JP4103747B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置の技術分野に属する。

従来の電動パワーステアリング装置は、ステアリングに操舵補助力を与えるモータを備え、測定または推定されたモータ速度およびモータ加速度に基づいて、ダンピング制御とモータ慣性補償制御を実施するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１３９３３９号公報

しかしながら、上記従来の電動パワーステアリング装置では、危険回避のようなシーンにおいて、運転者が速い操舵を行ったとき、モータの慣性を補償しきれず、ステアリング戻し過程で操舵反力が大きく減少する、いわゆる反力抜けが発生し、運転者に違和感を与えるという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、ステアリング戻し過程においてモータの慣性に起因する反力抜けの助長を抑制し、より自然な操舵感が得られる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、操舵手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、前記操舵手段の操舵速度を検出する操舵速度検出手段と、舵取機構に操舵補助力を加えるモータと、前記トルク検出手段による検出トルクと操舵速度検出手段による検出操舵速度に応じた操舵補助力を発生させるように、前記モータを駆動制御する操舵補助力制御手段と、を備えた電動パワーステアリング装置において、前記操舵補助力制御手段に、前記操舵手段の操作状態が切り戻しか否かを判断する切り戻し判断部と、前記操舵補助力設定部による設定操舵補助力に対し、操舵速度を抑制する方向へダンピング力を加算するダンピング制御部と、を設け、前記ダンピング制御部は、操舵手段が切り戻し状態で、かつ、検出操舵速度の絶対値があらかじめ設定された設定速度以上のときには、それ以外のときよりもダンピング力のゲインを減少させることを特徴とする。

本発明の電動パワーステアリング装置にあっては、ステアリングの切り戻し速度が速いとき、ダンピング力の出力応答を鈍くするため、ステアリング戻し過程においてモータの慣性に起因する反力抜けの助長が抑制され、自然な操舵感が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１と実施例２に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の電動パワーステアリング装置の構成図である。
運転者の舵取り操作用のステアリングホイール（操舵手段）１と、舵取り動作を行う舵取り機構２とを連結する操舵軸３に、ステアリングホイール１に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサ（トルク検出手段）４と、運転者の操舵力を補助するモータ５とが配置されている。

前記ステアリングホイール１は、図示しない車室内部の運転者と対向する位置に、軸周りに回動可能に設けられている。舵取り機構２は、操舵軸３の下端に一体形成されたピニオン６と、このピニオン６に噛合するラック軸７とを備えるラック&ピニオン式の舵取り装置により構成されている。ラック軸７は、車幅方向へ摺動可能な状態で、図示しない車両前部に固定されており、その両端は、左右のタイロッド８，９を介して操向用の転舵輪１０，１１に連結されている。

前記モータ５は、モータ５の発生トルクを操舵軸３の回転トルクに変換する減速機１２を介して、操舵軸３に結合されている。このモータ５に供給されるモータ電流は、コントローラ（操舵補助力制御手段）１３により制御されている。

続いて、図２に示すコントローラ１３の制御ブロック図を加えて、実施例１の制御系を説明する。

コントローラ１３は、ベース電流制御部１８と、ダンピング制御部１９と、慣性補償制御部２０とを備えている。

運転者によりステアリングホイール１が操作されると、機械的な連結により転舵輪１０，１１が操向される。このとき、トルクセンサ４に入力される捩れ方向の負荷が、操舵トルクとして検出される。

ベース電流制御部１８には、トルクセンサ４の出力である操舵トルクと、モータ５の回転角や回転速度を計測するエンコーダ（操舵速度検出手段）１６もしくはタコジェネレータから出力される回転角度と、車両の走行速度を検出する車速センサ（車速検出手段）１４の信号等が入力される。ダンピング制御部１９には、操舵トルクと、モータ５の回転速度が入力される。また、慣性補償制御部２０には、モータ５の回転速度が入力される

ベース電流制御部１８は、操舵トルク、モータの回転角、回転速度および車速等を用いて、モータ５のベース電流を算出する。ダンピング制御部１９は、エンコーダ１６から算出されたモータ角度の微分、すなわちモータ速度から、ダンピング電流を算出する。慣性補償制御部２０は、モータ速度を再度微分することで得られるモータ加速度から、慣性補償電流を算出する。

そして、コントローラ１３では、ベース電流とダンピング電流と慣性補償電流を加算したものを、駆動電流としてモータ５へ出力する。このとき、モータ電流センサ１７により、モータ電流を参照しつつ、モータ５を制御駆動する。なお、モータ５へ供給される電源は、バッテリ１５により与えられる。

図３は、実施例１のコントローラ１３のダンピング制御部１９を説明する制御ブロック図である。

ダンピング制御部１９は、モータ速度−操舵速度変換ブロック２１と、第１ダンピングゲイン設定部２２と、乗算器２３と、第２ダンピングゲイン算出部２４と、乗算器２５と、第２ダンピングゲイン設定部２６と、乗算器２７とから構成される。

モータ速度−操舵速度変換ブロック２１は、モータ速度を減速比Ｎ倍することにより、ステアリング軸の回転速度、すなわち操舵速度へ変換する。

第１ダンピングゲイン設定部２２は、第１ダンピングゲインを、車速に応じてマップ等から読み込む。第１ダンピングゲインは、車速が高いほど大きくなる。

乗算器２３は、操舵速度と第１ダンピングゲインとを乗算し、第１ダンピング電流を算出する。

第２ダンピングゲイン算出部２４は、後述する切り戻し時の第２ダンピングゲインを、操舵速度に応じてマップ等から読み込む。図３に示すように、操舵速度の絶対値があらかじめ設定された設定速度θ₀'よりも小さいとき、第２ダンピングゲインは１となる。一方、操舵速度の絶対値が設定速度θ₀'以上のときには、操舵速度の絶対値が大きくなるほど、第２ダンピングゲインは徐々に小さくなり、設定速度θ₁'以上ではゼロとなる。

乗算器２５は、操舵速度と操舵トルクを乗算する。ここで、切り増し時は操舵方向、すなわち操舵速度の正負と、操舵トルクの正負は一致するため、操舵速度と操作トルクの積は必ず正になる。一方、切り戻し時は操舵速度の正負と操舵トルクの正負は反対となるため、操舵速度と操舵トルクの積は負となる。

第２ダンピングゲイン設定部２６は、操舵速度と操舵トルクの積が正の場合は第２ダンピングゲインを１とし、負の場合は第２ダンピングゲイン算出部２４により設定された値を第２ダンピングゲインとして出力する。

乗算器２７では、第１ダンピング電流と第２ダンピングゲインとを乗算することで、第２ダンピング電流、すなわち、ダンピング指令値を算出する。

このダンピング指令値と、ベース電流および慣性補償電流を加算したものが、モータ５の電流指令値として出力され、モータが制御駆動される。

次に、作用を説明する。
［ダンピング電流算出制御処理］
図４は、コントローラ１３のダンピング制御部１９で実行されるダンピング電流算出制御処理の流れを示すフローチャートであり、以下、各ステップについて説明する。

ステップＳ１０１では、モータ速度、車速および操舵トルクを読み込み、ステップＳ１０２へ移行する。

ステップＳ１０２では、モータ速度から操舵速度を演算し、ステップＳ１０３へ移行する。

ステップＳ１０３では、車速に応じた第１ダンピングゲインをマップ等から読み込み、ステップＳ１０４へ移行する。

ステップＳ１０４では、操舵速度と第１ダンピングゲインを乗算して第１ダンピング電流を算出し、ステップＳ１０５へ移行する。

ステップＳ１０５では、切り戻し時の第２ダンピングゲインを、操舵速度に応じてマップ等から読み込み、ステップＳ１０６へ移行する。

ステップＳ１０６では、操舵速度と操舵トルクを乗算し、ステップＳ１０７へ移行する。

ステップＳ１０７では、操舵速度と操舵トルクの積が正であるかどうかを判断する（切り戻し判断部に相当）。YESの場合にはステップＳ１０８へ移行し、NOの場合にはステップＳ１０９へ移行する。

ステップＳ１０８では、第２ダンピングゲインを１とし、ステップＳ１１０へ移行する。

ステップＳ１０９では、第２ダンピングゲインを、ステップＳ１０５で算出したものとし、ステップＳ１１０へ移行する。

ステップＳ１１０では、第１ダンピング電流と第２ダンピングゲインとを乗算して第２ダンピング電流を算出し、本制御を終了する。

［ダンピング電流算出制御作用］
ステアリング切り増し過程では、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１→ステップＳ１０２→ステップＳ１０３→ステップＳ１０４→ステップＳ１０５→ステップＳ１０６→ステップＳ１０７→ステップＳ１０８→ステップＳ１１０へと進む流れとなる。すなわち、ステップＳ１０７において、操舵速度と操舵トルクの積が正であると判断され、ステップＳ１０８において、第２ダンピングゲインが１とされる。

ステアリング切り戻し過程では、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１→ステップＳ１０２→ステップＳ１０３→ステップＳ１０４→ステップＳ１０５→ステップＳ１０６→ステップＳ１０７→ステップＳ１０９→ステップＳ１１０へと進む流れとなる。すなわち、ステップＳ１０７において、操舵速度と操舵トルクの積が負であると判断され、ステップＳ１０９において、第２ダンピングゲインが、ステップＳ１０５で算出された値とされる。このとき、操舵速度が設定速度θ₀'よりも小さいときには、第２ダンピングゲインは１とされる。一方、設定速度θ₀'以上のときには、第２ダンピングゲインは、１よりも小さく、かつ操舵速度の絶対値の大きさに反比例した値とされる。

［切り戻し過程でのダンピングゲイン減少作用］
従来の電動パワーステアリング装置（例えば、特開平１１−１３９３３９号公報）では、ダンピング制御に加えて、モータの加速度に応じて慣性補償制御を実施することにより、制御系の応答性を高め、運転者へ与える違和感を低減している。

ところが、モータの慣性補償にも上限があるため、危険回避のようなシーンにおいて、速い操舵がなされ、制御系の応答性の上限を超えたとき、モータの慣性が大きく感じることがある。このときの操舵角を図５(a)に、操舵速度と操舵トルクを図５(b)に示す。図５(b)で明らかなように、モータの慣性が補償し切れていないため、ステアリング戻し過程において操舵トルクが大きく減少（反力抜け）している。そこに操舵速度に比例したダンピング補償を実施した場合、反力抜けがより強調され、運転者へ違和感を与えてしまう。

これに対し、実施例１の電動パワーステアリング装置では、図５(c)に示すように、緊急回避のような速い操舵において、切り増し過程では、第２ダンピングゲインを１とすることにより、ダンピング制御を有効に働かせ、操舵速度の不要な増加を抑制する。一方、切り戻し過程では、第２ダンピングゲインを小さくし、ダンピング力の出力応答を鈍くすることにより、モータの慣性に起因する操舵トルクの抜けを抑制している。

次に、効果を説明する。
実施例１の電動パワーステアリング装置にあっては、以下に列挙する効果を奏する。

(1) ダンピング制御部１９は、切り戻し過程において、操舵速度の絶対値があらかじめ設定された設定速度θ₀'以上のとき、それ以外のときよりも第２ダンピングゲインを減少させるため、モータの慣性に起因する反力抜けを助長することなくダンピングを働かせることができ、より自然な操舵感を実現できる。

(2) ダンピング制御部１９は、操舵速度と操舵トルクの積が正のとき、切り増しと判断し、操舵速度と操舵トルクの積が負のとき、切り戻しと判断するため、運転者が慣性抜けを感じるタイミングを確実に検知でき、より自然な操舵感を実現できる。

(3) ダンピング制御部１９、車速が高いほど、第１ダンピングゲインを大きくするため、車速に応じたダンピングの演出が可能となる。

まず、構成を説明する。
図６は、実施例２のコントローラ１３のダンピング制御部３０を説明する制御ブロック図である。なお、図３に示した実施例１と同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

ダンピング制御部３０は、モータ速度−操舵速度変換ブロック２１と、操舵速度不感帯除去フィルタ３１と、操舵トルク不感帯除去フィルタ３２と、乗算器３３と、第３ダンピングゲイン設定部３４と、乗算器３５と、上限リミッタ３６とから構成される。

操舵速度不感帯除去フィルタ３１および操舵トルク不感帯除去フィルタ３２は、例えばローパスフィルタ等が用いられ、所定値以下の操舵速度および操舵トルクを切り捨てることにより、センサノイズやドリフト、推定精度の影響をキャンセルするものである（不感帯処理部）。

乗算器３３は、操舵速度と操舵トルクを乗算し、仕事量を算出する。

第３ダンピングゲイン設定部３４は、第３ダンピングゲインを、車速に応じてマップ等から読み込む。第３ダンピングゲインは、車速が高いほど大きくなる。

乗算器３５は、仕事量と第３ダンピングゲインを乗算し、第３ダンピング電流を算出する。

上限リミッタ３６は、第３ダンピング電流に上限を設け、センサの断線等による不要なダンピング電流の発生を抑制する。

このようにして算出された第４ダンピング電流（ダンピング指令値）と、ベース電流および慣性補償電流を加算したものが、モータ５の電流指令値として出力され、モータが制御駆動される。

次に、作用を説明する。
［ダンピング電流算出制御処理］
図７は、コントローラ１３のダンピング制御部３０で実行されるダンピング電流算出制御処理の流れを示すフローチャートであり、以下、各ステップについて説明する。なお、図４に示した実施例１の処理と同一部分には、同一のステップ番号を付して説明を省略する。

ステップＳ２０１では、操舵速度があらかじめ設定された所定値よりも小さいかどうかを判断する。YESの場合にはステップＳ２０２へ移行し、NOの場合には本制御を終了する。

ステップＳ２０２では、操舵トルクがあらかじめ設定された所定値よりも小さいかどうかを判断する。YESの場合にはステップＳ２０３へ移行し、NOの場合には本制御を終了する。

ステップＳ２０３では、車速に応じた第３ダンピングゲインをマップ等から読み込み、ステップＳ２０４へ移行する。

ステップＳ２０４では、操舵速度と操舵トルクの積、すなわち仕事量を算出し、ステップＳ２０５へ移行する。

ステップＳ２０５では、仕事量と第３ダンピングゲインとを乗算して第３ダンピング電流を算出し、ステップＳ２０６へ移行する。

ステップＳ２０６では、第３ダンピング電流があらかじめ設定された上限値よりも小さいかどうかを判断する。YESの場合にはステップＳ２０７へ移行し、NOの場合にはステップＳ２０８へ移行する。

ステップＳ２０７では、第３ダンピング電流を、ステップＳ２０５で求めた値とし、本制御を終了する。

ステップＳ２０８では、第３ダンピング電流を前記上限値とし、本制御を終了する。

［ダンピング電流算出制御作用］
トルクセンサ４またはエンコーダ１６にセンサノイズが入力された場合には、図７のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１→ステップＳ１０２→ステップＳ２０１、またはステップＳ１０１→ステップＳ１０２→ステップＳ２０１→ステップＳ２０２へと進む流れとなる。すなわち、ステップＳ２０１またはステップＳ２０２において、センサノイズが操舵速度不感帯除去フィルタ３１または操舵トルク不感帯除去フィルタ３２により切り捨てられ、ダンピング指令値の設定がキャンセルされる。

操舵速度または操舵トルクが過大である場合は、図７のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１→ステップＳ１０２→ステップＳ２０１→ステップＳ２０２→ステップＳ２０３→ステップＳ２０４→ステップＳ２０５→ステップＳ２０６→ステップＳ２０８へと進む流れとなる。すなわち、ステップＳ２０６において、第３ダンピング電流があらかじめ設定された上限値以上であると判断され、ステップＳ２０８において、ダンピング指令値が前記上限値とされる。

［操舵速度と操舵トルクの積に応じたダンピング電流算出作用］
実施例２では、すなわちダンピング指令値を、操舵速度と操舵トルクの積に比例して算出している。

図８(a)のように、緊急回避のような速い操舵の場合には、図８(b)に示すように、切り始めはダンピング制御が有効に働くため、操舵速度の不要な増加が抑制される。一方、切り戻し時には、モータ慣性に起因する操舵トルクの抜けが助長されないため、より自然な操舵感を実現できる。

また、図９(a)のように、速い操舵ではない場合には、図９(b)に示すように、ステアリングの切り増し側も切り戻し側も有効にダンピング指令値が算出され、不要な操舵速度の増加を抑制できる。

次に、効果を説明する。
実施例２の電動パワーステアリング装置にあっては、以下に列挙する効果を奏する。

(4) ダンピング制御部３０は、操舵トルクと操舵速度の積に応じてダンピングゲインを変化させるため、より簡便な方法で、確実に速い操舵時の慣性抜けを抑制できるとともに、ゆっくりとした普通の操舵時には、適当なダンピングを実現できる。

(5) ダンピング制御部３０は、所定値以下の操舵速度および操舵トルクを切り捨てる操舵速度不感帯除去フィルタ３１および操舵トルク不感帯除去フィルタ３２を備えるため、センサノイズやドリフト等に起因するダンピング制御の誤動作を防止できる。

(6) ダンピング制御部３０は、ダンピング力の上限値を制限する上限リミッタ３６を備えるため、制御系の失陥時において、不要にステアリングが重くなりすぎるのを防止できる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は実施例１，２に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、実施例１，２では、操舵速度、操舵加速度算出にモータ角度から算出されるモータ角度、モータ加速度を利用しているが、ステアリング軸に別途設けるステアリング角センサ出力を用いてもよいし、モータに流れる電流とモータ端子間電圧から算出される推定モータ速度で代用してもよい。

実施例１の電動パワーステアリング装置の構成図である。 実施例１のコントローラの制御ブロック図である。 実施例１のダンピング制御部を説明する制御ブロック図である。 実施例１のダンピング制御部で実行されるダンピング電流算出制御処理の流れを示すフローチャートである。 実施例１の作用を示す説明図である。 実施例２のダンピング制御部を説明する制御ブロック図である。 実施例２のダンピング制御部で実行されるダンピング電流算出制御処理の流れを示すフローチャートである。 実施例２の作用を示す説明図である。 実施例２の作用を示す説明図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ 舵取り機構
３ 操舵軸
４ トルクセンサ
５ モータ
６ ピニオン
７ ラック軸
８，９ タイロッド
１０，１１ 転舵輪
１２ 減速機
１３ コントローラ
１４ 車速センサ
１５ バッテリ
１６ エンコーダ
１７ モータ電流センサ
１８ ベース電流制御部
１９，３０ ダンピング制御部
２０ 慣性補償制御部
２１ モータ速度−操舵速度変換ブロック
２２ 第１ダンピングゲイン設定部
２３，２５，２７，３３，３５ 乗算器
２４ 第２ダンピングゲイン算出部
２６ 第２ダンピングゲイン設定部
３１ 操舵速度不感帯除去フィルタ
３２ 操舵トルク不感帯除去フィルタ
３４ 第３ダンピングゲイン設定部
３６ 上限リミッタ

Claims (6)

1. 操舵手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
   前記操舵手段の操舵速度を検出する操舵速度検出手段と、
   舵取機構に操舵補助力を加えるモータと、
   前記トルク検出手段による検出トルクと操舵速度検出手段による検出操舵速度に応じた操舵補助力を発生させるように、前記モータを駆動制御する操舵補助力制御手段と、
   を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵補助力制御手段に、
   前記操舵手段の操作状態が切り戻しか否かを判断する切り戻し判断部と、
   前記操舵補助力設定部による設定操舵補助力に対し、操舵速度を抑制する方向へダンピング力を加算するダンピング制御部と、
   を設け、
   前記ダンピング制御部は、操舵手段が切り戻し状態で、かつ、検出操舵速度の絶対値があらかじめ設定された設定速度以上のときには、それ以外のときよりもダンピング力のゲインを減少させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記切り戻し判断部は、検出トルクの符号と検出操舵速度の符号に基づいて、切り戻しか否かを判断することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 操舵手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
   前記操舵手段の操舵速度を検出する操舵速度検出手段と、
   舵取機構に操舵補助力を加えるモータと、
   前記トルク検出手段による検出トルクと操舵速度検出手段による検出操舵速度に応じて操舵補助力を設定する操舵補助力設定部と、設定された操舵補助力を発生させるように前記モータを駆動制御するモータ駆動制御部とを有する操舵補助力制御手段と、
   を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵補助力設定部による設定操舵補助力に対し、操舵速度を抑制する方向へダンピング力を加算するダンピング制御部を設け、
   このダンピング制御部は、検出トルクと検出操舵速度の積に応じてダンピング力またはダンピング力のゲインを変化させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
4. 請求項３に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記ダンピング制御部に、検出トルクと検出操舵速度の積の絶対値が、あらかじめ設定された値よりも小さいとき、ダンピング力をゼロとする不感帯処理部を設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、
   車速を検出する車速検出手段を設け、
   前記ダンピング制御部は、車速が高いほどダンピング力のゲインを大きくすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、
   前記ダンピング制御部に、ダンピング力の上限値を制限する上限リミッタを設けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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