WO2023148884A1

WO2023148884A1 - 操舵制御装置、および操舵制御方法

Info

Publication number: WO2023148884A1
Application number: PCT/JP2022/004260
Authority: WO
Inventors: 隆志小寺
Original assignee: 株式会社ジェイテクト
Priority date: 2022-02-03
Filing date: 2022-02-03
Publication date: 2023-08-10

Abstract

操舵トルク制御処理（Ｍ２６）は、操舵トルクを目標操舵トルクに制御するための操作量を、操舵トルクと目標操舵トルクとの差に応じた比例要素（Ｍ５０）と、微分要素（Ｍ６０）とを用いて算出する処理を含み、比例要素および微分要素の２つの要素のうちの少なくとも１つの要素には、拡大用位相制御器が設けられており、拡大用位相制御器（Ｍ５４，Ｍ６６）は、比例要素の位相に対する微分要素の位相の進み度合いを拡大する制御器である。

Description

操舵制御装置、および操舵制御方法

　本開示は、操舵制御装置、および操舵制御方法に関する。

　たとえば下記特許文献１には、フィードバック制御によってステアリングホイールに加わるトルクである操舵トルクを目標値に制御する制御装置が記載されている。

特開２０１４－２２３８３２号公報

　上記トルクのフィードバック制御をする場合、安定性と応答性との両立が課題となる。

　本開示の一態様では、運転者が車両を操舵するために操作する操作部材に機械的に連結されたモータを操作する操舵制御装置が提供される。操舵制御装置は、操舵トルク制御処理、および操作処理を実行するように構成され、前記操舵トルク制御処理は、操舵トルクを目標操舵トルクに制御するための操作量を、前記操舵トルクと前記目標操舵トルクとの差に応じた比例要素と、微分要素とを用いて算出する処理を含み、前記操作処理は、前記モータのトルクを前記操作量に応じて制御すべく前記モータの駆動回路を操作する処理であり、前記操舵トルクは、前記操作部材に入力されるトルクであり、前記比例要素および前記微分要素の２つの要素のうちの少なくとも１つの要素には、拡大用位相制御器が設けられており、前記拡大用位相制御器は、前記比例要素の位相に対する前記微分要素の位相の進み度合いを拡大するように構成されている。

　本開示の別の態様では、運転者が車両を操舵するために操作する操作部材に機械的に連結されたモータを操作する操舵制御方法が提供される。操舵制御方法は、操舵トルク制御処理を実行すること、および操作処理を実行することを含み、前記操舵トルク制御処理は、操舵トルクを目標操舵トルクに制御するための操作量を、前記操舵トルクと前記目標操舵トルクとの差に応じた比例要素と、微分要素とを用いて算出する処理を含み、前記操作処理は、前記モータのトルクを前記操作量に応じて制御すべく前記モータの駆動回路を操作する処理であり、前記操舵トルクは、前記操作部材に入力されるトルクであり、前記操舵トルク制御処理は、前記比例要素および前記微分要素の２つの要素のうちの少なくとも１つの要素に、拡大用位相制御器を設けることによって、前記比例要素の位相に対する前記微分要素の位相の進み度合いを拡大する処理を含む。

第１の実施形態にかかる操舵システムの構成を示す図である。第１の実施形態にかかる制御装置が実行する処理を示すブロック図である。第１の実施形態にかかる制御装置が実行する一部の処理の詳細を示すブロック図である。第１の実施形態にかかるフィルタの特性を示す図である。図５Ａおよび図５Ｂは、第１の実施形態の応答特性を示すタイムチャートである。図６Ａおよび図６Ｂは、第１の実施形態の効果を示す図である。図７Ａは、第１の実施形態の特性を示すタイムチャートである。図７Ｂは、比較例の特性を示すタイムチャートである。図８Ａおよび図８Ｂは、第１の実施形態の効果を示す図である。図９Ａは、第１の実施形態の特性を示すタイムチャートである。図９Ｂは、比較例の特性を示すタイムチャートである。第２の実施形態にかかる制御装置が実行する一部の処理の詳細を示すブロック図である。図１１Ａおよび図１１Ｂは、第２の実施形態の効果を示す図である。第３の実施形態にかかる制御装置が実行する一部の処理の詳細を示すブロック図である。図１３Ａおよび図１３Ｂは、第３の実施形態の効果を示す図である。第４の実施形態にかかる制御装置が実行する一部の処理の詳細を示すブロック図である。第５の実施形態にかかる制御装置が実行する一部の処理の詳細を示すブロック図である。

　＜第１の実施形態＞
　以下、操舵制御装置の第１の実施形態を図面に従って説明する。
　「前提構成」
　図１に示すように、車両の操舵システム１０は、反力アクチュエータＡｒと、転舵アクチュエータＡｔとを備えている。本実施形態の操舵システム１０は、ステアリングホイール１２と、転舵輪４４との間の動力伝達路が機械的に遮断された構造を有している。すなわち、操舵システム１０は、ステアバイワイヤ式の操舵装置を備える。

　ステアリングホイール１２には、ステアリングシャフト１４が連結されている。反力アクチュエータＡｒは、ステアリングホイール１２に操舵反力を付与するためのアクチュエータである。操舵反力とは、運転者によるステアリングホイール１２の操作方向と反対方向へ向けて作用する力をいう。操舵反力をステアリングホイール１２に付与することにより、運転者に適度な手応え感を与えることが可能である。反力アクチュエータＡｒは、減速機構１６、反力モータ２０、および反力用インバータ２２を備えている。

　反力モータ２０は、３相のブラシレスモータである。反力モータ２０の回転軸は、減速機構１６を介して、ステアリングシャフト１４に連結されている。反力用インバータ２２は、直流電圧源であるバッテリ２４の電圧を交流電圧に変換して反力モータ２０に印加する電力変換回路である。

　一方、転舵シャフト４０は、図１中の左右方向である車幅方向に沿って延びる。転舵シャフト４０の両端には、それぞれタイロッド４２を介して左右の転舵輪４４が連結されている。転舵シャフト４０が直線運動することにより、転舵輪４４の転舵角が変更される。

　転舵アクチュエータＡｔは、減速機構５６、転舵モータ６０、および転舵用インバータ６２を備えている。転舵モータ６０は、３相のブラシレスモータである。転舵モータ６０の回転軸は、減速機構５６を介してピニオンシャフト５２に連結されている。ピニオンシャフト５２のピニオン歯は、転舵シャフト４０のラック歯５４に噛み合わされている。ピニオンシャフト５２とラック歯５４が設けられた転舵シャフト４０とによって、ラックアンドピニオン機構が構成されている。転舵モータ６０のトルクは、転舵力としてピニオンシャフト５２を介して転舵シャフト４０に付与される。転舵モータ６０の回転に応じて、転舵シャフト４０は図１中の左右方向である車幅方向に沿って移動する。

　操舵システム１０は、制御装置７０を備えている。
　制御装置７０は、操舵装置を制御対象とする。詳しくは、制御装置７０は、操舵装置のステアリングホイール１２を制御対象とする。制御装置７０は、制御対象の制御量である操舵反力を制御すべく、反力アクチュエータＡｒを操作する。図１には、反力用インバータ２２への操作信号ＭＳｓを記載している。また、制御装置７０は、操舵装置の転舵輪４４を制御対象とする。制御装置７０は、制御対象の制御量である転舵輪４４の転舵角を制御すべく、転舵アクチュエータＡｔを操作する。転舵角は、タイヤの切れ角のことである。図１には、転舵用インバータ６２への操作信号ＭＳｔを記載している。

　制御装置７０は、制御量を制御すべく、トルクセンサ８０によって検出される、ステアリングシャフト１４への入力トルクである操舵トルクＴｈを参照する。トルクセンサ８０は、ステアリングシャフト１４に連結されたトーションバーと、トーションバーのねじれ角を検知する感知素子とを備えている。また、制御装置７０は、回転角センサ８２によって検出される反力モータ２０の回転軸の回転角θａを参照する。また、制御装置７０は、反力モータ２０に流れる電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１を参照する。電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１は、反力用インバータ２２の各レッグに設けられたシャント抵抗の電圧降下量として定量化されている。制御装置７０は、制御量を制御すべく、回転角センサ８４によって検出される転舵モータ６０の回転軸の回転角θｂを参照する。また、制御装置７０は、転舵モータ６０に流れる電流ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２を参照する。電流ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２は、転舵用インバータ６２の各レッグに設けられたシャント抵抗の電圧降下量として定量化されている。また、制御装置７０は、車速センサ８６によって検出される車速Ｖを参照する。

　制御装置７０は、ＰＵ７２、記憶装置７４および周辺回路７６を備えている。ＰＵ７２は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、およびＴＰＵ等のソフトウェア処理装置である。記憶装置７４は、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ、およびディスク媒体等の記憶媒体を備える。記憶装置７４には、操舵制御プログラム７４ａが記憶されている。周辺回路７６は、内部の動作を規定するクロック信号を生成する回路、電源回路、およびリセット回路等を含む。制御装置７０は、記憶装置７４に記憶された操舵制御プログラム７４ａをＰＵ７２が実行することにより制御量を制御する。

　「制御」
　図２に、制御装置７０によって実行される処理の一部を示す。
　操舵角算出処理Ｍ１０は、回転角θａを入力として、ステアリングホイール１２の回転角である操舵角θｈを算出する処理である。操舵角算出処理Ｍ１０は、回転角θａを、たとえば、車両が直進しているときのステアリングホイール１２の位置であるステアリング中立位置からの反力モータ２０の回転回数をカウントすることにより、３６０°を超える範囲を含む積算角に換算する処理を含む。操舵角算出処理Ｍ１０は、換算して得られた積算角に減速機構１６の回転速度比に基づく換算係数を乗算することで、操舵角θｈを演算する処理を含む。なお、操舵角θｈは、たとえば、ステアリング中立位置よりも右側の角度である場合に正、左側の角度である場合に負とする。

　ピニオン角算出処理Ｍ１２は、回転角θｂを入力として、ピニオンシャフト５２の回転角度であるピニオン角θｐを算出する処理である。ピニオン角算出処理Ｍ１２は、たとえば、車両が直進しているときの転舵シャフト４０の位置であるラック中立位置からの転舵モータ６０の回転回数をカウントすることにより、３６０°を超える範囲を含む積算角に換算する処理を含む。ピニオン角算出処理Ｍ１２は、換算して得られた積算角に減速機構５６の回転速度比に基づく換算係数を乗算することで、ピニオンシャフト５２の実際の回転角であるピニオン角θｐを演算する処理を含む。なお、ピニオン角θｐは、たとえば、ラック中立位置よりも右側の角度である場合に正、左側の角度である場合に負とする。転舵モータ６０と、ピニオンシャフト５２とは、減速機構５６を介して連動する。このため、転舵モータ６０の回転角θｂの積算値と、ピニオン角θｐとの間には１対１の対応関係がある。この対応関係を利用して転舵モータ６０の回転角θｂからピニオン角θｐを求めることができる。また、ピニオンシャフト５２は、転舵シャフト４０に噛合されている。このため、ピニオン角θｐと転舵シャフト４０の移動量との間にも１対１の対応関係がある。すなわち、ピニオン角θｐは、転舵輪４４の転舵角を反映する値である。

　目標ピニオン角算出処理Ｍ１４は、操舵角θｈおよび車速Ｖを入力として、目標ピニオン角θｐ＊を算出する処理である。目標ピニオン角θｐ＊は、運転者によるステアリングホイール１２の操作に応じたピニオン角θｐの目標値である。目標ピニオン角算出処理Ｍ１４は、車速Ｖに応じて舵角比を可変設定する処理を含む。そのため、目標ピニオン角算出処理Ｍ１４が出力する目標ピニオン角θｐ＊は、入力される操舵角θｈが同一であっても、車速Ｖに応じて異なる値となる。

　ピニオン角フィードバック処理Ｍ１６は、ピニオン角θｐを目標ピニオン角θｐ＊にフィードバック制御すべく、転舵モータ６０のトルクの指令値である転舵トルク指令値Ｔｔ＊を算出する処理である。

　転舵操作処理Ｍ１８は、転舵トルク指令値Ｔｔ＊、電流ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２、および回転角θｂを入力として、転舵用インバータ６２に対する操作信号ＭＳｔを出力する処理である。転舵操作処理Ｍ１８は、転舵トルク指令値Ｔｔ＊に基づきｄｑ軸の電流指令値を算出する処理を含む。また、転舵操作処理Ｍ１８は、電流ｉｕ２，ｉｖ２，ｉｗ２および回転角θｂに基づき、ｄｑ軸の電流を算出する処理を含む。そして、転舵操作処理Ｍ１８は、ｄｑ軸の電流が指令値となるように、転舵用インバータ６２を操作すべく操作信号ＭＳｔを算出する処理を含む。

　軸力算出処理Ｍ１９は、転舵トルク指令値Ｔｔ＊を入力として軸力Ｔａｆを算出する処理を含む。ここで、軸力Ｔａｆは、転舵シャフト４０に加わる軸方向の力である。
　ベース目標トルク算出処理Ｍ２０は、軸力Ｔａｆに基づき、ステアリングホイール１２を介して運転者がステアリングシャフト１４に入力すべき目標操舵トルクＴｈ＊のベース値であるベース目標トルクＴｈｂ＊を算出する処理である。軸力Ｔａｆは、転舵輪４４に作用する横力に応じた量となることから、軸力Ｔａｆによって横力を把握することができる。一方、ステアリングホイール１２を介して運転者がステアリングシャフト１４に入力すべきトルクは、横力に応じて定めることが望ましい。したがって、ベース目標トルク算出処理Ｍ２０は、軸力Ｔａｆから把握される横力に応じてベース目標トルクＴｈｂ＊を算出する処理となっている。

　詳しくは、ベース目標トルク算出処理Ｍ２０は、軸力Ｔａｆの絶対値が同一であっても車速Ｖに応じてベース目標トルクＴｈｂ＊の絶対値を可変設定する処理である。この処理は、車速Ｖが小さい場合のベース目標トルクＴｈｂ＊の絶対値を大きい場合のベース目標トルクＴｈｂ＊の絶対値以下に算出する処理としてもよい。これは、たとえば、マップデータが予め記憶装置７４に記憶されている状態でＰＵ７２によりベース目標トルクＴｈｂ＊をマップ演算することによって実現できる。このマップデータは、軸力Ｔａｆまたは軸力Ｔａｆから把握される横加速度および車速Ｖを入力変数とし、ベース目標トルクＴｈｂ＊を出力変数とするデータである。

　なお、マップデータとは、入力変数の離散的な値と、入力変数の値のそれぞれに対応する出力変数の値と、の組データである。また、マップ演算は、入力変数の値がマップデータの入力変数の値のいずれかに一致する場合、対応するマップデータの出力変数の値を演算結果とする処理とすればよい。また、マップ演算は、入力変数の値がマップデータの入力変数の値のいずれにも一致しない場合、マップデータに含まれる複数の出力変数の値の補間によって得られる値を演算結果とする処理とすればよい。また、これに代えて、マップ演算は、入力変数の値がマップデータの入力変数の値のいずれにも一致しない場合、マップデータに含まれる複数の出力変数の値のうちの最も近い値に対応するマップデータの出力変数の値を演算結果とする処理としてもよい。

　ヒステリシス処理Ｍ２２は、操舵角θｈに基づき、ベース目標トルクＴｈｂ＊を補正するヒステリシス補正量Ｔｈｙｓを算出して出力する処理である。詳しくは、ヒステリシス処理Ｍ２２は、操舵角θｈの変化等に基づき、ステアリングホイール１２の切り込み時および切り返し時を識別し、ヒステリシス補正量Ｔｈｙｓを算出する処理を含む。詳しくは、ヒステリシス処理Ｍ２２は、切り込み時において切り返し時と比較して目標操舵トルクＴｈ＊の絶対値がより大きくなるように、ヒステリシス補正量Ｔｈｙｓを算出する処理を含む。ヒステリシス処理Ｍ２２は、車速Ｖに応じてヒステリシス補正量Ｔｈｙｓを可変設定する処理を含む。

　加算処理Ｍ２４は、ベース目標トルクＴｈｂ＊にヒステリシス補正量Ｔｈｙｓを加算することによって、目標操舵トルクＴｈ＊を算出する処理である。
　目標反力算出処理Ｍ２６は、操舵トルクＴｈ、および目標操舵トルクＴｈ＊を入力として、ステアリングホイール１２に加えるべき操舵反力に応じた、目標反力Ｔｓ＊を算出する処理である。目標反力Ｔｓ＊は、実際には反力モータ２０に対する指令値である。目標反力Ｔｓ＊に減速機構１６による減速比に応じた係数を乗算した値が、操舵反力となる。

　反力操作処理Ｍ３０は、目標反力Ｔｓ＊、電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１、および回転角θａを入力として、反力用インバータ２２に対する操作信号ＭＳｓを出力する処理である。反力操作処理Ｍ３０は、目標反力Ｔｓ＊に基づきｄｑ軸の電流指令値を算出する処理を含む。また、反力操作処理Ｍ３０は、電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１および回転角θａに基づき、ｄｑ軸の電流を算出する処理を含む。そして、反力操作処理Ｍ３０は、ｄｑ軸の電流が指令値となるように、反力用インバータ２２を操作すべく操作信号ＭＳｓを算出する処理を含む。

　図３に、目標反力算出処理Ｍ２６の詳細を示す。
　偏差算出処理Ｍ４０は、操舵トルクＴｈから目標操舵トルクＴｈ＊を減算した値であるトルク偏差ΔＴｈを算出する処理である。

　比例要素Ｍ５０は、トルク偏差ΔＴｈを入力とし、トルク偏差ΔＴｈに比例する値を出力する処理である。詳しくは、比例ゲイン乗算処理Ｍ５２は、トルク偏差ΔＴｈに比例ゲインＫｐを乗算する処理である。比例用位相制御器Ｍ５４は、比例ゲイン乗算処理Ｍ５２の出力値に対してローパスフィルタ処理を施す。詳しくは、比例用位相制御器Ｍ５４は、下記の１次遅れフィルタである。

　１／（Ｔｐ・ｓ＋１）
　なお、「Ｔｐ」は時定数、「ｓ」は、１階の時間微分を示す線形作用素である。
　比例用位相制御器Ｍ５４の出力値が、比例要素Ｍ５０の出力値である。

　微分要素Ｍ６０は、トルク偏差ΔＴｈを入力とし、トルク偏差ΔＴｈの時間微分値に比例した値を出力する処理である。詳しくは、線形作用素Ｍ６２は、トルク偏差ΔＴｈを入力とし、トルク偏差ΔＴｈの時間微分値を出力する処理である。微分ゲイン乗算処理Ｍ６４は、線形作用素Ｍ６２の出力値に微分ゲインＫｄを乗算する処理である。微分用位相制御器Ｍ６６は、微分ゲイン乗算処理Ｍ６４の出力値の所定の周波数成分の位相を進める処理である。微分用位相制御器Ｍ６６は、以下に示す次数差ゼロの位相制御器である。

　｛ａｄ・Ｔｄ・ｓ＋１｝／（Ｔｄ・ｓ＋１）
　ここで、「Ｔｄ」は、時定数である。また、「ａｄ＞１」である。
　図４に、微分用位相制御器Ｍ６６の位相線図を示す。図４に示すように、微分用位相制御器Ｍ６６は、所定の中心周波数ｆ１付近の周波数成分の位相を進める。微分用位相制御器Ｍ６６の出力値が、微分要素Ｍ６０の出力値である。

　図３に戻り、加算処理Ｍ７０は、比例要素Ｍ５０の出力値と、微分要素Ｍ６０の出力値とを加算した値を、ＰＤ操作量Ｔｐｄとして出力する処理である。
　第２操作量算出処理Ｍ８０は、目標反力Ｔｓ＊を生成するための、ＰＤ操作量Ｔｐｄ以外の操作量を算出する処理である。第２操作量算出処理Ｍ８０は、たとえば、以下に記載の処理（Ａ）～（Ｈ）のうちの少なくとも１つの処理を含んでもよい。

　処理（Ａ）は、推定軸力から操舵トルクＴｈを減算した値の積算値に応じた操作量を算出する処理である。推定軸力は、反力モータ２０のトルク相当値である。推定軸力は、ＰＵ７２によって、電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１を入力して算出される値である。

　処理（Ｂ）は、操舵トルクＴｈと目標操舵トルクＴｈ＊との差に積分ゲインを乗算した値の積算値を操作量とする処理である。
　処理（Ｃ）は、外乱オブザーバによって推定された操舵トルクを目標操舵トルクＴｈ＊に制御するための操作量を算出する処理である。処理（Ｃ）は、操舵角θｈ、電流ｉｕ１，ｉｖ１，ｉｗ１から算出される反力モータ２０のトルク等を入力とする。

　処理（Ｄ）は、操舵トルクＴｈを入力とする開ループ操作量を算出する処理である。
　処理（Ｅ）は、目標操舵トルクＴｈ＊を入力とする開ループ操作量を算出する処理である。

　処理（Ｆ）は、ピニオン角θｐの大きさが所定値以上となる場合に、ピニオン角θｐの大きさがそれ以上大きくなることに抗する力をステアリングシャフト１４に付与するための操作量を算出する処理である。

　処理（Ｇ）は、操舵角θｈの大きさが所定値以上となる場合に、操舵角θｈの大きさがそれ以上大きくなることに抗する力をステアリングシャフト１４に付与するための操作量を算出する処理である。

　処理（Ｈ）は、フィードバック制御によってピニオン角θｐを操舵角θｈに換算した換算操舵角に操舵角θｈを制御するための操作量を算出する処理である。なお、換算操舵角は、目標ピニオン角算出処理Ｍ１４が車速Ｖに応じて定める舵角比に基づきＰＵ７２によって算出される。

　加算処理Ｍ８２は、ＰＤ操作量Ｔｐｄと、第２操作量算出処理Ｍ８０が出力する第２操作量Ｔｓ２とを加算して、目標反力Ｔｓ＊を算出する処理である。
　＜本実施形態の作用および効果＞
　図５Ａおよび図５Ｂに、本実施形態の操舵システム１０のうちの特に、ステアリングホイール１２，ステアリングシャフト１４および反力アクチュエータＡｒ部分のボード線図を示す。図５Ａは、ゲイン線図である。図５Ｂは、位相線図である。

　図５Ａおよび図５Ｂに示すように、本実施形態において、プラントの特性は、周波数ｆ２よりもわずかに小さい周波数領域に共振周波数を有する。また、周波数ｆ２は、反共振の周波数になっている。共振および反共振の双方が生じるのは、トルクセンサ８０がトーションバーを有することから、トーションバーの両側に接続された慣性系によって２重慣性系が構成されているためである。

　共振および反共振現象は、操舵トルクＴｈの大きさがある程度大きい領域で顕在化している。これは、操舵トルクＴｈの大きさが小さい領域では、ステアリングホイール１２を変位させる際に摩擦成分が顕著となり、共振および反共振現象が顕在化しにくいためであると考えられる。また、図５Ａおよび図５Ｂに示すプラント特性は、本実施形態のように、ステアバイワイヤ式の操舵装置の場合に顕在化し易い傾向がある。これは、操舵トルクＴｈの大きさが上記摩擦成分に打ち勝つ大きさとなる場合、ステアリングホイール１２に加わる負荷が小さいためであると推察される。すなわち、ステアリングホイール１２と転舵輪４４とが機械的に連結されている場合には、転舵輪４４側からの負荷トルクがステアリングホイール１２に加わる。この負荷トルクが共振および反共振現象が顕在化することを抑制する傾向があると推察される。

　共振周波数を有する場合、目標操舵トルクＴｈ＊への制御によって振動が生じるおそれがある。これに対処すべく、比例ゲインＫｐを小さくする場合には、応答性が低下する。
　図６Ａおよび図６Ｂに、本実施形態および比較例の制御器を用いた場合のボード線図を示す。図６Ａは、ゲイン線図である。図６Ｂは、位相線図である。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、実線は、本実施形態にかかるゲイン線図および位相線図を示す。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、一点鎖線は、比較例におけるゲイン線図および位相線図を示す。比較例は、比例用位相制御器Ｍ５４および微分用位相制御器Ｍ６６を備えない場合である。比較例は、共振による不安定性を抑制すべく、比例ゲインＫｐを小さくするなどしてゲインを小さくした例である。

　比較例では、ゲインを小さくするために、位相遅れが生じる。これに対し、示す本実施形態では、比例用位相制御器Ｍ５４および微分用位相制御器Ｍ６６によって、ゲインを大きくして且つ、位相遅れを抑制している。

　図７Ａおよび図７Ｂに、上記図６Ａおよび図６Ｂの特性を有する場合のランプ応答を示す。図７Ａは、本実施形態にかかるランプ応答特性を示す。図７Ｂは、図６Ａおよび図６Ｂに一点鎖線にて示した比較例におけるランプ応答特性を示す。

　図７Ａに示すように、本実施形態では、応答性を高めることにより、操舵トルクＴｈが目標操舵トルクＴｈ＊に追従している。これに対し、図７Ｂに示すように、比較例では、応答性が低いために、操舵トルクＴｈの目標操舵トルクＴｈ＊への追従性が低い。

　図８Ａおよび図８Ｂに、操舵トルクＴｈのステップ応答特性を示す。詳しくは、図８Ａは、本実施形態における操舵トルクＴｈのステップ応答特性を示す。図８Ｂは、比較例における操舵トルクＴｈのステップ応答特性を示す。比較例は、比例用位相制御器Ｍ５４および微分用位相制御器Ｍ６６を備えない場合である。ただし、図８Ｂに示す比較例は、図６Ａおよび図６Ｂに一点鎖線にて示した比較例よりもゲインを下げていない例である。

　図８Ｂに示すように、比較例では、ステップ応答に対して振動が発生し、制御が不安定となっている。これは、図５Ａおよび図５Ｂに示したプラント特性に起因した現象である。これに対し、図８Ａに示すように、本実施形態では、振動が抑制されている。これは、本実施形態では、比例要素Ｍ５０の位相を比例用位相制御器Ｍ５４によって遅らせるとともに、微分要素Ｍ６０の位相を微分用位相制御器Ｍ６６によって進めることによって実現したものである。

　すなわち、振動を抑制するために、比例要素Ｍ５０の位相を遅らせる一方、応答性を高めるために、微分要素Ｍ６０の位相を早めた。換言すれば、比例ゲインＫｐおよび微分ゲインＫｄによって定まる比例要素Ｍ５０に対する微分要素Ｍ６０の位相の進み度合いに対して、比例要素Ｍ５０に対する微分要素Ｍ６０の実際の位相の進み度合いを拡大した。これにより、安定性と応答性との両立を図ることができる。

　図９Ａおよび図９Ｂに、カラムシャフトトルク、比例要素Ｍ５０の出力値、および微分要素Ｍ６０の出力値の推移を示す。カラムシャフトトルクとは、操舵トルクＴｈと反力モータ２０のトルクとの和に応じたトルクである。図９Ａは、本実施形態に関する推移を示す。図９Ｂは、比較例における推移を示す。この比較例は、図６Ａおよび図６Ｂに一点鎖線にて示した比較例よりもゲインを下げていない例である。特に比較例は、ステアリングホイール１２が転舵輪４４と機械的に連結されている操舵システムにおいて振動が生じない設定を流用したものである。

　図９Ｂに示すように、比較例では、カラムシャフトトルクが大きくなるのに応じて、カラムシャフトトルク、比例要素Ｍ５０の出力値、および微分要素Ｍ６０の出力値が振動する。カラムシャフトトルクがゼロから大きく離れるのは、ステアリングシャフト１４に生じる摩擦を振り切った状態である。摩擦を振り切った状態において、カラムシャフトトルク、比例要素Ｍ５０の出力値、および微分要素Ｍ６０の出力値が振動する。これは、ステアバイワイヤ式の操舵システム１０の場合、摩擦を振り切った状態において、ステアリングシャフト１４が無負荷に近い状態となることに起因したものと推察される。

　以上説明した本実施形態によれば、さらに以下に記載する作用および効果が得られる。
　（１－１）微分用位相制御器Ｍ６６を、所定の周波数成分の位相を進める位相制御器とした。そして中心周波数ｆ１を反共振現象を示す周波数「ｆ２」付近の値に設定することにより、反共振現象を示す周波数「ｆ２」付近の応答性を高めつつも、それ以外の周波数帯の応答性を過度に高めることを抑制できる。なお、中心周波数ｆ１は、反共振現象を示す周波数「ｆ２」以上の周波数であってもよい。

　（１－２）比例用位相制御器Ｍ５４を、１次遅れ要素とした。これにより、比例用位相制御器Ｍ５４による調整要素が、単一のカットオフ周波数となることから、比例要素Ｍ５０の応答性を低下させたい周波数帯の応答性を簡易に低下させることができる。

　（１－３）微分用位相制御器Ｍ６６を、相対次数が「０」であって且つ分子および分母の次数が「１」の位相制御器とした。これにより、適合するパラメータ数が過度に多くなることを抑制できる。

　（１－４）ＰＵ７２は、ステアリングホイール１２と転舵輪４４とが機械的に切り離された状態で、反力用インバータ２２を操作した。換言すれば、ステアバイワイヤ式の操舵装置において、図３の制御を採用した。ステアリングホイール１２と転舵輪４４とが機械的に連結された操舵装置において振動が生じない制御器であっても、ステアバイワイヤ式の操舵装置においては振動が生じるおそれがある。そのため、図３の制御の利用価値が特に大きい。

　＜第２実施形態＞
　以下、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

　図１０に、本実施形態にかかる目標反力算出処理Ｍ２６の詳細を示す。なお、図１０において、図３に示した処理に対応する処理については、便宜上、同一の符号を付している。

　図１０に示すように、本実施形態では、比例用位相制御器Ｍ５４を備えない。しかし、本実施形態でも、微分用位相制御器Ｍ６６を備えている。そのため、比例用位相制御器Ｍ５４および微分用位相制御器Ｍ６６の双方を備えない場合と比較すると、比例要素Ｍ５０の位相に対する微分要素Ｍ６０の位相の進み度合いを拡大することができる。

　＜第２実施形態の作用および効果＞
　図１１Ａおよび図１１Ｂに、本実施形態および比較例におけるステップ応答特性を示す。詳しくは、図１１Ａは、本実施形態における操舵トルクＴｈのステップ応答特性を示す。図１１Ｂは、比較例における操舵トルクＴｈのステップ応答特性を示す。比較例は、図８Ｂにおけるものと同様である。

　図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、本実施形態においても、応答性を下げることなく安定性を高めることができる。
　＜第３実施形態＞
　以下、第３の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

　図１２に、本実施形態にかかる目標反力算出処理Ｍ２６の詳細を示す。なお、図１２において、図３に示した処理に対応する処理については、便宜上、同一の符号を付している。

　図１２に示すように、本実施形態では、微分用位相制御器Ｍ６６を備えない。しかし、本実施形態でも、比例用位相制御器Ｍ５４を備えている。そのため、比例用位相制御器Ｍ５４および微分用位相制御器Ｍ６６の双方を備えない場合と比較すると、比例要素Ｍ５０の位相に対する微分要素Ｍ６０の位相の進み度合いを拡大することができる。

　＜第３実施形態の作用および効果＞
　図１３Ａおよび図１３Ｂに、本実施形態および比較例におけるステップ応答特性を示す。詳しくは、図１３Ａは、本実施形態における操舵トルクＴｈのステップ応答特性を示す。図１３Ｂは、比較例における操舵トルクＴｈのステップ応答特性を示す。比較例は、図８Ｂにおけるものと同様である。

　図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、本実施形態においても、応答性を下げることなく安定性を高めることができる。
　＜第４実施形態＞
　以下、第４の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

　図１４に、本実施形態にかかる目標反力算出処理Ｍ２６の詳細を示す。なお、図１４において、図３に示した処理に対応する処理については、便宜上、同一の符号を付している。

　図１４に示すように、本実施形態では、第１微分用位相制御器である微分用位相制御器Ｍ６６に加えて第２微分用位相制御器である微分用位相制御器Ｍ６８を備えている。微分用位相制御器Ｍ６８は、下記に示す一次遅れ要素である。

　１／（Ｔｄ１・ｓ＋１）
　微分用位相制御器Ｍ６８のカットオフ周波数は、図４に示した中心周波数ｆ１よりも高い周波数である。すなわち、微分用位相制御器Ｍ６８は、微分用位相制御器Ｍ６６によって位相を進めたい周波数よりも高周波の周波数帯の位相を遅らせる位相制御器である。

　＜第４実施形態の作用および効果＞
　微分用位相制御器Ｍ６６は、反共振による位相遅れが生じる周波数帯の位相を進める。ただし、微分用位相制御器Ｍ６６は、反共振による位相遅れが生じる周波数帯よりも高い周波数領域の位相をも進める。高い周波数帯の位相を過度に進める場合、操舵システム１０に騒音が生じやすくなる。そこで、本実施形態では、反共振による位相遅れが生じる周波数帯よりも高い周波数領域について、微分用位相制御器Ｍ６６によって進められた位相を、微分用位相制御器Ｍ６８によって遅らせる。これにより、操舵システム１０に騒音が生じることを抑制できる。

　＜第５実施形態＞
　以下、第５の実施形態について、第４の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

　図１５に、本実施形態にかかる目標反力算出処理Ｍ２６の詳細を示す。なお、図１５において、図１４に示した処理に対応する処理については、便宜上、同一の符号を付している。

　図１５に示すように、本実施形態では、微分要素Ｍ６０の入力を、操舵トルクＴｈとする。そのため、線形作用素Ｍ６２は、操舵トルクＴｈの１階の時間微分値を算出する処理となる。また、微分ゲイン乗算処理Ｍ６４は、操舵トルクＴｈの１階の時間微分値に微分ゲインＫｄを乗算する処理となる。また、ＰＤ操作量は、減算処理Ｍ７０ａにおいて、比例要素Ｍ５０の出力値から微分要素Ｍ６０の出力値が減算された値とされる。

　このように、本実施形態にかかるＰＤ操作量Ｔｐｄは、先行微分型ＰＤ制御の操作量である。
　＜その他の実施形態＞
　なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

　「比例要素について」
　・たとえば、比例用位相制御器Ｍ５４を比例ゲイン乗算処理の上流に設けてもよい。
　「微分要素について」
　・たとえば、微分用位相制御器Ｍ６６を、線形作用素Ｍ６２と微分ゲイン乗算処理Ｍ６４との間に設けてもよい。またたとえば、微分用位相制御器Ｍ６６を、線形作用素Ｍ６２の上流に設けてもよい。

　・たとえば、微分用位相制御器Ｍ６８を、微分用位相制御器Ｍ６６と微分ゲイン乗算処理Ｍ６４との間に設けてもよい。またたとえば、微分用位相制御器Ｍ６８を、線形作用素Ｍ６２と微分ゲイン乗算処理Ｍ６４との間に設けてもよい。

　「比例用位相制御器について」
　・比例用位相制御器としては、１次遅れ要素に限らない。たとえば、２次遅れ要素であってもよい。また、下記のように相対次数が０の位相制御器であってもよい。

　αｐ・（Ｔｐ２・ｓ＋１）／（Ｔｐ１・ｓ＋１）
　ただし、「αｐ＜１」である。
　「所定の周波数の位相を進める微分用位相制御器について」
　・所定の周波数の位相を進める微分用位相制御器としては、上記実施形態において例示したものに限らない。

　「第２微分用位相制御器について」
　・微分用位相制御器Ｍ６８を設ける実施例としては、比例要素Ｍ５０に比例用位相制御器Ｍ５４が設けられる構成に限らない。

　・位相を遅らせる微分用位相制御器である第２微分用位相制御器としては、１次遅れ要素に限らない。たとえば、２次遅れ要素であってもよい。また、下記のように相対次数が０の位相制御器であってもよい。

　αｄ１・（Ｔｄ２・ｓ＋１）／（Ｔｄ１・ｓ＋１）
　ただし、「αｄ１＜１」である。
　「拡大用位相制御器について」
　・ＰＤ操作量Ｔｐｄが先行微分型ＰＤ制御の操作量である場合の拡大用位相制御器としては、図１５に例示した制御器に限らない。たとえば、図１０、図１２等に例示した位相制御器等であってもよい。

　・拡大用位相制御器としては、上記実施形態およびそれらの変形例に例示した制御器に限らない。たとえば、比例用位相制御器と微分用位相制御器を共に１次遅れ要素としてもよい。ただし、比例用位相制御器による位相遅れ補償の度合いを、微分要素の位相遅れ補償の度合いよりも大きくする。これによっても、比例要素の位相に対する微分要素の位相の進み度合いを拡大する制御器を構成できる。

　「操舵トルクを目標操舵トルクに制御するための操作量について」
　・操舵トルクを目標操舵トルクに制御するための操作量としては、目標反力Ｔｓ＊に限らない。換言すれば、反力モータ２０に対するトルクの目標値に限らない。たとえば、反力モータ２０が表面磁石同期モータである場合、ｑ軸電流の指令値としてもよい。また、反力モータ２０が埋込磁石同期モータである場合、ｄ軸電流の指令値とｑ軸電流の指令値との組であってもよい。

　・操舵トルクを目標操舵トルクに制御するための操作量としては、ステアリングホイール１２に加える反力を示す変数に限らない。たとえば下記「操舵システムについて」の欄に記載したように、ステアリングホイール１２と転舵輪４４との動力伝達が可能な装置の場合には、運転者がステアリングホイール１２に加えるトルクをアシストするトルクを示す変数となる。

　「操舵トルク制御処理について」
　・操舵トルク制御処理である目標反力算出処理Ｍ２６が第２操作量算出処理Ｍ８０を含むことは必須ではない。

　「ベース目標トルクＴｈｂ＊の算出処理について」
　・軸力Ｔａｆを入力としてベース目標トルクＴｈｂ＊を算出する処理としては、軸力Ｔａｆに加えて、車速Ｖを入力とする処理に限らない。

　・軸力Ｔａｆを入力としてベース目標トルクＴｈｂ＊を算出することは必須ではない。たとえば、操舵トルクＴｈおよび車速Ｖを入力としてベース目標トルクＴｈｂ＊を算出してもよい。これは、たとえば記憶装置７４にマップデータが記憶された状態でＰＵ７２によってベース目標トルクＴｈｂ＊をマップ演算することにより実現できる。ここで、マップデータは、操舵トルクＴｈおよび車速Ｖを入力として且つ、ベース目標トルクＴｈｂ＊を出力変数とするデータである。

　「操作処理について」
　・反力モータ２０の制御手法としては、ｄｑ軸の電流フィードバック処理に限らない。たとえば、反力モータ２０として直流モータを採用して且つ、駆動回路をＨブリッジ回路とする場合、単に反力モータ２０を流れる電流を制御すればよい。

　・操作処理が、ＰＤ操作量ＴｐｄまたはＰＤ操作量と第２操作量Ｔｓ２との和を反力モータ２０等のモータの指令値とする処理であることは必須ではない。たとえば、ＰＤ操作量ＴｐｄまたはＰＤ操作量と第２操作量Ｔｓ２との和を入力として反力モータ２０の回転角の指令値を算出する処理を含んでもよい。これは、たとえば、次のようにして実行できる。すなわち、ＰＵ７２は、ＰＤ操作量ＴｐｄまたはＰＤ操作量と第２操作量Ｔｓ２との和に応じてステアリングシャフト１４に加わるトルクを算出する。この算出処理には、操舵トルクＴｈを加味してもよい。そして、ＰＵ７２は、ステアリングシャフト１４に加わるトルクを操舵装置のモデル式に入力することによってステアリングシャフト１４の回転角を算出する。ＰＵ７２は、この回転角に応じて反力モータ２０の回転角の指令値を算出する。

　「転舵角の制御について」
　・ピニオン角フィードバック処理Ｍ１６に代えて、フィードバック制御によって転舵シャフト４０の移動量の検出値を目標値に制御する処理を用いてもよい。この場合、上記実施形態に対して、ピニオン角θｐに関する制御量等は、転舵シャフト４０の移動量に関する制御量等に置き換えられることになる。

　・転舵角の制御が、フィードバック制御によってピニオン角θｐ等の転舵角を示す制御量を制御するための操作量を算出する処理を含むことは必須ではない。たとえば、転舵角の制御が、開ループ制御によって転舵角を示す制御量を目標値へと制御するための操作量を算出する処理を含んでもよい。またたとえば、転舵角の制御が、開ループ制御のための操作量とフィードバック制御のための操作量との和を算出する処理を含んでもよい。

　・転舵モータ６０の制御手法としては、ｄｑ軸の電流フィードバック処理に限らない。たとえば、転舵モータ６０として直流モータを採用して且つ、駆動回路をＨブリッジ回路とする場合、単に転舵モータ６０を流れる電流を制御すればよい。

　「操作部材について」
　運転者が車両を操舵するために操作する操作部材としては、ステアリングホイール１２に限らない。たとえば、ジョイスティックであってもよい。

　「操作部材に機械的に連結されたモータについて」
　（ａ）反力アクチュエータＡｒについて
　・ステアリングホイール１２に機械的に連結される反力モータ２０としては、３相ブラシレスモータに限らない。たとえばブラシ付きの直流モータであってもよい。

　（ｂ）モータの駆動回路について
　・操作部材に機械的に連結されたモータの駆動回路としては、反力用インバータ２２に限らない。たとえば、Ｈブリッジ回路であってもよい。

　（ｃ）そのほか
　・減速機構１６を備えることは必須ではない。
　「操舵制御装置について」
　・操舵制御装置としては、ＰＵ７２と記憶装置７４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態において実行される処理の少なくとも一部を実行するたとえばＡＳＩＣ等の専用のハードウェア回路を備えてもよい。すなわち、制御装置は、以下の（ａ）～（ｃ）のいずれかの構成を備える処理回路を含んでいてもよい。（ａ）上記処理の全てを、プログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶する記憶装置等のプログラム格納装置とを備える処理回路。（ｂ）上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置およびプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える処理回路。（ｃ）上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える処理回路。ここで、処理装置およびプログラム格納装置を備えたソフトウェア実行装置は、複数であってもよい。また、専用のハードウェア回路は複数であってもよい。

　「転舵アクチュエータについて」
　・転舵アクチュエータＡｔとして、たとえば、転舵シャフト４０の同軸上に転舵モータ６０を配置するものを採用してもよい。またたとえば、ボールねじ機構を用いたベルト式減速機を介して転舵シャフト４０に連結するものを採用してもよい。

　・転舵アクチュエータＡｔとしては、右側の転舵輪４４と左側の転舵輪４４とが連動している構成に限らない。換言すれば、右側の転舵輪４４と左側の転舵輪４４とを独立に制御できるものであってもよい。

　「操舵装置について」
　・操舵角と転舵角との関係を変更可能な操舵装置としては、ステアリングホイール１２と転舵輪４４との動力の伝達が遮断された操舵装置に限らない。たとえば、ステアリングホイール１２と転舵輪４４との動力伝達を可能とするギアを、可変ギアとすることによって、操舵角と転舵角との関係を変更可能な操舵装置を構成してもよい。さらに、操舵角と転舵角との関係を変更可能な操舵装置に限らない。たとえばステアリングホイール１２と転舵輪４４とが機械的に連結された操舵装置であってもよい。

Claims

　運転者が車両を操舵するために操作する操作部材に機械的に連結されたモータを操作する操舵制御装置であって、
　前記操舵制御装置は、操舵トルク制御処理、および操作処理を実行するように構成され、
　前記操舵トルク制御処理は、操舵トルクを目標操舵トルクに制御するための操作量を、前記操舵トルクと前記目標操舵トルクとの差に応じた比例要素と、微分要素とを用いて算出する処理を含み、
　前記操作処理は、前記モータのトルクを前記操作量に応じて制御すべく前記モータの駆動回路を操作する処理であり、
　前記操舵トルクは、前記操作部材に入力されるトルクであり、
　前記比例要素および前記微分要素の２つの要素のうちの少なくとも１つの要素には、拡大用位相制御器が設けられており、
　前記拡大用位相制御器は、前記比例要素の位相に対する前記微分要素の位相の進み度合いを拡大するように構成されている操舵制御装置。
　前記比例要素は、前記拡大用位相制御器である比例用位相制御器を含み、
　前記比例用位相制御器は、前記比例要素の位相を遅らせるように構成され、
　前記微分要素は、前記拡大用位相制御器である微分用位相制御器を含み、
　前記微分用位相制御器は、前記微分要素の位相を進めるように構成されている請求項１記載の操舵制御装置。
　前記比例要素は、前記拡大用位相制御器である比例用位相制御器を含み、
　前記比例用位相制御器は、前記比例要素の位相を遅らせるように構成されている請求項１記載の操舵制御装置。
　前記微分要素は、前記拡大用位相制御器である微分用位相制御器を含み、
　前記微分用位相制御器は、前記微分要素の位相を進めるように構成されている請求項１記載の操舵制御装置。
　前記微分用位相制御器は、所定の周波数成分の位相を進めるように構成されている請求項２または４記載の操舵制御装置。
　前記微分用位相制御器は、第１微分用位相制御器であり、
　前記微分要素は、前記第１微分用位相制御器に加えて第２微分用位相制御器を含み、
　前記第２微分用位相制御器は、前記微分要素の出力のうち前記所定の周波数成分よりも高い周波成分の位相を遅らせるように構成されている請求項５記載の操舵制御装置。
　前記比例用位相制御器は、１次遅れ要素である請求項２または３記載の操舵制御装置。
　前記微分用位相制御器は、相対次数が０の位相制御器である請求項２または４記載の操舵制御装置。
　前記第２微分用位相制御器は、１次遅れ要素である請求項６記載の操舵制御装置。
　前記微分要素は、前記操舵トルクと前記目標操舵トルクとの差を入力とする請求項１，２，４～６，８，９のいずれか１項に記載の操舵制御装置。
　前記微分要素は、前記操舵トルクを入力とする請求項１，２，４～６，８，９のいずれか１項に記載の操舵制御装置。
　前記操作部材と前記車両の転舵輪とが機械的に切り離された状態で前記操作処理を実行するように構成されている請求項１～１１のいずれか１項に記載の操舵制御装置。
　運転者が車両を操舵するために操作する操作部材に機械的に連結されたモータを操作する操舵制御方法であって、
　前記操舵制御方法は、操舵トルク制御処理を実行すること、および操作処理を実行することを含み、
　前記操舵トルク制御処理は、操舵トルクを目標操舵トルクに制御するための操作量を、前記操舵トルクと前記目標操舵トルクとの差に応じた比例要素と、微分要素とを用いて算出する処理を含み、
　前記操作処理は、前記モータのトルクを前記操作量に応じて制御すべく前記モータの駆動回路を操作する処理であり、
　前記操舵トルクは、前記操作部材に入力されるトルクであり、
　前記操舵トルク制御処理は、前記比例要素および前記微分要素の２つの要素のうちの少なくとも１つの要素に、拡大用位相制御器を設けることによって、前記比例要素の位相に対する前記微分要素の位相の進み度合いを拡大する処理を含む操舵制御方法。