JP7280251B2 - 電動ステアリングアシスト部を有するステアリングシステムを駆動制御するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載の、電動ステアリングアシスト部を有するステアリングシステムを駆動制御するための方法と、ステアリングシステムとに関する。

ステアリング制御部による電動ステアリングアシストは、ステアリングシステムのステアリングギアに目標アシストトルクを導入するために使用される。このような電動ステアリングアシストは、一般的に知られている。

しかしながら、電動ステアリングアシスト部を有する現在のステアリングシステムにおいては、フロントアクスルダイナミクスとも称されるアクスルの動的挙動（ダイナミック挙動）が考慮されていない。ラックを有するステアリングギアの場合、フロントアクスルダイナミクスは、ラックのスライドに対するフロントアクスルの力応答である。車両によっては、このフロントアクスルダイナミクスによって不安定性がもたらされ、又は、ステアリング感覚の損失がもたらされる可能性がある。

従って、未知であると仮定されるフロントアクスルダイナミクスに対して安定するように、ステアリング制御部をパラメータ化しなければならない。

本発明の課題は、改善されたステアリング制御部を提供することである。

上記の課題は、独立請求項に記載の、駆動制御するための方法と、ステアリングシステムとによって解決される。

電動ステアリングアシスト部を有するステアリングシステムを駆動制御するための方法に関して、ステアリングアシスト部に対する目標量が、ステアリング制御部によって設定され、ステアリングシステムが、目標量に基づいて駆動制御され、ステアリングシステムによってステアリングされるアクスルの動的挙動を補償するための補償値が、モデルに基づいて決定され、目標量が、補償値に基づいて決定する。これによってフロントアクスルダイナミクスが、モデルに基づいてアクティブに補償され、これによって制御が改善される。さらに、よりロバストな制御システムを実現するために、例えばフロントアクスルのボールねじ機構をより強固に結合するなどの、比較的高コストの解決策が回避される。

有利には、補償値は、ステアリングシステムのラックに作用するラック力を表したものである。これによって、ラックの振れを引き起こすラック力が補償される。目標量に対してこのように影響を与えることにより、外乱に対して制御が特に迅速に反応することが可能となる。

有利には、補償値は、ラックの基準位置に対するステアリングシステムのラックの振れを示すラック移動量に関する情報に基づいて決定される。ラックのフロントアクスルダイナミクスの外乱を直接的に検出することにより、従来のセンサに基づいた線形モデルを使用することが可能となる。

有利には、ラック移動量に関する情報は、少なくとも１つの測定値に基づいて決定され、測定値は、基準位置に対するステアリングアシスト部の電気駆動部のロータ位置に関する情報を表したものであり、又は、測定値は、ステアリングシステムのステアリングホイールを電動ステアリングシステムの電気駆動部に接続するトーションバーにおけるトルクに関する情報を表したものであり、又は、測定値は、ステアリングホイールの角位置に関する情報、若しくは、基準角位置に対する、ラックを駆動するシャフトの角位置に関する情報を表したものである。これにより、角位置センサ又はトルクセンサによって測定値を簡単に検出することが可能となる。カルマンフィルタを用いたセンサフュージョンを実施することが可能となる。

有利には、補償値は、

として決定され、ここで、ラックの基準位置に対するラックの振れを示す移動量をラック移動量（ｓ _Ｒａ ）とし、ラック（１０８）に作用する外乱力をラック力（Ｆ _Ｒａ ）としたとき、
ｃは、

であり、
Ｌは、ラック力（Ｆ _Ｒａ ）からトーションバーのトルク（Ｔ_Ｔｂ）への伝達特性であり、
Ｒは、ラック移動量（ｓ_Ｒａ）からラック力（Ｆ_Ｒａ）への伝達特性である。
これにより、フィードフォワード制御によってフロントアクスルの影響を除去することが可能となる。

有利には、目標モータトルクが決定され、補償値と、目標モータトルクとに基づいて、目標量として、補償された目標モータトルクが決定される。これにより、目標アシストトルクによる従来の制御に簡単に組み込むことが可能となる。

ステアリングシステムに関して、ステアリング制御部は、ステアリングアシスト部に対する目標量を設定するように構成されており、ステアリングシステムは、目標量に基づいて駆動制御され、ステアリング制御部は、ステアリングシステムによってステアリングされるアクスルの動的挙動を補償するための補償値を、モデルに基づいて決定するように構成されており、目標量は、補償値に基づいて決定される。ステアリング制御部による動的挙動の補償により、制御が改善される。

有利には、ステアリングシステムは、ラックを含み、補償値は、ラックに作用するラック力を表したものである。ラックの駆動制御に対してこのように影響を与えることにより、ダイナミクスに対して特に良好に影響を与えることが可能となる。

有利には、ステアリング制御部は、補償値を、ラックの基準位置に対するステアリングシステムのラックの振れを示すラック移動量に関する情報に基づいて決定するように構成されている。これにより、ダイナミクスを特に簡単に考慮することが可能になる。

有利には、ステアリング制御部は、ラック移動量に関する情報を、少なくとも１つの測定値に基づいて決定するように構成されており、ステアリングシステムは、基準位置に対するステアリングアシスト部の電気駆動部のロータ位置に関する情報として、測定値を検出するように構成された角位置センサを含み、又は、ステアリングシステムは、ステアリングシステムのステアリングホイールを電動ステアリングシステムの電気駆動部に接続するトーションバーにおけるトルクに関する情報を検出するように構成されたトルクセンサを含み、又は、ステアリングシステムは、基準角位置に対するステアリングホイールの角位置に関する情報を検出するように構成された角位置センサを含み、又は、ステアリングシステムは、基準角位置に対する、ラックを駆動するシャフトの角位置に関する情報を検出するように構成された角位置センサを含む。角位置センサ又はトルクセンサによる測定値の検出を、従来のステアリングシステムにおいて、特に良好に実施することが可能となる。

有利には、ステアリング制御部は、補償値を、

として決定するように構成されており、ここで、ラックの基準位置に対するラックの振れを示す移動量をラック移動量（ｓ _Ｒａ ）とし、ラック（１０８）に作用する外乱力をラック力（Ｆ _Ｒａ ）としたとき、
ｃは、

であり、
Ｌは、ラック力（Ｆ _Ｒａ ）からトーションバーのトルク（Ｔ_Ｔｂ）への伝達特性であり、
Ｒは、ラック移動量（ｓ_Ｒａ）からラック力（Ｆ_Ｒａ）への伝達特性である。
これにより、フィードフォワード制御として従来の制御システムに簡単に組み込むことが可能となる。

有利には、ステアリング制御部は、目標モータトルクを決定するように構成されており、補償値と、目標モータトルクとに基づいて、目標量として、補償された目標モータトルクが決定される。この制御によって、従来の制御に、特に簡単に組み込むことが可能となる。

特に、単独で実現することができ、又は、有利には、上述した本発明の態様に加えて実現することができる本発明のさらなる態様によれば、ステアリングシステムによってステアリングされる自動車のアクスルのダイナミクスをエミュレートするための方法が提案され、ステアリングシステムは、ラックを含み、ステアリングシステムによってステアリングされるアクスルの動的挙動を補償するための補償値が、モデルに基づいて決定される。さらに有利には、補償値は、特に、ラックの基準位置に対するステアリングシステムのラックの振れを示すラック移動量に関する情報に基づいて決定される。ラック移動量に関する情報は、有利には少なくとも１つの測定値に基づいて決定され、測定値は、好ましくは、基準位置に対するステアリングアシスト部の電気駆動部のロータ位置に関する情報を表したものであり、又は、測定値は、ステアリングホイールの角位置に関する情報、若しくは、基準角位置に対する、ラックを駆動するシャフトの角位置に関する情報を表したものである。これにより、既に上述した利点を達成することが可能となる。特に、これによってフロントアクスルダイナミクスが、モデルに基づいてアクティブに補償され、これによって制御が改善される。さらに、よりロバストな制御システムを実現するために、例えばフロントアクスルのボールねじ機構をより強固に結合するなどの、比較的高コストの解決策が回避される。

特に、単独で実現することができ、又は、有利には、上述した本発明の態様に加えて実現することができる本発明のさらなる態様によれば、ステアリングシステムによってステアリングされる自動車のアクスルのダイナミクスをエミュレートするための装置が提案され、ステアリングシステムは、ラックを含み、装置は、ステアリングシステムによってステアリングされるアクスルの動的挙動を補償するための補償値を、モデルに基づいて決定するように構成されている。さらに有利には、補償値は、特に、ラックの基準位置に対するステアリングシステムのラックの振れを示すラック移動量に関する情報に基づいて決定される。ラック移動量に関する情報は、有利には少なくとも１つの測定値に基づいて決定され、測定値は、好ましくは、基準位置に対するステアリングアシスト部の電気駆動部のロータ位置に関する情報を表したものであり、又は、測定値は、ステアリングホイールの角位置に関する情報、若しくは、基準角位置に対する、ラックを駆動するシャフトの角位置に関する情報を表したものである。これにより、既に上述した利点を達成することが可能となる。特に、これによってフロントアクスルダイナミクスが、モデルに基づいてアクティブに補償され、これによって制御が改善される。さらに、よりロバストな制御システムを実現するために、例えばフロントアクスルのボールねじ機構をより強固に結合するなどの、比較的高コストの解決策が回避される。

さらなる有利な実施形態は、以下の説明及び図面から明らかとなる。

ステアリングシステムの概略図である。 角位置の概略図である。 制御ループの一部の概略図である。

図１は、電動ステアリングアシスト部１０２を有するステアリングシステム１００を概略的に示す。

ステアリング制御部１０４は、ステアリングアシスト部１０２に対する目標量

を設定するように構成されている。ステアリングシステム１００は、目標量

に基づいて駆動制御される。ステアリングシステム１００は、ラック１０８によって移動可能なアクスル１０６を含む。この例においては、目標量

は、ステアリングアシスト部１０２に対する目標トルクである。フロントアクスルダイナミクスによって、ラック１０８に作用するラック力Ｆ_Ｒａが発生する。ラック１０８は、ラック移動量ｓ_Ｒａの分だけ移動させられ、このラック移動量ｓ_Ｒａは、ラック１０８の基準位置１１０に対するステアリングシステム１００のラック１０８の振れを示す。この例においては、正のラック力Ｆ_Ｒａは、図１の矢印の方向に作用し、即ち、正のラック移動量ｓ_Ｒａを有するラック１０８の振れの方向に作用する。この例においては、負のラック力Ｆ_Ｒａは、矢印の方向とは反対方向に作用し、即ち、負のラック移動量ｓ_Ｒａを有するラック１０８の振れの方向に作用する。上記の定義は、一例であって、これとは異なるように選択してもよい。

ステアリング制御部１０４は、ラック移動量ｓ_Ｒａに関する情報を、少なくとも１つの測定値に基づいて決定するように構成されている。ステアリングシステム１００は、例えば、基準位置２０４に対するステアリングアシスト部１０２の電気駆動部１１２のロータ位置２０２に関する情報として、測定値を検出するように構成された角位置センサ１１８を含む。

この例においては、ステアリングシステム１００は、ステアリングシステム１００のステアリングホイール１１６を電動ステアリングシステム１００の電気駆動部１１２に接続するトーションバー１１４におけるトルクＴ_Ｔｂに関する情報を検出するように構成されたトルクセンサ１１６を含む。

追加的又は代替的に、ステアリングシステム１００は、基準角位置ω_Ｒｅｆに対するステアリングホイール１１６の角位置ω_Ｌに関する情報を検出するように構成された角位置センサ１２２を含むこともできる。基準角位置ω_Ｒｅｆに対する、ラックを駆動するシャフト１２４の角位置ω_Ｒａに関する情報を検出するように、角位置センサ１１８を構成することもできる。

図２は、ステアリングシステム１００において動作時に発生しうる角位置を概略的に示す。

ステアリング制御部１０４は、ステアリングシステム１００によってステアリングされるアクスル１０６の動的挙動を補償するための補償値を、モデルに基づいて決定するように構成されている。目標量

は、補償値に基づいて決定される。

第１の例においては、ステアリング制御部１０４は、補償値を、ラック移動量ｓ_Ｒａに関する情報に基づいて決定するように構成されている。

より詳細には、ステアリング制御部１０４は、目標モータトルクＴ_Ｍｏｔを決定するように構成されており、補償値と、目標モータトルクＴ_Ｍｏｔとに基づいて、目標量

として、補償された目標モータトルク

が決定される。

フロントアクスルダイナミクスは、例えば、好ましくは全ての試運転中の車両に対して測定される。これに関して、例えば設計ツールを用いて初期の取得段階で利用可能である、フロントアクスルダイナミクスのモデルを使用することができる。

第１の例においては、このようにしてフロントアクスルダイナミクスの線形モデルが作成される。

フロントアクスルダイナミクスの線形モデルの入力量として、ラック移動量ｓ_Ｒａが使用され、このラック移動量ｓ_Ｒａは、従来のステアリングシステムにおいて既に利用可能である複数のセンサデータから、例えば、ロータ位置２０２、トーションバー１１４におけるトルクＴ_Ｔｂ、又は、その他の電動パワーステアリング（Elektronic Power Steering）のセンサデータから、例えばカルマンフィルタを介したセンサフュージョンによって求められる。出力として、例えば、外乱力であるラック力Ｆ_Ｒａが計算される。ここから、外乱力に対抗するモータトルクを生成するために、目標量

が決定される。

フロントアクスルダイナミクスの補償に加えて、本明細書においては補償値と称される計算された量を使用して、フロントアクスルの特定の挙動をエミュレートすることが可能である。１つの適用事例は、例えば、ステア・バイ・ワイヤ（Steer-By-Wire）システムであろう。

このために、例えば、車両内部のフロントアクスルダイナミクスを補償し、他のアクスルダイナミクスを重ね合わせることができる。

代替形態として、フロントアクスルダイナミクスを測定する代わりに、ばね－質量－ダンパー系の発振器を使用して、タイヤサイズ及びアクスルデザインに基づいて、仮想的なアクスルをパラメータ化してもよい。制御システムをパラメータ化するためにアクスルが存在しない場合には、このことが有用である。

第２の例においては、モデルの単純化が実施される。これによれば、ラックの移動量ｓ_Ｒａを求めることを省略することができる。

既に適用されている、ステアリングアシスト部のための制御方法論と、パラメータ化とに加えて、フロントアクスルダイナミクスに対抗し、その影響を補償するためのコンポーネントが追加される。

外乱であるフロントアクスルダイナミクスを有するこのようなステアリングシステム１００を、

のように表すことができ、ここで、
Ｇは、ステアリングシステム１００の伝達特性であり、
Ｋは、ステアリングアシスト部の電気駆動部の目標モータトルクＴ_Ｍｏｔからトーションバー１１４のトルクＴ_Ｔｂへの伝達特性であり、
Ｌは、外乱力であるラック力Ｆ_ＲａからトーションバーのトルクＴ_Ｔｂへの伝達特性であり、
Ｍは、目標モータトルクＴ_Ｍｏｔからラック移動量ｓ_Ｒａへの伝達特性であり、
Ｎは、ラック力Ｆ_Ｒａからラック移動量ｓ_Ｒａへの伝達特性であり、
Ｒは、ラック移動量ｓ_Ｒａからラック力Ｆ_Ｒａへの伝達特性である。

なお、Ｒは、フロントアクスルダイナミクスによる外乱を表す。トーションバーの剛性が線形であって、ステアリングシステムのステアリングギアの変速比が一定であると仮定すると、ｃが、

である場合に、ｓ_Ｒａ＝ｃＴ_Ｔｂとして単純化することにより、このＭＩＭＯシステムを、ＳＩＳＯシステムに変換することができ、
Ｔ_Ｔｂ＝（Ｋ／（１－ｃＬＲ））Ｔ_Ｍｏｔ＝Ｋ Ｇ Ｔ_Ｍｏｔ
のように表すことが可能となる。

フロントアクスルダイナミクスの影響を除去するために、フィードフォワード制御が、

のように決定される。

図３に部分的に示されている制御ループは、目標モータトルクＴ_Ｍｏｔとして目標アシストトルクを決定するための従来の制御を含む。目標モータトルクＴ_Ｍｏｔは、まず始めに、当該目標モータトルクＴ _Ｍｏｔ に対する補償値

との乗算によって目標量

に変更される。図３にはさらに、目標モータトルクＴ_Ｍｏｔからトーションバー１１４におけるトルクＴ_Ｔｂへの伝達特性Ｋを示す。さらに、図３のステアリングシステムのさらなる伝達特性が、目標量

に対する
ｃＬＲ
の項の追加的なフィードバックによって考慮される。

この例においては、ステアリング制御部１０４は、補償値

を、

として決定するように構成されている。

好ましくは、Ｌ関数及びＲ関数が使用され、これらの関数の乗算によれば、移行関数のゼロ位置又は極位置が短縮されない。フロントアクスルダイナミクスが完全に補償されることは、前提とされていない。種々異なるリムサイズ及び負荷レベルに起因するモデルの偏差は、これまでと同様に、ステアリング制御部によって補償することができる。これらのフロントアクスルダイナミクスは、同様の推移を有しているので、タイヤサイズ及びベースが種々異なる場合においても、制御挙動の改善が可能である。

Claims (2)

1. アクスル（１０６）を移動させるラック（１０８）を駆動するシャフト（１２４）にトーションバー（１１４）を介して接続されたステアリングホイール（１１６）と、前記シャフト（１２４）に配置された電気駆動部（１１２）を有する電動ステアリングアシスト部（１０２）と、前記電気駆動部（１１２）を駆動制御するステアリング制御部（１０４）とを備えるステアリングシステム（１００）を制御するための方法であって、
   ｃを、
   

   

   とし、
   前記ラック（１０８）に作用する外乱力をラック力（Ｆ _Ｒａ ）とし、
   フロントアクスルダイナミクスの線形モデルにおける、前記ラック力（Ｆ _Ｒａ ）から前記トーションバー（１１４）のトルク（Ｔ _Ｔｂ ）への伝達特性をＬとし、
   前記ラック（１０８）の基準位置（１１０）に対する前記ラック（１０８）の振れを示す移動量をラック移動量（ｓ _Ｒａ ）とし、
   前記フロントアクスルダイナミクスの前記線形モデルにおける、前記ラック移動量（ｓ _Ｒａ ）から前記ラック力（Ｆ _Ｒａ ）への伝達特性をＲとしたとき、
   前記ステアリング制御部（１０４）は、前記ステアリングシステム（１００）によってステアリングされる前記アクスル（１０６）の動的挙動を補償するための補償値
   

   

   を、
   

   

   として決定し、
   前記ステアリング制御部（１０４）は、前記電動ステアリングアシスト部（１０２）に対する目標モータトルク（Ｔ _Ｍｏｔ ）を、以下の方程式
   

   

   により、前記アクスル（１０６）の動的挙動が補償された目標モータトルクである目標量
   

   

   に変更し、
   前記ステアリング制御部（１０４）は、前記目標量
   

   

   に基づいて、前記電気駆動部（１１２）を駆動制御する、
   方法。
2. アクスル（１０６）を移動させるラック（１０８）を駆動するシャフト（１２４）にトーションバー（１１４）を介して接続されたステアリングホイール（１１６）と、前記シャフト（１２４）に配置された電気駆動部（１１２）を有する電動ステアリングアシスト部（１０２）と、前記電気駆動部（１１２）を駆動制御するステアリング制御部（１０４）とを備えるステアリングシステム（１００）であって、
   ｃを、
   

   

   とし、
   前記ラック（１０８）に作用する外乱力をラック力（Ｆ _Ｒａ ）とし、
   フロントアクスルダイナミクスの線形モデルにおける、前記ラック力（Ｆ _Ｒａ ）から前記トーションバー（１１４）のトルク（Ｔ _Ｔｂ ）への伝達特性をＬとし、
   前記ラック（１０８）の基準位置（１１０）に対する前記ラック（１０８）の振れを示す移動量をラック移動量（ｓ _Ｒａ ）とし、
   前記フロントアクスルダイナミクスの前記線形モデルにおける、前記ラック移動量（ｓ _Ｒａ ）から前記ラック力（Ｆ _Ｒａ ）への伝達特性をＲとしたとき、
   前記ステアリング制御部（１０４）は、
   前記ステアリングシステム（１００）によってステアリングされる前記アクスル（１０６）の動的挙動を補償するための補償値
   

   

   を、
   

   

   として決定し、
   前記ステアリング制御部（１０４）は、前記電動ステアリングアシスト部（１０２）に対する目標モータトルク（Ｔ _Ｍｏｔ ）を、以下の方程式
   

   

   により、前記アクスル（１０６）の動的挙動が補償された目標モータトルクである目標量
   

   

   に変更し、
   前記ステアリング制御部（１０４）は、前記目標量
   

   

   に基づいて、前記電気駆動部（１１２）を駆動制御する、
   ステアリングシステム（１００）。

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