JP4767315B2 - 電動パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車の電動パワーステアリングの制御装置に関するものである。

電動パワーステアリング装置では、操舵トルクに略比例するアシストトルクを定め、この比例関係であるトルク比例ゲインを大きく取ることにより自動車の運転者の操舵トルクを低減する。このとき、トルク比例ゲインを大きくとりすぎると制御系が発振してしまい、ハンドル振動が生じてしまうので、操舵トルクの低減度合いが限られる場合があった。この課題を解決するため、位相補償器を導入して制御系の位相特性を改善させて発振を抑制するアルゴリズムが発明され、ハンドル振動を防止してきた（例えば参考文献１参照）。

また、さらに振動抑制性能を向上させる目的で、上記位相補償器に加え、操舵トルク信号とモータを駆動する電流信号からオブザーバによりモータ回転速度の振動周波数成分を推定しフィードバックすることにより発振を抑制する制御アルゴリズムが発明されて、ハンドル振動を防止してきた（例えば参考文献２参照）。

特開平８−９１２３６号公報（第４頁、第１図） 特開２０００−１６８６００号公報（第１０頁、第１２図）

このような電動パワーステアリング装置においては、制御アルゴリズムの大部分はソフトウエアで構成され、操舵トルク信号をトルク信号変換器、すなわち、Ａ／Ｄ変換回路を通じてマイコンに取り込み演算処理される。これは、電動パワーステアリングの発振周波数が30Hzから100Hzと比較的低いことによる。ただし、制御アルゴリズム中の位相補償器のみは、ソフトウエアで構成してマイコンで演算される場合と、直接アナログ回路で位相補償を行う場合とがある。マイコンで演算する場合は、制御系の発振周波数が高い場合には、高速な演算処理が必要となるので高価なマイコンが必要となる。

また、アナログ回路で位相補償を行う場合には、前記オブザーバでの演算には位相補償が行われていない操舵トルク信号が必要なため、アナログ回路で位相補償を行った操舵トルク信号と、位相補償を行っていない操舵トルク信号の両方をＡ／Ｄ変換してマイコンに取り込む必要があるので必要なＡ／Ｄ変換回路数が増える。

このように、上記位相補償器に加え、操舵トルク信号とモータを駆動する電流信号からオブザーバによりモータ回転速度の振動周波数成分を推定しフィードバックすることにより発振を抑制する制御アルゴリズムを使った場合には、位相補償器をアナログ回路で構成した場合、ソフトウエアで構成した場合ともにコストアップとなる課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、Ａ／Ｄ変換回路数を増やさず、従って、コストアップを招くことなく優れた振動抑制性能を実現する電動パワーステアリング制御装置を提供するものである。

この発明に係る電動パワーステアリング装置は、運転者による操舵トルクを検出するトルク検出手段と、該トルク検出手段の出力をアナログ回路により位相補償を行うアナログ位相補償器と、該アナログ位相補償器の出力をＡ／Ｄ変換してマイコンに取り込むトルク信号変換器と、該トルク信号変換器の出力を用いて前記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、前記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、該モータに通電される電流値を検出する電流検出手段と、前記モータの回転速度を推定する回転速度推定手段と、該回転速度推定手段で推定されたモータの回転速度の推定値を用いて、前記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、を備えるものにおいて、前記回転速度推定手段は、前記トルク信号変換器の出力の位相とゲインを調整するトルク逆位相補償器の出力と前記電流検出手段の出力とを用いて、前記モータの回転速度の推定値を演算する回転速度オブザーバを備えたものである。

この発明によれば、操舵トルクの位相補償器をアナログ回路で構成するとともに、マイコンのソフトウエア上に逆位相補償器を構成し、発振周波数でアナログ回路の位相補償器によるゲインと位相の変化を打ち消すことにより、前記オブザーバでの演算に必要な位相補償が行われていない操舵トルク信号と等価な操舵トルク信号を、位相補償を行った操舵トルク信号から演算することにより、位相補償を行っていない操舵トルク信号をＡ／Ｄ変換してマイコンに取り込む必要がなくなるので、Ａ／Ｄ変換回路数が減り、コストアップなくして優れた振動抑制性能を実現可能となる。

実施の形態１による制御器の構成を示すブロック図である。 実施の形態１による制御器の逆位相補償器の周波数特性を示すボード線図である。 実施の形態１による制御器のマイコン内での処理を示すフローチャートである。 実施の形態２による制御器の逆位相補償器の周波数特性を示すボード線図である。 実施の形態３による制御器の構成を示すブロック図である。 実施の形態３による制御器のトルクＨＰＦの周波数特性を示すボード線図である。 実施の形態３による制御器のトルク位相進み低減器の周波数特性を示すボード線図である。 実施の形態３による制御器のマイコン内での処理を示すフローチャートである。 実施の形態３による制御器のトルクＨＰＦとトルク位相進み低減器を合成させた周波数特性を示すボード線図である。

符号の説明

１ トルクセンサ、２ アナログ位相補償器、３ トルクＡ／Ｄ変換器、４ 電流検出器、５ 電流Ａ／Ｄ変換器、６ トルク制御器、７ トルク逆位相補償器、８ トルクＨＰＦ、９ 電流ＨＰＦ、１０ モータ回転オブザーバ、１１ ダンピング制御器、１２ 加算器、１３ 電流制御器、１４ 駆動回路、１５ モータ、１６ トルク位相進み低減器、１７ 電流位相進み低減器、１８ 第一の回転速度推定器、１９ 第二の回転速度推定器。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の制御器の構成を示すブロック図であり、運転者が操舵した場合の操舵トルクをトルクセンサ１にて検出し、アナログ回路にて構成されたアナログ位相補償器２にて発振周波数f_vibで最も位相が進むように周波数特性を改善する。周波数特性を改善されたトルクセンサ出力はトルクＡ／Ｄ変換器３にてディジタル信号に変換されてマイコンに取り込まれる。またモータを駆動する電流も電流検出器４にて検出され、電流Ａ／Ｄ変換器５にてディジタル信号に変換されてマイコンに取り込まれる。マイコン内では、周波数特性を改善されたトルクセンサ出力を用いてトルク制御器６にて補助トルク電流を演算する。トルク逆位相補償器７にてアナログ位相補償器の逆特性を演算するとともに第一の回転速度推定器１８（図中破線で囲まれた部分）に入力し、第一の回転速度推定器１８では、位相補償前の操舵トルクと等価な周波数特性に戻された操舵トルク信号の低周波成分をトルクＨＰＦ８にてハイパスフィルタ演算を行いカットした信号と、電流の低周波成分を電流ＨＰＦ９にてハイパスフィルタ演算を行いカットした信号とを用いて、モータ回転オブザーバ（回転速度オブザーバに同じ。以下同様）１０にて低周波成分がカットされたモータ回転速度の推定演算を行う。この結果得た推定されたモータ回転速度を用いてダンピング制御器１１にてダンピング電流を演算するとともに、加算器１２にて補助トルク電流と当該ダンピング電流とを加算することにより目標電流演算を行う。演算された目標電流と電流検出器４にて検出された電流が一致するように電流制御器１３で制御され、例えばＰＷＭ信号などの電圧指令信号として駆動回路１４に出力され、モータ１５を駆動することによりアシストトルクを発生させる。上記において、モータ回転速度の推定演算を行うモータ回転オブザーバ１０は、例えば、モータの慣性モーメントを慣性項、トルクセンサのバネ定数をバネ項とする１自由度振動方程式をモデルとするものを用いる（以下同様）。また、本発明では、回転速度推定手段には、上記第一の回転速度推定器がその一例として含まれるものである。

このとき図２に示すように、トルク逆位相補償器７の特性Ｂは、アナログ位相補償器２の特性Ａと逆になるように設定される。すなわち、アナログ位相補償器２の特性Ａがf_a1からf_a2までの周波数範囲でゲインが高くなれば、トルク逆位相補償器７の特性Ｂがf_i1からf_i2までのゲインが低下する周波数範囲は、同一となるよう、f_a1＝f_i1、f_a2＝f_i2と設定される。アナログ位相補償器２の特性Ａとトルク逆位相補償器７の特性Ｂを合わせたトータル特性はＣとなる。
また、トルクＨＰＦ（ＨＰＦはハイパスフィルタの略。以下同様）８及び電流ＨＰＦ９にてハイパスフィルタがカットする最大周波数は、ドライバが可能な最大周波数である５Ｈｚよりも高く設定される。

次に、実施の形態１のマイコン内での処理アルゴリズムを図３のフローチャートに基づいて説明を行う。
まずステップＳ１０１では、トルクＡ／Ｄ変換器３でＡ／Ｄ変換されたアナログ位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、メモリに記憶する。ステップＳ１０２では電流Ａ／Ｄ変換器５にて、Ａ／Ｄ変換された電流検出値（電流検出器出力に同じ。以下同様）を読み込み、メモリに記憶する。ステップＳ１０３ではトルク制御器６にて、メモリに記憶されているアナログ位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、補助トルク電流をマップ演算しメモリに記憶する。ステップＳ１０４ではトルク逆位相補償器７にて、メモリに記憶されているアナログ位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、逆位相補償演算を行い逆位相補償演算後のトルクセンサ出力をメモリに記憶する。ステップＳ１０５ではトルクＨＰＦ８にて、メモリに記憶されている逆位相補償演算後のトルクセンサ出力にハイパスフィルタ演算を行いハイパスフィルタ後のトルクセンサ出力をメモリに記憶する。ステップＳ１０６では電流ＨＰＦ９にて、メモリに記憶されている電流検出値にハイパスフィルタ演算を行いハイパスフィルタ後の電流検出値をメモリに記憶する。ステップＳ１０７ではモータ回転オブザーバ１０にて、メモリに記憶されているハイパスフィルタ後のトルクセンサ出力とハイパスフィルタ後の電流検出値からモータ回転速度演算を行いメモリに記憶する。ステップＳ１０８ではダンピング制御器１１にて、メモリに記憶されているモータ回転速度にゲインを乗じダンピング電流の演算を行いメモリに記憶する。ステップＳ１０９では加算器１２にて、補助トルク電流とダンピング電流を加算し目標電流を得る。ステップＳ１１０では電流制御器１３にて、目標電流と電流検出値から電流制御演算を行いＰＷＭ信号などの電圧指令信号として駆動回路１４に出力する。以上のステップＳ１０１からＳ１１０までの処理は、各制御サンプリング毎に実行される。

このような構成によれば、トルク制御器６での補助トルク電流の演算に必要なアナログ位相補償されたトルクセンサ信号と、モータ回転オブザーバ１０での演算に必要な位相補償されていないトルクセンサ信号を一つのトルクＡ／Ｄ変換器３にて得ることが可能になるのでコストアップなくして優れた振動抑制性能を実現可能となる。

本実施の形態では、電流ＨＰＦ９へ入力する電流信号を電流検出器４にて検出され、電流Ａ／Ｄ変換器５にてディジタル信号に変換された電流検出値を用いたが、加算器１２にて演算された目標電流を用いても良い。

実施の形態２．
実施の形態２は、トルク逆位相補償器７のソフトウエア構成のみ実施の形態１と異なるので、図４を用いて該当部分のみ説明を行う。
実施の形態２においては、トルク逆位相補償器７の特性Ｄをアナログ位相補償器２と近似の特性とするものである。具体的にはアナログ位相補償器２の特性Ａがf_a1からf_a2までの周波数範囲でゲインが例えば２０ｄＢ／ｄｅｃの比率で高くなる特性であれば、f_i1からゲインが２０ｄＢ／ｄｅｃの比率で低下開始するローパスフィルタとし、f_a1＝f_i1と設定したものである。ダンピング制御器１１にてダンピング電流を演算する際、高精度なモータ回転速度信号が必要となるのはハンドル振動が発生する周波数である。従って、モータ回転オブザーバ１０がアナログ位相補償器２による位相ずれのないトルクセンサ出力を必要とするのもハンドル振動が発生する周波数である。一方アナログ位相補償器２はハンドル振動が発生する周波数を含むようにf_a1、f_a2が設定されるので、f_i1からゲインが低下開始するローパスフィルタとしても、アナログ位相補償器２の特性Aとトルク逆位相補償器７の特性Ｄを合わせたトータル特性はＥのようにゲインは同一で、位相ずれも小さくなるので、トルク逆位相補償器７がない場合より高精度なモータ回転速度信号が得られ、結果として実施の形態１と同様のハンドル振動低減効果を実現できる。

このような構成によれば、単純なローパスフィルタで構成されるので、高速な演算処理が必要な高周波領域でアナログ位相補償器２の特性と逆の特性を演算する必要がなくなるので、安価なマイコンで上述の効果を実現することが可能となる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３の制御器の構成を示すブロック図であり、実施の形態１の構成に加え、第二の回転速度推定器１９において、トルクＨＰＦ８の後段にトルク位相進み低減器１６を、電流ＨＰＦ９の後段に電流位相進み低減器１７を配置したものである。

トルクＨＰＦ８の特性Ｆは、振動発生周波数において図６の通り、操舵トルク信号の低周波成分をカットする反面、ハンドル振動周波数において、位相を進めてしまう場合がある。そこで、トルクＨＰＦ８の後段に図７のトルク位相進み低減器１６の特性Ｇに示すように、ハンドル振動周波数f_vibとトルクＨＰＦ８のカットオフ周波数f_{T_HPF}の比と、トルク位相進み低減器１６のカットオフ周波数f_{T_comp}とハンドル振動周波数f_vibの比とが同一となるローパスフィルタ特性を有するトルク位相進み低減器１６を配置する。また、トルク位相進み低減器１６と同一の周波数特性を有する電流位相進み低減器１７を、電流ＨＰＦ９の後段に配置する。なお、本発明では、回転速度推定手段には、上記第二の回転速度推定器がその一例として含まれるものである。

次に、実施の形態３のマイコン内での処理アルゴリズムを図８のフローチャートに基づいて説明を行う。
まずステップＳ３０１では、トルクＡ／Ｄ変換器３でＡ／Ｄ変換されたアナログ位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、メモリに記憶する。ステップＳ３０２では電流Ａ／Ｄ変換器５にて、Ａ／Ｄ変換された電流検出値を読み込み、メモリに記憶する。ステップＳ３０３ではトルク制御器６にて、メモリに記憶されているアナログ位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、補助トルク電流をマップ演算しメモリに記憶する。ステップＳ３０４ではトルク逆位相補償器７にて、メモリに記憶されているアナログ位相補償後のトルクセンサ出力を読み込み、逆位相補償演算を行い逆位相補償演算後のトルクセンサ出力をメモリに記憶する。ステップＳ３０５ではトルクＨＰＦ８にて、メモリに記憶されている逆位相補償演算後のトルクセンサ出力にハイパスフィルタ演算を行いハイパスフィルタ後のトルクセンサ出力をメモリに記憶する。ステップＳ３０６では電流ＨＰＦ９にて、メモリに記憶されている電流検出値にハイパスフィルタ演算を行いハイパスフィルタ後の電流検出値をメモリに記憶する。ステップＳ３０７ではトルク位相進み低減器１６にてメモリに記憶されているハイパスフィルタ後のトルクセンサ出力をにローパスフィルタ演算を行いローパスフィルタ後のトルクセンサ出力をメモリに記憶する。ステップＳ３０８では電流位相進み低減器１７にて、メモリに記憶されているハイパスフィルタ後の電流検出値にローパスフィルタ演算を行いローパスフィルタ後の電流検出値をメモリに記憶する。ステップＳ３０９ではモータ回転オブザーバ１０にて、メモリに記憶されているローパスフィルタ後のトルクセンサ出力とローパスフィルタ後の電流検出値からモータ回転速度演算を行いメモリに記憶する。ステップＳ３１０ではダンピング制御器１１にて、メモリに記憶されているモータ回転速度にゲインを乗じダンピング電流演算を行いメモリに記憶する。ステップＳ３１１では加算器１２にて、補助トルク電流とダンピング電流を加算し目標電流を得る。ステップＳ３１２では電流制御器１３にて、目標電流と電流検出値から電流制御演算を行いＰＷＭ信号などの電圧指令信号として駆動回路１４に出力する。以上のステップＳ３０１からＳ３１２までの処理は、各制御サンプリング毎に実行される。

上記のような構成によれば、トルクＨＰＦ８の後段にトルク位相進み低減器１６を配置することにより、トルクＨＰＦ８の特性Ｆとトルク位相進み低減器１６の特性Ｇを合わせた特性（図９のトータル特性Ｈ）が得られるため、図９のトータル特性Ｈに示すように、ハンドル振動周波数f_vibにおいてはゲイン、位相とも０となり、ずれをなくすことができ、さらにモータ回転速度信号の精度が向上する。この結果、さらに優れたハンドル振動低減効果を実現できる。

Claims (6)

1. 運転者による操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
   該トルク検出手段の出力をアナログ回路により位相補償を行うアナログ位相補償器と、
   該アナログ位相補償器の出力をＡ／Ｄ変換してマイコンに取り込むトルク信号変換器と、該トルク信号変換器の出力を用いて前記操舵トルクを補助する補助トルク電流を演算するトルク制御器と、
   前記操舵トルクを補助するトルクを発生するモータと、
   該モータに通電される電流値を検出する電流検出手段と、
   前記モータの回転速度を推定する回転速度推定手段と、
   該回転速度推定手段で推定されたモータの回転速度の推定値を用いて、前記補助トルク電流に加算されるダンピング電流を演算するダンピング制御器と、
   を備える電動式パワーステアリング制御装置において、
   前記回転速度推定手段は、前記トルク信号変換器の出力の位相とゲインを調整するトルク逆位相補償器の出力と前記電流検出手段の出力とを用いて、前記モータの回転速度の推定値を演算する回転速度オブザーバを備えたことを特徴とする電動式パワーステアリング制御装置。
2. トルク逆位相補償器は、前記トルク信号変換器の出力をマイコン内で前記アナログ位相補償器の逆特性演算を行い前記トルク検出手段の出力と同じ周波数特性に変換して調整するものであることを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング制御装置。
3. トルク逆位相補償器は、前記トルク信号変換器の出力をマイコン内で前記アナログ位相補償器の逆特性に対し、前記アナログ位相補償器の高周波側の折点周波数以上の周波数範囲ではゲインが小さくなる特性演算を行うことを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング制御装置。
4. トルク逆位相補償器は、ローパスフィルタで構成されることを特徴とする請求項３に記載の電動式パワーステアリング制御装置。
5. 前記回転速度推定手段は、前記トルク逆位相補償器の出力の低周波成分をカットする
   トルクＨＰＦと、
   前記電流検出手段の出力の低周波成分をカットする電流ＨＰＦと、
   前記トルクＨＰＦの後段に配置され前記トルクＨＰＦによる位相の進みを小さくするトルク位相進み低減器と、
   前記電流ＨＰＦの後段に配置され前記電流ＨＰＦによる位相の進みを小さくする電流位相進み低減器を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電動式パワーステアリング制御装置。
6. 前記電流位相進み低減器と、前記トルク位相進み低減器はローパスフィルタで構成されることを特徴とする請求項５に記載の電動式パワーステアリング制御装置。

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