JP4849065B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Description

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、特に安価な構成で連続的な操舵感を与えることにより安全な操舵能力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。

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）制御のデューティ比の調整で行っている。
ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を第６図に示して説明すると、操向ハンドル１のコラム軸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に連結されている。コラム軸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を介してコラム軸２に連結されている。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から電力が供給されると共に、イグニションキー１１からイグニション信号が入力されている。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。
コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵも含む）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第７図のようになる。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。
第７図に沿って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。又、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、比例演算器３５及び積分演算器３６の出力も加算器３０Ｂに入力され、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、モータ電流値ｉは減算器３０Ａにフィードバックされる。
モータ駆動回路３７の構成例を第８図に示して説明すると、モータ駆動回路３７は加算器３０Ｂからの電流制御値Ｅに基いて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートを駆動するＦＥＴゲート駆動回路３７１、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４で成るＨブリッジ回路、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２のハイサイド側を駆動する昇圧電源３７２等で構成されている。ＦＥＴ１及びＦＥＴ２は、電流制御値Ｅに基いて決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、実際にモータ２０に流れる電流Ｉｒの大きさが制御される。ＦＥＴ３及びＦＥＴ４は、デューティ比Ｄ１の小さい領域では所定１次関数式（ａ，ｂを定数としてＤ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ）で定義されるデューティ比Ｄ２のＰＷＭ信号で駆動され、デューティ比Ｄ２も１００％に達した以降、ＰＷＭ信号の符号により決定されるモータ２０の回転方向に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。
このような電動パワーステアリング装置の制御装置において、特開２０００−９５１３１号公報に示されるように、アシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的として、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルクの微分に比例した値を、制御系の応答性を高めるために加算する装置が提案されている。
また、特開２０００−１４２４３３号公報では、保舵時及び緩操舵時にハンドルに微振動が加わることなく急操舵時のモータ応答性を高めるために、複数の位相補償器を設けて特性を切替えるようにしている。

上述の制御装置では、トルクを近似微分或いは差分を用いて補償値を演算し、操舵トルク（車速を含む）に基づいて演算された操舵補助指令値に加算して電流指令値（電流制御値）としている。操舵速度が比較的速い場合にはトルク変動の周期もみじかくなるが、十分に演算周期の速い微分補償器はトルクの変化を十分に検出することができ、トルク変動が小さくなるように補償することが可能である。
一方、操舵速度が遅い場合、トルクの変動周期も長くなるが、このときトルクの変化が微分演算の周期よりも遅い場合には微分値が小さく、また、ノイズの影響を受け易くなる問題がある。この場合、大きなゲインを乗算して補償しようとすると、制御系の安定性が低下したり、モータや動力伝達機構部から異音や振動が発生したりすることがあった。
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、操舵速度によらず常に高性能な制御が可能な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。

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、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し、本発明の上記目的は、操舵トルクを入力する第１微分補償器及び第２微分補償器を設け、前記第２微分補償器のサンプリング周期が前記第１微分補償器のサンプリング周期よりも遅く、前記第１微分補償器及び第２微分補償器の出力を前記操舵補助指令値に加算することにより達成される。
本発明の上記目的は、操舵速度の絶対値が予め設定された値よりも大きい場合は、前記第２微分補償器の出力を０又は所定値以下の値で制限することにより、或いは前記電流制御値の絶対値又は前記操舵補助指令値の絶対値が予め設定された値よりも小さい場合は、前記第２微分補償器の出力を０又は所定値以下の値で制限することにより、或いは車速が予め設定された値よりも大きい場合は、前記第２微分補償器の出力を０又は所定値以下の値で制限することにより、或いは前記第２微分補償器の出力を前記電流制御値又は操舵補助指令値に応じて可変させることにより、或いは前記第２微分補償器の入力にノイズ除去又はエリアシング除去のためのフィルタを設けることにより、より効果的に達成される。

第１図は、本発明の第１実施例を示すブロック構成図である。
第２図は、操舵補助指令値演算部の演算例を示す特性図である。
第３図は、条件判定部の動作例を示すフローチャートである。
第４図は、本発明の第２実施例を示すブロック構成図である。
第５図は、ゲイン部の特性例を示す図である。
第６図は、一般的な電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。
第７図は、コントロールユニットの一例を示すブロック構成図である。
第８図は、モータ駆動回路の一例を示す結線図である。

本発明ではサンプリング周期の遅い第２微分補償器を新たに追加することによって、周期の遅いトルク変動に対しノイズ低減された補償値を得ることが可能になり、トルク変動を小さくすることができる。サンプリング周期が遅いと、速い操舵時には安定性を損なったり、運転者に不快な操舵トルク変動を感じさせてしまう恐れがある。このため、本発明では操舵速度が予め設定された値よりも大きい場合には、第２微分補償器の出力を０又は安定性が損なわれない程度あるいは不快な操舵トルク変動を起こさない程度の値（以下、所定値という）以下の値、例えば操舵トルク変動０．３Ｎｍに相当する補償電流制限値以下の値で制限する。また、トルクの変動の大きさは電流値が小さいほど小さくなるため、トルクの変動が問題にならない電流値よりも電流指令値又は操舵補助指令値が小さい場合には、第２微分補償器の出力を０又は前記所定値以下の値で制限する。
更に、電流指令値又は操舵補助指令値に応じて補償量が大きくなるように調整することで、より効果的に補償することができる。車速が比較的速い場合は、必要とする電流が小さくトルク変動も小さくなるので、本発明では車速が予め設定された値よりも大きい場合には、第２微分補償器の出力を０又は前記所定値以下の値で制限する。
以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は本発明の第１実施例を示しており、トルクセンサ（図示せず）からの操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部１００に入力されると共に、第１微分補償器１１０の微分器１１１及び第２微分補償器１２０の微分器１２１に入力される。操舵補助指令値演算部１００で演算された操舵補助指令値Ｉは第２微分補償器１２０に入力されると共に、位相補償器１０１で位相補償され、位相補償された操舵補助指令値Ｉａは加算器１０２に入力され、補償部１３０からの補償信号ＣＭと加算され、その加算結果（Ｉａ＋ＣＭ）が更に加算器１０３に入力される。また、第２微分補償器１２０には操舵速度ω及び車速Ｖが入力されている。なお、操舵速度ωは、モータの角度センサ或いはステアリングシャフトに設けられた角度センサ、或いはモータの端子電圧、端子電流を用いて推定した速度であっても良い。
第１微分補償器１１０は微分器１１１及びゲイン部１１２で構成され、操舵トルクＴの微分補償信号Ｄ１が加算器１０３に入力されている。第１微分補償器１１０のサンプリング周期は“Ｎ”［ｍｓｅｃ］となっている。また、第２微分補償器１２０は微分器１２１、条件判定部１２２及びゲイン部１２３で構成され、操舵トルクＴの微分補償信号Ｄ２が加算器１０３に入力されている。第２微分補償器１２０のサンプリング周期は“Ｍ”（＞Ｎ）［ｍｓｅｃ］となっており、第１微分補償器１１０のサンプリング周期Ｎよりも遅くなっている。条件判定部１２２は操舵速度ω、操舵補助指令値Ｉ及び車速Ｖに基づいて条件判定し、その判定が真の場合は入力値Ｄ３をそのまま出力し、判定が偽の場合は出力を“０”とする。条件判定部１２２の出力はゲイン部１２３でゲイン倍されて補償信号Ｄ２となる。更に、補償部１３０は収れん性補償器１３１及び慣性補償器１３２を有し、収れん性補償器１３１及び慣性補償器１３２の各出力は加算器１３３で加算され、加算結果が補償信号ＣＭとして加算器１０２に入力される。加算器１０３の加算結果が電流指令値として、前述した比例積分等の制御部に入力されてモータが制御される。
なお、位相補償器１０１は操舵補助指令値演算部１００の前段に設けられていても良く、操舵補助指令値演算部１００は操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいて操舵補助指令値Ｉを演算することも可能である。
このような構成において、その動作を以下に説明する。
操舵補助指令値演算部１００は入力された操舵トルクＴに従って操舵補助指令値Ｉを例えば第２図に示すような特性で演算し、位相補償器１０１は操舵系の安定性を高めるために操舵補助指令値Ｉの位相補償を行う。第１図では操舵トルクＴに基づいて操舵補助指令値Ｉを演算しているが、車速Ｖをパラメータとして演算しても良い。
また、操舵トルクＴは、第１微分補償器１１０においてサンプリング周期Ｎで微分補償されて加算器１０３に入力される。第１微分補償器１１０は高周波帯域での応答性を保ち、モータの摩擦や慣性の影響を補償する。即ち、第１微分補償器１１０はアシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的としており、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルクＴの微分に比例した微分補償信号Ｄ１を、制御系の応答性を高めるために加算している。このように操舵トルクＴを微分した微分補償信号Ｄ１をアシスト量に加算しているため、特開２０００−９５１３１号公報に記載のようにハンドル戻り時、つまり操舵角が減少するときに負のゲインを適用することになり、アシスト量（操舵補助指令値）の急激な減少を防ぎ、結果として高トルク域では大きなヒステリシス特性を、中立点近傍の低トルク域では小さなヒステリシス特性を与えることになる。
更に、補償部１３０の収れん性補償器１３１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、慣性補償器１３２はモータの慣性により発生する力相当分をアシストするものであり、慣性感又は制御の応答性の悪化を防止する。補償部１３０からの補償信号ＣＭは、加算器１０２で操舵補助指令値Ｉａと加算される。なお、補償部１３０には他に、ＳＡＴ（セルファライニングトルク）の補償部を設けても良い。
一方、第２微分補償器１２０は操舵トルクＴを微分器１２１で微分した微分信号Ｄ３を、条件判定部１２２の判定結果に従ってゲイン部１２３でゲイン調整し、ゲイン調整された信号を微分補償信号Ｄ２として加算器１０３に加算する。条件判定部１２２は、第３図に示すフローチャートに従って判定する。即ち、先ず操舵速度ωが予め設定された値Ｘ以下か否かを判定し（ステップＳ１）、操舵速度ωがＸ以下の場合には更に操舵補助指令値Ｉが予め設定された値Ｙ以上か否かを判定し（ステップＳ２）、操舵補助指令値ＩがＹ以上の場合には更に車速Ｖが予め設定された値Ｚ以下か否かを判定し（ステップＳ３）、車速ＶがＺ以下の場合には入力値Ｄ３を出力する（ステップＳ４）。また、上記ステップＳ１で操舵速度ωがＸよりも大きい場合、上記ステップＳ２で操舵補助指令値ＩがＹよりも小さい場合、上記ステップＳ３で車速ＶがＺよりも大きい場合には“０”を出力する（ステップＳ５）。
なお、上記ステップＳ１〜Ｓ３の順番等は任意であり、結果的に操舵速度ω、操舵補助指令値Ｉ及び車速Ｖ、若しくはそれらの１つ或いはそれの組合わせの比較を実行できれば良い。また、上述ではステップＳ５において出力を“０”としているが、“０”に近い所定値以下の値で制限しても良い。更に、第１微分補償器１１１、及び第２微分補償器１２０の入力部に、ノイズ除去又はエリアシング除去のためのフィルタを設けても良い。
このように本発明では、第１微分補償器１１０のサンプリング周期よりも遅い第２微分補償器１２０を設けているので、周期の遅いトルク変動に対してノイズ低減された補償値を得ることが可能であり、トルク変動の影響を小さくすることができる。第２微分補償器１２０のサンプリング周期が遅いと、速い操舵時には安定性を損なう恐れがあるため、操舵速度ωが予め設定された値（Ｘ）よりも大きい場合には、第２微分補償器１２０の出力である微分補償信号Ｄ２を“０”（又は所定値以下の値）で制限するようにしている。また、操舵トルクＴの変動の大きさは電流値が小さいほど小さくなるため、トルク変動が問題にならない電流値（Ｙ）よりも操舵補助指令値Ｉ（又は電流指令値）が小さい場合には、第２微分補償器１２０の出力である微分補償信号Ｄ２を“０”（又は所定値以下の値）で制限するようにしている。本発明では車速Ｖが比較的速い場合は、必要とする電流が小さくトルク変動も小さくなることを利用し、車速Ｖが予め設定された値（Ｚ）よりも大きい場合には、第２微分補償器１２０の出力である微分補償信号Ｄ２を“０”（又は所定値以下の値）で制限するようにしている。
次に、本発明の第２実施例を第４図に示して説明する。第４図は第１図に対応しており、同一部には同一符号を付して説明を省略する。
第２実施例ではゲイン部１２３Ａのゲインを操舵補助指令値Ｉに応じて可変するようにしている。即ち、操舵補助指令値Ｉ（又は電流指令値）に応じて補償量が大きくなるように調整すると、より効果的に補償することができるので、例えば第５図に示すような特性でゲイン部１２３Ａのゲインを変える。これにより、より効果的な補償を実現することができる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、アシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的として、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルクの微分に比例した値を、応答性を高めるために加算している。このため、操舵角が減少するときに負のゲインを適用することにより、アシスト量（操舵補助指令値）の急激な減少を防ぎ、高性能な制御が可能となる。
また、本発明によれば、サンプリング周期の遅い第２の微分補償器を追加して操舵トルクの補償を行っているので、周期の遅いトルク変動を小さくすることができ、一層滑らかな操舵フィーリングを得ることができ、ドライバに不快感や違和感を与えることのない高性能な電動パワーステアリング装置に応用可能である。

Claims (6)

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、操舵トルクを入力する第１微分補償器及び第２微分補償器を設け、前記第２微分補償器のサンプリング周期が前記第１微分補償器のサンプリング周期よりも遅く、前記第１微分補償器及び第２微分補償器の出力を前記操舵補助指令値に加算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。
2. 操舵速度の絶対値が予め設定された値よりも大きい場合は、前記第２微分補償器の出力を０又は所定値以下の値で制限するようになっている請求の範囲第１項に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記電流制御値の絶対値又は前記操舵補助指令値の絶対値が予め設定された値よりも小さい場合は、前記第２微分補償器の出力を０又は所定値以下の値で制限するようになっている請求の範囲第１項又は第２項に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
4. 車速が予め設定された値よりも大きい場合は、前記第２微分補償器の出力を０又は所定値以下の値で制限するようになっている請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
5. 前記第２微分補償器の出力を前記電流制御値又は操舵補助指令値に応じて可変させるようになっている請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
6. 前記第２微分補償器の入力にノイズ除去又はエリアシング除去のためのフィルタ処理を行うようになっている請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか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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