WO2022264309A1 - 車両用操舵装置 - Google Patents

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WO2022264309A1
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WO
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torque
command value
vibration
torque command
angle
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PCT/JP2021/022852
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English (en)
French (fr)
Inventor
真 大野
ロバート フックス
直紀 小路
Original Assignee
株式会社ジェイテクト
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • 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
    • 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 a vehicle steering system.
  • Patent Document 1 discloses a vibration torque calculation unit that calculates vibration torque for warning when it is determined that the vehicle has deviated from the lane, and an electric motor using the vibration torque calculated by the vibration torque calculation unit. and a current control unit that applies vibration to the steering wheel by controlling the vehicular steering system.
  • the vibration torque calculator sets the value of the vibration torque such that the larger the steering torque detected by the torque sensor, the larger the value of the vibration torque, and the smaller the steering torque, the smaller the value of the vibration torque.
  • the vibration torque calculation unit stores in advance a map that stores the relationship between the steering torque and the peak value of the vibration torque, and calculates the vibration torque based on the map and the steering torque detected by the torque sensor. Set torque.
  • An object of the present invention is to provide a vehicle steering system that can give a warning vibration to the steering wheel according to the driving state of the vehicle and that does not require complicated tuning.
  • An embodiment of the present invention includes an electric motor for imparting warning vibration to a steering wheel, and a vibration angle command value in which an instantaneous value of a target warning vibration waveform is represented by a rotation angle of a steering shaft connected to the steering wheel.
  • a high-pass filter that extracts only high-frequency components of the vibration torque command value; and a motor torque command value that includes the high-frequency component of the vibration torque command value.
  • a torque control unit for torque-controlling the electric motor, wherein the angle control unit performs feedback control calculation on an angular deviation between the vibration angle command value and the rotation angle corresponding to the rotation angle of the steering shaft to provide feedback.
  • a steering system for a vehicle including a feedback control unit that calculates a control torque, and is configured to use the feedback control torque to calculate the vibration torque command value.
  • the angle control unit includes a basic vibration torque command value calculation unit that calculates a basic vibration torque command value using the feedback control torque; and a disturbance torque compensator for generating the vibration torque command value by correcting the basic vibration torque command value with the disturbance torque.
  • the basic vibration torque command value calculation unit includes a feedforward control unit that calculates the feedforward control torque by multiplying a second-order differential value of the vibration angle command value by a predetermined value; an addition unit that calculates the basic vibration torque command value by adding the feedback control torque and the forward control torque.
  • the disturbance torque estimator calculates the disturbance torque and the drive torque based on the motor torque command value or the motor torque generated by the electric motor, and the rotation angle of the electric motor.
  • the rotation angle of the object is estimated, and the rotation angle corresponding to the rotation angle of the steering shaft is the rotation angle of the driven object estimated by the disturbance torque estimator.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an electric power steering system to which a vehicle steering system according to an embodiment of the present disclosure is applied.
  • FIG. 2 is a waveform diagram showing an example of a target warning vibration waveform.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining the electrical configuration of the motor control ECU.
  • FIG. 4 is a graph showing a setting example of the assist torque command value Tca,cmd with respect to the steering torque Td .
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the angle control section.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration example of a physical model of the electric power steering system.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the disturbance torque estimator.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an electric power steering system to which a vehicle steering system according to an embodiment of the present disclosure is applied.
  • FIG. 2 is a waveform diagram showing an example of a target warning vibration waveform.
  • FIG. 3 is a
  • FIG. 8A is a time chart showing changes in steering torque when the steering wheel is steered by the driver while warning vibration is applied to the steering wheel.
  • FIG. 8B is a time chart showing changes in the rotation angle of the output shaft at each time in FIG. 8A.
  • FIG. 8C is a partially enlarged view showing an enlarged portion A of FIG. 8B.
  • FIG. 8D is a partially enlarged view showing an enlarged portion B of FIG. 8B.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an electric power steering system to which a vehicle steering system according to one embodiment of the present invention is applied.
  • An electric power steering apparatus 1 includes a steering wheel (handle) 2 as a steering member for steering a vehicle, a steering mechanism 4 for steering steerable wheels 3 in conjunction with the rotation of the steering wheel 2, and a steering wheel. and a steering assist mechanism 5 for assisting a person's steering.
  • the steering wheel 2 and steering mechanism 4 are mechanically connected via a steering shaft 6 and an intermediate shaft 7 .
  • the steering shaft 6 includes an input shaft 8 connected to the steering wheel 2 and an output shaft 9 connected to the intermediate shaft 7.
  • the input shaft 8 and the output shaft 9 are connected via a torsion bar 10 so as to be relatively rotatable.
  • a torque sensor 12 is arranged near the torsion bar 10 .
  • the torque sensor 12 detects steering torque (torsion bar torque) Td applied to the steering wheel 2 based on relative rotational displacement amounts of the input shaft 8 and the output shaft 9 .
  • the steering torque Td detected by the torque sensor 12 is, for example, a positive value for torque for steering to the left and a negative value for torque for steering to the right. , and the larger the absolute value, the larger the magnitude of the steering torque Td .
  • the steering mechanism 4 consists of a rack and pinion mechanism including a pinion shaft 13 and a rack shaft 14 as a steering shaft.
  • the steered wheels 3 are connected to each end of the rack shaft 14 via tie rods 15 and knuckle arms (not shown).
  • the pinion shaft 13 is connected to the intermediate shaft 7 .
  • the pinion shaft 13 rotates in conjunction with steering of the steering wheel 2 .
  • a pinion 16 is connected to the tip of the pinion shaft 13 .
  • the rack shaft 14 extends linearly along the lateral direction of the vehicle.
  • a rack 17 that meshes with the pinion 16 is formed in the axially intermediate portion of the rack shaft 14 .
  • the pinion 16 and rack 17 convert the rotation of the pinion shaft 13 into axial movement of the rack shaft 14 .
  • the steerable wheels 3 can be steered.
  • the steering assist mechanism 5 includes an electric motor 18 for generating a steering assist force (assist torque) and a speed reducer 19 for amplifying the output torque of the electric motor 18 and transmitting it to the steering mechanism 4 .
  • the speed reducer 19 comprises a worm gear mechanism including a worm gear 20 and a worm wheel 21 meshing with the worm gear 20 .
  • the speed reducer 19 is accommodated in a gear housing 22 as a transmission mechanism housing.
  • the reduction ratio (gear ratio) of the speed reducer 19 may be represented by N.
  • the reduction ratio N is defined as the ratio ⁇ wg / ⁇ ww of the rotation angle ⁇ wg of the worm gear 20 to the rotation angle ⁇ ww of the worm wheel 21 .
  • the worm gear 20 is rotationally driven by the electric motor 18 . Also, the worm wheel 21 is connected to the output shaft 9 so as to be rotatable together.
  • the electric motor 18 can assist the steering and steer the steered wheels 3.
  • the electric motor 18 is provided with a rotation angle sensor 23 for detecting the rotation angle of the rotor of the electric motor 18 .
  • the torque applied to the output shaft 9 includes motor torque by the electric motor 18 and disturbance torque other than the motor torque.
  • the disturbance torque T lc other than the motor torque includes steering torque T d , road load torque (road surface reaction torque) T rl , friction torque T f and the like.
  • the steering torque Td is torque applied to the output shaft 9 from the steering wheel 2 side due to force applied to the steering wheel 2 by the driver, force generated by steering inertia, or the like.
  • the road load torque Trl is generated by the self-aligning torque generated in the tire, the force generated by the suspension and tire wheel alignment, the frictional force of the rack and pinion mechanism, and the like. is the torque applied to
  • the vehicle is equipped with a vehicle speed sensor 24 for detecting the vehicle speed V, a CCD (Charge Coupled Device) camera 25 for photographing the road in front of the vehicle, and so on.
  • the CCD camera 25 is connected to a host ECU (ECU: Electronic Control Unit) 201 . Based on the image captured by the CCD camera 25, the host ECU 201 determines whether the vehicle has deviated from the lane. Since the method of determining whether or not the vehicle has deviated from the lane is well known, the description thereof will be omitted.
  • the upper ECU 201 controls the vibration angle command value ⁇ according to the waveform of the warning vibration to be applied to the steering wheel 2 (hereinafter referred to as the “target warning vibration waveform”).
  • the vibration angle command value ⁇ cv, cmd is the instantaneous value of the target warning vibration waveform expressed by the rotation angle of the output shaft (steering shaft) 9 .
  • the target warning vibration waveform has a predetermined target amplitude and a predetermined target frequency.
  • Fig. 2 shows an example of the target warning vibration waveform.
  • the target amplitude is set to 0.5 [deg] and the target frequency is set to 30 [Hz].
  • the vibration angle command value ⁇ cv , cmd generated by the host ECU 201 is given to the motor control ECU 202 via the vehicle-mounted network.
  • the steering torque T d detected by the torque sensor 12 , the vehicle speed V detected by the vehicle speed sensor 24 , and the output signal of the rotation angle sensor 23 are input to the motor control ECU 202 .
  • the motor control ECU 202 controls the electric motor 18 based on these input signals and information given from the host ECU 201 .
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining the electrical configuration of the motor control ECU 202. As shown in FIG.
  • the motor control ECU 202 includes a microcomputer 40, a drive circuit (inverter circuit) 31 that is controlled by the microcomputer 40 and supplies power to the electric motor 18, and a current flowing through the electric motor 18 (hereinafter referred to as "motor current I"). ) and a current detection circuit 32 for detecting the current.
  • the microcomputer 40 has a CPU and memory (ROM, RAM, non-volatile memory, etc.), and functions as a plurality of functional processing units by executing predetermined programs.
  • the plurality of functional processing units include an assist torque command value setting unit 41 , an angle control unit 42 , a high pass filter (HPF) 43 , a torque addition unit 44 and a torque control unit 45 .
  • HPF high pass filter
  • the assist torque command value Tma, cmd sets the assist torque command value Tma, cmd, which is the target assist torque.
  • the assist torque command value setting unit 41 sets the assist torque command value Tma for the electric motor 18 based on the steering torque Td detected by the torque sensor 12 and the vehicle speed V detected by the vehicle speed sensor 24. , cmd .
  • a setting example of the assist torque command value Tma,cmd with respect to the steering torque Td is shown in FIG.
  • the assist torque command value Tma, cmd is set to a positive value when the electric motor 18 should generate a steering assist force for left steering, and causes the electric motor 18 to generate a steering assist force for right steering. Negative values are taken when powers are exponents.
  • the assist torque command values Tma, cmd are set such that the absolute value thereof increases as the absolute value of the steering torque Td increases.
  • the assist torque command value Tma,cmd is set such that its absolute value decreases as the vehicle speed V detected by the vehicle speed sensor 24 increases. As a result, a large assist torque can be generated during low-speed running, and a small assist torque can be generated during high-speed running.
  • the angle control unit 42 calculates a vibration torque command value T mv, cmd for the electric motor 18 based on the vibration angle command value ⁇ cv, cmd . Details of the angle control unit 42 will be described later.
  • the high-pass filter 43 extracts only high-frequency components of the vibration torque command values Tmv, cmd by performing high-pass filter processing on the vibration torque command values Tmv, cmd. As a result, the low frequency component of the vibration torque command value Tmv,cmd is removed.
  • the characteristics of the high-pass filter 43, such as the cutoff frequency, are set so as to extract a high-frequency component having an amplitude and target frequency substantially equal to the target amplitude and target frequency of the target warning vibration waveform.
  • the torque addition unit 44 adds the assist torque command value Tma,cmd to the high frequency component HPF( Tmv,cmd ) of the vibration torque command value Tmv,cmd extracted by the high-pass filter 43, thereby obtaining the motor torque A command value Tm, cmd is calculated.
  • Torque control unit 45 drives the drive circuit 31 so that the motor torque of the electric motor 18 approaches the motor torque command value Tm,cmd .
  • Torque control unit 45 includes a current command value calculation unit 51 , a current deviation calculation unit 52 , a PI control unit 53 , and a PWM (Pulse Width Modulation) control unit 54 .
  • the current command value calculator 51 divides the motor torque command value Tm,cmd calculated by the torque adder 44 by the torque constant Kt of the electric motor 18 to calculate the motor current command value Im,cmd . .
  • the PI control unit 53 performs PI calculation (proportional integral calculation) on the current deviation ⁇ I calculated by the current deviation calculation unit 52 to convert the motor current Im flowing through the electric motor 18 to the motor current command value Im, cmd . Generate a drive command value for guidance.
  • the PWM control unit 54 generates a PWM control signal having a duty ratio corresponding to the drive command value, and supplies it to the drive circuit 31 . As a result, electric power corresponding to the drive command value is supplied to the electric motor 18 .
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the angle control section 42. As shown in FIG.
  • the angle control unit 42 includes a feedback control unit 61, a feedforward control unit 62, a disturbance torque estimation unit 63, a torque addition unit 64, a disturbance torque compensation unit 65, a first reduction ratio division unit 66, a reduction ratio A multiplier 67 , a rotation angle calculator 68 , and a second reduction ratio divider 69 are included.
  • the rotation angle calculator 68 calculates the rotor rotation angle ⁇ m of the electric motor 18 based on the output signal of the rotation angle sensor 23 .
  • a second reduction ratio dividing unit 69 divides the rotor rotation angle ⁇ m calculated by the rotation angle calculation unit 68 by the reduction ratio N, thereby dividing the rotor rotation angle ⁇ m into the rotation angle (actual steering angle) of the output shaft 9. Convert to ⁇ c .
  • the feedback control section 61 includes an angular deviation calculation section 61A and a PD control section 61B.
  • the angle deviation calculation unit 61A calculates the deviation ( ⁇ cv, cmd ⁇ c ) between the vibration angle command value ⁇ cv, cmd and the actual steering angle ⁇ c calculated by the second reduction ratio division unit 69 as an angle You may make it calculate as deviation (DELTA)(theta).
  • the PD control section 61B calculates the feedback control torque Tfb by performing PD calculation (proportional differential calculation) on the angular deviation ⁇ calculated by the angular deviation calculating section 61A. That is, the PD control section 61B calculates the feedback control torque Tfb by performing feedback control calculation on the angular deviation ⁇ .
  • the feedback control torque T fb is applied to the torque addition section 64 .
  • the feedforward control unit 62 is provided to compensate for the response delay due to the inertia of the electric power steering device 1 and improve the control response.
  • the feedforward control unit 62 calculates the feedforward control torque Tff by performing feedforward control calculation.
  • the feedforward control section 62 includes an angular acceleration calculation section 62A and an inertia multiplication section 62B.
  • the angular acceleration calculator 62A calculates the angular acceleration command value d2 ⁇ cv,cmd / dt2 by second -order differentiating the vibration angle command value ⁇ cv,cmd .
  • the inertia J is obtained, for example, from a physical model 101 (see FIG. 6) of the electric power steering device 1, which will be described later.
  • the feedforward control torque Tff is given to the torque adder 64 as an inertia compensation value.
  • the torque adder 64 calculates a basic vibration torque command value (T fb +T ff ) by adding the feedforward control torque T ff to the feedback control torque T fb .
  • the disturbance torque estimator 63 is provided for estimating a nonlinear torque (disturbance torque: torque other than motor torque) generated as a disturbance in the plant (the object to be driven by the electric motor 18).
  • Disturbance torque estimator 63 calculates disturbance torque (disturbance load ) Tlc , steering angle ⁇ c and A steering angle differential value (angular velocity) d ⁇ c /dt is estimated.
  • Estimated values of disturbance torque T lc , steering angle ⁇ c and steering angle differential value d ⁇ c /dt are represented by ⁇ T lc , ⁇ c and d ⁇ c /dt, respectively. Details of the disturbance torque estimator 63 will be described later.
  • the disturbance torque estimation value ⁇ Tlc calculated by the disturbance torque estimator 63 is given to the disturbance torque compensator 65 as a disturbance torque compensation value.
  • the steering angle estimated value ⁇ ⁇ c calculated by the disturbance torque estimator 63 is provided to the angle deviation calculator 61A.
  • the vibration torque command value T cv,cmd is given to the first reduction gear ratio divider 66 .
  • the first reduction ratio dividing unit 66 divides the vibration torque command value T cv, cmd by the reduction ratio N, thereby dividing the vibration torque command value T cv, cmd into the vibration torque command value T mv, cmd for the electric motor 18. Convert.
  • This vibration torque command value Tmv, cmd is given to the high-pass filter 43 (see FIG. 3).
  • the disturbance torque estimator 63 will be described in detail.
  • the disturbance torque estimator 63 is composed of a disturbance observer that estimates the disturbance torque T lc , the steering angle ⁇ c and the angular velocity d ⁇ c /dt using the physical model 101 of the electric power steering device 1 shown in FIG. 6, for example. ing.
  • This physical model 101 includes a plant (an example of a motor driven object) 102 including an output shaft 9 and a worm wheel 21 fixed to the output shaft 9 .
  • the plant 102 is provided with a steering torque Td from the steering wheel 2 through the torsion bar 10 and a road load torque Trl from the steered wheels 3 side.
  • Tlc indicates disturbance torque other than the motor torque applied to the plant 102 .
  • the disturbance torque Tlc is shown as the sum of the steering torque Td , the road load torque Trl , and the friction torque Tf . contains.
  • a state equation for the physical model 101 in FIG. 6 is expressed by the following equation (2).
  • x is the state variable vector
  • u1 is the known input vector
  • u2 is the unknown input vector
  • y is the output vector (measured value).
  • A is the system matrix
  • B1 is the first input matrix
  • B2 is the second input matrix
  • C is the output matrix
  • D is the feedthrough matrix.
  • x e is a state variable vector of the extended system and is represented by the following equation (4).
  • a e is the system matrix of the extended system
  • B e is the known input matrix of the extended system
  • C e is the output matrix of the extended system.
  • a disturbance observer represented by the following equation (5) is constructed from the extended state equation of equation (3).
  • ⁇ x e is the estimate of x e
  • L is the observer gain
  • ⁇ y is the estimate of y.
  • ⁇ x e is represented by the following equation (6).
  • ⁇ is an estimate of ⁇
  • ⁇ Tlc is an estimate of Tlc .
  • the disturbance torque estimator 63 calculates the state variable vector ⁇ xe based on the equation (5).
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the disturbance torque estimator 63. As shown in FIG.
  • the disturbance torque estimation unit 63 includes an input vector input unit 71, an output matrix multiplication unit 72, a first addition unit 73, a gain multiplication unit 74, an input matrix multiplication unit 75, a system matrix multiplication unit 76, a second It includes an addition section 77 , an integration section 78 and a state variable vector output section 79 .
  • the input vector input unit 71 outputs an input vector u1.
  • the output of the integrator 78 is the state variable vector ⁇ x e (see equation (6) above).
  • an initial value is given as the state variable vector ⁇ xe .
  • the initial value of the state variable vector ⁇ x e is 0, for example.
  • a system matrix multiplier 76 multiplies the state variable vector ⁇ x e by the system matrix A e .
  • the output matrix multiplier 72 multiplies the state variable vector ⁇ x e by the output matrix C e .
  • the gain multiplier 74 multiplies the output (y ⁇ y) of the first adder 73 by the observer gain L (see the above equation (5)).
  • the input matrix multiplication unit 75 multiplies the input vector u1 output from the input vector input unit 71 by the input matrix Be.
  • the second adder 77 outputs the output (Be ⁇ u 1 ) of the input matrix multiplier 75, the output (A e ⁇ x e ) of the system matrix multiplier 76, and the output of the gain multiplier 74 (L(y ⁇ ⁇ y)) is added to calculate the differential value d ⁇ x e /dt of the state variable vector.
  • the integrator 78 calculates the state variable vector ⁇ x e by integrating the output (d ⁇ x e /dt) of the second adder 77 .
  • a state variable vector output unit 79 calculates an estimated disturbance torque value ⁇ T lc , an estimated steering angle value ⁇ , and an estimated angular velocity value d ⁇ /dt based on the state variable vector ⁇ xe.
  • a general disturbance observer consists of an inverse model of the plant and a low-pass filter.
  • the equation of motion of the plant is represented by Equation (1) as described above. Therefore, the inverse model of the plant becomes the following equation (7).
  • Inputs to a general disturbance observer are J ⁇ d 2 ⁇ c /dt 2 and N ⁇ T m, cmd . greatly received.
  • the disturbance torque is estimated in an integral manner, the noise effect due to differentiation can be reduced.
  • the disturbance torque estimator 63 a general disturbance observer composed of an inverse model of the plant and a low-pass filter may be used.
  • warning vibration can be applied to the steering wheel 2 when the vehicle has deviated from the lane.
  • the host ECU 201 may give the vibration angle command values ⁇ cv, cmd to the motor control ECU 202 not only when the vehicle is deviating from the lane, but also when warning vibration should be applied to the steering wheel 2 .
  • warning vibration can be applied to the steering wheel 2 according to the driving state.
  • the angle control unit 42 performs an angle control calculation (
  • the vibration torque command values Tmv and cmd are calculated by performing feedback control calculations, feedforward control calculations, and the like. This eliminates the need for complicated tuning for each vehicle.
  • the vibration torque command values Tmv, cmd obtained by the angle control unit 42 contain low-frequency components including DC components, the vibration torque command values T mv, cmd are used as they are to drive the electric motor 18.
  • the steering wheel 2 is steered by the low frequency component. Therefore, in the present embodiment, the high-pass filter 43 extracts only high-frequency components necessary for vibration control contained in the vibration torque command values T mv and cmd obtained by the angle control unit 42, and the extracted vibration torque command values The electric motor 18 is controlled based on the high frequency components of Tmv and cmd .
  • the low frequency components included in the vibration torque command values Tmv, cmd obtained by the angle control section 42 are removed, so that the steering wheel 2 can be prevented from being steered by the low frequency components.
  • the warning vibration can be applied to the steering wheel 2 while the driver can steer.
  • the disturbance torque estimated value ⁇ T lc calculated by the disturbance torque estimator 63 is used to correct the basic vibration torque command value (T fb +T ff ).
  • a torque command value Tmv, cmd is obtained. This enables robust vibration control.
  • 8A to 8D are schematics of the rotation angle of the output shaft 9 when the driver applies steering torque to the steering wheel 2 while the warning vibration is applied to the steering wheel 2 in this embodiment.
  • 4 is a time chart showing simulation results;
  • FIG. 8C is an enlarged view of part A before time t1 in FIG. 8B
  • FIG. 8D is an enlarged view of part B after time t1 in FIG. 8B.
  • FIGS. 8C and 8D it can be seen that the driver can steer while applying warning vibration to the steering wheel 2 . Also, it can be seen that the warning vibration can be applied to the steering wheel 2 even after the driver has steered the vehicle.
  • the angle control section 42 (see FIG. 5) includes the feedforward control section 62, but the feedforward control section 62 may be omitted.
  • the feedback control torque Tfb calculated by the feedback control section 61 becomes the basic vibration torque command value.
  • the disturbance torque estimator 63 estimates the disturbance torque Tlc based on the motor torque command value Tm ,cm and the rotor rotation angle ⁇ m.
  • a motor torque acquisition unit that acquires the motor torque that is being applied may be provided, and the motor torque acquired by this motor torque acquisition unit may be used instead of the motor torque command value Tm,cm .
  • the disturbance torque estimator 63 is provided in the above embodiment, the disturbance torque estimator 63 may be omitted.
  • the angle deviation calculator 61A is supplied with the actual steering angle ⁇ c calculated by the second reduction ratio divider 69 (see FIG . 5) instead of the estimated steering angle ⁇ c.
  • the present invention has been described for the case where the steering wheel 2 is given warning vibration by the electric motor of the column type EPS.
  • the present invention can also be applied to the case where the warning vibration is applied to the steering wheel 2 by an EPS electric motor other than the column type.
  • the present invention can also be applied to a case where an electric motor for generating a reaction force of a steer-by-wire system gives warning vibration to the steering wheel 2.

Abstract

車両操舵装置は、ハンドルに警告振動を付与するための電動モータと、目標となる警告振動波形の瞬時値をハンドルに連結されたステアリングシャフトの回転角度で表した振動角度指令値に基づいて、振動トルク指令値を演算する角度制御部と、振動トルク指令値の高周波成分のみを抽出するハイパスフィルタと、前記振動トルク指令値の高周波成分を含むモータトルク指令値に基づいて、電動モータをトルク制御するトルク制御部とを含む。角度制御部が、振動角度指令値とステアリングシャフトの回転角度に応じた回転角との角度偏差に対してフィードバック制御演算を行ってフィードバック制御トルクを演算するフィードバック制御部を含み、フィードバック制御トルクを用いて振動トルク指令値を演算するように構成されている。

Description

車両用操舵装置
　本発明は、車両用操舵装置に関する。
　特許文献１には、車両が車線を逸脱していると判定されたときに、警告用の振動トルクを演算する振動トルク演算部と、振動トルク演算部によって演算された振動トルクを用いて電動モータを制御することにより、ハンドルに振動を付与する電流制御部とを備えた車両用操舵装置が開示されている。振動トルク演算部は、トルクセンサによって検出される操舵トルクが大きいほど振動トルクの値を大きくし、操舵トルクが小さいほど振動トルクの値が小さくなるように、振動トルクの値を設定する。具体的には、振動トルク演算部は、操舵トルクと振動トルクのピーク値との関係を記憶したマップを予め記憶しておき、トルクセンサによって検出される操舵トルクと当該マップとに基づいて、振動トルクを設定する。
特開２０１７－６５５８７号公報
　電動モータからハンドルまでの伝達特性は、車両毎に異なる。このため、特許文献１に記載の発明では、ハンドルに適切な大きさの振動が付与されるように振動トルクを演算するためには、車両毎にチューニングが必要となる。
　本発明の目的は、車両の運転状態に応じてハンドルに警告振動を付与できかつ複雑なチューニングが不要となる車両用操舵装置を提供することである。
　本発明の一実施形態は、ハンドルに警告振動を付与するための電動モータと、目標となる警告振動波形の瞬時値を前記ハンドルに連結されたステアリングシャフトの回転角度で表した振動角度指令値に基づいて、振動トルク指令値を演算する角度制御部と、前記振動トルク指令値の高周波成分のみを抽出するハイパスフィルタと、前記振動トルク指令値の高周波成分を含むモータトルク指令値に基づいて、前記電動モータをトルク制御するトルク制御部とを含み、前記角度制御部が、前記振動角度指令値と前記ステアリングシャフトの回転角度に応じた回転角との角度偏差に対してフィードバック制御演算を行ってフィードバック制御トルクを演算するフィードバック制御部を含み、前記フィードバック制御トルクを用いて前記振動トルク指令値を演算するように構成されている、車両用操舵装置を提供する。
　この構成では、車両の運転状態に応じてハンドルに警告振動を付与できかつ複雑なチューニングが不要となる車両用操舵装置が得られる。
　本発明の一実施形態では、前記電動モータが、車両の転舵機構にアシストトルクを与えるための電動モータであり、目標となるアシストトルクであるアシストトルク指令値を演算するアシストトルク指令値演算部と、前記振動トルク指令値の高周波成分と、前記アシストトルク指令値とを加算することによって前記モータトルク指令値を演算するモータトルク指令値演算部とをさらに含む。
　本発明の一実施形態では、前記角度制御部は、前記フィードバック制御トルクを用いて基本振動トルク指令値を演算する基本振動トルク指令値演算部と、前記電動モータの駆動対象に作用する前記電動モータのモータトルク以外の外乱トルクを推定する外乱トルク推定部と、前記基本振動トルク指令値を前記外乱トルクによって補正することにより前記振動トルク指令値を生成する外乱トルク補償部とをさらに含む。
　本発明の一実施形態では、前記基本振動トルク指令値演算部は、前記振動角度指令値の二階微分値に所定値を乗算することにより、フィードフォワード制御トルクを演算するフィードフォワード制御部と、前記フィードバック制御トルクと前記フォワード制御トルクとを加算することにより、前記基本振動トルク指令値を演算する加算部とを含む。
　本発明の一実施形態では、前記外乱トルク推定部は、前記モータトルク指令値または前記電動モータが発生しているモータトルクと、前記電動モータの回転角とに基づいて、前記外乱トルクおよび前記駆動対象の回転角を推定するように構成されており、前記ステアリングシャフトの回転角度に応じた回転角が、前記外乱トルク推定部によって推定される前記駆動対象の回転角である。
　本発明における上述の、またはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、本開示の一実施形態に係る車両用操舵装置が適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、目標警告振動波形の一例を示す波形図である。 図３は、モータ制御用ＥＣＵの電気的構成を説明するためのブロック図である。 図４は、操舵トルクＴｄに対するアシストトルク指令値Ｔｃａ，ｃｍｄの設定例を示すグラフである。 図５は、角度制御部の構成を示すブロック図である。 図６は、電動パワーステアリング装置の物理モデルの構成例を示す模式図である。 図７は、外乱トルク推定部の構成を示すブロック図である。 図８Ａは、ステアリングホイールに警告振動が付与されている状態で、ドライバによってステアリングホイールが操舵された場合の操舵トルクの変化を示すタイムチャートである。 図８Ｂは、図８Ａの各時刻での出力軸の回転角度の変化を示すタイムチャートである。 図８Ｃは、図８ＢのＡ部を拡大して示す部分拡大図である。 図８Ｄは、図８ＢのＢ部を拡大して示す部分拡大図である。
　図１は、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置が適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
　電動パワーステアリング装置１は、車両を操向するための操舵部材としてのステアリングホイール（ハンドル）２と、このステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪３を転舵する転舵機構４と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構５とを備えている。ステアリングホイール２と転舵機構４とは、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して機械的に連結されている。
　ステアリングシャフト６は、ステアリングホイール２に連結された入力軸８と、中間軸７に連結された出力軸９とを含む。入力軸８と出力軸９とは、トーションバー１０を介して相対回転可能に連結されている。
　トーションバー１０の近傍には、トルクセンサ１２が配置されている。トルクセンサ１２は、入力軸８および出力軸９の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール２に与えられた操舵トルク（トーションバートルク）Ｔｄを検出する。この実施形態では、トルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴｄは、例えば、左方向への操舵のためのトルクが正の値として検出され、右方向への操舵のためのトルクが負の値として検出され、その絶対値が大きいほど操舵トルクＴｄの大きさが大きくなるものとする。
　転舵機構４は、ピニオン軸１３と、転舵軸としてのラック軸１４とを含むラックアンドピニオン機構からなる。ラック軸１４の各端部には、タイロッド１５およびナックルアーム（図示略）を介して転舵輪３が連結されている。ピニオン軸１３は、中間軸７に連結されている。ピニオン軸１３は、ステアリングホイール２の操舵に連動して回転するようになっている。ピニオン軸１３の先端には、ピニオン１６が連結されている。
　ラック軸１４は、車両の左右方向に沿って直線状に延びている。ラック軸１４の軸方向の中間部には、ピニオン１６に噛み合うラック１７が形成されている。このピニオン１６およびラック１７によって、ピニオン軸１３の回転がラック軸１４の軸方向移動に変換される。ラック軸１４を軸方向に移動させることによって、転舵輪３を転舵することができる。
　ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、この回転が、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して、ピニオン軸１３に伝達される。そして、ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によって、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。
　操舵補助機構５は、操舵補助力（アシストトルク）を発生するための電動モータ１８と、電動モータ１８の出力トルクを増幅して転舵機構４に伝達するための減速機１９とを含む。減速機１９は、ウォームギヤ２０と、このウォームギヤ２０と噛み合うウォームホイール２１とを含むウォームギヤ機構からなる。減速機１９は、伝達機構ハウジングとしてのギヤハウジング２２内に収容されている。
　以下において、減速機１９の減速比（ギヤ比）をＮで表す場合がある。減速比Ｎは、ウォームホイール２１の回転角度θｗｗに対するウォームギヤ２０の回転角度θｗｇの比θｗｇ／θｗｗとして定義される。
　ウォームギヤ２０は、電動モータ１８によって回転駆動される。また、ウォームホイール２１は、出力軸９に一体回転可能に連結されている。
　電動モータ１８によってウォームギヤ２０が回転駆動されると、ウォームホイール２１が回転駆動され、ステアリングシャフト６にモータトルクが付与されるとともにステアリングシャフト６（出力軸９）が回転する。そして、ステアリングシャフト６の回転は、中間軸７を介してピニオン軸１３に伝達される。ピニオン軸１３の回転は、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。
　すなわち、電動モータ１８によってウォームギヤ２０を回転駆動することによって、電動モータ１８による操舵補助や転舵輪３の転舵が可能となる。電動モータ１８には、電動モータ１８のロータの回転角を検出するための回転角センサ２３が設けられている。
　出力軸９（電動モータ１８の駆動対象の一例）に加えられるトルクとしては、電動モータ１８によるモータトルクと、モータトルク以外の外乱トルクとがある。モータトルク以外の外乱トルクＴｌｃには、操舵トルクＴｄ、路面負荷トルク（路面反力トルク）Ｔｒｌ、摩擦トルクＴｆ等が含まれる。
　操舵トルクＴｄは、運転者によってステアリングホイール２に加えられる力や、ステアリング慣性によって発生する力等によって、ステアリングホイール２側から出力軸９に加えられるトルクである。
　路面負荷トルクＴｒｌは、タイヤに発生するセルフアライニングトルク、サスペンションやタイヤホイールアライメントによって発生する力、ラックアンドピニオン機構の摩擦力等によって、転舵輪３側からラック軸１４を介して出力軸９に加えられるトルクである。
　車両には、車速Ｖを検出するための車速センサ２４、車両の進行方向前方の道路を撮影するＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ２５等が搭載されている。ＣＣＤカメラ２５は、上位ＥＣＵ（ECU：Electronic Control Unit）２０１に接続されている。上位ＥＣＵ２０１は、ＣＣＤカメラ２５の撮像画像に基づいて、車両が車線を逸脱したか否かを判定する。車両が車線を逸脱したか否かを判定する方法は公知なので、その説明を省略する。
　この実施形態では、上位ＥＣＵ２０１は、車両が車線を逸脱したと判定したときには、ステアリングホイール２に付与すべき警告振動の波形（以下「目標警告振動波形」という。）に応じた振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄを生成する。振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄは、目標警告振動波形の瞬時値を出力軸（ステアリングシャフト）９の回転角度で表したものである。目標警告振動波形は、所定の目標振幅と所定の目標周波数を有する。
　図２に、目標警告振動波形の一例を示す。図２の例では、目標振幅が０．５［ｄｅｇ］に設定されており、目標周波数が３０［Ｈｚ］に設定されている。
　上位ＥＣＵ２０１によって生成された振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄは、車載ネットワークを介して、モータ制御用ＥＣＵ２０２に与えられる。トルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴｄ、車速センサ２４によって検出される車速Ｖ、回転角センサ２３の出力信号は、モータ制御用ＥＣＵ２０２に入力される。モータ制御用ＥＣＵ２０２は、これらの入力信号および上位ＥＣＵ２０１から与えられる情報に基づいて、電動モータ１８を制御する。
　図３は、モータ制御用ＥＣＵ２０２の電気的構成を説明するためのブロック図である。
　モータ制御用ＥＣＵ２０２は、マイクロコンピュータ４０と、マイクロコンピュータ４０によって制御され、電動モータ１８に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）３１と、電動モータ１８に流れる電流（以下、「モータ電流Ｉ」という）を検出するための電流検出回路３２とを備えている。
　マイクロコンピュータ４０は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなど）を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、アシストトルク指令値設定部４１と、角度制御部４２と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４３と、トルク加算部４４、トルク制御部４５とを含む。
　アシストトルク指令値Ｔｍａ，ｃｍｄは、目標となるアシストトルクであるアシストトルク指令値Ｔｍａ，ｃｍｄを設定する。具体的には、アシストトルク指令値設定部４１は、トルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴｄと車速センサ２４によって検出される車速Ｖとに基づいて、電動モータ１８に対するアシストトルク指令値Ｔｍａ，ｃｍｄを設定する。操舵トルクＴｄに対するアシストトルク指令値Ｔｍａ，ｃｍｄの設定例は、図４に示されている。
　アシストトルク指令値Ｔｍａ，ｃｍｄは、電動モータ１８から左方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには正の値とされ、電動モータ１８から右方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには負の値とされる。アシストトルク指令値Ｔｍａ，ｃｍｄは、操舵トルクＴｄの絶対値が大きくなるほど、その絶対値が大きくなるように設定される。
　また、アシストトルク指令値Ｔｍａ，ｃｍｄは、車速センサ２４によって検出される車速Ｖが大きいほど、その絶対値が小さくなるように設定される。これにより、低速走行時には大きなアシストトルクを発生させることができ、高速走行時にはアシストトルクを小さくすることができる。
　角度制御部４２は、振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄに基づいて、電動モータ１８に対する振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄを演算する。角度制御部４２の詳細については、後述する。
　ハイパスフィルタ４３は、振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄに対してハイパスフィルタ処理を行うことにより、振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄの高周波数成分のみを抽出する。これにより、振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄの低周波数成分は除去される。なお、カットオフ周波数等のハイパスフィルタ４３の特性は、目標警告振動波形の目標振幅および目標周波数とほぼ等しい振幅および目標周波数を有する高周波数成分が抽出されるように設定される。
　トルク加算部４４は、ハイパスフィルタ４３によって抽出された振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄの高周波数成分ＨＰＦ（Ｔｍｖ，ｃｍｄ）に、アシストトルク指令値Ｔｍａ，ｃｍｄを加算することにより、モータトルク指令値Ｔｍ，ｃｍｄを演算する。
　トルク制御部４５は、電動モータ１８のモータトルクがモータトルク指令値Ｔｍ，ｃｍｄに近づくように駆動回路３１を駆動する。トルク制御部４５は、電流指令値演算部５１と、電流偏差演算部５２と、ＰＩ制御部５３と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部５４とを含む。
　電流指令値演算部５１は、トルク加算部４４によって演算されたモータトルク指令値Ｔｍ，ｃｍｄを電動モータ１８のトルク定数Ｋｔで除算することにより、モータ電流指令値Ｉｍ，ｃｍｄを演算する。
　電流偏差演算部５２は、モータ電流指令値演算部５１によって得られたモータ電流指令値Ｉｍ，ｃｍｄと電流検出回路３２によって検出されたモータ電流Ｉｍとの偏差ΔＩ（＝Ｉｍ，ｃｍｄ－Ｉｍ）を演算する。
　ＰＩ制御部５３は、電流偏差演算部５２によって演算された電流偏差ΔＩに対するＰＩ演算（比例積分演算）を行うことにより、電動モータ１８に流れるモータ電流Ｉｍをモータ電流指令値Ｉｍ，ｃｍｄに導くための駆動指令値を生成する。ＰＷＭ制御部５４は、前記駆動指令値に対応するデューティ比のＰＷＭ制御信号を生成して、駆動回路３１に供給する。これにより、駆動指令値に対応した電力が電動モータ１８に供給されることになる。
　図５は、角度制御部４２の構成を示すブロック図である。
　角度制御部４２は、フィードバック制御部６１と、フィードフォワード制御部６２と、外乱トルク推定部６３と、トルク加算部６４と、外乱トルク補償部６５と、第１減速比除算部６６と、減速比乗算部６７と、回転角演算部６８と、第２減速比除算部６９とを含む。
　減速比乗算部６７は、トルク加算部４４（図３参照）によって演算されるモータトルク指令値Ｔｍ，ｃｍｄに減速機１９の減速比Ｎを乗算することにより、モータトルク指令値Ｔｍ，ｃｍｄを出力軸９（ウォームホイール２１）に作用する操舵トルク指令値Ｔｃ，ｃｍｄ（＝Ｎ・Ｔｍ，ｃｍｄ）に換算する。
　回転角演算部６８は、回転角センサ２３の出力信号に基づいて、電動モータ１８のロータ回転角θｍを演算する。第２減速比除算部６９は、回転角演算部６８によって演算されるロータ回転角θｍを減速比Ｎで除算することにより、ロータ回転角θｍを出力軸９の回転角（実操舵角）θｃに換算する。
　フィードバック制御部６１は、角度偏差演算部６１ＡとＰＤ制御部６１Ｂとを含む。角度偏差演算部６１Ａは、振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄと、外乱トルク推定部６３によって演算される操舵角推定値^θｃとの偏差Δθ（＝θｃｖ，ｃｍｄ－^θｃ）を演算する。なお、角度偏差演算部６１Ａは、振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄと、第２減速比除算部６９によって演算される実操舵角θｃとの偏差（θｃｖ，ｃｍｄ－θｃ）を、角度偏差Δθとして演算するようにしてもよい。
　ＰＤ制御部６１Ｂは、角度偏差演算部６１Ａによって演算される角度偏差Δθに対してＰＤ演算（比例微分演算）を行うことにより、フィードバック制御トルクＴｆｂを演算する。つまり、ＰＤ制御部６１Ｂは、角度偏差Δθに対してフィードバック制御演算を行うことにより、フィードバック制御トルクＴｆｂを演算する。フィードバック制御トルクＴｆｂは、トルク加算部６４に与えられる。
　フィードフォワード制御部６２は、電動パワーステアリング装置１の慣性による応答性の遅れを補償して、制御の応答性を向上させるために設けられている。フィードフォワード制御部６２は、フィードフォワード制御演算を行うことにより、フィードフォワード制御トルクＴｆｆを演算する。
　具体的には、フィードフォワード制御部６２は、角加速度演算部６２Ａと慣性乗算部６２Ｂとを含む。角加速度演算部６２Ａは、振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄを二階微分することにより、角加速度指令値ｄ２θｃｖ，ｃｍｄ／ｄｔ２を演算する。
　慣性乗算部６２Ｂは、角加速度演算部６２Ａによって演算された角加速度指令値ｄ２θｃｖ，ｃｍｄ／ｄｔ２に、電動パワーステアリング装置１の慣性Ｊを乗算することにより、フィードフォワード制御トルクＴｆｆ（＝Ｊ・ｄ２θｃｖ，ｃｍｄ／ｄｔ２）を演算する。慣性Ｊは、例えば、後述する電動パワーステアリング装置１の物理モデル１０１（図６参照）から求められる。フィードフォワード制御トルクＴｆｆは、慣性補償値として、トルク加算部６４に与えられる。
　トルク加算部６４は、フィードバック制御トルクＴｆｂにフィードフォワード制御トルクＴｆｆを加算することにより、基本振動トルク指令値（Ｔｆｂ＋Ｔｆｆ）を演算する。
　外乱トルク推定部６３は、プラント（電動モータ１８の駆動対象）に外乱として発生する非線形なトルク（外乱トルク：モータトルク以外のトルク）を推定するために設けられている。外乱トルク推定部６３は、操舵トルク指令値Ｔｃ，ｃｍｄ（＝Ｎ・Ｔｍ，ｃｍｄ）と、実操舵角θｃとに基づいて、外乱トルク（外乱負荷）Ｔｌｃ、操舵角θｃおよび操舵角微分値（角速度）ｄθｃ／ｄｔを推定する。外乱トルクＴｌｃ、操舵角θｃおよび操舵角微分値ｄθｃ／ｄｔの推定値を、それぞれ^Ｔｌｃ、^θｃおよびｄ^θｃ／ｄｔで表す。外乱トルク推定部６３の詳細については、後述する。
　外乱トルク推定部６３によって演算された外乱トルク推定値^Ｔｌｃは、外乱トルク補償値として外乱トルク補償部６５に与えられる。外乱トルク推定部６３によって演算された操舵角推定値^θｃは、角度偏差演算部６１Ａに与えられる。
　外乱トルク補償部６５は、基本振動トルク指令値（Ｔｆｂ＋Ｔｆｆ）から外乱トルク推定値^Ｔｌｃを減算することにより、出力軸９に対する振動トルク指令値Ｔｃｖ，ｃｍｄ（＝Ｔｆｂ＋Ｔｆｆ－^Ｔｌｃ）を演算する。これにより、外乱トルクが補償された振動トルク指令値Ｔｃｖ，ｃｍｄが得られる。
　振動トルク指令値Ｔｃｖ，ｃｍｄは、第１減速比除算部６６に与えられる。第１減速比除算部６６は、振動トルク指令値Ｔｃｖ，ｃｍｄを減速比Ｎで除算することにより、振動トルク指令値Ｔｃｖ，ｃｍｄを、電動モータ１８に対する振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄに変換する。この振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄが、ハイパスフィルタ４３（図３参照）に与えられる。
　外乱トルク推定部６３について詳しく説明する。外乱トルク推定部６３は、例えば、図６に示す電動パワーステアリング装置１の物理モデル１０１を使用して、外乱トルクＴｌｃ、操舵角θｃおよび角速度ｄθｃ／ｄｔを推定する外乱オブザーバから構成されている。
　この物理モデル１０１は、出力軸９および出力軸９に固定されたウォームホイール２１を含むプラント（モータ駆動対象の一例）１０２を含む。プラント１０２には、ステアリングホイール２からトーションバー１０を介して操舵トルクＴｄが与えられるとともに、転舵輪３側から路面負荷トルクＴｒｌが与えられる。
　さらに、プラント１０２には、ウォームギヤ２０を介して操舵トルク指令値Ｔｃ，ｃｍｄ（＝Ｎ・Ｔｍ，ｃｍｄ）が与えられるとともに、ウォームホイール２１とウォームギヤ２０との間の摩擦によって摩擦トルクＴｆが与えられる。
　プラント１０２の慣性をＪとすると、物理モデル１０１の慣性についての運動方程式は、次式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ｄ２θｃ／ｄｔ２は、プラント１０２の角加速度である。Ｎは、減速機１９の減速比である。Ｔｌｃは、プラント１０２に与えられるモータトルク以外の外乱トルクを示している。この実施形態では、外乱トルクＴｌｃは、操舵トルクＴｄと路面負荷トルクＴｒｌと摩擦トルクＴｆとの和として示されているが、実際には、外乱トルクＴｌｃはこれら以外のトルクを含んでいる。
　図６の物理モデル１０１に対する状態方程式は、次式（２）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ｘは状態変数ベクトル、ｕ１は既知入力ベクトル、ｕ２は未知入力ベクトル、ｙは出力ベクトル（測定値）である。また、Ａはシステム行列、Ｂ１は第１入力行列、Ｂ２は第２入力行列、Ｃは出力行列、Ｄは直達行列である。
　状態方程式を、未知入力ベクトルｕ２を状態の１つとして含めた系に拡張する。拡張系の状態方程式（拡張状態方程式）は、次式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ｘｅは、拡張系の状態変数ベクトルであり、次式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（３）において、Ａｅは拡張系のシステム行列、Ｂｅは拡張系の既知入力行列、Ｃｅは拡張系の出力行列である。
　式（３）の拡張状態方程式から、次式（５）の方程式で表される外乱オブザーバ（拡張状態オブザーバ）が構築される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　^ｘｅはｘｅの推定値であり、Ｌはオブザーバゲインであり、^ｙはｙの推定値である。^ｘｅは、次式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　^θはθの推定値であり、^ＴｌｃはＴｌｃの推定値である。
　外乱トルク推定部６３は、前記式（５）の方程式に基づいて状態変数ベクトル^ｘｅを演算する。
　図７は、外乱トルク推定部６３の構成を示すブロック図である。
　外乱トルク推定部６３は、入力ベクトル入力部７１と、出力行列乗算部７２と、第１加算部７３と、ゲイン乗算部７４と、入力行列乗算部７５と、システム行列乗算部７６と、第２加算部７７と、積分部７８と、状態変数ベクトル出力部７９とを含む。
　減速比乗算部６７（図５参照）によって演算される操舵トルク指令値Ｔｃ，ｃｍｄ（＝Ｎ・Ｔｍ，ｃｍｄ）は、入力ベクトル入力部７１に与えられる。入力ベクトル入力部７１は、入力ベクトルｕ１を出力する。
　積分部７８の出力が状態変数ベクトル^ｘｅ（前記式（６）参照）となる。演算開始時には、状態変数ベクトル^ｘｅとして初期値が与えられる。状態変数ベクトル^ｘｅの初期値は、たとえば０である。
　システム行列乗算部７６は、状態変数ベクトル^ｘｅにシステム行列Ａｅを乗算する。出力行列乗算部７２は、状態変数ベクトル^ｘｅに出力行列Ｃｅを乗算する。
　第１加算部７３は、第２減速比除算部６９（図５参照）によって演算された実操舵角θである出力ベクトル（測定値）ｙから、出力行列乗算部７２の出力(Ｃｅ・^ｘｅ)を減算する。つまり、第１加算部７３は、出力ベクトルｙと出力ベクトル推定値^ｙ(＝Ｃｅ・^ｘｅ）との差（ｙ－＾ｙ）を演算する。ゲイン乗算部７４は、第１加算部７３の出力（ｙ－＾ｙ）にオブザーバゲインＬ（前記式（５）参照）を乗算する。
　入力行列乗算部７５は、入力ベクトル入力部７１から出力される入力ベクトルｕ１に入力行列Ｂｅを乗算する。第２加算部７７は、入力行列乗算部７５の出力（Ｂｅ・ｕ１）と、システム行列乗算部７６の出力（Ａｅ・^ｘｅ）と、ゲイン乗算部７４の出力（Ｌ（ｙ－＾ｙ））とを加算することにより、状態変数ベクトルの微分値ｄ^ｘｅ／ｄｔを演算する。積分部７８は、第２加算部７７の出力（ｄ^ｘｅ／ｄｔ）を積分することにより、状態変数ベクトル^ｘｅを演算する。状態変数ベクトル出力部７９は、状態変数ベクトル^ｘｅに基づいて、外乱トルク推定値^Ｔｌｃ、操舵角推定値^θおよび角速度推定値ｄ^θ／ｄｔを演算する。
　一般的な外乱オブザーバは、前述の拡張状態オブザーバとは異なり、プラントの逆モデルとローパスフィルタとから構成される。プラントの運動方程式は、前述のように式（１）で表される。したがって、プラントの逆モデルは、次式（７）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　一般的な外乱オブザーバへの入力は、Ｊ・ｄ２θｃ／ｄｔ２およびＮ・Ｔｍ，ｃｍｄであり、実操舵角θｃの二階微分値を用いるため、回転角センサ２３のノイズの影響を大きく受ける。これに対して、前述の実施形態の拡張状態オブザーバでは、積分型で外乱トルクを推定するため、微分によるノイズ影響を低減できる。
　なお、外乱トルク推定部６３として、プラントの逆モデルとローパスフィルタとから構成される一般的な外乱オブザーバを用いてもよい。
　本実施形態では、車両が車線を逸脱しているときに、ステアリングホイール２に警告振動を付与できる。上位ＥＣＵ２０１は、車両が車線を逸脱しているときに限らず、ハンドル２に警告振動を付与すべき時に、振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄをモータ制御用ＥＣＵ２０２に与えてもよい。これにより、運転状態に応じてステアリングホイール２に警告振動を付与できるようになる。
　また、本実施形態では、目標警告振動波形の瞬時値を出力軸９の回転角度で表した振動角度指令値θｃｖ，ｃｍｄに対して、角度制御部４２が角度制御のための角度制御演算（この実施形態ではフィードバック制御演算、フィードフォワード制御演算等）を行うことにより、振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄを演算している。このため、車両毎に複雑なチューニングが不要となる。
　しかしながら、角度制御部４２によって得られた振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄは、直流成分を含む低周波成分を含んでいるため、当該振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄをそのまま用いて電動モータ１８を制御すると、当該低周波成分によってステアリングホイール２が操舵されてしまう。そこで、本実施形態では、ハイパスフィルタ４３によって、角度制御部４２によって得られた振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄに含まれる振動制御に必要な高周波成分のみを抽出し、抽出された振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄの高周波成分に基づいて、電動モータ１８を制御するようにしている。
　これにより、角度制御部４２によって得られた振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄに含まれる低周波成分が除去されるため、当該低周波成分によってステアリングホイール２が操舵されるのを回避できる。これにより、ドライバ操舵が可能な状態で、ステアリングホイール２に警告振動を付与することができるようになる。
　また、本実施形態では、外乱トルク推定部６３によって演算された外乱トルク推定値^Ｔｌｃ用いて、基本振動トルク指令値（Ｔｆｂ＋Ｔｆｆ）が補正されるので、外乱トルクが補償された振動トルク指令値Ｔｍｖ，ｃｍｄが得られる。これにより、ロバストな振動制御が可能となる。
　図８Ａ～図８Ｄは、本実施形態において、ステアリングホイール２に警告振動が付与されている状態で、ドライバがステアリングホイール２に対して操舵トルクを加えたときにおける、出力軸９の回転角度のシミューレーション結果を示すタイムチャートである。
　図８Ａに示すように、ステアリングホイール２に警告振動が付与されている状態において、時点ｔ１でドライバがステアリングホイール２に操舵トルクを加えると、出力軸９の回転角度は、図８Ｂに示すように変化する。
　図８Ｃは、図８Ｂにおける時点ｔ１よりも前の時点のＡ部の拡大図であり、図８Ｄは、図８Ｂにおける時点ｔ１よりも後の時点のＢ部の拡大図である。
　図８Ｃおよび図８Ｄから、ステアリングホイール２に警告振動を付与しながら、ドライバが操舵を行うことができることがわかる。また、ドライバが操舵を行った後においても、ステアリングホイール２に警告振動を付与できることがわかる。
　以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。例えば、前述の実施形態では、角度制御部４２（図５参照）は、フィードフォワード制御部６２を備えているが、フィードフォワード制御部６２を省略してもよい。この場合には、フィードバック制御部６１によって演算されるフィードバック制御トルクＴｆｂが基本振動トルク指令値となる。
　また、前述の実施形態において、外乱トルク推定部６３は、モータトルク指令値Ｔｍ，ｃｍとロータ回転角θｍとに基づいて外乱トルク^Ｔｌｃを推定しているが、電動モータ１８が発生しているモータトルクを取得するモータトルク取得部を設け、このモータトルク取得部で取得したモータトルクをモータトルク指令値Ｔｍ，ｃｍの代わりに用いてもよい。
　また、前述の実施形態において、外乱トルク推定部６３が設けられているが、外乱トルク推定部６３省略してもよい。この場合には、角度偏差演算部６１Ａには、操舵角推定値^θｃの代わりに、第２減速比除算部６９（図５参照）によって演算される実操舵角θｃが与えられる。
　また、前述の実施形態では、この発明をコラムタイプＥＰＳの電動モータによってステアリングホイール２に警告振動を付与する場合について説明した。しかし、この発明は、コラムタイプ以外のＥＰＳの電動モータによってステアリングホイール２に警告振動を付与する場合にも適用することができる。さらに、この発明は、ステアバイワイヤシステムの反力生成用の電動モータによってステアリングホイール２に警告振動を付与する場合にも適用することができる。
　本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
　１…電動パワーステアリング装置、３…転舵輪、４…転舵機構、１８…電動モータ、２４…アシストトルク指令値設定部、４２…角度制御部、４３…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、４４…トルク加算部、４５…トルク制御部、６１…フィードバック制御部、６２…フィードフォワード制御部、６３…外乱トルク推定部、６４…トルク加算部、６８…回転角演算部

Claims (5)

  1. 　ハンドルに警告振動を付与するための電動モータと、
    　目標となる警告振動波形の瞬時値を前記ハンドルに連結されたステアリングシャフトの回転角度で表した振動角度指令値に基づいて、振動トルク指令値を演算する角度制御部と、
    　前記振動トルク指令値の高周波成分のみを抽出するハイパスフィルタと、
    　前記振動トルク指令値の高周波成分を含むモータトルク指令値に基づいて、前記電動モータをトルク制御するトルク制御部とを含み、
    　前記角度制御部が、前記振動角度指令値と前記ステアリングシャフトの回転角度に応じた回転角との角度偏差に対してフィードバック制御演算を行ってフィードバック制御トルクを演算するフィードバック制御部を含み、前記フィードバック制御トルクを用いて前記振動トルク指令値を演算するように構成されている、車両用操舵装置。
  2. 　前記電動モータが、車両の転舵機構にアシストトルクを与えるための電動モータであり、
    　目標となるアシストトルクであるアシストトルク指令値を演算するアシストトルク指令値演算部と、
    　前記振動トルク指令値の高周波成分と、前記アシストトルク指令値とを加算することによって前記モータトルク指令値を演算するモータトルク指令値演算部とをさらに含む、請求項１に記載の車両用操舵装置。
  3. 　前記角度制御部は、
    　前記フィードバック制御トルクを用いて基本振動トルク指令値を演算する基本振動トルク指令値演算部と、
    　前記電動モータの駆動対象に作用する前記電動モータのモータトルク以外の外乱トルクを推定する外乱トルク推定部と、
    　前記基本振動トルク指令値を前記外乱トルクによって補正することにより前記振動トルク指令値を生成する外乱トルク補償部とをさらに含む、請求項１または２に記載の車両用操舵装置。
  4. 　前記基本振動トルク指令値演算部は、
    　前記振動角度指令値の二階微分値に所定値を乗算することにより、フィードフォワード制御トルクを演算するフィードフォワード制御部と、
    　前記フィードバック制御トルクと前記フォワード制御トルクとを加算することにより、前記基本振動トルク指令値を演算する加算部とを含む、請求項３に記載の車両用操舵装置。
  5. 　前記外乱トルク推定部は、前記モータトルク指令値または前記電動モータが発生しているモータトルクと、前記電動モータの回転角とに基づいて、前記外乱トルクおよび前記駆動対象の回転角を推定するように構成されており、
    　前記ステアリングシャフトの回転角度に応じた回転角が、前記外乱トルク推定部によって推定される前記駆動対象の回転角である、請求項３または４に記載の車両用操舵装置。
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