JP3899797B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特に操舵補助力を滑らかに与えることにより、快適な操舵性能を与えるようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用の電動パワーステアリング装置は、操向ハンドルの操作によりステアリングシャフトに発生する操舵トルクと車速を検出し、その検出信号に基づいて操舵補助指令値を算出し、算出された操舵補助指令値に応じてモータを駆動して操向ハンドルの操舵力を補助するものであり、操舵補助指令値の算出や操舵補助指令値に基づくモータの制御には、マイクロコンピュータを含む電子制御回路が使用されている。
【０００３】
ここで、操舵トルクについてみると、操向ハンドルの操舵に伴い発生する路面負荷に対応する成分と、ステアリング機構の持つ摩擦力に対応する成分とがある。このため、検出された操舵トルクに基づいて決定された路面負荷に対応した制御値と、ステアリング機構の摩擦力に対応した制御値とを加算して、操舵補助指令値を算出するものが提案されている。
【０００４】
この制御装置では、操舵トルクに対応した路面負荷制御値と、操舵トルクに対応した摩擦力制御値とが、それぞれ予め決定されてメモリに格納されており、検出された操舵トルクに応じてメモリから所要のデータを読み出し、操舵補助指令値を演算するように構成されている（例えば特公平５−１０２７１号公報）。
【０００５】
かかる従来の操舵補助指令値を演算する制御手段においては、操舵トルクに応じて路面負荷制御値及び摩擦力制御値が予め決定されているため、操舵トルクが決まると操舵補助指令値は車速に対応してのみ変化することになる。
【０００６】
従って、複数の車速について、操舵トルクに対応する操舵補助指令値を予め設定してメモリに格納しておけば、検出された操舵トルクと車速から直ちに操舵補助指令値を求めることができる。車速と操舵トルクに対応する操舵補助指令値を段階的に設定すれば、メモリ容量を少なくすることができるが、車速や操舵トルクの変化に応じて操舵補助指令値が連続的に変化しないので操舵補助力も滑らかに変化せず、操舵感覚が良くないという欠点がある。
【０００７】
この対策としては、操舵補助指令値を、車速と操舵トルクに対応して可能な限りきめ細かく設定すれば良いが、この方法では必要なメモリ容量が著しく増大し、コストを増加させる結果となる。
【０００８】
このため、代表的な車速について、操舵トルクに対応する操舵補助指令値をメモリに記憶させておき、検出された車速がメモリに記憶されている代表的車速の中間にあると判断した時は、検出された車速の前後の代表的車速についての操舵トルクに対応する操舵補助指令値を記憶手段から読み出し、検出された車速との差と車速補正係数に基づいて、検出された車速と操舵トルクに対応する操舵補助指令値を演算する手法が本出願人により提案されている（特開平８−１５０９５４号）。
【０００９】
しかしながら、上記代表的な車速について、操舵トルクに対応する操舵補助指令値をメモリに記憶させる方法でも、操舵トルクに対応する操舵補助指令値をきめ細かく設定すると、なお必要なメモリ容量が増大してコストを増加させる結果となる。このほか、操舵補助指令値を変更する場合には、メモリの記憶データを変更しなければならないために時間と手間がかかる問題がある。さらに、問題となる点は、操舵トルクに対応する操舵補助指令値を演算するとき、例えば８ビットの有限語長で演算するときに、演算結果（１６ビットとなる）の下位桁（８ビット）が切り捨てられ、デジタル演算に基づく量子化誤差が発生してしまうことである。このような量子化誤差は、緩やかな操舵を行った際に、運転者に不連続な操舵感覚を与えて望ましくない。
【００１０】
このため、操舵トルクに対応する操舵補助指令値の少なくとも３点において一致する高次の関数式に近似する複数の近似関数式に基づく演算で、操舵補助指令値演算手段を構成する手法が本出願人により提案されている（特開平１０−５９２０３号）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高次の関数式に近似する複数の近似関数式による演算手法は、複数の２次以上の関数を単純に連結した関数であるため、関数の連結部を除いては滑らかな操舵補助指令値を得られるが、連結部では関数の変化率が不連続になり、操舵感覚を悪化させる。さらに、電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、減速ギア部のゴムダンパによる振動の安定化、操舵フィーリングの調整の目的などで、制御装置の操舵補助指令部以降に、操舵補助指令値を入力とする制御系全体の特性のゲイン曲線が所定値（例えば１０ｄＢ／ｄｅｃ）を越える傾きを、少なくとも部分的に有している制御系が使用される。しかしながら、その場合、前述の制御系は微分的な特性を持ち、上述２次以上の関数の連結部で、関数の１階微分が不連続であるために、上記制御系の出力は不連続に近いものとなり、操舵感覚の悪化を助長する結果となる。
【００１２】
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、電動パワーステアリング装置の操舵補助指令値を連続的な関数で与えることにより、連続的で快適な操舵感を得るようにした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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて操舵補助指令値演算部で演算された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流値とから演算した電流制御値に基いて前記モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置に関するもので、本発明の上記目的は、前記操舵補助指令値演算部の出力側に少なくとも前記操舵補助指令値を入力するトルク制御演算部が設けられており、前記トルク制御演算部では、電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、操舵フィーリングの調整のため、操舵トルク応答を設定するようにしており、前記操舵補助指令値を入力とする前記トルク制御演算部の特性のゲイン曲線が所定値を越える傾きを、少なくとも部分的に有する微分的な特性を持ち、前記操舵補助指令値演算部は少なくとも１階の導関数が連続である関数の近似関数式で構成され、前記近似関数式に基づく演算により前記操舵補助指令値を求めることによって達成される。
【００１４】
また、前記近似関数式をスプライン関数又は２次スプライン関数とすることによって、本発明の上記目的はより効果的に達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の制御装置によると、少なくともステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記演算された操舵補助指令値に基づいてモータ電流を制御するモータ電流制御手段を備え、操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与える電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記操舵補助指令値演算手段は、少なくとも１階の導関数が連続である関数に近似する演算手段で構成され、前記近似関数式に基づく演算手段により操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値を演算することを特徴としている。好ましくは、近似関数式をｎ次スプライン関数とし、さらに好ましくは近似関数式を２次スプライン関数とするため、操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値が連続であるだけでなく、少なくとも変化率（１階微分）も連続である。
【００１６】
そのため、従来の複数の２次以上の関数を単純に連結した関数を用いる手法（特開平１０−５９２０３号）に比較して、格段に良好で滑らかな操舵感覚を得ることができるステアリング装置の制御装置を実現できる。
【００１７】
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明による制御装置の全体構成を示すブロック図である。操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部１００及びセンタ応答性改善部１０１に入力され、各出力が加算器１０２に入力され、その加算結果がトルク制御演算部１０３に入力されている。トルク制御演算部１０３の出力信号はモータロス電流補償部１０４に入力され、その出力が加算器１０５を経て最大電流制限部１０６に入力され、最大電流値が制限されて電流制御部１１０に入力される。電流制御部１１０の出力は、Ｈブリッジ特性補償部１１１を経て電流ドライブ回路１１２に入力され、これによりモータ１１３を駆動する。
【００１９】
モータ１１３のモータ電流ｉは、モータ電流オフセット補正部１２０を経てモータ角速度推定部１２１、電流ドライブ切換部１２２及び電流制御部１１０に入力され、モータ端子電圧Ｖｍはモータ角速度推定部１２１に入力される。モータ角速度推定部１２１で推定された角速度ωはモータ角加速度推定部・慣性補償部１２３、モータロストルク補償部１２４及びヨーレート推定部１２５に入力され、ヨーレート推定部１２５の出力は収れん制御部１２６に入力され、収れん制御部１２６及びモータロストルク補償部１２４の各出力は加算器１２７で加算され、その加算結果が加算器１０２に入力される。モータロストルク補償部１２４はモータ１１３のロストルクの発生する方向、つまりモータ１１３の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行ない、収れん制御部１２６は、車両のヨーの収れん性を改善するためにハンドルが振れ回る動作に対してブレーキをかけるようになっている。
【００２０】
また、ドライバが感じない程度にモータ１１３を微小振動させるためのディザ信号を発生する電流ディザ信号発生部１３０が設けられており、電流ディザ信号発生部１３０及びモータ角加速度推定部・慣性補償部１２３の各出力が加算器１３１で加算され、その加算結果が加算器１０５に入力されている。そして、加算器１０５での加算結果が最大電流制限部１０６に入力されている。
【００２１】
ここにおいて、電動パワーステアリング装置では周波数領域上での設計が可能であるため、トレードオフの問題を図２における相補感度関数の周波数領域上で区別して解決することが可能である（例えば本出願人による特願２０００−１５４２８４）。つまり、良いステアリングでは不要な外乱は抑圧し、必要な外乱をハンドルに伝えることができる。例えば従来の油圧式パワーステアリングでは、この問題に対してステアリング系の摩擦を調整することで対処しているが、両方を同時に満足させることはできない。これに対し電動パワーステアリングでは、路面からハンドルまでの伝達特性を定義できるので、周波数領域でトレードオフの問題を解決することができる。具体的には、制御系の相補感度関数を抑圧したい外乱が存在する帯域では相補感度関数Ｔ（ｓ）が“１”に近づくように、伝えたい外乱が存在する領域では相補感度関数Ｔ（ｓ）をゼロに近づけるように設定する。
【００２２】
相補感度関数は自動車がＳＡＴ（セルフアライニングトルク）を発生するまでの伝達特性を単純なばね（ばね乗数Ｋｖ）を持つものとして計算し、常数ゲインはＫ／Ｋｖ／α２となる。また、抑圧したい外乱が存在する帯域では、相補感度関数は１に近くなる。そして、相補感度関数を定義する上で、図２を以下のように解釈する。即ち、図２はトーションバーの変位を減少させるように制御を行う制御系という解釈ができ、トーションバーの変位を減らすことは、図２より操舵トルクを減らすことと等価である。従って、θhを目標にθbをフィードバックし、制御ゲインＫ（トーションバーの剛性）と電動パワーステアリングのコントローラを持つ制御系とみなすことができる。ここで、電動パワーステアリングのコントローラの定常ゲインはアシスト特性の勾配になるので、トルクの小さい領域では定常ゲインはゼロである。トーションバーの剛性とコントローラを合わせて新たなコントローラＣ（ｓ）とし、ステアリング系をＰ（ｓ）とすると、図３のような一般的な制御系に単純化できる。そして、相補感度関数Ｔ（ｓ）は図３に示す式で表わされ、ｄ（ｓ）はタイヤから入ってくる外乱を示しており、この外乱ｄ（ｓ）は不要外乱及び自動車の特性と単純なばねとの動特性の差を含んでいる。従って、相補感度関数Ｔ（ｓ）の目的は単純なばねと実際の動特性との差を適度な帯域で伝え、かつ不要外乱を抑圧することになる。
【００２３】
そこで、路面情報から操舵トルクまでの伝達特性と、操舵角から操舵トルクまでの伝達特性との違いに着目し、不要外乱に対してはモータの慣性を積極的に利用し、操舵したときに感じるモータの慣性はトルク制御系で補償する。図４のゲイン図に、モータの慣性（高慣性、低慣性）による操舵角から操舵トルクまでの伝達特性の比較を示す。図４に示すモータの周波数応答より、モータの慣性の影響は位相遅れ特性として現れることが明らかであり、モータの慣性の影響は位相遅れ特性の逆特性となる位相進み特性を用いることにより、トルク制御系で補償することができる。図４の位相図の特性Ａが補償なしの場合であり、特性Ｂが補償した場合である。
【００２４】
路面感度設計を行うに際し、先ずは路面情報がトルクセンサによって検出できなくてはならない。即ち、モータが路面情報を阻止するのを防ぐような構成をとった上で、トルク制御系の相補感度関数が、周波数に対する相補感度関数を抑圧したい外乱が存在する帯域では１に近づくようにし、伝えたい外乱が存在する帯域ではゼロに近づくように設計する。タイヤで発生する路面情報は各要素の摩擦分を差し引いた量で伝えられ、モータの慣性は機械的なローパスフィルタとして働くため、慣性が大きいと路面情報が減衰してしまう。相補感度関数の設計は、一般の制御系設計方法等を応用し十分に制御系の安定性を確保した上で、車両に合わせたファインチュ−ニングを行う。
【００２５】
本発明では上記相補感度関数の設計のために、転がり式ラックアンドピニオン、モータ減速機構のラバーダンパ、非接触式トルクセンサ及びトルク制御系を改善している。以下に、これら手法を順次説明する。
【００２６】
モータが路面情報を阻止するのを防ぐ上で、次の要素（１）〜（３）が有効である。即ち、（１）オブザーバを用いた状態フィードバックによる路面情報に適したモータ特性の定義、（２）メカニカルクラッチ機構採用によるモータとコラム軸のディカップリング、（３）低摩擦要素の採用、である。このようにして設計した電動パワーステアリング装置の特性例を、油圧式の特性と比較して図５乃至図８に示す。図５はチューニングされた路面感度の測定例であり、太線が感度（ｄＢ）であり、細線が位相（度）を示している。また、図６及び図７はそれぞれベルジアン路を走行したときの操舵トルクの測定例を油圧式と電動式について示しており、油圧式パワーステアリング装置の操舵トルクが変動しているのはサスペンションの振動を検知しているためである。図６及び図７の各（Ａ）図は時間に対する操舵トルクの変動を示しており、各（Ｂ）図は０〜６０Ｈｚの周波数応答を示している。図８（Ａ）は１００Ｋｍ／ｈで走行したときの油圧式パワーステアリング装置の操舵特性（操舵角度対操舵トルク）の測定例であり、図８（Ｂ）は１００Ｋｍ／ｈで走行したときの電動パワーステアリング装置の操舵特性（操舵角度対操舵トルク）の測定例であり、油圧式パワーステアリング装置の操舵トルクが変動しているのはフラッタによる振動を検知しているためである。
【００２７】
次に、本発明で使用する転がり式ラックアンドピニオンの機構を図９に示し、その特性を図１０に示して従来機構と比較して説明する。即ち、入力軸にはピニオン軸が同軸に装着され、そのピニオン軸がラック軸に噛合されており、ラック軸はローラを介してハウジング内のプレッシャパッド部のピン軸に結合されている。ピン軸はニードル軸受で保持され、摩擦ブロックを経てコイルスプリングに結合されている。コイルスプリングは保持器に収容され、プレッシャパッド部に押圧力を印加するようになっており、保持器はハウジングの内壁との間に懸架されたスプリングによって弾性的に保持されている。なお、かかる転がり式ラックアンドピニオンの詳細は、本出願人による特願平１０−３３５２１８号に詳述されている。
【００２８】
本発明の転がり式ラックアンドピニオンはピニオンを支持しているプレッシャパッド部が、ローラ、摩擦ブロック、ニードル軸受、保持器等で構成されているため、高支持剛性と低作動抵抗を両立できる。特に、図１１に示す従来の滑り式ラックアンドピニオンの機構と比較すると、図１０の特性図から分るようにプレッシャパッド部に摩擦ブロックが配設されていることにより、ラック推力が低い領域での逆入力が低いことが特徴で、高速走行で重要な微小舵角領域での路面情報改善に役立つ。図１１に示す従来の機構（摩擦ブロックなし）では、プレッシャパッド部に摩擦ブロック等がないため、ラック推力が低い領域で逆入力が高くなっている。
【００２９】
次に、本発明によるモータ減速ギア部におけるラバーダンパについて説明する。
【００３０】
電動パワーステアリング装置では図１２に示すように、モータ減速ギアのウォーム軸支持部に、ギアのラトル音の低減のために、ラバーダンパ（ゴム）をブッシュを介してスプライン部に挿入している。一方、ゴムの弾性域では、モータの変位とコラム軸の変位とが独立して作動可能であるため、モータの摩擦及び慣性に阻止されることなく路面情報をハンドル軸に伝えることができる。
【００３１】
ラバーダンパを装着しない場合の周波数特性は図１３に示すようになり、ラバーダンパを装着すると図１４に示すような周波数特性となり、ノイズレベルが減少することが分る。
【００３２】
次に、電動パワーステアリングに使用するトルクセンサの改良について説明する。
【００３３】
トルクセンサの検出特性のヒステリシス特性は、微小トルクにおいては遅れ特性として見えてくるため、なるべく小さく抑える必要がある。この目的から、本発明では、図１５及び図１６に示すようなヒステリシス幅の小さい非接触式トルクセンサを使用する。即ち、図１５は非接触式トルクセンサのステアリングホイール軸への配設構造を示しており、図１６はセンサ部の構造を一部断面の斜視図で示している。ＳＵＳ，Ｆｅ等の磁性材で成る入力軸（センサシャフト）の外周部には、検出回路ユニットを形成するロビンヨークがスリーブ上に配設されており、ロビンヨーク内には２組のコイルが巻回されている。スリーブは導電性の非磁性材（例えばアルミニウム）で成り、円環状のコイル列に沿って窓が形成されており、入力軸の内部にはトーションバーが配設されている。
【００３４】
このような構成において、スリーブの導電性及び非磁性と入力軸の磁性を利用して、入力軸に対するトルクを非接触で検出する。即ち、表皮効果を利用してスリーブ内側に周方向に周期的な磁界の緻密状態を作り出し、その磁界と入力軸のスプラインの位相差によって入力軸の自発磁化を増減させ、それにより生じるインピーダンス変化を、コイル等で形成されたブリッジ回路によりコイル端電圧変化として検出するようになっている。
【００３５】
次に、電気制御系の設計について説明する。
【００３６】
路面情報の感度設計を実現する上で、電流制御の応答性も重要な要素である。特に電流が流れ始めるあたりの応答性は、中立付近の操舵性を改善する上でできるだけ線形化することが望ましい。線形化に際し、従来のようなＰＩ制御器をベースにした電流制御の代わりに、規範モデルをベースにしたロバスト制御を採用することにより、電流制御の線形化を行っている。
【００３７】
本発明では図１による制御系を用いており、先ずセンタ応答性改善部１０１を図１７に示すように、位相補償部１０１Ａ、近似微分部１０１Ｂ及びゲイン設定部１０１Ｃで構成とし、位相補償部１０１Ａを図１８に示す周波数特性とし、近似微分部１０１Ｂを図１９に示す周波数特性とする。これにより、位相補償と近似微分との合成特性は図２０に示すようになる。また、ゲイン設定部１０１Ｃでは、車速Ｖ及び操舵トルクＴによってゲインを図２１のように切り換えて設定する。更に、ハンドルが急に戻されるような不安な操舵感を低減し、保舵を安定させるため、操舵トルク大で、かつ操舵トルク変化率大とし、操舵トルク減少方向の場合にゲインを小さくする。即ち、切り換え条件は、|操舵トルク|（＝Ａ）＞約１．３７Ｎｍ、かつ|操舵トルクー操舵トルク（１サンプリング前）|（＝Ｂ）＞約０．１３７Ｎｍ、かつｓｉｇｎ（Ａ）＜＞ｓｉｇｎ（Ｂ）である。切り換え後のゲインは例えば、車速０〜２で“４６”、車速４〜７８で“４７”、車速８０以上で“４１”である。なお、ｓｉｇｎ（Ａ）＜＞ｓｉｇｎ（Ｂ）は、Ａ＝操舵トルクと、Ｂ＝操舵トルクー操舵トルク（１サンプリング前）の符号が異なることを意味している。
【００３８】
また、本発明では操舵補助指令値演算部１００におけるアシスト量の計算において、３つの代表車速（０、３０、２５４Ｋｍ／ｈ）によるアシスト特性を基本特性として設定し、その他の車速では車速補間ゲインに応じて各基本特性間を車速２Ｋｍ／ｈ毎の補間を行う。そして、アシスト特性の車速設定範囲０〜２５４Ｋｍ／ｈ、分解能２Ｋｍ／ｈとする。基本アシスト特性（トルク対電流）は図２２に示すものであり、０Ｋｍ／ｈ＝ｌｏ特性、３０Ｋｍ／ｈ＝ｌａ特性、２５４Ｋｍ／ｈ＝ｌｂ特性で表わされている。そして、その他の車速についての車速補間演算は、図２３で示す車速（Ｋｍ／ｈ）対車速補間係数γで２Ｋｍ／ｈ毎に行う。車速０〜３０Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝ｌａ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（ｌｏ（Ｔ）−ｌａ（Ｔ））であり、車速３２〜２５４Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝ｌｂ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（ｌａ（Ｔ）−ｌｂ（Ｔ））である。
【００３９】
更に、本発明ではトルク制御演算部１０３として電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、減速ギア部ゴムダンパによる振動の安定化、操舵フィーリングの調整のため、操舵トルク応答を設定するようにしている。その構成は図２４に示すようになっており、クランプ回路１０３Ａの後段に応答性定義部１０３Ｂが設けられ、その後段にクランプ回路１０３Ｃを経てロバスト安定化補償部１０３Ｄが設置されている。そして、ロバスト安定化補償部１０３Ｄの後段にクランプ回路１０３Ｅを経て位相補償部１０３Ｆが設けられ、更にクランプ回路１０３Ｇを経てロバスト安定化補償部１０３Ｈが設置されている。
【００４０】
ロバスト安定化補償部１０３Ｈの特性は図２５に示すものであり、制御系全体の特性を図２６のようにする。図２６から明らかなように、制御系全体の特性のゲイン曲線は１０ｄＢ／ｄｅｃを越える傾きを、少なくとも部分的に有している。機械系の特性が図２７に示すようになっているため、総合的には山部と谷部が相殺されて、ほぼ平坦な特性となる。
【００４１】
１．第１実施例：
図２８の線ａは操舵補助指令値演算部１００の特性を示しており、操舵トルクＴに対応する所望の操舵補助指令値Ｉの関係を示す特性曲線である。所望の特性曲線ａから数点（例えば４点(b1,b2,b3,b4)）を抽出し、これら４点b1,b2,b3,b4の間を少なくとも１階の導関数が連続である関数（例えばスプライン関数や２次スプライン関数）で補間することにより、数値演算することで操舵トルクＴに対応する操舵補助指令値Ｉを求めることができる。なお、スプライン関数は、小区間内で各々定義された多項式曲線が互いにできるだけ滑らかに繋がっているようなものであり、この場合、全区間で単一の多項式になるという条件は必要ではない。ｍ次のスプライン関数は、そのｍ階微分が階段関数で、(ｍ-1)階以下の微分が連続であるような関数である。
【００４２】
図２８の特性曲線ａ上から抽出したデータ点（b１，b２，b３，b４）＝（x１，ｙ１）（x２，y２）（x３，ｙ３）（x４，y４）に基づき、例えば２次スプライン関数（左端点で１階微分が０とした）により補間された操舵トルクＴと操舵補助指令値Ｉとの関係は、データ点の間を補間する３本の２次曲線（I１，I２，I３）として、下記数１のように表される。
【００４３】
【数１】
I1 = y1 + a1*(x-x1) + b1*(x-x1)2
I2 = y2 + a2*(x-x2) + b2*(x-x2)2
I3 = y3 + a3*(x-x3) + b3*(x-x3)2
ここで、数１の係数a1,a2,a3,b1,b2,b3はそれぞれ下記数２の通りである。
【００４４】
【数２】
a1 = 0
b1 = (y2-y1-a1*(x2-x1))/(x2-x1)2
a2 = a1 + 2*b1*(x2-x1)
b2 = (y3-y2-a2*(x3-x2))/(x3-x2)2
a3 = a2+2*b2*(x3-x2)
b3 = (y4-y3-a3*(x4-x3))/(x4-x3)2
検出された操舵トルクＴに応じて該当区間の近似式を選択し、選択された近似式に基づいて検出操舵トルクＴに対応する操舵補助指令値Ｉを演算すれば、操舵補助指令値Ｉの演算を高速かつ容易に行うことができる。
【００４５】
ここで、数１で示される２次曲線I1,I2,I3の１階微分は、それぞれ下記数３の通りである。
【００４６】
【数３】
I1’ = a1 + 2*b1*(x-x1)
I2’ = a2 + 2*b2*(x-x2)
I3’ = a3 + 2*b3*(x-x3)
当然ながら、連結点(b2,b3)＝(x2,y2)(x3,y3)においても１階微分は連続である。
【００４７】
【数４】
(x2,y2)において
I1’ = a1 + 2*b1*(x2-x1), I2 = a2
(x3,y3)において
I2’ = a2 + 2*b2*(x3-x2), I3 = a3
即ち、操舵トルクＴの検出値に対応する操舵補助指令値Ｉが連続であるだけでなく、少なくとも変化率（１階微分）も連続であることから、従来の複数の２次以上の関数を単純に連結した関数を用いる手法と比較して、格段に良好で滑らかな操舵感覚を得ることができるステアリング装置の制御装置を実現できる。
【００４８】
本実施例では、所望の特性曲線から抽出した点を補間する関数として、例として２次スプライン関数を用いているが、少なくとも１階の導関数が連続である関数であれば同様の効果があり、例えば３次スプライン関数やLagrangeの公式による多項式を用いても良い。ただし、Lagrangeの公式を用いた場合、ｎ個のデータ点を用いると（ｎ−１）次の多項式になるため、演算コストの増大や、固定小数点演算手段を用いた場合の量子化誤差の増大といった問題がある。このため、比較的低い次数の多項式を用いるにもかかわらず、滑らかで良い近似を与えることができるスプライン関数を用いる方が好ましい。さらに、演算時間の短縮やメモリの節約のためにも、２次スプライン関数を用いる方が好ましい。
【００４９】
２．第２実施例：
図２８の操舵トルクＴに対応する所望の操舵補助指令値Ｉの関数を示す特性曲線ａから抽出したデータ点（b１，b２，b３，b４）＝（x１，ｙ１）（x２，y２）（x３，ｙ３）（x４，y４）が、例えば下記数５である場合について説明する。
【００５０】
【数５】
b1 = (x1,y1) = (1,0)
b2 = (x2,y2) = (2,5)
b3 = (x3,y3) = (4,30)
b4 = (x4,y4) = (5,70)
（１）従来（特開平１０−５９２０３号）は、操舵補助指令値演算手段を、高次の関数式で定義される操舵トルクに対応する操舵補助指令値の少なくとも３点において一致する高次の関数式に近似する複数の近似関数式に基づく演算手段で構成している。例えば点b１，b２，b３を通過する２次関数をｃ１、点b２，b３，b４を通過する２次関数をｃ２とすれば、２次関数ｃ１及びｃ２はそれぞれ下記数６となる。
【００５１】
【数６】
c1 = 2.5*x2 - 2.5*x
c2 = 9.1667*x2 - 42.5*x + 53.33
そして、２次関数ｃ１及びｃ２は図２９の特性曲線のようにようになる。ここで、例えば点ｂ１から点ｂ２を経て点ｂ３までは曲線ｃ１を採用し、点ｂ３から点ｂ４までは曲線ｃ２を採用した場合、操舵トルクＴと操舵補助指令値Ｉとの関係は実線で示すような関係になる。
【００５２】
ここで、２次関数ｃ１及びｃ２の１階微分c1’及びc2’は、数６よりそれぞれ下記数７となる。
【００５３】
【数７】
c1’ = 5*x - 2.5
c2’ = 18.333*x - 42.5
そして、１階微分c1’及びc2’の特性曲線は図３０のようになる。そして、点ｂ１から点ｂ３までは曲線ｃ１を採用し、点ｂ３から点ｂ４までは曲線ｃ２を採用したので、当然微分値も点ｂ１からｂ３までは曲線ｃ１‘、点ｂ３からｂ４までは曲線ｃ２’となる。
【００５４】
図３０の特性曲線から明らかなように、操舵補助指令値Ｉの操舵トルクＴに対する１階微分値が、点ｂ３において不連続である。この不連続性が操舵感覚を悪化させる。さらに、電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、減速ギア部のゴムダンパによる振動の安定化、操舵フィーリングの調整の目的などで、制御装置の操舵補助指令値演算部以降に、操舵補助指令値を入力とする制御系全体の特性のゲイン曲線が所定値（例えば１０ｄＢ／ｄｅｃ）を越える傾きを、少なくとも部分的に有している制御系が使用されるが、その場合、上記制御系は微分的な特性を持ち、２次以上の関数の連結部で関数の１階微分が不連続であるために、上記制御系の出力は不連続に近いものとなり、操舵感覚の悪化を助長する結果となる。
【００５５】
（２）本発明によると、例えば第１実施例に従うと、図２８の操舵トルクＴに対応する所望の操舵補助指令値Ｉの関数を示す特性曲線ａから抽出したデータ点（ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４）の間を補間する３本の２次曲線ｄ１，ｄ２，ｄ３は、下記数８のように表される。
【００５６】
【数８】
d1 = 5*(x-1)2
d2 = 5 + 10*(x-2) + 1.25*(x-2)2
d3 = 30 + 15*(x-4) + 25*(x-4)2
図３１に２次曲線ｄ１，ｄ２，ｄ３を示す。検出された操舵トルクＴに応じて該当区間の近似式を選択し、選択された近似式に基づいて検出操舵トルクに対応する操舵補助指令値を演算すれば、演算を高速かつ容易に行うことができる。
【００５７】
ここで、２次曲線ｄ１，ｄ２，ｄ３の１階微分ｄ１‘、ｄ２’、ｄ３‘は、数８よりそれぞれ下記数９の通りになる。
【００５８】
【数９】
d1’ = 10*(x-1)
d2’ = 10 + 2.5*(x-2)
d3’ = 15 + 50*(x-4)
図３２にこれら１階微分ｄ１‘、ｄ２’、ｄ３‘の曲線を示す。当然ながら、連結点（ｂ２，ｂ３）＝（ｘ＝２，ｘ＝４）において１階微分は連続である。即ち、操舵トルクＴの検出値に対応する操舵補助指令値Ｉが連続であるだけでなく、少なくとも変化率（１階微分）も連続であることから、従来の複数の２次以上の関数を単純に連結した関数を用いる手法に比較して、格段に良好で滑らかな操舵感覚を得ることが出来るステアリング装置の制御装置を実現できる。
【００５９】
本発明の特徴は、電動パワーステアリング装置の制御装置の操舵補助指令値演算部であり、操舵補助指令値演算部以外の電動パワーステアリング装置の制御装置に関しては、既に本出願人により提案されており（特願平８−２３４６４８号）、また、本発明の目的ではないからここではその詳細な説明は省略する。
【００６０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置では、操舵トルクに対応する操舵補助指令値が、少なくとも１階の導関数が連続である（１次連続性が保証される）関数に近似する演算手段から生成され、近似関数式に基づく演算手段により操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値を演算することを特徴とし、好ましくは近似関数式を２次以上のスプライン関数とし、さらに好ましくは近似関数式を２次スプライン関数としている。このため、操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値をメモリに記憶させるもののように、著しく大容量のメモリを必要とすることなく、さらに、操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値を多項式を単純に連結させたもののように、１階微分の不連続性による操舵感覚の悪化を招くことのない操舵トルクに対応した適切な操舵補助指令値を得ることができ、格段に円滑な操舵感覚の電動パワーステアリング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成例を示すブロック図である。
【図２】コントロールユニットの伝達関数を示すブロック線図である。
【図３】図２の単純化ブロック構成図である。
【図４】モータ特性を示す周波数応答図である。
【図５】路面入力から操舵トルクまでの伝達特性のチューニング例を示す図である。
【図６】ベルジアン路を走行したときの操舵トルクの測定例（油圧式）を示す図である。
【図７】ベルジアン路を走行したときの操舵トルクの測定例（電動式）を示す図である。
【図８】１００Ｋｍ／ｈで走行したときの操舵特性例を示す図である。
【図９】本発明で使用する転がり式ラックアンドピニオンの機構図である。
【図１０】図７の機構の特性例を従来装置と比較して示す図である。
【図１１】従来の転がり式ラックアンドピニオンの機構図である
【図１２】モータ減速ギアのウォーム軸支持部の機構図である。
【図１３】ウォーム軸支持部にゴムを装着しない場合の特性を示す図である。
【図１４】ウォーム軸支持部にゴムを装着した場合の特性を示す図である。
【図１５】本発明で使用するトルクセンサの断面機構図である。
【図１６】本発明で使用するトルクセンサの斜視図である。
【図１７】センタ応答改善部のブロック構成図である。
【図１８】位相補償部の特性例を示す図である。
【図１９】近似微分部の特性例を示す図である。
【図２０】位相補償部及び近似微分部の合成特性を示す図である。
【図２１】車速及び操舵トルクによるゲインの設定例を示す図である。
【図２２】基本アシスト特性を示す図である。
【図２３】車速補間演算の一例を示す図である。
【図２４】トルク制御演算の構成例を示すブロック図である。
【図２５】ロバスト安定化補償の特性例を示す図である。
【図２６】制御系の特性例を示す図である。
【図２７】機械系の特性例を示す図である。
【図２８】本発明を説明するための特性図である。
【図２９】本発明を説明するための特性図である。
【図３０】本発明を説明するための特性図である。
【図３１】本発明を説明するための特性図である。
【図３２】本発明を説明するための特性図である。
【符号の説明】
１００ 操舵補助指令値演算部
１０１ センタ応答性改善部
１０３ トルク制御演算部
１０４ モータロス電流補償部
１０６ 最大電流制限部
１１０ 電流制御部
１１３ モータ
１２１ モータ角速度推定部
１２５ ヨーレート推定部
１３０ ディザ信号発生部
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特に操舵補助力を滑らかに与えることにより、快適な操舵性能を与えるようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用の電動パワーステアリング装置は、操向ハンドルの操作によりステアリングシャフトに発生する操舵トルクと車速を検出し、その検出信号に基づいて操舵補助指令値を算出し、算出された操舵補助指令値に応じてモータを駆動して操向ハンドルの操舵力を補助するものであり、操舵補助指令値の算出や操舵補助指令値に基づくモータの制御には、マイクロコンピュータを含む電子制御回路が使用されている。
【０００３】
ここで、操舵トルクについてみると、操向ハンドルの操舵に伴い発生する路面負荷に対応する成分と、ステアリング機構の持つ摩擦力に対応する成分とがある。このため、検出された操舵トルクに基づいて決定された路面負荷に対応した制御値と、ステアリング機構の摩擦力に対応した制御値とを加算して、操舵補助指令値を算出するものが提案されている。
【０００４】
この制御装置では、操舵トルクに対応した路面負荷制御値と、操舵トルクに対応した摩擦力制御値とが、それぞれ予め決定されてメモリに格納されており、検出された操舵トルクに応じてメモリから所要のデータを読み出し、操舵補助指令値を演算するように構成されている（例えば特公平５−１０２７１号公報）。
【０００５】
かかる従来の操舵補助指令値を演算する制御手段においては、操舵トルクに応じて路面負荷制御値及び摩擦力制御値が予め決定されているため、操舵トルクが決まると操舵補助指令値は車速に対応してのみ変化することになる。
【０００６】
従って、複数の車速について、操舵トルクに対応する操舵補助指令値を予め設定してメモリに格納しておけば、検出された操舵トルクと車速から直ちに操舵補助指令値を求めることができる。車速と操舵トルクに対応する操舵補助指令値を段階的に設定すれば、メモリ容量を少なくすることができるが、車速や操舵トルクの変化に応じて操舵補助指令値が連続的に変化しないので操舵補助力も滑らかに変化せず、操舵感覚が良くないという欠点がある。
【０００７】
この対策としては、操舵補助指令値を、車速と操舵トルクに対応して可能な限りきめ細かく設定すれば良いが、この方法では必要なメモリ容量が著しく増大し、コストを増加させる結果となる。
【０００８】
このため、代表的な車速について、操舵トルクに対応する操舵補助指令値をメモリに記憶させておき、検出された車速がメモリに記憶されている代表的車速の中間にあると判断した時は、検出された車速の前後の代表的車速についての操舵トルクに対応する操舵補助指令値を記憶手段から読み出し、検出された車速との差と車速補正係数に基づいて、検出された車速と操舵トルクに対応する操舵補助指令値を演算する手法が本出願人により提案されている（特開平８−１５０９５４号）。
【０００９】
しかしながら、上記代表的な車速について、操舵トルクに対応する操舵補助指令値をメモリに記憶させる方法でも、操舵トルクに対応する操舵補助指令値をきめ細かく設定すると、なお必要なメモリ容量が増大してコストを増加させる結果となる。このほか、操舵補助指令値を変更する場合には、メモリの記憶データを変更しなければならないために時間と手間がかかる問題がある。さらに、問題となる点は、操舵トルクに対応する操舵補助指令値を演算するとき、例えば８ビットの有限語長で演算するときに、演算結果（１６ビットとなる）の下位桁（８ビット）が切り捨てられ、デジタル演算に基づく量子化誤差が発生してしまうことである。このような量子化誤差は、緩やかな操舵を行った際に、運転者に不連続な操舵感覚を与えて望ましくない。
【００１０】
このため、操舵トルクに対応する操舵補助指令値の少なくとも３点において一致する高次の関数式に近似する複数の近似関数式に基づく演算で、操舵補助指令値演算手段を構成する手法が本出願人により提案されている（特開平１０−５９２０３号）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高次の関数式に近似する複数の近似関数式による演算手法は、複数の２次以上の関数を単純に連結した関数であるため、関数の連結部を除いては滑らかな操舵補助指令値を得られるが、連結部では関数の変化率が不連続になり、操舵感覚を悪化させる。さらに、電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、減速ギア部のゴムダンパによる振動の安定化、操舵フィーリングの調整の目的などで、制御装置の操舵補助指令部以降に、操舵補助指令値を入力とする制御系全体の特性のゲイン曲線が所定値（例えば１０ｄＢ／ｄｅｃ）を越える傾きを、少なくとも部分的に有している制御系が使用される。しかしながら、その場合、前述の制御系は微分的な特性を持ち、上述２次以上の関数の連結部で、関数の１階微分が不連続であるために、上記制御系の出力は不連続に近いものとなり、操舵感覚の悪化を助長する結果となる。
【００１２】
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、電動パワーステアリング装置の操舵補助指令値を連続的な関数で与えることにより、連続的で快適な操舵感を得るようにした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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて操舵補助指令値演算部で演算された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流値とから演算した電流制御値に基いて前記モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置に関するもので、本発明の上記目的は、前記操舵補助指令値演算部の出力側に少なくとも前記操舵補助指令値を入力するトルク制御演算部が設けられており、前記トルク制御演算部では、電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、操舵フィーリングの調整のため、操舵トルク応答を設定するようにしており、前記操舵補助指令値を入力とする前記トルク制御演算部の特性のゲイン曲線が所定値を越える傾きを、少なくとも部分的に有する微分的な特性を持ち、前記操舵補助指令値演算部は少なくとも１階の導関数が連続である関数の近似関数式で構成され、前記近似関数式に基づく演算により前記操舵補助指令値を求めることによって達成される。
【００１４】
また、前記近似関数式をスプライン関数又は２次スプライン関数とすることによって、本発明の上記目的はより効果的に達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の制御装置によると、少なくともステアリングシャフトに発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記演算された操舵補助指令値に基づいてモータ電流を制御するモータ電流制御手段を備え、操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与える電動パワーステアリング装置の制御装置において、前記操舵補助指令値演算手段は、少なくとも１階の導関数が連続である関数に近似する演算手段で構成され、前記近似関数式に基づく演算手段により操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値を演算することを特徴としている。好ましくは、近似関数式をｎ次スプライン関数とし、さらに好ましくは近似関数式を２次スプライン関数とするため、操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値が連続であるだけでなく、少なくとも変化率（１階微分）も連続である。
【００１６】
そのため、従来の複数の２次以上の関数を単純に連結した関数を用いる手法（特開平１０−５９２０３号）に比較して、格段に良好で滑らかな操舵感覚を得ることができるステアリング装置の制御装置を実現できる。
【００１７】
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明による制御装置の全体構成を示すブロック図である。操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部１００及びセンタ応答性改善部１０１に入力され、各出力が加算器１０２に入力され、その加算結果がトルク制御演算部１０３に入力されている。トルク制御演算部１０３の出力信号はモータロス電流補償部１０４に入力され、その出力が加算器１０５を経て最大電流制限部１０６に入力され、最大電流値が制限されて電流制御部１１０に入力される。電流制御部１１０の出力は、Ｈブリッジ特性補償部１１１を経て電流ドライブ回路１１２に入力され、これによりモータ１１３を駆動する。
【００１９】
モータ１１３のモータ電流ｉは、モータ電流オフセット補正部１２０を経てモータ角速度推定部１２１、電流ドライブ切換部１２２及び電流制御部１１０に入力され、モータ端子電圧Ｖｍはモータ角速度推定部１２１に入力される。モータ角速度推定部１２１で推定された角速度ωはモータ角加速度推定部・慣性補償部１２３、モータロストルク補償部１２４及びヨーレート推定部１２５に入力され、ヨーレート推定部１２５の出力は収れん制御部１２６に入力され、収れん制御部１２６及びモータロストルク補償部１２４の各出力は加算器１２７で加算され、その加算結果が加算器１０２に入力される。モータロストルク補償部１２４はモータ１１３のロストルクの発生する方向、つまりモータ１１３の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行ない、収れん制御部１２６は、車両のヨーの収れん性を改善するためにハンドルが振れ回る動作に対してブレーキをかけるようになっている。
【００２０】
また、ドライバが感じない程度にモータ１１３を微小振動させるためのディザ信号を発生する電流ディザ信号発生部１３０が設けられており、電流ディザ信号発生部１３０及びモータ角加速度推定部・慣性補償部１２３の各出力が加算器１３１で加算され、その加算結果が加算器１０５に入力されている。そして、加算器１０５での加算結果が最大電流制限部１０６に入力されている。
【００２１】
ここにおいて、電動パワーステアリング装置では周波数領域上での設計が可能であるため、トレードオフの問題を図２における相補感度関数の周波数領域上で区別して解決することが可能である（例えば本出願人による特願２０００−１５４２８４）。つまり、良いステアリングでは不要な外乱は抑圧し、必要な外乱をハンドルに伝えることができる。例えば従来の油圧式パワーステアリングでは、この問題に対してステアリング系の摩擦を調整することで対処しているが、両方を同時に満足させることはできない。これに対し電動パワーステアリングでは、路面からハンドルまでの伝達特性を定義できるので、周波数領域でトレードオフの問題を解決することができる。具体的には、制御系の相補感度関数を抑圧したい外乱が存在する帯域では相補感度関数Ｔ（ｓ）が“１”に近づくように、伝えたい外乱が存在する領域では相補感度関数Ｔ（ｓ）をゼロに近づけるように設定する。
【００２２】
相補感度関数は自動車がＳＡＴ（セルフアライニングトルク）を発生するまでの伝達特性を単純なばね（ばね乗数Ｋｖ）を持つものとして計算し、常数ゲインはＫ／Ｋｖ／α２となる。また、抑圧したい外乱が存在する帯域では、相補感度関数は１に近くなる。そして、相補感度関数を定義する上で、図２を以下のように解釈する。即ち、図２はトーションバーの変位を減少させるように制御を行う制御系という解釈ができ、トーションバーの変位を減らすことは、図２より操舵トルクを減らすことと等価である。従って、θhを目標にθbをフィードバックし、制御ゲインＫ（トーションバーの剛性）と電動パワーステアリングのコントローラを持つ制御系とみなすことができる。ここで、電動パワーステアリングのコントローラの定常ゲインはアシスト特性の勾配になるので、トルクの小さい領域では定常ゲインはゼロである。トーションバーの剛性とコントローラを合わせて新たなコントローラＣ（ｓ）とし、ステアリング系をＰ（ｓ）とすると、図３のような一般的な制御系に単純化できる。そして、相補感度関数Ｔ（ｓ）は図３に示す式で表わされ、ｄ（ｓ）はタイヤから入ってくる外乱を示しており、この外乱ｄ（ｓ）は不要外乱及び自動車の特性と単純なばねとの動特性の差を含んでいる。従って、相補感度関数Ｔ（ｓ）の目的は単純なばねと実際の動特性との差を適度な帯域で伝え、かつ不要外乱を抑圧することになる。
【００２３】
そこで、路面情報から操舵トルクまでの伝達特性と、操舵角から操舵トルクまでの伝達特性との違いに着目し、不要外乱に対してはモータの慣性を積極的に利用し、操舵したときに感じるモータの慣性はトルク制御系で補償する。図４のゲイン図に、モータの慣性（高慣性、低慣性）による操舵角から操舵トルクまでの伝達特性の比較を示す。図４に示すモータの周波数応答より、モータの慣性の影響は位相遅れ特性として現れることが明らかであり、モータの慣性の影響は位相遅れ特性の逆特性となる位相進み特性を用いることにより、トルク制御系で補償することができる。図４の位相図の特性Ａが補償なしの場合であり、特性Ｂが補償した場合である。
【００２４】
路面感度設計を行うに際し、先ずは路面情報がトルクセンサによって検出できなくてはならない。即ち、モータが路面情報を阻止するのを防ぐような構成をとった上で、トルク制御系の相補感度関数が、周波数に対する相補感度関数を抑圧したい外乱が存在する帯域では１に近づくようにし、伝えたい外乱が存在する帯域ではゼロに近づくように設計する。タイヤで発生する路面情報は各要素の摩擦分を差し引いた量で伝えられ、モータの慣性は機械的なローパスフィルタとして働くため、慣性が大きいと路面情報が減衰してしまう。相補感度関数の設計は、一般の制御系設計方法等を応用し十分に制御系の安定性を確保した上で、車両に合わせたファインチュ−ニングを行う。
【００２５】
本発明では上記相補感度関数の設計のために、転がり式ラックアンドピニオン、モータ減速機構のラバーダンパ、非接触式トルクセンサ及びトルク制御系を改善している。以下に、これら手法を順次説明する。
【００２６】
モータが路面情報を阻止するのを防ぐ上で、次の要素（１）〜（３）が有効である。即ち、（１）オブザーバを用いた状態フィードバックによる路面情報に適したモータ特性の定義、（２）メカニカルクラッチ機構採用によるモータとコラム軸のディカップリング、（３）低摩擦要素の採用、である。このようにして設計した電動パワーステアリング装置の特性例を、油圧式の特性と比較して図５乃至図８に示す。図５はチューニングされた路面感度の測定例であり、太線が感度（ｄＢ）であり、細線が位相（度）を示している。また、図６及び図７はそれぞれベルジアン路を走行したときの操舵トルクの測定例を油圧式と電動式について示しており、油圧式パワーステアリング装置の操舵トルクが変動しているのはサスペンションの振動を検知しているためである。図６及び図７の各（Ａ）図は時間に対する操舵トルクの変動を示しており、各（Ｂ）図は０〜６０Ｈｚの周波数応答を示している。図８（Ａ）は１００Ｋｍ／ｈで走行したときの油圧式パワーステアリング装置の操舵特性（操舵角度対操舵トルク）の測定例であり、図８（Ｂ）は１００Ｋｍ／ｈで走行したときの電動パワーステアリング装置の操舵特性（操舵角度対操舵トルク）の測定例であり、油圧式パワーステアリング装置の操舵トルクが変動しているのはフラッタによる振動を検知しているためである。
【００２７】
次に、本発明で使用する転がり式ラックアンドピニオンの機構を図９に示し、その特性を図１０に示して従来機構と比較して説明する。即ち、入力軸にはピニオン軸が同軸に装着され、そのピニオン軸がラック軸に噛合されており、ラック軸はローラを介してハウジング内のプレッシャパッド部のピン軸に結合されている。ピン軸はニードル軸受で保持され、摩擦ブロックを経てコイルスプリングに結合されている。コイルスプリングは保持器に収容され、プレッシャパッド部に押圧力を印加するようになっており、保持器はハウジングの内壁との間に懸架されたスプリングによって弾性的に保持されている。なお、かかる転がり式ラックアンドピニオンの詳細は、本出願人による特願平１０−３３５２１８号に詳述されている。
【００２８】
本発明の転がり式ラックアンドピニオンはピニオンを支持しているプレッシャパッド部が、ローラ、摩擦ブロック、ニードル軸受、保持器等で構成されているため、高支持剛性と低作動抵抗を両立できる。特に、図１１に示す従来の滑り式ラックアンドピニオンの機構と比較すると、図１０の特性図から分るようにプレッシャパッド部に摩擦ブロックが配設されていることにより、ラック推力が低い領域での逆入力が低いことが特徴で、高速走行で重要な微小舵角領域での路面情報改善に役立つ。図１１に示す従来の機構（摩擦ブロックなし）では、プレッシャパッド部に摩擦ブロック等がないため、ラック推力が低い領域で逆入力が高くなっている。
【００２９】
次に、本発明によるモータ減速ギア部におけるラバーダンパについて説明する。
【００３０】
電動パワーステアリング装置では図１２に示すように、モータ減速ギアのウォーム軸支持部に、ギアのラトル音の低減のために、ラバーダンパ（ゴム）をブッシュを介してスプライン部に挿入している。一方、ゴムの弾性域では、モータの変位とコラム軸の変位とが独立して作動可能であるため、モータの摩擦及び慣性に阻止されることなく路面情報をハンドル軸に伝えることができる。
【００３１】
ラバーダンパを装着しない場合の周波数特性は図１３に示すようになり、ラバーダンパを装着すると図１４に示すような周波数特性となり、ノイズレベルが減少することが分る。
【００３２】
次に、電動パワーステアリングに使用するトルクセンサの改良について説明する。
【００３３】
トルクセンサの検出特性のヒステリシス特性は、微小トルクにおいては遅れ特性として見えてくるため、なるべく小さく抑える必要がある。この目的から、本発明では、図１５及び図１６に示すようなヒステリシス幅の小さい非接触式トルクセンサを使用する。即ち、図１５は非接触式トルクセンサのステアリングホイール軸への配設構造を示しており、図１６はセンサ部の構造を一部断面の斜視図で示している。ＳＵＳ，Ｆｅ等の磁性材で成る入力軸（センサシャフト）の外周部には、検出回路ユニットを形成するロビンヨークがスリーブ上に配設されており、ロビンヨーク内には２組のコイルが巻回されている。スリーブは導電性の非磁性材（例えばアルミニウム）で成り、円環状のコイル列に沿って窓が形成されており、入力軸の内部にはトーションバーが配設されている。
【００３４】
このような構成において、スリーブの導電性及び非磁性と入力軸の磁性を利用して、入力軸に対するトルクを非接触で検出する。即ち、表皮効果を利用してスリーブ内側に周方向に周期的な磁界の緻密状態を作り出し、その磁界と入力軸のスプラインの位相差によって入力軸の自発磁化を増減させ、それにより生じるインピーダンス変化を、コイル等で形成されたブリッジ回路によりコイル端電圧変化として検出するようになっている。
【００３５】
次に、電気制御系の設計について説明する。
【００３６】
路面情報の感度設計を実現する上で、電流制御の応答性も重要な要素である。特に電流が流れ始めるあたりの応答性は、中立付近の操舵性を改善する上でできるだけ線形化することが望ましい。線形化に際し、従来のようなＰＩ制御器をベースにした電流制御の代わりに、規範モデルをベースにしたロバスト制御を採用することにより、電流制御の線形化を行っている。
【００３７】
本発明では図１による制御系を用いており、先ずセンタ応答性改善部１０１を図１７に示すように、位相補償部１０１Ａ、近似微分部１０１Ｂ及びゲイン設定部１０１Ｃで構成とし、位相補償部１０１Ａを図１８に示す周波数特性とし、近似微分部１０１Ｂを図１９に示す周波数特性とする。これにより、位相補償と近似微分との合成特性は図２０に示すようになる。また、ゲイン設定部１０１Ｃでは、車速Ｖ及び操舵トルクＴによってゲインを図２１のように切り換えて設定する。更に、ハンドルが急に戻されるような不安な操舵感を低減し、保舵を安定させるため、操舵トルク大で、かつ操舵トルク変化率大とし、操舵トルク減少方向の場合にゲインを小さくする。即ち、切り換え条件は、|操舵トルク|（＝Ａ）＞約１．３７Ｎｍ、かつ|操舵トルクー操舵トルク（１サンプリング前）|（＝Ｂ）＞約０．１３７Ｎｍ、かつｓｉｇｎ（Ａ）＜＞ｓｉｇｎ（Ｂ）である。切り換え後のゲインは例えば、車速０〜２で“４６”、車速４〜７８で“４７”、車速８０以上で“４１”である。なお、ｓｉｇｎ（Ａ）＜＞ｓｉｇｎ（Ｂ）は、Ａ＝操舵トルクと、Ｂ＝操舵トルクー操舵トルク（１サンプリング前）の符号が異なることを意味している。
【００３８】
また、本発明では操舵補助指令値演算部１００におけるアシスト量の計算において、３つの代表車速（０、３０、２５４Ｋｍ／ｈ）によるアシスト特性を基本特性として設定し、その他の車速では車速補間ゲインに応じて各基本特性間を車速２Ｋｍ／ｈ毎の補間を行う。そして、アシスト特性の車速設定範囲０〜２５４Ｋｍ／ｈ、分解能２Ｋｍ／ｈとする。基本アシスト特性（トルク対電流）は図２２に示すものであり、０Ｋｍ／ｈ＝ｌｏ特性、３０Ｋｍ／ｈ＝ｌａ特性、２５４Ｋｍ／ｈ＝ｌｂ特性で表わされている。そして、その他の車速についての車速補間演算は、図２３で示す車速（Ｋｍ／ｈ）対車速補間係数γで２Ｋｍ／ｈ毎に行う。車速０〜３０Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝ｌａ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（ｌｏ（Ｔ）−ｌａ（Ｔ））であり、車速３２〜２５４Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝ｌｂ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（ｌａ（Ｔ）−ｌｂ（Ｔ））である。
【００３９】
更に、本発明ではトルク制御演算部１０３として電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、減速ギア部ゴムダンパによる振動の安定化、操舵フィーリングの調整のため、操舵トルク応答を設定するようにしている。その構成は図２４に示すようになっており、クランプ回路１０３Ａの後段に応答性定義部１０３Ｂが設けられ、その後段にクランプ回路１０３Ｃを経てロバスト安定化補償部１０３Ｄが設置されている。そして、ロバスト安定化補償部１０３Ｄの後段にクランプ回路１０３Ｅを経て位相補償部１０３Ｆが設けられ、更にクランプ回路１０３Ｇを経てロバスト安定化補償部１０３Ｈが設置されている。
【００４０】
ロバスト安定化補償部１０３Ｈの特性は図２５に示すものであり、制御系全体の特性を図２６のようにする。図２６から明らかなように、制御系全体の特性のゲイン曲線は１０ｄＢ／ｄｅｃを越える傾きを、少なくとも部分的に有している。機械系の特性が図２７に示すようになっているため、総合的には山部と谷部が相殺されて、ほぼ平坦な特性となる。
【００４１】
１．第１実施例：
図２８の線ａは操舵補助指令値演算部１００の特性を示しており、操舵トルクＴに対応する所望の操舵補助指令値Ｉの関係を示す特性曲線である。所望の特性曲線ａから数点（例えば４点(b1,b2,b3,b4)）を抽出し、これら４点b1,b2,b3,b4の間を少なくとも１階の導関数が連続である関数（例えばスプライン関数や２次スプライン関数）で補間することにより、数値演算することで操舵トルクＴに対応する操舵補助指令値Ｉを求めることができる。なお、スプライン関数は、小区間内で各々定義された多項式曲線が互いにできるだけ滑らかに繋がっているようなものであり、この場合、全区間で単一の多項式になるという条件は必要ではない。ｍ次のスプライン関数は、そのｍ階微分が階段関数で、(ｍ-1)階以下の微分が連続であるような関数である。
【００４２】
図２８の特性曲線ａ上から抽出したデータ点（b１，b２，b３，b４）＝（x１，ｙ１）（x２，y２）（x３，ｙ３）（x４，y４）に基づき、例えば２次スプライン関数（左端点で１階微分が０とした）により補間された操舵トルクＴと操舵補助指令値Ｉとの関係は、データ点の間を補間する３本の２次曲線（I１，I２，I３）として、下記数１のように表される。
【００４３】
【数１】
I1 = y1 + a1*(x-x1) + b1*(x-x1)2
I2 = y2 + a2*(x-x2) + b2*(x-x2)2
I3 = y3 + a3*(x-x3) + b3*(x-x3)2
ここで、数１の係数a1,a2,a3,b1,b2,b3はそれぞれ下記数２の通りである。
【００４４】
【数２】
a1 = 0
b1 = (y2-y1-a1*(x2-x1))/(x2-x1)2
a2 = a1 + 2*b1*(x2-x1)
b2 = (y3-y2-a2*(x3-x2))/(x3-x2)2
a3 = a2+2*b2*(x3-x2)
b3 = (y4-y3-a3*(x4-x3))/(x4-x3)2
検出された操舵トルクＴに応じて該当区間の近似式を選択し、選択された近似式に基づいて検出操舵トルクＴに対応する操舵補助指令値Ｉを演算すれば、操舵補助指令値Ｉの演算を高速かつ容易に行うことができる。
【００４５】
ここで、数１で示される２次曲線I1,I2,I3の１階微分は、それぞれ下記数３の通りである。
【００４６】
【数３】
I1’ = a1 + 2*b1*(x-x1)
I2’ = a2 + 2*b2*(x-x2)
I3’ = a3 + 2*b3*(x-x3)
当然ながら、連結点(b2,b3)＝(x2,y2)(x3,y3)においても１階微分は連続である。
【００４７】
【数４】
(x2,y2)において
I1’ = a1 + 2*b1*(x2-x1), I2 = a2
(x3,y3)において
I2’ = a2 + 2*b2*(x3-x2), I3 = a3
即ち、操舵トルクＴの検出値に対応する操舵補助指令値Ｉが連続であるだけでなく、少なくとも変化率（１階微分）も連続であることから、従来の複数の２次以上の関数を単純に連結した関数を用いる手法と比較して、格段に良好で滑らかな操舵感覚を得ることができるステアリング装置の制御装置を実現できる。
【００４８】
本実施例では、所望の特性曲線から抽出した点を補間する関数として、例として２次スプライン関数を用いているが、少なくとも１階の導関数が連続である関数であれば同様の効果があり、例えば３次スプライン関数やLagrangeの公式による多項式を用いても良い。ただし、Lagrangeの公式を用いた場合、ｎ個のデータ点を用いると（ｎ−１）次の多項式になるため、演算コストの増大や、固定小数点演算手段を用いた場合の量子化誤差の増大といった問題がある。このため、比較的低い次数の多項式を用いるにもかかわらず、滑らかで良い近似を与えることができるスプライン関数を用いる方が好ましい。さらに、演算時間の短縮やメモリの節約のためにも、２次スプライン関数を用いる方が好ましい。
【００４９】
２．第２実施例：
図２８の操舵トルクＴに対応する所望の操舵補助指令値Ｉの関数を示す特性曲線ａから抽出したデータ点（b１，b２，b３，b４）＝（x１，ｙ１）（x２，y２）（x３，ｙ３）（x４，y４）が、例えば下記数５である場合について説明する。
【００５０】
【数５】
b1 = (x1,y1) = (1,0)
b2 = (x2,y2) = (2,5)
b3 = (x3,y3) = (4,30)
b4 = (x4,y4) = (5,70)
（１）従来（特開平１０−５９２０３号）は、操舵補助指令値演算手段を、高次の関数式で定義される操舵トルクに対応する操舵補助指令値の少なくとも３点において一致する高次の関数式に近似する複数の近似関数式に基づく演算手段で構成している。例えば点b１，b２，b３を通過する２次関数をｃ１、点b２，b３，b４を通過する２次関数をｃ２とすれば、２次関数ｃ１及びｃ２はそれぞれ下記数６となる。
【００５１】
【数６】
c1 = 2.5*x2 - 2.5*x
c2 = 9.1667*x2 - 42.5*x + 53.33
そして、２次関数ｃ１及びｃ２は図２９の特性曲線のようにようになる。ここで、例えば点ｂ１から点ｂ２を経て点ｂ３までは曲線ｃ１を採用し、点ｂ３から点ｂ４までは曲線ｃ２を採用した場合、操舵トルクＴと操舵補助指令値Ｉとの関係は実線で示すような関係になる。
【００５２】
ここで、２次関数ｃ１及びｃ２の１階微分c1’及びc2’は、数６よりそれぞれ下記数７となる。
【００５３】
【数７】
c1’ = 5*x - 2.5
c2’ = 18.333*x - 42.5
そして、１階微分c1’及びc2’の特性曲線は図３０のようになる。そして、点ｂ１から点ｂ３までは曲線ｃ１を採用し、点ｂ３から点ｂ４までは曲線ｃ２を採用したので、当然微分値も点ｂ１からｂ３までは曲線ｃ１‘、点ｂ３からｂ４までは曲線ｃ２’となる。
【００５４】
図３０の特性曲線から明らかなように、操舵補助指令値Ｉの操舵トルクＴに対する１階微分値が、点ｂ３において不連続である。この不連続性が操舵感覚を悪化させる。さらに、電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、減速ギア部のゴムダンパによる振動の安定化、操舵フィーリングの調整の目的などで、制御装置の操舵補助指令値演算部以降に、操舵補助指令値を入力とする制御系全体の特性のゲイン曲線が所定値（例えば１０ｄＢ／ｄｅｃ）を越える傾きを、少なくとも部分的に有している制御系が使用されるが、その場合、上記制御系は微分的な特性を持ち、２次以上の関数の連結部で関数の１階微分が不連続であるために、上記制御系の出力は不連続に近いものとなり、操舵感覚の悪化を助長する結果となる。
【００５５】
（２）本発明によると、例えば第１実施例に従うと、図２８の操舵トルクＴに対応する所望の操舵補助指令値Ｉの関数を示す特性曲線ａから抽出したデータ点（ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４）の間を補間する３本の２次曲線ｄ１，ｄ２，ｄ３は、下記数８のように表される。
【００５６】
【数８】
d1 = 5*(x-1)2
d2 = 5 + 10*(x-2) + 1.25*(x-2)2
d3 = 30 + 15*(x-4) + 25*(x-4)2
図３１に２次曲線ｄ１，ｄ２，ｄ３を示す。検出された操舵トルクＴに応じて該当区間の近似式を選択し、選択された近似式に基づいて検出操舵トルクに対応する操舵補助指令値を演算すれば、演算を高速かつ容易に行うことができる。
【００５７】
ここで、２次曲線ｄ１，ｄ２，ｄ３の１階微分ｄ１‘、ｄ２’、ｄ３‘は、数８よりそれぞれ下記数９の通りになる。
【００５８】
【数９】
d1’ = 10*(x-1)
d2’ = 10 + 2.5*(x-2)
d3’ = 15 + 50*(x-4)
図３２にこれら１階微分ｄ１‘、ｄ２’、ｄ３‘の曲線を示す。当然ながら、連結点（ｂ２，ｂ３）＝（ｘ＝２，ｘ＝４）において１階微分は連続である。即ち、操舵トルクＴの検出値に対応する操舵補助指令値Ｉが連続であるだけでなく、少なくとも変化率（１階微分）も連続であることから、従来の複数の２次以上の関数を単純に連結した関数を用いる手法に比較して、格段に良好で滑らかな操舵感覚を得ることが出来るステアリング装置の制御装置を実現できる。
【００５９】
本発明の特徴は、電動パワーステアリング装置の制御装置の操舵補助指令値演算部であり、操舵補助指令値演算部以外の電動パワーステアリング装置の制御装置に関しては、既に本出願人により提案されており（特願平８−２３４６４８号）、また、本発明の目的ではないからここではその詳細な説明は省略する。
【００６０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置では、操舵トルクに対応する操舵補助指令値が、少なくとも１階の導関数が連続である（１次連続性が保証される）関数に近似する演算手段から生成され、近似関数式に基づく演算手段により操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値を演算することを特徴とし、好ましくは近似関数式を２次以上のスプライン関数とし、さらに好ましくは近似関数式を２次スプライン関数としている。このため、操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値をメモリに記憶させるもののように、著しく大容量のメモリを必要とすることなく、さらに、操舵トルクの検出値に対応する操舵補助指令値を多項式を単純に連結させたもののように、１階微分の不連続性による操舵感覚の悪化を招くことのない操舵トルクに対応した適切な操舵補助指令値を得ることができ、格段に円滑な操舵感覚の電動パワーステアリング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成例を示すブロック図である。
【図２】コントロールユニットの伝達関数を示すブロック線図である。
【図３】図２の単純化ブロック構成図である。
【図４】モータ特性を示す周波数応答図である。
【図５】路面入力から操舵トルクまでの伝達特性のチューニング例を示す図である。
【図６】ベルジアン路を走行したときの操舵トルクの測定例（油圧式）を示す図である。
【図７】ベルジアン路を走行したときの操舵トルクの測定例（電動式）を示す図である。
【図８】１００Ｋｍ／ｈで走行したときの操舵特性例を示す図である。
【図９】本発明で使用する転がり式ラックアンドピニオンの機構図である。
【図１０】図７の機構の特性例を従来装置と比較して示す図である。
【図１１】従来の転がり式ラックアンドピニオンの機構図である
【図１２】モータ減速ギアのウォーム軸支持部の機構図である。
【図１３】ウォーム軸支持部にゴムを装着しない場合の特性を示す図である。
【図１４】ウォーム軸支持部にゴムを装着した場合の特性を示す図である。
【図１５】本発明で使用するトルクセンサの断面機構図である。
【図１６】本発明で使用するトルクセンサの斜視図である。
【図１７】センタ応答改善部のブロック構成図である。
【図１８】位相補償部の特性例を示す図である。
【図１９】近似微分部の特性例を示す図である。
【図２０】位相補償部及び近似微分部の合成特性を示す図である。
【図２１】車速及び操舵トルクによるゲインの設定例を示す図である。
【図２２】基本アシスト特性を示す図である。
【図２３】車速補間演算の一例を示す図である。
【図２４】トルク制御演算の構成例を示すブロック図である。
【図２５】ロバスト安定化補償の特性例を示す図である。
【図２６】制御系の特性例を示す図である。
【図２７】機械系の特性例を示す図である。
【図２８】本発明を説明するための特性図である。
【図２９】本発明を説明するための特性図である。
【図３０】本発明を説明するための特性図である。
【図３１】本発明を説明するための特性図である。
【図３２】本発明を説明するための特性図である。
【符号の説明】
１００ 操舵補助指令値演算部
１０１ センタ応答性改善部
１０３ トルク制御演算部
１０４ モータロス電流補償部
１０６ 最大電流制限部
１１０ 電流制御部
１１３ モータ
１２１ モータ角速度推定部
１２５ ヨーレート推定部
１３０ ディザ信号発生部
Claims (4)
- ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて操舵補助指令値演算部で演算された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流値とから演算した電流制御値に基いて前記モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置の制御装置において、
前記操舵補助指令値演算部の出力側に少なくとも前記操舵補助指令値を入力するトルク制御演算部が設けられており、
前記トルク制御演算部では、電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、操舵フィーリングの調整のため、操舵トルク応答を設定するようにしており、前記操舵補助指令値を入力とする前記トルク制御演算部の特性のゲイン曲線が所定値を越える傾きを、少なくとも部分的に有する微分的な特性を持ち、
前記操舵補助指令値演算部は少なくとも１階の導関数が連続である関数の近似関数式で構成され、前記近似関数式に基づく演算により前記操舵補助指令値を求めるようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。 - 前記所定値が１０ｄＢ／ｄｅｃである請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
- 前記近似関数式がスプライン関数である請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
- 前記近似関数式が２次スプライン関数である請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
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