JPWO2015025942A1 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】縁石衝突等の衝撃の発生時に、外部からの大きな入力(外力)が生じたとしても、平常時の操舵に対しては影響を与えず、衝撃発生時のみに運転者への衝撃伝達を適度に抑制できる電動パワーステアリング装置の制御装置を提供するために、本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいて演算された電流指令値1と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値2に基づいて、モータを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、モータ角速度、モータ角加速度、電流指令値1及び操舵トルクを入力してセルフアライニングトルクの推定若しくはセンサによる測定を行うSAT推定部と、SAT推定値を処理してSAT補償値を出力するフィードバック部とを設け、フィードバック部が、BPF、不感帯部、操舵トルク感応ゲイン部及び車速感応ゲイン部で構成されており、フィードバック部から出力されるSAT補償値を電流指令値1に加算して電流指令値2としている。【選択図】 図4
Description
本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力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、特に縁石衝突等の衝撃発生時の、ハンドルから運転者への衝撃の伝達を適度に抑制して操舵フィーリングを向上した電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。
自動車や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、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。
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1のコラム軸(ステアリングシャフト)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Tr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Tr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)指令となる電流指令値の演算を行い、電流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、従来は例えば特開平8−290778号公報(特許文献1)に示されるように、コントロールユニット100内のロバスト安定化補償器により、システムの安定性と路面情報及び外乱情報の感度特性が同時に設計されるようになっている。しかしながら、かかる制御装置では、ステアリング中立点付近の操舵時の反力が小さいため、摩擦の影響により、路面情報を運転者に正確に伝えることが困難であった。また、従来の電動パワーステアリング装置では、操舵角と操舵力との間のヒステリシス特性を、油圧式パワーステアリング並みの特性にすることが困難であった。
このような問題を解決する装置として、本出願人による特許第4715212号公報(特許文献2)に開示されている電動パワーステアリング装置の制御装置がある。
特許文献2に開示されている制御装置では、図2に示されるように、アシスト用のモータ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にはトルクセンサからの操舵トルクTr及び車速センサからの車速Velが入力される。モータ端子間電圧Vm及びモータ電流値iが計測され、各計測値がコントロールユニット100に入力されている。
コントロールユニット100は操舵トルクTr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、セルフアライニングトルク(SAT)推定部117及びフィードバック部118によって構成され、加算部116A、116B、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Tr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推定部117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Tr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Tr及びモータ角速度ωを入力し、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推定部117は操舵トルクTr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で加算した信号である電流指令値Iref1と、モータ角速度演算部123で演算されたモータ角速度ωと、モータ角加速度演算部124からのモータ角加速度*ωとを入力してSATを推定し、推定したSAT推定値*SATを、フィードバック部118を用いて信号処理してSAT補償値*SATcとし、SAT補償値*SATcをロバスト安定化補償部114からの電流指令値Iref3に加算して補償し、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の出力と微分制御部112の出力との加算結果である電流指令値Iref1に、ヨーレート収れん性制御部113の出力を加算部116Bで加算した結果である電流指令値Iref2を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の出力である電流指令値Iref3にフィードバック部118からのSAT補償値*SATcを加算部116Cで加算することで、路面情報を反力としてハンドルに伝えることができる電流指令値Iref4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推定部117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*ωを演算し、モータ角加速度*ωはモータ特性補償部125に入力される。モータ特性補償部125の出力Icは加算部126Aで電流指令値Iref4と加算され、その加算結果である電流指令値Iref5が比例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Iref6は、外乱推定部122の出力と加算部126Bで加算され、加算結果である電流指令値Iref7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、電流指令値Iref7とモータ電流検出値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し、制御系の安定性を失うことがないようにしている。
また、SAT推定部117は操舵トルクTr、モータ角速度ω、モータ角加速度*ω及び電流指令値Iref1(アシスト量演算結果)を入力して公知の手法でSATを推定し、そのSAT推定値*SATをフィードバック部11で処理し、SAT補償値*SATcとして加算部116Cに入力している。フィードバック部118の構成は例えば図3示すようになっており、SAT推定値*SATを入力して高周波成分を出力する車速感応型のハイパスフィルタ118−1と、ゲインGを乗算する車速感応型のゲイン部118−3とで構成されている。
なお、図3において、Jは慣性を、Frは摩擦(静摩擦)を、Tmはアシストトルクをそれぞれ示している。
特許文献2の装置によれば、反力推定値としてのSAT推定値*SATにハイパスフィルタ118−1を通過させ、運転者に伝えたくない反力成分を抽出して電流指令値に加算して補償している。これにより、運転者に伝えたくない反力成分を打ち消すことができる。SAT推定値*SATをそのまま加算すると良好に低減できないため、ゲインGを乗じて加算している。
このように、特許文献2の装置ではSATを推定し、フィードバック部を経て車速感応ゲインを乗算して補償値とし、抑制したい外乱を積極的に打ち消すようにしている。しかしながら、縁石衝突時、栗石路走行時等に運転者へ伝えたくない不快な衝撃があるにも拘わらず、特許文献2の装置ではその対策が施されていない。そのため、衝撃の発生時に大きなSATが生じた場合、そのまま運転者にSATが伝達されてしまい、操舵フィーリングを損なう可能性がある。
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、縁石衝突等の衝撃の発生時に、外部からの大きな入力(外力)が生じたとしても、平常時の操舵に対しては影響を与えず、衝撃発生時のみに運転者への衝撃伝達を適度に抑制でき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、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいて演算された電流指令値1と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値2に基づいて、前記モータを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、モータ角速度、モータ角加速度、前記電流指令値1及び前記操舵トルクを入力してセルフアライニングトルクの推定若しくはセンサによる測定を行うSAT推定部と、前記SAT推定値を処理してSAT補償値を出力するフィードバック部とを設け、前記フィードバック部が、BPF、不感帯部、操舵トルク感応ゲイン部及び車速感応ゲイン部で構成されており、前記フィードバック部から出力される前記SAT補償値を前記電流指令値1に加算して前記電流指令値2とするようになっていることにより達成される。
また、本発明の上記目的は、前記不感帯部がオフセット付き閾値の特性を有していることにより、或いは前記操舵トルク感応ゲイン部のゲインが、前記操舵トルクが所定トルク1まで一定値1であり、前記所定トルク1以上の場合に、所定トルク2まで徐々に低下し、前記所定トルク2以上で一定値1(<一定値1)となっていることにより、或いは前記車速感応ゲイン部のゲインが、前記車速が所定速度まで一定で、前記所定速度以上において徐々に低下するようになっていることにより、或いは前記フィードバック部の最終段にリミッタが設けられ、前記SAT補償値の上下限値が制限されていることにより、より効果的に達成される。
本発明に係る電動パワーステアリン装置の制御装置によれば、セルフアライニングトルク(SAT)の推定若しくはセンサによる測定を行うSAT推定部を設けると共に、このSAT推定部で推定されたSAT推定値(SAT測定値を含む)を、補償したい周波数帯域を抽出するBPF、オフセット付きの閾値の特性を持つ不感帯部、操舵トルク感応ゲイン部及び車速感応ゲイン部で成るフィードバック部を通してSAT補償値を求め、SAT補償値を電流指令値に加算して補償するようになっている。これにより、縁石衝突等の衝撃の発生時に、外部からの大きな入力(外力)が生じたとしても、平常時の操舵に対しては影響を与えず、衝撃発生時のみに運転者への衝撃伝達を適度に抑制することができる。
フィードバック部の最終段にリミッタを設けることにより、SAT補償値の上下限値を適度に制限することができる。
本発明は、SAT推定値のフィードバック経路(フィードバック部)に、オフセット付きの閾値を有する不感帯を介挿し、縁石衝突時、栗石路走行時等の衝撃発生時にのみ、運転者へ伝えたくない不快な衝撃を緩和させるようにする。縁石衝突時等の衝撃の発生時には、外部から大きな外力(SAT)が生じていることから、その大きさに応じて補償を行うことにより、平常時の操舵に対しては影響を与えず、衝撃発生時のみに運転者への衝撃伝達を適度に抑制することができる。
また、SATの推定(若しくはセンサによる測定)を行うSAT推定部で推定されたSAT推定値に対して、補償したい周波数帯域のみを抽出し、効率的な制御を行う。周波数帯域の抽出にはバンドパスフィルタ(BPF)或いはローパスフィルタ(LPF)、ハイパスフィルタ(HPF)の組み合わせを用いる。
以下に本発明の実施の形態を、図3に対応させて図4に示して説明する。
本発明に係るSAT推定部117の構成は従来と同一であり、SAT推定部117からはSAT推定値*SATが出力され、SAT推定値*SATはフィードバック部で処理されるが、本発明のフィードバック部の構成は従来(図3)と相違している。
即ち、本発明に係るフィードバック部は図4に示すように、SAT推定値*SATから補償したい周波数帯域を抽出するバンドパスフィルタ(BPF)150と、オフセット付き閾値の特性で成る不感帯(チューニング可能)を有する不感帯部151と、操舵トルクThに感応して可変するゲインTgを乗算する操舵トルク感応ゲイン部152と、車速Velに感応して可変するゲインVgを乗算する車速感応ゲイン部153と、出力されるSAT補償値SATrの上下限値を制限するリミッタ154とで構成されている。
BPF150は補償したい周波数帯域の周波数成分(例えば1〜20Hz)を抽出して出力し、2次フィルタ、4次フィルタ等で構成されている。例えば1次LPF(ローパスフィルタ)と1次HPF(ハイパスフィルタ)を用いて、高周波のノイズ成分を除去するために、LPFのカットオフ周波数を20Hz、運転者の操舵フィーリングを向上するために、HPFのカットオフ周波数を1HzとしたBPFである。
不感帯部151は図5に示すような不感帯(閾値)±aを有しているが、不感帯は任意に設定可能であり、正負の閾値は異なっていても良く、ゲインを示す特性NSの傾斜も任意に設定可能となっている。不感帯部151はBPF150から出力されるSAT推定値SAT1がある範囲内(図5では±a)の場合においては、衝撃が小さいものとみなして“0”を出力する。範囲外においては、不感帯設定値0方向にオフセットした値を出力し、衝撃が発生したものとみなし、補償電流のためのSAT推定値SAT2が出力される。このような不感帯を設けることで、縁石衝突時等の衝撃に対して、操舵フィーリングへの影響を極力抑制することができる。
操舵トルク感応ゲイン部152は図6に示すような、操舵トルクThの所定値1(図6の例では1.0Nm)までは一定ゲインTg=1.0であり、その所定値1以上になると、操舵トルクThの増加に従って線形に低下し、所定値2(図6の例では2.0Nm)になると一定ゲイン(例えばTg=0.4)となるゲイン特性を有しており、SAT推定値SAT2にゲインTgを乗算し、SAT推定値SAT3(=Tg・SAT2)を出力する。図6の例では、ゲインTgは所定値1〜所定値2の範囲で線形に低下しているが、非線形であっても良い。
また、車速感応ゲイン部153は図7に示すような、車速Velの所定値(図7の例では40km/h)までは一定ゲインVg=1.0であり、その所定値以上になると、車速Velの増加に従って線形に低下し、所定車速(図7の例では80km/h)でゲイン=0となるゲイン特性を有しており、SAT推定値SAT3にゲインVgを乗算し、SAT推定値SATg(=Vg・SAT3)を出力する。図7の例では、ゲインVgは所定値以上の範囲で線形に低下しているが、非線形であっても良い。
このような構成において、SAT推定部117は前述と同様に操舵トルクTr、モータ角速度ω、モータ角加速度*ω及び電流指令値(加算部116Aの加算結果)を入力してSATを推定し、その推定されたSAT推定値*SATはフィードバック部に入力されて処理される。フィードバック部で処理されたSAT補償値SATrは、電流指令値(Iref3)に加算されて補償される。
フィードバック部では、先ず補償したい周波数帯域を抽出するバンドパスフィルタ(BPF)150に入力され、抽出された周波数帯域のSAT値SAT1は所定の不感帯を有する不感帯部151に入力される。不感帯部151を通すことにより、SAT推定値SAT1がある範囲内の場合(図5の例では±a)においては、衝撃が小さいものとみなして“0”を出力し、範囲外においては、衝撃が発生したものとみなして補償電流のためのSAT推定値SAT2が出力される。
SAT推定値SAT2は操舵トルク感応ゲイン部152で、操舵トルクTrに応じたゲインTgを乗算され、その乗算結果であるSAT推定値SAT3は車速感応ゲイン部153で、車速Velに応じたゲインVgを乗算され、その乗算結果であるSAT補償値SATgが出力される。
SAT補償値SATgはリミッタ154で上下限値を制限され、SAT補償値SATrとして出力され、電流指令値(Iref3)と加算されて新たな電流指令値(Iref4)となる。これにより、路面からの衝撃発生時の操舵フィーリングへの影響が適度に抑制される。
図8は本発明の効果を示す特性図であり、外乱トルクが加わった際の操舵トルクの時間応答を示している。本発明の制御により、操舵トルクの発生が抑制されていることが分かる。
なお、上述ではBPFによって補償したい周波数帯域を抽出しているが、LPFとHPFを組み合わせても良い。また、上述では不感帯の前段にBPFを配置しているが、不感帯部の後段にBPF或いはLPF及びHPFの組み合わせを配置しても良い。更に不感帯部の前段にLPF若しくはHPFを配置し、不感帯部の後段にHPF若しくはLPFを配置しても良い。更にまた、上述の例ではSATをSAT推定部117で推定するようにしているが、センサによる測定でSATを求めるようにしても良い。
1 ハンドル
3 減速ギア
10 トルクセンサ
12 車速センサ
20 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
111 アシスト量演算部
112 微分制御部
113 ヨーレート収れん性制御部
114 ロバスト安定化補償部
117 SAT推定部
118 フィードバック部
120 モータ系制御部
121 補償部
122 外乱推定部
123 モータ角速度演算部
124 モータ角加速度演算部
125 モータ特性補償部
150 バンドパスフィルタ(BPF)
151 不感帯部
152 操舵トルク感応ゲイン部(Tg)
153 車速感応ゲイン部(Vg)
154 リミッタ
3 減速ギア
10 トルクセンサ
12 車速センサ
20 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
111 アシスト量演算部
112 微分制御部
113 ヨーレート収れん性制御部
114 ロバスト安定化補償部
117 SAT推定部
118 フィードバック部
120 モータ系制御部
121 補償部
122 外乱推定部
123 モータ角速度演算部
124 モータ角加速度演算部
125 モータ特性補償部
150 バンドパスフィルタ(BPF)
151 不感帯部
152 操舵トルク感応ゲイン部(Tg)
153 車速感応ゲイン部(Vg)
154 リミッタ
本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいて演算された第1の電流指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した第2の電流指令値に基づいて、前記モータを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、モータ角速度、モータ角加速度、前記第1の電流指令値及び前記操舵トルクを入力してセルフアライニングトルクの推定を行うSAT推定部と、前記SAT推定部で推定されたSAT推定値を処理してSAT補償値を出力するフィードバック部とを設け、前記フィードバック部が、前記SAT推定値を入力するBPF、前記BPFの出力を入力する不感帯部、前記不感帯部の出力を入力する操舵トルク感応ゲイン部、前記操舵トルク感応ゲイン部の出力を入力する車速感応ゲイン部の直列接続で構成されており、前記フィードバック部から出力される前記SAT補償値を前記第1の電流指令値に加算して前記第2の電流指令値とするようになっていることにより達成される。
また、本発明の上記目的は、前記不感帯部がオフセット付き閾値の特性を有していることにより、或いは前記操舵トルク感応ゲイン部のゲインが、前記操舵トルクが第1のトルク値まで一定の第1のゲイン値であり、前記第1のトルク値以上の場合に、第2のトルクまで徐々に低下し、前記第2のトルク値以上で一定の第2のゲイン値(<前記第1のゲイン値)となっていることにより、或いは前記車速感応ゲイン部のゲインが、前記車速が所定速度まで一定で、前記所定速度以上において徐々に低下するようになっていることにより、或いは前記フィードバック部の最終段にリミッタが設けられ、前記SAT補償値の上下限値が制限されていることにより、より効果的に達成される。
Claims (5)
- ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいて演算された電流指令値1と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値2に基づいて、前記モータを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、
モータ角速度、モータ角加速度、前記電流指令値1及び前記操舵トルクを入力してセルフアライニングトルクの推定若しくはセンサによる測定を行うSAT推定部と、前記SAT推定値を処理してSAT補償値を出力するフィードバック部とを設け、
前記フィードバック部が、BPF、不感帯部、操舵トルク感応ゲイン部及び車速感応ゲイン部で構成されており、
前記フィードバック部から出力される前記SAT補償値を前記電流指令値1に加算して前記電流指令値2とするようになっ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。 - 前記不感帯部がオフセット付き閾値の特性を有している請求項1に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
- 前記操舵トルク感応ゲイン部のゲインが、前記操舵トルクが所定トルク1まで一定値1であり、前記所定トルク1以上の場合に、所定トルク2まで徐々に低下し、前記所定トルク2以上で一定値2(<一定値1)となっている請求項1又は2に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
- 前記車速感応ゲイン部のゲインが、前記車速が所定速度まで一定で、前記所定速度以上において徐々に低下するようになっている請求項1乃至3のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
- 前記フィードバック部の最終段にリミッタが設けられ、前記SAT補償値の上下限値が制限されている請求項1乃至4のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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