JP5834734B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、車両用のパワーステアリング装置には、モータを駆動源とする電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）がある。そして、通常、このようなＥＰＳでは、検出される操舵トルクに基づいて、操舵系に付与するアシスト力の基礎成分（基本アシスト制御量）が演算される。

ところで、実際の走行時には、直進状態であるにも関わらず、車両の偏向（リードプル）を抑えるためのステアリング操作が必要となる状況がある。例えば、図７に示すように、車両４０の走行路４１には、多くの場合、排水性向上等の理由から幅方向に傾斜（カント）が付けられており、このようなカント路を走行する際には、その重力による偏向を抑えるための操舵トルクが必要となる。そして、こうしたカント路走行が長時間に亘る場合には、その継続的な負荷が、疲労として運転者に蓄積されることになる。

このような問題を解決すべく、従来、車両走行路のカント状態を判定し、その判定結果に基づいて、車両の偏向を抑制するための制御成分を演算する方法が提案されている。例えば、特許文献１に記載の車両制御装置は、車速や横方向加速度、或いは、操舵状態および走行環境情報等、検出される複数の状態量に基づいて、車両走行路のカント状態を学習する。そして、その学習結果を用いたニューラルネットワーク演算を行なうことにより、カント状態を判定し、そのカントの存在に起因する車両の偏向を抑制するための制御成分を演算する構成となっている。

特開２００７−２２１６９号公報

ところが、特許文献１の場合のように精緻なカント状態判定を行う構成では、その演算負荷の増大に伴うコスト上昇が不可避であり、また併せて、その構成の複雑さを考慮するならば、これが現実的な解決手段であるとは言い難い虞があり、なお改善の余地を残すものとなっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、簡素な構成にて効果的に車両の偏向が抑えられ、快適な操舵フィーリングを得ることのできる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、操舵系にステアリング操作を補助するアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより、操舵力補助装置の作動を制御する制御手段と、操舵トルクを検出するトルクセンサと、前記トルクセンサから検出された検出操舵トルクの高周波成分を除去するローパスフィルタであり、車両の偏向により生じる前記検出操舵トルクの波形形状を補正する操舵トルク波形形状補正手段と、前記操舵トルク波形形状補正手段から補正された補正操舵トルクと前記検出操舵トルクとを乗算する乗算手段と、前記乗算手段から出力された演算操舵トルクから、アシスト補正電流を算出する操舵トルク/アシスト補正電流マップとを備え、前記制御手段は、前記操舵トルク/アシスト補正電流マップより出力された前記アシスト補正電流の値により、前記アシスト力を増減すること、を要旨とする。

上記構成によれば、トルクセンサから検出された検出操舵トルクの波形形状を補正する操舵トルク波形形状補正手段によって、検出操舵トルクの波形形状を運転状態に最適な波形形状の補正操舵トルクに補正できる。また、その検出操舵トルクと補正操舵トルクの乗算により算出されたアシスト補正電流の値により、アシスト力を増減できる。
その結果、大きな検出操舵トルクが生じている場合には、アシスト力を増加させ、検出操舵トルクを低減できる。一方、検出操舵トルクが小さくなれば、アシスト力も減少させることができるので、簡素な構成にて効果的に車両の偏向が抑えられ、快適な操舵フィーリングを得ることができる。

請求項２に記載の発明は、前記操舵トルク波形形状補正手段は、前記検出操舵トルクと前記アシスト補正電流の前回値とを乗算した結果の符合が負の場合には、前記ローパスフィルタの時定数を小さくすること、を要旨とする。

上記構成によれば、操舵トルク波形形状補正手段であるローパスフィルタの時定数は、検出操舵トルクとアシスト補正電流の前回値を乗算した結果の符合が、負（逆補正）の場合には、ローパスフィルタ時定数を小さくする。
その結果、操舵トルク波形形状補正手段で補正された補正操舵トルクの立ち上がりが速くなるので、検出操舵トルクとアシスト補正電流の前回値の符号が異なる場合には、アシスト補正電流の立ち上がりが速く、アシスト補正電流値も大きくなるので、検出操舵トルクの大きさを速く小さくでき、快適な操舵フィーリングを得ることができる。

本発明によれば、簡素な構成にて効果的に車両の偏向が抑えられ、快適な操舵フィーリングを得ることができる電動パワーステアリング装置を提供できる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの制御ブロック図。 リードプル補正制御部の構成を示す説明図。 ローパスフィルタ部のゲインＫ決定部の処理手順を示すフローチャート。 操舵トルク/ゲインＫマップ図。 ローパスフィルタ部の時定数Ｔ１演算部の処理手順を示すフローチャート。 車両走行路の傾斜を示す説明図。

以下、コラム型の電動パワーステアリング装置１（以下、ＥＰＳという）に具体化した本発明の一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態のＥＰＳ１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されている。ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。

尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト８、インターミディエイトシャフト９、及びピニオンシャフト１０を連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド６を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪７の舵角が変更される。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与するＥＰＳアクチュエータ１３と、ＥＰＳアクチュエータ１３の作動を制御する制御手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１３は、コラム型のＥＰＳアクチュエータであり、その駆動源であるモータ１２は、減速機構１４を介してコラムシャフト８と駆動連結されている。ＥＰＳアクチュエータ１３は、モータ１２の回転を減速機構１４により減速してコラムシャフト８に伝達することによって、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する。

ＥＣＵ１１には、車速センサ１６、トルクセンサ１５、及びモータ回転角センサ１８が接続されている。ＥＣＵ１１は、これら各センサの出力信号に基づいて、車速Ｖ、操舵トルクτ、及びモータ回転角θを検出する。例えば、本実施形態のトルクセンサ１５は、一対のレゾルバが図示しないトーションバーの両端に設けられたツインレゾルバ型のトルクセンサである。また、ＥＣＵ１１は、これらの検出される各状態量に基づいて目標アシスト力を演算し、モータ１２への駆動電力の供給を通じて、ＥＰＳアクチュエータ１３の作動、即ち、操舵系に付与するアシスト力を制御する。

次に、本実施形態のＥＰＳにおけるアシスト制御の態様について説明する。
図２に示すように、ＥＣＵ１１は、モータ制御信号を出力するマイコン２１と、そのモータ制御信号に基づいて、モータ１２に駆動電力を供給する駆動回路２４とを備えて構成されている。

本実施形態では、ＥＣＵ１１には、モータ１２に通電される実電流値Ｉを検出するための電流センサ２５、及びモータ１２の回転角θを検出するためのモータ回転角センサ１８（図１参照）が接続されている。そして、マイコン２１は、上記各車両状態量、並びにこれら電流センサ２５及びモータ回転角センサ１８の出力信号に基づき検出されたモータ１２の実電流値Ｉ及びモータ回転角θに基づいて、駆動回路２４に出力するモータ制御信号を生成する。

尚、以下に示す各制御ブロックは、マイコン２１が実行するコンピュータプログラムにより実現されるものである。そして、同マイコン２１は、所定のサンプリング周期で上記各状態量を検出し、所定周期毎に以下の各制御ブロックに示される各演算処理を実行することにより、モータ制御信号を生成する。

詳述すると、本実施形態のマイコン２１は、モータ１２に対する電力供給の目標値である電流指令値Ｉｑ*を演算する電流指令値演算部２２と、電流指令値演算部２２により演算された電流指令値Ｉｑ*に基づいてモータ制御信号を出力するモータ制御信号出力部２３とを備えている。

電流指令値演算部２２には、上記アシスト力目標値の基礎成分としての基本アシスト制御量Ｉas*を演算する基本アシスト制御部２６が設けられており、本実施形態では、この基本アシスト制御部２６には、車速Ｖ、および操舵トルクτが入力されるようになっている。そして、基本アシスト制御部２６は、操舵トルクτの絶対値が大きいほど、また車速Ｖが小さいほど、より大きなアシスト力を付与すべき旨の基本アシスト制御量Ｉas*を演算する構成となっている。

モータ制御信号出力部２３には、この電流指令値演算部２２が出力する電流指令値Ｉｑ*とともに、電流センサ２５により検出された実電流値Ｉ、およびモータ回転角センサ１８により検出されたモータ回転角θが入力される。そして、モータ制御信号出力部２３は、この電流指令値Ｉｑ*に実電流値Ｉを追従させるべく電流フィードバック制御を実行することによりモータ制御信号を演算する。

具体的には、本実施形態では、モータ１２には、三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力の供給により回転するブラシレスモータが用いられている。そして、モータ制御信号出力部２３は、実電流値Ｉとして検出されたモータ１２の相電流値（Ｉu,Ｉv,Ｉw）をｄ／ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値に変換（ｄ／ｑ変換）することにより、上記電流フィードバック制御を行う。

即ち、電流指令値Ｉｑ*は、ｑ軸電流指令値としてモータ制御信号出力部２３に入力され、モータ制御信号出力部２３は、モータ回転角センサ１８により検出されたモータ回転角θに基づいて相電流値（Ｉu,Ｉv,Ｉw）をｄ／ｑ変換する。また、モータ制御信号出力部２３は、そのｄ、ｑ軸電流値およびｑ軸電流指令値に基づいてｄ、ｑ軸電圧指令値を演算する。そして、そのｄ、ｑ軸電圧指令値をｄ／ｑ逆変換することにより相電圧指令値（Ｖu*,Ｖv*,Ｖw*）を演算し、当該相電圧指令値に基づいてモータ制御信号を生成する。

このようにして生成されたモータ制御信号は、マイコン２１から駆動回路２４へと出力され、同駆動回路２４によりモータ制御信号に基づく三相の駆動電力がモータ１２へと供給される。そして、その操舵トルクτに基づくアシスト力目標値としての電流指令値Ｉｑ*に相当するモータトルクが発生することにより、アシスト力目標値に対応するアシスト力が操舵系に付与される構成となっている。

（リードプル補正制御）
次に、本実施形態におけるリードプル補正制御の態様について説明する。
上述のように、カント路走行等、車両の偏向を誘引する因子、（例えば、走行路面の傾斜）を打ち消すための操舵トルクの入力が長時間に亘る場合、その継続的な負荷が、疲労として運転者に蓄積されることになる。

そこで、本実施形態では、マイコン２１の電流指令値演算部２２には、車両が直進状態にあると判定される場合に検出される操舵トルクτを低減するための補正成分としてのリードプル補正量Ｉip*を演算するリードプル補正制御部２７が設けられている。そして、電流指令値演算部２２は、このリードプル補正制御部２７の演算するリードプル補正量Ｉip*を、加算器２８において、基本アシスト制御部２６の演算する基礎成分としての基本アシスト制御量Ｉas*に重畳することにより、そのパワーアシスト制御における目標アシスト力としての電流指令値Ｉｑ*を演算する。

そして、本実施形態では、そのリードプル補正量Ｉip*に基づき発生するアシスト力によって、車両の偏向を誘引する因子である走行路面の傾斜による影響（重力）を打ち消すことにより、その偏向を抑制して運転者の負担の軽減を図る構成となっている。

更に、リードプル補正制御部２７の詳細について図３を用いて説明する。
リードプル補正制御部２７には、操舵トルクτ、車速Ｖ、及びモータ回転角θが入力される。操舵トルクτは、絶対値処理部３０で絶対値操舵トルク｜τ｜に変換され、操舵トルク波形形状補正部３２に入力される。操舵トルク波形形状補正部３２は、ローパスフィルタを主部として構成されている。絶対値操舵トルク｜τ｜は、操舵トルク波形形状補正部３２で高周波ノイズの除去、及び操舵トルク波形形状が補正された補正操舵トルクＴｃに変換される。尚、操舵トルク波形形状補正部３２の時定数Ｔ１は、操舵トルクτ及びリードプル補正量前回値Ｉip*（ｎ−１）を入力とする、操舵トルク波形形状補正部時定数Ｔ１演算部３１で演算される。

次に、操舵トルク波形形状補正部３２で高周波ノイズの除去、及び操舵トルク波形形状が補正された補正操舵トルクＴｃは、乗算器３８で操舵トルクτと乗算される。そして、乗算器３８で乗算された演算操舵トルクＴｔは、リードプル補正量Ｉip*生成マップ３３に入力される。そして、リードプル補正量Ｉip*生成マップ３３は、リードプル補正量Ｉip*を生成する。

この構成によって、例えば、カント路状態でない車両直進状態においては、操舵トルクτはほぼ零なので、リードプル補正量Ｉip*もほぼ零となり、運転者は操舵トルクτの変化を感じることはない。一方、カント路状態である車両直進状態においては、操舵トルクτは所定値となるので、リードプル補正量Ｉip*もほぼ所定値となり、運転者は操舵トルクτが軽くなったと感じることができる。その結果、長時間カント路状態である車両直進状態においても運転者は、疲労感を感じることはない。

また、カント路状態でない車両直進後、操舵状態になった場合には、操舵トルクτは所定値となるが、操舵トルク波形形状補正部３２の時定数Ｔ１が大きいため、リードプル補正量Ｉip*の立ち上がりが遅く、リードプル補正量Ｉip*はほぼ零の状態となるため、運転者は路面状態に対応した操舵トルクτを感じることができる。

次に、モータ回転角θは微分器３６で微分され、モータ回転角速度ωが生成される。モータ回転角速度ωは、モータ回転角速度ゲインＫω生成マップ３４に入力され、モータ回転角速度ゲインＫω生成マップ３４で生成されたモータ回転角速度ゲインＫωは、乗算器３８に出力される。モータ回転角速度ゲインＫω生成マップ３４は、モータ回転角速度ωが大きいほど、モータ回転角速度ゲインＫωは小さくなる。即ち、緊急操舵時のようにモータ回転角速度ωが大きくなる場合には、リードプル補正量Ｉip*は小さくなる。その結果、操舵トルクτは大きな値となり、運転者に安定感を感じさせることができる。

更に、車速Ｖは、車速ゲインＫｖ生成マップ３５に入力され、車速ゲインＫｖ生成マップ３５で生成された車速ゲインＫｖは、乗算器３８に出力される。車速ゲインＫｖ生成マップ３５は、車速Ｖが大きいほど、車速ゲインＫｖは小さくなる。即ち、高速走行時のように車速Ｖが大きくなる場合には、リードプル補正量Ｉip*は小さくなる。
その結果、操舵トルクτは大きな値となり、運転者に安定感を感じさせることができる。

次に、操舵トルク波形形状補正部３２のゲインＫ決定部の処理手順を図４及び図５を用いて説明する。
マイコン２１は、操舵トルクτ（ｎ）を取り込む（ステップＳ１０１）。次に、マイコン２１は、図５に示された操舵トルクτ（ｎ）/ゲインＫマップ４０から、ステップＳ１０１で取り込まれた操舵トルクτ（ｎ）に対応した操舵トルク波形形状補正部ゲインＫを演算する（ステップＳ１０２）。そして、マイコン２１は、決定された操舵トルク波形形状補正部ゲインＫを操舵トルク波形形状補正部３２のゲインとして出力する（ステップＳ１０３）。操舵トルクτ（ｎ）/ゲインＫマップ４０は、操舵トルクτ（ｎ）が大きいほど、操舵トルク波形形状補正部ゲインＫは漸増している。即ち、操舵トルクτ（ｎ）が大きいほど、リードプル補正量Ｉip*は大きくなる。
その結果、操舵トルクτは小さくなり、運転者が疲労感を感じることはない。

次に、操舵トルク波形形状補正部３２の時定数Ｔ１演算部の処理手順を図６を用いて説明する。
マイコン２１は、操舵トルクτ（ｎ）を取り込む（ステップＳ２０１）。次に、マイコン２１は、リードプル補正量前回値Ｉip*（ｎ−１）を取り込む（ステップＳ２０２）。そして、マイコン２１は、操舵トルクτ（ｎ）とリードプル補正量前回値Ｉip*（ｎ−１）の乗算符号が負か否かを判定する（ステップＳ２０３）。ここで、操舵トルクτ（ｎ）とリードプル補正量前回値Ｉip*（ｎ−１）の乗算符号が負ということは、操舵トルクτ（ｎ）に対して、リードプル補正量前回値Ｉip*（ｎ−１）が逆補正を行なっているということであり、リードプル補正量Ｉip*を早く零にする必要がある。これは、車両がカント路走行状態からレーンチェンジ状態に入った場合などに起こる現象である。

そして、マイコン２１は、操舵トルクτ（ｎ）とリードプル補正量前回値Ｉip*（ｎ−１）の乗算符号が負の場合（τ（ｎ）＊Ｉip*（ｎ−１）＜０、ステップＳ２０３：ＹＥＳ）には、操舵トルク波形形状補正部３２の時定数Ｔ１に所定値τsを設定（ステップＳ２０４）し、この処理を終わる。一方、マイコン２１は、操舵トルクτ（ｎ）とリードプル補正量前回値Ｉip*（ｎ−１）の乗算符号が負でない場合（τ（ｎ）＊Ｉip*（ｎ−１）≧０、ステップＳ２０３：ＮＯ）には、操舵トルク波形形状補正部３２の時定数Ｔ１に所定値τｌを設定（ステップＳ２０５）し、この処理を終わる。ここで、操舵トルク波形形状補正部３２の所定値τsは、所定値τｌより小さい値である（τs＜τｌ）。

以上、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
リードプル補正制御部２７には、トルクセンサ１５から検出された操舵トルクτの波形形状を補正する操舵トルク波形形状補正成手段３２と、操舵トルク波形形状補正手段３２から補正された補正操舵トルクＴｃと操舵トルクτとを乗算する乗算手段３８が設けられている。
そして、乗算手段３８から出力された演算操舵トルクＴｔから、リードプル補正量Ｉip*生成マップ３３によりリードプル補正量Ｉip*を算出する。そして、制御手段は、算出されたリードプル補正量Ｉip*を加算器２８において、基本アシスト制御部２６の演算する基礎成分としての基本アシスト制御量Ｉas*に重畳することにより、そのパワーアシスト制御における目標アシスト力としての電流指令値Ｉｑ*を演算する。

そして、本実施形態では、そのリードプル補正量Ｉip*に基づき発生するアシスト力によって、車両の偏向を誘引する因子である走行路面の傾斜による影響（重力）を打ち消すことにより、その偏向を抑制して運転者の負担の軽減を図る構成となっている。

その結果、操舵系に一定の操舵トルクが長時間かかっている場合には、操舵トルクを減少させることができるので、簡素な構成にて効果的に車両の偏向が抑えられ、快適な操舵フィーリングを得ることができる。

尚、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記各実施形態では、本発明を、所謂コラム型のＥＰＳ１に具体化したが、本発明は、所謂ピニオン型やラックアシスト型のＥＰＳに適用してもよい。

・上記実施形態では、本発明を、ブラシレスモータを駆動源とするＥＰＳに具体化したが、本発明は、ブラシ付の直流モータを駆動源とするＥＰＳに適用してもよい。

・上記実施形態では、本発明を、前段リードプル補正量Ｉip**に、モータ回転角速度ゲインＫωおよび車速ゲインＫｖを積算することで、リードプル補正量Ｉip*を演算する構成とした。しかし、モータ回転角速度ゲインＫωおよび車速ゲインＫｖはどちらか一方のみでも、またどちらもなくても勿論よい。

１：電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２：ステアリング、
３：ステアリングシャフト、４：ラックアンドピニオン機構、５：ラック軸、
６：タイロッド、７：転舵輪、８：コラムシャフト、
９：インターミディエイトシャフト、１０：ピニオンシャフト、１１：ＥＣＵ、
１２：モータ、１３：ＥＰＳアクチュエータ、１４：減速機構、
１５：トルクセンサ、１６：車速センサ、１８：モータ回転角センサ、
２１：マイコン、２２：電流指令値演算部、２３：モータ制御信号出力部、
２４：駆動回路、２５：電流センサ、２６：基本アシスト制御部、
２７：リードプル補正制御部、２８：加算器、３０：絶対値処理部、
３１：操舵トルク波形形状補正部時定数Ｔ１演算部、３２：操舵トルク波形形状補正部、
３３：リードプル補正量Ｉip*生成マップ、
３４：モータ回転角速度ゲインＫω生成マップ、３５：車速ゲインＫｖ生成マップ、
３６：微分器、３８：乗算器、４０：操舵トルクτ（ｎ）/ゲインＫマップ、
Ｖ：車速、τ：操舵トルク、Ｔｃ：補正操舵トルク、Ｔｔ：演算操舵トルク、
θ：モータ回転角、Ｉ：実電流値、ω：モータ回転角速度、Ｉｑ*:電流指令値、
Ｉas*：基本アシスト制御量、Ｉip*：リードプル補正量、
Ｉip*（ｎ−１）：リードプル補正量前回値、
Ｉu,Ｉv,Ｉw：相電流値、Ｖu*,Ｖv*,Ｖw*：相電圧指令値、
Ｋω：モータ回転角速度ゲイン、Ｋｖ：車速ゲイン、
Ｋ：操舵トルク波形形状補正部ゲイン、Ｔ１：操舵トルク波形形状補正部３２の時定数、
τs、τｌ：操舵トルク波形形状補正部３２の時定数の所定値

Claims (2)

1. 操舵系にステアリング操作を補助するアシスト力を付与すべく設けられた操舵力補助装置と、
   前記操舵力補助装置の駆動源であるモータに対して駆動電力を供給することにより、操舵力補助装置の作動を制御する制御手段と、
   操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   前記トルクセンサから検出された検出操舵トルクの高周波成分を除去するローパスフィルタであり、車両の偏向により生じる前記検出操舵トルクの波形形状を補正する操舵トルク波形形状補正手段と、
   前記操舵トルク波形形状補正手段から補正された補正操舵トルクと前記検出操舵トルクとを乗算する乗算手段と、
   前記乗算手段から出力された演算操舵トルクから、アシスト補正電流を算出する操舵トルク/アシスト補正電流マップとを備え、
   前記制御手段は、前記操舵トルク/アシスト補正電流マップより出力された前記アシスト補正電流の値により、前記アシスト力を増減すること、を特徴とした電動パワーステアリング装置。
2. 前記操舵トルク波形形状補正手段は、前記検出操舵トルクと前記アシスト補正電流の前回値を乗算した結果の符合が負の場合には、前記ローパスフィルタの時定数を小さくすること、を特徴とした請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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