JP5224419B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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    • B62D6/008Control of feed-back to the steering input member, e.g. simulating road feel in steer-by-wire applications

Description

この発明は、操向ハンドルの操作に際し、運転者の操舵を補助する力(操舵アシスト力)をモータから付与する電動パワーステアリング装置に関する。
操向ハンドルの操作を軽快に行うことを可能にするため、運転者の操舵を補助する力(操舵アシスト力)をモータから付与する電動パワーステアリング装置が知られている(特許文献1)。
特許文献1では、次の式(1)の関係が成り立つことが紹介されている(段落[0030]、補正後の[0031])。
TS≒T=TL±Tf+TI−TM ・・・(1)
上記式(1)において、TSは、操向ハンドルに生じる操舵トルク、Tは、操舵トルク検出手段(13)で検出した操舵トルク、TLは、車輪に作用する路面負荷の影響で発生するトルク、Tfは、モータ、ギア、その他(足回り)のフリクションの影響で発生するトルク、TIは、モータ慣性、車輪慣性等の影響で発生するトルクである(補正後の[0031])。
特許文献1では、上記式(1)の関係を前提とした上で、同文献の図1に示すような処理を行う。すなわち、舵角(θ)に基づいて目標操舵トルク(Tθ)を設定する。目標操舵トルク(Tθ)と手動操舵トルク(T)との偏差(ΔT)を算出する。偏差(ΔT)に応じてモータ電流値(IT)を設定する。モータ電流値(IT)とモータ電流検出器(23)の検出信号(23a)との偏差(ΔI)を演算する。偏差(ΔI)に基づき半導体素子(22a〜22d)を駆動制御する([0013]〜[0019])。
特開平06−056046号公報
特許文献1の制御では、舵角(θ)に基づいて目標操舵トルク(Tθ)を設定し目標操舵トルク(Tθ)と手動操舵トルク(T)との偏差(ΔT)を算出しているが、電動パワーステアリング装置におけるモータの回転軸の慣性モーメント、軸受類のグリースによる粘性及びモータ等のフリクションが存在するため、操舵感の低下(操向ハンドルの操作に対応する車両の動作変化の応答性が遅いこと)を生じさせるおそれがある。更に、特許文献1の制御では、路面の摩擦係数{ドライ、雨、砂、雪、凍結、スプリット(路面の左右で摩擦係数が異なる状態)等}の変化や路面の状況(轍、路肩等)による操舵反力を運転者に伝達し難くなり、このこと(操舵反力を伝達し難くなること)は、特に、高速走行時において車両挙動が敏感になるので顕著である。また、特許文献1の制御では、舵角(θ)により操舵反力を付与しているので、車両のあらゆる走行場面に車両挙動を適合させ確認するための多大の開発工数を要する。
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、操舵感の低下を防止しつつ、開発工数を低減させることが可能な電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
この発明に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリング軸を介してタイヤに接続された操向ハンドルからの操舵トルクを検出するトルク検出手段を用いてモータを制御するモータ制御手段を備えるものであって、車幅方向又は水平回転方向の車両の挙動を発生させる操作子の操作量を検出する操作量検出手段及び車幅方向又は水平回転方向の車両の挙動量を検出する車両挙動検出手段の少なくとも一方を備え、前記モータ制御手段は、前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクをゼロ又は第1所定値とするように制御する第1制御手段と、前記操作量検出手段によって検出される操作量又は前記車両挙動検出手段によって検出される車両の挙動量に基づいて、前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクをゼロ又は前記第1所定値よりも大きい第2所定値とするように制御する第2制御手段とを備え、前記モータ制御手段は、前記第1制御手段の出力と前記第2制御手段の出力とに基づいてモータを制御することを特徴とする。
この発明によれば、操舵トルクをゼロ又は第1所定値とするように制御しつつ、車幅方向若しくは水平回転方向の車両の挙動を発生させる操作子の操作量又は車幅方向若しくは水平回転方向の車両の挙動量に基づいて、操舵トルクをゼロ又は第1所定値よりも大きい第2所定値とするように制御する。操舵トルクをゼロ又は第1所定値とするように制御することにより、モータの回転軸の慣性モーメント、軸受類のグリースによる粘性抵抗及び機械的フリクションの影響を低減することを可能にする。
そして、この状態で、操舵トルクを第2所定値とするように制御する。従って、操舵トルクの制御を容易とし、例えば、前記慣性モーメント等の影響によるフィードバックの応答遅れに伴う操舵感の低下を防止することが可能となるばかりか、路面の摩擦係数の変化及び路面の状況に応じた操舵反力を運転者に伝達し易くなり、操舵感を向上させることができる。このこと(操舵感を向上させることができること)は、特に、高速走行時において車両挙動が敏感になるので顕著となる。また、路面の摩擦係数の変化及び路面の状況に応じて操舵反力を付与することになるので、車両のあらゆる走行場面に容易に車両挙動を適合でき開発工数を軽減できる。
前記電動パワーステアリング装置は、さらに、前記車両の速度を検出する車速検出手段を備え、前記モータ制御手段は、前記車速検出手段によって検出される車速に基づいて、前記第2所定値を補正してもよい。これにより、第2所定値を車速に応じて調整することができる。従って、主として第2所定値を操舵トルクの目標値とする場合、操舵トルクの目標値を車速に応じて調整することができるため、よりフィーリングの良い制御が可能となる。
前記操作量検出手段は、例えば、操向ハンドルの操舵量を検出してもよい。
前記車両挙動検出手段は、例えば、前記車両の横加速度を検出する横加速度センサ及び前記車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサの少なくとも1つとすることができる。
前記モータ制御手段は、前記第2制御手段が故障した場合、前記第1制御手段の制御を前記第2所定値となるように制御してもよい。
この発明によれば、操舵トルクをゼロ又は第1所定値とするように制御しつつ、車幅方向若しくは水平回転方向の車両の挙動を発生させる操作子の操作量又は車幅方向若しくは水平回転方向の車両の挙動量に基づいて、操舵トルクをゼロ又は第1所定値よりも大きい第2所定値とするように制御する。操舵トルクをゼロ又は第1所定値とするように制御することにより、モータの回転軸の慣性モーメント、軸受類のグリースによる粘性抵抗及び機械的フリクションの影響を低減することが可能となる。
そして、この状態で、操舵トルクを第2所定値とするように制御する。従って、操舵トルクの制御を容易とし、例えば、前記慣性モーメント等の影響によるフィードバックの応答遅れに伴う操舵感の低下を防止することが可能となるばかりか、路面の摩擦係数の変化及び路面の状況に応じた操舵反力を運転者に伝達し易くなり、操舵感を向上させることができる。このことは、特に、高速走行時において車両挙動が敏感になるので顕著となる。また、路面の摩擦係数の変化及び路面の状況に応じて操舵反力を付与することになるので、車両のあらゆる走行場面に容易に車両挙動を適合でき開発工数を軽減できる。
この発明の第1実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 第1実施形態における電子制御装置によるモータの出力制御に関する説明図である。 トルクセンサユニットによる検出トルクと、右方向トルク電圧、左方向トルク電圧及び合計トルク電圧との関係を示す図である。 この発明の第2実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 第2実施形態における電子制御装置によるモータの出力制御に関する説明図である。 検出トルクとモータ目標基準電流との関係の変形例を示す図である。 検出トルクとモータ目標加算トルクとの関係の変形例を示す図である。
I.第1実施形態
A.構成
1.電動パワーステアリング装置10の全体
図1は、この発明の第1実施形態に係る電動パワーステアリング装置10(以下「パワーステアリング装置10」という。)の概略構成図である。
図1に示すように、パワーステアリング装置10は、操向ハンドル12(ステアリングホイール)と、ステアリングコラム14と、中間ジョイント16と、ステアリングギアボックス18と、転舵輪としての左右の前輪20と、モータ22と、インバータ24と、車速センサ26と、センサユニット28と、電子制御装置30(以下「ECU30」という。)と、バッテリ32とを有する。
ステアリングコラム14は、筐体40と、筐体40内部において軸受44、46、48に支持されたステアリング軸42と、トルクセンサ50と、舵角センサ52とを有する。
中間ジョイント16は、2つのユニバーサルジョイント60a、60bと、その間に配置された軸部62とを有する。
ステアリングギアボックス18は、筐体70と、ラック&ピニオン機構のピニオン74が設けられ軸受76、78により支持されたピニオン軸72と、ラック&ピニオン機構のラック歯82が設けられたラック軸80と、タイロッド84とを有する。
2.マニュアル操舵系
ステアリング軸42は、その一端が操向ハンドル12に固定され、他端がユニバーサルジョイント60aに連結されている。ユニバーサルジョイント60aは、ステアリング軸42の一端と軸部62の一端とを連結する。ユニバーサルジョイント60bは、軸部62の他端とピニオン軸72の一端とを連結する。ピニオン軸72のピニオン74と、車幅方向に往復動可能なラック軸80のラック歯82とが噛合する。ラック軸80の両端はそれぞれタイロッド84を介して左右の前輪20に連結されている。
従って、運転者が操向ハンドル12を操作することによって生じた操舵トルクTr(回転力)は、ステアリング軸42及び中間ジョイント16を介してピニオン軸72に伝達される。そして、ピニオン軸72のピニオン74及びラック軸80のラック歯82により操舵トルクTrが推力に変換され、ラック軸80が車幅方向に変位する。ラック軸80の変位に伴ってタイロッド84が前輪20を転舵させることで、車両の向きを変えることができる。
ステアリング軸42、中間ジョイント16、ピニオン軸72、ラック軸80及びタイロッド84は、操向ハンドル12に対する運転者の操舵動作を前輪20に直接伝えるマニュアル操舵系を構成する。
3.転舵アシスト系
(1)アシスト駆動系
モータ22は、ウォームギア90及びウォームホイールギア92を介してステアリング軸42に連結されている。すなわち、モータ22の出力軸は、ウォームギア90に連結されている。また、ウォームギア90と噛合するウォームホイールギア92は、ステアリング軸42自体に一体的に又は弾性的に形成されている。
モータ22は、例えば、3相交流ブラシレス式であり、ECU30に制御されるインバータ24を介してバッテリ32から電力が供給される。そして、当該電力に応じた駆動力(操舵アシスト力)を生成する。当該駆動力は、モータ22の出力軸、ウォームギア90、ステアリング軸42(ウォームホイールギア92)、中間ジョイント16及びピニオン軸72を介してラック軸80に伝達される。これにより、運転者の操舵を補助する。モータ22、ウォームギア90及びステアリング軸42(ウォームホイールギア92)は、運転者の操舵を補助する力(操舵アシスト力)を生成するアシスト駆動系を構成する。
(2)アシスト制御系
トルクセンサ50、車速センサ26、インバータ24、センサユニット28及びECU30は、アシスト駆動系を制御するアシスト制御系を構成する。以下では、アシスト駆動系、アシスト制御系及びバッテリ32を合わせて転舵アシスト系とも称する。
本実施形態において、モータ22の出力は、d軸及びq軸を用いるいわゆるベクトル制御により制御される。当該ベクトル制御としては、例えば、特開2006−256542号公報、特開2009−090817号公報及び特開2010−064544号公報に記載のものを用いることができる。
(a)フィードフォワード系センサ類
トルクセンサ50は、ステアリング軸42に直接磁歪めっきを処理した曲げ・捩り両剛性の高い磁歪式であり、磁歪式の第1検出素子(磁歪膜)100及び第2検出素子(磁歪膜)102を有する。第1検出素子100は、運転者から操向ハンドル12に向かって時計回りの方向のトルク(右方向トルクTsr)に応じた電圧(右方向トルク電圧VT1)をECU30に出力する。第2検出素子102は、運転者から操向ハンドル12に向かって反時計回りの方向のトルク(左方向トルクTsl)に応じた電圧(左方向トルク電圧VT2)をECU30に出力する。
車速センサ26は、車速Vs[km/h]を検出し、ECU30に出力する。舵角センサ52は、操向ハンドル12の操舵量を示す舵角θs[度]を検出し、ECU30に出力する。
右方向トルク電圧VT1、左方向トルク電圧VT2、車速Vs及び舵角θsは、ECU30においてフィードフォワード制御に用いられる。
(b)インバータ24
インバータ24は、3相フルブリッジ型の構成とされて、直流/交流変換を行い、バッテリ32からの直流を3相の交流に変換してモータ22に供給する。
(c)フィードバック系センサ類
センサユニット28は、前記ベクトル制御においてトルク電流成分であるq軸電流Iqを検出する。センサユニット28は、モータ22の巻線(図示せず)におけるU相、V相及びW相のうち少なくとも2相の電流を検出する電流センサ(図示せず)と、モータ22の図示しない出力軸又は外ロータの回転角度である電気角θを検出するレゾルバ(図示せず)と、前記少なくとも2相の電流及び電気角θに基づいてq軸電流Iqを演算する演算部とを含む。なお、前記演算部の機能は、ECU30が担うこともできる。
(d)ECU30
図1に示すように、ECU30は、ハードウェアの構成として、入出力部110と、演算部112と、記憶部114とを有する。ECU30は、各センサからの出力値に基づき、インバータ24を介してモータ22の出力を制御する(詳細は後述する。)。
(3)バッテリ32
バッテリ32は、低電圧(本実施形態では12ボルト)を出力可能な蓄電装置であり、例えば、鉛蓄電池等の2次電池を利用することができる。
B.ECU30の処理及び機能(モータ22の出力制御)
1.概要
第1実施形態のECU30は、モータ22が発生するトルクについてのフィードフォワード(FF)制御の目標値(以下「モータ目標トルクTtar」という。)を、主として、基準成分(以下「モータ基準目標トルクTt1」又は「基準目標トルクTt1」という。)と加算成分(以下「モータ加算目標トルクTt2」又は「加算目標トルクTt2」という。)の2つの成分に分けて制御する。
基準目標トルクTt1は、トルクセンサ50の出力から特定されるトルク(以下「検出トルクTs」という。)をゼロにするための値であり、基準目標トルクTt1のみを用いた場合、運転者は操向ハンドル12を操作してもトルク(抵抗)をほとんど感じなくなる。この制御により、モータ22の回転軸の慣性モーメント、軸受類のグリースによる粘性抵抗及び機械的フリクションの影響を低減することを可能とする。
加算目標トルクTt2は、操向ハンドル12を操作した際に運転者が感じるトルク(抵抗)を設定するものである。
第1実施形態では、基準目標トルクTt1により検出トルクTsをゼロに近づける制御(第1制御)を行いつつ、加算目標トルクTt2により検出トルクTsを調整する制御(第2制御)を行うことができる。基準目標トルクTt1及び加算目標トルクTt2はいずれもフィードフォワード項として用いるため、路面の摩擦係数の変化や路面の状況による操舵反力を運転者に伝達し易くなり操舵感を向上させることができる。このこと(操舵感を向上させることができること)は、特に、高速走行時において車両挙動が敏感になるので顕著である。
また、路面の摩擦係数の変化及び路面の状況に応じて操舵反力を付与することになるので、車両のあらゆる走行場面に容易に車両挙動を適合でき開発工数を軽減できる。
更に、運転者による操向ハンドル12の操作に対するパワーステアリング装置10の応答性を向上することが可能となる。
なお、以下の記載から了解されるように、第1実施形態では、基準目標トルクTt1及び加算目標トルクTt2を直接的には用いず、これらに対応する数値を用いることで、基準目標トルクTt1及び加算目標トルクTt2を実質的に制御する。
2.詳細
図2は、ECU30によるモータ22の出力制御に関する説明図である。図2に示すように、ECU30は、トルク検出部120と、目標基準電流算出部122と、目標加算トルク算出部124と、目標加算トルク補正部126と、第1減算器128と、第1PID制御部130と、第2減算器132と、第2PID制御部134とを有する。図2におけるECU30の各構成要素は、記憶部114に記憶されているプログラムを演算部112が実行することにより実現される。
トルク検出部120は、第1検出素子100からの右方向トルク電圧VT1と、第2検出素子102からの左方向トルク電圧VT2とに基づいてステアリング軸42に掛かっているトルク(すなわち、検出トルクTs)を判定する。
より具体的には、トルク検出部120は、右方向トルク電圧VT1と左方向トルク電圧VT2との差である合計トルク電圧VT3を算出する。そして、合計トルク電圧VT3に基づいて検出トルクTsを判定する(図3参照)。なお、右方向トルク電圧VT1と左方向トルク電圧VT2とがわかれば、検出トルクTsは算出可能であることから、右方向トルク電圧VT1及び左方向トルク電圧VT2と検出トルクTsとの関係を規定したマップを記憶部114に記憶しておき、当該マップを用いて検出トルクTsを判定することもできる。
目標基準電流算出部122は、検出トルクTsに応じた目標基準電流Imを設定する。本実施形態において、目標基準電流Imは、検出トルクTsに正比例するものであり(図2参照)、慣性モーメント、粘性及びフリクションの影響をなくして検出トルクTsをゼロにするようにモータ22を作動させるq軸電流Iqである。従って、モータ22を目標基準電流Imのみで作動させた場合、検出トルクTsは略ゼロになり、運転者は操向ハンドル12を操作してもトルク(抵抗)をほとんど感じなくなる。
目標加算トルク算出部124は、舵角センサ52からの舵角θsに応じた第1目標加算トルクTm1を設定する。本実施形態において、第1目標加算トルクTm1は、操向ハンドル12を操作した際に運転者が感じるトルク(抵抗)を設定するものである。
すなわち、図2に示すように、舵角θsがゼロ又はその近傍値である場合、舵角θsの変化量に対する第1目標加算トルクTm1の変化量(舵角θsに対する第1目標加算トルクTm1の増加率)を大きくし、舵角θsがゼロ又はその近傍値から遠ざかると、前記増加率が小さくなり、さらに舵角θsがゼロから遠ざかると、前記増加率が大きくなるように設定される。
これは、次の理由による。すなわち、舵角θsがゼロ又はその近傍値であるとき、車両が直進している可能性が高く、操向ハンドル12の舵角θsを安定させておく方が好ましいと考えられる。そこで、舵角θsがゼロ又はその近傍値である場合、舵角θsの変化量に対するモータ22のトルクの変化量(図2の参照符号124中の傾き)を大きくして舵角θsの変化が起こり難くする。また、舵角θsがゼロ又はその近傍値から遠ざかると、車両がカーブ路を走行している可能性が高く、操向ハンドル12の舵角θsを操作し易くする方が好ましいと考えられる。そこで、舵角θsがゼロ又はその近傍値から遠ざかると、舵角θsの変化量に対するモータ22のトルクの変化量(図2の参照符号124中の傾き)を小さくして舵角θsの変化を起こり易くする。さらに舵角θsがゼロから遠ざかると、操向ハンドル12の操舵限界(旋回限界)に近づいていくため、これ以上舵角θsを変化させることが困難であることを運転者に知らせることが好ましいと考えられる。そこで、さらに舵角θsが大きくなると、舵角θsの変化量に対するモータ22のトルクの変化量(図2の参照符号124中の傾き)を大きくして舵角θsの変化を起こり難くする。
目標加算トルク補正部126は、目標加算トルク算出部124で算出した第1目標加算トルクTm1を車速Vsに応じて補正して第2目標加算トルクTm2として出力する。すなわち、車速Vsがゼロから高くなるほど、モータ22のトルクが大きくなるようにする。これにより、車速Vsが高いときに操向ハンドル12の舵角θsを細かく調整することが可能となる。
なお、第1実施形態では、第1目標加算トルクTm1は、車速Vsがゼロのときの値として設定されているが、これに限らず、車速Vsの所定値Vs1(>0)を基準として第1目標加算トルクTm1を設定することもできる。この場合、車速Vsが所定値Vs1より高ければ、第1目標加算トルクTm1よりも第2目標加算トルクTm2を高くし、車速Vsが所定値Vs1より低ければ、第1目標加算トルクTm1よりも第2目標加算トルクTm2を低くする。
第1減算器128は、目標加算トルク補正部126で算出した第2目標加算トルクTm2と、トルク検出部120で算出した検出トルクTsとの偏差(以下「トルク偏差ΔT」という。)を算出する。
第1PID制御部130は、トルク偏差ΔTをゼロに近づけるように、PID制御(比例・積分・微分制御)により、q軸電流Iqの目標値を補正するための目標加算電流偏差ΔIqを算出する。
第2減算器132は、目標基準電流算出部122からの目標基準電流Imと第1PID制御部130からの目標加算電流偏差ΔIqとの差であるフィードフォワード目標電流Iff(以下「FF目標電流Iff」という。)を算出する。さらに、第2減算器132は、FF目標電流Iffと、センサユニット28からのq軸電流Iqとの偏差(以下「目標q軸電流偏差ΔIq_t」という。)を算出する。
第2PID制御部134は、目標q軸電流偏差ΔIq_tをゼロに近づけるように、PID制御(比例・積分・微分制御)により、モータ22のq軸電流Iqをインバータ24を介して制御する。なお、d軸及びq軸を用いたベクトル制御のための第2PID制御部134の処理の詳細は、例えば、特開2006−256542号公報、特開2009−090817号公報及び特開2010−064544号公報に記載のものを用いることができる。
なお、車速センサ26又は舵角センサ52の故障等により加算成分の算出が不可能になった場合、ECU30は、上記制御(図2)を中止し、従来技術の制御(例えば、特許文献1の制御)に切り替える。これにより、基準成分のみを用いる制御(第1制御のみの使用)による運転者の違和感を防止することが可能となる。
C.第1実施形態の効果
以上のように、第1実施形態によれば、検出トルクTsをゼロとするように制御しつつ(第1制御)、舵角θsに基づいて、検出トルクTsをゼロよりも大きい第1目標加算トルクTm1になるように制御する(第2制御)。検出トルクTsをゼロとするように制御することにより、モータ22の回転軸の慣性モーメント、軸受類のグリースによる粘性抵抗及び機械的フリクションの影響を低減することが可能となる。そして、この状態で、検出トルクTsを第1目標加算トルクTm1とするように制御する。従って、検出トルクTsの制御を容易とし、例えば、前記慣性モーメント等の影響によるフィードバックの応答遅れに伴う操舵感の低下を防止することが可能となるばかりか、路面の摩擦係数の変化及び路面の状況に応じた操舵反力を運転者に伝達し易くなり、操舵感を向上させることができる。
なお、上記のような効果は、次のことを背景としている。すなわち、モータ22のアシストトルクAHは、次の式(2)により表すことができる。
Figure 0005224419
上記式(2)において、kAはアシストトルクAHの係数、Tsは検出トルク、Ineはモータ22の回転軸の慣性モーメント、θsは操向ハンドル12の舵角、dθs/dtはθsの1回微分値(角速度)、dθs/dtはθsの2回微分値(角加速度)、cmは軸受類のグリースによる粘性(粘性係数)、fmは、機械的フリクションである。
ここで、タイヤ−路面間の負荷である負荷トルクをTTとすると、次の式(3)〜(5)の関係が満たされる。
Figure 0005224419
Figure 0005224419
以上より、操舵トルクTsは、負荷トルクTTの1/(1+kA)に軽減される(kA>0)。
ここで、特許文献1のような技術では、慣性モーメントIne、粘性係数cm及び機械的フリクションfmの存在から、式(5)の第2項の影響を受けて、特に高速走行時に大きな影響を受け、操舵感が低下する。
一方、第1実施形態によれば、式(2)のkAの値を大きくすることができる。例えば、kA=∞にすると、Ts=0になる。このときに、慣性モーメントIne、粘性係数cm及び機械的フリクションfmの影響をなくすことが可能となる。なお、kA=∞としなくても、実用上、kA>10であれば、kA=∞と同等である。さらに、車両によっては、kA>5であってもよい。kAの値を車速Vsに応じて小さくしないので、高速走行時であっても慣性モーメントIne、粘性係数cm及び機械的フリクションfmの影響を受けない。
加算目標トルクTt2は、操向ハンドル12を操作した際に運転者が感じるトルク(抵抗)を設定するものであり、基準目標トルクTt1により検出トルクTsをゼロに近づける制御(第1制御)を行いつつ、加算目標トルクTt2により検出トルクTsを調整する制御(第2制御)を行うことができる。基準目標トルクTt1及び加算目標トルクTt2はいずれもフィードフォワード項として用いるために、路面の摩擦係数(ドライ、雨、砂、雪、凍結、スプリット等)の変化や路面の状況(轍、路肩等)による操舵反力を運転者に伝達し易くなり、操舵感を向上させることができる。このこと(操舵反力を伝達し易くなること)は、特に、高速走行時において車両挙動が敏感になるので顕著となる。
また、第1実施形態によれば、路面の摩擦係数の変化及び路面の状況に応じて操舵反力を付与することになる。例えば、路面の摩擦係数が低い場合(低μである場合)及び路面の摩擦抵抗が高い場合(高μである場合)それぞれについて、所定の操舵量θs1を発生させるものとする。この条件の下、運転者が同じ操舵量θs1を同じ力で発生させようとすると、検出トルクTsは、低μである場合の方が低くなる。従って、低μである場合の方が、目標基準電流Im(図2)が小さくなると共に、トルク偏差ΔT及び目標加算電流偏差ΔIqが大きくなる。その結果、低μである場合の方が、目標基準電流Imに対する目標加算電流偏差ΔIqの割合が大きくなる。このため、路面の摩擦係数に応じて操舵反力を付与することが可能になる。このように、路面の摩擦係数の変化及び路面の状況に応じて操舵反力を付与することが可能となる結果、車両のあらゆる走行場面に容易に車両挙動を適合でき開発工数を軽減できる。
第1実施形態において、ECU30は、車速Vsに基づいて第1目標加算トルクTm1を補正した第2目標加算トルクTm2を用いる。これにより、第1目標加算トルクTm1を車速Vsに応じて調整することができる。第1実施形態では、加算成分としての第1目標加算トルクTm1を検出トルクTsの目標値とするが、検出トルクTsの目標値を車速Vsに応じて調整することができるため、よりフィーリングの良い制御が可能となる。
第1実施形態では、車速センサ26又は舵角センサ52の故障等により加算成分の算出が不可能になった場合、ECU30は、上記制御(図2)を中止し、従来技術の制御(例えば、特許文献1の制御)に切り替える。これにより、基準成分のみを用いる制御(第1制御のみの使用)による運転者の違和感を防止することが可能となる。
II.第2実施形態
A.電動パワーステアリング装置10Aの全体構成(第1実施形態との相違)
図4は、この発明の第2実施形態に係る電動パワーステアリング装置10A(以下「パワーステアリング装置10A」という。)の概略構成図である。第2実施形態に係るパワーステアリング装置10Aは、基本的に、第1実施形態に係るパワーステアリング装置10と同様の構成を有する。第1実施形態と第2実施形態とで同様の構成要素については同一の参照番号を付してその説明を省略する。
第1実施形態では、中間ジョイント16がステアリングコラム14とステアリングギアボックス18との間に配置されたが、第2実施形態の中間ジョイント16は、操向ハンドル12とピニオン軸72a(ステアリング軸)との間に配置される。また、第2実施形態では、舵角センサ52の代わりにヨーレートセンサ140が設けられる。
第2実施形態に係る電子制御装置30a(以下「ECU30a」という。)は、ハードウェアの構成として、入出力部110aと、演算部112aと、記憶部114aとを有する。ECU30aは、各センサからの出力値に基づき、インバータ24を介してモータ22の出力を制御する(詳細は後述する。)。
B.ECU30aの処理及び機能(モータ22の出力制御)
1.概要
第1実施形態のECU30と同様、第2実施形態のECU30aは、モータ22が発生するトルクについてのモータ目標トルクTtarを、主として、基準成分(基準目標トルクTt1)と加算成分(加算目標トルクTt2)の2つの成分に分けて制御する。
従って、第2実施形態においても、基準目標トルクTt1により検出トルクTsをゼロに近づける制御(第1制御)を行いつつ、加算目標トルクTt2により検出トルクTsを調整する制御(第2制御)を行うことができる。基準目標トルクTt1及び加算目標トルクTt2はいずれもフィードフォワード項として用いるため、運転者による操向ハンドル12の操作に対するパワーステアリング装置10の操舵感及び応答性を一層向上することが可能となる。
2.詳細
図5は、ECU30aによるモータ22の出力制御に関する説明図である。図5に示すように、ECU30aは、トルク検出部120と、目標基準電流算出部122と、目標加算トルク算出部124aと、目標加算トルク補正部126aと、第1減算器128aと、第1PID制御部130aと、第2減算器132aと、第2PID制御部134aとを有する。
トルク検出部120及び目標基準電流算出部122は、第1実施形態と同様のものである。
目標加算トルク算出部124aは、ヨーレートセンサ140からのヨーレートYrに応じた第1目標加算トルクTm11を設定する。第2実施形態において、第1目標加算トルクTm11は、操向ハンドル12を操作した際に運転者が感じるトルク(抵抗)を設定するものである。
すなわち、図5に示すように、ヨーレートYrがゼロ又はその近傍値である場合、ヨーレートYrの変化量に対する第1目標加算トルクTm11の変化量(ヨーレートYrに対する第1目標加算トルクTm11の増加率)を大きくし、ヨーレートYrがゼロ又はその近傍値から遠ざかると、前記増加率が小さくなり、さらにヨーレートYrがゼロから遠ざかると、前記増加率が大きくなるように設定される。
これは、次の理由による。すなわち、ヨーレートYrがゼロ又はその近傍値であるとき、車両が直進している可能性が高く、操向ハンドル12の舵角θsを安定させておく方が好ましいと考えられる。そこで、ヨーレートYrがゼロ又はその近傍値である場合、ヨーレートYrsの変化量に対するモータ22のトルクの変化量(図5の参照符号124a中の傾き)を大きくして舵角θsの変化が起こり難くする。また、ヨーレートYrがゼロ又はその近傍値から遠ざかると、車両がカーブ路を走行している可能性が高く、操向ハンドル12の舵角θsを操作し易くする方が好ましいと考えられる。そこで、ヨーレートYrがゼロ又はその近傍値から遠ざかると、ヨーレートYrの変化量に対するモータ22のトルクの変化量(図5の参照符号124a中の傾き)を小さくして舵角θsの変化を起こり易くする。さらにヨーレートYrがゼロから遠ざかると、操向ハンドル12の操舵限界(旋回限界)に近づいていくため、これ以上舵角θsを変化させることが困難であることを運転者に知らせることが好ましいと考えられる。そこで、さらにヨーレートYrが大きくなると、ヨーレートYrの変化量に対するモータ22のトルクの変化量(図5の参照符号124a中の傾き)を大きくして舵角θsの変化を起こり難くする。
目標加算トルク補正部126aは、目標加算トルク算出部124aで算出した第1目標加算トルクTm11を車速Vsに応じて補正して第2目標加算トルクTm12として出力する。すなわち、車速Vsがゼロから高くなるほど、モータ22のトルクが大きくなるようにする。これにより、車速Vsが高いときに操向ハンドル12の舵角θsの調整を細かく行うことが可能となる。
なお、第2実施形態では、第1目標加算トルクTm11は、車速Vsがゼロのときの値として設定されているが、これに限らず、車速Vsの所定値Vs2(>0)を基準として第1目標加算トルクTm11を設定することもできる。この場合、車速Vsが所定値Vs2より高ければ、第1目標加算トルクTm11よりも第2目標加算トルクTm12を高くし、車速Vsが所定値Vs2より低ければ、第1目標加算トルクTm11よりも第2目標加算トルクTm12を低くする。
第1減算器128aは、目標加算トルク補正部126で算出した第2目標加算トルクTm12と、トルク検出部120で算出した検出トルクTsとの偏差(以下「トルク偏差ΔT2」という。)を算出する。
第1PID制御部130aは、トルク偏差ΔT2をゼロに近づけるように、PID制御(比例・積分・微分制御)により、q軸電流Iqの目標値を補正するための目標加算電流偏差ΔIq2を算出する。
第2減算器132aは、目標基準電流算出部122からの目標基準電流Imと第1PID制御部130aからの目標加算電流偏差ΔIq2との差であるフィードフォワード目標電流Iff2(以下「FF目標電流Iff2」という。)を算出する。さらに、第2減算器132aは、FF目標電流Iff2と、センサユニット28からのq軸電流Iqとの偏差(以下「目標q軸電流偏差ΔIq_t2」という。)を算出する。
第2PID制御部134aは、目標q軸電流偏差ΔIq_t2をゼロに近づけるように、PID制御(比例・積分・微分制御)により、モータ22のq軸電流Iqをインバータ24を介して制御する。なお、d軸及びq軸を用いたベクトル制御のための第2PID制御部134aの処理の詳細は、例えば、特開2006−256542号公報、特開2009−090817号公報及び特開2010−064544号公報に記載のものを用いることができる。
なお、車速センサ26又はヨーレートセンサ140の故障等により加算成分の算出が不可能になった場合、ECU30aは、上記制御(図5)を中止し、従来技術の制御(例えば、特許文献1の制御)に切り替える。これにより、基準成分のみを用いる制御(第1制御のみの使用)による運転者の違和感を防止することが可能となる。
C.第2実施形態の効果
以上のような第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
加えて、第2実施形態では、舵角センサ52の代わりにヨーレートセンサ140を用いるため、舵角センサ52を用いない場合や舵角センサ52が故障中の場合でも適用することが可能となる。
III.変形例
なお、この発明は、上記各実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
A.モータ22
上記各実施形態では、モータ22は、3相ブラシレス式としたが、これに限らない。例えば、モータ22は、3相ブラシ式とすることができる。或いは、直流式としてもよい。
B.舵角センサ52及びヨーレートセンサ140
上記第1実施形態では、車幅方向又は水平回転方向の車両の挙動を発生する操作子の操作量として舵角θsを用い、舵角θsを検出する手段として舵角センサ52を用いた。しかしながら、車幅方向又は水平回転方向の車両の挙動を発生する操作子の操作量は、舵角θsに限らない。例えば、ラック軸80の車幅方向の変位を当該操作量として用い、当該変位を検出する手段として変位センサ(光学式、磁気式など)を用いることが可能である。
上記第2実施形態では、車幅方向又は水平回転方向の車両の挙動量としてヨーレートYrを用い、ヨーレートYrを検出する手段としてヨーレートセンサ140を用いた。しかしながら、ヨーレートYrの検出は、別の手段を用いることもできる。例えば、ナビゲーション装置(図示せず)が算出した位置情報の連続値に基づいてヨーレートYrを演算することができる。また、車幅方向又は水平回転方向の車両の挙動量は、ヨーレートYrに限らない。例えば、車両の車幅方向の加速度(横加速度)を当該挙動量として用い、当該横加速度を検出する手段として横加速度センサを用いることが可能である。
また、舵角センサ52からの舵角θsとヨーレートセンサ140からのヨーレートYrを組み合わせて用いることもできる。さらに、舵角センサ52からの舵角θsとヨーレートセンサ140からのヨーレートYrと横加速度センサからの横加速度とを組み合わせて用いることもできる。
C.FF制御の基準成分及び加算成分
1.基準成分の設定(第1制御)
上記各実施形態では、基準成分(モータ基準目標トルクTt1又は目標基準電流Im)は、慣性モーメント、粘性及びフリクションの影響をなくして検出トルクTsをゼロにするようにモータ22を作動させるq軸電流Iqとした。
しかしながら、基準成分は、検出トルクTsをゼロにするものでなくてもよい。例えば、基準成分は、検出トルクTsが機械的フリクション以下である所定値(特許請求の範囲における第1所定値の第1例)にするようにモータ22を作動させるq軸電流Iqであってもよい。ここにいう機械的フリクションとは、例えば、モータ22のフリクション、ラック&ピニオン機構のフリクション、タイロッド84のフリクション、ウォームギア90のフリクション等の合計値を示す。或いは、モータ22の慣性を無視可能な程度(換言すると、いわゆるイナーシャ制御が不要である程度)の所定値(同第1所定値の第2例)にするようにモータ22を作動させるq軸電流Iqとすることもできる。また、これらの場合、目標加算トルク算出部124、124a(第2制御)は、目標加算トルクを前記所定値(第1所定値)よりも大きい値(第2所定値)に設定することとなる。
また、図6に示すように、検出トルクTsがゼロ近傍である領域に不感帯を設けることも可能である。これにより、検出トルクTsがゼロ近傍のとき、検出トルクTsはゼロにならなくなり、運転者は操向ハンドル12の操作にトルク(抵抗)を感じることとなる。このため、操向ハンドル12の舵角θsを維持するトルクが働くこととなり、高い操舵感(舵角θsがゼロ付近で操向ハンドル12の位置が安定すること)を実現することが可能となる。また、トルクセンサ50の第1検出素子100及び第2検出素子102のドリフト及び温度特性並びにノイズの影響を受け難くなり、安定した制御が可能になる。
2.加算成分の設定(第2制御)
(1)目標加算トルク補正部126、126a
上記各実施形態では、目標加算トルク算出部124、124aと目標加算トルク補正部126、126aとを組み合わせて加算成分(第2目標加算トルクTm2、Tm12)を設定した。しかしながら、目標加算トルク補正部126、126aを用いず、目標加算トルク算出部124、124aのみを用いて加算成分(第1目標加算トルクTm1、Tm11)を設定することも可能である。
(2)マップ化
上記第1実施形態では、舵角θsに基づいて第1目標加算トルクTm1を設定し、当該第1目標加算トルクTm1を車速Vsに応じて補正して第2目標加算トルクTm2を設定した。しかしながら、加算成分の設定は、これに限らず、舵角θsと加算成分(目標加算トルクTm)との関係を示すマップを車速Vs毎に設定しておくことで行うこともできる。この場合、まず車速Vsでマップを選択し、選択したマップにおいて舵角θsに対応する加算成分(目標加算トルクTm)を選択して第1減算器128に出力することも可能である。
上記第2実施形態では、ヨーレートYrに基づいて第1目標加算トルクTm11を設定し、当該第1目標加算トルクTm11を車速Vsに応じて補正して第2目標加算トルクTm12を設定した。しかしながら、加算成分の設定は、これに限らず、ヨーレートYrと加算成分(目標加算トルクTm)との関係を示すマップを車速Vs毎に設定しておくことで行うこともできる。この場合、まず車速Vsでマップを選択し、選択したマップにおいてヨーレートYrに対応する加算成分(目標加算トルクTm)を選択して第1減算器128aに出力することも可能である。
或いは、第1実施形態において、舵角θs及び車速Vsと加算成分(目標加算トルクTm)との関係を示すマップを作成しておき、舵角θs及び車速Vsに基づいて加算成分(目標加算トルクTm)を設定することもできる。同様に、第2実施形態において、ヨーレートYr及び車速Vsと加算成分(目標加算トルクTm)との関係を示すマップを作成しておき、ヨーレートYr及び車速Vsに基づいて加算成分(目標加算トルクTm)を設定することもできる。
(3)その他
上記のように、舵角センサ52からの舵角θsとヨーレートセンサ140からのヨーレートYrを組み合わせて用いる場合、第1目標加算トルクTm1と第1目標加算トルクTm11とを加算して用いることができる。同様に、舵角センサ52からの舵角θsとヨーレートセンサ140からのヨーレートYrと横加速度センサからの横加速度とを組み合わせて用いる場合、第1目標加算トルクTm1と第1目標加算トルクTm11と横加速度に基づく第1目標加算トルクTm21とを加算して用いることができる。舵角センサ52、ヨーレートセンサ140及び横加速度センサを全て用いて操舵アシスト力を発生させることで、低車速から高車速まで極め細やかに操舵アシスト力を付与し、操舵感を一層向上させることが可能となる。
上記第1実施形態の目標加算トルク算出部124では、舵角θsと第1目標加算トルクTm1との関係のマップを用いたが、これに限らず、別のマップを用いることもできる。例えば、目標加算トルク算出部124では、舵角θsと加算成分のq軸電流Iqの目標値との関係のマップを用いることもできる。これにより、第1PID制御部130を不要とし、簡易な構成で実施が可能となる。
D.その他
図7に示すように、目標加算トルク算出部124で用いるマップでは、舵角θsがゼロ近傍である領域に不感帯を設けることも可能である。これにより、舵角センサ52の検出精度が悪く、検出誤差によって、操向ハンドル12が中点にあるにもかかわらず不感帯内の微少な角度を検出してしまうような事象が発生しても、意図しない目標加算トルクTmの算出を防ぐことができる。尚、この構成のみでは不感帯での操舵反力がほぼ0になってしまい、中点付近での直進安定性が損なわれる可能性があるが、基準目標トルクTt1を上述した第1所定値に設定すれば、第1所定値分のフリクションが得られるので、中点付近での直進安定性を確保できる。また、図6に示すように、検出トルクTsがゼロ近傍である領域に不感帯を設ければ、より大きなフリクションが得られるので、一層中点付近での直進安定性を確保できる。よって、この構成をとることにより、舵角センサ52の検出精度を原因とした不必要な加算成分(第2目標加算トルクTm2)の算出を防げ、且つハンドル中点付近での直進安定性を確保できるため、高い操舵感(舵角θsがゼロ付近で操向ハンドル12の位置が安定すること)を実現することが可能となる。舵角θsの代わりにヨーレートYrでも同様である。
上記第1実施形態のECU30は、図2に示す方法でモータ22の制御を行ったが、当該制御と、従来技術の制御とを組み合わせて用いることもできる。例えば、低速域では従来技術の制御(例えば、特許文献1の制御)を用い、高速域では第1実施形態に係る制御を用いることができる。この場合、制御の切替えは、車速Vsの閾値を設定しておき、例えば、車速Vsが閾値以下であるとき、従来技術の制御を用い、車速Vsが閾値を超えるとき、第1実施形態に係る制御を用いることが可能である。これにより、慣性の成分が大きくなる高速域においても安定した操舵感を実現することが可能となる。第2実施形態に係る制御も同様である。さらに、第1実施形態の加算成分の制御と第2実施形態の加算成分の制御を組み合わせて用いることも可能である。
10、10A…電動パワーステアリング装置
12…操向ハンドル 20…前輪
22…モータ 26…車速センサ(車速検出手段)
30、30a…ECU(モータ制御手段、第1制御手段、第2制御手段)
42…ステアリング軸 50…トルクセンサ
52…舵角センサ(操作量検出手段) 72a…ピニオン軸(ステアリング軸)
100…第1検出素子 102…第2検出素子
140…ヨーレートセンサ(車両挙動検出手段)

Claims (5)

  1. ステアリング軸を介してタイヤに接続された操向ハンドルからの操舵トルクを検出するトルク検出手段を用いてモータを制御するモータ制御手段を備えた電動パワーステアリング装置であって、
    車幅方向又は水平回転方向の車両の挙動を発生させる操作子の操作量を検出する操作量検出手段及び車幅方向又は水平回転方向の車両の挙動量を検出する車両挙動検出手段の少なくとも一方を備え、
    前記モータ制御手段は、
    前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクをゼロ又は第1所定値とするように制御する第1制御手段と、
    前記操作量検出手段によって検出される操作量又は前記車両挙動検出手段によって検出される車両の挙動量に基づいて、前記トルク検出手段によって検出される操舵トルクをゼロ又は前記第1所定値よりも大きい第2所定値とするように制御する第2制御手段と
    を備え、
    前記モータ制御手段は、前記第1制御手段の出力と前記第2制御手段の出力とに基づいてモータを制御する
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 請求項1記載の電動パワーステアリング装置において、
    さらに、前記車両の速度を検出する車速検出手段を備え、
    前記モータ制御手段は、前記車速検出手段によって検出される車速に基づいて、前記第2所定値を補正する
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  3. 請求項1又は2記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記操作量検出手段は、操向ハンドルの操舵量を検出する
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記車両挙動検出手段は、前記車両の横加速度を検出する横加速度センサ及び前記車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサの少なくとも1つである
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置において、
    前記モータ制御手段は、前記第2制御手段が故障した場合、前記第1制御手段の制御を前記第2所定値となるように制御する
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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