JP3726941B2 - 電動式パワーステアリングの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機の出力で操舵力を補助するようにした電動式パワーステアリングの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動式パワーステアリングの制御装置では、システムの安定性や操舵時の滑らかさを確保するために、ソフトウェアによる操舵トルクセンサ検出値の近似微分制御を行っていた。また、このトルク微分制御部分の異常は、トータルの電流指令リミッタで管理しているのみであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電動式パワーステアリングシステムにおいて、一般に操舵トルクセンサの剛性が高いことやメカ機構に起因して出力位相が遅れ易く、そのため、上記ソフトウェアによるトルクセンサ検出値の近似微分制御では、十分な動作の安定性や操舵時の滑らかさが得られないという問題があった。また、トルク微分制御値の異常時には、上記の電流指令リミッタの管理だけでは、運転者の意志とは関係ない自己ステアリングに至る虞れがあるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、トルクセンサ検出値のトルク微分制御部分を独立した回路とし、そのトルク微分値で位相補償を行って制御モータ電流指令値を決め、また、必要に応じて始動時や通常動作時に、その回路を自己診断するようにしたことで、制御の安定性と操舵の滑らかさを同時に実現可能な電動式パワーステアリングの制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、操舵系に連結された操舵補助トルクを発生するモータと、操舵系の操舵トルクを検出しモータの制御に使用するトルク信号を出力する操舵トルクセンサと、車速を検出し出力する車速センサと、これら操舵トルク検出値と車速センサ検出値に応じてモータを制御する制御手段とを有した電動式パワーステアリングの制御装置において、制御に使用するトルク信号を入力する比例アンプ回路及び微分アンプ回路を備え、前記制御手段は、比例アンプ回路出力から操舵アシスト力の指令値を決定し、この比例アンプ回路出力から決定された指令値に車速センサ検出値に応じて設定されたゲインを乗じた値に、さらに微分アンプ回路出力によるトルク微分指令値を加算し、これをモータ電流指令値とし、モータ電流指令値の極性が比例アンプ回路出力から決定した指令値の極性と異なるとき、モータ電流指令値をゼロとするものである。
【０００６】
この構成においては、操舵トルクセンサ検出値と車速センサ検出値から操舵アシストを行うモータ電流指令値を決めるものにあって、制御に使用するトルク信号の入力回路を、比例アンプ回路と微分アンプ回路とに分離し、比例アンプ回路出力から操舵アシスト力の指令値を決定し、それによる電流指令値に車速センサ検出値に応じたゲインを乗じ、さらにその値に微分アンプ回路出力によるトルク微分指令値を加算するので、トルク微分値での位相補償が行われ、動作の安定性、操舵の滑らかさが得られる。また、モータ電流指令値の極性が比例アンプ回路出力から決定した指令値の極性と異なるとき、モータ電流指令値をゼロとすることにより、微分制御による電流指令値の極性反転を禁止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電動式パワーステアリングの装置装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は電動式パワーステアリング装置の全体構成を示す。ステアリングホイール１（ハンドル）は、操舵系を構成するコラムシャフト中に介在させたコラムギヤ７、さらにはラックアンドピニオン２を介してタイロッド３に連結され、このタイロッド３には車輪４が連結されている。パワーステアリング装置のコントロール装置５（ＥＣＵ）は、操舵系の操舵トルク（ここではコラムギヤ７の軸のねじれ）を検出する操舵トルクセンサ１１及び車速を検出する車速センサ１２からの各検出信号に基づいて、操舵系に連結され操舵補助トルクを発生するモータ６の駆動を制御する。運転者がステアリングホイール１を回転操作して、上記操舵系を介して車輪４の操舵角を切り替える動作に伴い、コントロール装置５はモータ６を駆動してコラムギヤ７部分で操舵アシストトルクを与える。コントロール装置５にはバッテリ８から電源が供給される。
【０００９】
図２は、コントロール装置５により制御される、操舵トルクセンサ１１の検出値に対するモータ駆動電流（操舵アシストトルク）の関係を示す。同じ操舵トルクに対して、車速Ｖｓが遅い程、モータ駆動電流を大きくして操舵アシストを大きくしている。
【００１０】
図３は、コントロール装置５（ＥＣＵ）の具体回路を示す。コントロール装置５は、パワーステアリング制御とフェールセーフ制御などの自己診断制御を司るＣＰＵ１５（制御手段）を有している。ＣＰＵ１５は、下記のような各種の周辺回路を備えている。
イグニション電源１６は、イグニション１７のＯＮによりバッテリ８から電源供給を受け、ＣＰＵ電源１８に電源を供給する。ＣＰＵ電圧監視回路１８はＣＰＵ電源１８の電圧を監視するためのものである。ウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）回路２０は、ＣＰＵ１５の暴走を検出するためのもので、ＣＰＵ１５は、装置の始動時に、ウォッチドッグタイマ回路２０のリフレッシュパルスを止めることで、ＣＰＵ１５のリセットが正常に作動することを自己診断する。
【００１１】
また、制御回路２５は、ＣＰＵ１５からの指令に基づいてモータ駆動回路２６を制御するものであり、論理出力回路２７やＦＥＴ駆動回路（ゲート駆動回路）２８が含まれる。モータ駆動回路２６は、モータ６の駆動を制御するＦＥＴのＨ型ブリッジ回路から成る。モータ駆動回路２６には、バッテリ８からフェールセーフパワーリレー回路２９（以下、リレー回路という）を介してモータ駆動のための電源供給が制御される。このリレー回路２９はＣＰＵ１５からの指示によりパワーリレー駆動回路３０を介して駆動される。ＣＰＵは、始動時に、リレー回路２９のＯＮ／ＯＦＦの各状態において、モータ駆動回路２６を強制駆動することにより、リレー回路２９が溶着故障又はオープン故障を起こしていないことを自己診断する。方向異常検出回路３１は、操舵トルクセンサ１１のサブトルク信号とＣＰＵ１５からの指令に基づいて、アシスト操舵方向が異常でないかを判定して、異常である場合に、アシストを禁止するように作用するものである。
【００１２】
また、モータ電流検出回路３２は、制御用／フェールセーフ用としてモータ電流を検出するものであり、フェールセーフ用として機能させる時は、ＣＰＵ１５は、始動時に、モータ駆動回路２６を強制駆動することによりモータ電流検出回路３２が正常に作動することを自己診断する。過電流検出回路３３は、モータ駆動電流の過電流を検出するためのもので、ＣＰＵ１５は、始動時に、過電流検出回路３３にＣＰＵ１５より過電流レベル電圧を注入することにより、過電流検出回路３３が正常に作動することを自己診断する。
【００１３】
また、トルク入力アンプ回路４０は、制御用／フェールセーフ用として操舵トルクセンサ１１からのトルク検出値をＣＰＵ１５に入力するためのもので、メイントルク入力アンプ回路４１（２倍…分解能アップのため）、メイントルク入力アンプ回路４２（微分）、サブトルク入力アンプ４３を含む。これらトルク入力アンプ回路４０は、フェールセーフ用として機能させる時は、ＣＰＵ１５は、始動時に、トルク入力アンプ回路４０の出力のオフセット電圧を確認することにより、トルク入力アンプ回路４０に異常がないことを自己診断する。なお、ＣＰＵ１５はＡ／Ｄ変換器を内蔵している。操舵トルクセンサ１１の電源は、イグニションＯＮの後、ＣＰＵ１５によりＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【００１４】
図４は、制御に使用するトルク信号を入力するメイントルク入力アンプ回路４１（以下、比例アンプ回路という）、及びメイントルク入力アンプ回路４２（以下、微分アンプ回路という）の具体構成を示す。メイントルク信号は、比例アンプ回路４１ではオペアンプの非反転入力端に入力され、微分アンプ回路４２ではオペアンプの反転入力端に微分用コンデンサ４２ｄを介して入力される。前者のオペアンプの反転入力端、及び後者のオペアンプの非反転入力端には、それぞれ中立電源（２．５Ｖ）が供給される。それぞれのアンプ出力端に、ノイズ除去用のローパスフイルタ回路（抵抗とコンデンサ）を介して比例トルク出力、及び微分トルク出力が得られる。メイントルク信号は、ステアリングが中立時に、２．５Ｖとなるように設定される。
【００１５】
図５は上記比例トルク出力、微分トルク出力、車速信号等の入力に基づいてＣＰＵ１５がソフト的に処理する内容を機能ブロックにて示したものである。ＣＰＵ１５は、比例アンプ回路４１からの比例トルク出力に基づき、比例トルク平均値計算５１、及びトルク係数計算５２によって、操舵アシスト力の指令値Ａを決定し、この指令値Ａに、アシスト指令値計算５３によって、車速センサ１２の検出値に応じて設定されたゲインＣｖ（車速が上がると下げるためのもの）を乗じた後、電流制御リミッタ５４を介して値Ｂ（上記図２に示すモータ駆動電流に相当する指令値）を求める。また、微分アンプ回路４２の微分トルク出力に基づき、微分トルク平均値計算５５、微分指令値計算５６及び微分制御リミッタ５７によってトルク微分指令値Ｄを求め、この値Ｄを上記の値Ｂに加算し、それをモータ電流指令値Ｅ（電流指令、極性）とする。この極性は、Ｈ型ブリッジのどちら向きにモータ電流を流すかを決めるものである。
【００１６】
このように比例トルクから求めた指令値にトルク微分指令値Ｄを加算することで、操舵トルクセンサ１１の剛性等による制御系の遅れに起因する位相遅れを補償することができ、これにより、アシスト動作の安定化と円滑化が図れる。
【００１７】
また、トルク微分指令値Ｄとしては、微分アンプ回路４２の微分トルク出力に、微分指令値計算５６において、車速センサ検出値に応じたゲインＫｄ１（テーブルで持つ）及び比例アンプ回路４１の出力に応じたゲインＫｄ２を乗じた値としている。また、符号判定部５８は、トルク微分指令値Ｄを加算したモータ電流指令値Ｅの極性が、トルク微分指令値Ｄを加算する前の指令値Ｂの極性（比例アンプ回路４１からの比例トルク出力に基づき、比例トルク平均値計算５１、及びトルク係数計算５２によって決定された操舵アシスト力の指令値Ａの極性でもある）と異なるかを調べ、異なるとき、モータ電流指令値Ｅをゼロとする。これにより、微分制御による電流指令値の極性反転を禁止し、保舵時の微振動やモータ異音を防止することができる。
【００１８】
なお、トルク係数計算５２では、比例アンプ回路４１からの比例トルク出力に基づき決定された操舵アシスト力の指令値Ａに、車速センサ検出値に基づくＷＴｍｉｎ（車速に応じたトルク不感応帯）が入力される。収れん指令値計算６１は、車速センサ検出値に基づく係数Ｋｖ（車速が早い時には中立位置に素早く戻るためのもの）をもとにアシスト指令値計算５３の出力に負帰還をかける。戻り指令値計算６２は、車速センサ検出値に基づく係数Ｋｆ（車速が遅い時には自動的に中立位置に戻す作用のためのもの）をもとにアシスト指令値計算５３の出力に正帰還をかける。モータ回転速度推定６３は、モータ電流指令値Ｅの符号と、モータ端子電圧（＋）（−）、モータ電流を入力とし、モータ回転速度を推定し、上記収れん指令値計算６１及び戻り指令値計算６２に比例信号を与える。
【００１９】
また、微分制御リミッタ５７は、後述するように、サブトルク信号の変化が規定値以内のときに、微分アンプ回路４１の出力が規定値を越えるとき、トルク信号の変化に応じて電流制限を行うものであり、かつ、モータ最大電流値に対するリミッタ処理も含む。これにより微分アンプ回路４１のフェールセーフを図る。
【００２０】
図６は、上記微分指令値計算５６の機能構成を示す。この微分指令値計算５６においては、微分アンプ回路４２の出力が規定値以内ではトルク微分指令値Ｄをゼロとするために、不感帯を設けている。“２”の乗数はビット数を示す。
【００２１】
図７は、上記微分指令値計算５６に入力される比例アンプ回路４１の出力に応じたゲインＫｄ２の特性を示す。トルク入力が小さい間は、微分ゲインを小さくしている。トルク微分補償トルクは、操舵トルクセンサ１１の剛性等による制御系の遅れに起因する自励発振や据え切り時のトルクリップルを解消するためにあり、特に、上記のようなトルク感応ゲインとすることで、切り始め／センター付近の微小操舵時（低負荷時）の微分ゲイン大による微振動を抑えることができる。
【００２２】
図８は、上記ＣＰＵ１５のソフト処理による微振動の改善効果（操舵の滑らかさ）を示すグラフである。同図の左側は操舵トルクセンサだけの入力信号に基づいてモータ電流を決定した場合のモータトルクの変動状況を示す。同図右側は、本実施形態によりモータ電流を制御した場合のもので、微振動の改善が図られていることが分かる。
【００２３】
図９は、ＣＰＵ１５によるトルク微分アンプの４２の初期診断フローである。装置の始動時に操舵トルクセンサ１１の電源がＯＦＦの時は、トルク微分アンプ４２の出力は、２．５Ｖ（実際には若干オフセットがある）に保たれているはずである（アンプの電源はＯＮ）。そこで、トルク微分アンプ入力サンプリング（Td0）から２．５Ｖを引いた値の絶対値をトルク微分アンプオフセット値とする（＃１）。このオフセット値が、所定のしきい値（Toffset）以上であれば（＃２でＮＯ）、トルク微分アンプ４２の異常と判断する（＃４）。オフセット値が所定のしきい値（Toffset）未満であれば（＃２でＹＥＳ）、トルク微分アンプ４２は正常であると判断し、入力サンプリングTd0をトルク微分中立値として記憶する（＃３）。こうして、始動時に操舵トルクセンサ１１の電源ＯＦＦ状態で、トルク微分アンプ４２の回路異常と判断された時は、電源オフを保持し、フェールセーフを図る。トルク微分アンプ４２が正常である時は、その入力はそのままトルク微分アンプ中立値として記憶し、それ以降の制御やフェールセーフで使用する。トルク微分アンプ４２の入力は複数回数（例えば１０回）サンプリングしてその平均値を採用すればよい。
【００２４】
図１０は、ＣＰＵ１５によるトルク微分アンプ４２の常時診断フローである。トルク入力の変動がほとんどない時は、トルク微分アンプ４２の出力は初期診断で記憶したトルク微分アンプ中立値付近に保たれているはずである。そこで、トルク入力の変動を、サブトルク入力アンプ４３からのサブトルク入力（モータの制御に使用する信号の監視に使用する）の差分から判断し、この差分が小さい（すなわちトルク変動が小さい）にもかかわらず（＃１１でＹＥＳ）、トルク微分値（トルク微分アンプ入力（Td）からトルク微分アンプ中立値を引いた値の絶対値）がしきい値（Tthresh）より大きければ（＃１２，＃１３でＹＥＳ）、トルク微分アンプ４２の回路異常である判断する（＃１４）。トルク微分値がしきい値以下であれば（＃１３でＮＯ）、回路正常であると判断する（＃１５）。異常判定が例えば１０回以上連続すれば異常を確定すればよい。なお、サブトルク入力は、トルク信号である。この監視に使用するトルク信号の変化が規定値以内のときに、微分アンプ回路出力が規定値を越えるとき、微分アンプ回路異常と判断し電源オフとするようにしてもよい。これにより、微分アンプ回路のフェールセーフが図れる。
【００２５】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、通常時のみならず始動時に自己診断を行うものを示したが、通常時の診断のみであっても構わない。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、比例アンプ回路出力から操舵アシスト力の指令値を決定し、その電流指令値に車速センサ検出値に応じたゲインを乗じ、さらにその値に微分アンプ回路出力によるトルク微分指令値を加算するようにしたので、操舵トルクセンサの剛性の高い電動式パワステシステムにおいても、トルク微分値での位相補償が行われ、応答性が向上してアシスト動作の安定が図れ、かつ滑らかな操舵が得られる。
また、モータ電流指令値の極性が比例アンプ回路出力から決定した指令値の極性と異なるとき、モータ電流指令値をゼロとすることにより、微分制御による電流指令値の極性反転を禁止することができ、保舵時の微振動やモータ異音をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電動式パワーステアリングの制御装置の全体構成図。
【図２】本装置の出力特性図。
【図３】本装置の回路ブロック図。
【図４】本装置のトルク比例アンプ回路とトルク微分アンプ回路図。
【図５】本装置のＣＰＵによる電流指令値作成処理のソフト内容を示す図。
【図６】本装置の微分指令値計算のソフト内容を示す図。
【図７】トルク−微分ゲイン特性図。
【図８】本装置の微分制御による制御安定性の効果の説明図。
【図９】本装置のトルク微分アンプ回路の初期診断フロー図。
【図１０】本装置のトルク微分アンプ回路の常時診断フロー図。
【符号の説明】
５ コントロール装置
１１ 操舵トルクセンサ
１５ ＣＰＵ（制御手段）
２６ モータ駆動回路
４１ メイントルク入力アンプ（比例アンプ回路）
４２ メイントルク入力アンプ（微分アンプ回路）
４３ サブトルク入力アンプ
５２ トルク係数計算
５３ アシスト指令値計算
５４ 電流制御リミッタ
５６ 微分指令値計算
５７ 微分制御リミッタ
５８ 符号判定部

Claims (1)

1. 操舵系に連結された操舵補助トルクを発生するモータと、前記操舵系の操舵トルクを検出し前記モータの制御に使用するトルク信号を出力する操舵トルクセンサと、車速を検出し出力する車速センサと、これら操舵トルク検出値と車速センサ検出値に応じて前記モータを制御する制御手段とを有した電動式パワーステアリングの制御装置において、
   前記制御に使用するトルク信号を入力する比例アンプ回路及び微分アンプ回路を備え、
   前記制御手段は、前記比例アンプ回路出力から操舵アシスト力の指令値を決定し、この比例アンプ回路出力から決定された指令値に車速センサ検出値に応じて設定されたゲインを乗じた値に、さらに前記微分アンプ回路出力によるトルク微分指令値を加算し、これをモータ電流指令値とし、前記モータ電流指令値の極性が前記比例アンプ回路出力から決定した指令値の極性と異なるとき、モータ電流指令値をゼロとすることを特徴とする電動式パワーステアリングの制御装置。

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