JPWO2019082835A1 - 車両用操向装置 - 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、操舵角等の車両運転情報に対して同等の操舵トルクを容易に実現することが可能な車両用操向装置を提供する。【解決手段】操舵系をアシスト制御する車両用操向装置において、車両運転情報に応じた目標捩れ角及び捩れ角に基づいてモータ電流指令値を演算する捩れ角制御部を備え、捩れ角制御部が、目標捩れ角及び捩れ角の偏差より目標捩れ角速度を算出する捩れ角フィードバック補償部と、捩れ角より捩れ角速度を算出する捩れ角速度演算部と、目標捩れ角速度及び捩れ角速度に基づいて比例補償を行なうことにより制限前モータ電流指令値を算出する速度制御部と、制限前モータ電流指令値の上下限値を制限して、モータ電流指令値を出力する出力制限部とを具備し、モータ電流指令値に基づいてモータを駆動制御する。【選択図】図９

Description

本発明は、トーションバーの捩れ角等を車両運転情報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に左右されない高性能な車両用操向装置に関する。

車両用操向装置の１つである電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）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として付与する。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Ｉ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差Ｉ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）３４３と慣性３４２を加算部３４４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４１を加算部３４５で加算し、加算部３４５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

このように、従来の電動パワーステアリング装置でのアシスト制御では、運転者の手入力にて加えられた操舵トルクをトーションバーの捩れトルクとして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、この方法で制御を行なう場合、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。モータ出力特性の経年使用によるバラツキによっても、操舵トルクに影響を与えることがある。

かかる問題を解決するために、例えば、特許第５２０８８９４号公報（特許文献１）に示されるような電動パワーステアリング装置が提案されている。特許文献１の電動パワーステアリング装置では、運転者の触覚特性に基づく適切な操舵トルクを与えるために、操舵角又は操舵トルクと手応え量との関係に基づいて決定される操舵角と操舵トルクとの関係（操舵反力特性マップ）に基づいて、操舵トルクの目標値を設定している。

特許第５２０８８９４号公報

しかしながら、特許文献１の電動パワーステアリング装置では、操舵反力特性マップを予め求めておかなければならず、また、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基づいて制御を行っているので、操舵トルクに対する影響が残ってしまうおそれがある。

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に左右されず、操舵角等の車両運転情報に対して同等の操舵トルクを容易に実現することが可能な車両用操向装置を提供することにある。

本発明は、任意のバネ定数を有するトーションバー及び捩れ角を検出するセンサを少なくとも備え、モータを駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御する車両用操向装置に関し、本発明の上記目的は、車両運転情報に応じた目標捩れ角及び前記捩れ角に基づいてモータ電流指令値を演算する捩れ角制御部を備え、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より目標捩れ角速度を算出する捩れ角フィードバック補償部と、前記捩れ角より捩れ角速度を算出する捩れ角速度演算部と、前記目標捩れ角速度及び前記捩れ角速度に基づいて比例補償を行なうことにより制限前モータ電流指令値を算出する速度制御部と、前記制限前モータ電流指令値の上下限値を制限して、前記モータ電流指令値を出力する出力制限部とを具備し、前記モータ電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御することにより達成される。

または、本発明の上記目的は、車両運転情報に応じた目標捩れ角、前記捩れ角、第１回転角及び第２回転角に基づいてモータ電流指令値を演算する捩れ角制御部を備え、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より目標捩れ角速度を算出する捩れ角フィードバック補償部と、前記第１回転角より第１角速度を算出する第１角速度演算部と、前記第２回転角より第２角速度を算出する第２角速度演算部と、前記目標捩れ角速度及び前記第１角速度より求められる目標角速度並びに前記第２角速度に基づいて比例補償を行なうことにより制限前モータ電流指令値を算出する速度制御部と、前記制限前モータ電流指令値の上下限値を制限して、前記モータ電流指令値を出力する出力制限部とを具備し、前記モータ電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御することにより達成される。

または、本発明の上記目的は、車両運転情報に応じた目標捩れ角、第１回転角及び第２回転角に基づいてモータ電流指令値を演算する捩れ角制御部を備え、前記捩れ角制御部が、前記目標捩れ角及び前記第１回転角より求められる目標回転角並びに前記第２回転角の偏差より目標捩れ角速度を算出する捩れ角フィードバック補償部と、前記第１回転角より第１角速度を算出する第１角速度演算部と、前記第２回転角より第２角速度を算出する第２角速度演算部と、前記目標捩れ角速度及び前記第１角速度より求められる目標角速度並びに前記第２角速度に基づいて比例補償を行なうことにより制限前モータ電流指令値を算出する速度制御部と、前記制限前モータ電流指令値の上下限値を制限して、前記モータ電流指令値を出力する出力制限部とを具備し、前記モータ電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記捩れ角制御部が、前記目標捩れ角の上下限値を制限する入力制限部を更に具備することにより、或いは、前記捩れ角制御部が、前記目標捩れ角の変化量に対して制限をかけるレート制限部を更に具備することにより、或いは、前記車両運転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、前記捩れ角制御部で使用される前記目標捩れ角に変換する変換部とを更に備えることにより、或いは、前記目標操舵トルク生成部が、車速感応である基本マップを用いて前記車両運転情報より第１トルク信号を求める基本マップ部と、車速感応であるダンパゲインマップを用いて角速度情報に基づいて第２トルク信号を求めるダンパ演算部と、操舵状態に応じて前記車両運転情報をヒステリシス補正して第３トルク信号を求めるヒステリシス補正部とを具備し、前記第１トルク信号、前記第２トルク信号及び前記第３トルク信号より前記目標操舵トルクを算出することにより、或いは、前記モータ電流指令値に、操舵トルクに基づいて演算されるアシスト電流指令値を加算して求められる電流指令値に基づいて、前記モータを駆動制御することにより、より効果的に達成される。

本発明の車両用操向装置によれば、車両運転情報に応じた目標捩れ角に基づいて演算される目標捩れ角速度又は目標角速度に対して比例補償による速度制御を行うことにより、目標捩れ角に捩れ角が追従するように動作し、車両運転情報に対して所望の操舵トルクを実現し、運転者の操舵の感覚に基づく適切な操舵トルクを与えることができる。捩れ角制御部が捩れ角速度又は角速度を制御する速度制御部を備えており、これにより目標捩れ角への追従性が向上し、更に、運転者から入力される操舵角の変化による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。

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）内の構成例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。 本発明の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 目標操舵トルク生成部の構成例を示すブロック図である。 基本マップの特性例を示す線図である。 ダンパゲインマップの特性例を示す線図である。 ヒステリシス補正部の特性例を示す線図である。 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。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 目標操舵トルク生成部の動作例を示すフローチャートである。 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。 シミュレーションで使用する操舵角の時系列例を示すグラフである。 捩れ角制御を行わない場合のシミュレーション結果である。 捩れ角制御を行う場合のシミュレーションでの目標操舵トルクの出力例を示す線図である。 捩れ角制御を行う場合のシミュレーション結果である。 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。 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。 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。 本発明の構成例（第４実施形態）を示すブロック図である。 位相補償部の挿入例を示すブロック図である。

本発明は、路面の状態に影響されず、操舵角、車速、操舵状態等の車両運転情報に対して同等の操舵トルクを実現するための車両用操向装置であり、トーションバーの捩れ角等を、車両運転情報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。

先ず、本発明に係る車両用操向装置の１つである電動パワーステアリング装置に関連する情報を検出する各種センサの設置例について説明する。図３は、ＥＰＳ操舵系と各種センサの設置例を示す図であり、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が作用する。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が設けられており、上側角度センサはハンドル角θ_１を検出し、下側角度センサはコラム角θ_２を検出する。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、ハンドル角θ_１及びコラム角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の捩れ角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、Ｋｔはトーションバー２Ａのバネ定数である。

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も可能である。

次に、本発明の構成例について説明する。

図４は本発明の構成例（第１実施形態）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。車両運転情報である操舵角θｈに応じた目標操舵トルクＴｒｅｆを出力する目標操舵トルク生成部１２０には、操舵角θｈの他に、車両運転情報である車速Ｖｓ及び右切り／左切り判定部１１０から出力される右切り又は左切りの操舵状態ＳＴｓが入力される。目標操舵トルクＴｒｅｆは変換部１３０で目標捩れ角Δθｒｅｆに変換され、目標捩れ角Δθｒｅｆは、トーションバー２Ａの捩れ角Δθと共に捩れ角制御部１４０に入力される。捩れ角制御部１４０は、捩れ角Δθが目標捩れ角Δθｒｅｆとなるようなモータ電流指令値Ｉｍｃを演算し、モータ電流指令値ＩｍｃによりＥＰＳのモータが駆動される。

右切り／左切り判定部１１０は、モータ角速度ωｍを基に操舵が右切りか左切りかを判定し、判定結果を操舵状態ＳＴｓとして出力する。即ち、モータ角速度ωｍが正の値の場合は「右切り」と判定し、負の値の場合は「左切り」と判定する。なお、モータ角速度ωｍの代わりに、操舵角θｈ、ハンドル角θ_１又はコラム角θ_２に対して速度演算を行って算出される角速度を用いても良い。

図５は目標操舵トルク生成部１２０の構成例を示しており、目標操舵トルク生成部１２０は、基本マップ部１２１、微分部１２２、ダンパゲイン部１２３、ヒステリシス補正部１２４、乗算部１２５並びに加算部１２６及び１２７を備え、操舵角θｈは基本マップ部１２１、微分部１２２及びヒステリシス補正部１２４に入力され、右切り／左切り判定部１１０から出力される操舵状態ＳＴｓはヒステリシス補正部１２４に入力される。

基本マップ部１２１は、基本マップを有し、基本マップを用いて、車速Ｖｓをパラメータとするトルク信号（第１トルク信号）Ｔｒｅｆ＿ａを出力する。基本マップはチューニングにより調整されており、例えば、図６（Ａ）に示されるように、トルク信号Ｔｒｅｆ＿ａは、操舵角θｈの大きさ（絶対値）｜θｈ｜が増加するにつれて増加し、車速Ｖｓが増加するにつれても増加するようになっている。なお、図６（Ａ）において、符号部１２１Ａは操舵角θｈの符号（＋１、−１）を乗算部１２１Ｂに出力しており、操舵角θｈの大きさからマップによりトルク信号Ｔｒｅｆ＿ａの大きさを求め、これに操舵角θｈの符号を乗算し、トルク信号Ｔｒｅｆ＿ａを求める構成となっているが、図６（Ｂ）に示されるように、正負の操舵角θｈに応じてマップを構成しても良く、この場合、操舵角θｈが正の場合と負の場合とで変化の態様を変えても良い。

微分部１２２は、操舵角θｈを微分して舵角速度ωｈを算出し、舵角速度ωｈは乗算部１２５に入力される。

ダンパゲイン部１２３は、舵角速度ωｈに乗算されるダンパゲインＤ_Ｇを出力する。乗算部１２５にてダンパゲインＤ_Ｇを乗算された舵角速度ωｈは、トルク信号（第２トルク信号）Ｔｒｅｆ＿ｂとして加算部１２７に入力される。ダンパゲインＤ_Ｇは、ダンパゲイン部１２３が有する車速感応型のダンパゲインマップを用いて、車速Ｖｓに応じて求められる。ダンパゲインマップは、例えば、図７に示されるように、車速Ｖｓが高くなるに従って徐々に大きくなる特性を有する。ダンパゲインマップは操舵角θｈに応じて可変としても良い。なお、ダンパゲイン部１２３及び乗算部１２５でダンパ演算部を構成している。

ヒステリシス補正部１２４は操舵角θｈ及び操舵状態ＳＴｓに基づき、下記数３に従ってトルク信号（第３トルク信号）Ｔｒｅｆ＿ｃを演算する。なお、下記数３では、ｘ＝θｈ、ｙ＝Ｔｒｅｆ＿ｃとしており、Ａ_ｈｙｓはヒステリシス幅である。

右切り操舵から左切り操舵、左切り操舵から右切り操舵へ切り替える際に、最終座標（ｘ１，ｙ１）の値に基づき、切り替え後の数３の“ｂ”に以下の数４を代入する。これにより、切り替え前後の連続性が保たれる。

数３及び数４においてＡ_ｈｙｓ＝１［Ｎｍ］、ａ＝０．３と設定し、０［ｄｅｇ］から開始し、＋５０［ｄｅｇ］、−５０［ｄｅｇ］の操舵をした場合の、ヒステリシス補正されたトルク信号Ｔｒｅｆ＿ｃの線図例を図８に示す。即ち、ヒステリシス補正部１２４からのトルク信号Ｔｒｅｆ＿ｃは、０の原点→Ｌ１（細線）→Ｌ２（破線）→Ｌ３（太線）のようなヒステリシス特性である。

なお、ヒステリシス特性の出力幅を表す係数であるＡ_ｈｙｓ及び丸みを表す係数であるａを、車速Ｖｓ及び／又は操舵角θｈに応じて可変としても良い。

トルク信号Ｔｒｅｆ＿ａ、Ｔｒｅｆ＿ｂ及びＴｒｅｆ＿ｃは、加算部１２６及び１２７で加算され、加算結果が目標操舵トルクＴｒｅｆとして出力される。

なお、舵角速度ωｈは、操舵角θｈに対する微分演算により求めているが、高域のノイズの影響を低減するために適度にローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理を実施している。また、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）とゲインにより、微分演算とＬＰＦの処理を実施しても良い。更に、舵角速度ωｈは、操舵角θｈではなく、上側角度センサが検出するハンドル角θ_１又は下側角度センサが検出するコラム角θ_２に対して微分演算とＬＰＦの処理を行って算出しても良い。舵角速度ωｈの代わりにモータ角速度ωｍを使用しても良く、この場合、微分部１２２は不要となる。

変換部１３０は、トーションバー２Ａのバネ定数Ｋｔの逆数の符号を反転した−１／Ｋｔの特性を有しており、目標操舵トルクＴｒｅｆを目標捩れ角Δθｒｅｆに変換する。

捩れ角制御部１４０は、目標捩れ角Δθｒｅｆ及び捩れ角Δθに基づいてモータ電流指令値Ｉｍｃを演算する。図９は捩れ角制御部１４０の構成例を示すブロック図であり、捩れ角制御部１４０は、入力制限部１４１、レート制限部１４２、捩れ角フィードバック（ＦＢ）補償部１４３、捩れ角速度演算部１４４、速度制御部１５０、出力制限部１４５及び減算部１４６を備える。

入力制限部１４１は、通信やマイコン、ＥＣＵの演算等において、目標捩れ角Δθｒｅｆが異常値となった場合に、捩れ角制御部１４０が異常なモータ電流指令値Ｉｍｃを出力しないように、目標捩れ角Δθｒｅｆの上下限値を制限する。目標捩れ角Δθｒｅｆに対する上限値及び下限値を予め設定しておき、入力した目標捩れ角Δθｒｅｆが上限値以上の場合は上限値を目標捩れ角Δθｒｅｆ’とし、下限値以下の場合は下限値を目標捩れ角Δθｒｅｆ’とし、それ以外の場合は目標捩れ角Δθｒｅｆをそのまま目標捩れ角Δθｒｅｆ’として出力する。設定する上限値及び下限値としては、制御上使用する捩れ角の最大値及び最小値でも良いし、検出可能な捩れ角の範囲の最大値及び最小値でも良い。これにより、安全性の確保を図る。

レート制限部１４２は、目標捩れ角Δθｒｅｆが異常値となった場合に、値が連続的に変化せず、不連続的に変動することを防止するために、目標捩れ角Δθｒｅｆ’の変化量に対して制限をかける。通常では目標捩れ角は連続的に変化し、レート制限部１４２による制限はかからないが、何らかの異常により一時的に目標捩れ角が異常値になった場合、レート制限部１４２により制限をかけることによって、不連続的な変化を防止する。例えば、１サンプル前の目標捩れ角Δθｒｅｆ’からの差分を変化量とし、その変化量の絶対値が所定の値より大きい場合、変化量の絶対値がその所定の値となるように目標捩れ角Δθｒｅｆ’を加減算し、目標捩れ角Δθｒｅｆ”として出力し、所定の値以下の場合は、目標捩れ角Δθｒｅｆ’をそのまま目標捩れ角Δθｒｅｆ”として出力する。１サンプル前の目標捩れ角Δθｒｅｆ’に対する差分の割合を変化量とする等により、制限をかけても良い。

なお、入力制限部１４１とレート制限部１４２の配置は逆にしても良いが、図９のような配置が好ましい。また、異常値や不連続値への対応を別の手段で行なう場合等では、入力制限部１４１及び／又はレート制限部１４２は削除可能である。

捩れ角ＦＢ補償部１４３は、減算部１４６で算出される目標捩れ角Δθｒｅｆ”と捩れ角Δθの偏差Δθ_０に対して補償値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捩れ角速度ωｒｅｆを出力する。補償値Ｃ_ＦＢは単純なゲインＫｐｐでも、ＰＩ制御の補償値など一般的に用いられている補償値でも良い。目標捩れ角速度ωｒｅｆは速度制御部１５０に入力される。捩れ角ＦＢ補償部１４３と速度制御部１５０により、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となる。

捩れ角速度演算部１４４は、捩れ角Δθに対する微分演算により捩れ角速度ωｔを算出し、捩れ角速度ωｔは速度制御部１５０に入力される。微分演算として、ＨＰＦとゲインによる擬似微分を行なっても良い。

速度制御部１５０は、目標捩れ角速度ωｒｅｆに捩れ角速度ωｔが追従するようなモータ電流指令値（制限前モータ電流指令値）Ｉｍｃｂを算出する。減算部１５１で目標捩れ角速度ωｒｅｆと捩れ角速度ωｔとの差分（ωｒｅｆ−ωｔ）を算出し、その差分に補償部１５２にて補償値Ｋｖを乗算し、モータ電流指令値Ｉｍｃｂとして出力する。補償値Ｋｖとして比例（Ｐ）補償の補償値を使用するが、比例積分（ＰＩ）補償等の補償値でも良い。

出力制限部１４５は、速度制御部１５０から出力されるモータ電流指令値Ｉｍｃｂの上下限値を制限して、モータ電流指令値Ｉｍｃを出力する。入力制限部１４１と同様に、モータ電流指令値Ｉｍｃｂに対する上限値及び下限値を予め設定して制限をかける。

このような構成において、本実施形態の動作例を図１０〜図１２のフローチャートを参照して説明する。

動作を開始すると、右切り／左切り判定部１１０は、モータ角速度ωｍを入力し、モータ角速度ωｍの符号を基に操舵が右切りか左切りかを判定し、判定結果を操舵状態ＳＴｓとして、目標操舵トルク生成部１２０に出力する（ステップＳ１０）。

目標操舵トルク生成部１２０は、操舵状態ＳＴｓと共に、操舵角θｈ及び車速Ｖｓを入力し、目標操舵トルクＴｒｅｆを生成する（ステップＳ２０）。目標操舵トルク生成部１２０の動作例については、図１１のフローチャートを参照して説明する。

目標操舵トルク生成部１２０に入力された操舵角θｈは基本マップ部１２１、微分部１２２及びヒステリシス補正部１２４に、操舵状態ＳＴｓはヒステリシス補正部１２４に、車速Ｖｓは基本マップ部１２１及びダンパゲイン部１２３にそれぞれ入力される（ステップＳ２１）。

基本マップ部１２１は、図６（Ａ）又は（Ｂ）に示される基本マップを用いて、操舵角θｈ及び車速Ｖｓに応じたトルク信号Ｔｒｅｆ＿ａを生成して、加算部１２６に出力する（ステップＳ２２）。

微分部１２２は操舵角θｈを微分して舵角速度ωｈを出力し（ステップＳ２３）、ダンパゲイン部１２３は図７に示されるダンパゲインマップを用いて車速Ｖｓに応じたダンパゲインＤ_Ｇを出力し（ステップＳ２４）、乗算部１２５は舵角速度ωｈ及びダンパゲインＤ_Ｇを乗算してトルク信号Ｔｒｅｆ＿ｂを演算し、加算部１２７に出力する（ステップＳ２５）。

ヒステリシス補正部１２４は、操舵角θｈに対して、操舵状態ＳＴｓに応じて数３及び数４による演算を切り替えてヒステリシス補正を実施し（ステップＳ２６）、トルク信号Ｔｒｅｆ＿ｃを生成し、加算部１２７に出力する（ステップＳ２７）。なお、数３及び数４におけるヒステリシス幅Ａ_ｈｙｓ、ａ、ｘ１及びｙ１は予め設定し保持されているが、数４より操舵方向（右切り、左切り）別にｂを予め算出し、ｘ１及びｙ１の代わりにｂを保持するようにしても良い。

そして、加算部１２７にてトルク信号Ｔｒｅｆ＿ｂ及びＴｒｅｆ＿ｃが加算され、更に、その加算結果にトルク信号Ｔｒｅｆ＿ａが加算部１２６にて加算され、目標操舵トルクＴｒｅｆが演算される（ステップＳ２８）。

目標操舵トルク生成部１２０で生成された目標操舵トルクＴｒｅｆは変換部１３０に入力され、変換部１３０で目標捩れ角Δθｒｅｆに変換される（ステップＳ３０）。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は、目標捩れ角Δθｒｅｆと共に、捩れ角Δθを入力し、モータ電流指令値Ｉｍｃを演算する（ステップＳ４０）。捩れ角制御部１４０の動作例については、図１２のフローチャートを参照して説明する。

捩れ角制御部１４０に入力された目標捩れ角Δθｒｅｆは入力制限部１４１に、捩れ角Δθは捩れ角速度演算部１４４及び減算部１４６にそれぞれ入力される（ステップＳ４１）。

入力制限部１４１は、予め設定された上限値及び下限値により目標捩れ角Δθｒｅｆの上下限値を制限し、目標捩れ角Δθｒｅｆ’としてレート制限部１４２に出力し（ステップＳ４２）、レート制限部１４２は、目標捩れ角Δθｒｅｆ’の変化量に対して制限をかけて、目標捩れ角Δθｒｅｆ”として減算部１４６に出力する（ステップＳ４３）。

減算部１４６では、目標捩れ角Δθｒｅｆ”から捩れ角Δθを減算することにより、偏差Δθ_０が算出される（ステップＳ４４）。偏差Δθ_０は捩れ角ＦＢ補償部１４３に入力され、捩れ角ＦＢ補償部１４３は、偏差Δθ_０に補償値Ｃ_ＦＢを乗算することにより偏差Δθ_０を補償し（ステップＳ４５）、目標捩れ角速度ωｒｅｆを速度制御部１５０に出力する。

捩れ角Δθを入力した捩れ角速度演算部１４４は、捩れ角Δθに対する微分演算により捩れ角速度ωｔを算出し（ステップＳ４６）、速度制御部１５０に出力する。

速度制御部１５０では、目標捩れ角速度ωｒｅｆと捩れ角速度ωｔの差分が減算部１５１で算出され、その差分に補償部１５２で補償値Ｋｖによる比例処理を施され、比例処理結果がモータ電流指令値Ｉｍｃｂとして出力制限部１４５に出力される（ステップＳ４７）。

出力制限部１４５は、予め設定された上限値及び下限値によりモータ電流指令値Ｉｍｃｂの上下限値を制限し（ステップＳ４８）、モータ電流指令値Ｉｍｃとして出力する（ステップＳ４９）。

捩れ角制御部１４０から出力されたモータ電流指令値Ｉｍｃ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Ｓ５０）。

なお、図１０〜図１２におけるデータ入力及び演算等の順番は適宜変更可能である。

本実施形態による目標操舵トルクへの追従性の効果について、シミュレーション結果を基に説明する。

先ず、従来のアシスト制御のみを行った場合のシミュレーション結果を示す。通常の操舵を想定し、図１３に示されるように、操舵角θｈを、約３０ｄｅｇの振幅で、約１．０Ｈｚの周波数で、正弦波状に変化させ、その場合の操舵角θｈ及び操舵トルク（トーションバートルク）Ｔｔの応答のシミュレーションを行った。なお、図１３において、横軸は時間［ｓｅｃ］、縦軸は操舵角［ｄｅｇ］である。

シミュレーション結果の時系列波形を図１４に示す。図１４において、横軸は操舵角［ｄｅｇ］、縦軸は操舵トルク［Ｎｍ］であり、操舵角がプラスの場合、操舵トルクもプラスとなるように符号を反転して調整している。アシスト制御では目標操舵トルクは存在しないので、アシスト制御のみを行った場合は、出力されたままの特性となっている。

次に、捩れ角制御を行った場合のシミュレーション結果を示す。捩れ角制御では、捩れ角ＦＢ補償部１４３及び速度制御部１５０での補償部１５２の補償値は共に比例ゲインとし、捩れ角速度演算部１４４は、カットオフ周波数が５０Ｈｚで、伝達関数が下記数５で表されるＨＰＦの構造としている（Ｔ_ｈｐｆはフィルタの時定数）。

入力する操舵角θｈは、アシスト制御のみを行った場合と同じく、図１３に示されるような正弦波状のデータで、この場合、目標操舵トルク生成部１２０から出力される目標操舵トルクＴｒｅｆは図１５に示されるような波形となる。図１５において、横軸は操舵角［ｄｅｇ］、縦軸は目標操舵トルク［Ｎｍ］である。

図１６がシミュレーション結果で、横軸は操舵角［ｄｅｇ］、縦軸は操舵トルク［Ｎｍ］であり、図１４の場合と同様に、操舵角がプラスの場合、操舵トルクもプラスとなるように符号を反転して調整している。図１５及び図１６から、全域において目標操舵トルクに比較的良く追従していることがわかる。

本発明の他の構成例について説明する。

トーションバー２Ａの捩れ角Δθは、数１で示されるように、ハンドル角θ_１及びコラム角θ_２の偏差として置き換えることができるので、図９に示される第１実施形態での捩れ角制御部１４０を、第１実施形態が有する効果はそのままで、図１７に示されるような構成例（第２実施形態）に等価交換することができる。

第２実施形態での捩れ角制御部には、第１実施形態での捩れ角制御部１４０と比べると、目標捩れ角Δθｒｅｆ及び捩れ角Δθの他に、ハンドル角（第１回転角）θ_１及びコラム角（第２回転角）θ_２が入力され、捩れ角Δθに対する捩れ角速度演算部１４４の代わりに、ハンドル角θ_１及びコラム角θ_２それぞれに対する角速度演算部２４４及び２４７が追加され、更に加算部２４８が追加されている。目標捩れ角速度ωｒｅｆにハンドル角θ_１を微分演算して算出されるハンドル角速度（第１角速度）ω_１を加算したものを目標角速度ωｒｅｆｃとすることにより、速度制御部１５０をコラム角速度（第２角速度）の速度制御構成と見ることができる。

第２実施形態の動作例は、第１実施形態と比較すると、捩れ角制御部の動作が異なるだけで、他の動作は同じである。

第２実施形態の捩れ角制御部の動作例を図１８のフローチャートで示しており、動作開始から捩れ角ＦＢ補償を行なうステップＳ４５までは第１実施形態と同じ動作で、捩れ角ＦＢ補償部１４３から出力された目標捩れ角速度ωｒｅｆは加算部２４８に入力される。また、ハンドル角θ_１を入力した角速度演算部２４４は、微分演算によりハンドル角速度ω_１を算出し（ステップＳ４６Ａ）、ハンドル角速度ω_１は加算部２４８で目標捩れ角速度ωｒｅｆを加算され、目標角速度ωｒｅｆｃとして速度制御部１５０に出力される（ステップＳ４６Ｂ）。コラム角θ_２を入力した角速度演算部２４７は、微分演算によりコラム角速度ω_２を算出し（ステップＳ４６Ｃ）、速度制御部１５０に出力する。そして、速度制御部１５０は、目標角速度ωｒｅｆｃ及びコラム角速度ω_２に基づいて速度制御を行う（ステップＳ４７）。それ以降は、第１実施形態と同じ動作である。

捩れ角Δθをハンドル角θ_１及びコラム角θ_２の偏差に置き換えることにより、第２実施形態の他に、図１９に示されるような構成例（第３実施形態）に、第１実施形態が有する効果はそのままで、捩れ角制御部１４０を等価交換することができる。

第３実施形態での捩れ角制御部には、第２実施形態での捩れ角制御部と比べると、捩れ角Δθが入力されておらず、加算部３４９が追加されている。目標捩れ角Δθｒｅｆ”にハンドル角θ_１を加算したものを目標回転角θｒｅｆｃとし、目標回転角θｒｅｆｃとコラム角θ_２との偏差Δθ_０に補償値Ｃ_ＦＢを乗算し、更にハンドル角速度ω_１を加算したものを目標角速度ωｒｅｆｃとすることにより、第２実施形態の場合と同様に、速度制御部１５０をコラム角速度の速度制御構成と見ることができる。

第３実施形態の動作例は、第２実施形態と比較すると、捩れ角制御部の動作が異なるだけで、他の動作は同じである。

第３実施形態の捩れ角制御部の動作例を図２０のフローチャートで示しており、動作開始からレート制限を行なうステップＳ４３までは第２実施形態と同じ動作で、レート制限部１４２から出力された目標捩れ角Δθｒｅｆ”は加算部３４９に入力される。加算部３４９にはハンドル角θ_１も入力されており、目標捩れ角Δθｒｅｆ”及びハンドル角θ_１の加算結果が目標回転角θｒｅｆｃとして出力される（ステップＳ４３Ａ）。目標回転角θｒｅｆｃは減算部１４６にてコラム角θ_２を減算され、偏差Δθ_０が算出される（ステップＳ４４）。それ以降は、第２実施形態と同じ動作である。

なお、第２及び第３実施形態において、減速機構を単純に減速比変換とすることにより、モータ角速度を減速比で除算したデータを、コラム角速度ω_２として使用しても良い。この場合、角速度演算部２４７は不要となる。また、ハンドル角θ_１の代わりに操舵角θｈを使用しても良い。

第１〜第３実施形態での捩れ角制御部から出力されるモータ電流指令値Ｉｍｃに、従来のＥＰＳにおいて操舵トルクに基づいて演算される電流指令値（アシスト電流指令値）を、例えば、図２に示される電流指令値演算部３１から出力される電流指令値Ｉｒｅｆ１又は電流指令値Ｉｒｅｆ１に補償信号ＣＭを加算した電流指令値Ｉｒｅｆ２等を加算しても、所望の操舵トルクを実現することが可能である。

第１実施形態に対して、上記の内容を適用した構成例（第４実施形態）を図２１に示す。アシスト制御部４００は、電流指令値演算部３１、又は、電流指令値演算部３１、補償信号生成部３４及び加算部３２Ａから構成される。アシスト制御部４００から出力されるアシスト電流指令値Ｉａｃ（図２における電流指令値Ｉｒｅｆ１又はＩｒｅｆ２に相当）と、捩れ角制御部１４０から出力されるモータ電流指令値Ｉｍｃは、加算部４６０で加算され、加算結果である電流指令値Ｉｃは電流制限部４７０に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｃｍに基づいてモータを駆動し、電流制御が実施される。

上述の実施形態（第１〜第４実施形態）での目標操舵トルク生成部１２０において、コストや処理時間を重視する場合等では、ダンパ演算部及び／又はヒステリシス補正部１２４を省略しても良い。ダンパ演算部を省略する場合、微分部１２２及び加算部１２７も省略可能で、ヒステリシス補正部１２４を省略する場合、右切り／左切り判定部１１０及び加算部１２７も省略可能である。また、基本マップ部１２１の前段又は後段に位相補償を行なう位相補償部１２８を挿入しても良い。つまり、図５中の破線で囲まれた領域Ｒの構成を、図２２（Ａ）又は（Ｂ）に示されるような構成にしても良い。位相補償部１２８において、位相補償として位相進み補償を設定し、例えば、分子のカットオフ周波数を１．０Ｈｚ、分母のカットオフ周波数を１．３Ｈｚとした１次フィルタで位相進み補償を行う場合、スッキリしたフィールを実現することができる。目標操舵トルク生成部に関しては、車両運転情報に基づいた構成であるならば、上述の構成に限られない。

なお、図１及び図３では本発明をコラム型ＥＰＳに適用しているが、本発明はコラム型等の上流型に限られず、ラック＆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反力装置等にも適用可能である。

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）
２Ａ トーションバー
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）
３１ 電流指令値演算部
３３、４７０ 電流制限部
３４ 補償信号生成部
１００ ＥＰＳ操舵系／車両系
１１０ 右切り／左切り判定部
１２０ 目標操舵トルク生成部
１２１ 基本マップ部
１２３ ダンパゲイン部
１２４ ヒステリシス補正部
１２８ 位相補償部
１３０ 変換部
１４０ 捩れ角制御部
１４１ 入力制限部
１４２ レート制限部
１４３ 捩れ角フィードバック（ＦＢ）補償部
１４４ 捩れ角速度演算部
１４５ 出力制限部
１５０ 速度制御部
１５２ 補償部
２４４、２４７ 角速度演算部
４００ アシスト制御部

Claims (12)

1. 任意のバネ定数を有するトーションバー及び捩れ角を検出するセンサを少なくとも備え、モータを駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御する車両用操向装置において、
   車両運転情報に応じた目標捩れ角及び前記捩れ角に基づいてモータ電流指令値を演算する捩れ角制御部を備え、
   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より目標捩れ角速度を算出する捩れ角フィードバック補償部と、
   前記捩れ角より捩れ角速度を算出する捩れ角速度演算部と、
   前記目標捩れ角速度及び前記捩れ角速度に基づいて比例補償を行なうことにより制限前モータ電流指令値を算出する速度制御部と、
   前記制限前モータ電流指令値の上下限値を制限して、前記モータ電流指令値を出力する出力制限部とを具備し、
   前記モータ電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御することを特徴とする車両用操向装置。
2. 前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角の上下限値を制限する入力制限部を更に具備する請求項１に記載の車両用操向装置。
3. 前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角の変化量に対して制限をかけるレート制限部を更に具備する請求項１又は２に記載の車両用操向装置。
4. 任意のバネ定数を有するトーションバー及び捩れ角を検出するセンサを少なくとも備え、モータを駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御する車両用操向装置において、
   車両運転情報に応じた目標捩れ角、前記捩れ角、第１回転角及び第２回転角に基づいてモータ電流指令値を演算する捩れ角制御部を備え、
   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より目標捩れ角速度を算出する捩れ角フィードバック補償部と、
   前記第１回転角より第１角速度を算出する第１角速度演算部と、
   前記第２回転角より第２角速度を算出する第２角速度演算部と、
   前記目標捩れ角速度及び前記第１角速度より求められる目標角速度並びに前記第２角速度に基づいて比例補償を行なうことにより制限前モータ電流指令値を算出する速度制御部と、
   前記制限前モータ電流指令値の上下限値を制限して、前記モータ電流指令値を出力する出力制限部とを具備し、
   前記モータ電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御することを特徴とする車両用操向装置。
5. 前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角の上下限値を制限する入力制限部を更に具備する請求項４に記載の車両用操向装置。
6. 前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角の変化量に対して制限をかけるレート制限部を更に具備する請求項４又は５に記載の車両用操向装置。
7. 任意のバネ定数を有するトーションバー及び捩れ角を検出するセンサを少なくとも備え、モータを駆動制御することにより、操舵系をアシスト制御する車両用操向装置において、
   車両運転情報に応じた目標捩れ角、第１回転角及び第２回転角に基づいてモータ電流指令値を演算する捩れ角制御部を備え、
   前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角及び前記第１回転角より求められる目標回転角並びに前記第２回転角の偏差より目標捩れ角速度を算出する捩れ角フィードバック補償部と、
   前記第１回転角より第１角速度を算出する第１角速度演算部と、
   前記第２回転角より第２角速度を算出する第２角速度演算部と、
   前記目標捩れ角速度及び前記第１角速度より求められる目標角速度並びに前記第２角速度に基づいて比例補償を行なうことにより制限前モータ電流指令値を算出する速度制御部と、
   前記制限前モータ電流指令値の上下限値を制限して、前記モータ電流指令値を出力する出力制限部とを具備し、
   前記モータ電流指令値に基づいて前記モータを駆動制御することを特徴とする車両用操向装置。
8. 前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角の上下限値を制限する入力制限部を更に具備する請求項７に記載の車両用操向装置。
9. 前記捩れ角制御部が、
   前記目標捩れ角の変化量に対して制限をかけるレート制限部を更に具備する請求項７又は８に記載の車両用操向装置。
10. 前記車両運転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、前記捩れ角制御部で使用される前記目標捩れ角に変換する変換部とを更に備える請求項１乃至９のいずれかに記載の車両用操向装置。
11. 前記目標操舵トルク生成部が、
    車速感応である基本マップを用いて前記車両運転情報より第１トルク信号を求める基本マップ部と、
    車速感応であるダンパゲインマップを用いて角速度情報に基づいて第２トルク信号を求めるダンパ演算部と、
    操舵状態に応じて前記車両運転情報をヒステリシス補正して第３トルク信号を求めるヒステリシス補正部とを具備し、
    前記第１トルク信号、前記第２トルク信号及び前記第３トルク信号より前記目標操舵トルクを算出する請求項１０に記載の車両用操向装置。
12. 前記モータ電流指令値に、操舵トルクに基づいて演算されるアシスト電流指令値を加算して求められる電流指令値に基づいて、前記モータを駆動制御する請求項１乃至１１のいずれかに記載の車両用操向装置。

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