JP2004090834A

JP2004090834A - Motor-driven power steering gear

Info

Publication number: JP2004090834A
Application number: JP2002257044A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Sakamaki; 酒巻　正彦; Katsutoshi Nishizaki; 西崎　勝利
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-02
Also published as: JP4140321B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motor-driven power steering gear capable of stably maintaining vehicle behaviors even if a road condition or the like changes, while securing a good steering feeling. <P>SOLUTION: A normal steering torque operation part 12 calculates steering torque which includes a yaw rate γ and a predetermined relation as a normal steering torque Th* based on a detected steering angle δs and a detected vehicle speed value Vs. A torque/current conversion element 16 calculates a motor current corresponding to a variation ▵T with the normal steering torque Th* and the detected steering torque value Ths as a current target value Im*. A current control part 20 calculates a voltage command value Vm* by a proportional integration control calculation based on the current target value Im* and a variation ▵I from the detected value Im of a motor current. The voltage corresponding to the voltage command value Vm* is applied to a motor 6, thus the voltage corresponding to the current target value Im* passes though the motor 6. The motor 6 produces an assist torque Tm so that the detected steering torque value Ths is almost equal to the normal steering torque Th*. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両操舵のための操作に応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が用いられている。図４は、この電動パワーステアリング装置におけるモータ制御の構成例を示すブロック線図である。この図に示すように、従来の電動パワーステアリング装置は、モータ制御の観点から見ると、トルクセンサ３と、車速センサ４と、目標電流演算部２２と、減算器２４と、電流制御部２６と、電動モータ６に相当する２つの伝達要素６１，６２（以下、前者を「第１のモータ伝達要素」、後者を「第２のモータ伝達要素」という）とから構成される。第１のモータ伝達要素６１の伝達関数は１／（Ｌｓ＋Ｒ）、第２のモータ伝達要素６２の伝達関数はＫｔである。ただし、ｓはラプラス演算子を、Ｌはモータ巻線インダクタンスを、Ｒはモータ巻線抵抗を、Ｋｔはモータトルク定数を、それぞれ表すものとする。
【０００３】
上記従来の電動パワーステアリング装置では、目標電流演算部２２は、トルクセンサ３で検出される操舵トルクＴｈｓと車速センサ４で検出される車速Ｖｓとに基づき、電動モータ６に流すべき電流の目標値Ｉｍ^＊を設定する。減算器２４は、この電流目標値Ｉｍ^＊と電動モータ６に実際に流れる電流値Ｉｍとの偏差Ｉｍ^＊−Ｉｍを算出し、電流制御部２６は、この偏差に基づき、電動モータ６の駆動手段（不図示）に与えるべき電圧指令値Ｖｍ^＊を生成する。この駆動手段は、例えば、その電圧指令値Ｖｍ^＊に応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じてオン／オフするパワートランジスタを用いて構成されるモータ駆動回路とから成り、そのデューティ比に応じた電圧すなわち電圧指令値Ｖｍ^＊に応じた電圧を電動モータ６に印加する。電動モータ６は、この電圧印加によってモータ巻線に流れる電流（モータ電流）に応じたトルクＴｍを発生する。このモータ電流は電流検出器（不図示）によって検出され、その検出値Ｉｍは上記減算器２４に入力される。そして、この検出値Ｉｍと上記電流目標値Ｉｍ^＊との差が、上記のように電圧指令値Ｖｍ^＊を生成するための偏差として使用される。このようにして、操舵トルクＴｈｓおよび車速Ｖｓに基づき設定される目標値Ｉｍ^＊の電流が電動モータ６に流れるようにフィードバック制御が行われる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３２９７４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の電動パワーステアリング装置では、外乱等によって必ずしも適切な操舵補助力が得られない場合がある。例えば、走行中に路面摩擦係数が低下した場合には操舵助力が過剰となることがある。この場合、運転者がハンドルを切りすぎ、その結果、車両の挙動が不安定になることもある。
【０００６】
そこで本発明では、良好な操舵フィーリングを確保しつつ、道路状況の変化等の外乱があっても車両挙動を安定に保持することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、車両操舵のための操作手段による操作に応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記操作手段に加えられる操舵トルクを検出し当該操舵トルクの検出値を出力するトルク検出手段と、
前記操舵トルク検出値が前記車両のヨーレートと所定の関係を有するように前記電動モータに操舵補助力を発生させるモータ駆動制御手段と
を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような第１の発明によれば、操舵トルク検出値がヨーレートと所定の関係を有するように電動モータの駆動が制御されるので、道路状況の変化等の外乱があっても操舵トルク検出値（実際に運転者が加える操舵トルク）とヨーレートとの間には当該関係が維持される。その結果、例えば、路面摩擦係数が小さいとき、電動モータによる過剰な操舵補助力の発生によって運転者がハンドル（操作手段）を切り過ぎるという事態を回避することができる。したがって、操舵トルクとヨーレートとの上記関係を適切に設定することにより良好な操舵フィーリングを確保しつつ、道路状況の変化等の外乱があっても車両挙動を安定に保持することができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
前記操作手段に対する操作量である舵角を検出し当該舵角の検出値を出力する舵角検出手段と、
前記車両の走行速度である車速を検出し当該車速の検出値を出力する車速検出手段とを更に備え、
前記モータ駆動制御手段は、
前記車両のヨーレートと前記所定の関係を有する操舵トルクを、前記舵角検出値および前記車速検出値に基づき規範操舵トルクとして求める規範操舵トルク演算手段と、
前記操舵トルク検出値が前記規範操舵トルクと略同一となるように前記電動モータに対しフィードバック制御を行うための電圧指令値を算出する制御演算手段と、
前記電圧指令値の電圧を前記電動モータに印加するモータ駆動手段とを含むことを特徴とする。
【００１０】
このような第２の発明によれば、舵角検出値および車速検出値に基づき決まる規範操舵トルクに操舵トルク検出値が略同一となるように電動モータの駆動が制御されることで、道路状況の変化等の外乱があっても操舵トルク検出値とヨーレートとの間における所定の関係が維持される。これにより、上記第１の発明と同様の効果が得られる。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、
前記電動モータに流れる電流を検出し当該電流の検出値を出力する電流検出手段を更に備え、
前記制御演算手段は、
前記操舵トルク検出値を前記規範操舵トルクと略同一とするために前記電動モータに流すべき電流の目標値を算出する電流目標値演算手段と、
前記電流目標値と前記電流検出値との偏差に基づき前記電圧指令値を算出する電圧指令値演算手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜１．全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両構成と共に示す概略図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵のための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の操舵角を検出する舵角センサ２と、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、ハンドル操作（操舵操作）における運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生させる電動モータ６と、その操舵補助力をステアリングシャフト１０２に伝達する減速ギヤ７と、車載バッテリ８からイグニションスイッチ９を介して電源の供給を受け、舵角センサ２や、トルクセンサ３、車速センサ４からのセンサ信号に基づきモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。このような電動パワーステアリング装置を搭載した車両において運転者がハンドル１００を操作すると、その操作による操舵トルクがトルクセンサ３によって検出され、その検出された操舵トルクと車速センサ４によって検出された車速と舵角センサ２によって検出された舵角とに基づいてＥＣＵ５によりモータ６が駆動される。これによりモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力が減速ギヤ７を介してステアリングシャフト１０２に加えられることにより、ハンドル操作における運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクとモータ６の発生する操舵補助力によるアシストトルクとの和が、出力トルクとして、ステアリングシャフト１０２を介してラックピニオン機構１０４に与えられる。これによりピニオン軸が回転すると、その回転がラックピニオン機構１０４によってラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームから成る連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪（転舵輪）１０８の向きが変わる。
【００１３】
＜２．モータ制御のための構成＞
図２は、上記電動パワーステアリング装置におけるＥＣＵ５のハードウェア構成を示すブロック図である。このＥＣＵ５は、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」という）１０と、ＰＷＭ信号生成回路３２と、モータ駆動回路３４と、電流検出器３６とから構成され、マイコン１０には、舵角センサ２から舵角信号δｓが、トルクセンサ３から操舵トルク信号Ｔｈｓが、車速センサ４から車速信号Ｖｓがそれぞれ入力される。このＥＣＵ５において、電流検出器３６は、モータ６に供給される電流すなわちモータ電流を検出して、その検出結果を電流検出値Ｉｍとして出力する。この電流検出値Ｉｍもマイコン１０に入力される。マイコン１０は、その内部のメモリに格納されたプログラムを実行することによりモータ制御部として機能する。すなわち、舵角信号δｓ、操舵トルク信号Ｔｈｓ、車速信号Ｖｓ、電流検出値Ｉｍに基づき、モータ６が適切な操舵補助力を発生させるようにモータ６に印加すべき電圧の値である電圧指令値Ｖｍ^＊を算出する。ＰＷＭ信号生成回路３２は、その電圧指令値Ｖｍ^＊に応じてデューティ比の変化するＰＷＭ信号を生成し、モータ駆動回路３４に供給する。モータ駆動回路３４は、スイッチング素子としての複数個のパワートランジスタを用いて構成され、それらのスイッチング素子は、ＰＷＭ信号生成回路３２で生成されたＰＷＭ信号によってオン／オフされる。これにより、モータ駆動回路３４は、電圧指令値Ｖｍ^＊に応じた電圧を発生させ、これをモータ６に印加する。
【００１４】
図３は、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置におけるモータ制御のための構成を示すブロック線図である。この図に示すように、この電動パワーステアリング装置は、モータ制御の観点から見ると、舵角センサ２と、トルクセンサ３と、車速センサ４と、規範操舵トルク演算部１２と、第１の減算器１４と、トルク値を電流値に変換する伝達要素であるトルク／電流変換要素１６と、第２の減算器１８と、電流制御部２０と、モータ６に相当する２つの伝達要素である第１のモータ伝達要素６１および第２のモータ伝達要素６２とから構成されている。これらの構成要素のうち、規範操舵トルク演算部１２、第１の減算器１４、トルク／電流変換要素１６、第２の減算器１８および電流制御部２０は、マイコン１０がその内部のメモリに格納された上記所定プログラムを実行することにより、ソフトウェア的に実現される。なお、図３に示した構成要素のうち同一の構成要素が図１および図２に示されているものについては、同一の参照符号を付している。
【００１５】
図３に示す上記構成において、舵角センサ２から出力される舵角信号δｓおよび車速センサ４から出力される車速信号Ｖｓは、共に、規範操舵トルク演算部１２に入力される。以下では、舵角信号δｓの値を「舵角検出値」といい、これも符号“δｓ”で表し、車速信号Ｖｓの値を「車速検出値」といい、これも符号“Ｖｓ”で表すものとする。
【００１６】
規範操舵トルク演算部１２は、舵角δと車速Ｖとの関数として予め決められた関数ｆ（δ，Ｖ）を保持しており、δ＝δｓ（舵角検出値）、Ｖ＝Ｖｓ（車速検出値）のときの関数ｆ（δ，Ｖ）の値を規範操舵トルクＴｈ^＊として算出する。このような規範操舵トルク演算部１２による規範操舵トルクＴｈ^＊の算出の詳細については後述する。なお、関数ｆ（δ，Ｖ）に相当するマップ、すなわち規範操舵トルクＴｈ^＊と舵角δおよび車速Ｖとの関係を与えるマップをマイコン１０内のメモリに予め格納しておき、規範操舵トルク演算部１２が関数ｆ（δ，Ｖ）に代えてそのマップを使用することにより舵角検出値δｓおよび車速検出値Ｖｓから規範操舵トルクＴｈ^＊を求めるようにしてもよい。
【００１７】
上記のようにして算出された規範操舵トルクＴｈ^＊は、第１の減算器１４に入力される。第１の減算器１４には、トルクセンサ３から出力される操舵トルク信号Ｔｈｓも入力され、この第１の減算器１４は、規範操舵トルクＴｈ^＊と操舵トルク信号Ｔｈｓの値（以下「操舵トルク検出値」といい、これも符号“Ｔｈｓ”で表すものとする）との差であるトルク偏差ΔＴ＝Ｔｈ^＊−Ｔｈを出力する。
【００１８】
このトルク偏差ΔＴはトルク／電流変換要素１６に入力され、トルク／電流変換要素１６は、そのトルク偏差ΔＴに対応する電流値を、モータ６に流すべき電流の目標値Ｉｍ^＊として出力する。このトルク／電流変換要素１６の伝達関数Ｇｔは、
Ｇｔ＝１／Ｋｔ　…（１）
とすればよい。ただし、Ｋｔはモータ６のモータトルク定数である。なお、位相進み要素とローパスフィルタの機能を持たせるべく、上記トルク／電流変換要素１６の伝達関数として、上記式（１）に代えて次式で示される伝達関数を使用してもよい。
Ｇｔ＝（１／Ｋｔ）（ｃｓ＋１）／（ａｓ^２＋ｂｓ＋１）　…（２）
ここで、ｓはラプラス演算子であり、ａ，ｂ，ｃは、位相進み要素による安定度改善とローパスフィルタによる不要高周波成分除去とを考慮して実験的または理論的に適切な値が決定されるべき定数である。
【００１９】
上記トルク／電流変換要素１６から出力される電流目標値Ｉｍ^＊は、第２の減算器１８に入力される。第２の減算器１８には、電流検出器３６（図２参照）で検出された電流検出値Ｉｍも入力される。そして、この第２の減算器１８は、電流目標値Ｉｍ^＊と電流検出値Ｉｍとの差である電流偏差ΔＩ＝Ｉｍ^＊−Ｉｍを算出する。この電流偏差ΔＩは電流制御部２０に入力される。
【００２０】
電流制御部２０は、この電流偏差ΔＩ＝Ｉｍ^＊−Ｉｍに基づくフィードバック制御のための制御演算（通常は比例積分演算）を行うことにより電圧指令値Ｖｍ^＊を算出する。ただし、操舵トルク検出値Ｔｈｓが規範操舵トルクＴｈ^＊よりも大きい場合に運転者によるハンドル操作を補助する方向にモータ６がアシストトルク（操舵補助力）を発生するように、モータ６への印加電圧の極性すなわち電圧指令値Ｖｍ^＊の正負が決定されるものとする。
【００２１】
上記電流制御部２０によって算出された電圧指令値Ｖｍ^＊は、モータ６に相当する２つの伝達要素のうち第１の伝達要素６１に入力される。この第１の伝達要素６１は、入力された電圧指令値Ｖｍ^＊に応じて電流値Ｉｍを出力し、その伝達関数は、
Ｇｍ＝１／（Ｌｓ＋Ｒ）　…（３）
である。ここで、ｓはラプラス演算子を、Ｌはモータ巻線インダクタンスを、Ｒはモータ巻線抵抗を、それぞれ表している。なお、既述のように実際には、電圧指令値Ｖｍ^＊はマイコン１０から出力されてＰＷＭ信号生成回路３２に入力され、そこで、電圧指令値Ｖｍ^＊に応じたデューティ比のＰＷＭ信号が生成される。そして、モータ駆動回路３４におけるスイッチング素子がそのＰＷＭ信号によってオン／オフされることで、電圧指令値Ｖｍ^＊に応じた電圧が生成され、この電圧がモータ６に印加される。この電圧印加によってモータ６に流れる電流は、電流検出器３６によって電流検出値Ｉｍとして検出され、この電流検出値Ｉｍは上述のように減算器１８に入力される。
【００２２】
モータ６は、上記電流検出値Ｉｍに応じたトルクを発生する。これは、モータ制御の観点から見ると、第２のモータ伝達要素６２が上記電流値（電流検出値）Ｉｍを入力しアシストトルク値Ｔｍを出力することに相当する。この第２のモータ伝達要素６２の伝達関数はモータトルク定数Ｋｔである。なお、第２のモータ伝達要素６２から出力されるアシストトルク値Ｔｍのトルクは、操舵補助力に相当するアシストトルクである。
【００２３】
＜３．規範操舵トルクの算出＞
舵角δと車両のヨーレートγとは、車両の定常円旋回時の関係式である次式によって関係付けられる。
γ＝ｆ１（δ，Ｖ）＝［Ｖ／（１＋Ａ・Ｖ^２）］［δ／（Ｌ・Ｎ）］　　…（４）
ここで、Ｖは車速を、Ａは車両特有の定数であるスタビリティファクタを、Ｌは車両のホイールベースを、Ｎはステアリングギヤレシオを、それぞれ示すものとする。
【００２４】
一般に、操舵トルクＴｈと車両挙動との関係は、操舵トルクＴｈとヨーレートγおよび車速Ｖとの関係、すなわち次式
Ｔｈ＝ｆ２（γ，Ｖ）　…（５）
によって表すことができる。そこで本実施形態では、良好な操舵フィーリングが得られるように、操舵トルクＴｈとヨーレートγおよび車速Ｖとの関係を決定する。例えば、下記に示すような式を使用することにより、操舵トルクＴｈとヨーレートγおよび車速Ｖとの関係を決定する。
γ＝（ａ・Ｔｈ^３＋ｂ・Ｔｈ）／Ｖ　　…（６）
ここで、ａとｂは、良好な操舵フィーリングが得られるように実験等に基づき適切に設定すべき定数である。
【００２５】
上記式（４）と（５）より、操舵トルクＴｈと舵角δおよび車速Ｖとの関係を与える下記の式が得られる。
Ｔｈ＝ｆ（δ，Ｖ）　　…（７）
上記式（７）における関数ｆ（δ，Ｖ）が規範操舵トルク演算部１２において保持されるべき関数である。既述のように規範操舵トルク演算部１２は、δ＝δｓ、Ｖ＝Ｖｓのときのこの関数ｆ（δ，Ｖ）の値を、規範操舵トルクＴｈ^＊として算出する。すなわち、Ｔｈ^＊＝ｆ（δｓ，Ｖｓ）である。
【００２６】
なお、上記式（７）に対して動特性を考慮し下記の式を使用してもよい。
Ｔｈ＝ｆ（δ，Ｖ）＋Ｊ・（ｄ^２δ／ｄｔ^２）＋Ｃ・（ｄδ／ｄｔ）＋Ｆ・ｓｇｎ（ｄδ／ｄｔ）　…（８）
ここで、Ｊ・（ｄ^２δ／ｄｔ^２）は慣性項を、Ｃ・（ｄδ／ｄｔ）は粘性項を、Ｆ・ｓｇｎ（ｄδ／ｄｔ）は摩擦項を、それぞれ示している。この場合、規範操舵トルク演算部１２は、式（７）に代えて式（８）を用いて規範操舵トルクＴｈ^＊を算出することになる。なお、Ｊ，Ｃ，Ｆは係数であり、ｓｇｎ（ｄδ／ｄｔ）はｄδ／ｄｔの符号を示す。
【００２７】
＜４．作用および効果＞
上記実施形態によれば、規範操舵トルクＴｈ^＊と操舵トルク検出値Ｔｈｓとの差であるトルク偏差ΔＴに応じて電流目標値Ｉｍ^＊が決定され、その電流目標値Ｉｍ^＊の電流がモータ６に流れるようにフィードバック制御が行われる。これにより、運転者が操舵操作のために加える操舵トルクが規範操舵トルクＴｈ^＊にほぼ等しくなる。なお、図３に示した構成では、操舵トルク検出値Ｔｈｓが規範操舵トルクＴｈ^＊に等しくなると電流目標値Ｉｍ^＊が“０”となるが、トルク偏差ΔＴ＝Ｔｈ^＊−Ｔｈについては実際には定常偏差が生じ、ハンドル操作中には、通常、電流目標値Ｉｍ^＊は“０”とはならずモータ６はアシストトルクを発生する。
【００２８】
ここで、規範操舵トルクＴｈ^＊は、ヨーレートγと所定の関係すなわち良好な操舵フィーリングが得られるような関係を有するように（式（５）（６）参照）、舵角検出値δｓおよび車速検出値Ｖｓの関数として与えられる（式（７）参照）。したがって、上記のように実際の操舵トルクＴｈが概ね規範操舵トルクＴｈ^＊に等しくなるようにモータ６の駆動が制御されると、式（５）によって決定される所望の車両挙動が得られるように、舵角δによって操舵トルクＴｈが規定され、舵角δと操舵トルクＴｈとの間における所定の関係（式（７）参照）が維持される。これにより、例えば、路面摩擦係数が小さいとき、モータ６による過剰なアシストトルクの発生によって運転者がハンドルを切り過ぎるという事態を回避することができる。このようにして上記実施形態によれば、良好な操舵フィーリングを確保しつつ、道路状況の変化等の外乱があっても車両挙動を安定に保持することが可能となる。
【００２９】
＜５．変形例＞
上記実施形態では、実際の操舵トルクＴｈがヨーレートγと所定の関係を有するように、舵角δと車速Ｖの関数として与えられる規範操舵トルクＴｈ^＊に操舵トルク検出値Ｔｈｓがほぼ等しくなるようにモータ６が駆動制御される。しかし、本発明の構成は、これに限定されるものではなく、実際の操舵トルクＴｈがヨーレートγと所定の関係を有するようにモータ６が駆動制御される構成であれば、他の構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。
【図２】上記実施形態に係る電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵのハードウェア構成を示すブロック図である。
【図３】上記実施形態に係る電動パワーステアリング装置におけるモータ制御のための構成を示すブロック線図である。
【図４】従来の電動パワーステアリング装置におけるモータ制御のための構成を示すブロック線図である。
【符号の説明】
２　　…舵角センサ
３　　…トルクセンサ
４　　…車速センサ
５　　…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６　　…モータ
１０　…マイクロコンピュータ（モータ制御部）
１２　…規範操舵トルク演算部
１４　…第１の減算器
１６　…トルク／電流変換要素（制御演算手段，電流目標値演算手段）
１８　…第２の減算器
２０　…電流制御部（制御演算手段，電圧指令値演算手段）
３２　…ＰＷＭ信号生成回路
３４　…モータ駆動回路
３６　…電流検出器
６１　…第１のモータ伝達要素
６２　…第２のモータ伝達要素
Ｉｍ^＊　…電流目標値
Ｉｍ　…電流検出値
Ｖｍ^＊　…電圧指令値
Ｔｈｓ　…操舵トルク信号（操舵トルク検出値）
Ｔｈ^＊　…規範操舵トルク
Ｔｍ　…アシストトルク値
Ｖｓ　…車速信号（車速検出値）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric power steering device that applies a steering assist force to a steering mechanism of a vehicle by driving an electric motor in accordance with an operation for steering the vehicle.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an electric power steering device that applies a steering assist force to a steering mechanism by driving an electric motor according to a steering torque applied to a steering wheel (steering wheel) by a driver has been used. FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of motor control in the electric power steering device. As shown in this figure, the conventional electric power steering apparatus includes a torque sensor 3, a vehicle speed sensor 4, a target current calculator 22, a subtractor 24, and a current controller 26 from the viewpoint of motor control. And two transmission elements 61 and 62 corresponding to the electric motor 6 (hereinafter, the former is referred to as a “first motor transmission element” and the latter is referred to as a “second motor transmission element”). The transfer function of the first motor transfer element 61 is 1 / (Ls + R), and the transfer function of the second motor transfer element 62 is Kt. Here, s represents a Laplace operator, L represents a motor winding inductance, R represents a motor winding resistance, and Kt represents a motor torque constant.
[0003]
In the above-described conventional electric power steering apparatus, the target current calculator 22 calculates the target value of the current to be supplied to the electric motor 6 based on the steering torque Ths detected by the torque sensor 3 and the vehicle speed Vs detected by the vehicle speed sensor 4. Set Im ^* . The subtractor 24 calculates a difference Im ^* −Im between the current target value Im ^* and the current value Im actually flowing through the electric motor 6, and the current control unit 26 calculates a driving means of the electric motor 6 based on the difference. generating a voltage command value Vm ^* to be applied to the (not shown). The driving unit includes, for example, a PWM signal generation circuit that generates a pulse width modulation signal (PWM signal) having a duty ratio according to the voltage command value Vm ^* , and a power that is turned on / off according to the duty ratio of the PWM signal. A voltage corresponding to the duty ratio, that is, a voltage corresponding to the voltage command value Vm ^* , is applied to the electric motor 6. The electric motor 6 generates a torque Tm according to the current (motor current) flowing through the motor winding by applying the voltage. The motor current is detected by a current detector (not shown), and the detected value Im is input to the subtractor 24. Then, the difference between the detected value Im and the current target value Im ^* is used as a deviation for generating the voltage command value Vm ^* as described above. In this way, the feedback control is performed so that the current of the target value Im ^* set based on the steering torque Ths and the vehicle speed Vs flows through the electric motor 6.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-10-329740
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional electric power steering apparatus, an appropriate steering assist force may not always be obtained due to disturbance or the like. For example, if the road surface friction coefficient decreases during traveling, the steering assist may be excessive. In this case, the driver may turn the steering wheel too much, resulting in unstable behavior of the vehicle.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide an electric power steering device that can stably maintain the vehicle behavior even when there is disturbance such as a change in road conditions while ensuring a good steering feeling.
[0007]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
A first invention is an electric power steering device that applies a steering assist force to a steering mechanism of a vehicle by driving an electric motor in accordance with an operation by an operation unit for steering a vehicle,
Torque detecting means for detecting a steering torque applied to the operating means and outputting a detected value of the steering torque;
The electric motor further includes a motor drive control unit that generates a steering assist force so that the detected steering torque has a predetermined relationship with the yaw rate of the vehicle.
[0008]
According to the first aspect, the drive of the electric motor is controlled so that the detected steering torque has a predetermined relationship with the yaw rate. Therefore, even if there is disturbance such as a change in road conditions, the detected steering torque is obtained. The relationship is maintained between (the steering torque actually applied by the driver) and the yaw rate. As a result, for example, when the road surface friction coefficient is small, it is possible to avoid a situation in which the driver excessively turns the steering wheel (operating means) due to the excessive steering assist force generated by the electric motor. Therefore, by appropriately setting the relationship between the steering torque and the yaw rate, the vehicle behavior can be stably maintained even if there is disturbance such as a change in road conditions while ensuring a good steering feeling.
[0009]
In a second aspect, in the first aspect,
A steering angle detection unit that detects a steering angle that is an operation amount for the operation unit and outputs a detection value of the steering angle;
Vehicle speed detecting means for detecting a vehicle speed that is the traveling speed of the vehicle and outputting a detected value of the vehicle speed,
The motor drive control means,
Reference steering torque calculation means for obtaining a steering torque having the predetermined relationship with the yaw rate of the vehicle as a reference steering torque based on the steering angle detection value and the vehicle speed detection value,
Control arithmetic means for calculating a voltage command value for performing feedback control on the electric motor so that the steering torque detection value is substantially the same as the reference steering torque;
Motor driving means for applying the voltage of the voltage command value to the electric motor.
[0010]
According to the second aspect, the driving of the electric motor is controlled so that the steering torque detection value becomes substantially the same as the reference steering torque determined based on the steering angle detection value and the vehicle speed detection value. The predetermined relationship between the detected steering torque value and the yaw rate is maintained even when there is disturbance such as a change in the steering torque. Thereby, the same effect as that of the first aspect can be obtained.
[0011]
In a third aspect, in the second aspect,
Current detection means for detecting a current flowing through the electric motor and outputting a detection value of the current,
The control operation means,
Current target value calculating means for calculating a target value of a current to be supplied to the electric motor to make the steering torque detection value substantially the same as the reference steering torque;
Voltage command value calculating means for calculating the voltage command value based on a deviation between the current target value and the current detection value.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<1. Overall Configuration>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an electric power steering apparatus according to an embodiment of the present invention, together with a vehicle configuration related thereto. This electric power steering apparatus includes a steering shaft 102 having one end fixed to a steering wheel (steering wheel) 100 as an operating means for steering, a rack and pinion mechanism 104 connected to the other end of the steering shaft 102, A steering angle sensor 2 for detecting a steering angle of the steering wheel 100, a torque sensor 3 for detecting a steering torque applied to the steering shaft 102 by operating the steering wheel 100, and a driver for reducing the load on the driver in steering operation (steering operation). An electric motor 6 that generates a steering assist force, a reduction gear 7 that transmits the steering assist force to a steering shaft 102, and a power supply from an in-vehicle battery 8 via an ignition switch 9, and the steering angle sensor 2 and torque Sensor signals from sensor 3 and vehicle speed sensor 4 Based and an electronic control unit (ECU) 5 for controlling the driving of the motor 6. When the driver operates the steering wheel 100 in a vehicle equipped with such an electric power steering device, a steering torque due to the operation is detected by the torque sensor 3, and the detected steering torque and the vehicle speed detected by the vehicle speed sensor 4 are compared. The motor 6 is driven by the ECU 5 based on the steering angle detected by the steering angle sensor 2. As a result, the motor 6 generates a steering assist force, and the steering assist force is applied to the steering shaft 102 via the reduction gear 7, whereby the load on the driver in steering operation is reduced. That is, the sum of the steering torque applied by operating the steering wheel and the assist torque generated by the steering assist force generated by the motor 6 is provided to the rack and pinion mechanism 104 via the steering shaft 102 as the output torque. As a result, when the pinion shaft rotates, the rotation is converted by the rack and pinion mechanism 104 into a reciprocating motion of the rack shaft. Both ends of the rack shaft are connected to wheels 108 via a connecting member 106 composed of a tie rod and a knuckle arm, and the direction of the wheels (steering wheels) 108 changes according to the reciprocating motion of the rack shaft.
[0013]
<2. Configuration for Motor Control>
FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of the ECU 5 in the electric power steering device. The ECU 5 includes a microcomputer (hereinafter, referred to as a “microcomputer”) 10, a PWM signal generation circuit 32, a motor drive circuit 34, and a current detector 36. A signal δs, a steering torque signal Ths from the torque sensor 3, and a vehicle speed signal Vs from the vehicle speed sensor 4 are input. In the ECU 5, the current detector 36 detects a current supplied to the motor 6, that is, a motor current, and outputs a detection result as a current detection value Im. This current detection value Im is also input to the microcomputer 10. The microcomputer 10 functions as a motor control unit by executing a program stored in its internal memory. That is, based on the steering angle signal δs, the steering torque signal Ths, the vehicle speed signal Vs, and the current detection value Im, a voltage command value that is a voltage value to be applied to the motor 6 so that the motor 6 generates an appropriate steering assist force. Calculate Vm ^* . The PWM signal generation circuit 32 generates a PWM signal whose duty ratio changes according to the voltage command value Vm ^* , and supplies the PWM signal to the motor drive circuit 34. The motor drive circuit 34 is configured using a plurality of power transistors as switching elements, and these switching elements are turned on / off by the PWM signal generated by the PWM signal generation circuit 32. Thereby, the motor drive circuit 34 generates a voltage corresponding to the voltage command value Vm ^*, and applies the voltage to the motor 6.
[0014]
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration for motor control in the electric power steering device according to the present embodiment. As shown in this figure, from the viewpoint of motor control, this electric power steering apparatus includes a steering angle sensor 2, a torque sensor 3, a vehicle speed sensor 4, a reference steering torque calculator 12, a first subtraction , A torque / current conversion element 16 which is a transmission element for converting a torque value to a current value, a second subtractor 18, a current control unit 20, and a second transmission element which is two transmission elements corresponding to the motor 6. It comprises a first motor transmission element 61 and a second motor transmission element 62. Among these components, the reference steering torque calculation unit 12, the first subtractor 14, the torque / current conversion element 16, the second subtractor 18, and the current control unit 20 are stored in an internal memory of the microcomputer 10. The above-described predetermined program is executed to realize the software. Note that, among the components shown in FIG. 3, the same components as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
[0015]
In the above configuration shown in FIG. 3, the steering angle signal δs output from the steering angle sensor 2 and the vehicle speed signal Vs output from the vehicle speed sensor 4 are both input to the reference steering torque calculator 12. Hereinafter, the value of the steering angle signal δs is referred to as “steering angle detection value”, which is also represented by a symbol “δs”, and the value of the vehicle speed signal Vs is also referred to as “vehicle speed detection value”, which is also represented by a symbol “Vs” Shall be.
[0016]
The reference steering torque calculation unit 12 holds a predetermined function f (δ, V) as a function of the steering angle δ and the vehicle speed V, δ = δs (steering angle detection value), and V = Vs (vehicle speed). The value of the function f (δ, V) at the time of (detection value) is calculated as the reference steering torque Th ^* . Details of the calculation of the reference steering torque Th ^* by the reference steering torque calculation unit 12 will be described later. Note that a map corresponding to the function f (δ, V), that is, a map giving the relationship between the reference steering torque Th ^* , the steering angle δ, and the vehicle speed V is stored in advance in a memory in the microcomputer 10, and the reference steering torque calculation is performed. The reference steering torque Th ^* may be obtained from the steering angle detection value δs and the vehicle speed detection value Vs by the unit 12 using the map instead of the function f (δ, V).
[0017]
The reference steering torque Th ^* calculated as described above is input to the first subtractor 14. The steering torque signal Ths output from the torque sensor 3 is also input to the first subtractor 14, and the first subtractor 14 determines the reference steering torque Th ^* and the value of the steering torque signal Ths (hereinafter referred to as "steering torque"). called detected value ", which also outputs the torque deviation ΔT ⁼ Th * -Th is the difference between the assumed represented by reference numeral" Ths ").
[0018]
The torque deviation ΔT is input to the torque / current conversion element 16, and the torque / current conversion element 16 outputs a current value corresponding to the torque deviation ΔT as a target value Im ^* of a current to be passed through the motor 6. The transfer function Gt of the torque / current conversion element 16 is
Gt = 1 / Kt (1)
And it is sufficient. Here, Kt is a motor torque constant of the motor 6. In order to provide the functions of the phase lead element and the low-pass filter, a transfer function represented by the following equation may be used instead of the equation (1) as the transfer function of the torque / current conversion element 16.
Gt = (1 / Kt) (cs + 1) / (as ² + bs + 1) (2)
Here, s is a Laplace operator, and a, b, and c are experimentally or theoretically appropriate values determined in consideration of stability improvement by a phase lead element and removal of unnecessary high-frequency components by a low-pass filter. Is a constant that should be.
[0019]
The target current value Im ^* output from the torque / current conversion element 16 is input to the second subtractor 18. The current detection value Im detected by the current detector 36 (see FIG. 2) is also input to the second subtractor 18. Then, the second subtractor 18 calculates a current deviation ΔI = Im ^* −Im, which is a difference between the current target value Im ^* and the current detection value Im. This current deviation ΔI is input to the current control unit 20.
[0020]
The current control unit 20 calculates a voltage command value Vm ^* by performing a control operation (normally, a proportional integral operation) for feedback control based on the current deviation ΔI = Im ^* −Im. However, when the detected steering torque Ths is larger than the reference steering torque Th ^* , the voltage applied to the motor 6 is adjusted so that the motor 6 generates an assist torque (steering assist force) in a direction to assist the driver in operating the steering wheel. , That is, the polarity of the voltage command value Vm ^* is determined.
[0021]
The voltage command value Vm ^* calculated by the current control unit 20 is input to the first transmission element 61 of the two transmission elements corresponding to the motor 6. The first transfer element 61 outputs a current value Im according to the input voltage command value Vm ^* , and its transfer function is
Gm = 1 / (Ls + R) (3)
It is. Here, s represents a Laplace operator, L represents a motor winding inductance, and R represents a motor winding resistance. As described above, actually, the voltage command value Vm ^* is output from the microcomputer 10 and input to the PWM signal generation circuit 32, where a PWM signal having a duty ratio corresponding to the voltage command value Vm ^* is generated. You. When the switching element in the motor drive circuit 34 is turned on / off by the PWM signal, a voltage corresponding to the voltage command value Vm ^* is generated, and this voltage is applied to the motor 6. The current flowing through the motor 6 due to this voltage application is detected by the current detector 36 as a current detection value Im, and the current detection value Im is input to the subtracter 18 as described above.
[0022]
The motor 6 generates a torque according to the current detection value Im. This corresponds to that the second motor transmission element 62 inputs the current value (current detection value) Im and outputs the assist torque value Tm from the viewpoint of motor control. The transfer function of the second motor transfer element 62 is a motor torque constant Kt. Note that the torque of the assist torque value Tm output from the second motor transmission element 62 is an assist torque corresponding to the steering assist force.
[0023]
<3. Calculation of reference steering torque>
The steering angle δ and the yaw rate γ of the vehicle are related by the following equation, which is a relational expression when the vehicle is making a steady circular turn.
γ = f1 (δ, V) = [V / (1 + A · V ² )] [δ / (L · N)] (4)
Here, V indicates the vehicle speed, A indicates a stability factor which is a constant specific to the vehicle, L indicates the wheelbase of the vehicle, and N indicates the steering gear ratio.
[0024]
Generally, the relationship between the steering torque Th and the vehicle behavior is the relationship between the steering torque Th, the yaw rate γ, and the vehicle speed V, that is, the following equation: Th = f2 (γ, V) (5)
Can be represented by Therefore, in the present embodiment, the relationship between the steering torque Th, the yaw rate γ, and the vehicle speed V is determined so that a good steering feeling is obtained. For example, the relationship between the steering torque Th, the yaw rate γ, and the vehicle speed V is determined by using the following equation.
γ = (a · Th ³ + b · Th) / V (6)
Here, a and b are constants that should be appropriately set based on experiments or the like so as to obtain a good steering feeling.
[0025]
From the above equations (4) and (5), the following equations giving the relationship between the steering torque Th, the steering angle δ, and the vehicle speed V are obtained.
Th = f (δ, V) (7)
The function f (δ, V) in the above equation (7) is a function to be held in the reference steering torque calculator 12. As described above, the reference steering torque calculation unit 12 calculates the value of the function f (δ, V) when δ = δs and V = Vs as the reference steering torque Th ^* . That is, Th ^* = f (δs, Vs).
[0026]
Note that the following equation may be used in consideration of the dynamic characteristics with respect to equation (7).
Th = f (δ, V) + J · (d ² δ / dt ² ) + C · (d δ / dt) + F · sgn (d δ / dt) (8)
Here, J · (d ² δ / dt ² ) denotes an inertia term, C · (d δ / dt) denotes a viscous term, and F · sgn (d δ / dt) denotes a friction term. In this case, the reference steering torque calculation unit 12 calculates the reference steering torque Th ^* using Expression (8) instead of Expression (7). Note that J, C, and F are coefficients, and sgn (dδ / dt) indicates the sign of dδ / dt.
[0027]
<4. Action and Effect>
According to the above embodiment, the current target value Im ^* is determined according to the torque deviation ΔT that is the difference between the reference steering torque Th ^* and the detected steering torque Ths, and the current of the current target value Im ^* is supplied to the motor 6. Feedback control is performed so as to flow. Accordingly, the steering torque applied by the driver for the steering operation becomes substantially equal to the reference steering torque Th ^* . In the configuration shown in FIG. 3, when the detected steering torque Ths becomes equal to the reference steering torque Th ^* , the current target value Im ^* becomes “0”. However, the torque deviation ΔT = Th ^* −Th is actually When a steering error occurs, the current target value Im ^* does not normally become "0" during steering operation, and the motor 6 generates assist torque.
[0028]
Here, the standard steering torque Th ^* has a predetermined relationship with the yaw rate γ, that is, a relationship such that a good steering feeling can be obtained (see the equations (5) and (6)), and the steering angle detection value δs and the vehicle speed are used. It is given as a function of the detection value Vs (see equation (7)). Accordingly, when the driving of the motor 6 is controlled such that the actual steering torque Th is substantially equal to the reference steering torque Th ^* as described above, the desired vehicle behavior determined by the equation (5) is obtained. , The steering torque Th is defined by the steering angle δ, and a predetermined relationship (see equation (7)) between the steering angle δ and the steering torque Th is maintained. Thus, for example, when the road surface friction coefficient is small, it is possible to avoid a situation in which the driver excessively turns the steering wheel due to the excessive assist torque generated by the motor 6. In this manner, according to the above-described embodiment, it is possible to stably maintain the vehicle behavior even when there is disturbance such as a change in road conditions while ensuring a good steering feeling.
[0029]
<5. Modification>
In the above embodiment, the detected steering torque Ths is made substantially equal to the reference steering torque Th ^* given as a function of the steering angle δ and the vehicle speed V so that the actual steering torque Th has a predetermined relationship with the yaw rate γ. The drive of the motor 6 is controlled. However, the configuration of the present invention is not limited to this, but may be any other configuration as long as the motor 6 is drive-controlled so that the actual steering torque Th has a predetermined relationship with the yaw rate γ. You may.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an electric power steering device according to an embodiment of the present invention, together with a vehicle configuration related thereto.
FIG. 2 is a block diagram showing a hardware configuration of an ECU which is a control device in the electric power steering device according to the embodiment.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration for motor control in the electric power steering device according to the embodiment.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration for motor control in a conventional electric power steering device.
[Explanation of symbols]
2 ... steering angle sensor 3 ... torque sensor 4 ... vehicle speed sensor 5 ... electronic control unit (ECU)
6 Motor 10 Microcomputer (motor control unit)
12 Reference steering torque calculation unit 14 First subtractor 16 Torque / current conversion element (control calculation means, current target value calculation means)
18 second subtractor 20 current control unit (control calculation means, voltage command value calculation means)
32 PWM signal generation circuit 34 Motor drive circuit 36 Current detector 61 First motor transmission element 62 Second motor transmission element Im ^* Current target value Im Current detection value Vm ^* Voltage command value Ths … Steering torque signal (steering torque detection value)
Th ^* : standard steering torque Tm: assist torque value Vs: vehicle speed signal (vehicle speed detection value)

Claims

車両操舵のための操作手段による操作に応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記操作手段に加えられる操舵トルクを検出し当該操舵トルクの検出値を出力するトルク検出手段と、
前記操舵トルク検出値が前記車両のヨーレートと所定の関係を有するように前記電動モータに操舵補助力を発生させるモータ駆動制御手段と
を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。An electric power steering device that applies a steering assist force to a steering mechanism of the vehicle by driving an electric motor in accordance with an operation by an operation unit for steering a vehicle,
Torque detecting means for detecting a steering torque applied to the operating means and outputting a detected value of the steering torque;
An electric power steering apparatus comprising: a motor drive control unit that generates a steering assist force to the electric motor such that the steering torque detection value has a predetermined relationship with a yaw rate of the vehicle.

前記操作手段に対する操作量である舵角を検出し当該舵角の検出値を出力する舵角検出手段と、
前記車両の走行速度である車速を検出し当該車速の検出値を出力する車速検出手段とを更に備え、
前記モータ駆動制御手段は、
前記車両のヨーレートと前記所定の関係を有する操舵トルクを、前記舵角検出値および前記車速検出値に基づき規範操舵トルクとして求める規範操舵トルク演算手段と、
前記操舵トルク検出値が前記規範操舵トルクと略同一となるように前記電動モータに対しフィードバック制御を行うための電圧指令値を算出する制御演算手段と、
前記電圧指令値の電圧を前記電動モータに印加するモータ駆動手段と
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。Steering angle detection means for detecting a steering angle which is an operation amount for the operation means and outputting a detection value of the steering angle;
Vehicle speed detecting means for detecting a vehicle speed that is the traveling speed of the vehicle and outputting a detected value of the vehicle speed,
The motor drive control means,
Reference steering torque calculation means for obtaining a steering torque having the predetermined relationship with the yaw rate of the vehicle as a reference steering torque based on the steering angle detection value and the vehicle speed detection value,
Control arithmetic means for calculating a voltage command value for performing feedback control on the electric motor so that the steering torque detection value is substantially the same as the reference steering torque;
The electric power steering apparatus according to claim 1, further comprising: a motor driving unit that applies the voltage of the voltage command value to the electric motor.

前記電動モータに流れる電流を検出し当該電流の検出値を出力する電流検出手段を更に備え、
前記制御演算手段は、
前記操舵トルク検出値を前記規範操舵トルクと略同一とするために前記電動モータに流すべき電流の目標値を算出する電流目標値演算手段と、
前記電流目標値と前記電流検出値との偏差に基づき前記電圧指令値を算出する電圧指令値演算手段と
を有することを特徴とする、請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。Current detection means for detecting a current flowing through the electric motor and outputting a detection value of the current,
The control operation means,
Current target value calculating means for calculating a target value of a current to be supplied to the electric motor to make the steering torque detection value substantially the same as the reference steering torque;
The electric power steering apparatus according to claim 2, further comprising: a voltage command value calculating unit that calculates the voltage command value based on a deviation between the current target value and the current detection value.