WO2016017234A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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vehicle speed
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徹也 北爪
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日本精工株式会社
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    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/046—Controlling the motor
    • B62D5/0466—Controlling the motor for returning the steering wheel to neutral position
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/046—Controlling the motor
    • B62D5/0463—Controlling the motor calculating assisting torque from the motor based on driver input
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D6/00—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits

Definitions

  • the present invention relates to an electric power steering apparatus that applies an assist torque to a steering system by PWM control of a motor by an inverter based on a current command value, and in particular, a target return torque according to a steering angle and a vehicle speed, and a virtual steering system
  • a current command value and in particular, a target return torque according to a steering angle and a vehicle speed
  • a virtual steering system By calculating the target rudder angular velocity from the transfer characteristics according to the characteristics and correcting the current command value with the steering wheel return control current, the steering wheel is actively returned to the neutral point in the driving state to return to the straight running state, and the steering wheel return
  • the present invention relates to a highly reliable electric power steering apparatus with improved control functions.
  • An electric power steering device that applies an assist torque to a steering mechanism of a vehicle by a rotational force of a motor applies a steering assist force to a steering shaft or a rack shaft by a transmission mechanism such as a gear or a belt via a reduction mechanism. It comes to grant.
  • EPS electric power steering device
  • Such a conventional electric power steering device (EPS) performs feedback control of motor current in order to accurately generate assist torque.
  • the motor applied voltage is adjusted so that the difference between the steering assist command value (current command value) and the motor current detection value is small.
  • the adjustment of the motor applied voltage is generally performed by PWM (pulse width). This is done by adjusting the duty of modulation) control.
  • a column shaft (steering shaft, handle shaft) 2 of a handle 1 is a reduction gear 3, universal joints 4a and 4b, a pinion rack mechanism 5, a tie rod 6a, 6b is further connected to the steering wheels 8L and 8R via hub units 7a and 7b. Further, the column shaft 2 is provided with a torque sensor 10 for detecting the steering torque Td of the steering wheel 1 and a steering angle sensor 14 for detecting the steering angle ⁇ , and a motor 20 for assisting the steering force of the steering wheel 1 is a reduction gear. 3 is connected to the column shaft 2 through 3.
  • the control unit (ECU) 30 that controls the electric power steering apparatus is supplied with electric power from the battery 13 and also receives an ignition key signal via the ignition key 11.
  • the control unit 30 calculates a current command value of an assist (steering assist) command based on the steering torque Td detected by the torque sensor 10 and the vehicle speed V detected by the vehicle speed sensor 12, and compensates the current command value.
  • the current supplied to the motor 20 is controlled by the voltage control command value Vref subjected to.
  • the steering angle sensor 14 is not essential and may not be arranged.
  • the control unit 30 is connected to a CAN (Controller Area Network) 50 that transmits and receives various types of vehicle information, and the vehicle speed V can also be received from the CAN 50.
  • the control unit 30 can be connected to a non-CAN 51 that exchanges communications, analog / digital signals, radio waves, and the like other than the CAN 50.
  • the control unit 30 is mainly composed of a CPU (including MCU, MPU, etc.), and general functions executed by programs in the CPU are as shown in FIG.
  • the function and operation of the control unit 30 will be described with reference to FIG. 2.
  • the steering torque Td detected by the torque sensor 10 and the vehicle speed V detected by the vehicle speed sensor 12 (or from the CAN 50) are represented by the current command value Iref 1.
  • the current command value calculation unit 31 to be calculated is input.
  • the current command value calculation unit 31 calculates a current command value Iref1, which is a control target value of the current supplied to the motor 20, using an assist map or the like based on the input steering torque Td and the vehicle speed V.
  • the current command value Iref1 is input to the current limiter 33 through the adder 32A, and the current command value Irefm whose maximum current is limited is input to the subtractor 32B, and the deviation I (Irefm) from the fed back motor current value Im. -Im) is calculated, and the deviation I is input to the PI control unit 35 for improving the characteristics of the steering operation.
  • the voltage control command value Vref whose characteristics are improved by the PI control unit 35 is input to the PWM control unit 36, and the motor 20 is PWM driven via an inverter 37 as a drive unit.
  • the current value Im of the motor 20 is detected by the motor current detector 38 and fed back to the subtraction unit 32B.
  • the inverter 37 uses a FET as a drive element, and is configured by a bridge circuit of the FET.
  • a compensation signal CM from the compensation signal generator 34 is added to the adder 32A, and the compensation of the steering system system is performed by adding the compensation signal CM to improve the convergence and inertia characteristics.
  • the compensation signal generation unit 34 adds the self-aligning torque (SAT) 343 and the inertia 342 by the addition unit 344, and further adds the convergence 341 to the addition result by the addition unit 345, and compensates the addition result of the addition unit 345.
  • the signal CM is used.
  • the SAT is large in the high vehicle speed range where the SAT is large, the steering angular speed tends to be higher than the low vehicle speed.
  • the inertia torque is large because the inertia moment is large, and the steering wheel does not converge at the neutral point of the steering angle. Since the vehicle overshoots, the vehicle characteristics are felt unstable.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 4658557
  • a controller configured to follow a target rudder angular velocity calculates a target rudder angular velocity by multiplying the base target rudder angular velocity by vehicle speed and torque and correcting for addition. At the time of steering intervention by the driver, the uncomfortable feeling at the time of driver steering is reduced by correcting the target rudder angular velocity in the direction in which torque is applied.
  • the rudder angular velocity should be zero at the rudder angle neutral point without largely varying the rudder angular acceleration.
  • the assist torque is generally set so as to decrease as the vehicle speed increases, the correction by the steering torque and the vehicle speed requires a troublesome calculation of a preferable correction amount.
  • the present invention has been made under the circumstances as described above, and the object of the present invention is to achieve smoothness without a sense of incongruity by correction based on the steering torque and the vehicle speed in consideration of the vehicle characteristics even during the driver's steering intervention in the straight traveling state. It is an object to provide an electric power steering device capable of realizing proper steering wheel return control.
  • the present invention relates to an electric power steering device that calculates a current command value based on a steering torque and a vehicle speed, drives a motor based on the current command value, and assists a steering system by driving control of the motor.
  • the object of the present invention is to calculate a steering wheel return control current based on the steering angle, the current command value, the vehicle speed and the steering angular velocity, and drive the motor with a compensation current command value obtained by adding the steering wheel return control current to the current command value.
  • a steering wheel return control unit, and the steering wheel return control unit calculates a target return torque based on a steering angle and the vehicle speed; and corrects the target return torque with the steering torque and the assist torque.
  • the target return torque calculation unit has a characteristic that the target return torque gradually increases as the rudder angle increases, or the target return torque has the vehicle speed as a parameter. Is a characteristic that increases as the vehicle speed increases, or the steering torque gain is constant until the steering torque reaches a predetermined value T1, and is a predetermined value T2 (> predetermined value T1) above the predetermined value T1.
  • the characteristic gradually decreases and becomes 0 when the value exceeds the predetermined value T2, or the viscosity coefficient is constant until the vehicle speed reaches the predetermined value V3, and the predetermined value V4 ( > Predetermined value V3) or less
  • the vehicle speed gain is a characteristic that increases gradually and becomes a constant value above predetermined value V4, or
  • the speed is constant up to a predetermined value V1, increases gradually below the predetermined value V1 and below the predetermined value V2 (> predetermined value V1), and becomes a constant value above the predetermined value V2 or
  • the electric power steering apparatus since a virtual inertia moment and viscosity coefficient can be set in a simple virtual steering system model, when the inertial moment and viscosity coefficient are undesirable as steering system characteristics.
  • the steering wheel can be positively returned to the neutral point without a sense of incongruity in the traveling state where the vehicle is returned to the straight traveling state.
  • the operation is hindered by friction of the reduction gear and pinion rack for transmitting the auxiliary force, and the steering wheel does not return to the neutral point in spite of the traveling state where it is desired to return to the straight traveling state. It may be difficult to enter a state. Therefore, by correcting (compensating) the current command value with the steering wheel return control current according to the steering angle and the vehicle speed, the steering wheel can be actively returned to the neutral point in the traveling state in which the vehicle returns to the straight traveling state.
  • the target return torque (target value) is defined according to the steering angle and the vehicle speed, the steering torque and the assist torque added to the column shaft are added to the target return torque, and the result of the virtual steering is added.
  • the target rudder angular velocity is calculated by multiplying the transfer characteristic corresponding to the system characteristic.
  • At least one of P (proportional) control, I (integral) control, and D (differential) control is performed on the deviation between the target rudder angular velocity and the actual rudder angular velocity.
  • the simple virtual steering system model in the present invention is the sum of the target return torque (target value) Tr, the steering torque Td and the assist torque Ta obtained from the steering angle ⁇ and the vehicle speed V, and the virtual inertia moment of the steering system.
  • the target steering angular velocity ⁇ 0 is calculated by multiplying the steering system transfer function according to J and the viscosity coefficient C.
  • the virtual inertia moment J and viscosity coefficient C of the steering system can be set, so that the steering system characteristics can be arbitrarily determined. Further, since the virtual steering system model also considers the driver's steering intervention in consideration of the assist torque Ta, it is possible to provide a smooth steering return even when the driver is steering.
  • the balance equation of the target return torque Tr, steering torque Td, and assist torque Ta is as follows.
  • J is the moment of inertia of the virtual steering system
  • C is the viscosity coefficient of the virtual steering system. Since the actual steering angular speed ⁇ is a time derivative of the steering angle ⁇ , the following formula 2 is established.
  • Equation 7 Equation 7 below.
  • the target rudder angular velocity ⁇ 0 is obtained.
  • 1 / (Js + C) means the transfer characteristic of the virtual steering system model
  • Tr + Td + Ta means the sum of the target return torque, the steering torque, and the assist torque.
  • the vehicle speed gain corresponding to the vehicle speed V is multiplied so that the return performance of the steering wheel and the convergence of the vehicle can be set differently depending on the vehicle speed. Further, the steering wheel return control is mainly required when the steering torque Td applied to the column shaft is small and the influence of the friction torque is relatively large. Therefore, the steering wheel return control is performed when the steering torque Td is large. Control does not require a large output. For this reason, a steering torque gain Th that decreases according to the steering torque Td is multiplied.
  • ⁇ 0 as the target rudder angular velocity and performing control according to the deviation between the target rudder angular velocity ⁇ 0 and the actual rudder angular velocity ⁇ , a smooth steering wheel return can be realized, and even when the driver steers Can provide handle return control without any.
  • FIG. 3 shows a configuration example of the steering wheel return control unit 100 according to the present invention, in which the steering torque Td is input to the steering torque gain unit 110 and the addition unit 102 that output the steering torque gain Th, and the steering angle ⁇ is the target This is input to a target return torque calculation unit 120 that calculates a target value Tt that is a return torque.
  • the vehicle speed V is input to the target return torque calculation unit 120, the vehicle speed gain unit 130 that outputs the vehicle speed gain KP, and the viscosity coefficient output unit 133 that outputs the viscosity coefficient C, and the steering angular speed ⁇ is input to the filter 131. Since the filter 131 is used as a phase advance, it is not necessary if the steering angular speed ⁇ has sufficient response.
  • the current command value Iref is multiplied by the gain Kt by the gain unit 111 and input to the adder unit 102 as the assist torque Ta. Therefore, the addition result of the adding unit 102 is the sum of the steering torque Td and the assist
  • the target value (target return torque) Tt calculated by the target return torque calculation unit 120 based on the steering angle ⁇ and the vehicle speed V is inverted in sign by the inversion unit 121 and input to the addition unit 101 and added by the addition unit 101.
  • the result is added to the addition result of the unit 102 and input to the transfer characteristic unit 122.
  • the transfer characteristic unit 122 determines the transfer function from the moment of inertia J and the viscosity coefficient C according to the equation 5, and outputs the target rudder angular velocity ⁇ 0 from the transfer characteristic unit 122 by multiplication, and the target rudder angular velocity ⁇ 0 is added to the subtractor 103. Entered.
  • the rudder angular velocity ⁇ a from the filter 131 is subtracted and inputted to the subtracting unit 103, and the deviation SG1 between the target rudder angular velocity ⁇ 0 and the rudder angular velocity ⁇ a as a subtraction result is inputted to the multiplying unit 132.
  • the steering torque gain Th output from the steering torque gain unit 110 is input to the multiplication unit 132 and the limiter 142, and the vehicle speed gain KP from the vehicle speed gain unit 130 is also input to the multiplication unit 132 and the limiter 142.
  • the steering wheel return control gain SG2 from the multiplication unit 132 obtained by multiplying the deviation SG1 by the steering torque gain Th and the vehicle speed gain KP is input to the addition unit 104 and also to the integration control unit 140 for improving characteristics.
  • the signal SG4 which is input to the limiter 142 via the unit 141, and whose output is limited according to the steering torque gain Th and the vehicle speed gain KP by the limiter 142, is added to the steering wheel return control gain SG2 by the adding unit 104, and further for noise removal Is output as a steering wheel return control current HR via the LPF 143 of FIG.
  • the integration compensates for the low steering torque range that is easily affected by friction, and makes use of the integration especially in the region where it loses friction by hand.
  • the addition unit 105 corrects (compensates) the steering wheel return control current HR by adding it to the current command value Iref, and the corrected compensation current command value Irefn is input to the motor drive system.
  • the reversing unit 121, the gain unit 111, and the addition units 101 and 102 constitute a correction unit
  • the viscosity coefficient output unit 133 and the transmission characteristic unit 122 constitute a steering system characteristic unit
  • the filter 131, the subtraction unit 103, and the multiplication unit 132 constitute a handle return control gain calculation unit
  • the integration unit 140, the integral gain unit 141, the limiter 142, the addition unit 104, and the LPF 143 constitute a handle return control current calculation unit.
  • the steering torque gain unit 110 has a characteristic as shown in FIG. 4, and outputs a constant value gain Th1 until the steering torque Td exceeds T1, and gradually decreases when the torque exceeds T1, and becomes an output characteristic where the gain becomes zero when T2 or more.
  • the target return torque calculator 120 has an output characteristic in which the target value Tt gradually increases as the steering angle ⁇ increases as shown in FIG. 5A, and as shown in FIG. The target value Tt changes with output characteristics that do not increase purely as the vehicle speed V increases.
  • the vehicle speed gain unit 130 has the characteristics shown in FIG.
  • the viscosity coefficient output unit 133 that varies the viscosity coefficient C according to the vehicle speed V has the characteristics shown in FIG. 7, and is constant at a small viscosity coefficient C1 at least up to the vehicle speed V3, and is higher than the vehicle speed V3 (> V3). ) In the following, it gradually increases and is constant at a large viscosity coefficient C2 above the vehicle speed V4, but is not limited to such characteristics.
  • the steering torque Td, the current command value Iref, the vehicle speed V, the steering angle ⁇ , and the steering angular speed ⁇ are input (read) (step S1), and the steering torque gain unit 110 outputs the steering torque gain Th (step S2).
  • the gain unit 111 calculates the assist torque Ta by multiplying the current command value Iref by the gain Kt (step S3), adds the steering torque Td by the adding unit 102, and inputs it to the adding unit 101 (step S4).
  • the target return torque calculation unit 120 calculates the target value Tt based on the input steering angle ⁇ and the vehicle speed V (step S10), and the reversing unit 121 reverses the sign of the target value Tt (step S11). Are added to the adder 101 to perform addition (step S12).
  • the vehicle speed gain unit 130 outputs the vehicle speed gain KP according to the vehicle speed V (step S13), and the viscosity coefficient output unit 133 outputs the viscosity coefficient C according to the vehicle speed V (step S14). Viscous coefficient C is inputted to the transfer characteristics unit 122, is multiplied by the transfer characteristic outputs the target steering angular velocity omega 0, the target steering angular velocity omega 0 is input added to the subtraction unit 103 (step S20).
  • the actual steering angular velocity ⁇ is subjected to phase advance processing by the filter 131 and is subtracted and input to the subtracting unit 103 (step S21), and the deviation SG1 from the target steering angular velocity ⁇ 0 obtained by the subtracting unit 104 is input to the multiplying unit 132. Entered.
  • a steering torque gain Th and a vehicle speed gain KP are input to the multiplication unit 132, and a steering wheel return control gain SG2 is obtained by multiplying the multiplication torque (Step S22).
  • the handle return control gain SG2 is integrated by the integration control unit 140 (step S23), further multiplied by the integration gain KI (step S24), and limited by the limiter 142 (step S30).
  • the signal subjected to the limit processing by the limiter 142 is input to the adding unit 104, added to the handle return control gain SG2 (step S31), filtered by the LPF 143 (step S32), and the handle return control current HR is output (step S33). ).
  • the adder 105 adds the handle return control current HR to the current command value Iref for correction, and outputs a compensation current command value Irefn (step S33).
  • the steering angular velocity can be obtained by the motor angular velocity ⁇ gear ratio, and the transmission characteristics of the virtual steering system model may be varied according to the vehicle speed, the steering angle, and the increase / return / remaining state. Further, a virtual friction characteristic may be added to the virtual steering system model, and the target return torque may be obtained as base target rudder angular velocity ⁇ viscosity coefficient.
  • the order of data input, calculation and processing in FIGS. 8 and 9 can be changed as appropriate.
  • the I control calculation is performed on the handle return control gain.
  • all of the P control calculation, the I control calculation, and the D control calculation can be performed, and at least one of the PIDs can be performed.
  • a control calculation may be performed.

Abstract

【課題】直進走行状態における運転者の操舵介入時でも車両特性を考慮した操舵トルク及び車速に基づく補正により滑らかなハンドル戻り制御を実現できる電動パワーステアリング装置を提供する。 【解決手段】補償電流指令値(Irefn)でモータを駆動するハンドル戻し制御部(100)が、舵角(θ)及び車速(V)に基づいて目標戻りトルク(Tt)を演算する目標戻りトルク演算部(120)と、目標戻りトルク(Tt)に対して操舵トルク(Td)及びアシストトルク(Ta)で補正する補正部(101)と、補正トルク及び粘性係数(C)に基づいて仮想的な操舵系特性に応じた伝達特性を乗算する操舵系特性部(122)と、操舵系特性部(122)からの目標舵角速度(ω0)及び実舵角速度(ω1)の偏差(SG1)に車速ゲイン(KP)及び操舵トルクゲイン(Th)を乗算してハンドル戻し制御ゲイン(SG2)を求めるハンドル戻し制御ゲイン算出部(132)と、ハンドル戻し制御ゲイン(SG2)に対して制御演算を行い、車速ゲイン(KP)及び操舵トルクゲイン(Td)によって出力制限してハンドル戻し制御電流(HR)を求めるハンドル戻し制御電流演算部とで構成されている。

Description

電動パワーステアリング装置
　本発明は、電流指令値に基づいてインバータによりモータをＰＷＭ制御して操舵系にアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置に関し、特に舵角及び車速に応じた目標戻りトルクと、仮想的な操舵系特性に応じた伝達特性とから目標舵角速度を算出し、ハンドル戻し制御電流で電流指令値を補正することで、直進状態に戻す走行状態においてハンドルを積極的に中立点に戻すようにし、ハンドル戻し制御の機能を向上した信頼性の高い電動パワーステアリング装置に関する。
　車両のステアリング機構にモータの回転力でアシストトルクを付与する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機構を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、アシストトルク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は減速ギア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、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクＴｄを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θ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が減速ギア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Ｔｄと車速センサ１２で検出された車速Ｖ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によってモータ２０に供給する電流を制御する。舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良い。
　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）５０が接続されており、車速ＶはＣＡＮ５０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、ＣＡＮ５０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ＣＡＮ５１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Ｔｄ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ５０からの）車速Ｖ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Ｔｄ及び車速Ｖ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。インバータ３７は駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。
　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。
　このような電動パワーステアリング装置では、減速ギアやピニオンラックにより摩擦が大きく、また、アシストトルクを発生させるためのモータによりステアリング軸回りの等価慣性モーメントが大きい。そのため、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）が小さい低車速域では、摩擦が大きいことによりハンドル戻りが悪くなる。これは直進状態においてＳＡＴのみでは舵角が中立点まで戻ってこないため、運転者の操舵介入により中立点まで戻す必要があり、運転者の負担となる。
　一方、ＳＡＴが大きい高車速域ではＳＡＴが大きいため、舵角速度は低車速に比べて速くなる傾向にあるが、慣性モーメントが大きいため慣性トルクも大きく、舵角の中立点でハンドルが収束せず、オーバーシュートしてしまうため、車両特性が不安定に感じられる。
　従って、低車速ではハンドル戻りを補助するため、また、高車速では車両特性を安定にするために収れん性を増加させることが必要となり、それらを達成するために様々なハンドル戻り時に適度なアシストをするための制御手法が提案されている。それらのハンドル戻り制御の中でも、運転者による操舵介入時でも滑らかなハンドル戻り制御を行うことを目的とした先行技術として、特許第４６８５５５７号公報（特許文献１）に示される電動パワーステアリング装置がある。
　特許文献１の装置では、目標舵角速度に追従するように構成された制御器において、ベース目標舵角速度を車速及びトルクによる乗算及び加算の補正で、目標舵角速度を算出している。運転者による操舵介入時には、トルクが加わった方向に目標舵角速度を補正することで、運転者操舵時の違和感を減少させている。
特許第４６８５５５７号公報
　手放し状態で滑らかなハンドル戻りを実現させるためには、舵角加速度が大きく変動せずに、舵角中立点で舵角速度が０となることが良い。しかしながら、特許文献１記載の装置では、目標舵角速度を設定する際には、操舵トルクによる補正を行っているが、アシストトルクによる補正は行っていない。アシストトルクは一般的に車速が大きくなるほど小さくなるように設定するため、操舵トルク及び車速による補正では、好ましい補正量の算出に手間がかかることが課題となっている。
　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、直進走行状態における運転者の操舵介入時でも、車両特性を考慮した操舵トルク及び車速に基づく補正により、違和感なく滑らかなハンドル戻り制御を実現できる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、操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動し、前記モータの駆動制御によって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、舵角、前記電流指令値、前記車速及び舵角速度によってハンドル戻し制御電流を演算し、前記ハンドル戻し制御電流を前記電流指令値に加算した補償電流指令値で前記モータを駆動するハンドル戻し制御部を備え、前記ハンドル戻し制御部が、舵角及び前記車速に基づいて目標戻りトルクを演算する目標戻りトルク演算部と、前記目標戻りトルクに対して前記操舵トルク及びアシストトルクで補正する補正部と、前記補正部で補正された補正トルク及び粘性係数に基づいて仮想的な操舵系特性に応じた伝達特性を乗算する操舵系特性部と、前記操舵系特性部からの目標舵角速度及び実舵角速度の偏差に車速ゲイン及び操舵トルクゲインを乗算してハンドル戻し制御ゲインを求めるハンドル戻し制御ゲイン算出部と、前記ハンドル戻し制御ゲインに対してＰ制御演算、Ｉ制御演算、Ｄ制御演算の少なくとも１つの制御演算を行い、前記車速ゲイン及び操舵トルクゲインによって出力制限してハンドル戻し制御電流を求めるハンドル戻し制御電流演算部とで構成されていることにより達成される。
　また、本発明の上記目的は、前記目標戻りトルク演算部が、前記車速をパラメータとして、前記目標戻りトルクは、前記舵角が大きくなるに従って次第に大きくなる特性であることにより、或いは前記目標戻りトルクは、前記車速が大きくなるに従って大きくなる特性であることにより、或いは前記操舵トルクゲインは、前記操舵トルクが所定値Ｔ１までは一定であり、前記所定値Ｔ１以上で所定値Ｔ２（＞所定値Ｔ１）以下では次第に減少し、前記所定値Ｔ２以上では０となる特性であることにより、或いは前記粘性係数は、前記車速が所定値Ｖ３までは一定であり、前記所定値Ｖ３以上で所定値Ｖ４（＞所定値Ｖ３）以下では次第に増加し、前記所定値Ｖ４以上では一定値となる特性であることにより、或いは前記車速ゲインは、前記車速が所定値Ｖ１までは一定であり、前記所定値Ｖ１以上で所定値Ｖ２（＞所定値Ｖ１）以下では次第に増加し、前記所定値Ｖ２以上では一定値となる特性であることにより、或いは前記目標舵角速度に対して、前記舵角速度を位相進みフィルタを経て減算するようになっていることにより、或いは前記ハンドル戻し制御電流の最大値をリミッタで制限することにより、或いは前記ハンドル戻し制御ゲインに対してＰ制御演算及びＩ制御演算を行うようになっていることにより、より効果的に達成される。
　本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、簡易的な仮想操舵系モデルには仮想的な慣性モーメント、粘性係数を設定できるため、操舵系特性として好ましくない慣性モーメント、粘性係数を持っている場合においても、仮想操舵系モデルを用いて目標舵角速度を求めてフィードバック制御することで仮想的な慣性モーメント、粘性係数に近づけることが可能となる。これにより、直進状態に戻す走行状態において、違和感なくハンドルを積極的に中立点に戻すことができる。
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制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 操舵トルクゲイン部の出力ゲイン例を示す特性図である。 目標戻りトルク演算部の出力例を示す特性図である。 車速ゲイン部の出力例を示す特性図である。 粘性係数出力部の出力例を示す特性図である。 本発明の動作例を示すフローチャートの一部である。 本発明の動作例を示すフローチャートの一部である。
　電動パワーステアリング装置において、補助力を伝達するための減速ギアやピニオンラックの摩擦により動作が阻害され、直進状態に戻したい走行状態であるにも拘わらずハンドルが中立点まで戻らず、車両が直進状態になり難いことがある。そのため、舵角及び車速に応じたハンドル戻し制御電流により電流指令値を補正（補償）することで、直進状態に戻す走行状態においてハンドルを積極的に中立点に戻すことができる。
　本発明では、舵角及び車速に応じて目標戻りトルク（目標値）を定義し、コラム軸に付加される操舵トルク及びアシストトルクを目標戻りトルクに加算し、その加算結果に、仮想的な操舵系特性に応じた伝達特性を乗算することで目標舵角速度を算出する。その目標舵角速度と実舵角速度との偏差に対してＰ（比例）制御、Ｉ（積分）制御、Ｄ（微分）制御のうちの少なくとも１つを行う。目標戻りトルク及び操舵トルクから粘性係数で除算して算出された目標舵角速度を用いてフィードバック制御を行うことで、運転者による操舵介入時にも自然なフィーリングのハンドル戻り制御を実現することができる。
　本発明における簡易的な仮想操舵系モデルとは、舵角θ及び車速Ｖから求めた目標戻りトルク（目標値）Ｔｒ、操舵トルクＴｄ及びアシストトルクＴａの合計に、操舵系の仮想的な慣性モーメントＪ及び粘性係数Ｃに応じた操舵系伝達関数を乗算することで、目標舵角速度ω０を算出するモデルである。
　仮想操舵系モデル（操舵系特性部）を用いることで、操舵系の仮想的な慣性モーメントＪ、粘性係数Ｃを設定することができるため、操舵系特性を任意に決めることが可能となる。また、仮想操舵系モデルにはアシストトルクＴａも加味した運転者の操舵介入も考慮されているため、運転者が操舵している状態でも滑らかなハンドル戻りを提供することができる。
　ここにおいて、操舵系に静止摩擦、クーロン摩擦及び弾性項がないと仮定した場合、目標戻りトルクＴｒ、操舵トルクＴｄ、アシストトルクＴａの力の釣り合い方程式は、下記数１となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　　ここで、Ｊは仮想的な操舵系の慣性モーメント、Ｃは仮想的な操舵系の粘性係数である。
 
そして、実舵角速度ωは舵角θの時間微分であるので、下記数２が成立する。
（数２）
ω＝ｄθ／ｄｔ
よって、目標舵角速度をω０とすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 が成立し、ｓをラプラス演算子とすると下記数４となり、数４を整理すると下記数５となる。
（数４）
Ｔｒ＋Ｔｄ＋Ｔａ＝ｓＪω０＋Ｃω０
（数５）
Ｔｒ＋Ｔｄ＋Ｔａ＝（ｓＪ＋Ｃ）ω０
よって、目標舵角速度ω０は上記数５より
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 となり、数６を整理すると下記数７となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 上記数７より、目標舵角速度ω０が求まる。ここで、１／（Ｊｓ＋Ｃ）は仮想操舵系モデルの伝達特性、Ｔｒ＋Ｔｄ＋Ｔａは目標戻りトルク、操舵トルク、アシストトルクの合計を意味する。
　車速によってハンドルの戻り性能や、車両の収れん性が異なるよう設定できるように、車速Ｖに応じた車速ゲインを乗算する。また、ハンドル戻り制御が主に必要とされるのは、コラム軸に付加される操舵トルクＴｄが小さく摩擦トルクの影響が相対的に大きいときであるので、操舵トルクＴｄが大きいときに、ハンドル戻り制御は大きな出力を必要としない。そのため、操舵トルクＴｄに応じて小さくなる操舵トルクゲインＴｈを乗算する。ω０を目標舵角速度に設定して、目標舵角速度ω０と実舵角速度ωとの偏差に応じて制御を行うことで、滑らかなハンドル戻りが実現できると共に、運転者が操舵した場合でも違和感のないハンドル戻り制御を提供できる。
　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は本発明に係るハンドル戻し制御部１００の構成例を示しており、操舵トルクＴｄは、操舵トルクゲインＴｈを出力する操舵トルクゲイン部１１０及び加算部１０２に入力され、舵角θは目標戻りトルクである目標値Ｔｔを演算する目標戻りトルク演算部１２０に入力される。また、車速Ｖは目標戻りトルク演算部１２０、車速ゲインＫＰを出力する車速ゲイン部１３０及び粘性係数Ｃを出力する粘性係数出力部１３３に入力され、舵角速度ωはフィルタ１３１に入力される。フィルタ１３１は位相進みとして使用するので、舵角速度ωに十分な応答性があれば不要である。また、電流指令値Ｉｒｅｆはゲイン部１１１でゲインＫｔ倍され、アシストトルクＴａとして加算部１０２に入力される。従って、加算部１０２の加算結果は、操舵トルクＴｄとアシストトルクＴａの合計となる。
　舵角θ及び車速Ｖに基づいて目標戻りトルク演算部１２０で演算された目標値（目標戻りトルク）Ｔｔは、反転部１２１で符号を反転されて加算部１０１に入力され、加算部１０１で加算部１０２の加算結果と加算されて伝達特性部１２２に入力される。伝達特性部１２２は、慣性モーメントＪ、粘性係数Ｃから前記数５に従って伝達関数を決め、乗算により伝達特性部１２２から目標舵角速度ω０が出力され、目標舵角速度ω０が減算部１０３に加算入力される。フィルタ１３１からの舵角速度ωａは減算部１０３に減算入力され、減算結果である目標舵角速度ω０と舵角速度ωａの偏差ＳＧ１が乗算部１３２に入力されている。
　また、操舵トルクゲイン部１１０から出力される操舵トルクゲインＴｈは乗算部１３２及びリミッタ１４２に入力され、車速ゲイン部１３０からの車速ゲインＫＰも乗算部１３２及びリミッタ１４２に入力される。
　偏差ＳＧ１に操舵トルクゲインＴｈ及び車速ゲインＫＰを乗算した乗算部１３２からのハンドル戻し制御ゲインＳＧ２は、加算部１０４に入力されると共に、特性改善のための積分制御部１４０に入力され、積分ゲイン部１４１を経てリミッタ１４２に入力され、リミッタ１４２で操舵トルクゲインＴｈ及び車速ゲインＫＰに応じて出力を制限された信号ＳＧ４が加算部１０４で、ハンドル戻し制御ゲインＳＧ２と加算され、更にノイズ除去用のＬＰＦ１４３を経てハンドル戻し制御電流ＨＲとして出力される。積分は摩擦の影響を受け易い低操舵トルク域を補償し、特に手放しで摩擦に負ける領域で積分を利かせる。加算部１０５で電流指令値Ｉｒｅｆにハンドル戻し制御電流ＨＲを加算して補正（補償）され、補正された補償電流指令値Ｉｒｅｆｎがモータ駆動系に入力される。
　反転部１２１、ゲイン部１１１、加算部１０１及び１０２で補正部を構成し、粘性係数出力部１３３、伝達特性部１２２で操舵系特性部を構成し、操舵トルクゲイン部１１０、車速ゲイン部１３０、フィルタ１３１、減算部１０３、乗算部１３２でハンドル戻し制御ゲイン算出部を構成し、積分部１４０、積分ゲイン部１４１、リミッタ１４２、加算部１０４、ＬＰＦ１４３でハンドル戻し制御電流演算部を構成している。
　操舵トルクゲイン部１１０は図４に示すような特性であり、操舵トルクＴｄがＴ１までは一定値ゲインＴｈ１を出力し、Ｔ１を超えると次第に減少し、Ｔ２以上でゲイン０となる出力特性となっている。また、目標戻りトルク演算部１２０は図５（ａ）に示すように、舵角θが大きくなるに従って目標値Ｔｔが次第に大きくなる出力特性であり、また、図５（ｂ）に示すように、車速Ｖが高速になるに従って純増しない出力特性で、目標値Ｔｔが変化する。車速ゲイン部１３０は図６に示す特性であり、少なくとも車速Ｖ１までは小さいゲインＫＰ１で一定であり、車速Ｖ１以上では次第に大きくなり、車速Ｖ２以上では大きなゲインＫＰ２で一定であるが、このような特性に限定されるものではない。また、車速Ｖに応じて粘性係数Ｃを可変する粘性係数出力部１３３は図７に示す特性であり、少なくとも車速Ｖ３までは小さい粘性係数Ｃ１で一定であり、車速Ｖ３以上で車速Ｖ４（＞Ｖ３）以下では次第に大きくなり、車速Ｖ４以上では大きな粘性係数Ｃ２で一定であるが、このような特性に限定されるものではない。
　このような構成において、その動作例を図８及び図９のフローチャートを参照して説明する。
　先ず操舵トルクＴｄ、電流指令値Ｉｒｅｆ、車速Ｖ、舵角θ、舵角速度ωを入力（読み取り）し（ステップＳ１）、操舵トルクゲイン部１１０は操舵トルクゲインＴｈを出力する（ステップＳ２）。ゲイン部１１１は電流指令値ＩｒｅｆにゲインＫｔ倍してアシストトルクＴａを算出し（ステップＳ３）、加算部１０２で操舵トルクＴｄと加算して加算部１０１に入力する（ステップＳ４）。
　また、目標戻りトルク演算部１２０は入力された舵角θ及び車速Ｖに基づいて目標値Ｔｔを演算し（ステップＳ１０）、反転部１２１が目標値Ｔｔの符号反転を行い（ステップＳ１１）、その後に加算部１０１に入力して加算を行う（ステップＳ１２）。車速ゲイン部１３０は車速Ｖに従った車速ゲインＫＰを出力し（ステップＳ１３）、粘性係数出力部１３３は車速Ｖに従った粘性係数Ｃを出力する（ステップＳ１４）。粘性係数Ｃは伝達特性部１２２に入力され、伝達特性を乗算されて目標舵角速度ω０を出力し、目標舵角速度ω０が減算部１０３に加算入力される（ステップＳ２０）。
　一方、実舵角速度ωはフィルタ１３１で位相進みの処理を施されて減算部１０３に減算入力され（ステップＳ２１）、減算部１０４で求められる目標舵角速度ω０との偏差ＳＧ１が乗算部１３２に入力される。乗算部１３２には操舵トルクゲインＴｈ及び車速ゲインＫＰが入力されており、それの乗算によってハンドル戻し制御ゲインＳＧ２が求められる（ステップＳ２２）。ハンドル戻し制御ゲインＳＧ２は積分制御部１４０で積分処理され（ステップＳ２３）、更に積分ゲインＫＩを乗算され（ステップＳ２４）、リミッタ１４２でリミット処理される（ステップＳ３０）。
　リミッタ１４２でリミット処理された信号は加算部１０４に入力され、ハンドル戻し制御ゲインＳＧ２と加算され（ステップＳ３１）、ＬＰＦ１４３でフィルタ処理され（ステップＳ３２）、ハンドル戻し制御電流ＨＲを出力する（ステップＳ３３）。加算部１０５で電流指令値Ｉｒｅｆにハンドル戻し制御電流ＨＲを加算して補正し、補償電流指令値Ｉｒｅｆｎを出力する（ステップＳ３３）。
　なお、舵角速度はモータ角速度×ギア比で求めることも可能であり、仮想操舵系モデルの伝達特性は車速、舵角、切増し／切戻し／保舵状態に応じて可変させても良い。また、仮想操舵系モデルには仮想的な摩擦特性を付加しても良く、目標戻りトルクはベース目標舵角速度×粘性係数として求めても良い。
　また、図８及び図９のデータ入力、演算や処理の順番は適宜変更可能である。上述の実施形態では、ハンドル戻し制御ゲインに対してＩ制御演算を行うようにしているが、Ｐ制御演算、Ｉ制御演算、Ｄ制御演算の全てを行うことも可能であり、ＰＩＤの少なくとも１つの制御演算を行うようにすれば良い。
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）
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　　　　　　　　　電流制限部
３４　　　　　　　　　補償信号生成部
３５　　　　　　　　　ＰＩ制御部
３６　　　　　　　　　ＰＷＭ制御部
３７　　　　　　　　　インバータ
５０　　　　　　　　　ＣＡＮ
１００　　　　　　　　ハンドル戻し制御部
１１０　　　　　　　　操舵トルクゲイン部
１１１　　　　　　　　ゲイン部
１２０　　　　　　　　目標戻りトルク演算部
１２１　　　　　　　　反転部
１２２　　　　　　　　伝達特性部
１３０　　　　　　　　車速ゲイン部
１３１　　　　　　　　フィルタ
１３３　　　　　　　　粘性係数出力部
１４０　　　　　　　　積分制御部
１４２　　　　　　　　リミッタ
１４３　　　　　　　　ローパスフィルタ（ＬＰＦ）

Claims (9)

  1. 操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動し、前記モータの駆動制御によって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、
    舵角、前記電流指令値、前記車速及び舵角速度によってハンドル戻し制御電流を演算し、前記ハンドル戻し制御電流を前記電流指令値に加算した補償電流指令値で前記モータを駆動するハンドル戻し制御部を備え、
    前記ハンドル戻し制御部が、
    舵角及び前記車速に基づいて目標戻りトルクを演算する目標戻りトルク演算部と、前記目標戻りトルクに対して前記操舵トルク及びアシストトルクで補正する補正部と、前記補正部で補正された補正トルク及び粘性係数に基づいて仮想的な操舵系特性に応じた伝達特性を乗算する操舵系特性部と、前記操舵系特性部からの目標舵角速度及び実舵角速度の偏差に車速ゲイン及び操舵トルクゲインを乗算してハンドル戻し制御ゲインを求めるハンドル戻し制御ゲイン算出部と、前記ハンドル戻し制御ゲインに対してＰ制御演算、Ｉ制御演算、Ｄ制御演算の少なくとも１つの制御演算を行い、前記車速ゲイン及び操舵トルクゲインによって出力制限して前記ハンドル戻し制御電流を求めるハンドル戻し制御電流演算部とで構成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 前記目標戻りトルク演算部が、
    前記車速をパラメータとして、前記目標戻りトルクは、前記舵角が大きくなるに従って次第に大きくなる特性である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
  3. 前記目標戻りトルクは、前記車速が大きくなるに従って大きくなる特性である請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
  4. 前記操舵トルクゲインは、前記操舵トルクが所定値Ｔ１までは一定であり、前記所定値Ｔ１以上で所定値Ｔ２（＞所定値Ｔ１）以下では次第に減少し、前記所定値Ｔ２以上では０となる特性である請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
  5. 前記粘性係数は、前記車速が所定値Ｖ３までは一定であり、前記所定値Ｖ３以上で所定値Ｖ４（＞所定値Ｖ３）以下は次第に増加し、前記所定値Ｖ４以上では一定値となる特性である請求項１乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
  6. 前記車速ゲインは、前記車速が所定値Ｖ１までは一定であり、前記所定値Ｖ１以上で所定値Ｖ２（＞所定値Ｖ１）以下では次第に増加し、前記所定値Ｖ２以上では一定値となる特性である請求項１乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
  7. 前記目標舵角速度に対して、前記舵角速度を位相進みフィルタを経て減算するようになっている請求項１乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
  8. 前記ハンドル戻し制御電流の最大値をリミッタで制限する請求項１乃至６のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
  9. 前記ハンドル戻し制御ゲインに対してＰ制御演算及びＩ制御演算を行うようになっている請求項１乃至８のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
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