JP5983783B2 - 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、特に縁石衝突等の衝撃発生時の、ハンドルから運転者への衝撃の伝達を適度に抑制して操舵フィーリングを向上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。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト）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、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクＴｒを検出するトルクセンサ１０が設けられており、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。電動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（ＥＣＵ）１００には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット１００は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｒと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト（操舵補助）指令となる電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電流制御値Ｅによってモータ２０に供給する電流を制御する。なお、車速ＶｅｌはＣＡＮ（Controller Area Network）等から受信することも可能である。

このような電動パワーステアリング装置において、従来は例えば特開平８−２９０７７８号公報（特許文献１）に示されるように、コントロールユニット１００内のロバスト安定化補償器により、システムの安定性と路面情報及び外乱情報の感度特性が同時に設計されるようになっている。しかしながら、かかる制御装置では、ステアリング中立点付近の操舵時の反力が小さいため、摩擦の影響により、路面情報を運転者に正確に伝えることが困難であった。また、従来の電動パワーステアリング装置では、操舵角と操舵力との間のヒステリシス特性を、油圧式パワーステアリング並みの特性にすることが困難であった。

このような問題を解決する装置として、本出願人による特許第４７１５２１２号公報（特許文献２）に開示されている電動パワーステアリング装置の制御装置がある。

特許文献２に開示されている制御装置では、図２に示されるように、アシスト用のモータ２０はモータ駆動部２１によって駆動され、モータ駆動部２１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Ｔｒ及び車速センサからの車速Ｖｅｌが入力される。モータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉが計測され、各計測値がコントロールユニット１００に入力されている。

コントロールユニット１００は操舵トルクＴｒを用いて制御を行う破線で示すトルク系制御部１１０と、モータ２０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１２０とで構成されている。トルク系制御部１１０はアシスト量演算部１１１、微分制御部１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３、ロバスト安定化補償部１１４、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）推定部１１７及びフィードバック部１１８によって構成され、加算部１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃを具備している。また、モータ系制御部１２０は補償部１２１、外乱推定部１２２、モータ角速度演算部１２３、モータ角加速度演算部１２４及びモータ特性補償部１２５で構成され、加算部１２６Ａ及び１２６Ｂを具備している。

操舵トルクＴｒはアシスト量演算部１１１、微分制御部１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定部１１７に入力され、いずれも車速Ｖｅｌをパラメータ入力としている。アシスト量演算部１１１は操舵トルクＴｒ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１１３は操舵トルクＴｒ及びモータ角速度ωを入力し、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、微分制御部１１２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推定部１１７は操舵トルクＴｒと、アシスト量演算部１１１の出力に、微分制御部１１２の出力を加算部１１６Ａで加算した信号である電流指令値Ｉｒｅｆ１と、モータ角速度演算部１２３で演算されたモータ角速度ωと、モータ角加速度演算部１２４からのモータ角加速度＊ωとを入力してＳＡＴを推定し、推定したＳＡＴ推定値＊ＳＡＴを、フィードバック部１１８を用いて信号処理してＳＡＴ補償値＊ＳＡＴｃとし、ＳＡＴ補償値＊ＳＡＴｃをロバスト安定化補償部１１４からの電流指令値Ｉｒｅｆ３に加算して補償し、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１１１の出力と微分制御部１１２の出力との加算結果である電流指令値Ｉｒｅｆ１に、ヨーレート収れん性制御部１１３の出力を加算部１１６Ｂで加算した結果である電流指令値Ｉｒｅｆ２をロバスト安定化補償部１１４に入力している。ロバスト安定化補償部１１４は例えば特開平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１１４の出力である電流指令値Ｉｒｅｆ３にフィードバック部１１８からのＳＡＴ補償値＊ＳＡＴｃを加算部１１６Ｃで加算することで、路面情報を反力としてハンドルに伝えることができる電流指令値Ｉｒｅｆ４が得られる。

更に、モータ角速度演算部１２３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を演算するものであり、モータ角速度ωはモータ角加速度演算部１２４、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定部１１７に入力される。モータ角加速度演算部１２４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＊ωを演算し、モータ角加速度＊ωはモータ特性補償部１２５に入力される。モータ特性補償部１２５の出力Ｉｃは加算部１２６Ａで電流指令値Ｉｒｅｆ４と加算され、その加算結果である電流指令値Ｉｒｅｆ５が比例微分補償部等で成る補償部１２１に入力される。補償部１２１で補償された電流指令値Ｉｒｅｆ６は、外乱推定部１２２の出力と加算部１２６Ｂで加算され、加算結果である電流指令値Ｉｒｅｆ７がモータ駆動部２１及び外乱推定部１２２に入力される。外乱推定部１２２は特開平８−３１０４１７号公報で示されるような装置であり、電流指令値Ｉｒｅｆ７とモータ電流検出値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し、制御系の安定性を失うことがないようにしている。

また、ＳＡＴ推定部１１７は操舵トルクＴｒ、モータ角速度ω、モータ角加速度＊ω及び電流指令値Ｉｒｅｆ１（アシスト量演算結果）を入力して公知の手法でＳＡＴを推定し、そのＳＡＴ推定値＊ＳＡＴをフィードバック部１１で処理し、ＳＡＴ補償値＊ＳＡＴｃとして加算部１１６Ｃに入力している。フィードバック部１１８の構成は例えば図３示すようになっており、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴを入力して高周波成分を出力する車速感応型のハイパスフィルタ１１８−１と、ゲインＧを乗算する車速感応型のゲイン部１１８−３とで構成されている。

なお、図３において、Ｊは慣性を、Ｆｒは摩擦（静摩擦）を、Ｔｍはアシストトルクをそれぞれ示している。

特開平８−２９０７７８号公報 特許第４７１５２１２号公報

特許文献２の装置によれば、反力推定値としてのＳＡＴ推定値＊ＳＡＴにハイパスフィルタ１１８−１を通過させ、運転者に伝えたくない反力成分を抽出して電流指令値に加算して補償している。これにより、運転者に伝えたくない反力成分を打ち消すことができる。ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴをそのまま加算すると良好に低減できないため、ゲインＧを乗じて加算している。

このように、特許文献２の装置ではＳＡＴを推定し、フィードバック部を経て車速感応ゲインを乗算して補償値とし、抑制したい外乱を積極的に打ち消すようにしている。しかしながら、縁石衝突時、栗石路走行時等に運転者へ伝えたくない不快な衝撃があるにも拘わらず、特許文献２の装置ではその対策が施されていない。そのため、衝撃の発生時に大きなＳＡＴが生じた場合、そのまま運転者にＳＡＴが伝達されてしまい、操舵フィーリングを損なう可能性がある。

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、縁石衝突等の衝撃の発生時に、外部からの大きな入力（外力）が生じたとしても、平常時の操舵に対しては影響を与えず、衝撃発生時のみに運転者への衝撃伝達を適度に抑制できる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された第１の電流指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した第２の電流指令値に基づいて、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、モータ角速度、モータ角加速度、前記第１の電流指令値及び前記操舵トルクを入力してセルフアライニングトルクの推定を行うＳＡＴ推定部と、前記ＳＡＴ推定部で推定されたＳＡＴ推定値を処理してＳＡＴ補償値を出力するフィードバック部とを設け、前記フィードバック部が、前記ＳＡＴ推定値を入力するＢＰＦ、前記ＢＰＦの出力を入力する不感帯部、前記不感帯部の出力を入力する操舵トルク感応ゲイン部、前記操舵トルク感応ゲイン部の出力を入力する車速感応ゲイン部の直列接続で構成されており、前記フィードバック部から出力される前記ＳＡＴ補償値を前記第１の電流指令値に加算して前記第２の電流指令値とするようになっていることにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記不感帯部がオフセット付き閾値の特性を有していることにより、或いは前記操舵トルク感応ゲイン部のゲインが、前記操舵トルクが第１のトルク値まで一定の第１のゲイン値であり、前記第１のトルク値以上の場合に、第２のトルクまで徐々に低下し、前記第２のトルク値以上で一定の第２のゲイン値（＜前記第１のゲイン値）となっていることにより、或いは前記車速感応ゲイン部のゲインが、前記車速が所定速度まで一定で、前記所定速度以上において徐々に低下するようになっていることにより、或いは前記フィードバック部の最終段にリミッタが設けられ、前記ＳＡＴ補償値の上下限値が制限されていることにより、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装置の制御装置によれば、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）の推定若しくはセンサによる測定を行うＳＡＴ推定部を設けると共に、このＳＡＴ推定部で推定されたＳＡＴ推定値（ＳＡＴ測定値を含む）を、補償したい周波数帯域を抽出するＢＰＦ、オフセット付きの閾値の特性を持つ不感帯部、操舵トルク感応ゲイン部及び車速感応ゲイン部で成るフィードバック部を通してＳＡＴ補償値を求め、ＳＡＴ補償値を電流指令値に加算して補償するようになっている。これにより、縁石衝突等の衝撃の発生時に、外部からの大きな入力（外力）が生じたとしても、平常時の操舵に対しては影響を与えず、衝撃発生時のみに運転者への衝撃伝達を適度に抑制することができる。

フィードバック部の最終段にリミッタを設けることにより、ＳＡＴ補償値の上下限値を適度に制限することができる。

一般的な電動パワーステアリン装置の構成例を示す図である。 コントロールユニット(ＥＣＵ)の構成例を示すブロック図である。 フィードバック部の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態の一例を示すブロック構成図である。 不感帯部の特性の一例を示す特性図である。 本発明に使用する操舵トルク感応ゲインの一例を示す特性図である。 本発明に使用する車速感応ゲインの一例を示す特性図である。 本発明の効果を説明するための特性図である。

本発明は、ＳＡＴ推定値のフィードバック経路（フィードバック部）に、オフセット付きの閾値を有する不感帯を介挿し、縁石衝突時、栗石路走行時等の衝撃発生時にのみ、運転者へ伝えたくない不快な衝撃を緩和させるようにする。縁石衝突時等の衝撃の発生時には、外部から大きな外力（ＳＡＴ）が生じていることから、その大きさに応じて補償を行うことにより、平常時の操舵に対しては影響を与えず、衝撃発生時のみに運転者への衝撃伝達を適度に抑制することができる。

また、ＳＡＴの推定（若しくはセンサによる測定）を行うＳＡＴ推定部で推定されたＳＡＴ推定値に対して、補償したい周波数帯域のみを抽出し、効率的な制御を行う。周波数帯域の抽出にはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）或いはローパスフィルタ（ＬＰＦ）、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）の組み合わせを用いる。

以下に本発明の実施の形態を、図３に対応させて図４に示して説明する。

本発明に係るＳＡＴ推定部１１７の構成は従来と同一であり、ＳＡＴ推定部１１７からはＳＡＴ推定値＊ＳＡＴが出力され、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴはフィードバック部で処理されるが、本発明のフィードバック部の構成は従来（図３）と相違している。

即ち、本発明に係るフィードバック部は図４に示すように、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴから補償したい周波数帯域を抽出するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５０と、オフセット付き閾値の特性で成る不感帯（チューニング可能）を有する不感帯部１５１と、操舵トルクＴｈに感応して可変するゲインＴｇを乗算する操舵トルク感応ゲイン部１５２と、車速Ｖｅｌに感応して可変するゲインＶｇを乗算する車速感応ゲイン部１５３と、出力されるＳＡＴ補償値ＳＡＴｒの上下限値を制限するリミッタ１５４とで構成されている。

ＢＰＦ１５０は補償したい周波数帯域の周波数成分（例えば１〜２０Ｈｚ）を抽出して出力し、２次フィルタ、４次フィルタ等で構成されている。例えば１次ＬＰＦ（ローパスフィルタ）と１次ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）を用いて、高周波のノイズ成分を除去するために、ＬＰＦのカットオフ周波数を２０Ｈｚ、運転者の操舵フィーリングを向上するために、ＨＰＦのカットオフ周波数を１ＨｚとしたＢＰＦである。

不感帯部１５１は図５に示すような不感帯（閾値）±ａを有しているが、不感帯は任意に設定可能であり、正負の閾値は異なっていても良く、ゲインを示す特性ＮＳの傾斜も任意に設定可能となっている。不感帯部１５１はＢＰＦ１５０から出力されるＳＡＴ推定値ＳＡＴ１がある範囲内（図５では±ａ）の場合においては、衝撃が小さいものとみなして“０”を出力する。範囲外においては、不感帯設定値０方向にオフセットした値を出力し、衝撃が発生したものとみなし、補償電流のためのＳＡＴ推定値ＳＡＴ２が出力される。このような不感帯を設けることで、縁石衝突時等の衝撃に対して、操舵フィーリングへの影響を極力抑制することができる。

操舵トルク感応ゲイン部１５２は図６に示すような、操舵トルクＴｈの所定値１（図６の例では１．０Ｎｍ）までは一定ゲインＴｇ＝１．０であり、その所定値１以上になると、操舵トルクＴｈの増加に従って線形に低下し、所定値２（図６の例では２．０Ｎｍ）になると一定ゲイン（例えばＴｇ＝０．４）となるゲイン特性を有しており、ＳＡＴ推定値ＳＡＴ２にゲインＴｇを乗算し、ＳＡＴ推定値ＳＡＴ３（＝Ｔｇ・ＳＡＴ２）を出力する。図６の例では、ゲインＴｇは所定値１〜所定値２の範囲で線形に低下しているが、非線形であっても良い。

また、車速感応ゲイン部１５３は図７に示すような、車速Ｖｅｌの所定値（図７の例では４０ｋｍ／ｈ）までは一定ゲインＶｇ＝１．０であり、その所定値以上になると、車速Ｖｅｌの増加に従って線形に低下し、所定車速（図７の例では８０ｋｍ／ｈ）でゲイン＝０となるゲイン特性を有しており、ＳＡＴ推定値ＳＡＴ３にゲインＶｇを乗算し、ＳＡＴ推定値ＳＡＴｇ（＝Ｖｇ・ＳＡＴ３）を出力する。図７の例では、ゲインＶｇは所定値以上の範囲で線形に低下しているが、非線形であっても良い。

このような構成において、ＳＡＴ推定部１１７は前述と同様に操舵トルクＴｒ、モータ角速度ω、モータ角加速度＊ω及び電流指令値（加算部１１６Ａの加算結果）を入力してＳＡＴを推定し、その推定されたＳＡＴ推定値＊ＳＡＴはフィードバック部に入力されて処理される。フィードバック部で処理されたＳＡＴ補償値ＳＡＴｒは、電流指令値（Ｉｒｅｆ３）に加算されて補償される。

フィードバック部では、先ず補償したい周波数帯域を抽出するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５０に入力され、抽出された周波数帯域のＳＡＴ値ＳＡＴ１は所定の不感帯を有する不感帯部１５１に入力される。不感帯部１５１を通すことにより、ＳＡＴ推定値ＳＡＴ１がある範囲内の場合（図５の例では±ａ）においては、衝撃が小さいものとみなして“０”を出力し、範囲外においては、衝撃が発生したものとみなして補償電流のためのＳＡＴ推定値ＳＡＴ２が出力される。

ＳＡＴ推定値ＳＡＴ２は操舵トルク感応ゲイン部１５２で、操舵トルクＴｒに応じたゲインＴｇを乗算され、その乗算結果であるＳＡＴ推定値ＳＡＴ３は車速感応ゲイン部１５３で、車速Ｖｅｌに応じたゲインＶｇを乗算され、その乗算結果であるＳＡＴ補償値ＳＡＴｇが出力される。

ＳＡＴ補償値ＳＡＴｇはリミッタ１５４で上下限値を制限され、ＳＡＴ補償値ＳＡＴｒとして出力され、電流指令値（Ｉｒｅｆ３）と加算されて新たな電流指令値（Ｉｒｅｆ４）となる。これにより、路面からの衝撃発生時の操舵フィーリングへの影響が適度に抑制される。

図８は本発明の効果を示す特性図であり、外乱トルクが加わった際の操舵トルクの時間応答を示している。本発明の制御により、操舵トルクの発生が抑制されていることが分かる。

なお、上述ではＢＰＦによって補償したい周波数帯域を抽出しているが、ＬＰＦとＨＰＦを組み合わせても良い。また、上述では不感帯の前段にＢＰＦを配置しているが、不感帯部の後段にＢＰＦ或いはＬＰＦ及びＨＰＦの組み合わせを配置しても良い。更に不感帯部の前段にＬＰＦ若しくはＨＰＦを配置し、不感帯部の後段にＨＰＦ若しくはＬＰＦを配置しても良い。更にまた、上述の例ではＳＡＴをＳＡＴ推定部１１７で推定するようにしているが、センサによる測定でＳＡＴを求めるようにしても良い。

１ ハンドル
３ 減速ギア
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０ モータ
２１ モータ駆動部
１００ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１１０ トルク系制御部
１１１ アシスト量演算部
１１２ 微分制御部
１１３ ヨーレート収れん性制御部
１１４ ロバスト安定化補償部
１１７ ＳＡＴ推定部
１１８ フィードバック部
１２０ モータ系制御部
１２１ 補償部
１２２ 外乱推定部
１２３ モータ角速度演算部
１２４ モータ角加速度演算部
１２５ モータ特性補償部
１５０ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１５１ 不感帯部
１５２ 操舵トルク感応ゲイン部（Ｔｇ）
１５３ 車速感応ゲイン部（Ｖｇ）
１５４ リミッタ

Claims (5)

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された第１の電流指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した第２の電流指令値に基づいて、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、
   モータ角速度、モータ角加速度、前記第１の電流指令値及び前記操舵トルクを入力してセルフアライニングトルクの推定を行うＳＡＴ推定部と、前記ＳＡＴ推定部で推定されたＳＡＴ推定値を処理してＳＡＴ補償値を出力するフィードバック部とを設け、
   前記フィードバック部が、前記ＳＡＴ推定値を入力するＢＰＦ、前記ＢＰＦの出力を入力する不感帯部、前記不感帯部の出力を入力する操舵トルク感応ゲイン部、前記操舵トルク感応ゲイン部の出力を入力する車速感応ゲイン部の直列接続で構成されており、
   前記フィードバック部から出力される前記ＳＡＴ補償値を前記第１の電流指令値に加算して前記第２の電流指令値とするようになってい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. 前記不感帯部がオフセット付き閾値の特性を有している請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記操舵トルク感応ゲイン部のゲインが、前記操舵トルクが第１のトルク値まで一定の第１のゲイン値であり、前記第１のトルク値以上の場合に、第２のトルクまで徐々に低下し、前記第２のトルク値以上で一定の第２のゲイン値（＜前記第１のゲイン値）となっている請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
4. 前記車速感応ゲイン部のゲインが、前記車速が所定速度まで一定で、前記所定速度以上において徐々に低下するようになっている請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
5. 前記フィードバック部の最終段にリミッタが設けられ、前記ＳＡＴ補償値の上下限値が制限されている請求項１乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。

Images