JP6102851B2

JP6102851B2 - 電動パワーステアリングの制御装置

Info

Publication number: JP6102851B2
Application number: JP2014150738A
Authority: JP
Inventors: 正基千葉
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: JP2016022927A

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載される電動パワーステアリングの制御装置に関する。

自動車等の車両に搭載される電動パワーステアリングは、操舵装置にアシストトルクを付与するためのモータと、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサと、車速を検出する車速センサと、コントロールユニット（ＥＣＵ）とを有する。ＥＣＵは、トルクセンサで検出された操舵トルクと車速センサで検出された車速とに基いてモータが出力すべきトルク（モータトルク）を設定し、設定したモータトルクが実現するようにモータに印加する電流を制御する（これをアシスト制御という）。

従来、ＥＣＵは、上記のようなアシスト制御に加え、共振等の外乱に起因する振動を抑制する振動抑制制御を並行して行う。その理由は、そのような振動抑制制御を行わないと、上記振動が運転者の手に伝わるだけでなく、上記振動に基くトルクが上記アシスト制御によって増大されてしまうからである。

振動抑制制御の１例として、特許文献１には、運転者の操舵トルクに基いて補助トルク電流（モータに印加する電流）を出力するアシストマップと、モータの回転速度をフィルタ処理することにより低周波側のゲインを低減し振動成分信号を出力する振動抽出フィルタと、モータに流れる電流に基いた電流可変ゲインを算出する電流可変ゲインマップと、モータの回転速度に基いた回転速度可変ゲインを算出する回転速度可変ゲインマップとを備え、上記振動成分信号と電流可変ゲインと回転速度可変ゲインとに基いて振動抑制電流を算出し、算出した振動抑制電流を用いて上記補助トルク電流を補正することが開示されている。

特許第５３８３８１８号公報（特に図３〜図６、図１５、図１６）

上記特許文献１の技術では、振動抽出フィルタで抽出された高周波側の振動成分に対して振動抑制の処理が行われる。具体的に、アシストマップで出力された補助トルク電流が振動抑制電流で補正される。その場合、振動抑制電流は抽出された振動成分の大きさに対応して設定され、振動成分の周波数は考慮されない。そのため、例えば振動成分の周波数帯域に応じて振動抑制の処理の内容を変えようとすれば、さらに別のフィルタ処理をして振動成分を周波数帯域毎に分ける必要がある。

そこで、本発明は、１回のフィルタ処理で周波数帯域の異なる振動成分に対して内容の異なる振動抑制の処理を行うことができる電動パワーステアリングの制御装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、操舵装置にアシストトルクを付与するためのモータと、運転者の操舵トルクを検出する検出手段と、上記検出手段で検出された操舵トルクに基いて上記モータが出力すべきモータトルクを設定する設定手段とを有する電動パワーステアリングの制御装置であって、上記モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、上記回転角度検出手段で検出されたモータの回転角度をフィルタ処理することにより周波数に応じた振動抑制用ゲインを出力するフィルタ処理手段と、上記フィルタ処理手段で出力された振動抑制用ゲインを用いて上記設定手段で設定されたモータトルクを振動を抑制するように補正する補正手段とが備えられ、上記フィルタ処理手段は、運転者の操舵成分の周波数よりも高周波側で共振周波数を含む第１周波数帯域では、１を超える大きさの第１ゲインを位相を進めて出力し、上記第１周波数帯域よりも高周波側の第２周波数帯域では、上記第１ゲインよりも小さい第２ゲインを位相を進めずに出力することを特徴とする。

本発明によれば、第１周波数帯域では第１ゲインが位相が進められて出力されるので、補正手段によるモータトルクの補正が位相がずれて行われる。その結果、粘性が付与され、第１周波数帯域における相対的に周期の長い振動（共振周波数を含む）が粘性によって抑制される。一方、第２周波数帯域では第２ゲインが位相が進められずに出力されるので、補正手段によるモータトルクの補正が位相がずれずに行われる。その結果、剛性が付与され、第２周波数帯域における相対的に周期の短い振動が剛性によって抑制される。

また、第１ゲインが第２ゲインよりも大きいので、第１周波数帯域の長周期振動が粘性によって確実に抑制される。

以上により、本発明によれば、１回のフィルタ処理で周波数帯域の異なる振動成分に対して内容の異なる振動抑制の処理を行うことができる電動パワーステアリングの制御装置が提供される。

本発明においては、好ましくは、上記フィルタ処理手段は、上記第１周波数帯域よりも低周波側で操舵成分の周波数を含む第３周波数帯域では、上記第２ゲインよりも小さい零以上の第３ゲインを出力する。

この構成によれば、運転者の操舵成分の周波数を含む第３周波数帯域ではゲインがさらに小さくされるので、設定手段で設定されたモータトルクはほとんど補正されない。その結果、運転者の操舵を支援するアシスト制御が振動抑制制御の影響を受けることなく適正に行われる。

本発明においては、好ましくは、上記フィルタ処理手段は、第１周波数帯域に含まれるカットオフ角周波数では、位相を９０°進めて第１ゲインを出力し、第２周波数帯域では、第１周波数帯域よりも小さい零以上の角度で位相を進めて（言い換えると、ほとんど位相を進めずに）第２ゲインを出力し、第３周波数帯域では、第１周波数帯域よりも大きい１８０°以下の角度で位相を進めて第３ゲインを出力する。

この構成によれば、車体に存在する共振周波数にカットオフ角周波数を合致させることで、ステアリング系に起因する車両の共振が生じることを効率よく防止できる。

本発明によれば、１回のフィルタ処理で周波数帯域の異なる振動成分に対して内容の異なる振動抑制の処理を行うことができるので、電動パワーステアリングの制御装置において、共振等の外乱に起因する振動を効率よく抑制する振動抑制制御が実現する。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリングの全体構成図である。上記電動パワーステアリングのブロック図である。上記ブロック図のアシストマップをグラフで表したものである。上記ブロック図の振動抽出フィルタの周波数特性を示すボード線図である。

図１に示すように、本実施形態に係る車両（図示略）は、ステアリングハンドル１と、ステアリングシャフト２と、両端のユニバーサルジョイント４ａ，４ｂで連結された中間シャフト４と、ピニオンラック機構５と、タイロッド６とを介して前輪７を操舵する操舵装置を備えている。また、上記車両は、この操舵装置にアシストトルクを付与するために、ステアリングシャフト２に減速ギヤ３を介して結合されたモータ２０と、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ（本発明の「検出手段」に相当する）１０と、車速を検出する車速センサ１１と、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）３０とを含んで構成されるコラムアシスト型の電動パワーステアリングを搭載している。

ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、基本的動作として、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクと、車速センサ１１で検出された車速とに基いて、モータ２０が出力すべきモータトルクを設定し、設定したモータトルクが実現するようにモータ２０に印加する電流を制御する（アシスト制御）。

電動パワーステアリングは、上記アシスト制御に加え、車体のサブフレームとの共振等の外乱に起因する振動を抑制する振動抑制制御を並行して行う。そして、そのために、モータ２０の回転角度を検出するモータ角度センサ（本発明の「回転角度検出手段」に相当する）１２を備える。本実施形態では、減速ギヤ３の共振周波数が７〜１０Ｈｚにある。

以下、本実施形態に係る上記振動抑制制御について説明する。図２は、上記電動パワーステアリングのブロック図であり、図３は、上記ブロック図のアシストマップをグラフで表したものであり、図４は、上記ブロック図の振動抽出フィルタの周波数特性を示すボード線図である。

図２に示すように、運転者の操舵トルクがトルクセンサ１０で検出され、ローパスフィルタ３１に入力される。ローパスフィルタ３１に入力されたトルクのうち、運転者の操舵成分の周波数（４〜６Ｈｚ程度）を含む低周波側の操舵成分信号が抽出され、アシストマップ（本発明の「設定手段」に相当する）３２に入力される。アシストマップ３２は、図３に示すように、入力である操舵トルクと出力であるモータトルクとの入出力特性を示すものである。入出力特性は車速毎に予め作成される。具体的に、横軸に操舵トルクが定義され、縦軸にモータトルクが定義される。図例では、車速が１０ｋｍ／ｈ、３０ｋｍ／ｈ、８０ｋｍ／ｈ、１５０ｋｍ／ｈの場合の入出力特性が作成されている。アシストマップ３２には車速センサ１１で検出された車速も入力される。操舵トルクが大きいほど、また車速が低いほど、大きなモータトルクが設定される。

アシストマップ３２で設定されたモータトルクは、加算器（本発明の「補正手段」に相当する）３３で補正される。具体的に、アシストマップ３２で設定されたモータトルクは、加算器３３に入力され、後述する振動抑制トルク生成部３６で生成された振動抑制トルクが加算される。このように加算器３３で補正されたモータトルクは、電流制御部３４に入力される。電流制御部３４は、入力されたモータトルクを実現する電流をモータ２０に印加する。これにより、モータトルクが減速ギヤ３で増大されてステアリングシャフト２に付与される。すなわちアシスト制御が行われる。

アシスト制御と並行して行われる振動抑制制御は、モータ２０の回転角度がモータ角度センサ１２で検出され、振動抽出フィルタ（本発明の「フィルタ処理手段」に相当する）３５に入力されることから始まる。振動抽出フィルタ３５は、周知の２次のハイパスフィルタを用いて構成されており、次のような周波数特性を有する。

図４に示すように、振動抽出フィルタ３５は、運転者の操舵成分の周波数（４〜６Ｈｚ）よりも高周波側で、共振周波数（７〜１０Ｈｚ）を含む第１周波数帯域（図例では７〜３０Ｈｚ）の入力を抽出し、ゲイン調整器（本発明の「フィルタ処理手段」に相当する）（図２参照）３５ａは、１を超える大きさの第１ゲインを掛けて、位相を進めて出力する。より詳しくは、第１周波数帯域に含まれるカットオフ角周波数（図例では１０Ｈｚ）において、位相を９０°進めて第１ゲインを出力する。

また、振動抽出フィルタ３５は、第１周波数帯域よりも高周波側の第２周波数帯域（図例では３０〜１００Ｈｚ）の入力を抽出し、ゲイン調整器３４は、１に近い第２ゲインを掛けて、位相は変えずに出力する。

また、振動抽出フィルタ３５は、第１周波数帯域よりも低周波側で、運転者の操舵成分の周波数（４〜６Ｈｚ）を含む第３周波数帯域（図例では１〜７Ｈｚ）の入力を抽出し、ゲイン調整器３４は、１よりも小さい第３ゲインを出力する。

このような振動抽出フィルタ３５の周波数特性は、下記式（２次のハイパスフィルタの伝達関数式）により近似的に実現できる。

式：ｓ^２／（ｓ^２＋２ζω_ｃｓ＋ω_ｃ ^２）
ただし、ｓはラプラス演算子、ζは減衰定数、ω_ｃはカットオフ角周波数である。

上記第１周波数帯域、第２周波数帯域、及び第３周波数帯域は、２次のハイパスフィルタである振動抽出フィルタ３５の上記周波数特性を上記伝達関数式を介して変更することにより、容易に種々の範囲に設定することができる。

振動抽出フィルタ３５の抽出結果とゲイン調整器３５ａで調製されたゲインとの積は、振動抑制トルク生成部３６に入力される。振動抑制トルク生成部３６は、入力されたゲインに基いて振動抑制トルクを生成する。具体的に、振動抑制トルクは、ゲインが大きいほど大きい値に生成され、例えば、ゲインが第２ゲインよりも小さい零以上の第３ゲインのときは、振動抑制トルクはごく小さい値となり（特にゲインが零のときは零となり）、ゲインが第３ゲインよりも大きい第２ゲイン、及びゲインが第２ゲインよりも大きく１を超える第１ゲインのときは、振動抑制トルクは相対的に大きい値となる。特にゲインがピークとなる共振周波数（７〜１０Ｈｚ）では、振動抑制トルクもピークとなる。

振動抑制トルク生成部３６で生成された振動抑制トルクは、前述の加算器３３に入力され、前述したように、アシストマップ３２で設定されたモータトルクに加算される（すなわちモータトルクの補正に用いられる）。言い換えると、加算器３３は、振動抽出フィルタ３５及びゲイン調整器３５ａで出力された振動抑制用ゲインを用いて、アシストマップ３２で設定されたモータトルクを、振動を抑制するように補正する。

具体的に、ゲインが第２ゲインよりも小さい零以上の第３ゲインのときは、振動抑制トルク生成部３６で生成される振動抑制トルクがごく小さい値となるので、モータトルクはほとんど補正されない。特にゲインが零のときは振動抑制トルクが零となるので、モータトルクは全く補正されない。その結果、運転者の操舵成分の周波数を含む第３周波数帯域では、運転者の操舵を支援するアシスト制御が振動抑制制御の影響を受けることなく適正に行われる。そのため、運転者の操舵トルクにアシストトルクが応答性良く追従し、良好な操舵フィーリングが得られる。

ゲインが第３ゲインよりも大きい第２ゲインのときは、振動抑制トルク生成部３６で生成される振動抑制トルクが相対的に大きい値となるので、モータトルクは振動を抑制するように大幅に補正される。また、第２周波数帯域では第２ゲインが位相が進められずに出力されるので、加算器３３によるモータトルクの補正が位相がずれずに行われる。その結果、第２周波数帯域では、剛性が付与され、相対的に周期の短い第２周波数帯域の振動が剛性によって抑制される。これは、ステアリング系の剛性を補償する作用がある。

ゲインが第２ゲインよりも大きく１を超える第１ゲインのときもまた、振動抑制トルク生成部３６で生成される振動抑制トルクが相対的に大きい値となるので、モータトルクは振動を抑制するように大幅に補正される。特に共振周波数（７〜１０Ｈｚ）では振動抑制トルクがピークとなるので、モータトルクはより一層大幅に補正される。また、第１周波数帯域では第１ゲインが位相が進められて出力されるので、加算器３３によるモータトルクの補正が位相がずれて行われる。その結果、共振周波数を含む第１周波数帯域では、制御系におけるいわゆる粘性が付与され、相対的に周期の長い第１周波数帯域の振動（共振周波数を含む）がこの粘性によって抑制される。すなわち、車体に存在する共振周波数（７〜１０Ｈｚ）にカットオフ角周波数（１０Ｈｚ）を合致させることで、ステアリング系に起因する車両の共振が生じることを効率よく防止できる。

しかも、第１ゲインが第２ゲインよりも大きいので、第１周波数帯域の長周期振動が粘性によって確実に抑制される。

なお、上記実施形態では、電動パワーステアリングはコラムアシスト型であったが、他の型の電動パワーステアリングにも本発明は適用可能である。

また、上記実施形態では、アシストマップの出力はモータトルクであったが、これに代えて、モータに印加する電流値であってもよい。

また、上記実施形態では、ローパスフィルタ３１、アシストマップ３２、加算器３３、電流制御部３４、振動抽出フィルタ３５、ゲイン調整器３５ａ、及び振動抑制トルク生成部３６は、ＥＣＵ３０内に包含されていたが、これに限られないことはいうまでもない。

また、上記実施形態で示された加算器３３によるモータトルクの補正の仕方や振動抑制トルク生成部３６による振動抑制トルクの生成の仕方はあくまでも例示であって、これに限られないことはいうまでもない。

また、上記実施形態で示された数値もまたあくまでも例示であって、これに限られないことはいうまでもない。

１ステアリングハンドル
２ステアリングシャフト
１０トルクセンサ（検出手段）
１２モータ角度センサ（回転角度検出手段）
２０モータ
３０ＥＣＵ
３２アシストマップ（設定手段）
３３加算器（補正手段）
３５振動抽出フィルタ（フィルタ処理手段）
３５ａゲイン調整器（フィルタ処理手段）

Claims

操舵装置にアシストトルクを付与するためのモータと、
運転者の操舵トルクを検出する検出手段と、
上記検出手段で検出された操舵トルクに基いて上記モータが出力すべきモータトルクを設定する設定手段とを有する電動パワーステアリングの制御装置であって、
上記モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、
上記回転角度検出手段で検出されたモータの回転角度をフィルタ処理することにより周波数に応じた振動抑制用ゲインを出力するフィルタ処理手段と、
上記フィルタ処理手段で出力された振動抑制用ゲインを用いて上記設定手段で設定されたモータトルクを振動を抑制するように補正する補正手段とが備えられ、
上記フィルタ処理手段は、運転者の操舵成分の周波数よりも高周波側で共振周波数を含む第１周波数帯域では、１を超える大きさの第１ゲインを位相を進めて出力し、上記第１周波数帯域よりも高周波側の第２周波数帯域では、上記第１ゲインよりも小さい第２ゲインを位相を進めずに出力することを特徴とする電動パワーステアリングの制御装置。
請求項１に記載の電動パワーステアリングの制御装置において、
上記フィルタ処理手段は、上記第１周波数帯域よりも低周波側で操舵成分の周波数を含む第３周波数帯域では、上記第２ゲインよりも小さい零以上の第３ゲインを出力することを特徴とする電動パワーステアリングの制御装置。
請求項２に記載の電動パワーステアリングの制御装置において、
上記フィルタ処理手段は、第１周波数帯域に含まれるカットオフ角周波数では、位相を９０°進めて第１ゲインを出力し、第２周波数帯域では、第１周波数帯域よりも小さい零以上の角度で位相を進めて第２ゲインを出力し、第３周波数帯域では、第１周波数帯域よりも大きい１８０°以下の角度で位相を進めて第３ゲインを出力することを特徴とする電動パワーステアリングの制御装置。