JP2017165268A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物理モデルに基づいた制御系を構成し、規範モデルに制御対象の出力が追従するようなモデルフォローイング制御を構成し、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制し、モデルパラメータ、制御パラメータを可変し、入力の制限により破損を抑制した電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】ラックエンド手前の所定角度の範囲内で粘弾性モデルを規範モデルとした、ＦＢ制御部で成るモデルフォローイング制御の構成であり、ＦＢ制御部が入力側ラック軸力に基づいて目標ラック変位を演算するＦＢ要素と、目標ラック変位及びラック変位の位置偏差に基づいて出力側ラック軸力を出力する制御要素部とで構成され、ＦＢ要素及び制御要素部の少なくとも一方のパラメータを可変して設定する補正部と、操舵トルク及び電流指令値に基づいてラック軸力を演算する軸力演算部と、ラック軸力の最大値を制限値により制限して出力するリミッタとを具備する。【選択図】図１７

Description

本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、電流指令値によってモータを駆動し、車両の操舵系にアシスト力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特に粘弾性モデルを規範モデルとし、ラックエンド近傍で電流指令値を絞ることによりアシストトルクを減少させ、端当て時の勢いを減衰させ、ラック軸力（ＳＡＴ）、ラック変位に基づいて規範モデルのモデルパラメータ、制御系（フィードバック制御部）の制御パラメータを可変させ、入力の制限によりトルク及び推力伝達機構の破損を抑制し、安全性を向上し、かつ、あらゆる路面状況にも対応可能な高性能な電動パワーステアリング装置に関する。

車両の操舵系にモータの回転力でアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）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アシスト力を付与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、アシスト力のトルク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）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）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、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、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。電動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（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。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Ｖｅｌとに基づいて、アシストマップを用いてアシスト指令の電流指令値の演算を行い、演算された電流指令値に補償等を施した電圧制御値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）４０が接続されており、車速ＶｅｌはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。

このような電動パワーステアリング装置において、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、例えば図２に示されるような構成となっている。

図２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からの操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２からの車速Ｖｅｌは電流指令値を演算するトルク制御部３１に入力され、演算された電流指令値Ｉｒｅｆ１は減算部３２Ｂに入力され、モータ電流検出値Ｉｍと減算される。減算部３２Ｂでの減算結果である偏差Ｉ（＝Ｉｒｅｆ１−Ｉｍ）はＰＩ制御等の電流制御部３５で制御され、電流制御された電圧制御値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力されてデューティを演算され、ＰＷＭ信号でインバータ３７を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂに入力されてフィードバックされる。モータ２０にはレゾルバ等の回転角センサ２１が連結されており、回転角θが検出されて出力される。

このような電動パワーステアリング装置では、操舵系の最大舵角（ラックエンド）の近傍で大きなアシストトルクがモータにより付加されると、操舵系が最大舵角に至った時点で大きな衝撃が生じ、トルク及び推力伝達機構に過大な負荷がかかり、耐久性を劣化させる可能性がある。

そのため、特公平６−４４１７号公報（特許文献１）には、操舵系の操舵角が最大操舵角より所定値手前になったことを判定する操舵角判定手段を備えると共に、操舵角が最大操舵角より所定値手前になったときにモータへ供給する電力を減少させて、アシストトルクを減少させる補正手段を備えた電動式パワーステアリング装置が開示されている。

また、特許第４１１５１５６号公報（特許文献２）には、調節機構が端位置に近づいているかどうかを決定し、調節機構が端位置に近づいていることがわかった場合、ステアリング補助を減少するように駆動手段を制御し、調節機構が端位置に近付く速度を決定するため、位置センサによって決定された調節速度が評価される電動パワーステアリング装置が示されている。

特公平６−４４１７号公報 特許第４１１５１５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電動式パワーステアリング装置では、操舵角が最大操舵角より所定値手前になったことで電力を減少させており、操舵速度等を全く考慮していないので、微細な電流低減制御ができない。また、モータのアシストトルクを減少させる特性が全く示されておらず、具体的な構成となっていない。

また、特許文献２に開示された電動パワーステアリング装置では、アシスト量を終端に向かうに従って減少していくが、終端に近づく速度に応じてアシスト量低減の速さを調整し、終端での速度を十分に落とすようにしている。しかし、特許文献２では、速度に応じて低減する特性を変化させることのみを示しており、物理的なモデルには基づいていない。また、フィードバック制御していないため、路面状況（負荷状態）によっては特性或いは結果が変化する恐れがある。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、物理モデルに基づいた制御系を構成し、規範モデルに制御対象の出力（ラックエンドまでの距離）が追従するようなモデルフォローイング制御を構成し、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制し、安全性を更に向上させると共に、フィードバック（ＦＢ）制御部のモデルパラメータ、制御パラメータを可変とし、入力制限によりトルク及び推力伝達機構の破損を抑制した高性能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動することにより、操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、ラックエンド手前の所定角度ｘ_０の範囲内で粘弾性モデルを規範モデルとした、フィードバック制御部で成るモデルフォローイング制御の構成であり、前記フィードバック制御部が入力側ラック軸力ｆに基づいて目標ラック変位を演算するフィードバック要素と、前記目標ラック変位及びラック変位ｘの位置偏差に基づいて出力側ラック軸力ｆｆを出力する制御要素部とで構成され、前記フィードバック要素及び前記制御要素部の少なくとも一方のパラメータを可変して設定する補正部と、前記操舵トルク及び前記電流指令値に基づいてラック軸力ｆ４を演算する軸力演算部と、前記ラック軸力ｆ４の最大値を制限値により制限して前記入力側ラック軸力ｆを出力するリミッタとを具備ことにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記制限値が可変になっていることにより、或いは前記制限値の可変を、所定角度ｘ_０になった時の初期ラック軸力Ｆｚに応じて行うようになっていることにより、或いは前記制限値が前記初期ラック軸力Ｆｚに応じて線形若しくは非線形で増加する特性であることにより、或いは前記制限値が前記初期ラック軸力Ｆｚに応じて線形若しくは非線形で減少する特性であることにより、或いは前記ラック軸力の演算に、慣性成分及び摩擦成分が除去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によれば、物理モデルに基づいた制御系を構成しているので、定数設計に見通しが立て易くなり、規範モデルに制御対象の出力（ラックエンドまでの距離）が追従するようなモデルフォローイング制御を構成しているので、負荷状態（外乱）や制御対象の変動にロバスト（頑健）なトルク及び推力伝達機構の保護が可能となる利点がある。

更に、本発明の電動パワーステアリング装置によれば、規範モデルのモデルパラメータ及び制御要素のパラメータをラック軸力、ラック変位に基づいて可変しているので制御性が一層向上し、また、ラック軸力の入力を制限しているので衝撃を抑制することができ、あらゆる路面状況に応じた対応が可能となる利点がある。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 ラック位置変換部の特性例を示す図である。 粘弾性モデル追従制御部の構成例（実施形態１）を示すブロック図である。 粘弾性モデル追従制御部の構成例（実施形態２）を示すブロック図である。 本発明の動作例（全体）を示すフローチャートである。 粘弾性モデル追従制御部の動作例を示すフローチャートである。 粘弾性モデルの模式図である。 粘弾性モデル追従制御部の詳細原理を説明するためのブロック図である。 粘弾性モデル追従制御部の詳細原理を説明するためのブロック図である。 粘弾性モデル追従制御部の詳細原理を説明するためのブロック図である。 粘弾性モデル追従制御部の詳細原理を説明するためのブロック図である。 粘弾性モデル追従制御部の詳細な構成例（実施形態３）を示すブロック図である。 ラック位置によって規範モデルのパラメータを変更する例を示す図である。 走行状態による反力（ラック軸力）の特性例を示す特性図である。 本発明の第１実施例を示すブロック構成図である。 リミッタの特性例を示す特性図である。 制御パラメータ設定部の特性例を示す特性図である。 本発明の第１実施例の動作例を示すフローチャートである。 フィードバック制御の動作例を示すフローチャートである。 本発明の効果を説明する特性図である。 本発明の第２実施例を示すブロック構成図である。 制限値の変化例（増加）を示す特性図である。 制限値の変化例（減少）を示す特性図である。 本発明の第３実施例を示すブロック構成図である。

本発明は、ラックエンド近傍の物理モデルに基づいた制御系を構成し、粘弾性モデル（バネ定数、粘性摩擦係数）を規範モデルとし、その規範モデルに制御対象の出力（ラックエンドまでの距離）が追従するようなモデルフォローイング制御を構成し、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制し、安全性を更に向上させると共に、フィードバック（ＦＢ）制御部のモデルパラメータ、制御パラメータを可変とし、入力制限によりトルク及び推力伝達機構の破損を抑制した高性能な電動パワーステアリング装置である。

モデルフォローイング制御は粘弾性モデル追従制御部で構成し、粘弾性モデル追従制御部をフィードフォワード制御部若しくはフィードバック制御部或いはその両者で構成し、ラックエンド手前の所定角度外では通常のアシスト制御を行い、ラックエンド手前の所定角度内でモデルフォローイング制御を行い、ラックエンドに当たることを防止する。

更に本発明では、モデルフォローイング制御の粘弾性モデルのモデルパラメータ及び制御要素に対する制御パラメータ（フィードバック制御部の制御ゲイン）を所定角度内で可変すると共に、ラック軸力の最大入力を制限する。例えば、開始舵角付近では、粘弾性モデルのバネ項を小さく、制御ゲインを低くし、ラックエンドに近づくにつれて大きく設定する。また、所定角度範囲内に入ったときのラック軸力が小さいほどバネ項を大きくし、制御ゲインを大きく設定する。このようにすることで、開始舵角付近の制御量が小さく、所定範囲内外でのアシスト量の変化量が小さくなる。これにより、運転者はアシスト量の変化による反力違和感を感じないようにできる。また、ラックエンドに近い領域では制御ゲインを大きく設定し、制御量を大きくすることができるため、ラックエンドに到達することを防止できる。

また、路面状態（アスファルト、濡れた路面、氷上、雪上等）により、所定角度範囲のラック軸力が変化する。路面の摩擦係数が小さい場合（氷上、雪上）ではラック軸力が小さく、アスファルトでは路面摩擦係数が大きくラック軸力が大きい。モデルパラメータ、制御パラメータ（ゲイン）をアスファルトで適切に設定した場合、氷上、雪上などでは適切ではなくなる可能性がある。摩擦係数が小さい場合は、ラックエンドに向けて大きなアシスト力を発生できる余裕量が大きく、舵角が大きく進み、ラックエンドに到達する可能性が高くなる。所定角度範囲に入った時点でのラック軸力が小さいほど、粘弾性モデルのバネ定数を大きくし、制御ゲインを高くすることで、舵角進み角度を小さくすることが望まれる。そこで、本発明では、ラック軸力が小さいほど、バネ定数が大きく制御ゲインを高くすることのできる補正部を設けると共に、ラック軸力の最大入力を制限値により制限して、衝撃の抑制を図っている。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

先ず、本発明の前提となるモデルフォローイング制御について、図２に対応させて示す図３を説明する。

図３に示すモデルフォローイング制御では、電流指令値Ｉｒｅｆ１は変換部１０１でラック軸力ｆに変換され、ラック軸力ｆは粘弾性モデル追従制御部１２０に入力される。ラック軸力ｆはコラム軸トルクと等価であるが、以下の説明では便宜的にラック軸力として説明する。

電流指令値Ｉｒｅｆ１からラック軸力ｆへの変換は、下記数１に従って行われる。

ここで、Ｋｔをトルク定数［Ｎｍ／Ａ］、Ｇｒを減速比、Ｃｆを比ストローク［ｍ／ｒｅｖ．］として、Ｇ１＝Ｋｔ×Ｇｒ×（２π／Ｃｆ）である。

回転角センサ２１からの回転角θはラック位置変換部１００に入力され、判定用ラック位置Ｒｘに変換される。判定用ラック位置Ｒｘはラックエンド接近判定部１１０に入力され、ラックエンド接近判定部１１０は図４に示すように、判定用ラック位置Ｒｘがラックエンド手前の所定位置ｘ_０以内にあると判定したときに端当て抑制制御機能を働かせ、ラック変位ｘを出力すると共に切替信号ＳＷＳを出力する。切替信号ＳＷＳ及びラック変位ｘは、ラック軸力ｆと共に粘弾性モデル追従制御部１２０へ入力され、粘弾性モデル追従制御部１２０で制御演算されたラック軸力ｆｆは変換部１０２で電流指令値Ｉｒｅｆ２に変換され、電流指令値Ｉｒｅｆ２は加算部１０３で電流指令値Ｉｒｅｆ１と加算されて電流指令値Ｉｒｅｆ３となる。電流指令値Ｉｒｅｆ３に基づいて、上述したアシスト制御が行われる。

なお、図４に示すラックエンド近接領域を設定する所定位置ｘ_０は、適宜な位置に設定可能である。

変換部１０２でのラック軸力ｆｆから電流指令値Ｉｒｅｆ２への変換は、下記数２に従って行われる。

粘弾性モデル追従制御部１２０の詳細は、図５又は図６に示される。

図５の実施形態１では、ラック軸力ｆはフィードフォワード制御部１３０及びフィードバック制御部１４０に入力され、ラック変位ｘはフィードバック制御部１４０に入力される。フィードフォワード制御部１３０からのラック軸力ＦＦは切替部１２１に入力され、フィードバック制御部１４０からのラック軸力ＦＢは切替部１２２入力される。切替部１２１及び１２２は切替信号ＳＷＳによってＯＮ／ＯＦＦされ、切替信号ＳＷＳによってＯＦＦされているときは、各出力ｕ_１及びｕ_２はゼロである。切替信号ＳＷＳによって切替部１２１及び１２２がＯＮされたとき、切替部１２１からのラック軸力ＦＦがラック軸力ｕ_１として出力され、切替部１２２からのラック軸力ＦＢがラック軸力ｕ_２として出力される。切替部１２１及び１２２からのラック軸力ｕ_１及びｕ_２が加算部１２３で加算され、加算値のラック軸力ｆｆが粘弾性モデル追従制御部１２０から出力される。ラック軸力ｆｆは、変換部１０２で電流指令値Ｉｒｅｆ２に変換される。

また、図６の実施形態２では、ラック変位ｘはフィードフォワード制御部１３０及びフィードバック制御部１４０に入力され、ラック軸力ｆはフィードバック制御部１４０に入力される。以下は図５の実施形態１と同様に、フィードフォワード制御部１３０からのラック軸力ＦＦは切替部１２１に入力され、フィードバック制御部１４０からのラック軸力ＦＢは切替部１２２入力される。切替部１２１及び１２２は切替信号ＳＷＳによってＯＮ／ＯＦＦされ、切替信号ＳＷＳによってＯＦＦされているときは、各出力ｕ_１及びｕ_２はゼロである。切替信号ＳＷＳによって切替部１２１及び１２２がＯＮされたとき、切替部１２１からのラック軸力ＦＦがラック軸力ｕ_１として出力され、切替部１２２からのラック軸力ＦＢがラック軸力ｕ_２として出力される。切替部１２１及び１２２からのラック軸力ｕ_１及びｕ_２が加算部１２３で加算され、加算値のラック軸力ｆｆが粘弾性モデル追従制御部１２０から出力される。ラック軸力ｆｆは変換部１０２で電流指令値Ｉｒｅｆ２に変換される。

このような構成において、先ずその動作例全体を図７のフローチャートを参照して、次いで粘弾性モデル追従制御（実施形態１及び２）の動作例を図８のフローチャートを参照して説明する。

スタート段階においては、実施形態１及び２の切替部１２１及び１２２はいずれも、ラックエンド接近判定部１１０からの切替信号ＳＷＳによってＯＦＦされている。そして、動作がスタートすると先ず、トルク制御部３１は操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいて電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算し（ステップＳ１０）、ラック位置変換部１００は回転角センサ２１からの回転角θを判定用ラック位置Ｒｘに変換する（ステップＳ１１）。ラックエンド接近判定部１１０は判定用ラック位置Ｒｘに基づいてラックエンド接近か否かを判定し（ステップＳ１２）、ラックエンド接近でない場合には、粘弾性モデル追従制御部１２０からラック軸力ｆｆは出力されず、電流指令値Ｉｒｅｆ１に基づく通常の操舵制御が実行され（ステップＳ１３）、終了となるまで継続される（ステップＳ１４）。

一方、ラックエンド接近判定部１１０でラックエンド接近が判定された場合には、粘弾性モデル追従制御部１２０による粘弾性モデル追従制御が実行される（ステップＳ２０）。即ち、図８に示すように、ラックエンド接近判定部１１０から切替信号ＳＷＳが出力されると共に（ステップＳ２０１）、ラック変位ｘが出力される（ステップＳ２０２）。また、変換部１０１は、前記数１に従って電流指令値Ｉｒｅｆ１をラック軸力ｆに変換する（ステップＳ２０３）。図５の実施形態１では、フィードフォワード制御部１３０はラック軸力ｆに基づいてフィードフォワード制御を行い（ステップＳ２０４）、フィードバック制御部１４０はラック変位ｘ及びラック軸力ｆに基づいてフィードバック制御を行う（ステップＳ２０５）。また、図６の実施形態２では、フィードフォワード制御部１３０はラック変位ｘに基づいてフィードフォワード制御を行い（ステップＳ２０４）、フィードバック制御部１４０はラック変位ｘ及びラック軸力ｆに基づいてフィードバック制御を行う（ステップＳ２０５）。なお、いずれの場合も、フィードフォワード制御及びフィードバック制御の順番は、逆であっても良い。

ラックエンド接近判定部１１０からの切替信号ＳＷＳは切替部１２１及び１２２に入力され、切替部１２１及び１２２がＯＮされる（ステップＳ２０６）。切替部１２１及び１２２がＯＮされると、フィードフォワード制御部１３０からのラック軸力ＦＦがラック軸力ｕ_１として出力され、フィードバック制御部１４０からのラック軸力ＦＢがラック軸力ｕ_２として出力される。ラック軸力ｕ_１及びｕ_２は加算部１２３で加算され（ステップＳ２０７）、加算結果としてのラック軸力ｆｆが変換部１０２で、前記数２に従って電流指令値Ｉｒｅｆ２に変換される（ステップＳ２０８）。

ここで、本発明の粘弾性モデル追従制御部１２０は、ラックエンド近辺の物理モデルに基づいた制御系となっており、ラックエンド手前の所定角度以内で粘弾性モデル（バネ定数ｋ_０［Ｎ／ｍ］、粘性摩擦係数μ［Ｎ／（ｍ／ｓ）］）を規範モデル（入力：力、出力：変位で記述された物理モデル）としたモデルフォローイング制御を構成し、ラックエンドに当たることを防止している。

図９はラックエンド近傍の模式図を示しており、質量ｍと力Ｆｏ，Ｆ１の関係は数３である。粘弾性モデルの方程式の算出は、例えば関西大学理工学会誌「理工学と技術」Ｖｏｌ．１７（２０１０）の「弾性膜と粘弾性の力学の基礎」（大場謙吉）に示されている。

そして、ラック変位ｘ_１、ｘ_２に対して、ｋ_０、ｋ_１をバネ定数とすると、数４〜数６が成立する。

従って、上記数３に上記数４〜数６を代入して数７となる。

上記数７を微分すると、下記数８となり、μ_１／ｋ_１を両辺に乗算すると数９となる。

そして、数７と数９を加算すると、数１０となる。

数１０に上記数４及び数６を代入すると、下記数１１となる。

ここで、μ_１／ｋ_１＝τ_ｅ，ｋ_０＝Ｅ_ｒ，μ_１（１／ｋ_０＋１／ｋ_１）＝τ_δとすると、上記数１１は数１２となり、ラプラス変換すると数１３が成立する。

上記数１３をＸ（ｓ）／Ｆ（ｓ）で整理すると、下記数１４となる。

数１４は入力力ｆから出力変位ｘまでの特性を示す３次の物理モデル（伝達関数）となり、バネ定数ｋ_１＝∞のバネとするとτｅ→０であり、τ_δ＝μ_１・１／ｋ_０であるので、２次関数の下記数１５が導かれる。

本発明では、数１５で表される２次関数を規範モデルＧｍとして説明する。即ち、数１６を規範モデルＧｍとしている。ここで、μ_１＝μとしている。

次に、電動パワーステアリング装置の実プラント１４６を下記数１７で表わされるＰとし、本発明の規範モデル追従型制御を２自由度制御系で設計すると、Ｐｎ及びＰｄを実際のモデルとして図１０の構成となる。ブロック１４３（Ｃｄ）は、ＰＩＤ，ＰＩ，ＰＤ等の制御要素部を示している。（例えば朝倉書店発行の前田肇、杉江俊治著「アドバンスト制御のためのシステム制御理論」参照）

実プラントＰを安定な有理関数の比で表わすために、Ｎ及びＤを下記数１８で表わす。Ｎの分子はＰの分子、Ｄの分子はＰの分母となる。ただし、αは（ｓ＋α）＝０の極が任意に選択できる。

図１０の構成を規範モデルＧｍに適用すると、ｘ／ｆ＝Ｇｍとなるためには、１／Ｆを下記数１９のように設定する必要がある。なお、数１９は、数１６及び数１８より導かれる。

フィードバック制御部のブロックＮ／Ｆは下記数２０である。

フィードフォワード制御部のブロックＤ／Ｆは下記数２１である。

２自由度制御系の一例を示す図１０において、実プラントＰへの入力（ラック軸力若しくはコラム軸トルクに対応する電流指令値）ｕは、下記数２２で表される。

また、実プラントＰの出力（ラック変位）ｘは下記数２３である。

数２３を整理し、出力ｘの項と左辺ｆの項を右辺に揃えると、数２４が導かれる。

数２４を入力ｆに対する出力ｘの伝達関数として表わすと、数２５となる。ここで、３項目以降ではＰ＝Ｐｎ／Ｐｄとして表現している。

実プラントＰを正確に表現できたとすれば、Ｐｎ＝Ｎ、Ｐｄ＝Ｄとすることができ、入力ｆに対する出力ｘの特性は、Ｐｎ／Ｆ（＝Ｎ／Ｆ）として表わされるので、数２６が成立する。

入力ｆに対して出力ｘの特性（規範モデル（伝達関数））を、下記数２７のようにすると考えるとき、

１／Ｆを下記数２８のようにすることで達成できる。

図１０において、フィードフォワード制御系をブロック１４４→実プラントＰの経路で考えると、図１１となる。ここで、Ｐ＝Ｎ／Ｄとすると、図１１（Ａ）は図１１（Ｂ）となり、数２０より図１１（Ｃ）が得られる。図１１（Ｃ）より、ｆ＝（ｍ・ｓ^２＋μ・ｓ＋ｋ０）ｘとなるので、これを逆ラプラス変換すると、下記数２９が得られる。

一方、図１２に示すようなフィードフォワード制御系の伝達関数ブロックを考えると、下記数３０が入力ｆ及び出力ｘにおいて成立する。

数３０を整理すると下記３１となり、数３１を入力ｆについて整理すると、数３２が得られる。

数３２を逆ラプラス変換すると上記数２９となり、結果的に図１３に示すように２つのフィードフォワード制御部Ａ及びＢは等価である。

上記前提を踏まえると、フィードフォワード制御部１３０がなくても動作上に支障はなく、この場合の粘性モデル追従制御部１２０の構成は図１４となる（実施形態３）。即ち、フィードバック制御部１４０は、バネ定数ｋ_０、粘性摩擦係数μをパラメータとして、ラック軸力ｆに基づいて目標ラック変位（目標舵角）を演算するフィードバック要素（Ｎ／Ｆ）１４１と、目標ラック変位及びラック変位ｘの位置偏差を求める減算部１４２と、位置偏差に基づいてラック軸力ＦＢを制御処理するＰＩＤ、ＰＩ等で成る制御要素部１４３とで構成され、フィードバック制御部１４０からのラック軸力ＦＢ、つまり制御要素部１４３の出力は切替部１２２のｂ２接点に入力される。切替部１２２のａ２接点には、固定部１２６から固定値「０」が入力されている。そして、ラック軸力ｆがフィードバック要素１４１に入力され、ラック変位ｘがフィードバック制御部１４０内の減算部１４２に減算入力されると共に、パラメータ設定部１２４に入力される。パラメータ設定部１２４はラック変位ｘに対して、図１５に示すような特性でバネ定数ｋ_０及び粘性摩擦係数μを出力し、バネ定数ｋ_０及び粘性摩擦係数μはフィードバック要素１４１に入力される。切替部１２２の接点は、ラックエンド接近判定部１２０からの切替信号ＳＷＳによって接点ａ２と接点ｂ２を切替えられる。

本発明は上記実施形態３における規範モデルのモデルパラメータ（フィードバック要素１４１）又は制御要素部の制御パラメータ或いは両者のパラメータを、ラック軸力（ＳＡＴ）ｆ、ラック変位ｘに基づいて可変させると共に、入力側ラック軸力ｆのフィードバック要素１４１への入力を、制限値（可変）の設定により制限している。

即ち、ラックエンド手前の所定角度の範囲内で、粘弾性モデルを規範モデルとしたモデルフォローイング制御の構成をとり、その粘弾性モデルのモデルパラメータ及び制御パラメータ（制御ゲイン）を所定角度内で可変とする。さらに加えて、所定角度範囲内に入ったときのラック軸力に応じてモデルパラメータ及び制御パラメータを可変とする。例えば、開始舵角付近では、粘弾性モデルのバネ項を小さく、制御ゲインを低くし、ラックエンドに近づくに従って大きく設定する。また、所定角度範囲内に入ったときのラック軸力が小さいほどバネ項を大きく、制御ゲインを大きく設定する。このようにすることで、開始舵角付近の制御量が小さく、所定範囲内外でのアシスト量の変化量が小さく、結果、運転者はアシスト量変化による反力違和感を感じないようにできる。また、ラックエンドに近い領域では制御ゲインを大きく設定し、制御量を大きくすることができるため、ラックエンドに到達することを防止できる。

更に、路面状態（アスファルト、濡れた路面、氷上、雪上）により、所定角度範囲のラック軸力が変化する。路面の摩擦係数が小さい場合（氷上、雪上）ではラック軸力が小さく、アスファルトでは路面摩擦係数が大きくラック軸力が大きい。また、図１６に示すように、停車中やクリーピング速度での走行では、タイヤからの反力が異なり、ラック軸力が変わる。また、タイヤの捩れ程度によっても、負荷特性が異なる。路面状態や走行状態によらず、ほぼ一定で舵角を制御することが望まれ、それを達成するために、本発明では規範モデルへのラック軸力の入力の正負最大値を制限する。制限値を設定して入力を制限すれば、規範モデル出力（目標舵角）は一定となり、制御効果のバラツキを抑えられる。また、制限値をラック軸力に応じて調整できるようにすることで、規範モデル出力（目標舵角）を調整でき、さらに効果のバラツキを小さくできる。

図１７は、本発明の第１実施例を図３及び図１４に対応させて示しており、操舵トルクＴｈからラック軸力ｆ１に変換する変換部２００と、ラック軸力ｆ１と変換部１０１からのラック軸力ｆ２を加算する加算部２０２と、加算部２０２で得られたラック軸力ｆ３（＝ｆ１＋ｆ２）からラック軸力ｆ４を演算する軸力演算部２０１と、軸力演算部２０１からのラック軸力ｆ４の最大値を制限して入力側ラック軸力ｆを出力するリミッタ２０４と、制御系の制御パラメータを設定する制御パラメータ設定部２１１と、モデル系のモデルパラメータを設定するモデルパラメータ設定部２２１とが設けられている。

ラック軸力ｆ３（＝ｆ１＋ｆ２）を入力する軸力演算部２０１は、ラック変位ｘが所定角度範囲になった時のラック軸力ｆ３を初期ラック軸力Ｆｚとして設定し記憶する設定記憶部２０１−１と、以後、ラック軸力ｆ３から初期ラック軸力Ｆｚを減算して軸力ｆ４を出力する減算部２０１−２とで構成されている。初期ラック軸力Ｆｚは、ラック変位ｘが所定角度範囲になった時のラック軸力であり、軸力演算部２０１は、ラック変位ｘが所定角度範囲になって以降、下記数３３に従ってラック軸力ｆ４を演算する。これは、所定角度では規範モデルの出力として“０”とし、制御要素部１４３から出力されるラック軸力ＦＢを“０”とするためである。所定角度付近での操舵で指令値の段差をなくし、保舵を容易とするためである。

リミッタ２０４は、例えば図１８に示すような特性で正負最大値を制限し、最大値を制限された入力側ラック軸力ｆがフィードバック制御部１４０内のフィードバック要素１４１に入力される。なお、図１８において、ｘＯＲ及びｘＯＬは、所定角度範囲を設定する角度である。

また、制御系の制御パラメータ設定部２１１はラック変位ｘを入力し、例えば図１９に示すように、ラック変位ｘが大きくなるに従って増加率が大きくなる非線形な関係で、制御パラメータｋｄ、ｋｐを出力する。制御パラメータｋｄ、ｋｐは、フィードバック制御部１４０内の制御要素部１４３に、下記数３４のように設定される。

モデル系の制御パラメータ設定部２１１はラック変位ｘを入力し、例えば図１５に示すような特性でモデルパラメータμ（粘性摩擦係数）、ｋ_０（バネ定数）を出力する。モデルパラメータμ、ｋ_０は、フィードバック制御部１４０内のフィードバック要素（Ｎ／Ｆ）１４１に設定される。

このような構成において、図１７の第１実施例の動作例を図２０及び図２１のフローチャートを参照して説明する。

ラックエンド接近判定部１１０から切替信号ＳＷＳが出力され、切替部１２２の接点がａ２から接点ｂ２に切替えられると共に（ステップＳ２０１）、変換部２００で操舵トルクＴｈがラック軸力ｆ１に変換される（ステップＳ２０２）。トルク制御部３１で電流指令値Ｉｒｅｆ１が演算され、電流指令値Ｉｒｅｆ１は変換部１０１でラック軸力ｆ２に変換され（ステップＳ２０３）、切替部１２２が接点ｂ２に切替えられた瞬間にその時のラック軸力ｆ３＝ｆ１＋ｆ２を初期ラック軸力Ｆｚとして設定記憶部２０１−１に設定し（ステップＳ２０４）、その後はラック軸力ｆ３から、記憶された初期ラック軸力Ｆｚを減算部２０１−２で減算してラック軸力ｆ４を演算し（ステップＳ２０５）、リミッタ２０４で制限処理を行い（ステップＳ２０６）、制限処理されたラック軸力をフィードバック制御部１４０内のフィードバック要素１４１に入力側ラック軸力ｆとして入力する。

また、ラックエンド接近判定部１１０からラック変位ｘが出力され（ステップＳ２１０）、ラック変位ｘはフィードバック制御部１４０内の減算部１４２に減算入力されると共に、制御パラメータ設定部２１1及びモデルパラメータ設定部２２１に入力される。制御パラメータ設定部２１１はラック変位ｘに基づいて制御パラメータｋｐ、ｋｄを演算し（ステップＳ２１１）、制御パラメータｋｐ、ｋｄは、フィードバック制御部１４０内の制御要素部１４３に設定される。また、モデルパラメータ設定部２２１はラック変位ｘに基づいてモデルパラメータμ、ｋ_０を演算し（ステップＳ２１３）、モデルパラメータμ、ｋ_０は、フィードバック制御部１４０内のフィードバック要素１４１に設定される。

フィードバック制御部１４０は、ラック軸力ｆ、ラック変位ｘ及び設定された制御パラメータｋｐ、ｋｄ、モデルパラメータμ、ｋ_０によりフィードバック制御の処理を行い（ステップＳ２２０）、出力側ラック軸力ｆｆを出力する（ステップＳ２３０）。ラック軸力ｆｆは変換部１０２で電流指令値Ｉｒｅｆ２に変換され（ステップＳ２３１）、終了となるまで上記動作を繰り返す（ステップＳ２３２）。

上記ステップＳ２３２で終了となった場合には、切替信号ＳＷＳの出力によって切替部１２２の接点を接点ｂ２から接点ａ２に切替え（ステップＳ２３３）、その後、図７のステップＳ１４に移行する。

フィードバック制御部１４０におけるフィードバック制御の処理は、図２１に示すような動作で実施される。

先ずモデルパラメータ設定部２２１で演算されたモデルパラメータμ、ｋ_０がフィードバック要素１４１に設定され（ステップＳ２２１）、フィードバック要素１４１でＮ／Ｆ処理が実施され、目標ラック変位（目標舵角）が演算される（ステップＳ２２２）。目標ラック変位は減算部１４２に加算入力され、減算入力されるラック変位ｘとの位置偏差が演算され（ステップＳ２２３）、求められた位置偏差は制御要素部１４３に入力される。また、制御パラメータ設定部２１１で演算された制御パラメータｋｐ、ｋｄが、制御要素部１４３に設定され（ステップＳ２２４）、制御演算が実施され（ステップＳ２２５）、制御演算により得られたラック軸力ＦＢが出力される（ステップＳ２２６）。なお、制御パラメータｋｐ、ｋｄの設定順序は適宜変更可能である。

本発明では、入力側ラック軸力ｆの入力がリミッタ２０４で制限されるため、図２２の実線に示すように規範モデル出力が飽和する。制限されないと、破線のように飽和しないで変化し続ける。

次に、本発明の第２実施例を図２３に示して説明する。

本第２実施例では、設定記憶部２０１−１に設定記憶された初期ラック軸力Ｆｚをパラメータとしてリミッタ２０４に入力している。そして、最大値を制限するための制限値ｆｔｈを初期ラック軸力Ｆｚに応じて可変とする。例えば図２４の特性Ａのように、初期ラック軸力Ｆｚが小さいときは小さく、初期ラック軸力Ｆｚが大きくなるに従って線形的に大きくなるように、制限値ｆｔｈを変化させたり、或いは特性Ｂのように非線形で制限値ｆｔｈを増加させる。或いは図２５の特性Ａのように、初期ラック軸力Ｆｚが小さいときに大きく、初期ラック軸力Ｆｚが大きくなるに従って線形的に小さくなるように、制限値ｆｔｈを変化させたり、或いは特性Ｂのように非線形で制限値ｆｔｈを減少させる。これにより、車両のラック軸力の立ち上がり方（舵角が大きくなったときのラック軸の大きくなる割合）に応じて、調整が可能となる。

図２６は本発明の第３実施例を示しており、初期ラック軸力Ｆｚの設定において慣性成分及び摩擦成分を取り除いた値としている。これにより、記憶された初期ラック軸力Ｆｚは、所定角度で保舵したときのラック軸力として記憶される。

即ち、第３実施例では、軸力演算部２０１に慣性／摩擦部２０１−３及び減算部２０１−４を更に設けている。そして、ラック速度及びラック加速度を慣性／摩擦部２０１−３に入力し、演算された慣性成分及び摩擦成分を減算部２０１−４に減算入力される。また、減算部２０１−４にはラック軸力ｆ３（＝ｆ１＋ｆ２）が減算入力されており、減算部２０１−４で減算処理されたラック軸力ｆ５が設定記憶部２０１−１に入力されている。従って、ラック変位ｘが所定角度になった時、慣性成分及び摩擦成分が差し引かれたラック軸力が初期ラック軸力Ｆｚとして設定記憶される。

なお、制御要素部１４３（Ｃｄ）は任意のＰＩＤ（比例積分微分）制御、ＰＩ制御、ＰＤ制御の構成のいずれでも良い。また、上述では位置補正部とパラメータ設定部を個別に表示しているが、一体的な構成であっても良い。更に、上述では回転角θをモータに連結された回転角センサから得ているが、舵角センサから取得するようにしても良い。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１３ バッテリ
１４ 舵角センサ
２０ モータ
２３ モータ駆動部
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１ トルク制御部
３５ 電流制御部
３６ ＰＷＭ制御部
１００ ラック位置変換部
１０１、２００ 変換部
１１０ ラックエンド接近判定部
１２０ 粘弾性モデル追従制御部
１２１、１２２ 切替部
１３０ フィードフォワード制御部
１４０ フィードバック制御部
１４１ フィードバック要素
１４３ 制御要素部
２０１ 軸力演算部
２０１−１ 設定記憶部
２０１−３ 慣性／摩擦部
２０３ 角速度演算部
２１１ 制御パラメータ設定部
２２１ モデルパラメータ設定部

Claims (6)

1. 少なくとも操舵トルクに基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてモータを駆動することにより、操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置において、
   ラックエンド手前の所定角度ｘ_０の範囲内で粘弾性モデルを規範モデルとした、フィードバック制御部で成るモデルフォローイング制御の構成であり、
   前記フィードバック制御部が入力側ラック軸力ｆに基づいて目標ラック変位を演算するフィードバック要素と、前記目標ラック変位及びラック変位ｘの位置偏差に基づいて出力側ラック軸力ｆｆを出力する制御要素部とで構成され、
   前記フィードバック要素及び前記制御要素部の少なくとも一方のパラメータを可変して設定する補正部と、
   前記操舵トルク及び前記電流指令値に基づいてラック軸力ｆ４を演算する軸力演算部と、
   前記ラック軸力ｆ４の最大値を制限値により制限して前記入力側ラック軸力ｆを出力するリミッタと、
   を具備し、トルク及び推力伝達機構の破損を抑制したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記制限値が可変になっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記制限値の可変を、所定角度ｘ_０になった時の初期ラック軸力Ｆｚに応じて行うようになっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記制限値が前記初期ラック軸力Ｆｚに応じて線形若しくは非線形で増加する特性である請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記制限値が前記初期ラック軸力Ｆｚに応じて線形若しくは非線形で減少する特性である請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記ラック軸力の演算に、慣性成分及び摩擦成分が除去されている請求項１乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
   

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