JP7129003B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、舵角制御用の電動モータの制御装置に関する。

下記特許文献１には、トルクセンサによって検出される操作トルク（操舵トルク）に基づいて目標車輪舵角を定める下流側規範モデル（リファレンスモデル）を含み、実際の車輪舵角が目標車輪舵角に追従するように電動モータを駆動制御するコントローラ（モータ制御装置）が開示されている。

特開２００６－１７５９４０号公報

トルクセンサによって検出可能な操舵トルクの範囲には一定の限度がある。このため、前記特許文献１記載の発明では、例えば、運転者がステアリングホイールに加える操舵トルクがトルクセンサの検出上限値を超えて変化しても、検出トルクが上限値に張り付いて変化せず、目標車輪舵角が操舵トルクの検出上限値に対応した値に固定されてしまう。そのため、運転者は検出上限値に対応した目標車輪舵角以上の操舵ができなくなる。同様に、運転者がステアリングホイールに加える操舵トルクが、運転者が出せる最大値に達してしまうと、最大値に対応した目標車輪舵角よりも大きな値を演算することができないため、運転者はそれ以上の操舵ができなくなる。

この発明の目的は、トルクセンサの検出可能範囲または運転者が操舵部材に加えることができる操舵トルクの最大値によって、転舵角指令値の範囲が制限されるのを抑制できるモータ制御装置を提供することである。

この発明によるモータ制御装置は、操舵装置の舵角制御用の電動モータ（１８）を駆動制御するためのモータ制御装置（２０２）であって、操舵部材（２）に作用する操舵トルクを検出するトルクセンサ（１２）と、前記操舵装置のリファレンスモデルである運動方程式を用いて、前記操舵トルクに基づき舵角指令値を生成する舵角指令値生成部（４１）と、実操舵角が前記舵角指令値に追従するように前記電動モータを駆動制御する制御部（４３）とを含み、前記舵角指令値生成部は、前記運動方程式の反力成分である仮想反力に制限を加える反力制限部（６９；６８Ａ；７１）を含んでいる。

この構成では、舵角指令値の生成に用いられる仮想反力に制限が加えられ、運動方程式が定常状態になるのを防止するので、トルクセンサの検出可能範囲または運転者が操舵部材に加えることができる操舵トルクの最大値によって、転舵角指令値の範囲が制限されるのを抑制できる。
この発明の一実施形態では、前記舵角指令値生成部は、前記運動方程式において、前記操舵トルクに起因する駆動成分である駆動トルクの絶対値がとり得る最大値よりも前記仮想反力の絶対値が小さくなるように、前記仮想反力に制限を加える。

この発明の一実施形態では、前記仮想反力は、仮想ばね反力を含み、前記反力制限部（６９）は、仮想ばね反力の絶対値を第１所定値以下に制限するように構成されている。
この発明の一実施形態では、前記仮想反力は、仮想ばね反力および仮想ダンパ反力の総和であり、前記反力制限部（７１）は、前記想ばね反力および前記仮想ダンパ反力の総和の絶対値を第２所定値以下に制限するように構成されている。

この発明の一実施形態では、前記仮想反力は、ばね係数と前記舵角指令値との積として演算される仮想ばね反力を含み、前記反力制限部（６８Ａ）は、前記舵角指令値の絶対値が第３所定値以下のときに、前記ばね係数を第４所定値に設定し、前記舵角指令値の絶対値が第３所定値よりも大きいときに、前記ばね係数を前記第４所定値よりも低減させるように構成されている。

本発明の一実施形態に係るモータ制御装置が適用された電動パワーステアリングシステムの概略構成を示す模式図である。 モータ制御用ＥＣＵの電気的構成を説明するためのブロック図である。 手動操舵指令値生成部の構成を示すブロック図である。 操舵トルクＴ_ｄに対するアシストトルク指令値Ｔ_ａｃの設定例を示すグラフである。 指令値設定部で用いられるリファレンスＥＰＳモデルの一例を示す模式図である。 指令値設定部の構成を示すブロック図である。 仮想ばね反力制限部の入出力特性を示すグラフである。 角度制御部の構成を示すブロック図である。 トルク制御部の構成を示す模式図である。 指令値設定部の第１変形例を示すブロック図である。 ロアコラム回転角θ_ｃに対するばね係数ｋの設定例を示すグラフである。 第２積分部によって演算されるロアコラム回転角θ_ｃと仮想ばね反力演算部によって演算される制限付き仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ’との関係を示すグラフである。 指令値設定部の第２変形例を示すブロック図である。 仮想反力制限部の入出力特性を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置が適用された電動パワーステアリングシステムの概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリングシステム１は、車両を操向するための操舵部材としてのステアリングホイール（ハンドル）２と、このステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪３を転舵する転舵機構４と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構５とを備えている。ステアリングホイール２と転舵機構４とは、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して機械的に連結されている。

ステアリングシャフト６は、ステアリングホイール２に連結された入力軸８と、中間軸７に連結された出力軸９とを含む。入力軸８と出力軸９とは、トーションバー１０を介して相対回転可能に連結されている。
トーションバー１０の近傍には、トルクセンサ１２が配置されている。トルクセンサ１２は、入力軸８および出力軸９の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール２に与えられた操舵トルク（トーションバートルク）Ｔ_ｄを検出する。この実施形態では、トルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴ_ｄ（以下、「検出トルク」ともいう）は、例えば、左方向への操舵のためのトルクが正の値として検出され、右方向への操舵のためのトルクが負の値として検出され、その絶対値が大きいほど操舵トルクＴ_ｄの大きさが大きくなるものとする。

転舵機構４は、ピニオン軸１３と、転舵軸としてのラック軸１４とを含むラックアンドピニオン機構からなる。ラック軸１４の各端部には、タイロッド１５およびナックルアーム（図示略）を介して転舵輪３が連結されている。ピニオン軸１３は、中間軸７に連結されている。ピニオン軸１３は、ステアリングホイール２の操舵に連動して回転するようになっている。ピニオン軸１３の先端には、ピニオン１６が連結されている。

ラック軸１４は、車両の左右方向に沿って直線状に延びている。ラック軸１４の軸方向の中間部には、ピニオン１６に噛み合うラック１７が形成されている。このピニオン１６およびラック１７によって、ピニオン軸１３の回転がラック軸１４の軸方向移動に変換される。ラック軸１４を軸方向に移動させることによって、転舵輪３を転舵することができる。

ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、この回転が、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して、ピニオン軸１３に伝達される。そして、ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によって、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。
操舵補助機構５は、操舵補助力（アシストトルク）を発生するための電動モータ１８と、電動モータ１８の出力トルクを増幅して転舵機構４に伝達するための減速機１９とを含む。減速機１９は、ウォームギヤ２０と、このウォームギヤ２０と噛み合うウォームホイール２１とを含むウォームギヤ機構からなる。

減速機１９は、伝達機構ハウジングとしてのギヤハウジング２２内に収容されている。以下において、減速機１９の減速比（ギヤ比）をＮで表す場合がある。減速比Ｎは、ウォームホイール２１の角速度ω_ｗｗに対するウォームギヤ２０の角速度ω_ｗｇの比ω_ｗｇ／ω_ｗｗとして定義される。
ウォームギヤ２０は、電動モータ１８によって回転駆動される。また、ウォームホイール２１は、出力軸９に一体回転可能に連結されている。

電動モータ１８によってウォームギヤ２０が回転駆動されると、ウォームホイール２１が回転駆動され、ステアリングシャフト６にモータトルクが付与されるとともにステアリングシャフト６（出力軸９）が回転する。そして、ステアリングシャフト６の回転は、中間軸７を介してピニオン軸１３に伝達される。ピニオン軸１３の回転は、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。

つまり、電動モータ１８によってウォームギヤ２０を回転駆動することによって、電動モータ１８による操舵補助や転舵輪３の転舵が可能となる。電動モータ１８には、電動モータ１８のロータの回転角を検出するための回転角センサ２３が設けられている。
出力軸９に加えられるトルクとしては、電動モータ１８によるモータトルクと、モータトルク以外の外乱トルクとがある。モータトルク以外の外乱トルクＴ_ｌｃには、操舵トルクＴ_ｄ、路面負荷トルク（路面反力トルク）Ｔ_ｒｌ、摩擦トルクＴ_ｆ等が含まれる。

操舵トルクＴ_ｄは、運転者によってステアリングホイール２に加えられる力や、ステアリング慣性によって発生する力等によって、ステアリングホイール２側から出力軸９に加えられるトルクである。
路面負荷トルクＴ_ｒｌは、タイヤに発生するセルフアライニングトルク、サスペンションやタイヤホイールアライメントによって発生する力、ラックアンドピニオン機構の摩擦力等によって、転舵輪３側からラック軸１４を介して出力軸９に加えられるトルクである。

摩擦トルクＴ_ｆは、出力軸９に加えられる摩擦トルクのうち、操舵トルクＴ_ｄおよび路面負荷トルクＴ_ｒｌに含まれていない摩擦トルクである。摩擦トルクＴ_ｆは、主として、減速機１９によって発生する摩擦トルク（ウォームホイール２１とウォームギヤ２０との間に発生する摩擦トルク）からなる。
車両には、車両の進行方向前方の道路を撮影するＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ２５、自車位置を検出するためのＧＰＳ（Global Positioning System）２６、道路形状や障害物を検出するためのレーダー２７および地図情報を記憶した地図情報メモリ２８が搭載されている。

ＣＣＤカメラ２５、ＧＰＳ２６、レーダー２７および地図情報メモリ２８は、運転支援制御や自動運転制御を行うための上位ＥＣＵ（ECU：Electronic Control Unit）２０１に接続されている。上位ＥＣＵ２０１は、ＣＣＤカメラ２５、ＧＰＳ２６およびレーダー２７によって得られる情報および地図情報を元に、周辺環境認識、自車位置推定、経路計画等を行い、操舵や駆動アクチュエータの制御目標値の決定を行う。

この実施形態では、上位ＥＣＵ２０１は、自動操舵のための自動操舵指令値θ_ａｄａｃを設定する。この実施形態では、自動操舵制御は、例えば、目標軌道に沿って車両を走行させるための制御である。自動操舵指令値θ_ａｄａｃは、車両を目標軌道に沿って自動走行させるための操舵角の目標値である。このような自動操舵指令値θ_ａｄａｃを設定する処理は、周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

上位ＥＣＵ２０１によって設定される自動操舵指令値θ_ａｄａｃは、車載ネットワークを介して、モータ制御用ＥＣＵ２０２に与えられる。トルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴ_ｄ、回転角センサ２３の出力信号は、モータ制御用ＥＣＵ２０２に入力される。モータ制御用ＥＣＵ２０２は、これらの入力信号および上位ＥＣＵ２０１から与えられる情報に基づいて、電動モータ１８を制御する。

図２は、モータ制御用ＥＣＵ２０２の電気的構成を説明するためのブロック図である。
モータ制御用ＥＣＵ２０２は、マイクロコンピュータ４０と、マイクロコンピュータ４０によって制御され、電動モータ１８に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）３１と、電動モータ１８に流れる電流（以下、「モータ電流Ｉ」という）を検出するための電流検出回路３２とを備えている。

マイクロコンピュータ４０は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなど）を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、手動操舵指令値生成部４１と、統合角度指令値演算部４２と、制御部４３とを含む。
手動操舵指令値生成部４１は、運転者がステアリングホイール２を操作した場合に、当該ステアリングホイール操作に応じた操舵角（より正確には出力軸９の回転角θ）を手動操舵指令値θ_ｍｄａｃとして設定するために設けられている。手動操舵指令値生成部４１は、トルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴ_ｄを用いて手動操舵指令値θ_ｍｄａｃを生成する。手動操舵指令値θ_ｍｄａｃは、本発明の舵角指令値の一例である。

統合角度指令値演算部４２は、上位ＥＣＵ２０１によって設定される自動操舵指令値θ_ａｄａｃに手動操舵指令値θ_ｍｄａｃを加算して、統合角度指令値θ_ａｃｍｄを演算する。
制御部４３は、統合角度指令値θ_ａｃｍｄに基づいて、電動モータ１８を角度制御する。より具体的には、制御部４３は、操舵角θ（出力軸９の回転角θ）が統合角度指令値θ_ａｃｍｄに近づくように、駆動回路３１を駆動制御する。

制御部４３は、角度制御部４４とトルク制御部（電流制御部）４５とを含む。角度制御部４４は、統合角度指令値θ_ａｃｍｄに基づいて、電動モータ１８のモータトルクの目標値であるモータトルク指令値Ｔ_ｍを演算する。トルク制御部４５は、電動モータ１８のモータトルクがモータトルク指令値Ｔ_ｍに近づくように駆動回路３１を駆動する。
図３は、手動操舵指令値生成部４１の構成を示すブロック図である。

手動操舵指令値生成部４１は、アシストトルク指令値設定部５１と、指令値設定部５２とを含む。
アシストトルク指令値設定部５１は、手動操作に必要なアシストトルクの目標値であるアシストトルク指令値Ｔ_ａｃを設定する。アシストトルク指令値設定部５１は、トルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴ_ｄに基づいて、アシストトルク指令値Ｔ_ａｃを設定する。この実施形態では、アシストトルク指令値Ｔ_ａｃは、電動モータ１８の回転軸に対するトルク指令値である。操舵トルクＴ_ｄに対するアシストトルク指令値Ｔ_ａｃの設定例は、図４に示されている。

アシストトルク指令値Ｔ_ａｃは、電動モータ１８から左方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには正の値とされ、電動モータ１８から右方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには負の値とされる。アシストトルク指令値Ｔ_ａｃは、操舵トルクＴ_ｄの正の値に対しては正をとり、操舵トルクＴ_ｄの負の値に対しては負をとる。そして、アシストトルク指令値Ｔ_ａｃは、操舵トルクＴ_ｄの絶対値が大きくなるほど、その絶対値が大きくなるように設定される。

なお、アシストトルク指令値設定部５１は、操舵トルクＴ_ｄに予め設定された定数を乗算することによって、アシストトルク指令値Ｔ_ａｃを演算してもよい。
図３に戻り、指令値設定部５２は、操舵トルクＴ_ｄとアシストトルク指令値Ｔ_ａｃとに基づいて、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃを設定する。
指令値設定部５２は、基本的には、図５のリファレンスＥＰＳモデルを用いて、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃを設定する。

このリファレンスＥＰＳモデルは、ロアコラムを含む単一慣性モデルである。ロアコラムは、出力軸９およびウォームホイール２１に対応する。図５において、Ｊ_ｃは、ロアコラムの慣性であり、θ_ｃはロアコラムの回転角であり、Ｔ_ｄは、トルクセンサ１２によって検出される操舵トルクである。ロアコラムには、操舵トルクＴ_ｄ、電動モータ１８から出力軸９に作用するトルクＮ・Ｔ_ｍおよび路面負荷トルクＴ_ｒｌが与えられる。以下において、操舵トルクＴ_ｄと、電動モータ１８から出力軸９に作用するトルクＮ・Ｔ_ｍとの和を、操舵トルクＴ_ｄに起因する駆動成分として「駆動トルク」、路面負荷トルクＴ_ｒｌを反力成分として「仮想反力」という場合がある。

路面負荷トルクＴ_ｒｌは、ばね定数ｋおよび粘性減衰係数ｃを用いて、次式(1)で表される。
Ｔ_ｒｌ＝ｋ・θ_ｃ＋ｃ（ｄθ_ｃ／ｄｔ） …(1)
以下において、ｋ・θｃを仮想ばね反力（仮想ばね負荷）Ｔ_ｓｐという場合がある。また、ｃ（ｄθｃ／ｄｔ）を仮想ダンパ反力（仮想ダンパ負荷）Ｔ_ｄａｍという場合がある。

この実施形態では、ばね定数ｋおよび粘性減衰係数ｃとして、予め実験・解析等で求めた所定値が設定されている。
リファレンスＥＰＳモデルの運動方程式は、次式(2)で表される。
Ｊ_ｃ・ｄ^２θ_ｃ／ｄｔ^２＝Ｔ_ｄ＋Ｎ・Ｔ_ｍ－Ｔ_ｒｌ …(2)
したがって、Ｔ_ｄにトルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴ_ｄを代入し、Ｔ_ｍにアシストトルク指令値設定部５１によって設定されるアシストトルク指令値Ｔ_ａｃを代入して、式(2)の微分方程式を解くことにより、ロアコラムの回転角θ_ｃを演算することが考えられる。この方法を「比較方法」ということにする。そして、比較方法によって得られたロアコラムの回転角θ_ｃを手動操舵指令値θ_ｍｄａｃとして設定することが考えられる。

しかしながら、比較方法では、次のような問題が生じるおそれがある。すなわち、トルクセンサ１２によって検出可能な操舵トルクＴ_ｄの範囲には一定の限度がある。また、操作者がステアリングホイール２に加えることができる操舵トルクＴ_ｄにも限界がある。
運転者がステアリングホイール２に加える操舵トルクＴ_ｄがトルクセンサ１２の検出上限値を超えて変化すると、トルクセンサ１２の検出値が検出上限値に張り付いてしまう。このとき、図５のレファレンスＥＰＳモデルにおいては、駆動トルクと仮想反力とが釣り合った定常状態となるため、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃが、駆動トルク（検出上限値および検出上限値に対応するアシストトルクＮ・Ｔ_ａｃの和）に対応した値に固定され、この値よりも大きな手動操舵指令値θ_ｍｄａｃを演算することができなくなる。同様に、運転者がステアリングホイール２に加える力が、運転者が出せる操舵トルクＴ_ｄの最大値（以下、「操舵トルク最大値」という）に達してしまうと、駆動トルク（操舵トルク最大値および操舵トルク最大値に対応するアシストトルクＮ・Ｔ_ａｃの和）に対応した手動操舵指令値θ_ｍｄａｃよりも大きな手動操舵指令値θ_ｍｄａｃを演算することができなくなる。

つまり、比較方法では、トルクセンサ１２の検出可能範囲や運転者が出せる操舵トルク最大値によって、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃの範囲が実質的に制限されるため、運転者は制限された範囲を超えてステアリングホイール２を操舵することができなくなってしまう。
本発明者らは、トルクセンサ１２の検出可能範囲や運転者が出せる操舵トルク最大値によって手動操舵指令値θ_ｍｄａｃの範囲が制限されないようにするためには、式(2)の駆動トルクの絶対値がとり得る最大値（本実施形態では、トルクセンサ１２の検出上限値と、検出上限値に対応するアシストトルクＮ・Ｔ_ａｃとの総和の絶対値）よりも路面負荷トルクＴ_ｒｌ（仮想反力）の絶対値を小さくすればよいと考えた。そこで、この実施形態では、駆動トルクの最大値（絶対値）よりも仮想反力（絶対値）を小さくするために、仮想反力に制限を加えるようにしている。具体的には、本実施形態では、仮想ばね反力Ｔ_ｓｐの絶対値が制限値以下に制限される。

図６は、指令値設定部５２の構成を示すブロック図である。
指令値設定部５２は、所定演算周期毎に、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃを演算する。指令値設定部５２は、減速比乗算部６１と、第１加算部６２と、減算部６３と、慣性除算部６４と、第１積分部６５と、第２積分部６６と、仮想ダンパ反力演算部６７と、仮想ばね反力演算部６８と、仮想ばね反力制限部６９と、第２加算部７０とを含む。説明の便宜上、予め設定されたばね定数をｋ_Ａで表すことにする。

減速比乗算部６１は、アシストトルク指令値設定部５１によって設定されたアシストトルク指令値Ｔ_ａｃに減速機１９の減速比Ｎを乗算することにより、電動モータ１８の回転軸に対するアシストトルク指令値Ｔ_ａｃを、出力軸９に対するアシストトルク指令値Ｎ・Ｔ_ａｃに換算する。
第１加算部６２は、出力軸９に対するアシストトルク指令値Ｎ・Ｔ_ａｃにトルクセンサ１２によって検出された操舵トルクＴ_ｄを加算することにより、前記式(2)の右辺の（Ｔ_ｄ＋Ｎ・Ｔ_ｍ）に相当する駆動トルク（Ｔ_ｄ＋Ｎ・Ｔ_ａｃ）を演算する。

減算部６３は、駆動トルク（Ｔ_ｄ＋Ｎ・Ｔ_ａｃ）から、後述する制限付き仮想反力Ｔ_ｒｌ’を減算することにより、前記式(2)の左辺のＪ_ｃ・ｄ^２θ_ｃ／ｄｔ^２に相当する慣性モーメントを演算する。
慣性除算部６４は、減算部６３によって演算された慣性モーメントＪ_ｃ・ｄ^２θ_ｃ／ｄｔ^２をロアコラムの慣性Ｊ_ｃで除算することにより、ロアコラム回転角θ_ｃの２階微分値ｄ^２θ_ｃ／ｄｔ^２を演算する。

第１積分部６５は、ロアコラム回転角θ_ｃの２階微分値ｄ^２θ_ｃ／ｄｔ^２を積分することにより、ロアコラム回転角θ_ｃの１階微分値ｄθ_ｃ／ｄｔを演算する。
第２積分部６６は、ロアコラム回転角θ_ｃの１階微分値ｄθ_ｃ／ｄｔを積分することにより、ロアコラム回転角θ_ｃを演算する。このロアコラム回転角θ_ｃが、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃとして出力される。

仮想ダンパ反力演算部６７は、第１積分部６５によって演算されたロアコラム回転角θ_ｃの１階微分値ｄθ_ｃ／ｄｔに、予め設定された粘性減衰係数ｃを乗算することにより、仮想ダンパ反力Ｔ_ｄａｍ（＝ｃ・ｄθ_ｃ／ｄｔ）を演算する。
仮想ばね反力演算部６８は、第２積分部６６によって演算されたロアコラム回転角θ_ｃ（手動操舵指令値θ_ｍｄａｃ）に、予め設定されたばね定数ｋ_Ａを乗算することにより、仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ（＝ｋ_Ａ・θ_ｃ）を演算する。

仮想ばね反力制限部６９は、仮想ばね反力Ｔ_ｓｐの絶対値を所定の制限値Ａ（ただし、Ａ＞０）以下に制限する。仮想ばね反力制限部６９の入出力特性を図７に示す。仮想ばね反力制限部６９は、入力された仮想ばね反力Ｔ_ｓｐが－Ａ≦Ｔ_ｓｐ≦Ａの範囲内にあるときには、入力された仮想ばね反力Ｔ_ｓｐをそのまま出力する。入力された仮想ばね反力Ｔ_ｓｐがＡよりも大きいときには、仮想ばね反力制限部６９は制限値Ａを出力する。入力された仮想ばね反力Ｔ_ｓｐが－Ａ未満であるときには、仮想ばね反力制限部６９は、－Ａを出力する。

第２加算部７０は、仮想ダンパ反力Ｔ_ｄａｍに、仮想ばね反力制限部６９による制限処理後の仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ’を加算することにより、制限付き仮想反力Ｔ_ｒｌ’（＝Ｔ_ｄａｍ＋Ｔ_ｓｐ’）を演算する。この制限付き仮想反力Ｔ_ｒｌ’（＝Ｔ_ｄａｍ＋Ｔ_ｓｐ’）が、減算部６３に与えられる。
なお、制限値Ａには、制限付き仮想反力Ｔ_ｒｌ’の絶対値が、駆動トルクの絶対値がとり得る最大値よりも小さくなるように、予め実験・解析等で求めた所定値が設定されている。

図８は、角度制御部４４の構成を示すブロック図である。
角度制御部４４は、統合角度指令値θ_ａｃｍｄに基づいてモータトルク指令値Ｔ_ｍを演算する。角度制御部４４は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）８１と、フィードバック制御部８２と、フィードフォワード制御部８３と、トルク加算部８４と、第１減速比除算部８５と、回転角演算部８６と、第２減速比除算部８７とを含む。

回転角演算部８６は、回転角センサ２３の出力信号に基づいて、電動モータ１８のロータ回転角θ_ｍを演算する。第２減速比除算部８７は、回転角演算部８６によって演算されるロータ回転角θ_ｍを減速比Ｎで除算することにより、ロータ回転角θ_ｍを出力軸９の回転角（実操舵角）θに換算する。
ローパスフィルタ８１は、統合角度指令値θ_ａｃｍｄに対してローパスフィルタ処理を行う。ローパスフィルタ処理後の統合角度指令値θ_ｃｍｄは、フィードバック制御部８２およびフィードフォワード制御部８３に与えられる。

フィードバック制御部８２は、第２減速比除算部８７によって演算される実操舵角θを、ローパスフィルタ処理後の統合角度指令値θ_ｃｍｄに近づけるために設けられている。フィードバック制御部８２は、角度偏差演算部８２ＡとＰＤ制御部８２Ｂとを含む。角度偏差演算部８２Ａは、統合角度指令値θ_ｃｍｄと実操舵角θとの偏差Δθ（＝θ_ｃｍｄ－θ）を演算する。

ＰＤ制御部８２Ｂは、角度偏差演算部８２Ａによって演算される角度偏差Δθに対してＰＤ演算（比例微分演算）を行うことにより、フィードバック制御トルクＴ_ｆｂを演算する。フィードバック制御トルクＴ_ｆｂは、トルク加算部８４に与えられる。
フィードフォワード制御部８３は、電動パワーステアリングシステム１の慣性による応答性の遅れを補償して、制御の応答性を向上させるために設けられている。フィードフォワード制御部８３は、角加速度演算部８３Ａと慣性乗算部８３Ｂとを含む。角加速度演算部８３Ａは、統合角度指令値θ_ｃｍｄを２階微分することにより、目標角加速度ｄ^２θ_ｃｍｄ／ｄｔ^２を演算する。

慣性乗算部８３Ｂは、角加速度演算部８３Ａによって演算された目標角加速度ｄ^２θ_ｃｍｄ／ｄｔ^２に、電動パワーステアリングシステム１の慣性Ｊを乗算することにより、フィードフォワード制御トルクＴ_ｆｆ（＝Ｊ・ｄ^２θ_ｃｍｄ／ｄｔ^２）を演算する。慣性Ｊは、例えば、電動パワーステアリングシステム１の物理モデル（図示略）から求められる。フィードフォワード制御トルクＴ_ｆｆは、慣性補償値として、トルク加算部８４に与えられる。

トルク加算部８４は、フィードバック制御トルクＴ_ｆｂにフィードフォワード制御トルクＴ_ｆｆを加算することにより、操舵トルク指令値Ｔ_ｃｍｄ（＝Ｔ_ｆｂ＋Ｔ_ｆｆ）を演算する。操舵トルク指令値Ｔ_ｃｍｄは、出力軸９に対するトルク指令値である。
操舵トルク指令値Ｔ_ｃｍｄは、第１減速比除算部８５に与えられる。第１減速比除算部８５は、操舵トルク指令値Ｔ_ｃｍｄを減速比Ｎで除算することにより、モータトルク指令値Ｔ_ｍを演算する。このモータトルク指令値Ｔ_ｍが、トルク制御部４５（図２参照）に与えられる。

図９は、トルク制御部４５の構成を示す模式図である。
トルク制御部４５（図２参照）は、モータ電流指令値演算部９１と、電流偏差演算部９２と、ＰＩ制御部９３と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部９４とを含む。
モータ電流指令値演算部９１は、角度制御部４４（図２、図８参照）によって演算されたモータトルク指令値Ｔ_ｍを電動モータ１８のトルク定数Ｋ_ｔで除算することにより、モータ電流指令値Ｉ_ｃｍｄを演算する。

電流偏差演算部９２は、モータ電流指令値演算部９１によって得られたモータ電流指令値Ｉ_ｃｍｄと電流検出回路３２によって検出されたモータ電流Ｉとの偏差ΔＩ（＝Ｉ_ｃｍｄ－Ｉ）を演算する。
ＰＩ制御部９３は、電流偏差演算部９２によって演算された電流偏差ΔＩに対するＰＩ演算（比例積分演算）を行うことにより、電動モータ１８に流れるモータ電流Ｉをモータ電流指令値Ｉ_ｃｍｄに導くための駆動指令値を生成する。ＰＷＭ制御部９４は、前記駆動指令値に対応するデューティ比のＰＷＭ制御信号を生成して、駆動回路３１に供給する。これにより、駆動指令値に対応した電力が電動モータ１８に供給されることになる。

前述の実施形態では、自動操舵指令値θ_ａｄａｃに手動操舵指令値θ_ｍｄａｃが加算されて、統合角度指令値θ_ａｃｍｄが演算され、この統合角度指令値θ_ａｃｍｄに基づいて電動モータ１８が制御される。これにより、手動操舵制御と自動操舵制御との間で切り替えを行うことなく、自動操舵制御主体での操舵制御を行いながら手動操舵が可能な協調制御を実現できる。また、手動操舵制御と自動操舵制御との間での移行をシームレスに行うことができるので、手動操舵を行う際に運転者に違和感を与えない。

また、前述の実施形態では、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃを演算するために用いられる仮想ばね反力Ｔ_ｓｐの絶対値を所定の制限値Ａ以下に制限することにより、制限付き仮想反力Ｔ_ｒｌ’の絶対値が、駆動トルクの絶対値がとり得る最大値（トルクセンサ１２の検出上限値と、この検出上限値に対応するアシストトルクＮ・Ｔ_ａｃとの和の絶対値）よりも小さくなるように制限される。そのため、トルクセンサ１２の検出上限値を超えた操舵トルクＴ_ｄがステアリングホイール２に加えられてトルクセンサ１２の検出値が検出上限値に張り付いた状態であっても、図５のリファレンスＥＰＳモデルにおいては、駆動トルクと仮想反力が釣り合った定常状態にはならない。すなわち、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃが、駆動トルク（検出上限値および検出上限値に対応するアシストトルクＮ・Ｔ_ａｃの和）に対応した値に固定されないので、運転者の操舵が制限されることもない。

また、駆動トルクの絶対値がとり得る最大値を、運転者がある程度余裕をもって加えることができる操舵トルクＴ_ｄと、この操舵トルクＴ_ｄに対応するアシストトルクＮ・Ｔ_ａｃとの和に基づき設定すれば、運転者がステアリングホイール２に加えることができる操舵トルク最大値によって、手動操舵指令値θ_ｍｄａｃの範囲が実質的に制限されることも効果的に抑制することができる。

図１０は、指令値設定部５２の第１変形例を示すブロック図である。図１０において、前述の図６の各部に対応する部分には、図６と同じ符号を付して示す。
図１０の指令値設定部５２では、図６の仮想ばね反力演算部６８および仮想ばね反力制限部６９からなる構成が、ばね係数設定部６８Ａおよび仮想ばね反力演算部６９Ａからなる構成に置き換えられている。ただし、仮想ばね反力演算部６９Ａは、制限付き仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ’を演算するものである。

ばね係数設定部６８Ａは、第２積分部６６によって演算されるロアコラム回転角θ_ｃ（手動操舵指令値θ_ｍｄａｃ）と、予め設定されたばね係数ｋ_Ａとに基づいて、ばね係数ｋを設定する。
ロアコラム回転角θ_ｃに対するばね係数ｋの設定例は、図１１に示されている。ロアコラム回転角θ_ｃがーθ_Ａ≦θ_ｃ≦θ_Ａの範囲内にあるときには、ばね定数ｋは予め設定された所定値ｋ_Ａに設定される。ロアコラム回転角θ_ｃがーθ_Ａ未満またはθ_Ａよりも大きいときには、ばね定数ｋは、ロアコラム回転角θ_ｃの絶対値が大きくなるほどばね定数ｋの絶対値が小さくなるように設定される。より具体的には、ロアコラム回転角θ_ｃがーθ_Ａ未満またはθ_Ａよりも大きいときには、ばね定数ｋは、ｋ＝ｋ_Ａ・θ_Ａ／｜θ_ｃ｜の式に基づいて演算される。

仮想ばね反力演算部６９Ａは、ばね係数設定部６８Ａによって演算されるばね係数ｋを、第２積分部６６によって演算されるロアコラム回転角θ_ｃに乗算することによって、制限付き仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ’（＝ｋ・θ_ｃ）を演算する。
図１２は、第２積分部６６によって演算されるロアコラム回転角θ_ｃと仮想ばね反力演算部６９Ａによって演算される制限付き仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ’との関係を示すグラフである。

ロアコラム回転角θ_ｃがーθ_Ａ≦θ_ｃ≦θ_Ａの範囲内にあるときには、制限付き仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ’はｋ_Ａ・θ_ｃとなる。つまり、この場合には、仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ（＝ｋ_Ａ・θ_ｃ）は制限されない。
一方、ロアコラム回転角θ_ｃがーθ_Ａ未満またはθ_Ａよりも大きいときには、制限付き仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ’の絶対値は、ｋ_Ａ・θ_Ａで表される所定値に固定される。つまり、この場合には、仮想ばね反力Ｔ_ｓｐ（＝ｋ_Ａ・θ_ｃ）の絶対値が所定値以下に制限されることになる。なお、ばね係数ｋ_Ａおよびロアコラム回転角θ_Ａは、制限付き仮想反力Ｔ_ｒｌ’が駆動トルクの絶対値がとり得る最大値よりも小さくなるように、予め実験・解析等で求めた所定値が設定されている。したがって、この第１変形例においても、前述した実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、指令値設定部５２の第２変形例を示すブロック図である。図１３において、前述の図６の各部に対応する部分には、図６と同じ符号を付して示す。
図１３の指令値設定部５２では、図６のばね反力制限部６９が設けられていない。その代わりに、図１３の指令値設定部５２では、第２加算部７０の後段に仮想反力制限部７１が設けられている。

第２加算部７０は、仮想ダンパ反力演算部６７によって演算された仮想ダンパ反力Ｔ_ｄａｍに、ばね反力演算部６７によって演算された仮想ばね反力Ｔ_ｓｐを加算することにより、仮想反力Ｔ_ｒｌ（＝Ｔ_ｄａｍ＋Ｔ_ｓｐ）を演算する。
仮想反力制限部７１は、第２加算部７０によって演算された仮想反力Ｔ_ｒｌの絶対値を所定の制限値Ｂ（ただし、Ｂ＞０）以下に制限する。仮想反力制限部７１の入出力特性を図１４に示す。仮想反力制限部７１は、入力された仮想反力Ｔ_ｒｌが－Ｂ≦Ｔ_ｒｌ≦Ｂの範囲内にあるときには、入力された仮想反力Ｔ_ｒｌをそのまま出力する。入力された仮想反力Ｔ_ｒｌがＢよりも大きいときには、仮想反力制限部７１は制限値Ｂを出力する。入力された仮想反力Ｔ_ｒｌが－Ｂ未満であるときには、仮想反力制限部７１は、－Ｂを出力する。制限値Ｂには、予め実験・解析等で求めた所定値が設定されている。仮想反力制限部７１による制限処理後の仮想反力Ｔ_ｒｌ’が、減算部６３に与えられる。なお、制限値Ｂには、制限付き仮想反力Ｔ_ｒｌ’が駆動トルクの絶対値がとりうる最大値よりも小さくなるように、予め実験・解析等で求めた所定値が設定されている。

この第２変形例においても、仮想反力の絶対値が所定値以下に制限されるので、前述の実施形態と同様な効果が得られる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。例えば、前述の実施形態では、角度制御部４４（図６参照）は、フィードフォワード制御部８３を備えているが、フィードフォワード制御部８３を省略してもよい。

また、前述の実施形態では、手動操舵指令値生成部４１は、アシストトルク指令値設定部５１を含んでいるが、アシストトルク指令値設定部５１は省略してもよい。この場合、リファレンスＥＰＳモデルから電動モータ１８から出力軸９に作用するトルクＮ・Ｔ_ｍが省略され、駆動トルクはトルクセンサ１２によって検出される操舵トルクＴ_ｄのみで構成される。

また、前述の実施形態では、この発明をコラムタイプＥＰＳのモータ制御に適用した場合の例を示したが、この発明は、コラムタイプ以外のＥＰＳのモータ制御にも適用することができる。また、この発明は、ステアバイワイヤシステムの転舵角制御用の電動モータの制御にも適用することができる。
その他、この発明は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…電動パワーステアリング装置、３…転舵輪、４…転舵機構、１８…電動モータ、４１…手動操舵指令値生成部、４２…統合角度指令値演算部、４３…制御部、５１…アシストトルク指令値設定部、５２…指令値設定部、６１…減速比乗算部、６２…第１加算部、６３…減算部、６４…慣性除算部、６５…第１積分部、６６…第２積分部、６７…仮想ダンパ反力演算部、６８…仮想ばね反力演算部、６９…仮想ばね反力制限部、７０…第２加算部７０、６８Ａ…ばね係数設定部、６９Ａ…仮想ばね反力演算部、７１…仮想反力制限部

Claims (5)

1. 操舵装置の舵角制御用の電動モータを駆動制御するためのモータ制御装置であって、
   操舵部材に作用する操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   前記操舵装置のリファレンスモデルである運動方程式を用いて、前記操舵トルクに基づき舵角指令値を生成する舵角指令値生成部と、
   実操舵角が前記舵角指令値に追従するように前記電動モータを駆動制御する制御部とを含み、
   前記舵角指令値生成部は、前記運動方程式の反力成分である仮想反力に制限を加える反力制限部を含んでいる、モータ制御装置。
2. 前記舵角指令値生成部は、前記運動方程式において、前記操舵トルクに起因する駆動成分である駆動トルクの絶対値がとり得る最大値よりも前記仮想反力の絶対値が小さくなるように、前記仮想反力に制限を加える、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記仮想反力は、仮想ばね反力を含み、
   前記反力制限部は、仮想ばね反力の絶対値を第１所定値以下に制限するように構成されている、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記仮想反力は、仮想ばね反力および仮想ダンパ反力の総和であり、
   前記反力制限部は、前記想ばね反力および前記仮想ダンパ反力の総和の絶対値を第２所定値以下に制限するように構成されている、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
5. 前記仮想反力は、ばね係数と前記舵角指令値との積として演算される仮想ばね反力を含み、
   前記反力制限部は、前記舵角指令値の絶対値が第３所定値以下のときに、前記ばね係数を第４所定値に設定し、前記舵角指令値の絶対値が第３所定値よりも大きいときに、前記ばね係数を前記第４所定値よりも低減させるように構成されている、請求項１または２に記載のモータ制御装置。

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