WO2001089910A1

WO2001089910A1 - Dispositif de commande pour systeme de direction d'un vehicule a moteur

Info

Publication number: WO2001089910A1
Application number: PCT/JP2001/003981
Authority: WO
Inventors: Hui Chen; Shuji Endo
Original assignee: Nsk Ltd.
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2001-11-29
Also published as: JP4660883B2; GB2366550B; US6876911B2; JP2001328553A; DE10191916T1; GB2366550A; GB0125736D0; US20020116105A1

Description

明細書電動パワーステアリング装置の制御装置技術分野

本発明は、自動車や車両の操舵系にモー夕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、特に安価な構成で連続的な操舵感を与えることにより、安全かつ快適な操舵性能を与え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する。背景技術

自動車や車両のステアリング装置をモー夕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、モー夕の駆動力を減速機を介してギァ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ァリング装置は、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、電流制御値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモ一夕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 P W M (パルス幅変調）制御のデューティ比の調整で行っている。

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を第 9図に示して説明すると、操向ハンドル 1の軸 2は減速ギア 3、ユニバーサルジョイント 4 a及び 4 b、ピニオンラック機構 5を経て操向車輪のタイ口ッド 6に結合されている。軸 2には、操向ハンドル 1の操舵トルクを検出するトルクセンサ 1 0が設けられており、操向ハンドル 1の操舵力を補助するモー夕 2 0がクラッチ 2 1、減速ギア 3を介して軸 2に結合されている。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 3 0 には、バッテリ 1 4からィグニションキー 1 1を経て電力が供給され、コントロールュニット 3 0は、トルクセンサ 1 0で検出された操舵トルク Tと車速センサ 1 2で検出された車速 Vとに基いてアシスト指令の操舵補助指令値 I の演算を行い、演算された操舵補助指令値 I に基いてモ一夕 2 0に供給する電流を制御する。クラッチ 2 1はコントロールュニット 3 0で O N Z O F F制御され、通常の動作状態では O N (結合）されている。そして、コントロールユニット 3 0によりパワーステアリング装置が故障と判断された時、及びィダニションキー 1 1によりバッテリ 1 4の電源（電圧 V b ) が O F Fとなっている時に、クラッチ 2 1は O F F (切離）される。

コントロールュニット 3 0は主として C P Uで構成されるが、その C P U内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと第 1 0 図のようになる。例えば位相補償器 3 1は独立したハードウェアとしての位相補償器を示すものではなく、 C P Uで実行される位相補償機能を示している。

コントロールユニット 3 0の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ 1 0で検出されて入力される操舵トルク Tは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器 3 1で位相補償され、位相補償された操舵トルク T A が操舵補助指令値演算器 3 2に入力される。また、車速センサ 1 2で検出された車速 Vも操舵補助指令値演算器 3 2に入力される。操舵補助指令値演算器 3 2は、入力された操舵トルク T A及び車速 Vに基いてモー夕 2 0に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値 I を決定する操舵補助指令値 I は減算器 3 O Aに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器 3 4に入力され、減算器 3 0 Aの偏差（ I — i ) は比例演算器 3 5に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算器 3 6に入力される。微分補償器 3 4及び積分補償器 3 6の出力も加算器 3 0 Bに加算入力され、加算器 3 0 Bでの加算結果である電流制御値 Eが、モー夕駆動信号としてモー夕駆動回路 3 7に入力される。モータ 2 0のモ一夕電流値 i はモー夕電流検出回路 3 8で検出され、モー夕電流値 i は減算器 3 0 Aに入力されてフィードバックされる。

モー夕駆動回路 3 7の構成例を第 1 1図に示して説明すると、モー夕駆動回路 3 7は加算器 3 0 Bからの電流制御値 Eに基いて電界効果トランジス夕（F E T) F E T 1〜 F E T 4の各ゲートを駆動する F E Tゲート駆動回路 3 7 1、 F E T 1〜 F E T 4で成る Hブリッジ回路、 F E T 1及び F E T 2の八イザイド側を駆動する昇圧電源 3 7 2等で構成されている。 £丁 1及び £丁 2は、電流制御値 Eに基いて決定されるデューティ比 D 1の PWM (パルス幅変調）信号によって ONZO F F され、実際にモー夕 2 0に流れる電流 I rの大きさが制御される。 F E 丁 3及び £丁 4は、デューティ比 D 1の小さい領域では所定 1次関数式（ a, bを定数として D 2 = a · D 1 + b ) で定義されるデューティ比 D 2の PWM信号で駆動され、デュ一ティ比 D 2も 1 0 0 %に達した以降、 P WM信号の符号により決定されるモータ 2 0の回転方向に応じて ONZO F Fされる。

一方、広く普及している油圧式パワーステアリング装置では、第 1 2 図に示すようにシリンダ圧 Ρに比例して（横軸 Τは操舵トルク）、シリンダ部の摩擦が増加する特性を有し、この摩擦特性のためにヒステリシスを持つことになり、例えばコーナリング時にセルファライニングトルクによってハンドルが急に戻されるのを防ぎ、ドライバの操舵感の向上にも役立っている。第 1 3図はその様子を示しており、操舵トルク Τが急激に Δ Τだけ変化した場合、ヒステリシスがない場合には Ρ 1なるシリンダ圧が変化することになるが、ヒステリシスがある場合には P 2 ( < P 1 ) の変化となる。従って、ヒステリシスがあれば操舵トルク Tの変化に対して、シリンダ圧 Pの変化を緩やかにすることができる。ここで、ヒステリシス幅は摩擦の大きさに応じて変化することが知られており、油圧シリンダのゴムパッキンでは、シリンダ圧の上昇に伴ってゴムが圧迫されることにより、クーロン摩擦が増えてヒステリシス幅が増える。そして、ドライバとしては中立点近くではセルファライニングトルクを強く感じ、コーナリング時等にはセルファライニングを余り感じないことが、操舵感の上で重要である。この意味から理想的には油圧式パワーステアリング装置のように、操舵角 0が小さい領域では摩擦（ヒステリシス）が小さく、操舵角 6>が大きい領域では摩擦（ヒステリシス）が大きいことが望ましい。

これに対して、電動パワーステアリング装置では、第 1 4図に示すようにアシストトルク Tに関係なく一定の摩擦を有する。電動パワーステァリン装置の場合、主にモータが持つクーロン摩擦が支配的であるため、操舵力によらず一定の摩擦特性を持つことが特徴であり、このため第 1 3図に示すように一定幅のヒステリシス特性となる。但し、ヒステリシス幅は、油圧式パワーステアリン装置の高トルク時のヒステリシス幅よりも狭くなつている。従って、電動パワーステアリン装置では操舵トルク Tの小さい領域での摩擦特性を重視して、摩擦を補償するようにしている。しかしながら、このような補償による場合、第 1 5図に示すように操舵トルク Tの大きい領域では摩擦が小さくなり過ぎ、結果としてコーナリング時等の操舵トルク Tが大きいときに、安定した操舵感を失なうことになっていた。

上述のような問題を解決した制御装置として、例えば日本国特開平 9 — 1 5 6 5 2 6号公報に示されるものがある。これは、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段を設け、前記操舵トルク検出手段から出力される検出信号に基づき、電気的なパワーアシスト手段のアシスト量を制御する車両用操舵制御装置において、前記操舵トルク検出手段の検出信号にヒステリシスを与える調整手段を備えたことを特徴とするものである。

調整手段を設けることにより、操舵トルク検出手段の検出信号にヒステリシスを与えることができる。よって、操舵トルクの検出信号に基づき、作動するパワーアシスト手段のヒステリシス特性を操舵状態に応じて可変することができるため、トルクアシスト量を最適化することが可能となる。しかしながら、この従来装置では、操舵動作に断続感が残り、トルク制御系が不安定であると共に、新たにハードウエアの構成を具備するためにコス卜アップになるといった欠点がある。

また、本出願人による日本国特開 2 0 0 0 - 9 5 1 3 1号公報で示されるように、ハンドル戻り時に負の微分ゲインを適応し、アシスト量の急激な減少を防ぎ、切り増し時に正の微分ゲインを適応して応答性を高め、結果として高トルク領域では大きなヒステリシス特性を、中立点近傍の低トルク領域では小さなヒステリシス特性を与えるようにしているものがある。しかしながら、この装置では、ハンドル戻りと切り増し操舵パターンにより、負と正の微分ゲインを切り換えることによって負と正の微分ゲインが離れ過ぎた場合、不自然な操舵感が発生する問題がある。

更に、走行速度及びステアリングホイールの操舵角度に拘らず快適な操舵感を得る装置として日本国特開平 1 0— 2 9 1 4 8 1号公報に示されるものがあるが、制御系の安定性のみに着目しているため、アシストトルクの応答性の点で問題がある。

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, 電動パワーステアリング装置にソフトウエア上の安価な構成で、連続的なヒステリシス特性を調整可能な幅で与えることにより、連続的で安定かつ快適な操舵感を得るようにし、ハンドルの操舵性能を向上した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。発明の開示

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いて演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える前記モー夕を制御するようになつている電動パワーステアリング装置の制御装置に関するもので. 本発明の上記目的は、前記操舵トルクの信号を微分して前記操舵補助指令値に加算すると共に、前記操舵トルク及び車速の大きさに応じて前記微分のゲインが連続的に変化する補助演算手段を設けることによって達成される。

また、前記補助演算手段を前記演算手段と並列に接続すると共に、近似微分器、ゲイン調整器及び加算器で構成することにより、或は前記ゲィン調整器のゲインを、前記操舵トルクが小さくなるに従って大きく、前記操舵トルクが大きくなるに従って小さくなるようにすることにより或は前記ゲイン調整器のゲインを、前記操舵トルクの所定領域において、前記車速が大きくなるに従って小さくなるようにすることによって、本発明の上記目的はより効果的に達成される。図面の簡単な説明

第 1図は本発明の構成例を示すブロック図であり、第 2図は本発明の要部を示す伝達関数ブロック図であり、第 3図は本発明の動作を説明するための図であり、第 4図は演算器の特性例を示す図であり、第 5図は本発明の動作例を示すフローチャートであり、第 6図は本発明で使用する車速ゼロ時の微分ゲイン対操舵トルクの特性例を示す図であり、第 7図は本発明で使用する車速増大時の微分ゲイン対操舵トルクの特性例を示す図であり、第 8 図は微分ゲイン負のときのヒステリシスを有するアシスト特性を示す図であり、第 9図は電動パワーステアリング装置の一例を示すプロック構成図であり、第 1 0図はコントロールュニッ卜の一般的な内部構成を示すブロック図であり、第 1 1図はモ一夕駆動回路の一例を示す結線図であり、第 1 2図は油圧式パワーステアリング装置の動作例を示す図であり、第 1 3図はヒステリシス特性の効果を説明するための図であり、第 1 4図は電動パワーステアリング装置の動作例を示す図であり、第 1 5 図は電動パワーステアリング装置の動作例を示す特性図である。発明を実施するための最良の形態

本発明では、アシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的として、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルク信号の微分に比例した値を、しかも操舵トルク及び車速の大きさに応じて微分ゲインを変化させて、制御系の応答性を高めるために加算している。このように微分ゲインを連続的に変化させることにより、操舵トルク、車速、操舵パターンなどの変化時の微分ゲインに大きな変化がないため、不自然な操舵感を防ぐことができ、快適な操舵性能を得ることができる。また、操舵トルクの小さな領域での微分ゲインを大きくすることにより、中立点近傍の応答性を高めて小さなヒステリシス特性が得られ、快適な操舵性能が得られると共に、操舵トルクの大きな領域での応答性及び安定性も保たれる。

更に、所定操舵トルクの領域において、車速が増加することに従って微分ゲインを小さく、負の微分ゲインを含むようにしており、これによりハンドル戻り時のアシスト量の急激な減少を防ぐことができ、等価的に大きなヒステリシス特性が得られ、コーナリング時の操舵安定性を実現している。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

先ず本発明によるコントロールユニット 3 O Aの構成を、第 9図に対応させて第 1図に示す。本発明では、位相補償器 3 1からの操舵トルク T Aは操舵補助指令値 I を演算するための演算器 3 1 0に入力され、演算器 3 1 0は車速 Vをパラメ一夕として操舵補助指令値 I を演算する。演算器 3 1 0から出力された操舵補助指令値 I は加算器 3 1 3に入力され、また、操舵トルク T Aは近似微分器 3 1 2で微分され、その微分出力信号は車速 Vをパラメ一夕とするゲイン調整器 3 1 5に入力され、ゲイン調整された微分トルク S T Aが加算器 3 1 3に入力され、加算器 3 1 3で加算された電流指令値 I r e f が加減算器 3 1 4に入力されるようになつている。車速 Vはパラメータとして、ゲイン調整器 3 1 5に入力されている。近似微分器 3 1 2、ゲイン調整器 3 1 5及び加算器 3 1 3で補助演算手段を構成している。

更に、コントロールュニット 3 0 A内のモー夕角速度推定器 3 0 1は、電流制御値 E (モー夕端子間電圧に対応）及びモータ電流値 i よりモー夕角速度 ωを推定し、推定されたモータ角速度 ωをロストルク補償器 3 0 3及び収れん性制御器 3 0 4に入力する。ロストルク補償器 3 0 3及び収れん性制御器 3 0 4の出力はそれぞれ加減算器 3 1 4に入力され、ロストルク補償器 3 0 3はモータ 2 0のロストルクの発生する方向、つまりモータ 2 0の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行ない. 収れん性制御器 3 0 4は、車両のョ一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つている。また、モータ角速度 ωはモ一夕角加速度推定器（微分器） 3 0 2に入力されてモータ角加速度が推定され、モー夕角加速度は慣性補償器 3 0 5に入力され、その補償信号が加減算器 3 1 4に入力されている。慣性補償器 3 0 5はモータ 2 0の慣性により発生する力相当分をアシストするものであり、慣性感又は制御の応答性の悪化を防止する。

ここにおいて、演算器 3 1 0による操舵補助指令値 I の演算は、第 2 図のブロック 3 1 0 Αに示すような関数特性で演算出力され、 △ I TA Kとし、簡略化のために KocT Aなる関係を仮定する。近似微分器 3 1 2の伝達関数はゲインを " 1 " として第 2図のブロック 3 1 2のようになつており、その後段に接続されたゲイン調整器 3 1 5のゲイン K d dは車速 V及び操舵トルク Tに従って変化するようになっている。尚、 T 1は積分時定数であり、 sはラプラス変数である。第 2図のプロック図より、電流指令値 I r e f について下記数 1が成り立つ。

【数 1】

I r e f =K + K d d - s / (T l -' s + l )

= (K · T 1 · s +K + K d d ' s ) / (T l · s + 1 )

= { (K · T 1 + K d d ) s +K} / (T l · s + 1 )

= {KZ (T l · s + 1 )} { K · T 1 + K d d ) s /K+ 1 } ここで、下記数 2が成り立つ。

【数 2】

(K · T 1 + K d d ) /K>T 1

従って、上記数 1の周波数特性は第 3図のようになる。

第 3図で示されるように、アシスト特性ゲイン Κが小のときとアシスト特性ゲイン Κが大のときとを比較すると、アシスト特性ゲイン Κが大のときの周波数 a以上の帯域では、アシスト特性ゲイン Kの大小に拘らずゲイン Gの差は小さい。即ち、周波数 a以上の帯域では、アシスト特性ゲイン Kの大小に拘らずほぼ一定の応答性が得られる。演算器 3 1 0 の出力である操舵補助指令値 I は、第 4図に示すように操舵トルク T A が小のときはアシスト特性ゲイン Kが小で、操舵トルク T Aが大のときはアシスト特性ゲイン Kが大となっている。この結果、操舵トルク TA が小のときは、操舵トルク T Aが大のときに比べて応答性が低下する。従って、第 3図のような特性をもたせることにより、高周波帯域での応答性を保ち、モータの摩擦や慣性の影響を補償することができる。

第 5図は本発明の動作例を示すフローチヤ一トであり、車速 Vを V₂>V i≥ 0 として、先ず車速 Vが V,より大きいか否かを判定し（ステップ S 1 )、車速以下の場合には微分ゲイン K d dを ^(ΤΑ,ν,)とする（ステップ S 3 )。また、車速 Vがより大きい場合には更に車速 Vが V₂より大きいか否かを判定し（ステップ S 2 )、車速 V₂以下の場合には微分ゲイン K d dを f₂(TA，V₂)とする（ステップ S 4)。そして、車速 Vが V₂ よりも大きい場合には、微分ゲイン K d dを下記数 3とする（ステップ S 5 )。

【数 3】

K d d = [f₂(TA, V₂) - f,(TA, V,)] Xg(TA) I f, (TA, V,)

ここにおいて、本発明では微分ゲイン K d dを、車速 Vをパラメ一夕として変化させると共に、操舵トルク T Aに対して第 6図に示すように変化させる。即ち、第 6図は車速 Vが 0のときの操舵トルク T Aと微分ゲイン K d dとの関係を示しており、操舵トルク T Aの小さい領域において微分ゲイン K d dを大きく、操舵トルク T Aが増加するに従って微分ゲイン K d dが小さくなるようにする。そして、第 7図に示すように、微分ゲイン K d dを所定の操舵トルク TAの領域において、車速 Vが増加するに従って小さくなるようにする。

上述のように、車速 Vが増加するに従って微分ゲイン K d dを小さくすることにより、等価的なアシスト特性のヒステリシスを調整することができる。微分ゲイン K d dが 0になったときに、アシスト特性のヒステリシスは機械系の摩擦により定まる。そして、微分ゲイン K d dが負になったときに第 8図に示すように、アシスト特性のヒステリシスが機械系の摩擦によるヒステリシスより大きくなる。産業上の利用可能性

本発明では、アシストトルクの応答性向上とトルク制御系の安定性向上を目的として、アシスト量（操舵補助指令値）に対して操舵トルクの微分に比例した値を、操舵トルク及び車速の大きさに応じて微分ゲインを変化させ、応答性及び安定性を高めるために加算している。このように微分した値で車速をパラメ一夕とする大きさの信号をアシスト量に加算しているため、中立近傍での応答性とコーナリング時のアシスト量の急激な減少を両立でき、かつ不自然な操舵感を防ぐことができ、快適な操舵フイーリングを得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算手段で演算された操舵補助指令値と、モ一夕の電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える前記モー夕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、前記操舵トルクの信号を微分して前記操舵補助指令値に加算すると共に、前記操舵トルク及び車速の大きさに応じて前記微分のゲインが連続的に変化する補助演算手段を具備した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。

2 . 前記補助演算手段が前記演算手段と並列に接続されると共に、近似微分器、ゲイン調整器及び加算器で成っている請求の範囲第 1項に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。

3 . 前記ゲイン調整器のゲインが、前記操舵トルクが小さくなるに従つて大きく、前記操舵トルクが大きくなるに従って小さくなるようになつている請求の範囲第 2項に記載の電動パワーステアリング装置の制御装

4 . 前記ゲイン調整器のゲインが、前記操舵トルクの所定領域において、前記車速が大きくなるに従って小さくなるようになつている請求の範囲第 2項に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。