KR20060090675A - 전동 파워 스티어링 장치 - Google Patents

전동 파워 스티어링 장치 Download PDF

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KR20060090675A
KR20060090675A KR1020067006027A KR20067006027A KR20060090675A KR 20060090675 A KR20060090675 A KR 20060090675A KR 1020067006027 A KR1020067006027 A KR 1020067006027A KR 20067006027 A KR20067006027 A KR 20067006027A KR 20060090675 A KR20060090675 A KR 20060090675A
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steering
torque
compensator
phase compensator
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KR1020067006027A
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카츠토시 니시자키
토시아키 오야
마사히코 사카마키
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가부시키가이샤 제이텍트
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Abstract

조타(操舵) 토크에 따른 조타 보조력을 전동 모터(6)에 의해 발생시키는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서, 조타 토크를 검출하는 토크 센서(3)와, 토크 센서(3)의 출력으로부터 상기 전동 모터(6)의 제어 목표값을 생성할 때에 작용하는 위상보상수단(15a, 15b)과, 조타가 차량 주행중에 행해진 경우와, 정차 상태에서의 핸들조작의 경우에 있어서의 상기 위상보상수단의 특성을 다르게 하는 수단(15c)을 구비함으로써, 위상보상기에 의해 정차 상태에서의 핸들조작 시의 진동을 억제하더라도, 위상 지연에 의해 중행중에 있어서의 조타 필링의 들뜬감이 발생하지 않는다.
전동 파워 스티어링 장치, 조타 토크, 토크 센서, 위상보상수단, 전동 모터

Description

전동 파워 스티어링 장치{POWER STEERING DEVICE}
본 발명은 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것이다.
종래부터, 운전자가 핸들(스티어링 휠; 조타부재(操舵部材))에 가하는 조타 토크에 따라 전동 모터를 구동함으로써 스티어링 기구에 조타 보조력을 주는 전동 파워 스티어링 장치가 사용되고 있다.
이 전동 파워 스티어링 장치에서는, 전형적으로는 비례적분기에 의해, 토크 센서로부터의 토크 검출신호가 나타내는 조타 토크에 기초해서 설정되는 목표의 전류가 전동 모터에 흐르도록 전류 제어(피드백 제어)가 행해진다.
이 비례적분기의 비례 게인 및 적분 게인(이하, PI 게인이라고 말함)의 값은 시스템 전체의 응답성을 올리기 위해서는 높은 편이 바람직하다.
그러나, 전동 파워 스티어링 장치는 조타 토크의 검출을 위해서 스티어링 샤프트에 개재되는 토션 바(torsion bar)를 스프링 요소로 하고 전동 모터를 관성 요소로 하는 기계적인 공진계를 포함하고 있기 때문에, 상기 PI 게인의 값을 너무 높게 하면, 그 공진계의 공진주파수 즉 전동 파워 스티어링 장치에 있어서의 기계계 고유 진동주파수 근방(구체적으로는 10∼25Hz 근방)에서 시스템이 불안정(진동적)하게 되기 쉬워진다.
따라서 종래에서는, PI 게인의 값은 그다지 높게 설정하지 않고 시스템 전체의 응답성을 희생해서 시스템을 안정화하며, 또한 실용 주파수대역에 있어서의 위상특성을 개선하기 위해서, 위상보상기가 형성되어 있다.
구체적으로는, 토크 센서로부터의 토크 검출신호가 위상보상기에 주어지고, 위상보상기에 의해 토크 검출신호의 위상이 진행됨으로써 실용 주파수대역에 있어서의 시스템 전체의 응답성이 향상한다.
여기에서, 위상보상기는 시스템이 진동계가 되지 않도록, 공진주파수에 있어서의 게인을 저하시키도록 특성이 설정된다. 따라서, 위상보상기의 특성을 설정할 때에는, 게인이 높은 정차 상태에서의 핸들조작 어시스트 특성에 맞춰서 공진주파수에 있어서의 감쇠를 높게 할 필요가 있다. 그러나, 위상보상기의 특성으로서, 공진주파수에 있어서의 감쇠를 높게 하면, 공진주파수를 중심으로 해서 넓은 주파수역(周波數域)에 있어서 감쇠가 높아지고, 필연적으로 저주파역(低周波域)에서의 감쇠가 높아져서, 저주파역에서의 위상 지연이 커진다.
감쇠가 높은 위상보상기를 채용함으로써 정차 상태에서의 핸들조작 시의 진동의 발생은 방지할 수 있으나, 반대로 주행중에 있어서는, 저주파역에서의 위상 지연이 크기 때문에 핸들 중립 부근의 저부하(低負荷) 영역에서 조타 필링이 둔해져 들뜬 느낌이 발생하고, 특히 차속(車速)이 높아졌을 때에 현저해진다. 게다가, 이 문제는 마찰을 저감한 고효율의 전동 파워 스티어링 장치에서는 한층 현저해진다.
일본국 특허공개 평8-91236호 공보에는, 소프트웨어로 구성한 소프트 위상보 상수단을 구비한 전동 파워 스티어링 장치가 기재되어 있다. 이 위상보상수단은 차속을 파라미터로 해서, 고속, 중속, 저속일 때의 위상보상수단의 특성을 다르게 한 것이다. 그러나, 일본국 특허공개 평8-91236호 공보에 기재된 것은 단지 차속에 따라 특성을 다르게 하고 있을 뿐으로, 차속(V)이 제로일 때의 조타인 정차 상태에서의 핸들조작과, 주행중을 구별하고 있지 않아, 위상보상기의 특성을 정차 상태에서의 핸들조작 어시스트 특성에 맞췄을 때의 상기 문제를 해소하고 있지 않다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 위상보상기에 의해 정차 상태에서의 핸들조작 시의 진동을 억제하면, 위상 지연에 의해 주행중에 있어서의 조타 필링의 들뜬감이 발생하는 것이다.
본 발명은 조타 토크에 따른 조타 보조력을 전동 모터에 의해 발생시키는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서, 조타 토크를 검출하는 토크 센서와, 토크 센서의 출력으로부터 상기 전동 모터의 제어 목표값을 생성할 때에 작용하는 위상보상수단과, 조타가 차량 주행중에 행해진 경우와, 정차 상태에서의 핸들조작의 경우에 있어서의 상기 위상보상수단의 특성을 다르게 하는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
정차 상태에서의 핸들조작과 주행중의 조타를 구별해서, 이들의 경우에 있어서의 위상보상수단의 특성을 다르게 함으로써, 정차 상태에서의 핸들조작용의 특성으로서 진동이 발생하지 않도록 주행중의 특성보다도 저주파역에 있어서의 감쇠를 비교적 높게 하더라도, 주행중의 조타용의 특성으로서 저주파역에 있어서의 감쇠를 비교적 작게 할 수 있으며, 주행중에 있어서의 조타의 들뜬감을 저감할 수 있다.
또한, 상기 위상보상수단은 차량 주행중용의 제1위상보상기와, 정차 상태에서의 핸들조작용의 제2위상보상기를 각각 구비하고, 상기 위상보상수단의 특성을 다르게 하는 상기 수단은 차량이 주행하고 있는 경우에는 상기 제1위상보상기를 통해서 제어 목표값이 생성되고, 정차 상태에서의 핸들조작의 경우에는 상기 제2위상보상기를 통해서 제어 목표값이 생성되도록 각 위상보상기를 전환하는 수단에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다. 주행중 조타와 정차 상태에서의 핸들조작에서 위상보상기를 전환함으로써, 간단하게, 적절한 조타 필링이 얻어진다.
상기 위상보상수단은 소정의 주파수에 있어서 감쇠 피크를 갖도록 구성된 차량 주행중용의 제1위상보상기와, 소정의 주파수에 있어서 감쇠 피크를 갖도록 구성된 정차 상태에서의 핸들조작용의 제2위상보상기를 각각 구비하고, 상기 제2위상보상기의 감쇠 피크가 상기 제1위상보상기의 감쇠 피크보다도 저주파역측이 되도록 함으로써, 정차 상태에서의 핸들조작 시의 진동을 억제하면서, 주행중에 있어서의 조타 필링의 들뜬감을 저감할 수 있다.
상기 위상보상수단은 하기의 식의 전달함수 Gc(s)로 표현되는 것으로, 당해 전달함수 Gc(s)의 파라미터 ζ2 및 ω2는 당해 전동 파워 스티어링 장치의 토크 개루프(open-loop) 전달함수의 게인 특성에 있어서 기계계 고유 진동과 상기 모터의 역기전력(逆起電力)에 기초해서 나타나는 피크를 저감 또는 상쇄하는 값으로 설정되어 있는 것이 바람직하다.
Gc(s)＝(s2＋2ζ2ω2s＋ω2 2)/(s2＋2ζ1ω1s＋ω1 2)
여기에서, ζ1은 보상 후의 감쇠계수, ζ2는 피보상계의 감쇠계수, ω1은 보상 후의 자연 각주파수(natural angular frequency), ω2는 피보상계의 자연 각주파수이며, 상기 Gc(s)의 파라미터이다.
상기의 경우, 토크 개루프 전달함수의 게인 특성에 있어서 기계계 고유 진동과 모터의 역기전력에 기초해서 나타나는 피크가 위상보상수단에 의해 저감 또는 상쇄됨으로써, 안정성을 확보하면서 응답성을 개선하는 것이 가능해진다. 한편, 당해 위상보상수단의 입출력 정상 게인을 1로 하기 위해서, 하기식과 같이, Gc(s)에 있어서 게인 보정계수로서 ω1 2/ω2 2을 곱한 형태를 취할 수도 있다.
Gc(s)＝ω1 2(s2＋2ζ2ω2s＋ω2 2)/{ω2 2(s2＋2ζ1ω1s＋ω1 2)}
또한, 위상보상수단의 상기 전달함수 Gc(s)의 파라미터 ζ1 및 ζ2는 하기의 식을 만족하도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.
2-1/2≤ζ1≤1
0＜ζ2＜2-1/2
이 경우, 피보상계의 감쇠계수가 되어야 할 파라미터 ζ2가 0＜ζ2＜2-1/2에서 선정되므로, 충분한 위상보상을 행할 수 있으며, 보상 후의 감쇠계수가 되어야 할 파라미터 ζ1이 2-1/2≤ζ1≤1의 범위에서 선정되므로, 위상보상에 의해 안정성을 확보하면서 응답성을 개선할 수 있다.
상기 위상보상수단의 전달함수 Gc(s)의 파라미터 ω1 및 ω2는 하기의 식을 만족하고, 또한, 상기 토크 개루프 전달함수의 게인 특성에 있어서의 상기 피크의 주파수를 fp라고 했을 때에 모두 2π×fp 근방의 값이 되도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.
ω1＝ω2
ω1＝ω2로 함으로써, 위상보상의 설계 파라미터가 1개 삭감되고, 또한 보상 후의 자연 각주파수가 되어야 할 파라미터 ω1이 2π×fp 근방의 값이 됨으로써 기계계 고유 진동에 의한 불안정화가 방지되므로, 위상보상의 설계를 간이화하면서 제어계의 안정화를 더욱 도모함과 아울러 응답성을 개선할 수 있다.
상기 위상보상수단의 전달함수 Gc(s)의 파라미터 ω1은 하기의 식을 만족하도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.
ω1＜ωm
여기에서, ωm은 상기 기계계 고유 진동의 각주파수이다.
보상 후의 자연 각주파수가 되어야 할 파라미터 ω1이 기계계 고유 진동의 각주파수 ωm보다 작으므로, 기계계의 고유 진동에 의한 제어계의 불안정화가 방지되며, 보다 확실하게 안정을 유지하면서 응답성을 개선하는 것이 가능해진다.
도 1은 전동 파워 스티어링 장치에 있어서의 토크 개루프 전달함수의 특성을 시뮬레이션에 의해 구한 것으로, 비간섭화를 행한 경우와 비간섭화를 행하지 않은 경우에 대한 보드 선도이다.
도 2는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서 위상보상을 행하지 않은 경우의 보드 선도 및 위상보상을 행한 경우의 보드 선도이다.
도 3은 전동 파워 스티어링 장치의 구성을 그것에 관련하는 차량 구성과 함께 나타내는 개략도이다.
도 4는 전동 파워 스티어링 장치의 요부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 위상보상기의 보드 선도이다.
<부호의 설명>
3 : 토크 센서 6 : 전동 모터
15 : 위상보상부 15a : 제1위상보상기(위상보상수단)
15b : 제2위상보상기(위상보상수단)
15c : 전환기(특성을 다르게 하는 수단)
우선, 위상보상 설계를 위한 기초적 검토에 대해서 설명한다.
전동 파워 스티어링 장치의 제어설계에 있어서의 위상보상에 관한 기술한 종래기술은 기계적인 공진주파수인 기계계 고유 진동주파수의 피크(이하, "기계계 피크"라고 말함)를 보상하는 것으로서 제안되어 있으나, 이것에는 모터에 의한 역기전력(逆起電力)의 영향이 고려되어 있지 않다. 즉, 전동 파워 스티어링 장치의 시스템으로서의 게인 특성 즉 토크 개루프 전달함수의 게인 특성에 있어서의 피크(이하, "시스템 피크"라고 말함)가 기계계의 피크라고 간주되고 있었다. 그러나, 하기의 시뮬레이션을 행한 결과, 모터에 있어서의 역기전력이 시스템의 특성에 주고 있는 영향은 큰 것이며, 기계계 피크와 시스템 전체의 피크(시스템 피크)는 다른 주파수인 것이 판명되었다.
이것에 대해서 도 1을 참조하면서 설명한다. 한편, 토크 개루프 전달함수란, 모터가 발생해야 할 토크의 목표값을 입력으로 하고, 타각(舵角)을(예를 들면 핸들을 중립 위치에) 고정한 상태에서 모터가 실제로 발생하는 토크(이하 "모터 토크"라고 말함)를 출력으로 하는 전달함수를 말한다. 그리고, 모터가 발생해야 할 토크의 목표값은 전류제어계에 있어서의 전류 목표값에 대응하고, 모터 토크는 모터에 실제로 흐르는 전류에 대응하므로, 토크 개루프 전달함수는 타각을 고정한 상태의 전동 파워 스티어링 장치에 있어서 전류 목표값을 입력으로 하고 실제로 모터에 흐르는 전류를 출력으로 하는 전달함수에 상당한다.
도 1은 브러시리스(brushless) 모터를 사용한 전동 파워 스티어링 장치의 토 크 개루프 전달함수의 보드 선도(게인 특성도 및 위상 특성도)를 시뮬레이션(수치 실험)에 의해 구한 것으로, 상기 모터 d축 및 q축 전류제어계에 있어서 비간섭화를 행한 경우와 비간섭화를 행하지 않은 경우에 대한 보드 선도를 나타내고 있다. 비간섭화를 행함으로써, 역기전력에 의한 영향을 제거하고, 기계계의 특성을 얻을 수 있다. 한편, 이 시뮬레이션 시의 조건은 하기와 같다.
모터 출력측의 관성: Im＝7.89×10-5[N·m·s2/rad]
모터 출력측의 점성: Cm＝1.39×10-3[N·m·s/rad]
감속기의 감속비: n＝9.7
토션 바의 탄성: K＝162.95[N·m/rad]
모터의 토크정수: KT＝5.12×10-2[N·m/A]
모터의 인덕턴스: L＝9.2×10-2[H]
모터의 저항: R＝6.1×10-2[Ω]
모터의 극쌍수: P＝4
역기전력 정수(定數): φfp＝4.93×10-2[V·s/rad]
PI제어부의 비례 게인: Kp＝L×(2π×75)
PI제어부의 적분 게인: Ki＝R×(2π×75)
도 1의 게인 특성을 나타내는 도면에 착안한다. 도 1에 있어서, 곡선 a는 비 간섭화를 행하고 있지 않은 경우의 게인 특성을 나타내고 있으며, 그 피크 주파수 즉 시스템 피크의 주파수(이하 "시스템 피크 주파수" 또는 간단히 "피크 주파수"라고 말하고, 기호 "fp"로 나타내는 것으로 함)는 약 17Hz이다. 곡선 b는 비간섭화를 행한 경우의 게인 특성을 나타내고 있으며, 피크 주파수(fp)는 약 22Hz이다. 또한, 곡선 c는 탄성·관성만의 게인 특성 즉 기계적 요소만의 게인 특성을 나타내고 있으며, 이 피크 주파수도 약 22Hz로 되어 있다. 따라서, 기계계 피크의 주파수(이하 "기계계 피크 주파수"라고 말하고, 기호 "fm"으로 나타내는 것으로 함)는 약 22Hz이며, 시스템 피크가 기계계 피크와는 다른 주파수에 있음을 알 수 있다.
다음으로, 상기 전동 파워 스티어링 장치에 있어서 위상보상을 행한 경우의 토크 개루프 전달함수의 게인 특성을 나타내는 도 2에 착안한다. 도 2에 있어서, 곡선 d는 위상보상 없는 경우의 게인 특성을 나타내고 있으며, 도 1에 있어서의 곡선 a(비간섭화를 행하고 있지 않은 경우의 게인 특성을 나타내는 곡선)에 상당하고, 곡선 d가 나타내는 게인 특성에 있어서의 피크(P)는 전술과 같이, 역기전력의 영향을 반영한 피크이다. 그리고, 이 피크(P)는 기계계 피크(Pm)(이것은 도 1에 있어서의 곡선 b 또는 곡선 c의 피크에 상당함)보다도 낮은 주파수에 있다.
종래는 역기전력의 영향이 고려되어 있지 않았기 때문에, 상기 피크(P)를 기계계 피크(Pm)로 간주하고, 이 피크(P)를 상쇄하기 위해서 위상보상이 행해지고 있었다. 이 때문에, 위상보상기의 설계에 따라서는, 위상보상 후도 기계계 피크(Pm)의 영향에 의해 시스템 전체가 불안정화하는(진동적이 되는) 경우가 있었다. 그래서, 본 실시형태의 전동 파워 스티어링 장치에서는, 역기전력의 영향에 의해 시스 템 전체의 게인의 피크(P)가 기계계 피크(Pm)와 다른 점을 고려해서 위상보상기가 설계된다.
도 3은 전동 파워 스티어링 장치의 구성을, 그것에 관련하는 차량 구성과 함께 나타내고 있다. 이 전동 파워 스티어링 장치는 조타부재로서의 핸들(스티어링 휠)(100)에 일단(一端)이 고착되는 스티어링 샤프트(102)와, 그 스티어링 샤프트(102)의 타단(他端)에 연결된 랙 피니언 기구(랙 피니언식 스티어링 기어)(104)를 구비하고 있다.
스티어링 샤프트(102)가 회전하면, 그 회전은 랙 피니언 기구(104)에 의해 랙축의 왕복 운동으로 변환된다. 랙축의 양단은 타이로드 및 너클암으로 이루어지는 연결부재(106)를 통해서 차륜(108)에 연결되어 있으며, 랙축의 왕복운동에 따라 차륜(108)의 방향이 변화된다. 한편, 랙 피니언식 스티어링 기어(104)에 있어서의 마찰값은 스티어링 샤프트 주위의 토크 환산값으로 0.6Nm 이하의 낮은 값으로 억제되어 있다.
또한, 전동 파워 스티어링 장치는 핸들(100)의 조작에 의해 스티어링 샤프트(102)에 가해지는 조타 토크를 검출하는 토크 센서(3)와, 조타 보조력을 발생시키는 전동 모터(브러시리스 모터)(6)와, 그 모터(6)가 발생하는 조타 보조력을 스티어링 샤프트(102)에 전달하는 감속기(감속 기어)(7)와, 차재(車載) 배터리(8)로부터 전원의 공급을 받아, 토크 센서(3) 등으로부터의 센서 신호에 기초해서 모터(6)의 구동을 제어하는 전자제어 유닛(ECU)(5)을 구비하고 있다. 한편, 감속기(7)에 있어서의 마찰값은 스티어링 샤프트 주위의 토크 환산값으로 0.3Nm 이하, 바람직하 게는 0.2Nm 이하의 낮은 값으로 설정되어 있다. 본 장치에서는, 주요한 마찰 요소인 스티어링 기어(104) 및 감속기(7)의 마찰값이 낮게 억제되어 있어, 장치 전체로서 저마찰이며 고효율의 시스템으로 되어 있다. 스티어링 기어(104)의 마찰값과 감속기(7)의 마찰값의 총 합의 구체값으로서는, 1.0Nm 이하가 바람직하고, 더욱이는 0.9Nm 이하가 바람직하다.
이와 같은 전동 파워 스티어링 장치를 탑재한 차량에 있어서, 운전자가 핸들(100)을 조작하면, 그 조작에 의한 조타 토크가 토크 센서(3)에 의해 검출되고, 그 조타 토크(Ts)의 검출값이나 차속(車速) 등에 기초해서 ECU(5)에 의해 모터(6)가 구동되어, 조타 보조력이 발생한다. 조타 보조력이 감속 기어(7)를 통해서 스티어링 샤프트(102)에 가해짐으로써, 조타 조작에 의한 운전자의 부담이 경감된다. 즉, 핸들 조작에 의해 가해지는 조타 토크(Ts)와, 모터(6)가 발생하는 조타 보조 토크(Ta)의 합이 출력 토크(Tb)로서, 스티어링 샤프트(102)에 주어져서 조타가 행해진다.
도 4는 본 발명에 따른 전동 파워 스티어링 장치의 제어장치로서의 ECU(5)를 중심으로 하는 요부 구성을 나타내는 블록도이다. 이 전동 파워 스티어링 장치는 상기와 같이 전동 모터(6)를 구동 제어하기 위한 ECU(5)를 구비하고 있다. ECU(5)에는, 핸들(100)에 가해진 조타 토크를 검출하는 토크 센서(3) 및 차속을 검출하는 차속 센서(4)의 출력 신호가 주어지고 있다.
ECU(5)는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 구성이며, 이 마이크로 컴퓨터가 프로그램 처리를 실행함으로써, 복수의 기능 처리부가 기능한다. 복수의 기능 처리부는 토크 센서(3)의 출력신호인 토크 신호에 대해서 필터링 처리를 행함으로써 위상보상을 행하는 위상보상부(15)와, 이 위상보상부(15)를 통과한 후의 토크 신호 및 차속 센서(4)로부터 출력되는 차속 신호에 따른 목표 전류를 설정하는 목표 전류값 설정부(16)와, 목표 전류값 설정부(16)에 의해 설정된 목표 전류값에 기초해서 전동 모터(6)를 피드백 제어하는 모터 제어부(17)를 포함하고 있다.
토크 센서(3)는 핸들(100)의 조작에 의해 주어지는 조타 토크(Ts)를 검출한다. 즉, 스티어링 샤프트(102)에 있어서의 핸들측의 부분과 감속 기어(7)를 통해서 조타 보조 토크(Ta)가 가해지는 부분 사이에 토션 바가 개재되어 있으며, 토크 센서(3)는 그 토션 바의 꼬임을 검출함으로써 조타 토크(Ts)를 검출한다. 이렇게 해서 검출된 조타 토크(Ts)의 검출값은 조타 토크 검출신호(이하, 이것도 부호 "Ts"로 나타내는 것으로 함)로서 토크 센서(3)로부터 출력되어 ECU(5) 내의 위상보상부(15)에 입력된다.
위상보상부(15)는 이 조타 토크 검출신호(Ts)에 대해서 위상보상을 위한 필터링 처리를 실시하고, 그 처리 후의 신호를 목표 전류값 설정부(16)에 출력하는 것이다. 이 위상보상부(15)는 각각 특성이 다른 제1위상보상기(15a) 및 제2위상 보상기(15b)와, 조타 토크 검출신호(Ts)를 제1위상보상기(15a)에 줄지 제2위상보상기(15b)에 줄지를 전환하는 전환기(15c)를 구비하고 있다.
전환기(위상보상기의 특성을 다르게 하는 수단)(15c)에는, 차속 센서(4)로부 터의 차속신호(V)가 주어지고, 차량이 주행중(V≠0)인지 정차 상태에서의 핸들조작(V＝0)인지에 의해, 위상보상기(위상보상수단)(15a, 15b)를 선택한다. 전환기(15c)에 의해, 차량이 주행중인 경우에는 중행중용인 제1위상보상기(15a)가 선택되고, 당해 제1위상보상기(15a)에 조타 토크 검출신호(Ts)가 주어지며, 제1위상보상기(15a)의 출력이 목표 전류값 설정부(16)에 주어진다.
한편, 정차 상태에서의 핸들조작인 경우에는 정차 상태에서의 핸들조작용인 제2위상보상기(15b)가 선택되고, 당해 제2위상보상기(15b)에 조타 토크 검출신호(Ts)가 주어지며, 제2위상보상기(15b)의 출력이 목표 전류값 설정부(16)에 주어진다.
목표 전류값 설정부(16)는 제1위상보상기(15a) 또는 제2위상보상기(15b)에 의한 필터링 처리 후의 신호와, 상기 차속신호(V)에 기초해서, 모터(6)에 공급해야 할 전류의 목표값을 산출하고, 목표 전류값(It)으로서 출력한다.
모터 제어부(17)는 목표 전류값 설정부(16)가 출력한 목표 전류값(It)을 받아들이고, 그 목표 전류값(It)에 대해서, 실제로 모터(6)에 흐르는 전류값(Is)이 일치하도록 전류 제어를 행한다. 그 전류 제어로서는, 예를 들면, 목표 전류값(It)과 실전류값(Is)과의 편차가 상쇄되도록 모터(6)에 인가해야 할 전압의 지령값을 산출하는 비례적분 제어가 행해진다. 모터 제어부(17)는 그 전압 지령값에 따라 모터(6)에 전압을 인가한다.
모터(6)는 그 전압 인가에 의해 흐르는 전류에 따른 조타 보조력으로서의 토크(Tm)를 발생하고, 이 토크(Tm)는 감속 기어(7)를 통해서 조타 보조 토크(Ta)로서 스티어링 샤프트(102)에 전달된다.
이하, 위상보상부(15)에 대해서 설명한다.
전동 파워 스티어링 장치의 시스템 전체로서의 특성을 나타내는 토크 개루프 전달함수의 주파수 특성은 실용적인 주파수대역에 있어서는 2차 지연계의 전달함수로 근사할 수 있는 것이 알려져 있다. 도 2는 위상보상을 행하지 않는 경우와 위상보상을 행한 경우의 보드 선도이다. 도 2에 있어서도, 2차 지연계의 전달함수의 특징이 나타나 있다.
우선, 위상보상을 행하지 않는 경우에 대해서 설명한다. 곡선 d는 위상보상을 행하지 않는 경우의 게인 특성을 나타내고 있으며, 이 곡선 d로부터, 시스템 전체의 토크 개루프 전달함수의 게인 특성의 피크 주파수(fp)는 약 17Hz이고, 그때의 게인은 약 9dB이 되고 있어, 안정성이 낮음을 알 수 있다. 또한, 위상보상을 행하지 않는 경우의 특성을 나타내는 곡선 f로부터, 20Hz∼30Hz 부근에서 위상의 지연이 커지고 있음을 알 수 있다. 2차 지연계의 전달함수 G(s)의 일반식을 다음 식에 나타낸다.
G(s)＝ωn 2/(s2＋2ζ2ωns＋ωn 2)
단, s는 라플라스 연산자, ζ2는 감쇠계수, ωn은 자연 각주파수이다.
위상보상기(15a, 15b)의 전달함수 Gc(s)는 피보상계를 나타내는 상기 2차 지 연계의 전달함수 G(s)의 게인 특성에 있어서의 피크인 시스템 피크(P)를 상쇄하기 위해서 설정되는 것으로서, 본 실시형태에서는 다음 식으로 주어진다.
Gc(s)＝(s2＋2ζ2ω2s＋ω2 2)/(s2＋2ζ1ω1s＋ω1 2)
단, s는 라플라스 연산자, ζ1은 보상 후의 감쇠계수, ζ2는 피보상계의 감쇠계수, ω1은 보상 후의 자연 각주파수, ω2는 피보상계의 자연 각주파수이다. 본 실시형태는 원하는 주파수 특성을 갖는 제어계를 실현하는 데 효과적으로 파라미터가 설정되는 위상보상기를 구비한 전동 파워 스티어링 장치를 제공하는 것이다.
여기에서, 피보상계의 게인 특성에 있어서 피크가 존재하는 경우, 그 전달함수 G(s)를 나타내는 식에 있어서의 파라미터 ζ2가 ζ2＜2-1/2로 되는 것이 알려져 있다. 따라서, 위상보상기의 전달함수 Gc(s)를 나타내는 식의 파라미터 ζ2를 식: 2-1/2＜ζ2＜1로 나타나는 범위에서 선정하면, 충분한 위상보상을 할 수 없고, 그 결과, 전동 파워 스티어링 장치가 제어계로서 불안정(진동적인 계(系))하게 되기 쉽다.
따라서, 위상보상기의 전달함수에 있어서의 파라미터 ζ2는 식: 2-1/2＜ζ2＜1로 나타나는 범위 이외에서 선정해야 한다.
또한, 위상보상기(15)에 의한 보상 후의 감쇠계수 ζ1은 식: 0＜ζ1＜2-1/2로 나타나는 범위에서 선정되면, 보상 후의 게인 특성에 있어서 피크가 존재하여 보상 후의 제어계가 불안정하게 되기 쉽다.
따라서, 위상보상기의 전달함수에 있어서의 파라미터 ζ1은 식: 0＜ζ1＜2-1/2로 나타나는 범위 이외에서 선정해야 한다.
그래서, 본 실시형태에서는, 전달함수 Gc(s)를 갖는 위상보상기(15a, 15b)의 파라미터 ζ1 및 ζ2를, 하기의 식이 만족되도록 설정한다.
2-1/2≤ζ1≤1
0＜ζ2＜2-1/2
이와 같이 설정함으로써, 안정성을 확보하면서 응답성을 개선할 수 있다.
또한, 시스템 전체의 피크 주파수(fp)와 기계계 피크 주파수(fm)와는 다르며, 기계계 피크 주파수(fm) 쪽이 시스템 피크 주파수(fp)보다도 높아지고 있다. 그 때문에, ω1 근방의 주파수대역에서 불안정(진동적인 계)하게 되지 않도록 하기 위해서는, 기계계 고유 진동의 각주파수(ωm)에 있어서 게인이 충분히 저하하고 있을 필요가 있다. ωm＜ω1이면, ωm에 있어서 게인이 충분히 저하하지 않고 ω1 근방의 주파수대역에서 진동적인 계가 된다. 따라서, 기계계 피크를 효과적으로 보상하기 위해서 위상보상기의 파라미터 ω1을 하기의 식이 만족되도록 설정하는 것이 바람직하다.
ωm＞ω1
이상과 같이, ζ1, ζ2, ω1을 설정하면, 도 2에 있어서, 전동 파워 스티어링 장치의 특성으로서, 곡선 e로 나타내는 바와 같은 게인 특성 및 곡선 g로 나타내는 바와 같은 위상 특성이 얻어진다. 또한, 도 5는 위상보상기의 특성을 나타내는 보드 선도이다. 이들로부터, 상기 설정에 의한 위상보상에 의하면, 게인의 피크의 값이 크게 저하하고, 20Hz 부근에서의 위상의 지연이 개선됨을 알 수 있다.
이상의 위상보상기에 의하면, 위상보상 설계의 간이화를 도모하면서, 제어계의 안정성을 확보함과 아울러 응답성을 향상시켜서 원하는 주파수 특성의 토크 폐루프 전달함수를 얻을 수 있다.
계속해서, 또한, 매우 적합한 보상기 설계를 실현하기 위해서는, 우선, 위상보상기의 전달함수 Gc(s)에 있어서의 ω1과 ω2에 대해서 검토한다. ω1은 보상 후의 자연 각주파수, 바꿔 말하면 목표의 자연 각주파수이다. 여기에서, ω1과 ω2가 다르다고 하는 것은 피보상계의 자연 각주파수가 목표의 자연 각주파수로 되어 있지 않다는 것이다. 전동 파워 스티어링 장치의 제어계에 있어서의 위상보상에서는, 피보상계의 자연 각주파수와 목표의 자연 각주파수가 동일한 것이 바람직하므로, ω1＝ω2로 한다. 여기에서, ωn＝ω1＝ω2로 두고, 이하, 이것을 "보상기 자연 각주파수"라고 말하는 것으로 한다. 그리고, 시스템 전체의 토크 개루프 전달함수의 게인 특성에 있어서의 피크 주파수(fp)에 대해서, 보상 후의 자연 각주파수 ωn＝2π·fp 라고 설정하면, 기계계 피크(Pm)의 영향에 의한 시스템의 불안정화(진동적으로 되는 것)가 회피된다. 한편, 기술과 같이, 기계계 피크(Pm)의 영향에 의해 진동적인 계가 되지 않도록 ωm＞ω1로 하는 것이 바람직하다.
그래서, 보다 바람직하게는, 위상보상기의 전달함수의 파라미터는 하기의 식이 만족되도록 설정한다.
ωm＞ω1＝ω2＝ωn
ωn＝2π·fp
2-1/2≤ζ1≤1
0＜ζ2＜2-1/2
이와 같이, ω1과 ω2를 동일한 값으로 설정함으로써, 설계 파라미터가 1개 삭감되며, 효과적으로 또한 간단하게 응답성과 안정성을 만족시킬 수 있다.
또한, ωn＝2π·fp의 fp(이하, 이것을 시스템 피크 주파수(fp)와 구별하기 위해서 기호 "fn"으로 나타내며, "보상기 자연 주파수"라고 말함)에 대해서는, 피크 주파수(fp)와 동일한 값이 아니더라도 피크 주파수(fp) 근방의 값이면 충분히 실용적이다. 따라서, 보상기 자연 각주파수(ωn)는 다음 식과 같이 설정할 수 있다.
2π×(fp－α)≤ωn≤2π×(fp＋β)
본 실시형태에서는, 차량 주행중용인 제1위상보상기(15a)도, 정차 상태에서 의 핸들조작용인 제2위상보상기(15b)도, 상기 식 Gc(s)로 나타나는 전달함수를 갖는다. 제1위상보상기(15a)와 제2위상보상기(15b)는 Gc(s)의 파라미터의 값이 서로 다르지만, 그 값은 상기 범위에서 설정되고 있다.
예를 들면, 주행중용의 제1위상보상기(15a)의 파라미터로서, ωn＝2π×21Hz, ζ1＝1, ζ2＝0.2를 선정한 경우, 정차 상태에서의 핸들조작용의 제2위상보상기(15b)의 파라미터로서 ωn＝2π×20Hz, ζ1＝1, ζ2＝0.2를 선정해서, 양 위상보상기(15a, 15b)의 특성을 다르게 할 수 있다.
상기의 예의 경우, 정차 상태에서의 핸들조작용의 제2위상보상기(15b)의 ωn의 값이 제1위상보상기(15b)에 비해서 작으므로, 제2위상보상기(15b)의 감쇠의 피크는 제1위상보상기(15b)의 감쇠 피크에 비해서 저주파역측이 된다. 이 결과, 제2위상보상기(15b)는 저주파역에서의 감쇠도가 전체적으로 높아진다.
한편, 제1위상보상기(15a)의 ωn의 값이 제2위상보상기(15a)보다도 크기 때문에, 주행중에 있어서는 저주파역에서의 감쇠 및 위상 지연이 비교적 작아지고, 조타 필링의 들뜬감이 저하한다.
제1위상보상기(15a)에서는, 또한 차속에 따라 파라미터의 값을 다르게 해도 좋으며, 예를 들면, 저속시에는 파라미터를, ωn＝2π×21Hz, ζ1＝1, ζ2＝0.2로 하고, 중속 이상일 때에는 파라미터를, ωn＝2π×23Hz, ζ1＝1, ζ2＝0.3으로 할 수 있다. ωn을 크게 함으로써, 감쇠 피크의 주파수를 고주파역측으로 옮길 수 있으며, ζ2를 크게 함으로써 감쇠도를 낮게 할 수 있다. 이것에 의해, 조타 필링을 한층 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에서는, 위상보상기로서 제1위상보상기(15a)와 제2위상보상기(15b)를 각각 따로따로 형성해서 양 보상기(15a, 15b)를 전환기(15c)로 전환하고 있으나, 2개의 위상보상기를 대신해서 단일의 위상보상기를 형성해 두고, 중행중인지 정차 상태에서의 핸들조작인지로 위상보상기의 Gc(s)의 파라미터(ωn, ζ1, ζ2)로서 다른 값이 주어지도록 해 두어도 좋다.
한편, 본 발명에 있어서, 위상보상기의 전달함수 및 그 특성은 상기의 것에 한정되지 않는다.

Claims (4)

  1. 조타(操舵) 토크에 따른 조타 보조력을 전동 모터에 의해 발생시키는 전동 파워 스티어링 장치로서,
    조타 토크를 검출하는 토크 센서와,
    상기 토크 센서의 출력으로부터 상기 전동 모터의 제어 목표값을 생성할 때에 작용하는 위상보상수단과,
    조타가 차량 주행중에 행해진 경우와, 정차 상태에서의 핸들조작의 경우에 있어서의 상기 위상보상수단의 특성을 다르게 하는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 위상보상수단은 차량 주행중용의 제1위상보상기와, 정차 상태에서의 핸들조작용의 제2위상보상기를 각각 구비하고,
    상기 위상보상수단의 특성을 다르게 하는 상기 수단은 차량이 주행하고 있는 경우에는 상기 제1위상보상기를 통해서 제어 목표값이 생성되고, 정차 상태에서의 핸들조작의 경우에는 상기 제2위상보상기를 통해서 제어 목표값이 생성되도록 각 위상보상기를 전환하는 수단에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 위상보상수단은 소정의 주파수에 있어서 감쇠 피크를 갖도록 구성된 차량 주행중용의 제1위상보상기와, 소정의 주파수에 있어서 감쇠 피크를 갖도록 구성된 정차 상태에서의 핸들조작용의 제2위상보상기를 각각 구비하고,
    상기 제2위상보상기의 감쇠 피크는 상기 제1위상보상기의 감쇠 피크보다도 저주파역측에 있는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 위상보상수단은 하기의 식의 전달함수 Gc(s)로 나타나는 것이며, 당해 전달함수 Gc(s)의 파라미터 ζ2 및 ω2는 당해 전동 파워 스티어링 장치의 토크 개루프(open-loop) 전달함수의 게인 특성에 있어서 기계계 고유 진동과 상기 모터의 역기전력(逆起電力)에 기초해서 나타나는 피크를 저감 또는 상쇄하는 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
    Gc(s)＝(s2＋2ζ2ω2s＋ω2 2)/(s2＋2ζ1ω1s＋ω1 2)
    여기에서, ζ1은 보상 후의 감쇠계수, ζ2는 피보상계의 감쇠계수, ω1은 보상 후의 자연 각주파수(natural angular frequency), ω2는 피보상계의 자연 각주파수이고, 상기 Gc(s)의 파라미터이다.
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