JP4872378B2 - 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の駆動によって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、特にラックエンド時のヒッティングノイズの低減を図った高性能な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（アシスト）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（操舵補助力）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。

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５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からイグニションキー信号が入力され、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値Ｔと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいて、アシストマップ等を用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に基づいてモータ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（又はＭＰＵやＭＣＵ）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６のようになっている。

図６を参照し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及び車速センサ１２からの車速Ｖは、操舵補助指令値演算部３１に入力されて基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆａが演算される。車速Ｖは、更に収れん性制御部３４及び慣性補償部３５に入力される。操舵補助指令値演算部３１で演算された基本操舵補助指令値Ｉｒｅｆａは操舵系の安定性を高めるための位相補償部３２で位相補償され、位相補償された操舵補助指令値Ｉｒｅｆｂが加算部３９Ａに入力される。また、操舵トルクＴは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部３３に入力され、微分補償された操舵トルクＴｄは加算部３９Ａに入力され、収れん性制御部３４及び慣性補償部３５で演算された補償信号ＣＭも加算部３９Ａに入力される。加算部３９Ａは操舵補助指令値Ｉｒｅｆｂ、操舵トルクＴｄ及び補償信号ＣＭを加算し、その加算結果である操舵補助指令値Ｉｒｅｆｃ（＝Ｉｒｅｆｂ＋Ｔｄ＋ＣＭ）を減算部３９Ｂに入力する。
減算部３９Ｂでは、操舵補助指令値Ｉｒｅｆｃとフィードバックされているモータ電流Ｉｍとの偏差（Ｉｒｅｆｃ−Ｉｍ）を求める。偏差（Ｉｒｅｆｃ−Ｉｍ）はＰＩ制御部３６でＰＩ制御され、更にＰＷＭ制御部３７に入力されてデューティを演算され、インバータ３８を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値Ｉｍはモータ電流検出部２１で検出され、減算部３９Ｂに入力されてフィードバックされる。また、モータ２０には回転角検出部２２が設けられており、回転角検出部２２の出力が角速度演算部２３に入力され、演算された角速度（操舵速度）ωは収れん性制御部３４に入力されると共に、角加速度演算部２４に入力されて角加速度＊ωが演算される。角加速度＊ωは慣性補償部３５に入力される。

なお、操舵補助指令値演算部３１は図７に示すように、車速Ｖをパラメータとして、操舵トルクＴに応じた操舵補助指令値Ｉｒｅｆａを演算して出力する。また、収れん性制御部３４は車速Ｖとモータ角速度によって制御され、慣性補償部３５は車速Ｖとモータ角加速度によって慣性補償信号を演算している。

このような電動パワーステアリング装置において、ラックエンド突き当て時においてはヒッティングノイズが発生し、騒音が運転者に不快感を与えるためにその低減化が問題となっている。即ち、ステアリング機構は、舵取り用車輪の転舵角が予め定めた最大転舵角に達すると、それ以上に舵取り用車輪を転舵できない構成になっている。それにも拘わらず、従来のパワーステアリング装置では、舵取り用車輪が最大転舵角付近まで転舵されていても、操向ハンドルに加えられる操舵トルクが大きければ大きな操舵補助力がステアリング機構に与えられるため、舵取り用車輪の転舵が規制される時の衝撃が大きく、運転者に不快感を与えるという問題があった。また、舵取り用車輪の転舵が規制される時の衝撃が大きいと、ステアリング機構を構成している部品の破損などを生じる恐れもある。

かかるラックエンドにおけるヒッティングノイズを低減する装置として、特開２００２−１９３１２０号公報（特許文献１）に開示された装置がある。特許文献１に記載の装置は、ステアリング中立状態が検出されてからハンドルに加えられた操舵トルクをトルク積算部で積算し、トルク積算部で積算された積算値が所定範囲外であれば、舵取り用車輪が最大転舵角付近まで転舵されていると判断し、アシスト制限電流設定部においてアシスト制限電流を設定し、アシスト電流設定部で定められたアシスト電流からアシスト制限電流を減算することによってモータ指令電流を決定し、このモータ指令電流に基づいてモータを駆動制御している。
特開２００２−１９３１２０号公報

しかしながら、上記従来の制御装置にあっては、路面の摩擦や車両の重量を全く考慮していないので、路面状況や車両によって確実にヒッティングノイズを軽減できないという問題がある。即ち、ラックエンドで打音が発生するためには、タイヤ、車両重量、路面摩擦により決定される路面との摩擦力に打ち勝つようなアシスト力が発生しなければならないと共に、その路面摩擦力とアシスト力の差が大きければ大きいほど（路面摩擦力≦アシスト力）、ラックエンドの打音も大きくなる。このため、ある条件（車両重量や路面摩擦）でパラメータを設定しても、環境の変化によって路面摩擦力とアシスト力に差が生じた場合、ラックエンドの打音も変化する。例えば氷のように摩擦の非常に小さい路面の場合は、路面摩擦力≦アシスト力となり、打音も大きくなってしまう。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、いかなる路面状況や車両によっても確実に、ラックエンド時のヒッティングノイズを軽減することができ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。

本発明は、操舵トルクと車速に基づいて、ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータの電流指令値を演算し、フィードバック制御で前記モータを駆動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、車速に応じたゲインＧ１を出力する車速感応ゲインテーブルと、操舵速度に応じたゲインＧ２を出力する操舵速度感応ゲインテーブルと、操舵角に応じたゲインＧ３を出力する操舵角感応ゲインテーブルと、ＳＡＴ推定値に応じたゲインＧ４を出力するＳＡＴ感応ゲインテーブルと、前記ゲインＧ１〜Ｇ４に基づいて設定ゲインを演算するゲイン演算部とを具備し、前記車速感応ゲインテーブルのゲインＧ１は、前記車速がゼロでは“１”に近い値であり、低速では低く、所定速度以上では“１”であり、前記操舵速度感応ゲインテーブルのゲインＧ２は、前記操舵速度が遅い場合は“１”に設定し、所定速度以上で減少し、前記操舵角感応ゲインテーブルのゲインＧ３はラックエンド手前までは“１”であり、所定舵角以上で減少し、前記ＳＡＴ感応ゲインテーブルのゲインＧ４は前記ＳＡＴ推定値が所定値までは負から“１”に線形的に増加する特性であり、前記所定値よりも大きい場合に“１”の特性であり、前記操舵角が設定したラックエンド近傍角以上であり、かつ前記ＳＡＴ推定値が設定値以下の場合に、前記ゲインＧ１〜Ｇ４を前記ゲイン演算部で乗算した前記設定ゲインによって前記操舵補助力を制限することにより達成される。
本発明の上記目的は、前記操舵補助力の制限を、前記モータの電流指令値に前記設定ゲインを乗算することにより行うことにより、或いは前記操舵補助力の制限を、前記モータのフィードバック制御に用いるモータ電流に前記設定ゲインを乗算することにより行うことにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、路面状況や車両重量を考慮して設定ゲインを演算しているので、いかなる路面状況や車両によっても確実に、ラックエンド時のヒッティングノイズを軽減することができる。これにより、操舵フィーリングを改善することができ、高性能な電動パワーステアリング装置を提供することができる。

本発明ではラックエンド近傍時に、操舵補助力若しくはモータを駆動する電流指令値を制限するようにしているので、ヒッティングノイズの打音を軽減することができる。また、操舵補助力若しくは電流指令値の制限を操舵角、操舵速度、車速、ＳＡＴ推定値に基づいて行っているので、どのような路面状況や車両によっても確実にヒッティングノイズを軽減することができる。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る制御装置の構成例を図６に対応させて示しており、車速Ｖ、操舵速度（角速度）ω、操舵角θ及びＳＡＴ（セルフアライニングトルク）推定値＊ＳＡＴに基づいて設定ゲインＧＳを演算するゲイン設定部４０と、操舵トルクＴに設定ゲインＧＳを乗算して操舵補助指令値演算部３１に入力する乗算部５０とを設けている。車速Ｖは車速センサ若しくはＣＡＮ(Controller Area Network)より得られ、操舵角θはモータに取り付けられた舵角センサ若しくは舵角推定より得られ、操舵速度ωはモータに取り付けられた回転角センサ若しくは操舵角θを微分して得られ、或いはモータの逆起電力より得られ、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴは、例えば特開２００２−３６９５６５号公報で示されるように操舵速度ω、操舵角速度、操舵補助力及び操舵角θより推定される。図１の例では、操舵速度ωは回転角検出部２２及び角速度演算部２３で求めている。

また、ゲイン設定部４０は図２に示す構成となっており、車速Ｖに応じたゲインＧ１を出力する車速感応ゲインテーブル４１と、操舵速度ωに応じたゲインＧ２を出力する操舵速度感応ゲインテーブル４２と、操舵角θに応じたゲインＧ３を出力する操舵角感応ゲインテーブル４３と、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴに応じたゲインＧ４を出力するＳＡＴ感応ゲインテーブル４４と、ゲインＧ１〜Ｇ４に基づいて設定ゲインＧＳを演算するゲイン演算部４５とで構成されている。

車速感応ゲインテーブル４１は、車速Ｖがゼロでは、タイヤ路面間の摩擦力が高いためゲインＧ１を“１”に近い値とし、低速では摩擦力が低くなるのでゲインＧ１を低く設定し、それより車速Ｖが大きくなると路面からの反力が大きくなるので、ゲインＧ１を“１”に設定する。操舵速度感応ゲインテーブル４２は、操舵速度ωが遅い場合はヒッティングノイズが発生しないためゲインＧ２を“１”に設定し、操舵速度ωが早いほどヒッティングノイズが発生し易いので、所定速度ωｒ以上でゲインＧ２を減少させる。また、ヒッティングノイズはラックエンドで機構が衝突する音であるため、操舵角感応ゲインテーブル４３ではラックエンド手前（操舵角θｒ）からゲインＧ３を減少させる。更にＳＡＴ感応ゲインテーブル４４はＳＡＴ推定値＊ＳＡＴが所定値Ｓｒよりも大きい場合、つまり路面とタイヤの摩擦力が大きいときはゲインＧ４を“１”に設定し、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴが小さい場合、つまり路面とタイヤの摩擦力が小さいときは負のゲインを設定し、モータを逆方向へ駆動してブレーキをかける。例えば氷上のように路面摩擦が低い条件では、ゲインを下げただけでは操舵時のエネルギーを吸収できず、ヒッティングノイズが発生するからである。

ゲイン演算部４５は、操舵角度θが設定したラックエンド近傍角θｒ以上であり、かつＳＡＴ推定値＊ＳＡＴが設定値Ｓｒ以下の場合、ゲインＧ１〜Ｇ４を乗算して、下記（１）に従って設定ゲインＧＳを求める。

ＧＳ＝Ｇ１×Ｇ２×Ｇ３×Ｇ４ ・・・（１）

このような構成において、その動作例を図３のフローチャートを参照して説明する。

先ず操舵角感応ゲインテーブル４３からゲインＧ３を読取って入力し（ステップＳ１）、ゲインＧ３が“１”であるか否かを判定し（ステップＳ２）、ゲインＧ３が“１”であれば設定ゲインＧＳを“１”に設定する（ステップＳ１０）。

上記ステップＳ２においてゲインＧ３が“１”でない場合には、ＳＡＴ感応ゲインテーブル４４からゲインＧ４を読取って入力し（ステップＳ３）、ゲインＧ４が“１”であるか否かを判定し（ステップＳ４）、ゲインＧ４が“１”であれば設定ゲインＧＳを“１”に設定する（ステップＳ１０）。

上記ステップＳ４においてゲインＧ４が“１”でない場合には、車速感応ゲインテーブル４１からゲインＧ１を読取って入力し（ステップＳ５）、更に操舵速度感応ゲインテーブル４２からゲインＧ２を読取って入力する（ステップＳ６）。このようにしてゲインＧ１〜Ｇ４が入力されると、ゲイン演算部４５は上記（１）式によって設定ゲインＧＳを求める（ステップＳ７）。

設定ゲインＧＳは乗算部５０に入力され、操舵トルクＴと乗算される。

Ｔａ＝Ｔ×ＧＳ ・・・（２）

上記（２）式で求められた操舵トルクＴａが操舵補助指令値演算部３１に入力され、前述と同様なアシストが実行される。

本発明によれば、操舵トルクＴａがゲイン設定部４０で、操舵角θ、操舵速度ω、車速Ｖ及びＳＡＴ推定値＊ＳＡＴに基づいて演算された設定ゲインＧＳで補正されているため、ラックエンド近傍において制御系ゲインを減少させて打音を低減することができる。即ち、操舵角θがラックエンド近傍で、操舵速度ωが所定速度ωｒより速い場合に、操舵トルクＴの入力値Ｔａを小さくする（モータのアシスト力が小さくなり、路面摩擦力≧アシスト力の関係となる）と共に、タイヤからの反力を推定するＳＡＴ推定値＊ＳＡＴを使用し、氷のように摩擦の低い路面の場合はＳＡＴ推定値＊ＳＡＴが小さくなることから、逆にアシストしてブレーキをかける。また、タイヤ、車両重量、路面摩擦により摩擦力が高い場合はＳＡＴ推定値＊ＳＡＴが大きくなることから、操舵トルクＴａを通常状態、つまり操舵トルクＴに戻す作用をする。

上述の実施例では、操舵トルクＴに設定ゲインＧＳを乗算することにより操舵補助力を制限しているが、操舵補助指令値Ｉｒｅｆａ，Ｉｒｅｆｂ，Ｉｒｅｆｃ，Ｉｒｅｆのいずれかに設定ゲインＧＳを乗算しても同様の効果を得ることができる。

また、図４に示すように、モータ電流検出部で検出されてフィードバックされるモータ電流値Ｉｍにゲイン１／ＧＳを乗算して、つまりモータ電流値Ｉｍを増加させても同様の効果を得ることができる。即ち、図４に示すようにゲイン設定部４０で求められた設定ゲインＧＳを変換部５２においてゲイン１／ＧＳに変換し、ゲイン１／ＧＳを乗算部５２でモータ電流値Ｉｍと乗算し、その乗算結果Ｉｍａを減算部３９Ｂにフィードバックする。設定ゲインＧＳは“１”以下であるので、Ｉｍａ≧Ｉｍとなる。

本発明に係る制御装置の構成例を示すブロック図である。 ゲイン設定部の構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 本発明に係る制御装置の他の構成例を示すブロック図である。 電動パワーステアリング装置の一般的な構成例を示す図である。 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。 操舵補助指令値演算部の演算特性の例を示す図である。

符号の説明

１ 操行ハンドル
２ コラム軸
３ 減速ギア
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１４ バッテリ
２０ モータ
２１ モータ電流検出部
２２ 回転角検出部
２３ 角速度演算部
３０ コントロールユニット
３１ 操舵補助指令値演算部
３２ 位相補償部
３３ 微分補償部
３４ 収れん性制御部
３５ 慣性補償部
３６ ＰＩ制御部
３７ ＰＷＭ制御部
３８ インバータ
４０ ゲイン設定部
４１ 車速感応ゲインテーブル
４２ 操舵速度ゲインテーブル
４３ 操舵角ゲインテーブル
４４ ＳＡＴゲインテーブル
４５ ゲイン演算部
５１ 変換部
５０、５２ 乗算部

Claims (3)

1. 操舵トルクと車速に基づいて、ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータの電流指令値を演算し、フィードバック制御で前記モータを駆動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、
   車速に応じたゲインＧ１を出力する車速感応ゲインテーブルと、操舵速度に応じたゲインＧ２を出力する操舵速度感応ゲインテーブルと、操舵角に応じたゲインＧ３を出力する操舵角感応ゲインテーブルと、ＳＡＴ推定値に応じたゲインＧ４を出力するＳＡＴ感応ゲインテーブルと、前記ゲインＧ１〜Ｇ４に基づいて設定ゲインを演算するゲイン演算部とを具備し、
   前記車速感応ゲインテーブルのゲインＧ１は、前記車速がゼロでは“１”に近い値であり、低速では低く、所定速度以上では“１”であり、前記操舵速度感応ゲインテーブルのゲインＧ２は、前記操舵速度が遅い場合は“１”に設定し、所定速度以上で減少し、前記操舵角感応ゲインテーブルのゲインＧ３はラックエンド手前までは“１”であり、所定舵角以上で減少し、前記ＳＡＴ感応ゲインテーブルのゲインＧ４は前記ＳＡＴ推定値が所定値までは負から“１”に線形的に増加する特性であり、前記所定値よりも大きい場合に“１”の特性であり、
   前記操舵角が設定したラックエンド近傍角以上であり、かつ前記ＳＡＴ推定値が設定値以下の場合に、前記ゲインＧ１〜Ｇ４を前記ゲイン演算部で乗算した前記設定ゲインによって前記操舵補助力を制限す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. 前記操舵補助力の制限を、前記モータの電流指令値に前記設定ゲインを乗算することにより行う請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記操舵補助力の制限を、前記モータのフィードバック制御に用いるモータ電流に前記設定ゲインを乗算することにより行う請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。

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