JP5494628B2 - 電動パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、運転者による車両のハンドル操作をモータにて補助する電動パワーステアリング制御装置に関する。

従来、運転者によるハンドル操作により生じる操舵トルクに基づいて、ハンドルの操作を補助するためのアシスト量を演算するとともに、操舵角に基づいて、操舵角が大きいほどアシスト量が大きくなるように、アシスト量を調整するための調整ゲインを設定することにより、運転者がハンドルを大きく操作する（すなわち、操舵角が大きい）ときの運転者の負担を軽減することができる電動パワーステアリング制御装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０００−４３７４２号公報

しかし、車両の操舵状態は、操舵角だけではなく、操舵トルクおよび操舵角の回転速度（操舵角速度）によっても変化する。このため、特許文献１に記載の技術のように、操舵角のみによってアシスト量を調整すると、運転者の意思を適切に反映しない不自然な操舵感が生じることがあるという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、運転者の意思を適切に反映したアシスト制御を可能にする技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、車両のハンドルに連結されてハンドルとともに回転する入力軸と、入力軸の回転を車両の操舵輪に伝達することにより操舵輪を操舵させる入力伝達手段と、入力軸に加えられる軸回転方向のトルクである操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、ハンドルの操作による操舵輪の操舵時にハンドルの操作を補助するためのアシストトルクを入力軸または入力伝達手段に与えるためのモータとを備えた電動パワーステアリングシステムに設けられ、モータを制御することによりアシストトルクを制御する電動パワーステアリング制御装置である。

また、請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置では、アシスト量演算手段が、操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクに基づき、操舵トルクに応じた値のアシストトルクを示すアシスト量を演算し、モータ駆動手段が、アシスト量演算手段により演算されたアシスト量に基づいてモータを駆動させる。また操舵角速度検出手段が、ハンドルの操舵角の回転速度である操舵角速度を検出し、さらに操舵状態量演算手段が、少なくとも、操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクと、操舵角速度検出手段により検出された操舵角速度とに基づいて、車両の操舵状態を示す操舵状態量を演算する。そしてアシスト量演算手段は、操舵状態量演算手段により演算された操舵状態量に基づき、アシスト量を変更する。

このように構成された電動パワーステアリング制御装置では、操舵トルクと操舵角速度とに基づいて演算された操舵状態量に基づいてアシスト量を変更するため、操舵トルクだけではなく操舵角速度によってもアシストトルクを変更することができ、運転者の意思をより適切に反映したアシスト制御の実現が可能となる。

例えば、操舵角速度の増加に応じてアシスト量を増加させるようにアシスト量演算手段が設定されている場合には、運転者がハンドルを或るハンドル角度で保持している状態からハンドルを速く切り始めると、アシストトルクを急激に増大させることが可能になる。

すなわち、ハンドルをゆっくり切る場合よりも速く切る場合のほうがハンドルを楽に操作することができ、ハンドルを速く切りたいという運転者の意思を適切に制御に反映することができる。

また、請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置では、操舵角検出手段が、ハンドルの操舵角を検出し、操舵状態量演算手段は、操舵トルクと操舵角速度に加え、さらに、操舵角検出手段により検出された操舵角に基づいて、操舵状態量を演算する。

このように構成された電動パワーステアリング制御装置では、さらに、ハンドルの操舵角によってもアシストトルクを変更することができ、運転者の意思をより適切に反映したアシスト制御の実現が可能となる。

例えば、操舵角の増加に応じてアシスト量を増加させるようにアシスト量演算手段が設定されている場合には、操舵角に応じて大きくなるアシストトルクが与えられるので、運転者がハンドルを緩やかに切り増ししていく場合には、操舵角の増加に応じてアシストトルクを徐々に増大させることが可能になり、ハンドルを切り増ししていくほど、ハンドルを楽に操作することができる。

また、請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置では、予め設定されている第１調整ゲインと操舵トルクと操舵角との乗算値と、予め設定されている第２調整ゲインと操舵トルクと操舵角速度との乗算値とを加算した値を操舵状態量として演算する。

このように構成された電動パワーステアリング制御装置によれば、操舵トルクと操舵角と操舵角速度の加算および乗算のみにより簡便に操舵状態量の演算を行うことができるので、操舵状態量の演算のための処理負荷の増加を必要最小限に抑制することができる。

また、車両の速度を検出する車両速度検出手段を備えている場合には、請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置において、請求項２に記載のように、操舵状態量演算手段が、第１調整ゲインおよび第２調整ゲインの少なくとも一方を、車両速度検出手段により検出された車両の速度に応じて演算するようにしてもよい。

このように構成された電動パワーステアリング制御装置によれば、車両速度に応じて操舵状態量が変更されるため、車両速度に応じたより適切なアシスト量を演算でき、車両速度が考慮された適切な特性とすることが可能となる。

ＥＰＳシステム１の概略構成を示す構成図である。 ＥＰＳＥＣＵ１５の概略構成を示すブロック図である。

以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図１は、本発明が適用された実施形態の電動パワーステアリングシステム１の概略構成を示す構成図である。

電動パワーステアリングシステム１（以下、ＥＰＳ（Electric Power Steering）システム１という）は、運転者によるハンドル２の操作をモータ６によってアシスト（補助）するものである。ハンドル２は、ステアリングシャフト３の一端に固定され、ステアリングシャフト３の他端にはトルクセンサ４が接続されており、このトルクセンサ４の他端には、インターミディエイトシャフト５が接続されている。

トルクセンサ４は、操舵トルクを検出するためのセンサである。具体的には、ステアリングシャフト３とインターミディエイトシャフト５とを連結するトーションバーを有し、このトーションバーのねじれ角に基づいてそのトーションバーに加えられているトルクを検出する。

モータ６は、ハンドル２の操舵力をアシスト（補助）するものであり、その回転軸の先端にウォームギアが設けられ、このウォームギアが、インターミディエイトシャフト５に設けられたウォームホイールと噛み合っている。これにより、モータ６の回転がインターミディエイトシャフト５に伝達される。逆に、ハンドル２の操作や路面からの反力（路面反力）によってインターミディエイトシャフト５が回転されると、その回転がモータ６に伝達されてモータ６も回転されることになる。

インターミディエイトシャフト５における、トルクセンサ４が接続された一端とは反対側の他端は、ステアリングギアボックス７に接続されている。ステアリングギアボックス７は、図示しないラックとピニオンギアからなるギア機構にて構成されており、インターミディエイトシャフト５の他端に設けられたピニオンギアに、ラックの歯が噛み合っている。そのため、運転者がハンドル２を回すと、インターミディエイトシャフト５が回転（すなわち、ピニオンギアが回転）し、これによりラックが左右に移動する。ラックの両端にはそれぞれタイロッド８が取り付けられており、ラックとともにタイロッド８が左右の往復運動を行う。これにより、タイロッド８がその先のナックルアーム９を引っ張ったり押したりすることで、タイヤ１０の向きが変わる。

また、車両における所定の部位には、ハンドル２の操舵角θｓを検出する操舵角センサ１１と、車両速度Ｖを検出する車速センサ１２が設けられている。
このような構成により、運転者がハンドル２を回転させると、その回転がステアリングシャフト３、トルクセンサ４、およびインターミディエイトシャフト５を介してステアリングギアボックス７に伝達される。そして、ステアリングギアボックス７内で、インターミディエイトシャフト５の回転がタイロッド８の左右移動に変換され、タイロッド８が動くことによって、左右の両タイヤ１０が操舵される。

電動パワーステアリングＥＣＵ（Electric Power Steering Electronic Control Unit）１５（以下、ＥＰＳＥＣＵ１５という）は、図示しない車載バッテリからの電力によって動作し、トルクセンサ４にて検出された操舵トルクＴｓ、および操舵角センサ１１にて検出された操舵角θｓに基づいて、モータ６に流すべき電流値を示す電流指令を生成する。そして、その電流指令に応じた駆動電圧Ｖｄをモータ６へ印加することにより、ドライバーがハンドル２を回す力（延いては両タイヤ１０を操舵する力）をアシストするためのアシストトルクをモータ６に発生させる。

ＥＰＳＥＣＵ１５は、直接的にはモータ６へ印加する駆動電圧Ｖｄを制御することによりモータ６を制御するものであるが、モータ６を制御することで結果としてそのモータ６により駆動されるＥＰＳメカ７０を制御するものであると言え、よってＥＰＳＥＣＵ１５の制御対象はこのＥＰＳメカ７０であるとも言える。なお、ＥＰＳメカ７０は、図１に示したシステム構成図のうちＥＰＳＥＣＵ１５およびモータ６を除く機構全体、すなわち、ハンドル２から各タイヤ１０に至る、ハンドル２の操舵力が伝達される機構全体を示す。

次に、ＥＰＳＥＣＵ１５の内部構成（制御機構）について、図２のブロック図を用いて説明する。図２において、モータ６およびＥＰＳメカ７０を除く、目標アシストトルク演算部２０からモータ駆動回路５０に至る各ブロックが、ＥＰＳＥＣＵ１５により実現されるものである。なお、ＥＰＳＥＣＵ１５により実現される各ブロックのうち、モータ駆動回路５０を除く各部は、実際には、ＥＰＳＥＣＵ１５が備える図示しないＣＰＵが所定の制御プログラムを実行することによって実現されるものである。つまり、図２における目標アシストトルク演算部２０から電流制御部４０に至る各ブロックは、ＣＰＵによって実現される各種機能を機能ブロック毎に分けて図示したものである。ただし、これら各ブロックがソフトウェアにて実現されることはあくまでも一例であり、例えばロジック回路等のハードウェアにて実現するようにしてもよいことはいうまでもない。

ＥＣＵ１５は、図２に示すように、操舵トルクＴｓおよび操舵角θｓに基づいて目標アシストトルク（目標電流）を演算する目標アシストトルク演算部２０と、その目標アシストトルク演算部２０により演算された目標電流とモータ６に実際に流れる実電流Ｉｍとの差である電流偏差を演算する偏差演算器３０と、その電流偏差および実電流Ｉｍに基づいて、モータ６に通電すべき電流量を示す電流指令を演算する電流制御部４０と、その電流指令に応じた電流をモータ６に流す（実際には駆動電圧Ｖｄをモータ６に印加する）ためのモータ駆動回路５０とを備えている。

なお、図示は省略したものの、モータ駆動回路５０の内部またはモータ駆動回路５０からモータ６に至る通電経路中には、実電流Ｉｍを検出するための検出素子を含む検出回路が備えられており、その検出回路によって実電流Ｉｍが検出される。

また目標アシストトルク演算部２０は、制御系（制御機構）全体を安定化させるために操舵トルクＴｓに対して位相補償をかける位相補償器２１と、操舵トルクＴｓおよび操舵角θｓに基づいて操舵状態量を演算する操舵状態量演算部２２と、上記目標アシストトルクのベースとなるベースアシストトルクを操舵状態量に基づいて演算するベースアシスト演算部２３と、位相補償器２１による位相補償後の値（位相補償トルク）に、ベースアシスト演算部２３によるベースアシストトルクを乗じることで、最終的な目標アシストトルク（目標電流）を演算する乗算器２４とを備えている。

なおベースアシスト演算部２３は、実際には、操舵状態量に対するアシストトルクゲインが一対一で対応付けられたアシストマップ２３ｍを有し、そのマップをもとに、線形補間によって、入力された操舵状態量に対するベースアシストトルクを演算する。なお本実施形態では、操舵状態量が大きくなるほどアシストトルクゲインも大きくなるマップが設定されている。

そして操舵状態量演算部２２は、操舵トルクＴｓに操舵角θｓを乗じた値を出力する乗算器６１と、操舵角θｓの時間変化に基づいて操舵角速度ωｓを演算する微分器６２と、操舵トルクＴｓに操舵角速度ωｓを乗じた値を出力する乗算器６３と、乗算器６１からの出力値を所定の調整ゲインαで増幅して出力する増幅器６４と、乗算器６３からの出力値を所定の調整ゲインβで増幅して出力する増幅器６５と、増幅器６４からの出力値と増幅器６５からの出力値とを加算することにより操舵状態量を演算する加算器６６とを備えている。したがって操舵状態量演算部２２は、（α×Ｔｓ×θｓ＋β×Ｔｓ×ωｓ）で表される操舵状態量を出力する。

なお、増幅器６４，６５はそれぞれ、車両速度Ｖに対して調整ゲインα，βが一対一で対応付けられたマップを有し、そのマップをもとに、入力された車両速度Ｖに対する調整ゲインα，βを演算する。

電流制御部４０は、偏差演算器３０により演算された電流偏差に基づき、その電流偏差が０となるように、すなわち実電流Ｉｍが目標電流に一致するように、モータ６への通電をフィードバック制御するための通電指令を生成する。具体的には、比例・積分の各要素を備えたＰＩ制御器である電流制御器４１を備え、この電流制御器４１が、入力された電流偏差に対して比例演算および積分演算等を行うことで、電流指令を演算する。なお、電流制御器４１には、電流偏差の他に実電流Ｉｍも入力され、実電流Ｉｍも考慮しつつ電流指令値を演算する。この電流指令は、実際にはモータ６に印加する駆動電圧を示すものであり、この電流指令に従ってモータ駆動回路５０がモータ６への通電を行うことで、電流指令が示す電流がモータ６に流れる。

このように構成されたＥＰＳシステム１では、目標アシストトルク演算部２０が、トルクセンサ４にて検出された操舵トルクＴｓに基づき、操舵トルクに応じた値の目標アシストトルクを示す目標電流を演算し、モータ駆動回路５０が、演算された目標電流に基づいてモータ６を駆動させる。また、操舵角センサ１１が操舵角θｓを検出するとともに、微分器６２が操舵角速度ωｓを演算し、さらに操舵状態量演算部２２が、操舵トルクＴｓと操舵角θｓと操舵角速度ωｓとに基づいて、操舵状態量を演算する。そして目標アシストトルク演算部２０は、演算された操舵状態量に基づき、目標アシストトルクを示す目標電流を変更する。

したがって、操舵トルクＴｓと操舵角速度ωｓとに基づいて演算された操舵状態量に基づいて目標アシストトルク（目標電流）を変更するため、操舵トルクＴｓだけではなく操舵角速度ωｓによっても目標アシストトルクを変更することができ、運転者の意思をより適切に反映したアシスト制御の実現が可能となる。

本実施形態では、（α×Ｔｓ×θｓ＋β×Ｔｓ×ωｓ）を操舵状態量として演算するとともに、操舵状態量が大きくなるほどアシストトルクゲインも大きくなるアシストマップ２３ｍが用いられているため、操舵角速度ωｓの増加に応じて目標アシストトルクを増加させることができる。このため、運転者がハンドル２を或るハンドル角度で保持している状態からハンドル２を速く切り始めると、目標アシストトルクを急激に増大させることが可能になる。すなわち、ハンドル２をゆっくり切る場合よりも速く切る場合のほうがハンドル２を楽に操作することができるため、ハンドル２を速く切りたいという運転者の意思を適切に制御に反映することができる。

これにより、「ハンドル２を保舵しているときには、しっかりとした手応えがあり、ハンドル２を速く切りたいと思ったときにはスッと切れる」というアシスト制御を実現することができる。

さらに、ハンドル２を切っている状態からハンドル２を止めようとする場合には、操舵角速度ωｓが低下し、目標アシストトルクが減少していくため、運転者の意思をより適切に反映して、ハンドル２を止め易くなる。

また、操舵トルクＴｓと操舵角速度ωｓに加え、さらに、操舵角θｓに基づいて、操舵状態量を演算する。さらに、本実施形態では、（α×Ｔｓ×θｓ＋β×Ｔｓ×ωｓ）を操舵状態量として演算するとともに、操舵状態量が大きくなるほどアシストトルクゲインも大きくなるアシストマップ２３ｍが用いられている。そして、運転者がハンドル２を緩やかに切り増ししていく場合には、操舵角速度ωｓが小さく、操舵角θｓが徐々に大きくなる。このため、操舵状態量における操舵角速度ωｓの寄与が小さく、操舵角θｓの増加に応じて徐々に目標アシストトルクが増加し、ハンドル２を切り増ししていくほど、ハンドル２を楽に操作することができる。

また、目標アシストトルク演算部２０内の増幅器６４，６５はそれぞれ、調整ゲインα，βを車両速度Ｖに応じて演算する。これにより、車両速度Ｖに応じて操舵状態量が変更されるため、車両速度Ｖに応じたより適切なベースアシストトルクを演算でき、車両速度Ｖが考慮された適切な特性とすることが可能となる。

例えば、速い操舵や大舵角の操舵を行う場面が多い低速域において、より調整ゲインα，βを大きく設定することで、急操舵や大操舵時の負担を軽減できる。また、速い操舵や大舵角の操舵を行う場面が少ない高速域においては調整ゲインα，βを小さく設定することで、アシストトルクの増加を抑制することができ、しっかりとした手応えによって操舵を安定させることができる。

以上説明した実施形態において、ステアリングシャフト３は本発明における入力軸、タイヤ１０は本発明における操舵輪、インターミディエイトシャフト５とステアリングギアボックス７とタイロッド８とナックルアーム９は本発明における入力伝達手段、トルクセンサ４は本発明における操舵トルク検出手段、ＥＰＳＥＣＵ１５は本発明における電動パワーステアリング制御装置、目標アシストトルク演算部２０は本発明におけるアシスト量演算手段、モータ駆動回路５０は本発明におけるモータ駆動手段、操舵角センサ１１は本発明における操舵角検出手段、微分器６２は本発明における操舵角速度検出手段、操舵状態量演算部２２は本発明における操舵状態量演算手段、車速センサ１２は本発明における車両速度検出手段である。

また、目標アシストトルクは本発明におけるアシストトルク、目標電流は本発明におけるアシスト量、調整ゲインαは本発明における第１調整ゲイン、調整ゲインβは本発明における第２調整ゲインである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記実施形態においては、（α×Ｔｓ×θｓ＋β×Ｔｓ×ωｓ）で表される操舵状態量を出力するものを示したが、例えば、（α×Ｔｓ＋β×θｓ＋γ×ωｓ）または（α×Ｔｓ＋β×θｓ×ωｓ）で表される操舵状態量を出力するようにしてもよい。なおγは、調整ゲインであり、本発明における第３調整ゲインである。また、調整ゲインα，β，γの少なくとも一方を、車速センサ１２により検出された車両速度Ｖに応じて演算するようにしてもよい。

１…電動パワーステアリングシステム、２…ハンドル、３…ステアリングシャフト、４…トルクセンサ、５…インターミディエイトシャフト、６…モータ、７…ステアリングギアボックス、８…タイロッド、９…ナックルアーム、１０…タイヤ、１１…操舵角センサ、１２…車速センサ、２０…目標アシストトルク演算部、２１…位相補償器、２２…操舵状態量演算部、２３…ベースアシスト演算部、２３ｍ…アシストマップ、２４…乗算器、３０…偏差演算器、４０…電流制御部、４１…電流制御器、５０…モータ駆動回路、６１，６３…乗算器、６２…微分器、６４，６５…増幅器、６６…加算器、７０…ＥＰＳメカ

Claims (2)

1. 車両のハンドルに連結されて該ハンドルとともに回転する入力軸と、
   前記入力軸の回転を前記車両の操舵輪に伝達することにより該操舵輪を操舵させる入力伝達手段と、
   前記入力軸に加えられる軸回転方向のトルクである操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   前記ハンドルの操舵時に該ハンドルの操作を補助するためのアシストトルクを前記入力軸または前記入力伝達手段に与えるためのモータと
   を備えた電動パワーステアリングシステムに設けられ、前記モータを制御することにより前記アシストトルクを制御する電動パワーステアリング制御装置であって、
   前記操舵トルク検出手段により検出された前記操舵トルクに基づき、該操舵トルクに応じた値の前記アシストトルクを示すアシスト量を演算するアシスト量演算手段と、
   前記アシスト量演算手段により演算された前記アシスト量に基づいて前記モータを駆動させるモータ駆動手段と、
   前記ハンドルの操舵角の回転速度である操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段と、
   少なくとも、前記操舵トルク検出手段により検出された前記操舵トルクと、前記操舵角速度検出手段により検出された前記操舵角速度とに基づいて、前記車両の操舵状態を示す操舵状態量を演算する操舵状態量演算手段と、
   前記ハンドルの操舵角を検出する操舵角検出手段とを備え、
   前記アシスト量演算手段は、
   前記操舵状態量演算手段により演算された前記操舵状態量に基づき、前記アシスト量を変更し、
   前記操舵状態量演算手段は、
   前記操舵トルクと前記操舵角速度に加え、さらに、前記操舵角検出手段により検出された前記操舵角に基づいて、前記操舵状態量を演算し、
   予め設定されている第１調整ゲインと前記操舵トルクと前記操舵角との乗算値と、予め設定されている第２調整ゲインと前記操舵トルクと前記操舵角速度との乗算値とを加算した値を前記操舵状態量として演算する
   ことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
2. 前記車両の速度を検出する車両速度検出手段を備え、
   前記操舵状態量演算手段は、
   前記第１調整ゲインおよび前記第２調整ゲインの少なくとも一方を、前記車両速度検出手段により検出された前記車両の速度に応じて演算する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置。