JP6229821B2 - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流指令値に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、特にステアリング系の操舵における応答性を劣化させずに安定性を向上させる電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。

車両の操舵系をモータの回転力でアシスト制御する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、モータの駆動力で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操舵補助力（アシスト力）を付与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、操舵補助力の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）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）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、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動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（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー（ＩＧ）信号が入力される。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Ｔｓと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによって、ＥＰＳ用モータ２０に供給する電流を制御する。

なお、舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、また、モータ２０に連結されたレゾルバ等の回転センサから操舵角を取得することも可能である。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）１００が接続されており、車速ＶはＣＡＮ１００から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ１００以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ１０１も接続可能である。

コントロールユニット３０は主としてＭＣＵ（ＣＰＵ、ＭＰＵ等も含む）で構成されるが、そのＭＣＵ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２のようになる。

図２を参照して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で検出された操舵トルクＴｓ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ１００からの）車速Ｖは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｓ及び車速Ｖに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給するモータ電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差ΔＩ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）が演算され、その偏差ΔＩが操舵動作の特性改善のためのＰＩ（比例積分）制御部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更に駆動部としてのインバータ３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０のモータ電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。インバータ３７は駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。

加算部３２Ａには補償信号生成部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４−３と慣性３４−２を加算部３４−４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４−１を加算部３４−５で加算し、加算部３４−５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。

このような電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）において、動作の安定性と応答性は相反する特性であるため、両特性の両立が課題となっており、特にＥＰＳを運動支援装置に展開することを考えた場合、ＥＰＳを構成するハンドル慣性とモータ慣性の２慣性系の振動モードを安定化し、応答性を劣化させずに振動を抑制することが望まれている。

このような振動モードの安定性を改善する装置として、例えば、特許第３４９３８０６号公報（特許文献１）に記載されている制御装置がある。特許文献１の制御装置は、ＥＰＳを構成する慣性要素とバネ要素からなる共振系の共振周波数のピークを打ち消すように作用する安定補償器を備えることにより、制御系の安定性と応答性の改善を図っている。共振周波数のピークを打ち消すために、安定補償器では極零相殺を行っている。

また、特許第３３８５７６３号公報（特許文献２）では、ハンドルがセンターに位置する場合（オンセンター）での安定性の改善を図っている。オンセンター付近である、車両が直進走行しているときには速い操舵が行われず、電流指令値の補正が十分に行われないことがあるので、車両の直進状態を検出し、直進状態の場合、電流指令値に補正値を加算することにより、オンセンター付近での安定性を改善している。

特許第３４９３８０６号公報 特許第３３８５７６３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された装置では、近似モデルによる制御対象の特性に対して十分にダンピング（減衰）の効いたダンピングファクタ（減衰率）を設定することにより、実際の制御対象のコーナー周波数において不一致がある場合でも共振周波数のピークを抑えるようにしているので、応答性に多少の劣化が生じる可能性がある。また、オンセンター付近の場合とそうでない場合とで制御を区別していないので、オンセンター付近での安定性に多少の不安定さが生じる可能性がある。

特許文献２に開示された装置では、オンセンター付近での安定性向上を主目的としているので、オンセンターを含めた車両状態での応答性については特に記載されておらず、不明である。

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、ハンドル慣性とモータ慣性の２慣性系の振動モードを、応答性を劣化させずに安定化させ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、電流指令値に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置の制御装置に関し、本発明の上記目的は、入力角度情報を入力して前記電流指令値を補償する補償信号１を演算するフィードフォワード制御部と、出力角度情報を入力して前記電流指令値を補償する補償信号２を演算するフィードバック制御部と、前記補償信号１及び前記補償信号２に基づいて前記電流指令値を調整する応答制御部とを備えることにより達成される。

本発明の上記目的は、前記応答制御部は、前記補償信号１と前記補償信号２の差分を入力とすることにより、或いは前記応答制御部として前記補償信号１を入力とする応答制御部１及び前記補償信号２を入力とする応答制御部２が備えられ、前記電流指令値の調整に前記応答制御部１からの出力と前記応答制御部２からの出力の差分が使用されることにより、或いは前記フィードバック制御部は、電動パワーステアリング装置を構成するハンドル慣性及びモータ慣性が相対変位する振動モードの特性の極をステアリング安定化周波数領域に配置し、前記応答制御部は、前記振動モードの特性を相殺するように極零相殺を行い、前記フィードフォワード制御部は、オンセンターでの前記振動モードの特性の安定性及び応答性を独立して設定できるようにすることにより、或いは前記ステアリング安定化周波数領域は略２０Ｈｚ以上であることにより、或いは前記フィードバック制御部は、前記ハンドル慣性及び前記モータ慣性からなる２慣性系の共振比を上げることにより前記振動モードの特性の極配置を行うことにより、或いは前記共振比は略２以上であることにより、或いは前記フィードバック制御部は、位相進み特性により前記極にダンピンクを与えることにより、或いは前記応答制御部の極零相殺により前記振動モードの特性の減衰率が所定の値以上となることにより、或いは前記所定の値が略０．６であることにより、或いは前記フィードフォワード制御部は位相補償を行うことにより、或いは前記応答制御部が前記電流指令値を調整する前に前記電流指令値に対して位相補償を行う位相補償制御部を備えることにより、或いは前記入力角度情報は操舵角であり、前記出力角度情報はステアリング角であることにより、より効果的に達成される。

本発明の電動パワーステアリング装置の制御装置によれば、ハンドル慣性とモータ慣性の２慣性系の特性に対して、極移動及び極零相殺を組み合わせて特性を設定し、さらにオンセンター付近での特性の設定の自由度をあげることにより、応答性を劣化させずに安定性を改善することができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット（ＥＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 トーションバーを含めた場合の従来のステアリング系の構成を示すブロック図である。 本発明に係るステアリング系の構成を示すブロック図である。 ２慣性系の構造を示すイメージ図である。 ２慣性系の構造をモデル化したブロック図である。 望ましい外乱感度関数の特性を示す特性図である。 本発明に係るステアリング系の構成の変形例を示すブロック図である。 本発明の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 減衰率を変化させる共振比の関数を示すグラフである。 モータ角のフィードバックによる制御の概念を示すブロック図である。 オンセンター付近での２慣性系の構造をモデル化したブロック図である。 オンセンター付近での２慣性系の構造モデルに位相補償を加えた構成を示すブロック図である。 本発明の動作例（第１実施形態）を示すフローチャートである。 本発明の構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。 本発明の動作例（第２実施形態）を示すフローチャートである。 本発明の構成例（第３実施形態）でのフィードバック制御部の構成例を示すブロック図である。 本発明の構成例（第４実施形態）を示すブロック図である。

本発明は、ステアリング系の操舵における応答性を劣化させずに安定性を向上させることを目的としている。

図３は、トーションバーを制御部の一部として含めた場合の従来のステアリング系の構成を示すブロック図である。図３において、Ｃ（ｓ）はトーションバーを含んだ制御系の特性、ＳＴＧ（ｓ）はステアリング特性、Ｋ_ｔｏｒはトーションバー剛性、θｄは操舵角、θｇはステアリング角、Ｔ_ＳＡＴはセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）であり、ステアリング系は、Ｋ_ｔｏｒをゲインとするゲイン部３２０、Ｃ（ｓ）を有する特性部９０、ＳＴＧ（ｓ）を有する特性部３６０、減算部３４５及び加算部３４６から構成される。操舵角θｄはハンドル慣性系での角度情報（入力角度情報）として、ステアリング角θｇはモータ慣性系の角度情報（出力角度情報）としてそれぞれ使用されており、これら以外のデータ、例えばモータ角を出力角度情報として使用しても良い。

図３より、従来のパワーアシスト制御（操舵トルク制御）は、操舵角θｄに対してステアリング角θｇを追従させる制御であることがわかる。そして、追従に際して生じる誤差が操舵トルクＴｓであり、この追従誤差を調整し、運転者に操舵トルク情報を与えることが制御目的の１つとなる。しかし、このような制御系では系の安定化と追従誤差調整の２つの機能の両立が求められるので、実現可能な機能に限界がある。

そこで、ステアリング角（出力角度情報）を利用して、ステアリング角（出力角度情報）及び操舵角（入力角度情報）を入力とした制御部を用いることにより、上記２つの機能の両立を図る。そのような制御部を用いた、図３に対応したブロック図を図４に示す。図４において、Ｃ_１（ｓ）、Ｃ_２（ｓ）及びＣ_３（ｓ）は伝達特性であり、ステアリング系は、Ｋ_ｔｏｒをゲインとするゲイン部３２０、Ｃ_１（ｓ）を有する応答制御部５０、Ｃ_２（ｓ）を有するフィードバック制御部６０、Ｃ_３（ｓ）を有するフィードフォワード制御部４０、ＳＴＧ（ｓ）を有する特性部３６０、減算部３４５及び加算部３４６から構成される。

図４で示されるように、フィードフォワード制御部４０及びフィードバック制御部６０を挿入することにより、追従誤差を入力とする応答制御部５０は、追従誤差を調整し運転者に操舵トルク情報を与える機能に絞ることができ、設定の自由度を高くすることができる。

操舵角θｄを用いてフィードフォワード制御部４０で演算された補償信号及びフィードバックされたステアリング角θｇを用いてフィードバック制御部６０で演算された補償信号に基づいて補償された電流指令値が応答制御部５０に入力される。よって、これら３つの制御部の設計に当たり、パワーアシストゲイン（電流指令値演算部において操舵トルクに対して使用されるゲイン）の変動が安定性に対する影響が大きいことより、パワーアシスト（アシスト制御）を行う領域での制御（以下、「パワーアシスト制御」とする）とパワーアシストを行わないオンセンター付近での制御（以下、「オンセンター制御」とする）とに分けて設計することとし、応答制御部５０及びフィードバック制御部６０はパワーアシスト制御を行うべく設計され、フィードフォワード制御部４０はオンセンター制御を行うべく設計される。

まず、パワーアシスト制御について説明する。

ＥＰＳは、ハンドル慣性とモータ慣性をトーションバーのばね要素で結合した２慣性系の構造となっており、それをモデル化すると図５のようになる。図５において、Ｔｈはハンドルトルク、Ｔｍはモータトルク、Ｊ_ｈはハンドル慣性の振動パラメータ、Ｊ_ＳＴＧ及びＢ_ＳＴＧはモータ慣性の振動パラメータである。このモデルにおいて、ＳＡＴは、運転状況により大きく変化するので、外乱としている。このモデルをブロック図で表現すると、図６のようになる。図６において、ｓはラプラス演算子であり、１／Ｊ_ｈｓ^２の特性を有する特性部３１０、１／（Ｊ_ＳＴＧｓ^２＋Ｂ_ＳＴＧｓ）の特性を有する特性部３３０、Ｋ_ｔｏｒをゲインとするゲイン部３２０及び減算部３４０、３４１、３４２から構成される。

図６より、制御対象はモータトルクを入力とし操舵トルクを出力とする伝達特性Ｐ（ｓ）であり、下記数１で表わされる。

上記数１には、２つの慣性(ハンドル慣性、モータ慣性)が一体となって変位する振動モード（以下、「一体モード」とする）と２つの慣性が相対変位する振動モード（以下、「相対モード」とする）が含まれるので、伝達特性Ｐ（ｓ）を一体モードと相対モードに分解する。

一体モードの伝達特性Ｐ_ｎ（ｓ）はトーションバー剛性Ｋ_ｔｏｒを無限大にしたモードに相当するので、下記数２となる。

Ｐ（ｓ）とＰ_ｎ（ｓ）の特性差（乗法的表現）をΔ（ｓ）とすると、Ｐ（ｓ）は下記数３で表わされ、相対モードの伝達特性は下記数４となる。

上記数４において、Ｋ_ｔｏｒＢ_ＳＴＧは、安定化すべき周波数帯域では他の項に対して十分に小さく、無視することができるので、数４は下記数５に近似できる。

通常、相対モードの伝達特性１＋Δ（ｓ）の固有振動数は制御装置の制御帯域内に存在するので、安定化させるために極移動する必要がある。また、本発明では内部モデルを用いて安定化を図るが、制御帯域内では内部モデルを用いた制御装置の外乱感度に対する影響をできるだけ抑える必要がある。

外乱感度については、望ましい外乱感度関数は図７のようになる。図７では、外乱感度を示す関数である相補感度関数が表わされており、縦軸がゲイン、横軸が周波数である。相補感度関数は、ゲインが１であれば外乱を抑圧し、ゲインが１より小さいと外乱を伝えることを示す関数である。図７に示されるように、サスペンションの固有振動数より小さい周波数領域では、車両挙動に関わる情報が存在するので、積極的に伝えるべく外乱に対する感度が高い方が良いが、サスペンションの固有振動数より大きい領域では、安定化のために外乱を抑えた方が良い。このような外乱感度特性を得るためには、Δ（ｓ）の特性が見えない、即ち、内部モデルを用いた極零相殺により、Δ（ｓ）の特性を相殺することが望ましい。しかし、極零相殺には、制御対象の特性が変動した場合のロバスト安定性に課題があるので、相殺する極の安定性に対する影響をできるだけ小さくするために、相殺する極の減衰率を十分に高めた上で極零相殺を行う必要がある。このために、相対モードの伝達特性１＋Δ（ｓ）の極が図７に示されるステアリング系の安定化領域（ステアリング安定化周波数領域）で十分な減衰をもつように状態フィードバックによる極配置を行い、安定化を図る。つまり、「１＋Δ（ｓ）の特性を安定化しやすい特性（極配置）にする」（以下、「処置１」とする）、「極配置された特性に対して極零相殺を行い、安定化する」（以下、「処置２」とする）を行う。さらに、「ロバスト安定性を向上するために極零相殺を行った特性に対して、さらに安定化する」（以下、「処置３」とする）を行うと、より効果的である。なお、ステアリング安定化周波数領域は略２０Ｈｚ以上とする。

本発明では、フィードバック制御部６０が処置１を行い、応答制御部５０が処置２を行う。処置３については、位相補償制御部が行う。フィードバック制御部６０は、相対モードの特性の極をステアリング安定化周波数領域に配置し、応答制御部５０は、相対モードの特性を相殺するように極零相殺を行う。位相補償制御部は、さらなる安定化のために位相補償を行う。

次に、オンセンター制御について説明する。

ＥＰＳでは、オンセンター付近で非常にゆっくりとした操舵を行ったときに、スティックスリップが発生することがある。スティックスリップとは、静止摩擦と動摩擦の差が大きくかつ駆動側の剛性が低いとき、ゆっくりとした速度駆動を行なう際に発生する不連続な動きである。基本的に、ＥＰＳでは静止摩擦と動摩擦の差が問題ないレベルになるように管理されているが、モータのコギングトルクがスティックスリップの発生原因になることがある。スティックスリップ現象は、トルクリップルとしては非常に小さい値であっても、ステップ上に変化するため操舵運転性を損なう要因になる。本発明では、２慣性系の動剛性を上げることにより、スティックスリップの発生を防ぐ。

上述のように、スティックスリップはオンセンター付近で非常にゆっくりとした操舵を行ったときに発生するので、パワーアシストが殆ど行われず、パワーアシスト制御が機能しない。よって、オンセンター制御を行う制御部は、パワーアシストの特性に対して並列になる必要がある。そして、この並列する制御部では、制御装置全体の定常ゲインがパワーアシストゲインに一致するように、定常ゲインが０である必要がある。つまり、微分特性を持つ制御部であることが求められる。本制御部として、本発明ではフィードフォワード制御部４０を備える。フィードフォワード制御部４０は、上記条件を満たすように設計され、さらに安定性と応答性を独立して設定できるように、位相補償器として設計される。

このように、パワーアシストを行う領域では、極移動と極零相殺により相対モードの特性を安定化させ、パワーアシストを行わないオンセンター付近では、位相補償により安定性と応答性を独立して設定できるようにしてスティックスリップを抑制することにより、応答性を劣化させずに安定性を改善することができる。

なお、図４に示されるステアリング系の構成は、図８のように変形することが可能で、図８に示されるステアリング系の構成を基に本発明を構成しても良い。図８に示されるステアリング系は応答制御部を２つ備え、フィードフォワード制御部４０からの補償信号は応答制御部５１に入力され、フィードバック制御部６０からの補償信号は応答制御部５２に入力され、応答制御部５１からの出力データ及び応答制御部５２からの出力データが減算部３４７に入力される。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図９は本発明の実施形態の構成例（第１実施形態）を示している。なお、電流指令値演算部３１は、図２に示されている電流指令値演算部３１と同一構成であるので、説明は省略する。

データ変換部７０はモータ角θｍ及び操舵トルクＴｓより操舵角θｄを算出する。フィードフォワード制御部４０は、操舵角θｄを用いて、位相補償によりオンセンター制御を行い、補償信号Ｃｓ１を出力する。フィードバック制御部６０は、モータ角θｍを用いて、相対モードの特性の極をステアリング安定化周波数領域に配置する処置１を行い、補償信号Ｃｓ２を出力する。図４ではフィードバック制御部６０はステアリング角θｇを入力としているが、θｇ∝θｍの関係があり、モータ角θｍでも処置１を実行可能であるから、本構成例ではモータ角θｍをフィードバック制御部６０に入力している。応答制御部５０は、電流指令値演算部３１から出力される電流指令値Ｉｒｅｆ１を補償信号Ｃｓ１及び補償信号Ｃｓ２により補償して生成される電流指令値Ｉｒｅｆａを入力し、相対モードの特性を極零相殺で相殺するように設計された特性により変換し、電流指令値Ｉｒｅｆｂとして出力する。電流指令値Ｉｒｅｆｂは、図２に示されている電流制限部３３に入力され、それ以降は、減算部３２Ｂ、ＰＩ制御部３５、ＰＷＭ制御部３６及びインバータ３７を介して、前述と同じ動作が実行され、モータ２０がＰＷＭ駆動される。

各部について、詳細に説明する。

まず、フィードバック制御部６０について説明する。

フィードバック制御部６０は、２慣性系の共振比を上げることにより、相対モードの特性（１＋Δ（ｓ））を安定化しやすい特性（極配置）にする。

２慣性系における共振比は反共振周波数に対する共振周波数の比であり、２慣性系の減衰率を無視した場合、反共振周波数ωａ、共振周波数ωｒ及び共振比Ｈは、それぞれ下記数６、数７及び数８で表わされる。

数５で表わされる相対モードの伝達特性の減衰率ξは、数５を変形した下記数９及び数８より、下記数１０のように共振比Ｈの関数で表わすことができる。

数１０でのＨ−１／Ｈは、図１０に示されるようなＨの単調増加関数であるから、共振比Ｈを増加することにより相対モードの特性の極に減衰率を与え、安定化できることがわかる。そして、数８及び数１０の変数のうち、Ｊ_ｈ及びＫ_ｔｏｒは基本となる操舵特性の要求から決定されることが多いので、共振比及び減衰率を上げるためには、Ｊ_ＳＴＧ及びＢ_ＳＴＧを調整することになる。このうち、Ｊ_ＳＴＧの調整は極配置の設計課題としてフィードバック制御部６０で対応し、Ｂ_ＳＴＧの調整は極零相殺の設計課題として応答制御部５０で対応することになる。

Ｊ_ＳＴＧの調整は、図９に示されるように、状態フィードバックにより実施される。フィードバックするのはモータ角θｍである。モータ角θｍのフィードバックによる制御の概念は図１１に示されるようなブロック図で表わされる。図１１において、ｋａはフィードバックゲインであり、ｓ^２即ち２階微分を行う２階微分部６１０、ｋａをゲインとするゲイン部６２０、１／Ｊ_ＳＴＧｓ^２の特性を有する特性部６３０及び加算部６４０から構成される。本構成での伝達特性は下記数１１で表わされる。

よって、モータ角θｍを２階微分したモータ角加速度αｍにフィードバックゲインｋａを乗算し、モータトルクＴｍに加算的にフィードバックすることにより、加算後の伝達特性を、モータ慣性に対してフィードバックゲインｋａを減じた特性に補償することができる。つまり、フィードバックゲインｋａを調整することでＪ_ＳＴＧを調整することができる。

フィードバック制御部６０は、図１１の破線で囲まれた２階微分部６１０及びゲイン部６２０で構成される。２階微分部６１０はモータ角θｍを２階微分することによりモータ角加速度αｍを算出する。ゲイン部６２０にてモータ角加速度αｍに乗算されるフィードバックゲインｋａは、共振比Ｈが所望の値となるように調整されている。安定化のために適切な共振比は略２である。

なお、フィードバック制御部６０は状態フィードバックを用いて極配置を行っているが、２慣性系の極配置に有効な制御器は種々提案されているので、それらを用いても良い。また、モータ角θｍ以外のデータをフィードバックしても良い。

次に、応答制御部５０について説明する。

応答制御部５０は、極配置された特性（極）に対して、極零相殺を行う。相殺すべき特性は、数５で表わされる相対モードの伝達特性１＋Δ（ｓ）であるから、極零相殺するためには、例えば下記数１２で表わされる特性Ｃ_１（ｓ）を応答制御部５０が有するようにする。

ａ_１は調整用パラメータであり、ａ_１及びＢ_ＳＴＧを調整して、相対モードの特性の減衰率が所望の値になるようにする。安定化のために適切な減衰率は略０．６以上である。

最後に、フィードフォワード制御部４０について説明する。

フィードフォワード制御部４０は、スティックスリップの発生を防ぐために、前述のように、定常ゲインが０で微分特性となる特性を有する必要がある。

オンセンター付近では操舵トルクが小さく、ハンドル側にフィードバックされるトルクは無視することができるので、図５に示されているモデルを表現するブロック図は、図１２のように簡略化できる。図１２において、Ｃ_ｓ１（ｓ）は微分特性、ＳＴＧ（ｓ）はステアリング特性であり、Ｋ_ｔｏｒをゲインとするゲイン部３２０、１＋Ｃ_ｓ１（ｓ）の特性を有する特性部３５０、ＳＴＧ（ｓ）を有する特性部３６０及び減算部３４５から構成される。

図１２での閉ループ特性は下記数１３で表わされる。

ここで、Ｃ_ｓ１（ｓ）＝Ｋ_ｄｓ（Ｋ_ｄは調整ゲイン）とおくと、ＳＴＧ（ｓ）は数１４で表わされるから、上記数１３は下記数１５となり、ダンピング（減衰）が改善するが、応答性も変化することがわかる。

よって、上記数１５のままでは、安定性と応答性を独立して設定する自由度がないので、図１３に示されるように、フィードフォワード制御部４０を設けることにより、安定性と応答性を独立して設定できるようにする。フィードフォワード制御部４０の特性を、例えば下記数１６で表わされる位相補償特性Ｃ_３（ｓ）とした場合、図１３に示される構成の特性は、下記数１７のようになる。なお、下記数１７では位相進み項が示されているが、これは身体的な負荷低減に必要な手腕の機械的な剛性低下がもたらす応答性低下を補うために必要な機能である。但し、この効果を示す解析には更なる条件と検討が必要であるため、下記数１７の提示にとどめる。

Ｋ_ｄｄは調整ゲインである。フィードフォワード制御部４０は応答性に影響を及ぼすので、Ｋ_ｄｄを導入することにより、安定性と応答性を独立して設定することができる。

フィードフォワード制御部４０には操舵角θｄが入力されるので、前段にデータ変換部７０を設け、θｇ（ｓ）∝θｍの関係及び図６の構成から導き出される下記数１８より、操舵トルクＴｓ及びモータ角θｍを用いて操舵角θｄを算出して、フィードフォワード制御部４０に入力するようにする。

ｇは比例定数である。データ変換部７０には、モータ角θｍではなく、ステアリング角θｇ（＝θｍ／ｇ）を入力するようにしても良く、フィードフォワード制御部４０には、データ変換部７０を介さず、センサ等で検出した操舵角θｄを直接入力しても良い。

なお、フィードフォワード制御部４０の特性として位相補償特性以外の特性を用いて、安定性と応答性を独立して設定できるようにしても良い。

以上の構成において、第１実施形態の動作例を図１４のフローチャートを参照して説明する。

動作が開始すると、車速Ｖ、操舵トルクＴｓ及びモータ角θｍが入力され（ステップＳ１０）、車速Ｖは電流指令値３１に、操舵トルクＴｓは電流指令値３１及びデータ変換部７０に、モータ角θｍはデータ変換部７０及びフィードバック制御部６０にそれぞれ入力される。

データ変換部７０は、入力された操舵トルクＴｓ及びモータ角θｍを用いて、数１８により操舵角θｄを算出し、フィードフォワード制御部４０に出力する（ステップＳ２０）。

フィードフォワード制御部４０は、数１６で表わされる位相補償特性Ｃ_３（ｓ）により操舵角θｄを変換して補償信号Ｃｓ１を算出し、減算部３４５に出力する（ステップＳ３０）。なお、数１６におけるＫｄ及びＫｄｄには、所望のダンピング及び応答性が得られるように予め調整された値が設定されている。

フィードバック制御部６０では、モータ角θｍが２階微分部６１０に入力されてモータ角加速度αｍが算出され、モータ角加速度αｍはゲイン部６２０に入力される。ゲイン部６２０は、モータ角加速度αｍにフィードバックゲインｋａを乗算し、補償信号Ｃｓ２として減算部３４５に出力する（ステップＳ４０）。なお、共振比Ｈが所望の値となるように予め調整された値がフィードバックゲインｋａに設定されている。

減算部３４５にて補償信号Ｃｓ１から補償信号Ｃｓ２が減算され、補償信号Ｃｓ３として加算部３４８に入力される（ステップＳ５０）。

電流指令値演算部３１が車速Ｖ及び操舵トルクＴｓより演算した電流指令値Ｉｒｅｆ１は、加算部３４８にて補償信号Ｃｓ３を加算され、電流指令値Ｉｒｅｆａとして応答制御部５０に入力される（ステップＳ６０）。

応答制御部５０は、数１２により電流指令値Ｉｒｅｆａを変換し、電流指令値Ｉｒｅｆｂとして出力する（ステップＳ７０）。なお、数１２におけるａ_１及びＢ_ＳＴＧには、相対モードの特性の減衰率が所望の値になるように予め調整された値が設定されている。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

第１実施形態は図４に示されるステアリング系の構成を基に構成されたものであるが、前述のように、図４に示されるステアリング系の構成は図８のように変形可能であり、図８に示されるステアリング系の構成を基に構成されたものが図１５に示される構成例（第２実施形態）である。本構成例では、応答制御部が２つ設けられており（応答制御部５１、５２）、フィードバック制御部６０からの補償信号は応答制御部５１の前段ではなく後段で使用される。なお、図１５において、図９に示される第１実施形態と同一構成のものには同一符号を付けて説明は省略する。

応答制御部５１は、フィードフォワード制御部４０から出力される補償信号Ｃｓ１により電流指令値Ｉｒｅｆ１を補償して生成される電流指令値Ｉｒｅｆｃを入力し、極零相殺により算出される電流指令値Ｉｒｅｆｄを出力する。応答制御部５２は、フィードバック制御部６０から出力される補償信号Ｃｓ２を入力し、補償信号Ｃｓ４を出力する。電流指令値Ｉｒｅｆｄは、減算部３４７にて、補償信号Ｃｓ４により補償され、電流指令値Ｉｒｅｆｅとして出力される。電流指令値Ｉｒｅｆｅは、図２に示されている電流制限部３３に入力され、それ以降は第１実施形態と同様の動作が行われる。

第２実施形態の動作例を図１６のフローチャートを参照して説明する。

動作が開始すると、第１実施形態の動作例でのステップＳ１０〜Ｓ３０と同じ動作が実施される。

フィードフォワード制御部４０から出力された補償信号Ｃｓ１と電流指令値Ｉｒｅｆ１は、加算部３４８にて加算させ、電流指令値Ｉｒｅｆｃとして応答制御部５１に入力される（ステップＳ３１）。

応答制御部５１は、数１２により電流指令値Ｉｒｅｆｃを変換し、電流指令値Ｉｒｅｆｄとして減算部３４７に出力する（ステップＳ３２）。

フィードバック制御部６０では、第１実施形態の動作例でのステップＳ４０と同じ動作が実施され、補償信号Ｃｓ２が応答制御部５２に出力される（ステップＳ４０）。

応答制御部５２は、数１２により補償信号Ｃｓ２を変換し、補償信号Ｃｓ４として減算部３４７に出力する（ステップＳ４１）。

減算部３４７にて電流指令値Ｉｒｅｆｄから補償信号Ｃｓ４が減算され、電流指令値Ｉｒｅｆｅとして出力される（ステップＳ４２）。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

第１実施形態でのフィードバック制御部６０は、相対モードの特性を安定化しやすい特性（極配置）にするために、２慣性系の共振比を上げるように調整されたフィードバックゲインで乗算されたモータ角加速度をフィードバックしていたが、このフィードバックによる効果に対して、電流制御部の特性が影響を与えることがある。ここで、電流制御部とは、電流指令値Ｉｒｅｆｂの入力からモータ２０を駆動させるモータ電流の出力までのところを指す。

モータ角加速度のフィードバックにより相対モードの特性の減衰率を向上させることができるが、電流制御部の遅れにより、減衰率を減らす方向のフィードバックが同時に働いて、モータ角加速度のフィードバックの効果を低減させることがある。この電流制御部の遅れの影響に対して、本実施形態では、位相進み特性を付与することによりダンピング（減衰）を与え、減衰率を向上させる。

図１７は、第３実施形態におけるフィードバック制御部の構成例を示すブロック図である。第１実施形態と比べると、ゲイン部６２０の後に位相進み補償部６５０が追加されている。

位相進み補償部６５０が有する特性（位相進み特性）Ｃ_ＬＥＡＤ（ｓ）は下記数１９で表わされる。

ω_Ｌ及びω_Ｈは位相進み補償パラメータである。

配置された極の周波数と特性Ｃ_ＬＥＡＤ（ｓ）による位相進み量が最大となる周波数とを一致させることにより、効率的に配置後の極にダンピング（減衰）を与えることができる。位相進み量が最大となる周波数ω_ＭＡＸは下記数２０で算出されるので、モータ角加速度のフィードバックにより配置された極の周波数とω_ＭＡＸが合うように特性Ｃ_ＬＥＡＤ（ｓ）のω_Ｌ及びω_Ｈを設計する。

第３実施形態でのフィードバック制御部６１では、第１実施形態でのフィードバック制御部６０の２階微分部６１０及びゲイン部６２０と同様の動作によりフィードバックゲインｋａを乗算されたモータ角加速度αｍが位相進み補償部６５０に入力され、位相進み補償部６５０は、数１９で表わされる特性Ｃ_ＬＥＡＤ（ｓ）により位相進み補償を行い、補償信号Ｃｓ２として出力する。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。

図１８は第４実施形態のブロック図である。図９に示される第１実施形態と比べると、第４実施形態では電流指令値演算部３１の後に位相補償制御部８０が追加されている。

位相補償制御部８０は処置３を、即ち「ロバスト安定性を向上するために極零相殺を行った特性に対して、さらに安定化する」処置を行う。具体的には、位相補償を行うことにより、安定化を図る。位相補償特性としては、例えば特許第３９２２０１０号公報に示されている位相補償部の特性を使用することができる。

第４実施形態では、電流指令値演算部３１が出力した電流指令値Ｉｒｅｆ１は位相補償制御部８０に入力され、位相補償制御部８０は電流指令値Ｉｒｅｆ１に対して位相補償を行い、電流指令値Ｉｒｅｆｆとして加算部３４８に出力する。

なお、位相補償特性として、特許第３９２２０１０号公報記載のもの以外の位相補償特性を使用しても良い。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０ モータ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１ 電流指令値演算部
４０ フィードフォワード制御部
５０、５１、５２ 応答制御部
６０、６１ フィードバック制御部
７０ データ変換部
８０ 位相補償制御部
６１０ ２階微分部
６２０ ゲイン部
６５０ 位相進み補償部

Claims (13)

1. 電流指令値に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御する電動パワーステアリング装置の制御装置において、
   入力角度情報を入力して前記電流指令値を補償する補償信号１を演算するフィードフォワード制御部と、
   出力角度情報を入力して前記電流指令値を補償する補償信号２を演算するフィードバック制御部と、
   前記補償信号１及び前記補償信号２に基づいて前記電流指令値を調整する応答制御部とを備え、
   前記フィードバック制御部は、電動パワーステアリング装置を構成するハンドル慣性及びモータ慣性が相対変位する振動モードの特性の極をステアリング安定化周波数領域に配置し、
   前記応答制御部は、前記振動モードの特性を相殺するように極零相殺を行う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. 前記応答制御部は、前記補償信号１と前記補償信号２の差分を入力とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
3. 前記応答制御部として前記補償信号１を入力とする応答制御部１及び前記補償信号２を入力とする応答制御部２が備えられ、
   前記電流指令値の調整に前記応答制御部１からの出力と前記応答制御部２からの出力の差分が使用される請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
4. 前記ステアリング安定化周波数領域は略２０Ｈｚ以上である請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
5. 前記フィードバック制御部は、前記ハンドル慣性及び前記モータ慣性からなる２慣性系の共振比を上げることにより前記振動モードの特性の極配置を行う請求項１乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
6. 前記共振比は略２以上である請求項５に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
7. 前記フィードバック制御部は、位相進み特性により前記極にダンピンクを与える請求項１乃至６のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
8. 前記応答制御部の極零相殺により前記振動モードの特性の減衰率が所定の値以上となる請求項１乃至７のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
9. 前記所定の値が略０．６である請求項８に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
10. 前記フィードフォワード制御部は、オンセンターでの前記振動モードの特性の安定性及び応答性を独立して設定できるようにする請求項１乃至９のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
11. 前記フィードフォワード制御部は位相補償を行う請求項１０に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
12. 前記応答制御部が前記電流指令値を調整する前に前記電流指令値に対して位相補償を行う位相補償制御部を備える請求項１乃至１１のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
13. 前記入力角度情報は操舵角であり、前記出力角度情報はステアリング角である請求項１乃至１２のいずれか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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