JP4413098B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関し、特に、ハンドルの振動や騒音の少ない操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置に関するものである。

自動車のステアリング装置をモータの回転力で補助力を付与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力を付与するようになっている。このような電動パワーステアリング装置の簡単な構成を図７を参照して説明する。操向ハンドル１０１の軸１０２は減速ギア１０３、ユニバーサルジョイント１０４ａ及び１０４ｂ、ピニオンラック機構１０５を経て操向車輪のタイロッド１０６に結合されている。軸１０２には，操向ハンドル１０１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０７が設けられており、操向ハンドル１０１の操舵力を補助するモータ１０８が、減速ギア１０３を介して軸１０２に連結されている。

このように構成された電動パワーステアリング装置の制御について、図８を参照して説明する。まず、トルクセンサ１０７で検出されたトルク値Ｔと、図示しない車速センサで検出された車速Ｖとがアシストマップ１９０に入力され操舵補助指令値が算出される。さらに、補償値演算部１９４で演算される補償値、例えば、収斂性演算部１９１や慣性演算部１９２で算出された収斂性や慣性などの補償値を加算部１９５，１９６、１９７で前記操舵補助指令値に加算してトルク指令値Ｔｒｅｆが決定される。そして、トルク指令値Ｔｒｅｆに基いて電流指令値演算部２００で電流指令値Ｉｒｅｆが決定される。なお、ブラシレスモータでは、トルク指令値の他に回転子のロータ角度も電流指令値演算部２００に入力して電流指令値Ｉｒｅｆが決定される。ここで、上述したトルク値Ｔ、車速Ｖ及び補償に基いて電流指令値Ｉｒｅｆを決定するまでの処理部分（破線Ｂで囲まれた部分）を、便宜上、電流指令値決定部Ｂと呼ぶ。

一方、モータ１０８へ供給されるモータ電流Ｉｍは電流検出器２０２で検出され、前記電流指令値Ｉｒｅｆとともに減算部２０４へ入力される。減算部では、それらの偏差ΔＩ＝Ｉｒｅｆ−Ｉｍが算出される。

次に、偏差ΔＩは、破線Ａで囲まれた電流制御器Ａとしての比例積分制御部に入力される。この例では、比例ゲインＫｐである比例項２０８と積分ゲインＫｉである積分項２０６とに入力される。比例項２０８の出力と積分項２０６の出力とは加算部２１０で加算され、電圧指令値Ｖｒｅｆが出力される。

ＰＷＭ制御部２１２は、電圧指令値Ｖｒｅｆを入力として、インバータ回路２１４へのＰＷＭ信号を出力することにより、電圧指令値Ｖｒｅｆに基いたＰＷＭ信号がインバータ回路２１４へ指示される。インバータ回路２１４は、そのＰＷＭ信号に基いてモータ１０８へモータ電流Ｉｍが供給される。

以上が、電動パワーステアリング装置の制御において、電流制御器Ａに比例積分制御を用いた場合の例に関する説明である。ここで、比例積分に関する定常ゲインＧｉを式で表わすと数１のように示される。

つまり、偏差ΔＩが小さい値でも、定常ゲインＧｉが無限大であるために、ハンドル保舵時や、ゆっくりした操舵時にも電圧指令値Ｖｒｅｆは大きな値として出力され、以下のような問題が発生する。

つまり、最近の電動パワーステアリング装置は大容量化、即ち大電流化しているが、ＣＰＵを中心として構成される制御装置に用いられるＡＤ変換器などは、例えば，１０ｂｉｔのままなので大電流化において、その分解能が相対的に粗くなってきている。そして、この分解能の粗さによって発生するノイズのような演算誤差が、保舵時やゆっくりした操舵時の偏差ΔＩが小さい時の定常ゲインが無限大となるフィードバックゲインによって増幅され、ハンドルの振動や騒音となって、運転手に不快な感じを与える問題がある。

このように、電動パワーステアリング装置の制御においては、積分制御（Ｉ制御）、比例積分制御（ＰＩ制御）や比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）が一般的に用いられる。しかし、積分項を含む制御は、そのゲインが定常状態において無限大となるために、電動パワーステアリング装置の定常状態である保舵状態や、ゆっくりした操舵した場合に、ハンドルを介して振動や騒音を感じて、ハンドル操舵に不快感を覚える問題がある。

そこで、特許文献１では、この問題を解決すべく、フィードバック制御において、電流指令値Ｉｒｅｆと実際のモータ電流Ｉｍとの偏差ΔＩ＝Ｉｒｅｆ−Ｉｍを積分項を含む制御系に入力する前に調整ゲインを設けて、偏差ΔＩが小さい場合は調整ゲインを小さくし、偏差ΔＩが大きい場合は調整ゲインを大きくするような工夫を施している。

特開２０００−１０８９１６号公報

しかし、上記従来の装置では、電流フィードバックの偏差に応じて変化する調整ゲインを決定する設計（閾値）が難しかったり、また、積分項の定常ゲインが無限大であるため、調整ゲインをいくら小さくしても、トータルのゲインは大きくなってしまい、ハンドル保舵時やゆっくりした操舵時に発生する振動や騒音を感じる問題は解決されない。また、制御装置としてＣＰＵを利用する場合の実装の問題である離散時間や固定小数点演算なども考慮されていない問題がある。

本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、特に、大容量（高出力）の電動パワーステアリング装置において、ハンドルの保舵時やゆっくりした操舵時でも、ハンドルを介した振動や騒音を発生せず、操舵フィーリングの良いハンドル操舵が期待できる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、車両の操舵系に操舵補助力を付与するようにしたモータと、ハンドルに作用する操舵力を検出するトルクセンサと、前記モータの電流を検出する電流検出器とを備え、前記トルクセンサの出力値に基いて決定される電流指令値Ｉｒｅｆと、前記モータの電流Ｉｍとの偏差を入力とする電流制御器の出力に基いて前記モータをフィードバック制御する電動パワーステアリング装置に関するものであり、本発明の上記目的は、前記電流制御器が、ａを定数として、（Ｌ・ｓ＋Ｒ）／（Ｔ・ｓ＋ａ）からなる進み遅れ関数で構成されていることによって達成される。
また、上記目的は、前記電流制御器のゲインを前記車両の車速又は前記モータの回転角速度に基いて調整することにより、或いは前記電流制御器の前段に位相補償器を設けることによって、より効果的に達成される。

本発明によれば、定常ゲインを有限とする電流制御器を用いるので、ハンドルの保舵時やゆっくりとした操舵時は、偏差による出力トルクは、大きくならないので、ハンドルを介して振動を感じたり、騒音を発生せず、フィーリングの良いハンドル操舵を期待できる電動パワーステアリング装置を提供できる。

また、車速やモータ回転角速度に応じてゲインを調整したり、位相補償器を用いることにより、保舵時のハンドルの振動や騒音を抑制しつつ高速操舵も可能にすることができる。

本発明の実施例について以下図を参照して説明する。

図１は、電流制御器Ａの定常ゲインが有限である一例として一次遅れ関数を用いた例である。一次遅れ関数部１０は、その関数例として「Ｋｉ／（Ｔ・ｓ＋１）」を用いている。

まず、その全体構成について説明する。トルクセンサ１０７で検出されたトルク値Ｔと、図示しない車速センサで検出された車速Ｖと、更に補助値とを入力として電流指令値決定部Ｂで電流指令値Ｉｒｅｆが決定される。一方、モータ１０８へ供給されるモータ電流Ｉｍは電流検出器２０２で検出され、前記電流指令値Ｉｒｅｆとともに減算部２０４へ入力される。減算部では、それらの偏差ΔＩ＝Ｉｒｅｆ−Ｉｍが算出される。

次に、偏差ΔＩは、破線Ａで囲まれた電流制御器Ａに入力される。この例では、比例部２０８と積分項一次遅れ関数項１０とに入力される。比例部２０８の出力と一次遅れ関数部１０の出力とは加算部２１０で加算され、電圧指令値Ｖｒｅｆが出力される。

ＰＷＭ制御部２１２は、電圧指令値Ｖｒｅｆを入力として、インバータ回路２１４へのＰＷＭ信号を出力することにより、電圧指令値Ｖｒｅｆに基いたＰＷＭ信号がインバータ回路２１４へ指示される。インバータ回路２１４は、そのＰＷＭ信号に基いてモータ１０８へモータ電流Ｉｍが供給される。

このように構成された電動パワーステアリング装置の制御の特徴は、一次遅れ関数部１０の定常ゲインＧｄが有限であるということにある。即ち、この意味を式で示すと数２のように示すことができる。

即ち、定常ゲインＧｄは（Ｋｐ＋Ｋｉ）という有限値をとる。電動パワーステアリング装置において、この式の意味するところは、定常状態であるハンドルが保舵されていたり、或いは、ゆっくりと操舵されているような場合は、偏差ΔＩが小さく、偏差ΔＩに有限のゲインＧｄが乗算されても、その出力である電圧指令値Ｖｒｅｆは、積分項を含む場合の無限大のゲインＧｉが乗算された場合の電圧指令値Ｖｒｅｆと比較して非常に小さな値となる。よって、定常ゲインが無限大である積分項を含む電流制御器の場合と比較すると、定常ゲインが有限値である電流制御器の場合は、ハンドルを介した振動や騒音が感じられず、ハンドル操作に不快感を覚えることもないという優れた効果を期待できる。特に、１ｂｉｔ当たりの電流値の大きい（分解能の粗い）高出力電動パワーステアリング装置では大きい効果を期待できる。

次に、電流制御器に定常ゲインが有限である別の実施例を図２を参照して説明する。この実施例では、電流制御器の関数として進み遅れ関数を用いている。この進み遅れ関数の一例として（Ｌ・ｓ＋Ｒ）／（Ｔ・ｓ＋ａ）を用いる。ここで、Ｌはモータ１０８のインダクタンス値、Ｒはモータ１０８の抵抗値、１／Ｔは折点周波数、ａは定数である。この進み遅れ関数の定常ゲインＧａｄを式で表現すると数３のようになる。

ここで、定常ゲインＧａｄ＝Ｒ／ａの大きさを、ハンドル保舵時やゆっくりした操舵時にハンドルに振動や騒音を発生させない大きさに設定すれば良い。

まず、図２を参照して実施例２の構成を説明する。トルクセンサ１０７で検出されたトルク値Ｔと、図示しない車速センサで検出された車速Ｖと、更に補助値とを入力として電流指令値決定部Ｂで電流指令値Ｉｒｅｆが決定される。一方、モータ１０８へ供給されるモータ電流Ｉｍは電流検出器２０２で検出され、前記電流指令値Ｉｒｅｆとともに減算部２０４へ入力される。減算部では、それらの偏差ΔＩ＝Ｉｒｅｆ−Ｉｍが算出される。

次に、偏差ΔＩは、電流制御器Ａに入力される。電流制御器Ａは、進み遅れ関数部２０で構成されている。偏差ΔＩが入力された進み遅れ関数部２０は電圧指令値Ｖｒｅｆを出力する。

ＰＷＭ制御部２１２は、電圧指令値Ｖｒｅｆを入力として、インバータ回路２１４へのＰＷＭ信号を出力することにより、電圧指令値Ｖｒｅｆに基いたＰＷＭ信号がインバータ回路２１４へ指示される。インバータ回路２１４は、そのＰＷＭ信号に基いてモータ１０８へモータ電流Ｉｍが供給される。

図２の実施例２が、図１の実施例１と異なるところは電流制御器Ａの部分である。しかし、どちらの電流制御器の定常ゲインも有限値であるところは共通している。実施例２において、進み遅れ関数部２０の定常ゲインＧａｄを決定する（Ｒ／ａ）の大きさが、保舵時やゆっくりした操舵時の偏差ΔＩに乗じて出力される電圧指令値Ｖｒｅｆの値が、ハンドルを介して振動や騒音を感じない程度の値に設定されているので、保舵時やゆっくりした操舵時に、ハンドルを介して振動や騒音を感じなることもない。ここで、定数ａが、振動や騒音を発生させない極力小さい値にしているのは、定数ａが小さいほど積分制御に近い制御になるからである。つまり、積分制御の長所を享受しながら定常ゲインの値が振動や騒音を発生しないように配慮をしている。

図３の実施例は、実施例２のフィードバックゲインを補正するゲインを設けた実施例である。つまり、図２の実施例２の構成において、電流指令値決定部Ｂと減算部２０４との間にゲインＫを有するゲイン部２２が配されている。

これは、電流フィードバック制御ループのゲインは、理論的には、１より小さい（１／（１＋ａ））である。定数ａは振動や騒音を発生させないように極力小さい値に設定されているので、ゲイン（１／（１＋ａ））は、概略１となる。しかし、高出力電動パワーステアリング装置の場合、モータ電流値が大きく、例えば、定格電流が１００Ａとなるので、定数ａが、例えば、０．０１でも電流誤差が無視できなくなる。そこで、ゲインの影響が無視できない場合には、ゲイン部２２を配してそのゲインＫを補正することにより、ゲイン（１／（１＋ａ））の影響を調整できる。この場合、ゲインＫの値は、理論的には、（１＋ａ）であるが、バッテリ電圧やモータの抵抗値などの影響を受けるため、実験などで決定することが好ましい。

ハンドルの振動や騒音に関する感受性は、その車速やモータの回転速度によって影響を受けるものである。つまり、振動や騒音は低速走行時に特に気になるものであるから、車速やモータの回転速度によって、電流制御器Ａのフィードバックゲインの大きさを変更させようとする実施例である。

図４において、モータ１０８の角速度ωを検出する一例としてレゾルバ４０がモータ１０８に設置されている。そしてレゾルバ４０で検出されたモータ１０８の角速度ωと図示しない車速センサで検出された車速Ｖとが、ゲイン部２２と電流制御部Ａの進む遅れ関数部２０に入力される。つまり、車速が速い時やモータの回転速度が速い時は、それほど振動や騒音が気にならないので、ゲイン部２２のゲインＫを小さくしたり、進み遅れ関数部２０の定数ａの値を小さくしても、ハンドル操作の不快には感じられない。よって、この様に車速やモータの角速度に応じて電流制御器などのゲインを調整できれば、車速が遅い時やモータの回転速度が遅い時は、振動や騒音に重きを置いたゲイン、即ち、定数ａが大きく、ゲインＫも大きくし、車速が速い時やモータの回転速度が速い時には、高速操舵性に重きを置いたゲイン、即ち、定数ａは小さく、ゲインＫも小さくするので、高速操舵性を確保しつつ振動や騒音の少ない電動パワーステアリング装置を提供できる。

ハンドルの振動や騒音を抑制しつつ、高速操舵性を確保できる制御構成として上述した実施例の他に、図５に示すような実施例がある。即ち、電流制御器Ａの進み遅れ関数部２０の定数ａによって引起こされる高速操舵応答性の遅れを補償することである。

つまり、１ｂｉｔ当たりの電流値の大きい（分解能の粗い）高出力電動パワーステアリング装置では、電流指令値Ｉｒｅｆと実測したモータ電流Ｉｍとの偏差ΔＩが、ほぼ零のとき、電流制御器Ａが過敏に応答して振動、騒音を発生してしまうことがある。そのため、電流制御器Ａのゲインを抑えて振動、騒音を抑制し、その結果、低下した高速操舵時の応答性を位相補償器によって補償するものである。分解能が粗いために発生する量子化誤差の影響ができるだけ伝播しない構成とするものである。

具体的には、図５において、電流指令値決定部Ｂと減算部２０４との間に、ゲイン部２２の代わりに、フィードフォワード要素としての位相補償器２４（位相補償関数例として（Ｔ２・ｓ＋１）／（Ｔ１・ｓ＋１））が配されている。この構成により、言わば２自由度制御が可能となる。

このように構成することにより、電流制御器Ａの進み遅れ関数部２０の定数ａを大きな値をとることができ、高速操舵時の応答性を良くすることができるとともに、保舵時やゆっくりした操舵時に発生する振動や騒音が少なくできることが可能となる。

ハンドルの振動や騒音を抑制しつつ、高速操舵性を確保できる制御構成として上述した実施例５の変形例として、図６に示すような実施例がある。偏差ΔＩを入力とする電流制御器Ａは実施例１の電流制御器Ａと同じであるが（ただし、パラメータＫｐ、Ｋｉ、Ｔは異なる）、電流指令値Ｉｒｅｆに対して単独でゲインＲを乗ずるゲイン部２６が配され、電流制御器Ａの出力とゲイン部２６の出力とが加算部２８で加算され、電圧指令値Ｖｒｅｆが算出される構成となっている。

この実施例の意図するところは、振動、騒音を発生する偏差ΔＩに対するゲインは小さくして、即ち、電流制御器Ａのゲインは小さくして、実施例５の応答性改善のための位相補償器２４の代わりに、ゲイン部２６のゲインＲによって高速操舵時の応答性を改善させている。ここで、ゲインＲはモータ１０８の抵抗値で、進み遅れ関数部２０の分子（Ｌ・ｓ＋Ｒ）において支配的な値であるＲを用いている。支配的な制御量が電流フィードバックループの外に出ることにより、電流制御器Ａの制御量が減り、振動、騒音の発生を低減することができる。

以上の説明において、電動パワーステアリング装置に用いられるモータが単相モータであっても、３相モータであっても、さらに３相モータの場合は、モータ制御が３相制御であっても、ｄ、ｑ制御であっても本発明の効果が得られることは言うまでもない。

以上説明したように、本発明を用いれば、保舵時やゆっくりした操舵時においてハンドルの振動や騒音を抑制して操舵フィーリングの良い電動パワーステアリング装置を提供できる効果がある。

実施例１の制御ブロック図である。 実施例２の制御ブロック図である。 実施例３の制御ブロック図である。 実施例４の制御ブロック図である。 実施例５の制御ブロック図である。 実施例５の変形例の制御ブロック図である。 電動パワーステアリング装置の構成図である。 従来の制御ブロック図である。

符号の説明

１０ 一次遅れ関数部
２０ 進む遅れ関数部
２２ ゲイン部
２４ 位相補償器
２６ ゲイン部
２８ 加算部
４０ レゾルバ

Claims (3)

1. 車両の操舵系に操舵補助力を付与するようにしたモータと、ハンドルに作用する操舵力を検出するトルクセンサと、前記モータの電流を検出する電流検出器とを備え、前記トルクセンサの出力値に基いて決定される電流指令値Ｉｒｅｆと、前記モータの電流Ｉｍとの偏差を入力とする電流制御器の出力に基いて前記モータをフィードバック制御する電動パワーステアリング装置において、前記電流制御器が、ａを定数として、（Ｌ・ｓ＋Ｒ）／（Ｔ・ｓ＋ａ）からなる進み遅れ関数で構成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記電流制御器のゲインを前記車両の車速又は前記モータの回転角速度に基いて調整する請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記電流制御器の前段に位相補償器を設けた請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。

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