JPH0471959A - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 電動式パワーステアリング装置に係り、特にＰＩＤ制御
方式を用いた電動式パワーステアリング装置に好適な技
術に関し、 実際の助勢トルクとモータトルクとの非線形な関係を考
慮し、その関係により生じる弊害を防止し、制御系の安
定性および応答性を向上しうる電動式パワーステアリン
グ装置を提供することを目的とし、 ステアリング系の操舵トルクに対応する助勢トルクを出
力する電動機の駆動電流を、予め設定された目標操舵ト
ルクと実際の操舵トルクとを比較して得た制御偏差に応
じて少なくとも比例動作要素、および微分動作要素を含
む助勢トルク制御手段により制御するようにした電動式
パワーステアリング装置において、前記助勢トルク制御
手段は、前記比例動作要素および微分動作要素の制御ゲ
インを前記電動機の駆動電流値に依存して設定する制御
ゲイン設定手段を具備し構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、電動式パワーステアリング装置に係り、特に
ＰＩＤ制御方式を用いた電動式パワーステアリング装置
に好適な技術に関する。

近年の自動車には、パワーステアリング装置（動力舵取
装置）が備えられているものが多い。

パワーステアリング装置には、助勢トルクの発生装置に
着目して、空気圧式、油圧式、電動式等かある。電動式
パワーステアリング装置は電動機から出力されるモータ
トルクによってステアリング系に働く操舵トルクを助勢
し、運転者のハンドル操作を補助するようにしたもので
ある。モータトルクの大きさは、ステアリング系の操舵
トルクの大きさに対応した値とする必要があり、フィー
ドバック制御により制御される。

〔従来の技術〕

従来一般に、電動式パワーステアリング装置の制御装置
としては、比例（Ｐ）動作、積分（Ｉ）動作および微分
（Ｄ）動作を併用した、いわゆるＰＩＤ制御方式が採用
されている。

操舵トルクの制御に際しては、予め設定された目標操舵
トルクと実際の操舵トルクとを比較し、実際の操舵トル
クが目標操舵トルクを上回るとき電動機のモータトルク
を大きくして操舵トルクを目標操舵トルクに近づけるよ
う修正制御し、逆に実際の操舵トルクが目標操舵トルク
を下回っているときには電動機のモータトルクを小さく
して操舵トルクを目標操舵トルクに近づけるように修正
制御する。このとき、Ｐ動作、Ｄ動作、■動作の各制御
ゲインは固定されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、電動機はギア機構を介してステアリング系に
連結されているため、電動機から出力されるモータトル
クの一部が上記ギア機構に吸収されてしまうことが起こ
る。このモータトルクの一部のギア機構での吸収は、ギ
ア相互の噛み合い摩擦等の種々の要因によって発生する
。このモータトルクの一部のギア機構への吸収により、
モータトルクと実際に作用する実際の助勢トルクとの関
係は第９図のようになる。つまり、電動機のモータトル
クＴ　の変化と実際にステアリング系に作用する実際の
助勢トルクＴ　とが非線型の関係となり応答性が悪化す
る。例えば、第１０図に示すように、モータトルクＴ　
を０からａ点に上昇させたとき、実際の助勢トルクＴ　
は０点にある。

モータトルクＴ　をａ点からさらにｂ点に上昇させると
、実際の助勢トルクＴ　は０点となる。ところが、モー
タトルクＴ　をｂ点からａ点に戻したとき実際の助勢ト
ルクＴ　はｄ点になるだけで、ａ点に対応する０点には
戻らないことが起る。また、いま、例えば、操舵トルク
が目標操舵トルクを上回り、実際の助勢トルクＴ　をｄ
点からｅ点に変化させる必要があるとすると、モータト
ルクＴ　はａ点からｂ点に相当する大きさΔＴだけ変化
させなければならない。また、実際の助勢トルクＴ　を
ｆ点から０点に変化させる必要がある場合、モータトル
クはｇ点からａ点に変化させな番プればならないことに
なる。ところが、モータトルクＴ　と実際の助勢トルク
Ｔ　の関係は、第１０ｍ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　！図に示すように、モータ
トルクＴ　を上昇させる場合と下降させる場合とで直線
の傾きが異なるため、実際の助勢トルクＴ　の同じΔＴ
の変化に対し、モータトルクＴ　の変化量がａ点とｂ点
間のω 変化とｇ点とａ点間の変化ではそれぞれ異なってく　る
　。

このため、ＰＩＤ制御で制御偏差（エラー）に対する応
答性をＰ動作、Ｄ動作により設定しようとしても、実際
の助勢トルクＴ　が小さい領域（例えば、ｆ点〜Ｃ点）
では満足な応答が得られるものの、実際の助勢トルクＴ
　が大きい領域工 （例えば、ｄ点、ｅ点）では応答が遅れてしまう。

これとは逆に、実際の助勢トルクＴ　が大きい領域に合
せて制御ゲインを設定すると、実際の助勢トルクＴ　の
小さい領域では過敏な応答となり発振してしまう。

本発明の目的は、実際の助勢トルクとモータトルクとの
非線形な関係を考慮し、その関係により生じる弊害を防
止し、制御系の安定性および応答性を向上しつる電動式
パワーステアリング装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、第１図に示すように、ステアリング系の操舵
トルクＴｄに対応する助勢トルクＴ０を出力する電動機
３００の駆動電流１　を、予め設定された目標操舵トル
クＴＩと実際の操舵トルクＴ、とを比較して得た制御偏
差に応じて少なくとも比例動作要素２０２、および微分
動作要素２０３を含む助勢トルク制御手段２００により
制御するようにした電動式パワーステアリング装置にお
いて、前記助勢トルク制御手段２００は、前記比例動作
要素２０２および微分動作要素２０３０制御ゲインＫ　
　ＳＫ　ｓを前記電動機３００の駆動電流Ｉ　に依存し
て設定する制御ゲイン設定手段２０４を具備して構成す
る。

〔作用〕

本発明によれば、Ｐ動作およびＤ動作の制御ゲインを電
動機のモータトルクの大きさに対応させて設定するため
、実際の助勢トルクとモータトルク間の非線形関係をキ
ャンセルすることができるため、実際の助勢トルクの大
きさによってモータトルクの変化量を変更する必要がな
く、応答遅れや過敏な応答となるなどの制御系の安定性
を損うことがない。

〔実施例〕

次に、本発明に係る電動式パワーステアリング装置の実
施例を図面に基づいて説明する。

電動式パワーステアリング装置の概要 第２図に電動式パワーステアリング装置の概要を示す。

ステアリング系において、ハンドル４０を回動させるこ
とにより生じた操舵トルクＴｄはハンドル軸４１、ユニ
バーサルジヨイント４７を介して舵取り歯車機構４６に
伝達される。操舵トルクＴ、は舵取り歯車機構４６によ
りその作用方向が変換され、舵取りアーム４４．４５を
回動せしめてタイヤの方向転換を行わせる。

上記ステアリング系には、動力倍力装置となる電動機８
が電磁クラッチ９を介して連結されている。この電動機
８を制御するのが本発明に係る制御装置である。制御装
置は、コントローラ１、トルクセンサ６、操舵角センサ
７により構成される。

コントローラ１はパワーステアリング制御以外の制御も
行なうが、本発明は直接関係しないので説明は省略する
。コントローラ１は発電機４およびバッテリー５から電
源の供給を受ける。トルクセンサ６は舵取り歯車機構４
６内に取付けられ、操舵トルクＴｄを出力する。操舵角
センサ７は舵取り歯車機構４６に取付けられピニオン角
θ１を出力する。操舵トルクＴ　１ピニオン角θｌはコ
ントローラ１に送られる。

なお、第２図において符号２はスイッチ、３はエンジン
３．３ａは車速センサ、４ａは発電機のし端子を示して
いる。

自動車の電子制御システムの概要 第３図に、自動車の電子制御システムの概要ブロック図
を示す。第２図と同一部分には同一の符号を附しである
。

第３図において、コントローラーは信号処理部１１を基
本要素として構成され、車速センサ３ａ。

発電機４、トルクセンサ６、操舵角センサ７からの各信
号を受け、所定の信号処理を施したのち電磁クラッチ９
、ウオーニングランプ１０、バッテリー５、電動機８の
制御を行う。第３図において、本発明と直接関係するブ
ロックは大枠で示しである。

すなわち、トルクセンサ６で検出された操舵トルクＴｄ
はトルク電圧入力部１４を介してＡ／Ｄ変換部１６に入
力され、Ａ／Ｄ変換部１６においてディジタル信号に変
換されて信号処理部１１に送られる。操舵角センサ７で
検出されたピニオン角θ１は操舵角度・角速度入力部１
５において操舵角度および角速度（θ　の−同機分値）
θ１の算出に供され、Ａ／Ｄ変換部１６においてディジ
タル信号に変換されたのち信号処理部１１に送られる。

信号処理部１１は入力された操舵トルクＴ４、角速度θ
ｌに基づいて、予め内蔵ＲＯＭ内に設定されたＰＩＤ制
御プログラムに従って制御演算を行ない、ＰＩＤ制御出
力をＰＷＭ出力部２１に出力する。ＰＷＭ出力部２１は
信号処理部１１からのＰＩＤ制御出力をパルス幅変調し
、方向切換部２２を介してモータ駆動部３１に与える。

そ−タ駆動部３１は与えられた制御信号に応じたモータ
電流Ｉ　を電動機８に流し、そのモータトルクＴ　をコ
ントロールする。モータ駆動部３１には電流センサ３２
が接続されており、電動機８に与えるモータ電流Ｉ　を
検出する。検出されたモー少電流Ｉ　はＰＷＭ出力部２
１およびＡ／Ｄ変換部１６にフィードバックされ、ＰＷ
Ｍ出力部２１はフィードバックされたモータ電流■　に
応じた■ 幅にＰＩＤ出力を変調する。このようにして制御された
モータ電流Ｉ　が与えられる電動機８はＰＩＤ出力に応
じたモータトルクＴ　を発生し、■ 操舵トルクＴ、を補助する。

制御ブロック 次に、本発明に係る制御装置の制御ブロックについて説
明する。

まず、先にも述べたように、モータトルクＴ　と実際の
助勢トルクＴ　との関係は第９図、Ｉａ 第１０図に示すような非線形特性を示す。これをモータ
電流Ｉ　と助勢トルクＴ　との関係についｍ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　！てみれば、第７図の
ようなヒステリシス特性をもつことがわかっている。そ
の結果、操舵トルクＴ、を目標操舵トルクＴＩに追従制
御させるためには、モータトルクＴ　を変化させる場合
、単調増加または減少により行うのではなく、モータ電
流■　に依存して、つまり、モータ電流Ｉ　が大ｍ きいほどモータ電流■　を大きく変化させなければなら
ない。そのためには、モータ電流ｌ　に依存してＰ動作
要素の制御ゲインに２およびＤ動作要素の制御ゲインに
３を設定するようにする。すなわち、 Ｋ１＝Ｋｏ、　　　　　　　　　　　　　・　（Ｉｍ）
Ｋ＝に＋Ｋｘｌ　　　　　　　　　　　・・・　（２）
２　　　　０２　　　　０２ａ　　　　　ｍＫ＝ＫＸＩ
　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　（３）３　
　　　０３ｍ　　　　　ｍ ここに、ＫＯ，：Ｉ動作の固定制御ゲイン、ＫＯ２’Ｐ
動作の固定制御ゲイン、Ｋ　：Ｄ動作の固定制御ゲイン
を示している。

このようにモータ電流■　に依存する制御ゲインの設定
を可能とした制御ブロックを第６図に示すが、この第６
図に到るまでの制御ブロックの等価変換過程を第４図、
第５図を参照して以下説明する。

第４図は、ＰＩＤ制御方式による電動式パワーステアリ
ング装置の基本ブロックを示している。

この制御ブロックは、目標値発生手段５０、ＰＩＤ制御
手段５１、出力手段５２、モータ系５３およびステアリ
ング系５４のブロックに大別される。このうち、目標値
発生手段５０、ＰＩＤ制御手段５１および出力手段５２
はコントローラ１に対応し、モータ系５３およびステア
リング系５４は制御対象に対応する。さらに、目標値発
生手段５０およびＰＩＤ制御手段５１は信号処理部１１
においてＲＯＭに設定されたプログラムにより実現され
るブロックであり、出力手段５２はＰＷＭ出力部２１、
方向切換部２２、モータ駆動部３１を含むブロックであ
る。モータ系５３は電動機８、電磁クラッチ９および舵
取り歯車機構４６のトルク伝達要素を含み、ステアリン
グ系５４はハンドル４０〜ユニバーサルジヨイント４７
のトルク伝達要素を含んでいる。モータ系５３とステア
リング系５４のブロックが重なり合っているのは、舵取
り歯車機構４６において両者が連結されているからであ
る。

目標値発生手段５０のブロックは、目標操舵トルクＴ、
を発生するためのブロックである。目標値発生手段５０
はステアリング系５４に生じる疑似反力Ｒに基づき関数
発生器ｆにより目標反力Ｒ１を生成する。一方、ステア
リング系５４からフィードバックされた角速度θ　に制
御係数Ｆ２■ をかげた値を生成し、この状態フィードバック値と目標
反力Ｒ，とを加え合せて目標操舵トルクＴ　を出力する
。目標操舵トルクＴ、はＰＩＤ制を 御手段５１に与えられる。

ＰＩＤ制御手段５１のブロックは、目標操舵トルクＴ　
とトルクセンサ６からの操舵トルクＴｄとを比較し、Ｐ
ＩＤ演算によりＰＩＤ出力を発生するためのブロックで
ある。すなわち、■動作の伝達関数はに／Ｓ、Ｐ動作の
伝達関数はに２、Ｄ動作の伝達関数はＳＫ３で表わされ
それぞれ加算されてＰＩＤＩＤ出力比る。ＰＩＤＩＤ出
力比力手段５２に与えられる。

出力手段５２のブロックでは、角速度θｌに制御係数Ｈ
２を乗算した値をＰＩＤＩＤ出力比え、さらにその加算
値に、モータ電流Ｉ　と制御係数Ｈ３との乗算値を加え
モータ駆動出力りを算出する。モータ駆動出力りはモー
タ系５３に与えられる。

モータ系５３のブロックにおいて、１／（ＬＳ十Ｒ）の
ブロックは、電動機８の電気的遅れ要素を示し、（ηＭ
Ｎ）のブロックは舵取り歯車機構４６における伝達損失
分を示している。（Ｉｍ／ＪＳ）のブロックは電動機８
およびステアリング系５４の慣性要素を示している。な
お、Ｓはラプラス演算子、Ｌはモータインダクタンス、
Ｒはモータ抵抗、■　はモータ電、流、ηはギヤ効率、
Ｍはモータ定数、Ｎはギヤ比、Ｔ　はモータトルり、Ｒ
は反力、Ｊは慣性係数、Ｔ４は操舵トルク、θｌは角速
度、θはピニオン角、Ｋはトルクセンサバネ定数、θ０
はハンドル角をそれぞれ示している。

次に、第５図（ａ、　）〜（ｇ）に、第４図、の制御ブ
ロックを、モータトルクＴｆｆｉに対応して制御係数Ｋ
　　、Ｋ　　を自動設定可能とする本発明に係る制御ブ
ロック（第６図）に等価変換する過程のブロック図を示
す。

ブロックは、第５図（ｂ）のようになる。

（過程Ｃ） 第５図（ｂ）をさらに展開すると、第５図（Ｃ）のよう
になる。（過程ｄ−ｆ） 第５図（ｃ）をさらに順次展開すると、第５図（ｄ）〜
（ｆ）のようになる。（過程ｇ）第５図（ｆ）に示した
出力手段５２、モータ系５３およびステアリング系５４
に、ＰＩＤ制御手段５１からのＰＩＤ出力Ｃ１すなわち
、■動作のに／Ｓ、Ｐ動作のに２およびＤ動作のＳＫ３
が加わることにより、第５図（ｇ）を得る。（過程ｈ） ここで、第５図（ｇ）の“＊”印の部分をＲ＋Ｈ ＝　　　　ｍ−ｍ−」２ ａＳ ηＭＮ ＋　（ＭＮ＋Ｈ２）ｂ ・・・　（７） となる。上記（４）式を簡素化して αＳ２＋βＳ＋ｒ を得る。ここで、α→に３、−β→に２、とすると、 Ｋ　　＝　（ＭＮ＋８２）ｂ ・・・　（８） −Ｋｌ ・・・　（９） となるように、Ｋ、に２、Ｋ、を設定する。すなわち、
ブロック６１の分母に着目して・・・　（Ｉｍ０） となる。上記（Ｉｍ０）式および（Ｉｍ１）式には、そ
れぞれ非線形のηＭＮが含まれている。つまり、に２、
Ｋ３は非線形の特性を有していることを意味する。換言
すると、ηはギヤ効率であり、モータ電流ｌ　とモータ
トルクＴ　との関係が第７図■　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　ｌのような非線形であることを意
味する。この非線形特性をキャンセルするためには、操
舵トルクＴｄを目標操舵トルクＴ１に近づけるべくモー
タトルクＴ　を変化させるとき、モータトルクＴ。

が大きいほどモータ電流■　を大きく変化させなければ
ならない。したがって、Ｋ　　、Ｋ　　の設定はモータ
電流Ｉ　に依存した大きさとする。すなわち、前述の（
Ｉｍ）、（２）、（３）式％式％（Ｉｍ） 以上の結果、制御ブロックは第６図のようＳ で操舵トルクＴ、の追従性もしくは応答性を設定するこ
とができる。

以上の制御ブロックによる本発明の制御ブロックを第８
図に示す。この制御フローは第３図のコントローラーに
より実行される。第８図において、ステップＳ　−８に
より操舵トルクＴ　１角速１３　　　　　　　　　　ｄ 度θ１およびモータ電流Ｉ、を取込み、ステップＳ４に
おいて疑似反力Ｒを算出し、かつ、ステップＳ５で目標
操舵トルクＴ１を算出する。算出されたデータを用いて
ステップＳ　でＫ　　””　Ｋ　３の演算を（Ｉｍ）〜
（３）式に従って行う。そのモータ電流Ｉ　を考慮した
に、−に３を加味してステツブＳ７でＰＩＤ計算を実行
し、次いてステップＳ８でＰＷＭ処理を行う。その結果
、電動機８が駆動され、直線性のよい実際の助勢トルク
Ｔ　を与えることができる。

なお、電動機８のモータ電流■　には外乱ノイズが含ま
れている場合が多いので、第３図に破線で示すように、
ローパスフィルタＬＰＦを介在させることにより、円滑
な制御が可能である。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば、実際の助勢トルクとモー
タトルクとの非線形な関係を考慮して、助勢トルク制御
手段の比例動作要素および微分動作要素の制御係数をモ
ータ電流に対応した値に設定する制御ゲイン設定手段を
備えたので、モータトルクに関係するモータ電流の大小
によって実際の助勢トルクが非線形となるのを防止する
ことができる。その結果、モータ電流の大きな領域と小
さな領域での制御ゲインの設定を均一化することができ
るので、応答性の悪化、系の安定性の悪化を解消して制
御性の良い電動式パワーステアリング装置を提供しうる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図は電動式パワーステアリング装置の概要図、 第３図は自動車の電子制御システムの概要図、第４図は
電動式パワーステアリング装置の制御ブロック図、 第５図は第４図から第６図の制御ブロックの等価変換過
程のブロック図、 第６図は本発明の実施例を示す制御ブロック図、第７図
はモータ電流と実際の助勢トルクとの関係を示す特性図
、 第８図はパワーステアリング装置の制御フローを示すフ
ローチャート、 第９図はモータトルクと実際の助勢トルクとの関係を示
す特性図、 第１０図は第９図の詳細図である。 １・・・コントローラ ２・・・スイッチ ３・・・エンジン ３ａ・・・車速センサ ４・・・発電機 ４ａ・・・発電機のし端子 ５・・・バッテリー ６・・・トルクセンサ ７・・・操舵角センサ ８・・・電動機 ９・・・電磁クラッチ １０・・・ウオーニングランプ １１・・・信号処理部 １２・・・車速パルス入力部 １３・・・Ｌ端子電圧検出部 １４・・・トルク電圧入力部 １５・・・操舵角度・角速度入力部 １６・・・Ａ／Ｄ変換部 １７・・・クラッチ駆動部 １８・・・ランプ駆動部 １９・・・電源部 ２０・・・暴走検出部 ２１・・・ＰＷＭ出力部 ２２・・・方向切換部 ３０・・・モータ駆動装置 ３１・・・モータ駆動部 ３２・・・電流センサ ４０・・・ハンドル ４１・・・ハンドル軸 ４３・・・タイロッド ４４・・・舵取りアーム ４５・・・舵取りアーム ４６・・・舵取り歯車機構 ４７・・・ユニバーサルジヨイント ５０・・・目標値発生手段 ５１・・・ＰＩＤ制御手段 ５２・・・出力手段 ５３・・・モータ系 ５４・・・ステアリング系 １００・・・目標操舵トルク設定手段 ２００・・・助勢トルク制御手段 ３００・・・電動機 ４００・・・ステアリング系 ５００・・・トルク検出 θ０・・・ハンドル角 θ１・・・ピニオン角 θ１・・・角速度 Ｋ・・・トルクセンサバネ定数 Ｔｄ・・・操舵トルク 数 Ｒ・・・反力 Ｔ　・・・モータトルク（助勢トルク）Ｎ・・・ギヤ比 η・・・ギヤ効率 Ｍ・・・モータ定数 ■　・・・モータ電流（駆動電流） Ｌ・・・モータインダクタンス Ｒ・・・モータ抵抗 Ｊ・・・慣性係数 Ｈ、ＨＳＫ　　、Ｋ　　ＳＫ３、Ｆ２・・・制御体Ｒ・
・・疑似反力 Ｒ，・・・目標反力 Ｔ、・・・目標操舵トルク Ｔ　・・・実際の助勢トルク Ｃ・・・ＰＩＤ出力 Ｄ・・・モータ駆動出力 本梵′Ｂ月のΔじ！言靜日月図 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ステアリング系の操舵トルク（Ｔ＿ｄ）に対応する
   助勢トルク（Ｔ＿ｍ）を出力する電動機（３００）の駆
   動電流（Ｉ＿ｍ）を、予め設定された目標操舵トルク（
   Ｔ＿ｔ）と実際の操舵トルク（Ｔ＿ｄ）とを比較して得
   た制御偏差に応じて少なくとも比例動作要素（２０２）
   、および微分動作要素（２０３）を含む助勢トルク制御
   手段（２００）により制御するようにした電動式パワー
   ステアリング装置において、 前記助勢トルク制御手段（２００）は、前記比例動作要
   素（２０２）および微分動作要素（２０３）の制御ゲイ
   ン（Ｋ＿２，Ｋ＿３）を前記電動機（３００）の駆動電
   流（Ｉ＿ｍ）に依存して設定する制御ゲイン設定手段（
   ２０４）を具備することを特徴とする電動式パワーステ
   アリング装置。 ２、請求項１記載の電動式パワーステアリング装置にお
   いて、前記助勢トルク制御手段（２００）は、さらに積
   分動作要素（２０１）を含むＰＩＤ制御手段であること
   を特徴とする電動式パワーステアリング装置。