JP2005247201A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 演算負荷の増大を抑制しつつ位相補償のようなフィルタの設計自由度を確保して、例えば共振の抑制と通常操舵速度領域でのアシストの応答性を両立させる。
【解決手段】 電動パワーステアリング装置において、共振を抑制する伝達関数Ｇ_１（ｓ）を持つ帯域阻止フィルタ１５ａと、伝達関数がＧ_２（ｓ）である位相補償器１５ｂとを備え、前記Ｇ_１（ｓ）は、下記式（１−１）で表され、
（ｓ^２＋２ζ_１１ω_１＋ω_１ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_１２ω_１＋ω_１ ^２） ……（１−１）
前記Ｇ_２（ｓ）は、下記式（２−１）で表され、
（ｓ^２＋２ζ_２１ω_２＋ω_２ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_２２ω_２＋ω_２ ^２） ……（２−１）
前記ζ_２１，ζ_２２は、下記式（２−２）を満足する。
ζ_２１ ≧ ζ_２２ ≧ １ ……（２−２）
【選択図】 図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

電動パワーステアリング装置は、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基づいて電動モータを駆動することにより操舵機構に操舵補助トルクを与えるものである。より具体的には、電動パワーステアリング装置は、トルクセンサによって検出された操舵トルクに基づいて設定される目標値の電流が、操舵補助トルクを発生させる電動モータに流れるように電流制御（フィードバック制御）を行う。

特許文献１には、電動パワーステアリング装置に、制御系の安定性を向上させるための安定補償器をトルクセンサの後段に設けたものが記載されている。特許文献１の安定補償器は、特性式をＧ（ｓ）＝（ｓ^２＋ａ_１ｓ＋ａ_２）／（ｓ^２＋ｂ_１ｓ＋ｂ_２）とするものであり、ここで、ｓはラプラス変換子、ａ_１，ａ_２，ａ_３，ａ_４は共振系の共振周波数により決定されるパラメータである。

また、本出願人は、特願２００３−３６５６号において、制御系としての安定性を確保しつつ応答性を改善するために、伝達関数Ｇｃ（ｓ）の帯域阻止フィルタと同型の位相補償手段を設けた電動パワーステアリング装置を提案している。前記伝達関数Ｇｃ（ｓ）はＧｃ（ｓ）＝（ｓ^２＋２ζ_２＋２ω_２ｓ＋ω_２ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_１ω_１ｓ＋ω_１ ^２）で表され、ここで、ζ_１は補償後の減衰係数、ζ_２は被補償系の減衰係数、ω_１は補償後の自然角周波数、ω_２は被補償系の自然角周波数である。Ｇｃ（ｓ）は、トルク開ループ伝達関数のゲイン特性において機械系固有振動とモータの逆起電力とに基づき現れるピークを低減または打ち消すような値に設定される。

前記位相補償手段のボード線図は、例えば、図７のようになる。図７の実線で示す位相特性から明らかなように、前記位相補償手段によれば、電動パワーステアリング装置の位相特性が落ち込み安定余裕が小さくなる２０Ｈｚよりも高い周波数域で、位相を進めることができるため、系の安定性を高めることができる。
また、伝達関数Ｇｃ（ｓ）によって表される位相補償手段は、帯域阻止フィルタと同型であるため、図７の実線で示すゲイン特性から明らかなように、系において生じる共振（共振周波数：１０〜３０Ｈｚ；図７のＡ付近）を抑制することができる。

ところが、前記位相補償手段において、共振を抑制する効果を過剰に追求すると、通常の操舵速度領域（図７のＢ付近の周波数域）において、ゲインが低下し、しかもアシスト（操舵補助）の応答遅れが大きくなり、操舵感に悪影響を及ぼす。
つまり、共振を抑制しようとして、位相補償手段の共振周波数におけるゲインをマイナス側に大きくすると、共振周波数付近だけでなく、共振周波数を中心として広い周波数域でゲインがマイナス側になってしまう（図７のゲイン特性の一点鎖線参照）、しかも、共振周波数よりも高い周波数域（図７のＡ付近）の位相進みは大きくなるが、共振周波数よりも低い周波数域（図７のＢ付近）の位相遅れが大きくなってしまう（図７の位相特性の一点鎖線参照）。

通常の操舵速度領域Ｂの応答遅れを最低限に抑え、しかも共振周波数のゲインを小さくするには、前記位相補償手段の伝達関数Ｇｃ（ｓ）において、ζ_２＜ζ_１＜１とする方法も考えられる。
しかし、この方法では、コントローラ（マイクロコンピュータ）の演算負荷が大きい浮動小数点演算が避けられず、高速処理が要求される電動パワーステアリングでは、実用性に欠ける。
特開平８−２９０７７８号公報

以上のように、伝達関数Ｇｃ（ｓ）では、共振の抑制と、通常の操舵速度領域でのアシストの応答性を両立させることが困難な場合があった。また、その他の所望の特性を得ようとしても演算負荷を抑えつつ設計の自由度を確保するのが困難であった。
そこで、本発明は、演算負荷の増大を抑制しつつ位相補償のようなフィルタの設計自由度を確保して、例えば共振の抑制と通常操舵速度領域でのアシストの応答性を両立させることを目的とする。

本発明は、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助トルクを発生するトルク制御系を有する電動パワーステアリング装置において、前記トルク制御系の位相特性又はゲイン特性を改善させるフィルタ部を備え、前記フィルタ部は、共振を抑制する伝達関数Ｇ_１（ｓ）を持つ第１フィルタと、伝達関数がＧ_２（ｓ）である第２フィルタとを含む多段フィルタとして構成され、前記Ｇ_１（ｓ）は、ｓ：ラプラス演算子、ζ_１１：減衰係数、ζ_１２：減衰係数、ω_１：角周波数とおいたときに下記式（１−１）で表され、
（ｓ^２＋２ζ_１１ω_１＋ω_１ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_１２ω_１＋ω_１ ^２） ……（１−１）
前記Ｇ_２（ｓ）は、ｓ：ラプラス演算子、ζ_２１：減衰係数、ζ_２２：減衰係数、ω_２：角周波数とおいたときに下記式（２−１）で表され、
（ｓ^２＋２ζ_２１ω_２＋ω_２ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_２２ω_２＋ω_２ ^２） ……（２−１）
前記ζ_２１，ζ_２２は、下記式（２−２）を満足する
ζ_２１ ≧ ζ_２２ ≧ １ ……（２−２）
ことを特徴とする。

本発明によれば、前記フィルタ部は、伝達関数がＧ_１（ｓ）である第１フィルタと、伝達関数がＧ_２（ｓ）である第２フィルタとを含む多段フィルタとして構成されており、フィルタ部全体としては、Ｇ_１（ｓ）とＧ_２（ｓ）を合成した特性を持つ。
そして、Ｇ_２（ｓ）はＧ_１（ｓ）を改善するようにフィルタ設計すれば、Ｇ_１（ｓ）単独でフィルタ設計するよりも、所望の特性を比較的簡単に得られる。また、各フィルタは２次の低い次数のままで演算負荷を小さくでき、実質的に４次のフィルタと同様に設計自由度が確保される。
よって、例えば、カットしたい共振周波数のゲインを高くすることなく、通常操舵速度領域である比較的低周波領域の位相遅れを小さくすることが簡単に行える。

前記ω_１，ω_２は、ω_１＝ω_２が好ましく、あるいはω_１≠ω_２であってもよい。ω_１＝ω_２とした場合、Ｇ_１（ｓ）とＧ_２（ｓ）とは対称的な特性となり設計が比較的容易である。また、ω_１≠ω_２とした場合には設計自由度が一層高まる。

本発明によれば、フィルタ部の演算負荷をあまり増大させることなく、所望の特性を得るための設計自由度が高まる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、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している。この電動パワーステアリング装置は、操舵部材としてのハンドル（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、を備えている。

ステアリングシャフト１０２が回転すると、その回転は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なる連結部材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１０８の向きが変わる。

また、電動パワーステアリング装置は、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、操舵補助トルクを発生させる電動モータ（ブラシレスモータ）６と、そのモータ６の発生する操舵補助トルク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から電源の供給を受けて、トルクセンサ３など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、その操舵トルクＴｓの検出値や車速などに基づいてＥＣＵ５によりモータ６が駆動され、操舵補助トルクが発生する。操舵補助トルクが減速ギヤ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、操舵操作による運転者の負担が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクＴｓと、モータ６の発生する操舵補助トルクＴａとの和が、出力トルクＴｂとして、ステアリングシャフト１０２に与えられて操舵が行われる。

図２は、電動パワーステアリング装置の制御装置としてのＥＣＵ５を中心とする要部構成を示すブロック図である。ＥＣＵ５には、ハンドル１００に加えられた操舵トルクを検出するトルクセンサ３および車速を検出する車速センサ４の出力信号が与えられる。
ＥＣＵ５は、マイクロコンピュータを含む構成であって、このマイクロコンピュータがプログラムを実行することにより複数の機能処理部を実質的に有し、制御対象であるステアリング装置に対するトルク制御を行うトルク制御系を構成している。
複数の機能処理部は、フィルタリング処理を行うフィルタ部１５を有し、さらに、トルク信号Ｔｓ及び車速センサ４から出力された車速信号に応じた目標電流値を設定する目標電流設定部１６と、目標電流設定部１６によって設定された目標電流に基づいて電動モータ６をフィードバック制御するモータ制御部１７とを含んでいる。

トルクセンサ３は、ハンドル１００の操作によって与えられる操舵トルクＴｓを検出する。すなわち、ステアリングシャフト１０２におけるハンドル１００側の部分と減速ギヤ７を介して操舵補助トルクＴａの加えられる部分との間にトーションバーが介装されており、トルクセンサ３は、そのトーションバーのねじれを検出することにより操舵トルクＴｓを検出する。このようにして検出された操舵トルクＴｓの検出値は、操舵トルク検出信号（以下、これも符号“Ｔｓ”で示すものとする）としてトルクセンサ３から出力され、ＥＣＵ５内の目標電流設定部１６に入力される。

目標電流設定部１６は、操舵トルク検出信号Ｔｓと、車速センサからの車速信号とに基づき、モータに供給すべき電流の目標値を算出し、目標電流値Ｉｔとして出力する。
フィルタ部１５は、この目標電流値Ｉｔに対してフィルタリング処理を施し、フィルタリング後の目標電流値をモータ制御部１７に与える。
モータ制御部１７は、与えられた目標電流値に対し、実際にモータ６に流れる電流値Ｉｓが一致するように電流制御を行う。その電流制御としては、例えば、目標電流値と実電流値Ｉｓとの偏差が打ち消されるようにモータ６に印加すべき電圧の指令値を算出する比例積分制御が行われる。モータ制御部１７は、その電圧指令値に応じてモータ６に電圧を印加する。
モータ６は、その電圧印加によって流れる電流に応じた操舵補助力としてのトルクＴｍを発生し、このトルクＴｍは、減速ギヤ７を介し操舵補助トルクＴａとしてステアリングシャフト１０２に伝達される。

前記フィルタ部１５は、系の共振を除去又は抑制するための共振除去（抑制）フィルタ部として構成されている。この共振除去フィルタ部１５は、第１フィルタとしての帯域阻止フィルタ１５ａと、第２フィルタとしての位相補償器１５ｂとを備えた二段フィルタとして構成されている。
帯域阻止フィルタ１５ａの伝達関数Ｇ_１（ｓ）は、下記式（１−１）の通りである。
Ｇ_１（ｓ）＝（ｓ^２＋２ζ_１１ω_１＋ω_１ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_１２ω_１＋ω_１ ^２） ……（１−１）
ここで、ｓ：ラプラス演算子、ζ_１１：減衰係数、ζ_１２：減衰係数、ω_１：角周波数
また、前記式（１−１）において、前記ζ_１１，ζ_１２は、電動パワーステアリング装置のトルク制御における共振を抑制するため下記式（１−２）（１−３）を満足する。
０ ＜ ζ_１１ ≦ １ ……（１−２）
ζ_１２ ≧ １ ……（１−３）

前記位相補償器１５ｂの伝達関数Ｇ_２（ｓ）は、帯域阻止フィルタ１５ａの伝達関数Ｇ_１（ｓ）と同型であり、下記式（２−１）の通りである。
Ｇ_２（ｓ）＝（ｓ^２＋２ζ_２１ω_２＋ω_２ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_２２ω_２＋ω_２ ^２） ……（２−１）
ここで、ｓ：ラプラス演算子、ζ_２１：減衰係数、ζ_２２：減衰係数、ω_２：角周波数
前記式（２−１）において、前記ζ_２１，ζ_２２は、通常の操舵領域での位相遅れを低減するために下記式（２−２）を満足する。
ζ_２１ ≧ ζ_２２ ≧ １ ……（２−２）
なお、前記ζ_２１，ζ_２２は、下記式（２−３）を満足するのがより好ましい。
ζ_２１ ＞ ζ_２２ ＞ １ ……（２−３）

図３は、比較例としての帯域阻止フィルタ型の位相補償器単独のボード線図（図３中の（ａ））と、帯域阻止フィルタ１５ａ及び位相補償器１５ｂの組み合わせとして構成された本発明に係るフィルタ部１５のボード線図（図３中の（ｂ））を例示している。
この図３により、帯域阻止フィルタ単独よりも、帯域阻止フィルタ１５ａ及び位相補償器１５ｂの組み合わせの方が、カットしたい共振周波数（１０〜３０Ｈｚ付近）のゲインを高くすることなく、通常操舵領域である比較的低周波領域（１〜３Ｈｚ付近）の位相遅れが小さくなるのが分かる。また、低周波領域におけるゲインが小さくなるのを防止できている。
このように、共振除去フィルタ部１５は、帯域阻止フィルタ単独よりも良好な特性が得られている。

図４は、帯域阻止フィルタ１５ａと位相補償器１５ｂの組合せとして構成された共振除去フィルタ部１５の考え方を示すボード線図である。図４においては、帯域阻止フィルタ１５ａ（伝達関数Ｇ_１（ｓ））のボード線図（図４中の（ｃ））と、位相補償器１５ｂ（伝達関数Ｇ_２（ｓ）；ζ_２１ ≧ ζ_２２ ≧ １）のボード線図（図４中の（ｄ））を例示している。
帯域阻止フィルタ１５ａは、共振周波数におけるゲインを小さくし、２０Ｈｚよりも高い周波数で位相を進めて安定性を高める特性を持っている。その一方、帯域阻止フィルタ１５ａ単独では、通常操舵領域である低周波数域（１〜３Ｈｚ付近）でのゲインの低下や位相遅れを生じさせる。

位相補償器１５ｂは、ζ_２１ ≧ ζ_２２ ≧ １としたため、ゲインの最大値は小さいが、位相の進みや遅れが生じる周波数領域が帯域阻止フィルタ１５ａよりも広くなり、共振周波数から離れた周波数の位相特性を改善するように作用する。すなわち、特性（ｄ）は、特性（ｃ）によって位相遅れを生じさせていた低周波数領域において位相進みを生じさせるが、共振周波数におけるゲインの最大値が特性（ｃ）によるゲイン抑制効果を打ち消すほど大きくないため、応答性の改善が可能となる。
このように、共振除去フィルタ部１５において所望の特性を得るには、帯域阻止フィルタ１５ａの特性（図４の（ｃ））を考慮しつつ、この位相補償器１５ｂの特性を適宜決定すればよいため、共振除去フィルタ部１５の設計が容易である。

図４の（ｂ）（図３の（ｂ）と同じ）に示すように、帯域阻止フィルタ１５ａと位相補償器１５ｂを合成した共振除去フィルタ部１５全体（伝達関数Ｇ_１（ｓ）・Ｇ_２（ｓ））では、共振を抑制しつつ、通常の操舵領域の周波数での位相遅れを低減し、アシストの応答性を良好にすることができる。また、ゲイン特性においても低周波数領域でのゲイン低下を打ち消すことができる。
また、ζ_２１ ≧ ζ_２２ ≧ １であるため、浮動小数点演算が避けられ、ＥＣＵ５の演算負荷を著しく小さくできる。
しかも、帯域阻止フィルタ１５ａに位相補償器１５ｂを追加しても、位相補償器１５ｂは、伝達関数が帯域阻止フィルタ１５ａと同型の２次であるため、その設計も容易である。さらに、２次の帯域阻止フィルタ１５ａに２次の位相補償器を追加したことで、共振除去フィルタ部１５は実質的に４次となっているが、２次と２次の組み合わせであれば、４次のフィルタを当初から設計するよりも設計が容易である。

図４に示す帯域阻止フィルタ１５ａと位相補償器１５ｂの特性（ｃ）（ｄ）は、ω_１＝ω_２としたものであり、０［ｄＢ］又は０［ｄｅｇ］を中心としてほぼ対称的な特性（ただし、大きさは異なる）となっている。したがって、共振除去フィルタ部１５全体の特性は、ω_１，ω_２を基点として線又は点対称的となっている。
また、求められる共振除去フィルタ部１５の特性によっては、ω_１とω_２を異なる値に設定してもよく、この場合、ω_１，ω_２を異なる値に設定することによって、共振除去フィルタ部１５の特性の自由度が高まる。

制御対象（２次遅れ系）の伝達関数Ｐ（ｓ）：
Ｐ（ｓ）＝（ω_１ ^２／（ｓ^２＋２ζω_１＋ω_１ ^２））・（ω_２／（ｓ＋ω_２））
ここで、ω_１＝１６．５×２π，ω_２＝３００×２π，ζ＝０．４の場合、制御対象のボード線図は、図５の（ｅ）のようになる。すなわち、制御対象では、１６．５Ｈｚで共振が生じ、高周波で位相遅れが生じている。

これに共振除去フィルタ部１５（伝達関数Ｇ_１（ｓ）・Ｇ_２（ｓ））を作用させる。
ただし、Ｇ_１（ｓ），Ｇ_２（ｓ）において、
ω_１＝１０×２π，ζ_１１＝０．５，ζ_１２＝１．１
ω_２＝ ６×２π，ζ_２１＝１．３，ζ_２２＝１．０５
この場合、共振除去フィルタ部１５のボード線図は、図５（ｆ）のようになり、制御対象に共振除去フィルタ部１５を作用させた場合の特性は、図５（ｇ）のようになる。

比較例として、制御対象（伝達関数Ｐ（ｓ））に、帯域阻止フィルタ１５ａ単独を作用させた場合のボード線図を図６に示す。図６において、（ｅ）は制御対象の特性であり、（ｈ）は帯域阻止フィルタ１５ａ単体の特性であり、（ｉ）は制御対象に帯域阻止フィルタ１５ａを作用させた場合の特性である。
実施例の特性である図５（ｇ）と、比較例の特性である図６（ｉ）を比較すると、いずれも共振が抑制されているが、通常操舵領域である低周波領域では、ゲイン・位相共に（ｉ）よりも（ｇ）の方が性能向上していることがわかる。

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。 電動パワーステアリング装置の要部構成を示すブロック図である。 帯域阻止フィルタ単独の特性と、本発明のフィルタ部の特性とを示すボード線図である。 共振除去フィルタ部及び共振除去フィルタ部の構成要素の特性を示すボード線図である。 制御対象の特性、本発明のフィルタ部の特性、及び制御対象にフィルタ部を作用させたときの特性を示すボード線図である。 制御対象の特性、帯域阻止フィルタ単独の特性、及び制御対象に帯域阻止フィルタを作用させたときの特性を示すボード線図である。 位相補償手段の特性を示すボード線図である。

符号の説明

１５ フィルタ部
１５ａ 帯域阻止フィルタ
１５ｂ 位相補償器

Claims (3)

1. 検出された操舵トルクに基づいて操舵補助トルクを発生するトルク制御系を有する電動パワーステアリング装置において、
   前記トルク制御系の位相特性又はゲイン特性を改善させるフィルタ部を備え、
   前記フィルタ部は、共振を抑制する伝達関数Ｇ_１（ｓ）を持つ第１フィルタと、伝達関数がＧ_２（ｓ）である第２フィルタとを含む多段フィルタとして構成され、
   前記Ｇ_１（ｓ）は、ｓ：ラプラス演算子、ζ_１１：減衰係数、ζ_１２：減衰係数、ω_１：角周波数とおいたときに下記式（１−１）で表され、
   （ｓ^２＋２ζ_１１ω_１＋ω_１ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_１２ω_１＋ω_１ ^２） ……（１−１）
   前記Ｇ_２（ｓ）は、ｓ：ラプラス演算子、ζ_２１：減衰係数、ζ_２２：減衰係数、ω_２：角周波数とおいたときに下記式（２−１）で表され、
   （ｓ^２＋２ζ_２１ω_２＋ω_２ ^２）／（ｓ^２＋２ζ_２２ω_２＋ω_２ ^２） ……（２−１）
   前記ζ_２１，ζ_２２は、下記式（２−２）を満足する
   ζ_２１ ≧ ζ_２２ ≧ １ ……（２−２）
   ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記ω_１，ω_２は、下記式（３）を満足する
   ω_１ ＝ ω_２ ……（３）
   ことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記ω_１，ω_２は、下記式（４）を満足する
   ω_１ ≠ ω_２ ……（４）
   ことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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