JPWO2010013298A1 - 電動式パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Abstract

トルク検出手段の出力が極めて小さいトルク振動に対して精度が十分に高くない場合にも、振動が発生しにくい電動式パワーステアリング制御装置を得ることができるようにする。操舵トルク検出手段と、補助トルク電流を演算するトルク制御器と、操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、操舵による成分を除去する電流操舵成分除去手段と、モータの回転方向の振動速度を推定する振動速度推定手段と、補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、を備えた電動式パワーステアリング制御装置であって、振動速度推定手段は、電流操舵成分除去手段から出力されるモータ電流に積算してモータの回転方向の振動加速度を演算する振動加速度演算手段と、振動加速度演算手段を積分してモータ回転方向の振動速度を演算する回転加速度積分手段を備える。

Description

この発明は、モータにより操舵力を補助する電動式パワーステアリング制御装置に関するものである。

従来の電動式パワーステアリング制御装置は、運転者による操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、上記検出された操舵トルク信号に基づいて上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、上記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、上記モータの回転方向のモータ振動速度を推定する振動速度推定手段と、上記推定されたモータ振動速度の推定値を用いて、上記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、モータ電流検出手段を備えていた。この回転方向の振動速度検出手段は、モータに通電される電流の検出値もしくは指令値から操舵による成分を除去する電流操舵成分除去手段と、操舵トルク検出手段の出力から操舵による成分を除去するトルク操舵成分除去手段と、モータの慣性モーメントを慣性項、トルクセンサの剛性をバネ項とする振動方程式に対して構成され、上記電流操舵成分除去手段から出力されるモータ電流とトルク操舵成分除去手段から出力される操舵トルクとに基づいてモータ回転方向の振動速度の推定値を演算する回転速度オブザーバとなっていた（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−１６８６００号公報（１７頁 。手続補正１、請求項８）

電動式パワーステアリングが除去したい振動は一般に０．２Ｎｍ以下の極めて小さな振動であり、このような振動における操舵トルク信号を正確に検出しようとする場合には、その検出特性においてヒステリシス特性などの十分小さい、高価なトルク検出手段が必要となる。特許文献１に示すような従来の電動式パワーステアリング制御装置にあっては、電流操舵成分除去手段から出力されるモータ電流とトルク操舵成分除去手段から出力される操舵トルクとに基づいてモータ回転方向の振動速度の推定値を演算する回転速度オブザーバとなっていたため、トルク検出手段の出力が極めて小さいトルク振動に対して、トルク検出手段のヒステリシスなどの影響により、精度が十分高いものではなく、振動成分を検出できない場合や、振幅が例えば１０％以上低下する場合がある。この場合、回転速度オブザーバの推定値に位相遅れが生じるなど回転速度の真値との誤差が生じる。従って、この回転速度オブザーバの推定値にゲインを乗じてダンピングを行っても、回転速度の真値にゲインを乗じてダンピングを行った場合よりも振動抑制効果が低下するので、精度が十分高くない安価なトルク検出手段が適用できない課題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、トルク検出手段の出力が上記のように極めて小さいトルク振動に対して、上述のような安価で精度が十分高くないトルク検出手段を用いた場合にも正確なモータの回転方向の振動速度を推定しダンピング制御を行うことができる電動式パワーステアリング制御装置を得ることを目的としている。

この発明に係る電動式パワーステアリング制御装置は、運転者による操舵トルクをトーションバーの相対角から検出する操舵トルク検出手段と、上記検出された操舵トルク信号に基づいて上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、上記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、モータに通電される電流の検出値もしくは指令値から操舵による成分を除去する電流操舵成分除去手段と、上記モータの回転方向の振動速度を推定する振動速度推定手段と、上記推定されたモータ振動速度の推定値を用いて、上記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、を備えた電動式パワーステアリング制御装置であって、上記振動速度推定手段は、電流操舵成分除去手段から出力されるモータ電流に積算してモータの回転方向の振動加速度を演算する振動加速度演算手段と、振動加速度演算手段出力を積分してモータ回転方向の振動速度を演算する回転加速度積分手段を備えたものである。

この発明によれば、運転者による操舵トルクをトーションバーの相対角から検出する操舵トルク検出手段と、上記検出された操舵トルク信号に基づいて上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、上記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、モータに通電される電流の検出値もしくは指令値から操舵による成分を除去する電流操舵成分除去手段と、上記モータの回転方向の振動速度を推定する振動速度推定手段と、上記推定されたモータ回転方向の振動速度の推定値を用いて、上記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器とを備えた電動式パワーステアリング制御装置であって、上記振動速度推定手段は、電流操舵成分除去手段から出力されるモータ電流に積算してモータ回転方向の振動加速度を演算する振動加速度演算手段と、振動加速度演算手段を積分してモータ回転方向の振動速度を演算する加速度積分手段を備えたことにより、上述のような安価で精度が十分高くないトルク検出手段を用いた場合にも正確なモータ回転方向の振動速度を推定しダンピング制御を行うことができる電動式パワーステアリング制御装置を得ることができる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１による他の電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による他のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１による別の電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による別のアルゴリズムを示すフローチャートである。

符号の説明

１ トルクセンサ、２ 位相補償器、３ トルク制御器、４ 駆動電流ＨＰＦ、５ 回転速度演算器、５ａ 振動加速度演算器、５ｂ 加速度積分器、５ｃ 速度積分器、５ｄ 反力トルク加速度演算器、５ｅ 加速度加算器、６ ダンピング制御器、７ 加算器、８ 電流制御器、９ モータ、１０ 電流検出器。

以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。同図において、運転者が操舵した場合の操舵トルクを検出するトルクセンサ１の出力信号は、位相補償器２により位相補償され、その周波数特性が改善される。ついで、位相補償器２により位相補償されたトルクセンサ１の出力に基づいて、トルク制御器３により、上記操舵トルクを補助する補助トルク電流が演算される。
一方、操舵成分除去手段である駆動電流ハイパスフィルタ（以下、駆動電流ＨＰＦという）４は、電流検出器１０で検出された電流検出信号から操舵周波数成分を除去する。ついで、振動速度推定器５は、上記の駆動電流ＨＰＦの出力から、モータ回転速度の振動成分を演算する。ここで、振動速度推定器５は、上記駆動電流ＨＰＦの出力にゲインを乗じてモータトルクによるモータ回転方向の振動加速度を演算する振動加速度演算器５ａと、これを積分しモータ回転方向の振動速度を演算する加速度積分器５ｂを構成要素として含む。そして、ダンピング制御器６は、上記振動速度推定器５の出力であるモータ振動速度信号に基づいて操舵の減衰特性を制御するためのダンピング電流を演算する。
次いで、トルク制御器３で演算された補助トルク電流と、ダンピング制御器６で演算されたダンピング電流とが、加算器７で加算され目標電流が演算される。そして、電流制御器８の出力端では、モータ９に通電される電流が上記目標電流に一致するように制御される。モータ９がアシストトルクを発生すべく、例えば目標電流と電流検出信号の差に対してＰＩ制御演算を行うことにより、モータ９の入力端子に印加する駆動電圧指令値を設定する。この駆動電圧指令値は、例えばＰＷＭ信号として出力される。

次に、上記構成の電動式パワーステアリング制御装置の動作について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
ステップＳ１０１で、位相補償器２で位相補償されたトルクセンサ１の出力をマイコンに読み込みメモリに記憶し、ステップＳ１０２で、電流検出信号を読み込みメモリに記憶する。電流検出信号は例えばシャント抵抗の電圧降下を検出することにより得られる。次に、ステップＳ１０３において、トルク制御器３により、上記メモリに記憶された位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、補助トルク電流をマップ演算しメモリに記憶する。
ステップＳ１０４では、駆動電流ＨＰＦ４において、上記メモリに記憶された電流検出信号を読み込みハイパスフィルタの演算を行い駆動電流ＨＰＦ出力としてメモリに記憶し、ステップＳ１０５では、振動加速度演算器５ａにおいて駆動電流ＨＰＦ出力にゲインを乗じてモータ回転方向のモータ振動加速度を演算する。ステップＳ１０６では加速度積分器５ｂにおいてモータ振動加速度を積分演算しモータ回転方向のモータ振動速度を演算する。ステップＳ１０７において、ダンピング制御器６により、上記メモリに記憶された回転速度演算器出力を読み込み、制御ゲインを乗じてダンピング電流を演算しメモリに記憶する。ステップＳ１０８では、加算器７において、上記メモリに記憶された補助トルク電流とダンピング電流とを加算し、目標電流としてメモリに記憶する。ステップＳ１０９では、目標電流と電流検出信号の差に対してＰＩ制御演算を行い、駆動電圧指令値を設定する。この駆動電圧指令値は例えばＰＷＭ信号として出力しモータ９の端子に印加し駆動する。上記ステップＳ１０１からＳ１０９までの動作を、制御サンプリング毎に繰り返す。

なお、上記ステップＳ１０３で使用したトルクセンサ出力と補助トルク電流の関係を示すマップ、上記ステップＳ１０５で使用した駆動電流ＨＰＦ出力をモータ回転方向の振動加速度に変換するゲイン、上記ステップＳ１０７で使用したダンピング電流を演算するための制御ゲインなどの目標電流の演算を行う際に必要なマップや比例係数等の定数は予めＲＯＭに設定しておくものとする。

ここで、上記操舵成分除去手段である駆動電流ＨＰＦ４について説明する。
一般に運転者が操舵可能な周波数は３Ｈｚ程度以下である。また、例えばレーンチェンジ時の操舵周波数は、０．２Ｈｚ付近であり、通常はこのような低周波の操舵を行うケースが多い。これに対し、ステアリング発振を生じやすい周波数帯域は３０Ｈｚ以上であり、操舵周波数との周波数分離が可能である。

従って、ステアリング発振を発生するような周波数領域では、周波数分離器として次式（１）の伝達関数で表されるハイパスフィルタなどを用いることなどにより操舵周波数成分を除去し振動成分のみを得ることができる。
Ｔ₃ｓ／（Ｔ₃ｓ＋１） （１）
ここでＴ₃は時定数であり、折点周波数をｆ₃［Ｈｚ］とすると下記となる。
Ｔ₃＝１／｛ｆ₃×（２π）｝ （２）

このとき、一般にハイパスフィルタの折点周波数を低く設定すれば操舵による成分が残り易くなり、高く設定すれば、ハイパスフィルタを通して得られた電流検出信号のステアリング発振成分の位相ずれが大きくなるので、通常行われる操舵周波数からステアリング発振を生ずる周波数の範囲内のいずれかの周波数にハイパスフィルタの折点周波数を設定しておけば、電流検出信号のステアリング発振成分を残して操舵周波数成分を除去することが可能である。そこで、本実施の形態１では、駆動電流ＨＰＦ４として、一般の運転者が操舵可能な最大周波数を狙って、折点周波数が０．２〜３０Ｈｚの範囲に設定したハイパスフィルタを用い、操舵成分を除去した電流検出信号のステアリング発振成分を得るようにしている。

また、電流とモータトルクの関係は、トルク定数Ｋｔとして既知の値である。駆動電流ＨＰＦ４の出力にトルク定数Ｋｔを乗じて回転慣性モーメントＪｍで除算することにより、モータ回転方向のモータ振動加速度に変換することができる。この際、モータにはトルクセンサからの反力トルクやタイヤからの反力トルクも伝わるが、一般に慣性モーメントは振動周波数の２乗に比例するので振動周波数が高い場合にはトルクセンサからの反力やタイヤからの反力トルクの影響は相対的に小さくなり無視できる。
従って、駆動電流ＨＰＦ４の出力にゲインＫｔ／Ｊｍを乗じることによりモータ回転方向のモータ振動加速度に変換することができる。
さらにモータ回転方向のモータ振動加速度を積分演算することにより、モータ回転方向のモータ振動速度を得ることができる。

このように、本実施の形態１においては、上記操舵周波数成分を除去された電流検出信号から演算したモータ振動速度に基づいてダンピング電流を演算する構成としたので、前述のようにトルク検出手段の出力が極めて小さいトルク振動に対して精度が十分高くない場合にも正確なモータ振動速度を推定しダンピング制御を行うことができ、一般にトルク比例ゲインを大きくしても制御系の発振を防止することができる。したがって、ダンピング制御器６のダンピング制御ゲインを大きくしてダンピングを強く効かせることができるので、ハンドルの振動を運転者が感じることなく、操舵トルクを低減することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係わる電動式パワーステアリング制御装置の構成を示すブロック図である。駆動電流ＨＰＦからモータ回転速度の振動成分を演算する振動速度推定器５以外の部分は、実施の形態１と全く同一の構成であるので説明を省略する。振動速度推定器５は、駆動電流ＨＰＦ４の出力にゲインを乗じて、モータトルクによるモータ回転方向のモータトルク振動加速度を演算する振動加速度演算器５ａと、トルクセンサからの反力トルクやタイヤからの反力トルクを加速度の次元として出力する反力トルク加速度演算器５ｄの出力を加算する加速度加算器５ｅ、加速度加算器５ｅの出力を積分しモータ回転方向のモータ振動速度を演算する加速度積分器５ｂ、加速度積分器５ｂの出力を積分しモータ回転方向のモータ振動角度を演算する速度積分器５ｃよりなる。反力トルク加速度演算器５ｄは、速度積分器５ｃで演算されたモータ回転方向のモータ振動角度にゲインを乗じて反力トルク加速度信号を得る。このようにして得られたモータ振動速度信号を実施の形態１と同様にダンピング制御器６に出力する。

次に、上記構成の電動式パワーステアリング制御装置の動作について、図６のフローチャートに基づいて説明する。
ステップＳ３０１で、位相補償器２で位相補償されたトルクセンサ１の出力をマイコンに読み込みメモリに記憶し、ステップＳ３０２で、電流検出信号を読み込みメモリに記憶する。電流検出信号は例えばシャント抵抗の電圧降下を検出することにより得られる。
次に、ステップＳ３０３において、トルク制御器３により、上記メモリに記憶された位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、補助トルク電流をマップ演算しメモリに記憶する。
ステップＳ３０４では、駆動電流ＨＰＦ４において、上記メモリに記憶された電流検出信号を読み込みハイパスフィルタの演算を行い駆動電流ＨＰＦ出力としてメモリに記憶し、ステップＳ３０５では、振動加速度演算器５ａにおいて駆動電流ＨＰＦ出力にゲインを乗じてモータが発生するトルクによるモータ回転方向のモータトルク振動加速度を演算する。ステップＳ３０６では、加速度加算器５ｅにおいて、振動加速度演算器５ａで演算されたモータトルク振動加速度信号と、反力トルク加速度演算器５ｄで演算しメモリに記憶された反力トルク加速度信号とを加算演算しモータ振動加速度信号としてメモリに記憶する。ステップＳ３０７では加速度積分器５ｂにおいてモータ振動加速度を積分演算しモータ回転方向のモータ振動速度を演算しメモリに記憶する。ステップＳ３０８では速度積分器５ｃにおいてモータ振動速度信号を積分して、モータ振動角度信号を演算しメモリに記憶する。ステップＳ３０９では反力トルク加速度演算器において、モータ振動角度信号にゲインを乗じて、トルクセンサからの反力トルクやタイヤからの反力トルクを加速度の次元に変換した反力トルク加速度信号を演算しメモリに記憶する。ステップＳ３１０では加速度積分器５ｂにおいてメモリに記憶されたモータ振動速度をダンピング制御器６に出力する。

ステップＳ３１１において、ダンピング制御器６により、モータ振動速度に制御ゲインを乗じてダンピング電流を演算しメモリに記憶する。ステップＳ３１２では、加算器７において、上記メモリに記憶された補助トルク電流とダンピング電流とを加算し、目標電流としてメモリに記憶する。ステップＳ３１３では、目標電流と電流検出信号の差に対してＰＩ制御演算を行い、駆動電圧指令値を設定する。この駆動電圧指令値は例えばＰＷＭ信号として出力しモータ９の端子に印加し駆動する。上記ステップＳ３０１からＳ３１３までの動作を、制御サンプリング毎に繰り返す。なお、上記ステップＳ３０３で使用したトルクセンサ出力と補助トルク電流の関係を示すマップ、上記ステップＳ３０５で使用した駆動電流ＨＰＦ出力をモータ回転方向の振動加速度に変換するゲイン、上記ステップＳ３０９で使用したモータ振動角度信号にゲインを乗じて反力トルク加速度信号を演算するゲイン、上記ステップＳ３１０で使用したダンピング電流を演算するための制御ゲインなどの目標電流の演算を行う際に必要なマップや比例係数等の定数は予めＲＯＭに設定しておくものとする。

ここで、実施の形態１と異なるのは、ステップＳ３０５からＳ３０９までの動作であるのでこの部分についてさらに説明を加える。電流とモータトルクの関係は、前述の通りトルク定数Ｋｔとして既知の値である。これを回転慣性モーメントＪｍで除算することにより、モータ回転方向のモータトルク振動加速度に変換することができる。この際、実施の形態１では無視したトルクセンサからの反力トルクやタイヤからの反力トルクも影響は小さいながらモータに伝わる。また、これらのトルクはトルクセンサのトーションバーやタイヤのねじれ変形によるものが支配的であるので、そのトルクは回転角度に比例し、駆動電流ＨＰＦ４で操舵周波数成分を除去されているので、モータ振動角速度信号を積分したモータ振動角度信号にトーションバーのバネ定数Ｋｓを乗じることによりモータ回転方向の振動トルクが得られる。そこで、この振動トルクを回転慣性モーメントＪｍで除算することにより、モータ回転方向の振動加速度に変換することができる。従って、モータ振動角度信号にゲインＫｓ／Ｊｍを乗じることによりモータ回転方向の反力トルク振動加速度に変換することができる。
以上のように、モータトルク振動加速度に反力トルク振動加速度を加算することにより、より正確なモータ回転方向のモータ振動加速度を演算することができ、これを積分演算することにより、より正確なモータ回転方向のモータ振動速度を得ることができる。

このように、本実施の形態２においては、上記操舵周波数成分を除去された電流検出信号から演算したモータ振動加速度とトルクセンサのトーションバーやタイヤのねじれ変形によるトルク振動加速度の和を積分演算したモータ振動速度に基づいてダンピング電流を演算する構成としたので、上述のような安価で精度が十分高くないトルク検出手段を用いた場合にも、正確なモータ振動速度を推定しダンピング制御を行うことができ、一般にトルク比例ゲインを大きくしても制御系の発振を防止することができる。したがって、ダンピング制御器６のダンピング制御ゲインを大きくしてダンピングを強く効かせることができるので、ハンドルの振動を運転者が感じることなく、操舵トルクを低減することができる。

また、実施の形態１及び２では、駆動電流ＨＰＦに入力する信号を電流検出器１０の出力としたが、目標電流としてもよい。例えば実施の形態１において電流検出器１０の出力を目標電流とした場合には、図３のブロック図及び図４のフローチャートに示す構成となる。このとき、目標電流は、前サンプリングでの演算値を用いればよい。

また、電流検出を行わず、目標電流と誘起電圧演算値から電流制御を行う方式もあり、その場合は、図７のブロック図及び図８のフローチャートに示す構成となる。ここで誘起電圧は、モータ回転速度に比例することが知られているので、レゾルバなどのモータ回転速度センサを用いることにより得られる。この場合、前述のとおり、主に一般に運転者が操舵可能な周波数は３Ｈｚ程度以下であり、また、誘起電圧は操舵周波数成分が支配的であるので、モータ回転速度センサは操舵周波数帯域で位相やゲインのずれが生じることなく検出できる特性であればよい。電流制御には、電流検出手段を有さず、目標電流と誘起電圧演算値から電流制御を行う方式もあり、本段落で述べた構成では、このような方式の電動パワーステアリング制御装置にも適用が可能となる。

また加速度積分器５ｂや速度積分器５ｃは単純な積分器としたが、例えば式（３）に示すハイパスフィルタに通した信号を積分しても良い。
Ｔ_４ｓ／（Ｔ_４ｓ＋１） （３）
積分器の伝達関数は
１／ｓ （４）
であるので、ハイパスフィルタを通した信号を積分することにより、ローパスフィルタにゲインを乗じた下記の伝達関数となる。
Ｔ_４／（Ｔ_４ｓ＋１） （５）
ここでＴ₄は時定数であり、折点周波数をｆ_４[Hz]とする下記となる。
Ｔ_４=１／｛ｆ_４×（２π）｝ （６）
時定数は、例えば３０Ｈｚで振動が発生する場合は、折点周波数ｆ_４を３０Ｈｚ以下など振動周波数以下の範囲に設定する。
この場合、折点周波数ｆ_４以下の周波数範囲では積分されない擬似積分しとなるので、信号にオフセットがある場合にも積分によるドリフトを防止することができる。

Claims (4)

1. 運転者による操舵トルクをトーションバーの相対角から検出する操舵トルク検出手段と、上記検出された操舵トルク信号に基づいて上記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、
   上記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、
   上記モータに通電される電流の検出値もしくは指令値から操舵による成分を除去する電流操舵成分除去手段と、
   上記モータの回転方向の振動速度を推定する振動速度推定手段と、
   上記推定されたモータ振動速度の推定値を用いて、上記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、
   を備えた電動式パワーステアリング制御装置であって、
   上記振動速度推定手段は、電流操舵成分除去手段から出力されるモータ電流に積算してモータの回転方向の振動加速度を演算する振動加速度演算手段と、
   振動加速度演算手段出力を積分してモータ回転方向の振動速度を演算する回転加速度積分手段と、
   を備えたことを特徴とする電動式パワーステアリング制御装置。
2. 上記モータの回転方向の振動速度を推定する振動速度推定手段の出力を積分してモータの回転方向の振動角度を演算する速度積分手段と、
   上記回転方向の振動角度から、トルクセンサからの反力トルクやタイヤからの反力トルクを加速度の次元として出力する反力トルク加速度を演算する反力トルク加速度演算手段と、
   上記電流操舵成分除去手段から出力されるモータ電流に積算してモータの回転方向の振動加速度を演算したモータトルク振動加速度演算手段の出力を加算し、モータ振動加速度を演算する加速度加算手段と、
   を有し、
   上記回転加速度積分手段は、上記加速度加算手段出力を積分演算することを特徴とする請求項１記載の電動式パワーステアリング制御装置。
3. 折点周波数が上記モータの回転方向の振動周波数以下の周波数の範囲に設定されたハイパスフィルタを、上記回転加速度積分手段あるいは上記速度積分手段に挿入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動式パワーステアリング制御装置。
4. 上記電流操舵成分除去手段への入力信号は、電流検出器の出力あるいは目標電流であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１の請求項に記載の電動式パワーステアリング制御装置。

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