JP2008132918A - 車両用電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵者の意思に反してステアリング装置の操舵速度を減少させるような力（粘性感）を取り除くことができ、車両のヨー運動を確実に収斂させるとともに、操舵フィーリングの向上を図ることができる。
【解決手段】コントロールユニット１は、操舵トルク信号Ｔ及び車速信号Ｖとに基づいて操舵補助指令値Ｉを演算し、モータ電流検出回路１９でモータ電流値ｉを検出して、偏差（Ｉ−ｉ）がゼロとなるようにモータ３８の制御値Ｅを決定、モータの駆動電流を制御する。さらに、操舵角度演算器２４でモータ角速度ωを基にして操舵角速度＊θを算出し、ヨーレート微分演算器２５により前記操舵角速度＊θを微分して車両のヨーレートγの変化率を算出する。当該変化率は、ヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ２６３により操舵状態判定器２５の判定結果に応じて異なる値が乗じられ減算器１３にフィードバックされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与する車両用電動パワーステアリング装置の制御装置に係り、特に車両のヨーレートの収斂性を確保することのできる車両用電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

ステアリング装置に対してモータの回転力により操舵補助力を付与して、操舵者の操舵を支援する車両用電動パワーステアリング装置では、モータの駆動力を、減速機とギアまたはベルト等の伝導機構を介してステアリングシャフト、あるいはラック軸に伝達している。このような車両用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に、モータ電流のフィードバック制御を行っている。このフィードバック制御は、電流制御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の印加電圧を制御するものであり、一般にＰＷＭ（パルス幅変調）制御におけるデュ−ティ比の調整で行っている。

ここで、図６〜８にしたがって、従来の車両用電動パワーステアリング装置について説明する。
図６は、従来の車両用電動パワーステアリング装置の一般的な概略構成を示す図である。当該車両用電動パワーステアリング装置では、図６に示すように、ステアリングホイール３１の軸３２は減速ギア３３、ユニバーサルジョイント３４ａおよび３４ｂ、ラック＆ピニオン３５を経て車輪のタイロッド３６に結合されている。軸３２には、ステアリングホイール３１の操舵トルクを検出するトルクセンサ３７が付設されるとともに、ステアリングホイール３１の操舵力を補助するモータ３８が減速ギア３３を介して結合されている。

従来の車両用電動パワーステアリング装置の制御装置であるコントロールユニット（ＥＣＵ）５０には、バッテリ３９からイグニションキー４０を介して電力が供給され、トルクセンサ３７で検出された操舵トルク信号Ｔと、車速センサ４１で検出された車速信号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、この操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ３８を駆動するための電流（モータ出力トルクに相当）を制御する。

コントロールユニット５０は主としてＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェイス回路などから構成されており、システム内部に記憶されたプログラムを実行することによって車両用電動パワーステアリング装置を制御している。ここで、図７に従って、コントロールユニット５０の概略構成を説明する。

図７に示すとおり、トルクセンサ３７で検出された操舵トルク信号Ｔは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器５１で位相補償され、位相補償された操舵トルク信号ＴＡが操舵補助指令値演算器５２に入力される。また、車速センサ４１で検出された車速信号Ｖも操舵補助指令値演算器５２に入力される。操舵補助指令値演算器５２は、入力された操舵トルク信号ＴＡおよび車速センサ４１で検出された車速信号Ｖとに基づいて、モータ３８を駆動する操舵補助指令値（電流制御目標値）Ｉを決定する。当該操舵補助指令値Ｉは減算器５３に入力されるとともに、フィードフォーワード系の微分補償器５４に入力される。なお、当該微分補償器５４により制御系の応答速度が高められる。

減算器５３から出力される偏差（Ｉ−ｉ）は、比例演算器５５及び積分演算器５６に入力され、その比例出力および積分出力はともに加算器５７に入力される。ここで、積分演算器５６はフィードバック系の特性を改善するためのものである。加算器５７から出力される電流制御値Ｅは、モータ駆動信号としてモータ駆動回路５８に入力され、モータ３８の駆動電流ｉを生成する。これにより、モータ３８は前記駆動電流ｉが供給されて、ステアリング装置に操舵補助力を伝達し、操舵支援を実現している。なお、前記駆動電流ｉはモータ電流検出回路５９で検出され、検出されたモータ電流値ｉは減算器５３にフィードバックされている。

図８は、モータ駆動回路５８の概略構成を示す図である。図８に示すように、モータ駆動回路５８はＨブリッジ回路を構成する電界効果トランジスタＦＥＴ１〜４と、加算器５７から送られる電流制御値Ｅに基づいてＦＥＴ１〜４の各ゲートを駆動するＦＥＴゲート駆動回路５８１と、ＦＥＴ１、２のハイサイド側を駆動する昇圧電源５８２と、モータ３８に流れる電流を検出するためグランドとＦＥＴ３、４との間に挿入される抵抗素子Ｒ１、Ｒ２とを備えている。

ＦＥＴ１、２は、電流制御値Ｅに基づいて決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、実際にモータ３８に流れる電流ｉの大きさを制御する。ＦＥＴ３、４は、デューティ比Ｄ１の小さい領域では所定の１次関数式Ｄ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ（ただし、ａ，ｂは定数）で定義されるデューティ比Ｄ２のＰＷＭ信号で駆動され、デューティ比Ｄ２も１００％に達した後は、ＰＷＭ信号の符号により決定されるモータ３８の回転方向に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。

上述のような車両用電動パワーステアリング装置の制御装置において、操舵者がステアリング装置を急速に操作した際に適度な手応えを生じるようにした例として、車両のヨーレートの変化率を検出し、検出した変化率に基づいてヨーレートにダンピングを付与するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、モータの角速度の高周波成分を抽出した信号に基づいてステアリング系のダンピング（粘性摩擦）を補償する手段と、操舵トルク信号とモータ角速度とに基づいて操舵状態を判定する手段を備え、操舵状態に応じて粘性摩擦補償値の特性を切り換えるようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−９５１３２号公報 特許第３５２７４６９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の車両用電動パワーステアリング装置の制御装置では、ヨーレートに対し常時同じようなダンピングを付与している構成であり、ステアリング装置の切り増し時においてもヨーレートダンピング制御が働くこととなる。その結果、操舵者の意思とは反してステアリング装置の操舵速度を減少させるような力を感じ（粘性感）、操舵フィーリングが損なわれたと感じるきらいがあり、改善の余地があった。

一方、特許文献２に記載の車両用電動パワーステアリング装置の制御装置では、操舵状態に応じて粘性摩擦補償値の特性を切り換えるので、ステアリング装置の切り増し状態および切り戻し状態に応じてダンピング制御が機能するが、ヨーレートの変化率を考慮したものではないため、操舵フィーリングの点で問題があった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、操舵者の意思を阻害することなく、車両のヨー運動を確実に収斂させるとともに、操舵フィーリングの向上を図ることのできる車両用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。

前述した目的を達成するために、本発明に係る車両用電動パワーステアリング装置の制御装置は、下記（１）〜（３）を特徴としている。

（１） ステアリングシャフトに発生する操舵トルクを基にして演算した操舵補助指令値と、モータの電流値を基にして演算した電流制御値とに基づいてモータ出力トルクを制御して、ステアリング機構に操舵補助力を付与する車両用電動パワーステアリング装置の制御装置において、
車両のヨーレートの変化率を検出するヨーレート変化率検出手段と、
前記ステアリング機構の操舵状態を判定する操舵状態判定手段と、を備え、
前記ヨーレート変化率検出手段によって検出されたヨーレートの変化率と、前記操舵状態判定手段によって判定されたステアリング装置の操舵状態とに基づいて、前記ヨーレートにダンピングを付与することを特徴とする。
（２） 上記（１）項に記載の車両用電動パワーステアリング装置の制御装置において、
前記ヨーレート変化率検出手段によって検出されたヨーレートの変化率に乗じるフィードバックゲイン値を切り換えるヨーレートフィードバックゲイン切換手段を備え、
当該ヨーレートフィードバックゲイン切換手段は、
前記操舵状態判定手段によって判定されたステアリング装置の操舵状態に基づいて前記フィードバックゲイン値を切り換えて、当該フィードバックゲイン値を前記ヨーレート変化率検出手段によって検出されたヨーレートの変化率に乗じて出力をし、当該出力をモータ出力トルクにフィードバックすることで、前記ヨーレートにダンピングを付与することを特徴とする。
（３） 上記（１）項または（２）項に記載の車両用電動パワーステアリング装置の制御装置において、
前記操舵状態判定手段は、
前記ステアリング装置の切り増し状態と切り戻し状態を判定するものであることを特徴とする。

本発明によれば、操舵者の意思に反してステアリング装置の操舵速度を減少させるような力（粘性感）を取り除くことができ、車両のヨー運動を確実に収斂させるとともに、操舵フィーリングの向上を図ることが可能な車両用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ができる。

以下、本発明の実施形態に係る車両用電動パワーステアリング装置の制御装置の実施形態について、図面に従って説明する。図１は、本発明の実施形態に係る車両用電動パワーステアリング装置の制御装置の概略構成を示すブロック図である。なお、上述した図６〜８で説明した構成と共通する部分の説明は、同一符号または相当符号を付すことで説明を簡略化あるいは省略する。

図１に示すように、車両用電動パワーステアリング装置の制御装置であるコントロールユニット１は、位相補償器５１と、操舵補助指令値演算器５２と、減算器１３と、微分補償器５４と、比例演算器５５と、積分演算器５６と、加算器５７と、モータ駆動回路５８と、モータ電流検出回路５９と、モータ角速度推定器２０と、ロストルク補償器２１と、モータ角加速度推定器２２と、慣性補償器２３と、操舵角速度演算器２４と、ヨーレート微分演算器２５と、収斂性制御器２６と、操舵状態判定器２７とを備えている。また、当該コントロールユニット１に入力される操舵トルク信号Ｔと車速信号Ｖなどの外部から入力される信号は、前記コントロールユニット１で適宜演算処理できるように、例えば図示しないＡ／Ｄ変換器にてアナログ信号からデジタル信号に変換されている。なお、前記速度信号Ｖなどの信号は車両に搭載されているＣＡＮなどのデジタル通信回線を経由して、コントロールユニット１に入力されてもよい。また、これら信号は図示しない増幅器で増幅され、また図示しないローパスフィルタにて濾波処理が適宜施される。

前記モータ角速度推定器２０は、前記モータ電流検出回路５９から出力された電流検出値ｉと前記加算器から出力された電流制御値Ｅとが入力されて、当該電流検出値ｉと当該電流制御値Ｅとからモータ角速度ωを推定し、この結果を前記ロストルク補償器２１と、前記操舵状態判定器２７と、前記操舵角速度演算器２４と、モータ角加速度推定器２２とに出力する。

前記ロストルク補償器２１は、減速ギア３３のバックラッシュあるいは回路発熱などにより発生する前記モータ３８の損失トルクを補償するものであり、当該損失トルクが発生する方向、即ちモータ３８の回転方向に対して損失トルク相当を補償して、前記減算器１３に出力する。

また、前記モータ角加速度推定器２２は、入力されたモータ角速度ωを微分演算してモータ角加速度を求め、前記慣性補償器２３に出力する。前記慣性補償器２３は、当該モータ角加速度に基づき、ステアリングホール３１やピニオンラック機構３５やモータ３８や減速ギア３３などの駆動系に係る慣性系の変動に応じて前記制御操舵補助指令値Ｉを補正して、モータ出力トルクの変動を抑制する。これにより、操舵者に駆動系の慣性が伝達しないように働き、操舵フィーリングを向上させている。

さらに、前記操舵状態判定部２７は、操舵トルク信号Ｔとモータ角速度ωとが入力され、この入力に基づいてステアリング装置の切り増し状態と切り戻し状態を判定する。この判定結果は、後述するヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ２６３に入力されて、前記ヨーレートγの変化率に乗じるフィードバックゲインを切り換えるために用いられる。

また、前記操舵角速度演算器２４は、前記モータ角速度ωが入力されて、予め既知である減速器３３の減速比などから操舵角速度＊θを算出し、この結果をヨーレート微分演算器２５に出力する。前記ヨーレート微分演算器２５は、前記操舵角速度＊θを微分演算することにより車両のヨーレートγの変化率を算出する。

前記収斂性制御器２６は、前記ヨーレート微分演算器２５により算出されたヨーレートγの変化率を、所定のフィードバックゲイン値Ｇ１で乗じる切り増し用増幅器２６１と、別の所定のフィードバックゲイン値Ｇ２（但し、Ｇ１＜Ｇ２）で乗じる切り戻し用増幅器２６２と、前記操舵状態判定器２７の判定に基づいて前記切り増し用増幅器２６１および前記切り戻し用増幅器２６２のいずれか一方に接続を切り換えるヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ２６３とから構成されている。即ち、前記収斂性制御器２６では、ヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ２６３により操舵状態判定器２５の判定結果に基づいて切り換えが実施されて、ステアリング装置が切り増し状態にあると判定された場合に切り増し用増幅器２６１と接続され、切り戻し状態と判定された場合に切り戻し用増幅器２６２と接続されて、それぞれ値の異なるフィードバックゲインを選択して出力している。なお、フィードバックゲイン値Ｇ１、Ｇ２は、後述するように、予め設定されるゲインと、車速センサ４１により検出される車速信号Ｖとにより算出される値である。

このように出力された信号は、ヨーレートを収斂させるための収斂信号ＣＮとして減算器１３にフィードバックされ、ステアリング装置の切り増し状態と切り戻し状態とのそれぞれに応じて、ヨーレートγにダンピングを付与する。

次に、本発明の実施形態に係るコントロールユニット１の動作について、さらに図２〜４に従って説明する。

まず、図２に示すような車両のモデルを考え、ヨーレートγにダンピングを付与することについてより具体的に説明する。

操舵者のステアリングホイール３１の操舵力をＴｈ、モータ３８が発生するモータ出力トルクのコラム軸換算値をＴｍ、ラック＆ピニオンの増速比をｇ、ステアリングイナーシャとモータイナーシャ、減速比等を含めた定数をＪとすると、図２に示す自動車のモデルを伝達特性ブロックで示すと図３のようになる。ただし、ｓはラプラス演算子、ａ_１、ａ_２、ｂ_０、ｂ_１、ｃ_０、ｃ_１、ｃ_２は車速Ｖに係るパラメータである。

図３において、操舵力Ｔｈを微小な値として、モータ出力トルクＴｍからヨーレートγまでの伝達特性を求めると、式（１）として簡略化して表すことができる。

さらに、図４に示すように、モータ出力トルクＴｍにヨーレートγを帰還入力することにより所定のフィードバックを行う制御系を考えると、以下に示す式（２）が成り立つ。

ここで、ヨーレートγに関するゲインをＫｄとして、Ｐ（ｓ）＝Ｋｄ・ｓ／（ｂ０・ｓ＋ｂ1）とすると、式（２）は以下に示すような式（３）として表すことができる。

ここで、ヨーレートγをフィードバックする式（３）と式（１）とを比較すると、式（１）における分母の第２項（ｓの１次の項）にゲインＫｄが新たに表出していることが分かる。これにより、操舵トルクＴｍからヨーレートγまでの伝達特性においてＰ（ｓ）内のゲインＫｄを調整することにより、当該ゲインＫｄに応じたダンピングをヨーレートγに付与することができ、結果的に車両の収斂性を改善することができることがわかる。

ここで、さらに式（１）と式（３）とに基づいて展開すると、モータトルクＴｍへのフィードバック値は、以下に示すような式（４）として表すことができる。

したがって、ヨーレートγの変化率（ヨーレートの微分値）＊γ（ｓ）をモータ出力トルクＴｍにフィードバックすることにより、ヨーレートγにダンピングを与えることができることが分かる。

したがって、本発明の実施形態に係るコントロールユニット１では、上述したゲインＫｄを複数用意してそれぞれ前記切り戻し用増幅器２６２と切り戻し用増幅器２６２の内部に予め設定しておき、前記ヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ２６３により前記操舵状態判定器２７の判定結果に基づいて、操舵者が積極的にステアリング装置を操舵する切り増しの状態と、そうではない切り戻しの状態とに応じて異なる値に設定することで、ヨーレートγにダンピングを与えることができるとともに操舵者の意思を阻害することなく、車両のヨー運動を確実に収斂させるとともに操舵フィーリングの向上を図ることができる。

次に、図５に従って、操舵角速度演算器２４、ヨーレート微分演算器２５、操舵状態判定器２５、ヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ２６３による切り換え動作について、フローチャートを用いて説明する。図５は、フィードバックゲインの切り換え動作を説明するためのフローチャートである。

まず、操舵角速度演算器２４において、モータ角速度ωから操舵角速度＊θを算出する（ステップＳ１０１）。なお、モータ角速度ωと操舵角速度＊θはほぼ比例関係を有しており、したがってモータ角速度ωから容易に操舵角速度＊θを求めることができる。

次に、ヨーレート微分演算器２５において、前記操舵角速度２４で算出した操舵角速度＊θから車両のヨーレートγの変化率を算出する（ステップＳ１０２）。
なお、一般に操舵角θとヨーレートγの関係は、下記の式（５）となる。

さらに、式（５）の両辺を微分すると、次の式（６）となる。

このように、式（６）を用いることにより操舵角速度＊θ（ｓ）からヨーレートの変化率＊γ（ｓ）を求めることができる。

さらに、ステアリング装置の機械系のモータ出力トルクＴｍ対操舵角θの伝達特性における固有振動数は、操舵角θ対ヨーレートγの固有振動数より約１０倍高いので、操舵トルク信号Ｔは操舵角θにほぼ比例するとみなすことができる。従って、式（６）における＊γ（ｓ）に比例した信号を減算器１３にフィードバックすることにより、ヨーレートγの変化率に同期した操舵角信号を発生することができ、結果としてヨーレートに対してダンピングを与えることが可能となることがわかる。

ステップＳ１０３では、操舵状態判定部２５において、ステアリング装置が切り増し状態にあるか、又は切り戻し状態にあるかを判定する。この判定には、トルクセンサ２による操舵トルクＴの方向とモータ角速度ωの方向が一致した場合を切り増し状態、不一致の場合を切り戻し状態とする方法を用いる。

ステップＳ１０３の手順でステアリング装置が切り増し状態にあると判定された場合は、ヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ２６３は切り増し用増幅器２６１と接続し、フィードバックゲイン値Ｇ１を選択して減算器１３に出力する。

一方、ステップＳ１０３において、ステアリング装置が切り戻し状態にあると判定された場合は、ヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ２６３は切り戻し用増幅器２６２と接続し、フィードバックゲイン値Ｇ２を選択して減算器１３に出力する（ステップＳ１０５）。

したがって、本実施形態によれば、ステアリング装置が切り増し状態にあるか、または切り戻し状態にあるかを判定し、判定結果に応じてフィードバックゲイン値を選択して減算器１３に出力することにより、ステアリング装置の操舵手放し操舵などで重要となるヨーの収斂を確実に行うことができるとともに、操舵者の意思に反してステアリング装置の操舵速度を減少させるような力（粘性感）を取り除くことができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の様態はこれら実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、本実施形態では処理の大部分をソフトウエアにて行っているが、その一部またはすべてをＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのハードウエアで実現してもよい。また、ヨーレートγの変化率を操舵角速度＊θを用いて算出したが、これに限らず、直接ヨーレートγを計測するようにしてもよい。

本実施形態では、ＰＩＤ制御を例示して説明を行ったが、特にこれに限らず、種々の制御系、例えばロバスト制御系にも適用可能である。

なお、本発明は電動パワーステアリング装置の形式（コラムタイプ、ピニオンタイプ、ラックタイプ）、モータの種類（ブラシ付き、ブラシレスなど）を問わず、全ての電動パワーステアリング装置に適用可能である。

本発明の実施形態に係る車両用電動パワーステアリング装置の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 自動車をモデル化した図である。 図２に示す自動車のモデルを伝達特性ブロックで示す図である。 モータ出力トルクとヨーレートのフィードバックを含めた伝達特性を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る車両用電動パワーステアリング装置の制御装置のヨーレートゲインの切り換え動作を説明するためのフローチャートである。 従来の車両用電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。 従来のコントロールユニットの一般的な概略構成を示す図である。 モータ駆動回路の一般的な概略構成を示す図である。

符号の説明

１，５０ コントロールユニット
２４ 操舵角速度演算器（ヨーレート変化率検出手段）
２５ ヨーレート微分演算器（ヨーレート変化率検出手段）
２６ 収斂性制御器
２６１ 切り増し用増幅器
２６２ 切り戻し用増幅器
２６３ ヨーレートフィードバックゲイン切換スイッチ（ヨーレートフィードバックゲイン切換手段）
２７ 操舵状態判定器（操舵状態判定手段）
３６ モータ

Claims (3)

1. ステアリングシャフトに発生する操舵トルクを基にして演算した操舵補助指令値と、モータの電流値を基にして演算した電流制御値とに基づいてモータ出力トルクを制御して、ステアリング機構に操舵補助力を付与する車両用電動パワーステアリング装置の制御装置において、
   車両のヨーレートの変化率を検出するヨーレート変化率検出手段と、
   前記ステアリング機構の操舵状態を判定する操舵状態判定手段と、を備え、
   前記ヨーレート変化率検出手段によって検出されたヨーレートの変化率と、前記操舵状態判定手段によって判定されたステアリング装置の操舵状態とに基づいて、前記ヨーレートにダンピングを付与することを特徴とする車両用電動パワーステアリング装置の制御装置。
2. 前記ヨーレート変化率検出手段によって検出されたヨーレートの変化率に乗じるフィードバックゲイン値を切り換えるヨーレートフィードバックゲイン切換手段を備え、
   当該ヨーレートフィードバックゲイン切換手段は、
   前記操舵状態判定手段によって判定されたステアリング装置の操舵状態に基づいて前記フィードバックゲイン値を切り換えて、当該フィードバックゲイン値を前記ヨーレート変化率検出手段によって検出されたヨーレートの変化率に乗じて出力をし、当該出力をモータ出力トルクにフィードバックすることで、前記ヨーレートにダンピングを付与することを特徴とする請求項１に記載の車両用電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記操舵状態判定手段は、
   前記ステアリング装置の切り増し状態と切り戻し状態を判定するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用電動パワーステアリング装置の制御装置。

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