JP6716031B2 - 電動パワーステアリング装置および電動パワーステアリングの制御方法 - Google Patents
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Description
さらに、操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した判定用信号の符号と推定速度の符号が同符号なら、推定速度の誤差により推定角の誤差が増加することでモータのトルクが減少し、操舵トルクが増加していると判定できる。これは、操舵トルクの微分値とモータの回転速度との間に相関があり、運転者の操舵の周波数よりも高い周波数帯域においては正負の符号が逆になることを利用している。すなわち、同符号であれば、推定速度に誤差があることが判定できる。加えて、操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した値を判定用信号とすることで、検出した操舵トルクに含まれるモータのトルクの変化を抽出することができるので、検出した操舵トルクの増加が運転者の力の増加によるものか、モータのトルクの減少によるものかを区別して判定できる。
この発明の一実施の形態による電動パワーステアリング装置の一例を示した概略構成図を図1に示す。図1において、電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイール101と、ステアリングシャフト103と、ラック・ピニオンギヤ105と、車輪104と、運転者の操舵力を補助するモータ1と、モータを駆動する電力を供給するためのECU(電子制御ユニット)2と、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサ102が設けられている。
なお電流検出器34およびインバータ31はモータ1側に設けられている場合があり、この場合には、ECU2は図2の一点鎖線Aから左側の部分の構成を備える。
vd*:d軸電圧指令
vq*:q軸電圧指令
id:d軸検出電流
iq:q軸検出電流
を入力として、以下の式(1)から(5)のオブザーバを構成して推定速度ωを演算する。
(a)検出した操舵トルクTrq、
(b)操舵トルクの微分値Td、
(c)モータの回転速度ωe、
(d)モータの回転角θe、
(e)回転角の推定誤差Δθ、
(f)モータのトルクTm
を示している。
また、(c)(d)においてモータの回転速度ωeおよびモータの回転角θeは実線で実際の値、破線で推定速度ω、推定角θの値をプロットしており、(e)において推定誤差Δθは、実際の回転角θeと推定角θとの差分Δθ=θe−θをプロットしている。ここでは、時刻t1の時点で推定速度ωを一定値に固定し、推定速度ωが実際の回転速度ωeよりも大きくなるような誤差をわかりやすく再現している。例えば、推定速度ωの演算異常が発生すると、このように推定速度ωが一定値に固定することがある。
s:ラプラス変換の微分演算子
である。
判定用信号Tdjは、操舵トルクTrqとモータの回転角θeとの関係性を利用して設定する。トルクセンサ102は、トーションバーの上側であるステアリングホイール側の角度とトーションバーの下側であるモータ側の角度とのねじれ量から操舵トルクTrqを検出する。
トーションバーの剛性をKsとすると、操舵トルクTrqとモータの回転角θeの関係は、
θh:操舵角
Pm:モータ1の極対数
Gn:モータ1とステアリングシャフト103の間のギア比
を用いて、下式(8)で表せる。
s:ラプラス変換の微分演算子
である。
ここでは、フィルタHj(s)を、下式(13)の1次ハイパスフィルタとする。ハイパスフィルタHj(s)のカットオフ周波数ωhjは、通常の運転者の操舵の周波数よりも高い周波数成分を抽出するため、3Hzで設定する。図5の(a)はフィルタHj(s)のゲイン特性の一例、(b)はフィルタLj(s)のゲイン特性の一例を示すボード線図である。
図6は、補正判定部51の処理を示したフローチャートであり、推定速度ωと判定用の操舵トルクTjと判定用信号Tdjが同符号であることを判定する処理の一例を示したものである。推定速度ωが正の値のとき(すなわちステップS11pがYESのとき)、操舵トルクTjが正の値、かつ、判定用信号Tdjが正の値であれば、3つの信号が同符号であり、判定条件が成立する。ここで、判定用信号Tdjは正の値であることを判定できればよいが、本実施の形態1ではモータトルクTmの変化をより精度良く判定するため、正の閾値α1よりも大きいことを判定する。これにより、判定用信号Tdjが大きく変化した、すなわち、モータトルクTmが大きく変化したことが判定でき、補正の必要性があることがわかる。
まず、第1正側フラグF1pがON(F1p=1)であることを判定する(ステップS19)。第1正側フラグF1pがONのとき(すなわちステップS19がYESのとき)、第2正側フラグF2pをON(F2p=1)にする(ステップS21)。一方、第1正側フラグF1pがOFFのとき(すなわちステップS19がNOのとき)には、第2正側フラグF2pは前回値を保持する(ステップS22)。なお、第2正側フラグF2pの初期状態はOFF(F2p=0)とする。
なお、第3正側フラグF3pの初期状態はOFF(F3p=0)とし、カウンタcntpの初期値は0とする。
上述の図7を使って説明した処理にしたがって、保持判定用信号Tcおよび第1正側フラグF1pに基づいて正側補正フラグFcpを決定する。時刻t11で第1正側フラグF1pがONとなると、処理ステップS21によって第2正側フラグF2pがONとなる。第1正側フラグF1pがONであれば、言うまでもなく、保持判定用信号TcがTc>α2を満たすので、処理ステップS31によって第3正側フラグF3pがONとなる。さらに、第3正側フラグF3pがONなので、処理ステップS34によってカウンタcntpがインクリメントされてcntp=1となる。カウンタcntpがcntp<Cthなので、処理ステップS41によって正側補正フラグFcpがONとなる。
処理ステップS31によるカウンタcntpのリセットが行われていないので、カウンタcntpが徐徐に増加していく。カウンタcntpがcntp<Cthを満たすので、処理ステップS41によって正側補正フラグFcpがONのままとなる。
時刻t14にカウンタcntpが閾値Cthに達すると、処理ステップS36によって第3正側フラグフラグF3pはOFFとなり、カウンタcntpはリセットされる。さらに、処理ステップS40によって正側補正フラグFcpがOFFとなる。
上記のように構成した場合にも、次の効果が得られる。
・操舵トルクの微分値Tdに基づく保持判定用信号Tcを用いた補正解除条件を設定することにより、補正解除条件を満たすまで、すなわち、保持判定用信号Tcが閾値α2よりも大きい間、推定速度ωの補正を継続する。推定角の誤差Δθの増減は操舵トルクTrqに現れるため、操舵トルクの微分値Tdから補正の効果が現れたかどうかを判断することができるので、補正の効果が現れるまで補正を継続することができる。
・カウンタcntpが閾値Cthよりも小さい間、すなわち、閾値Cthで指定した設定時間が経過するまで推定速度ωの補正を継続するよう構成したことで、瞬時的な補正ではなく、補正の効果が十分現れるまで補正を実施できる。
本実施の形態2は、前述の実施の形態1と推定速度補正部5の構成が異なり、他は実施の形態1と同じである。具体的には、推定速度補正部5内の補正実行部52の処理と、補正用信号演算部53を備える点が実施の形態1と異なる。図12は、この発明の実施の形態2によるモータの制御角である推定角θを演算する、推定速度補正部5および推定角演算部6の構成の一例を示す機能ブロック図である。補正用信号演算部53は、操舵トルクの微分値(s・Trq=Td)に換算ゲインを乗算して求めた値を補正用信号ωcとして演算する。さらに、補正実行部52では、正側補正フラグFcpまたは負側補正フラグFcmがONのときに推定速度ωを補正する値が実施の形態1と異なり、補正用信号ωcによって推定速度ωを補正する。
本実施の形態3は、前述の実施の形態1、2と推定速度補正部5の構成が異なり、他は実施の形態1、2と同じである。具体的には、推定速度補正部5内の補正実行部52の処理と、補正用信号演算部53の出力である補正用信号ωcの演算方法が異なる。図14は、この発明の実施の形態3によるモータの制御角である推定角θを演算する、推定速度補正部5および推定角演算部6の構成の一例を示す機能ブロック図である。
この推定方法の場合、例えば、推定遅れが推定誤差Δθの要因となる。この推定方法では、操舵トルクTrqに基づいて演算した角度相当信号θtを微分して推定速度ωを算出しているが、判定用信号Tdjの演算とは異なる方法である。したがって、この推定方法であっても、判定用信号Tdjに基づいて補正を行うか否かの判定をすることで、推定誤差Δθを低減することができ、推定誤差Δθによって生じるトルク変動を抑制できる。
上記実施の形態のフィルタHj(s)、Hc(s)では、運転者の操舵の周波数よりも高い周波数として、カットオフ周波数ωhj、ωhcを3Hzで設定したが、振動成分を抽出することができれば良く、カットオフ周波数ωhj、ωhcは3Hzに限らない。例えば、30Hzの振動が生じるのであれば、30Hzの振動を抽出できるよう、カットオフ周波数ωhjとωhcを10Hzで設定してもよい。また、カットオフ周波数ωhj、ωhcは必ずしも同一である必要はなく、例えば、ωhjを3Hz、ωhcを5Hzで設定してもよい。この場合でも、3Hzと5Hzは近傍の周波数であるため、同様の周波数成分が抽出できる。
前述のフィルタHj(s)とHc(s)は同一のフィルタで設定したが、運転者の操舵の周波数成分を除去できれば良く、必ずしも同一である必要はない。例えば、カットオフ周波数ωhj,ωhcは同じで、フィルタHj(s)は1次のハイパスフィルタとし、フィルタHc(s)は2次のハイパスフィルタとしてもよい。また、フィルタHj(s)は1次ハイパスフィルタとし、フィルタHc(s)は1次ハイパスフィルタにセンサノイズ除去のための1次ローパスフィルタを追加したもので設定してもよい。これらの場合にも、フィルタHj(s)、Hc(s)により抽出できる主な周波数成分は、同様の周波数成分となる。
フィルタHc(s)とLc(s)は、ハイパスフィルタとローパスフィルタの組合せに限らず、例えば、次式(25)のようなバンドパスフィルタとバンドエリミネーションフィルタの組合せとして設定してもよい。
s:ラプラス変換の微分演算子、
kb:比例ゲイン、
ωb:フィルタ角周波数、
ζ:フィルタ減衰係数
である。
一般的に、電動パワーステアリング装置では、モータ1の出力トルクからトルクセンサ102で検出する操舵トルクTrqまでの伝達特性において、数10Hz程度以上の高い周波数帯域でのゲインは小さくなる。そのため、数10Hz程度以上の高い周波数成分の推定誤差Δθによって生じる振動は小さいので、操舵への影響は小さく無視してもよい。
この点に関し、これらの機能を実現する処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、DSPともいう)であっても構成可能である。
上記各部の機能を図17の(a)に示すハードウェアで構成した場合、処理回路1000は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC、FPGA、またはこれらを組み合わせたものが該当する。上記各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。
また処理に必要な各種情報は、ハードウェア構成の場合は回路に予め設定され、またソフトウェア構成の場合にはメモリに予め記憶させておく。
また、運転者の操舵力をアシストするモータ(1)の回転速度の推定値である推定速度(ω)を算出することと、検出した運転者の操舵トルク(Trq)に基づいて前記推定速度(ω)を補正することと、補正後の推定速度(ωg)を積分して前記モータの推定角(θ)を算出することと、前記推定角(θ)に基づいて前記モータに電力を供給することと、を備え、前記操舵トルクの微分値(Td、s・Trq)から運転者の操舵の周波数成分を除去(Hj(s))した値に基づく判定用信号(Tdj)と前記操舵トルク(Trq)と前記推定速度(ω)とが同符号のとき、前記推定速度(ω)を補正する、電動パワーステアリング装置の制御方法とした。
操舵トルクの符号と操舵トルクの微分値の符号から運転者の操舵の方向と操舵トルクの増減がわかるので、操舵トルクの符号と操舵トルクの微分値の符号とが同符号であれば、操舵トルクの大きさが増加していることを判定することができる。
さらに、操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した判定用信号の符号と推定速度の符号が同符号なら、推定速度の誤差により推定角の誤差が増加することでモータのトルクが減少し、操舵トルクが増加していると判定できる。これは、操舵トルクの微分値とモータの回転速度との間に相関があり、運転者の操舵の周波数よりも高い周波数帯域においては正負の符号が逆になることを利用している。すなわち、同符号であれば、推定速度に誤差があることが判定できる。加えて、操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した値を判定用信号とすることで、検出した操舵トルクに含まれるモータのトルクの変化を抽出することができるので、検出した操舵トルクの増加が運転者の力の増加によるものか、モータのトルクの減少によるものかを区別して判定できる。
上記判定によって推定角の誤差が増加していることが判定できるので、推定速度を補正することで推定角の誤差を小さくすることができる。推定角の誤差を小さくできるので、推定角の誤差によって生じるトルク変動を抑制することができ、振動の小さい安定的なセンサレス制御を行える電動パワーステアリング装置を提供できる。
これにより、判定用信号の大きさが予め設定された閾値より大きいことを判定することで、推定誤差によって操舵トルクが大きく変化したことを判定することができるので、判定の精度が向上する。
これにより、補正条件を満たすとき、推定速度には誤差があり、推定速度が実際の速度よりも大きくなっているので、推定速度を零とすることで、誤った推定速度を積分して推定角の誤差が拡大することを防止できる。
これにより、モータの回転速度は操舵トルクの微分値と相関があるため、この相関を利用して、より精度の良い補正が実施できる。
これにより、推定速度の基本成分は利用しつつ、振動に起因する周波数成分の推定誤差を操舵トルクから演算した値に基づいて補正できるので、より精度の良い補正が実施できる。
これにより、推定速度の基本成分は利用しつつ、振動に起因する瞬時的に変化した推定誤差を操舵トルクから演算した値に基づいて補正できる。さらに、モータの回転速度は操舵トルクの微分値と相関があるため、より精度の良い補正が実施できる。
これにより、補正を予め定められた設定時間が経過するまで継続することで、瞬時的な補正ではなく、補正の効果が十分現れるまで補正できる。
これにより、推定誤差の増減は操舵トルクに現れるため、操舵トルクの微分値から補正の効果が現れたかどうかを判断することができる。よって、補正の効果が現れるまで補正を継続することができる。
Claims (9)
- 運転者の操舵トルクを検出する操舵トルク検出部と、
運転者の操舵力をアシストするモータと、
前記モータの回転速度の推定値である推定速度を算出する推定速度演算部と、
前記操舵トルクに基づいて前記推定速度を補正する推定速度補正部と、
補正後の推定速度を積分して前記モータの推定角を算出する推定角演算部と、
前記推定角に基づいて前記モータに電力を供給する電力供給部と、
を備え、
前記推定速度補正部は、前記操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した値に基づく判定用信号と前記操舵トルクと前記推定速度とが同符号のとき、前記推定速度を補正する、
電動パワーステアリング装置。 - 前記推定速度補正部は、前記操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した値に基づく前記判定用信号と前記操舵トルクと前記推定速度とが同符号で、かつ、前記判定用信号の大きさが設定閾値より大きいとき、前記推定速度を補正する、請求項1に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記推定速度補正部は、前記推定速度を零に補正する、請求項1または2に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記推定速度補正部は、前記操舵トルクの微分値に換算ゲインを乗算した補正用信号によって前記推定速度を補正する、請求項1または2に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記推定速度補正部は、前記操舵トルクの微分値から演算した第1補正用信号と前記推定速度から演算した第2補正用信号の和によって前記推定速度を補正する、請求項1または2に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記第1補正用信号は、前記操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した値に換算ゲインを乗算して算出し、
前記第2補正用信号は、前記推定速度から運転者の操舵の周波数成分を抽出して算出する、請求項5に記載の電動パワーステアリング装置。 - 前記推定速度補正部は、前記操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した値に基づく前記判定用信号と前記操舵トルクと前記推定速度とが同符号のとき、設定時間が経過するまで前記推定速度を補正する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記推定速度補正部は、前記操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した値に基づく前記判定用信号と前記操舵トルクと前記推定速度とが同符号のとき、前記操舵トルクの微分値に基づく補正解除条件を満たすまで、前記推定速度を補正する、請求項1から7までのいずれか1項に記載の電動パワーステアリング装置。
- 運転者の操舵力をアシストするモータの回転速度の推定値である推定速度を算出することと、
検出した運転者の操舵トルクに基づいて前記推定速度を補正することと、
補正後の推定速度を積分して前記モータの推定角を算出することと、
前記推定角に基づいて前記モータに電力を供給することと、
を備え、
前記操舵トルクの微分値から運転者の操舵の周波数成分を除去した値に基づく判定用信号と前記操舵トルクと前記推定速度とが同符号のとき、前記推定速度を補正する、
電動パワーステアリング装置の制御方法。
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