JP2005082034A - 電動パワーステアリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 追随性を得るための非干渉化制御を行っても特性が損なわれないようにする。
【解決手段】 操舵補助力を発生する電動モータ６と、操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、検出された操舵トルクに応じて電動モータ６の制御目標値を生成する手段１０と、前記電動モータの非干渉化制御を行う手段２８と、を備えた電動パワーステアリングシステムにおいて、操舵トルクから電動モータの制御目標値を生成する過程で作用するフィルタ１２を備え、前記フィルタ１２としては、システムにおける共振ピークのゲインを低下させる位相補償器１３と、前記共振ピークよりも高い周波数にある第２のピークを低下させるＬＰＦ１２と、がそれぞれ備わっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電動パワーステアリングシステムに関するものである。

電動パワーステアリングシステムは、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより操舵機構に操舵補助力を与えるものである。
電動モータの制御に際しては、モータ制御の追随性を向上することが求められる。例えば、追随性が低いと、不感帯を含む低負荷のときに、慣性感や粘性感を運転者に与えて、操舵フィーリングが悪化する。

モータ制御の追随性を向上するには、モータを非干渉化制御することが考えられる。ここで、干渉とは、複数の制御系において、一方の制御系の操作量を変化させた場合に、他の制御系の制御量に影響が生じることをいい、非干渉化制御とは、干渉する制御系間の干渉を防止して、干渉のない独立した制御系として取り扱うための制御である。
例えば、ブラシレスモータのｄ軸電流及びｑ軸電流のそれぞれの目標値に対して、ｄ軸電流及びｑ軸電流の実測値をフィードバックする制御を行う場合、モータの誘起電力によって、ｄ軸の制御系とｑ軸の制御系には干渉が生じる。つまり、ｄ軸電流の目標値を変化させるとｑ軸電流の実測値にも影響が生じ、ｄ軸電流の目標値を変化させるとｑ軸電流の実測値にも影響が生じ、モータの追随性が低下する。

非干渉化制御では、上記のｄｑ軸間の干渉を打ち消すような伝達関数を持つ非干渉化部を設けて、ｄ軸の制御系とｑ軸の制御系を独立した制御系として取り扱えるようにする。
このような非干渉化制御は特許文献１に記載されており、非干渉化によってモータの追随性を向上させることができる。
ところが、非干渉化により追随性を向上させると、システムの安定性の確保が課題となることが本発明者らによる実測の結果、明らかになった。
また、非干渉化による追随性の向上は、ロードノイズの高周波成分（運転者に不必要な振動）を大きくするマイナス面があり、これをＬＰＦという単純な対策で解決しようとすると十分な応答性が確保できなくなる。

図８は電動モータの非干渉化を行っていない電動パワーステアリングシステムの特性（ゲイン特性、位相特性）を示し、図９は、非干渉化を行った電動パワーステアリングシステムの特性（ゲイン特性、位相特性）を示している。
図８に示すように、非干渉化を行っていない場合のゲイン特性は、周波数Ｆ１付近（１０Ｈｚ〜２０Ｈｚ）でピークＰ１を持つ。

これに対し、非干渉化を行うと、図９の位相特性に示すように追随性は向上する。しかし、非干渉化を行うと、周波数Ｆ１より高い周波数Ｆ２付近（２０Ｈｚ〜５０Ｈｚ）においてもハイゲインの部分Ｐ２が生じることが実測の結果、本発明者らによって見出された。このピークＰ２は、Ｐ１よりも高い周波数で生じ、非干渉化によって電気制御系をスッキリさせることにより、機械系の影響が現出することによって発生したものと推測される。このピークＰ２の存在により、ロードノイズの高周波成分が大きくなって、操舵フィーリングが低下する。
操舵フィーリングを良好にするためには、非干渉化を行った図９の特性においてハイゲインの部分Ｐ１，Ｐ２を整形する必要がある。

なお、ハイゲインの部分Ｐ１，Ｐ２を整形するために単純にＬＰＦを用いることも考えられるが、このためには、カットオフ周波数が１０Ｈｚ以下のＬＰＦとなる。この場合も、図１０に示すように、いずれのピークＰ１，Ｐ２も抑制することができるが、位相が大幅に遅れてしまい、非干渉化によって向上させた位相特性が損なわれる。
特開２００１−１８８２２号公報

本発明が解決しようとする課題は、追随性を得るための非干渉化制御を行っても良好な特性が得られないことであり、本発明は、これを改善することを目的とする。

本発明は、操舵補助力を発生する電動モータと、操舵トルクを検出するトルクセンサと、検出された操舵トルクに応じて電動モータの制御目標値を生成する手段と、前記電動モータの非干渉化制御を行う手段と、を備えた電動パワーステアリングシステムにおいて、操舵トルクから電動モータの制御目標値を生成する過程で作用するフィルタを備え、前記フィルタとしては、システムにおける共振ピークのゲインを低下させる第１フィルタと、前記共振ピークよりも高い周波数にある第２のピークを低下させる第２フィルタと、が備わっていることを特徴とする。

本発明によれば、システムにおける共振ピークのゲインは、第１フィルタによって低下する。そして、追随性を向上するための非干渉化によって生じた第２のピークは、第２フィルタによって低減する。したがって、非干渉化によって生じた不必要な高周波成分が除去され、特性を改善できる。

前記第１フィルタは、前記共振ピークよりも高い周波数の位相を進めるものであるのが好ましい。この場合、共振ピークよりも高い周波数では位相進みとなり、追随性が向上する。例えば、第１フィルタとして中心周波数が共振ピークの周波数付近に設定されたＢＥＦを利用すれば、ＢＥＦの中心周波数よりも高い周波数では位相進みとなり、特性がより改善される。

前記第２フィルタは、ＬＰＦ又はＢＥＦであるのが好ましい。ＬＰＦとＢＥＦのいずれでも第２のピークを除去することができる。なお、ＬＰＦの方が演算負荷を少なくでき好ましい。

本発明によれば、非干渉化によって追随性を向上させることによって生じる第２のピークは、第２フィルタによって低減されるため、不必要な高周波成分が除去され、システムが安定化する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、電動パワーステアリングシステムの構成を、それに関連する車両構成と共に示している。この電動パワーステアリングシステムは、操舵部材としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、を備えている。

ステアリングシャフト１０２が回転すると、その回転はラックピニオン機構１０４によってラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームからなる連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１０８の向きが変わる。

また、電動パワーステアリングシステムは、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、操舵補助力を発生させる電動モータ（ブラシレスモータ）６と、そのモータ６の発生する操舵補助力をステアリングシャフト１０２に伝達する減速ギヤ７と、車載バッテリ８から電源の供給を受けて、トルクセンサ３などからのセンサ信号に基づきモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５と、を備えている。

このような電動パワーステアリングシステムを搭載した車両において、運転者がハンドル１００を操作すると、その操作による操舵トルクがトルクセンサ３によって検出され、その操舵トルクＴｓの検出値や車速などに基づいてＥＣＵ５によりモータ６が駆動され、操舵補助力が発生する。操舵補助力が減速ギヤ７を介してステアリングシャフト１０２に加えられることにより、操舵操作による運転者の負担が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクＴｓと、モータ６の発生する操舵補助トルクＴａとの和が、出力トルクＴｂとして、ステアリングシャフト１０２に与えられて操舵が行われる。

図２及び図３は、電動パワーステアリングシステムの制御装置としてのＥＣＵ５を中心とする要部構成を示すブロック図である。ＥＣＵ５は、トルクセンサ３から与えられた操舵トルクＴｓに基づいて、モータ６の目標電流を決定し、モータ６を制御して操舵補助トルクＴａを発生させる。

具体的には、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように操舵トルクＴｓからモータ６の目標電流（制御目標値）を決定する目標電流決定部１０と、図３に示すように目標電流に基づいてモータ６を駆動制御する駆動制御部２０とを備えている。
目標電流決定部１０は、モータのｑ軸目標電流ｉｑ^＊を決定するものであり、アシストマップ１１と、フィルタ１２と、を備えている。アシストマップ１１とフィルタ１２の機能は、プログラムに基づく演算によって達成される。

アシストマップ１１は、検出された操舵トルクＴｓに対応して発生させるべき操舵補助力を得るための目標電流値を対応させたマップである。フィルタ１２は、操舵トルクＴｓから目標電流（制御目標値）を決定する過程で作用するものであり、第１のフィルタとしての位相補償部１３と、第２のフィルタとしてのＬＰＦ（ローパスフィルタ）１４とを備えている。

図２において、（ａ）〜（ｃ）の各図は、アシストマップ１１、位相補償部１３、及びＬＰＦ１４の演算の順番例を示している。図２（ａ）の場合、まず、アシストマップ１１を用いた演算が行われた後に、位相補償が行われ、さらにその後にＬＰＦ１４が適用される。

図２（ｂ）の場合、アシストマップ１１適用後に、まずＬＰＦ１４が適用され、その後、位相補償が行われる。
図２（ｃ）の場合、まず、ＬＰＦ１４が適用された後に、アシストマップ１１が適用され、最後に位相補償が行われる。
目標電流決定部１０では、アシストマップ１１、位相補償部１３、及びＬＰＦ１４の順番を変えても同様の結果が得られる。

駆動制御部２０は、ｑ軸の電流制御部２１と、ｄ軸の電流制御部２２と、ｄｑ／３相交流変換部２３と、ＰＷＭインバータ２４と、電流検出器２５と、モータ６の回転角度検出器２６と、３相交流／ｄｑ変換部２７と、非干渉化演算部２８と、を備えている。

電流制御部２１，２２では、ｄｑ軸目標電流（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）と、検出したｄｑ軸電流（ｉｄ，ｉｑ）との偏差に基づいて、ＰＩ制御などの制御を行い、ｄｑ軸目標電圧（Ｖｄ’，Ｖｑ’）を生成する。ｄｑ軸電流（ｉｄ，ｉｑ）は、モータ６に与えられる３相電流（ｉｕ，ｉｖ）を電流検出器によって検出し、当該電流（ｉｕ，ｉｖ）を３相交流／ｄｑ変換部２７によって変換して得たものである。

非干渉化演算部２８では、検出したｄｑ軸電流（ｉｄ，ｉｑ）と、回転角度検出器２６によって検出されたモータ回転角度θをもとに角速度演算部２６ａによって算出した角速度ωとに基づいて、非干渉化演算を行う。
検出したｄ軸電流ｉｄは、ｑ軸に係る制御系の影響を受けており、検出したｑ軸電流ｉｑは、ｄ軸に係る制御系の影響を受けているが、非干渉化演算によってこのような干渉が打ち消される。
つまり、電流制御部２１，２２によって生成されたｄｑ軸目標電圧（Ｖｄ’，Ｖｑ’）は、非干渉化演算部２８によって、非干渉化されたｄｑ軸目標電圧（Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊）に補正され、ｄｑ／３相交流変換部２３に与えられる。
ｄｑ／３相交流変換部２３では、非干渉化ｄｑ軸目標電圧（Ｖｄ^＊，Ｖｑ^＊）に基づいて、ｄｑ／３相交流変換を行い、３相目標電圧（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を生成して、ＰＷＭインバータ（モータ駆動部）２４に供給する。

図４は、図２のフィルタ１２の周波数特性を示している。このフィルタ１２の特性は、位相補償器１３の特性とＬＰＦ１４の特性とを組み合わせたものであり、このフィルタ１２によって、周波数Ｆ１，Ｆ２のゲインが低下する。

フィルタ１２の構成要素の一つである位相補償器１３は、中心周波数が第１の共振ピークＰ１の周波数Ｆ１付近（例えば１５Ｈｚ）に設定されたＢＥＦ（帯域阻止フィルタ）として機能し、第１の共振ピークのゲインを低下させる。
また、位相補償器１３は、周波数Ｆ１よりも低い周波数の位相を遅れさせるものの、周波数Ｆ１よりも高い周波数の位相を進めるように機能する。

したがって、非干渉化制御によって図９のような特性が生じるステアリングシステム（フィルタ１２なし）に対して、位相補償器１３を適用（ＬＰＦ１４は不適用）すると、図５に示すように、周波数Ｆ１におけるゲインのピークは低減されるが、周波数Ｆ２におけるピークＰ２は残ったままとなる。なお、周波数Ｆ１よりも高い周波数では位相が進む。

フィルタ１２の構成要素の一つであるＬＰＦ１４は、第２のピークＰ２のゲインを低下させるためのものであり、カットオフ周波数が周波数Ｆ１と周波数Ｆ２との間（好ましくはＦ２近傍）に設定されている。したがって、ピークＰ１のゲインを低下させるためには機能しない。なお、ＬＰＦ１４のカットオフ周波数としては、２０〜３０Ｈｚ付近が好ましい。

ＬＰＦ１４のカットオフ周波数が、比較的高く設定されているため、周波数Ｆ２近傍以上の高周波（運転者にとって不必要なロードノイズ）では位相遅れが生じるものの、それよりも低い周波数（運転者に必要な周波数；ロードインフォメーション）ではＬＰＦ１４による位相遅れはほとんど生じない。
したがって、非干渉化制御によって図９のような特性が生じるステアリングシステム（フィルタ１２なし）に対して、ＬＰＦ１４を適用（位相補償器１３は不適用）すると、図６に示すように、周波数Ｆ２におけるゲインのピークは低減されるが、周波数Ｆ１におけるピークは残ったままとなる。また、周波数Ｆ２近傍以上において比較的大きな位相遅れが生じる。

位相補償器１３とＬＰＦ１４を組み合わせたフィルタ１２全体（図４の特性を持つフィルタ）を、非干渉化制御によって図９のような特性が生じるステアリングシステムに対して適用した場合、システムの特性は図７に示すようになる。すなわち、ピークＰ１，Ｐ２はいずれも０［ｄＢ］以下に低下しており、ロードノイズである高周波成分が大きくなるのが防止されている。

また、ロードノイズとなる周波数Ｆ２近傍以上では、位相遅れが生じているものの、それよりも低い周波数では位相遅れが比較的小さくなっている。したがって、運転者に必要な周波数領域（例えば、３０Ｈｚ以下）では十分な追随性が確保されている。

図７の特性と、ＬＰＦだけでピークＰ１，Ｐ２のゲインを低下させた図１０の特性とを、比較すると、図１０の特性では１０〜３０Ｈｚ付近のロードインフォメーションなどとして必要な周波数にも位相遅れが生じている。一方、図７の特性であれば、当該周波数領域の位相遅れが防止されていることがわかる。

したがって、フィルタ１２を有する本実施形態のシステムによれば、不感帯を含む低負荷でのモータ６の不必要な動きが抑制され、慣性感や粘性感といった不自然な手応えを抑制することができる。また、モータ６の追随性が向上するため、不感帯からアシスト領域への不連続性を低減させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ピークＰ２のゲインを低減するためには、ＬＰＦ１４に代えて、中心周波数がＦ２付近に設定されたＢＥＦ（帯域阻止フィルタ）を用いても良い。

電動パワーステアリングシステムの構成概略図である。 ＥＣＵの目標電流決定部のブロック図である。 ＥＣＵの駆動制御部のブロック図である。 フィルタの特性を示すボード線図である。 非干渉化制御を行ったシステムに位相補償器を適用した場合のシステムの特性を示すボード線図である。 非干渉化制御を行ったシステムにＬＰＦを適用した場合のシステムの特性を示すボード線図である。 本実施形態に係るシステムの特性を示すボード線図である。 非干渉化制御を行っていないシステムの特性を示すボード線図である。 非干渉化制御を行ったシステム（フィルタなし）の特性を示すボード線図である。 ＬＰＦによってハイゲインを整形したシステムの特性を示すボード線図である。

符号の説明

３ トルクセンサ
６ 電動モータ
１０ 目標電流決定部（制御目標値の生成手段）
１２ フィルタ
１３ 第１フィルタ（位相補償器、ＢＥＦ）
１４ 第２フィルタ（ＬＰＦ（or ＢＥＦ））
２８ 非干渉化演算部（非干渉化制御を行う手段）

Claims (3)

1. 操舵補助力を発生する電動モータと、
   操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   検出された操舵トルクに応じて電動モータの制御目標値を生成する手段と、
   前記電動モータの非干渉化制御を行う手段と、
   を備えた電動パワーステアリングシステムにおいて、
   操舵トルクから電動モータの制御目標値を生成する過程で作用するフィルタを備え、
   前記フィルタとしては、システムにおける共振ピークのゲインを低下させる第１フィルタと、前記共振ピークよりも高い周波数にある第２のピークを低下させる第２フィルタと、が備わっていることを特徴とする電動パワーステアリングシステム。
2. 前記第１フィルタは、前記共振ピークよりも高い周波数の位相を進めるものであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリングシステム。
3. 前記第２フィルタは、ＬＰＦ又はＢＥＦであることを特徴とする請求項１又は２記載の電動パワーステアリングシステム。

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