JP6252062B2 - ステアリング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載され、ドライバがステアリングを操作するために要する操舵トルクを制御するステアリング制御装置に関する。

従来、この種のステアリング制御装置として、ハンドルに入力された角度（すなわち操舵角）に基づいて目標操舵トルクを推定し、当該目標操舵トルクと実際の操舵トルクとの偏差を無くすようにモータのフィードバック制御を行うものがある（例えば特許文献１）。

より詳しくは、モータの出力を制御するコントローラは、目標操舵トルクと実際の操作トルクとの偏差を入力として、モータに対して公知のＰＩ制御又はＰＩＤ制御を行っている。

特許第４５５３７７３号公報

目標操舵トルクは、ドライバのハンドル操作（操舵角の入力など）に基づいて生成されるため、ドライバによるハンドル操作の周波数成分が存在する周波数帯（例えばＤＣ〜５Ｈｚ）と同様の周波数帯を備える。しかしながら、上記従来装置では、コントローラが実施する制御の目標値である目標操舵トルクの周波数特性、及び目標操舵トルクを実現する上で要求される応答特性やコントローラの制約については考慮されていない。従って、ドライバによるハンドル操作の周波数成分が存在する周波数帯に対して、コントローラの応答特性が対応していない場合には、目標操舵トルクに対して適切にモータを制御することができないといった問題が生じる。

また、コントローラが、目標操舵トルクと実際の操舵トルクとの偏差に基づいてモータに入力する指令値が、モータの応答特性を超えるものとなっている場合にも、やはり目標操舵トルクに対して適切にモータを制御することができない。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、目標操舵トルクに対してより適切にモータを制御するステアリング制御装置を提供することにある。

その目的を達成するための本発明は、車両に搭載され、操舵部材（２）に作用している操舵トルクを検出する操舵トルク検出部（１５Ａ、２５１Ａ）と、操舵部材に対するドライバの操作に基づいて、操舵トルクの目標値である目標操舵トルクを生成する目標操舵トルク生成部（１５Ｃ、２５１Ｃ）と、目標操舵トルクとの差が０となるように、操舵トルクを調整する操舵モータ（６、１６）の駆動をフィードバック制御する操舵モータ制御部（１５Ｅ、２５１Ｅ）と、を備えるステアリング制御装置（１５）であって、操舵モータ制御部は、目標操舵トルクに対する操舵トルクの応答は、ドライバの操舵に対応する第１制御周波数帯において−３ｄＢ以上であって、かつ、目標操舵トルクに対する操舵トルクの応答周波数が、第１制御周波数帯の最大周波数から、モータが応答可能な周波数帯である第２制御周波数帯の最大周波数までの間にあるように構成されていることを特徴とする。

以上の構成では、操舵モータ制御部は、目標操舵トルクに対する操舵トルクの応答が、ドライバの操舵に対応する第１制御周波数帯において−３ｄＢ以上となるように構成されている。すなわち、操舵部材に対するドライバの操作に応じて生成される目標操舵トルクに対して、より適切に操舵モータを制御することができる。

また、応答周波数が、モータが応答可能な周波数帯である第２制御周波数帯の最大周波数よりも小さい値となっているため、モータに入力する指令値は、モータにとって実現可能な値となる。

したがって、目標操舵トルクに対して、より適切に操舵モータを制御することができる。

第１の実施形態に係る電動パワーステアリングシステム１の概略的な構成の一例を表す図である。 第１の実施形態に係るＥＣＵ１５の概略的な構成の一例を表すブロック図である。 目標操舵トルク生成部１５Ｃにおいて、操舵角θｓから目標操舵トルクＴｉｄを生成する際に使用する変換マップの特性を表すグラフである。 目標操舵トルクＴｉｄから操舵トルクまでの伝達特性の一例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る電動パワーステアリングシステム１Ａの概略的な構成の一例を表す図である。 第２の実施形態に係るＥＣＵ２５の概略的な構成の一例を表すブロック図である。 車速Ｖと目標ギヤ比ｋの対応関係を表すマップの一例である。 路面負荷Ｔｘと目標操舵トルクＴｉｄの対応関係を表すマップの一例である。

（第１の実施形態）
＜全体構成＞
以下、本発明の第１の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、車両に搭載され、本発明に係るステアリング制御装置の機能を備える電動パワーステアリングシステム１の概略的な構成の一例を示す図である。

本実施形態における電動パワーステアリングシステム１は、一例としてドライバによるハンドル２（請求項に記載の操舵部材）の操作をモータ６によってアシストするものとして、以降の説明を行う。もちろん、他の形態として、ハンドル２を含む操舵機構と、タイヤ１０の車両前後方向に対する角度（転舵角とする）を実際に変化させるための転舵機構とが機械的に分離された、いわゆるステアバイワイヤ方式の電動パワーステアリングシステムに適用しても良い。

ハンドル２は、ステアリングシャフト３の一端に固定され、ステアリングシャフト３の他端にはトルクセンサ４が接続されており、このトルクセンサ４の他端には、インターミディエイトシャフト５が接続されている。なお、以下の説明では、ステアリングシャフト３からトルクセンサ４を経てインターミディエイトシャフト５に至る軸体全体を、まとめて操舵軸ともいう。また、以下では、ステアリングシャフト３の中立位置からの回転角を操舵角ともいう。

トルクセンサ４は、ステアリングシャフト３とインターミディエイトシャフト５とを連結するトーションバー（図示略）を有し、このトーションバーのねじれ角θｔを、後述するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１５に出力する。そして、ＥＣＵ１５はトルクセンサ４から入力されるねじれ角θｔに基づいて操舵軸に加えられているトルク（操舵トルク）Ｔｓを検出する。なお、トーションバーのねじれ角θｔは、インターミディエイトシャフト５に対するステアリングシャフト３の回転角度差を表し、その値が正となる回転方向は、操舵角が正となる回転方向と同じであるとする。

モータ６は、ＥＣＵ１５の指示に基づいて回転することでハンドル２の操舵力をアシスト（補助）するものであって、モータ６の回転は減速機構６Ａを介してインターミディエイトシャフト５に伝達される。このモータ６が請求項に記載の操舵モータの一例に相当する。

減速機構６Ａは、モータ６の回転軸の先端に設けられたウォームギヤと、このウォームギヤと噛み合った状態でインターミディエイトシャフト５に同軸状に設けられたウォームホイール（いずれも図示略）とにより構成されている。したがって、モータ６の回転は、この減速機構６Ａを介してインターミディエイトシャフト５に伝達される。また、ハンドル２の操作や路面１２からの反力（路面反力）によってインターミディエイトシャフト５が回転すると、その回転が減速機構６Ａを介してモータ６に伝達され、モータ６も回転することになる。

本実施形態においてモータ６は、一例として周知のブラシレスモータとし、内部にレゾルバ等の回転センサを備え、モータ６の回転状態を出力可能に構成されている。回転センサが検出する回転状態は、少なくともモータ角θｍを出力可能に構成されている。なお、回転状態として回転角速度（回転の角速度）を検出して、この回転角速度を積分することで現在のモータ角θｍを算出する構成としても良い。検出したモータ角θｍはＥＣＵ１５に出力される。なお、モータ角θｍもまた、ねじれ角θｔと同様に、回転方向を表す正または負の値をとる。

インターミディエイトシャフト５において、トルクセンサ４が接続された一端とは反対側の他端は、ステアリングギヤボックス７に接続されている。ステアリングギヤボックス７は、ラックとピニオンギヤ（何れも図示略）からなるギヤ機構にて構成されており、インターミディエイトシャフト５の他端に設けられたピニオンギヤに、ラックの歯が噛み合っている。

そのため、インターミディエイトシャフト５が回転（すなわちピニオンギヤが回転）すると、ラックが左右に移動する。ラックの両端にはそれぞれタイロッド８が取り付けられており、ラックとともにタイロッド８が左右の往復運動を行う。これにより、タイロッド８がその先のナックルアーム９を引っ張ったり押したりすることで、各タイヤ１０の向きが変わる。

以上の構成により、ドライバがハンドル２を回転させると、その回転がステアリングシャフト３、トルクセンサ４、およびインターミディエイトシャフト５を介してステアリングギヤボックス７に伝達される。そして、ステアリングギヤボックス７内で、インターミディエイトシャフト５の回転がタイロッド８の左右移動に変換され、タイロッド８が動くことによって、左右の両タイヤ１０が転舵される。

また、車両における所定の部位には、車速Ｖを検出するための周知の車速センサ１１が設けられている。車速センサ１１が検出した車速Ｖは、ＥＣＵ１５に出力される。

ＥＣＵ１５は、図示しない車載バッテリからの電力によって動作し、トルクセンサ４にて検出されたトーションバーのねじれ角θｔ、モータ６のモータ角θｍ、および車速センサ１１にて検出された車速Ｖに基づいて、アシストトルク指令値Ｉｍ＊を演算する。そして、その演算結果に応じた駆動電圧Ｖｄをモータ６へ印加することにより、ドライバがハンドル２を回す力（ひいては両タイヤ１０を転舵する力）のアシスト量をフィードバック制御する。

本実施形態においてモータ６はブラシレスモータとするため、ＥＣＵ１５からモータ６へ出力（印加）される駆動電圧Ｖｄは、詳しくは、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電圧Ｖｄｕ，Ｖｄｖ，Ｖｄｗである。ＥＣＵ１５からモータ６へこれら各相の駆動電圧Ｖｄｕ，Ｖｄｖ，Ｖｄｗを印加（各相の駆動電流を通電）することで、モータ６の回転トルクが制御される。ブラシレスモータを３相の駆動電圧で駆動（例えばＰＷＭ駆動）する方法やその３相の駆動電圧を生成する駆動回路（例えば３相インバータ）については周知であるため、ここではその詳細な説明は省略する。

なお、ＥＣＵ１５は、モータ６へ印加する駆動電圧Ｖｄを制御することによりモータ６の回転トルクを制御するものであるが、モータ６を制御することで結果としてそのモータ６により駆動される操舵系メカ１００Ａ（図２参照）を間接的に制御することを意味する。したがって、ＥＣＵ１５の制御対象は、モータ６と操舵系メカ１００Ａを含む操舵系メカシステム１００であるとも言える。

なお、操舵系メカ１００Ａは、図１に示したシステム構成図のうちＥＣＵ１５およびモータ６を除く機構全体、すなわちハンドル２から各タイヤ１０に至る、ハンドル２に入力された操舵力が伝達される機構全体を示す。なお、ここでは便宜上、操舵系メカ１００Ａとモータ６とを区別した表現を用いるが、もちろん、モータ６を含めて操舵系メカと称してもよい。なお、このＥＣＵ１５が請求項に記載のステアリング制御装置の一例に相当する。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ１５は、図２に示すように、種々の処理を実施するための機能ブロックとして、操舵トルク検出部１５Ａ、操舵角検出部１５Ｂ、目標操舵トルク生成部１５Ｃ、偏差演算部１５Ｄ、コントローラ１５Ｅ、及び電流ＦＢ部１５Ｆを備えている。

操舵トルク検出部１５Ａは、トルクセンサ４から入力されるねじれ角θｔに基づいて操舵軸に作用している操舵トルクＴｓを検出する。操舵角検出部１５Ｂは、モータ角θｍと、トーションバーのねじれ角θｔとから、ドライバがハンドル２に入力している角度（すなわち、操舵角）θｓを検出する。例えば操舵角θｓは、モータ角θｍと、トーションバーのねじれ角θｔの和とすればよく、回転方向を表す正または負の値をとる。例えばハンドル２の中立位置に対して時計回りの方向の角度（いわゆる右舷角）を正とし、反時計回りの方向の角度（いわゆる左舷角）を負の値で表す。なお、操舵角θｓは、周知の角度センサを用いて検出しても良い。

目標操舵トルク生成部１５Ｃは、操舵角θｓと車速Ｖに応じてタイヤ１０が路面１２から受けるセルフアライニングトルク、すなわち自然と操舵角θｓを０（中立位置）に近づけようとする復元力に対応する操作感を、ドライバに伝達するための機能ブロックである。ここでの操作感とは、ハンドル２からタイヤ１０までの感覚的硬さ、ねばり、重さを指し、操舵角θｓと車速Ｖに応じてドライバに与える操作感を調整することで、ハンドル２の操舵量や車速Ｖを認識しやすくする。

目標操舵トルク生成部１５Ｃは、上述した操作感を実現するために、操舵角θｓ及び車速センサ１１から入力される車速Ｖを用いて、ドライバがハンドル２を操舵するために要するトルクの目標値である目標操舵トルクＴｉｄを生成する。より具体的には、目標操舵トルク生成部１５Ｃは、操舵角θｓ、車速Ｖ、及び目標操舵トルクＴｉｄの対応関係を表す操舵角−目標操舵トルクＴｉｄマップを参照することによって、目標操舵トルクＴｉｄを算出する。

操舵角−目標操舵トルクＴｉｄマップは、例えば図３に示すように、操舵角θｓに対応する目標操舵トルクＴｉｄを、予め設定された複数種類の車速毎にマップ化したものとすればよい。目標操舵トルクＴｉｄは、操舵角θｓが大きいほど、また、車速Ｖが大きいほど、大きくなる。設定された車速以外の車速Ｖでは、マップの値から補間して目標操舵トルクＴｉｄを求めればよい。なお、図３では、操舵角θｓが正の範囲を示しているが、操舵角θｓが負の範囲にある場合には、図３に示すマップを原点対称にした値を用いる構成とする。なお、目標操舵トルクＴｉｄの正負は、目標操舵トルクＴｉｄの方向を表すものであって、その正負は操舵角θｓと同様であるものとする。

偏差演算部１５Ｄは、目標操舵トルクＴｉｄと、操舵トルク検出部１５Ａが検出した操舵トルクＴｓとの差であるトルク偏差を演算してコントローラ１５Ｅに出力する。

コントローラ１５Ｅは、トルク偏差に基づき、トルク偏差が０になるような、すなわち操舵トルクＴｓが目標操舵トルクＴｉｄに追従するようなアシストトルク（アシスト量ともいう）を決定する。そして、アシストトルクの大きさ及び方向を、モータ６に通電させる電流の指令値であるアシストトルク指令値Ｉｍ＊として電流ＦＢ部１５Ｆに出力する。

本実施形態においてコントローラ１５Ｅは、比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）及び微分要素（Ｄ）を備え、いわゆるＰＩＤ制御を実現するように構成とするがこれに限らない。微分要素を備えないＰＩ制御であってもよい。このコントローラ１５Ｅの周波数に対する応答特性については、別途、詳細に後述する。このコントローラ１５Ｅが請求項に記載の操舵モータ制御部の一例に相当する。

電流ＦＢ部１５Ｆは、アシストトルク指令値Ｉｍ＊に対応したアシストトルクが操舵軸（特にトルクセンサ４よりもタイヤ１０側）に付与されるようにモータ６へ駆動電圧Ｖｄを印加する。具体的には、アシストトルク指令値Ｉｍ＊に基づいて、モータ６の各相へ通電すべき目標電流（相毎の目標電流）を設定する。そして、各相の通電電流Ｉｍをフィードバックして、その検出値（各相の通電電流Ｉｍ）がそれぞれ目標電流と一致するように駆動電圧Ｖｄを制御することで、操舵軸に対して所望のアシストトルクを発生させる。

なお、このような電流ＦＢ部１５Ｆは公知の技術（例えば、特開２０１３−５２７９３号公報参照）であるため、ここでは説明を省略する。

＜コントローラの応答特性＞
ここで、偏差演算部１５Ｄおよびコントローラ１５Ｅによって実現される目標操舵トルクＴｉｄから操舵トルクＴｓまでの周波数に対する応答特性を、図４を用いて説明する。

図４中の第１制御周波数帯とは、ドライバによってハンドル２が操舵される際の周波数成分が存在する帯域（これを操舵周波数帯とも称する）を表しており、第２制御周波数帯とは、モータ６が応答可能な周波数帯を指す。ここでは、一例として第１制御周波数帯をＤＣ〜５Ｈｚとし、第２制御周波数帯はＤＣ〜１００Ｈｚに設定されているものとする。したがって、第１制御周波数帯の最大周波数ｆ１は５Ｈｚであり、第２制御周波数帯の最大周波数ｆ２は１００Ｈｚである。

もちろん、第１制御周波数帯の範囲は、適宜試験等によって設計されればよく、他の例としてはＤＣ〜１０Ｈｚであってもよい。また、第２制御周波数帯の範囲も、モータ６の性能を考慮して設計されれば良く、他の例としては、ＤＣ〜２００Ｈｚであってもよい。

コントローラ１５Ｅは、図４に示すように、目標操舵トルクＴｉｄに対する操舵トルクＴｓの応答周波数ｆｃが、第１制御周波数帯の最大周波数ｆ１以上であり、且つ、第２制御周波数帯の最大周波数ｆ２以下の範囲にあるように構成されている（一例としてｆｃ＝２５Ｈｚ）。ここでいう応答周波数ｆｃとは、目標操舵トルクＴｉｄに対する操舵トルクＴｓのゲイン（すなわち応答特性）が−３ｄＢとなる周波数をいう。

さらに、コントローラ１５Ｅは、目標操舵トルクＴｉｄに対する操舵トルクＴｓの応答が、第１制御周波数帯で−３ｄＢ以上であり、且つ、第２制御周波数帯より高い周波数で−３ｄＢ以下であるように構成されている。

このような周波数に対する応答特性の調整は、コントローラ１５Ｅが備える比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）及び微分要素（Ｄ）の各ゲインを変更することにより行われる。例えば、図中の周波数全域にわたるゲインの増減は比例要素（Ｐ）のゲインによって変更される。また、低い周波数領域（例えば数Ｈｚ）におけるゲインは積分要素（Ｉ）のゲインによって調整され、約２０Ｈｚ付近におけるゲインのピーク値は微分要素（Ｄ）のゲインによって調整される。比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）及び微分要素（Ｄ）の各ゲインによる応答特性の調整は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態では、ＰＩＤ制御を実現するコントローラ１５Ｅは、目標操舵トルクＴｉｄに対する操舵トルクＴｓの応答周波数ｆｃが、第１制御周波数帯の最大周波数ｆ１以上であり、且つ、第２制御周波数帯の最大周波数ｆ２以下の範囲にあるように構成されている（図４参照）。

ここで、ドライバによってハンドル２が操舵される際の周波数成分は概ね５Ｈｚ以下であることから、目標操舵トルクＴｉｄは、５Ｈｚ程度までの成分からなる。そして、このようなドライバの操舵に対して応答するためには、コントローラ１５Ｅにおいて、５Ｈｚまでの目標操舵トルクＴｉｄに対して操舵トルクＴｓが追従することが必要となる。つまり、コントローラ１５Ｅは、目標操舵トルクＴｉｄから操舵トルクＴｓまでの応答特性が、５Ｈｚまでは−３ｄＢ以上となるように構成されていることが望ましい。

本実施形態におけるコントローラ１５Ｅは、目標操舵トルクＴｉｄに対する操舵トルクＴｓの応答特性が、ドライバによってハンドル２が操舵される際の周波数成分に対応する第１制御周波数帯において−３ｄＢ以上となるように構成されている。したがって、コントローラ１５Ｅは、目標操舵トルクＴｉｄに対してより適切にモータ６を制御することができる。

一方、コントローラ１５Ｅの指令先であるモータ６では、電流応答（トルク応答と等価）において磁気振動やモータハウジング共鳴、電流検出ノイズといった高周波振動を増幅しないように、モータ６の応答可能な周波数帯の上限（すなわち最大周波数ｆ２）が定められている。

したがって、コントローラ１５Ｅは、モータ６の最大周波数ｆ２を超えた指令値を出さないために、目標操舵トルクＴｉｄから操舵トルクＴｓまでの応答特性が、モータ６の最大周波数ｆ２以上の周波数においては−３ｄＢ以下となるように構成されていることが望ましい。

本実施形態では、モータ６の最大周波数ｆ２＝１００Ｈｚに対して、コントローラ１５Ｅは、前述したゲイン特性が１００Ｈｚ以上の周波数では−３ｄＢ以下となるように構成されている。したがって、コントローラ１５Ｅの指令先であるモータ６を高周波振動なく適切に作動させることができる。

ところで、第１制御周波数帯の最大周波数ｆ１までの目標操舵トルクＴｉｄに対して操舵トルクＴｓを十分に応答させるためには、コントローラ１５Ｅは、理想的には最大周波数ｆ１の５〜１０倍の周波数まで応答性を備えていることが好ましい。言い換えれば、最大周波数ｆ１の５〜１０倍の周波数まで、目標操舵トルクＴｉｄにする操舵トルクＴｓの応答特性が−３ｄＢ以上となっていることが好ましい。

これを鑑みて本実施形態では、最大周波数ｆ１＝５に対して、応答周波数ｆｃ＝２５とした。すなわち、応答周波数ｆｃが最大周波数ｆ１の５倍となっているため、上述したように、最大周波数ｆ１までの目標操舵トルクＴｉｄに対して操舵トルクを十分に応答させることができる。なお、これらの値は一例であって、最大周波数ｆ１までの目標操舵トルクＴｉｄに対して操舵トルクを十分に応答させるための倍率をα（５≦α≦１０）とすると、応答周波数ｆｃ＝α×ｆ１となるように比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）及び微分要素（Ｄ）の各ゲインを調整すればよい。

なお、以上で述べた応答周波数ｆｃは、一例として２５Ｈｚとしたが、これに限らない。第１制御周波数帯の最大周波数ｆ１以上であり、且つ、第２制御周波数帯の最大周波数ｆ２以下の範囲にあるように構成されていればよい。すなわち、本実施形態では、応答周波数ｆｃは、５〜１００Ｈｚの範囲の値であればよい。

また、コントローラ１５Ｅは、前述したように、最大周波数ｆ１（ここでは５Ｈｚ）の５〜１０倍の周波数まで応答性を備えることがより好ましい。したがって、応答周波数ｆｃは上記の範囲（５〜１００Ｈｚ）の中でも、さらに、２５〜５０Ｈｚの範囲の値であることが好ましい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、第１の実施形態の説明に用いた部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した第１の実施形態を適用することができる。

＜全体構成＞
図５は、第２の実施形態に係るステアリング制御装置の機能を備える電動パワーステアリングシステム１Ａの概略的な構成の一例を示す図である。本実施形態における電動パワーステアリングシステム１Ａは、ハンドル２を含む操舵機構（操舵系メカシステムとする）２００と、転舵角を制御する転舵機構（転舵系メカシステムとする）３００とが機械的に分離されたステアバイワイヤ方式を採用している。

操舵系メカシステム２００は、ハンドル２、ステアリングシャフト３、及びトルクセンサ４を備える操舵系メカ２００Ａと、反力モータ１６と、を備えている。ハンドル２は、第１の実施形態と同様にステアリングシャフト３を介してトルクセンサ４と接続されている。また、このトルクセンサ４の他端は、減速機構１６Ａを介して反力モータ１６と接続されている。

反力モータ１６は、ＥＣＵ２５の指示に基づいて回転することでドライバによるハンドル２の操作に対して反力トルク（すなわち、操舵トルク）Ｔｓを付与するものである。反力モータ１６の回転力は減速機構１６Ａを介してステアリングシャフト３に伝達される。なお、本実施形態において反力モータ１６は周知のブラシレスモータとし、反力モータ１６のモータ角θｍｒを出力可能に構成されている。検出したモータ角θｍｒはＥＣＵ２５に出力される。また、反力モータ１６に供給されている電流の値ＩｍｒもＥＣＵ２５に出力される。

転舵系メカシステム３００は、車両の左右方向に延びて配置された転舵軸１３、タイロッド８、ナックルアーム９、及びタイヤ１０を備える転舵系メカ３００Ａと、転舵モータ１７と、を備えている。

転舵軸１３の両端部には、タイロッド８及びナックルアーム９を介して、タイヤ１０を転舵可能に接続されている。転舵軸１３の軸線方向の変位がタイロッド８及びナックルアーム９を介して伝達されることによって、タイヤ１０の転舵角θｆは変化する。転舵軸１３には、転舵モータ１７が組み付けられている。

転舵モータ１７はＥＣＵ２５の指示に基づいて回転することでタイヤ１０の転舵角θｆを制御するための電動モータであって、転舵モータ１７の回転運動は、図示しないボールねじ機構によって直線運動に変換されて転舵軸１３に伝達される。すなわち、転舵モータ１７が回転すると転舵軸１３が左右に移動し、転舵軸１３の移動に伴ってタイヤ１０の転舵角θｆが変化する。

本実施形態において転舵モータ１７は周知のブラシレスモータとし、転舵モータ１７のモータ角θｍｆを出力可能に構成されている。検出したモータ角θｍｆはＥＣＵ２５に出力される。また、転舵モータ１７に供給されている電流の値ＩｍｆもＥＣＵ２５に出力される。

ＥＣＵ２５は、ＥＣＵ２５に接続される各機器から入力される信号に基づいて、反力モータ１６、転舵モータ１７それぞれの出力すべきトルクを演算する。そして、その演算結果に応じた駆動電圧を各モータ１６、１７へ印加することにより、反力モータ１６及び転舵モータ１７を制御する。このＥＣＵ２５の作動について、次に詳細に説明する。

なお、本実施形態において反力モータ１６及び転舵モータ１７は何れもブラシレスモータとするため、ＥＣＵ２５は、反力モータ１６の駆動電圧Ｖｄｒおよび転舵モータ１７の駆動電圧Ｖｄｆをそれぞれ調整することで、各モータ１６、１７の出力を制御する構成とする。

また、ＥＣＵ２５の直接的な制御対象は、反力モータ１６及び転舵モータ１７であるが、例えば反力モータ１６を制御することは結果として反力モータ１６により駆動される操舵系メカ２００Ａ（図６参照）を間接的に制御することを意味する。また、転舵モータ１７を制御することは結果として転舵モータ１７により駆動される転舵系メカ３００Ａを間接的に制御することを意味する。したがって、ＥＣＵ２５の制御対象は、反力モータ１６と操舵系メカ２００Ａを含む操舵系メカシステム２００、及び転舵モータ１７と転舵系メカ３００Ａを含む転舵系メカシステム３００であるとも言える。

＜ＥＣＵ＞
次にＥＣＵ２５の作動について説明する。ＥＣＵ２５は、図２に示すように、操舵系メカシステム２００を制御するための機能ブロックである操舵力制御部２５１と、転舵系メカシステム３００を制御するための機能ブロックである転舵角制御部２５２と、を備えている。操舵力制御部２５１について説明する前に、先に転舵角制御部２５２について説明する。

転舵角制御部２５２は、より細かい機能ブロックとして、転舵角検出部２５２Ａ、操舵角検出部２５２Ｂ、目標転舵角生成部２５２Ｃ、偏差演算部２５２Ｄ、転舵角コントローラ２５２Ｅ、及び転舵モータ電流ＦＢ部２５２Ｆを備えている。

転舵角検出部２５２Ａは、転舵モータ１７のモータ角θｍｆからタイヤ１０の転舵角θｆを検出する。操舵角検出部２５２Ｂは、反力モータ１６のモータ角θｍｒと、トーションバーのねじれ角θｔとから、ドライバがハンドル２に入力している角度（すなわち、操舵角）θｓを検出する。

目標転舵角生成部２５２Ｃは、操舵角θｓと、車速センサ１１から入力される車速Ｖを用いて、タイヤ１０の転舵角θｆの目標値である目標転舵角θｆ＊を生成する。より具体的には、目標転舵角生成部２５２Ｃは、操舵角θｓと目標転舵角θｆ＊の比である目標ギヤ比ｋ（ｋ＝θｓ／θｆ＊）と、車速Ｖとの対応関係を表す車速−目標ギヤ比マップを参照することによって、現在の車速Ｖに対応する目標ギヤ比ｋを取得する。そして、得られた目標ギヤ比ｋと操舵角θｓとを用いて、θｆ＊＝θｓ／ｋを演算することによって目標転舵角θｆ＊を算出する。

この車速−目標ギヤ比マップは、例えば図７に示すように、車速Ｖが小さい領域（すなわち低速領域）では、目標ギヤ比ｋが相対的に小さくなるように設定し、車速Ｖが大きい領域（すなわち高速領域）では、目標ギヤ比ｋが相対的に大きくなるように設定する。

このような構成にすれば、同じ操舵角θｓに対して、低速領域では相対的に目標転舵角θｆ＊が大きく設定される一方、高速領域では目標転舵角θｆ＊が小さく設定される。すなわち、低速領域では相対的に少ないハンドル操作（すなわち、操舵角θｓが小さい場合）で、目標転舵角θｆ＊が大きく設定されるため、小回りを効かせることができる。また、高速領域ではドライバのハンドル操作に対する車両横運動（言い換えれば進行方向の変化量）の感度を下げることになるため、より安定して走行させることができる。

偏差演算部２５２Ｄは、目標転舵角θｆ＊と、転舵角検出部２５２Ａが検出した転舵角θｆとの差である転舵角偏差を演算して転舵角コントローラ２５２Ｅに出力する。

転舵角コントローラ２５２Ｅは、転舵角偏差に基づいて、転舵角偏差が０になるように、すなわち転舵角θｆが目標転舵角θｆ＊に追従するように、転舵モータ１７を駆動させる量（転舵量とする）を決定する。そして、この転舵量を、転舵モータ１７に通電する電流の指令値である転舵モータ電流指令値Ｉｍｆ＊として、転舵モータ電流ＦＢ部２５２Ｆに出力する。なお、本実施形態において転舵角コントローラ２５２Ｅは、第１の実施形態と同様に、比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）及び微分要素（Ｄ）を備え、いわゆるＰＩＤ制御を実現するように構成とする。この転舵角コントローラ２５２Ｅが請求項に記載の転舵モータ制御部の一例に相当する。

転舵モータ電流ＦＢ部２５２Ｆは、転舵モータ電流指令値Ｉｍｆ＊に対応した転舵量が転舵軸１３に付与されるように転舵モータ１７に駆動電圧Ｖｄｆを印加する。具体的には、転舵モータ電流指令値Ｉｍｆ＊に基づいて、転舵モータ１７の各相へ通電すべき目標電流（相毎の目標電流）を設定する。そして、各相の通電電流の検出値（検出電流Ｉｍｆとする）がそれぞれ目標電流と一致するように駆動電圧Ｖｄｆを制御することで、所望の転舵角θｆ＊を実現させる。なお、転舵モータ１７に供給している電流の大きさ、すなわち検出電流Ｉｍｆは、後述する負荷推定部２５１Ｂにも出力される。

続いて、操舵力制御部２５１について説明する。操舵力制御部２５１は、図６に示すように、より細かい機能ブロックとして、操舵トルク検出部２５１Ａ、負荷推定部２５１Ｂ、目標操舵トルク生成部２５１Ｃ、偏差演算部２５１Ｄ、操舵トルクコントローラ２５１Ｅ、及び反力モータ電流ＦＢ部２５１Ｆを備えている。操舵トルク検出部２５１Ａは、トルクセンサ４から入力されるトーションバーのねじれ角θｔに基づいてステアリングシャフト３に加えられている操舵トルクＴｓを検出する。

負荷推定部２５１Ｂは、転舵モータ１７に通電されている電流（すなわち検出電流）Ｉｍｆから、タイヤ１０が路面１２から受けるトルクに相当する路面負荷Ｔｘを推定する。より具体的には、負荷推定部２５１Ｂは、路面負荷Ｔｘを、検出電流Ｉｍｆに所定の係数Ｋｘを乗算して算出する（すなわちＴｘ＝Ｋｘ×Ｉｍｆ）。なお、係数Ｋｘは適宜設計されればよい。この路面負荷Ｔｘが請求項に記載の推定負荷に相当する。

なお、負荷推定部２５１Ｂは、所定の周波数以下の帯域の成分を抽出する図示しないローパスフィルタ（ＬＰＦ）を備え、このＬＰＦにより抽出された周波数成分を路面負荷Ｔｘとして目標操舵トルク生成部２５１Ｃに出力する。ＬＰＦが通過させる周波数帯は、少なくとも第１制御周波数帯の成分を通過させ、かつ、操舵トルクコントローラ２５１Ｅが応答可能な周波数帯の範囲に収まるように適宜設計されればよい。

本実施形態では、操舵トルクコントローラ２５１Ｅの応答周波数ｆｃを２５Ｈｚとしているため、ＬＰＦは、２５Ｈｚ以下の周波数成分を通過（抽出）させ、２５Ｈｚより高い周波数成分は遮断するものとする。もちろん、ＬＰＦが通過させる周波数帯の上限値は、応答周波数ｆｃよりも低くてもよく、ＬＰＦが通過させる周波数帯は、例えばＤＣ〜２０Ｈｚなどとしてもよい。

目標操舵トルク生成部２５１Ｃは、負荷推定部２５１Ｂで推定した路面負荷Ｔｘと、車速センサ１１が検出する車速Ｖとから、目標操舵トルクＴｉｄを生成する。より具体的には、目標操舵トルク生成部２５１Ｃは、路面負荷Ｔｘ、車速Ｖ、及び目標操舵トルクＴｉｄの対応関係を表したマップである路面負荷−目標操舵トルクＴｉｄマップを参照することによって、目標操舵トルクＴｉｄを算出する。

路面負荷−目標操舵トルクＴｉｄマップは、例えば図８に示すように、路面負荷Ｔｘに対応する目標操舵トルクＴｉｄを、予め設定された複数種類の車速Ｖ毎にマップ化したものとすればよい。目標操舵トルクＴｉｄは、路面負荷Ｔｘが大きいほど、また、車速Ｖが大きいほど大きくなる。なお、設定された車速以外の車速Ｖに対しては、マップの値から補間して目標操舵トルクＴｉｄを求めればよい。

偏差演算部２５１Ｄは、目標操舵トルクＴｉｄと、操舵トルク検出部２５１Ａが検出した操舵トルクＴｓとの差であるトルク偏差を演算して操舵トルクコントローラ２５１Ｅに出力する。

操舵トルクコントローラ２５１Ｅは、トルク偏差に基づいて、操舵トルクＴｓが目標操舵トルクＴｉｄに追従するように反力モータ１６を駆動させるための制御量（反力モータ１６に通電させる電流の指令値Ｉｍｒ＊）を決定する。ここで、電流の指令値Ｉｍｒ＊は便宜上、前述の転舵モータ電流指令値Ｉｍｆ＊と区別するため、反力モータ電流指令値Ｉｍｒ＊と称する。

本実施形態において操舵トルクコントローラ２５１Ｅは、前述の第１の実施形態におけるコントローラ１５Ｅと同様に、比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）及び微分要素（Ｄ）を備えている。また、入力される信号の周波数に対する応答特性についてもコントローラ１５Ｅと同様の応答特性を有するものとする（図４参照）。すなわち、目標操舵トルクＴｉｄに対する操舵トルクＴｓの応答が、第１制御周波数帯で−３ｄＢ以上であり、且つ、第２制御周波数帯より高い周波数で−３ｄＢ以下であるように構成されている。また、応答周波数ｆｃは、第１制御周波数帯の最大周波数ｆ１と、第２制御周波数帯の最大周波数ｆ２との間の値（ここでは２５Ｈｚ）となるように構成されている。

反力モータ電流ＦＢ部２５１Ｆは、反力モータ電流指令値Ｉｍｒ＊に対応したトルク（すなわち目標操舵トルクＴｉｄ）がステアリングシャフト３に付与されるように、反力モータ１６へ駆動電圧Ｖｄｒを印加する。

＜効果＞
以上の構成によれば、操舵角θｓに基づいて目標転舵角θｆ＊が決定し、転舵角θｆが当該目標転舵角θｆ＊に追従するように転舵モータ１７を駆動させる。このとき転舵モータ１７に供給される電流Ｉｍｆに基づいて、負荷推定部２５１Ｂが路面負荷Ｔｘを推定する。すなわち、負荷推定部２５１Ｂは、操舵角θｓに応じて定まる電流Ｉｍｆに基づいて路面負荷Ｔｘを推定する。そして、目標操舵トルク生成部２５１Ｃは、路面負荷Ｔｘに基づいて目標操舵トルクＴｉｄを生成して、操舵トルクコントローラ２５１Ｅが、操舵トルクＴｓが目標操舵トルクＴｉｄに追従するように、反力モータ１６を制御する。

ここで、操舵角θｓの周波数成分は、第１の実施形態でも述べたとおり、ＤＣ〜５Ｈｚ（すなわち第１制御周波数帯）であるため、転舵モータ１７に供給される電流Ｉｍｆもまた、少なくともＤＣ〜５Ｈｚの周波数成分を備え、当該周波数成分がドライバのハンドル操作に起因する成分である。そして目標操舵トルクＴｉｄもまた、電流Ｉｍｆによって定まる路面負荷Ｔｘに応じて生成されるため、ＤＣ〜５Ｈｚの周波数成分を備えている。

したがって、ドライバのハンドル操作に対して応答するためには、やはり操舵トルクコントローラ２５１Ｅは、目標操舵トルクＴｉｄから操舵トルクＴｓまでの応答特性が、ＤＣ〜５Ｈｚの周波数帯において−３ｄＢ以上となるように構成されていることが望ましい。

本実施形態における操舵トルクコントローラ２５１Ｅは、目標操舵トルクＴｉｄに対する操舵トルクＴｓの応答特性が、ドライバによってハンドル２が操舵される際の周波数成分に対応する第１制御周波数帯において−３ｄＢ以上となるように構成されている。したがって、操舵トルクコントローラ２５１Ｅは、目標操舵トルクＴｉｄに対してより適切にモータ６を制御することができる。

また、本実施形態では、負荷推定部２５１Ｂが転舵モータ１７に通電されている電流Ｉｍｆから路面負荷Ｔｘを推定する構成とすることで、次に述べる効果も奏する。

まず、操舵角θｓに応じた目標転舵角θｆ＊を実現するために転舵モータ１７にかかる負荷は、路面１２の状況に影響される。具体的には、路面１２が粗い（すなわち摩擦係数が大きい）場合には、路面１２からタイヤ１０にかかるトルクは大きくなり、これに伴って転舵モータ１７にかかる負荷は大きくなる。また、路面１２が滑らかである（すなわち摩擦係数が小さい）場合には、路面１２からタイヤ１０にかかるトルクは小さくなる。

転舵モータ１７にかかる負荷が大きいほど転舵モータ１７が要する電流Ｉｍｆは大きくなる。言い換えれば、検出電流Ｉｍｆが大きいほど、転舵モータ１７の負荷の大きさ、すなわち、路面負荷Ｔｘが大きいことになる。そして、目標操舵トルクＴｉｄは、路面負荷Ｔｘに応じて生成されるため、路面負荷Ｔｘが相対的に大きい場合には目標操舵トルクＴｉｄも相対的に大きくなる。

従って、同じ操舵角θｓを入力している場合であっても、路面１２の摩擦係数が大きい場合には、相対的に路面負荷Ｔｘ及び目標操舵トルクＴｉｄが大きくなり、これに伴ってドライバがハンドル２から感じるトルクも大きくなる。また、路面１２の摩擦係数が小さい場合には、同じ操舵角θｓを入力している場合であっても、相対的に路面負荷Ｔｘ及び目標操舵トルクＴｉｄが小さくなり、ドライバがハンドル２から感じるトルクも小さくなる。

つまり、転舵モータ１７に通電されている電流Ｉｍｆから路面負荷Ｔｘを推定することによって、路面の状態をドライバに伝えることができ、ドライバの操作感を向上させることができる。

１ 電動パワーステアリングシステム、２ ハンドル（操舵部材）、６ モータ（操舵モータ）、１６ 反力モータ（操舵モータ）、１７ 転舵モータ、１０ タイヤ、１１ 車速センサ、１５・２５ ＥＣＵ、１５Ａ・２５１Ａ 操舵トルク検出部、１５Ｂ・２５２Ｂ 操舵角検出部、１５Ｃ・２５１Ｃ 目標操舵トルク生成部、１５Ｅ コントローラ、１５Ｆ 電流ＦＢ部、２５１ 操舵力制御部、２５２ 転舵角制御部、２５１Ｂ 負荷推定部、２５１Ｅ 操舵トルクコントローラ、２５２Ｅ 転舵角コントローラ

Claims (7)

1. 車両に搭載され、
   操舵部材（２）に作用している操舵トルクを検出する操舵トルク検出部（１５Ａ、２５１Ａ）と、
   前記操舵部材に対するドライバの操作に基づいて、前記操舵トルクの目標値である目標操舵トルクを生成する目標操舵トルク生成部（１５Ｃ、２５１Ｃ）と、
   前記目標操舵トルクとの差が０となるように、前記操舵トルクを調整する操舵モータ（６、１６）の駆動をフィードバック制御する操舵モータ制御部（１５Ｅ、２５１Ｅ）と、を備えるステアリング制御装置（１５）であって、
   前記操舵モータ制御部は、
   前記目標操舵トルクに対する前記操舵トルクの応答が、前記ドライバの操舵に対応する第１制御周波数帯において−３ｄＢ以上となり、かつ、前記目標操舵トルクに対する前記操舵トルクの応答周波数が、第１制御周波数帯の最大周波数から、前記操舵モータが応答可能な周波数帯である第２制御周波数帯の最大周波数までの間にあるように構成されていることを特徴とするステアリング制御装置。
2. 請求項１に記載のステアリング制御装置であって、
   前記操舵部材の回転角度である操舵角を検出する操舵角検出部（１５Ｂ、２５２Ｂ）と、を備え、
   前記目標操舵トルク生成部は、
   前記操舵角検出部により検出される前記操舵角と、車速センサ（１１）により検出される車速と、に基づいて前記目標操舵トルクを生成することを特徴とするステアリング制御装置。
3. 請求項１に記載のステアリング制御装置であって、
   前記操舵部材の回転角度である操舵角を検出する操舵角検出部（２５２Ｂ）と、
   車両前後方向に対するタイヤ（１０）の回転角度である転舵角を検出する転舵角検出部
   （２５２Ａ）と、
   前記操舵角と、車速センサ（１１）により検出される車速と、に基づいて前記転舵角の目標値である目標転舵角を生成する目標転舵角生成部（２５２Ｃ）と、
   前記転舵角と前記目標転舵角との差が０となるように、前記転舵角を変化させる転舵モータ（１７）の駆動をフィードバック制御する転舵モータ制御部（２５２Ｅ）と、
   前記転舵モータ制御部に供給する電流値に基づいて路面から前記タイヤに加えられる負荷の推定値である推定負荷を生成する負荷推定部（２５１Ｂ）と、を備え、
   前記目標操舵トルク生成部は、前記負荷推定部が生成した前記推定負荷と、前記車速とから、前記目標操舵トルクを生成することを特徴とするステアリング制御装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のステアリング制御装置であって、
   前記第２制御周波数帯の最大周波数は、前記第１制御周波数帯の最大周波数の５倍以上の周波数であって、
   前記応答周波数は、前記第１制御周波数帯の最大周波数の５倍の周波数から前記第２制御周波数帯の最大周波数までの間にあるように構成されていることを特徴とするステアリング制御装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載のステアリング制御装置であって、
   前記第１制御周波数帯はＤＣ〜５Ｈｚであり、前記第２制御周波数帯はＤＣ〜２００Ｈｚであることを特徴とするステアリング制御装置。
6. 請求項４または５に記載のステアリング制御装置であって、
   前記応答周波数は、２５Ｈｚから５０Ｈｚまでの間にあるように構成されていることを特徴とするステアリング制御装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載のステアリング制御装置であって、
   前記目標操舵トルクに対する前記操舵トルクの応答は、第２制御周波数帯において−３ｄＢ以下であることを特徴とするステアリング制御装置。

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