JP4776656B2

JP4776656B2 - 電動パワーステアリング制御装置

Info

Publication number: JP4776656B2
Application number: JP2008136884A
Authority: JP
Inventors: 晃松本; 英之田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: JP2009280163A

Description

この発明は、モータにより操舵力を補助する電動パワーステアリング制御装置に関するものである。

電動パワーステアリング装置は、運転者がハンドルを回転させることによって生じる操舵トルクを操舵トルク検出手段によって検出し、この検出されたトルクの値に応じた電流を，ステアリング装置の機構に噛み合って配置された電動モータに印加することにより前記電動モータを回転駆動し，運転者による操舵トルクを補助するために必要なアシストトルクを発生させて操舵力補助を行うものである。

一方、シミーと呼ばれるホイールバランスのずれに伴うタイヤ振動や、ブレーキジャダーと呼ばれるブレーキロータの偏心に伴うタイヤ振動が、ステアリング機構を介してステアリングホイールに伝達されステアリング操作性を悪化させ、運転者に不快感を与えることが知られている。

この不快感を抑制する方式として例えば特許文献１には、モータの慣性と減速ギアによって決まるステアリング軸の等価慣性を4x10^-2kg・m²以上、10x10^-2kg・m²以下にすることで、タイヤからの外乱トルク入力を慣性感で打ち消す方式が開示されている。

また、機械的に外乱抑制を行なうのではなく、モータをコントロールして外乱を抑制する技術も開示されている。例えば特許文献２には、モータ電流の変化加速度を求めモータ電流の変化加速度に所定のゲインを乗じることにより外乱トルクを相殺する方式が開示されている。この他にも例えば特許文献３には、10Hz以上の操舵トルク信号の位相を進ませて外乱トルクを相殺する方式が開示されている。

特開２００３−４０１２０号公報特開２００３−２６７２５１号公報特開２００６−１３７３４１号公報

しかし、特許文献１に示された方式は大きなモータ慣性で振動抑制を行っており、慣性が大きくなると操舵機構の共振周波数が低くなるため、場合によっては伝えたい外乱であるロードインフォメーションの周波数帯域までも減衰させなければならず、路面状況を把握しやすい電動パワーステアリングシステムを実現するのが困難になるという問題点があった。

また、特許文献２に示された方式ではモータの電流の変化加速度を演算する必要があるが、一般的に電流値には電気的ノイズが混在しており、変化加速度のように２回微分を行なうためにはノイズ耐性に優れた演算処理能力の高いマイクロプロセッサーを用いる必要があるという問題点があった。

また、特許文献３に示された方式ではトルクを検出するトルクセンサ信号を用いるが、一般的にトルクセンサはステアリングホイールとステアリング軸の間の捩れを検出するため、外乱トルクによってステアリングホイールも一緒に振動している状況下では正確な外乱トルク信号が得られないという問題点があった。

この発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、シミー等の車両の構造によって発生するステアリング振動の周波数帯域にのみ、ステアリング系のダイナミクスにもとづいた振動抑制制御を行うことで、フィーリングに影響を与えることなく、新たな機械部品を追加せずにステアリング振動を抑制することができる電動パワーステアリング制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電動パワーステアリング制御装置は、運転者によるステアリング機構の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段を有し、前記操舵トルクに応じた補助トルク電流を演算して、電動モータにより前記ステアリング機構に補助トルクを与えて操舵補助する電動パワーステアリング制御装置であって、車両の車速を検出する車速検出手段と、前記車速検出手段で検出された車速からステアリング振動を抑制するステアリング振動制御電流のゲインを設定するゲインＭＡＰと、前記電動モータに流れる電流信号と前記電動モータの端子間電圧との少なくとも一方にもとづいてモータ回転信号を演算するモータ回転信号検出手段と、前記モータ回転信号検出手段で検出されたモータ回転信号から操舵周波数成分を除去する周波数分離手段と、前記ゲインＭＡＰの出力であるゲインと前記周波数分離手段の出力とを乗算してステアリング振動制御電流を出力する乗算器と、前記車速検出手段で検出された車速により前記乗算器からのステアリング振動制御電流の上下限値を設定するリミッタとを備え、前記リミッタからのステアリング振動制御電流と前記補助トルク電流とを加算して得た目標電流により前記電動モータを駆動するようにしたものである。

この発明に係る電動パワーステアリング制御装置は上記のように構成され、シミー等の車両の構造によって電動モータが回転することを検出するモータ回転信号検出手段と、モータ回転信号検出手段の出力にもとづきステアリング振動を抑制するためのステアリング振動制御電流を演算する外乱抑制手段とを備えているため、外乱トルクによってモータが回転したことを精度よく検出し、ステアリング振動を抑制することが可能となるので、運転者のステアリング操作性を向上させ、不快感を抑制することができる。

また、モータ電流とモータ端子間電圧信号からステアリング振動電流を演算するので、信号自体を微分など高度な演算を行なう必要がなく、従来と同様の構成でソフトウェアの変更のみでステアリング振動抑制を実現することが可能である。さらに、モータ電流とモータ端子間電圧信号からステアリング振動電流を演算するので、外乱トルクによってステアリングホイールも一緒に振動している状況下でも正確な外乱トルク抑制制御が可能となる。

また、トルクセンサ値に応じたゲインマップを設定することにより、操舵状態に応じたアシスト補償制御を行なうことができるので、より良い操舵フィーリングが実現できる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による電動パワーステアリング制御装置のアルゴリズムを示すブロック図で、ソフトウェアによって構成されるものである。なお、ハードウェアについては公知の電動パワーステアリング装置と同様な構成であるため、その説明は省略する。

図１において、運転者が操舵した場合の操舵トルクをトルクセンサ１で検出すると共に、車輪速センサから車速検出器８によって車速を検出する。トルクセンサ１によって検出された操舵トルクと車速検出器８によって検出された車速にもとづいて目標電流演算手段１４が補助トルク電流の目標電流を演算する。

目標電流演算手段１４は以下の各要素によって構成されている。即ち、トルクセンサ１の出力にもとづいて前記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算する例えばアシストマップ補償器などのトルク制御器２と、車速検出器８で検出された車速からステアリング振動を抑制するステアリング振動制御電流のゲインを設定するゲインMAP１０と、ゲインM
AP１０の出力であるゲインと、後述する周波数分離手段１３の出力とを乗算しステアリング振動制御電流を出力する乗算器１１と、車速検出器８で検出された車速からステアリング振動を抑制するステアリング振動制御電流の上下限値を設定するリミッタ１２と、リミッタ１２の出力とトルク制御器２で演算された補助トルク電流とを加算して目標電流を出力する加算器３と、モータ５の電流を検出する電流検出器６の出力と、モータ５の端子間電圧を検出する端子間電圧検出器７の出力との少なくとも一方にもとづいてモータ回転信号を演算するモータ回転信号検出手段９と、モータ回転信号検出手段９で検出されたモータ回転信号からステアリング振動を抑制するためのステアリング振動制御電流を演算する外乱抑制手段、具体的には操舵周波数成分を除去する周波数分離手段１３とから構成されている。

電流制御器４は、電流検出器６で検出したモータ５に通電される駆動電流が前記目標電流演算手段１４の加算器３から出力される目標電流に一致するように、モータ５の端子に印加する駆動電圧指令値を設定し、適切なアシストトルクが発生されるように例えばPWM信号として出力する。なお、図１ではこの発明の特徴を明確にするために目標電流演算手段１４を簡素化して示しているが、電動パワーステアリング制御装置としては、一般的に車両の収斂性をコントロールするダンピング補償やステアリング機構の慣性感を低減する慣性補償などさまざまな補償制御要素が加えられることは云うまでもない。

次に、目標電流演算手段１４のモータ回転信号検出手段９について詳細に説明する。モータ回転信号は次の算式で示される。

ここで、ωはモータ回転信号、V_tはモータ端子間電圧、V_dropは駆動電圧指令値からモータの端子間電圧までの電圧降下に相当する補償値で、電流値に依存する性質があるので電流値I_actに対するマップとして予めマイクロプロセッサーのメモリに記憶させておく。dI_actは電流値の微分信号、Rはモータのコイル抵抗相当値、Lはモータのコイルインダクタンス相当値、K_bは逆起電圧相当値で予めマイクロプロセッサーのメモリに記憶させる定数である。

なお、式（１）においてコイルインダクタンスLを無視した場合にも同等のモータ回転信号を検出できるため、コイルインダクタンスLは無視してもよい。

また、シミーなどの外乱トルクは後述するように、一般的には操舵周波数と分離することができる。ドライバの操舵負荷をアシストする電流値I_actは多くの電動パワーステアリングの場合、操舵周波数範囲内にあり、シミーなどの高周波の場合、モータ端子間電圧信号V_tのみからモータ回転信号を検出することも可能である。このようにモータ端子間電圧信号V_tのみからモータ回転信号を得るようにすれば、より簡易な構成で機能の実現が可能となる。

次に外乱抑制手段としての周波数分離手段１３について詳細に説明する。周波数分離手段１３はモータ回転信号から操舵周波数成分を取り除くために設けられる。一般的に操舵周波数は5Hz以下であり、それ以上の周波数成分は外乱トルクと見なすことができる。

例えば10Hzのハイパスフィルタを設計することで周波数分離手段１３は設計できる。しかしシミー等の車両の構造によって発生するステアリング振動は車両によって異なるため、ハイパスフィルタの折れ点周波数は５〜20Hzの間でシミーなどが目立つ共振周波数のゲ
インが低下するように設計すればよい。もしくはこれに相当する周波数特性を有する変換器を少なくとも１つ備えるようにすればよい。

また車両の構造によって発生するステアリング振動はタイヤのホイールバランスのずれや、ブレーキロータの偏心が主な要因である。これら車両のステアリング振動が発生するのは、タイヤのホイールが回転している時であり、車速によりその大きさなども異なる。このような状況を鑑みて車速に応じたゲイン設定とリミッタを設けることで必要な領域のみ外乱トルクによるステアリング振動を抑制することが可能となる。

ゲインの具体的な実施の形態としては、シミーが一番発生する共振周波数となる車速でゲインが一番大きくなるように設定するとよい。また車速が停車状態にある0km/hなどではゲインを０にするとよい。

リミッタの具体的な実施の形態としては、シミーが一番発生する共振周波数となる車速で一番大きいリミッタとして電流の絶対値が３アンペア以下、より好ましくは２アンペア以下で設定するとよい。また車速が停車状態にある0km/hなどではリミッタを０にするとよい。

このように車速に応じてゲイン及びリミッタを設定することにより、車両の走行状態に応じた外乱抑制制御が可能になり、不必要な個所で制御介入するドライバへの違和感を軽減できると共に、必要な個所のみ制御介入することで的確にシミーなどの振動を抑えることが可能になる。なお、ゲイン設定及びリミッタは車両に応じて設定値が異なるため、この発明を適用する車両に応じて数値を変更する必要がある。

次に、実施の形態１による電動パワーステアリング制御装置の動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。なお、実施の形態１の動作で従来の技術と異なる点は、モータ慣性を大きくして機構的にシミー振動を抑制するのではなく、モータ回転信号にもとづいて演算されるステアリング振動抑制電流によって振動抑制するアルゴリズムであり、モータ５に通電する駆動電流の制御に関しては、PID式の電流フィードバック制御あるいは目標電流とモータ回転信号とにもとづくオープンループ制御等の一般的に行われる制御を、デジタル制御あるいはアナログ制御のいずれの方式に実施してもよい。したがって、以下の説明では目標電流演算手段１４におけるステアリング振動抑制電流演算部のアルゴリズムに限定して説明を行う。

まずステップS101で、モータ５に発生するモータ電流を電流検出器６で検出し、モータ電流信号をマイコンに読み込みメモリに記憶する。ステップS102ではモータ５に発生するモータ端子間電圧を端子間電圧検出器７で検出し、モータ端子間電圧信号をマイコンに読み込みメモリに記憶する。ステップS103では車速検出器８からの車速信号をマイコンに読み込みメモリに記憶する。
ステップS104ではモータ電流信号とモータ端子間電圧信号とからモータ回転信号検出手段９でモータ回転信号を演算しメモリに記憶する。

S105では上述したようにハイパスフィルタなどの手段を用いて周波数分離手段１３により、モータ回転信号から操舵周波数成分を遮断し外乱トルクを抑制する周波数特性の信号を演算してメモリに記憶する。S106では車速信号を読み込み予め車両によって定められたゲインMAPからステアリング振動抑制電流ゲインを読み込みメモリに記憶する。S107では周波数分離手段１３の出力信号とステアリング振動抑制電流ゲインとを乗算器１１で乗算し、ステアリング振動抑制電流を演算すると共に、リミッタ１２で予め車両によって定められた車速に応じた上下限値により電流をクリップする。S108ではステアリング振動抑制電流をトルク制御器２で演算された補助トルク電流に加算器３で加算して目標電流とする
。

以上，説明したように実施の形態１では、モータ電流とモータ端子間電圧にもとづきステアリング振動を抑制する。そのため新たな機構部品を追加せずに不快なステアリング振動を低減することができる。

また、モータ電流とモータ端子間電圧信号とからステアリング振動電流を演算するので、信号自体を微分など高度な演算を行なう必要がなく、従来と同様の構成でソフトウェアの変更のみでステアリング振動抑制を実現することが可能である。また、モータ電流とモータ端子間電圧信号とからステアリング振動電流を演算するので、外乱トルクによってステアリングホイールも一緒に振動している状況下でも正確な外乱トルク抑制制御が可能となる。

なお、実施の形態１では周波数分離手段１３でハイパスフィルタを用いた例のみを説明したが、高周波ノイズ除去やステアリング振動抑制のための位相調整のためにローパスフィルタなどを用いても同等の効果を得ることが可能である。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図３は、実施の形態２による電動パワーステアリング制御装置のアルゴリズムを示すブロック図で、ソフトウェアによって構成されたものである。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、トルクセンサ入力に応じたゲインを乗算器１１の出力に乗算するようにした点である。

図３において、３１はトルクセンサ１で検出されたトルクセンサ信号からステアリング信号を抑制するステアリング振動制御電流のゲインを設定するゲインMAP、３２は乗算器１１の出力にゲインMAP３１の出力である操舵トルクに応じたゲインを乗じる乗算器である。

上述したように、電動パワーステアリング制御装置にはアシストマップ補償などさまざまな補償要素がある。一般的に操舵トルクの大きい領域ではアシストトルクが十分発生するので、結果的にステアリング振動はドライバに伝わり難く、操舵フィーリングへの影響も少ない。シミーなどのステアリング振動がドライバに不快感を与えるのは、操舵トルクが中立付近でありアシストトルクが小さい領域が一般的である。

具体的には、トルクセンサ信号の値が１Nm以内をゲイン１に設定し、１Nmから２Nmにかけて滑らかに０に減衰するように設定するとよい。なお、１Nm以内というのは一般的なアシストマップ補償の不感帯幅であり、不感帯幅が0.5Nmであれば0.5Nm以内をゲイン１に設定し、２Nmにかけて０に減衰するように設定すればよい。

操舵トルクが中立近傍にあるときほどステアリング振動抑制電流が作用するよう、トルクセンサ信号に応じたゲインMAP３１を設定することで、ステアリング振動抑制電流を必要な領域のみ付与することが可能となり、操舵状態に応じた補償制御を行なうことで、より良い操舵フィーリングを実現することが可能となる。

この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング制御装置のアルゴリズムを示すブロック図である。実施の形態１の動作を説明するためのフローチャートである。この発明の実施の形態２による電動パワーステアリング制御装置のアルゴリズムを示すブロック図である。

符号の説明

１トルクセンサ、２トルク制御器、３加算器、４電流制御器、５モータ、６電流検出器、７端子間電圧検出器、８車速検出器、９モータ回転信号検出器、１０ゲインMAP、１１乗算器、１２リミッタ、１３周波数分離手段、１４目標電流演算手段、３１ゲインMAP、３２乗算器。

Claims

運転者によるステアリング機構の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段を有し、前記操舵トルクに応じた補助トルク電流を演算して、電動モータにより前記ステアリング機構に補助トルクを与えて操舵補助する電動パワーステアリング制御装置であって、車両の車速を検出する車速検出手段と、前記車速検出手段で検出された車速からステアリング振動を抑制するステアリング振動制御電流のゲインを設定するゲインＭＡＰと、前記電動モータに流れる電流信号と前記電動モータの端子間電圧との少なくとも一方にもとづいてモータ回転信号を演算するモータ回転信号検出手段と、前記モータ回転信号検出手段で検出されたモータ回転信号から操舵周波数成分を除去する周波数分離手段と、前記ゲインＭＡＰの出力であるゲインと前記周波数分離手段の出力とを乗算してステアリング振動制御電流を出力する乗算器と、前記車速検出手段で検出された車速により前記乗算器からのステアリング振動制御電流の上下限値を設定するリミッタとを備え、前記リミッタからのステアリング振動制御電流と前記補助トルク電流とを加算して得た目標電流により前記電動モータを駆動す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制御装置。
前記操舵周波数成分を除去する周波数分離手段は、折れ点周波数が5〜20Hzの範囲に設定されたハイパスフィルタもしくはそれに相当する周波数特性の変換器を少なくとも１つ以上備えることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング制御装置。
前記ステアリング振動制御電流は前記操舵トルク信号にもとづいて決定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング制御装置。