JPWO2018168891A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】路面の状態に影響されず、経年によるステアリング操舵系の機構特性の変化に左右されず、操舵角に対して所望の操舵トルクを容易に実現することが可能な電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】車両のハンドルのコラム軸にトーションバーを備え、前記コラム軸に接続されたモータを電流指令値に基づいて駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置において、少なくとも１つのＥＰＳ／車両情報に基づいて目標操舵トルクを生成する目標操舵トルク生成部と、前記目標操舵トルクを目標捩れ角に変換する変換部と、前記目標捩れ角、操舵角、前記トーションバーの捩れ角及びモータ角速度に基づいて前記電流指令値を算出する捩れ角制御部とを備え、前記捩れ角を前記目標捩れ角に追従するように制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）に備えられているトーションバーの捩れ角を、操舵角に応じた値に追従するように制御することにより所望の操舵トルクを実現し、路面の状態に影響されず、経年による機構系特性の変化（摩擦、モータ出力特性など）に左右されない高性能な電動パワーステアリング装置に関する。

モータ制御装置を搭載した装置として電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）があり、電動パワーステアリング装置は、車両の操舵系にモータの回転力でアシスト力（操舵補助力）を付与するものであり、インバータから供給される電力で制御されるモータの駆動力を、減速機構を含む伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸にアシスト力を付与する。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシスト力を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速機構（ウォームとウォームホイールの噛み合い機構で減速比＝１／Ｎ）３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、トーションバーを有するコラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θｈを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速機構３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｓと車速センサ１２で検出された車速Ｖｓとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによって、ＥＰＳ用モータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）４０が接続されており、車速ＶｓはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＣＵ、ＭＰＵ等も含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、図２のようになる。

図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｓ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ４０からの）車速Ｖｓは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｓ及び車速Ｖｓに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差ΔＩ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差ΔＩが操舵動作の特性改善のためのＰＩ（比例積分）制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更に駆動部としてのインバータ３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。

加算部３２Ａには補償信号生成部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４−３と慣性３４−２を加算部３４−４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４−１を加算部３４−５で加算し、加算部３４−５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

このように従来のアシスト制御では、運転者の手入力にて加えた操舵トルク（トーションバーの捻れトルク）をトルクセンサで検出し、主にそのトルクに応じたアシスト電流としてモータ電流を制御している。しかしながら、この手法では、路面の状態（例えば傾斜）の違いにより、操舵角によって異なる操舵トルクとなってしまうことがある。また、モータ出力特性の経年変化によるバラツキにもより、異なる操舵特性になってしまう。

かかる問題を解決する車両制御装置として、例えば特許第５２０８８９４号公報（特許文献１）に示されるものがある。特許文献１の装置は、運転者の触覚特性に基づく適切な操舵トルクを与えることができるように、操舵角検出手段と、目標設定手段と、目標設定手段によって設定された操舵トルクの目標値が実現されるように制御する制御手段とを具備している。

特許第５２０８８９４号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、操舵角と操舵トルクとの対応関係を、操舵角又は操舵トルクと手応え量との関係に基づいて予め求めておく必要があり、その対応関係から操舵角に対応する操舵トルクを目標値として設定しなければならない煩雑さがある。また、特許文献１の装置は、操舵トルクの目標値と検出される操舵トルクとの偏差に対してＰＩ制御を用いている。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、路面の状態に影響されず、経年によるステアリング操舵系の機構特性の変化（摩擦、モータ出力特性など）に左右されず、操舵角に対して所望の操舵トルクを容易に実現することが可能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、車両のハンドルのコラム軸にトーションバーを備え、前記コラム軸に接続されたモータを電流指令値に基づいて駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、少なくとも１つのＥＰＳ／車両情報に基づいて目標操舵トルクを生成する目標操舵トルク生成部と、前記目標操舵トルクを目標捩れ角に変換する変換部と、前記目標捩れ角、操舵角、前記トーションバーの捩れ角及びモータ角速度又はコラム角速度に基づいて前記電流指令値を算出する捩れ角制御部とを備え、前記捩れ角を前記目標捩れ角に追従するように制御することにより達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、操舵角から目標捩れ角を生成し、目標捩れ角と検出された捩れ角との偏差に補償値（伝達関数）若しくは位置制御ゲインを乗算した結果を目標コラム角速度（目標角速度）として速度制御することで、目標捩れ角若しくは操舵角に捩れ角が追従するように動作し、煩雑さもなく、操舵角に対して所望の操舵トルクを実現することができる。

また、舵角外乱補償部によれば、運転者から入力される操舵角の変化による、トーションバー捩れ角への影響を抑制し、急な操舵に対する目標捩れ角への捩れ角の追従性を向上することができる。

従来の電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット（ＥＣＵ）内の制御構成例を示すブロック図である。 本発明の基本構成を示すブロック図である。 ＥＰＳ操舵系と各種センサの設置例を示す構造図である。 操舵トルクマップの特性例を示す線図である。 本発明の基本的な動作例を示すフローチャートである。 捩れ角制御部の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 舵角外乱補償部の構成例を示すブロック図である。 捩れ角制御部の動作例（第１実施形態）を示すフローチャートである。 舵角外乱補償部の効果を説明するためのＥＰＳプラントのブロック図である。 舵角外乱補償値の設定方法を説明するボード線図である。 同定結果に対する逆伝達関数とフィッティング結果を示すボード線図である。 舵角外乱補償部による効果を示す概念図である。 目標捩れ角に対する補償の有無の相違を示す波形図である。 捩れ角制御部の構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。 捩れ角制御部の動作例（第２実施形態）を示すフローチャートである。 第２実施形態の効果を示す波形図である。 捩れ角制御部の構成例（第３実施形態）を示すブロック図である。 舵角フィードフォワード（ＦＦ）部の構成例を示すブロック図である。 捩れ角制御部の動作例（第３実施形態）を示すフローチャートである。 本発明の効果を説明するための特性図である。 目標操舵トルク生成部の概要を説明する図である。

本発明は、路面の状態に影響されず、操舵角に対して所望の操舵トルクを実現するための電動パワーステアリング装置であり、コラム軸に備えられているトーションバーの捩れ角を、操舵角に応じた値に追従するように制御することにより所望の操舵トルクを実現している。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図３は本発明の基本構成を示すブロック図であり、運転者のハンドル操舵はＥＰＳ操舵系／車両系１００内のモータでアシスト制御される。操舵角θｈは操舵トルクマップ１２０に入力され、操舵トルクマップ１２０からは操舵角θｈに応じた目標操舵トルクＴrefが出力される。目標操舵トルクＴrefは、コラム軸２に設けられているトーションバー２Ａのバネ定数をＫtorとして、“−１／Ｋtor”の特性を有する変換部１０１で目標捩れ角Δθrefに変換され、目標捩れ角Δθrefは捩れ角制御部１４０に入力される。捩れ角制御部１４０には目標捩れ角Δθref、操舵角θｈ、捩れ角Δθ及びモータ角速度ωmが入力されており、捩れ角制御部１４０で捩れ角Δθが目標捩れ角Δθrefとなるような電流指令値Ｉrefが演算され、電流指令値ＩrefによりＥＰＳのモータが駆動される。

ＥＰＳ操舵系と各種センサの設置例は図４に示すようになっており、コラム軸２にはトーションバー２Ａが備えられている。操向車輪８Ｌ,８Ｒには路面反力Ｆｒ及び路面情報μが作用し、トーションバー２Ａを挟んでコラム軸２のハンドル側には上側角度センサ（角度θ_１）が設けられ、トーションバー２Ａを挟んでコラム軸２の操向車輪側には下側角度センサ（角度θ_２）が設けられている。操舵角θｈはコラム軸２の上部に設けられた舵角センサで検出され、上側角度センサの角度θ_１及び下側角度センサの角度θ_２の偏差から、下記数１及び数２によってトーションバー捩れ角Δθ及びトーションバートルクＴｔを求めることができる。なお、Ｋtorはトーションバー２Ａのバネ定数である。

（数１）
θ_２−θ_１＝Δθ
（数２）
Ｋtor・Δθ＝Ｔｔ

なお、トーションバートルクＴｔは、例えば特開２００８−２１６１７２号公報で示されるトルクセンサを用いて検出することができる。

操舵トルクマップ１２０は図５に示すような特性であり、操舵角θｈが（正負方向に）大きくなるに従って、目標操舵トルクＴrefも徐々に大きくなる特性である。操舵トルクマップ１２０は車速Ｖｓに感応するものでも良く、この場合には、車速Ｖｓが高速になるに従って目標操舵トルクＴrefは大きくなる特性である。

このような構成において、本発明の動作例を図６のフローチャートを参照して説明する。

先ず、操舵角θｈが、目標操舵トルク生成部としての操舵トルクマップ１２０に入力され（ステップＳ１）、目標操舵トルクマップ１２０は図５に示すようなマップ特性に従って目標操舵トルクＴrefを生成する（ステップＳ１０）。目標操舵トルクＴrefは変換部１０１に入力され、変換部１０１で目標捩れ角Δθrefに変換される（ステップＳ３０）。目標捩れ角Δθref、操舵角θｈ、捩れ角Δθ及びモータ角速度ω_ｍが捩れ角制御部１４０に入力され（ステップＳ３１）、捩れ角制御部１４０は捩れ角Δθが目標捩れ角Δθrefに追従するような電流指令値Ｉrefを演算し（ステップＳ４０）、電流指令値Ｉrefに基づいてモータを駆動し、電流制御が実施される（ステップＳ６０）。

なお、図６におけるデータの入力順番は適宜変更可能である。

図７は捩れ角制御部１４０の構成例（第１実施形態）を示すブロック図であり、目標捩れ角Δθrefと捩れ角Δθの偏差Δθ_０が減算部１４１で算出され、偏差Δθ_０は補償値Ｃ_ＦＢ（伝達関数）の捩れ角フィードバック（ＦＢ）補償部１４２に入力される。捩れ角フィードバック補償部１４２は偏差Δθ_０に対し補償値Ｃ_ＦＢ（伝達関数）を乗算し、目標捩れ角Δθrefに捩れ角Δθが追従するような目標角速度ωref1を出力する。目標角速度ωref1は、加算部１４３に入力される。なお、補償値Ｃ_ＦＢは第２実施形態で説明する単純なゲインＫ_ｐｐでも、或いはＰＩ制御の補償値などでも良い。

操舵角θｈは補償値Ｃｈ（伝達関数）の舵角外乱補償部１４４に入力され、操舵角θhに対して補償値Ｃｈ（伝達関数）を乗算し、目標角速度ωref2を出力する。舵角外乱補償１４４によれば、運転者から入力される操舵角θｈの変化による、トーションバー捩れ角Δθへの影響を抑制し、急操舵に対する目標捩れ角Δθrefへの捩れ角Δθの追従性を向上することができる。目標角速度ωref1と目標角速度ωref2は加算部１４３で加算され、目標角速度ωrefとなる。目標角速度ωrefは、Ｉ−Ｐ制御（比例先行型ＰＩ制御）の速度制御部１３０に入力される。運転者の操舵により操舵角θhが変化すると、それが外乱として捩れ角Δθに影響してしまい、目標捩れ角Δθrefに対してずれが発生する。特に急な操舵に対しては、それが顕著に出てしまう。舵角外乱補償部１４４の基本的な目的は、この外乱としての操舵角θhの影響を低減させることである。また、舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈは、後述するプラントモデルの周波数伝達特性などから決定することにより、外乱の影響を抑制することが可能である。

Ｉ−Ｐ制御の速度制御部１３０は、目標角速度ωrefにコラム角速度ωcが追従するような電流指令値Ｉｓを算出する。コラム角速度ω_cは図７のように、モータ角速度ωmに減速機構である減速比部１４５の減速比“１／Ｎ”を乗算した値としても良い。速度制御部１３０からの電流指令値Ｉｓの上下限値を制限して、電流指令値Ｉrefを出力するリミッタ１４６が速度制御部１３０の後段に設けられている。

舵角外乱補償部１４４は図８に示すような構成であり、操舵角θｈを入力するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１４４−１と、位相補償を行うためにＨＰＦ１４４−１の後段に設けられた位相補償部１４４−２と、ゲインＫｈを乗算するゲイン部１４４−３とで構成され、操舵角θｈの変化分（舵角速度相当）の目標角速度ωref2を出力する。ＨＰＦ１４４−１は、トルク追従制御に特化したノイズを除去し、ゲイン部１４４−３のゲインＫｈは、操舵角θｈの微分相当と、モータ速度のコラム軸換算相当とがほぼ一致するように設定する。また、操舵角θhの高周波のノイズの影響を低減するために、ＨＰＦ１４４−１の後段にノイズを除去し得るＬＰＦを介挿してもよい。舵角外乱補償部１４４によれば、運転者から入力される操舵角θｈの変化による、トーションバー捩れ角Δθへの影響を抑制することができる。

このような構成において、捩れ角制御部１４０の動作例（図６のステップＳ４０）を、図９のフローチャートを参照して説明する。

先ず目標捩れ角Δθref及び捩れ角Δθが入力され（ステップＳ４１）、減算部１４１で偏差Δθ_０が算出される（ステップＳ４２）。偏差Δθ_０は捩れ角フィードバック補償部１４２に入力されて補償され（ステップＳ４３）、補償された目標角速度ωref1が加算部１４３に入力される。次いで操舵角θｈが入力され（ステップＳ４４）、操舵角θｈは舵角外乱補償部１４４に入力されて補償され（ステップＳ４５）、補償された目標角速度ωref2が加算部１４３に入力される（ステップＳ４６）。加算部１４３の加算結果である目標角速度ωrefは、速度制御部１３０に入力される。

舵角外乱補償部１４４では図８に示すように、操舵角θｈは先ずＨＰＦ１４４−１でハイパス処理され、次いで位相補償部１４４−２で位相補償された後、ゲイン部１４４−３でゲインＫｈを乗算される。この例ではハイパス処理した後に位相補償するようになっているが、逆であっても良い。

また、モータ角速度ωmは減速比部１４５で“１／Ｎ”を乗算され（ステップＳ４７）、乗算結果であるコラム角速度ωcが速度制御部１３０に入力される（ステップＳ４８）。目標角速度ωrefとコラム角速度ωcの差分が減算部１３１で得られ、差分が積分部１３２で積分（Ｋｖｉ／ｓ）されて加算部１３４に入力される（ステップＳ５０）。コラム角速度ωcは比例部１３３で比例処理（Ｋｖｐ）され、比例結果が減算部１３４に入力され（ステップＳ５０）、減算部１３４からの減算結果である電流指令値Ｉｓがリミッタ１４６で上下限値を制限され（ステップＳ５１）、リミッタ１４６からモータ制御の電流指令値Ｉｒｅｆが出力される（ステップＳ５２）。

捩れ角制御部１４０は捩れ角フィードバック補償部１４２と速度制御部１３０があれば、基本的には目標捩れ角Δθrefに捩れ角Δθを追従させ、所望の操舵トルクを実現することが可能である。

次に、舵角外乱補償部１４４の効果について説明する。

ＥＰＳ操舵系／車両系１００を図１０のように速度制御部１３０込みとして扱った場合のシステム全体において、目標角速度ωrefを入力とし、出力をコラム角θc及び捩れ角Δθとし、速度制御部１３０を含むシステム全体の伝達関数モデルをＰｃとする。捩れ角Δθは単純にコラム角θcと操舵角θhの差分（θc−θh）であり、減算部１０３で求められる。ただし、ＥＰＳ操舵系／車両系１００及び速度制御部１３０を含む伝達関数ブロック（Ｐω）１０２−１は、入力を目標角速度ωref、出力をコラム角速度ωcとした伝達関数モデルであり、トーションバー２Ａのバネ定数Ｋtor、コラム慣性などのＥＰＳ機構系特性と車両の動特性モデルも含む。また、伝達関数ブロック（Ｐω）１０２−１は、高域の安定化補償部を含んでも良いし、含まなくても良い。コラム角速度ωcを、積分ブロック１０２−２で時間積分するとコラム角θcとなる。

図１０を基に、捩れ角Δθを目標捩れ角Δθref、捩れ角フィードバック補償部１４２の伝達関数Ｃ_ＦＢ、舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈ、システム全体の伝達関数Ｐｃで表現すると、数３になる。

数３の第１項が捩れ角Δθの目標捩れ角Δθrefへの追従性を表し、第２項が操舵角θｈの捩れ角Δθへの外乱特性を表している。この数３の第２項目を“０”とすれば、理論的に操舵角θｈに起因する外乱を除去できることから、舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈを数４にすれば良い。つまり、数４となるように舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈを設定すれば、操舵角θｈによる外乱の影響を抑制することができる。

次に、舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈの設定方法について説明する。

目標角速度ωrefからコラム角θｃまでの周波数特性Ｐｃを同定した結果の一例は、図１１（Ａ）及び（Ｂ）のボード線図であり、更にこの同定結果に対する逆伝達関数、つまり数４とそれにフィッティングした結果の一例を図１２に示す。図１２の細線が逆伝達関数であり、太線がフィッティング結果である。図１２（Ａ）及び（Ｂ）から分かるように、フィッティング結果により３０〜１００Ｈｚ近辺で位相が抑制され、ゲインが大きくなっている。フィッティングした伝達関数は、数５で示される３次のフィルタとしている。分子の係数ｂ_３〜ｂ_０と分母の係数ａ_３〜ａ_０は、それぞれ図１２の細線に対し、ゲインと位相が一致するようなフィルタの係数を、繰り返し計算により求めた。

上記のフィッティング結果を舵角外乱補償部１４４の伝達関数Ｃｈとして設定する。

次に、舵角外乱補償部１４４による効果を、概念図を用いて説明する。目標操舵トルク生成部の設定は基本マップのみ行い、操舵角θhの１００［deg］に対し、目標捩れ角Δθrefが５［deg］となるような目標操舵トルクの直線の設定とした。図１３に、操舵入力及び外乱としての操舵角θhの時間応答を示す。０［sec］から５［sec］にかけて周波数が高くなり、急操舵を想定した入力としている。図１３の操舵角θhを舵角外乱補償の有りと無しの両方の場合に用い、図１４の結果を得た。図１４では線が重なって見難いが、目標捩れ角に対して補償無しの特性（太線）は大きくずれているが、舵角外乱補償が有る場合（破線）には、目標捩れ角（細線）に良く追従しているのが分かる。また、急操舵の場合にも目標捩れ角へ追従し、所望の操舵トルクを実現している。

上述の第１実施形態では、捩れ角フィードバック補償部１４２において偏差Δθ_０に補償値Ｃ_ＦＢ（伝達関数）を乗算して目標角速度ωref1を求めているが、図１５に示すように位置制御ゲインＫpp（伝達関数）を有する位置制御部１４２Ａでも良い（第２実施形態）。

第２実施形態では他の構成は第１実施形態の図７と全く同様であり、その動作例は図１６である。第２実施形態の動作例も図９と同様であり、第２実施形態では、減算部１４１で偏差Δθ_０が算出された後（ステップＳ４２）、偏差Δθ_０は位置制御部１４２Ａに入力されて補償され（ステップＳ４３Ａ）、補償された目標角速度ωref3が加算部１４３に入力される。以降の動作は、図９と全く同様である。

第２実施形態の効果を図１７に示して説明する。

操舵角θｈを図１７（Ａ）のように動かした場合、図１７（Ｂ）の細線のような目標操舵トルクＴrefが操舵トルクマップ１２０から出力される。それに対して、トーションバーのバネ定数Ｋtorとの関係式から目標捩れ角Δθrefを算出する。図１７（Ｂ）は線が重なって見難いが、舵角外乱補償部が無い場合（太線）に比べ、舵角外乱補償部を設けることにより目標捩れ角（細線）に対して、捩れ角（破線）が追従するように動作することが分かる。

上述の第１実施形態及び第２実施形態では、舵角外乱補償部１４４において操舵角θｈに対する補償を行って目標角速度ωref2を求めているが、図１８に示すように舵角フィードフォワード（ＦＦ）補償部１４７により目標角速度ωref4を求めても良い（第３実施形態）。

即ち、第３実施形態では、操舵角θｈは舵角フィードフォワード（ＦＦ）補償部１４７に入力され、操舵角θhに対する補償を行って目標角速度ωref4を出力する。舵角フィードフォワード補償部１４７は、図１９（Ａ）又は（Ｂ）に示すような構成であり、図１９（Ａ）の構成例では、操舵角θhに対して、トルク追従制御に特化したノイズを除去するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１４７−１とゲイン部１４７−２のゲインＫｈを乗算し、操舵角θhの変化分（舵角速度相当）の目標角速度ωref4を出力する。また、図１９（Ｂ）の構成例では、微分相当の演算若しくは位相進み補償などの位相進みフィルタ１４７−３と、ゲイン部１４７−２のゲインＫｈとを乗算し、操舵角θhの変化分（舵角速度相当）の目標角速度ωref4を出力する。位相進みフィルタ１４７−３は、トルク追従制御に特化したノイズを除去し、ゲインＫｈは、操舵角θhの微分相当の値と、モータ速度のコラム軸換算相当の値とがほぼ一致するように設定する。また、操舵角θhの高周波のノイズの影響を低減するために、ＨＰＦ１４７−１の後段にノイズを除去し得るローパスフィルタ（ＬＰＦ）を介挿してもよい。舵角フィードフォワード補償部１４７によれば、運転者から入力される操舵角θｈの変化による、トーションバー捩れ角Δθへの影響を抑制することができる。

ただし、上述したＨＰＦと位相進みフィルタは、実用上効果があるのであれば、１次に限らず、２次以上で構成しても良い。

第３実施形態の動作例は図２０であり、第２実施形態の図１６とほぼ同様である。即ち、第３実施形態では、減算部１４１で偏差Δθ_０が算出された後（ステップＳ４２）、偏差Δθ_０は位置制御部１４２Ａに入力されて補償され（ステップＳ４３Ａ）、補償された目標角速度ωref3が加算部１４３に入力される。次いで操舵角θｈが入力され（ステップＳ４４）、操舵角θｈは舵角フィードフォワード補償部１４７に入力されて補償され（ステップＳ４５Ａ）、補償された目標角速度ωref4が加算部１４３に入力される（ステップＳ４６）。以降の動作は、図９及び図１６と全く同様である。

次に、第３実施形態の効果を図２１に示して説明する。

操舵角θｈを図２１（Ａ）のように約０．６秒〜４．５秒に亘って動かした場合、図２１（Ｂ）の細線のような目標操舵トルクＴrefが上記時間に亘って操舵トルクマップ１２０から出力される。それに対して、トーションバーのバネ定数Ｋtorで除算することで目標捩れ角Δθrefを算出する。図２１（Ｂ）に示すような目標捩れ角（細線）に対して、捩れ角（太線）が少し遅れて追従するように動作する。この結果、手感に現れる操舵トルクが、図２１（Ｃ）に示すようなほぼ図２１（Ａ）と同様な特性になる。

ただし、図１４、図１７及び図２１に示されている波形図のトーションバー捩れ角に関しては、操舵角（プラス方向）に対して、捩れ角（プラス方向）と表記するように符号調整を行っている。また、目標捩れ角についても、捩れ角と同様とする。

なお、上述の実施形態１〜３では、モータ角速度ωｍを減速比部１４５で減速比“１／Ｎ”を乗算してコラム角速度ωｃを求め、コラム角速度ωｃを速度制御部１３０に入力しているが、モータ角速度ωｍを直接速度制御部１３０に入力するようにしても良い。また、上述した操舵トルクマップ１２０の後段若しくは前段に位相補償を介挿しても良く、操舵に対してスッキリ感を持たせたい場合には、位相進み補償を設定すれば良い。更に、捩れ角制御部１４０の電流指令値Ｉrefに従来のアシスト制御の電流指令値、或いはＳＡＴ(Self-Aligning Torque）推定値の電流指令値、或いはハンドル振動抑制のための電流指令値を加算しても良い。また、上述の実施形態では、モータ角速度に基づいてコラム角速度を演算しているが、その代わりに、トーションバー下側の角度（例えば、下側角度センサによる角度θ２）に基づいてコラム角速度を演算しても良い。その場合には、角度次元から角速度次元に変換するために、一般的に使用される微分演算相当（例えばＨＰＦ、微分演算により演算）を実施すれば良い。その場合、捩れ角制御部１４０へ入力するモータ角速度ωｍは不要となり、代わりに、トーションバー下側の角度に基づいて演算したコラム角速度を捩れ角制御部１４０に入力すれば良く、更に減速比“１／Ｎ”の演算は不要となる。

更にまた、上述の実施形態では速度制御部をＩ−Ｐ制御（比例先行型ＰＩ制御）で構成しているが、ＰＩ制御、Ｐ制御、ＰＩＤ制御、ＰＩ−Ｄ制御、モデルマッチング制御、モデル規範制御などの一般的に用いられるものでも良い。また、速度制御部は、比例補償（Ｐ補償）、積分補償（Ｉ補償）、微分補償（Ｄ補償）の少なくとも１つ若しくはそれらの組み合わせにより、目標コラム角速度に対してモータ角速度を追従し得る制御構成であっても良い。

上述で使用した図は、本発明に関して定性的な説明を行うための概念図であり、これらに限定されるものではない。また、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。また、本発明をコラム型ＥＰＳに適用して説明しているが、本発明はコラム型等の上流型に限られず、ラックアンドピニオン等の下流型ＥＰＳにも適用可能である。更に、目標捩れ角に基づくフィードバック制御を行うということでは、トーションバー（バネ定数任意）及び捩れ角検出用のセンサを少なくとも備えるステアバイワイヤ（ＳＢＷ）反力装置等にも適用可能である。

本発明の主たる目的は、目標捩れ角に対する捩れ角の追従性を向上させ、結果的に目標操舵トルクTrefに対する操舵トルクの追従性を向上させることである。そのため、目標値としての目標操舵トルクTrefの演算方法は、上記に限定されない。 上記実施形態においては、例えば図５のように、目標操舵トルクTrefは操舵角に応じた操舵トルクマップにより演算しているが、図２２のように操舵角、モータ角度（又はモータ角速度）、コラム舵角（コラム角θｃ）、電流指令値、車速、ヨーレート、横Ｇ等の複数のＥＰＳ／車両情報に基づいて演算してもよい。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
３ 減速機構
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１４ 舵角センサ
２０ モータ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１００ ＥＰＳ操舵系／車両系
１０１ 変換部
１２０ 操舵トルクマップ
１３０ 速度制御部
１４０ 捩れ角制御部
１４２ 捩れ角フィードバック（ＦＢ）補償部
１４２Ａ 位置制御部
１４４ 舵角外乱補償部
１４５ 減速比部
１４７ 舵角フィードフォワード（ＦＦ）補償部

Claims (19)

1. 車両のハンドルのコラム軸にトーションバーを備え、前記コラム軸に接続されたモータを電流指令値に基づいて駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置において、
   少なくとも１つのＥＰＳ／車両情報に基づいて目標操舵トルクを生成する目標操舵トルク生成部と、
   前記目標操舵トルクを目標捩れ角に変換する変換部と、
   前記目標捩れ角、操舵角、前記トーションバーの捩れ角及びモータ角速度又はコラム角速度に基づいて前記電流指令値を算出する捩れ角制御部と、
   を備え、
   前記捩れ角を前記目標捩れ角に追従するように制御することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角及び前記捩れ角の偏差に対して目標コラム角速度１を出力する捩れ角フィードバック補償部と、
   前記操舵角に対して目標コラム角速度２を出力する舵角外乱補償部と、
   前記目標コラム角速度１及び前記目標コラム角速度２を加算して目標コラム角速度３を出力する加算部と、
   前記目標コラム角速度３及び前記コラム角速度に基づいて前記電流指令値を出力する速度制御部と、
   で構成されている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記捩れ角フィードバック補償部が伝達関数のゲイン値である請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記舵角外乱補償部が、
   ハイパスフィルタと、位相補償を行うための位相補償部と、ゲインを乗算するゲインとで構成されている請求項２又は３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記舵角外乱補償部が、前記操舵角の変化による前記捩れ角への影響を抑制し、急操舵に対する目標捩れ角への前記捩れ角の追従性を向上する伝達関数の値である請求項２又は３に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記舵角外乱補償部の伝達関数の値が、前記操舵系及び車両系モデルの周波数伝達関数から定められる請求項５に記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角及び前記捩れ角の偏差に対して位置制御ゲインを乗算して目標コラム角速度４を出力する位置制御部と、
   前記操舵角に対して目標コラム角速度２を出力する舵角外乱補償部と、
   前記目標コラム角速度４及び前記目標コラム角速度２を加算して目標コラム角速度３を出力する加算部と、
   前記目標コラム角速度３及び前記コラム角速度に基づいて前記電流指令値を出力する速度制御部と、
   で構成されている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
8. 前記舵角外乱補償部が、
   ハイパスフィルタと、位相補償を行うための位相補償部と、ゲインを乗算するゲインとで構成されている請求項７に記載の電動パワーステアリング装置。
9. 前記舵角外乱補償部が、前記操舵角の変化による前記捩れ角への影響を抑制し、急操舵に対する目標捩れ角への前記捩れ角の追従性を向上する伝達関数の値である請求項７に記載の電動パワーステアリング装置。
10. 前記舵角外乱補償部の伝達関数の値が、前記操舵系及び車両系モデルの周波数伝達関数から定められる請求項９に記載の電動パワーステアリング装置。
11. 前記捩れ角制御部が、
    前記目標捩れ角及び前記捩れ角の偏差に対して位置制御ゲインを乗算して目標コラム角速度４を出力する位置制御部と、
    前記操舵角に対して目標コラム角速度５を出力する舵角フィードフォワード補償部と、
    前記目標コラム角速度４及び前記目標コラム角速度５を加算して目標コラム角速度３を出力する加算部と、
    前記目標コラム角速度３及び前記コラム角速度に基づいて前記電流指令値を出力する速度制御部と、
    で構成されている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
12. 前記舵角フィードフォワード補償部が、トルク追従制御に特化したノイズを除去するハイパスフィルタ及びゲイン部で構成されている請求項１１に記載の電動パワーステアリング装置。
13. 前記舵角フィードフォワード補償部が、トルク追従制御に特化したノイズを除去する位相進みフィルタ及びゲイン部で構成されている請求項１１に記載の電動パワーステアリング装置。
14. 前記速度制御部が、Ｐ補償、Ｉ補償、Ｄ補償の少なくとも１つ若しくはそれらの組み合わせで実施される請求項２乃至１３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
15. 前記コラム角速度は、前記モータ角速度を減速比で減速した信号、又は前記トーションバー下側の角度検出値に基づいて演算した角速度信号である請求項２乃至１４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
16. 前記速度制御部の後段に上下限値を制限するリミッタが設けられている請求項１４又は１５に記載の電動パワーステアリング装置。
17. 前記ＥＰＳ／車両情報が操舵角であり、前記目標操舵トルク生成部は、前記操舵角に基づいた操舵トルクマップによって前記目標操舵トルクを演算する請求項１乃至１６のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
18. 操舵トルクマップは、前記操舵トルクが大きくなるに従って大きな前記目標操舵トルクを出力する特性である請求項１７に記載の電動パワーステアリング装置。
19. 前記目標操舵トルク生成部は、車速に基づいて前記目標操舵トルクを可変とする請求項１７又は１８に記載の電動パワーステアリング装置。

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