JP6107928B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動操舵制御（駐車支援モード）と手動操舵制御の機能を有し、車両の操舵系にモータによるアシスト力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特に目標操舵角に実操舵角を追従させる自動操舵を行う舵角制御を、特別な部品を用いずに振動を抑制して精度良く行うことによって、性能の向上を図ると共に、自動操舵制御中に発生するハンドル振動を抑制する電動パワーステアリング装置に関する。

車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）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操舵補助力を付与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（ＥＰＳ）は、操舵補助力の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、操舵補助指令値（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）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル（ステアリングホイール）１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）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、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、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、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。電動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（ＥＣＵ）１００には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット１００は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の操舵補助指令値の演算を行い、操舵補助指令値に補償等を施した電流制御値Ｅによってモータ２０に供給する電流を制御する。なお、車速ＶｅｌはＣＡＮ（Controller Area Network）等から受信することも可能である。

このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット１００は、例えば特開２００２−３６９５６５号公報に開示されているような構成となっている。

図２では、ステアリング装置の補助操舵力を発生するモータ２０はモータ駆動部２１によって駆動され、モータ駆動部２１は二点鎖線で示すコントロールユニット１００で制御され、コントロールユニット１００にはトルクセンサ１０からの操舵トルクＴｈ及び車速検出系からの車速Ｖｅｌが入力される。モータ２０では、モータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉが計測されて出力される。

コントロールユニット１００は操舵トルクＴｈを用いて制御を行う破線で示すトルク系制御部１１０と、モータ２０の駆動に関連した制御を行う一点鎖線で示すモータ系制御部１２０とで構成されている。トルク系制御部１１０はアシスト量演算部１１１、微分制御部１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３、ロバスト安定化補償部１１４及びセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）推定フィードバック部１１５によって構成され、加算部１１６Ａ及び１１６Ｂ、減算部１１６Ｃを具備している。また、モータ系制御部１２０は補償部１２１、外乱推定部１２２、モータ角速度演算部１２３、モータ角加速度演算部１２４及びモータ特性補償部１２５で構成され、加算部１２６Ａ及び１２６Ｂを具備している。

操舵トルクＴｈはアシスト量演算部１１１、微分制御部１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力され、いずれも車速Ｖｅｌをパラメータ入力としている。アシスト量演算部１１１は操舵トルクＴｈに基づいてアシストトルク量を演算し、ヨーレート収れん性制御部１１３は操舵トルクＴｈ及びモータ角速度ωを入力とし、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いる。また、微分制御部１１２はステアリングの中立点付近の制御の応答性を高め、滑らかでスムーズな操舵を実現するようになっており、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５は操舵トルクＴｈと、アシスト量演算部１１１の出力に微分制御部１１２の出力を加算部１１６Ａで加算した信号と、モータ角速度演算部１２３で演算された角速度ωと、モータ角加速度演算部１２４からの角加速度αとを入力してＳＡＴを推定し、推定したＳＡＴをフィードバックフィルタを用いて信号処理し、ハンドルに適切な路面情報を反力として与えるようになっている。

また、アシスト量演算部１１１の出力に微分制御部１１２の出力を加算部１１６Ａで加算した信号に、ヨーレート収れん性制御部１１３の出力を加算部１１６Ｂで加算した信号をアシスト量ＡＱとしてロバスト安定化補償部１１４に入力している。ロバスト安定化補償部１１４は例えば特開平８−２９０７７８号公報に示されている補償部であり、検出トルクに含まれる慣性要素とばね要素で成る共振系の共振周波数におけるピーク値を除去し、制御系の応答性と安定性を阻害する共振周波数の位相のズレを補償するものである。ロバスト安定化補償部１１４の出力からＳＡＴ推定フィードバック部１１５の出力を減算部１１６Ｃで減算することで、路面情報を反力としてハンドルに伝えることができるアシスト量Ｉａが得られる。

更に、モータ角速度演算部１２３はモータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉに基づいてモータ角速度ωを演算するものであり、モータ角速度ωはモータ角加速度演算部１２４、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力される。モータ角加速度演算部１２４では、入力されたモータ角速度ωに基づいてモータ角加速度αを演算し、演算したモータ角加速度αはモータ特性補償部１２５及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力される。モータ特性補償部１２５の出力Ｉｃに、ロバスト安定化補償部１１４の出力からＳＡＴ推定フィードバック部１１５の出力を減算したアシスト量Ｉａが加算部１２６Ａで加算され、その加算信号が電流指令値Ｉｒとして微分補償部等で成る補償部１２１に入力される。補償部１２１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定部１２２の出力を加算部１２６Ｂで加算した信号がモータ駆動部２１及び外乱推定部１２２に入力される。外乱推定部１２２は特開平８−３１０４１７号公報で示されるような装置であり、モータ出力の制御目標である補償部１２１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定部１２２の出力を加算した信号と、モータ電流値ｉとに基づいて、制御系の出力基準における希望するモータ制御特性を維持することができ、制御系の安定性を失うことがないようにしている。

このような電動パワーステアリング装置において、近年駐車支援機能（パーキングアシスト）を搭載し、自動操舵制御と手動操舵制御とを切り換える車両が出現して来ており、駐車支援機能を搭載した車両にあってはカメラ（画像）や距離センサなどのデータを基に目標操舵角を設定し、目標操舵角に実操舵角を追従させる自動操舵制御が行われる。

従来周知の自動操舵制御（駐車支援モード）と手動操舵制御の機能を有する電動パワーステアリング装置では、予め記憶した車両の移動距離と転舵角との関係に基づいてアクチュエータ（モータ）を制御することにより、バック駐車や縦列駐車を自動で行うようになっている。

そして、従来の操舵制御装置は、実操舵角を車両に応じて設定される目標操舵角に一致するように、モータ電流指令値を演算し、自動操舵制御を実現している。例えば特許第３９１７００８号公報（特許文献１）に示される自動操舵制御装置では、舵角制御において、目標舵角（目標操舵角）と舵角（実操舵角）の偏差に対して速度ＰＩ制御を行い、その演算結果を舵角追従制御に使用している。

特許第３９１７００８号公報 特許第５０６８３２７号公報

しかしながら、従来の自動操舵制御では、車両において舵角制御を行う場合、走行車速、摩擦や路面反力の変化などで外乱や負荷状況が大きく変化するため、それらに対して耐性のある制御構成でなければならない。しかし、速度ＰＩ制御では、例えば路面反力が変化した場合、路面反力の変化によって実舵角の応答が変わってしまうため、目標舵角に精度良く追従できず、車両が目標舵角から逸脱する可能性がある。また、目標舵角が高速度に変化した際にも、モータアシストにより実舵角が目標舵角に追従するように制御されるが、特許文献１の装置では、ハンドルのバネ慣性系が考慮されていないため、その際にハンドルのバネ慣性系により振動が発生し、それを運転者が違和感として感じる可能性がある。

また、電動パワーステアリング装置では運転者の操舵トルクを検知するために、トーションバーをコラム軸に配置し、その捩れ角がトーションバーに加わるトルクに比例することを利用したトルクセンサによって運転者の操舵トルクを検知し、アシスト制御を行う。しかしながら、実操舵角を目標操舵角に追従させるような自動操舵制御中に、トーションバーとハンドルのバネ質量系により振動が発生することがある。

自動操舵制御中のモータアシストの変動を抑制する技術としては、例えば特許第５０６８３２７号公報（特許文献２）に示される操舵制御装置がある。特許文献２の装置では、モータアシスト制御は自動操舵制御とアシスト制御の各指令値の和によって実施され、トルクから慣性トルクによる変動を抽出した慣性トルク変動によって補正することにより、運転者は自動操舵制御中にステアリング操作を容易に行い得るようにしている。

しかしながら、特許文献２の操舵制御装置では、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）によって慣性トルクを抽出しているため、アシストトルクは慣性トルクが発生してからの位相を用いるため、遅れが生じる。

目標操舵角に実操舵角を追従させる自動操舵を行う電動パワーステアリング装置の自動操舵制御中に、運転者がハンドルを操舵したと判定した場合には自動制御を中止し、手動操舵制御のアシスト制御に円滑に、運転者に違和感を与えないで切り換わることが望ましい。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の第１の目的は、自動操舵制御と手動操舵制御の機能を有する車両において、速度Ｉ−Ｐ制御（比例先行型ＰＩ制御）を用いることで、応答特性の振動抑制を実現すると共に、摩擦や路面変化などの外乱に耐性のある制御性能を有する電動パワーステアリング装置を提供することにある。本発明の第２の目的は、通常アシスト制御とは別の手段で操舵トルク及びトルク微分により補償値を算出し、電流指令値に加算してモータを駆動させることで、共振周波数、減衰率を制御により調整することを可能とし、運転者に違和感を与えないようにした高性能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、操舵トルク及び車速に基づいてモータ電流指令値１を演算し、前記モータ電流指令値１に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御すると共に、自動操舵制御と手動操舵制御とを切り換える機能を有する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記自動操舵制御時に、目標操舵角に実操舵角を近づけるようにモータ電流指令値２を算出する舵角制御部と、前記モータ電流指令値１及びモータ電流指令値２を入力し、切換信号により切り換えられる切換部とを具備し、前記舵角制御部が、前記目標操舵角を円滑化するレートリミッタと、前記レートリミッタの出力及び前記実操舵角の偏差１、モータ角速度に基づいて前記モータ電流指令値２として出力することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記操舵トルク、目標操舵角、実操舵角及び前記モータのモータ角速度に基づいてモータ電流指令値２を算出する舵角制御部と、前記モータ電流指令値１及びモータ電流指令値２を入力して切り換える切換部とを具備し、前記舵角制御部が、前記目標操舵角及び実操舵角の偏差角に応じたモータ速度指令を出力する位置制御部と、前記モータ速度指令及び前記モータ角速度を入力して速度制御を行う速度制御部と、前記操舵トルクを入力してハンドル制振制御を行うハンドル制振制御部と、前記速度制御部からのモータ電流指令値３及び前記ハンドル制振制御部からのモータ電流指令値４を処理して前記モータ電流指令値２を出力する出力部とで構成され、前記自動操舵制御及び手動操舵制御の切換指令に応じて前記切換部が切り換えられ、前記自動操舵制御時に前記モータ電流指令値２に基づいて前記モータを駆動制御することにより達成される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、自動操舵制御（駐車支援機能）と手動操舵制御の機能を有する車両において、速度Ｉ−Ｐ制御（比例先行型ＰＩ制御）を用いて自動操舵制御を行っているので、応答特性の振動抑制を実現すると共に、路面変化などの外乱に耐性があり、かつ、製造のバラツキ等を抑制する制御性能を実現できる。また、本発明によればＩ−Ｐ制御の振動抑制性能のみでなく、レートリミッタ及びＬＰＦ（ローパスフィルタ）により、目標操舵角の変化からハンドル系のバネ慣性振動成分を除去しているので、より円滑な挙動を実現できる。

更に、フィードフォワード系を付加することにより、操舵角の応答性を一層向上することができる。

更にまた、本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、自動操舵制御中は舵角指令値に制御し、手放し運転となることからハンドルトルクによるトルク制御を行わない。自動操舵制御中のハンドルの慣性で発生するトルク値を検出し、舵角指令値に補償値として加算することで、ハンドル振動を抑制することができる。即ち、本発明ではハンドル制振制御部を設け、比例部及び微分ゲイン部で演算した速度成分を加算処理し、加算結果でモータ電流指令値を補正するようにしているので、位相遅れもなく応答性が高いハンドル制振を実現することができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 従来の電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の構成例（第１実施例）を示すブロック図である。 舵角制御部の構成例を示すブロック図である。 レートリミッタの構成例を示すブロック図である。 レートリミッタの動作例を示す特性図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 舵角制御部の動作例を示すフローチャートである。 本発明の特性（速度Ｉ−Ｐ制御）を他の形態と比較して示す特性図である。 舵角制御部の他の構成例を示すブロック図である。 本発明（第１実施例）の特性（フィードフォワード制御付加）を他の形態と比較して示す特性図である。 本発明の構成例（第２実施例）を示すブロック図である。 舵角制御部の構成例を示すブロック図である。 ハンドル制振制御部の特性例を示すゲイン及び位相の特性図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 舵角制御部の動作例を示すフローチャートである。 ハンドル制振制御部の他の構成例を示すブロック図である。 本発明（第２実施例）の効果を示す特性図である。

本発明では、自動操舵制御と手動操舵制御の機能を有する車両の電動パワーステアリング装置において、特別な部品を用いないで、目標操舵角に実操舵角を追従させる自動操舵制御を精度良く行うようにしている。即ち、本発明では速度Ｉ−Ｐ制御（比例先行型ＰＩ制御）を用いることで、応答特性の振動抑制を実現すると共に、摩擦や路面変化などの外乱に耐性のある制御構成としている。

また、速度Ｉ−Ｐ制御の振動抑制性能のみでなく、電流指令値が急激に変化することを防止するレートリミッタ、ハンドル振動低減用のフィルタにより、目標操舵角の変化からハンドル（ステアリングホイール）系のバネ慣性振動成分を取り除くことで、より滑らかな挙動を達成している。更にフィードフォワード系を速度Ｉ−Ｐ制御に付加することにより、操舵角の応答性を一層向上することができる
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図３は本発明の構成例（第１実施例）を示しており、モータ１５０にはモータ回転角θｓを検出するためのレゾルバ等の回転センサ１５１が接続されており、モータ１５０は車両側のＥＣＵ１３０及びＥＰＳ（電動パワーステアリング装置）側のＥＣＵ１４０を介して駆動制御される。

車両側のＥＣＵ１３０は、運転者の意思を示すボタン、スイッチ等に基づいて、自動操舵制御又は手動操舵制御の切換指令ＳＷを出力する切換指令部１３１と、カメラ（画像）や距離センサなどの信号に基づいて目標操舵角θｔを生成する目標操舵角生成部１３２とを具備している。また、コラム軸（ハンドル軸）に設けられた舵角センサ１５２で検出された実操舵角θｒは、ＥＣＵ１３０を経てＥＰＳ側のＥＣＵ１４０内の舵角制御部２００に入力される。舵角センサ１５２はコラム軸（インターミディエイト、ピニオン軸を含む）、ラックアンドピニオンのラックの変位、車輪速度などによる舵角推定値であっても良い。

切換指令部１３１は、自動操舵制御に入ることを識別する信号、例えば運転者の意思をダッシュボードやハンドル周辺に設けたボタンやスイッチ、或いはシフトに設けた駐車モードなどによる車両状態の信号を基に切換指令ＳＷを出力し、切換指令ＳＷをＥＰＳ側のＥＣＵ１４０内の切換部１４２に入力する。また、目標操舵角生成部１３２は、カメラ（画像）、距離センサなどのデータを基に公知の手法で目標操舵角θｔを生成し、生成された目標操舵角θｔをＥＰＳ側のＥＣＵ１４０内の舵角制御部２００に入力する。

ＥＰＳ側のＥＣＵ１４０は、トーションバーのトルクセンサ１５４からの操舵トルクＴｈ及びモータ角速度ωに基づいて演算されたモータ電流指令値Ｉｔｒｅｆを出力するトルク制御部１４１と、目標操舵角θｔ、実操舵角θｒ、モータ角速度ωに基づいて自動操舵制御のためのモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆを演算して出力する舵角制御部２００と、切換指令部１３１からの切換指令ＳＷによって、モータ電流指令値Ｉｔｒｅｆ及びＩｍｒｅｆを切り換えてモータ電流指令値Ｉｒｅｆを出力する切換部１４２と、切換部１４２からのモータ電流指令値Ｉｒｅｆ（Ｉｔｒｅｆ又はＩｍｒｅｆ）に基づいてモータ１５０を駆動制御する電流制御／駆動部１４３と、回転センサ１５１からのモータ回転角θｓに基づいてモータ角速度ωを演算するモータ角速度演算部１４４とを具備している。

切換部１４２は、ＥＣＵ１３０の切換指令部１３１からの切換指令ＳＷに基づいて、トルク制御部１４１によるトルク制御モード（手動操舵制御）と、舵角制御部２００による自動操舵制御とを切り換え、手動操舵制御ではモータ電流指令値Ｉｔｒｅｆをモータ電流指令値Ｉｒｅｆとして出力し、自動操舵制御ではモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆをモータ電流指令値Ｉｒｅｆとして出力する。また、電流制御／駆動部１４３は、ＰＩ電流制御部、ＰＷＭ制御部、インバータ等で構成されている。

舵角制御部２００は図４に示すような構成となっており、目標操舵角θｔが急激に変化した場合の平滑化、つまり所定時間変化率の範囲内で円滑に変化するようにするレートリミッタ２１０に目標操舵角θｔが入力され、高周波の外乱を除去するＬＰＦ２０１を経た目標操舵角θｔａが減算部２０２に加算入力される。レートリミッタ２１０は目標操舵角θｔをレートリミッタ処理するものであり、運転者への安全性向上にも寄与する。また、自動操舵中にトーションバーのバネ性とハンドルの慣性モーメントによる振動が発生するが、ＬＰＦ２０１はレートリミッタ処理後の舵角指令値に含まれる振動周波数成分を低減する。

実操舵角θｒが減算部２０２に減算入力され、減算部２０２で平滑化及び高周波除去された目標操舵角θｔａとの角度偏差θｂが求められ、角度偏差θｂが位置制御部２４０でゲインＫｐｐ倍され、モータ速度指令値ωｍとして速度制御（速度Ｉ−Ｐ制御）部２５０内の減算部２５１に加算入力される。減算部２５１にはモータ角速度演算部１４４からのモータ角速度ωが減算入力され、演算された速度偏差Ｄｆが積分部２５２でゲインＫｖ倍と積分されて減算部２５４に加算入力される。また、モータ角速度ωは速度制御部２５０内の比例部２５３に入力され、ゲインＫｖｐ倍されたモータ角速度が減算部２５４に減算入力され、減算結果である偏差がモータ電流指令値Ｉｓとしてリミッタ２０４に入力される。リミッタ２０４で上下限値を制限されたモータ電流指令値Ｉｓが、モータ電流指令値Ｉｍｒｅｆとして出力される。

なお、位置制御部２４０及び速度制御部２５０で電流指令値演算部を構成している。

レートリミッタ２１０は、目標操舵角θｔが急激に変化した場合に円滑化して出力するものであり、例えば図５に示すような構成となっている。即ち、目標操舵角θｔは減算部２１１に加算入力され、過去値との減算結果である操舵角θｔ１が変化分設定部２１２で変化分θｔ２の設定をされる。変化分設定部２１２は、保持部（Ｚ^−１）２１４からの過去値と入力（θｔ）の差分θｔ１を設定し、加算部２１３での変化分θｔ２と過去値との加算結果を新たな目標操舵角θｔ３として出力する。変化分設定部２１２は、変化分が設定された上限及び下限を超えないようにするものであり、その特性は演算周期Ｔ毎に入力（目標操舵角）θｔとの差分を求め、変化分設定部２１２の上限及び下限の範囲外の場合には、差分を過去値に加算することを繰返し行うことにより、図６に示すような階段状に出力θｔ３を変化させて、最終的に出力θｔ３を目標操舵角θｔに一致させる。また、入力（目標操舵角）θｔとの差分が変化分設定部２１２の上限及び下限の範囲内の場合には、変化分θｔ２＝差分θｔ１を出力し、過去値に加算するので、その結果出力θｔ３と入力（目標操舵角）θｔは一致する。これらの結果、目標操舵角θｔが急激に変化しても、急激に変化する目標操舵角θｔを滑らかに変化させることができ、急激な電流変化（＝急激な操舵）を防止し、運転者に自動運転の不安感を減少させる機能を果たしている。

このような構成において、全体の動作例を図７のフローチャートを参照して説明する。

操舵系の動作がスタートすると、トルク制御部１４１によるトルク制御（手動操舵モード）が実施され（ステップＳ１）、モータ電流指令値Ｉｔｒｅｆを用いて電流制御/駆動部１４３によりモータ１５０が駆動される（ステップＳ２）。上記動作は切換指令部１３１より切換指令ＳＷが出力されるまで繰り返される（ステップＳ３）。

自動操舵制御となり、切換指令部１３１より切換指令ＳＷが出力されると、舵角制御部２００へ目標操舵角生成部１３２から目標操舵角θｔが入力され（ステップＳ４）、舵角センサ１５２から実操舵角θｒが入力され（ステップＳ５）、モータ角速度演算部１４４からモータ角速度ωが入力され（ステップＳ８）、舵角制御部２００でモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆが生成される（ステップＳ１００）。なお、目標操舵角θｔ、実操舵角θｒ、モータ角速度ωの入力の順番は任意である。

その後、切換部１４２が切換指令部１３１からの切換指令ＳＷにより切り換えられて自動操舵制御となり（ステップＳ１０）、舵角制御部２００からのモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆを用いて電流制御／駆動部１４３によりモータ１５０を駆動する（ステップＳ１１）。

このような自動操舵制御の動作について、図８のフローチャートを参照して詳細に説明する。

先ずレートリミッタ２１０は目標操舵角θｔを入力し（ステップＳ１１０）、前述したような急激変化を円滑化するレートリミッタ処理を行い（ステップＳ１１１）、レートリミッタ処理された目標操舵角θｔ３をＬＰＦでハンドル振動除去のためにＬＰＦ処理（高周波除去）して目標操舵角θｔａを出力する（ステップＳ１１２）。次いで、実操舵角θｒを入力し（ステップＳ１１３）、減算部２０２は目標操舵角θｔａから実操舵角θｒを減算し（ステップＳ１３０）、減算結果である偏差θｂ（＝θｔａ−θｒａ）を位置制御部２４０に入力して位置制御を行い、得られたモータ速度指令値ωｍを速度制御部２５０内の減算部２５１に入力する（ステップＳ１３１）。更に、モータ角速度ωを入力して減算部２５１及び比例部２５３に入力し（ステップＳ１３２）、速度制御部２５０は速度Ｉ−Ｐ制御を実行し、減算部２５４で得られる偏差をモータ電流指令値Ｉｓとして出力する（ステップＳ１３３）。モータ電流指令値Ｉｓはリミッタ２０４で制限処理され（ステップＳ１３６）、上下限値を制限されたモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆが出力される（ステップＳ１３７）。

図９は速度制御にＰＩ制御（細線）、Ｉ−Ｐ制御（太線、破線）を用いて目標舵角が０°から９０°へステップ状に変化したときの、トーションバー捩れ角の時間応答の例を示している。ただし、ＰＩ制御及びＩ−Ｐ制御のＰゲイン、Ｉゲインはそれぞれ同じ設定としている。この結果より、ＰＩ制御と比較して、Ｉ−Ｐ制御の方が捩れ角が小さいことが分かる。更にＩ−Ｐ制御において、目標舵角に対してＬＰＦを介挿した結果を比較して、ＬＰＦがある方が振幅が小さいことが分かる。つまり、速度制御において、Ｉ−Ｐ制御の方が良く、更に目標舵角に対してＬＰＦを介挿したものが最も振動が発生し難い。

図１０は舵角制御部２００の他の構成例を示しており、図４の構成に更にフィードフォワード制御部２３０及び加算部２０３を付加している。即ち、レートリミッタ２１０で処理された目標操舵角θｔ３を微分する微分部２３１と、微分された目標操舵角（速度指令値）θｔ４にゲインＫｆを与えるゲイン部２３２と、ゲインＫｆ倍されたモータ速度指令値の高周波成分を除去するＬＰＦ２３３とで成るフィードフォワード制御部２３０を設け、ＬＰＦ２３３から出力されるモータ速度指令値ωｂを加算部２０３でモータ速度指令値ωｍと加算し、加算されたモータ速度指令値ωｃを速度制御部２５０に入力している。微分部２３１で目標操舵角θｔ３を微分した速度成分を速度指令値に加算しているので、目標操舵角θｔに対する舵角の応答性を向上することができる。

なお、上述では微分部２３１の後段にゲイン部２３２を設けているが、微分部２３１の前段にゲイン部２３２を設けても良い。

図１１はフィードフォワード制御部２３０の有無において、目標舵角に対する実舵角の時間応答の例を示している。この結果より、フィードフォワード制御部２３０を付加した方が、目標舵角（実線）に実舵角（細破線、太破線）が追従していることが分かる。フィードフォワード制御部２３０の時間応答は、図１１の太破線であり、目標舵角（実線）にほぼ追従している。

ところで、駐車支援、自動走行等の自動操舵制御時にはハンドルの舵角制御を行うが、自動操舵制御中は舵角指令値に制御し、手放し運転となることからハンドルトルクによるトルク制御を行わない。自動操舵制御中のハンドル系の慣性で発生するトルク値を検出し、舵角指令値に補償値として加算することによりハンドル振動を抑制することができる。

ステアリング慣性とトーションバー下（モータ、コラム軸等）慣性とトーションバーの間に成り立つ運動方程式は、下記数１となる。ただし、自動操舵制御中にステアリングに加わる荷重トルクは０とする。

ただし、Ｊはトーションバーの下慣性、Ｊｈはステアリング慣性モーメント、Ｃｔはトーションバー粘性係数、Ｋｔはトーションバーばね定数、θｈはハンドル角度（操舵角）、θはトーションバー下角度、Ｔは駆動トルクである。

駆動トルクＴに対する捩れ角Δθ（＝θ−θｈ）の伝達関数は、下記数２となる。

ただし、共振各周波数ωａ、***振各周波数ωｚ、減衰比ζａは下記数３である。

自動操舵制御中、駆動トルクＴに対して捩れ角Δθは共振各周波数ωａ及び減衰比ζａで応答する。これらの特性は設計値により決定されるため、減衰比ζａが小さい場合、捩れ角Δθは収束性の悪い振動が発生するため、自動操舵制御中にステアリングの振動継続時間が長くなり、運転者にとって好ましくない挙動となる。

トルクセンサで検出した操舵トルクＴはトーションバーの捩れ角Δθに比例するため、検出した操舵トルクＴの比例補償、微分補償の成分を駆動トルクにフィードバックさせると、下記数４となる。

補償トルクを含む駆動トルクＴ’は上記数４で表され、駆動トルクＴ’に対する捩れ角Δθの伝達関数は、下記数５となる。

上記数５より、補償トルクを含む系の共振周波数ωａ’、減衰比ζａ’は下記数６のようになる。

共振周波数ωａ’、減衰比ζａ’を見ると分かるように、比例補償ゲインＫｐ及び微分補償ゲインＫｄにより補償トルクを付与することは、減衰比と共振周波数を調整することと等価である。従って、自動操舵制御にトルク及びトルク微分の信号を補償系として追加することによって、機械的な特性を調整することなく、運転者にとって好ましい振動に共振周波数と減衰比を調整することができるようになる。

図１２は本発明の構成例（第２実施例）を、第１実施例の図３に対応させて示しており、ＥＰＳ側のＥＣＵ１４０内の舵角制御部２００Ａのみが異なる。舵角制御部２００Ａには、トルクセンサ１５４からの操舵トルクＴｈが入力されている。

舵角制御部２００Ａは図４に対応させて図１３に示すような構成となっており、減算部２０２で目標操舵角θｔ及び実実操舵角θｒの偏差角θｅが求められ、偏差角θｅが位置制御部２４０に入力され、ゲイン部２４１でゲインＫｐｐ倍され、モータ速度指令値ωｍとして速度制御部２５０内の減算部２５１に加算入力される。減算部２５１にはモータ角速度演算部１４４からのモータ角速度ωが減算入力され、演算された速度偏差Ｄｆが比例積分部２５２でゲインＫｖｉ倍と積分され、減算部２５４に加算入力される。また、モータ角速度ωは速度制御部２５０内のゲイン部２５３に入力され、ゲインＫｖｐ倍され、減算部２５４に減算入力される。減算部２５４における減算結果が、モータ電流指令値Ｉｓ（特許請求の範囲におけるモータ電流指令値３）として速度制御部２５０から出力され、加算部２０５に入力される。

また、トルクセンサ１５４からの操舵トルクＴｈはトルク制御部１４１に入力されると共に、舵角制御部２００Ａ内のハンドル制振制御部２６０に入力されて比例微分制御され、比例微分で補正されたモータ電流指令値Ｉｈ（特許請求の範囲におけるモータ電流指令値４）が加算部２０５に入力され、速度制御部２５０からのモータ電流指令値Ｉｓと加算され、加算結果であるモータ電流指令値Ｉｂがリミッタ２０４で上下限値を制限され、モータ電流指令値Ｉｍｒｅｆとして出力される。なお、加算部２０５及びリミッタ２０４で出力部を構成している。

ハンドル制振制御部２６０は、操舵トルクＴｈをゲインＫｃｐ倍するゲイン部２６１と、操舵トルクＴｈを微分する微分部２６２と、微分部２６２で微分された操舵トルクＴｈｓをゲインＫｃｄ倍するゲイン部２６３と、ゲイン部２６１及び２６３の各出力を加算してモータ電流指令値Ｉｈを出力する加算部２６４とで構成されている。

なお、ハンドル制振制御部２６０の入力である操舵トルクＴｈと出力であるモータ電流指令値Ｉｈとの関係は、例えば図１４のようなゲイン（Ａ）及び位相の周波数特性（Ｂ）となっている
このような構成において、全体の動作例を図１５のフローチャートを参照して説明する。

操舵系の動作がスタートすると、トルク制御部１４１によるトルク制御が実施され（ステップＳ３０）、モータ電流指令値Ｉｔｒｅｆを用いて電流制御/駆動部１４３によりモータ１５０が駆動される（ステップＳ３１）。上記動作は切換指令部１３１より切換指令ＳＷが出力されるまで繰り返される（ステップＳ３２）。

自動操舵制御となり、切換指令部１３１より切換指令ＳＷが出力されると、目標操舵角生成部１３２から目標操舵角θｔが入力され（ステップＳ３３）、舵角センサ１５２から実操舵角θｒが入力され（ステップＳ３４）、トルクセンサ１５４から操舵トルクＴｈが入力され（ステップＳ３５）、モータ角速度演算部１４４からモータ角速度ωが入力され（ステップＳ３６）、舵角制御部２００Ａでモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆが生成される（ステップＳ２００）。なお、目標操舵角θｔ、実操舵角θｒ、操舵トルクＴｈ、モータ角速度ωの入力順番は適宜変更可能である。

その後、切換部１４２が切換指令部１３１からの切換指令ＳＷにより切り換えられ（ステップＳ４０）、舵角制御部２００Ａからのモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆを用いて電流制御／駆動部１４３によりモータ１５０を駆動し（ステップＳ４１）、上記ステップＳ３２にリターンする。モータ電流指令値Ｉｍｒｅｆによる駆動制御は、切換指令部１３１から切換指令ＳＷが変更されるまで繰り返される。

次に、舵角制御部２００Ａの動作例を、図１６のフローチャートを参照して説明する。

先ず目標操舵角θｔが入力され（ステップＳ２０１）、実操舵角θｒが入力され（ステップＳ２０２）、減算部２０２で“θｔ−θｒ”の減算が行われて偏差角θｅが演算される（ステップＳ２０３）。演算された偏差角θｅは位置制御部２４０内のゲイン部２４１に入力され、ゲインＫｐｐ倍されてモータ速度指令値ωｍが演算され（ステップＳ２０４）、モータ速度指令値ωｍは速度制御部２５０内の減算部２５１に加算入力される。モータ角速度ωが減算部２５１に減算入力され（ステップＳ２０５）、減算部２５１でモータ速度指令値ωｍとモータ角速度ωとの速度偏差Ｄｆ（＝ωｍ−ω）が演算され（ステップＳ２０６）、速度偏差Ｄｆは比例積分部２５２に入力されて積分とゲインＫｖｉ倍され（ステップＳ２０７）、演算されたモータ電流指令値Ｉ１が減算部２５４に加算入力される。モータ角速度ωはゲイン部２５３に入力され、ゲインＫｖｐ倍されたモータ電流指令値Ｉ２が減算部２５４に減算入力される（ステップＳ２０８）。減算部２５４ではモータ電流指令値Ｉ１及びＩ２の偏差（＝Ｉ１−Ｉ２）が演算され、モータ電流指令値Ｉｓとして速度制御部２５０から出力される（ステップＳ２１０）。

操舵トルクＴｈがハンドル制振制御部２６０内のゲイン部２６１及び微分部２６２に入力され（ステップＳ２１１）、ゲイン部２６１でゲインＫｃｐ倍されて加算部２６４に入力される（ステップＳ２１２）。微分部２６２に入力された操舵トルクＴｈは微分され、微分された速度指令値Ｔｈｓがゲイン部２６３でゲインＫｃｄ倍され（ステップＳ２１３）、演算されたモータ電流指令値Ｉ４を加算部でゲイン部２６１からのモータ電流指令値Ｉ３と加算し、モータ電流指令値Ｉｈを演算する（ステップＳ２１４）。速度制御部２５０からのモータ電流指令値Ｉｓ及びハンドル制振制御部２６０からのモータ電流指令値Ｉｈは加算部２０５に入力され、加算部２０５でモータ電流指令値Ｉｂが演算され（ステップＳ２１５）、演算されたモータ電流指令値Ｉｂはリミッタ２０４で上下限値を制限され（ステップＳ２２０）、モータ電流指令値Ｉｆｒｅｆとして出力される（ステップＳ２２１）。

上述ではハンドル制振制御部をトルク（ゲイン）と比例微分で構成しているが、図１７に示すように位相補償部２６５で位相補償し、その後段のゲイン部２６１でゲインＫｃｐ倍してモータ電流指令値Ｉｈを演算するようにしても、同様の効果が得られる。

また、補償ゲインは正負可能であり、共振周波数及び減衰比は上下に適宜調整可能である。

図１８は目標操舵角を０°から３０°にステップ入力した際の、ハンドル捩れ角のシミュレーション結果を示している。制振制御がある場合と、制振制御がない場合の時間応答を比較している。制振制御有りの方が、振幅、収束性が改善されていることが分かる。不用な振動を抑制し、運転者に不快感を与えないようにすることが可能となる。

なお、切換部１４２で操舵モードの切換を行う場合に、フェードゲインを用いて徐変させるようにしても良い。また、上述の例では速度制御部にＩ−Ｐ制御を用いているが、Ｉ−ＰＤ制御、現代制御、ロバスト制御等を用いても良い。

１ ハンドル（ステアリングホイール）
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０、１５４ トルクセンサ
１２、１５３ 車速センサ
１３ バッテリ
２０，１５０ モータ
２１ モータ駆動部
１００ コントロールユニット（ＥＣＵ）
１１０ トルク系制御部
１２０ モータ系制御部
１３０ 車両側のＥＣＵ
１３１ 切換指令部
１３２ 目標操舵角生成部
１４０ ＥＰＳ側のＥＣＵ
１４１ トルク制御部
１４２ 切換部
１４３ 電流制御／駆動部
１４４ モータ角速度演算部
１５１ 回転センサ
１５２ 舵角センサ
２００、２００Ａ 舵角制御部
２０１、２３３ ＬＰＦ
２１０ レートリミッタ
２３０ フィードフォワード制御部
２３１ 微分部
２４０ 位置制御部
２５０ 速度制御部（比例先行型ＰＩ制御）
２６０ ハンドル制振制御部

Claims (10)

1. 操舵トルク及び車速に基づいてモータ電流指令値１を演算し、前記モータ電流指令値１に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御すると共に、自動操舵制御と手動操舵制御とを切り換える機能を有する電動パワーステアリング装置において、
   前記自動操舵制御時に、目標操舵角に実操舵角を近づけるようにモータ電流指令値２を算出する舵角制御部と、
   前記モータ電流指令値１及びモータ電流指令値２を入力し、切換信号により切り換えられる切換部とを具備し、
   前記舵角制御部が、
   前記目標操舵角を円滑化するレートリミッタと、前記レートリミッタの出力及び前記実操舵角の偏差１を入力する位置制御部と、前記位置制御部からのモータ速度指令値１を入力して前記モータ角速度との偏差２を求め、前記偏差２を入力する積分部及び前記モータ角速度を入力する比例部で成り、前記積分部の出力から前記比例部の出力を減算して前記モータ電流指令値２を出力する速度制御部とで構成されている、
   ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記レートリミッタの後段に第１のＬＰＦが設けられている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記レートリミッタの出力を速度成分化して前記モータ速度指令値１に加算するフィードフォワード制御部を設けている請求項１又は３に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記フィードフォワード制御部が、微分部及びゲイン部で構成されている請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記フィードフォワード制御部の出力部に第２のＬＰＦが設けられている請求項５に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 操舵トルク及び車速に基づいてモータ電流指令値１を演算し、前記モータ電流指令値１に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御すると共に、自動操舵制御と手動操舵制御とを切り換える機能を有する電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵トルク、目標操舵角、実操舵角及び前記モータのモータ角速度に基づいてモータ電流指令値２を算出する舵角制御部と、前記モータ電流指令値１及びモータ電流指令値２を入力して切り換える切換部とを具備し、
   前記舵角制御部が、前記目標操舵角及び実操舵角の偏差角に応じたモータ速度指令を出力する位置制御部と、前記モータ速度指令及び前記モータ角速度を入力して速度制御を行う速度制御部と、前記操舵トルクを入力してハンドル制振制御を行うハンドル制振制御部と、前記速度制御部からのモータ電流指令値３及び前記ハンドル制振制御部からのモータ電流指令値４を処理して前記モータ電流指令値２を出力する出力部とで構成され、
   前記速度制御部が、前記モータ速度指令及び前記モータ角速度の偏差を積分する積分部と、前記モータ角速度をゲイン倍するゲイン部２と、前記積分部の出力及び前記ゲイン部２の出力の偏差を求める減算部とで構成され、
   前記自動操舵制御及び手動操舵制御の切換指令に応じて前記切換部が切り換えられ、前記自動操舵制御時に前記モータ電流指令値２に基づいて前記モータを駆動制御することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
7. 前記位置制御部がゲイン部１である請求項７に記載の電動パワーステアリング装置。
8. 前記ハンドル制振制御部が、前記操舵トルクをゲイン倍するゲイン部３と、前記操舵トルクを微分してゲイン倍する微分ゲイン部とで構成されている請求項７又は８に記載の電動パワーステアリング装置。
9. 前記ハンドル制振制御部が、前記操舵トルクの位相を補償する位相補償部及びゲイン部４で構成されている請求項７、８又は１０のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
10. 前記出力部が、加算部及び上下限値を制限するリミッタで構成されている請求項７、８、１０又は１１のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

Images