JP2009012656A - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】舵角センサを用いずに安価に、しかも操舵フィーリングを悪化させることなく、ＳＡＴ推定値によって電流指令値の補正を行うと共に、ＳＡＴ推定値の中立点を補正することにより操舵感を向上することができる電動パワーステアリング装置のを提供する。
【解決手段】操舵トルク及び車速に基づいて算出された電流指令値により操舵系にアシストトルクを付与するモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、ＳＡＴを推定するＳＡＴ推定手段と、ＳＡＴ推定手段で推定されたＳＡＴ推定値に基づいて電流指令値を補正する補正手段と、車輪速信号に基づいてオフセット量を演算するオフセット量演算手段とを設け、オフセット量でＳＡＴ推定値の中立点を補正する。
【選択図】図４

Description

本発明は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）の推定値で電流指令値（若しくは操舵補助指令値）を補正すると共に、補正された電流指令値でモータを駆動制御して車両操舵系に操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特に舵角センサを用いずに、車輪速差に基づいてＳＡＴの中立点を補正することにより、運転者の操舵感を向上することができる電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢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補助負荷付勢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は、アシストトルク（操舵補助力）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、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−ティ比の調整で行っている。

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図９に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸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を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０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。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３０には、バッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニッションキー１１を経てイグニッション信号が入力され、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Ｔｈ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指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵを含む）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１０のようになる。

図１０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Ｔｈは操舵補助指令値演算部３２に入力され、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算部３２に入力される。操舵補助指令値演算部３２は、入力された操舵トルクＴｈ及び車速Ｖに基づいて、メモリ３３に記憶されているアシストマップを参照してモータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを決定する。操舵補助指令値Ｉは減算部３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償部３４に入力され、減算部３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算部３５に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算部３６に入力され、その比例出力は加算部３０Ｂに入力される。微分補償部３４及び積分補償部３６の出力も加算部３０Ｂに加算入力され、加算部３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ駆動回路３７にはバッテリ１４から電力が供給され、モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出部３８で検出され、モータ電流値ｉは減算部３０Ａに入力されてフィードバックされる。

このような電動パワーステアリング装置では、いわゆるハンドル戻し制御が行われている。即ち、車両のステアリング装置では、一方に切られたハンドルから運転者が手を離すなり操舵力を抜くなりして、自然に操向車輪が中立位置に戻る制御が行われている。ところが、通常の電動パワーステアリング装置では、自然に操向車輪が中立位置に戻るのを期待していると、特に低速時にはハンドルが戻り難いという不都合がある。これは、路面から各操向車輪にかかる力により自然にハンドルが戻ろうとする際に、モータ及び減速機が有する慣性モーメントや摩擦抵抗などの影響があるからである。その結果、運転者がハンドルから手を離してもハンドルの戻りが遅かったり、ハンドルが中立位置まで戻り切らなかったりするので、運転者は積極的にハンドルを中立位置にまで戻す操作をしなければならず、ワークロードが大きい。

このような不都合を解消する目的で、特開平３−１１９４４号公報（特許文献１）には、ハンドルを一方に切るトルクを弱めると、直ちに戻し操舵が自動的に行われて操向車輪が中立位置に戻る電動パワーステアリング装置が開示されている。特許文献１に開示された電動パワーステアリング装置によれば、ハンドルを中立位置に戻すための積極的な運転操作を行うことが不要になり、運転者のワークロードが軽減される。

しかしながら、特許文献１に開示された電動パワーステアリング装置では、通常の電動パワーステアリング装置のハードウェア構成に加えて、操向車輪に対するハンドルの操舵角を検出するための舵角センサが必要であり、その分のコストアップが不可避であり、製造コストが高くなる問題がある。
かかる問題を解決する装置として、特開２０００−２３８６５２号公報（特許文献２）に開示された電動パワーステアリング装置が提案されている。特許文献２に開示された電動パワーステアリング装置は、左右の各車輪の回転角度位置又は回転角速度に関する車輪速信号をそれぞれ生成する左右一対の車輪速センサと、ステアリングコラムにかかる操舵トルクを検出して操舵トルク信号を生成するトルクセンサと、操舵トルクを補強して操舵力を高めるモータと、車輪速信号のうち少なくとも一方及び操舵トルク信号に基づいてモータを駆動する制御ユニットとを有する電動パワーステアリング装置であり、制御ユニットが、車輪速信号に基づいて左右の各車輪の速度差を示す車輪速差信号を生成する左右車輪速差演算手段と、モータに加えられるモータ端子間電圧及びモータ電流検出値に基づいてモータ回転角速度を推定するモータ回転角速度推定手段と、操舵トルク信号、車輪速差信号及びモータ回転角速度に基づいてハンドルが戻し状態にあるか否かを判定するハンドル戻し検出手段と、ハンドル戻し検出手段によってハンドルが戻し状態にあると判定された場合には、モータに適正な戻し操舵をさせる戻し補正信号を生成する戻し補正制御手段とを具備したものである。
特開平３−１１９４４号公報 特開２０００−２３８６５２号公報

しかしながら、特許文献２の電動パワーステアリング装置では、本来ハンドルを戻したい状況に対応しておらず、ハンドル戻し制御として十分ではなく、また、運転者は戻され感を感じてしまう問題がある。

本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、舵角センサを用いずに安価に、しかも操舵フィーリングを悪化させることなく、ＳＡＴ推定値によって電流指令値（若しくは操舵補助指令値）の補正を行うと共に、車輪速信号に基づいてＳＡＴ推定値の中立点を補正することにより、運転者の操舵感を一層向上することができる電動パワーステアリング装置の制御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算出された電流指令値により操舵系にアシストトルクを付与するモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、ＳＡＴを推定するＳＡＴ推定手段と、前記ＳＡＴ推定手段で推定されたＳＡＴ推定値に基づいて前記電流指令値を補正する補正部と、車輪速信号に基づいてオフセット量を演算するオフセット演算部とを設け、前記オフセット量で前記ＳＡＴ推定値の中立点を補正することにより達成される。
また、前記オフセット演算部が、前記車輪速信号に基づいて車輪速差を演算する車輪速差演算部と、前記車輪速差に基づいて舵角を推定する舵角推定部と、前記舵角推定部で推定された舵角推定値に基づいて前記オフセット量を演算するオフセット演算部で構成されていることにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、舵角センサを用いることなく、ＳＡＴ推定値によって電流指令値（若しくは操舵補助指令値）の補正を行うと共に、車輪速信号に基づく車輪速差によって舵角を推定し、舵角推定値に基づいてＳＡＴ推定値の中立点を補正するようにしているので、安価な構成で操舵フィーリングを向上することができる。

また、ＳＡＴ推定値の補正によって電流指令値（若しくは操舵補助指令値）の補正を行っているので、ハンドルを戻したい状況に応じてハンドル戻し制御を実行することができる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置は、舵角センサを用いることなく、操舵トルク、角速度、角加速度及び電流指令値（操舵補助指令値）に基づいて推定したＳＡＴ推定値によって電流指令値（若しくは操舵補助指令値）の補正を行うと共に、車輪速信号に基づいて車輪速差を演算し、車輪速差に基づいて舵角を推定し、舵角推定値に基づいてオフセット量を演算し、演算されたオフセット量によってＳＡＴ推定値の中立点（不感帯）を補正するようにしている。このため、ハンドルを戻したい状況に応じてハンドル戻し制御を実行することができ、舵角センサを設ける必要がないため安価であり、ＳＡＴ推定値の中立点を補正するようにしているため、運転者の操舵感を向上することができる。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

本発明ではＳＡＴ推定値に基づいて電流指令値（操舵補助指令値）を補正しているので、先ずＳＡＴの発生原理について説明する。

ＳＡＴはハンドルを元の位置に戻そうとする力であり、図１に示すように運転者がハンドルを操舵することによって操舵トルクＴｈが発生し、その操舵トルクＴｈに従ってモータＭがアシストトルクＴｍを発生する。その結果、前輪が転舵され、反力としてＳＡＴが発生する。その際、モータＭの慣性とステアリング機構部の慣性を併せた等価慣性Ｊ及び摩擦トルクＦｒによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じ、これらの力の釣合を考えると、下記数１の運動方程式が得られる。なお、ωは角速度、ω^＊は角加速度である。

次に、本発明の前提となる基本制御系を図２に示して説明する。図２の構成は、上記数１に基づいて構成されたものである。

トルクセンサにより検出された操舵トルクＴｈはアシストマップ５９Ａ、微分器５１及びＳＡＴ推定手段４０内の加算部４５Ｂに入力され、アシストマップ５９Ａにおいて算出された基本アシストトルクＴｈａが、伝達関数“（Ｔ_１・ｓ＋１）／（Ｔ_２・ｓ＋１）”の伝達関数部５９Ｂを経て、基本アシストトルクＴｈｂ（電流指令値若しくは操舵補助指令値に相当）として加減算部５０Ａに加算入力される。また、微分補償のための微分器５１において微分された操舵トルクがゲイン部５２でゲインＫｄを乗算され、補償された微分補償トルクＴｈｃが加減算部５０Ａに加算入力される。また、ＳＡＴ推定手段４０で推定されたＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊がゲイン部４３でゲイン演算され、ゲイン部４３からのＳＡＴフィードバック補償値ＳＡＴ^＊ｆが加減算部５０Ａに減算入力され、加減算部５０Ａで加減算処理された電流指令値Ｉが伝達関数部５３及び伝達関数部４４に入力される。伝達関数部５３及び４４はいずれも伝達関数Ｋｔ・Ｇ（Ｋｔはモータのトルク定数、Ｇは減速ギア比）を有しており、伝達関数部５３はモータ及び減速ギアにより実際に発生するアシストトルクを示すブロックであり、伝達関数部４４は推定論理（ソフトウェア）で換算することを示すブロックである。
そして、伝達関数部５３で伝達関数Ｋｔ・Ｇを乗算されたアシストトルクＴＡがブロックＡ内の減算部５０Ｂに入力され、伝達関数部４４で伝達関数Ｋｔ・Ｇを乗算されたモータによる補助（アシスト）トルクＴｍ（＝Ｉ・Ｋｔ・Ｇ）が加算部４５Ｂに入力され、加算部４５Ｂで操舵トルクＴｈと加算処理されたトルク信号“Ｔｈ＋Ｔｍ”は減算部４５Ｃに入力される。

ブロックＡは機構部を簡略的にモデル化した伝達関数ブロックであり、Ｊは慣性（＝モータ慣性とステアリング機構部の慣性を併せた等価慣性）、Ｆｒは摩擦トルクである。また、車両からの実ＳＡＴがブロックＡ内の減算部５０Ｂに減算入力され、ブロック５８からの角速度（コラム軸角速度）ω_Ａが摩擦演算部５４を介してＦｒ・ｓｉｇｎ（ω_Ａ）で減算部５０Ｂにフィードバックされ、減算部５０Ｂの減算処理結果である加速トルクＴＣがブロック５８に入力される。ブロック５８からの角速度ω_Ａは積分器５７で積分され、角度θとなる。角度θは図示しないレゾルバ等の角度検出部に入力され、検出された角度θが角速度算出部５６に入力され、角速度算出部５６で算出された角速度ωが角加速度算出部５５及びＳＡＴ推定手段４０内の摩擦演算部４１に入力され、角加速度算出部５５で角加速度ω^＊が算出される。角加速度ω^＊はＳＡＴ推定手段４０内の慣性演算部４７に入力される。

なお、ブロック５７はコラム軸角速度ω_Ａから角度θの伝達関数を示すものであり、コラム軸角速度ω_Ａを直接測定するのではなく、減速比Ｇの減速機を介して得られるモータの角度θを微分して角速度ωを求め、モータ角速度／減速比を求めると、これがコラム軸角速度となるが、実質的にはω_Ａ＝ωである。
一方、角速度算出部５６で算出された角速度ωが、ＳＡＴ推定手段４０内の摩擦演算部４１を介してＦｒ・ｓｉｇｎ（ω）で加算部４５Ａに入力され、角加速度算出部５５からの角加速度ω^＊が慣性演算部４７に入力され、慣性演算部４７の出力であるＪ・ω^＊が加算部４５Ａに入力され、加算部４５Ａで加算処理された演算値ｈ（＝Ｊ・ω^＊＋Ｆｒ・ｓｉｇｎ（ω））が減算部４５Ｃに減算入力される。減算部４５Ｃにおいて、トルク信号“Ｔｈ＋Ｔｍ”から演算値ｈが減算処理され、その減算結果は、運転者の操舵感覚を向上するのに必要十分な情報のみをフィードバックするためのＱフィルタ４２に入力され、Ｑフィルタ４２の出力であるＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊が、運転者に車両の挙動と合った操舵トルクとなるように設定されているＳＡＴゲインＫｓを有するゲイン部４３に入力され、ゲイン部４３からのＳＡＴフィードバック補償値ＳＡＴ^＊ｆが加減算部５０Ａに減算入力される。
なお、ＳＡＴ推定手段４０は摩擦演算部４１、Ｑフィルタ４２、伝達関数部４４、慣性演算部４７等で構成されている。

このような本発明の前提となる図２の基本制御系において、ＳＡＴ推定手段４０及びゲイン部４３で演算されたＳＡＴフィードバック補償値ＳＡＴ^＊ｆは加減算部５０Ａに入力され、基本操舵トルクＴｈｂ及び微分補償トルクＴｈｃの加算値から減算することによって電流指令値Ｉ、つまりアシストトルクＴＡを補正している。

ここにおいて、ＳＡＴ推定手段４０で推定されるＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊とセンサで実測される実ＳＡＴとの関係は図３に示すようになり、ＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊には不感帯が発生する。即ち、ブラシ付きモータでは、一般的に角速度ωはモータ端子電圧及びモータ電流値から推定するが、ノイズ除去のための不感帯処理があるため、精度の高い角速度ωを求めることができない。角速度ωがゼロであると正確にＳＡＴを推定できないため、図３に示すように実ＳＡＴとＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊とでは不感帯のある特性となる。このため、本発明ではＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊がゼロのとき、車輪速差から求めた舵角推定値θ^＊（＝ＳＡＴ^＊（θ^＊））で図３のＸ１，Ｘ２のような補正（オフセット）を行い、ＳＡＴ＝０となるようにハンドル戻し制御を実行する。
車輪速信号はＡＢＳ（anti-lock brake system）を備えた車両には既に存在しているのでそのまま利用でき、車輪速信号から車輪速差Ｗｄを演算することができる。そして、車輪速差Ｗｄに基づいて舵角θを推定した舵角推定値θ^＊を求めることができ、舵角推定値θ^＊によってオフセット量ＯＦＳを演算し、オフセット量ＯＦＳによってＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊の中立点を補正（オフセット）する。このようにＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊の中立点をオフセット量ＯＦＳで補正するので、舵角センサを用いることなく、前輪左右車輪速信号を用いてハンドル中立位置まで戻し制御を行うことができる。

上述した原理に基づいて、本発明の実施形態の一例を図４に示して説明する。また、図４は図２に示す基本制御系に対応しており、同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

本発明ではオフセット量演算手段として、前輪左右車輪の車輪速信号に基づいて車輪速差Ｗｄを演算する車輪速差演算部６０と、車輪速差演算部６０で演算された車輪速差Ｗｄに基づいて舵角を推定（舵角推定値＝θ^＊）する舵角推定部６１と、舵角推定部６１で推定された舵角推定値θ^＊に基づいてオフセット量ＯＦＳを演算するオフセット量演算部６２を具備している。そして、オフセット量演算部６２で演算したオフセット量ＯＦＳを加算部６３に入力し、ゲイン部４３からのＳＡＴフィードバック補償値ＳＡＴ^＊ｆと加算して補正し、その加算結果（＝ＯＦＳ＋ＳＡＴ^＊ｆ）をＳＡＴフィードバック補償値ＳＡＴ^＊ｃとして加減算部５０Ａに減算入力し、電流指令値（操舵補助指令値）Ｉを補正している。

車輪速差演算部６０は、例えば左右１対の車輪速センサからのパルス信号の間隔をパルスカウンタで計数することにより、左右１対の車輪速信号に基づいた演算を行い、左右の各車輪の速度差を示す車輪速差Ｗｄを生成する。即ち、車両が左右の一方に旋回中には左右の車輪の回転速度の差が生じるので、車輪速差演算部６０はその差を検出して数値演算を行うことにより、左右の各車輪の速度差を示す車輪速差Ｗｄを生成する。

車輪速差Ｗｄに基づいて、舵角推定部６１が舵角推定値θ^＊を求める手法を図５及び図６を参照して説明する。図５に示すように４輪ｆｌ、ｆｒ、ｒｌ、ｒｒの各旋回半径をＲｆｌ，Ｒｆｒ，Ｒｒｌ，Ｒｒｒとし、前輪ｆｌ、ｆｒの舵角を便宜的にα_ｌ，α_ｒとし、車両の車軸距離をＬとし、車幅（左右輪の中心間距離）をＥとする。また、前輪車軸中央の旋回半径をＲｆとし、後輪車軸中央の旋回半径をＲｒとする。そして、各車輪ｆｌ、ｆｒ、ｒｌ、ｒｒの車輪速（車輪角速度）として左前輪をω_ｆｌ、右前輪をω_ｆｒ、左後輪をω_ｒｌ、右後輪をω_ｒｒとすると、車体中心の舵角α（図６参照）と各車輪速ω_ｆｌ、ω_ｆｒ、ω_ｒｌ、ω_ｒｒは、下記数２の関係を有することが知られている。

上記数２の舵角α_{ｆｒｏｎｔ}は、舵角推定値θ^＊に相当している。

なお、舵角推定部６１の演算は上記数２を演算しても良いし、（ω_ｆｌ−ω_ｆｒ）／（ω_ｆｌ＋ω_ｆｒ）を入力するルックアップテーブルで構成しても良い。

次に、オフセット量演算部６２について説明する。オフセット量演算部６２は舵角推定部６１からの舵角推定値θ^＊に所定値を乗算してオフセット量ＯＦＳとしても良い。所定値は車速Ｖに応じて可変としても良く、最終演算値にリミッタを設けて出力を制限するようにしても良い。更に、特願２００６−１２９３３１のように、図７の構成で、舵角推定値θ^＊と車速Ｖにより規範ＳＡＴを求め、規範ＳＡＴに応じてオフセット量ＯＦＳを求めるようにしても良い。この場合、ＳＡＴ推定値ＳＡＴ^＊がゼロの近傍で、規範ＳＡＴ相当の電流指令値をオフセット量ＯＦＳとして与えるようにする。

また、図８に示すように、舵角推定値θ^＊及び車速Ｖに基づいてオフセット量ＯＦＳを求めるようにしても良い。即ち、舵角推定値θ^＊を関数変換部６４においてＳＡＴのノミナル値Ｎｖとして乗算部６６に入力すると共に、車速Ｖを車速感応ゲインの関数変換部６５を経て乗算部６６に入力し、乗算部６６の乗算結果をノイズ除去のフィルタ５７及び変換係数Ｋｎのゲイン部６８を通過させることによってオフセット量ＯＦＳを求める。なお、ゲイン部６８の変換係数Ｋｎは、電流指令値相当にするための係数である。

路面からステアリングまでに発生するトルクの様子を示す模式図である。 本発明の前提となる基本制御系を示すブロック図である。 実ＳＡＴとＳＡＴ推定値の関係を示す特性図である。 本発明の実施形態の一例を示すブロック図である。 車輪速差を説明するための模式図である。 車輪速差を説明するための模式図である。 規範ＳＡＴ算出の一例を説明するためのブロック図である。 オフセット量算出の一例を説明するためのブロック図である。 従来のステアリング装置の構成例を示す図である。 従来のステアリング装置のコントロールユニットの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ ハンドル
２ コラム軸
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０ モータ
３０ コントロールユニット
３２ 操舵補助指令値演算部
４０ ＳＡＴ推定手段
４１、５４ 摩擦演算部
４２ Ｑフィルタ
４３、５２ ゲイン部
４４、５３、５９Ｂ 伝達関数部
５５ 角加速度算出部
５６ 角速度算出部
５９Ａ アシストマップ
６０ 車輪速差演算部
６１ 舵角推定部
６２ オフセット量演算部
６４，６５ 関数変換部
６６ 乗算部
６７ フィルタ

Claims (2)

1. 操舵トルク及び車速に基づいて算出された電流指令値により操舵系にアシストトルクを付与するモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、ＳＡＴを推定するＳＡＴ推定手段と、前記ＳＡＴ推定手段で推定されたＳＡＴ推定値に基づいて前記電流指令値を補正する補正手段と、車輪速信号に基づいてオフセット量を演算するオフセット量演算手段とを具備し、前記オフセット量で前記ＳＡＴ推定値の中立点を補正することを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
2. 前記オフセット量演算手段が、前記車輪速信号に基づいて車輪速差を演算する車輪速差演算部と、前記車輪速差に基づいて舵角を推定する舵角推定部と、前記舵角推定部で推定された舵角推定値に基づいて前記オフセット量を演算するオフセット量演算部で構成されている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。

Images