JP7194326B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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Description
この発明の目的は、外乱トルクを補償でき、精度の高いモータ制御が行えるモータ制御装置を提供することである。
請求項2に記載の発明は、前記外乱オブザーバは、前記目標モータトルク設定手段によって設定される目標モータトルクまたは前記電動モータが発生しているモータトルクと、前記回転角検出手段によって検出される回転角(θm)とに基づいて、前記外乱トルク(^Tld)および前記プラントの回転角(^θ)を推定するように構成されており、前記基本目標トルク設定手段は、前記プラントの回転角の目標値である目標回転角(θcmd)と、前記外乱オブザーバによって推定される前記プラントの回転角(^θ)との差を演算する角度偏差演算手段(62A)と、前記角度偏差演算手段によって演算される角度偏差に対して所定のフィードバック演算を行うことにより、前記基本目標トルク(Tfb)を演算する基本目標トルク演算手段(62B)とを含む、請求項1に記載のモータ制御装置である。
請求項7に記載の発明は、ステアリングホイール(2)にトーションバー(10)を介して連結されたステアリングコラム(9,21)に、操舵力を付与する電動モータ(18)を制御するモータ制御装置であって、前記電動モータの回転角を検出する回転角検出手段(23)と、前記電動モータのモータトルクの目標値である目標モータトルクを設定する目標モータトルク設定手段(42A)と、前記目標モータトルクに基づいて前記電動モータのモータトルクをフィードバック制御する制御手段(45,46)とを含み、前記目標モータトルク設定手段は、基本目標トルクを設定する基本目標トルク設定手段(62;62 and 63)と、前記目標モータトルクまたは前記電動モータが発生しているモータトルクと、前記回転角とに基づいて、前記ステアリングコラムに作用する前記電動モータのモータトルク以外の外乱トルクを推定する外乱オブザーバ(64)と、前記ステアリングホイールの振動を抑制するための制振トルクを演算する制振トルク演算手段(160,161)と、前記基本目標トルク設定手段によって設定された基本目標トルクを、前記外乱トルクおよび前記制振トルクによって補正する補正手段(65)と、前記補正手段による補正後の基本目標トルクに基づいて、前記目標モータトルクを演算する目標モータトルク演算手段とを含む、モータ制御装置である。
請求項8に記載の発明は、前記ステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段(12)を含み、前記制振トルク演算手段は、前記操舵トルクに所定の制振ゲインを乗算することによって、制振トルクを演算するように構成されており、前記基本目標トルク設定手段は、前記ステアリングコラムの回転角の目標値である目標回転角と、前記外乱オブザーバによって推定される前記ステアリングコラムの回転角または前記回転角検出手段によって検出される回転角から演算される前記ステアリングコラムの回転角との差を演算する角度偏差演算手段(62A)と、前記角度偏差演算手段によって演算される角度偏差に対して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を演算するフィードバック制御トルク演算手段(62)とを含む、請求項7に記載のモータ制御装置である。
KP=ωa2 …(b)
KD=4ωa …(c)
KR=4/JSW …(d)
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。
この電動パワーステアリングシステム(EPS:electric power steering)1は、コラム部に電動モータと減速機とが配置されているコラムタイプEPSである。
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に加えられるステアリング側外乱トルクTd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ステアリング側外乱トルクTd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ステアリング側外乱トルクの大きさが大きくなるものとする。
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。
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。すなわち、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。
トルクセンサ12によって検出されるステアリング側外乱トルクTd、回転角センサ23の出力信号、車速センサ24によって検出される車速Vは、ステアリング制御用ECU202に入力される。ステアリング制御用ECU202は、これらの入力信号および自動運転制御用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、ステアリング制御用ECU202の電気的構成を説明するためのブロック図である。
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、目標アシストトルク設定部41と、目標自動操舵トルク設定部42と、モード切替部(目標トルク切替部)43と、目標モータ電流演算部44と、電流偏差演算部45と、PI制御部46と、PWM(Pulse Width Modulation)制御部47とを含む。
モード切替部43には、目標アシストトルクTm1と、目標自動操舵トルクTm2と、自動運転制御用ECU201からのモード切替信号と、トルクセンサ12によって検出されるステアリング側外乱トルクTdとが入力される。モード切替部43は、自動運転制御用ECU201からのモード切替信号に従って制御モードを切り替える。また、制御モードが自動操舵モードに設定されているときに、例えば、トルクセンサ12によって検出されるステアリング側外乱トルクTdの絶対値|Td|が所定のトルク閾値以上となると、モード切替部43は、制御モードを手動操舵モードに切り替える。
電流偏差演算部45は、目標モータ電流演算部44によって得られた目標モータ電流Icmd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(=Icmd-I)を演算する。
目標自動操舵トルク設定部42は、目標舵角θcmdaに基づいて目標自動操舵トルクTm2を演算する。目標自動操舵トルク設定部42は、ローパスフィルタ(LPF)61と、フィードバック制御部62と、フィードフォワード制御部63と、外乱トルク推定部64と、トルク加算部65と、第1減速比徐算部66と、減速比乗算部67と、回転角演算部68と、第2減速比徐算部69とを含む。以下において、目標自動操舵トルク設定部42によって演算される目標自動操舵トルクTm2を、説明の便宜上、「目標自動操舵トルクTm」という場合がある。
回転角演算部68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θmを演算する。第2減速比徐算部69は、回転角演算部68によって演算されるロータ回転角θmを減速比Nで徐算することにより、ロータ回転角θmを出力軸9の回転角(実舵角)θに換算する。図1の実施形態においては、出力軸9の回転角(操舵角)を「舵角」という。
フィードバック制御部62は、外乱トルク推定部64によって演算される舵角推定値^θを、ローパスフィルタ処理後の目標舵角θcmd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62は、角度偏差演算部62AとPD制御部62Bとを含む。角度偏差演算部62Aは、ローパスフィルタ処理後の目標舵角θcmdと、外乱トルク推定部64によって演算される舵角推定値^θとの偏差Δθ(=θcmd-^θ)を演算する。なお、角度偏差演算部62Aは、ローパスフィルタ処理後の目標舵角θcmdと、第2減速比徐算部69によって演算される実舵角θとの偏差(θcmd-θ)を、角度偏差Δθとして演算するようにしてもよい。
フィードフォワード制御部63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63は、角加速度演算部63Aと慣性乗算部63Bとを含む。角加速度演算部63Aは、ローパスフィルタ処理後の目標舵角θcmdを2階微分することにより、目標角加速度d2θcmd/dt2を演算する。慣性乗算部63Bは、角加速度演算部63Aによって演算された目標角加速度d2θcmd/dt2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トルクTff(=J・d2θcmd/dt2)を演算する。慣性Jは、例えば、後述する電動パワーステアリングシステム1の物理モデル(図4参照)から求められる。フィードフォワードトルクTffは、慣性補償値として、トルク加算部65に与えられる。
外乱トルク推定部64について詳しく説明する。外乱トルク推定部64は、電動パワーステアリングシステム1の物理モデルを使用して、外乱トルク推定値^Tld、舵角推定値^θおよび角速度推定値d^θ/dtを演算する外乱オブザーバから構成されている。
この物理モデル71は、出力軸9および出力軸9に固定されたウォームホイール21を含むステアリングコラム(プラント)72を含む。ステアリングコラム72には、ステアリングホイール2からトーションバー10を介してステアリング側外乱トルクTdが与えられるとともに、転舵輪3側から路面反力トルクTlsが与えられる。さらに、ステアリングコラム72には、ウォームギヤ20を介してモータトルクN・Tmが与えられるとともに、ウォームホイール21とウォームギヤ20との間の摩擦によって摩擦トルクTfが与えられる。
前記式(3)の拡張状態方程式から、次式(5)の方程式で表される外乱オブザーバ(拡張状態オブザーバ)が構築される。
外乱トルク推定部64は、前記式(5)の方程式に基づいて状態変数ベクトル^xeを演算する。
図5は、外乱トルク推定部64の構成を示すブロック図である。
外乱トルク推定部64は、入力ベクトル入力部81と、出力行列乗算部82と、第1加算部83と、ゲイン乗算部84と、入力行列乗算部85と、システム行列乗算部86と、第2加算部87と、積分部88と、状態変数ベクトル出力部89とを含む。
積分部88の出力が状態変数ベクトル^xe(前記式(6)参照)となる。演算開始時には、状態変数ベクトル^xeとして初期値が与えられる。状態変数ベクトル^xeの初期値は、たとえば0である。
第1加算部83は、第2減速比徐算部69(図3参照)によって演算された実舵角θである出力ベクトル(測定値)yから、出力行列乗算部82の出力(Ce・^xe)を減算する。つまり、第1加算部83は、出力ベクトルyと出力ベクトル推定値^y(=Ce・^xe)との差(y-^y)を演算する。ゲイン乗算部84は、第1加算部83の出力(y-^y)にオブザーバゲインL(前記式(5)参照)を乗算する。
例えば、この発明によるモータ制御装置は、図6に示すような、デュアルピニオンタイプの電動パワーステアリングシステムの自動操舵制御にも適用することができる。
図6のステアリング制御用ECU202の電気的構成は、図1のステアリング制御用ECU202の電気的構成(図2参照)と同様である。ただし、図6の電動パワーステアリングシステム1Aでは、プラント(モータ駆動対象)は、第2ピニオン軸91および第2ピニオン軸91に固定されたウォームホイールから構成される。減速比Nとしては、図6の減速機19の減速比が用いられる。
ステアバイワイヤシステム1Bは、ステアリングホイール2と、転舵輪3を転舵するための転舵機構4と、ステアリングホイール2に連結されたステアリングシャフト6とを含む。ただし、ステアリングシャフト6は、転舵機構4に機械的に連結されていない。
転舵アクチュエータ130は、図6の操舵補助機構5と同様な構成を有している。つまり、転舵アクチュエータ130は、転舵モータ18と、減速機19と、ピニオン軸91と、ピニオン92と、ラック93とを含む。ピニオン軸91は、ステアリングシャフト6とは、分離して配置されている。減速機19は、転舵モータ18の出力軸に一体的に回転可能に連結されたウォーム軸(図示略)と、このウォーム軸と噛み合い、ピニオン軸91に一体的に回転可能に連結されたウォームホイール(図示略)とを含むウォームギヤ機構からなる。
自動運転制御用ECU201は、自動操舵のための目標舵角(目標転舵角)θcmdaを演算するとともに、自動操舵モードスイッチ29の操作に応じたモード切替信号(自動操舵モード設定信号または自動操舵モード解除信号)を生成する。自動運転制御用ECU201によって演算される目標舵角θcmdaおよび自動運転制御用ECU201によって生成されるモード切替信号は、ステアリング制御用ECU203に与えられる。 回転角センサ23,123の出力信号および車速センサ24によって検出される車速Vは、ステアリング制御用ECU203に入力される。ステアリング制御用ECU203は、これらの入力信号と自動運転制御用ECU201から与えられる情報に基づいて、反力モータ122および転舵モータ18を制御する。つまり、ステアリング制御用ECU203は、反力モータ122のモータ制御回路と、転舵モータ18のモータ制御回路とを含んでいる。
転舵モータ18のモータ制御回路は、マイクロコンピュータによって構成される転舵モータ制御部141と、転舵モータ制御部141によって制御され、転舵モータ18に電力を供給する駆動回路(インバータ回路)142と、転舵モータ18に流れるモータ電流を検出する電流検出回路143とを備えている。
目標舵角設定部151は、例えば、回転角センサ123の出力に基づいて演算される操舵角θhと車速センサ24によって検出される車速Vとに基づいて手動操舵モード時用の目標操舵角を演算し、この目標操舵角から手動操舵モード時用の転舵輪3の転舵角(例えば、ピニオン軸91の回転角)の目標値である目標舵角θcmdbを設定する。この目標舵角θcmdbは、モード切替部152に与えられる。
さらにこの発明は、角度フィードバック制御以外のフィードバック制御によって電動モータを制御する場合にも、適用可能である。
前述の全ての実施形態において、外乱トルク推定部64は、目標モータトルク(目標自動操舵トルクTm2)と実舵角θ(プラントの回転角θ)とに基づいて外乱トルク^Tldを推定しているが、電動モータ18が発生しているモータトルクを取得するモータトルク取得部を設け、このモータトルク取得部で取得したモータトルクを目標モータトルクTm2の代わりに用いてもよい。
この目標自動操舵トルク設定部42Aは、図3に示される目標自動操舵トルク設定部42に比べて、制振トルク演算部160が設けられている点が異なっている。制振トルク演算部160は、自動制御モード時におけるステアリングホイール2の振動を抑制するための制振トルクを演算する。制振トルク演算部160は、この変形例では、乗算部161から構成されている。乗算部161は、トルクセンサ12によって検出される自動運転中(手放し状態)のステアリングホイール慣性トルク(以下、操舵トルク)に予め設定された制振ゲインKR(KR>1)を乗算して、制振トルクKR・Tdを演算する。
この目標自動操舵トルク設定部42Aにおいても前述の目標自動操舵トルク設定部42と同様に、ステアリングコラムに外乱として発生する非線形な外乱トルク(モータトルク以外のトルク)が補償される。このため、自動制御モード時の電動パワーステアリングシステム1は、図10Aに示すように、外乱トルクに依存しない2慣性(ステアリングホイール2の慣性JSWおよびステアリングコラム181の慣性JC)のモデルとして取り扱うことが可能となる。ステアリングコラム181は、出力軸9およびウォームホイール21を含む。
このコラム角加速度d2θ/dt2にコラム慣性JCを乗算した値に応じたモータトルクN・Tmが、電動モータ18からステアリングコラム181(図10A参照)に与えられる。このモータトルクN・Tmにコラム慣性JCの逆数を乗算し、その乗算結果を2階積分した値が、コラム角度θとしてフィードバックされる。
図10Aに示される2慣性モデルにおいて、制振トルクKR・Tdがフィードバックされないとすると、共振周波数ωrおよび***振周波数ωaは、それぞれ次式(9),(10)で表される。
ωa={Ktb・(1/JSW)}1/2 …(10)
図9の目標自動操舵トルク設定部42Aでは、制振トルクKR・Tdがフィードバックされるので、コラム慣性JCを仮想的に1/KRにすることができる。つまり、図10Aに示されるモデルは、図10Bに示されるモデルと等価となる。したがって、図10Aに示される2慣性モデルの共振周波数ωrは、次式(11)のようになる。
これにより、共振周波数ωrを高くすることができるから、自動操舵モード時における振動を抑制できる。
以下、比例ゲインKP、微分ゲインKDおよび制振ゲインKRの設定方法について説明する。これらのゲインは、図11に示される目標舵角θcmdからステアリング角度θSWまでの伝達係数を用いて、安定性と応答性が両立できるような値に設定される。具体的には、前記式(10)の***振周波数ωaを用いて、比例ゲインKP、微分ゲインKDおよび制振ゲインKRは、次式(12)~(14)で示される値に設定される。
KD=4ωa …(13)
KR=4/JSW …(14)
制振トルク演算部160としては、自動制御モード時のステアリングホイール2の振動を抑制するための制振トルクを演算できるものであれば、図9に記載されている制振トルク演算部160以外のものであってもよい。
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。
Claims (8)
- プラントを駆動するための電動モータを制御するモータ制御装置であって、
前記電動モータの回転角を検出する回転角検出手段と、
前記電動モータのモータトルクの目標値である目標モータトルクを設定する目標モータトルク設定手段と、
前記目標モータトルク設定手段によって設定された目標モータトルクに基づいて前記電動モータのモータトルクをフィードバック制御する制御手段とを含み、
前記目標モータトルク設定手段は、
基本目標トルクを設定する基本目標トルク設定手段と、
前記目標モータトルク設定手段によって設定される目標モータトルクまたは前記電動モータが発生しているモータトルクと、前記回転角検出手段によって検出される回転角とに基づいて、前記プラントに作用する前記電動モータのモータトルク以外の外乱トルクを推定する外乱オブザーバと、
前記基本目標トルク設定手段によって設定された基本目標トルクを、前記外乱オブザーバによって推定された前記外乱トルクによって補正する外乱トルク補償手段と、
前記外乱トルク補償手段による補正後の基本目標トルクに基づいて、前記目標モータトルクを演算する目標モータトルク演算手段とを含み、
前記電動モータは、車両のステアリングシステム制御に用いられる電動モータである、
モータ制御装置。 - 前記外乱オブザーバは、前記目標モータトルク設定手段によって設定される目標モータトルクまたは前記電動モータが発生しているモータトルクと、前記回転角検出手段によって検出される回転角とに基づいて、前記外乱トルクおよび前記プラントの回転角を推定するように構成されており、
前記基本目標トルク設定手段は、
前記プラントの回転角の目標値である目標回転角と、前記外乱オブザーバによって推定される前記プラントの回転角との差を演算する角度偏差演算手段と、
前記角度偏差演算手段によって演算される角度偏差に対して所定のフィードバック演算を行うことにより、前記基本目標トルクを演算する基本目標トルク演算手段とを含む、請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記外乱オブザーバは、前記目標モータトルク設定手段によって設定される目標モータトルクまたは前記電動モータが発生しているモータトルクと、前記回転角検出手段によって検出される回転角とに基づいて、前記外乱トルクおよび前記プラントの回転角を推定するように構成されており、
前記基本目標トルク設定手段は、
前記プラントの回転角の目標値である目標回転角と、前記外乱オブザーバによって推定される前記プラントの回転角との差を演算する角度偏差演算手段と、
前記角度偏差演算手段によって演算される角度偏差に対して所定のフィードバック演算を行うことにより、フィードバック制御トルクを演算するフィードバック制御トルク演算手段と、
前記目標回転角の二階微分値に前記プラントの慣性モーメントを乗算することにより、フィードフォワード制御トルクを演算するフィードフォワード制御トルク演算手段と、
前記フィードバック制御トルクに前記フィードフォワード制御トルクを加算することによって、前記基本目標トルクを演算する基本目標トルク演算手段とを含む、請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記基本目標トルク設定手段は、
前記プラントの回転角の目標値である目標回転角と、前記回転角検出手段によって検出される回転角から演算される前記プラントの回転角との差を演算する角度偏差演算手段と、
前記角度偏差演算手段によって演算される角度偏差に対して所定のフィードバック演算を行うことにより、前記基本目標トルクを演算する基本目標トルク演算手段とを含む、請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記基本目標トルク設定手段は、
前記プラントの回転角の目標値である目標回転角と、前記回転角検出手段によって検出される回転角から演算される前記プラントの回転角との差を演算する角度偏差演算手段と、
前記角度偏差演算手段によって演算される角度偏差に対して所定のフィードバック演算を行うことにより、フィードバック制御トルクを演算するフィードバック制御トルク演算手段と、
前記目標回転角の二階微分値に前記プラントの慣性モーメントを乗算することにより、フィードフォワード制御トルクを演算するフィードフォワード制御トルク演算手段と、
前記フィードバック制御トルクに前記フィードフォワード制御トルクを加算することによって、前記基本目標トルクを演算する基本目標トルク演算手段とを含む、請求項1に記載のモータ制御装置。 - ステアリングホイールにトーションバーを介して連結されたステアリングコラムに、操舵力を付与する電動モータを制御するモータ制御装置であって、
前記電動モータの回転角を検出する回転角検出手段と、
前記電動モータのモータトルクの目標値である目標モータトルクを設定する目標モータトルク設定手段と、
前記目標モータトルクに基づいて前記電動モータのモータトルクをフィードバック制御する制御手段とを含み、
前記目標モータトルク設定手段は、
基本目標トルクを設定する基本目標トルク設定手段と、
前記目標モータトルクまたは前記電動モータが発生しているモータトルクと、前記回転角とに基づいて、前記ステアリングコラムに作用する前記電動モータのモータトルク以外の外乱トルクを推定する外乱オブザーバと、
前記ステアリングホイールの振動を抑制するための制振トルクを演算する制振トルク演算手段と、
前記基本目標トルク設定手段によって設定された基本目標トルクを、前記外乱トルクおよび前記制振トルクによって補正する補正手段と、
前記補正手段による補正後の基本目標トルクに基づいて、前記目標モータトルクを演算する目標モータトルク演算手段とを含む、モータ制御装置。 - 前記ステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段を含み、
前記制振トルク演算手段は、前記操舵トルクに所定の制振ゲインを乗算することによって、制振トルクを演算するように構成されており、
前記基本目標トルク設定手段は、
前記ステアリングコラムの回転角の目標値である目標回転角と、前記外乱オブザーバによって推定される前記ステアリングコラムの回転角または前記回転角検出手段によって検出される回転角から演算される前記ステアリングコラムの回転角との差を演算する角度偏差演算手段と、
前記角度偏差演算手段によって演算される角度偏差に対して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を演算するフィードバック制御トルク演算手段とを含む、請求項6に記載のモータ制御装置。 - 前記比例微分演算に用いられる比例ゲインおよび微分ゲインをそれぞれKPおよびKDとし、前記制振ゲインをKRとし、前記トーションバーの剛性をKtbとし、前記ステアリングホイールの慣性をJSWとし、前記ステアリングホイールおよび前記ステアリングコラムの***振周波数ωaを次式(a)で表すと、
前記比例ゲインKP、前記微分ゲインKDおよび前記制振ゲインKRは、次式(b)~(d)で表される、請求項7に記載のモータ制御装置。
ωa={Ktb・(1/JSW)}1/2 …(a)
KP=ωa2 …(b)
KD=4ωa …(c)
KR=4/JSW …(d)
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