JP4969410B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される電動パワーステアリング装置に関する。

従来、この種の電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳという）の制御系は、概略図３に示すように構成され、ドライバのステアリングの操作をモータ（直流モータ）１の回転駆動によってアシストする。

すなわち、ドライバのステアリングの操作トルクをトルクセンサ２により検出し、その検出トルクをＡ／Ｄ変換してマイクロコンピュータ構成の制御ＥＣＵ３Ａの電流目標値設定器４に入力する。なお、前記検出トルクはその力の方向（正、逆）の情報を含む。

電流目標値設定器４は、例えばトルクセンサ２の検出トルクに対するモータ１の駆動電流の目標値の特性マップ又は演算式を保持し、入力された検出トルクに応じたモータ１の駆動電流の目標値Ｉｒのデータを減算器５に出力する。

減算器５は目標値Ｉｒと後述する駆動電流の検出値Ｉｘとの誤差ΔＩｒｘ（＝Ｉｒ−Ｉｘ）を演算し、誤差ΔＩｒｘのデータを制御器６に出力する。

制御器６はモータ１の駆動電流制御器を形成し、誤差ΔＩｒｘに周知のＰＩ制御又はＰＩＤ制御）を施し（Ｐは比例、Ｉは積分、Ｄは微分）、フィードバック制御の操作量として、検出値Ｉｘを目標値Ｉｒに制御するモータ１の駆動電圧値を求め、この駆動電圧値に対応する電圧制御出力として、例えばＰＷＭ制御の制御出力を形成し、この制御出力を駆動ＥＣＵ７のモータ駆動回路８に出力する。

モータ駆動回路８は例えば図４に示すように、１対の電源端ａ、ｂ間に、一方の２ブリッジ辺８ａ、８ｂの直列回路と、他方の２ブリッジ辺８ｃ、８ｄの直列回路とを並列接続し、各ブリッジ辺８ａ〜８ｄに半導体スイッチＱ１〜Ｑ４を設けて、いわゆるフルブリッジに形成される。

なお、各半導体スイッチＱ１〜Ｑ４は電力用ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、電力用トランジスタ等からなり、それぞれ放電路用のダイオードＤ１〜Ｄ４が逆並列に接続される。

また、モータ１の一端はブリッジ辺８ａ、８ｂの接続点αに接続され、モータ１の他端は２ブリッジ辺８ｃ、８ｄの接続点βに接続される。

そして、前記制御出力は各ブリッジ辺８ａ〜８ｄの半導体スイッチＱ１〜Ｑ４の制御端子（ゲート端子）にパルス入力される４相出力であり、それらのハイレベル、ローレベルに基づく半導体スイッチＱ１〜Ｑ４のオン、オフの組み合わせにより、モータ１に印加される駆動電圧が操作されて可変制御される。

このとき、対向する２ブリッジ辺８ａ、８ｄの半導体スイッチＱ１、Ｑ４が同時にオンすると、前記駆動電圧に応じた図４の矢印線ｉａに示す向きの駆動電流がモータ１を通流してモータ１が正回転駆動される。

また、対向する２ブリッジ辺８ｂ、８ｃの半導体スイッチＱ２、Ｑ３が同時にオンすると、前記駆動電圧に応じた図４の矢印線ｉｂに示す向きの駆動電流がモータ１を通流してモータ１が逆回転駆動される。

つぎに、モータ１を通流する駆動電流（モータ電流）は、例えば図４の抵抗Ｒが形成する図３のモータ電流検出器９により検出され、その検出出力が制御ＥＣＵ３ＡのＡ／Ｄ変換器１０により駆動電流の検出値Ｉｘのデータに変換され、この検出値Ｉｘのデータが減算器５に供給される。なお、実際にはＡ／Ｄ変換器１０の後段に符号付加器が設けられ、この符号付加器によって制御器６の出力と検出値Ｉｘとの関係からモータ１の回転の正逆が検出され、Ａ／Ｄ変換器１０の出力がモータ１の回転方向に応じて正、負の極性になるが、図３では説明を簡単にするため、符号付加器等は省略している。

上記構成のＥＰＳは、減算器５から、制御器６、モータ駆動回路８、モータ１、モータ電流検出器９、Ａ／Ｄ変換器１０を介して減算器５に戻る閉ループのデジタルのフィードバック制御により、ステアリングの操作トルクに応じたモータ１の駆動電流の目標値Ｉｒと、モータ１の駆動電流（制御量）の検出値Ｉｘとの誤差ΔＩｒｘに基づいて、フィードバック制御の制御量である前記駆動電流を目標値Ｉｒに引き込む。

その際、モータ１の駆動電圧（フィードバック制御の操作量）を設定するＰＷＭ制御の制御出力は、制御ＥＣＵ３Ａにプログラム設定された５０μｓ程度のＰＷＭ制御の微小な単位周期τ毎に更新してもよいが、制御系全体の追従性等を考慮し、実用的には、例えば１０単位周期１０×τ（５００μｓ）の制御周期毎に目標値Ｉｒ、検出値Ｉｘを読み込んで制御出力が更新される。

ところで、この種のＥＰＳにおいては、図３に示すように、モータ電流検出器９から減算器５に至るフィードバック制御の帰還路１１に破線で示す減衰手段（位相遅れ回路又は、ローパスフイルタからなる）１２ａを設け、前記帰還路に混入した外来のノイズｎａを低減し、電動パワーステアリングの品質（ステアリングの操作フィーリング）を高めること及び、電流目標値設定器４から制御器６に至る経路にも破線に示す同様の減衰手段１２ｂを設け、その経路に混入した外来のノイズｎｂを低減し、電動パワーステアリングの品質を高めることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、減衰手段１２ａを設けた場合、モータ電流検出器９から出力される前記帰還路の検出値Ｉｘに混入した外来のノイズｎａについては、減衰手段１２ａの位相遅れやローパスフイルタの積分処理によってノイズｎａが低減されることにより、減算器５の誤差ΔＩｒｘ及び、制御器６からモータ駆動回路８に出力される制御出力のノイズｎａによる変動が防止され、フィードバック制御の乱れ等が抑制される。

また、減衰手段１２ｂを設けた場合も、減衰手段１２ｂの位相遅れやローパスフイルタの積分処理によって電流目標値設定器４の目標値Ｉｒに混入（重畳）した外来の高周波のノイズｎｂが低減されることにより、フィードバック制御の乱れ等が抑制される。

特開平７−３２９７９９号公報（特許請求の範囲、段落［００２７］−［００４８］、図１、図２、図３、図４）

この種のＥＰＳに図３の減衰手段１２ａ、１２ｂを設けた場合、ステアリングの操作によって制御電流目標値設定器４の目標値Ｉｒが前回値から変化し、この変化に伴って前記ＰＷＭ制御の制御出力が変化するときには、この制御出力の変動に基づく検出値Ｉｘの変動が減衰手段１２ａの前記積分処理によって抑えられるため、モータの駆動電流（検出値Ｉｘ）が目標値Ｉｒに引き込まれて安定するまでのフィードバック制御の変動が長引き、その間、ステアリングが微振動してその操作フィーリングが悪くなる。

また、減衰手段１２ｂを設けた場合も、ステアリング操作による電流目標値設定器４の目標値Ｉｒの変化が減衰手段１２ｂの前記積分処理によって抑えられるため、モータの駆動電流が目標値Ｉｒに引き込まれて安定するまでのフィードバック制御の変動が長引き、その間、ステアリングが微振動してその操作フィーリングが悪くなる。

すなわち、減衰手段１２ａ、１２ｂを設けた場合、ステアリングの操作によって毎制御周期の電流目標値設定器４の目標値Ｉｒが前回値から変化し、モータ１の駆動電圧（フィードバック制御の操作量）を設定するＰＷＭ制御の制御出力が変化してフィードバック制御の制御量であるモータの駆動電流が変動すると、減衰手段１２ａ、１２ｂの前記積分処理によってフィードバック制御の前記制御量又は前記操作量の本来の変化が抑えられ、モータの駆動電流（検出値Ｉｘ）が目標値Ｉｒに引き込まれて安定するまでのフィードバック制御の変動が長引き、その間、ステアリングが微振動してその操作フィーリングが悪くなり、ＥＰＳのステアリング操作性能が却って低下する問題がある。なお、ステアリングが微振動してその操作フィーリングが悪くなる現象は、操作トルクの変化が大きくない通常の緩やかなステアリング操作において顕著である。

そして、ノイズｎａ、ｎｂは、いわゆるシールド対策を講じて混入を低減することができるので、減衰手段１２ａ、１２ｂについては省くことが可能である。

しかしながら、電流目標値設定器４の目標値（前記フィードバック制御の目標値）Ｉｒが前回値から変化したときの駆動電流の変化に伴うフィードバック制御の変動は、減衰手段１２ａ、１２ｂを省き、シールド対策を講じたとても、運転中に必ず出現し、ステアリングの微振動が生じる。

そのため、この種のＥＰＳにおいては、電流目標値設定器４の目標値Ｉｒの変化により前記ステアリングの微振動が発生して操作フィーリングが悪くなり、ステアリング操作性能が低下する現象を、どのように改善するかが重要である。このことは、モータ１の駆動電圧（フィードバック制御の操作量）をＰＷＭ制御方式以外の制御方式で制御する場合も同様である。

本発明は、ステアリングの操作トルクに応じてモータの駆動電流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、駆動電流の目標値が変化したときのステアリングの微振動を極力防止し、ステアリングの操作フィーリングの向上を図ることを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明のＥＰＳは、ステアリングの操作をアシストするモータと、該モータを通電駆動する駆動部と、該駆動部を制御する制御部とを備え、該制御部により、前記ステアリングの操作トルクに応じた前記モータの駆動電流の目標値と、前記モータの駆動電流の検出値との誤差に基づいて、前記駆動電流をフィードバック制御するＥＰＳにおいて、前記制御部に、前記検出値を微分する微分手段と、前記検出値に前記微分手段の微分値を加算する加算手段と、前記目標値と前記加算手段の加算値との誤差を演算する誤差演算手段とを設け、前記制御部により、前記目標値と前記加算手段の加算値との誤差に基づいて、前記駆動電流をフィードバック制御するようにしたことを特徴としている（請求項１）。

また、本発明のＥＰＳは、前記微分手段の後段に、前記微分値の過大成分を抑制するローパスフイルタを設けたことを特徴としている（請求項２）。

請求項１の本発明のＥＰＳの場合、ステアリングの操作トルクに応じて前記駆動電流の目標値が変化し、モータの駆動電圧（フィードバック制御の操作量）を設定するモータ駆動の制御出力（例えば前記ＰＷＭ制御の制御出力）が変化してモータの駆動電流（フィードバック制御の制御量）が変化すると、その変化が微分手段の微分によって増幅され、微分値として微分手段から出力される。

そして、前記駆動電流の検出値と前記微分手段の微分値とが加算手段によって加算され、前記駆動電流の検出値に代えて前記加算手段の加算値が誤差演算手段に帰還入力される。

さらに、フィードバック制御される駆動電流の目標値と帰還入力された前記加算手段の加算値との誤差に基づく前記モータ駆動の制御出力の変化が、前記フィードバック制御の目標値と前記駆動電流の検出値との誤差に基づく変化より大きくなり、制御出力によってモータの駆動電流が迅速に目標値に引き込まれ、フィードバック制御が極めて短時間に安定する。

そのため、駆動電流の目標値が変化したときのフィードバック制御の変動に伴うステアリングの微振動の発生が防止され、ステアリングの操作フィーリングが向上してステアリングの操作性能を高めることができる。

また、請求項２の本発明のＥＰＳの場合、前記微分手段の後段に設けたローパスフィルタの積分処理により前記微分手段の微分値が一定の大きさで飽和し、前記微分値が極端に過大になって正常なフィードバック制御が行なえなくなる事態の発生を防止することができ、一層実用的な構成でステアリングの操作フィーリングを向上し、この種のＥＰＳのステアリング操作性能を高めることができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、その一実施形態について、図１及び図２にしたがって詳述する。

図１は車両に搭載されたＥＰＳのモータ駆動電流制御のブロック図、図２は図１の伝達特性の一例を示す。

（構成）
そして、図１において図３と同一符号は同一のものを示し、図１のＥＰＳが図３の従来のＥＰＳと異なる点は、図３の制御ＥＣＵ３Ａに代えて、本発明の制御部を形成するマイクロコンピュータ構成の制御ＥＣＵ３Ｂを備えた点である。

この制御ＥＣＵ３Ｂが図３の制御ＥＣＵ３Ａと異なる点は、Ａ／Ｄ変換器１０から減算器５に至るフィードバック制御の本来の帰還路１１にＡ／Ｄ変換器１０側から順にロ−パスフィルタ（以下、ＬＰＦという）１３、加算器１４を設け、帰還路１１のＡ／Ｄ変換器１０から分岐して加算器１３に至る第２の帰還路１５にＡ／Ｄ変換器１０側から順に微分器１６、ＬＰＦ１７、リミッタ１８を設けた点である。

なお、制御ＥＣＵ３Ｂには、図３の破線の減衰手段１２ａ、１２ｂは設けられていない。また、制御ＥＣＵ３Ｂ内の各部は実際にはマイクロコンピュータのソフトウエア処理によって実現され、制御ＥＣＵ３Ｂはデジタル処理によってモータ１の駆動電流をフィードバック制御する。

そして、減算器５は本発明の誤差演算手段、微分器１６は本発明の微分手段である。また、加算器１４は本発明の加算手段であり、ＬＰＦ１７は微分値の過大成分を抑制する本発明のＬＰＦである。

（動作）
図１のＥＰＳは、トルクセンサ２の検出トルク力をＡ／Ｄ変換して電流目標値設定器４に入力し、この電流目標値設定器４は検出トルク力に応じたモータ１の駆動電流の目標値Ｉｒのデータを減算器５に出力する。

減算器５は目標値Ｉｒと加算器１３の出力Ｉｚとの誤差ΔＩｒｚ（＝Ｉｒ−Ｉｚ）を演算し、誤差ΔＩｒｚのデータを制御器６に出力する。

制御器６はモータ１の電流制御部を形成し、誤差ΔＩｒｚに周知のＰＩ制御（又はＰＩＤ制御）を施し、フィードバック制御の操作量として、出力Ｉｒｚを目標値Ｉｒに制御するモータ１の駆動電圧値を求め、この駆動電圧値に対応するモータ１の電圧制御出力としてのＰＷＭ制御の制御出力を形成し、この制御出力を駆動ＥＣＵ７のモータ駆動回路８に出力する。

モータ駆動回路８は図４に示した半導体スイッチＱ１〜Ｑ４のフルブリッジに形成され、前記制御出力に基づく各ブリッジ辺８ａ〜８ｄの半導体スイッチＱ１〜Ｑ４のオン、オフの組み合わせにより、モータ１に印加される駆動電圧が操作されて可変制御される。

さらに、モータ１を通流する駆動電流（モータ電流）はモータ電流検出器９により検出され、その検出出力がＡ／Ｄ変換器１０により駆動電流の検出値Ｉｘのデータに変換される。

そして、検出値Ｉｘのデータは、ＬＰＦ１３を介して加算器１４の一方の入力端子に供給されるとともに、微分器１６、ＬＰＦ１７、リミッタ１８を介して加算器１４の他方の入力端子に供給される。

なお、実際にはＡ／Ｄ変換器１０の後段に符号付加器が設けられ、この符号付加器によって制御器６の出力と検出値Ｉｘとの関係からモータ１の回転の正逆が検出され、Ａ／Ｄ変換器１０の出力はモータ１の回転方向に応じて正、負の極性になるが、図１では説明を簡単にするため、符号付加器等は省略している。

そして、微分器１６はＡ／Ｄ変換器１０のデジタル出力の検出値Ｉｘを微分し、検出値Ｉｘが変動すると、微分器１５の出力は大きく変化する。そのため、微分器１６は検出値Ｉｘの変動を増幅し、増幅結果の微分値をＬＰＦ１７に出力する。

ＬＰＦ１７は一定値以上の過大な微分値に対して出力が一定レベルに飽和する特性であり、微分器１６の微分値の過大成分を抑制し、制御ＥＣＵ３Ｂのフィードバック制御が過入力の異常な状態になるのを防止する。

ＬＰＦ１７を介した前記微分値の出力は、制御ＥＣＵ３Ｂのフィードバック制御の安定性等を一層向上するため、リミッタ１８により設定された上限値より大きい成分がカットされ、上限値以下に制限されて加算器１４に入力される。

一方、ＬＰＦ１３はＬＰＦ１７と同じ特性であり、Ａ／Ｄ変換器１０のデジタル出力の検出値ＩｘにＬＰＦ１７と同様に作用し、ＬＰＦ１３を介して加算器１４に入力される検出値Ｉｘと、リミッタ１８から加算器１４に入力される前記微分値との位相等の整合を取る。

そして、加算器１４は、ＬＰＦ１３を介して入力されたＡ／Ｄ変換器１０の検出値Ｉｘと、ＬＰＦ１７、リミッタ１８を介して入力された微分器１６の微分値（すなわち、検出値Ｉｘの微分値）とを加算する。

そして、加算器１４の加算値Ｉｚが検出値Ｉｘの代わりに減算器５に帰還入力され、減算器５は上述したように、電流目標値設定器４の目標値Ｉｒと帰還入力された加算値Ｉｚとの誤差ΔＩｒｚを制御器６に出力し、制御器６は誤差ΔＩｒｚに応じた前記ＰＷＭ制御の制御出力をモータ駆動回路８に出力し、モータ１の駆動電圧を誤差ΔＩｒｚにしたがって操作し、モータ１の駆動電流をフィードバック制御によって目標値Ｉｒに引き込む。

このとき、加算値Ｉｚは検出値Ｉｘの変動を前記微分値の加算によって増幅（強調）した値であり、誤差ΔＩｒｚは検出値Ｉｘの変動を実際より大きくして形成される。

そのため、例えば前記した１０×τ（５００μｓ）の制御周期毎に、目標値Ｉｒ、検出値Ｉｘを読み込んでＰＷＭ制御の制御出力を更新する場合、運転中の穏やかなステアリング操作で操作トルクが変化し、この操作トルクの変化に基づき毎制御周期の駆動電流の目標値Ｉｒが前回値から変化してＰＷＭ制御の制御出力が変化し、モータ１の駆動電流の検出値Ｉｘが変動すると、検出値Ｉｘの変動を増幅して実際より大きくして形成された誤差ΔＩｒにより、ＰＷＭ制御の制御出力が大きく変化してモータ１の駆動電流が迅速に目標値Ｉｘに引き込まれ、フィードバック制御が極めて短時間に安定する。

したがって、駆動電流の変化に伴うステアリングの微振動の発生が防止され、とくに通常運転中の穏やかなステアリングの操作に対する操作フィーリングが向上し、ステアリング操作性能を高めることができる。

そして、微分器１６による補償を付加した図１の本実施形態のＥＰＳと、本実施形態のＥＰＳからＬＰＦ１３、１７、加算器１４、微分器１６、リミッタ１８を省いた補償無しのＥＰＳと、この補償無しのＥＰＳに図３の減衰手段１２ａを付加したＥＰＳとについて、モータ駆動回路８の制御出力にノイズを加えて検出値Ｉｘを観測し、フィードバック制御系の応答をシミュレーションしたところ、図２の伝達特性が得られた。同図において、実線が本実施形態のＥＰＳの伝達特性、破線が補償無しのＥＰＳの伝達特性、１点鎖線が減衰手段１２ａを付加したＥＰＳの伝達特性である。

図２からも明らかなように、微分器１６による補償を付加した本実施形態のＥＰＳはノイズによる変動が最も抑えられて小さくなる。なお、減衰手段１２ａを付加したＥＰＳは、減衰手段１２ａを付加した分、補償無しのＥＰＳよりノイズによる駆動電流の変動が大きくなる。

そして、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

例えば、構成の簡素化等を図る場合、リミッタ１８を省いてよく、場合によっては、ＬＰＦ１３、１７も省いてよい。

また、微分器１６、ＬＰＦ１３、１７等の構成はどのようであってもよく、モータ駆動回路８の構成やその駆動方式もどのようであってもよい。さらに、モータ１の制御周期は実施形態に限られるものではない。そして、制御ＥＣＵ３Ｂの各部をハードウエアで形成してもよいのは勿論である。

つぎに、前記実施形態においてはデジタルのフィードバック制御を行なうＥＳＰに適用したが、本発明はアナログのフィードバック制御を行なうＥＳＰに適用することも可能でる。

そして、本発明は、種々の車両のＥＰＳに適用することができる。

この発明の一実施形態のブロック図である。 図１の伝達特性の説明図である。 従来例のブロック図である。 図３のモータ駆動回路の結線図である。

符号の説明

１ モータ
３Ｂ 制御ＥＣＵ
５ 減算器
１４ 加算器
１６ 微分器
１７ ＬＰＦ
Ｉｒ 目標値
Ｉｘ 検出値
Ｉｚ 加算値

Claims (2)

1. ステアリングの操作をアシストするモータと、該モータを通電駆動する駆動部と、該駆動部を制御する制御部とを備え、該制御部により、前記ステアリングの操作トルクに応じた前記モータの駆動電流の目標値と、前記モータの駆動電流の検出値との誤差に基づいて、前記駆動電流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、
   前記制御部に、
   前記検出値を微分する微分手段と、
   前記検出値に前記微分手段の微分値を加算する加算手段と、
   前記目標値と前記加算手段の加算値との誤差を演算する誤差演算手段とを設け、
   前記制御部により、前記目標値と前記加算手段の加算値との誤差に基づいて、前記駆動電流をフィードバック制御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装置。
2. 請求項１記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記微分手段の後段に、前記微分値の過大成分を抑制するローパスフイルタを設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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