JP6025974B2 - 電動パワーステアリング制御装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、トルク発生部により運転者の操舵トルクをアシストするためのアシストトルクを発生する電動パワーステアリング制御装置およびその制御方法に関する。

自動車を操舵する際には、操舵トルクが必要になるので、アシストトルクを発生するモータ（回転機）等をステアリング軸に取り付け、運転者の操舵トルクをモータ等で発生したアシストトルクでアシストするような電動パワーステアリング制御装置が用いられる。

ここで、モータ等で発生させるアシストトルクは、操舵トルクにほぼ比例するように設定されている。そのため、同じ回転数で回そうとした場合に、操舵トルクに対する比例ゲインを大きくすれば操舵トルクは小さくなり、比例ゲインを小さくすれば操舵トルクは大きくなる。すなわち、小さな操舵トルクで効果的にハンドルを回転させるためには、比例ゲインを大きくする必要がある。

一方、比例ゲインを大きくしすぎると、ハンドルの振動や発振等といった現象が発生しやすくなる。ハンドルの振動は操舵時の不快感に、発振は不安定挙動にそれぞれ繋がるので、抑制することが望まれている。そこで、ハンドルの振動や発振等（以下、まとめて「振動」と称する）を相殺するための補償電流を、モータの目標電流に重畳する方法が提案されている。

このような方法として、従来の電動式パワーステアリング制御装置では、検出されたモータ回転速度から操舵による速度成分を除去して、モータ回転速度の振動成分を取り出すことにより、モータ回転速度の振動成分を抑制するためのダンピング電流を演算して、モータ回転速度の振動を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１６８６００号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載された電動式パワーステアリング制御装置では、モータ回転速度の振動を抑制するように、モータ回転速度の振動成分をフィードバックしてダンピング電流を演算している。これにより、モータ回転速度に含まれる振動成分が抑制される。

ここで、電動パワーステアリング制御装置では、操舵トルクを検出するためのトルク検出部（例えば、トルクセンサ）を挟んで、ハンドル側とトルク発生部（例えば、モータ）側との間に回転速度の差（差回転速度）が生じる。

そのため、トルク発生部側の回転速度（モータ回転速度）の振動を抑制するだけでは、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を抑制することができず、例えば、ハンドルの切り返し時等に、運転者に不快なトルク振動を感じさせるという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を抑制して、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度により生じるトルク振動を抑制することができる電動パワーステアリング制御装置およびその制御方法を得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制御装置は、運転者が操舵するハンドルと、運転者の操舵によるトルクをアシストするための発生トルクを発生するトルク発生部と、ハンドルとトルク発生部との間に設けられ、ハンドル側とトルク発生部側との間で生じたねじれを、検出トルクとして検出するトルク検出部と、検出トルクに基づいて、運転者の操舵をアシストするためのアシストトルク指令を演算するアシストトルク指令演算部と、運転者がハンドルを操舵させたときのトルク発生部側の回転速度を、トルク発生部側回転速度として検出する回転速度検出部と、ハンドル側とトルク発生部側との間に生じる回転速度の差を、差回転速度として演算する差回転速度演算部と、を備え、差回転速度演算部は、検出トルクおよびトルク発生部側回転速度に基づいて、差回転速度を演算し、トルク発生部は、アシストトルク指令および差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、発生トルクを発生するものである。

また、この発明に係る電動パワーステアリング制御装置の制御方法は、運転者が操舵するハンドルと、運転者の操舵によるトルクをアシストするための発生トルクを発生するトルク発生部と、の間で生じたねじれを、検出トルクとして検出するトルク検出ステップと、検出トルクに基づいて、運転者の操舵をアシストするためのアシストトルク指令を演算するアシストトルク指令演算ステップと、運転者がハンドルを操舵させたときのトルク発生部側の回転速度を、トルク発生部側回転速度として検出する回転速度検出ステップと、ハンドル側とトルク発生部側との間に生じる回転速度の差を、検出トルクまたは発生トルクと、トルク発生部側回転速度とに基づいて、差回転速度として演算する差回転速度演算ステップと、アシストトルク指令および差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、発生トルクを発生するトルク発生ステップと、を有するものである。

この発明に係る電動パワーステアリング制御装置およびその制御方法によれば、トルク発生部（ステップ）は、運転者の操舵をアシストするためのアシストトルク指令、およびハンドル側とトルク発生部側との間に生じる回転速度の差である差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、発生トルクを発生する。
そのため、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を抑制して、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度により生じるトルク振動を抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置の全体構成を示す概略図である。 一般的な電動パワーステアリング制御装置において、トルク発生部の制御対象を簡易的に示すブロック図である。 一般的な電動パワーステアリング制御装置において、発生トルク、操舵トルクおよび外乱トルクにそれぞれステップ入力を与えたときの検出トルクの時間変化を示すグラフである。 一般的な電動パワーステアリング制御装置において、発生トルクから検出トルクへの伝達特性、操舵トルクから検出トルクへの伝達特性および外乱トルクから検出トルクへの伝達特性を示すボード線図である。 この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置において、トルク発生部の制御対象をトルク制御部とともに簡易的に示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置において、アシストトルク指令にステップ入力を与えたときの検出トルクの時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置において、アシストトルク指令から検出トルクへの伝達特性および外乱トルクから検出トルクへの伝達特性を示すボード線図である。 この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置のトルク制御部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る電動パワーステアリング制御装置の全体構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態２に係る電動パワーステアリング制御装置の差回転速度演算部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５に係る電動パワーステアリング制御装置の全体構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態５に係る電動パワーステアリング制御装置の差回転速度演算部の構成を示すブロック図である。

以下、この発明に係る電動パワーステアリング制御装置およびその制御方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

なお、以下の各実施の形態では、電動パワーステアリング制御装置としてコラム式のパワーステアリング制御装置を例に挙げて説明するが、これに限定されず、公知であるピニオン式やデュアルピニオン式、ラック式、電動油圧式のパワーステアリング制御装置であってもよい。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置の全体構成を示す概略図である。ここでは、電動パワーステアリング制御装置として、コラム式のパワーステアリング制御装置を模式的に示している。

図１において、この電動パワーステアリング制御装置は、ステアリング機構１０、トルク検出部１（例えば、トルクセンサ）、第１回転情報検出部２、第２回転情報検出部３、制御部２０およびトルク発生部３０を備えている。

ステアリング機構１０において、運転者がハンドル１１を左右に操舵させた場合、ハンドル１１が回転した分だけ第１シャフト１２が回転する。このとき、第１シャフト１２の回転には、トルク発生部３０からギヤ１３を介してトルクがアシストされる。第１シャフト１２の回転は、ジョイント１４を介して第２シャフト１５に伝達される。

第２シャフト１５の回転運動は、ピニオン１６によって直線運動に変換され、ラック１７に伝達される。このとき、ラック１７が軸方向に移動することで、タイロッド１８も軸方向に移動する。これにより、タイヤ１９が転蛇される。

トルク検出部１は、ハンドル１１とトルク発生部３０（ギヤ１３）との間に設けられている。運転者がハンドル１１を操舵しているときには、トルク検出部１を挟んでハンドル側とトルク発生部側との間でねじれが生じ、回転位置に差が生じる。トルク検出部１は、このねじれを検出し、検出トルクとして制御部２０に出力する。

第１回転情報検出部２は、運転者がハンドル１１を操舵させたときのハンドル側の回転情報を検出し、第１回転情報として制御部２０に出力する。第２回転情報検出部３は、運転者がハンドル１１を操舵させたときのトルク発生部側の回転情報を検出し、第２回転情報として制御部２０に出力する。

制御部２０は、トルク検出部１、第１回転情報検出部２および第２回転情報検出部３からそれぞれ出力された検出トルク、第１回転情報および第２回転情報に基づいて、アシストトルク指令および差回転速度を演算し、トルク発生部３０に出力する。制御部２０は、アシストトルク指令演算部２１と、差回転速度演算部２２とを有している。

アシストトルク指令演算部２１は、トルク検出部１からの検出トルクに基づいて、運転者の操舵をアシストするためのアシストトルク指令を演算する。差回転速度演算部２２は、第１回転情報検出部２および第２回転情報検出部３からの第１回転情報および第２回転情報に基づいて、トルク検出部１のハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を演算する。

具体的には、差回転速度演算部２２は、例えば第１回転情報がハンドル側の回転位置であり、第２回転情報がトルク発生部側の回転位置である場合に、第１回転情報と第２回転情報との偏差を演算し、この偏差を微分した値を差回転速度とする。また、差回転速度演算部２２は、第１回転情報を微分した値と第２回転情報を微分した値との偏差を、差回転速度としてもよい。

また、差回転速度演算部２２は、例えば第１回転情報がハンドル側の回転速度であり、第２回転情報がトルク発生部側の回転速度である場合に、第１回転情報と第２回転情報との偏差を演算し、この偏差を差回転速度としてもよい。

トルク発生部３０は、制御部２０からのアシストトルク指令および差回転速度に基づいて、発生トルクを出力し、ギヤ１３を介して運転者の操舵をアシストする。トルク発生部３０は、トルク制御部３１と、アクチュエータ３２とを有している。

トルク制御部３１は、アシストトルク指令演算部２１からのアシストトルク指令および差回転速度演算部２２からの差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、発生トルク指令を演算し、アクチュエータ３２に出力する。アクチュエータ３２は、トルク制御部３１からの発生トルク指令に基づいて、発生トルクを出力する。

以下、図２〜７を参照しながら、トルク制御部３１において、差回転速度演算部２２からの差回転速度に基づいて、補償トルクを設定する方法について説明する。図２は、トルク制御部３１を有しない一般的な電動パワーステアリング制御装置において、トルク発生部３０が制御する対象であるステアリング機構１０を制御対象１００として、制御対象１００を簡易的に示すブロック図である。

図２において、制御対象１００への入力は、操舵トルクτ_h、発生トルクτ_mおよび外乱トルクτ_dである。操舵トルクτ_hは、運転者が操舵時にハンドル１１に与えたトルクを示し、発生トルクτ_mは、トルク発生部３０により発生したトルクを示し、外乱トルクτ_dは、路面反力等の影響により発生したトルクを示している。

また、制御対象１００の出力は、ハンドル回転速度ω_h、トルク発生部回転速度ω_mおよび検出トルクＴＳＭである。ハンドル回転速度ω_hは、第１回転情報検出部２で検出された第１回転情報から得られる。トルク発生部回転速度ω_mは、第２回転情報検出部３で検出された第２回転情報から得られる回転速度ω_hmに対して、ギヤ１３のギヤ比Ｇ_nを考慮して、ゲイン１０１で除算する（ギヤ比Ｇ_nを乗算する）ことにより得られる。検出トルクＴＳＭは、トルク検出部１で検出されたトルクを示している。

ここで、ねじりトルクによる反力が運転者の操舵するハンドル側にかかるので、加算器１０２で操舵トルクτ_hから検出トルクＴＳＭを減算したものが、ハンドル側の第１シャフト１２にかかるトルクになる。

また、トルク発生部３０で発生した発生トルクτ_mと、ギヤ比Ｇ_nを考慮してゲイン１０３で軸上換算した検出トルクＴＳＭと、ギヤ比Ｇ_nを考慮してゲイン１０４で軸上換算した外乱トルクτ_dとを加算器１０５で加算したものが、トルク発生部３０にかかるトルクになる。

また、検出トルクＴＳＭは、ハンドル側とトルク発生部側との間で生じるねじりトルクを検出したものなので、加算器１０６で、トルク発生部側の回転速度ω_hmからハンドル回転速度ω_hを減算して得られた差回転速度に、伝達関数１０７を乗算することにより得られる。

伝達関数１０７は、トルク検出部１での粘性および弾性項のみを考慮した場合における、ハンドル１１の軸上での差回転速度からトルクへの伝達関数である。伝達関数１０７において、Ｃ_sはトルク検出部１の粘性係数を示し、Ｋ_sはトルク検出部１のばね定数を示している。

また、伝達関数１０８は、静摩擦および動摩擦等の損失を無視し、慣性のみを考慮したときのハンドル１１におけるトルクから回転速度への伝達関数である。伝達関数１０８において、Ｊ_swはハンドル１１の慣性モーメントを示している。

また、伝達関数１０９は、静摩擦および動摩擦等の損失を無視して慣性のみを考慮したときのトルク発生部３０におけるトルクから回転速度への伝達関数である。伝達関数１０９において、Ｊ_mはトルク発生部３０の慣性モーメントを示している。

ここで、トルク検出部１は、ねじれ角によってトルクを検出するのが主な機能であり、粘性係数Ｃ_sは、ばね定数Ｋ_sに比べて微小である。そこで、粘性係数Ｃ_sを０に近似して検討しても、制御安定性の面で厳しい側の設定となり問題はないので、全ての実施の形態において、粘性係数Ｃ_sを０に近似して説明する。なお、粘性係数Ｃ_sを考慮してフィルタ関数を設計した場合についても、同様の効果が得られることはいうまでもない。

なお、伝達関数１０８の前後の関係式から、次式（１）が成立する。

また、伝達関数１０７の前後の関係式から、次式（２）が成立する。

また、伝達関数１０９の前後の関係式から、次式（３）が成立する。

ここで、式（１）から式（３）までを、検出トルクＴＳＭについて解くと、次式（４）が得られる。

このとき、固有振動数ω_sは、次式（５）で表されることがわかる。

図３は、一般的な電動パワーステアリング制御装置において、発生トルクτ_m、操舵トルクτ_hおよび外乱トルクτ_dにそれぞれステップ入力を与えたときの検出トルクＴＳＭの時間変化を示すグラフである。図３から、何れの場合においても、検出トルクＴＳＭが固有振動数で振動していることがわかる。

図４は、一般的な電動パワーステアリング制御装置において、発生トルクτ_mから検出トルクＴＳＭへの伝達特性、操舵トルクτ_hから検出トルクＴＳＭへの伝達特性および外乱トルクτ_dから検出トルクＴＳＭへの伝達特性を示すボード線図である。図４から、固有振動数でゲインが非常に大きくなっており、図３に示されたような発振現象が発生することがわかる。

そこで、図５に示されるように、トルク制御部３１を、ゲイン１１０および加算器１１１で構成して、ゲイン１１２により得られた差回転速度ω_dに応じて設定される補償トルクを考慮した発生トルクτ_mを与えることを考える。図５は、この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置において、トルク発生部３０の制御対象１００をトルク制御部３１とともに簡易的に示すブロック図である。

なお、図１において、発生トルクはアクチュエータ３２の出力であり、発生トルク指令はトルク制御部３１の出力であるが、発生トルクは、発生トルク指令から一意に決まるので、図５では、発生トルクと発生トルク指令とを等価なものとして、発生トルク指令に関する記載は省略する。

図５において、トルク発生部３０の軸上での差回転速度ω_dは、ハンドル１１の軸上での差回転速度（ω_h−ω_hm）に、ゲイン１１２を乗算することで得られる。また、差回転速度ω_dにゲイン１１０を乗算して得られる補償トルクを、加算器１１１でアシストトルク指令τ_m0から減算する。

ここで、差回転速度ω_dは、次式（６）で表される。

また、加算器１１１での関係式として、次式（７）が成立する。

また、式（１）から式（３）まで、および式（７）を、検出トルクＴＳＭについて解くと、次式（８）が得られる。

このとき、ゲインＫ_rpを、次式（９）のように与える。

ここで、検出トルクＴＳＭは、式（５）、式（８）および式（９）により、次式（１０）で表される。すなわち、検出トルクＴＳＭは、制動比ζによって、減衰率を変更できる２次遅れの伝達関数として表される。

図６は、この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置において、アシストトルク指令τ_m0にステップ入力を与えたときの検出トルクＴＳＭの時間変化を示すグラフである。上述した図３は、制動比ζが０の場合に相当しており、図６から、制動比ζを大きくすることで、振動を抑制できることがわかる。

図７は、この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置において、アシストトルク指令τ_m0から検出トルクＴＳＭへの伝達特性を示すボード線図である。図７において、制動比ζが０．１の場合には、固有振動数にピークがあり、さらに小さくして制動比ζを０としたものが上述した図４になる。一方、制動比ζを大きくして、例えば１とした場合には、固有振動数にあったゲインピークがなくなり、ボード線図上でも、振動を抑制できることがわかる。

以下、図１に示した差回転速度演算部２２およびトルク制御部３１の設定の一例を説明する。差回転速度演算部２２では、第１回転情報検出部２で検出された第１回転情報、および第２回転情報検出部３で検出された第２回転情報に基づいて、式（６）により、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度ω_dが演算される。

また、トルク制御部３１では、差回転速度演算部２２で演算された差回転速度ω_dに、ゲインＫ_rpを乗算して得られた補償トルクが、アシストトルク指令演算部２１で得られたアシストトルク指令τ_m0から、式（７）のように減算され、アクチュエータ３２への指令が演算される。

なお、上述した説明では、差回転速度ω_dに対するゲインＫ_rpを、式（９）で与えたが、これに限定されず、トルク制御部３１を、図８に示されるようなブロックとしてもよい。図８は、この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置のトルク制御部３１の構成を示すブロック図である。

図８において、トルク制御部３１は、車速とゲインＫ_rpとの関係が記憶されたマップ１２１と、乗算器１２２と、加算器１２３とを有している。ここで、車速信号に基づいて、マップ１２１からゲインＫ_rpが演算される。車速信号は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＦｌｅｘＲａｙ等、公知の車載ネットワークによって得られる。

続いて、乗算器１２２において、差回転速度とゲインＫ_rpとが乗算されて、補償トルクが演算される。次に、加算器１２３において、アシストトルク指令から補償トルクが減算され、発生トルク指令が演算される。なお、図８のトルク制御部３１では、車速信号に基づいてゲインＫ_rpを切り替えたが、これに限定されず、ハンドル操舵角、加速度、ヨーレート等の車両情報によってゲインＫ_rpを切り替えてもよい。

特許文献１に記載された従来の電動式パワーステアリング制御装置では、トルク発生部側の回転速度に含まれる振動成分を抑制するのみで、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を抑制することができないので、ハンドルの切り返し時等に、運転者に不快なトルク振動を感じさせるという問題があった。
これに対して、この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、制動比ζを適切な値に設定することにより、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を抑制して、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度により生じるトルク振動を抑制することができるという従来にない効果を得ることができる。
また、第１回転情報検出部２および第２回転情報検出部３を用いることにより、差回転速度を正確に検出することができる。

なお、上記実施の形態１では、差回転速度として、トルク発生部３０の軸上での差回転速度を用いたが、これに限定されず、ハンドル１１の軸上での差回転速度を用いて、ゲイン１１０にギヤ比の換算分を含めることにより、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１では、トルク検出部１からの検出トルクのみに基づいて、アシストトルク指令演算部２１でアシストトルク指令を演算しているが、これに限定されず、制御安定性の確保のために、回転速度等の信号を用いて構成した補償器を通した検出トルクを用いてアシストトルク指令を演算しても、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１では、第２回転情報検出部３を第１シャフト１２の軸上に設けたが、これに限定されず、トルク発生部３０の軸上に設けても、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１では、検出トルクＴＳＭとトルク発生部回転速度ω_mとが、負の相関関係を有するものとしたが、これに限定されず、検出トルクＴＳＭとトルク発生部回転速度ω_mとが、正の相関関係を有するトルク検出部１を用いた電動パワーステアリング制御装置においても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、電動パワーステアリング制御装置が第１回転情報検出部２および第２回転情報検出部３を備えていたが、コストやスペース等の関係から、必ずしも回転情報検出部が２つあるとは限らない。

図９は、この発明の実施の形態２に係る電動パワーステアリング制御装置の全体構成を示す概略図である。ここでは、電動パワーステアリング制御装置として、コラム式のパワーステアリング制御装置を模式的に示している。なお、以下において、上記実施の形態１と同様の部分については、説明を省略する。

図９において、この電動パワーステアリング制御装置は、ステアリング機構１０、トルク検出部１（例えば、トルクセンサ）、回転速度検出部４、制御部２０およびトルク発生部３０を備えている。

ステアリング機構１０において、運転者がハンドル１１を左右に操舵させた場合、ハンドル１１が回転した分だけ第１シャフト１２が回転する。このとき、第１シャフト１２の回転には、トルク発生部３０からギヤ１３を介してトルクがアシストされる。第１シャフト１２の回転は、ジョイント１４を介して第２シャフト１５に伝達される。

第２シャフト１５の回転運動は、ピニオン１６によって直線運動に変換され、ラック１７に伝達される。このとき、ラック１７が軸方向に移動することで、タイロッド１８も軸方向に移動する。これにより、タイヤ１９が転蛇される。

トルク検出部１は、ハンドル１１とトルク発生部３０（ギヤ１３）との間に設けられている。運転者がハンドル１１を操舵しているときには、トルク検出部１を挟んでハンドル側とトルク発生部側との間でねじれが生じ、回転位置に差が生じる。トルク検出部１は、このねじれを検出し、検出トルクとして制御部２０に出力する。

回転速度検出部４は、運転者がハンドル１１を回転させた場合における、トルク発生部３０のアクチュエータ３２（後述する）の回転速度を検出し、トルク発生部回転速度として制御部２０に出力する。

制御部２０は、トルク検出部１および回転速度検出部４からそれぞれ出力された検出トルクおよびトルク発生部回転速度に基づいて、アシストトルク指令および差回転速度を演算し、トルク発生部３０に出力する。制御部２０は、アシストトルク指令演算部２１と、差回転速度演算部２２Ａとを有している。

アシストトルク指令演算部２１は、トルク検出部１からの検出トルクに基づいて、アシストトルク指令を演算する。差回転速度演算部２２Ａは、トルク検出部１からの検出トルクおよび回転速度検出部４からのトルク発生部回転速度に基づいて、トルク検出部１のハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を演算する。

トルク発生部３０は、制御部２０からのアシストトルク指令および差回転速度に基づいて、発生トルクを出力し、ギヤ１３を介して運転者の操舵をアシストする。トルク発生部３０は、トルク制御部３１と、アクチュエータ３２とを有している。

トルク制御部３１は、アシストトルク指令演算部２１からのアシストトルク指令および差回転速度演算部２２Ａからの差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、発生トルク指令を演算し、アクチュエータ３２に出力する。アクチュエータ３２は、トルク制御部３１からの発生トルク指令に基づいて、発生トルクを出力する。

このとき、この発明の実施の形態２では、ハンドル回転速度ω_hを検出することができないので、上記実施の形態１で示した式（６）に基づいて、差回転速度を演算することができない。

そこで、この発明の実施の形態２では、差回転速度演算部２２Ａにおいて、トルク検出部１からの検出トルクおよび回転速度検出部４からのトルク発生部回転速度に基づいて、トルク検出部１のハンドル側とトルク発生部側との差回転速度ω_dを演算する方法について説明する。

まず、式（２）および式（６）から、次式（１１）が成立する。

また、式（１１）を用いて展開すると、差回転速度ω_dは、フィルタ関数ｆ（ｓ）、トルク発生部回転速度ω_mおよび検出トルクＴＳＭを用いて、次式（１２）のように表される。

ここで、ハンドル１１の慣性モーメントに比べて、トルク発生部３０の慣性モーメントが微小である場合には、トルク発生部回転速度ω_mの振動に比べて、ハンドル回転速度ω_hの振動が微小であると考えて、次式（１３）のように近似する。

このとき、式（１２）および式（１３）から、差回転速度ω_dは、次式（１４）で表される。

以下、図９に示した差回転速度演算部２２Ａおよびトルク制御部３１の設定の一例を説明する。差回転速度演算部２２Ａでは、トルク検出部１で検出された検出トルクおよび回転速度検出部４で検出されたトルク発生部回転速度に基づいて、式（１４）により、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度ω_dが演算される。

図１０は、この発明の実施の形態２に係る電動パワーステアリング制御装置の差回転速度演算部２２Ａの構成を示すブロック図である。図１０において、検出トルクに、伝達関数１３１を乗算することで、式（１４）の第２項が得られる。また、トルク発生部回転速度に、伝達関数１３２を乗算することで、式（１４）の第１項が得られる。また、加算器１３３において、得られた式（１４）の第１項から第２項を減算することで、差回転速度ω_dが得られる。

また、トルク制御部３１では、差回転速度演算部２２Ａで演算された差回転速度ω_dに、ゲインＫ_rpを乗算して得られた補償トルクが、アシストトルク指令演算部２１で得られたアシストトルク指令τ_m0から、式（７）のように減算され、アクチュエータ３２への発生トルク指令が演算される。このとき、上述した実施の形態１と同様に、ゲインＫ_rpを、車速信号等のパラメータに基づいて切り替えてもよい。

また、フィルタ関数ｆ（ｓ）を、例えばゲインＫ_fのみから構成されるものとすれば、差回転速度ω_dは、次式（１５）で表される。すなわち、差回転速度ω_dは、トルク発生部回転速度ω_mと検出トルクＴＳＭの微分とで表される。

特許文献１に記載された従来の電動式パワーステアリング制御装置では、トルク発生部側の回転速度に含まれる振動成分を抑制するのみで、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を抑制することができないので、ハンドルの切り返し時等に、運転者に不快なトルク振動を感じさせるという問題があった。
これに対して、この発明の実施の形態２に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、制動比ζを適切な値に設定することにより、ハンドル側の回転情報を検出することなく、差回転速度により生じるトルク振動を抑制することができるという従来にない効果を得ることができる。

また、この発明の実施の形態２に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、トルク検出部で検出された検出トルクと、回転速度検出部で検出されたトルク発生部回転速度とに基づいて、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を演算することができるという従来にない効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態２では、差回転速度として、トルク発生部３０の軸上での差回転速度を用いたが、これに限定されず、ハンドル１１の軸上での差回転速度を用いて、ゲイン１１０にギヤ比の換算分を含めることにより、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態２では、トルク検出部１からの検出トルクのみに基づいて、アシストトルク指令演算部２１でアシストトルク指令を演算しているが、これに限定されず、制御安定性の確保のために、回転速度等の信号を用いて構成した補償器を通した検出トルクを用いてアシストトルク指令を演算しても、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態２では、検出トルクＴＳＭとトルク発生部回転速度ω_mとが、負の相関関係を有するものとしたが、これに限定されず、検出トルクＴＳＭとトルク発生部回転速度ω_mとが、正の相関関係を有するトルク検出部１を用いた電動パワーステアリング制御装置においても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、フィルタ関数ｆ（ｓ）を、ゲインＫ_fから構成されるものと定めたが、式（１５）に示されるように、検出トルクＴＳＭの微分を用いられるので、トルク検出部１の仕様によっては、検出トルクＴＳＭの高い周波数帯域のノイズが増幅されたものが、差回転速度ω_dに流入する可能性がある。

そこで、この発明の実施の形態３に係る電動パワーステアリング制御装置は、検出トルクをハイパスフィルタ処理した信号と、トルク発生部回転速度をハイパスフィルタ処理した信号とに基づいて、差回転速度を演算する差回転速度演算部（図示せず）を備える。

具体的には、この発明の実施の形態３では、フィルタ関数ｆ（ｓ）を、次式（１６）で表されるような、１次のハイパスフィルタとする。

このとき、式（１２）および式（１６）から、差回転速度ω_dは、次式（１７）で表される。

また、ハイパスフィルタのカットオフ周波数よりも高い領域では、ハンドル回転速度ω_hの振動が微小であると考えると、差回転速度ω_dは、次式（１８）で表される。

これにより、トルク発生部回転速度ω_mをハイパスフィルタ処理した信号と、検出トルクＴＳＭをハイパスフィルタ処理した信号とに基づいて、差回転速度ω_dを演算することができる。

ここで、上記実施の形態２では、式（１５）のように、差回転速度ω_dが検出トルクＴＳＭの微分成分で表されていたのに対して、この発明の実施の形態３では、式（１８）のように、差回転速度ω_dを、検出トルクＴＳＭをハイパスフィルタ処理した信号で表すことができる。

このように、この発明の実施の形態３に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、高い周波数帯域において、検出トルクＴＳＭに対するゲインがω₁Ｇ_n／Ｋ_sとなるので、高い周波数帯域において検出トルクＴＳＭのノイズの影響を低減することができるという従来にない効果を得ることができる。

また、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を、操舵可能周波数よりも高く設定することにより、ハンドル回転速度ω_hは、操舵可能周波数以下の帯域の成分のみであると考えられるので、ハンドル回転速度ω_hの項を０とみなす際の近似誤差を抑制することができる。

さらに、差回転速度演算部でのハイパスフィルタ処理のカットオフ周波数を、運転者がハンドル１１を操舵し得る周波数よりも高くすることにより、運転者が操舵した際に、演算により得られる差回転速度の精度を向上させることができるという従来にない効果を得ることができる。

実施の形態４．
上記実施の形態３では、フィルタ関数ｆ（ｓ）を１次のハイパスフィルタと定めて、ハンドル回転速度ω_hの項を０とみなすこととした。また、ハンドル回転速度ω_hは、操舵トルクτ_hを用いて式（１）で表される。また、式（１２）に式（１）を代入すると、次式（１９）が得られる。

ここで、フィルタ関数ｆ（ｓ）を、式（１６）のように、１次のハイパスフィルタとした場合には、式（１９）の第３項は、操舵トルクτ_hと検出トルクＴＳＭとの差（τ_h−ＴＳＭ）に対してローパスフィルタ処理を施したものに、ゲインを乗算した値になる。そのため、フィルタのカットオフ周波数以下の低い周波数成分が残ることになり、差回転速度ω_dの演算精度が低減する恐れがある。

そこで、この発明の実施の形態４に係る電動パワーステアリング制御装置は、２次以上のハイパスフィルタ処理をする差回転速度演算部（図示せず）を備える。

具体的には、この発明の実施の形態４では、フィルタ関数ｆ（ｓ）を、次式（２０）で表されるような、２次のハイパスフィルタとする。

このとき、式（１９）および式（２０）から、差回転速度ω_dは、次式（２１）で表される。

式（２１）において、操舵トルクτ_hと検出トルクＴＳＭとの差は、フィルタのカットオフ周波数以上の周波数帯域成分では、微小であると考えられるので、操舵トルクτ_hと検出トルクＴＳＭとの差（τ_h−ＴＳＭ）の項を０とみなす。すなわち、差回転速度ω_dは、次式（２２）で表すことができる。

これにより、トルク発生部回転速度ω_mに対して２次のハイパスフィルタ処理を施した信号と、検出トルクＴＳＭに対して１次および２次のハイパスフィルタ処理を施した信号とに基づいて、差回転速度ω_dを演算することができる。

ここで、上記実施の形態３では、差回転速度ω_dの近似を行う際に、式（１７）から式（１８）のように、操舵トルクτ_hと検出トルクＴＳＭとの差をローパスフィルタ処理した成分を０としていた。これに対して、この発明の実施の形態４では、２次のハイパスフィルタを用いることにより、式（２１）から式（２２）のように、精度よく０に近似することができるので、差回転速度ω_dを精度よく演算できるという従来にない効果を得ることができる。

また、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を、操舵可能周波数よりも高く設定することにより、操舵トルクτ_hと検出トルクＴＳＭとの差（τ_h−ＴＳＭ）は、操舵可能周波数以下の帯域の成分のみであると考えられるので、ハンドル回転速度ω_hの項を０とみなす際の近似誤差を抑制することができる。

さらに、差回転速度演算部でのハイパスフィルタ処理のカットオフ周波数を、運転者がハンドル１１を操舵し得る周波数よりも高くすることにより、運転者が操舵した際に、演算により得られる差回転速度の精度を向上させることができるという従来にない効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態４では、差回転速度演算部のフィルタ関数として、２次のハイパスフィルタを用いたが、これに限定されず、２次以上のハイパスフィルタ処理を用いても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
上記実施の形態１では、電動パワーステアリング制御装置が第１回転情報検出部２および第２回転情報検出部３を備えていたが、コストやスペース等の関係から、必ずしも回転情報検出部が２つあるとは限らない。

図１１は、この発明の実施の形態５に係る電動パワーステアリング制御装置の全体構成を示す概略図である。ここでは、電動パワーステアリング制御装置として、コラム式のパワーステアリング制御装置を模式的に示している。なお、以下において、上記実施の形態１と同様の部分については、説明を省略する。

図１１において、この電動パワーステアリング制御装置は、ステアリング機構１０、トルク検出部１（例えば、トルクセンサ）、回転速度検出部４、制御部２０およびトルク発生部３０を備えている。

ステアリング機構１０において、運転者がハンドル１１を左右に操舵させた場合、ハンドル１１が回転した分だけ第１シャフト１２が回転する。このとき、第１シャフト１２の回転には、トルク発生部３０からギヤ１３を介してトルクがアシストされる。第１シャフト１２の回転は、ジョイント１４を介して第２シャフト１５に伝達される。

第２シャフト１５の回転運動は、ピニオン１６によって直線運動に変換され、ラック１７に伝達される。このとき、ラック１７が軸方向に移動することで、タイロッド１８も軸方向に移動する。これにより、タイヤ１９が転蛇される。

トルク検出部１は、ハンドル１１とトルク発生部３０（ギヤ１３）との間に設けられている。運転者がハンドル１１を操舵しているときには、トルク検出部１を挟んでハンドル側とトルク発生部側との間でねじれが生じ、回転位置に差が生じる。トルク検出部１は、このねじれを検出し、検出トルクとして制御部２０に出力する。

回転速度検出部４は、運転者がハンドル１１を回転させた場合における、トルク発生部３０のアクチュエータ３２（後述する）の回転速度を検出し、トルク発生部回転速度として制御部２０に出力する。

制御部２０は、トルク検出部１および回転速度検出部４からそれぞれ出力された検出トルクおよびトルク発生部回転速度、並びにトルク発生部３０のトルク制御部３１（後述する）で演算された発生トルク指令に基づいて、アシストトルク指令および差回転速度を演算し、トルク発生部３０に出力する。制御部２０は、アシストトルク指令演算部２１と、差回転速度演算部２２Ｂとを有している。

アシストトルク指令演算部２１は、トルク検出部１からの検出トルクに基づいて、アシストトルク指令を演算する。差回転速度演算部２２Ｂは、回転速度検出部４からのトルク発生部回転速度およびトルク制御部３１からの発生トルク指令に基づいて、トルク検出部１のハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を演算する。

トルク発生部３０は、制御部２０からのアシストトルク指令および差回転速度に基づいて、発生トルクを出力し、ギヤ１３を介して運転者の操舵をアシストする。トルク発生部３０は、トルク制御部３１と、アクチュエータ３２とを有している。

トルク制御部３１は、アシストトルク指令演算部２１からのアシストトルク指令および差回転速度演算部２２Ｂからの差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、発生トルク指令を演算し、アクチュエータ３２に出力する。

アクチュエータ３２は、トルク制御部３１からの発生トルク指令に基づいて、発生トルクを出力する。ここで、発生トルクは、発生トルク指令から一意に決まるので、発生トルク指令に基づいて演算することは、発生トルクに基づいて演算することと変わりはない。

このとき、この発明の実施の形態５では、ハンドル回転速度ω_hを検出することができないので、上記実施の形態１で示した式（６）に基づいて、差回転速度を演算することができない。

そこで、この発明の実施の形態５では、差回転速度演算部２２Ｂにおいて、回転速度検出部４からのトルク発生部回転速度およびトルク制御部３１からの発生トルク指令に基づいて、トルク検出部１のハンドル側とトルク発生部側との差回転速度ω_dを演算する方法について説明する。

図１２は、この発明の実施の形態５に係る電動パワーステアリング制御装置の差回転速度演算部２２Ｂの構成を示すブロック図である。図１２では、差回転速度演算部２２Ｂの設定の一例として、オブザーバを用いた制御ブロックを示している。なお、図１２中、例えば文字ωに「＾」が付されたものは、この明細書において、ω（ハット）と記載する。

図１２において、ω_h（ハット）はハンドル回転速度推定値を示し、ω_m（ハット）はトルク発生部回転速度推定値を示し、ＴＳＭ（ハット）は検出トルク推定値を示している。また、Ｇ_nはギヤ１３のギヤ比を示し、Ｊ_swはハンドル１１の慣性モーメントを示し、Ｊ_mはトルク発生部３０の慣性モーメントを示し、Ｃ_sはトルク検出部１の粘性係数を示し、Ｋ_sはトルク検出部１のばね定数を示している。

また、図１２において、差回転速度演算部２２Ｂは、ゲイン（ｇ₁）１４１、加算器１４２、ゲイン（１／Ｇ_n）１４３、加算器１４４、ゲイン（１／Ｇ_n）１４５、ゲイン（ｇ₂）１４６、加算器１４７、伝達関数（図１の伝達関数１０８と同一）１４８、伝達関数（図１の伝達関数１０７と同一）１４９、伝達関数（図１の伝達関数１０９と同一）１５０、ゲイン（ｇ₃）１５１、加算器１５２、加算器１５３、ゲイン（１／Ｇ_n）１５４、ゲイン（Ｇ_n）１５５および加算器１５６から構成される。

ここで、トルク検出部１は、ねじれ角によってトルクを検出するのが主な機能であり、粘性係数Ｃ_sは、ばね定数Ｋ_sに比べて微小である。そこで、粘性係数Ｃ_sを０に近似して検討しても、制御安定性の面で厳しい側の設定となり問題はないので、全ての実施の形態において、粘性係数Ｃ_sを０に近似して説明する。なお、粘性係数Ｃ_sを考慮してフィルタ関数を設計した場合についても、同様の効果が得られることはいうまでもない。

なお、ハンドル回転速度推定値ω_h（ハット）、トルク発生部回転速度推定値ω_m（ハット）、検出トルク推定値ＴＳＭ（ハット）および差回転速度ω_dの関係式は、次式（２３）で表される。

また、式（２３）から、オブザーバの特性方程式は、次式（２４）で表される。

ここで、制御安定性を確保するためには、例えば、式（２４）の解が、バタワースの極配置となるようにすればよい。このとき、オブザーバの特性方程式は、次式（２５）を満たす。

すなわち、式（２４）および式（２５）の特性方程式から、制御安定性を確保するためには、ゲインｇ₁、ゲインｇ₂およびゲインｇ₃が次式（２６）を満たせばよいことがわかる。

また、式（２３）および式（２６）により、差回転速度ω_dを、次式（２７）のように、トルク発生部回転速度および発生トルクから演算すればよい。

このとき、式（２５）の特性方程式の極を表すω_bを、速度制御応答周波数に比べて十分に大きな値とすれば、オブザーバの応答性が、速度制御の応答性に与える影響を無視することができる。

以下、図１１に示した差回転速度演算部２２Ｂおよびトルク制御部３１の設定の一例を説明する。差回転速度演算部２２Ｂでは、回転速度検出部４で検出されたトルク発生部回転速度およびトルク制御部３１で演算された発生トルク指令に基づいて、式（２３）により、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度ω_dが演算される。

また、トルク制御部３１では、差回転速度演算部２２Ｂで演算された差回転速度ω_dに、ゲインＫ_rpを乗算して得られた補償トルクが、アシストトルク指令演算部２１で得られたアシストトルク指令τ_m0から、式（７）のように減算され、アクチュエータ３２への発生トルク指令が演算される。このとき、上述した実施の形態１と同様に、ゲインＫ_rpを、車速信号等のパラメータに基づいて切り替えてもよい。

特許文献１に記載された従来の電動式パワーステアリング制御装置では、トルク発生部側の回転速度に含まれる振動成分を抑制するのみで、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を抑制することができないので、ハンドルの切り返し時等に、運転者に不快なトルク振動を感じさせるという問題があった。

これに対して、この発明の実施の形態５に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、制動比ζを適切な値に設定することにより、ハンドル側の回転情報を検出することなく、差回転速度により生じるトルク振動を抑制することができるという従来にない効果を得ることができる。

また、この発明の実施の形態５に係る電動パワーステアリング制御装置によれば、回転速度検出部で検出されたトルク発生部回転速度と、トルク制御部で演算された発生トルク指令とに基づいて、ハンドル側とトルク発生部側との差回転速度を演算するので、検出トルクのノイズ除去の際の遅れや検出トルクの特性による影響を受けないという従来にない効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態５では、差回転速度として、トルク発生部３０の軸上での差回転速度を用いたが、これに限定されず、ハンドル１１の軸上での差回転速度を用いて、ゲイン１１０にギヤ比の換算分を含めることにより、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態５では、トルク検出部１からの検出トルクのみに基づいて、アシストトルク指令演算部２１でアシストトルク指令を演算しているが、これに限定されず、制御安定性の確保のために、回転速度等の信号を用いて構成した補償器を通した検出トルクを用いてアシストトルク指令を演算しても、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態５では、検出トルクＴＳＭとトルク発生部回転速度ω_mとが、負の相関関係を有するものとしたが、これに限定されず、検出トルクＴＳＭとトルク発生部回転速度ω_mとが、正の相関関係を有するトルク検出部１を用いた電動パワーステアリング制御装置においても、同様の効果を得ることができる。

Claims (7)

1. 運転者が操舵するハンドルと、
   前記運転者の操舵によるトルクをアシストするための発生トルクを発生するトルク発生部と、
   前記ハンドルと前記トルク発生部との間に設けられ、前記ハンドル側と前記トルク発生部側との間で生じたねじれを、検出トルクとして検出するトルク検出部と、
   前記検出トルクに基づいて、前記運転者の操舵をアシストするためのアシストトルク指令を演算するアシストトルク指令演算部と、
   前記運転者が前記ハンドルを操舵させたときの前記トルク発生部側の回転速度を、トルク発生部側回転速度として検出する回転速度検出部と、
   前記ハンドル側と前記トルク発生部側との間に生じる回転速度の差を、差回転速度として演算する差回転速度演算部と、を備え、
   前記差回転速度演算部は、前記検出トルクおよび前記トルク発生部側回転速度に基づいて、前記差回転速度を演算し、
   前記トルク発生部は、前記アシストトルク指令および前記差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、前記発生トルクを発生する
   電動パワーステアリング制御装置。
2. 前記差回転速度演算部は、前記検出トルクをハイパスフィルタ処理した信号と、前記トルク発生部側回転速度をハイパスフィルタ処理した信号とに基づいて、前記差回転速度を演算する
   請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置。
3. 前記差回転速度演算部は、２次以上のハイパスフィルタ処理を施す
   請求項２に記載の電動パワーステアリング制御装置。
4. 前記差回転速度演算部におけるハイパスフィルタ処理のカットオフ周波数は、前記運転者が前記ハンドルを操舵し得る周波数よりも高い値に設定される
   請求項２または請求項３に記載の電動パワーステアリング制御装置。
5. 運転者が操舵するハンドルと、
   前記運転者の操舵によるトルクをアシストするための発生トルクを発生するトルク発生部と、
   前記ハンドルと前記トルク発生部との間に設けられ、前記ハンドル側と前記トルク発生部側との間で生じたねじれを、検出トルクとして検出するトルク検出部と、
   前記検出トルクに基づいて、前記運転者の操舵をアシストするためのアシストトルク指令を演算するアシストトルク指令演算部と、
   前記運転者が前記ハンドルを操舵させたときの前記ハンドル側の回転情報を、第１回転情報として検出する第１回転情報検出部と、
   前記運転者が前記ハンドルを操舵させたときの前記トルク発生部側の回転情報を、第２回転情報として検出する第２回転情報検出部と、
   前記ハンドル側と前記トルク発生部側との間に生じる回転速度の差を、差回転速度として演算する差回転速度演算部と、を備え、
   前記差回転速度演算部は、前記第１回転情報および前記第２回転情報に基づいて、前記差回転速度を演算し、
   前記トルク発生部は、前記アシストトルク指令および前記差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、前記発生トルクを発生する
   電動パワーステアリング制御装置。
6. 運転者が操舵するハンドルと、
   前記運転者の操舵によるトルクをアシストするための発生トルクを発生するトルク発生部と、
   前記ハンドルと前記トルク発生部との間に設けられ、前記ハンドル側と前記トルク発生部側との間で生じたねじれを、検出トルクとして検出するトルク検出部と、
   前記検出トルクに基づいて、前記運転者の操舵をアシストするためのアシストトルク指令を演算するアシストトルク指令演算部と、
   前記運転者が前記ハンドルを操舵させたときの前記トルク発生部側の回転速度を、トルク発生部側回転速度として検出する回転速度検出部と、
   前記ハンドル側と前記トルク発生部側との間に生じる回転速度の差を、差回転速度として演算する差回転速度演算部と、を備え、
   前記差回転速度演算部は、前記発生トルクおよび前記トルク発生部側回転速度に基づいて、前記差回転速度を演算し、
   前記トルク発生部は、前記アシストトルク指令および前記差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、前記発生トルクを発生する
   電動パワーステアリング制御装置。
7. 運転者が操舵するハンドルと、前記運転者の操舵によるトルクをアシストするための発生トルクを発生するトルク発生部と、の間で生じたねじれを、検出トルクとして検出するトルク検出ステップと、
   前記検出トルクに基づいて、前記運転者の操舵をアシストするためのアシストトルク指令を演算するアシストトルク指令演算ステップと、
   前記運転者が前記ハンドルを操舵させたときの前記トルク発生部側の回転速度を、トルク発生部側回転速度として検出する回転速度検出ステップと、
   前記ハンドル側と前記トルク発生部側との間に生じる回転速度の差を、前記検出トルクまたは前記発生トルクと、前記トルク発生部側回転速度とに基づいて、差回転速度として演算する差回転速度演算ステップと、
   前記アシストトルク指令および前記差回転速度に応じて設定される補償トルクに基づいて、前記発生トルクを発生するトルク発生ステップと、
   を有する電動パワーステアリング制御装置の制御方法。

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