JP5028863B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両のステアリング装置をモータによる操舵補助(アシスト)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、特に演算で求めた規範セルフアライニングトルク(SAT)値に実際のSATが従うようにアシスト制御を行うことによって車両挙動を安定化させた電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。
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10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(MPUやMCU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図11のようになる。
図11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で検出された操舵トルクT及び車速センサ12で検出された車速Vは、電流指令値Irefを演算する電流指令値演算部31に入力される。電流指令値演算部31は、入力された操舵トルクT及び車速Vに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ20に供給する電流の制御目標値である電流指令値Irefを決定する。電流指令値Irefは電流制限部33に入力され、最大電流を制限された電流指令値Irefmが減算部32に入力され、フィードバックされているモータ電流値Imとの偏差I(Irefm−Im)が演算され、その偏差Iが操舵動作の特性改善のためのPI制御部35に入力される。PI制御部35で特性改善された操舵補助指令値VrefがPWM制御部36に入力され、更に駆動部としてのインバータ回路37を介してモータ20がPWM駆動される。モータ20の電流値Imはモータ電流検出器38で検出され、減算部32にフィードバックされる。なお、電流制限部33は必ずしも必要なものではない。
上述のような一般的な電動パワーステアリング装置では車両挙動を安定化させるため、特開2000−95132号公報(特許文献1)に示されるように、電動パワーステアリング装置の操舵角と車両のヨーレートの関係に基づいてヨーレートを収れんさせる収れん信号を発生することによって、車両のヨーレートに制動をかけて収れん性を確実に、しかもドライバに不快感を与えることなく行い得るようにした電動パワーステアリング装置の制御装置が提案されている。
また、特開2000−118423号公報(特許文献2)では、検出した車速と舵角からヨーレート規範モデルを用いて目標ヨーレートを演算し、演算した目標ヨーレートから目標軌跡を演算し、検出したヨーレートから演算した実軌跡との偏差に応じて操舵トルクをアシストする車両用操舵制御装置が提案されている。
特開2000−95132号公報 特開2000−118423号公報
特許文献1に記載の装置は従来のヨーレートダンピング制御であり、ヨーレートを制動によって収れんさせる制御である。そのため、外乱等によりヨーレートが低下した場合は、ヨーレートを大きくする機能を実現することできない問題がある。
また、特許文献2に記載の装置はDYC(Direct Yaw moment Control)と呼ばれる制御方式であり、実際の車両の運動が車両運動の規範モデルに従うように制御されるが、どのような規範モデルが最適かという重要ポイントが曖昧である。操舵入力(舵角)に対して車両(ヨーレート)はどのように応答すべきかという規範モデルの評価は、ドライバにとってどのような応答が望ましいかを評価・規定するものであり、定量的に定めることが難しいからである。
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、車両のSATに着目し、規範SATに実際のSATが従うようにアシスト制御を行うことによって車両挙動を安定化させ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、前記電流指令値に基づいて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、SAT推定値を検出若しくは推定するSAT推定部と、操舵角及び前記車速に基づいて規範SAT値を検出する規範SAT検出部と、前記SAT推定値及び前記規範SAT値に基づいて補正量を演算して前記電流指令値を補正する補正部とを具備し、前記SAT推定部が、モータ回転速度及び回転角加速度、前記操舵トルク及び前記電流指令値に基づいて前記SAT推定値を推定し、前記規範SAT検出部が前記操舵角に対するSAT変化率のモデルを有していることにより達成され、前記規範SAT値と前記SAT推定値の偏差を演算し、前記偏差に前記操舵トルクに応じたゲインを乗算して前記補正量を算出することにより、より効果的に達成される。
また、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、前記電流指令値に基づいて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、SAT推定値を検出若しくは推定するSAT推定部と、前記SAT推定値及び車速に基づいて規範SAT変化率を検出する規範SAT変化率検出部と、前記規範SAT変化率及び前記SAT推定値の微分値に基づいて補正量を演算して前記電流指令値を補正する補正部とを具備し、前記SAT推定部がモータ回転速度及び回転角加速度、前記操舵トルク及び前記電流指令値に基づいて前記SAT推定値を推定し、前記規範SAT変化率検出部が前記SAT推定値に対するSAT変化率のモデルを有していることにより達成され、前記規範SAT変化率と前記微分値の偏差を演算し、前記偏差に前記操舵トルクに応じたゲインを乗算して前記補正量を算出することにより、或いは前記補正部のゲインが、前記操舵トルクと前記車速に対応して変化するようになっていることにより、より効果的に達成される。
車両のヨーレートを検出して規範ヨーレートとの偏差に基づいてアシストトルクを発生させる従来の技術に対して、本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置は実際のSATが目標値に従うように制御しているので、高い応答性を得ることができる。
また、本発明によればSATは路面状況の影響を直接扱うことができるため、路面情報を反映した車両挙動の安定化制御を実現することができる。電流指令値に加算された補正値は、ラック軸に路面から入力されるSATに直接作用するため、目標SATに従わせる制御を応答性良く実施することができる。
更に、本発明によれば複雑なヨーレート規範モデルを使用することなく、シンプルなSAT変化率のモデルを使用するだけで構成することができ、SATの変化率を制御することによってSATにダンピングを与え、車両のヨーレートのダンピングを調整することができる。
本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置では車両のSATに着目し、演算で求めた規範SAT値に実際のSATが従うようにアシスト制御を行うようにしており、これによって車両挙動を安定化させることができる。
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は本発明の一実施形態を図11に対応させて示しており、トルクセンサからの操舵トルクTは電流指令値演算部31に入力されると共に、補正部50及びSAT推定部51に入力される。また、車速センサ又はCAN(Controller Area Network)からの車速Vは電流指令値演算部31に入力されると共に、規範SAT検出部52に入力される。電流指令値演算部31で演算された電流指令値IrefはSAT推定部51に入力されると共に、加算部41で補正信号CR3と加算され、求められた電流指令値Irefaが電流制限部33に入力される。
補助操舵力を発生するモータ20にはエンコーダ等の回転センサ40が取り付けられており、回転センサ40の回転信号が角速度検出部53に入力されてモータ角速度ωが検出され、モータ角速度ωは角加速度検出部56、収れん性制御部55及びSAT推定部51に入力される。角加速度検出部54で検出されたモータ角加速度*ωはSAT推定部51に入力されると共に、慣性補償部56に入力される。また、操舵角を検出する舵角センサ45からの操舵角θは、規範SAT検出部52に入力される。
規範SAT検出部52で検出された規範SAT値SATsは減算部44に加算入力され、SAT推定部51で推定されたSAT推定値SATeは減算部44に減算入力される。減算部44で求められた規範SAT値SATsとSAT推定値SATeの偏差SATdは操舵トルクTに感応する補正部50に入力され、偏差SATdに応じた補正信号CR1が補正部50から出力されて加算部43に入力される。補正信号CR1は加算部44で慣性補償部56からの慣性信号TCと加算され、加算された補正信号CR2は更に加算部42で収れん性制御部55からの収れん信号CNと加算され、加算部42からの補正信号CR3が加算部41で電流指令値Irefと加算される。
収れん性制御部55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るようになっており、慣性補償部56はモータ20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ようになっている。
ここで、路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を図2に示して説明すると、ドライバが操向ハンドルを操舵することによって操舵トルクThが発生し、その操舵トルクThに従ってモータMがアシストトルクTmを発生する。その結果、車輪が転舵され、反力としてSATが発生する。また、その際、モータMの慣性J及び摩擦(静摩擦)Frによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、下記(1)式のような運動方程式が得られる。なお、ωはモータ角速度であり、*ωはモータ角加速度である。

J・*ω+Fr・sign(ω)+SAT=Tm+Th …(1)

ここで、上記(1)式を初期値ゼロとしてラプラス変換し、SATについて解くと下記(2)式が得られる。

SAT(s)=Tm(s)+Th(s)−J・*ω(s)Fr・sign(ω(s)) …(2)

上記(2)式より、SAT推定部51には操舵トルクT、電流指令値Iref、モータ角速度ω及びモータ角加速度*ωが入力されている。SAT推定部51で推定されたSAT推定値SATeは、減算部44に減算入力される。
また、SATは図3に示すように操舵角θの増加に従って増加すると共に、車速Vの増加に従って増加するため、操舵角θ及び車速Vに基づいてSATを推定することができる。操舵角θ及び車速Vが小さい場合、力の釣合いから推定されるSATは図4の細線のようなヒステリシスを有している。このヒステリシスの幅が本発明のSATダンピング制御を実施する上で問題になる場合は、操舵角θ及び車速Vに基づいてSATを推定することが望ましい。実際のSATは操舵角θ及び車速Vの関数になるため、推定されたSATを補正するようにしても良い。
そして、規範SAT値SATsは規範SAT検出部52で操舵角θを基に車速Vをパラメータとして、下記(3)式のモデルによって演算される。ただし、c、c、c、a、aは定数であり、sはラプラス演算子である。

SATs=θ・(c・s+c・s+c)/(s+a・s+a) ・・・(3)

規範SAT検出部52で演算された規範SAT値SATsは減算部44に入力され、SAT推定値SATeとの偏差SATdが求められる。偏差SATdは補正部50に入力され、操舵トルクTに応じた補正が行われる。
図5は規範SAT検出部52、SAT推定部51及び補正部50の関係を示しており、規範SAT検出部52は車速V感応であり、補正部50は操舵トルクT感応でP(比例)制御である。
図5の詳細な構成例を図6に示して説明すると、規範SAT検出部52のモデルは、操舵角θを入力して徐々に増加し、所定値以降は徐々に減少する特性の操舵角θaを得るゲイン特性部521と、車速Vを入力して徐々に低い倍率で増加する特性の車速Vaを得るゲイン特性部522と、操舵角θa及び車速Vaを乗算する乗算部523と、乗算部523からのθa・Vaを時定数Tで積分する積分部524とで構成されている。ゲイン特性部521は操舵角θに対するSAT変化率のモデルとなっている。積分部524から規範SAT値SATsが出力される。また、補正部50は、操舵トルクTを入力して徐々に増加し、所定値以降は徐々に減少する特性の操舵トルクTaを得るゲイン特性部501と、操舵トルクTaを減算部44からの偏差SATdと乗算する乗算部502とで構成されており、乗算部502から補正信号CR1が出力される。
このような構成において、本発明の動作例を図7のフローチャートを参照して説明する。
先ず操舵トルクT及び車速Vを入力し(ステップS1)、電流指令値演算部31は電流指令値Irefを演算する(ステップS2)。次に、回転センサ40からの回転信号に基づいて角速度検出部53はモータ角速度ωを検出し、角加速度検出部54はモータ角加速度*ωを検出し(ステップS3)、舵角センサ45より操舵角θを入力する(ステップS4)。モータ角速度ω及びモータ角加速度*ωの検出と操舵角θの入力との順番は逆であっても良い。
規範SAT検出部52は操舵角θ及び車速に基づいて規範SAT値SATsを演算し(ステップS10)、SAT推定部51は操舵トルクT、電流指令値Iref、モータ角速度ω及びモータ角加速度*ωに基づいてSAT推定値SATeを推定し(ステップS11)、減算部44は規範SAT値SATsとSAT推定値SATeとの偏差SATdを算出する(ステップS12)。偏差SATdは補正部50に入力され、補正部50は比例特性で補正信号CR1を算出する(ステップS13)。なお、規範SAT値SATsの演算とSAT推定値SATeと推定順序は逆であっても良い。
一方、収れん性制御部55はモータ角速度ωに基づいて収れん信号CNを演算し、慣性補償部56はモータ角加速度*ωに基づいて慣性信号TCを演算し(ステップS14)、収れん信号CNは加算部42に、慣性信号TCは加算部43にそれぞれ加算入力され、補正信号CR1と加算されて補正信号CR3が算出される(ステップS15)。そして、補正信号CR3は加算部41で電流指令値Irefと加算されて電流指令値Irefaが算出され(ステップS16)、この電流指令値Irefaに基づいてモータ20が駆動される(ステップS20)。
上述のように、本発明の制御装置では規範SAT値とSAT推定値との偏差を演算し、偏差にゲインを乗じた補正値を算出して電流指令値に加算してモータを駆動している。電流指令値に加算された補正値はラック軸に路面から入力されるSATに直接作用するため、目標SATに追従させる制御を応答性良く実施することができる。
次に、本発明の他の実施形態を図8に示して説明する。図8は図1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。
図8の実施形態では、規範SAT変化率SATcを検出する規範SAT変化率検出部61と、SAT推定部51で推定されたSAT推定値SATeを微分する微分部62と、規範SAT変化率SATcと微分されたSAT推定値SATfの偏差を求める減算部63と、減算部63で求められた偏差SATnを車速V及び操舵トルクTの感応で補正する補正部60とを設けている。SAT推定値SATeは規範SAT変化率検出部61に入力され、規範SAT変化率検出部61はSAT推定値SATe及び車速Vに基づいて規範SAT変化率SATcを検出する。現在のSAT値(SATe)と車速Vにおける望ましい変化率が規範SAT変化率SATcである。
このように規範SAT変化率SATcに基づいてアシスト制御すると、電流指令値Irefに加算された補正値はラック軸に路面から入力されるSATの変化率に直接作用するため、SATにダンピングを与えることができる。
規範SAT変化率検出部61、微分部62及び補正部60の詳細な構成は図9に示すようになっている。即ち、規範SAT変化率検出部61のモデルは、SAT推定値SATeを入力して徐々に増加し、所定値以降は徐々に減少する特性のSAT推定値SATeaを得るゲイン特性部611と、車速Vを入力して徐々に低い倍率で増加する特性の車速Vcを得るゲイン特性部612と、SAT推定値SATea及び車速Vcを乗算する乗算部613とで構成されている。ゲイン特性部611はSAT推定値SATeに対するSAT変化率のモデルとなっている。微分部62は、伝達関数“s/(T・s+1)”となっている。また、補正部60は、操舵トルクTを入力して徐々に増加し、所定値以降は徐々に減少する特性の操舵トルクTbを得るゲイン特性部601と、車速Vを入力して、1以上のゲインで徐々に増加する特性の車速Vbを得るゲイン特性部602と、操舵トルクTb及び車速Vbを乗算する乗算部603と、乗算部603からのTb・Vbを差SATnと乗算する乗算部604とで構成されている。
このように本実施形態によれば、ヨーレート規範モデルの複雑さに対して、シンプルなSAT変化率のモデルを使用するだけで構成することができる。また、操舵角と車速に基づいてSATを推定した場合には、SAT推定値のフィードバックによってハンドル戻り特性やハンドル戻り速度を調整することが可能である。
本発明は、コラム式及びピニオン式電動パワーステアリング装置に適用できることは勿論、ラックアシスト式電動パワーステアリング装置にも適用可能である。また、上述ではSATを推定してフィードバックするSAT推定部を説明しているが、SATを直接センサで測定しても良い。
本発明の実施形態の一例を示すブロック構成図である。 SATを説明するための図である。 SATの推定を説明するための図である。 SATの推定を説明するための図である。 規範SAT検出部、SAT推定部及び補正部の関係を示すブロック図である。 図5の一実施例を示すブロック構成図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の他の例を示すブロック構成図である。 規範SAT変化率検出部及び補正部の詳細構成を示すブロック図である。 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。 電動パワーステアリング装置の制御系の一例を示すブロック図である。
符号の説明
1 操向ハンドル
10 トルクセンサ
12 車速センサ
20 モータ
30 コントロールユニット
31 電流指令値演算部
32、44、63 減算部
40 回転センサ
41〜43 加算部
45 舵角センサ
50、60 補正部
51 SAT推定部
52 規範SAT検出部
53 角速度検出部
54 角加速度検出部
55 収れん性制御部
56 慣性補償部
61 規範SAT変化率検出部
62 微分部

Claims (5)

  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、前記電流指令値に基づいて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、
    SAT推定値を検出若しくは推定するSAT推定部と、操舵角及び前記車速に基づいて規範SAT値を検出する規範SAT検出部と、前記SAT推定値及び前記規範SAT値に基づいて補正量を演算して前記電流指令値を補正する補正部とを具備し、
    前記SAT推定部が、モータ回転速度及び回転角加速度、前記操舵トルク及び前記電流指令値に基づいて前記SAT推定値を推定し、前記規範SAT検出部が前記操舵角に対するSAT変化率のモデルを有し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. 前記規範SAT値と前記SAT推定値の偏差を演算し、前記偏差に前記操舵トルクに応じたゲインを乗算して前記補正量を算出する請求項1に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
  3. 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、前記電流指令値に基づいて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、
    SAT推定値を検出若しくは推定するSAT推定部と、前記SAT推定値及び車速に基づいて規範SAT変化率を検出する規範SAT変化率検出部と、前記規範SAT変化率及び前記SAT推定値の微分値に基づいて補正量を演算して前記電流指令値を補正する補正部とを具備し、
    前記SAT推定部がモータ回転速度及び回転角加速度、前記操舵トルク及び前記電流指令値に基づいて前記SAT推定値を推定し、前記規範SAT変化率検出部が前記SAT推定値に対するSAT変化率のモデルを有し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。
  4. 前記規範SAT変化率と前記微分値の偏差を演算し、前記偏差に前記操舵トルクに応じたゲインを乗算して前記補正量を算出する請求項3に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
  5. 前記補正部のゲインが、前記操舵トルクと前記車速に対応して変化するようになっている請求項3又は4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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