JP2022037344A - ステアリング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微分制御トルク成分の演算を含むサーボ制御器の出力に現れるノイズを抑制するステアリング制御装置を提供する。
【解決手段】サーボ制御器４００は、目標操舵トルクＴｓ^*と操舵トルクＴｓとの差分である操舵トルク偏差ΔＴｓを処理対象入力として、処理対象入力の微分に基づき微分制御トルク成分を演算する微分制御トルク成分演算部５０を有する。微分制御トルク成分演算部５０は、「操舵トルク偏差ΔＴｓ（処理対象入力）の変化が相対的に大きいとき、カットオフ周波数が相対的に高い操舵トルク偏差微分信号（処理対象微分信号）の寄与度が相対的に高く」なり、「操舵トルク偏差ΔＴｓ（処理対象入力）の変化が相対的に小さいとき、カットオフ周波数が相対的に低い操舵トルク偏差微分信号（処理対象微分信号）の寄与度が相対的に高く」なるように、微分制御トルク成分を演算する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ステアリング制御装置に関する。

従来、操舵トルクを目標操舵トルクに追従させるように、サーボ制御器によりモータの出力指令を演算するステアリング制御装置において、ノイズの影響を抑制する技術が知られている。

例えば特許文献１に開示されたステアリング制御装置は、目標操舵トルク（Ｔｓ^*）とベースアシスト指令（Ｔｂ^*）とから求めた路面反力に基づいてサーボ制御器に追従させる目標操舵トルクを生成する。ノイズが重畳しやすい操舵トルク検出値（Ｔｓ）が目標操舵トルクの生成に使用されないため、操舵トルクサーボ出力におけるノイズの影響が抑制される。

また、特許文献２に開示されたステアリング制御装置では、サーボ制御器（特許文献２ではアシストコントローラ）がＰＩＤ制御器で構成されている。ＰＩＤ制御器は、目標操舵トルクと操舵トルクとの差である操舵トルク偏差を入力として、制御トルクの比例項、積分項及び微分項、言い換えれば、比例、積分、微分の各制御トルク成分を演算する。

特許第６３１４７５２号公報 特許第６２５２０２７号公報

例えば操舵トルク偏差を入力とする一般的なＰＩＤ制御器では、操舵トルク信号にノイズが重畳すると、微分項、すなわち微分制御トルク成分の演算でノイズが増幅されて操舵トルクサーボ出力に現れ、モータを加振する。或いは、操舵トルクを微分する微分先行型ＰＩＤ制御器を備える構成でも同様である。特に非操舵時や微操舵時にモータが加振された場合、発生する音や機械的な振動にドライバが気づきやすく、快適性を低下させるという問題がある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、微分制御トルク成分の演算を含むサーボ制御器の出力に現れるノイズを抑制するステアリング制御装置を提供することにある。

本発明のステアリング制御装置は、操舵トルク（Ｔｓ）を目標操舵トルク（Ｔｓ^*）に追従させるように、サーボ制御器（４００）によりモータ（８０）の出力指令（Ｔｂ^*）を演算する。サーボ制御器は、目標操舵トルクと操舵トルクとの差分である操舵トルク偏差（ΔＴｓ）、又は、操舵トルクを「処理対象入力」として、処理対象入力の微分に基づき微分制御トルク成分を演算する微分制御トルク成分演算部（５０、５０５、６０、６０５）を有する。一般的なＰＩＤ制御器の微分制御トルク成分演算部では、操舵トルク偏差が処理対象入力であり、微分先行型ＰＩＤ制御器の微分制御トルク成分演算部では、操舵トルクが処理対象入力である。

処理対象入力を微分し、所定のカットオフ周波数以上の高周波成分を遮断するフィルタで処理した信号を「処理対象微分信号」とする。処理対象入力が操舵トルク偏差の場合、処理対象微分信号は操舵トルク偏差微分信号であり、処理対象入力が操舵トルクの場合、処理対象微分信号は操舵トルク微分信号である。微分制御トルク成分演算部は、「処理対象入力の変化が相対的に大きいとき、カットオフ周波数が相対的に高い処理対象微分信号の寄与度が相対的に高く」なり、「処理対象入力の変化が相対的に小さいとき、カットオフ周波数が相対的に低い処理対象微分信号の寄与度が相対的に高く」なるように、微分制御トルク成分を演算する。

本発明では、処理対象入力の変化に応じて、カットオフ周波数の異なる処理対象微分信号の寄与度を調整することで、操舵トルク信号に重畳したノイズが一般的なＰＩＤ制御器や微分先行型のＰＩＤ制御器の微分項で増幅されることが抑制される。したがって、特に非操舵時や微操舵時に、ノイズにより加振されたモータが発生する音や機械的な振動を低減することができる。また、操舵時には、操舵トルク信号に対するモータ出力指令の応答性を確保することができるため、位相遅れによるハンドルのリップル振動を抑えることができる。

本発明の微分制御トルク成分演算部は大きく２種類の態様を含む。第１の態様の微分制御トルク成分演算部（５０、５０５）は、カットオフ周波数が異なる複数のフィルタで処理された処理対象微分信号を加重加算して、微分制御トルク成分を演算するものである。

この微分制御トルク成分演算部は、「カットオフ周波数が相対的に高い処理対象微分信号の寄与度を、処理対象微分信号の振幅の絶対値が相対的に大きい帯域で相対的に高く」し、「カットオフ周波数が相対的に低い処理対象微分信号の寄与度を、処理対象微分信号の振幅の絶対値が相対的に小さい帯域で相対的に高く」する。

第２の態様の微分制御トルク成分演算部（６０、６０５）は、処理対象入力の変化率が大きいときほどカットオフ周波数が高くなるように設定されたフィルタにより処理対象信号を処理して微分制御トルク成分を演算する。

電動パワーステアリングシステムの概略構成図。 ＥＣＵ（ステアリング制御装置）の概略構成図。 第１、第２実施形態のサーボ制御器のブロック図。 トルク不感帯処理器のマップ。 第１実施形態の微分制御トルク成分演算部のブロック図。 疑似演算部の等価な構成を示すブロック図。 （ａ）第１微分不感帯処理、（ｂ）第２微分不感帯処理のマップ。 操舵トルク偏差、及び、差分微分処理後の信号波形図。 第１ＬＰＦ処理、及び、第１微分不感帯処理後の信号波形図。 第２ＬＰＦ処理、及び、第２微分不感帯処理後の信号波形図。 第１実施形態による微分制御トルク成分の波形図。 比較例の微分制御トルク成分の波形図。 実機での挙動を示すタイムチャート１。 同上のタイムチャート２。 第２実施形態の微分制御トルク成分演算部のブロック図。 （ａ）変化率演算部の周波数特性図、（ｂ）フィルタ定数演算部のマップ、（ｃ）操舵トルク偏差疑似微分部の周波数特性図。 第３実施形態のサーボ制御器のブロック図。 第４実施形態の微分制御トルク成分演算部のブロック図。

以下、本発明のステアリング制御装置の複数の実施形態を、図面に基づいて説明する。「ステアリング制御装置」としてのＥＣＵは、車両の電動パワーステアリングシステム、又はステアバイワイヤシステムに適用され、モータの出力指令を演算する。以下の実施形態では、主に電動パワーステアリングシステムに適用される例を示す。電動パワーステアリングシステムにおいてステアリング制御装置は、操舵アシストモータにアシストトルク指令を出力する。以下の第１～第４実施形態を包括して「本実施形態」という。

［電動パワーステアリングシステムの構成］
図１に示すように、電動パワーステアリングシステム１は、モータ８０の駆動トルクにより、ドライバによるハンドル９１の操作をアシストするシステムである。ステアリングシャフト９２の一端にはハンドル９１が固定されており、ステアリングシャフト９２の他端側にはインターミディエイトシャフト９３が設けられている。ステアリングシャフト９２とインターミディエイトシャフト９３とは、トルクセンサ９４のトーションバーにより接続されており、これらにより操舵軸９５が構成される。トルクセンサ９４は、トーションバーの捩れ角に基づいて操舵トルクＴｓを検出する。

インターミディエイトシャフト９３のトルクセンサ９４と反対側の端部には、ピニオンギア９６１及びラック９６２を含むギアボックス９６が設けられている。ドライバがハンドル９１を回すと、インターミディエイトシャフト９３とともにピニオンギア９６１が回転し、ピニオンギア９６１の回転に伴って、ラック９６２が左右に移動する。ラック９６２の両端に設けられたタイロッド９７は、ナックルアーム９８を介してタイヤ９９と接続されている。タイロッド９７が左右に往復運動し、ナックルアーム９８を引っ張ったり押したりすることで、タイヤ９９の向きが変わる。

モータ８０は、例えば３相交流ブラシレスモータであり、ＥＣＵ１０から出力された駆動電圧Ｖｄに応じて、ハンドル９１の操舵力をアシストするアシストトルクを出力する。３相交流モータの場合、駆動電圧Ｖｄは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電圧を意味する。モータ８０の回転は、ウォームギア８６及びウォームホイール８７等により構成される減速機構８５を経由して、インターミディエイトシャフト９３に伝達される。また、ハンドル９１の操舵や、路面からの反力によるインターミディエイトシャフト９３の回転は、減速機構８５を経由してモータ８０に伝達される。

なお、図１に示す電動パワーステアリングシステム１は、モータ８０の回転が操舵軸９５に伝達されるコラムアシスト式であるが、本実施形態のＥＣＵ１０は、ラックアシスト式の電動パワーステアリングシステムにも同様に適用可能である。また、他の実施形態では、操舵アシストモータとして、３相以外の多相交流モータや、ブラシ付ＤＣモータが用いられてもよい。

ここで、ハンドル９１からタイヤ９９に至る、ハンドル９１の操舵力が伝達される機構全体を「操舵系メカ１００」という。ＥＣＵ１０は、モータ８０が操舵系メカ１００に出力する駆動トルクを制御することにより、操舵系メカ１００が発生する操舵トルクＴｓを制御する。また、ＥＣＵ１０は、車両の所定の部位に設けられた車速センサ１１が検出した車速Ｖを取得する。

ＥＣＵ１０は、図示しない車載バッテリからの電力によって動作し、トルクセンサ９４により検出された操舵トルクＴｓや車速センサ１１により検出された車速Ｖ等に基づき、アシストトルク指令Ｔａ^*を演算する。そして、ＥＣＵ１０は、アシストトルク指令Ｔａ^*に基づいて演算した駆動電圧Ｖｄをモータ８０へ印加することにより、操舵系メカ１００に操舵トルクＴｓを発生させる。

なお、ＥＰＳ－ＥＣＵ１５における各種演算処理は、ＲＯＭ等の実体的なメモリ装置に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。

［ＥＣＵの構成］
次に、本実施形態のＥＣＵ１０の具体的な構成について説明する。図２～図４には第１及び第２実施形態に共通する構成例を示す。図２に示す構成例のＥＣＵ１０は、推定負荷演算部２０、目標操舵トルク演算部３０、偏差算出器３９、サーボ制御器４００、及び、電流フィードバック（図中「ＦＢ」）部７０等を備える。

推定負荷演算部２０は、加算器２１及びＬＰＦ（「ローパスフィルタ」、以下同じ）２２を含む。例えば加算器２１は、ベースアシスト指令Ｔｂ^*と目標操舵トルクＴｓ^*とを加算する。ＬＰＦ２２は、加算されたトルクから所定の周波数、例えば１０Ｈｚ以下の帯域の成分を抽出する。推定負荷演算部２０は、ＬＰＦ２２により抽出された周波数成分を推定負荷Ｔｘとして出力する。

図２の構成例の目標操舵トルク演算部３０は、推定負荷Ｔｘ及び車速Ｖに基づき、目標操舵トルクＴｓ^*を演算する。その他の構成では、目標操舵トルク演算部３０は、操舵角に基づいて目標操舵トルクＴｓ^*を演算してもよい。偏差算出器３９は、目標操舵トルクＴｓ^*と操舵トルクＴｓとの差分である操舵トルク偏差ΔＴｓ（＝Ｔｓ^*－Ｔｓ）を算出する。

各実施形態のサーボ制御器４００には操舵トルク偏差ΔＴｓが入力される。また、第３実施形態では破線で示すように、さらに操舵トルクＴｓが入力される。第１、第２実施形態では、サーボ制御器４００は、操舵トルク偏差ΔＴｓが０になるように、つまり、操舵トルクＴｓを目標操舵トルクＴｓ^*に追従させるように、一般的なＰＩＤ制御器によりサーボ制御を実行し、モータ８０の出力指令であるベースアシスト指令Ｔｂ^*を演算する。第３実施形態では、操舵トルク偏差ΔＴｓに基づくＰＩ演算と、操舵トルクＴｓに基づくＤ演算とを組み合わせた微分先行型ＰＩＤ制御によりサーボ制御を実行する。

図２の構成例ではベースアシスト指令Ｔｂ^*に対する補正トルクは演算されないため、ベースアシスト指令Ｔｂ^*がそのままアシストトルク指令Ｔａ^*として出力される。なお、特許文献２（特許第６２５２０２７号公報）の図２に示されるように補正トルクが演算される構成では、ベースアシスト指令Ｔｂ^*と補正トルクとの合計がアシストトルク指令Ｔａ^*として出力される。

電流フィードバック部７０は、アシストトルク指令Ｔａ^*に応じたアシストトルクが、特にトルクセンサ９４よりもタイヤ９９側の操舵軸９５に付与されるように、モータ８０へ駆動電圧Ｖｄを印加する。電流フィードバック制御の技術は、モータ制御分野における周知技術であるため、詳細な説明を省略する。

（第１、第２実施形態のサーボ制御器）
図３に、第１、第２実施形態のサーボ制御器４００の構成例を示す。この構成例のサーボ制御器４００は、一般的なＰＩＤ制御器４１０及び累積演算部４９０を含む。ＰＩＤ制御器４１０における微分制御トルク成分演算部５０以外の構成は、概ね特許文献２の図４の構成と同様であり、ＰＩＤ演算の数式等は特許文献２に参照される。離散値の微分演算における「疑似微分」は、連続系の伝達関数でいうと（ｓ／（τｓ＋１）²）（ただし、ｓ：ラプラス演算子、τ：時定数）の演算に該当する。

ＰＩＤ制御器４１０は、操舵トルク偏差ΔＴｓに基づくＰＩＤ制御により、所定の制御周期毎に比例、積分、微分の各制御トルク成分を演算する。つまりＰＩＤ制御器４１０は、比例制御トルク成分を演算する比例制御トルク成分演算部４３０、積分制御トルク成分を演算する積分制御トルク成分演算部４４０、及び、微分制御トルク成分を演算する微分制御トルク成分演算部５０を有する。なお、図３では微分制御トルク成分演算部の符号として、第１実施形態の微分制御トルク成分演算部の符号「５０」を記す。

比例制御トルク成分演算部４３０は、遅延素子４５、減算器４６３及び比例ゲイン（Ｋｐ）乗算器４７３を含む。積分制御トルク成分演算部４４０は、遅延素子４５、加算器４６４及び積分ゲイン（Ｋｉ）乗算器４７４を含む。微分制御トルク成分演算部５０については、図５、図１５等を参照して実施形態毎に後述する。ＰＩＤ成分加算器４８は、制御周期毎にＰＩＤ制御トルク成分を加算し、処理対象トルク成分ＴＭを出力する。

累積処理部４９０は、ＰＩＤ制御器４１０の制御周期毎に演算されたＰＩＤ制御トルク成分の和である処理対象トルク成分ＴＭを累積処理し、ベースアシスト指令の今回値Ｔｂ^*（ｎ）を演算する。なお、累積処理は積分処理と同義であるが、ここではＰＩＤの積分制御との区別のため「累積」の用語を用いる。なお、サーボ制御器の演算構成によっては累積演算部を設けず、ＰＩＤ制御器において累積演算後のトルクを出力するようにしてもよい。

累積処理部４９０は、加算器４９１、遅延素子４９２、トルク不感帯処理器４９３及び制限演算器４９４を含む。加算器４９１は、処理対象トルク成分ＴＭの今回値に、遅延素子４９２を介して入力されるベースアシスト指令の前回値Ｔｂ^*（ｎ－１）を加算する。トルク不感帯処理器４９３は、図４に示すように、入力（ＴＭ＋Ｔｂ^*（ｎ－１））の絶対値が閾値Ｔｄ以下の範囲を不感帯として、出力Ｔｂ^*（ｎ）を０とする。制限演算器４９４は、トルク不感帯処理器４９３の出力の絶対値がサーボ制限値以下となるように制限する。

ところで操舵トルク信号Ｔｓにノイズが重畳すると、ＰＩＤ制御器の微分項でノイズが増幅されて操舵トルクサーボ出力に現れ、モータを加振するという問題がある。そこで本実施形態では、操舵トルク信号Ｔｓに重畳したノイズが微分制御トルク成分に現れることを抑制するように、微分制御トルク成分演算部の構成を工夫する。以下、微分制御トルク成分演算部５０に入力される量を「処理対象入力」とする。第１、第２実施形態では操舵トルク偏差ΔＴｓが処理対象入力である。微分制御トルク成分演算部５０は、処理対象入力である操舵トルク偏差ΔＴｓの微分に基づき微分制御トルク成分を演算する。

また、処理対象入力を微分し、所定のカットオフ周波数以上の高周波成分を遮断するフィルタで処理した信号を「処理対象微分信号」とする。第１、第２実施形態の処理対象微分信号は操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）である。第１、第２実施形態を包括する技術的思想として、第１実施形態の微分制御トルク成分演算部５０、及び、第２実施形態の微分制御トルク成分演算部６０は、次のように微分制御トルク成分を演算する。

（１）操舵トルク偏差ΔＴｓの変化が相対的に大きいとき、カットオフ周波数が相対的に高い操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）の寄与度が相対的に高くなる。

（２）操舵トルク偏差ΔＴｓの変化が相対的に小さいとき、カットオフ周波数が相対的に低い操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）の寄与度が相対的に高くなる。

第１実施形態では、カットオフ周波数が異なる複数のフィルタで処理された操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）を加重加算して、微分制御トルク成分を演算する。加重加算においては、各トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）に対応する微分ゲインによる重みの調整も含まれる。

第２実施形態では、操舵トルク偏差ΔＴｓの変化率が大きいときほどカットオフ周波数が高くなるように設定されたフィルタにより操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）を処理して微分制御トルク成分を演算する。

続いて、第１実施形態の微分制御トルク成分演算部５０、及び、第２実施形態の微分制御トルク成分演算部６０の構成例について順に説明する。また、主に第１実施形態による作用効果について説明する。

（第１実施形態の微分制御トルク成分演算部）
図５～図７を参照し、第１実施形態の微分制御トルク成分演算部の構成について説明する。図５に示すように、第１実施形態の微分制御トルク成分演算部５０は、並列に設けられた第１、第２の微分演算部と、加重加算器５８とを備える。なお、図５に破線で示す変形例の構成は後で補足するものとし、基本例に関しては破線部を無視して説明する。

第１の微分演算部は、第１疑似微分部５１１、第１微分不感帯処理器５４１、遅延素子５５１、減算器５６１及び第１微分ゲイン（Ｋｄ１）乗算器５７１を含む。同様に第２の微分演算部は、第２疑似微分部５１２、第２微分不感帯処理器５４２、遅延素子５５２、減算器５６２及び第２微分ゲイン（Ｋｄ２）乗算器５７２を含む。図６には、第１、第２疑似微分部５１１、５１２と等価な構成を示す。図７には、第１、第２微分不感帯処理器５４１、５４２のマップ例を示す。

第１の微分演算部における第１疑似微分部５１１は、図６に示すように、差分微分処理部５２と第１ＬＰＦ５３１とを組み合わせた構成と等価である。差分微分処理部５２は、操舵トルク偏差ΔＴｓの差分微分Ｄ（ΔＴｓ）を演算する。第１ＬＰＦ５３１は、相対的に高い第１カットオフ周波数ｆｃｏ１（例えば３５０Ｈｚ）以上の高周波成分が遮断された第１操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿０を通過させる。末尾の「＿０」は、不感帯処理前の信号を表す。

第１微分不感帯処理器５４１は、入力される操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿０の振幅の絶対値が相対的に小さい小振幅域を不感帯とし、振幅の絶対値が相対的に大きい大振幅域では、入力に応じた操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿＃を出力する。末尾の「＿＃」は、不感帯処理後の信号を表す。

図７（ａ）に示す例では、第１微分不感帯処理器５４１は、入力信号の振幅の絶対値が小閾値α未満である小振幅域で０を出力し、入力信号の振幅の絶対値が大閾値βより大きい大振幅域で入力と同じ値を出力する。また、第１微分不感帯処理器５４１は、入力信号の振幅の絶対値が小閾値α以上大閾値β以下である遷移域で、入力信号の振幅の絶対値の増加に伴い、出力の絶対値を０から大閾値βまで漸増させる。

減算器５６１は、第１微分不感帯処理器５４１が出力した不感帯処理後の操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿＃の今回値と、遅延素子５５１を介して入力される前回値との差分を算出する。第１微分ゲイン乗算器５７１は、減算器５６１の出力に、寄与度を反映した第１微分ゲインＫｄ１を乗じた値を出力する。なお、遅延素子５５１及び減算器５６１は演算構成上の一例であって、本質的なものではない。したがって、第１微分ゲイン乗算器５７１は、第１微分不感帯処理器５４１の出力に第１微分ゲインＫｄ１を乗じると解釈してよい。

第２の微分演算部について、第１の微分演算部と重複する説明を省略する。第２疑似微分部５１２は、差分微分処理部５２と第２ＬＰＦ５３２とを組み合わせた構成と等価である。第２ＬＰＦ５３２は、相対的に低い第２カットオフ周波数ｆｃｏ２（例えば１５０Ｈｚ）以上の高周波成分が遮断された第２操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）２＿０を通過させる。つまり、操舵トルク偏差ΔＴｓの差分微分Ｄ（ΔＴｓ）のうち、第１疑似微分部５１１は、高周波成分をより含む微分信号を出力し、第２疑似微分部５１２は、高周波成分をより含まない微分信号を出力する。

第２微分不感帯処理器５４２は、入力される操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）２＿０の振幅の絶対値が相対的に大きい大振幅域を不感帯とし、振幅の絶対値が相対的に小さい小振幅域では、入力に応じた操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）２＿＃を出力する。

図７（ｂ）に示す例では、第２微分不感帯処理器５４２は、入力信号の振幅の絶対値が小閾値α未満である小振幅域で入力と同じ値を出力し、入力信号の振幅の絶対値が大閾値βより大きい大振幅域で０を出力する。また、第２微分不感帯処理器５４２は、入力信号の振幅の絶対値が小閾値α以上大閾値β以下である遷移域で、入力信号の振幅の絶対値の増加に伴い、出力の絶対値を小閾値αから０まで漸減させる。

減算器５６２は、第２微分不感帯処理器５４２が出力した不感帯処理後の操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）２＿＃の今回値と、遅延素子５５２を介して入力される前回値との差分を算出する。第２微分ゲイン乗算器５７２は、減算器５６２の出力に、寄与度を反映した第２微分ゲインＫｄ２を乗じた値を出力する。上記と同様に、第２微分ゲイン乗算器５７２は、第２微分不感帯処理器５４２の出力に第２微分ゲインＫｄ２を乗じると解釈してよい。

加重加算器５８は、第１微分不感帯処理器５４１の出力に第１微分ゲインＫｄ１を乗じた値である「第１微分制御トルク成分」と、第２微分不感帯処理器５４２の出力に第２微分ゲインＫｄ２を乗じた値である「第２微分制御トルク成分」と、を加算して微分制御トルク成分を算出する。

或いは破線で示す変形例のように、第１、第２疑似微分部５１１、５１２の前に第１、第２微分ゲイン乗算器５７１、５７２を配置し、操舵トルク偏差ΔＴｓに第１、第２微分ゲインＫｄ１、Ｋｄ２を乗じた値に対し、疑似微分及び不感帯処理を施すようにしてもよい。変形例では、加重加算器５８は、「第１微分ゲインＫｄ１が乗算された操舵トルク偏差ΔＴｓに基づく操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿０を入力とする第１微分不感帯処理器５４１の出力」と、「第２微分ゲインＫｄ２が乗算された操舵トルク偏差ΔＴｓに基づく操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）２＿０を入力とする第２微分不感帯処理器５４２の出力」と、を加算して微分制御トルク成分を算出する。

以上の内容をまとめると、第１実施形態の微分制御トルク成分演算部５０は、カットオフ周波数が異なる複数のフィルタで処理された操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）１、Ｄ（ΔＴｓ）２を加重加算して、微分制御トルク成分を演算するものである。微分制御トルク成分演算部５０は、カットオフ周波数が相対的に高い操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）１の寄与度を、操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）１の振幅の絶対値が相対的に大きい帯域で相対的に高くする。また、微分制御トルク成分演算部５０は、カットオフ周波数が相対的に低い操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）２の寄与度を、操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）２の振幅の絶対値が相対的に小さい帯域で相対的に高くする。

ここで図７（ａ）、（ｂ）に示す例では、第１、第２微分不感帯処理器５４１、５４２の小閾値α及び大閾値β、すなわち入出力特性の折れ点は共通の値である。これにより、第１微分不感帯処理器５４１において不感帯でカットされた帯域の操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）を、第２微分不感帯処理器５４２の不感帯通過出力で補うことができる。ただし、これに限らず、第１、第２微分不感帯処理器５４１、５４２の小閾値又は大閾値を異なる値としてもよい。

次に図８～図１２を参照し、微分制御トルク成分演算部５０による微分制御トルク成分の演算過程について説明する。つまり、図５に示す離散型演算モデルを通常のＰＩＤ制御の微分要素として模式的に表し、その過程ごとの信号波形のイメージを図８～図１２に示す。図示を省略するが、図８～図１２の横軸は時間である。また、図８、図９、図１０において縦に並べて配置された（ａ）、（ｂ）は、一式の関連図として扱われる。各図の縦軸における［Ｎｍ］、［Ｎｍ／ｓ］は、数値単位としての意味ではなく、物理量の次元を明示するためのものである。

図８の（ａ）にノイズが重畳した操舵トルク偏差ΔＴｓを示し、（ｂ）に、操舵トルク偏差の差分微分Ｄ（ΔＴｓ）を示す。細い実線は、操舵トルク偏差の差分微分信号Ｄ（ΔＴｓ）の包絡線である。差分微分信号Ｄ（ΔＴｓ）は、第１ＬＰＦ処理及び第２ＬＰＦ処理にそれぞれ送信される。第１ＬＰＦ処理では、相対的に高い第１カットオフ周波数ｆｃｏ１（例えば３５０Ｈｚ）以上の高周波成分が遮断される。第２ＬＰＦ処理では、相対的に低い第２カットオフ周波数ｆｃｏ２（例えば１５０Ｈｚ）以上の高周波成分が遮断される。

図９の（ａ）に示すように、第１ＬＰＦ処理後の信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿０にはノイズが多く残っている。しかし、（＊１）に見られるように、差分微分信号Ｄ（ΔＴｓ）の包絡線に対する位相の遅れは小さく、応答性に優れる。一方、図１０の（ａ）に示すように、第２ＬＰＦ処理後の信号Ｄ（ΔＴｓ）２＿０にはノイズが少ないが、（＊２）に見られるように、差分微分信号Ｄ（ΔＴｓ）の包絡線に対する位相の遅れが大きい。

図９の（ｂ）に示す第１微分不感帯処理では、小振幅域の入力信号の振幅を０としてノイズを低減する。その結果、遷移域及び大振幅域の入力信号のみが不感帯を通過した信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿＃が出力される。図１０の（ｂ）に示す第２微分不感帯処理では、大振幅域の入力信号の振幅を０とする。その結果、小振幅域の入力信号、及び、縮減された遷移域の入力信号のみが不感帯を通過した信号Ｄ（ΔＴｓ）２＿＃が出力される。

図１１に示すように、第１微分不感帯処理後の信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿＃に第１微分ゲインＫｄ１を乗じた値と、第２微分不感帯処理後の信号Ｄ（ΔＴｓ）２＿＃に第２微分ゲインＫｄ２を乗じた値とが加算され、微分制御トルク成分として出力される。この微分制御トルク成分は、ノイズが低減され、且つ、差分微分信号Ｄ（ΔＴｓ）の包絡線に対する位相の遅れが低減されている。

ここで、図１２に示す比較例では、第１ＬＰＦ処理後の信号Ｄ（ΔＴｓ）１＿０に第１微分ゲインＫｄ１を乗じた値が微分制御トルク成分として出力される。すなわち、比較例では、不感帯処理器及び第２の微分演算部を備えない。この場合、微分制御トルク成分に操舵トルク信号Ｔｓのノイズが顕著に現れ、モータを加振して音や振動を発生させる。特に非操舵時や微操舵時にモータが加振された場合、発生する音や機械的な振動にドライバが気づきやすく、快適性を低下させるという問題がある。

それに対し第１実施形態では、カットオフ周波数が異なる二つのフィルタで処理された操舵トルク偏差微分信号を、不感帯処理、及び、微分ゲインの付与により寄与度を調整する。これにより、操舵トルク信号に重畳したノイズがＰＩＤ制御器の微分項で増幅されることが抑制される。

したがって、特に非操舵時や微操舵時に、ノイズにより加振されたモータが発生する音や機械的な振動を低減することができる。また、操舵時には、操舵トルク信号に対するモータ出力指令の応答性を確保することができるため、位相遅れによるハンドルのリップル振動を抑えることができる。

次に図１３、図１４を参照し、実機で停車時にハンドルを中立位置から僅かに操舵したとき、すなわち微操舵時における、操舵トルクＴｓ、微分制御トルク成分、ベースアシスト指令Ｔｂ^*の挙動について説明する。図１３、図１４において縦に並べて配置された複数の図は、一式の関連図として扱われる。

図１３には上から、操舵トルクＴｓ、比較例の微分制御トルク成分及びベースアシスト指令Ｔｂ^*を示す。この比較例は、図１２と同様に、不感帯処理器及び第２の微分演算部を備えないものである。比較例では、微分制御トルク成分の±２Ｎｍ程度のノイズが常時ベースアシスト指令Ｔｂ^*に重畳する。特にＸ秒後に振幅の大きなノイズが見られる。このようなノイズがモータを高周波で加振し、音や振動として現れる。

図１４には上から、第１実施形態による第１微分制御トルク成分、第２微分制御トルク成分、及び、ベースアシスト指令Ｔｂ^*を示す。第１、第２の微分演算部には、図１３上段に示す操舵トルクＴｓが入力される。第１微分不感帯処理を通すことにより、微操舵時にはＸ秒後のノイズを除き、第１微分制御トルク成分（Ｄ（ΔＴｓ）１＿＃×Ｋｄ１）はほとんど現れない。

一方、第２ＬＰＦ処理の第２カットオフ周波数ｆｃｏ２は、第１ＬＰＦ処理の第１カットオフ周波数ｆｃｏ１に比べて低く設定されているため、第２微分制御トルク成分（Ｄ（ΔＴｓ）２＿＃×Ｋｄ２）は、高周波ノイズが低減されたものとなる。そして、小振幅域の入力信号は第２微分不感帯処理を通過するため、ノイズの少ない第２微分制御トルク成分が得られる。その結果、ノイズの少ないベースアシスト指令Ｔｂ^*が出力されるため、モータを高周波で加振するトルクは弱く、音や振動として現れない。

（第２実施形態の微分制御トルク成分演算部）
次に図１５、図１６を参照し、第２実施形態の微分制御トルク成分演算部の構成について説明する。第２実施形態の微分制御トルク成分演算部６０は、処理対象入力である操舵トルク偏差ΔＴｓの変化率が大きいときほどカットオフ周波数が高くなるように設定されたフィルタにより操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）を処理して微分制御トルク成分を演算する。この例では、相対的に高いカットオフ周波数を３５０Ｈｚとし、相対的に低いカットオフ周波数を５０Ｈｚとする。

図１５に示すように、微分制御トルク成分演算部６０は、変化率演算部６１、フィルタ定数演算部６２、操舵トルク偏差疑似微分部６３、及び微分ゲイン処理部６４を有する。変化率演算部６１は、操舵トルク偏差ΔＴｓの変化率を演算する。図１６（ａ）に、操舵トルク偏差ΔＴｓを入力したときの操舵トルク偏差変化率Ｒｃ（ΔＴｓ）の出力特性を示す。変化率演算で用いる疑似微分では、差分微分を算出した後に１段のＬＰＦによりフィルタ処理される。

フィルタ定数演算部６２は、操舵トルク偏差ΔＴｓの変化率が大きいほど、操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）の演算に用いるＬＰＦのカットオフ周波数が高くなるようフィルタ定数を演算する。図１６（ｂ）に、操舵トルク偏差変化率の絶対値｜Ｒｃ（ΔＴｓ）｜とフィルタ定数との関係を示す。操舵トルク偏差変化率の絶対値｜Ｒｃ（ΔＴｓ）｜が０に近いとき、フィルタ定数はカットオフ周波数５０Ｈｚに対応する値に設定される。

操舵トルク偏差変化率の絶対値｜Ｒｃ（ΔＴｓ）｜が臨界値Ｆｈより大きいとき、フィルタ定数はカットオフ周波数３５０Ｈｚに対応する値で一定に設定される。操舵トルク偏差変化率の絶対値｜Ｒｃ（ΔＴｓ）｜が臨界値Ｆｈ以下のとき、フィルタ定数は、カットオフ周波数５０Ｈｚに対応する値からカットオフ周波数３５０Ｈｚに対応する値まで漸増する。

「処理対象疑似微分部」としての操舵トルク偏差疑似微分部６３は、フィルタ定数に基づいて操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）を演算する。図１６（ｃ）に、操舵トルク偏差ΔＴｓを入力したときの操舵トルク偏差疑似微分部６３の出力特性を示す。操舵トルク偏差ΔＴｓの疑似微分では、差分微分を算出した後に、２段のＬＰＦによってフィルタ処理される。その結果、操舵トルク偏差変化率の絶対値｜Ｒｃ（ΔＴｓ）｜が臨界値Ｆｈより大きいときはＬＰＦ＿Ｈで示す周波数特性となり、操舵トルク偏差変化率の絶対値｜Ｒｃ（ΔＴｓ）｜が小さく０に近づくほどＬＰＦ＿Ｌで示す周波数特性に近づき、高周波帯のノイズが抑えられる。

図１５に示す例では、微分ゲイン処理部６４は、操舵トルク偏差疑似微分部６３が出力した操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）に微分ゲインＫｄを乗じて微分制御トルク成分を演算する。或いは、微分ゲイン処理部は、操舵トルク偏差疑似微分部６３に入力される操舵トルク偏差ΔＴｓに微分ゲインＫｄを乗じるように構成されてもよい。

このように第２実施形態の微分制御トルク成分演算部６０は、カットオフ周波数が可変に設定されるフィルタを用い、操舵トルク偏差変化率Ｒｃ（ΔＴｓ）に応じて操舵トルク偏差微分信号Ｄ（ΔＴｓ）の寄与度を調節し、微分制御トルク成分を演算する。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。第１実施形態に比べ複数のフィルタを必要としないため、構成が簡単になる。

以上のように第１、第２実施形態では、微分制御トルク成分演算部５０、６０の処理対象入力は操舵トルク偏差ΔＴｓである。第１、第２実施形態のポイントとなる概念は、次のように表される。「操舵トルク偏差ΔＴｓの変化が大きいとき、帯域の広い微分制御トルク成分を出力し、操舵トルク偏差ΔＴｓの変化が小さいとき、大きいときと比べて帯域を狭めた微分制御トルク成分を出力するステアリング制御装置。」そこで、第１、第２実施形態に例示した構成に限らず、この概念に従う他の構成が採用されてもよい。

これに対し次に説明する第３、第４実施形態では、微分制御トルク成分演算部５０５、６０５の処理対象入力は操舵トルクＴｓである。微分制御トルク成分演算部は、処理対象入力である操舵トルクＴｓの微分に基づき微分制御トルク成分を演算する。また、第３、第４実施形態の処理対象微分信号は操舵トルク微分信号Ｄ（Ｔｓ）である。第３、第４実施形態の微分制御トルク成分演算部５０５、６０５は、次のように微分制御トルク成分を演算する。

（１）操舵トルクＴｓの変化が相対的に大きいとき、カットオフ周波数が相対的に高い操舵トルク微分信号Ｄ（Ｔｓ）の寄与度が相対的に高くなる。

（２）操舵トルクＴｓの変化が相対的に小さいとき、カットオフ周波数が相対的に低い操舵トルク微分信号Ｄ（Ｔｓ）の寄与度が相対的に高くなる。

そして、第１～第４実施形態を包括する本実施形態のポイントとなる概念は、次のように表される。「微分制御トルク成分演算部の処理対象入力の変化が大きいとき、帯域の広い微分制御トルク成分を出力し、微分制御トルク成分演算部の処理対象入力の変化が小さいとき、大きいときと比べて帯域を狭めた微分制御トルク成分を出力するステアリング制御装置。」

（第３、第４実施形態）
次に図１７を参照し、第３実施形態の構成について説明する。第３実施形態のサーボ制御器４００は、図３に示す第１実施形態の一般的なＰＩＤ制御器４１０に代えて、微分先行型のＰＩＤ制御器４１５を備える。微分先行型ＰＩＤ制御は、改良型のＰＩＤ制御の一種であり、目標値が急変したとき、微分によって出力が極めて大きな値になってしまうことを防ぐために、微分の入力として操舵トルク偏差ΔＴｓでなく、制御量である操舵トルクＴｓを接続するものである。

微分先行型のＰＩＤ制御器４１５における微分制御トルク成分演算部５０５の構成自体は、図５に示す微分制御トルク成分演算部５０とほぼ同じである。ただし、第１、第２疑似微分部５１１、５１２には操舵トルク偏差ΔＴｓではなく、操舵トルクＴｓが入力される。また、第１、第２微分ゲイン乗算器５９１、５９２は、符号が反転された微分ゲイン－Ｋｄ１、－Ｋｄ２を乗算する。

第１、第２微分不感帯処理器５４１、５４２は、入力された操舵トルク微分信号Ｄ（Ｔｓ）１＿０、Ｄ（Ｔｓ）２＿０を不感帯処理し、操舵トルク微分信号Ｄ（Ｔｓ）１＿＃、Ｄ（Ｔｓ）２＿＃を出力する。つまり、第３実施形態では、第１実施形態の「微分信号」等の用語から「偏差」の部分が削除され、記号中の（ΔＴｓ）が（Ｔｓ）に置き換わる。第１、第２微分不感帯処理器５４１、５４２の特性は、図７（ａ）、（ｂ）と同様の特性をそのまま流用可能である。

なお、微分先行型のＰＩＤ制御器４１５における比例制御トルク成分演算部４３０及び積分制御トルク成分演算部４４０は、一般的なＰＩＤ制御器４１０と同様に、操舵トルク偏差ΔＴｓに基づくＰＩ演算を行う。また、サーボ制御器の４００累積演算部４９０についても図３と同様である。

第３実施形態の構成においても、操舵トルクＴｓにノイズが重畳すると微分項でノイズが増幅される。しかし、本実施形態のポイントとなる概念に基づいて、微分制御トルク成分演算部の処理対象入力である操舵トルクＴｓの変化に応じてカットオフ周波数の異なる操舵トルク微分信号の寄与度が調整されることで、サーボ制御器４００の出力に現れるノイズを抑制することができる。

図１８に、第２実施形態に対応する第４実施形態の微分制御トルク成分演算部６０５を示す。微分制御トルク成分演算部６０５は、図１７の微分制御トルク成分演算部５０５に置き換え可能である。第４実施形態では、微分制御トルク成分演算部６０５の処理対象入力が操舵トルク偏差ΔＴｓから操舵トルクＴｓに変わり、微分ゲイン処理部６４にて符号が反転された微分ゲイン（－Ｋｄ）を乗算する。なお、「処理対象疑似微分部」としての操舵トルク疑似微分部の符号「６３」は、第２実施形態の操舵トルク偏差疑似微分部の符号を共用する。第４実施形態では、このように僅かな構成の違いのみで、同様にサーボ制御器４００の出力に現れるノイズを抑制することができる。

（その他の実施形態）
本発明のステアリング制御装置は、電動パワーステアリングシステムに限らず、特許文献２の図１１に開示されるように、ハンドルと操舵輪とが機械的に分離したステアバイワイヤシステムの反力制御装置に適用されてもよい。その場合、サーボ制御器では、反力検出装置で検出された操舵トルクＴｓが、タイヤ転舵装置で演算される負荷や転舵角に応じて演算された目標操舵トルクＴｓ^*に追従するように制御される。

第３、第４実施形態に示した微分先行型ＰＩＤ制御は、一般的なＰＩＤ制御以外のサーボ制御の一例である。他のサーボ制御構成であっても、ノイズを含む操舵トルクが微分される処理経路を持つ制御構成であれば、本発明は適用可能である。

本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

本開示に記載の制御器及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御器及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御器及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

１０ ・・・ステアリング制御装置、
４００・・・サーボ制御器、
５０、５０５、６０、６０５・・・微分制御トルク成分演算部、
８０ ・・・モータ。

Claims (5)

1. 操舵トルク（Ｔｓ）を目標操舵トルク（Ｔｓ^*）に追従させるように、サーボ制御器（４００）によりモータ（８０）の出力指令（Ｔｂ^*）を演算するステアリング制御装置であって、
   前記サーボ制御器は、目標操舵トルクと操舵トルクとの差分である操舵トルク偏差（ΔＴｓ）、又は、操舵トルクを処理対象入力として、前記処理対象入力の微分に基づき微分制御トルク成分を演算する微分制御トルク成分演算部（５０、５０５、６０、６０５）を有し、
   前記処理対象入力を微分し、所定のカットオフ周波数以上の高周波成分を遮断するフィルタで処理した信号を処理対象微分信号とすると、
   前記微分制御トルク成分演算部は、
   前記処理対象入力の変化が相対的に大きいとき、カットオフ周波数が相対的に高い前記処理対象微分信号の寄与度が相対的に高くなり、
   前記処理対象入力の変化が相対的に小さいとき、カットオフ周波数が相対的に低い前記処理対象微分信号の寄与度が相対的に高くなるように、前記微分制御トルク成分を演算するステアリング制御装置。
2. 前記微分制御トルク成分演算部（５０、５０５）は、
   カットオフ周波数が異なる複数のフィルタで処理された前記処理対象微分信号を加重加算して、前記微分制御トルク成分を演算するものであって、
   カットオフ周波数が相対的に高い前記処理対象微分信号の寄与度を、前記処理対象微分信号の振幅の絶対値が相対的に大きい帯域で相対的に高くし、
   カットオフ周波数が相対的に低い前記処理対象微分信号の寄与度を、前記処理対象微分信号の振幅の絶対値が相対的に小さい帯域で相対的に高くする請求項１に記載のステアリング制御装置。
3. 前記微分制御トルク成分演算部は、
   第１カットオフ周波数（ｆｃｏ１）以上の高周波成分が遮断された前記処理対象微分信号が入力され、前記処理対象微分信号の振幅の絶対値が相対的に小さい小振幅域を不感帯とし、振幅の絶対値が相対的に大きい大振幅域では、入力に応じた前記処理対象微分信号を出力する第１微分不感帯処理器（５４１）と、
   前記第１カットオフ周波数より低い第２カットオフ周波数（ｆｃｏ２）以上の高周波成分が遮断された前記処理対象微分信号が入力され、前記大振幅域を不感帯とし、前記小振幅域では、入力に応じた前記処理対象微分信号を出力する第２微分不感帯処理器（５４２）と、
   前記第１微分不感帯処理器の出力に第１微分ゲイン（Ｋｄ１）を乗じた値、もしくは、第１微分ゲインが乗算された前記処理対象入力に基づく前記処理対象微分信号を入力とする前記第１微分不感帯処理器の出力と、前記第２微分不感帯処理器の出力に第２微分ゲイン（Ｋｄ２）を乗じた値、もしくは、第２微分ゲインが乗算された前記処理対象入力に基づく前記処理対象微分信号を入力とする前記第２微分不感帯処理器の出力と、を加算して前記微分制御トルク成分を算出する加重加算器（５８）と、
   を有する請求項２に記載のステアリング制御装置。
4. 前記微分制御トルク成分演算部（６０、６０５）は、
   前記処理対象入力の変化率が大きいときほどカットオフ周波数が高くなるように設定されたフィルタにより前記処理対象微分信号を処理して前記微分制御トルク成分を演算する請求項１に記載のステアリング制御装置。
5. 前記微分制御トルク成分演算部は、
   前記処理対象入力の変化率を演算する変化率演算部（６１）と、
   前記処理対象入力の変化率が大きいほど、前記処理対象微分信号の演算に用いるカットオフ周波数が高くなるようフィルタ定数を演算するフィルタ定数演算部（６２）と、
   前記フィルタ定数に基づいて前記処理対象微分信号を演算する処理対象疑似微分部（６３）と、
   前記処理対象疑似微分部が出力した処理対象微分信号、又は、前記処理対象疑似微分部に入力される前記処理対象入力に微分ゲイン（Ｋｄ）を乗じる微分ゲイン処理部（６４）と、
   を有する請求項４に記載のステアリング制御装置。

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