JP2008302900A - 電動パワーステアリング装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置を長期間使用しても、出荷状態の良好な操舵フィーリングを自動調整によって維持できる制御装置を提供する。
【解決手段】パラメータ推定器１２０は、電動パワーステアリング装置１をモデル化したものであって、その装置１の物理的特性を示す特性定数を含んでいる数学モデルを記憶しており、数学モデルの操舵パラメータをセンサから取得する。そして、取得した値と数学モデルとから特性定数を逐次推定する。コントローラゲイン調整部１３０は、特性定数の変化と操舵フィーリングを初期状態に戻すためのゲインＫ２との間の関係を記憶しており、特性定数の変化と上記関係とに基づいてゲインＫ２を決定して、ゲインＫ２に基づいて電動モータ２へのトルク指令値を決定する。これによって、電動パワーステアリング装置１を長期間使用しても、出荷状態の良好な操舵フィーリングが自動調整によって維持されることになる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置を制御するための制御装置に関し、特に、電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングを出荷状態のまま維持することができる制御装置に関する。

電動パワーステアリング装置の操舵フィーリングは出荷前に調整され，出荷状態では最適値となっている。しかし、長時間使用すると操舵フィーリングが劣化してしまう。この問題を解決するために、特許文献１に記載されている操舵特性設定装置を利用することができる。

特許文献１の操舵特性設定装置は、ドライバ自身でアシストマップを調整するものである。従って、この特許文献１の装置は、経時劣化した操舵特性を出荷時の状態に再調整することができるのみならず、車種の特性、車載重量、車両走行条件の変化、ドライバの嗜好などに応じてドライバ自身が操舵特性を設定することが可能である。
特開２００２−２９３２５７号公報

しかし、特許文献１の装置によって操舵特性を設定するには、ドライバ自身がアシストマップを調整する必要がある。そのため、アシストマップに慣れていないドライバにとっては、時間と手間がかかる可能性がある。加えて、出荷状態と同じ操舵フィーリングをドライバ自身によって再現することは困難である。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、電動パワーステアリング装置を長期間使用しても、出荷状態の良好な操舵フィーリングを自動調整によって維持できる制御装置を提供することをその目的としている。

その目的を達成するための請求項１記載の発明は、トルクセンサと電動モータとを備え、前記電動モータによって、ステアリング操舵力を補助するアシストトルクを発生させる電動パワーステアリング装置を制御するために、
前記トルクセンサの検出値に基づいて定まるトルク指令値を前記電動モータへ出力する電動パワーステアリング装置の制御装置であって、
前記電動パワーステアリング装置の少なくとも一部を、その電動パワーステアリング装置の物理的特性を示す特性定数と、運転操作に基づいて変化する操舵パラメータとを含む式によって表した数学モデルを記憶しており、その数学モデルと前記操舵パラメータを検出するセンサからの検出値とから、オンライン同定法によってその数学モデルの特性定数を逐次推定する特性推定部と、
前記特性定数の変化と操舵フィーリングを初期状態に戻すためのゲインとの間の関係を記憶しており、前記特性推定部によって推定された特性定数の初期値に対する変化と、前記関係とに基づいてゲインを決定して、その決定したゲインに基づいて前記トルク指令値を決定する指令値決定部とを含むことを特徴とする。

この請求項１記載の制御装置は、電動パワーステアリング装置の少なくとも一部をモデル化した数学モデルを記憶しており、この数学モデルは、電動パワーステアリング装置の物理的特性を示す特性定数を含んでいる。本発明者らは、前述の操舵フィーリングの劣化は、この特性定数の経年変化に起因するものであることを見出した。そこで、請求項１記載の発明では、数学モデルの操舵パラメータをセンサによって検出し、検出した検出値と数学モデルとから、オンライン同定法によって数学モデルの特性定数を逐次推定している。さらに、指令値決定部には、特性定数の変化と操舵フィーリングを初期状態に戻すためのゲインとの間の関係を記憶しておき、特性推定部によって推定された特性定数の初期値に対する変化と上記関係とに基づいてゲインを決定して、その決定したゲインに基づいて電動モータへのトルク指令値を決定している。従って、電動パワーステアリング装置を長期間使用しても、出荷状態の良好な操舵フィーリングが自動調整によって維持されることになる。

ここで、請求項２のように、前記数学モデルは、特性定数として摩擦係数を含むことが好ましい。摩擦係数の変化は、操舵フィーリングの劣化に大きく影響を与えるからである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の制御装置１００（図２参照）の制御対象となる電動パワーステアリング装置１を備えた車両の機械構成モデルを示す図である。

図１において、ステアリング３に接続されたステアリング入力軸５は、トルクセンサ４を介してＥＰＳ機構１１が設けられたピニオン軸９に連結されている。このピニオン軸９は、ラックアンドピニオン式のギア装置を介してラック軸７に連結されている。このピニオン軸９と前述のステアリング入力軸５とによってステアリング軸が構成されている。

トルクセンサ４は、トーションバーを備え、このトーションバーによって入力側軸であるステアリング入力軸５と出力側軸であるピニオン軸９を連結した公知の構成であり、上記ステアリング軸に作用するトルク（以下、トルクセンサ値という）Ｔ_snを検出する。

なお、図示しないが、ラック軸７の両端には、左右操舵輪としての一対のタイヤがそれぞれ連結されている。従って、ピニオン軸９の回転運動が、ラック軸７の直線運動に変換されると、そのラック軸７の直線運動変位に応じた角度だけ、左右の操舵輪が転舵される。

ＥＰＳ機構１１は、ステアリング操舵力を補助するアシストトルクを発生する電動モータ２、および電動モータ２の回転を減速してピニオン軸９に伝達する減速機６を備える。このＥＰＳ機構１１は、制御装置１００からのトルク指令値（すなわちモータ電流値ｉ_a）に基づいて電動モータ２が駆動させられることによって、ステアリング３の操舵方向およびトルクセンサ４によって検出されたトルクセンサ値Ｔ_snに応じたアシストトルクをステアリング軸に付与する。

なお、図示していないが、電動パワーステアリング装置１が搭載される車両には種々のセンサが設けられている。たとえば、ステアリング３の操舵角度θ_sを検出するセンサ、電動モータ２の回転角θ_mを検出するセンサ、運転者がステアリング３を操舵するトルク（以下、操舵トルクという）Ｔ_sを検出するセンサなどが設けられている。さらに、ピニオン軸９の回転角θ_oを検出するセンサ、電動モータ２のトルクを検出するセンサ、減速機６によって増幅された電動モータ２のトルクを検出するセンサ、ピニオン軸９の周りのトルクを検出するセンサ、電動モータ２の電流値を検出するセンサなどが設けられていてもよい。

次に、上述した電動パワーステアリング装置１を制御する制御装置１００について説明する。図２は、本実施形態の制御装置１００の構成図である。この図２に示すように、制御装置１００は、コントローラ１１０と、パラメータ推定器１２０と、コントローラゲイン調整部１３０とを備えている。

コントローラ１１０は、ＥＰＳ機構１１の電動モータ２にトルク指令値を出力するものであり、ステアリング操舵角度θ_sとトルクセンサ値Ｔ_snとに基づいてトルク指令値を決定する。具体的には、ステアリング操舵角度θ_sを増幅器１１２によってゲインＫ１だけ増幅するとともに、そのステアリング操舵角度θ_sを微分器１１１によって微分したものを、増幅器１１３によってゲインＫ２だけ増幅する。

そして、それらを加算した値をＰＩＤ補償器１１４に入力する。この加算した値は目標トルクＴ_snrefであり、ＰＩＤ補償器１１４では、ＰＩＤ制御によって目標トルクＴ_snrefとトルクセンサ値Ｔ_snとの偏差をゼロにするための電動モータ２のトルク指令値を決定する。このトルク指令値に基づいたアシストトルクを電動モータ２が発生させることにより、ステアリング操舵力が補助されることになる。

このように、ステアリング操舵力を補助するアシストトルクは目標トルクＴ_snrefに基づいて定まり、その目標トルクＴ_snrefは増幅器１１２、１１３のゲインＫ１およびＫ２によって調整可能である。従って、増幅器１１２、１１３のゲインＫ１およびＫ２を調整することにより、操舵フィーリングを調整することができる。この増幅器１１２、１１３のゲインＫ１およびＫ２は、操舵フィーリングが最適となるように出荷時に調整されている。

しかしながら、長時間使用すると操舵フィーリングは劣化してしまう。そこで、制御装置１００は、操舵フィーリングを出荷時の状態に維持するために、パラメータ推定器１２０とコントローラゲイン調整部１３０とを備えており、増幅器１１３のゲインＫ２を調整する。なお、本実施形態では２つのゲインＫ１、Ｋ２のうちの一方（ゲインＫ２）のみを調整するが、両方を調整するように構成してもよい。

パラメータ推定器１２０は、請求項の特性推定部に相当するものであり、図１に示した機械構成モデルに基づいて導出した数式１乃至数式４の数学モデルを記憶している。この数式１乃至数式４を図３（ａ）に示し、数式１乃至数式４に含まれる特性定数の定義を図３（ｂ）に、数式１乃至数式４に含まれる操舵パラメータの定義を図３（ｃ）にそれぞれ示す。なお、操舵パラメータとは、ステアリング３の操舵時に変化するパラメータをいう。

数式１は、ステアリング周りの運動方程式であり、数式２はトルクセンサ４における関係式であり、数式３は機構部（ＥＰＳ機構１１を含み、トルクセンサ４からピニオン軸９までの動力伝達機構）の運動方程式であり、数式４はピニオン軸9の回転角θ₀と電動モータ２の回転角θ_ｍの関係式である。これら数式１乃至数式４における特性定数の値は予め実験に基づいて決定されている。

このパラメータ推定器１２０には、モータ電流値ｉ_a、電動モータ２の回転角θ_m、操舵トルクＴ_s、トルクセンサ値Ｔ_sn、ステアリング３の操舵角度θ_sの５つの操舵パラメータが逐次入力される。ここで、上記数式４に示すように、ピニオン軸９の回転角θ_oは電動モータ２の回転角θ_mと減速比ｎとから算出可能である。従って、パラメータ推定器１２０は、オンライン同定法である逐次最小二乗法を用いて、上記５つの操舵パラメータから数式１乃至数式４の特性定数を逐次推定することができる。なお、この推定においては、５つの操舵パラメータの過去の履歴データも用いる。また、逐次最小二乗法に代えて、カルマンフィルタを用いてもよいし、その他の公知のオンライン同定法を用いてもよい。

ここで、数式１乃至数式４の特性定数を推定するには、ステアリング３を操舵する必要がある。従って、数式１乃至数式４の特性定数を推定するためには、次の（１）〜（３）に例示するようなステアリング３の操舵が必要となる。

（１）車両の定期検査等の際に、整備士がステアリングを操舵するあるいは電動モータ用いて自動的にステアリングを操舵する、（２）停車中にドライバ自身がステアリングを操舵するあるいは電動モータを用いて自動的にステアリングを操舵する、（３）走行中にドライバが操舵する。

本実施形態の制御装置１００のパラメータ推定器１２０は、（３）の一態様である、ステアリング３が一定の操舵速度で一定時間操舵された状態を推定実行状態に設定している。そして、推定実行状態となった場合に特性定数の推定を行う。上記状態を推定実行状態に設定した理由は、ステアリング３を一定の操舵速度で操舵する行為は走行中に頻繁に行われ、且つ、自動的に判断することが容易だからである。

コントローラゲイン調整部１３０は、特性定数の変化と、操舵フィーリングを初期状態に戻すためのゲインＫ２との間の関係を、たとえばマップの形態で記憶している。なお、この関係は、予め実験に基づいて設定したものである。このコントローラゲイン調整部１３０には、パラメータ推定器１２０によって逐次推定された特性定数が入力されるようになっており、コントローラゲイン調整部１３０は、その入力された特性定数と予め記憶している上記関係とに基づいて、増幅器１１３のゲインＫ２を更新する。

コントローラゲイン調整部１３０によって増幅器１１３のゲインＫ２が更新されると、コントローラ１１０では、その更新されたゲインＫ２に基づいて目標トルクＴ_snrefが決定され、さらに、その目標トルクＴ_snrefに基づいてトルク指令値が決定されることになる。従って、コントローラゲイン調整部１３０およびコントローラ１１０が請求項の指令値決定部に相当する。

図４は、パラメータ推定器１２０およびコントローラゲイン調整部１３０における処理を示すフローチャートである。なお、図４において、ステップＳ１０、Ｓ２０はパラメータ推定器１２０の処理であり、ステップＳ３０、Ｓ４０はコントローラゲイン調整部１３０の処理である。

ステップＳ１０では、推定実行状態か否か、すなわち、ステアリング３が一定の操舵速度で一定時間操舵されたか否かを判定する。この判定が否定判定である場合には、ステップＳ１０を繰り返すことになる。一方、肯定判定の場合には、ステップＳ２０へ進む。

ステップＳ２０では、電動パワーステアリング装置１から逐次供給される前述の５つの操舵パラメータと、予め記憶している数式１乃至数式４から、逐次最小二乗法を用いて数式１乃至数式４の特性定数を推定する。

そして、ステップＳ３０では、数式１乃至数式４の特性定数のうち、操舵フィーリングに対する影響が大きいものとして予め定められた特性定数の変化率（ここでは、ステアリング３の粘性摩擦係数Ｃ_s）を判定する。

変化率が所定の基準値よりも小さい場合にはステップＳ１０へ戻る。一方、変化率が所定の基準値よりも大きい場合にはステップＳ４０へ進む。ステップＳ４０では、ステップＳ２０で推定した特性定数と予め記憶してある関係とに基づいてゲインＫ２を更新する。

以上、説明した本実施形態の制御装置１００は、電動パワーステアリング装置１の一部分をモデル化したものであって、電動パワーステアリング装置１の物理的特性を示す特性定数を含んでいる数学モデル（数式１乃至数式４）を記憶している。そして、数学モデルの操舵パラメータをセンサから取得し、取得した値と数学モデルとから、逐次最小二乗法によって特性定数を逐次推定している。また、特性定数の変化と操舵フィーリングを初期状態に戻すためのゲインＫ２との間の関係を記憶しており、推定した特性定数の変化と上記関係とに基づいてゲインＫ２を決定して、その決定したゲインＫ２に基づいて電動モータ２へのトルク指令値を決定している。従って、電動パワーステアリング装置１を長期間使用しても、出荷状態の良好な操舵フィーリングが自動調整によって維持されることになる。

次に、本発明の制御装置の有効性を検証するためにコンピュータ上で行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションは、実車ベンチ試験装置を用いて前述の数式１乃至数式４の特性定数を決定するとともに、初期状態において、操舵フィーリングが最適になるようにゲインＫ１、Ｋ２を設定している。この初期状態において、正弦波状にステアリング３を操舵した場合のステアリング３の操舵角度θ_sと操舵トルクＴ_sとを二次元プロットすることによって得られるリサージュ波形を図５に示す。

リサージュ波形は、操舵フィーリングを定量的に評価する方法として知られており、図５のリサージュ波形のように、位相の反転、振動現象が見られない波形である場合、良好な操舵フィーリングであると評価できる。

次に、ステアリング３を一定の操舵速度で操舵した後、一定の操舵角度で保舵した状態をシミュレーションし、数学モデルの特性定数を前述の逐次最小二乗法を用いる手法によって推定した。このときの真値（実車ベンチ試験装置による実験値）と推定値とを図６に示す。図６に示すように、一定の操舵速度で操舵されている区間においては、全ての特性定数が良好に推定できている。

次に、ステアリングの粘性摩擦係数Ｃ_sが経年変化したと仮定し、ステアリングの粘性摩擦係数を１０倍に変化させてみる。この場合において、初期状態のシミュレーションと同様にリサージュ波形を求めると、リサージュ波形は図７に示す波形となる。この図７に示すリサージュ波形は、図４のリサージュ波形と比べて丸みを帯びている。これは操舵フィーリングが劣化したことを示している。

続いて、このステアリングの粘性摩擦係数Ｃ_sを変化させた状態においても、数学モデルの特性定数を前述の逐次最小二乗法を用いる手法によって推定した。その結果を図８に示す。図８に示すように、ステアリングの粘性摩擦係数Ｃ_sは図６の場合の１０倍の値が推定されている。

このことから、ステアリングの粘性摩擦係数Ｃ_sの変化は操舵フィーリングに影響しているといえる。そこで、このステアリングの粘性摩擦係数Ｃ_sの変化に応じてゲインＫ２を調整した。その後、前述の場合と同様にしてリサージュ波形を求めたところ、図９のリサージュ波形が得られた。

図９のリサージュ波形は図６のリサージュ波形とほぼ同じ波形である。このことは、ステアリングの粘性摩擦係数Ｃ_sの変化に基づいてゲインＫ２を調整することで、操舵フィーリングを出荷状態に戻せることを意味する。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

たとえば、前述の実施形態では、数学モデルとして数式１乃至数式４を記憶しており、それら４つの数式に基づいて特性定数を推定していたが、数式１のみを用いて、その数式１に含まれる特性定数の変化に基づいてコントローラ１１０のゲインを調整してもよい。

本発明の制御装置１００の制御対象となる電動パワーステアリング装置１を備えた車両の機械構成モデルを示す図である。 本実施形態の制御装置１００の構成図である。 （ａ）は、図１に示した機械構成モデルに基づいて導出した数学モデル、（ｂ）は、数式１乃至数式４に含まれる特性定数の定義、（ｃ）は、数式１乃至数式４に含まれる操舵パラメータの定義を示す。 パラメータ推定器１２０およびコントローラゲイン調整部１３０における処理を示すフローチャートである。 初期状態において、正弦波状にステアリング３を操舵した場合のリサージュ波形を示す図である。 初期状態において、数学モデルの特性定数を推定した結果を示す図である。 経年変化によってステアリング３の粘性摩擦係数Ｃ_sが変化した場合のリサージュ波形を示す図である。 経年変化によってステアリング３の粘性摩擦係数Ｃ_sが変化した場合において、数学モデルの特性定数を推定した結果を示す図である。 ステアリングの粘性摩擦係数Ｃ_sの変化に応じてゲインＫ２を調整した後のリサージュ波形を示す図である。

符号の説明

１：電動パワーステアリング装置、 ２：電動モータ、 ３：ステアリング、 ４：トルクセンサ、 ５：ステアリング入力軸、 ６：減速機、 ７：ラック軸、 ９：ピニオン軸、 １１：ＥＰＳ機構、 １００：制御装置、 １１０：コントローラ、 １１１：微分器、 １１２：増幅器、 １１３：増幅器、 １１４：ＰＩＤ補償器、 １２０：パラメータ推定器、 １３０：コントローラゲイン調整部

Claims (2)

1. トルクセンサと電動モータとを備え、前記電動モータによって、ステアリング操舵力を補助するアシストトルクを発生させる電動パワーステアリング装置を制御するために、
   前記トルクセンサの検出値に基づいて定まるトルク指令値を前記電動モータへ出力する電動パワーステアリング装置の制御装置であって、
   前記電動パワーステアリング装置の少なくとも一部を、その電動パワーステアリング装置の物理的特性を示す特性定数と、運転操作に基づいて変化する操舵パラメータとを含む式によって表した数学モデルを記憶しており、その数学モデルと前記操舵パラメータを検出するセンサからの検出値とから、オンライン同定法によってその数学モデルの特性定数を逐次推定する特性推定部と、
   前記特性定数の変化と操舵フィーリングを初期状態に戻すためのゲインとの間の関係を記憶しており、前記特性推定部によって推定された特性定数の初期値に対する変化と、前記関係とに基づいてゲインを決定して、その決定したゲインに基づいて前記トルク指令値を決定する指令値決定部と
   を含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
2. 前記数学モデルは、特性定数として摩擦係数を含むことを特徴とする請求項１の電動パワーステアリング装置の制御装置。

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