WO2003059719A1

WO2003059719A1 - Appareil de commande d'appareil de direction assistee electrique

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Publication number: WO2003059719A1
Application number: PCT/JP2003/000067
Authority: WO
Inventors: Shuji Endo; Estiko Rijant; Hui Chen
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2004-07-09
Also published as: EP1470987A1; JP3838101B2; JP2003200844A; EP1470987A4; ATE461095T1; AU2003201912A1; EP1470987B1; DE60331722D1; US20050103561A1

Description

明細書電動パワーステアリング装置の制御装置技術分野

本発明は、ドライバの操作に応じて自動車の転舵用の車輪を転舵させるためのパワーステアリング装置に関し、特に路面情報、外乱情報等の加工と操舵安全性の設計を独立して設計でき、チューニングし易く、かつ安全で快適な操舵性能を得られる電動パワーステアリング装置に関する。背景技術

自動車のステアリング（舵取り）は、 .車室の内部に配された操舵手段の操作（一般的にはステアリングホイールの回転操作）を、 'ステアリング用の車輪（一般的,.には前輪）の操向のために車室の外部に配された舵取機構に伝えて行われる。

自動車用のステアリング機構としては、ポールねじ式、ラック * ピ二オン式等の種々の形式のものが実用,化されている。例えば、車体の前部に左右方向に延設されたラック軸の軸長方向の搐動を、左右の前輪に付設されたナックルアームに夕イロッドを介して伝える構成としたラック · ピニオン式のステアリング機構は、車室外に延びるステアリングホィ一ルの回転軸（ステアリングコラム）の先端に嵌着されたピニオンをラック軸の中途に形成されたラック歯に嚙合させ、ステアリングホイ一ルの回転をラック軸の軸長方向の摺動に変換して、ステアリングホイ一ルの回転操作に応じたステアリングを行わせる構成となっている。

また、近年においては、ステリング機構の中途に油圧シリンダ、電動モー夕等の操舵補助用のァクチユエ一夕を配設し、このァクチユエ一夕を、舵取りのためにステアリングホイールに加えられる操舵力の検出結果に基づいて駆動し、ステアリングホイ一ルの回転に応じたステアリング機構の動作（駆動）をァクチユエ一夕の出力によって補助し、運転者の労力負担を軽減する構成としたパワーステアリング装置が広く普及している。'

ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を第 8図に示して説明すると、ステアリングホイ一ル 1の軸 2は減速ギア 3、ュニバーサルョイント 4a及び 4b、ピニオンラック機構 5を経て操向車輪の夕ィロッド 6に結合されている。軸 2には操舵トルクを検出するトルクセンサ 1 0が設けられており、 .ステアリングホイール 1の操舵力を補助するモ一夕 2 0が減速ギア 3を介して軸 2に結合されている。パワーステァリング装置を制御するコントロールュニット 3 0には、ノッテリ 1 4 からィダニションキ一 1 1及びリレ一 1 3を経て電力が供給され、コントロールユニット 3 0は、トルクセンサ 1 0で検出された操舵トルク T、車速センサ 1 2で検出された車速 Vに基いてアシスト指令の操舵補助指令値 I の演算を行い、演算された操舵補助指令値 I に基いてモータ 2 0 に供給する電流を制御する。 '

コント口一ルユニット 3 0は主として C P Uで構成されるが、その C P U内部^おいてプログラムで実行される一般的な機能を示すと、第 9図のようになる。

コント口一ルユニット 3 0の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ 1 0で検出されて入力される操舵トルク Tは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器 3 1で位相補償され、位相補償された操舵トルク T Aが操舵補助指令値演算器 3 2に入力される。また、車速センサ 1 2で検出された車速 Vも操舵補助指令値演算器 3 2に入力される。操舵補助指令値演算器 3 2 ·は、入力された操舵トルク T A及び車速 Vに基いてモ一夕 2 0に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値 I を決定する。操跎補助指令値 I は減算器 3 0 Aに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォヮ一ド系の微分補償器 3 4に入力され、減算器 3 0 Aの偏差（ I — i ) は比例演算器 3 5に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算器 3 6に入力される。微分補償器 3 4及び積分補償器 3 6の出力も加算器 3 0 Bに加算入力され. 加算器 3 0 Bでの加算結果である電流制御値 Eが、モー夕駆動信号としてモ一夕駆動回路 3 7に入力される。モータ 2 0のモ一夕電流値 i はモ一夕電流検出回路 3 8で検出され、モー夕電流値 i は減算器 3 0 Aに入力されてフィードバックされる。

一方、第 8図の機構を伝達関数で表すと第 1 0図のようになる。第 1 0図において、ブロック 3 0 1はコント口一ルユニット 3 0の伝達関数 K ( s ) であり、ブロック 2 0 1は 1次遅れ関数の特性を有するモー夕 2 0の伝達関数であり、ブロック 2 0 2はモー夕 2 0のトルク係数 K_t を示している。ブロック 3 Aは減速ギア 3のギア比であり、ギア比の出力と操舵トルク Th が減算器 4 1 に入力され、加算器 4 2を経てピニオンラック機構 5の伝達関数 5 0 1 に入力される。伝達関数 5 0 1の出力である角速度 ωは積分要素 5 0 2を経て角度 0となり、角度 0 が車両のダイナミック特性 Kv(s)のプロック 4 3を経て減算器 4 2にフイードバックされている。また、角度 0はステアリングホイール角度 0 _h と共に減算器 4 4に入力され、その加算結果はトーシヨンバーのパネ係数（K_{t b}) 5 0 3を経て、' 操舵補助指令値演算器 3 2に相当する MA P4 0に入力され、 MAP 4 0の出力がコントロールュニット 3 0 1 に入力されている。

コントロールユニット 3 0 1の周波数応答特性は第 1 1図のようになつており、同図（A) はゲイン特性であり、同図（B) は位相特性である。更にトーシヨンバーのトルク特性は第 1 2図（A) であり、角度は同図（B) であり、それぞれ MAP40 のゲイン 1 Z 1 5 0、 1、 1 0、 5 0に従ってそれぞれ図示（ a)、（b)、（ c )、（d) のように変化する。第 1 2図は第 1 0図でチューニングした結果を示しており、フィードバック信号の MAP40 のゲインを 1 / 1 5 0、 1、 1 0、 5 0で変えた様子を示している。この結果から、ゲイン 1 / 1 5 0 、 1 、 1 0 、 5 0によって、その結果に余り差異がないのでチューニングし難いことが分かる。

従来の電動パワーステアリング装置では、口バスト安定化補償器により、システムの安定性と路面情報、外乱情報に対する処理とを同時に設計するようになっている。口バスト安定化補償器は例えば特開平 8— 2 9 0 7 7 8号公報に示されているような補償器であり、 sをラプラス演算子とする特性式 G(s) = (s ² + a l · s + a2)/(s ² + b l · s + b2)を有し、操舵トルク Tに含まれる慣性要素とパネ要素から成る共振系の共振周波数のピーク値を除去し、制御系の安定性と応答性を阻害する共振周波数の位相のずれを補償している。

しかしながら、 1つの補償器で複数の情報と複数の周波数領域の信号を処理することは、チューニング上では困難である。特に機械的又は電気的な特性が少しでも変わると、チューニングの時間が多くかかるという問題がある。また、かなり経験豊富な技術者でないと、' 同じ性能の装置が得られないという問題もある。，

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、チューニングし易く、安価な構成で、安定かつ快適な操舵フィーリングが得られる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

発明の開示

本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算手段で演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える前記モータを制御するようになつている電動パワーステアリング装置に関するもので、本発明の上記目的は、外乱オブザーバ構成によりセルファライニングトルクを推定するセルファライニングトルク推定部と、前記セルファライニングトルク推定部で推定されたセルファライニングトルク推定値に基づいて操舵反力の定義を行って前記操舵トルクにフィードパックする操舵トルクフィードバック部とを設けることによって達成される。

図面の簡単な説明第 1図は、本発明による S A T及び操舵トルクを用いたフィードバック制御系パワーステアリング装置の構成例（伝達関数）を示すブロック線図である。第 2図は、コントロールユニットの周波数応答例を示す図である。第 3図は、 S A T推定部の周波数特性例を示す線図である。第 4図は、フィ一リング特性部の静的特性部の特性例を示す図である。第 5図は、フィーリング特性部の動的特性部の特性例を示す図である。第 6図は、本発明の効果を説明するための図である。第 7図は、本発明の効果を説明するための図である。第 8図は、一般的な電動パワーステアリング装置の機構図である。第 9図は、電動パワーステァリング装置のコントロールュニット構成例を示すブロック図である。第 1 0は、第 8図で示すパワーステアリング装置の伝達関数系を示すブロック線図である。第 1 1図は、従来のコントロ一ルュニットの周波数特性を示す図であ'る。第 1 2図は、従来のト一シヨンバ一特性を示す図である。発明を実施するための最良の形態

本発明では、外乱オブザーバ構成によりセルファライニングトルクを推定するセルファライニングトルク推定部を設け、セルファライニングトルク推定部で推定されたセルファライニングトルク推定値とモータ回転（角度）信号又は角速度信号に基づいて操舵反力の定義を行って操舵トルクにフィードバックしている。また、本発明ではセルファライ二ングトルクを推定し、そのセルファライニングトルク推定値をトーションバーのトルク情報と共に操舵トルクにフィードバックしている。本発明のコントロールュニットは、システムの特性変動（例えば共振周波数）があってもシステムの安定性が確保できることで、ロバスト性を有している。そして、操舵反力の静特性の定義を、必要操舵力及びセルファライニングトルク推定値に基づいて決め、操舵反力の動特性の定義を、ドライバに伝えたい情報の周波数帯域の伝達関数のゲインを大きくし、ドライバに伝えたくない情報の周波数帯域の伝達関数のゲインを小さくするようにしている。このため、必要な操舵反力の定義を容易に行うことができ、安価な構成で安定かつ快適な操舵フィーリングを実現することができる。

' また、セルファライニングトルクの推定にモータ回転信号（又は角速度信号）及びモータ電流指令値を用いるようになっているので、モ一夕制御に使用されるモータ回転信号（又は角速度信号）を利用し、高精度かつ安価なセルファライニングトルク推定部の構成を実現できる。

第 1 図は本発明のブロック線図構成例を示しており、操舵トルク Th はコントロールュニット 1 0 0 (伝達関数： K(s)) に入力され、その出力であるモータ電流指令値 Ir が 1次遅れ関数のモ一夕 1 0 2 (伝達関数： 1/(T1 · s + 1 ))、モ一夕のトルク係数 1 0 3 (伝達関数： K _t )、減速ギアのギア比 1 0 4 (伝達関数： G _r ) を経て加算器 1 0 5に入力される。加算器 1 0 5の加算結果は減算器 1 0 6を経てピニオンラック機構 1 3 0 (伝達関数： 1/(J _{P t} · s + C _{p t} )) に入力される。ピニオンラック機構 1 3 0の出力であるモ一夕角速度 ωは積分要素 1 3 1 を経て角度 Θ となり、角度 0が車両のダイナミック特性 1 3 2 (伝達関数： Kv(s)) を経て減算器 1 0 6にフィ一ドバックされている。ピニオンラック機構 1 3 0の J p t はピニオンべ一ス慣性モーメントであり、 Cp t はピニォンベースダンピング係数である。また、角度 Θはステアリングホイ一ル角度 Θ _h と共に減算器 1 3 3に入力され、その加算結果はト一シヨンバーのパネ係数 1 3 4 (伝達関数： K _{t b} ) を経て加算器 1 3 5に入力され、加算器 1 3 5にはセルファライニングトルク推定部 1 1 0からのセルファライニングトルク推定値 ES が入力されている。セルファライニングトルク推定部 1 1 0は、モータ電流指令値 I r とモ一夕角速度 ωからセルファライニングトルク（SAT) の推定を行い、セルファライニングトルク推定部 1 1 0で推定されたセルファライニングトルク推定値 ES に基づいて操舵反力（味付け成分） AT の定義を行って、操舵トルク Th に減算器 1 0 1を介してフィードバックする操舵トルクフィードバック部 1 2 0が設けられている。

セルファライニングトルク推定部 1 1 0 は、モータ角速度 ωを入力して処理する要素 1 1 1 (Q/Pn)と、モ一夕電流指令値 Ir を入力して処理する要素 1 1 2 (M - Q)とを有し、要素 1 1 1 と要素 1 1 2 との偏差を減算器 1 1 3で求めてセルファライニングトルク推定値 ES として出力するようになっている。 Q(s)は低域通過フィルタを表しており、 Pn(s)はラック · ピニオンの理論上のモデルである。要素 1 1 1 は伝達関数 Q(s)と伝達関数 Pn— ¹で構成され、 Mはモータの伝達関数（ = \/{ _χ · s + 1 )) であり、 Q(s)との乗算で要素 1 1 2が形成されている。

要素 1 1 2の M · Qはモ一夕の電気的特性 Mに低域通過フィルタ Qを乗算するものであり、要素 1 1 1の Q/Pn は低域通過フィルタ Q を理想上のモデル Pn で除算したもである。セルファライニングトルク推定部 1 1 0がセルファライニングトルク推定値 ES を演算できる根拠は、下記の通りである。トルク Tmは下記（ 1 ) 式で表される。 Tm = M(s)XIr , … （ 1 )

ただし、 M(s) = (KtXGr)/(Tl · s+ 1 ) また、モータ角速度 ωは下記（ 2 ) 式で表される。 ω = P (s) X [Tm+ Ttb - SAT] … （ 2 )

ただし、 P (s) = l/(Jpt · s + Cpt) そして、セルファライニングトルク推定部 1 1 0 の構成より、セルファライニングトルク推定値 ESは下記（ 3 ) 式で表される。 ES = M · Q - Q/Pn ( 3 ) 従って、（ 3 ) 式に上記（ 1 ) 式及び（ 2 ) 式を代入すると、下記（ 4 ) 式となる。

ES = Q(s) XTm - Q(s) XP (s) X [Tm+ Ttb 一 SAT]/Pn(s)

= {Q(s) XTm 一 Q(s) X [P (s)/Pn(s) XTm] }

X {Q(s) X [P (s)/Pn(s)] X [SAT - Ttb]} … （ 4 ) そして、 Pn (s) P (s)となるようにピニオンラック機構 1 3 0のピニオンベース慣性モーメント Jp t 及びピニオンベースダンピング係数 Cp t の値を決めれば、次の関係が得られる。

ES = Q( s ) X [SAT - Ttb] ( 5 ) 従って、操舵フィ了ドバック部 1 2 0 に入力されるのは加算器 1 3 5の加算結果であるので、下記（ 6 ) 式となる。

SatE = ES + Ttb

= Q(s) XSAT + [1 - Q(s)] XTtb ( 6 ) 従って、 Q(s) = 1 の領域においては次式となる

SatE = SAT ( 7 ) 以上より、セルファライニングトルク SAT とセルファライニングトルク推定値 ES との関係は（ 5 ) 式で表され、セルファライニングトルク SAT と加算結果 S a tE との関係は（ 7 ) 式で表される。また、フィルタ Q、モータ特性 M、モデル Pn の特性はそれぞれ下記のように表せる。フィルタ Q(s)は角速度 ωを使用した場合、 TQ を時定数として

Q(s) = l/(Tq · s + 1) · … (8) で表され、角度 Θ を使用した場合、 b0， M を定数として

Q(s) = bl/(s² + bO · s + bl) … (9) で表され、いずれも高域遮断フィル夕である。そして、モータ特性 M(s)とモデル P (s)は

M(s) = Kt XGr/(Tl ■ s + 1). … (10)

P (s) = l/(Jpn . s + Cpn) … (11) で表せる ·。

以上のように操舵フィードバック部 1 2 0 に入力されるのは加算結果 SatE で、コントロールュニット 1 0 0 に入力されるのは操舵トルク Th と操舵フィ一ドバック部 1 2 0の出力である操舵反力 AT との偏差（AT- Th)で、本制御システムでは操舵トルク Th 及び S A T情報をフィードバック制御に利用している。 .

また、本発明ではコント口一ルユニット 1 0 0 の特性を、積分要素を含まない第 2 図のゲイン及び位相特性としており、低域では比例要素となっており、高域は遮断特性となっている。セルファライエングトルク推定部 1 1 0の特性は第 3図に示すようになつている。第 3 図では実際のセルファライニングトルク SAT (実線）と推定したセルファライニングトルク ES (破線）とを示している。更に、操舵トルクフィードバック部 1 2 0は動的特性部 1 2 1及び静的特性部 1 2 2で構成されており、動的構成部 1 2 1 は第 4図に示す特性を有しており、静的特性部 1 2 2 は第 5 図に示す特性を有している。静的特性部 1 2 2 はドライバが感じるトルグの味付けを行い、フィ一リング特性部の機能を有しており、本例ではゲイン gを表すものと曲線パターンを表すものとに分けている。第 4図において、領域 AR2 (角周波数 ω ₁〜ω ₂ ) はドライバに伝えたい情報の周波数帯域を示し、領域 AR1 (角周波数 0)ュ以下）及び領域 AR3 (角周波数 ω ₂ 以上）は抑制したい外乱情報の周波数帯域を示している。第 5図は目的とする静的特性であるが、実際には第 5図の特性をガバーするようにゲイン gを適当な範囲（1/150, 1， 10, 50) において変勣させている。

上述のような構成において、操舵トルク Th と操舵トルクフィードバック部 1 2 0の出力である操舵反力 AT との偏差（AT- ή)は減算器 1 0 1で求められ、その偏差（AT- Th)がコントロールュニット 1 0 0 に入力され、その出力であるモ一夕電流指令値 Ir がモ一タ 1 0 2 を駆動すると共に、外乱オブザーバ構成のセルファライニングトルク推定部 1 1 0 に入力される。コントロールュニット 1 0 0 はシステム全体の安定性を補償し、システムの特性変動（例えば共振周波数）があってもシステムの安定性を確保できることでロバスト特性を有している。コントロールュニット 1 0 0の伝達関数 K(s)の決定は Ρ I Dでも良く、試行錯誤でも構わない。 .モータ 1 0 2の出力はモ一夕トルク係数 1 0 3 (Kt)、ギア比 1 0 4 (Gr) を経て加算器 1 0 5 に入力され、その加算値が減^器 1 0 6 を経てピニオンラ.ック機構

1 3 0 (l/(Jpt · s + Cpt))に入力される。ピニオンラック機構 1 3 0の出力は積分要素 1 3 1 ( 1 / s ) を経て加算器 1 3 3 に入力されると共に、車両のダイナミツク特性を示す要素 1 3 2に入力され、その出力であるセルファライニングトルク SAT が減算器 1 0 6 に入力される。また、加算器 1 3 3 の加算結果は、トーシヨンバ一のバネ係数 1 3 4 (Ktb) を経て出力される。バネ係数 1 3 4 ( K t b) からの出力 T t b は加算器 1 3 5に入力されると共に加算器 1 0 5 にフィードバックされ、ピニオンラック機構 1 3 0 の出力であるモータ角速度 ωはセルファライニングトルク推定部 1 1 0 に入力きれている。そして、セルファライニングトルク推定部 1 1 0からのセルファライニングトルク推定値 ES は、加算器 1 3 5 を経て操舵トルクフィードバック部 1 2 0 に入力される。操舵トルクフィ一ドバック部 1 2 0 は、動的特性部 1 2 1 と人間が感じるトルクのフィーリング特性の静的特性部 1 2 2 とで構成されている。

本発明は電動パワーステアリング用のセルファライニングトルク及び操舵トルクを用いたフィードバック制御系を利用—しており、その要旨となるフィードバックのコント口一ルュニット 1 0 0は第 2図に示す周波数特性（ゲイン · 位相）に特徴付けられて積分要素を持たず、低域で比例特性を、高域で遮断特性を有している。操舵トルク Th はトーシヨンバーのトルクセンサで測定され、セルファライニングトルク S A Tは測定をしないで、オブザーバ構成のセルファライニングトルク推定部 1 1 1で推定される。推定されたセルファライニングトルク ES及び測定したセルファライニングトルク SATは第 3図に示すようになる。

コントロールユニット 1 0 0の特性 K ( s )を第 2図にした場合の結果は第 6 図のようになり、良好なものとなった。従来装置の結果を示している特性に比べ、ゲインの変化による差異が大きくなつており、チューニングし易いことが.分かる。これに対し、コントロールユニット 1 0 0の特性 K ( s )を第 3 図にすると、その結果は第 7図となり好ましくないことが分かる。つまり、第 7 図ではゲイン gを変えたときにト一シヨンバーのトルクが変わりますが、ピニオン角度も大きく変わってステアリングの追従性が悪くなり、チューニングし難くなる。第 6 図ではゲインを変えたときにトーションバーのトルクが規則正しく変わった上、ピニオン角度が大きく変化しないため、ステアリングの追従性が劣化することなく、チューニングし易い。

上述の例では角速度 ωをセルファライニングトルク推定に用いているが、角度を用いて推定することも可能である。産業上の利用可能性

本発明の自動車のパワーステアリング装置によれば、路面情報、外乱情報等の加工と操舵安定性の設計を独立的に設計できるようにしており、チューニングし易く、安定で安価であると共に、快適な操舵フィーリングが得られる。

Claims

Θ冃求の範囲

1 . ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算手段で演算された操舵補助指令値と、モータの電流値とから演算した電流制御値に基いてステアリング機構に操舵補助力を与える前記モータを制御するようになっている電動パヮ一ステアリング装置において、外乱ォブザ —バ構成によりセルファライニングトルクを推定するセルファライニング'トルク推定部と、前記セルファライニングトルク推定部で推定されたセルファライニングトルク推定値に基づいて操舵反力の定義を行って前記操舵トルクにフィ一ドバックする操舵トルクフィードバック部とを具備したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

2 . 前記操舵トルクフィードバック部の静特性の定義を、前記操舵反力及び前記セルファライニングトルク推定値に基づいて決めるようになつている請求の範囲第 1項に記載の電動パワーステアリング装置。

3 . 前記操舵トルク.フィードバック部操舵反力の動特性の定義を、ドラィバに伝えたい情報の周波数帯域の伝達関数のゲインを大きくし、ドラィバに伝えたくない情報の周波数帯域の伝達関数のゲインを小さくするようになつている請求の範囲第 1項に記載の電動パワーステアリング

4 . 前記操舵トルクと前記操舵トルクフィードバック部からの出力との偏差を入力するコントローラの特性を積分要素を含まず、低域において比例要素とし、高域において遮断要素としている請求の範囲第 1項に記載の電動パワーステアリング装置。

5 . 前記セルファライニングトルク推定部が、モー夕回転信号又は角速度信号とモー夕電流指令値とからセルファライニングトルクを推定するようになっている請求の範囲第 1項に記載の電動パワーステアリング 14