JP4660988B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、特にモータを駆動するデューティ比がゼロ付近での不連続性を除去するための電圧ディザ信号を発生して制御し、ハンドル中立点付近の操舵性を改善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する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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１３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がクラッチ２１、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３０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３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴと車速センサ１２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に基いてモータ２０に供給する電流を制御する。クラッチ２１はコントロールユニット３０でＯＮ／ＯＦＦ制御され、通常の動作状態ではＯＮ（結合）されている。そして、コントロールユニット３０によりパワーステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニションキー１１によりバッテリ１４の電源（電圧Ｖｂ）がＯＦＦとなっている時に、クラッチ２１はＯＦＦ（切離）される。
【０００４】
コントロールユニット３０は主としてＣＰＵで構成されるが、そのＣＰＵ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図１４のようになる。
【０００５】
コントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０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３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器３２に入力される。また、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算器３２に入力される。操舵補助指令値演算器３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基いてモータ２０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３０Ａ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３４に入力され、減算器３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器３５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３６に入力される。微分補償器３４及び積分補償器３６の出力も加算器３０Ｂに加算入力され、加算器３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ２０のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。
【０００６】
モータ駆動回路３７の構成例を図１５に示して説明すると、モータ駆動回路３７は加算器３０Ｂからの電流制御値Ｅに基いて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートを駆動するＦＥＴゲート駆動回路３７１、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４で成るＨブリッジ回路、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２のハイサイド側を駆動する昇圧電源３７２等で構成されている。ＦＥＴ１及びＦＥＴ２は、電流制御値Ｅに基いて決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、実際にモータ２０に流れる電流Ｉｒの大きさが制御される。ＦＥＴ３及びＦＥＴ４は、デューティ比Ｄ１の小さい領域では所定１次関数式（ａ，ｂを定数としてＤ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ）で定義されるデューティ比Ｄ２のＰＷＭ信号で駆動され、デューティ比Ｄ２も１００％に達した以降、ＰＷＭ信号の符号により決定されるモータ２０の回転方向に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。
【０００７】
ここにおいて、デューティ比とモータ電流Ｉとの関係は図１６に示すようになっており、デューティ比がゼロ近辺には、操舵の走行感を実感させるための不感帯ＵＢが設けられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１６に示すようにデューティ比がゼロ付近に不感帯が設けられているため、モータ角速度ωがゼロ付近で摩擦特性が不連続となり、何かのタイミングで舵角が完全に静止すると、ハンドルがその位置にはりついてしまう感じを受ける不具合がある。即ち、電動パワーステアリング装置では操舵性能を向上するためにモータ慣性の補償や摩擦の影響を除去するための種々の補償を行っており、そのような補償制御をモータ角速度に基づいて行っているため、モータが完全に静止した状態での影響、つまり電動パワーステアリング装置が持っている静摩擦の影響を補償することができない。殆どの場合、自動車は直進している場合が多く、ハンドル中立付近での微妙なハンドル操作によって、自動車を制御している。従って、制御では、中立付近の微妙な操舵における摩擦感や慣性感を補償することが特に重要である。
【０００９】
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のハンドル中立点付近においても連続的で安定した操舵感を得るように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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流値とから演算した電流制御値に基いて前記モータをＰＷＭ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するもので、本発明の上記目的は、不感帯領域を有するデューティ比対モータ電流特性を見かけ上連続特性とするために、前記ＰＷＭ制御のデューティ比が所定値以下となったときに、前記モータを駆動するＨブリッジ回路に対して電圧ディザ信号を発生して制御する電圧ディザ信号発生／制御手段を設け、前記所定値が、前記不感帯領域に対応するデューティ比であり、前記電圧ディザ信号が、Ｋを定数、ω _０ をディザ角周波数としてＫ・ｓｉｎω _０ ｔで表わされる正弦波であることによって達成される。
【００１１】
また、前記ディザ角周波数ω _０ を５００Ｈｚとすることによって、本発明の上記目的はより効果的に達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明では、デューティ比の小さい領域において、微細な電圧ディザ信号をＨブリッジ回路のデューティ信号に印加して制御することによって、デューティ比対モータ電流特性を見かけ上連続特性とし、モータ角速度ゼロ付近での静摩擦特性の影響を除去するようにしている。つまり、本発明では、微小に繰り返し変化する電圧ディザ信号を、Ｈブリッジ回路のＯＮしているＦＥＴのゲートを駆動するデューティ比信号に加えることにより、ドライバがモータの振動を感じない程度にモータを微小振動させ、図１に示すようにデューティ比対モータ電流特性を連続的なものとしている。これにより、舵角が完全に静止した中立点においても、従来のようにハンドルがその位置にはりつくようなこともない。
【００１３】
モータ電流が小さい領域ではデューティ比対モータ電流特性に不感帯があり、これにより制御の応答性が遅くなり、摩擦や慣性の推奨が十分になされないという問題がある。デューティ比対モータ電流特性の不感帯をなくすことはハンドル操作性の面からできないため、本発明では、できるだけ不感帯の影響による小電流域での制御の遅れをなくすため、電圧ディザ信号を用いて不感帯をできるだけ線形化する。電圧ディザ信号を用いてある程度線形化できる理由は、電流制御の応答性で決まる電流の応答性より高い周波数でディザを行うと、デューティ比対モータ電流特性は実質的にディザに対応した電流振幅の実効値になるからである。
【００１４】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１５】
図２は本発明による制御機能の全体ブロック図である。操舵トルクＴは操舵補助指令値演算部１００及びセンタ応答性改善部１０１に入力され、各出力が加算器１０２に入力され、その加算結果がトルク制御演算部１０３に入力されている。トルク制御演算部１０３の出力信号はモータロス電流補償部１０４に入力され、その出力が加算器１０５を経て最大電流制限部１０６に入力され、最大電流値が制限されて電流制御部１１０に入力される。電流制御部１１０の出力は、Ｈブリッジ特性補償部１１１を経てＨブリッジ回路で成る電流ドライブ回路１１２に入力され、これによりモータ１１３を駆動する。
【００１６】
モータ１１３のモータ電流ｉは、モータ電流オフセット補正部１２０を経てモータ角速度推定部１２１、電流ドライブ切換部１２２及び電流制御部１１０に入力され、モータ端子電圧Ｖｍはモータ角速度推定部１２１に入力される。モータ角速度推定部１２１で推定された角速度ωはモータ角加速度推定部・慣性補償部１２３、モータロストルク補償部１２４及びヨーレート推定部１２５に入力され、ヨーレート推定部１２５の出力は収れん制御部１２６に入力され、収れん制御部１２６及びモータロストルク補償部１２４の各出力は加算器１２７で加算され、その加算結果が加算器１０２に入力される。モータロストルク補償部１２４はモータ１１３のロストルクの発生する方向、つまりモータ１１３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、収れん制御器１２６は、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。モータ角加速度推定部・慣性補償部１２３の出力は加算器１０５に入力される。
【００１７】
また、ドライバが感じない程度にモータ１１３を微小振動させるためのディザ信号ＤＳを発生して制御する電圧ディザ信号発生／制御部１３０が設けられており、電圧ディザ信号発生部１３０からのディザ信号ＤＳはＨブリッジ特性補償部１１１に印加されている。電圧ディザ信号発生部１３０にはＨブリッジ特性補償部１１１からデューティ比Ｄｕｔｙが入力されており、デューティ比Ｄｕｔｙが所定値よりも小さい範囲においてディザ信号ＤＳを発生するようになっている。電圧ディザ信号発生部１３０はモータ角速度ωがゼロ近辺において、波高値Δω、周波数５００Ｈｚの正弦波のディザ信号ＤＳを発生するようになっている。なお、ディザ信号ＤＳの周波数は５００Ｈｚに限定されるものではなく、デューティ比Ｄｕｔｙの変化に対して大きな値であり、ドライバが感じない程度であれば良い。
【００１８】
このような構成において、本発明ではセンタ応答性改善部１０１を図３に示すように、位相進み補償部１０１Ａ、近似微分部１０１Ｂ及びゲイン設定部１０１Ｃで構成し、位相進み補償部１０１Ａを図４に示す周波数特性とし、近似微分部１０１Ｂを図５に示す周波数特性とする。これにより、位相進み補償と近似微分との合成特性は図６に示すようになり、位相遅れのない位相特性を得ることができる。
【００１９】
また、本発明では操舵補助指令値演算部１００におけるアシスト量の計算において、３つの代表車速（０、３０、２５４Ｋｍ／ｈ）によるアシスト特性を基本特性として設定し、その他の車速では車速補間ゲインに応じて各基本特性間を車速２Ｋｍ／ｈ毎の補間を行う。そして、アシスト特性の車速設定範囲０〜２５４Ｋｍ／ｈ、分解能２Ｋｍ／ｈとする。基本アシスト特性（トルク対電流）は図７に示すものであり、０Ｋｍ／ｈ＝ｌｏ特性、３０Ｋｍ／ｈ＝ｌａ特性、２５４Ｋｍ／ｈ＝ｌｂ特性で
＋表わされている。そして、その他の車速についての車速補間演算は、図８で示す車速（Ｋｍ／ｈ）対車速補間係数γで２Ｋｍ／ｈ毎に行う。車速０〜３０Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝ｌａ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（ｌｏ（Ｔ）−ｌａ（Ｔ））であり、車速３２〜２５４Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝ｌｂ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（ｌａ（Ｔ）−ｌｂ（Ｔ））である。
【００２０】
ここにおいて、本発明では、ハンドル中立点付近の微妙な操舵における摩擦感及び慣性感を補償するための電圧ディザ信号発生／制御部１３０を設けており、デューティ比Ｄｕｔｙがゼロ近辺の±ｄ１の範囲内となったときに、図９及び図１０に示すような角周波数ω_０に相当する波高値Δω、周波数５００Ｈｚで定数Ｋの正弦波Ｋ・ｓｉｎω_０ｔであるディザ信号ＤＳを発生し、Ｈブリッジ回路のＦＥＴのゲート駆動信号Ｖｇに印加している。
【００２１】
図１１はその詳細を示しており、デューティ比Ｄｕｔｙは所定値ｄ１に対する大小を判別する判別回路１３１に入力されると共に、Ｈブリッジ回路（電流ドライブ回路）１１２のＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートを制御するゲート制御回路１３３に入力され、デューティ比Ｄｕｔｙが所定値ｄ１より小さくなったときに発振信号ＯＣを発振回路１３２に入力する。発振回路１３２は発振信号ＯＣが入力されると正弦波Ｋ・ｓｉｎω_０ｔを発振し、ゲート駆動信号Ｖｇに加算器１３４１〜１３４４を介して印加している。これにより、ゲート駆動信号Ｖｇにディザ信号ＤＳである正弦波Ｋ・ｓｉｎω_０ｔを加算された信号が、ゲート制御回路１３３を経てＦＥＴ１〜ＦＥＴ４に供給される。ゲート制御回路１３３はデューティ比Ｄｕｔｙに同期しており、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４のＯＮ／ＯＦＦを制御している。従って、デューティ比Ｄｕｔｙが所定値ｄ１より小さい領域では、ＯＮしているＦＥＴが角周波数ω_０の周期に従って微小駆動される。このため、図１６に示すようなデューティ比対モータ電流の特性が連続的になり、操舵の違和感もなくなる。角周波数ω_０は４５０〜５５０Ｈｚで、５００Ｈｚが望ましく、この範囲においてドライバがモータの振動を感じることはない。
【００２２】
なお、図１１では、デューティ比Ｄｕｔｙが所定値ｄ１より小さくなったときに発振回路１３２を発振させ、ディザ信号ＤＳを生成して印加するようにしているが、常時発振させておき、デューティ比Ｄｕｔｙが所定値ｄ１より小さくなったときに各ゲート駆動信号Ｖｇに印加するスイッチング回路を設けても良い。
【００２３】
図１２は電圧ディザ信号発生／制御部１３０の実際の動作例を示しており、デューティ比Ｄｕｔｙが所定値±ｄ１の範囲内に入っているか否かを判定し（ステップＳ１）、デューティ比Ｄｕｔｙが±ｄ１の範囲内に入った場合には、更にトルクＴの大きさ（絶対値）が所定値αよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２）。所定値±ｄ１はデューティ比Ｄｕｔｙのゼロ近辺であれば良く、±ｄ１に限定されるものではない。そして、トルクＴが所定値αより小さい場合に、Ｋを定数として正弦波のＫ・ｓｉｎω_０ｔなるディザ信号ＤＳを発生し、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４のゲート駆動信号Ｖｇに印加する。これによって、デューティ比Ｄｕｔｙのゼロ付近で、モータをドライバが感じない程度に微小振動することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明では、デューティ比のゼロ近辺でモータを微小振動させるためのディザ信号を発生させ、ＦＥＴのゲート駆動信号に対して印加し制御するようにしている。ディザ信号によるモータの振動はドライバが感じない周波数及び大きさになっており、デューティ比のゼロ近辺での静摩擦の影響をなくすることができる。また、デューティ比のゼロ近辺でデューティ比対モータ電流特性が連続化されるので、不自然な操舵感を防ぐことができ、快適な操舵フィーリングを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を説明するための図である。
【図２】本発明の構成例を示すブロック図である。
【図３】センタ応答性改善部のブロック構成図である。
【図４】位相進み補償部の特性例を示す図である。
【図５】近似微分部の特性例を示す図である。
【図６】位相進み補償部及び近似微分部の合成特性を示す図である。
【図７】基本アシスト特性を示す図である。
【図８】車速補間演算の一例を示す図である。
【図９】本発明による電圧ディザ信号を説明するための図である。
【図１０】本発明の動作を説明するための図である。
【図１１】モータ角速度がゼロのときの摩擦特性を示す図である。
【図１２】本発明の動作例を示すフローチャートである。
【図１３】電動パワーステアリング装置の一例を示すブロック構成図である
【図１４】コントロールユニットの一般的な内部構成を示すブロック図である。
【図１５】モータ駆動回路の一例を示す結線図である。
【図１６】電動パワーステアリング装置のデューティ比対モータ電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１００ 操舵補助指令値演算部
１０１ センタ応答性改善部
１０１Ａ 位相進み補償部
１０１Ｂ 近似微分部
１０１Ｃ ゲイン設定部
１０３ トルク制御演算部
１０４ モータロス電流補償部
１１０ 電流制御部
１１３ モータ
１２１ モータ角速度推定部
１２５ ヨーレート推定部
１３０ 電圧ディザ信号発生／制御部

Claims (2)

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、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流値とから演算した電流制御値に基いて前記モータをＰＷＭ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、
   不感帯領域を有するデューティ比対モータ電流特性を見かけ上連続特性とするために、前記ＰＷＭ制御のデューティ比が所定値以下となったときに、前記モータを駆動するＨブリッジ回路に対して電圧ディザ信号を発生して制御する電圧ディザ信号発生／制御手段を具備し、
   前記所定値が、前記不感帯領域に対応するデューティ比であり、前記電圧ディザ信号が、Ｋを定数、ω _０ をディザ角周波数としてＫ・ｓｉｎω _０ ｔで表わされる正弦波であ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。
2. 前記ディザ角周波数ω_０が５００Ｈｚである請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。

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