JP2020055358A - ステアリング制御装置およびパワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】数学モデルを用いず、より簡易な構成で外乱抑制を行う。【解決手段】ステアリング制御装置の一態様は、ステアリング機構を駆動するモータの駆動をハンドルの操作量に従って制御するステアリング制御装置において、上記ハンドルの操作量に応じたモータトルクを上記モータに指示する第１トルク指令部と、上記ハンドルの操作量に応じたモータトルクを上記第１トルク指令部と並列に上記モータに指示する第２トルク指令部と、を備え、上記第２トルク指令部は、上記ハンドルの操作量に対し、上記ステアリング機構に付加される外乱に対応した周波数領域をフィルタで抑制する。【選択図】 図２

Description

本発明は、ステアリング制御装置およびパワーステアリング装置に関する。

従来、電動パワーステアリング装置のステアリング制御（アシスト制御）として、路面からの外乱の影響を低減する技術が知られている。
例えば、特許文献１には、外乱オブザーバを用いてステアリング系に印加された外乱を推定している構造が開示されている。

特開２０１７−１３２４６５号公報

しかし、特許文献１のようにステアリング系の動特性を数学モデルによって推定する場合、その数学モデルの精度が外乱の推定精度に影響してしまう。そのため、数学モデルを用いた外乱の推定では、外乱補償が複雑となる。
そこで、本発明は、数学モデルを用いず、より簡易な構成で外乱抑制を行うことを目的の一つとする。

本発明に係るステアリング制御装置の一態様は、ステアリング機構を駆動するモータの駆動をハンドルの操作量に従って制御するステアリング制御装置において、上記ハンドルの操作量に応じたモータトルクを上記モータに指示する第１トルク指令部と、上記ハンドルの操作量に応じたモータトルクを上記第１トルク指令部と並列に上記モータに指示する第２トルク指令部と、を備え、上記第２トルク指令部は、上記ハンドルの操作量に対し、上記ステアリング機構に付加される外乱に対応した周波数領域をフィルタで抑制する。

また、本発明に係るパワーステアリング装置の一態様は、上記ステアリング制御装置と、上記ステアリング制御装置によって制御されるモータと、上記モータによって駆動されるステアリング機構と、を備える。

本発明によれば、数学モデルを用いず、より簡易な構成で外乱抑制を行うことができる。

図１は、本発明のパワーステアリング装置の一実施形態を示す概略図である。 図２は、電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。 図３は、パワーアシストがほぼゼロの場合における電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。 図４は、第２の制御部におけるフィルタ構造を示す図である。 図５は、図４に示すフィルタ構造によって得られる周波数特性を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本開示のステアリング制御装置およびパワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
図１は、本発明のパワーステアリング装置の一実施形態を示す概略図である。

図１に示す通り、本実施形態では、コラムタイプの電動パワーステアリング装置が例示される。電動パワーステアリング装置９は、自動車の車輪の操舵機構に搭載される。電動パワーステアリング装置９は、モータ１０を内蔵したステアリング制御装置１の動力により操舵力を直接的に軽減するコラム式のパワーステアリング装置である。電動パワーステアリング装置９は、ステアリング制御装置１と、操舵軸９１４と、車軸９１３と、を備える。

操舵軸９１４は、ハンドル９１１からトーションバー９１５を介して伝達される入力トルクを、車輪９１２を有する車軸９１３に伝える。ハンドル９１１が操作されると操舵角θｈが生じ、トーションバー９１５が捻られてステアリングトルクが生じる。ステアリングトルクはトーションバー９１５から、車輪９１２と車軸９１３と操舵軸９１４を含んだステアリング機構に伝達される。つまり、ハンドル９１１は、トーションバーを介してステアリング機構にステアリングトルクを加える。

ステアリング制御装置１の動力は、ギヤなどを介して操舵軸９１４に伝えられる。コラム式の電動パワーステアリング装置９に採用されるモータ１０は、エンジンルーム（図示せず）の内部に設けられる。なお、図１に示す電動パワーステアリング装置９は、一例としてコラム式であるが、本発明のパワーステアリング装置はラック式であってもよい。ステアリング制御装置１は、ステアリング機構を駆動するモータ１０の回転角をハンドル９１１の操作量に従って制御する。

トーションバー９１５から操舵軸９１４へと伝達されるトルクはトルクセンサ９１７によって検出される。トルクセンサ９１７による検出値はステアリング制御装置１に入力され、ステアリング制御装置１の目標出力の算出に用いられる。

モータ１０の回転軸（出力軸）と操舵軸９１４とは減速ギヤなどを介して相互に結合されている。このため、操舵軸９１４を回転させるトルクがモータ１０によるトルクであるか他のトルクであるかに関わらず、モータ１０と操舵軸９１４とは常に一緒に回転する。従って、モータ１０の回転数からギヤ比などに基づいてステアリング角θｓが算出される。このように算出されるステアリング角θｓもステアリング制御装置１における目標出力の算出に用いられる。

ハンドル９１１からトーションバー９１５を経て伝達されるステアリングトルクと、ステアリング制御装置１の動力によるアシストトルクとが操舵軸９１４に加えられる一方で、セルフアライメントトルクなどが車輪９１２から車軸９１３を経て操舵軸９１４に至り、操舵軸９１４の回転角であるステアリング角θｓが生じる。
図２は、電動パワーステアリング装置９の構成を示すブロック図である。
図２において、θｈは操舵角、θｓはステアリング角、Ｋ_ｔｏｒはトーションバー９１５の捻り係数、Ｐはステアリング機構のプラント要素を表している。

ハンドル９１１の操舵角θｈとステアリング角θｓとの差によってトーションバー９１５が捻られてトルクが生じる。トーションバー９１５に生じたステアリングトルクＴ_ｔｏｒはトルクセンサ９１７によって検出されてステアリング制御装置１に入力される。

ステアリング制御装置１は、第１の制御部１１と第２の制御部１２とトルク相殺部１３と車速フェード部１４とを備える。これらの要素のうち、第１の制御部１１と第２の制御部１２とトルク相殺部１３は、モータ１０に入力される制御信号の算出と、その制御信号に応じたモータ１０の出力とを併せた機能を表す。

第１の制御部１１と第２の制御部１２は、ハンドル９１１の操作量に応じたモータトルクをモータ１０に指示する。また、第２の制御部１２は、第１の制御部１１と並列にモータトルクをモータ１０に指示する。

第１の制御部１１は、トルクセンサ９１７によるステアリングトルクＴ_ｔｏｒの検出値に基づいたフィードバック制御を行う。即ち、トルクの検出値に基づいたアシストトルクをモータ１０で発生させることにより、ステアリングトルクＴ_ｔｏｒを減少させる。この結果、ハンドル９１１を操作するための操作力が減少する。

なお、アシストトルクを発生させるためのフィードバック制御としては、上述したようにトルクを減少させるフィードバック制御（トルク制御）以外に、操舵角θｈとステアリング角θｓとの差を減少させるフィードバック制御（舵角制御）が用いられてもよい。この舵角制御が用いられる場合には、ハンドル９１１の操舵角θｈを検出する角度センサが備えられ、角度センサの検出値が第１の制御部１１に入力される。第１の制御部１１は、ハンドルの回転角（操舵角θｈ）を指令値としてモータ１０のトルクを制御する。

第２の制御部１２は、外乱ｄの影響を抑制するトルク成分をモータ１０に発生させる。後で詳述するように、第２の制御部１２は、ハンドル９１１の操作量に対し、ステアリング機構に付加される外乱ｄに対応した周波数領域をフィルタで抑制する。第２の制御部１２を備えたステアリング制御装置１によれば、数学モデルを用いない簡易な構成のフィルタによって外乱が抑制される。この結果、電動パワーステアリング装置９では滑らかなパワーアシストが実現される。

トルク相殺部１３は、ステアリングトルクＴ_ｔｏｒを相殺するモータトルクを、第１の制御部１１および第２の制御部１２と並列にモータ１０に指示する。このようなトルク相殺部１３によってステアリングトルクＴ_ｔｏｒが相殺されるので、第２の制御部１２による外乱抑制の作用が鮮鋭化する。

車速フェード部１４は、車速ＶＳに応じたゲインを算出し、第２の制御部１２およびトルク相殺部１３に入力されるステアリングトルクＴ_ｔｏｒに対してゲインを掛ける。車速フェード部１４で算出されるゲインは、車速ＶＳが低い程小さく、車速ＶＳがゼロに近づくにつれてゲインもゼロに近づく。この結果、第２の制御部１２およびトルク相殺部１３がモータに指示するモータトルクは、車速低下に伴って減少し、車速ＶＳがゼロに近づくにつれてフェードアウトする。この結果、低速時や停車時には外乱抑制の働きを下げることができる。なお、車速フェード部１４は、図２に示す例では、第２の制御部１２およびトルク相殺部１３への入力値を車速ＶＳに対して適応制御させるが、車速フェード部１４は、例えばＭＡＰデータを用いて入力値を減少させてもよい。また、車速フェード部１４は、図２に示す例では、第２の制御部１２およびトルク相殺部１３への入力値を減少させるが、車速フェード部１４は、モータ１０に対する指示値を適応制御やＭＡＰデータによって減少させてもよい。
以下、第２の制御部１２について詳細に説明する。
図３は、パワーアシストがほぼゼロの場合における電動パワーステアリング装置９の構成を示すブロック図である。

第２の制御部１２によって抑制される外乱ｄの影響は、第１の制御部１１によるパワーアシストがほぼゼロとなる範囲で最も大きくなる。トルク相殺部１３が備えられているので、パワーアシストがほぼゼロの場合には、電動パワーステアリング装置９は、図３に示すように、第２の制御部１２のみを制御器としたフィードバック系と考えることができる。この結果、第２の制御部１２による外乱ｄの抑制作用も鮮鋭化する。

図３に示す構成において、ステアリング機構の入力に印加される外乱ｄからトーションバートルク（ステアリングトルク）までの伝達特性は、下記の式（１）で表される。

ここで、第２の制御部１２のゲインＣ_３（ｓ）がトーションバーの捻り係数とステアリング機構におけるプラント要素との積Ｋ_ｔｏｒＰ（ｓ）に較べて大きいと外乱ｄに対して低感度化が実現される。そして、第２の制御部１２のＣ_３（ｓ）にはフィルタによって周波数特性が与えられ、抑制したい外乱ｄの周波数範囲が指定される。
図４は、第２の制御部１２におけるフィルタ構造を示す図である。

第２の制御部１２は、一例として、入力信号に対して並列に作用する帯域制限フィルタ１２１とハイパスフィルタ１２２を備える。換言すると、第２の制御部１２は、フィルタとして、帯域制限フィルタとハイパスフィルタとが並列されたフィルタを用いる。

また第２の制御部１２は、各フィルタ１２１，１２２を経た信号それぞれにゲインを掛ける各増幅器１２３，１２４も備える。そして、各フィルタ１２１，１２２と各増幅器１２３，１２４とを並列に経た各信号が加算器１２５で加算されて出力信号となる。

第２の制御部１２では、並列の帯域制限フィルタ１２１とハイパスフィルタ１２２とが用いられるので、帯域制限フィルタ１２１とハイパスフィルタ１２２との組み合わせによって外乱抑制に適したフィルタ特性が得られる。
ここで、帯域制限フィルタ１２１のフィルタ特性としては、例えば下記式（２）の特性が好ましい。

但し、ω_ＳＵＳは、ステアリングリング機構におけるサスペンションの固有振動数である。
図５は、図４に示すフィルタ構造によって得られる周波数特性を示す図である。
図５には、上記式（１）で表された伝達特性のシミュレーション結果が示されている。

図５の上段には入力に対する出力のゲインが示され、下段には入力信号の位相と出力信号の位相との差分値が示される。各グラフの横軸は、入力信号の周波数を示す。

図５中に示された一点鎖線のラインＬ１，Ｌ４は、帯域制限フィルタ１２１による寄与のみが考慮されたシミュレーション結果を表す。また、図５中に示された点線のラインＬ２，Ｌ５は、ハイパスフィルタ１２２による寄与のみが考慮されたシミュレーション結果を表す。そして、図５中に示された実線のラインＬ３，Ｌ６は、帯域制限フィルタ１２１とハイパスフィルタ１２２との両方の寄与が考慮されたシミュレーション結果を表す。

帯域制限フィルタ１２１による緩やかなピークを有する周波数特性と、ハイパスフィルタ１２２による右肩上がりの周波数特性とが組み合わされることにより、１００Ｈｚ未満の周波数領域におけるゲインが抑制された周波数特性が得られることがわかる。このような周波数特性は、ステアリング機構に与えられる外乱ｄを効率よく抑制することができ、外乱ｄの影響が少ないパワーアシストが実現される。

なお、上記説明では、ステアリング制御装置１にモータ１０が内蔵された例が示されているが、本発明のステアリング制御装置は、モータを内蔵しない制御側のみの装置であってもよい。

上述した実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ：ステアリング制御装置
９ ：電動パワーステアリング装置
１０ ：モータ
１１ ：第１の制御部
１２ ：第２の制御部
１３ ：トルク相殺部
１４ ：車速フェード部
１２１ ：帯域制限フィルタ
１２２ ：ハイパスフィルタ
９１１ ：ハンドル
９１２ ：車輪
９１３ ：車軸
９１４ ：操舵軸
９１５ ：トーションバー
９１７ ：トルクセンサ

Claims (6)

1. ステアリング機構を駆動するモータの駆動をハンドルの操作量に従って制御するステアリング制御装置において、
   前記ハンドルの操作量に応じたモータトルクを前記モータに指示する第１トルク指令部と、
   前記ハンドルの操作量に応じたモータトルクを前記第１トルク指令部と並列に前記モータに指示する第２トルク指令部と、を備え、
   前記第２トルク指令部は、前記ハンドルの操作量に対し、前記ステアリング機構に付加される外乱に対応した周波数領域をフィルタで抑制するステアリング制御装置。
2. 前記第２トルク指令部は、前記フィルタとして、帯域制限フィルタとハイパスフィルタとが並列されたフィルタを用いる請求項１に記載のステアリング制御装置。
3. 前記ハンドルが、トーションバーを介して前記ステアリング機構にステアリングトルクを加え、
   前記ステアリングトルクを相殺するモータトルクを、前記第１トルク指令部および第２トルク指令部と並列に前記モータに指示する相殺指令部を更に備える請求項１または２に記載のステアリング制御装置。
4. 前記第２トルク指令部は、前記モータに指示するモータトルクを車速低下に伴って減少させる請求項１から３のいずれか１項に記載のステアリング制御装置。
5. 前記ハンドルが、トーションバーを介して前記ステアリング機構にステアリングトルクを加え、
   前記第２トルク指令部のゲインが、前記トーションバーの捻り係数と前記ステアリング機構におけるプラント要素との積に較べて大きい請求項１から４のいずれか１項に記載のステアリング制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のステアリング制御装置と、
   前記ステアリング制御装置によって駆動が制御されるモータと、
   前記モータによって駆動されるステアリング機構と、
   を備えるパワーステアリング装置。

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