JP6565847B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流指令値に基づいてインバータによりモータをＰＷＭ制御して操舵系にアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置に関し、特に仮想車両モデルに基づいて目標舵角速度を算出し、ハンドル戻し制御電流で電流指令値を補正することによりハンドル戻し制御の機能を向上させると共に、ハンドル戻し制御において目標舵角速度に対して制限をかけることにより過大な出力になることを抑制し、操舵違和感を減少させる電動パワーステアリング装置に関する。

車両のステアリング機構にモータの回転力でアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を、減速機構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として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（ＥＰＳ）は、アシスト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Ｔｄを検出するトルクセンサ１０及び舵角θ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Ｔｄと車速センサ１２で検出された車速Ｖ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い。

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Ｖ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Ｔｄ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ４０からの）車速Ｖ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Ｔｄ及び車速Ｖ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で補償信号ＣＭを加算され、電流指令値Ｉｒｅｆとして電流制限部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。インバータ３７は駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

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）３４３と慣性３４２を加算部３４４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４１を加算部３４５で加算し、加算部３４５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

このような電動パワーステアリング装置では、減速ギアやラック＆ピニオンにより摩擦が大きく、また、アシストトルクを発生させるためのモータによりステアリング軸回りの等価慣性モーメントが大きい。そのため、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）が小さい低車速域では、摩擦が大きいことによりハンドル戻りが悪くなる。これは直進状態においてＳＡＴのみでは舵角が中立点まで戻ってこないため、運転者の操舵介入により中立点まで戻す必要があり、運転者の負担となる。

一方、ＳＡＴが大きい高車速域では、ＳＡＴが大きいために、舵角速度は低車速域に比べて速くなる傾向にあるが、慣性モーメントによる慣性トルクも大きく、舵角の中立点でハンドルが収束せず、オーバーシュートしてしまうため、車両特性が不安定に感じられることがある。

このように、車速又は操舵状態によって異なった特性の補償が必要であり、それらを達成するために、ハンドル戻り時に適度なアシストをするための様々な制御手法が提案されている。それらのハンドル戻り制御の中でも、運転者による操舵介入時でも滑らかなハンドル戻り制御を行うことを目的とした先行技術として、特許第４６８５５５７号公報（特許文献１）に示される電動パワーステアリング装置がある。

特許文献１の装置では、目標舵角速度に追従するように構成された制御器において、ベース修正舵角速度を車速及び操舵トルクによる乗算及び加算で補正し、目標舵角速度を算出している。運転者による操舵介入時には、操舵トルクが加わった方向に目標舵角速度を補正することで、運転者が操舵した際の違和感の減少を図っている。

手放し状態で滑らかなハンドル戻りを実現させるためには、舵角加速度が大きく変動せずに、舵角中立点で舵角速度が０となることが良い。しかしながら、特許文献１記載の装置では、目標舵角速度を設定する際に操舵トルクによる補正を行っているが、アシストトルクによる補正は行っていない。アシストトルクは一般的に車速が大きくなるほど小さくなるように設定するため、操舵トルク及び車速による補正では好ましい補正量の算出に手間がかかる。

このような問題に対して、特許第５８９６０９１号公報（特許文献２）に示される電動パワーステアリング装置では、舵角及び車速に応じて目標戻りトルクを定義し、目標戻りトルクに操舵トルク及びアシストトルクを加算した結果に仮想的な操舵系特性に応じた伝達特性を乗算することにより目標舵角速度を算出している。そして、目標舵角速度と実舵角速度との偏差に対してＰ（比例）制御、Ｉ（積分）制御、Ｄ（微分）制御のうちの少なくとも１つを行うことで、運転者による操舵介入時にも自然なフィーリングのハンドル戻り制御の実現を図っている。

特許第４６８５５５７号公報 特許第５８９６０９１号公報

しかしながら、特許文献２記載の装置において、操舵状態によっては、ハンドル戻り制御において目標舵角速度と実舵角速度の偏差が過大となることがあり、それによりハンドル戻り制御が過大に働き、運転者にとって違和感になるおそれがある。

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、車両特性を考慮した操舵トルク及び車速に基づく補正により直進走行状態における運転者の操舵介入時でも違和感なく滑らかなハンドル戻りを実現するハンドル戻り制御において、目標舵角速度と舵角速度の偏差が過大とならないように制限をかけることにより、運転者にとって違和感が少ないハンドル戻り制御を提供できる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、操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動し、前記モータの駆動制御によって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、舵角、前記車速、前記操舵トルク及び前記電流指令値を用いて目標舵角速度を演算し、前記目標舵角速度及び舵角速度の偏差を、前記舵角速度に応じた制限値以下に抑制し、抑制後の偏差を前記目標舵角速度に加算することにより、制限目標舵角速度を求め、当該制限目標舵角速度及び前記舵角速度の偏差を用いてハンドル戻し制御電流を演算し、前記ハンドル戻し制御電流を前記電流指令値に加算した補償電流指令値で前記モータを駆動するハンドル戻し制御部を備えることにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記ハンドル戻し制御部は、前記舵角及び前記車速を用いて戻り舵角速度を演算する戻り舵角速度演算部と、前記操舵トルク及び前記電流指令値を用いて統合トルクを演算する統合トルク演算部と、前記戻り舵角速度及び前記統合トルクを用いて、仮想車両モデルに基づいて前記目標舵角速度を演算する操舵系特性部と、前記舵角速度に応じて、前記目標舵角速度及び前記舵角速度の偏差である制限前偏差に対して前記制限値を設定することにより、前記目標舵角速度に制限をかける目標舵角速度制限部と、前記制限目標舵角速度及び前記舵角速度の偏差である制限後偏差に車速ゲイン及び操舵トルクゲインを乗算してハンドル戻し制御偏差を求めるハンドル戻し制御偏差算出部と、前記ハンドル戻し制御偏差に対してＰ制御演算、Ｉ制御減算、Ｄ制御演算の少なくとも１つの制御演算を行い、前記車速ゲイン及び前記操舵トルクゲインによって出力制限して前記ハンドル戻し制御電流を求めるハンドル戻し制御電流演算部とを具備することにより、或いは、前記目標舵角速度制限部は、前記制限前偏差がハンドルを中立に戻すように作用する戻し偏差である場合の前記制限値の大きさに比べて、前記制限前偏差がハンドルの動きを収れんさせるように作用するダンピング偏差である場合の前記制限値の大きさが大きくなるように、前記制限値を設定することにより、或いは、前記目標舵角速度制限部は、更に、前記制限前偏差が前記ダンピング偏差である場合の前記制限値の大きさが、切戻しのときに比べて切増しのときに小さくなるように、前記制限値を設定することにより、或いは、前記目標舵角速度制限部は、更に、前記制限前偏差が前記ダンピング偏差である場合の前記制限値の大きさが、前記舵角速度が速くなるに従って大きくなるように、前記制限値を設定することにより、或いは、切戻しの状況において、前記舵角が正のときに値が負であるか又は前記舵角が負のときに値が正である前記制限前偏差を前記戻し偏差とし、前記舵角速度が速い状況において、前記舵角が正のときに値が正であるか又は前記舵角が負のときに値が負である前記制限前偏差を前記ダンピング偏差とすることにより、或いは、前記車速によって前記制限値を変化させることにより、或いは、前記舵角によって前記制限値を変化させることにより、或いは、前記舵角速度によって前記制限値を変化させることにより、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、舵角、車速、操舵トルク及び電流指令値を用いて目標舵角速度を演算し、舵角速度に応じて目標舵角速度に対して制限をかけることにより、ハンドル戻り制御において目標舵角速度と舵角速度の偏差が過大になることを抑え、違和感が少ないハンドル戻り制御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。 本発明の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 戻り舵角速度演算部の出力例を示す特性図である。 粘性係数出力部の出力例を示す特性図である。 操舵トルクゲイン部の出力例を示す特性図である。 車速ゲイン部の出力例を示す特性図である。 制限値の設定例を示す特性図である。 制限部の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 舵角、舵角速度及び目標舵角速度並びに偏差の時間変化例を示す図である。 本発明の動作例（第１実施形態）を示すフローチャートである。 制限処理の動作例（第１実施形態）を示すフローチャートである。 本発明の構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。 車速によって変化させる制限値の設定例を示す特性図である。 舵角ゲイン部の出力例を示す特性図である。 舵角速度ゲイン部の出力例を示す特性図である。 制限処理の動作例（第２実施形態）を示すフローチャートである。

本発明におけるハンドル戻り制御では、電動パワーステアリング装置において補助力を伝達するための減速ギアやラック＆ピニオンの摩擦により動作が阻害され、直進状態に戻したい走行状態であるにも拘わらずハンドルが中立点まで戻らず、車両が直進状態になり難いことがあるので、舵角や車速等に応じたハンドル戻し制御電流により電流指令値を補正（補償）することで、直進状態に戻す走行状態においてハンドルを積極的に中立点に戻すようにする。ハンドル戻り制御は、簡易的な仮想車両モデルに基づいて目標舵角速度を演算し、目標舵角速度と舵角速度（実舵角速度）の偏差に対してＰＩＤ（比例積分微分）制御を行うことにより実行される。そして、ハンドル戻り制御において、目標舵角速度に対して舵角速度に追従して制限をかけることにより、発生する偏差を一定以下に抑制し、ハンドル戻り制御が過大に働くことを抑制し、操舵違和感を減少させる。

本発明における簡易的な仮想車両モデルは、舵角θ及び車速Ｖから求めた戻り舵角速度（目標値）ωｔ、操舵トルクＴｄ並びにアシストトルクＴａに対して、操舵系の仮想的な慣性モーメントＪ及び粘性係数Ｃに応じた車両特性（車両伝達特性）を適用することで、目標舵角速度ω_０を算出するモデルである。

仮想車両モデル（操舵系特性部）を用いることで、操舵系の仮想的な慣性モーメントＪ及び粘性係数Ｃを設定することができるため、車両特性を任意に決めることが可能となる。また、仮想車両モデルにはアシストトルクＴａも加味した運転者の操舵介入も考慮されているため、運転者が操舵している状態でも滑らかなハンドル戻り制御を提供することができる。

ここで、操舵系に静止摩擦、クーロン摩擦及び弾性項がないと仮定した場合、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）Ｓａｔ、操舵トルクＴｄ、アシストトルクＴａの力の釣り合い方程式は、下記数１となる。

そして、舵角速度ωは舵角θの時間微分であるので、下記数２が成立する。

よって、ω＝ω_０とすると、下記数３が成立する。

更に、上記数３をラプラス変換すると下記数４となり（ｓはラプラス演算子）、数４を目標舵角速度ω_０について解くと、下記数５となる。

上記数５より、目標舵角速度ω_０を求める。数５において、Ｓａｔ／ＣはＳＡＴによって発生する舵角速度として、車両特性に応じて設定する戻り舵角速度ωｔとして考えることができる。１／｛（Ｊ／Ｃ）ｓ＋１｝は仮想車両モデルから求められる伝達特性（以下、「仮想特性」とする）であり、（Ｔｄ＋Ｔａ）／Ｃは操舵トルクＴｄ及びアシストトルクＴａによって発生する舵角速度である。

ＳＡＴ Ｓａｔは一般的に車速Ｖ及び舵角θによって決まるので、戻り舵角速度ωｔも車速Ｖ及び舵角θに応じて設定する。操舵トルクＴｄはトルクセンサによって検出し、アシストトルクＴａは電流指令値Ｉｒｅｆからモータトルク定数Ｋｔを考慮して算出可能である。よって、操舵トルクＴｄ及びアシストトルクＴａを合算したトルク（統合トルク）Ｔｃを操舵系の仮想的な粘性係数Ｃで除算することにより、統合トルクＴｃによって発生する舵角速度（以下、「統合舵角速度」とする）ωｃを算出し、戻り舵角速度ωｔ及び統合舵角速度ωｃを合算し、仮想特性で変換することにより、目標舵角速度ω_０が求められる。

このようにして求められた目標舵角速度ω_０に対して、本発明では、目標舵角速度ω_０と舵角速度ωの偏差（制限前偏差）が過大にならないように制限をかける。つまり、偏差に対して制限値を設定し、偏差が制限値を越えないようにする。このとき、偏差がハンドルを中立（中立点）に戻すような偏差（戻し偏差）の場合に設定する制限値（以下、「戻し制限値」とする）の大きさ（絶対値）に比べて、偏差がハンドルの動きを収れんさせるような偏差（ダンピング偏差）の場合に設定する制限値（以下、「ダンピング制限値」とする）の大きさの方が大きくなるように、制限値を設定する。また、ハンドルの収れんに必要な補償量は舵角速度ωが速いほど大きくなるので、ダンピング制限値の大きさは舵角速度ωが速くなるに従って大きくなるようにする。また、切増しのときには運転者の操舵を阻害しないように、切増し時のダンピング制限値の大きさが切戻し時のダンピング制限値の大きさより小さくなるようにする。

なお、車速Ｖによってハンドルの戻り性能や車両の収れん性が異なるため、例えば車速Ｖに応じた車速ゲインを乗算することにより、ハンドル戻り制御の出力を可変にする。また、ハンドル戻り制御が主に必要とされるのは、コラム軸に付加される操舵トルクＴｄに対して摩擦トルクの割合が相対的に大きいときであるので、操舵トルクＴｄが大きいときに、ハンドル戻り制御は大きな出力を必要としない。そのため、例えば操舵トルクＴｄに応じて小さくなる操舵トルクゲインＴｈを乗算することにより、ハンドル戻り制御の出力を可変にする。

このように、目標舵角速度ω_０と舵角速度ωとの偏差に応じて制御を行うことで、滑らかなハンドル戻りが実現できると共に、運転者が操舵した場合でも違和感のないハンドル戻り制御を提供できる。

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に、本発明に係るハンドル戻し制御部１００の構成例（第１実施形態）を示す。ハンドル戻し制御部１００に入力される操舵トルクＴｄは操舵トルクゲイン部１５１及び加算部１２２に、電流指令値Ｉｒｅｆはモータトルク定数部１２１及び加算部１７１に、舵角速度ωは切増／切戻判定部１４１、制限部１４２及び減算部１５４に、舵角θは戻り舵角速度演算部１１１、切増／切戻判定部１４１及び制限部１４２に、車速Ｖは戻り舵角速度演算部１１１、粘性係数出力部１３１及び車速ゲイン部１５２にそれぞれ入力される。

戻り舵角速度演算部１１１は、車速Ｖ及び舵角θに応じて戻り舵角速度ωｔを算出する。例えば、図４に示されるような特性を基に、入力される車速Ｖ及び舵角θより舵角速度ωｔを決定する。図４に示される特性では、ＳＡＴは舵角θに応じて大きくなるので、戻り舵角速度ωｔも舵角θが大きくなるに従って次第に大きくなるようになっている。また、車速Ｖに対しては、車速Ｖが速くなるに従って大きくもなるし、小さくもなる。なお、上述のように、Ｓａｔ／Ｃを戻り舵角速度ωｔと見做すことができるので、ＳＡＴ Ｓａｔを推定或いは測定し、粘性係数Ｃで除算することにより、戻り舵角速度ωｔを算出しても良い。

モータトルク定数部１２１に入力される電流指令値Ｉｒｅｆは、モータトルク定数Ｋｔを乗算され、アシストトルクＴａとして出力される。そして、アシストトルクＴａと操舵トルクＴｄが加算部１２２で加算され、統合トルクＴｃとなる。

粘性係数出力部１３１は、車速Ｖに応じて粘性係数Ｃを決定する。例えば、粘性係数Ｃは図５に示されるような特性であり、少なくとも車速Ｖ１までは小さい粘性係数Ｃ１で一定であり、車速Ｖ１以上で車速Ｖ２（＞Ｖ１）以下では次第に大きくなり、車速Ｖ２以上では大きな粘性係数Ｃ２で一定となる。なお、粘性係数Ｃの特性は、このような特性に限定されるものではない。粘性係数Ｃは、粘性特性部１３２及び仮想特性部１３３に入力される。

粘性特性部１３２は、統合トルクＴｃを粘性係数Ｃで除算することにより、統合舵角速度ωｃを算出する。統合舵角速度ωｃは、反転部１１２で符号を反転した戻り舵角速度−ωｔと加算部１３４で加算され、仮想特性部１３３に入力され、その入力に対して、仮想特性部１３３は、慣性モーメントＪ及び粘性係数Ｃより定義される仮想特性を用いて、目標舵角速度ω_０を求める。つまり、加算部１２２、粘性特性部１３２、反転部１１２、加算部１３４及び仮想特性部１３３にて数５を実行する。なお、戻り舵角速度ωｔを、統合舵角速度ωｃとは逆の方向となるように戻り舵角速度演算部１１１で演算すれば、反転部１１２は不要である。

切増／切戻判定部１４１は、舵角速度ω及び舵角θに基づいて、ハンドルが切増し方向に操舵されているか、切戻し方向に操舵されているか、或いは保舵状態かを判定し、判定結果Ｊｓをそれぞれ「切増し」、「切戻し」又は「保舵」として出力する。即ち、舵角θ又は舵角速度ωが略０ならば「保舵」、そうではなくて（「保舵」ではなくて）、舵角θと舵角速度ωの符号が一致している場合は「切増し」、一致していない場合は「切戻し」と判定する。

制限部１４２は、切増／切戻判定部１４１からの判定結果Ｊｓ、舵角速度ω及び舵角θに基づいて、目標舵角速度ω_０に対して制限をかけ、制限目標舵角速度ω_０’を出力し、制限目標舵角速度ω_０’と舵角速度ωの偏差（制限後偏差）ＳＧ１（＝ω_０’−ω）が減算部１５４で求められる。制限部１４２の詳細については後述する。

操舵トルクゲイン部１５１は、操舵トルクＴｄに応じて操舵トルクゲインＴｈを出力する。例えば、操舵トルクゲインＴｈは図６に示すような特性であり、操舵トルクＴｄがＴ１までは一定値ゲインＴｈ１であり、Ｔ１を超えると次第に減少し、Ｔ２以上でゲイン０となる特性となっている。

車速ゲイン部１５２は、車速Ｖに応じて車速ゲインＫＰを出力する。例えば、車速ゲインＫＰは図７に示すような特性であり、少なくとも車速Ｖ３までは小さいゲインＫＰ１で一定であり、車速Ｖ３以上では次第に大きくなり、車速Ｖ４以上では大きなゲインＫＰ２で一定であるが、このような特性に限定されるものではない。

操舵トルクゲインＴｈ及び車速ゲインＫＰは共に乗算部１５３及びリミッタ１６３に入力される。

偏差ＳＧ１に操舵トルクゲインＴｈ及び車速ゲインＫＰを乗算した乗算部１５３からのハンドル戻し制御偏差ＳＧ２は、加算部１６４に入力されると共に、特性改善のための積分制御部１６１に入力され、積分ゲイン部１６２を経てリミッタ１６３に入力され、リミッタ１６３で操舵トルクゲインＴｈ及び車速ゲインＫＰに応じて出力を制限された信号ＳＧ４が加算部１６４で、ハンドル戻し制御偏差ＳＧ２と加算され、ハンドル戻し制御電流ＨＲとして出力される。積分は摩擦の影響を受け易い低操舵トルク域を補償し、特に手放しで摩擦に負ける領域で積分を利かせる。加算部１７１で電流指令値Ｉｒｅｆにハンドル戻し制御電流ＨＲを加算して補正（補償）し、補正された補償電流指令値Ｉｒｅｆｎが電流指令値Ｉｒｅｆに替わって電流制限部３３に入力され、モータ駆動される。なお、ノイズを除去するために、ハンドル戻し制御電流ＨＲを、例えばローパスフィルタに通してから、加算部１７１に入力しても良い。

図３に示される構成例において、モータトルク定数部１２１及び加算部１２２で統合トルク演算部を構成し、粘性係数出力部１３１、粘性特性部１３２、仮想特性部１３３及び加算部１３４で操舵系特性部を構成し、切増／切戻判定部１４１及び制限部１４２で目標舵角速度制限部を構成し、操舵トルクゲイン部１５１、車速ゲイン部１５２、乗算部１５３及び減算部１５４でハンドル戻し制御偏差算出部を構成し、積分制御部１６１、積分ゲイン部１６２、リミッタ１６３及び加算部１６４でハンドル戻し制御電流演算部を構成している。

ここで、制限部１４２の詳細について説明する。

制限部１４２は、目標舵角速度ω_０に対して、目標舵角速度ω_０と舵角速度ωの偏差（制限前偏差）が過大にならないように、偏差に対して制限値を設定することにより、制限をかける。制限値は、戻し制限値の大きさに比べてダンピング制限値の大きさの方が大きくなるように（以下、「条件１」とする）、また、ダンピング制限値の大きさは舵角速度ωが速くなるに従って大きくなるように（以下、「条件２」とする）、更に、切増し時のダンピング制限値の大きさが切戻し時のダンピング制限値の大きさより小さくなるように（以下、「条件３」とする）設定される。そして、切戻しの状況において、舵角θが正のときに値が負であるか又は舵角θが負のときに値が正である偏差に対する制限値を戻し制限値とし、舵角速度ωが速い状況において、舵角θが正のときに値が正であるか又は舵角θが負のときに値が負である偏差に対する制限値をダンピング制限値とし、更に切増し時と切戻し時とで別のダンピング制限値を用意し、上記の３つの条件を満たすようにする。例えば、舵角θが正の場合、制限値を図８（Ａ）に示されるような特性とする。図８は、縦軸を制限値とし、横軸を舵角速度ωの絶対値｜ω｜とした特性図であり、実線が戻し制限値、破線が切戻し時のダンピング制限値（以下、「切戻しダンピング制限値」とする）、一点鎖線が切増し時のダンピング制限値（以下、「切増しダンピング制限値」とする）である。なお、ダンピング制限値は舵角速度ωが速いとき（舵角速度の絶対値｜ω｜が大きいとき）の呼称であるが、以下では舵角速度ωが遅いときも含めてダンピング制限値と呼ぶことにする。図８（Ａ）に示されるように、戻し制限値は一定値であり、ダンピング制限値は、｜ω｜が所定の値｜ω１｜までは一定値（ゼロでも良い）で、それ以降は｜ω｜に比例して大きくなる。そして、切増しダンピング制限値は、切戻しダンピング制限値よりも小さくなっている。舵角θが負の場合は、制限値の正負が逆となり、制限値は図８（Ｂ）に示すような特性となる。なお、制限値の特性は図８に示されるような特性に限られず、上記の３つの条件を満たすならば曲線等を含むような特性でも良く、更に少なくとも条件１を満たすような特性でも良い。少なくとも条件１を満たすような特性の場合、ダンピング制限値は一定値でも良い。

制限部１４２は、図８に示される特性を用いて、目標舵角速度ω_０に対して制限をかける。制限部１４２の構成例を図９に示す。制限部１４２は、先ず目標舵角速度ω_０と舵角速度ωの偏差Δωを減算部１４９にて求める。そして、舵角θの符号及び偏差Δωの符号をそれぞれ符号部１４５及び１４６で求め、それらの符号及び切増／切戻判定部１４１からの判定結果Ｊｓに基づいて使用する制限値を制限値決定部１４７で決定し、決定された制限値Ｌｔを用いて偏差Δωに制限実行部１４８で制限をかける。即ち、判定結果Ｊｓが「切戻し」の場合、舵角θが正で偏差Δωが正ならば図８（Ａ）の切戻しダンピング制限値（以下、「切戻しダンピング制限値１」とする）を使用し、舵角θが正で偏差Δωが負ならば図８（Ａ）の戻し制限値を使用し、舵角θが負で偏差Δωが正でも同じ戻し制限値を使用し、舵角θが負で偏差Δωが負ならば図８（Ｂ）の切戻しダンピング制限値（以下、「切戻しダンピング制限値２」とする）を使用する。判定結果Ｊｓが「切増し」の場合、舵角θが正で偏差Δωが正ならば図８（Ａ）の切増しダンピング制限値（以下、「切増しダンピング制限値１」とする）を使用し、舵角θが正で偏差Δωが負又は舵角θが負で偏差Δωが正ならば戻し制限値を使用し、舵角θが負で偏差Δωが負ならば図８（Ｂ）の切増しダンピング制限値（以下、「切増しダンピング制限値２」とする）を使用する。判定結果Ｊｓが「保舵」の場合、戻し制限値を使用する。そして、制限をかけられた偏差Δωを目標舵角速度ω_０に加算部１５０で加算することにより、制限目標舵角速度ω_０’を算出する。なお、制限部１４２を図９に示されるような構成ではなく、ＣＰＵ内部のプログラムとして実現しても良い。

このように制限部１４２にて目標舵角速度ω_０に対して制限をかける理由を、舵角θが正の場合を例として説明する。

図１０（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、舵角θ、舵角速度ω及び目標舵角速度ω_０の時間変化を表わした図であり、実線が舵角θ、破線が舵角速度ω、一点鎖線が目標舵角速度ω_０である。図１０（Ｄ）は、図１０（Ａ）及び（Ｂ）での目標舵角速度ω_０と舵角速度ωの偏差Δωの時間変化を表わした図であり、図１０（Ｅ）は、図１０（Ｃ）での偏差Δωの時間変化を表わした図である。

図１０（Ａ）は制限部１４２による制限をかけない場合を示しており、時点ｔ１近辺では偏差Δωが大きくなっており、それによりハンドル戻り制御での補償量が大きくなり、違和感が発生するおそれがある。そこで、舵角速度ωの大きさが目標舵角速度ω_０の大きさよりも小さい場合、偏差Δωが大きくならないように、目標舵角速度ω_０を、図１０（Ｂ）での二点鎖線のように制限する。つまり、この場合、図１０（Ｄ）に示すように、舵角θが正で偏差Δωが負であり、ハンドルを中立に戻す方向に補償量が出力されるので、補償量が大きくなり過ぎないように、点線で示すように、偏差Δωを制限する。

図１０（Ｃ）での時点ｔ２近辺のように、舵角速度ωの大きさが目標舵角速度ω_０の大きさよりも大きい場合も偏差Δωは大きくなるが、この場合は急な戻りを抑制するために、偏差Δωを大きいままにするべく、目標舵角速度ω_０の制限を開放する（制限をかけづらくする）。つまり、この場合は、図１０（Ｅ）に示すように、舵角θが正で偏差Δωも正であり、ハンドルの動きを収れんさせる方向（戻りを抑制させる方向）に補償量が出力されるので、偏差Δωを制限しない。このように、偏差Δωに基づいて制御するので、偏差Δωが大きいほど補償量の出力も大きくなり、ハンドルの動きを収れんさせる方向への出力を、ハンドルを中立に戻す方向への出力よりも大きくすることが可能となる。

このような構成において、その動作例を、図１１及び図１２のフローチャートを参照して説明する。

先ず操舵トルクＴｄ、電流指令値Ｉｒｅｆ、車速Ｖ、舵角θ、舵角速度ωを入力（読み取り）し（ステップＳ１）、操舵トルクゲイン部１５１は操舵トルクゲインＴｈを出力する（ステップＳ２）。モータトルク定数部１２１は電流指令値Ｉｒｅｆにモータトルク定数Ｋｔを乗算してアシストトルクＴａを算出し（ステップＳ３）、加算部１２２で操舵トルクＴｄと加算して統合トルクＴｃを算出し（ステップＳ４）、粘性特性部１３２に出力する。

また、戻り舵角速度演算部１１１は、入力された舵角θ及び車速Ｖに基づいて戻り舵角速度ωｔを求め（ステップＳ５）、反転部１１２が戻り舵角速度ωｔの符号反転を行い（ステップＳ６）、加算部１３４に入力する。車速ゲイン部１５２は車速Ｖに従った車速ゲインＫＰを出力し（ステップＳ７）、粘性係数出力部１３１は車速Ｖに従った粘性係数Ｃを出力する（ステップＳ８）。粘性係数Ｃは粘性特性部１３２及び仮想特性部１３３に入力され、粘性特性部１３２は、入力された統合トルクＴｃを粘性係数Ｃで除算し、統合舵角速度ωｃを算出し（ステップＳ９）、加算部１３４に出力する。符号反転された戻り舵角速度−ωｔと統合舵角速度ωｃが加算部１３４で加算され（ステップＳ１０）、更に仮想特性部１３３で仮想特性を用いて目標舵角速度ω_０が求められ（ステップＳ１１）、目標舵角速度ω_０は制限部１４２に入力される。

切増／切戻判定部１４１は舵角速度ω及び舵角θを入力し、それらに基づいてハンドルの操舵方向を判定し（ステップＳ１２）、判定結果Ｊｓを出力する。

制限部１４２は、舵角速度ω、舵角θ、目標舵角速度ω_０及び判定結果Ｊｓを入力し、制限処理を行う（ステップＳ１３）。制限処理については図１２のフローチャートを参照して説明する。

制限部１４２は、目標舵角速度ω_０と舵角速度ωの偏差Δωを減算部１４９で求める（ステップＳ１０１）。そして、符号部１４５及び１４６にて舵角θの符号及び偏差Δωの符号をそれぞれ求め、制限値決定部１４７において判定結果Ｊｓを確認し（ステップＳ１０２）、判定結果Ｊｓが「切戻し」の場合、舵角θが正であり（ステップＳ１０３）、偏差Δωが正ならば（ステップＳ１０４）、切戻しダンピング制限値１を用いて偏差Δωに制限実行部１４８で制限をかけ（ステップＳ１０５）、偏差Δωが負ならば（ステップＳ１０４）、戻し制限値を用いて偏差Δωに制限をかける（ステップＳ１０６）。舵角θが負であり（ステップＳ１０３）、偏差Δωが正ならば（ステップＳ１０７）、戻し制限値を用いて偏差Δωに制限をかけ（ステップＳ１０８）、偏差Δωが負ならば（ステップＳ１０７）、切戻しダンピング制限値２を用いて偏差Δωに制限をかける（ステップＳ１０９）。判定結果Ｊｓが「切増し」の場合、舵角θが正であり（ステップＳ１１０）、偏差Δωが正ならば（ステップＳ１１１）、切増しダンピング制限値１を用いて偏差Δωに制限をかけ（ステップＳ１１２）、偏差Δωが負ならば（ステップＳ１１１）、戻し制限値を用いて偏差Δωに制限をかける（ステップＳ１１３）。舵角θが負であり（ステップＳ１１０）、偏差Δωが正ならば（ステップＳ１１４）、戻し制限値を用いて偏差Δωに制限をかけ（ステップＳ１１５）、偏差Δωが負ならば（ステップＳ１１４）、切増しダンピング制限値２を用いて偏差Δωに制限をかける（ステップＳ１１６）。判定結果Ｊｓが「保舵」の場合、戻し制限値を用いて偏差Δωに制限をかける（ステップＳ１１７）。制限実行部１４８での偏差Δωへの制限のかけ方は、偏差Δωが制限値を越えた場合（偏差Δωの絶対値が制限値の絶対値より大きい場合）、制限値を偏差Δωとし、そうでない場合、偏差Δωはそのままとする。制限をかけられた偏差Δωを目標舵角速度ω_０に加算部１５０で加算し、制限目標舵角速度ω_０’を算出する（ステップＳ１１８）。

制限目標舵角速度ω_０’は減算部１５４に加算入力され、減算入力された舵角速度ωとの偏差ＳＧ１が求められ（ステップＳ１４）、偏差ＳＧ１は乗算部１５３に入力される。乗算部１５３には操舵トルクゲインＴｈ及び車速ゲインＫＰが入力されており、それらの乗算によってハンドル戻し制御偏差ＳＧ２が求められる（ステップＳ１５）。ハンドル戻し制御偏差ＳＧ２は積分制御部１６１で積分処理され（ステップＳ１６）、更に積分ゲインＫＩを乗算され（ステップＳ１７）、リミッタ１６３でリミット処理される（ステップＳ１８）。

リミッタ１６３でリミット処理された信号ＳＧ４は加算部１６４に入力され、ハンドル戻し制御偏差ＳＧ２と加算され（ステップＳ１９）、ハンドル戻し制御電流ＨＲを出力する（ステップＳ２０）。加算部１７１で電流指令値Ｉｒｅｆにハンドル戻し制御電流ＨＲを加算して補正し、補償電流指令値Ｉｒｅｆｎを出力する（ステップＳ２１）。補正された補償電流指令値Ｉｒｅｆｎが電流制限部３３に入力され、モータ駆動される。

なお、図１１及び図１２でのデータ入力、演算や処理の順番は適宜変更可能である。

目標舵角速度と舵角速度の偏差に対する制限値を、車速、舵角及び／又は舵角速度によって変化させることも可能である。

車速によってＳＡＴが変化し、また一般的な車速感応式電動パワーステアリング装置ではアシストトルクも変化する。よって、それらの変化によりハンドル戻りも変化するため、車速によって制限値を変化させることで、滑らかなハンドル戻しを広い車速域で実現することができる。

制限値を舵角に応じて変化させることで、車両特性が大きく現れるオフセンタ域において、ハンドルを中立に戻す場合やハンドルの動きを収れんさせる場合のどちらの場合でも、より一層の制御効果が得られる。また、摩擦の影響が大きくなるオンセンタ域においても、より一層の制御効果が期待できる。

図８に示されるように、制限値は舵角速度に応じて、ある程度変化させているが、切増しから切戻しへ移行する際の反力感を創出するために、さらに制限値を舵角速度に応じて変化させる。操舵を切増しから切戻しに移行する際には時間の大小はあるが、必ず舵角速度がゼロとなる保舵の領域があるので、舵角速度によって制限値を変化させることにより、保舵時の反力を作り出すことが可能となる。また、これにより静止摩擦を補償する効果も得られる。

図１３に、車速、舵角及び舵角速度によって制限値を変化させる場合のハンドル戻し制御部２００の構成例（第２実施形態）を示す。図３に示される第１実施形態の構成例と比べると、制限部１４２が制限部２４２に代わっており、制限部２４２には車速Ｖも入力されている。その他の構成は第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。

制限部２４２は、車速によって制限値を変化させるために、任意の車速毎に制限値が設定されており、舵角及び舵角速度によって制限値を変化させるために、舵角ゲイン部２４３及び舵角速度ゲイン部２４４を備えている。

任意の車速毎に設定される制限値としては、例えば図１４に示されるように、車速に応じて変化させた切戻し時及び切増し時それぞれでのダンピング制限値並びに戻し制限値を複数用意する。入力される車速Ｖに対応する制限値がない場合は、最も近い車速の制限値を使用する、用意された制限値から補間した制限値を使用する等により対応する。

舵角ゲイン部２４３は、舵角θに応じて舵角ゲインＧａを決定する。例えば図１５の実線で示されるような特性を有し、舵角θが大きくなるに従って、舵角ゲインＧａも大きくなる。なお、舵角ゲインＧａの特性は、このような特性に限定されるものではなく、例えば図１５の破線で示されるように、舵角θが小さいときは舵角θが大きくなるに従って小さくなり、その後、大きくなるような特性でも良い。

舵角速度ゲイン部２４４は、舵角速度ωに応じて舵角速度ゲインＧｖを決定する。例えば図１６に示されるような特性を有し、舵角速度ωが大きくなるに従って、舵角速度ゲインＧｖは小さくなり、所定の舵角速度以降は一定となる。なお、舵角速度ゲインＧｖの特性は、このような特性に限定されるものではない。

制限部２４２は、車速Ｖに応じて設定された制限値に舵角ゲインＧａ及び舵角速度ゲインＧｖを乗算した制限値を用いて偏差Δωに制限をかける。

第２実施形態の動作は、第１実施形態の動作と比べると、制限部での制限処理の動作が異なる。

第２実施形態での制限処理の動作例を図１７に示す。図１２に示される第１実施形態での制限処理と比べると、制限値を用いて偏差Δωに制限をかける動作（ステップＳ１０５、Ｓ１０６、Ｓ１０８、Ｓ１０９、Ｓ１１２、Ｓ１１３、Ｓ１１５、Ｓ１１６、Ｓ１１７）において実行される制限値の決定の動作に変更があり（ステップＳ１２１、Ｓ１２３、Ｓ１２５、Ｓ１２７、Ｓ１２９、Ｓ１３１、Ｓ１３３、Ｓ１３５、Ｓ１３７）、制限値決定と制限実行の間にゲインの乗算（ステップＳ１２２、Ｓ１２４、Ｓ１２６、Ｓ１２８、Ｓ１３０、Ｓ１３２、Ｓ１３４、Ｓ１３６、Ｓ１３８）の動作が加わっている。制限値決定では、入力された車速Ｖに従って、使用する制限値を決定する。例えば、ステップＳ１２１では、車速Ｖに対応する切戻しダンピング制限値１を使用する。ゲイン乗算では、制限値決定で決定された制限値に対して、舵角θに応じた舵角ゲインＧａ及び舵角速度ωに応じた舵角速度ゲインＧｖを乗算する。そして、それらの動作により得られた制限値を用いて、偏差Δωに制限をかける。

なお、車速による制限値の変化を、舵角及び舵角速度による制限値の変化と同様に、ゲインの乗算で行っても良い。この場合、ダンピング制限値と戻し制限値に対するゲインは同一でも異なっても良い。舵角及び舵角速度による制限値の変化を、車速による制限値の変化と同様に、任意の舵角又は舵角速度毎に制限値を設定する方法で行っても良い。ゲインの乗算ではなく、オフセットの加減算で制限値を変化させても良い。また、上述では車速、舵角及び舵角速度全てを用いて制限値を変化させているが、少なくとも１つを用いて制限値を変化させるようにしても良い。

上述の実施形態（第１実施形態、第２実施形態）において、舵角速度はモータ角速度×ギア比で求めることも可能であり、仮想特性は車速、舵角、切増し／切戻し／保舵状態に応じて可変させても良い。また、仮想車両モデルには仮想的な摩擦特性を付加しても良い。更に、ハンドル戻し制御偏差に対してＩ（積分）制御演算を行うようにしているが、Ｐ（比例）制御演算、Ｉ制御演算、Ｄ（微分）制御演算の全てを行うことも可能であり、ＰＩＤの少なくとも１つの制御演算を行うようにすれば良い。

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）
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）
３１ 電流指令値演算部
３３ 電流制限部
３４ 補償信号生成部
３５ ＰＩ制御部
３６ ＰＷＭ制御部
３７ インバータ
４０ ＣＡＮ
１００、２００ ハンドル戻し制御部
１１１ 戻り舵角速度演算部
１１２ 反転部
１２１ モータトルク定数部
１３１ 粘性係数出力部
１３２ 粘性特性部
１３３ 仮想特性部
１４１ 切増／切戻判定部
１４２、２４２ 制限部
１４５、１４６ 符号部
１４７ 制限値決定部
１４８ 制限実行部
１５１ 操舵トルクゲイン部
１５２ 車速ゲイン部
１６１ 積分制御部
１６３ リミッタ
２４３ 舵角ゲイン部
２４４ 舵角速度ゲイン部

Claims (9)

1. 操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動し、前記モータの駆動制御によって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であって、
   舵角、前記車速、前記操舵トルク及び前記電流指令値を用いて目標舵角速度を演算し、前記目標舵角速度及び舵角速度の偏差を、前記舵角速度に応じた制限値以下に抑制し、抑制後の偏差を前記目標舵角速度に加算することにより、制限目標舵角速度を求め、当該制限目標舵角速度及び前記舵角速度の偏差を用いてハンドル戻し制御電流を演算し、前記ハンドル戻し制御電流を前記電流指令値に加算した補償電流指令値で前記モータを駆動するハンドル戻し制御部を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記ハンドル戻し制御部は、
   前記舵角及び前記車速を用いて戻り舵角速度を演算する戻り舵角速度演算部と、
   前記操舵トルク及び前記電流指令値を用いて統合トルクを演算する統合トルク演算部と、
   前記戻り舵角速度及び前記統合トルクを用いて、仮想車両モデルに基づいて前記目標舵角速度を演算する操舵系特性部と、
   前記舵角速度に応じて、前記目標舵角速度及び前記舵角速度の偏差である制限前偏差に対して前記制限値を設定することにより、前記目標舵角速度に制限をかける目標舵角速度制限部と、
   前記制限目標舵角速度及び前記舵角速度の偏差である制限後偏差に車速ゲイン及び操舵トルクゲインを乗算してハンドル戻し制御偏差を求めるハンドル戻し制御偏差算出部と、
   前記ハンドル戻し制御偏差に対してＰ制御演算、Ｉ制御減算、Ｄ制御演算の少なくとも１つの制御演算を行い、前記車速ゲイン及び前記操舵トルクゲインによって出力制限して前記ハンドル戻し制御電流を求めるハンドル戻し制御電流演算部とを具備する請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記目標舵角速度制限部は、
   前記制限前偏差がハンドルを中立に戻すように作用する戻し偏差である場合の前記制限値の大きさに比べて、前記制限前偏差がハンドルの動きを収れんさせるように作用するダンピング偏差である場合の前記制限値の大きさが大きくなるように、前記制限値を設定する請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記目標舵角速度制限部は、
   更に、前記制限前偏差が前記ダンピング偏差である場合の前記制限値の大きさが、切戻しのときに比べて切増しのときに小さくなるように、前記制限値を設定する請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記目標舵角速度制限部は、
   更に、前記制限前偏差が前記ダンピング偏差である場合の前記制限値の大きさが、前記舵角速度が速くなるに従って大きくなるように、前記制限値を設定する請求項３又は４に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 切戻しの状況において、前記舵角が正のときに値が負であるか又は前記舵角が負のときに値が正である前記制限前偏差を前記戻し偏差とし、
   前記舵角速度が速い状況において、前記舵角が正のときに値が正であるか又は前記舵角が負のときに値が負である前記制限前偏差を前記ダンピング偏差とする請求項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。
7. 前記車速によって前記制限値を変化させる請求項２乃至６のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
8. 前記舵角によって前記制限値を変化させる請求項２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. 前記舵角速度によって前記制限値を変化させる請求項２乃至８のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

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