JP7342876B2 - ステアリング制御装置およびパワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリング制御装置およびパワーステアリング装置に関する。

従来、パワーステアリング装置に対してステアリング制御を行うステアリング制御装置が知られている。従来のステアリング制御は主としてアシスト制御である。

例えば、特許文献１に開示された制御装置は、トルクセンサで検出された操舵トルクに基づいて、モータの制御目標である電流指令値を演算し、外乱オブザーバにより推定されたセルフアライニングトルクに基づいて操舵反力の定義を行って操舵トルクにフィードバックする。

特開２００３－２００８４４号公報

本発明に係るステアリング制御装置の一態様は、ステアリング機構を駆動するモータの回転角をハンドルの回転角に従って制御するステアリング制御装置において、ステアリング機構による舵角をステアリング特性の逆特性に入力することで算出されるステアリングに加えられる総合的なトルク、モータのトルク、及び、ハンドルの回転によるトルクを用いてセルフアライニングトルクを算出する外乱オブザーバと、セルフアライニングトルクに基づき、ステアリング機構による舵角の変更に伴ってハンドルに生じる操舵反力トルクを推定する操舵反力トルク推定部と、上記ハンドルの回転角と上記操舵反力トルクとを指令値として上記モータを駆動させることで目標舵角と上記ステアリング機構における舵角との差を減少させるモータ制御部と、を備える。ステアリング機構における舵角は、ハンドルからの入力トルクを車軸へ伝達する軸の回転角である。舵角制御部は、ハンドルの回転角と操舵反力トルクとに基づき目標舵角を推定する目標舵角推定部と、目標舵角とステアリング機構における舵角とに基づきモータを駆動する角度フィードバック部と、を有する。目標舵角推定部は、ハンドルの回転角と、操舵反力トルクに逆らって現在のステアリング機構における舵角を保つために加算される角度成分と、の和に基づき目標舵角を推定する。

しかし、トルクフィードバックが行われることにより、目標トルクに対する追従性はモータのロストルクとトルクリップルの影響を受けてしまう。そして、このような影響の抑制には複雑な補償処理が必要である。また、補償器の設計はモータの製造ばらつきや経年変化の影響もあり、容易ではない。 そこで、本発明は、トルクリップルの影響が少ないステアリング制御を行うことを目的とする。

本発明に係るステアリング制御装置の一態様は、ステアリング機構を駆動するモータの回転角をハンドルの回転角に従って制御するステアリング制御装置において、上記ステアリング機構による舵角の変更に伴って生じる操舵反力トルクを算出する外乱アブソーバと、上記ハンドルの回転角と上記操舵反力トルクとを指令値として上記モータを駆動させることで目標舵角と上記ステアリング機構における舵角との差を減少させるモータ制御部と、を備える。

また、本発明に係るパワーステアリング装置の一態様は、上記ステアリング制御装置と、上記ステアリング制御装置によって制御されるモータと、上記モータによって駆動されるパワーステアリング機構と、を備える。

本発明によれば、トルクリップルの影響が少ないステアリング制御を行うことができる。

図１は、本発明のパワーステアリング装置の一実施形態を示す概略図である。 図２は、電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。 図３は、ステアリング制御装置の変形例を示す図である。 図４は、ステアリング制御装置の別の変形例を示す図である。 図５は、電動パワーステアリング装置の変形例を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本開示のステアリング制御装置およびおよびパワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。図１は、本発明のパワーステアリング装置の一実施形態を示す概略図である。

図１に示す通り、本実施形態では、コラムタイプの電動パワーステアリング装置が例示される。電動パワーステアリング装置９は、自動車の車輪の操舵機構に搭載される。電動パワーステアリング装置９は、モータを内蔵したステアリング制御装置１の動力により操舵力を直接的に軽減するコラム式のパワーステアリング装置である。電動パワーステアリング装置９は、ステアリング制御装置１と、操舵軸９１４と、車軸９１３と、を備える。

操舵軸９１４は、ハンドル９１１からトーションバー９１５を介して伝達される入力トルクを、車輪９１２を有する車軸９１３に伝える。換言すると、ハンドル９１１は、トーションバー９１５を介して、車輪９１２と車軸９１３と操舵軸９１４を含んだステアリング機構にトルクを加える。

ステアリング制御装置１の動力は、ギヤなどを介して操舵軸９１４に伝えられる。コラム式の電動パワーステアリング装置９に採用されるモータは、エンジンルーム（図示せず）の内部に設けられる。なお、図１に示す電動パワーステアリング装置９は、一例としてコラム式であるが、本発明のパワーステアリング装置はラック式であってもよい。

ハンドル９１１の回転角である操舵角θｈは、角度センサ９１６によって検出される。角度センサ９１６による検出値はステアリング制御装置１に入力され、ステアリング制御装置１の目標出力の算出に用いられる。また、トーションバー９１５から操舵軸９１４へと伝達されるトルクはトルクセンサ９１７によって検出される。トルクセンサ９１７による検出値もステアリング制御装置１に入力され、ステアリング制御装置１の目標出力の算出に用いられる。

ハンドル９１１からトーションバー９１５を経て伝達される操舵トルクと、ステアリング制御装置１の動力によるアシストトルクとが操舵軸９１４に加えられることにより、操舵軸９１４の回転角であるステアリング角θｓが生じる。 図２は、電動パワーステアリング装置９の構成を示すブロック図である。 図２において、θｈは操舵角、θｓはステアリング角、Ｋ_ｔｏｒはトーションバー９１５の捻り係数、ＳＴＧ（ｓ）はステアリング特性を表している。

ハンドル９１１の操舵角θｈとステアリング角θｓとの差によってトーションバー９１５が捻られてトルクが生じる。操舵角θｈは角度センサ９１６によって検出されてステアリング制御装置１に入力される。また、トーションバー９１５に生じたトルクはトルクセンサ９１７によって検出されてステアリング制御装置１に入力される。

ステアリング制御装置１にはモータ１０が備えられている。モータ１０は、いわゆる機電一体型のモータであり、目標の出力トルクを表す指令値の入力を受けて、その出力トルクを出力する。ステアリング制御装置１は、ステアリング機構を駆動するモータ１０の回転角をハンドル９１１の回転角に従って制御するステアリング制御装置の一実施形態に相当する。

車輪９１２から操舵軸９１４までを含みステアリング特性ＳＴＧ（ｓ）を示すステアリング機構には、トーションバー９１５に生じたトルクと、モータ１０の出力トルクと、外乱Ｄ（ｓ）のトルクが加えられ、これらのトルクの総合によってステアリング角θｓが生じる。ステアリング機構に加えられる外乱Ｄ（ｓ）は、ステアリング機構による舵角（ステアリング角θｓ）の変更に伴って生じる操舵反力トルクや車輪９１２に対して地面の凹凸等が与えるトルクが主であり、操舵力やモータ１０のトルクとは逆方向に働く。 また、操舵反力トルクには、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）や、車輪９１２と地面との摩擦力に伴うトルクが含まれる。 ステアリング制御装置１は、操舵角θｈに基づいてモータ１０を駆動することでステアリング角θｓを操舵角θｈに近づける。

ステアリング制御装置１は、角度フィードバック部２１と、目標舵角推定部２２と、操舵反力トルク推定部２３と、外乱オブザーバ３０とを備えている。外乱オブザーバ３０とは、モータトルク算出部３１と、ステアリングトルク推定部３２と、フィルタ３３とを備えている。

外乱オブザーバ３０には、モータ１０の駆動電流値Ｉｍｏｔｏｒと、トルクセンサ９１７の検出値と、ステアリング角θｓが入力される。ここでステアリング角θｓは、モータ１０に備えられている回転センサによって検出されたモータ１０の回転数から求められる。

モータ１０の回転軸（出力軸）と操舵軸９１４とは減速ギヤなどを介して相互に結合されている。このため、操舵軸９１４を回転させるトルクがモータ１０によるトルクであるか他のトルクであるかに関わらず、モータ１０と操舵軸９１４とは常に一緒に回転する。従って、モータ１０の回転数からギヤ比などに基づいてステアリング角θｓが算出される。

外乱オブザーバ３０のモータトルク算出部３１は、モータ１０の駆動電流値Ｉｍｏｔｏｒをモータ１０の特性Ｋに入力してモータ１０の出力トルクを算出する。但し、モータトルク算出部３１によって算出されるトルクは、モータ１０の出力トルクのうち、操舵に使われるトルクである。

また、外乱オブザーバ３０のステアリングトルク推定部３２は、ステアリング角θｓをステアリング特性ＳＴＧ（ｓ）の逆特性に入力することで、ステアリング系に加えられている総合的なトルクを算出する。

モータトルク算出部３１の算出値がトルクセンサ９１７の検出値と加算され、さらにステアリングトルク推定部３２の算出値が減算されることにより、外乱Ｄ（ｓ）の推定値が得られる。この推定値には種々の外乱成分が含まれているので、外乱オブザーバ３０は、フィルタ３３によるフィルタ処理によって、操舵反力トルクのうちのセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）を算出する。

外乱オブザーバ３０によって算出されたセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）は操舵反力トルク推定部２３に入力され、特定の変換特性に基づいて、ハンドル９１１に生じている操舵反力トルクＴｋに変換される。

図２に示す外乱オブザーバ３０と操舵反力トルク推定部２３とを併せたものが、本発明にいう外乱オブザーバの一例に相当する。本実施形態では、ハンドル９１１の回転によりステアリング機構に加えられたトルクの測定値に相当するトルクセンサ９１７の検出値が用いられて操舵反力トルクＴｋが算出される。このため、操舵反力トルクＴｋの算出精度が高い。

目標舵角推定部２２は、操舵反力トルク推定部２３によって得られた操舵反力トルクＴｋと角度センサ９１６によって検出された操舵角θｈとに基づいて目標舵角θｓ０を推定する。目標舵角θｓ０の推定は、以下の式（１）、式（２）によって求められる。



Δθ×Ｋ_ｔｏｒ＝Ｔｋ ……（１）



θｓ０＝θｈ＋Δθ ……（２）

このように推定された目標舵角θｓ０とステアリング角θｓとの差分が角度フィードバック部２１に入力され、差分が大きい程大きなトルクが算出される。このように算出されたトルクを表す指令値がモータ１０に入力されることでアシストトルクが発生する。

上記式（２）で操舵角θｈに加算された角度成分Δθは、操舵反力トルクＴｋに逆らって現在の操舵角θｈを保つために加算される角度成分Δθであるため、結局、ステアリング制御装置１では、ステアリング角θｓと操舵角θｈとの差を減少させる角度制御が行われることになる。また、トーションバー９１５の捻り係数Ｋ_ｔｏｒを含んだ上記式（１）が用いられて目標舵角θｓ０が推定されるので、角度制御の結果としてトーションバー９１５の捻れ量が抑制される。

角度フィードバック部２１と目標舵角推定部２２とを併せたものは、ハンドル９１１の回転角（操舵角θｈ）と操舵反力トルクＴｋとを指令値としてモータ１０を駆動させることで目標舵角θｓ０とステアリング機構における舵角（ステアリング角θｓ）との差を減少させる舵角制御部の一例に相当する。

このようにステアリング制御装置１では角度制御が行われるので、モータ１０の回転角度に依存したコギングトルクの影響がトルク制御に較べて小さい。また、角度制御の下ではトルク制御よりもトルクリップルの補償が容易である。このため、本実施形態のステアリング制御装置１では、ステアリング制御におけるトルクリップルの影響が小さい。そして、本実施形態の電動パワーステアリング装置９では、滑らかなパワーアシストが実現される。 次に、電動パワーステアリング装置９およびステアリング制御装置１の変形例について説明する。 図３は、ステアリング制御装置１の変形例を示す図である。

図３に示す変形例では、ステアリング制御装置１の角度フィードバック部２１とモータ１０との間に速度ループ部２４が備えられている。速度ループ部２４は、摩擦などのようにモータ１０の回転速度に依存して生じるロストルクを算出し、そのロストルクを補う補償値をモータ１０に入力するフィードフォワード制御を行う。

モータ１０は、角度フィードバック部２１から入力される指令値が表すトルクと、速度ループ部２４から入力される補償値が表すトルクとの合計トルクを出力する。これにより、摩擦などによるロストルクが補償されたパワーアシストが実現される。 図４は、ステアリング制御装置１の別の変形例を示す図である。

図４に示す変形例では、ステアリング制御装置１の外乱オブザーバ３０に、トルク推定部３４が備えられる。このトルク推定部３４は、ハンドル９１１の回転によりトーションバー９１５を介してステアリング機構に加えられたトルクを、モータ１０の回転数から算出されるステアリング角θｓと、角度センサ９１６によって検出される操舵角θｈと、トーションバー９１５の捻り係数Ｋ_ｔｏｒとに基づいて推定する。このようにトルクが推定されることにより、トルクセンサが不要となり、ステアリング周辺の構成が簡素となる。 図５は、電動パワーステアリング装置９の変形例を示す図である。

図５に示す変形例は、ハンドル９１１と操舵軸９１４とが物理的に切り離された、いわゆるステアバイワイヤ型の電動パワーステアリング装置９である。即ち、ハンドル９１１は、ステアリング機構に対してトルクの物理的な伝達経路が離隔した状態に在る。従って、ハンドル９１１からステアリング機構に対する物理的なトルク伝達は生じない。

ハンドル９１１の操舵角θｈは角度センサ９１６によって検出されてステアリング制御装置１に入力される。図５に示す変形例では、操舵軸９１４に対する操舵トルクはステアリング制御装置１内のモータ１０によって発生される。また、操縦者にハンドル操作の手応えを持たせるために、図示が省略されたモータが、操舵反力トルク推定部２３で推定された操舵反力トルクに相当するトルクを発生させてハンドル９１１に加える。

また、図５に示す変形例の電動パワーステアリング装置９に備えられるステアリング制御装置１は、図４に示すような、フィードフォワード制御を有するステアリング制御装置１であることが好ましい。上述したフィードフォワード制御が行われることで、ハンドル９１１の操作に対してステアリング機構が自然な応答を示す。

このようなステアバイワイヤ型の電動パワーステアリング装置９ではトーションバーが存在せず、トルク制御の制御目標となるトルクが発生しないため、トルク制御よりも上述した角度制御の方が有用である。

なお、上記説明では、ステアリング制御装置１にモータ１０が内蔵された例が示されているが、本発明のステアリング制御装置は、モータを内蔵しない制御側のみの装置であってもよい。

上述した実施形態及び変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ：ステアリング制御装置９ ：電動パワーステアリング装置９１１ ：ハンドル９１２ ：車輪９１３ ：車軸９１４ ：操舵軸９１５ ：トーションバー９１６ ：角度センサ９１７ ：トルクセンサ１０ ：モータ２１ ：角度フィードバック部２２ ：目標舵角推定部２３ ：操舵反力トルク推定部２４ ：速度ループ部３０ ：外乱オブザーバ３１ ：モータトルク算出部３２ ：ステアリングトルク推定部３３ ：フィルタ３４ ：トルク推定部

Claims (7)

1. ステアリング機構を駆動するモータの回転角をハンドルの回転角に従って制御するステアリング制御装置において、
   前記ステアリング機構による舵角をステアリング特性の逆特性に入力することで算出されるステアリングに加えられる総合的なトルク、前記モータのトルク、及び、前記ハンドルの回転によるトルクを用いてセルフアライニングトルクを算出する外乱オブザーバと、
   前記セルフアライニングトルクに基づき、前記ステアリング機構による舵角の変更に伴って前記ハンドルに生じる操舵反力トルクを推定する操舵反力トルク推定部と、
   前記ハンドルの回転角と前記操舵反力トルクとを指令値として前記モータを駆動させることで、目標舵角と前記ステアリング機構における舵角との差を減少させる舵角制御部と、
   を備え、
   前記ステアリング機構における舵角は、前記ハンドルからの入力トルクを車軸へ伝達する軸の回転角であって、
   前記舵角制御部は、
   前記ハンドルの回転角と前記操舵反力トルクとに基づき前記目標舵角を推定する目標舵角推定部と、
   前記目標舵角と前記ステアリング機構における舵角とに基づき前記モータを駆動する角度フィードバック部と、
   を有し、
   前記目標舵角推定部は、前記ハンドルの回転角と、前記操舵反力トルクに逆らって現在の前記ステアリング機構における舵角を保つために加算される角度成分と、の和に基づき目標舵角を推定する、ステアリング制御装置。
2. 前記モータの回転速度に依存した制御量で前記モータをフィードフォワード制御するフィードフォワード制御部を更に備える請求項１に記載のステアリング制御装置。
3. 前記ハンドルが、トーションバーを介して前記ステアリング機構にトルクを加え、
   前記目標舵角算出部は、前記トーションバーの捻り係数を用いて前記目標舵角を算出する請求項１または２に記載のステアリング制御装置。
4. 前記外乱オブザーバが、前記ハンドルの回転により前記ステアリング機構に加えられたトルクの測定値を用いて前記セルフアライニングトルクを算出する請求項３に記載のステアリング制御装置。
5. 前記外乱オブザーバが、前記ハンドルの回転により前記ステアリング機構に加えられたトルクの推定値を用いて前記セルフアライニングトルクを算出する請求項３に記載のステアリング制御装置。
6. 前記ハンドルは、前記ステアリング機構に対してトルクの物理的な伝達経路が離隔した請求項２に記載のステアリング制御装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のステアリング制御装置と、
   前記ステアリング制御装置によって駆動が制御されるモータと、
   前記モータによって駆動されるパワーステアリング機構と、
   を備えるパワーステアリング装置。
   

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