JP2020093768A - 電動式操舵システムの操舵制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】仮想の操舵系モデルによって操舵系システムの特性を多様に変更して操舵性能を予測することができる電動式操舵システムの操舵制御方法及び装置を提供する。【解決手段】操舵ホイール１と反力機構３とラックギア５を含む仮想の操舵系モデルＶＭを設定し、仮想の操舵系モデルＶＭに対して操舵ホイール１と反力機構３とラックギア５の運動量を状態変数として有する状態方程式を誘導し、状態方程式の数値積分によって、反力機構３に作用する目標操舵トルクを算出し、操舵トルクを目標操舵トルクと一致させるように操舵モータの制御量をフィードバック制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、仮想の操舵系モデルを用いて操舵系システムの特性を多様に変更することにより、操舵性能の予測が可能であって制御技術の開発効率性を向上させる電動式操舵システムの操舵制御方法及び装置に関する。

既存の開ループに基づくＭＤＰＳ制御はハードウェア散布によって性能が変わることがあり、所望の目標操舵性能を確保するために多くの繰り返しチューニングが必要であるという欠点がある。

しかし、このような開ループに基づく制御は閉ループに基づくフィードバック制御によって克服することができる。

すなわち、フィードバック制御は、ルックアップテーブル（Ｌｏｏｋ−ｕｐ Ｔａｂｌｅ）方式で制御対象である目標操舵トルクを生成してフィードバック制御することにより、開ループ方式に比べて制御の強健性とチューニング効率性が向上する利点がある。

しかし、このようなフィードバック制御の場合、フィードバック制御器の設計初期段階で制御ロジッグの性能を予測しにくい問題があるため、開発効率性を改善することができる方案が要求されている。

前記背景技術として説明した事項は本発明の背景に対する理解の増進のためのものであるだけ、当該技術分野で通常の知識を有する者に既に知られた従来技術に相当するものとして受け入れればいけないであろう。

韓国特許公開第１０−２０１７−００１９６６９Ａ号公報

本発明は、前述したような問題点を解決するために案出したもので、その目的は、仮想の操舵系モデルを適用することによって操舵系システムの特性を多様に変更することができるようにすることで、操舵性能の予測が可能であって制御技術の開発効率性を向上させる電動式操舵システムの操舵制御方法及び装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の電動式操舵システムの操舵制御方法は、コントローラーが、操舵ホイールとラックギアとの間に反力機構を備えた仮想の操舵系モデルを設定する段階と、コントローラーが、前記仮想の操舵系モデルに対し、操舵ホイールと反力機構とラックギアの運動量を状態変数として有する状態方程式を誘導する段階と、コントローラーが、前記状態方程式の数値積分によって前記反力機構に作用する目標操舵トルクを算出する段階と、コントローラーが、操舵トルクを前記目標操舵トルクと一致させるように操舵モータの制御量をフィードバック制御する段階とを含むことを特徴とする。

前記仮想の操舵系モデルは、操舵角速度とラックフォースが入力変数として適用され、操舵ホイールの慣性と、反力機構として使われるトーションバーの剛性と、トーションバーダンパーと、カラムフリクションと、ピニオンの半径と、ラックギアの重量がシステム特性パラメーターとして適用され、前記入力変数とシステム特性パラメーターの関係によって決定される目標操舵トルクが出力変数として適用されることができる。

前記仮想の操舵系モデルに対してボンドグラフ（Ｂｏｎｄ Ｇｒａｐｈ）を用いて状態方程式を誘導することができる。

前記状態方程式は、トーションバーのねじれ変位、ラックギアのモメンタム、操舵ホイールのモメンタム及びラックギアの移送変位を状態変数として設定して誘導することができる。

前記目標操舵トルクは、下記の式によって算出されることができる。

前記目標操舵トルクにアシストゲインを掛けて、前記アシストゲインによって目標操舵トルクを変更することができる。

ここで、０＜アシストゲイン（Ｋａ）≦１である。

前記システム特性パラメーターの少なくとも一つ以上を変更して目標操舵トルクを変更することができる。

本発明の電動式操舵システムの操舵制御装置は、操舵ホイールとラックギアとの間に反力機構を備えた仮想の操舵系モデルを設定する設定部と、前記仮想の操舵系モデルに対して操舵ホイールと反力機構とラックギアの運動量を状態変数として有する状態方程式を誘導し、前記状態方程式の数値積分によって前記反力機構に作用する目標操舵トルクを算出する算出部と、操舵トルクを前記目標操舵トルクと一致させるように操舵モータの制御量をフィードバック制御するフィードバック制御器とを含むことを特徴とする。

前記のような課題解決手段によって、本発明は、仮想の操舵系モデルに基づいて目標操舵トルクを算出することで、操舵性能の予測が可能であり、操舵制御技術の開発効率性が向上し、さらに操舵系システムの特性を自由に変更することができて多様な形態の操舵感を生成してチューニング効率性を向上させる効果がある。

さらに、操舵ホイールとステアリングギアボックスの間に機構的な連結構造が断絶されたＳＢＷシステムに適用するとき、まるで機構的な操舵システムが装着されているもののような操舵反力及び操舵感を生成する効果もある。

本発明による操舵制御装置の構成を例示する図である。 本発明による操舵制御過程の流れを示す図である。 本発明においてアシストゲインによって目標操舵トルクが変化する実験結果を示す図である。 本発明においてトーションバーの剛性によって目標操舵トルクが変化する実験結果を示す図である。 本発明においてラックフォース情報に含まれた周波数信号による大きさ及び位相を示す図である。 本発明においてラックギアの重量によってノイズが減少する実験結果を示す図である。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。

本発明に適用可能な電動式操舵システムは電動式モータを用いて操舵力を生成するか操舵力を補助する操舵システムで、ＭＤＰＳ（Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）システム又はＳＢＷ（Ｓｔｅｅｒ−ｂｙ−ｗｉｒｅ）システムであり得る。

一方、本発明は前述した操舵システムに適用して目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を多様に変更することができる操舵制御方法であって、仮想の操舵系モデルを生成する段階と、仮想の操舵系モデルに対する状態方程式を誘導する段階と、状態方程式を用いて目標操舵トルクを生成する段階と、目標操舵トルクを追従するようにフィードバック制御する段階とを含んでなる。

図１及び図２に基づいて本発明を具体的に説明すれば、まず仮想操舵系モデル設定段階では、コントローラーＣＬＲが、操舵ホイール１とラックギア５との間に反力機構を備えた仮想の操舵系モデルＶＭを設定する。ここで、前記反力機構はトーションバー３であり得る。すなわち、前記操舵ホイール１とラックギア５の間にトーションバー３が連結された仮想の操舵系モデルＶＭを設定することができる。

そして、状態方程式誘導段階では、コントローラーＣＬＲが、前記仮想の操舵系モデルＶＭに対して操舵ホイール１と反力機構とラックギア５の運動量を状態変数として有する状態方程式を誘導する。

次いで、目標操舵トルク算出段階では、コントローラーＣＬＲが、前記状態方程式の数値積分によって前記反力機構に作用する目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を算出する。

そして、フィードバック制御段階では、コントローラーＣＬＲが、操舵トルクを前記目標操舵トルク（_{Ｔｑ＿ｒｅｆ}）と一致させるように操舵モータの制御量をフィードバック制御する。

すなわち、前述した構成によれば、仮想の操舵系モデルＶＭに基づいて目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を算出することで、操舵性能の予測が可能であり、操舵制御技術の開発効率性を高めることになり、さらに操舵系システムの特性を自由に変更することができて多様な形態の操舵感を生成してチューニング効率性を向上させるようになる。

また、操舵ホイール１とステアリングギアボックスの間に機構的な連結構造が断絶されたＳＢＷシステムに適用するとき、まるで機構的な操舵システムが装着されているもののような操舵反力及び操舵感を生成することができるようになる。

また、図１に基づき、本発明による仮想の操舵系モデルＶＭを説明すれば、前記仮想の操舵系モデルＶＭは、操舵角速度（ω_ｓｗ）とラックフォース（Ｆ_ｒａｃｋ）を入力変数として適用し、操舵ホイール１の慣性と、反力機構として使われるトーションバーの剛性（Ｋｔ）と、トーションバーダンパー（Ｂ_ｔ）と、カラムフリクション（Ｔ_{ｆｒｉｃ＿ｃ}）と、ピニオンの半径（Ｒ_ｐ）と、ラックギアの重量（Ｍ_ｒ）とをシステム特性パラメーターとして適用し、前記入力変数とシステム特性パラメーターの関係によって決定される目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を出力変数として適用することができる。

すなわち、２個の入力変数と、６個のパラメーター及び１個の出力変数で仮想の操舵系モデルＶＭを設定することができる。

一方、前記仮想の操舵系モデルＶＭに対し、ボンドグラフ（Ｂｏｎｄ Ｇｒａｐｈ）を用いて状態方程式を誘導することができる。前記ボンドグラフを例示すれば下記のように表現することができる。

そして、前記のボンドグラフを用いて状態方程式を誘導する。前記状態方程式はトーションバーのねじれ変位（ｑ_５）、ラックギアのモメンタム（Ｐ_１０）、操舵ホイールのモメンタム（Ｐ_２）及びラックギアの移送変位（ｑ_１３）を状態変数として設定して誘導することができる。これを例示すれば下記のように算出することができる。

また、前述したように、本発明は、前記状態方程式の数値積分によってトーションバー３に作用する目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を算出するようになる。前記目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）は下記の式１によって算出することができる。

一方、本発明は前記式によって算出される目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）にアシストゲイン（Ｋ_ａ）を掛けて、前記アシストゲイン（Ｋ_ａ）によって目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を変更することができるように構成することができる。これは、下記の式２のようにまとめることができる。

ここで、０＜アシストゲイン（Ｋ_ａ）≦１である。

すなわち、前記式１によって算出される目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）の値が過度に高く算出される場合、前記アシストゲイン（Ｋ_ａ）を適用して目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を減少させることができる。

ただ、図３のように前記アシストゲイン（Ｋ_ａ）を適用するとき、アシストゲイン（Ｋ_ａ）の大きさによって目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）が比例して算出されることができる。前記アシストゲイン（Ｋ_ａ）の増大時、目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）が上昇する。

また、本発明においては、前記システム特性パラメーターの少なくとも一つ以上を変更して目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を変更することができるように構成することができる。

すなわち、図４はトーションバーの剛性（Ｋ_ｔ）によって目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）が変化する実験結果を示した図であり、トーションバーの剛性（Ｋ_ｔ）の増大時、目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）が上昇する。

また、図５はラックフォース（Ｆ_ｒａｃｋ）情報に含まれた周波数信号（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に対する大きさ（Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）及び位相（Ｐｈａｓｅ）を示した図であり、ラックフォース（Ｆ_ｒａｃｋ）情報に含まれた高周波数信号を抑制することができることを確認することができる。

すなわち、目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）によって周波数領域に対する設計が可能であり、外部ノイズを抑制することができる。

例えば、ラックギア５の重量を増大させる場合、慣性が増大し、エネルギー吸収（フィルター効果）によってノイズが減少することができる。これは、図６でラックギアの重量（Ｍ_ｒ）によってノイズが減少する実験結果から確認することができる。

このように、本発明は、トーションバーの剛性（Ｋ_ｔ）及びラックギアの重量（Ｍ_ｒ）などのシステムパラメーター特性を変更して多様な形態の操舵感を生成し、よって操舵性能の予測によって制御技術の開発効率性及びチューニング効率性を向上させるようになる。

一方、本発明による電動式操舵システムの操舵制御装置は、大別して設定部１０と、算出部２０と、フィードバック制御器３０とを含んでなることができる。

図１を参照すると、まず設定部１０には、操舵ホイール１とラックギア５との間に反力機構を備えた仮想の操舵系モデルＶＭを設定して記憶する。

そして、算出部２０では、前記仮想の操舵系モデルＶＭに対し、操舵ホイール１と反力機構とラックギア５の運動量を状態変数として有する状態方程式を誘導し、前記状態方程式の数値積分によって前記反力機構に作用する目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を算出する。

また、フィードバック制御器３０では、操舵トルクを前記目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）と一致させるように操舵モータの制御量をフィードバック制御する。

一方、図２は図１の操舵制御装置を用いた操舵制御の流れを示す図である。同図を参照して説明すれば、まず操舵ホイール１とラックギア５とトーションバー３から構成された仮想の操舵系モデルＶＭを設定する（Ｓ１０）。

次いで、前記仮想の操舵系モデルＶＭに対するボンドグラフ（Ｂｏｎｄ Ｇｒａｐｈ）を生成し（Ｓ２０）、前記ボンドグラフを用いて状態方程式を誘導する（Ｓ３０）。前記状態方程式は、トーションバーのねじれ変位（ｑ_５）、ラックギアのモメンタム（Ｐ_１０）、操舵ホイールのモメンタム（Ｐ_２）及びラックギアの移送変位（ｑ_１３）を状態変数として設定して誘導することになる。

そして、前記状態方程式の数値積分によって前記トーションバー３に作用する目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を算出する（Ｓ４０）。

その後、トルクセンサーで測定される操舵トルクを前記目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）と一致させるように操舵モータの制御量をフィードバック制御する（Ｓ５０）。

上述したように、本発明は、仮想の操舵系モデルＶＭに基づいて目標操舵トルク（Ｔ_{ｑ＿ｒｅｆ}）を算出することで、操舵性能の予測が可能であり、操舵制御技術の開発効率性を向上させることができ、さらに操舵系システムの特性を自由に変更することができて多様な形態の操舵感を生成してチューニング効率性を向上させる。

また、操舵ホイール１とステアリングギアボックスの間に機構的な連結構造が断絶されたＳＢＷシステムに適用するとき、まるで機構的な操舵システムが装着されているもののような操舵反力及び操舵感を生成することができる。

一方、本発明は前述した具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明の技術思想範囲内で多様な変形及び修正が可能であるのは当業者に明らかなものであり、このような変形及び修正が添付の特許請求範囲に属するというのは言うまでもない。

１ 操舵ホイール
３ トーションバー
５ ラックギア
１０ 設定部
２０ 算出部
３０ フィードバック制御器
ＣＬＲ コントローラー
ＶＭ 仮想の操舵系モデル

Claims (8)

1. コントローラーが、操舵ホイールとラックギアとの間に反力機構を備えた仮想の操舵系モデルを設定する段階と、
   コントローラーが、前記仮想の操舵系モデルに対し、操舵ホイールと反力機構とラックギアの運動量を状態変数として有する状態方程式を誘導する段階と、
   コントローラーが、前記状態方程式の数値積分によって前記反力機構に作用する目標操舵トルクを算出する段階と、
   コントローラーが、操舵トルクを前記目標操舵トルクと一致させるように操舵モータの制御量をフィードバック制御する段階と、を含む、電動式操舵システムの操舵制御方法。
2. 前記仮想の操舵系モデルは、
   操舵角速度とラックフォースが入力変数として適用され、
   操舵ホイールの慣性と、反力機構として使われるトーションバーの剛性と、トーションバーダンパーと、カラムフリクションと、ピニオンの半径と、ラックギアの重量がシステム特性パラメーターとして適用され、
   前記入力変数とシステム特性パラメーターとの関係によって決定される目標操舵トルクが出力変数として適用されることを特徴とする、請求項１に記載の電動式操舵システムの操舵制御方法。
3. 前記仮想の操舵系モデルに対してボンドグラフ（Ｂｏｎｄ Ｇｒａｐｈ）を用いて状態方程式を誘導することを特徴とする、請求項２に記載の電動式操舵システムの操舵制御方法。
4. 前記状態方程式は、トーションバーのねじれ変位、ラックギアのモメンタム、操舵ホイールのモメンタム及びラックギアの移送変位を状態変数として設定して誘導することを特徴とする、請求項２に記載の電動式操舵システムの操舵制御方法。
5. 前記目標操舵トルクは、下記の式によって算出されることを特徴とする、請求項２に記載の電動式操舵システムの操舵制御方法。
   
6. 前記目標操舵トルクにアシストゲインを掛けて、前記アシストゲインによって目標操舵トルクを変更することができることを特徴とする、請求項２に記載の電動式操舵システムの操舵制御方法。
   ここで、０＜アシストゲイン（Ｋａ）≦１である。
7. 前記システム特性パラメーターの少なくとも一つ以上を変更して目標操舵トルクを変更することができることを特徴とする、請求項２に記載の電動式操舵システムの操舵制御方法。
8. 操舵ホイールとラックギアとの間に反力機構を備えた仮想の操舵系モデルを設定する設定部と、
   前記仮想の操舵系モデルに対して操舵ホイールと反力機構とラックギアの運動量を状態変数として有する状態方程式を誘導し、前記状態方程式の数値積分によって前記反力機構に作用する目標操舵トルクを算出する算出部と、
   操舵トルクを前記目標操舵トルクと一致させるように操舵モータの制御量をフィードバック制御するフィードバック制御器と、を含む、電動式操舵システムの操舵制御装置。