JP4581694B2

JP4581694B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置

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Publication number: JP4581694B2
Application number: JP2005008100A
Authority: JP
Inventors: 修司遠藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: JP2006193080A

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、特に周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を遅れなく行うことによりチューニングし易く、安全で快適な操舵性能が得られる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。

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図４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４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に連結されている。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１０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タ２０が減速ギア３を介して軸２に連結されている。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１００には、バッテリ１４からイグニションキー１１を経て電力が供給され、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信号Ｔｒと車速センサ１２で検出された車速信号Ｖｅｌ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に基いてモータ２０に供給する電流を制御する。

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）に示すように、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、かかる従来の制御装置では、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、路面情報をドライバに正確に伝えることが困難である。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る。

このような問題を解決する装置として、特開２００２−３６９５６５号公報（特許文献２）に開示されているものがある。

特許文献２に開示されている装置の概略を、図４に対応させた図５に示して説明する。ステアリング装置の補助操舵力を発生するモータ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トルク信号Ｔｒ及び車速検出系からの車速信号Ｖｅｌが入力される。モータ２０では、モータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉが計測されて出力される。

コントロールユニット１００はトルク信号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、微分制御器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及びセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）推定フィードバック部１１５によって構成され、加算器１１６Ａ及び１１６Ｂ、減算器１１６Ｃを具備している。また、モータ系制御部１２０は補償器１２１、外乱推定器１２２、モータ角速度推定部１２３、モータ角加速度推定部（微分器）１２４及びモータ特性補償部１２５で構成され、加算器１２６Ａ及び１２６Ｂを具備している。

トルク信号Ｔｒはアシスト量演算部１１１、微分制御器１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力され、いずれも車速信号Ｖｅｌをパラメータ入力としている。アシスト量演算部１１１はトルク信号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はトルク信号Ｔｒ及びモータ角速度の推定値ωを入力とし、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、微分制御器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推定フィードバック部１１５はトルク信号Ｔｒと、アシスト量演算部１１１の出力に微分制御器１１２の出力を加算器１１６Ａで加算した信号と、モータ角速度推定部１２３で推定された角速度推定値ωと、モータ角加速度推定部１２４からの角加速度推定値＊ωとを入力してＳＡＴを推定し、推定したＳＡＴをフィードバックフィルタを用いて信号処理し、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の出力に微分制御器１１２の出力を加算器１１６Ａで加算した信号に、ヨーレート収れん性制御部１１３の出力を加算器１１６Ｂ７で加算した信号をアシスト量ＡＱとして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の出力からＳＡＴ推定フィードバック部１１５の出力を減算器１１６Ｃで減算することで、路面情報を反力としてハンドルに伝えることができるアシスト量Ｉａが得られる。

更に、モータ角速度推定部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を推定するものであり、モータ角速度ωはモータ角加速度推定部１２４、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力される。モータ角加速度推定部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を推定し、推定したモータ角加速度＊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に、ロバスト安定化補償部１１４の出力からＳＡＴ推定フィードバック部１１５の出力を減算したアシスト量Ｉａが加算器１２６Ａで加算され、その加算信号が電流指令値Ｉｒとして微分補償器等で成る補償器１２１に入力される。補償器１２１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定器１２２の出力を加算器１２６Ｂで加算した信号がモータ駆動部２１及び外乱推定器１２２に入力される。外乱推定器１２２は特開平８−３１０４１７号公報で示されるような装置であり、モータ出力の制御目標である補償器１２１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定器１２２の出力を加算した信号と、モータ電流値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することができ、制御系の安定性を失うことがないようにしている。

ここで、路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を図６に示して説明する。ドライバが操向ハンドル１を操舵することによって操舵トルクＴｈが発生し、その操舵トルクＴｈに従ってモータ２０がアシストトルクＴｍを発生する。その結果、車輪が転舵され、反力としてＳＡＴが発生する。また、その際、モータ２０の慣性Ｊ及び摩擦（静摩擦）Ｆｒによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、下記（１）式のような運動方程式が得られる。

J・*ω+Fr・sign(ω)+SAT=Tm+Th …(1)

ここで、上記（１）式を初期値ゼロとしてラプラス変換し、ＳＡＴについて解くと下記（２）式が得られる。

SAT(s)=Tm(s)+Th(s)−J・*ω(s)−Fr・sign(ω(s)) …(2)

上記（２）式から分るように、モータ２０の慣性Ｊ及び静摩擦Ｆｒを定数として予め求めておくことで、モータ回転角速度ω、回転角加速度＊ω、操舵補助力及び操舵信号よりＳＡＴを推定することができる。かかる理由より、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５にはトルク信号Ｔｒ、角速度ω、角加速度＊ω、アシスト量演算部１１１の出力がそれぞれ入力されている。

また、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５で推定したＳＡＴ情報をそのままフィードバックした場合、ステアリングが重くなり過ぎるため、操舵感覚を向上することはできない。そのため図７に示すように、車速感応ゲインと周波数特性を有するフィードバックフィルタ１１５Ａを用いてＳＡＴの推定値を信号処理し、操舵感覚を向上するのに必要十分な情報のみをフィードバックする。ここで用いるフィードバックフィルタは静特性ゲインとして、推定したＳＡＴの大きさを必要十分な値に減少させるゲインを持つＱフィルタ（位相遅れ）１１５Ｂと、図８に示すような車速に感応したゲイン部１１５Ｃを持ち、据え切りや低速走行といった路面情報の重要性が比較的低い場合には、フィードバックする路面情報を小さくしている。
特開平８−２９０７７８号公報特開２００２−３６９５６５号公報

上述の特許文献２に記載の装置では、ＳＡＴは電動パワーステアリングに対して外乱として作用するため、外乱オブザーバ構成でＳＡＴ推定を行っている。位相遅れフィルタ（Ｑフィルタ）をフィードバックに用いているのは、外乱オブザーバでは推定された外乱としてのＳＡＴを発散しないようにするためである。しかしながら、ＳＡＴ推定値は当然ながらＱフィルタ（位相遅れ）を通過した値になっており、ステアリング伝達系に遅れを生じてしまう問題がある。

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、周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を遅れなく行うことにより、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能が得られ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、トルクセンサからのトルク信号に基づいて操舵補助指令値を算出する操舵補助指令値算出部と、前記操舵補助指令値に基づいて電圧指令値を算出する電流制御部と、前記電圧指令値に基づいてモータを駆動するモータ駆動部とで成り、前記モータによるアシスト力を操舵系に付与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するものであり、本発明の上記目的は、前記モータの角速度及び角加速度、前記操舵補助指令値及びトルク信号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測定部を設け、前記ＳＡＴ測定部で求めたＳＡＴを位相進み補償部及びゲイン部で成るフィードバック部を通して前記操舵補助指令値にフィードバックすることによって達成される。

また、本発明の上記目的は、前記フィードバック部が更にローパスフィルタを具備することにより、或いは前記位相進み補償部及びゲイン部を車速反応型とすることによって、或いは前記位相進み補償部、前記ローパスフィルタ及び前記ゲイン部を車速感応型とすることによって、或いは低速時に前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を下げ、中速時に前記位相進み補償部の位相進みを大きくし、高速時に前記ゲイン部のゲインを下げることにより、或いは前記ゲイン部をトルク感応型とすることにより、より効果的に達成される。

本発明によれば、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）の推定を行うＳＡＴ推定部若しくはセンサによる測定を行うＳＡＴ測定部を設け、このＳＡＴ推定部で推定されたＳＡＴ推定値若しくはＳＡＴ測定部で測定されたＳＡＴ値を、位相進み補償部及びゲイン部で成るフィードバック部を通して操舵補助指令値にフィードバックするようになっており、周波数領域で路面情報及び外乱等の信号処理を遅れなく実行することができるので、ＳＡＴを予測しているのと同等な制御ができ、チューニングし易く、安全で快適な操舵性能を得ることができる。また、フィードバック部にローパスフィルタを配設した場合には、不要な外乱やノイズの影響をなくすことができる。

更に、フィードバック部の位相進み補償部、ローパスフィルタ及びゲイン部を車速信号に感応して変化させるようにしているので、より安全で快適な操舵性能が得られる。例えば中速域ではＳＡＴが大きくなるため、中速域では位相進み補償部の位相進みを大きくし、高速域では不要な外乱やノイズが大きくなるため、ローパスフィルタのカットオフ周波数を下げ、低速域ではＳＡＴフィードバックが余り必要ではないため、ゲイン部のゲインを下げるようにしているので、より快適な操舵感を得ることができる。

ＳＡＴは電動パワーステアリングへの外乱のように見えるため、外乱オブザーバ構成でＳＡＴの推定若しくは測定を行う。外乱オブザーバでは、推定若しくは測定された外乱をフィードバックしたときに発散しないようにＱフィルタ（位相遅れ）を有しているが（例えば特許文献２）、ＳＡＴのフィードバックはＳＡＴを外乱として打ち消すことが目的ではないため、外乱オブザーバと全く同一の構成にする必要はない。ＳＡＴフィードバックは外乱感度の設計である。

本発明ではＳＡＴ推定値に位相進み補償を行い、ステアリング伝達系の遅れを補償するようにしている。遅れなくＳＡＴフィードバックがなされることにより操舵力に線形性が生じ、操舵フィーリング（ダイレクト感や一体感）が剛性感と共に向上する。特に、低摩擦路での走行性が向上する。位相進み要素で遅れを補償する際、不要な外乱やノイズの影響が無視できない場合は、ローパスフィルタを配設して外乱やノイズの影響を除去する。また、車速（高中低）でＳＡＴの特性やドライバに伝えたくない路面情報の特性が変化するため、車速に応じてフィードバック特性を変化させている。

以下に本発明の実施例を、図５に対応させて図１に示して説明する。図５と同一部には同一符号を付して、説明を省略する。

本発明では、ＳＡＴ推定部１１７はトルク信号Ｔｒ、角速度ω、角加速度＊ω及び加算器１１６Ａの加算結果（アシスト量演算結果）を入力してＳＡＴを推定し、そのＳＡＴ推定値＊ＳＡＴをフィードバック部１１８を経て加算器１１６Ｃにフィードバックしている。フィードバック部１１８の構成は例えば図２に示すようになっている。即ち、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴを入力して位相進み補償する位相補償部としての位相進み補償部１１８−１と、外乱やノイズを除去するためのローパスフィルタ１１８−２と、ゲインＫを乗算するゲイン部１１８−３とで構成されている。

このような構成において、ＳＡＴ推定部１１７はトルク信号Ｔｒ、角速度ω、角加速度＊ω及び加算器１１６Ａの加算結果を入力してＳＡＴを推定するが、その推定は前述した（２）式の手法による。推定されたＳＡＴ推定値＊ＳＡＴはフィードバック部１１８の位相進み補償部１１８−１に入力され、これによりステアリング伝達系の遅れが補償される。

位相進み補償部１１８−１は、伝達関数で表記すると、ｓをラプラス演算子として（Ｔ２・ｓ＋１）／（Ｔ１・ｓ＋１）となる。このように位相進み補償部１１８−１で位相遅れの補償をされたＳＡＴ推定値は外乱やノイズを除去するローパスフィルタ１１８−２に入力され、高中周波成分を除去されたＳＡＴ推定値がゲイン部１１８−３でゲインＫ倍され、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴｃとして出力される。ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴｃは加算器１１６Ｃでロバスト安定化補償部１１４の出力と加算され、モータ系制御部１２０に入力される。

以上説明したように本発明では、ＳＡＴ推定値＊ＳＡＴに位相進み補償を行ってステアリング伝達系の遅れを補償しており、遅れなくＳＡＴフィードバックがなされることにより操舵力に線形性が生じ、操舵フィーリング（ダイレクト感や一体感）が向上すると共に、低摩擦路での走行性が向上する。また、ローパスフィルタ１１８−２は必ずしも必要ではないが、位相進み補償部１１８−１で遅れを補償する際に不要な外乱やノイズの影響が無視できない場合は、ローパスフィルタ１１８−２を配設することで不要な外乱やノイズを除去することができる。実際に、ドライバに感受させたくないシミー、フラッタ等の路面情報は高周波であるため、ローパスフィルタ１１８−２の配設は有効である。

一方、車両の低速走行、中速走行或いは高速走行時ではＳＡＴの特性や、ドライバに感受させたくない路面情報の特性が変化するため、車速信号Ｖｅｌに応じて特性を切替えるようにしても良い。つまり、車速感応型のフィードバック部を構成しても良い。

図３はその場合のフィードバック部１１８Ａの構成例を示しており、位相進み補償部１１８−１Ａ、ローパスフィルタ１１８−２Ａ及びゲイン部１１８−３Ａがそれぞれ車速信号Ｖｅｌを入力し、各部が車速に応じて自動的に特性を変化させる車速感応型となっている。例えば中速域ではＳＡＴが大きくなるため、中速域では位相進み補償部１１８−１Ａの位相進みを大きくし、高速域では不要な外乱やノイズが大きくなるため、ローパスフィルタ１１８−２Ａのカットオフ周波数を下げるようにする。また、低速域ではＳＡＴフィードバックが余り必要ではないため、ゲイン部１１８−３ＡのゲインＫを下げる。

車速感応型フィードバック部１１８Ａの場合、位相進み補償部１１８−１Ａを中速用及びその他用の２種類を用意しておき、ローパスフィルタ１１８−２Ａを低速用及びその他用の２種類を用意しておき、ゲイン部１１８−３Ａを高速用及びその他用の２種類を用意しておき、車速信号Ｖｅｌの高中低域を検出して各部を切替える構成としても良い。

なお、上述の実施例では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。

また、ゲイン部（１１８−３、１１８−３Ａ）のみをトルク感応型としても良い。これによっても、快適な操舵感を得ることができる。

本発明の実施例を示すブロック構成図である。本発明に使用するフィードバック部の構成例を示すブロック構成図である。本発明に使用するフィードバック部の他の構成例を示すブロック構成図である。一般的なステアリン機構例を示す図である。従来装置の構成例を示すブロック図である。路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を示す模式図である。フィードバック部の構成例を示す図である。フィードバックフィルタの特性例を示す図である。

符号の説明

１操向ハンドル
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
１１０トルク系制御部
１１１アシスト量演算部
１１２微分制御器
１１３ヨーレート収れん性制御器
１１４ロバスト安定化補償器
１１５ＳＡＴ推定フィードバック部
１１７ＳＡＴ推定部
１１８、１１８Ａフィードバック部
１２０モータ系制御部
１２１補償器
１２２外乱推定器
１２３モータ角速度推定部
１２４モータ角加速度推定部
１２５モータ特性補償部

Claims

トルクセンサからのトルク信号に基づいて操舵補助指令値を算出する操舵補助指令値算出部と、前記操舵補助指令値に基づいて電圧指令値を算出する電流制御部と、前記電圧指令値に基づいてモータを駆動するモータ駆動部とで成り、前記モータによるアシスト力を操舵系に付与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、前記モータの角速度及び角加速度、前記操舵補助指令値及びトルク信号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測定部を設け、前記ＳＡＴ測定部で求めたＳＡＴを位相進み補償部及びゲイン部で成るフィードバック部を通して前記操舵補助指令値にフィードバック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。
前記フィードバック部が更にローパスフィルタを具備している請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記位相進み補償部及びゲイン部が車速反応型になっている請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記位相進み補償部、前記ローパスフィルタ及び前記ゲイン部が車速感応型になっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
低速時に前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を下げ、中速時に前記位相進み補償部の位相進みを大きくし、高速時に前記ゲイン部のゲインを下げるようになっている請求項４に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
前記ゲイン部がトルク感応型になっている請求項２に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。