JP4192442B2

JP4192442B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP4192442B2
Application number: JP2001171844A
Authority: JP
Inventors: 修司遠藤; 峯基岡本; 慧陳
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: JP2002369565A

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、特に周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を行うことによりチューニングし易く、安全で快適な操舵性能が得られる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−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７に示して説明すると、操向ハンドル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を経て操向車輪のタイロッド６に結合されている。軸２には、操向ハンドル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、操向ハンドル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３０には、バッテリ１４からイグニションキー１１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と車速センサ１２で検出された車速Ｖと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８のようになる。例えば位相補償器３１は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、ＣＰＵで実行される位相補償機能を示している。
【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。微分補償器３４及び積分補償器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。
【０００６】
このような電動パワーステアリング装置において、従来はロバスト安定化補償器により、システムの安定性と路面情報及び外乱情報の感度特性が同時に設計されるようになっている（例えば特開平８−２９０７７８号）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の制御装置では、ステアリング中立点付近の操舵時の反力が小さいため、摩擦の影響により、路面情報をドライバに正確に伝えることが困難である。また、従来の電動パワーステアリング装置では、操舵角と操舵力との間のヒステリシス特性を、油圧式パワーステアリング並みの特性にすることが困難である。
【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、周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を行うことにより、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能が得られる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検出値とから演算した電流指令値に基いて、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、モータ回転角速度、モータ回転角加速度、操舵補助力及び操舵信号を入力してセルフアライニングトルクの推定を行うＳＡＴフィードバック部を設け、前記ＳＡＴフィードバック部で求められたＳＡＴ値を、静特性ゲインが車速信号に感応して変化されるようになっていると共に、周波数特性を有しているフィードバックフィルタを通して前記操舵補助指令値にフィードバックすることによって達成される。
【００１０】
また、本発明の上記目的は、前記フィードバックフィルタの動特性を、ドライバに伝えたい路面情報の周波数領域のゲインを大きくし、ドライバに伝えたくない路面情報の周波数領域のゲインを小さくするか又は遮断することによって、より効果的に達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）の推定を行うＳＡＴ推定フィードバック部を設け、ＳＡＴ推定フィードバック部で推定されたＳＡＴ推定値を、フィードバックフィルタを通して電動パワーステアリング装置の操舵補助指令値にフィードバックしており、これにより周波数領域で路面情報及び外乱等に対する信号処理を行うことができる。ＳＡＴを推定してフィードバックするＳＡＴ推定フィードバック部の代わりに、ＳＡＴをセンサで測定してフィードバックするようなＳＡＴ測定フィードバック部としても良い。
【００１２】
また、本発明では、フィードバックフィルタの静特性ゲインを車速信号に感応して変化させると共に、フィードバックフィルタの動特性を、ドライバに伝えたい路面情報の周波数領域のゲインを大きく、ドライバに伝えたくない路面情報の周波数領域のゲインを小さくするか、又は遮断するようにしている。これにより、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能が得られる。
【００１３】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
本発明では、図１に示すブロック制御系としている。即ち、ステアリング装置の補助操舵力を発生するモータ４０はモータ駆動部４１によって駆動され、モータ駆動部４１は二点鎖線で示すコントロールユニット１００で制御され、コントロールユニット１００にはトルクセンサからのトルク信号Ｔｒ及び車速検出系からの車速信号Ｖｅｌが入力される。モータ４０では、モータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉが計測されて出力される。
【００１５】
コントロールユニット１００はトルク信号Ｔｒを用いて制御を行う破線で示すトルク系制御部５０と、モータ４０の駆動に関連した制御を行う一点鎖線で示すモータ系制御部６０とで構成されている。トルク系制御部５０はアシスト量演算部５１、微分制御器５２、ヨーレート収れん性制御部５３、ロバスト安定化補償部５４及びセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）推定フィードバック部５５によって構成され、加算器５６及び５７、減算器５８を具備している。また、モータ系制御部６０は補償器６１、外乱推定器６２、モータ角速度推定部６３、モータ角加速度推定部（微分器）６４及びモータ特性補償部６５で構成され、加算器６６及び６７を具備している。
【００１６】
トルク信号Ｔｒはアシスト量演算部５１、微分制御器５２、ヨーレート収れん性制御部５３及びＳＡＴ推定フィードバック部５５に入力され、いずれも車速信号Ｖｅｌをパラメータ入力としている。アシスト量演算部５１はトルク信号Ｔｒに基づいてアシストトルク量を演算し、ヨーレート収れん性制御部５３はトルク信号Ｔｒ及びモータ角速度の推定値ωを入力とし、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。また、微分制御器５２はステアリングの中立点付近の制御の応答性を高め、滑らかでスムーズな操舵を実現するようになっており、ＳＡＴ推定フィードバック部５５はトルク信号Ｔｒと、アシスト量演算部５１の出力に微分制御器５２の出力を加算器５６で加算した信号と、モータ角速度推定部６３で推定された角速度推定値ωと、モータ角加速度推定部６４からの角加速度推定値＊ωとを入力し、後述する式に従ってＳＡＴを推定し、推定したＳＡＴを後述するフィードバックフィルタ（７０）を用いて信号処理し、ハンドルに適切な路面情報を反力として与えるようになっている。
【００１７】
また、アシスト量演算部５１の出力に微分制御器５２の出力を加算器５６で加算した信号に、ヨーレート収れん性制御部５３の出力を加算器５７で加算した信号をアシスト量ＡＱとしてロバスト安定化補償部５４に入力している。ロバスト安定化補償部５４は特開平８−２９０７７８号公報に示されている補償部であり、検出トルクに含まれる慣性要素とばね要素で成る共振系の共振周波数におけるピーク値を除去し、制御系の応答性と安定性を阻害する共振周波数の位相のズレを補償するものである。ロバスト安定化補償部５４の出力からＳＡＴ推定フィードバック部５５の出力を減算器５８で減算することで、路面情報を反力としてハンドルに伝えることができるアシスト量Ｉａが得られる。
【００１８】
更に、モータ角速度推定部６３はモータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉに基づいてモータ角速度ωを推定するものであり、モータ角速度ωはモータ角加速度推定部６４、ヨーレート収れん性制御部５３及びＳＡＴ推定フィードバック部５５に入力される。モータ角加速度推定部６４では、入力されたモータ角速度ωに基づいてモータ角加速度を推定し、推定したモータ角加速度＊ωはモータ特性補償部６５に入力される。モータ特性補償部６５の出力Ｉｃに、ロバスト安定化補償部５８の出力からＳＡＴ推定フィードバック部５５の出力を減算したアシスト量Ｉａが加算器６６で加算され、その加算信号が電流指令値Ｉｒとして微分補償器等で成る補償器６１に入力される。補償器６１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定器６２の出力を加算器６７で加算した信号がモータ駆動部４１及び外乱推定器６２に入力される。外乱推定器６２は特開平８−３１０４１７号公報で示されるような装置であり、モータ出力の制御目標である補償器６１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定器６２の出力を加算した信号と、モータ電流値ｉとに基づいて、制御系の出力基準における希望するモータ制御特性を維持することができ、制御系の安定性を失うことがないようにしている。
【００１９】
ここで、路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を図２に示して説明する。ドライバがハンドルを操舵することによって操舵トルクＴｈが発生し、その操舵トルクＴｈに従ってモータ４０がアシストトルクＴｍを発生する。その結果、車輪が転舵され、反力としてＳＡＴが発生する。また、その際、モータ４０の慣性Ｊ及び摩擦（静摩擦）Ｆｒによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、下記（１）式のような運動方程式が得られる。
【００２０】
J・*ω + Fr・sign(ω) + SAT = Tm + Th ・・・(1)
ここで、上記（１）式を初期値ゼロとしてラプラス変換し、ＳＡＴについて解くと下記（２）式が得られる。
【００２１】
SAT(s) = Tm(s) + Th(s) − J・*ω(s) − Fr・sign(ω(s)) ・・・(2)

上記（２）式から分るように、モータ４０の慣性Ｊ及び静摩擦Ｆｒを定数として予め求めておくことで、モータ回転角速度ω、回転角加速度＊ω、操舵補助力及び操舵信号よりＳＡＴ（セルフアライニングトルク）を推定することができる。かかる理由より、ＳＡＴ推定フィードバック部５５にはトルク信号Ｔｒ、角速度ω、角加速度＊ω、アシスト量演算部５１の出力がそれぞれ入力されている。
【００２２】
また、ＳＡＴ推定フィードバック部５５で推定したＳＡＴ情報をそのままフィードバックした場合、ステアリングが重くなり過ぎるため、操舵感覚を向上することはできない。そこで、本発明では、図３のブロック図で示すように、車速感応ゲインと周波数特性を有するフィードバックフィルタ７０を用いてＳＡＴの推定値を信号処理し、操舵感覚を向上するのに必要十分な情報のみをフィードバックする。ここで用いるフィードバックフィルタ７０は静特性ゲインとして、推定したＳＡＴの大きさを必要十分な値に減少させるゲインを持つＱフィルタと、図４に示すような車速に感応したゲインＫを持ち、据え切りや低速走行といった路面情報の重要性が比較的低い場合には、フィードバックする路面情報を小さくしている。
【００２３】
更に、フィードバックフィルタ７０は図５又は図６に示す動特性を持ち、推定したＳＡＴを周波数領域で処理することができる。例えば図５のフィルタを用いた場合は、設定したＳＡＴをカットオフ周波数以上の情報は遮断されるが、図６のフィルタを用いた場合は、設定した周波数以上の情報を完全に遮断せずに、減衰させた情報として残すことができる。
【００２４】
本発明は、コラム式及びピニオン式電動パワーステアリング装置に適用できることは勿論、ラックアシスト式電動パワーステアリング装置にも適用可能である。また、上述では、ＳＡＴを推定してフィードバックするＳＡＴ推定フィードバック部を５５を説明しているが、ＳＡＴを直接センサで測定してフィードバックするような構成としても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）の推定を行うＳＡＴ推定フィードバック部を設け、このＳＡＴ推定フィードバック部で推定されたＳＡＴ推定値を、フィードバックフィルタを通して操舵補助指令値にフィードバックするようになっているので、周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理ができ、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能を得ることができる。
【００２６】
また、フィードバックフィルタの静特性ゲインを車速信号に感応して変化させると共に、動特性を、ドライバに伝えたい路面情報の周波数領域のゲインを大きくし、ドライバに伝えたくない路面情報の周波数領域のゲインを小さくするか又は遮断するようにしているので、より安全で快適な操舵性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を示す模式図である。
【図３】本発明のフィードバックフィルタの構成例を示すブロック図である。
【図４】フィードバックフィルタの特性例を示す図である。
【図５】フィードバックフィルタの特性例を示す図である。
【図６】フィードバックフィルタの特性例を示す図である。
【図７】一般的なパワーステアリング装置の構成例を示す図である。
【図８】コントロールユニットの構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１操向ハンドル
５ピニオンラック機構
２０、４０モータ
３０、１００コントロールユニット
４１モータ駆動部
５０トルク系制御部
５１アシスト量演算部
５２微分制御器
５３ヨーレート推定フィードバック部
５４ロバスト安定化補償部
５５ＳＡＴ推定フィードバック部
６０モータ系制御部
６１補償部
６２外乱推定器
６３モータ角速度推定部
６４モータ角加速度推定部
６５モータ特性補償部
７０フィードバックフィルタ

Claims

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検出値とから演算した電流指令値に基いて、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、モータ回転角速度、モータ回転角加速度、操舵補助力及び操舵信号を入力してセルフアライニングトルクの推定を行うＳＡＴフィードバック部を設け、前記ＳＡＴフィードバック部で求められたＳＡＴ値を、静特性ゲインが車速信号に感応して変化されるようになっていると共に、周波数特性を有しているフィードバックフィルタを通して前記操舵補助指令値にフィードバックするようになっている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。
前記フィードバックフィルタの動特性を、ドライバに伝えたい路面情報の周波数領域のゲインを大きくし、ドライバに伝えたくない路面情報の周波数領域のゲインを小さくするか又は遮断するよう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の制御装置。