JP4040309B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

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、特にアシストゲインの高い特性を採用した場合、モータの出力限界を超える前後での操舵力の急変を避け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】
自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢する電動パワーステアリング装置は、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補助負荷付勢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、アシストトルク（操舵補助トルク）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−ティ比の調整で行っている。
【０００３】
ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１０に示して説明すると、ハンドル１の軸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を経て走行車輪のタイロッド６に結合されている。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を介して軸２に結合されている。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１４からイグニションキー１１及びリレー１３を経て電力が供給され、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Ｔ、車速センサ１２で検出された車速Ｖに基いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基いてモータ２０に供給する電流を制御する。
【０００４】
コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ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図１１のようになる。
【０００５】
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で検出されて入力される操舵トルクＴは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器３２に入力される。また、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算器３２に入力される。操舵補助指令値演算器３２は入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを、予め設定されているデータテーブル又は関数式を用いて決定する。操舵補助指令値Ｉは減算器３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器３４に入力され、減算器３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器３５に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算器３６に入力される。比例演算器３５の出力は加算器３０Ｂに入力されると共に、微分補償器３４及び積分演算器３６の出力も加算器３０Ｂに加算入力され、加算器３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、検出されたモータ電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。
【０００６】
上述のように一般的な電動パワーステアリング装置では、少なくとも操舵トルクに応じたモータ電流を演算し、この演算された適正な電流をモータに与えるようになっているが、この電流値を決める最も基本的な部分は操舵補助指令値演算器３２であり、通常操舵トルクＴから予め設定されたデータテーブル又は所定の関数式を用いて求めるようになっている（例えば特開平１０−５９２０３、特開平８−１５０９５４）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、操舵トルクＴから予め設定されたデータテーブル又は関数式を用いて電流指令値を求める場合、自動車やステアリング機構の特性によっては、操舵トルクＴに対して電流指令値が高くなるように設定しなければならないことがある（油圧式パワーステアリング装置のようにアシストゲインが高い状態）。このような場合、モータの出力限界に達することも多く、出力限界に達したとき操舵力に対するアシスト量が急に減少することになり、この操舵トルク付近での操舵感を悪くしてしまう問題がある。
【０００８】
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においても、油圧式パワーステアリング装置のようにアシストゲインの高い特性を採用した場合、モータの出力限界を超える前後での操舵力の急変を避け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。
【０００９】
【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演算手段で演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える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、モータ電流及びモータ端子間電圧、又はモータ電流及びモータ角速度から前記モータが出力限界に近づいていることを検知すると共に、前記出力限界に近づくに従って徐々に小さくなる係数を前記操舵補助指令値に乗算する機能を設けることによって達成される。
【００１０】
また、本発明の上記目的は、前記係数を０より大きく、１以下の値となる関数式とすることにより、前記関数式を非線型関数とすることにより、より効果的に達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
電動パワーステアリング装置では操舵トルクに応じたモータ電流を演算し、モータに適正な電流を与えるようになっており、この電流値は操舵トルクに基づいて予め設定されたデータテーブル又は関数式を用いて決定される。この場合、自動車やステアリング機構の特性によっては、操舵トルクに対して電流指令値が高くなるように設定しなければならないアシストゲインの高い状態になるが、この状態でモータ出力限界に達したとき、操舵力に対するアシスト量が急激に減少して操舵感を悪くしてしまう。しかしながら、本発明ではアシストゲインの減少を滑らかにするために、モータ回転数、モータ電流及びモータ電圧からモータ出力限界に近づいているかどうかを検知し、出力限界に近づいている場合は徐々に１より小さくなるような係数を乗算するようにし、急激なアシストゲインの減少を防止している。これにより、モータの出力限界付近でも操舵感を良好に保持することができる。
【００１２】
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の制御機能ブロック図であり、トルクセンサからの操舵トルク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。操舵補助指令値演算部１００には車速Ｖも入力されている。センタ応答性改善部１０１は、アシスト特性不感帯での安定性確保、静摩擦の補償を行う。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、最大電流制限部１０６で最大電流値が制限されて電流制御部１１０に入力される。モータロス電流補償部１０４は、モータ電流が流れてもモータ出力に現れない電流を上乗せして、モータ出力トルク０からの立ち上りを改善し、最大電流制限部１０６は、電流指令値の最大値が定格電流となるように制限している。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。
【００１４】
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に入力されると共に、モータ出力限界検知部２００に入力される。モータ端子電圧Ｖｍはモータ角速度推定部１２１に入力されると共に、モータ出力限界検知部２００に入力される。また、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、ヨーレート推定部１２５及びモータ出力限界検知部２００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。
【００１５】
モータ角加速度推定部・慣性補償部１２３はモータ慣性を加減速させるトルクを操舵トルクから排除し、慣性感のない操舵感にし、収れん制御部１２６は車両のヨー方向の挙動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おり、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う。ロストルクはモ−タの出力トルクのうち、モ−タの構造に基く摩擦損失及び磁気的要因に基く損失であり、このようなロストルクは、直進走行時に僅かな操舵が行われたときに操舵方向に対して意図しない力が付加されたり、反対方向の力が付加されたりして操舵感覚を悪化させるものである。また、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。電流ディザ信号発生部１３０は、モータが静摩擦で張り付いてしまうのを防止する。
【００１６】
更に、モータ出力限界検知部２００にはモータ端子電圧Ｖｍと、モータ角速度ωと、モータ電流ｉとが入力され、モータ出力限界を検知するようになっており、限界検知信号ＬＳを操舵補助指令値演算部１００に入力する。限界検知信号ＬＳは、モータ出力限界をＰＬＩＭ［Ｗ］とし、モータ出力をＰ［Ｗ］としたとき、限界値との差（ＰＬＩＭ−Ｐ）を出力するようになっている。
【００１７】
ここにおいて、本発明のモータ出力限界検知部２００では下記の演算を行う。
【００１８】
モータの出力Ｐは、モータの出力トルクをＴ_ｍ［Ｎ・ｍ］とし、モータの角速度をω［ｒａｄ／ｓ］とすると、下記（１）式で求められる。
【００１９】
Ｐ＝Ｔ_ｍ×ω ・・・（１）
そして、モータの出力トルクＴ_ｍはモータのトルク定数をＫ_Ｔ［Ｎ・ｍ／Ａ］、モータ電流をｉ［Ａ］とすると、下記（２）式で表される。
【００２０】
Ｔ_ｍ＝Ｋ_Ｔ×ｉ ・・・（２）
上記（２）式を（１）式に代入すると、モータ出力Ｐは下記（３）式となる。
【００２１】
Ｐ＝ＫＴ×ｉ×ω・・・（３）
トルク定数ＫＴは既知のため、モータ出力Ｐはモータ電流ｉ及び角速度ωから推定することができることになる。角速度ωの推定は、例えば特開平１０−１０９６５５号公報に説明されており、モータ角速度推定部１２２で推定された角速度ωを用いても良い。
【００２２】
他方、モータ角速度ωは、モータ端子間電圧をＶｍ［Ｖ］、モータ巻線抵抗をＲｍ［Ω］、モータの起電力定数をＫｅ［Ｖ・ｓ／ｒａｄ］とすると、下記（４）式で求められる。
【００２３】
ω＝（Ｖｍ−ｉ・Ｒｍ）／Ｋｅ ・・・（４）
ここで、トルク定数Ｋ_Ｔと起電力定数Ｋｅは同一モータでは同じ値であるため、（４）式を（３）式に代入すると、モータ出力Ｐは下記（５）式で表される。
【００２４】
Ｐ＝ｉ・（Ｖｍ−ｉ・Ｒｍ）・・・（５）
巻線抵抗Ｒｍは既知であるため、モータ出力Ｐはモータ電流ｉ及びモータ端子間電圧Ｖｍでも推定できることになる。また、モータ角速度センサや舵角センサがある場合は、これから角速度を得ても良い。
【００２５】
上述のようにモータ出力限界検知部２００から、モータ出力限界を示す限界検知信号ＬＳ（＝Ｐ_ＬＩＭ−Ｐ）が操舵補助指令値演算部１００に入力される。操舵補助指令値演算部１００は図２に示すように、操舵トルクＴに基づいて操舵補助指令値ＳＳ１を演算する操舵補助指令値演算部１００Ａと、操舵補助指令値ＳＳ１を車速Ｖに基づいてゲイン乗算して操舵補助指令値ＳＳ２を出力する車速ゲイン乗算部１００Ｂと、操舵補助指令値ＳＳ２を限界検知信号ＬＳでゲイン乗算する出力限界域ゲイン乗算部１００Ｃとで構成されている。なお、車速ゲインの乗算に関しては、例えば特開平８−１５０９５４号に開示されている。
【００２６】
ここで、モータの出力限界ＰＬＩＭを予め測定しておくことで、前記（３）式又は（５）式により算出されるモータ出力Ｐと出力限界ＰＬＩＭとの差（ＰＬＩＭ−Ｐ）を知ることができ（限界検知信号ＬＳ）、更にその差が小さくなるに従って小さくなるような、図３に示すようなゲイン特性を予め設定しておく。つまり、モータ出力Ｐが小さい領域でゲインGainは“１”若しくは“１”に近い値となっており、モータ出力Ｐが大きい出力限界ＰＬＩＭに近い領域でゲインGainは“１”より小さくなるように変化する非線型関数となっている。そして、車速ゲイン乗算の後の操舵補助指令値ＳＳ２に、図３に示すようなゲイン特性を乗算することで、モータ出力Ｐが小さい領域では操舵補助指令値ＳＳ３を大きく、モータ出力Ｐが出力限界ＰＬＩＭに近い領域では操舵補助指令値ＳＳ３を小さく出力する。
【００２７】
なお、図３の特性は一例であり、モータ出力Ｐが小さい領域でゲインGainを大きく（最大値“１”）、モータ出力Ｐが出力限界Ｐ_ＬＩＭに近い領域でゲインGainが小さく（“０”より大）変化するような関数式であれば、非線型でも線形でも良い。
【００２８】
次に、図１の他の部分の構成を簡単に説明する。本例では先ずセンタ応答性改善部１０１を図４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５に示す周波数特性とし、近似微分部１０１Ｂを図６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７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。
【００２９】
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、Ｖ１、Ｖ２Ｋｍ／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〜Ｖ２Ｋｍ／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８に示すものであり、０Ｋｍ／ｈ＝Ｉｏ特性、Ｖ１＝Ｉａ特性、Ｖ２＝Ｉｂ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９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〜Ｖ１のとき、アシスト電流ＩはＩ＝Ｉａ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（Ｉｏ（Ｔ）−Ｉａ（Ｔ））であり、車速（Ｖ１＋２）〜Ｖ２Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝Ｉｂ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（Ｉａ（Ｔ）−Ｉｂ（Ｔ））である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明では、モータ電流及びモータ電圧からモータ出力限界に近づいているかどうかを検知し、出力限界に近づいている場合は徐々に１より小さくなるような係数を乗算するようにし、急激なアシストゲインの減少を防止する。これにより、モータ出力限界付近でも操舵感を良好に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御機能ブロック図である。
【図２】本発明の操舵補助指令値演算部の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明によるゲイン乗算特性の一例を示す図である。
【図４】センタ応答改善部のブロック構成図である。
【図５】位相補償部の特性例を示す図である。
【図６】近似微分部の特性例を示す図である。
【図７】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８】基本アシスト特性を示す図である。
【図９】車速補間演算の一例を示す図である。
【図１０】電動パワーステアリングの一般例を示す機構図である。
【図１１】コントロールユニットの一般的な内部構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０ モータ
３０ コントロールユニット
１００ 操舵補助指令値演算部
１００Ａ 操舵補助指令値演算部
１００Ｂ 車速ゲイン乗算部
１００Ｃ 出力限界域ゲイン乗算部
１０１ センタ応答性改善部
１０３ トルク制御演算部
１１０ 電流制御部
１１２ 電流ドライブ回路
１１３ モータ
１２１ モータ角速度推定部
１２４ モータロストルク補償部
１２５ ヨーレート推定部
１２６ 収れん制御部
２００ モータ出力限界検知部

Claims (3)

1. ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算手段で演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える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、モータ電流及びモータ端子間電圧、又はモータ電流及びモータ角速度から前記モータが出力限界に近づいていることを検知すると共に、前記出力限界に近づくに従って徐々に小さくなる係数を前記操舵補助指令値に乗算する機能を有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。
2. 前記係数が０より大きく、１以下の値となる関数式である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記関数式が非線型関数である請求項２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。

Images