JP6004145B1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フェード処理に際して、トルク制御の制御トルクと位置／速度制御の指令値を徐変することにより、スムーズかつセルフステアレスで、制御を切替えることが可能な電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵を補助するアシストトルクを車両のステアリングシステムに付与するモータを制御するモータ制御装置とを有する電動パワーステアリング装置において、所定の切替え契機に従って、モータの制御方式を、モータ出力トルクを制御するトルク制御方式と、操舵の舵角を制御する位置／速度制御方式との間で切替える機能を具備し、操舵トルクに感応して、位置／速度制御方式からトルク制御方式への移行又はその逆への移行のフェード処理を可変する。【選択図】図１０

Description

本発明は、自動操舵制御（自動運転モードや駐車支援モードなど）と手動操舵制御の機能を有し、車両のステアリングシステムにモータによるアシスト力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特にモータの制御方式を、モータ出力トルクを制御するトルク制御方式と、操舵の舵角を制御する位置／速度制御方式との間で切替える機能を具備し、操舵トルクに応じてフェード処理（徐変時間、ゲイン）を可変する電動パワーステアリング装置に関する。

モータ制御装置を具備し、車両のステアリングシステムにモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティの調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル（ステアリングホイール）１のコラム軸（ステアリングシャフト）２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０が設けられており、ハンドル（ステアリングホイール）１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｓと車速センサ１２で検出された車速Ｖｓとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の操舵補助指令値の演算を行い、操舵補助指令値に補償等を施した電圧制御値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。なお、舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、モータ２０に連結された回転センサから得ることもできる。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ
（Controller Area Network）４０が接続されており、車速ＶｓはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。

このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵ等を含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、例えば図２に示されるような構成となっている。

図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０からの操舵トルクＴｓ及び車速センサ１２からの車速Ｖｓは電流指令値演算部３１に入力され、電流指令値演算部３１は操舵トルクＴｓ及び車速Ｖｓに基づいてアシストマップ等を用いて電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。演算された電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａで、特性を改善するための補償部３４からの補償信号ＣＭと加算され、加算された電流指令値Ｉｒｅｆ２が電流制限部３３で最大値を制限され、最大値を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、モータ電流検出値Ｉｍと減算される。

減算部３２Ｂでの減算結果Ｉ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）はＰＩ制御部３５でＰＩ（比例積分）制御され、ＰＩ制御された電圧制御値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力されてデューティを演算され、デューティを演算されたＰＷＭ信号でインバータ３７を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値Ｉｍはモータ電流検出手段３８で検出され、減算部３２Ｂに入力されてフィードバックされる。

補償部３４は、検出若しくは推定されたセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４−３を加算部３４−４で慣性補償値３４−２と加算し、その加算結果に更に加算部３４−５で収れん性制御値３４−１を加算し、その加算結果を補償信号ＣＭとして加算部３２Ａに入力し、特性改善する。

このような電動パワーステアリング装置において、近年自動操舵支援機能（自動運転、パーキングアシスト等）を搭載し、自動操舵制御と手動操舵制御とを切替える車両が出現して来ており、自動操舵支援機能を搭載した車両にあってはカメラ（画像）や距離センサなどのデータを基に目標操舵角を設定し、目標操舵角に実操舵角を追従させる自動操舵制御が行われる。

自動運転の場合は、レーダ、カメラ、超音波センサ等の情報を基に車両周辺の環境を認識し、車両を安全に誘導できる舵角指令値を出力する。電動パワーステアリング装置は舵角指令値に追従するように実舵角を位置制御することによって自動運転が可能となる。

従来周知の自動操舵制御と手動操舵制御の機能を有する電動パワーステアリング装置では、予め記憶した車両の移動距離と転舵角との関係に基づいてアクチュエータ（モータ）を制御することにより、バック駐車や縦列駐車を自動で行うようになっている。即ち、自動操舵制御装置は、アラウンドビューモニタや超音波センサ等の測位センサから駐車スペースを認識し、ＥＰＳ側に舵角指令値を出力する。ＥＰＳは舵角指令値に追従するように実舵角を位置制御することによって、車両は駐車スペースへと誘導されていく。

図３は、自動操舵制御機能を有する電動パワーステアリング装置の制御系を示しており、自動操舵指令装置５０にはカメラ、測位センサ（超音波センサ等）から各種データが入力され、自動操舵用舵角指令値θｔｃはＣＡＮ等を経てＥＰＳアクチュエータ機能内の位置／速度制御部５１に入力され、自動操舵実行指令はＣＡＮ等を経てＥＰＳアクチュエータ機能内の自動操舵実行判定部５２に入力される。自動操舵実行判定部５２には操舵トルクＴｓも入力されている。ＥＰＳセンサからの実舵角θｒは位置／速度制御部５１に入力され、自動操舵実行判定部５２の判定結果はトルク指令値徐変切替部５４に入力される。また、ＥＰＳセンサの操舵トルクは、ＥＰＳパワーアシスト機能内のトルク制御部５３に入力され、トルク制御部５３からの操舵アシストトルク指令値がトルク指令値徐変切替部５４に入力される。位置／速度制御部５１からの位置／速度制御トルク指令値Ｔｐもトルク指令値徐変切替部５４に入力され、自動操舵実行判定部５２の判定結果に従って操舵アシストトルク指令値Ｔｃと位置／速度制御トルク指令値Ｔｐとが切替えられ、モータトルク指令値として出力され、電流制御系を介してモータが駆動制御される。

このように通常のパワーアシストはトルク制御系であるのに対し、駐車支援や自動運転の場合は舵角等の位置／速度制御系となる。トルク制御と位置／速度制御を互いに切替える際、制御トルクの変動が生じ、スムーズに切替わらない問題や切替え時のトルク変動がトリガとなって、意図しないセルフステアが生じる問題がある。

このような問題に対し、従来はトルク変動を低減するために、互いの制御トルクを除々に変化させる(徐変)手法が用いられてきた。例えば特開２００４−１７８８１号公報（特許文献１）では、図４に示すように時点ｔ０において自動操舵モードが解除された場合、Ｓθ＝ＯＦＦと再設定し、それ以降の所定時間ΔＴ内では、角度制御比μを単調に減少することにより、モータに通電すべき電流の指令値は、制御方式の切り換え時にも急変しなくなるようにしている。

特開２００４−１７８８１号公報

しかしながら、トルク制御と位置／速度制御の切替えにおいては、効果が十分に発揮できない。その原因は、電動パワーステアリングのようなハンドルから外乱を入力できるシステムの場合、位置／速度制御は外乱を抑えるようにトルクアシストするため、通常のパワーアシスト制御に切替わった際、逆方向へアシストされるケースがある。

このように、従来はトルク変動を低減するために、互いの制御トルクを徐々に変化させる(徐変)手法が用いられてきたが、トルク制御と位置／速度制御の切替えにおいては効果が十分に発揮できなかった。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、制御方式を切替えるフェード処理（徐変処理）に際して、操舵トルクに感応して、トルク制御の制御トルクと位置／速度制御の指令値を徐変することにより、スムーズかつセルフステアレスで、制御方式を切替えることが可能な電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵を補助するアシストトルクを車両のステアリングシステムに付与するモータを制御するモータ制御装置とを有する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、所定の切替え契機に従って、前記モータの制御方式を、モータ出力トルクを制御するトルク系のトルク制御方式と、前記操舵の舵角を制御する舵角系の位置／速度制御方式との間で切替える機能を具備し、前記操舵トルクに感応して、前記トルク制御方式から前記位置／速度制御方式に移行するフェード処理１を可変すること、或いは前記操舵トルクに感応して、前記位置／速度制御方式から前記トルク制御方式に移行するフェード処理２を可変することにより達成される。

本発明の上記目的は、前記所定の切替え契機のＯＮ／ＯＦＦ時に、前記操舵トルクに応じて、前記フェード処理１及びフェード処理２における前記トルク系のフェードゲインを付与するフェードゲイン信号Ｆ１と、前記フェード処理１及びフェード処理２における前記舵角系のフェードゲインを付与するフェードゲイン信号Ｆ２とを演算する特性演算部が設けられていることにより、或いは前記切替え契機がＯＮしたとき、前記フェード処理１が開始され、前記フェードゲイン信号Ｆ２によって、位置／速度制御の徐変後舵角指令値を実舵角から徐々に舵角指令値へ変化させ、トルク制御は、前記フェードゲイン信号Ｆ１によって、前記アシストトルクレベルを１００％から０％に徐々に変化させ、前記位置／速度制御方式で動作するようになっていることにより、或いは前記切替え契機がＯＦＦされたとき、前記フェード処理２が開始され、前記フェードゲイン信号Ｆ２によって、位置／速度制御の徐変後舵角指令値を舵角指令値から徐々に実舵角へ変化させ、トルク制御は、前記フェードゲイン信号Ｆ１によって、前記アシストトルクレベルを０％から１００％に徐々に変化させ、前記トルク制御方式で動作するようになっていることにより、或いはフェードゲインの過去値をＦＧ（ｚ^−１）、指数ゲインをＡ１、フェードレートをＦＲ１として、前記フェードゲイン信号Ｆ１をＡ１×ＦＧ（ｚ^−１）＋ＦＲ１で算出することにより、或いはフェードゲインの過去値をＦＧ（ｚ^−１）、指数ゲインをＡ２、フェードレートをＦＲ２として、前記フェードゲイン信号Ｆ２をＡ２×ＦＧ（ｚ^−１）＋ＦＲ２で算出することにより、或いは前記指数ゲインＡ１又はＡ２を前記操舵トルクに応じて変化させることにより、或いは前記指数ゲインＡ１が、前記操舵トルクの所定値Ｔ１１まで一定値Ａ１２であり、前記所定値Ｔ１１以上でかつ所定値Ｔ１２（＞Ｔ１１）以下において徐々に値Ａ１１（＜Ａ１２）まで減少し、前記所定値Ｔ１２より大きい領域で一定値Ａ１１となっていることにより、或いは前記指数ゲインＡ２が、前記操舵トルクの所定値Ｔ２１まで一定値Ａ２１であり、前記所定値Ｔ２１以上でかつ所定値Ｔ２２（＞Ｔ２１）以下において徐々に値Ａ２２（＞Ａ２１）まで増加し、前記所定値Ｔ２２より大きい領域で一定値Ａ２２となっていることにより、或いは前記所定の切替え契機を自動操舵実行判定部で行うことにより、或いは前記自動操舵実行判定部が、舵角指令値を入力して角速度及び角加速度を演算する演算部と、前記舵角指令値、前記角速度及び前記角加速度をそれぞれ車速に対応する判定マップで判定するマップ判定部と、前記マップ判定部の判定結果に基づいて診断する診断部とで構成されていることにより、或いはハンドルの慣性、摩擦を補償する外乱オブザーバが更に設けられていることにより、或いは前記外乱オブザーバが、前記ステアリングシステムの逆モデルと帯域制限を行うＬＰＦの出力差から外乱推定トルクを推定するようになっていることにより、或いは前記ステアリングシステムの慣性及び摩擦の値が、前記逆モデルの慣性及び摩擦の値以上となっていることにより、より効果的に達成される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、徐変後舵角指令値は、実舵角から舵角指令値へ徐変され、実舵角は、徐変後の舵角指令値に追従するように位置／速度制御されるため、位置／速度制御のトルク指令値を自動的に滑らかに変化させることができ、運転者にとって優しい手感となる。

また、自動操舵からトルク制御に切替わるフェード処理の際、過大なトルク変動が生じても、操舵トルクに感応して、舵角指令を指令値から実舵角へ徐々に変化させるため、トルク制御による過大なパワーアシストを自動的に位置／速度制御が補償する。これにより、運転者がハンドルを取られるような不具合を抑制することができる。

更に、本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、運転者の意思を尊重した自動操舵運転（位置／速度制御）とトルク制御による通常操舵の切替えをスムーズな動作で行うことができ、自動運転中に運転者が危険を感じてハンドルを強く操舵した場合、素早く自動運転を中断して、通常のトルク制御に切替えることができる。外乱オブザーバの設置により、一層効果を上げることができる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 自動操舵機能を有する電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 従来の電動パワーステアリング装置の動作系を示す特性図である。 電動パワーステアリング装置（シングルピニオン方式）の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置（デュアルピニオン方式）の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置（デュアルピニオン方式（変形例））の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置（ラック同軸方式）の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置（ラックオフセット方式）の概要を示す構成図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 自動操舵実行判定部の構成例を示すブロック図である。 判定マップ（舵角指令値、角速度、角加速度）の一例を示す特性図である。 センサの装着例及び本発明で使用する実舵角の関係を示す図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 自動操舵判定部の一部の動作例を示すフローチャートである。 本発明の動作例を示すタイミングチャートである。 指数ゲインの一例を示す特性図である。 指数ゲインの他の例を示す特性図である。 本発明の効果（フェード処理）を説明するための特性図である。 本発明の効果（フェード処理）を説明するための特性図である。 外乱オブザーバの構成例を示すブロック図である。 外乱オブザーバを設けたときの効果例を示す特性図である。

電動パワーステアリング装置における従来のトルク徐変制御では、トルク制御と位置／速度制御を互いに切替える際、スムーズに制御が切替わらない問題や意図しないセルフステアが生じる問題がある。このため、本発明では、トルク制御の制御トルクと位置／速度制御の指令値を徐変（フェード処理）することにより、スムーズかつセルフステアレスで、制御を切替える処理を実現している。

本発明では、所定の切替え契機（例えば自動操舵指令）に従って、モータの制御方式を、モータ出力トルクを制御するトルク制御方式と、操舵の舵角を制御する位置／速度制御方式との間で切替える機能を具備し、更にフェード処理（徐変時間、ゲイン）を操舵トルクに応じて可変し、スムーズかつセルフステアレスなフェード処理を実現している。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

本発明は図１に示すコラム方式の他に、図５に概略構成を示すシングルピニオン方式、図６に概略を示すデュアルピニオン方式、図７に概略構成を示すデュアルピニオン方式（変形例）、図８に概略を示すラック同軸方式、図９に概略を示すラックオフセット方式にも適用することができるが、以下ではコラム方式について説明する。

図１０は本発明の構成例を示しており、操舵トルクＴｓはトルク制御部１０２に入力されると共に、自動操舵実行判定部１２０及び特性演算部１４０に入力され、トルク制御部１０２からの操舵アシストトルク指令値Ｔｃはトルク系のトルク徐変部１０３に入力される。また、ＣＡＮ等からの舵角指令値θｔｃは自動操舵実行判定部１２０に入力され、自動操舵実行判定部１２０での演算処理後の舵角指令値θｔは、舵角系の舵角指令値徐変部１００に実舵角θｒと共に入力される。自動操舵実行判定部１２０からは、更に判定結果である自動操舵指令のＯＮ／ＯＦＦが出力され、自動操舵指令のＯＮ／ＯＦＦはトルク徐変部１０３、舵角指令値徐変部１００及び特性演算部１４０に入力される。

実舵角θｒは舵角指令値徐変部１００及び位置／速度制御部１０１に入力され、舵角指令値徐変部１００からの徐変後舵角指令値θｍは位置／速度制御部１０１に入力される。また、操舵トルクＴｓに基づいて、特性演算部１４０で演算されたトルク系のフェードゲイン信号Ｆ１はトルク徐変部１０３に入力され、舵角系のフェードゲイン信号Ｆ２は舵角指令値徐変部１００に入力される。

トルク徐変部１０３におけるトルク徐変後の操舵アシストトルク指令値Ｔｇは加算部１０４に入力され、位置／速度制御部１０１からの位置／速度制御トルク指令値Ｔｐも加算部１０４に入力され、加算部１０４の加算結果がモータトルク指令値として出力される。モータトルク指令値は電流制御系１３０に入力され、電流制御系１３０を経てモータ１３１が駆動制御される。

特性演算部１４０は、自動操舵実行判定部１２０により自動操舵指令がＯＮになったとき、或いは自動操舵指令がＯＦＦになったときに、それぞれトルク徐変のためのフェードゲイン信号Ｆ１及び舵角指令値徐変のためのフェードゲイン信号Ｆ２を演算し、操舵トルクＴｓに応じた徐変（時間、ゲイン）を行うようになっている。

また、自動操舵実行判定部１２０は図１１に示すような構成であり、舵角指令値θｔｃは演算部１２１に入力され、演算部１２１は舵角指令値θｔｃに基づいて角速度ωｔｃ及び角加速度αｔｃを演算する。角速度ωｔｃ及び角加速度αｔｃは判定マップを用いて判定するマップ判定部１２２に入力され、マップ判定部１２２には舵角指令値θｔｃ及び車速Ｖｓも入力されている。マップ判定部１２２は、図１２（Ａ）のような特性Ａ１又はＢ１を有する舵角指令値θｔｃ用の判定マップ＃１と、図１２（Ｂ）のような特性Ａ２又はＢ２を有する角速度ωｔｃ用の判定マップ＃２と、図１２（Ｃ）のような特性Ａ３又はＢ３を有する角加速度αｔｃ用の判定マップ＃３とを備えている。

舵角指令値θｔｃに対する判定マップ＃１の特性は、低速の車速Ｖｓ１まで一定値θｔｃ_０であり、車速Ｖｓ１以上の範囲において特性Ａ１又は特性Ｂ１のように減少する。角速度ωｔｃに対する判定マップ＃２の特性は、低速の車速Ｖｓ２まで一定値ω_０であり、車速Ｖｓ２以上の範囲において特性Ａ２又は特性Ｂ２のように減少する。また、角加速度αｔｃに対する判定マップ＃３の特性は、低速の車速Ｖｓ３まで一定値αｃ_０であり、車速Ｖｓ３以上の範囲において特性Ａ３又は特性Ｂ３のように減少する。判定マップ＃１〜＃３の特性はいずれもチュ−ニング可能であり、線形に減少する特性であっても良い。

マップ判定部１２２は舵角指令値θｔｃが判定マップ＃１の特性値範囲を超えているか否かを判定し、角速度ωｔｃが判定マップ＃２の特性値範囲を超えているか否かを判定し、更に角加速度αｔｃが判定マップ＃３の特性値範囲を超えているか否かを判定する。判定結果ＭＤは診断部１２３に入力され、時間や回数による診断の結果に基づき、診断部１２３は自動操舵指令のＯＮ／ＯＦＦを出力すると共に、自動操舵指令のＯＮ／ＯＦＦは出力部１２４に入力される。出力部１２４は、自動操舵指令がＯＮの時にのみ舵角指令値θｔを出力する。

舵角指令値θｔは実舵角θｒと共に、舵角指令値徐変部１００に入力されるが、本発明では実舵角θｒを以下のように算出している。

トーションバー２３を具備する機構については、例えば図１３に示すようなセンサがコラム軸２（２Ａ（入力側），２Ｂ（出力側））に装着され、操舵角度が検出される。即ち、コラム軸２のハンドル１側の入力シャフト２Ａには、角度センサとしてのホールＩＣセンサ２１及びトルクセンサ入力側ロータの２０°ロータセンサ２２が装着されている。ホールＩＣセンサ２１は２９６°周期のＡＳ＿ＩＳ角度θｈを出力する。トーションバー２３よりもハンドル１側に装着された２０°ロータセンサ２２は、２０°周期のコラム入力側角度θｓを出力し、コラム入力側角度θｓは舵角演算部１３２に入力される。また、コラム軸２の出力シャフト２Ｂには、トルクセンサ出力側ロータの４０°ロータセンサ２４が装着されており、４０°ロータセンサ２４からコラム出力側角度θｏが出力され、コラム出力側角度θｏは舵角演算部１３２に入力される。コラム入力側角度θｓ及びコラム出力側角度信号θｏは共に舵角演算部１３２で絶対角度に演算され、舵角演算部１３２から絶対角度のコラム入力側の舵角θｒ及びコラム出力側の舵角θｒ１が出力される。

本発明ではコラム入力側の舵角θｒを実舵角として説明しているが、コラム出力側の舵角θｒ１を実舵角として用いることも可能である。

このような構成において、その動作例を図１４及び図１５のフローチャート並びに図１６のタイミングチャートを参照して説明する。

自動操舵指令がＯＮされない場合（ステップＳ１）には、アシストトルクレベルが１００％の通常操舵、つまりトルク制御が実施される（ステップＳ１５）。そして、自動操舵実行判定部１２０により、時点ｔ２において自動操舵指令がＯＮされると（ステップＳ１）、この時点ｔ２よりＥＰＳのフェード処理が開始される（ステップＳ２）。このとき、特性演算部１４０で、操舵トルクＴｓに基づいてフェードゲイン信号Ｆ１及びＦ２が演算され、フェードゲイン信号Ｆ１はトルク徐変部１０３に入力され、フェードゲイン信号Ｆ２は舵角指令値徐変部１００に入力される（ステップＳ２Ａ）。フェードゲイン信号Ｆ１及びＦ２によってそれぞれ、フェード処理時間及びフェードゲイン特性が設定される。特性演算部１４０は、下記数１に従ってフェードゲイン信号Ｆ１を算出し、下記数２に従ってフェードゲイン信号Ｆ２を算出する。
（数１）
Ｆ１＝Ａ１×ＦＧ（ｚ^−１）＋ＦＲ１
ただし、ＦＲ１は制御周期に変化するフェードの割合を決めるフェー
ドレート、Ａ１は指数の傾きを決める指数ゲインであり、ＦＧ（ｚ^−１
）はフェードゲインの過去値である。
（数２）
Ｆ２＝Ａ２×ＦＧ（ｚ^−１）＋ＦＲ２
ただし、ＦＲ２は制御周期に変化するフェードの割合を決めるフェー
ドレート、Ａ２は指数の傾きを決める指数ゲインであり、ＦＧ（ｚ^−１
）はフェードゲインの過去値である。

数１及び数２において、指数ゲインＡ１及びＡ２を“１．０”とした時、フェード特性は直線となる。また、操舵トルクＴｓに応じて指数ゲインＡ１、Ａ２を可変させることにより、フェード処理の時間、ゲインを制御する。時点ｔ２〜ｔ３のフェード処理においては、指数ゲインＡ１はトルク徐変に関連し、例えば図１７に示すように、操舵トルクＴｓの所定値Ｔ１１まで一定値Ａ１２であり、所定値Ｔ１１以上でかつ所定値Ｔ１２（＞Ｔ１１）以下において徐々に値Ａ１１（＜Ａ１２）まで減少し、所定値Ｔ１２より大きい領域で一定値Ａ１１となっている。また、指数ゲインＡ２は舵角指令値徐変に関連し、例えば図１８に示すように、操舵トルクの所定値Ｔ２１まで一定値Ａ２１であり、所定値Ｔ２１以上でかつ所定値Ｔ２２（＞Ｔ２１）以下において徐々に値Ａ２２（＜ａ２）まで増加し、所定値Ｔ２２より大きい領域で一定値Ａ２２となっている。

なお、図１７及び図１８における操舵トルクＴ１１及びＴ２１、操舵トルクＴ１２及びＴ２２は同一値であっても良く、また、減少特性及び増加特性は非線形や関数であっても良い。更に、手感に応じて自由にチューニングできるようにしても良い。

舵角指令値徐変部１００は、フェードゲイン信号Ｆ２に従って、位置／速度制御の徐変後舵角指令値θｍを実舵角θｒから徐々に舵角指令値θｔへ変化させる（ステップＳ３）。また、トルク徐変部１０３は、フェードゲイン信号Ｆ１に従って、トルクレベルを１００％から０％へ徐々に変化させる（ステップＳ４）。以後、フェード処理の終了（時点ｔ３）となるまで上記動作が繰り返される（ステップＳ５）。

なお、フェード区間（徐変時間）における位置／速度制御の指令値徐変とトルク制御のレベル徐変の順番は、任意である。また、図１６のタイミングチャートでは、操舵トルクＴｓに応じてフェード処理時間（時点ｔ２〜ｔ３）が可変することは示していない。

このようなフェード処理の終了となる時点ｔ３以降、トルク制御から自動操舵（位置／速度制御）へ切替わっていき、自動操舵が継続される（ステップＳ６）。

その後、自動操舵実行判定部１２０により自動操舵指令がＯＦＦされると（時点ｔ４）、或いは自動操舵中に運転者がハンドルを操舵し、操舵トルクＴｓがある閾値を超え、自動操舵指令がＯＦＦされると（時点ｔ４）、自動操舵終了となり（ステップＳ１０）、フェード処理が開始される（ステップＳ１１）。

この場合にも、特性演算部１４０で上記数１及び数２に従って、操舵トルクＴｓに基づいたフェードゲイン信号Ｆ１及びＦ２が演算され、フェードゲイン信号Ｆ２は舵角指令値徐変部１００に入力され、フェードゲイン信号Ｆ１はトルク徐変部１０３に入力される（ステップＳ１１Ａ）。

これにより、舵角指令値徐変部１００は、位置／速度制御の徐変後舵角指令値θｍを舵角指令値θｔから徐々に実舵角θｒへ変化させ（ステップＳ１２）、トルク徐変部１０３はトルクレベルを０％から１００％へ徐々に変化させる（ステップＳ１３）。このフェード処理は時点ｔ５まで継続され（ステップＳ１４）、フェード処理終了となる時点ｔ５以降、自動操舵から通常操舵のトルク制御へ切替わる（ステップＳ１５）。

この場合のフェード処理においても、上記数１及び数２によってフェードゲイン信号Ｆ２及びＦ１がそれぞれ演算される。つまり、今回のフェード処理では、下記数３及び数４の演算が行われる。
（数３）
Ｆ１＝Ａ２×ＦＧ（ｚ^−１）＋ＦＲ２
（数４）
Ｆ２＝Ａ１×ＦＧ（ｚ^−１）＋ＦＲ１

この場合のフェードゲイン信号Ｆ１の指数ゲインＡ２は図１８に示す特性となっており、フェードゲイン信号Ｆ２の指数ゲインＡ１は図１７に示す特性となっている。

なお、図１６では、位置／速度制御の舵角指令値フェード特性を指数曲線、トルク制御のトルク徐変を直線（線形）としているが、非線形特性、関数特性であっても良く、更には手感に応じて自由にチューニングできるようにすることもできる。図１６の時点ｔ３〜時点ｔ４の間は自動操舵区間であり、偏差０となっていることを示している。

自動操舵実行判定部１２０の動作例は図１５のフローチャートのようになっており、自動操舵実行判定部１２０内の演算部１２１はＣＡＮ等から舵角指令値θｔｃを入力し（ステップＳ２０）、舵角指令値θｔｃに基づいて角速度ωｔｃ及び角加速度αｔｃを演算する（ステップＳ２１）。角速度ωｔｃ及び角加速度αｔｃはマップ判定部１２２に入力され、車速Ｖｓもマップ判定部１２２に入力され（ステップＳ２２）、マップ判定部１２２は先ず車速Ｖｓに対応して、舵角指令値θｔｃが図１２（Ａ）に示す判定マップ＃１の特性値範囲内、つまり図１２（Ａ）の特性線の下側になっているか否かを判定し（ステップＳ２３）、判定マップ＃１の特性値範囲内であれば、次に車速Ｖｓに対応して、角速度ωｔｃが図１２（Ｂ）に示す判定マップ＃２の特性値範囲内、つまり図１２（Ｂ）の特性線の下側になっているか否かを判定する（ステップＳ２４）。そして、判定マップ＃２の特性値範囲内であれば、次に車速Ｖｓに対応して、角加速度αｔｃが図１２（Ｃ）に示す判定マップ＃３の特性値範囲内、つまり図１２（Ｃ）の特性線の下側になっているか否かを判定する（ステップＳ２５）。全ての判定対象が特性範囲内であれば、自動操舵実行判定部１２０は自動操舵指令をＯＮとし（ステップＳ３１）、舵角指令値θｔｃを舵角指令値θｔとして出力し、舵角指令値徐変部１００に入力する（ステップＳ３２）。

また、上記ステップＳ２３において、車速Ｖｓに対応して、舵角指令値θｔｃが図１２（Ａ）に示す判定マップ＃１の特性値範囲内にないとき、上記ステップＳ２４において、車速Ｖｓに対応して、角速度ωｔｃが図１２（Ｂ）に示す判定マップ＃２の特性値範囲内にないとき、上記ステップＳ２５において、車速Ｖｓに対応して、角加速度αｔｃが図１２（Ｃ）に示す判定マップ＃３の特性値範囲内にないときは、診断部１２３はその範囲外となった回数を所定の回数閾値と比較し、或いはその範囲外となった時間を所定の時間閾値と比較する（ステップＳ３０）。そして、閾値以下の場合には上記ステップＳ３１に移行して自動操舵指令をＯＮとする。また、回数や時間が閾値を超えた場合には、自動操舵指令をＯＦＦとし（ステップＳ３３）、舵角指令値θｔを遮断して出力しない（ステップＳ３４）。

なお、上記ステップＳ２３〜２５の順番は適宜変更可能である。

図１９に示すように自動操舵指令がＯＮしたとき（時点ｔ１０）、フェード処理が開始される。徐変後舵角指令値θｍは、実舵角θｒから舵角指令値θｔへ徐変される。実舵角θｒは、徐変後舵角指令値θｍに追従するように位置／速度制御されるため、位置／速度制御のトルク指令値を自動的に滑らかに変化させることができ、運転者にとって優しい手感となる。なお、図１９（Ｂ）は、位置の偏差分がトルクに現れていることを示している。

一方、図２０に示すように、自動操舵からトルク制御に切替わるフェード処理の際（時点ｔ２０）、時点ｔ２１以降において過大な操舵トルク変動が生じても、徐変後舵角指令値θｍを舵角指令値θｔから実舵角θｒへ徐々に変化させるため、過大な操舵トルク変動を自動的に位置／速度制御が補償する。これによって、運転者がハンドルを取られるようなこともなくなる。即ち、本発明では、図２０（Ａ）に示すように、実舵角θｒが徐変後舵角指令値θｍに追従するように位置／速度制御されるためピークの発生が遅れ、徐変後舵角指令値θｍと実舵角θｒの差分に応じて位置／速度制御トルク指令値Ｔｐが発生され、滑らかに収束している。しかしながら、従来の制御では、図２０（Ａ）の破線に示すように、トルクのピークから徐変が始まっているので滑らかに収束していない。また、トルク（加速度）を２回積分した位置θｒは、図２０（Ａ）に示す破線のような軌跡となり、ハンドルがより大きく動いてしまう。

なお、上述では、トルク制御から位置／速度制御へのフェード処理及び位置／速度制御からトルク制御へのフェード処理の両方で、操舵トルクに基づいてフェードゲイン特性を演算し、フェード処理（時間、ゲイン）を可変しているが、少なくとも位置／速度制御からトルク制御へのフェード処理において実行すれば良い。

本発明では更に図２１に示すように、位置／速度制御部１０１内において、運転者のハンドル手入力が妨げられないように、ハンドルの慣性や摩擦を補償する外乱オブザーバ１５０を設けている。また、外乱オブザーバ１５０は、運転者のトルク入力をモータの電流で推定し、手入力を高速度に検出するトルクセンサとしても機能する。

図１０の位置／速度制御部１０１は、図２１に示す位置／速度フィードバック制御部１７０及び外乱オブザーバ１５０で構成される。つまり、位置／速度制御部１０１の入力は徐変後舵角指令値θｍであり、出力は位置／速度制御トルク指令値Ｔｐであり、状態フィードバック変数は舵角θｒ及び舵角速度ωｒとなる。位置／速度フィードバック制御部１７０は、徐変後舵角指令値θｍと舵角θｒの舵角偏差を求める減算部１７１と、舵角偏差を位置制御する位置制御器１７２と、位置制御器１７２からの角速度と舵角速度ωｒの速度偏差を求める減算部１７３と、速度偏差を速度制御する速度制御器１７４とで構成されており、速度制御器１７４の出力は外乱オブザーバ１５０内の減算部１５４に加算入力されている。また、外乱オブザーバ１５０は、伝達関数“（Ｊ_２・ｓ＋Ｂ_２）／（τ・ｓ＋１）”で表わされる制御対象のステアリングの逆モデル１５１と、位置／速度制御トルク指令値Ｔｐを入力して帯域制限する伝達関数“１／（τ・ｓ＋１）”のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５２と、外乱推定トルクＴｄ＊を求める減算部１５３と、減算により位置／速度制御トルク指令値Ｔｐを出力する減算部１５４とで構成されている。

制御対象となるステアリングシステム１６０は、位置／速度制御トルク指令値Ｔｐに未知の外乱トルクＴｄを加算する加算部１６１と、伝達関数“１／（Ｊ_１・ｓ＋Ｂ_１）”で表わされるステアリングシステム１６２と、ステアリングシステム１６２からの角速度ωｒを積分（１／ｓ）して舵角θｒを出力する積分部１６３とで構成されている。舵角速度ωｒは位置／速度フィードバック制御部１７０にフィードバックされると共に、積分部１６３に入力され、舵角θｒは位置／速度フィードバック制御部１７０にフィードバックされる。

伝達関数のＪ_１はステアリングシステム１６２の慣性、Ｂ_１はテアリングシステム１６２の摩擦、Ｊ_２は逆モデル１５１の慣性、Ｂ_２は逆モデル１５１の摩擦、τは所定の時定数であり、下記数５及び数６の関係を有している。
（数５）
Ｊ_１≧Ｊ_２
（数６）
Ｂ_１≧Ｂ_２

外乱オブザーバ１５０は、ステアリングの逆モデル１５１とＬＰＦ１５２の出力差から、未知である外乱トルクＴｄを推定し、推定値として外乱推定トルクＴｄ＊を求める。外乱推定トルクＴｄ＊は減算部１５４に減算入力され、減算部１５４で速度制御器１７４の出力から減算されることにより、ロバストな位置／速度制御が可能としている。しかしながら、ロバストな位置／速度制御は運転者の介入に対して、ハンドルが止められない等の背反が生じる。これを改善するため、実際のステアリングシステム１６２が持つ慣性Ｊ_１、摩擦Ｂ_１以下の小さな慣性Ｊ_２と摩擦Ｂ_２をステアリングの逆モデル１５１として入力することにより、運転者が感じるハンドルの慣性や摩擦が見かけ上、小さくなる。これにより、運転者は自動操舵に対して容易に操舵介入が可能となる。

また、外乱オブザーバ１５０の外乱推定トルクＴｄ＊をモニタすることにより、トルクセンサの代わりに運転者の操舵トルクを検出することが可能となる。特にトルクセンサがディジタル信号である場合は、通信遅れ等の影響により、運転者の操舵介入の検出が遅れる場合がある。トルクセンサと同様に外乱推定トルクＴｄ＊が一定時間、閾値より大きな値を示した場合、操舵介入が行われたと判断して、フェード処理を行うことが可能である。

図２２（Ａ）及び（Ｂ）は外乱オブザーバ１５０を設けた場合の特性を、位置／速度制御からトルク制御へのフェード処理における角度及びトルクについて示している。運転者は、自動運転による舵角指令値θｔの向きに対して反対方向へハンドルを切って、自動操舵ＯＦＦ（フェード処理開始）となったら手を放す。図２２ではそのときの外乱オブザーバ１５０の特性について、慣性及び摩擦をＪ_１＞Ｊ_２かつＢ_１＞Ｂ_２の場合と、Ｊ_１＝Ｊ_２かつＢ_１＝Ｂ_２の場合とを示している。図２２（Ａ）は、外乱オブザーバ１５０を設けた場合の実舵角θｒの変化例を示し、図２２（Ｂ）は外乱オブザーバ１５０を設けた場合の操舵トルクＴｓ及び位置／速度制御トルク指令値Ｔｐの変化例を示している。

外乱オブザーバ１５０を設けることにより、より滑らかな操舵感が得られ、高速度な制御切替が可能となる。また、慣性と摩擦を小さくした方が、操舵介入を容易にできる。

１ ハンドル（ステアリングホイール）
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
２０、１３１ モータ
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
４０ ＣＡＮ
４１ 非ＣＡＮ
５０ 自動操舵指令装置
５１、１０１ 位置／速度制御部
５２、１２０ 自動操舵実行判定部
５３ トルク制御部
５４ トルク指令値徐変切替部
１００ 舵角指令値徐変部
１０２ トルク制御部
１０３ トルク徐変部
１３０ 電流制御系
１４０ 特性演算部

Claims (15)

1. 操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵を補助するアシストトルクを車両のステアリングシステムに付与するモータを制御するモータ制御装置とを有する電動パワーステアリング装置において、
   所定の切替え契機に従って、前記モータの制御方式を、モータ出力トルクを制御するトルク系のトルク制御方式と、前記操舵の舵角を制御する舵角系の位置／速度制御方式との間で切替える機能を具備し、
   前記操舵トルクに感応して、前記トルク制御方式から前記位置／速度制御方式に移行するフェード処理１を可変することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵を補助するアシストトルクを車両のステアリングシステムに付与するモータを制御するモータ制御装置とを有する電動パワーステアリング装置において、
   所定の切替え契機に従って、前記モータの制御方式を、モータ出力トルクを制御するトルク系のトルク制御方式と、前記操舵の舵角を制御する舵角系の位置／速度制御方式との間で切替える機能を具備し、
   前記操舵トルクに感応して、前記位置／速度制御方式から前記トルク制御方式に移行するフェード処理２を可変することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 前記所定の切替え契機のＯＮ／ＯＦＦ時に、前記操舵トルクに応じて、前記フェード処理１及びフェード処理２における前記トルク系のフェードゲインを付与するフェードゲイン信号Ｆ１と、前記フェード処理１及びフェード処理２における前記舵角系のフェードゲインを付与するフェードゲイン信号Ｆ２とを演算する特性演算部が設けられている請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記切替え契機がＯＮしたとき、前記フェード処理１が開始され、前記フェードゲイン信号Ｆ２によって、位置／速度制御の徐変後舵角指令値を実舵角から徐々に舵角指令値へ変化させ、トルク制御は、前記フェードゲイン信号Ｆ１によって、前記アシストトルクレベルを１００％から０％に徐々に変化させ、前記位置／速度制御方式で動作するようになっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記切替え契機がＯＦＦされたとき、前記フェード処理２が開始され、前記フェードゲイン信号Ｆ２によって、位置／速度制御の徐変後舵角指令値を舵角指令値から徐々に実舵角へ変化させ、トルク制御は、前記フェードゲイン信号Ｆ１によって、前記アシストトルクレベルを０％から１００％に徐々に変化させ、前記トルク制御方式で動作するようになっている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
6. フェードゲインの過去値をＦＧ（ｚ^−１）、指数ゲインをＡ１、フェードレートをＦＲ１として、前記フェードゲイン信号Ｆ１をＡ１×ＦＧ（ｚ^−１）＋ＦＲ１で算出する請求項４又は５に記載の電動パワーステアリング装置。
7. フェードゲインの過去値をＦＧ（ｚ^−１）、指数ゲインをＡ２、フェードレートをＦＲ２として、前記フェードゲイン信号Ｆ２をＡ２×ＦＧ（ｚ^−１）＋ＦＲ２で算出する請求項４又は５に記載の電動パワーステアリング装置。
8. 前記指数ゲインＡ１又はＡ２を前記操舵トルクに応じて変化させる請求項６又は７に記載の電動パワーステアリング装置。
9. 前記指数ゲインＡ１が、前記操舵トルクの所定値Ｔ１１まで一定値Ａ１２であり、前記所定値Ｔ１１以上でかつ所定値Ｔ１２（＞Ｔ１１）以下において徐々に値Ａ１１（＜Ａ１２）まで減少し、前記所定値Ｔ１２より大きい領域で一定値Ａ１１となっている請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。
10. 前記指数ゲインＡ２が、前記操舵トルクの所定値Ｔ２１まで一定値Ａ２１であり、前記所定値Ｔ２１以上でかつ所定値Ｔ２２（＞Ｔ２１）以下において徐々に値Ａ２２（＞Ａ２１）まで増加し、前記所定値Ｔ２２より大きい領域で一定値Ａ２２となっている請求項８に記載の電動パワーステアリング装置。
11. 前記所定の切替え契機を自動操舵実行判定部で行う請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
12. 前記自動操舵実行判定部が、
    舵角指令値を入力して角速度及び角加速度を演算する演算部と、
    前記舵角指令値、前記角速度及び前記角加速度をそれぞれ車速に対応する判定マップで判定するマップ判定部と、
    前記マップ判定部の判定結果に基づいて診断する診断部と、
    で構成されている請求項１１に記載の電動パワーステアリング装置。
13. ハンドルの慣性、摩擦を補償する外乱オブザーバが更に設けられている請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
14. 前記外乱オブザーバが、
    前記ステアリングシステムの逆モデルと帯域制限を行うＬＰＦの出力差から外乱推定トルクを推定するようになっている請求項１３に記載の電動パワーステアリング装置。
15. 前記ステアリングシステムの慣性及び摩擦の値が、前記逆モデルの慣性及び摩擦の値以上となっている請求項１４に記載の電動パワーステアリング装置。

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