JP2004074983A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】路面からの逆入力による外乱の影響を抑制しつつ、慣性補償制御を行う。
【解決手段】モータ回転角加速度に基づいて、基本慣性補償電流値が求められる。一方、ステアリングホイール１の操作角速度の絶対値と、ステアリング機構３側の操舵角速度の絶対値との偏差εが求められ、この偏差εに基づいて、慣性補償ゲインが求められる。この慣性補償ゲインを基本慣性補償電流値に乗じることによって、慣性補償制御のための補正値が求められる。この補正値が、操舵トルクＴおよび車速Ｖに基づいて定められる基本目標電流値に加算されることにより、電動モータＭの制御のための目標電流値が求められる。偏差εは、ステアリングホイール１が操作されたときと、路面からの外乱が入力されたときとで異なる符号をとるから、この偏差εに対応する慣性補償ゲインを適切に設定することによって、外乱の影響を排除できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動モータの駆動力をステアリング機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動モータの駆動力をステアリング機構に機械的に伝達することによって操舵補助する電動パワーステアリング装置が従来から用いられている。電動モータは、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクに応じて設定される目標電流値に基づいて制御され、これによって、操舵トルクに応じた操舵補助力がステアリング機構に与えられる。
【０００３】
ステアリング機構自身の慣性や、これに機械的に結合された電動モータの慣性は、操舵に際して負荷となるから、これらの慣性による操舵負担を軽減するための慣性補償制御が取り入れられる場合がある。具体的には、電動モータの回転角加速度が求められ、この回転角加速度に応じた慣性補償電流を目標電流値に加えることによって、慣性補償制御が達成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、慣性補償制御は、電動モータの回転の加速度方向への操舵補助力を増加するような制御であるため、路面からの逆入力による外乱を助長することになり、車両のふらつきの原因となる場合がある。
そこで、この発明の目的は、路面からの逆入力による外乱の影響を抑制しつつ、操舵補助を良好に行うことができる電動パワーステアリング装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、操作部材（１）の操作に応じて制御される電動モータ（Ｍ）が発生する駆動力をステアリング機構（３）に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、上記操作部材の操作量を検出する操作量検出手段（５）と、この操作量検出手段によって検出される操作量に基づいて上記電動モータの目標駆動値の基本値である基本目標駆動値を設定する基本目標駆動値設定手段（１１）と、上記操作部材の操作角速度を検出する操作角速度検出手段（２１）と、上記ステアリング機構側の操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段（２２）と、上記操作角速度検出手段によって検出された操作角速度と上記操舵角速度検出手段によって検出された操舵角速度との偏差に応じて上記基本目標駆動値設定手段が設定した基本目標駆動値を補正し、上記電動モータの制御のための目標駆動値を定める補正手段（１２）と、この補正手段によって定められた目標駆動値に基づいて上記電動モータを駆動するモータ駆動手段（１５）とを含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
【０００６】
この発明によれば、操作角速度および操舵角速度が検出され、これらの偏差に応じて基本目標駆動値が補正されて目標駆動値が求められる。上記偏差は、運転者が操作部材を操作したときと、路面からの外乱入力のときとで異なる値をとるから、基本目標駆動値に対して、路面からの外乱入力の影響を排除するような補正を施すことができる。すなわち、たとえば、運転者が操作部材を操作したときにのみ慣性補償のための補正を行えるから、路面からの外乱入力の影響を抑制して、良好な操舵フィーリングを実現できる。
【０００７】
上記補正手段は、上記操作角速度の絶対値と上記操舵角速度の絶対値との偏差に基づいて、上記基本目標駆動値を補正するものであることが好ましい。
より具体的には、上記補正手段は、たとえば、電動モータおよびステアリング機構の慣性を補償するための基本慣性補償駆動値を、たとえば電動モータの回転角加速度に応じて設定する基本慣性補償駆動値設定手段（２６）と、操舵角速度絶対値に対する操作角速度絶対値の偏差（｜操作角速度｜−｜操舵角速度｜）に応じて上記基本慣性補償駆動値に乗じるべき慣性補償ゲインを設定する慣性補償ゲイン設定手段（２４）と、この慣性補償ゲイン設定手段によって設定された慣性補償ゲインを上記基本慣性補償駆動値に乗じることによって慣性補償駆動値を求める乗算手段（２７）と、この乗算手段によって求められた慣性補償駆動値を基本目標駆動値に加算する加算手段（２８）とを含む。
【０００８】
この場合に、上記慣性補償ゲインは、上記偏差が正の値のときには第１の値（Ｇ１）をとり、上記偏差が負の値のとき（とくに、負の閾値ε_ｔｈ以下の値のとき）には第２の値（Ｇ２。Ｇ２＜Ｇ１）に設定されることが好ましい。また、たとえば、慣性補償ゲインは、上記偏差が所定の閾値（ε_ｔｈ好ましくは、負の値）よりも大きな値であれば上記第１の値をとり、当該閾値よりも小さな値であれば第２の値をとるように、上記閾値付近で第１の値と第２の値との間で切り替わるように設定されることが好ましい。この場合に、上記閾値付近における慣性補償ゲインの急変を防止するために、上記偏差に対して所定の勾配で、上記慣性補償ゲインが、第１の値と第２の値との間で変化するようにすることが好ましい。
【０００９】
運転者が操作部材を操作するときには、操作角速度の絶対値が操舵角速度の絶対値よりも大きくなり、路面からの外乱入力があったときには、操舵角速度の絶対値が操作角速度の絶対値よりも大きくなる。したがって、慣性補償ゲインを上記のように定めることによって、路面からの外乱入力の影響を抑制または排除しつつ、良好な慣性補償制御を実現できる。
上記操作部材とステアリング機構との間には、操作部材に加えられたトルクまたは路面からの外乱トルクに応じて弾性的にねじれ変形するトーションバー（４）が介装されていることが好ましく、上記操作角速度検出手段は、当該トーションバーよりも操作部材側で当該操作部材の操作角速度を検出するものであり、上記操舵角速度検出手段は、当該トーションバーよりもステアリング機構側でステアリング機構の操舵角速度を検出するものであることが好ましい。
【００１０】
上記操舵角速度検出手段は、上記電動モータの逆起電力を検出し、これに基づいて操舵角速度を求めるものであってもよい。
また、上記トーションバーを挟んで一対の舵角センサ（６，７）を設け、操作部材側の舵角センサの出力に基づいて操作角速度を求めるとともに、ステアリング機構側の舵角センサの出力に基づいて操舵角速度を求めるようにしてもよい。
操作部材に働くトルク（操作量の一例）と、操作部材側の舵角およびステアリング機構側の舵角とを検出することができるセンサ（いわゆるアングルトルクセンサ）を用いれば、構成を簡素化することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成を示すブロック図である。操作部材としてのステアリングホイール１に加えられた操舵トルクは、ステアリングシャフト２を介して、ステアリング機構３に伝達される。ステアリング機構３には、電動モータＭから発生する駆動力が、操舵補助力として、ギヤ機構を介して、またはダイレクトドライブ方式によって、機械的に伝達されるようになっている。
【００１２】
ステアリングシャフト２は、ステアリングホイール１側に結合された入力軸２Ａと、ステアリング機構３側に結合された出力軸２Ｂとに分割されていて、これらの入力軸２Ａおよび出力軸２Ｂは、トーションバー４によって互いに連結されている。トーションバー４は、操舵トルクＴに応じてねじれを生じるものであり、このねじれの方向および量は、トルクセンサ５によって検出されるようになっている。このトルクセンサ５の出力信号は、コントローラ１０（ＥＣＵ）に入力されている。
【００１３】
コントローラ１０には、トルクセンサ５の出力信号のほかにも、ステアリングホイール１の回転角としての操作角θｈを検出する操作角センサ６と、ステアリング機構３側の操舵角θｐを検出する操舵角センサ７と、当該電動パワーステアリング装置が搭載された車両の車速Ｖを検出する車速センサ８との各出力信号も入力されている。操作角センサ６は、入力軸２Ａの回転角を操作角θｈとして検出し、操舵角センサ７は、出力軸２Ｂの回転角（ステアリング機構３がラック・アンド・ピニオン機構を備えている場合のピニオンの回転角）を操舵角θｐとして検出する。
【００１４】
運転者がステアリングホイール１にトルクを加えることによってトーションバー４がねじれたときには、操作角θｈが操舵角θｐに先行して変化し、路面からステアリング機構３を介する外乱入力があったときには、操舵角θｐが操作角θｈに先行して変動する。そこで、操舵角速度の絶対値｜ｄθｐ／ｄｔ｜に対する操作角速度の絶対値｜ｄθｈ／ｄｔ｜の偏差ε（＝｜ｄθｈ／ｄｔ｜−｜ｄθｐ／ｄｔ｜）の符号が正であれば、運転者がステアリングホイール１を操作していると判定でき、偏差εの符号が負であれば、路面からの外乱入力によりトーションバー４にねじれが生じていると判定できる。
【００１５】
コントローラ１０は、トルクセンサ５によって検出される操舵トルクＴおよび車速センサ８によって検出される車速Ｖに応じた駆動電流を電動モータＭに与え、操舵トルクＴおよび車速Ｖに応じた操舵補助力がステアリング機構３に与えられるように、電動モータＭを駆動制御する。
コントローラ１０は、内部に備えられたマイクロコンピュータによるプログラム処理によって、操舵トルクＴおよび車速Ｖに応じた基本目標電流値を設定する基本目標電流値設定部１１、ならびに、この基本目標電流値設定部１１が設定する基本目標電流値に対して慣性補償制御のための補正を施すことによって、適切な目標電流値を設定する補正部１２の各機能を実現する。この補正部１２によって設定された目標電流値に基づいて、モータドライバ１５が制御され、このモータドライバ１５から電動モータＭに適切な駆動電流が供給される。
【００１６】
補正部１２は、操作角センサ６が検出する操作角θｈを時間微分して操作角速度ｄθｈ／ｄｔを求める操作角速度演算部２１と、操舵角センサ７が検出する操舵角θｐを時間微分して操舵角速度ｄθｐ／ｄｔを求める操舵角速度演算部２２と、操舵角速度の絶対値｜ｄθｐ／ｄｔ｜に対する操作角速度の絶対値｜ｄθｈ／ｄｔ｜の偏差ε（＝｜ｄθｈ／ｄｔ｜−｜ｄθｐ／ｄｔ｜）を求める偏差演算部２３と、この偏差εに基づいて慣性補償ゲインＧを設定する慣性補償ゲイン設定部２４とを備えている。補正部１２は、さらに、電動モータＭの逆起電力を検出し、この逆起電力から電動モータＭの回転角加速度を推定するモータ回転角加速度演算部２５と、このモータ回転角加速度演算部２５によって求められたモータ回転角加速度に基づいて、慣性補償電流値の基本値である基本慣性補償電流値を演算する基本慣性補償電流値演算部２６とを備えている。補正部１２はまた、基本慣性補償電流値演算部２６によって求められた基本慣性補償電流値に慣性補償ゲイン設定部２４によって設定された慣性補償ゲインＧを乗じることによって慣性補償電流値を求める乗算部２７と、この乗算部２７が出力する慣性補償電流値を基本目標電流値設定部１１が設定する基本目標電流値に加算する加算部２８とを備えている。この加算部２８における加算によって、慣性補償のための補正が施された目標電流値が得られ、この目標電流値に基づいて、モータドライバ１５が制御されることになる。
【００１７】
図２は、基本目標電流値設定部１１の働きを説明するための図であり、操舵トルクＴに対する基本目標電流値の関係が示されている。操舵トルクＴは、たとえば右方向への操舵のためのトルクが正の値にとられ、左方向への操舵のためのトルクが負の値にとられている。また、基本目標電流値は、電動モータＭから右方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには正の値とされ、電動モータＭから左方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには負の値とされる。
【００１８】
基本目標電流値は、操舵トルクの正の値に対しては正の値をとり、操舵トルクの負の値に対しては負の値をとる。操舵トルクが−Ｔ１〜Ｔ１（たとえば、Ｔ１＝０．４Ｎ・ｍ）の範囲（トルク不感帯）の微小な値のときには、基本目標電流値は零とされる。また、基本目標電流値は、車速センサ８によって検出される車速Ｖが大きいほど、その絶対値が小さく設定されるようになっている。これにより、低速走行時には大きな操舵補助力を発生させることができ、高速走行時には操舵補助力を小さくすることができる。
【００１９】
図３は、基本慣性補償電流値演算部２６による基本慣性補償電流値の設定例を示す図である。電動モータＭの回転角加速度は、右操舵方向を正とし、左操舵方向を負としている。電動モータＭの回転角加速度が零の近傍の所定の不感帯範囲内では、基本慣性補償電流値は零に保持される。不感帯外では、電動モータＭの回転角加速度の増加に伴って単調に増加するように基本慣性補償電流値が設定される。つまり、電動モータＭの回転角加速度の絶対値が大きいほど、電動モータＭおよびステアリング機構３の慣性に起因する操舵負担が大きくなるので、基本慣性補償電流値の絶対値が大きくされる。また、基本慣性補償電流値は、その符号が、モータ回転角加速度の符号と同じになるように設定される。これにより、モータ回転角加速度の方向への操舵補助力を増すように、基本目標電流値の補正が行われることになる。
【００２０】
なお、基本慣性補償電流値演算部２６は、図３に示すような特性に対応するテーブルを記憶したメモリを用いて構成することもできるし、図３に示すような特性を実現する関数に従う演算をマイクロコンピュータに実行させることによって実現することもできる。
図４は、慣性補償ゲイン設定部２４による慣性補償ゲインの設定例を示す図である。慣性補償ゲインＧは、上記の偏差εに応じて、０≦Ｇ≦１の範囲で定められるようになっている。この実施形態では、所定の閾値ε_ｔｈ（この実施形態では、ε_ｔｈ＜０）の付近で、慣性補償ゲインＧは、第１の値Ｇ１（＝１）と、第２の値Ｇ２（０≦Ｇ２＜１）との間で、ある勾配で漸次的に切り換わるようになっている。すなわち、偏差εが閾値ε_ｔｈ＋Δε（Δε＞０）よりも大きい範囲では、慣性補償ゲインＧは大きな値Ｇ１をとり、偏差εが閾値ε_ｔｈ−Δεよりも小さい範囲では、慣性補償ゲインＧは小さな値Ｇ２をとる。
【００２１】
上述のとおり、偏差εが正の値のときには、運転者がステアリングホイール１を操作しているとみられ、偏差εが負の値のときには、路面からの外乱入力があったものとみられる。したがって、上述のように慣性補償ゲインＧを設定することによって、運転者がステアリングホイール１を操作しているときには、目標電流値に対する慣性補償電流値の寄与が大きくなる。それに対して、路面からの外乱入力に際しては、目標電流値に対する慣性補償電流値の寄与が小さくなる。このようにして、路面からの外乱入力の影響を排除しつつ、良好な慣性補償制御を実現できる。
【００２２】
また、この実施形態では、偏差εが閾値ε_ｔｈよりも小さな範囲でも慣性補償ゲインＧが零よりも大きな値Ｇ２をとるので、路面からの逆入力がわずかながらステアリングホイール１に伝達される。これにより、運転者は、路面状況等の情報をステアリングホイール１の振動等によって感じ取ることができる。
なお、偏差εが閾値ε_ｔｈよりも大きな範囲では、偏差εが負であっても慣性補償ゲインＧは大きな値Ｇ１をとることとされているが、偏差εの絶対値が小さな範囲であるので、小さな外乱の範囲であり、問題はない。むろん、偏差εの絶対値が小さな範囲では、この偏差εが正の値であっても、慣性補償はさほど重要ではないので、図４において二点鎖線で示すような特性に従って慣性補償ゲインを定めるようにしてもよい。
【００２３】
慣性補償ゲイン設定部２４は、図４に示すような特性に対応するテーブルを記憶したメモリを用いて構成することもできるし、図４に示すような特性を実現する関数Ｇ＝ｆ（ε）に従う演算をマイクロコンピュータに実行させることによって実現することもできる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、他の形態で実施することもできる。たとえば、上記の実施形態では、操作角センサ６および操舵角センサ７のほかに、トルクセンサ５を設けているが、操作角センサ６が検出する操作角θｈと操舵角センサ７が検出する操舵角θｐとの差は、トーションバー４のねじれ量および方向に対応するから、たとえば、コントローラ１０の内部において操作角θｈと操舵角θｐとの差を求める減算部（プログラム処理によって実現してもよい。）を設け、この減算部の出力を操舵トルクＴに相当する情報として用いるようにしてもよい。これにより、トルクセンサ５を排除して、コストの低減を図ることができる。たとえば、特開２０００−３５２５０２号公報（たとえば、同公報の図３）に示された構成を用いることにより、操作角θｈ、操舵角θｐおよび操舵トルクＴを１つのセンサ（いわゆるアングルトルクセンサ）で検出することができる。
【００２４】
また、上記の実施形態では、電動モータＭの回転角加速度を電動モータＭの逆起電力から推定することとしているが、操舵角センサ７が検出する操舵角θｐを２階時間微分（たとえば、操舵角速度演算部２２の出力をさらに時間微分）することによって、電動モータＭの回転角加速度に対応する情報を得ることができる。
また、逆に、操舵角センサ７を設けずに、電動モータＭの逆起電力に基づいて、電動モータＭの回転速度を推定し、これに基づいてステアリング機構３側の操舵角速度を求めることもできる。
【００２５】
さらに、電動モータＭの出力特性は、その温度によって変化するので、目標電流値を電動モータＭの温度に応じて補正することとしてもよい。たとえば、電動モータＭの温度ＴＥＭＰを温度センサで検出し、目標電流値Ｉ_０を下記（１）式に従って補正することにより補正後の目標電流値Ｉを求め、この補正後の目標電流値Ｉに従って電動モータＭの制御を行うこととしてもよい。
Ｉ＝Ｉ_０／｛１＋α×（ＴＥＭＰ−ＴＥＭＰ_０）｝　　　・・・・・・（１）
ただし、α（＜０）は、磁石の温度補正係数（可逆温度係数）であり、ＴＥＭＰ_０は基準温度を表す。
【００２６】
電動モータＭの発生トルクは、磁束に比例し、磁束は｛１＋α×（ＴＥＭＰ−ＴＥＭＰ_０）｝に比例することから、上記（１）式に従う補正を行うことによって、電動モータＭの温度変化によらずに、良好な操舵補助を実現でき、すぐれた操舵フィーリングを実現できる。
また、上記の実施形態では、電動モータＭを制御するための目標駆動値として目標電流値を用いているが、目標電圧値や操舵補助力の目標値であるアシストトルク目標値を目標駆動値として用いてもよい。
【００２７】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】基本目標電流値設定部の働きを説明するための図であり、操舵トルクに対する基本目標電流値の関係が示されている。
【図３】基本慣性補償電流値演算部による基本慣性補償電流値の設定例を示す図である。
【図４】慣性補償ゲイン設定部による慣性補償ゲインの設定例を示す図である。
【符号の説明】
１　　ステアリングホイール
２　　ステアリングシャフト
２Ａ　入力軸
２Ｂ　出力軸
３　　ステアリング機構
４　　トーションバー
５　　トルクセンサ
６　　操作角センサ
７　　操舵角センサ
８　　車速センサ
１０　　コントローラ
１１　　基本目標電流値設定部
１２　　補正部
１５　　モータドライバ
２１　　操作角速度演算部
２２　　操舵角速度演算部
２３　　偏差演算部
２４　　慣性補償ゲイン設定部
２５　　モータ回転角加速度演算部
２６　　基本慣性補償電流値演算部
２７　　乗算部
２８　　加算部
Ｍ　　　電動モータ
Ｔ　　　操舵トルク

Claims (1)

1. 操作部材の操作に応じて制御される電動モータが発生する駆動力をステアリング機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   上記操作部材の操作量を検出する操作量検出手段と、
   この操作量検出手段によって検出される操作量に基づいて上記電動モータの目標駆動値の基本値である基本目標駆動値を設定する基本目標駆動値設定手段と、
   上記操作部材の操作角速度を検出する操作角速度検出手段と、
   上記ステアリング機構側の操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段と、
   上記操作角速度検出手段によって検出された操作角速度と上記操舵角速度検出手段によって検出された操舵角速度との偏差に応じて上記基本目標駆動値設定手段が設定した基本目標駆動値を補正し、上記電動モータの制御のための目標駆動値を定める補正手段と、
   この補正手段によって定められた目標駆動値に基づいて上記電動モータを駆動するモータ駆動手段とを含む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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