JPH06219307A - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高車速時の手放し戻り時の不安定性を改善さ
せながらも、ハンドル戻り速度を高め、操舵フィーリン
グを改善させる。 【構成】 ファジー演算の非線形性を利用した、位相遅
れが小さく、かつ所定周波数以上の信号を減衰させる濾
波特性を有するファジー演算フィルタ５２に、検出舵角
加速度を供給し、これにより抽出された舵角加速度信号
に基づいて慣性制御信号を得る。そして、この慣性制御
信号を操舵アシストモータを制御するアシスト指令値に
正帰還する。これにより、位相遅れの極めて小さい舵角
加速度信号をアシスト指令値に正帰還することができる
ので、十分に加速度正帰還ゲインを高めることが可能に
なる。この結果、操舵ハンドルの手放し時の安定性が向
上し、戻り時の収束速度が速くなり、慣性感の無い良好
な操舵フィーリングが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両に用いて好適な電
動式パワーステアリング装置に係わり、詳しくはモータ
の回転出力によって操舵力を補助する電動式パワーステ
アリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、車両のパワーステアリング装置と
して油圧式に代えてモータを用いた電動式のものが使用
されており、モータはアクチュエータとして小型、軽量
等の利点から今後とも増加傾向にある。

【０００３】従来のパワーステアリング装置では、トク
ルセンサによって操舵系の操舵トルクを検出するととも
に、車速センサによって車速を検出し、これらの検出結
果に基づいて操舵系に連結されたモータの駆動力を制御
し、パワーアシストを行っている。そして、一般的には
車速感応型であり、低車速では軽く、高車速では重くな
るようにトルクセンサ入力に応じてアシスト力を制御し
ている。そして、一般的には速度感応型であり、低車速
では軽く、高車速では重くなるようにトルクセンサ入力
に応じてアシスト力を制御している。

【０００４】図１１は従来の電動式パワーステアリング
装置の機械系の一例を示す構成図であり、この図におい
て、操舵ハンドル１の回転力はハンドル軸を介してピニ
オンギアを含むステアリングギア２に伝達されるととも
に、上記ピニオンギアによりラック軸３に伝達され、さ
らにナックルアーム等を経て車輪４が転向される。ま
た、コントロール装置５により制御駆動される操舵アシ
スト（補助）モータ（ＤＣモータ）６の回転力はピニオ
ンギアを含むステアリングギア７とラック軸３との噛み
合いによりラック軸３に伝達され、ハンドル１による操
舵を補助することになる。

【０００５】ハンドル１とモータ６の回転軸はギア２，
７およびラック軸３により機械的に連結されている。操
舵トルクセンサ１１により、操舵トルク（戻りトルク）
が検出され、車速センサ１２により車速が検出される。
そして、これらの検出トルク、車速等に基づきコントロ
ール装置５によってモータ６が制御される。コントロー
ル装置５およびモータ６には車両に搭載されたバッテリ
８から、その動作電力が供給される。

【０００６】コントロール装置５は図１２に示すように
モータ電流検出回路２１、モータ６を駆動するモータ駆
動回路２２、モータ６の全体的な制御を統括するＣＰＵ
２３（例えばマイクロプロセッサ）、メモリ２４、コン
ピュータと上記入／出力機器とのインターフェース回路
等（図示略）を主に構成されている。

【０００７】図１２において、操舵トルクセンサ１１に
よって検出された操舵トルクはＡ／Ｄ変換回路２５によ
ってデジタル信号に変換された後にＣＰＵ２３に取り込
まれる。また、車速センサ１２によって検出された車速
はカウンタ２６によってカウントされ、車速を表すカウ
ント値はＣＰＵ２３に取り込まれる。ＣＰＵ２３は入力
された操舵トルクおよび車速に基づいてアシスト指令を
作成し、それに基づく制御信号をモータ駆動回路２２に
出力し、モータ駆動回路２２によりモータ６が駆動され
る。この結果、モータ駆動回路２２から出力されるアシ
ストトルク値（又はモータ電流指令値）は図１３に示す
ように、検出トルクＶ_Tと検出車速Ｖ_Sによって定められ
た値となる。

【０００８】図１３は、操舵トルクＶ_Tに応じて、一定
範囲の操舵トルクＶ_Tに対してはこれにほぼ比例するモ
ータ電流が流れ（アシストトルクが発生し）、上記範囲
を超えると、ある一定のモータ電流が流れる（アシスト
トルクが発生する）ように、また車速Ｖ_Sに応じて、車
速Ｖ_Sが速いときにはモータ電流（アシストトルク）を
少なくし、車速Ｖ_Sが遅いときにはモータ電流（アシス
トトルク）を多くするように、モータ６を制御するため
のアシスト指令が発生することを表している。

【０００９】図１２に戻り、モータ電流はモータ電流検
出回路２１によって検出され、Ａ／Ｄ変換回路２７によ
ってデジタル信号に変換された後にＣＰＵ２３に取り込
まれる。メモリ２４はＣＰＵ２３の処理に必要なプログ
ラムやデータを記憶している。

【００１０】このように、操舵トルク検出値および車速
検出値に基づいて操舵アシストモータ６を制御し、操舵
アシストトルクを発生するようにしている。この場合、
モータ６の慣性力により高車速時に手放し安定性が不足
するので、操舵ハンドル１の中立位置近傍においてモー
タ６の制動する制動装置を備えている。この制動装置と
しては例えば実開昭６１−１６９６７５号公報に開示さ
れている。

【００１１】ところで、この制動装置にあっては、高車
速時の手放し戻り時の不安定性を粘性制動によって安定
化するようにしているので、安定性の改善ができるが、
操舵ハンドル１の戻り速度が不足して運転者に不快な操
舵フィーリングを与えるという問題点がある。そこで、
この問題点を解決するために舵角加速度をアシスト指令
値に正帰還する慣性制御部を設けることが提案されてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな舵角加速度をアシスト指令値に正帰還する方法にあ
っては、正帰還する舵角加速度の検出に際し、ノイズを
除去するためのローパスフィルタを用いる必要があるこ
とと、所定の時間間隔でサンプリングする必要があるこ
とから、アシスト指令値に対して位相遅れを持ったもの
となってしまう。

【００１３】位相遅れがある場合、発振等が生ずる恐れ
があることから、図１４に示すように加速度正帰還ゲイ
ンを大きくすることができない。このため、十分に慣性
の影響を除去することができないので、操舵ハンドル１
の手放し時の安定性が十分に得られず、ハンドル中立位
置への収束速度が遅く、さらに操舵時の慣性感のために
操舵フィーリングが悪化するという問題点がある。

【００１４】そこで本発明は、高車速時の手放し戻り時
の不安定性を改善させながらも、ハンドル戻り速度を高
め、操舵フィーリングを改善させた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ている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明による電動式パワーステアリング装置は、操舵
系に連結され、操舵補助トルクを発生するアシストモー
タと、検出操舵トルク、検出車速に基づいて前記アシス
トモータをアシストするアシスト指令値を作成するアシ
スト指令値作成手段と、前記アシスト指令値に基づいて
前記アシストモータを制御する制御手段と、操舵系の舵
角加速度を検出する舵角加速度検出手段と、前記舵角加
速度検出手段により出力される舵角加速度信号に応じて
前記アシストモータの慣性を補償する慣性制御信号を発
生し、前記アシスト指令値に正帰還する慣性制御手段と
を備えた電動式パワーステアリング装置において、前記
舵角加速度信号を入力とし、位相遅れが少なく、かつ所
定の周波数以上の信号を阻止する濾波特性を有するファ
ジー演算フィルタを設けたことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明では、ファジー演算の非線形性を利用し
た、位相遅れが小さく、かつ所定周波数以上の信号を減
衰させる濾波特性を有するファジー演算フィルタに、検
出舵角加速度信号が供給され、これにより抽出された舵
角加速度信号に基づいて得られる慣性制御信号が操舵ア
シストモータを制御するアシスト指令値に正帰還され
る。

【００１７】したがって、位相遅れの小さい舵角加速度
信号に基づいて得られる慣性制御信号をアシスト指令値
に正帰還できるので、十分に加速度正帰還ゲインを高め
ることが可能になる。この結果、操舵ハンドルの手放し
時の安定性が向上し、戻り時の収束速度が速くなり、慣
性感の無い良好な操舵フィーリングが得られる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は本発明に係る電動式パワーステアリング装置の一実
施例のコントロール装置５Ａに内蔵されたコンピュータ
の各種機能をブロック的に、他の入／出力機器、各種回
路を示すブロックとともに描いたものである。

【００１９】この図において、アシスト指令部３０には
操舵トルクセンサ１１の検出トルクＶTと車速センサ１
２の検出車速Ｖsとが与えられる。アシスト指令部３０
内のアシストトルク値指示関数部３１は検出トルクＶT
に応じてモータ６によって発生すべきアシストトルクを
表す指令値を出力する。

【００２０】また、乗算定数関数部３２は検出車速Ｖs
に応じて定数を発生し、この定数が乗算演算部３３にお
いて上記アシストトルク指令値に乗じられる。この結
果、乗算演算部３３から出力されるアシストトルク値
（又はモータ電流指令値）は図１３に示すように、検出
トルクＶTと検出車速Ｖsによって定められた値となる。

【００２１】検出トルクＶTは位相補償部３４にも与え
られ、この位相補償部３４によって検出トルクＶTの微
分値が乗算演算部３３の出力に加算されることにより、
アシスト指令部３０の出力（アシスト指令値）となって
電流制御部３５に供給される。

【００２２】一方、電流制御部３５にはアシスト指令部
３０の出力の他に、さらに慣性制御部５０の出力が加算
される。慣性制御部５０は、モータ６のロータ慣性があ
たかも小さくなったかのように制御するもので、急ハン
ドル時にモータ６がハンドルの回転に追従しないことに
より生ずる重さを解消したり、手放し時の戻りスピード
を早くしたりするように作用する。

【００２３】慣性制御部５０において、舵角加速度セン
サ５１により舵角加速度が得られ、この舵角加速度がフ
ァジー演算フィルタ５２に与えられる。このファジー演
算フィルタ５２でノイズ除去が行われた後、慣性補償部
指示関数部５３に与えられる。そして、この慣性補償部
指示関数部５３から出力される指令値に乗算演算部５４
で適当な定数が乗算されることにより得られる指令値が
アシスト指令部３０のアシスト指令値に加算され、電流
制御部３５に供給される。

【００２４】なお、以下の説明において、図面上は通常
通りに舵角加速度をθを用いて、ダブルドットを文字の
上に付加して表すが、明細書本文ではドット表示が困難
であるため、舵角加速度をＡθ_m（k）≡ηとして適宜表
すことにする。

【００２５】図２はファジー演算フィルタ５２を示す機
能ブロック図である。この図において、６０は第１の前
件部メンバーシップ関数、６１は第２の前件部メンバー
シップ関数である。第１の前件部メンバーシップ関数６
０には舵角加速度センサ５１より舵角加速度ηが与えら
れる。また、第２の前件部メンバーシップ関数６１には
その変化分Δη（舵角加速度Ａθ_m（k）と、この舵角加
速度Ａθ_m（k）を遅延部６２にて遅延させた遅延舵角加
速度Ａθ_m（k-1）との差分）が与えられる。６３はＭＩ
Ｎ＿ＭＡＸ計算部であり、前件部のメンバーシップ関数
に基づく演算を行う。６４は後件部であり、重心位置を
求める演算を行う。

【００２６】ここで、ファジー演算フィルタ５２のファ
ジールールについて説明する。図３（ａ）、（ｂ）は前
件部のメンバーシップ関数で、そのうち図３（ａ）は舵
角加速度ηに関するメンバーシップ関数、図３（ｂ）は
変化分Δηに関するメンバーシップ関数である。この場
合、メンバーシップ関数は三角形状のものであるが、こ
れのみならず、任意の形のものを採用しうることは言う
までもない。一方、図３（ｃ）は後件部におけるファジ
ー出力で、シングルトーン位置で表したメンバーシップ
関数である。

【００２７】なお、各メンバーシップ関数におけるラベ
ルの意味は、次の通りである。 ＮＢ：Negative Big（負に大きい） ＮＭ：Negative medium（負にやや大きい） ＮＳ：Negative Small（負に小さい） ＺＯ：zero（零） ＰＳ：Positive Small（正に小さい） ＰＭ：Positive medium（正にやや大きい） ＰＢ：Positive Big（正に大きい）

【００２８】ファジールールは図４のように示され、式
と用いて表すと、次のようになる。ルールはいわゆるＩ
Ｆ、ＴＨＥＮ（もし、ならば）の形式で表現される。 Ｒ１．ＩＦ 舵角加速度η＝ＰＢ ＡＮＤ 変化分Δη
＝ＰＢ ＴＨＥＮ ファジー出力＝ＺＯ Ｒ２．ＩＦ 舵角加速度η＝ＰＢ ＡＮＤ 変化分Δη
＝ＰＳ ＴＨＥＮ ファジー出力＝ＰＭ

【００２９】Ｒ３．ＩＦ 舵角加速度η＝ＰＢ ＡＮＤ
変化分Δη＝ＺＯ ＴＨＥＮ ファジー出力＝ＰＭ Ｒ４．ＩＦ 舵角加速度η＝ＰＢ ＡＮＤ 変化分Δη
＝ＮＳ ＴＨＥＮ ファジー出力＝ＰＭ Ｒ５．ＩＦ 舵角加速度η＝ＰＢ ＡＮＤ 変化分Δη
＝ＮＢ ＴＨＥＮ ファジー出力＝ＺＯ

【００３０】ファジールールＲ１は、「もし、舵角加速
度ηが正に大きく、かつ変化分Δηが正に大きい場合に
はファジー出力を零にする。」という意味である。

【００３１】また、ファジールールＲ２は、「もし、舵
角加速度ηが正に大きく、かつ変化分Δηが正に小さい
場合にはファジー出力を正にやや大きくする。」という
意味である。

【００３２】また、ファジールールＲ３は、「もし、舵
角加速度ηが正に大きく、かつ変化分Δηが零の場合に
はファジー出力を正にやや大きくする。」という意味で
ある。

【００３３】また、ファジールールＲ４は、「もし、舵
角加速度ηが正に大きく、かつ変化分Δηが負に小さい
場合にはファジー出力を正にやや大きくする。」という
意味である。

【００３４】また、ファジールールＲ５は、「もし、舵
角加速度ηが正に大きく、かつ変化分Δηが負に大きい
場合にはファジー出力を零にする。」という意味であ
る。以下、他のルールも同様の手法で判断される。

【００３５】このファジールールでは、変化分ΔηがＰ
Ｂの時と、ＮＢの時と、舵角加速度ηがＺＯの時とでは
ファジー出力を零にし、舵角加速度ηがＰＢで、変化分
ΔηがＰＳ，ＺＯ，ＮＳの時ではファジー出力を正に小
さくする。また、舵角加速度ηがＰＳで、変化分Δηが
ＰＳ，ＺＯ，ＮＳの時ではファジー出力を正に小さくす
る。また、舵角加速度ηがＮＳで、変化分ΔηがＰＳ，
ＺＯ，ＮＳの時ではファジー出力を負に小さくする。ま
た、舵角加速度ηがＮＢで、変化分ΔηがＰＳ，ＺＯ，
ＮＳの時ではファジー出力を負にやや小さくする。

【００３６】図５はファジー演算フィルタ５２の特性図
であり、そのうち図５（ａ）は利得の周波数特性、図５
（ｂ）は位相の周波数特性である。これらの図からわか
るように、ファジー演算フィルタ５２は２０Ｈｚ以上の
周波数の信号を通さず、かつ位相遅れが殆どない濾波特
性を有している。

【００３７】これに対し、図６は従来より用いられてい
るデジタルローパスフィルタの特性図であり、そのうち
図６（ａ）は利得の周波数特性、図６（ｂ）は位相の周
波数特性である。この従来のデジタルローパスフィルタ
では、信号の減衰は２Ｈｚあたりから徐々に行われ、位
相遅れは３０Ｈｚで最も大きくなっている。

【００３８】このように、ファジー演算フィルタ５２は
位相遅れが殆どなく、また所定の周波数以上の信号を通
さない濾波機能を有する。なお、変化分Δηを早く見て
上乗せするから遅れ分をキャンセルすることができ、こ
れによって位相遅れが殆ど生じ無くなる。

【００３９】図１に戻り、上記電流制御部３５には、例
えば４個のスイッチング素子を含むＨブリッジ駆動法に
従うＰＷＭ（Pulse Width Modulation）パルスを用いた
チョッパ動作によってモータ６を駆動制御するもので、
電流フィードバック制御を行う。すなわち、電機子電流
検出部３６によってモータ６の電機子電流が検出され、
電流偏差演算部３７において与えられたアシスト指令値
と検出電流との偏差が演算される。この偏差の絶対値が
絶対値変換部３８で得られ、この絶対値に基づきデュー
ティ生成部３９でＰＷＭパルスのデューティ比が決定さ
れる。

【００４０】一方、上記偏差の極性（正又は負）が正負
判別部４０で判別され、生成されたデューティ比と判別
された極性はモータ駆動部４１に与えられ、モータ駆動
部４１はこれらの値に基づいてＨブリッジ型に配線され
た４個のスイッチング素子をオン／オフ制御してモータ
６を駆動する。

【００４１】上記アシスト指令部３０はアシスト指令値
作成手段に対応する。また、上記電流制御部３５は制御
手段に対応する。また、上記慣性制御部５０は慣性制御
手段に対応する。また、上記舵角加速度センサ５１は舵
角加速度検出手段に対応する。

【００４２】次に、ファジー演算フィルタ５３の動作に
ついて説明する。図７はファジー演算フィルタ５３の処
理を示すメインプログラムである。まず、ステップＳ１
で舵角加速度ηを舵角加速度センサ５１から読み込み、
ステップＳ２でこの舵角加速度ηをファジー入力とす
る。そして、この舵角加速度ηと、変化分Δηとに基づ
いて所定のファジールールに従ってファジー推論を行
い、舵角加速度を推定する。その後、ステップＳ３で舵
角加速度の推定値をファジー出力として慣性補償値指示
関数部５３に出力する。

【００４３】ステップＳ２におけるファジー推論は図８
に示すサブルーチンで実行される。図８において、ま
ず、舵角加速度ηおよび変化分Δηをファジー入力とし
た後、ステップＳ１１で前件部の処理を行う。すなわ
ち、入力値（舵角加速度ηおよび変化分Δη）とその条
件部の第１、第２メンバーシップ関数から、その入力の
適合度を求める。次いで、ステップＳ１２で結論部の処
理を行う。

【００４４】すなわち、条件部処理によって求められた
ルール適合度を他の適合度と比較して結論部ラベルごと
のファジー出力を求める。次いで、ステップＳ１３で重
み付け処理を行い、各ルールの結論部に対する影響度を
調整する。例えば、適合度の小さいものを選択した後件
部に与える。その後、ステップＳ１４でファジー出力か
らそれを代表する１つの確定値を計算する。

【００４５】すなわち、後件部では上記メンバーシップ
関数をＭＡＸ合成処理によって重ね合わせて合成出力を
生成し、その後、デファジファイヤによってこの合成出
力の重心から１つの確定値を得る。

【００４６】図９はファジー演算フィルタ５２を使用し
たときの操舵系の応答を示す図であり、図１０は従来の
デジタルローパスフィルタ等の線形特性のフィルタを使
用したときの操舵系の応答を示す図である。これらの図
からファジー演算フィルタ５２の方が収束性が良いこと
がわかる。

【００４７】なお、上記実施例では舵角加速度ηを舵角
加速度センサ５１より得るようにしているが、これに限
らず、例えばモータ６の電圧／電流からモータ回転速度
を算出し、さらにこれを微分した値から舵角加速度ηを
推定するようにしてもよい。このようにすると、舵角加
速度センサが不要になってコストを低減することが可能
になる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、ファジー演算の非線形
性を利用した、位相遅れが小さく、かつ所定周波数以上
の信号を減衰させる濾波特性を有するファジー演算フィ
ルタに、検出舵角加速度信号を供給し、これにより抽出
される舵角加速度信号に基づく慣性制御信号を操舵アシ
ストモータを制御するアシスト指令値に正帰還するよう
にしたので、十分に加速度正帰還ゲインを高めることが
できることから、操舵ハンドルの手放し時の安定性が向
上し、戻り時の収束速度が速くなり、慣性感の無い良好
な操舵フィーリングが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る電動式パワーステアリ
ング装置のコントロール装置の機能ブロック図である。

【図２】同実施例のファジー演算フィルタの機能ブロッ
ク図である。

【図３】同実施例のファジー演算フィルタの前件部のメ
ンバーシップ関数及び後件部のメンバーシップ関数を示
す図である。

【図４】同実施例のファジー演算フィルタのファジール
ールを示す図である。

【図５】同実施例のファジー演算フィルタの特性図であ
る。

【図６】従来のデジタルローパスフィルタの特性図であ
る。

【図７】本発明の一実施例のファジー演算フィルタのメ
インプログラムのフローチャートである。

【図８】同実施例のファジー推論のサブルーチンを示す
フローチャートである。

【図９】本発明の一実施例のファジー演算フィルタを使
用した時の操舵系の応答を示す図である。

【図１０】従来の線形フィルタを使用した時の操舵系の
応答を示す図である。

【図１１】従来のパワーステアリング装置の機械系の一
例を示す構成図である。

【図１２】従来のパワーステアリング装置のコントロー
ル装置の詳細なブロック図である。

【図１３】従来のパワーステアリング装置のアシストト
ルクの特性を示す図である。

【図１４】従来の問題点を説明するための図である。

【符号の説明】 １ 操舵ハンドル ６ アシストモータ １１ 操舵トルクセンサ １２ 車速センサ ３０ アシスト指令部（アシスト指令値作成手段） ３５ 電流制御部（制御手段） ５０ 慣性制御部（慣性制御手段） ５１ 舵角加速度センサ（舵角加速度検出手段） ５２ ファジー演算フィルタ ５３ 慣性補償値指示関数部 ５４ 乗算演算部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操舵系に連結され、操舵補助トルクを発
   生するアシストモータと、 検出操舵トルク、検出車速に基づいて前記アシストモー
   タをアシストするアシスト指令値を作成するアシスト指
   令値作成手段と、 前記アシスト指令値に基づいて前記アシストモータを制
   御する制御手段と、 操舵系の舵角加速度を検出する舵角加速度検出手段と、 前記舵角加速度検出手段により出力される舵角加速度信
   号に応じて前記アシストモータの慣性を補償する慣性制
   御信号を発生し、前記アシスト指令値に正帰還する慣性
   制御手段と、を備えた電動式パワーステアリング装置に
   おいて、 前記舵角加速度信号を入力とし、位相遅れが少なく、か
   つ所定の周波数以上の信号を阻止する濾波特性を有する
   ファジー演算フィルタを設けたことを特徴とする電動式
   パワーステアリング装置。