JP6531876B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）に備えられているトーションバーの捩れ角を、操舵角、車速、操舵状態等の車両運転情報に応じた値に追従するように制御することにより所望の操舵トルクを実現し、路面の状態に影響されず、経年による機構系特性の変化（摩擦、モータ出力特性など）に左右されない高性能な電動パワーステアリング装置に関する。

モータ制御装置を搭載した装置として電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）があり、電動パワーステアリング装置は、車両の操舵系にモータの回転力でアシスト力（操舵補助力）を付与するものであり、インバータから供給される電力で制御されるモータの駆動力を、減速機構を含む伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸にアシスト力を付与する。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシスト力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１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速機構（ウォームとウォームホイールの噛み合い機構で減速比＝１／Ｎ）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、トーションバーを有するコラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θｈを検出する舵角センサ１４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が減速機構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圧制御指令値Ｖｒｅｆによって、ＥＰＳ用モータ２０に供給する電流を制御する。

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。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＣＵ、ＭＰＵ等も含む）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図２のようになる。

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で検出された操舵トルクＴｓ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ４０からの）車速Ｖｓは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｓ及び車速Ｖｓに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差Ｉ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差Ｉが操舵動作の特性改善のためのＰＩ（比例積分）制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更に駆動部としてのインバータ３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。

加算部３２Ａには補償信号生成部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４−３と慣性３４−２を加算部３４−４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４−１を加算部３４−５で加算し、加算部３４−５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

このように従来のアシスト制御では、運転者の手入力にて加えた操舵トルク（トーションバーの捻れトルク）をトルクセンサで検出し、主にそのトルクに応じたアシスト電流としてモータ電流を制御している。しかしながら、この手法では、路面の状態（例えば傾斜）の違いにより、操舵角によって異なる操舵トルクとなってしまうことがある。また、モータ出力特性の経年製品によるバラツキにもより、異なる操舵特性になってしまう。

かかる問題を解決する車両制御装置として、例えば特許第５２０８８９４号公報（特許文献１）に示されるものがある。特許文献１の装置は、運転者の触覚特性に基づく適切な操舵トルクを与えることができるように、操舵角検出手段と、目標設定手段と、目標設定手段によって設定された操舵トルクの目標値が実現されるように制御する制御手段とを具備している。

特許第５２０８８９４号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、操舵角と操舵トルクとの対応関係を、操舵角又は操舵トルクと手応え量との関係に基づいて予め求めておく必要があり、その対応関係から操舵角に対応する操舵トルクを目標値として設定しなければならない煩雑さがある。また、特許文献１の装置は、操舵トルクの目標値と検出される操舵トルクとの偏差に対してＰＩ制御を用いている。

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、路面の状態に影響されず、経年によるステアリング操舵系の機構特性の変化（摩擦、モータ出力特性など）に左右されず、操舵角等の車両運転情報に対して同等の操舵トルクを容易に実現することが可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。

本発明は車両のハンドルのコラム軸にトーションバーを備え、前記コラム軸に接続されたモータを電流指令値に基づいて駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御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、操舵角、車速及び操舵状態に基づいて目標操舵トルクを生成する目標操舵トルク生成部と、目標トルクを目標捩れ角に変換する変換部と、少なくとも前記目標捩れ角及び前記トーションバーの捩れ角を入力し、前記目標捩れ角に対して前記捩れ角を追従させるような前記電流指令値を算出する捩れ角制御部とを備え、前記捩れ角制御部が、モータ角速度をコラム角速度に変換する角速度変換部と、前記目標捩れ角及び前記捩れ角の偏差に対して第１の目標コラム角速度を出力する捩れ角フィードバック補償部と、前記操舵角に基づいて第２の目標コラム角速度を出力する舵角外乱補償部と、前記第1の目標コラム角速度を前記第２の目標コラム角速度で補正した第３の目標コラム角速度及び前記コラム角速度に基づいて前記電流指令値を出力する速度制御部とで構成され、前記トーションバーの検出トルクを前記操舵角、前記車速及び前記操舵状態に応じた値に追従するように制御することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記捩れ角制御部では、前記速度制御部に前記第１の目標コラム角速度及び前記第２の目標コラム角速度の加算値である前記第３の目標コラム角速度と、前記コラム角速度とが入力され、前記第３の目標コラム角速度と前記コラム角速度の偏差を積分し、前記積分の積分値から前記コラム角速度の比例値を減算して前記電流指令値を出力するようになっていることにより、或いは、前記捩れ角制御部が更に、前記モータ角速度に対して伝達関数を設定してシステム全体の安定性を向上する安定化補償部を備えることにより、或いは、前記伝達関数が１次フィルタ若しくは２次フィルタであることにより、或いは、前記捩れ角制御部が更に、前記捩れ角に対して伝達関数を設定してシステム全体の安定性を向上する安定化補償部を備えることにより、或いは、前記捩れ角制御部が更に、コラム角に対して伝達関数を設定してシステム全体の安定性を向上する安定化補償部を備えることにより、或いは、前記伝達関数が２次フィルタ若しくは４次フィルタであることにより、或いは、前記目標操舵トルク生成部に前記ハンドルの右切り／左切りの操舵状態が入力されていることにより、或いは、前記目標操舵トルク生成部が、前記操舵角に応じて車速感応の第１のトルク信号を出力する基本マップと、前記操舵角の微分値に車速感応ダンパゲインを乗算して第２のトルク信号を出力するダンパゲイン部と、前記操舵状態及び前記操舵角に応じてヒステリシス特性を持つ第３のトルク信号を出力するヒステリシス補正部と、前記第１のトルク信号、並びに、前記第２のトルク信号及び前記第３のトルク信号のうち少なくとも１つの信号を加算して前記目標操舵トルクを出力する出力部と、で構成されていることにより、或いは、前記車速感応ダンパゲインが、車速に応じて徐々に大きくなる特性であることにより、或いは、前記ヒステリシス補正部が、関数を用いて前記操舵角に応じたヒステリシス補正するようになっており、前記操舵状態が右切りの場合と左切りの場合とで前記関数を切り替え、前記関数の切り替え時には前記操舵角に対応するオフセット調整値を更新することにより、或いは、前記オフセット調整値が、前記操舵角及び前記第３のトルク信号の前回値を用いて算出されることにより、或いは、前記速度制御部の後段に上下限値を制限するリミッタが設けられていることにより、或いは、前記捩れ角フィードバック補償部が伝達関数のゲイン値であることにより、或いは、前記舵角外乱補償部が、前記操舵角の変化による前記捩れ角への影響を抑制し、急操舵に対する目標捩れ角への前記捩れ角の追従性を向上する伝達関数の値であることにより、或いは、前記舵角外乱補償部の伝達関数の値が、前記操舵系及び車両系モデルの周波数伝達関数から定められることにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、ハンドルの右切り／左切りの操舵状態、車速及び操舵角等の車両運転情報から目標捩れ角を生成し、目標捩れ角と検出された捩れ角との偏差を適宜処理すること（例えば、偏差に補償値（伝達関数）を乗算した結果を目標コラム速度として、速度制御すること）で、目標捩れ角に捩れ角が追従するように動作し、操舵角等の車両運転情報に対して所望の操舵トルクを実現することができる。

更に、捩れ角制御に舵角外乱補償部を設けることにより、運転者から入力される操舵角の変化によるトーションバー捩れ角の影響を抑制し、急な操舵に対する目標捩れ角への捩れ角の追従性を一層向上することが可能である。

モータ角速度、捩れ角、又はコラム角に対し、安定化するために必要な伝達関数による安定化補償部を設けることにより、ＥＰＳ制御システム全体の安定化を実現することも可能である。目標捩れ角へ捩れ角を追従させるために単純にゲインを上げると発振や振動が発生するが、安定化補償部による信号のフィードバックにより発振や振動を抑制できる。また、安定化補償部を設けることにより、高周波数帯域に発生する振動の発生を抑え、結果的に捩れ角フィードバック補償部のゲインを大きくし、指令値に対する追従性を向上することができる。

従来の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コントロールユニット（ＥＣＵ）内の制御構成例を示すブロック図である。 本発明の基本構成を示すブロック図である。 ＥＰＳ操舵系と各種センサの設置例を示す構造図である。 操舵の右切り／左切りを説明するための線図である。 本発明の基本的な動作例を示すフローチャートである。 目標操舵トルク生成部の構成例を示すブロック図である。 基本マップの特性例を示す線図である。 車速感応ダンパゲインマップの特性例を示す線図である。 ヒステリシス補正部の特性例を示す線図である。 目標操舵トルク生成部の動作例を示すフローチャートである。 捩れ角制御部の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 捩れ角制御部の動作例（第１実施形態）を示すフローチャートである。 舵角外乱補償部の効果を説明するためのＥＰＳプラントのブロック図である。 舵角外乱補償値の設定方法を説明するボード線図である。 同定結果に対する逆伝達関数とフィッティング結果を示すボード線図である。 舵角外乱補償部による効果を示すシミュレーション結果である。 目標捩れ角に対する補償の有無の相違を示す波形図である。 ダンパゲインマップの効果を示すタイミングチャートである。 ダンパゲインマップがない場合の特性例を示すタイミングチャートである。 捩れ角制御部の構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。 捩れ角制御部の構成例（第３実施形態）を示すブロック図である。 捩れ角制御部の動作例（第３実施形態）を示すフローチャートである。 安定化補償部の効果を示すタイミングチャートである。 捩れ角制御部の構成例（第４実施形態）を示すブロック図である。 捩れ角制御部の構成例（第５実施形態）を示すブロック図である。

本発明は、路面の状態に影響されず、操舵角、車速、操舵状態等の車両運転情報に対して同等の操舵トルクを実現するための電動パワーステアリング装置であり、コラム軸に備えられているトーションバーの捩れ角を、車両運転情報に応じた値に追従するように制御することにより所望の操舵トルクを実現している。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図３は本発明の基本構成を示すブロック図であり、運転者のハンドル操舵はＥＰＳ操舵系／車両系１００内のモータでアシスト制御される。操舵角θｈ等の車両運転情報に応じた目標操舵トルクＴ_ｒｅｆを出力する目標操舵トルク生成部１２０には、操舵の右切り又は左切りの操舵状態ＳＴｓ、車速Ｖｓ及び操舵角θｈが入力され、目標操舵トルク生成部１２０で生成された目標操舵トルクＴ_ｒｅｆは、コラム軸２に設けられているトーションバー２Ａのバネ定数をＫ_ｔｏｒとして、“１／Ｋ_ｔｏｒ”の特性を有する変換部１０１で目標捩れ角Δθ_ｒｅｆに変換され、目標捩れ角Δθ_ｒｅｆは捩れ角制御部１４０に入力される。捩れ角制御部１４０には目標捩れ角Δθ_ｒｅｆ、操舵角θｈ、捩れ角Δθ及びモータ角速度ω_ｍが入力されており、捩れ角制御部１４０で捩れ角Δθが目標捩れ角Δθ_ｒｅｆとなるような電流指令値Ｉ_ｒｅｆが演算され、電流指令値Ｉ_ｒｅｆによりＥＰＳのモータが駆動される。

ＥＰＳ操舵系と各種センサの設置例は図４に示すようになっており、コラム軸２にはトーションバー２Ａが備えられている。操向車輪８Ｌ,８Ｒには路面反力Ｆｒ及び路面情報μが作用し、トーションバー２Ａを挟んでコラム軸２のハンドル側には上側角度センサ（角度θ_１）が設けられ、トーションバー２Ａを挟んでコラム軸２の操向車輪側には下側角度センサ（角度θ_２）が設けられている。操舵角θｈはコラム軸２の上部に設けられた舵角センサで検出され、上側角度センサの角度θ_１及び下側角度センサの角度θ_２の偏差から、下記数１及び数２によってトーションバー捩れ角Δθ及びトーションバートルクＴｔを求めることができる。なお、Ｋ_ｔｏｒはトーションバー２Ａのバネ定数である。

（数１）
θ_１−θ_２＝Δθ

（数２）
Ｋ_ｔｏｒ・Δθ＝Ｋ_ｔｏｒ・（θ_１−θ_２）＝Ｔｔ
なお、トーションバートルクＴｔは、例えば特開２００８−２１６１７２号公報で示されるトルクセンサを用いて検出することができる。また、操舵の右切り又は左切りの操舵状態ＳＴｓは、例えば図５に示すような操舵角θｈ及びモータ角速度ω_ｍの関係で求めることができる。

このような構成において、本発明の動作例を図６のフローチャートを参照して説明する。

先ず、操舵角θｈ、操舵状態ＳＴｓ、車速Ｖｓが目標操舵トルク生成部１２０に入力され（ステップＳ１）、目標操舵トルク生成部１２０は目標操舵トルクＴ_ｒｅｆを生成する（ステップＳ１０）。目標操舵トルクＴ_ｒｅｆは変換部１０１に入力され、変換部１０１で目標捩れ角Δθ_ｒｅｆに変換される（ステップＳ３０）。目標捩れ角Δθ_ｒｅｆ、操舵角θｈ、捩れ角Δθ及びモータ角速度ω_ｍが捩れ角制御部１４０に入力され（ステップＳ３１）、捩れ角制御部１４０は捩れ角Δθが目標捩れ角Δθ_ｒｅｆに追従するような電流指令値Ｉ_ｒｅｆを演算し（ステップＳ４０）、電流指令値Ｉ_ｒｅｆに基づいてモータを駆動し、電流制御が実施される（ステップＳ６０）。

なお、図６におけるデータの入力順番は適宜変更可能である。

図７は目標操舵トルク生成部１２０の構成例を示しており、操舵角θｈは基本マップ１２１、微分部１２２及びヒステリシス補正部１２４に入力され、基本マップ１２１は、図８に示すような車速Ｖｓをパラメータとするトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ａ}を出力する。図８では操舵角θｈの絶対値｜θｈ｜でマップを構成しているが、正負の操舵角θｈに応じてトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ａ}を出力するようにしても良い。トルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ａ}は加算部１２６に入力される。

また、微分部１２２からは、操舵角θｈを微分して得られる舵角速度ω_ｈが出力され、舵角速度ω_ｈは乗算部１２５に入力される。乗算部１２５には車速感応ダンパゲインＤ_Ｇが入力されており、乗算結果（＝Ｄ_Ｇ・ω_ｈ）であるトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｂ}は加算部１２７に入力される。車速感応ダンパゲインＤ_Ｇは車速感応のダンパゲインマップ１２３から車速Ｖｓに応じて出力され、例えば図９に示すように車速Ｖｓが高くなるに従って徐々に大きくなる特性である。なお、ダンパゲインマップ１２３及び乗算部１２５でダンパゲイン部を構成している。

右切り／左切り判定部１１０は例えば図５に示すような判定を行い、判定結果である操舵状態ＳＴｓをヒステリシス補正部１２４に入力する。ヒステリシス補正部１２４には操舵角θｈが入力されており、ヒステリシス補正部１２４は操舵角θｈ及び操舵状態ＳＴｓに基づき、下記数３に従ってトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}を演算する。ただし、ｘ＝θｈ、ｙ_Ｒ＝Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}、ｙ_Ｌ＝Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}とし、ａ＞１、ｃ＞０である。

右切り操舵から左切り操舵、左切り操舵から右切り操舵へ切り替える際に、切り替え時の操舵角θｈ及びトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}の前回値である最終座標（ｘ１，ｙ１）の値に基づき、切り替え後の数３中のｘ方向のオフセット調整値“ｂ”に以下の数４を代入する。これにより、切り替え前後の連続性が保たれる。

上記数４は、上記数３中のｘにｘ１を、ｙ_Ｒ及びｙ_Ｌにｙ１を代入することにより導出することができる。

“ａ”として１より大きい任意の正数を用いることができ、例えば、ネイピア数“ｅ”を用いた場合、数３及び数４は下記数５及び数６となる。

数５及び数６においてＡ_ｈｙｓ＝１[Nm]、ｃ＝０．３と設定し、０[deg]から開始し、＋５０[deg]、−５０[deg]の操舵をした場合の、ヒステリシス補正されたトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}の線図例を図１０に示す。即ち、ヒステリシス補正部１２４からのトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}は、０の原点→ｌａ（細線）→ｌｂ（破線）→ｌｃ（太線）のようなヒステリシス特性である。

なお、右切り／左切り判定部１１０での判定方法は、図５に示されるような判定に限られない。例えば、操舵角θｈの現在値が過去値に対してプラス方向（増分が０以上）に変化したか、又はマイナス方向（増分が０未満）に変化したかを確認し、その方向に基づいて判定しても良い。また、操舵角θｈの代わりに、上側角度センサの角度θ_１を用いても良い。

このような構成において、目標操舵トルク生成部１２０の動作例（図６のステップＳ１０）を、図１１のフローチャートを参照して説明する。

先ず、操舵角θｈ及び車速Ｖｓが入力され（ステップＳ１１）、基本マップ１２１は図８の特性に従い、操舵角θｈ及び車速Ｖｓに応じたトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ａ}を生成して出力する（ステップＳ１２）。操舵角θｈは微分部１２２及びヒステリシス補正部１２４にも入力され、微分部１２２は操舵角θｈを微分して舵角速度ω_ｈを出力し（ステップＳ１３）、ダンパゲインマップ１２３は車速Ｖｓに応じた車速感応ダンパゲインＤ_Ｇを出力し（ステップＳ１４）、乗算部１２５は舵角速度ω_ｈ及び車速感応ダンパゲインＤ_Ｇを乗算してトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｂ}を演算し、トルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｂ}を加算部１２７に入力する（ステップＳ１５）。

また、右切り／左切り判定部１１０は操舵の右切り／左切りを判定し、判定結果である操舵状態ＳＴｓをヒステリシス補正部１２４に入力する（ステップＳ１６）。ヒステリシス補正部１２４は操舵角θｈに対して、且つ操舵状態ＳＴｓに応じて数５及び数６の演算を行ってヒステリシス補正を実施し（ステップＳ１７）、トルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}を生成する（ステップＳ１８）。トルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}は加算部１２７に入力される。

上述のようにして得られたトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ａ}、トルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｂ}、トルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}は出力部を構成する加算部１２６及び１２７で加算され、目標操舵トルクＴ_ｒｅｆが演算される（ステップＳ１９）。即ち、トルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｂ}とトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}が加算部１２７で加算され、その加算結果にトルク信号Ｔ_{ｒｅｆ＿ａ}が加算部１２６で加算され、その加算結果が目標操舵トルクＴ_ｒｅｆとして出力される。

なお、図１１のデータ入力及び演算等の順番は適宜変更可能である。

また、図１２は捩れ角制御部１４０の構成例（第１実施形態）を示すブロック図であり、目標捩れ角Δθ_ｒｅｆと捩れ角Δθの偏差Δθ_０が減算部１４１で算出され、偏差Δθ_０は補償値Ｃ_ＦＢ（伝達関数）の捩れ角フィードバック（ＦＢ）補償部１４２に入力される。捩れ角ＦＢ補償部１４２は偏差Δθ_０に対し補償値Ｃ_ＦＢ（伝達関数）を乗算し、目標捩れ角Δθ_ｒｅｆに捩れ角Δθが追従するような目標コラム角速度ω_ｒｅｆ１を出力する。目標コラム角速度ω_ｒｅｆ１は、加算部１４３に入力される。なお、補償値Ｃ_ＦＢは単純なゲインＫ_ｐｐでも、或いはＰＩ制御の補償値などでも良い。

操舵角θｈは補償値Ｃｈ（伝達関数）の舵角外乱補償部１４４に入力され、操舵角θhに対して補償値Ｃｈ（伝達関数）を乗算し、目標コラム角速度ω_ｒｅｆ２を出力する。舵角外乱補償１４４によれば、運転者から入力される操舵角θｈの変化による、トーションバー捩れ角Δθへの影響を抑制し、急操舵に対する目標捩れ角Δθ_ｒｅｆへの捩れ角Δθの追従性を向上することができる。目標コラム角速度ω_ｒｅｆ１と目標コラム角速度ω_ｒｅｆ２は加算部１４３で加算され、目標コラム角速度ω _ｒｅｆとなる。目標コラム角速度ω _ｒｅｆは、Ｉ−Ｐ制御（比例先行型ＰＩ制御）の速度制御部１３０に入力される。運転者の操舵により操舵角θhが変化すると、それが外乱として捩れ角Δθに影響してしまい、目標捩れ角Δθ_ｒｅｆに対してずれが発生する。特に急な操舵に対しては、それが顕著に出てしまう。舵角外乱補償部１４４の基本的な目的は、この外乱としての操舵角θhの影響を低減させることである。また、舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈは、後述するプラントモデルの周波数伝達特性などから決定することにより、外乱の影響を抑制することが可能である。

Ｉ−Ｐ制御の速度制御部１３０は、目標コラム角速度ω_ｒｅｆにコラム角速度ω_ｃが追従するような電流指令値Ｉｓを算出する。コラム角速度ω_cは図１２のように、モータ角速度ω_ｍに減速機構である減速比部１４５の減速比“１／Ｎ”を乗算した値としても良い。速度制御部１３０からの電流指令値Ｉｓの上下限値を制限して、電流指令値Ｉ_ｒｅｆを出力するリミッタ１４６が速度制御部１３０の後段に設けられている。

このような構成において、捩れ角制御部１４０の動作例（図６のステップＳ４０）を、図１３のフローチャートを参照して説明する。

先ず目標捩れ角Δθ_ｒｅｆ及び捩れ角Δθが入力され（ステップＳ４１）、減算部１４１で偏差Δθ_０が算出される（ステップＳ４２）。偏差Δθ_０は捩れ角ＦＢ補償部１４２に入力されて補償され（ステップＳ４３）、補償された目標コラム角速度ω_ｒｅｆ１が加算部１４３に入力される。次いで操舵角θｈが入力され（ステップＳ４４）、操舵角θｈは舵角外乱補償部１４４に入力されて補償され（ステップＳ４５）、補償された目標コラム角速度ω_ｒｅｆ２が加算部１４３に入力される（ステップＳ４６）。加算部１４３の加算結果である目標コラム角速度ω_ｒｅｆは、速度制御部１３０に入力される。

また、モータ角速度ω_ｍは減速比部１４５で“１／Ｎ”を乗算され（ステップＳ４７）、乗算結果であるコラム角速度ω_ｃが速度制御部１３０に入力される（ステップＳ４８）。目標コラム角速度ω_ｒｅｆとコラム角速度ω_ｃの差分が減算部１３１で得られ、差分が積分部１３２で積分（Ｋｖｉ／ｓ）されて減算部１３４に入力される（ステップＳ５０）。コラム角速度ω_ｃは比例部１３３で比例処理（Ｋｖｐ）され、比例結果が減算部１３４に入力され（ステップＳ５０）、減算部１３４からの減算結果である電流指令値Ｉｓがリミッタ１４６で上下限値を制限され（ステップＳ５１）、リミッタ１４６からモータ制御の電流指令値Ｉｒｅｆが出力される（ステップＳ５２）。

捩れ角制御部１４０は捩れ角ＦＢ補償部１４２と速度制御部１３０があれば、基本的には目標捩れ角Δθ_ｒｅｆに捩れ角Δθを追従させ、所望の操舵トルクを実現することが可能である。

次に、舵角外乱補償部１４４の効果について説明する。

ＥＰＳ操舵系／車両系１００を図１４のように速度制御部１３０込みとして扱った場合のシステム全体において、目標コラム角速度ω_ｒｅｆを入力とし、出力をコラム角θc及び捩れ角Δθとし、速度制御部１３０を含むシステム全体の伝達関数モデルをＰｃとする。捩れ角Δθは単純にコラム角θcと操舵角θhの差分（θc−θh）であり、減算部１０３で求められる。ただし、ＥＰＳ操舵系／車両系１００及び速度制御部１３０を含む伝達関数ブロック（Ｐω）１０２−１は、入力を目標コラム角速度ω_ｒｅｆ、出力をコラム角速度ω_ｃとした伝達関数モデルであり、トーションバー２Ａのバネ定数Ｋ_ｔｏｒ、コラム慣性などのＥＰＳ機構系特性と車両の動特性モデルも含む。また、伝達関数ブロック（Ｐω）１０２−１は、安定化補償部を含んでも良いし、含まなくても良い。コラム角速度ω_cを、積分ブロック１０２−２で時間積分するとコラム角θ_cとなる。

図１４を基に、捩れ角Δθを目標捩れ角Δθ_ｒｅｆ、捩れ角ＦＢ補償部１４２の伝達関数Ｃ_ＦＢ、舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈ、システム全体の伝達関数Ｐｃで表現すると、数７になる。

数７の第１項が捩れ角Δθの目標捩れ角Δθ_ｒｅｆへの追従性を表し、第２項が操舵角θｈの捩れ角Δθへの外乱特性を表している。この数７の第２項目を“０”とすれば、理論的に操舵角θｈに起因する外乱を除去できることから、舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈを数８にすれば良い。つまり、数８となるように舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈを設定すれば、操舵角θｈによる外乱の影響を抑制することができる。

次に、舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈの設定方法について説明する。

シミュレーション上で、目標コラム角速度ω_ｒｅｆからコラム角θｃまでの周波数特性Ｐｃを同定した結果は、図１５（Ａ）及び（Ｂ）のボード線図であり、更にこの同定結果に対する逆伝達関数、つまり数８とそれにフィッティングした結果を図１６に示す。図１６の細線が逆伝達関数であり、太線がフィッティング結果である。フィッティングした伝達関数は、数９で示される３次のフィルタとしている。分子の係数ｂ_３〜ｂ_０と分母の係数ａ_３〜ａ_０は、それぞれ図１６の細線に対し、ゲインと位相が一致するようなフィルタの係数として、繰り返し計算により求めた。

上記のフィッティング結果を舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈとして設定する。

次に、舵角外乱補償部１４４による効果を、シミュレーション結果を用いて説明する。目標操舵トルク生成部の設定は基本マップのみ行い、操舵角θhの１００［deg］に対し、目標捩れ角Δθ_ｒｅｆが５［deg］となるような目標操舵トルクの直線の設定とした。ダンパゲインマップ１２３の出力Ｄ_Ｇ、ヒステリシス補正部１２４の出力Ｔ_{ｒｅｆ＿ｃ}は０［Nm］としている。図１７に、操舵入力及び外乱としての操舵角θhの時間応答を示す。０［sec］から５［sec］にかけて周波数が高くなり、急操舵を想定した入力としている。図１７の操舵角θhを舵角外乱補償の有りと無しの両方の場合に用い、図１８の結果を得た。なお、図１８では見難いが、細線で示す目標捩れ角［deg］は破線の補償有りの特性とほぼ重なっている。図１８より、舵角外乱補償が有る方が目標捩れ角へ良く追従しているのが分かる。また、急操舵の場合にも目標捩れ角へ追従し、所望の操舵トルクを実現している。

目標操舵トルク生成部１２０内に車速感応型のダンパゲインマップ１２３が設けられており、舵角速度ω_ｈに比例した目標操舵トルクを補償することにより、フィーリングとしての粘性感を持たせることが出来る。ステアリングの舵角を切った状態から、手放しをすることにより、ハンドルが発振することなく収れん性を持たせ、システム安定性を向上させることができる。手放しを想定するために、ハンドル１の上側からの手入力を０〜１[sec]の間で３[Nm]加え、１[sec]以降は０[Nm]としたシミュレーションを行った。図１９及び図２０はシミュレーション結果を示しており、図１９（Ｂ）に示すように、１[sec]まで手入力トルクを３[Nm]加えた状態（図１９（Ａ）の舵角は３０[deg]弱）から０[Nm]にステップ的に変化させることで手放しを想定しているが、図１９（Ａ）に示すように舵角が、０[deg]に安定して収束しているのが分かる。それに対し、ダンパゲインマップ１２３を設けない場合で、同じ手入力トルクを加えた応答は、図２０に示すように振動的になり収束性が悪く、また、制御的に発振してしまう場合がある。

なお、捩れ角制御部１４０は、図２１に示す構成例（第２実施形態）のように、トーションバーの下側角度のコラム角θｃを入力し、操舵角θｈを算出して用いるようにしても良い。即ち、捩れ角Δθ、操舵角θｈ及びコラム角θｃの関係は、数１０となる。

（数１０）
Δθ＝θｃ−θｈ
数１０を操舵角θｈについて変形すると、数１１となる。

（数１１）
θｈ＝θｃ−Δθ
よって、図２１に示すように、捩れ角Δθ及びコラム角θｃを減算部１４１Ａに入力し、減算部１４１Ａで数１１を演算することによって操舵角θｈを得ることができるので、この算出された操舵角θｈを舵角外乱補償部１４４に入力することで、上述と同様な制御性能を達成できる。

捩れ角制御部が安定化補償部を備える構成例（第３〜第５実施形態）について説明する。システムの安定性を向上させる安定化補償部を設けることで、発振現象の対策を行うことができる。

図２２は、モータ角速度ω_ｍに対して安定化補償部を設けた捩れ角制御部の構成例（第３実施形態）を示すブロック図である。図１２に示される第１実施形態の捩れ角制御部と比べると、安定化補償部１４７及び加算部１４８が追加されており、モータ角速度ω_ｍは補償値Ｃｓ（伝達関数）の安定化補償部１４７に入力され、安定化補償部１４７からの電流指令値Ｉｓｂが加算部１４８に入力される。追従性及び外乱特性を向上させるために、捩れ角ＦＢ補償部１４２、舵角外乱補償部１４４のゲインを上げると、高域の制御的な発振現象が発生してしまう。この対策として、モータ角速度ω_ｍに対し、安定化するために必要な伝達関数（Ｃｓ）を安定化補償部１４７に設定する。これにより、ＥＰＳ制御システム全体の安定化を実現することができる。安定化補償部１４７の伝達関数（Ｃｓ）として、例えば２次フィルタ、４次フィルタ等でも良い。

速度制御部１３０からの電流指令値Ｉｓ及び安定化補償部１４７からの電流指令値Ｉｓｂは加算部１４８で加算され、加算で得られた電流指令値Ｉｓａがリミッタ１４６に入力される。

第３実施形態の捩れ角制御部の動作例では、第１実施形態の捩れ角制御部の動作例に対して、図２３に示されるように、安定化補償部１４７及び加算部１４８の動作（ステップＳ５０Ａ、Ｓ５０Ｂ）が加わる。即ち、速度制御部１３０内の加算部１３４から出力された電流指令値Ｉｓは、加算部１４８に入力される。そして、減速比部１４５に入力されたモータ角速度ω_ｍは安定化補償部１４７にも入力され、安定化補償部１４７で安定化補償が実施され（ステップＳ５０Ａ）、安定化補償部１４７からの電流指令値Ｉｓｂは加算部１４８に入力される。加算部１４８で電流指令値Ｉｓ及びＩｓｂの加算が行われ（ステップＳ５０Ｂ）、加算結果である電流指令値Ｉｓａはリミッタ１４６に入力される。その他の動作は、第１実施形態の捩れ角制御部の動作と同じである。

図１７と同一の操舵角θｈを入力した場合について、安定化補償部１４７の効果を示すシミュレーション結果を図２４に示して説明する。安定化補償部１４７を設けない場合において、振動的になるように捩れ角ＦＢ補償部１４２のゲインを調整した。また、操舵角θｈが増加する方向に操舵した場合、捩れ角Δθがプラスとなるように、符号を調整した。図２４（Ａ）が安定化補償部１４７が無い場合の特性であり、図２４（Ｂ）が安定化補償部１４７を設けた場合であり、０[sec]から １[sec]を表示している。安定化補償部１４７を設けることにより、高域の制御的な発振や振動を抑制していることが確認できる。図２４ではほぼ重なっているが、細線が目標捩れ角Δθ_ｒｅｆ[deg]であり、太線が捩れ角Δθ[deg]である。また、安定化補償部１４７を設けることにより、捩れ角ＦＢ補償部１４２のゲインを大きく設定することができ、結果的に目標捩れ角Δθ_ｒｅｆ[deg]への追従性を高めることができる。本シミュレーションでは、安定化補償部１４７の設定で、モータ角速度ω_ｍに対して数１２の１次フィルタを設定した。

図２５は、捩れ角Δθに対して安定化補償部を設けた捩れ角制御部の構成例（第４実施形態）を示すブロック図である。図２２に示される第３実施形態の捩れ角制御部と比べると、安定化補償部２４７には、モータ角速度ω_ｍではなく、捩れ角Δθが入力されている。その他の構成は、第３実施形態の捩れ角制御部と同じである。

第４実施形態の捩れ角制御部の動作例は、第３実施形態の捩れ角制御部の動作例と比べると、安定化補償部２４７に捩れ角Δθが入力される動作が異なるだけで、その他は同じである。

第４実施形態における安定化補償部２４７の設定では、捩れ角Δθに対して数１３の２次フィルタを設定することで、第３実施形態の場合とほぼ同等の効果が得られる。但し、第４実施形態でのシミュレーション結果例は割愛する。

図２６は、コラム角θｃに対して安定化補償部を設けた捩れ角制御部の構成例（第５実施形態）を示すブロック図である。図２２に示される第３実施形態の捩れ角制御部と比べると、安定化補償部３４７には、モータ角速度ω_ｍではなく、コラム角θｃが入力されている。その他の構成は、第３実施形態の捩れ角制御部と同じである。

第５実施形態の捩れ角制御部の動作例は、第３実施形態の捩れ角制御部の動作例と比べると、安定化補償部２４７にコラム角θｃが入力される動作が異なるだけで、その他は同じである。

なお、第３〜第５実施形態では、モータ角速度ω_ｍ、捩れ角Δθ及びコラム角θｃそれぞれに対する安定化補償部を１つ使用しているが、各安定化補償部を適宜組み合わせて使用しても良い。

上述の実施形態（第１〜第５実施形態）において、基本マップ１２１、ダンパゲインマップ１２３及びヒステリシス補正部１２４は車速Ｖｓに感応したものでも良く、基本マップ１２１の後段若しくは前段に位相補償部を挿入してもよい。例えば操舵に対してスッキリ感を持たせたい場合は、位相進み補償を設定すれば良い。捩れ角制御部の電流指令値Ｉ_ｒｅｆに従来のアシスト制御の電流指令値、或いはＳＡＴ(Self-Aligning Torque）推定値の電流指令値、或いはハンドル振動抑制のための電流指令値を加算しても良い。

更に、上述の実施形態では速度制御部をＩ−Ｐ制御（比例先行型ＰＩ制御）で構成しているが、ＰＩ制御、Ｐ制御、ＰＩＤ制御、ＰＩ−Ｄ制御、モデルマッチング制御、モデル規範制御などの一般的に用いられるものでも良い。

また、上述の実施形態では、舵角速度は、操舵角θｈに対する微分演算により求めているが、高域のノイズの影響を低減するために適度にＬＰＦ（ローパスフィルタ）処理を実施している。また、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）とゲインにより、微分演算とＬＰＦの処理を実施しても良い。更に、舵角速度は、操舵角θｈではなく、上側角度センサの検出角度θ_１に対する微分演算とＬＰＦの処理を行った信号でも良い。

なお、上述の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例（例えば、目標操舵角、実舵角、トーションバートルク、コラム角、モータ角速度等のセンサ情報又は制御量等）を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されるものではない。例えば、上述の実施形態では本発明をコラム型ＥＰＳに適用しているが、本発明はコラム型等の上流型に限られず、ラック＆ピニオン等の下流型ＥＰＳにも適用可能である。更に、目標捩れ角に基づくフィードバック制御を行うということでは、トーションバー（バネ定数任意）及び捩れ角検出用のセンサを少なくとも備えるステアバイワイヤ反力装置等にも適用可能である。また、上述の実施形態の説明において使用した図は一例を示すものであり、これらに限られない。関係式や数式も上記に限られず、実現可能なものであれば良い。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
３ 減速機構
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１４ 舵角センサ
２０ モータ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１００ ＥＰＳ操舵系／車両系
１０１ 変換部
１１０ 右切り／左切り判定部
１２０ 目標操舵トルク生成部
１２１ 基本マップ
１２３ ダンパゲインマップ
１２４ ヒステリシス補正部
１３０ 速度制御部
１４０ 捩れ角制御部
１４２ 捩れ角フィードバック（ＦＢ）補償部
１４４ 舵角外乱補償部
１４７、２４７、３４７ 安定化補償部

Claims (16)

1. 車両のハンドルのコラム軸にトーションバーを備え、前記コラム軸に接続されたモータを電流指令値に基づいて駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置において、
   操舵角、車速及び操舵状態に基づいて目標操舵トルクを生成する目標操舵トルク生成部と、
   前記目標操舵トルクを目標捩れ角に変換する変換部と、
   少なくとも前記目標捩れ角及び前記トーションバーの捩れ角を入力し、前記目標捩れ角に対して前記捩れ角を追従させるような前記電流指令値を算出する捩れ角制御部と、
   を備え、
   前記捩れ角制御部が、
   モータ角速度をコラム角速度に変換する角速度変換部と、
   前記目標捩れ角及び前記捩れ角の偏差に対して第１の目標コラム角速度を出力する捩れ角フィードバック補償部と、
   前記操舵角に基づいて第２の目標コラム角速度を出力する舵角外乱補償部と、
   前記第1の目標コラム角速度を前記第２の目標コラム角速度で補正した第３の目標コラム角速度及び前記コラム角速度に基づいて前記電流指令値を出力する速度制御部と、
   で構成され、
   前記トーションバーの検出トルクを前記操舵角、前記車速及び前記操舵状態に応じた値に追従するように制御することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記捩れ角制御部では、
   前記速度制御部に前記第１の目標コラム角速度及び前記第２の目標コラム角速度の加算値である前記第３の目標コラム角速度と、前記コラム角速度とが入力され、前記第３の目標コラム角速度と前記コラム角速度の偏差を積分し、前記積分の積分値から前記コラム角速度の比例値を減算して前記電流指令値を出力するようになっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記捩れ角制御部が更に、
   前記モータ角速度に対して伝達関数を設定してシステム全体の安定性を向上する安定化補償部を備える請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記伝達関数が１次フィルタ若しくは２次フィルタである請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記捩れ角制御部が更に、
   前記捩れ角に対して伝達関数を設定してシステム全体の安定性を向上する安定化補償部を備える請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記捩れ角制御部が更に、
   コラム角に対して伝達関数を設定してシステム全体の安定性を向上する安定化補償部を備える請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記伝達関数が２次フィルタ若しくは４次フィルタである請求項５又は６に記載の電動パワーステアリング装置。
8. 前記目標操舵トルク生成部に前記ハンドルの右切り／左切りの操舵状態が入力されている請求項１乃至７のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
9. 前記目標操舵トルク生成部が、
   前記操舵角に応じて車速感応の第１のトルク信号を出力する基本マップと、
   前記操舵角の微分値に車速感応ダンパゲインを乗算して第２のトルク信号を出力するダンパゲイン部と、
   前記操舵状態及び前記操舵角に応じたヒステリシス特性を持つ第３のトルク信号を出力するヒステリシス補正部と、
   前記第１のトルク信号、並びに、前記第２のトルク信号及び前記第３のトルク信号のうち少なくとも１つの信号を加算して前記目標操舵トルクを出力する出力部と、
   で構成されている請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。
10. 前記車速感応ダンパゲインが、車速に応じて徐々に大きくなる特性である請求項９に記載の電動パワーステアリング装置。
11. 前記ヒステリシス補正部が、関数を用いて前記操舵角に応じたヒステリシス補正をするようになっており、前記操舵状態が右切りの場合と左切りの場合とで前記関数を切り替え、前記関数の切り替え時には前記操舵角に対応するオフセット調整値を更新する請求項９又は１０に記載の電動パワーステアリング装置。
12. 前記オフセット調整値が、前記操舵角及び前記第３のトルク信号の前回値を用いて算出される請求項１１に記載の電動パワーステアリング装置。
13. 前記速度制御部の後段に上下限値を制限するリミッタが設けられている請求項１乃至１２のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
14. 前記捩れ角フィードバック補償部が伝達関数のゲイン値である請求項１乃至１３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
15. 前記舵角外乱補償部が、前記操舵角の変化による前記捩れ角への影響を抑制し、急操舵に対する目標捩れ角への前記捩れ角の追従性を向上する伝達関数の値である請求項１乃至１４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
16. 前記舵角外乱補償部の伝達関数の値が、前記操舵系及び車両系モデルの周波数伝達関数から定められる請求項１５に記載の電動パワーステアリング装置。

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