JP6237958B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動操舵モード（駐車支援、障害物回避、レーンキープ等）及び手動操舵モード（通常操舵）の機能を有し、車両の操舵系にモータによるアシスト力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特に自動操舵モードの角度制御方式から手動操舵モードのトルク制御方式に徐変で切替えるとき、角度制御指令値とトルク制御指令値の指令値差に応じて徐変時間を可変するようにした電動パワーステアリング装置に関する。

モータ制御装置を具備し、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）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操舵補助力を付与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、操舵補助力の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、操舵補助指令値（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）制御のデューティ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（ステアリングホイール）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の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、ハンドル（ステアリングホイール）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）３０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３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｓと車速センサ１２で検出された車速Ｖｓとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の操舵補助指令値の演算を行い、操舵補助指令値に補償等を施した電圧制御値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。なお、舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、モータ２０に連結された回転センサから得ることもできる。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）４０が接続されており、車速ＶｓはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。

このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵ等を含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、例えば図２に示されるような構成となっている。

図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０からの操舵トルクＴｓ及び車速センサ１２からの車速Ｖｓは電流指令値演算部３１に入力され、電流指令値演算部３１は操舵トルクＴｓ及び車速Ｖｓに基づいてアシストマップ等を用いて電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。演算された電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａで、特性を改善するための補償部３４からの補償信号ＣＭと加算され、加算された電流指令値Ｉｒｅｆ２が電流制限部３３で最大値を制限され、最大値を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、モータ電流検出値Ｉｍと減算される。

減算部３２Ｂでの減算結果Ｉ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）はＰＩ制御部３５でＰＩ（比例積分）制御され、ＰＩ制御された電圧制御値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力されてデューティを演算され、デューティを演算されたＰＷＭ信号でインバータ３７を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値Ｉｍはモータ電流検出手段３８で検出され、減算部３２Ｂに入力されてフィードバックされる。

補償部３４は、検出若しくは推定されたセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４−３を加算部３４−４で慣性補償値３４−２と加算し、その加算結果に更に加算部３４−５で収れん性制御値３４−１を加算し、その加算結果を補償信号ＣＭとして加算部３２Ａに入力し、特性改善する。

このような電動パワーステアリング装置において、近年駐車支援機能（パーキングアシスト）、障害物回避機能、レーンキープ機能等の自動操舵モードの機能を搭載し、自動操舵モードと手動操舵モードとを切替える車両が出現して来ており、駐車支援機能を搭載した車両にあってはカメラ（画像）や距離センサなどのデータを基に目標操舵角を設定し、目標操舵角に実操舵角を追従させる自動操舵制御が行われる。

従来周知の自動操舵モードと手動操舵モードの機能を有する電動パワーステアリング装置では、例えば駐車支援では、予め記憶した車両の移動距離と転舵角との関係に基づいてアクチュエータ（モータ）を制御することにより、バック駐車や縦列駐車を自動で行うようになっている。即ち、駐車支援装置は、アラウンドビューモニタや超音波センサ等の測位センサから駐車スペースを認識し、ＥＰＳ側に舵角指令値（角度制御指令値）を出力する。ＥＰＳは、舵角指令値に追従するように実舵角を位置制御することによって、車両は駐車スペースへと誘導されていく。

図３は、駐車支援モード機能を有する電動パワーステアリング装置の制御系を示しており、駐車支援等自動操舵指令装置５０にはカメラ、測位センサ（超音波センサ等）から各種データが入力され、駐車支援用舵角指令値はＣＡＮ等を経てＥＰＳアクチュエータ機能内の位置制御部（角度制御部）５１に入力され、駐車支援実行指令はＣＡＮ等を経てＥＰＳアクチュエータ機能内の駐車支援実行判定部５２に入力される。駐車支援実行判定部５２にはＥＰＳセンサからの操舵トルクＴｓも入力されている。舵角センサ若しくは外部からの舵角信号である実舵角θｒは位置制御部５１に入力され、駐車支援実行判定部５２の判定結果はトルク指令値徐変切替え部５４に入力される。また、ＥＰＳセンサの操舵トルクＴｓは、ＥＰＳパワーアシスト機能内のトルク制御部５３に入力され、トルク制御部５３からの操舵アシストトルク指令値Ｔｃがトルク指令値徐変切替え部５４に入力される。位置制御部５１からの位置制御トルク指令値Ｔｐもトルク指令値徐変切替え部５４に入力され、駐車支援実行判定部５２の判定結果に従って操舵アシストトルク指令値Ｔｃと位置制御トルク指令値Ｔｐとが切替えられ、モータトルク指令値として出力され、電流制御系を介してモータが駆動制御される。

なお、位置制御部５１は実際には速度制御も行うようになっており、舵角速度が入力される位置／速度制御部になっているが、ここでは説明の便宜上位置制御に限定している。

このように通常のパワーアシストはトルク制御系であるのに対し、駐車支援等の自動運転の場合は舵角等の角度（位置）制御系となる。トルク制御と角度制御を互いに切替える際、制御トルクの変動が生じ、スムーズに切替わらない問題や切替え時のトルク変動がトリガとなって、意図しないセルフステアが生じる問題がある。

従来角度制御（自動操舵）からトルク制御（手動制御）への移行方法に関しては、例えば特許第３３１１２７７号公報（特許文献１）に開示されている自動操舵装置がある。特許文献１の自動操舵装置では、図４（Ａ）の破線に示すように、自動操舵制御（角度制御）からトルク制御への移行に伴ってアクチュエータ（モータ）の制御量が減少する場合には、所定時間ｔ₀ が経過する間に、制御量を自動操舵制御時の値から、トルク制御時の値まで線形に減少させることにより、運転者がハンドルから受ける操舵反力が急激に変化しないようにする。また図４（Ｂ）の破線に示すように、自動操舵制御からトルク制御への移行に伴ってアクチュエータの制御量が増加する場合には，所定時間ｔ₀ が経過する間に、制御量を自動操舵制御時の値からトルク制御時の値まで線形に増加させることにより、運転者がハンドルから受ける操舵反力が急激に変化しないようにする。その結果、ハンドルが急激に軽くなって必要以上の転舵角が発生したり、ハンドルが急激に重くなって必要な転舵角が得られなくなったりすることを防止している。

特許第３３１１２７７号公報

しかしながら、特許文献１の自動操舵装置では、角度制御とトルク制御の指令値の差を全く考慮していないため、角度制御指令値とトルク制御指令値の差が大きい場合は、運転者に伝わるトルク変化が大きく、安全性を低下させたり、違和感を感じさせたりする問題がある。

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、角度制御（自動操舵モード）からトルク制御（手動操舵モード）に制御方式を切替える徐変処理に際して、角度制御指令値とトルク制御指令値の指令値差に基づいて徐変時間を変更することにより、安全で違和感を低減した高性能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵を補助するアシストトルクを車両の操舵機構に付与するモータを制御するモータ制御装置とを有する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、所定の切替え契機に従って、自動操舵モードの角度制御指令値に応じて制御する角度制御方式と、手動操舵モードのトルク制御指令値に応じて制御するトルク制御方式との間で前記モータの制御方式を切替える機能を具備し、前記角度制御方式から前記トルク制御方式に徐変で切替えるとき、前記角度制御指令値と前記トルク制御指令値の指令値差に応じて徐変時間を可変とすることにより達成される。

本発明の上記目的は、前記指令値差が、前記角度制御指令値と前記トルク制御指令値の差の絶対値であることにより、或いは前記所定の切替え契機が、自動操舵指令のＯＮ／ＯＦＦであることにより、或いは前記自動操舵指令のＯＮ／ＯＦＦが、駐車支援の指令、障害物回避の指令若しくはレーンキープの指令であることにより、或いは前記所定の切替え契機が、前記操舵トルクの内部判定によって与えられる切替え指令のＯＮ／ＯＦＦであることにより、或いは前記徐変時間が前記指令値差に応じて線形又は非線形に変化するようになっていることにより、或いは前記徐変を線形又は非線形で行うことにより、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グ装置によれば、自動操舵モードの角度制御（障害物回避、駐車支援等）から手動操舵モードのトルク制御にモータ出力制御方式を切替える徐変処理に際して、角度制御指令値とトルク制御指令値の指令値差に基づいて徐変時間を変更している。指令値差が大きいときに徐変時間を長く設定して、より徐々に切替える。このため、安全で、運転者に対する違和感を低減した高性能な電動パワーステアリング装置を提供することができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 自動操舵モード機能を有する電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 従来の電動パワーステアリング装置の動作系を示す特性図である。 本発明の構成例（車両障害物回避機能）を示すブロック図である。 本発明に係る徐変時間演算部の特性例を示す特性図である。 本発明における徐変の動作例（線形）を示すタイミングチャートである。 トルク制御から角度制御への切替え例を示すタイミングチャートである。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 本発明における徐変の他の動作例（非線形）を示すタイミングチャートである。

電動パワーステアリング装置における従来のモータ制御方式では、自動操舵モードの角度制御指令値と、手動操舵モードのトルク制御指令値との差の絶対値である指令値差を全く考慮していないため、指令値差が大きい場合は、運転者に伝わるトルク変化が大きく、安全性を低下させたり、運転者に違和感を感じさせたりする問題が生じている。このため、本発明では、自動操舵ＯＮ／ＯＦＦの切替え契機として、例えば車両障害物回避指令のＯＮ／ＯＦＦ、駐車支援指令のＯＮ／ＯＦＦ、操舵トルクの内部判定によって与えられる切替え指令のＯＮ／ＯＦＦが入力され、自動操舵モードの角度制御方式から手動操舵モードのトルク制御方式に切替えるとき、指令値差に応じて徐変時間を可変（指令値差が大きいときに徐変時間を長く）することにより、安全かつ違和感の抑制された操舵を実現している。

例えば障害物回避の自動操舵モードではカメラやレーダにより前方の障害物を認識し、操舵により障害物を回避する必要がある。電動パワーステアリング装置の制御は、通常はトルク制御で、障害物回避時は角度制御となるが、障害物回避から通常に戻すときに、指令値差に応じて徐変時間を可変する。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、自動操舵モードとして障害物回避の例について説明するが、駐車支援やレーンキープ等でも同様である。

図５は本発明の構成例を示しており、操舵トルクＴｓ及び車速Ｖｓはトルク制御部１１０に入力され、トルク制御部１１０は操舵トルクＴｓ及び車速Ｖｓに基づいてトルク制御指令値ＴＣを演算し、タイヤ転舵角指令値Ａｔ及び実転舵角Ａｒは角度制御部１２０に入力され、角度制御部１２０はタイヤ転舵角指令値Ａｔ及び実転舵角Ａｒに基づいて角度制御指令値ＡＣを演算する。トルク制御部１１０からのトルク制御指令値ＴＣは、切替え制御部１００内の指令値差演算部１０２及び切替え部１０４に入力され、角度制御部１２０からの角度制御指令値ＡＣは、切替え制御部１００内の指令値差演算部１０２及び切替え部１０４に入力される。

また、切替え契機としての車両障害物回避信号Ｖｆ（正常時に論理“０”、回避時に論理“１”）は、切替え制御部１００内の判定部１０１に入力され、判定部１０１は、車両障害物回避信号Ｖｆが“０”から“１に変化したか、或いは”“１”から“０”に変化したかを判定する。判定部１０１は、車両障害物回避信号Ｖｆが“０”から“１”に変化したと判定したときに判定信号ＤＳ２を出力し、判定信号ＤＳ２は切替え部１０４に入力される。また、判定部１０１は、車両障害物回避信号Ｖｆが“１”から“０”に変化したと判定したときに判定信号ＤＳ１を出力し、判定信号ＤＳ１は指令値差演算部１０２に入力される。

指令値差演算部１０２に判定信号ＤＳ１が入力されると、指令値差演算部１０２はトルク制御指令値ＴＣと角度制御指令値ＡＣとの差の絶対値である指令値差ＣＤを演算する。即ち、指令値差ＣＤは下記数１で演算する。
（数１）
指令値差ＣＤ＝｜トルク制御指令値ＴＣ−角度制御指令値ＡＣ｜

指令値差ＣＤは徐変時間演算部１０３に入力され、徐変時間演算部１０３は、例えば図６の特性Ａ，Ｂ，Ｃに示すような演算式で指令値差ＣＤに応じて徐変時間Ｔｊを演算する。即ち、徐変時間Ｔｊは下記数２で演算する。
（数２）
徐変時間Ｔｊ＝徐変時間変換係数×指令値差ＣＤ

特性Ａは線形演算の例であり、特性Ｂ及びＣは非線形演算の例である。徐変時間演算部１０３で演算された徐変時間Ｔｊは切替え部１０４に入力され、切替え部１０４は例えば図７に示すような徐変特性（徐変時間Ｔｊ）で、角度制御からトルク制御に切替える。即ち、時点ｔ１１までは角度制御（１００％）であり、時点ｔ１１に車両障害物回避信号Ｖｆが“１”から“０”に変化したとき、切替え部１０４は徐変時間Ｔｊに従って時点ｔ１２まで線形特性でトルク制御に切替える。時点ｔ１２以降、トルク制御（１００％）である。

切替え部１０４の出力はモータ指令値ＭＣとして出力され、モータ指令値ＭＣは電流制御系１３０に入力され、電流制御系１３０を経てアシスト用のモータ１３１が駆動制御される。

また、判定部１０１が、車両障害物回避信号Ｖｆが“１”から“０に変化したと判定すると、判定部１０１は判定信号ＤＳ２を出力し、判定信号ＤＳ２は切替え部１０４に入力される。その結果、切替え部１０４は図８に示すようなステップ特性で、つまり時点ｔ１に判定信号ＤＳ２が入力されると、瞬時にトルク制御（１００％）から角度制御（１００％）に切替えられる。

このような構成において、その動作例を図９のフローチャートを参照して説明する。

先ず、判定部１０１は車両障害物回避信号Ｖｆが“０”から“１に変化したか否かを判定し（ステップＳ１）、車両障害物回避信号Ｖｆが“０”から“１に変化した場合には、判定部１０１は判定信号ＤＳ２を出力し、これにより切替え部１０４は図８の特性に従って、トルク制御から角度制御に切替える（ステップＳ２）。これにより、角度制御が実施される。

また、上記ステップＳ１において、車両障害物回避信号Ｖｆが“０”から“１に変化したと判定されない場合には、判定部１０１は、車両障害物回避信号Ｖｆが“１”から“０に変化したか否かを判定する（ステップＳ１０）。そして、車両障害物回避信号Ｖｆが“１”から“０に変化したと判定した場合には、判定部１０１は判定信号ＤＳ１を出力し、判定信号ＤＳ１は指令値差演算部１０２に入力される。これにより、指令値差演算部１０２は、トルク制御指令値ＴＣと角度制御指令値ＡＣの差の絶対値である指令値差ＣＤを演算する（ステップＳ１１）。演算された指令値差ＣＤは徐変時間演算部１０３に入力され、徐変時間演算部１０３は図６で示すような特性で、つまり指令値差ＣＤが大きくなるに従って大きくなる徐変時間Ｔｊが演算される（ステップＳ１２）。徐変時間Ｔｊは切替え部１０４に入力され、切替え部１０４は徐変時間Ｔｊに従って、図７で示すような徐変処理で角度制御からトルク制御に徐々に切替える（ステップＳ１３）。

一方、上記ステップＳ１０において、車両障害物回避信号Ｖｆが“１”から“０に変化しない場合には、現在の制御を維持する（ステップＳ２０）。

なお、上述では、車両障害物回避信号Ｖｆが正常時に論理“０”、回避時に論理“１”としているが、正常時に論理“１”、回避時に論理“０”とし、逆の判定をするようにしても良い。また、徐変処理の特性も、図１０に示すように、非線形な徐変特性であっても良い。

１ ハンドル（ステアリングホイール）
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１３ バッテリ
２０ モータ
２１ モータ駆動部
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
４０ ＣＡＮ
４１ 非ＣＡＮ
５０ 駐車支援等自動操舵指令装置
５１ 位置制御部
５２ 駐車支援実行判定部
５３ トルク制御部
５４ トルク指令値徐変切替え部
１００ 切替え制御部
１０１ 判定部
１０２ 指令値差演算部
１０３ 徐変時間演算部
１０４ 切替え部
１１０ トルク制御部
１２０ 角度制御部
１３０ 電流制御系
１３１ モータ

Claims (6)

1. 操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵を補助するアシストトルクを車両の操舵機構に付与するモータを制御するモータ制御装置とを有する電動パワーステアリング装置において、
   所定の切替え契機に従って、自動操舵モードの角度制御指令値に応じて制御する角度制御方式と、手動操舵モードのトルク制御指令値に応じて制御するトルク制御方式との間で前記モータの制御方式を切替える切替え制御部を具備し、
   前記角度制御指令値は少なくともタイヤ転舵角指令値に基づいて演算され、
   前記トルク制御指令値は少なくとも前記操舵トルクに基づいて演算され、
   前記切替え制御部は、
   前記所定の切替え契機を判定し、前記角度制御方式から前記トルク制御方式への切替えを示す第１の判定信号を生成し、前記トルク制御方式から前記角度制御方式への切替えを示す第２の判定信号を生成する判定部と、
   前記第１の判定信号が入力されると前記トルク制御指令値と前記角度制御指令値と差の絶対値である指令値差を演算する指令値差演算部と、
   前記徐変時間が前記指令値差に応じて、非線形かつ滑らかで単調増大に変化するように演算する徐変時間演算部と、
   前記トルク制御指令値、前記角度制御指令値及び前記徐変時間に応じて前記角度制御方式から前記トルク制御方式に徐々に切替える切替え部と、
   を有し、
   前記角度制御方式から前記トルク制御方式に徐変で切替えるとき、前記角度制御指令値と前記トルク制御指令値の前記指令値差に応じて前記徐変時間を可変とし、前記指令値差が大きいときに前記徐変時間を長くし、
   前記第２の判定信号が前記切換え部に入力されると、前記トルク制御方式から前記角度制御方式へは瞬時に切替えられ、
   前記角度制御方式から前記トルク制御方式への切替えの際、安全かつ違和感の抑制された操舵を実現していることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記所定の切替え契機が、自動操舵指令のＯＮ／ＯＦＦである請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記自動操舵指令のＯＮ／ＯＦＦが、駐車支援の指令、障害物回避の指令若しくはレーンキープの指令である請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記所定の切替え契機が、前記操舵トルクの内部判定によって与えられる切替え指令のＯＮ／ＯＦＦである請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記徐変を線形で行う請求項１、３乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記徐変を非線形で行う請求項１、３乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

Images