JP4573038B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵補助力をモータによって付与する電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置においては、操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係をアシスト特性として記憶し、トルクセンサにより検出した操舵トルクに対応する基本アシストトルクに応じた操舵補助力が発生するように、操舵補助力発生用モータを制御することが行われている。そのモータの制御において、モータ駆動電流の目標値と電流センサによる検出値との偏差を低減する際に、モータ駆動電流の検出信号が通過するローパスフィルタのカットオフ周波数を戻し操舵状態では切り込み操舵状態におけるよりも大きくすることが行われている。これにより、戻し操舵時におけるステアリングホイールからの手放し等によりモータが逆起電力を発生する状態になっても、その逆起電力の高周波成分が制御に反映されるようにし、モータ駆動電流を目標値に安定して収束させることが図られている（特許文献１参照）。
特開平８−２０３５０号公報

しかし、戻し操舵時のステアリングホイールからの手放し等により操舵トルクが急激に減少すると、切り込み操舵方向に作用する操舵補助力が急激に減少する。そのため、ステアリングホイールの直進位置への戻りが急激になり、ステアリングホイールの収斂性が低下するという問題がある。本発明は、そのような問題を解決することのできる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、操舵補助力を発生するモータと、操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係を記憶する手段と、前記トルクセンサによる検出操舵トルクに対応する基本アシストトルクに応じた操舵補助力が発生するように、前記モータを制御する手段と、前記トルクセンサの出力信号の位相制御要素と、ステアリングホイールが直進操舵位置に向かい操舵される戻し操舵状態か、直進操舵位置から離れる方向に向かい操舵される切り込み操舵状態かを判断する操舵状態判断要素とを備え、前記トルクセンサの入力に対する出力の周波数応答特性において、戻し操舵状態では切り込み操舵状態に比べて高周波数帯域でゲインを小さくすることができるように、前記操舵状態判断要素による判断結果に応じて前記位相制御要素の位相制御特性が変更される点にある。
本発明によれば、トルクセンサの出力信号の位相を位相制御要素により変化させることで、トルクセンサの入力に対する出力の周波数応答特性において、戻し操舵状態においては切り込み操舵状態に比べて高周波数帯域でゲインが小さくなる。これにより、戻し操舵時に切り込み方向への操舵トルクが急激に減少しても、トルクセンサによる検出操舵トルクに対応する基本アシストトルクの急激な減少を抑制できる。よって、戻し操舵時に切り込み操舵方向に作用する操舵補助力が急激に変化することはなく、ステアリングホイールの収斂性を向上できる。

操舵トルクに対する基本アシストトルクの変化率であるアシスト勾配が検出操舵トルクの変化に応じて変化するように、操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係が設定され、検出操舵トルクに対応するアシスト勾配を求める手段が設けられ、前記トルクセンサの入力に対する出力の周波数応答特性において、少なくとも切り込み操舵状態では、アシスト勾配が増加すると増加前に比べて高周波数帯域でゲインを小さくすることができるように、アシスト勾配に応じて前記位相制御要素の位相制御特性が変更されるのが好ましい。
これにより、切り込み操舵状態においてアシスト勾配が増加すると、トルクセンサの入力に対する出力のオープンループ特性における位相余裕を増加させ、制御の安定性を向上することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、戻し操舵時におけるステアリングホイールの収斂性を向上し、切り込み操舵時においても制御の安定性を向上できる。

図１に示す第１実施形態の車両用電動パワーステアリング装置１は、操舵によるステアリングホイール２の回転を舵角が変化するように車輪３に伝達する機構を備える。本実施形態では、ステアリングホイール２の回転がステアリングシャフト４を介してピニオン５に伝達されることで、ピニオン５に噛み合うラック６が移動し、そのラック６の動きがタイロッド７やナックルアーム８を介して車輪３に伝達されることで舵角が変化する。

ステアリングホイール２の回転を車輪３に伝達する経路に作用する操舵補助力を発生するモータ１０が設けられている。本実施形態では、モータ１０の出力シャフトの回転を減速ギヤ機構１１を介してステアリングシャフト４に伝達することで操舵補助力を付与する。

モータ１０は駆動回路２１を介してコンピュータにより構成される制御装置２０に接続される。制御装置２０に、ステアリングホイール２の操舵トルクＴを検出するトルクセンサ２２、ステアリングホイール２の回転角度に対応する操舵角度θ_h を検出する舵角センサ２３、車速Ｖを検出する車速センサ２４、モータ１０の駆動電流ｉを検出する電流センサ２６が接続される。

図２は制御装置２０によるモータ１０の制御ブロック線図を示す。
トルクセンサ２２の出力信号はローパスフィルタ６１、位相制御要素６２を介して演算部４１に入力される。ローパスフィルタ６１によりトルクセンサ２２の出力信号から不要な高周波成分が除去される。位相制御要素６２によりトルクセンサ２２の出力信号の位相が制御される。操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉ_o との対応関係がアシスト特性として例えばテーブルや演算式により記憶され、求めた操舵トルクＴに対応する基本アシスト電流ｉ_o が演算部４１において演算される。操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉ_o との対応関係は、例えば図２の演算部４１に示すように、操舵トルクＴの大きさが大きくなる程に基本アシスト電流ｉ_o の大きさが大きくなるものとされる。操舵トルクＴと基本アシスト電流ｉ_o の正負の符号は、右操舵時と左操舵時とで逆とされる。

車速Ｖと車速ゲインＧ_v との対応関係が例えばテーブルや演算式により記憶され、求めた車速Ｖに対応する車速ゲインＧ_v が演算部４２において演算される。車速Ｖと車速ゲインＧ_v との対応関係は、例えば図２の演算部４２に示すように、車速Ｖが小さい時は大きい時よりも車速ゲインＧ_v が大きくなるものとされる。

基本アシスト電流ｉ_o と基本車速ゲインＧｖの積が基本アシストトルクＴ_o に対応する。例えば図３に示すように、車速Ｖが一定であれば、操舵トルクＴの大きさが大きくなる程に基本アシストトルクＴ_o の大きさが大きくなり、且つ、操舵トルクＴに対する基本アシストトルクＴ_o の変化率（ｄＴ_o ／ｄＴ）であるアシスト勾配が大きくなるものとされている。また、基本アシストトルクＴ_o は車速Ｖに応じて変化し、操舵トルクＴが一定であれば車速Ｖが減少する程に基本アシストトルクＴ_o が大きくなり、アシスト勾配が大きくなるものとされている。すなわち、アシスト勾配が検出操舵トルクＴの変化に応じて変化するように、操舵トルクＴと基本アシストトルクＴ_o との対応関係が設定され、その設定された対応関係が制御装置２０に記憶されている。

制御装置２０は、乗算部４４において基本アシスト電流ｉ_o に車速ゲインＧ_v を乗じることでモータ１０の目標駆動電流ｉ^* を求め、目標駆動電流ｉ^* と電流センサ２６により求めた駆動電流ｉとの偏差を低減するようにモータ１０をフィードバック制御する。すなわち、検出操舵トルクＴに対応する基本アシストトルクＴ_o に応じた操舵補助力が発生するようにモータ１０が制御される。

本実施形態の位相制御要素６２は位相遅れ補償器として機能し、ｓをラプラス演算子、ｔを時定数、ａ（＜１）を係数として、その伝達関数Ｇｓは次式の通りとされる。
Ｇｓ＝（１＋ａｔｓ）／（１＋ｔｓ）

位相制御要素６２は、スイッチ６３を介して第１係数設定要素６４ａと第２係数設定要素６４ｂとに選択的に接続される。スイッチ６３は、ステアリングホイール２が直進操舵位置に向かい操舵される戻し操舵状態か、直進操舵位置から離れる方向に向い操舵される切り込み操舵状態かを判断する操舵状態判断要素４３ｇに接続される。本実施形態の操舵状態判断要素４３ｇは、右操舵状態にある時と左操舵状態にある時とで互いに逆とされる操舵トルクＴの正負の符号と、ステアリングホイール２の右回転時と左回転時とで互いに逆とされる操舵角度θ_h の変化速度の正負の符号とを比較し、両者が一致する場合は切り込み操舵状態、一致しない場合は戻し操舵状態と判断し、その判断に応じたスイッチ６３の切り換え信号を出力する。

切り込み操舵状態であるとの判断によりスイッチ６３が切り換えられることで、位相制御要素６２は第１係数設定要素６４ａに接続され、伝達関数Ｇｓにおける係数ａは予め設定された値αとされる。戻し操舵状態であるとの判断によりスイッチ６３が切り換えられることで、位相制御要素６２は第２係数設定要素６４ｂに接続され、伝達関数Ｇｓにおける係数ａは予め設定された値βとされる。本実施形態の係数α、βは一定で１＞α＞βとされる。すなわち、戻し操舵状態では切り込み操舵状態に比べ係数ａは小さくされる。

図４は、第１実施形態におけるトルクセンサ２２の入力に対する出力の周波数応答特性を表し、横軸がトルクセンサ２２の出力信号の周波数、縦軸がトルクセンサ２２の入力に対する出力の振幅比を示す。図４において、位相制御要素６２により信号の位相を遅らせない場合の特性を実線、係数ａがαに設定される切り込み操舵状態における特性を破線、係数ａがβに設定される戻し操舵状態における特性を一点鎖線で示し、ω₁ ＝１／（２πｔ）、ω₂ ＝１／（２παｔ）、ω₃ ＝１／（２πβｔ）、ω_c はローパスフィルタ６１のカットオフ周波数である。すなわち、操舵状態判断要素４３ｇによる判断結果に応じて位相制御要素６２の位相制御特性が変更される。これにより、トルクセンサ２２の出力信号の位相を位相制御要素６２によって変化させることで、トルクセンサ２２の入力に対する出力の周波数応答特性において、戻し操舵状態では切り込み操舵状態に比べて高周波数帯域でゲインを小さくできる。

上記第１実施形態によれば、戻し操舵状態での折れ点周波数ω₃ が切り込み操舵状態での折れ点周波数ω₂ よりも大きくなるように位相制御要素６２により設定されるので、その設定周波数よりも周波数が大きな高周波数帯域では、トルクセンサ２２の入力に対する出力のゲインを戻し操舵状態では切り込み操舵状態よりも低下させることができる。これにより、戻し操舵時に切り込み方向への操舵トルクＴが急激に減少しても、トルクセンサ２２による検出操舵トルクＴに対応する基本アシストトルクＴ_o の急激な減少を抑制できる。よって、戻し操舵時に切り込み操舵方向に作用する操舵補助力が急激に変化することはなく、ステアリングホイール２の収斂性を向上できる。

図５〜図７は第２実施形態に係り、第１実施形態と同様部分は同一符号で示して以下相違点を説明する。本実施形態の位相制御要素１６２は位相進み遅れ補償器として機能し、ｓをラプラス演算子、ｔ₁ 、ｔ₂ を時定数、ａ₁ 、ａ₂ を係数、ｔ₁ ＞ｔ₂ 、ａ₁ ≦１、ａ₂ ≧１として、その伝達関数Ｇｓは次式の通りとされる。
Ｇｓ＝｛（１＋ａ₁ ｔ₁ ｓ）（１＋ａ₂ ｔ₂ ｓ）｝／｛（１＋ｔ₁ ｓ）（１＋ｔ₂ ｓ）｝

切り込み操舵状態において位相制御要素１６２がスイッチ６３を介して第１係数設定要素１６４ａに接続されると、伝達関数Ｇｓにおける係数ａ₁ はαとされ、戻し操舵状態において位相制御要素１６２がスイッチ６３を介して第２係数設定要素１６４ｂに接続されると、伝達関数Ｇｓにおける係数ａ₁ はβとされる。図６に示すように、本実施形態の係数ａ₁ は操舵トルクＴに対する基本アシストトルクＴ_o の変化率であるアシスト勾配Ｒ＝ｄＴ_o ／ｄＴの関数とされ、切り込み操舵状態における係数ａ₁ （＝α）はアシスト勾配Ｒが増加すると減少し、戻し操舵状態における係数ａ₁ （＝β）はアシスト勾配Ｒが変化しても変化することのない一定値とされ、α≧βとされる。すなわち、係数設定要素１６４ａ、１６４ｂによりアシスト勾配Ｒが求められ、アシスト勾配Ｒに応じて位相制御要素１６２の位相制御特性が変更される。これにより、トルクセンサ２２の入力に対する出力の周波数応答特性において、切り込み操舵状態では、アシスト勾配Ｒが増加すると増加前に比べて高周波数帯域でゲインを小さくすることができる。他の構成は第１実施形態と同様とされている。

図７は、第２実施形態におけるトルクセンサ２２の入力に対する出力の周波数応答特性を表し、係数ａ₁ がαに設定される切り込み操舵状態における特性を実線、係数ａ₁ がβに設定される戻し操舵状態における特性を破線で示し、ω₁ ＝１／（２πｔ₁ ）、ω₂ ＝１／（２παｔ₁ ）、ω₃ ＝１／（２πβｔ₁ ）、ω₄ ＝１／（２πａ₂ ｔ₂ ）、ω₅ ＝１／（２πｔ₂ ）である。すなわち、操舵状態判断要素４３ｇによる判断結果とアシスト勾配Ｒに応じて位相制御要素１６２の位相制御特性が変更される。これにより、戻し操舵状態での折れ点周波数ω₃ が切り込み操舵状態での折れ点周波数ω₂ よりも大きくなるように位相制御要素１６２により設定されるので、トルクセンサ２２の入力に対する出力のゲインを戻し操舵状態では切り込み操舵状態よりも高周波数帯域で低下させることができる。さらに、切り込み操舵状態においてアシスト勾配Ｒが増加すると、トルクセンサ２２の入力に対する出力のオープンループ特性における位相余裕を増加させ、制御の安定性を向上することができる。なお、戻し操舵状態における係数ａ₁ もアシスト勾配Ｒが増加すると減少するようにしてもよい。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態の位相制御要素は位相遅れ補償器や位相進み遅れ補償器として機能するが、これに限定されず、例えば位相進み補償器として機能するものでもよく、位相進み補償器の伝達関数Ｇｓ＝（１＋ａｔｓ）／（１＋ｔｓ）における係数ａ（＞１）を、戻し操舵状態においては切り込み操舵状態に比べて小さくすればよい。また、ステアリングホイールの回転を舵角が変化するように車輪に伝達する機構は実施形態に限定されず、ステアリングホイールの回転をステアリングシャフトからラックピニオン以外のリンク機構を介して車輪に伝達するようなものでもよい。さらに、操舵補助力発生用モータの出力の操舵系への伝達機構は操舵補助力を付与することができれば実施形態に限定されず、例えばラックと一体のボールスクリューにねじ合わされるボールナットをモータの出力により駆動することで操舵補助力を付与してもよい。

本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置の構成説明図 本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置の制御ブロック線図 本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置における操舵トルクと基本アシストトルクと車速との間の関係を示す図 本発明の第１実施形態の電動パワーステアリング装置におけるトルクセンサの入力に対する出力の周波数応答特性を表す図 本発明の第２実施形態の電動パワーステアリング装置の制御ブロック線図 本発明の第２実施形態の電動パワーステアリング装置におけるアシスト勾配と位相制御要素における係数との関係を示す図 本発明の第２実施形態の電動パワーステアリング装置におけるトルクセンサの入力に対する出力の周波数応答特性を表す図

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
２ ステアリングホイール
１０ モータ
２０ 制御装置
２２ トルクセンサ
４３ｇ 操舵状態判断要素
６２ 位相制御要素
１６２ 位相制御要素

Claims (2)

1. 操舵補助力を発生するモータと、
   操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係を記憶する手段と、
   前記トルクセンサによる検出操舵トルクに対応する基本アシストトルクに応じた操舵補助力が発生するように、前記モータを制御する手段と、
   前記トルクセンサの出力信号の位相制御要素と、
   ステアリングホイールが直進操舵位置に向かい操舵される戻し操舵状態か、直進操舵位置から離れる方向に向かい操舵される切り込み操舵状態かを判断する操舵状態判断要素とを備え、
   前記トルクセンサの入力に対する出力の周波数応答特性において、戻し操舵状態では切り込み操舵状態に比べて高周波数帯域でゲインを小さくすることができるように、前記操舵状態判断要素による判断結果に応じて前記位相制御要素の位相制御特性が変更される電動パワーステアリング装置。
2. 操舵トルクに対する基本アシストトルクの変化率であるアシスト勾配が検出操舵トルクの変化に応じて変化するように、操舵トルクと基本アシストトルクとの対応関係が設定され、
   検出操舵トルクに対応するアシスト勾配を求める手段が設けられ、
   前記トルクセンサの入力に対する出力の周波数応答特性において、少なくとも切り込み操舵状態では、アシスト勾配が増加すると増加前に比べて高周波数帯域でゲインを小さくすることができるように、アシスト勾配に応じて前記位相制御要素の位相制御特性が変更される請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

Images