）＝０として終了する（ステップＳ２７）。上記ステップＳ２４で絶対ステアリング角度有数フラグａｂｓ_ａｎｇｌｅ_ｆｌｇが立っている場合には、同様にθ（ｔ）＝０、Ｎ＝０、θ（ｔ−Ｔ）＝０として終了する（ステップＳ２７）。

本発明は電動パワーステアリング装置の形式（コラムタイプ、ピニオンタイプ、ラックタイプ）、モータの種類（ブラシ付き、ブラシレス等）を問わず、全ての電動パワーステアリング装置に適用可能である。また、絶対舵角信号は電動パワーステアリング装置だけではなく、電子安定制御、車両統合制御等にも使用可能である。

１ 操向ハンドル
５ ピニオンラック機構
２０、４０ モータ
３０、１００ コントロールユニット
４１ モータ駆動部
５０ トルク系制御部
５１ アシスト量演算部
５２ 微分制御器
５３ ヨーレート推定フィードバック部
５４ ロバスト安定化補償部
５５ ＳＡＴ推定フィードバック部
６０ モータ系制御部
６１ 補償部
６２ 外乱推定器
６３ モータ角速度推定部
６４ モータ角加速度推定部
６５ モータ特性補償部
１０１ ステアリングセンター位置検出部
１０２ 舵角検出部

Claims (1)

1. ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいて演算手段で演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基づいてステアリング機構に操舵補助力を与える前記モータを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の制御装置において、
   車速が所定値１以上であり、かつ前記操舵トルクが所定値２より小さく、かつ前記演算された操舵補助指令値、前記モータの回転角速度、前記モータの回転角加速度及び前記操舵トルクにより推定されたＳＡＴ推定値が所定値３より小さい状態が所定時間を継続した時のステアリングホイールの角度θをステアリングセンター位置とするセンター位置検出部と、
   前記モータの回転角度信号に基づいてモータ回転角度変化量Δθｍを求め、ステアリング角度変化量Δθ（ｔ）＝ｆ（Δθｍ）を演算し、前記センター位置検出部がセンター位置を検出していないとき、θ（ｔ−Ｔ）を１サンプリング時間前の舵角検出値、Ｎをステアリングの回転数としたとき、θ（ｔ）＝θ（ｔ−Ｔ）＋Δθ（ｔ）、Ｎ＝floor（θ（ｔ）／３６０）を演算すると共に、θ（ｔ−Ｔ）＝θ（ｔ）を出力し、前記センター位置検出部がセンター位置を検出しているとき、θ（ｔ）＝０、Ｎ＝０、θ（ｔ−Ｔ）＝０を出力する舵角検出部と、
   を具備した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。

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