(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のステアリング・シャフト又はステアリング・ギヤに対してトルクを付与するモータを備えた操舵機構と、前記モータを駆動制御する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、
前記車両の車速Ｖn 、及び運転者がハンドルに対して及ぼす操舵トルクτが、所定の「車両直進条件」を満たす際に、前記ハンドルの操舵角θH の中立位置を所定の統計操作に従って学習する中立位置学習手段と、
前記中立位置を基準として、前記操舵角θH に基づいて、ハンドル戻しトルクＴR を算出する第１ハンドル戻し制御手段と、
前記モータの回転角速度ωM に基づいて、ハンドル戻しトルクＴR を算出する第２ハンドル戻し制御手段とを有し、
少なくとも前記中立位置学習手段による前記中立位置の学習が１回完了するまでの間は、前記第２ハンドル戻し制御手段により前記ハンドル戻しトルクＴR を決定する
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記中立位置学習手段による前記中立位置の学習が完了した後は、前記ハンドル戻しトルクＴR を前記第１ハンドル戻し制御手段により決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両のステアリング・シャフト又はステアリング・ギヤに対してトルクを付与するモータを備えた操舵機構と、このモータを駆動制御する制御装置を有する電動パワーステアリング装置に関し、特に、ハンドル操舵の中立位置を学習する機能を有してハンドル戻し制御を実行する上記の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハンドル操舵の中立位置を学習する機能を有してハンドル戻し制御を実行する電動パワーステアリング装置としては、例えば、公開特許公報「特開平７−１３２８４５：学習機能付き電動パワーステアリング」に記載されているもの等が一般に知られている。
【０００３】
図７は、上記の従来技術により実施される中立位置学習機能を有するハンドル戻しトルク演算部の機能構成を例示するブロック図であり、本図における各符号は、Ｖn が車速、τがハンドルの操舵トルク、θH が外付けの舵角センサより入力されたハンドル回転角、ΘO が学習されたハンドル中立位置、ＴR がハンドル戻しトルク（指令値）をそれぞれ示すものである。
【０００４】
この様に上記の従来技術は、車速条件、操舵トルク条件、舵角条件等から判定することができる「車両が直進する条件」のもとで、操舵角の中立位置を学習し、所定の統計操作によりこの中立位置の精度を徐々に高くし、この操舵角に基づいてハンドル戻し制御を実行することにより、特に、低速走行時のハンドル戻し性能を十分に確保しようとするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術においては、学習により操舵角の中立位置ΘO の精度を長時間に渡り徐々に高くしていくことが可能であるものの、少なくともこの学習開始当初においては、制御不感帯の幅を概ね±１５°程度と非常に幅広く設定せざるを得ず、このため少なくとも上記の「車両が直進する条件」が所定回数満たされるまでの間は、上記の制御不感帯において全くハンドル戻し性能を確保することができないという問題があった。
【０００６】
パワーステアリングの機能は元来、運転者が車両を発進させようとしてから、この様な「車両が直進する条件」が満たされるに至るまでの走行期間中に特に必要とされるケースが多いため、この問題はハンドル戻しトルクを生成する上で、極めて重大と言わざるを得ない。
【０００７】
また、上記の従来技術では、ハンドル戻しトルクの設定例を図７のＴR ′のグラフに示す様に、上記の制御不感帯の外側において十分なハンドル戻し性能を確保するためには、この制御不感帯の幅が広い場合程、制御不感帯の境界付近（外側）において、ＴR ′の値を急激に変化させなくてはならなくなる。しかしながら、この様な設定を行うと、操舵角が制御不感帯を脱出した直後からハンドル戻しトルクが急増して、操舵に大きな違和感が生じるという問題が発生する。この問題は、中立位置ΘO の精度が徐々に高くなるにつれて徐々に解消可能となるものの、特に学習開始当初等においては顕著にならざるを得ない。
【０００８】
また、上記の従来技術においては、学習開始当初等の操舵角の中立位置ΘO の精度が非常に低いため、ハンドル戻しトルクＴR の左右対称性が、特に学習開始当初等では正確には保証されない。このため、中立位置ΘO の誤差が大きい場合には、一方に大きく偏った左右非対称の操舵感（ハンドル戻しトルク）が実現されてしまい、操作安定性の面で望ましくない。
【０００９】
また、上記の従来技術においては、舵角センサとして、減速ギヤ付近に外付けされた回転角センサが使用されているが、この様に舵角センサを構成した場合、部品点数や材料コストが抑制できず、生産コストの面で問題が生じる。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、運転者が車両を発進させようとした時から、常時適度なハンドル戻しトルクが生成可能な電動パワーステアリング装置を提供することであり、また、油圧式のパワーステアリング装置と同様の操舵感が得られる電動パワーステアリング装置を安価に提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、第１の手段は、車両のステアリング・シャフト又はステアリング・ギヤに対してトルクを付与するモータを備えた操舵機構と、このモータを駆動制御する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、車両の車速Ｖn 、及び運転者がハンドルに対して及ぼす操舵トルクτが所定の「車両直進条件」を満たす際にハンドルの操舵角θH の中立位置を所定の統計操作に従って学習する中立位置学習手段と、この中立位置を基準として操舵角θH に基づいてハンドル戻しトルクＴR を算出する第１ハンドル戻し制御手段と、モータの回転角速度ωM に基づいてハンドル戻しトルクＴR を算出する第２ハンドル戻し制御手段とを備え、少なくとも中立位置学習手段による中立位置の学習が１回完了するまでの間は、第２ハンドル戻し制御手段によりハンドル戻しトルクＴR を決定することである。
【００１６】
また、第２の手段は、上記の第１の手段において、中立位置学習手段による中立位置の学習が完了した後は、ハンドル戻しトルクＴR を第１ハンドル戻し制御手段により決定することである。
以上の手段により、前記の課題を解決することができる。
【００１７】
【作用及び発明の効果】
操舵角の中立位置ΘO の精度が非常に低い場合、即ち、中立位置学習手段による中立位置の学習が少なくとも１回完了するまでの間は、図７に示した様に制御不感帯の幅が相当に広いため、学習開始当初においては前記の課題が発生する。しかしながら、本発明の第１の手段を用いれば、この様な場合、ハンドル戻しトルクＴR はモータ回転角速度ωM （或いは、その関連値である操舵速度ωH 等）に基づいて決定できるため、ハンドルの操舵角θH が制御不感帯に位置する場合、即ち中立位置の学習開始当初等においても、おおよそ所望のハンドル戻しトルクＴR を生成することが可能となる。
【００２１】
また、本発明の第２の手段を用いれば、例えば凍結路等の低摩擦路面においてもハンドル戻し性能が十分に確保可能となると共に、勢い余ってハンドルが戻り過ぎてしまう所謂オーバーシュート現象も回避可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
図１は、本実施例の電動パワーステアリング装置１００のハードウエア構成図である。
【００２３】
ステアリングシャフト１０の一端には、ハンドル（ステアリングホイール）１１が取り付けられ、他端にはギヤボックス１２に軸承されたピニオン軸１３が結合されている。ピニオン軸１３は、ギヤボックス１２に嵌装されたラック軸１４に噛合され、また図示していないが、このラック軸１４の両端はボールジョイント等を介して図略の操向車輪に連結されている。また、ステアリングシャフト１０には、アシストトルクを付与するブラシレス直流モータＭ（以下、単に「モータＭ」という）が、２つの歯車１７を介して連結されている。
【００２４】
この直流モータＭには、モータ制御装置１１０の駆動回路１１３より、電流検出器１１５を介してＵ，Ｖ，Ｗの３相に対する各モータ駆動電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給される。
更に、ステアリングシャフト１０には、運転者からステアリングホイール（ハンドル）１１に加えられたマニュアル操舵力の大きさ及びその方向（操舵トルクτ）を検出するためのトルク検出器１５が設けられている。
【００２５】
また、モータＭには、その回転角を検出する同期用のレゾルバＲ／Ｄ（回転角センサ）が内蔵されており、ＣＰＵ１１１は、レゾルバＲ／Ｄが出力するモータＭの位相ｎ（６ビットの整数情報（０≦ｎ＜６３）。π／３２ラジアンを１単位とする。）を入力して、モータＭの回転角θM （位相：０≦θM ＜２π）を算出する。レゾルバＲ／Ｄはこの１単位の回転角をカウントする図略のカウンタを内蔵しており、ｎはモータＭが所定方向に回転した際には増加し、その逆方向に回転した際には減少する。ｎはモーターが１周する毎にオーバーフロー又はアンダーフローする数値である。
【００２６】
モータ制御装置１１０は、ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２ｂ、ＲＡＭ１１２ａ、駆動回路１１３、入力インターフェイス（ＩＦ）１１４、電流検出器１１５等から構成されている。駆動回路１１３は、図略のバッテリー、ＰＷＭ変換器、ＰＭＯＳ駆動回路等から構成され、チョッパ制御により駆動電流を正弦波にしてモータＭに電力を供給する。
【００２７】
モータ制御装置１１０のＣＰＵ１１１には、上記の位相ｎや、ハンドルの操舵トルクτの検出に利用されるトルクセンサ１５、車速Ｖn の算出に利用される車速計５０等からの出力信号（測定値）が入力インターフェイス（ＩＦ）１１４を介して入力される。ＣＰＵ１１１は、これらの入力値から所定のトルク計算に基づいて、モータＭが出力すべきトルク値（指令トルクＴ）を決定し、更に、この指令トルクＴに基づいてｄ軸とｑ軸の各電流指令値（ｉｄ* ，ｉｑ* ）を決定する。だだし、本実施例においては、「ｉｄ* ＝０」とする。
【００２８】
図２は、本実施例のモータＭを駆動制御するモータ制御装置１１０の論理的構成を示すブロック図である。本図２のトルク電流変換部２８０は、ｑ軸の電流指令値ｉｑ* を指令トルクＴに基づいて決定する制御ブロックであり、主にｉｑ* −Ｔマップ（テーブルデータ）等から構成されている。
【００２９】
指令トルク演算部２００は、角度検出部３１０により算出されたモータＭの位相θM や、操舵トルク演算部３３０により算出されたハンドルの操舵トルクτや、車速演算部３２０により算出された車速Ｖn や、操舵角演算部５００により算出された操舵角θH 等に基づいて、出力すべき所望のトルク（指令トルクＴ）の値を算出する。
例えば、角度検出部３１０は、レゾルバＲ／Ｄの出力値ｎに基づいて、次式（１）により、モータＭの回転角（位相）θM を算出する。
【数１】
θM ＝２πｎ／６４      （ｎは整数。０≦ｎ＜６３）          …（１）
【００３０】
指令トルク演算部２００は、主に、アシスト・トルクＴA を算出するアシストトルク演算部２１０と、慣性補償トルクＴK を算出する慣性補償トルク演算部２２０と、ダンパー・トルクＴD を算出するダンパー・トルク演算部２３０と、ハンドル戻しトルクＴR を算出するハンドル戻しトルク演算部２４０等から構成されている。指令トルク演算部２００は、次式（２）に従って、指令トルクＴを算出する。
【数２】
Ｔ＝ＴA ＋ＴK ＋ＴD ＋ＴR                                   …（２）
【００３１】
図３は、本実施例の中立位置学習部２４１の初回の学習完了前のハンドル戻しトルク演算部２４０の機能構成を示すブロック図である。中立位置学習部２４１は、車両のイグニッションキーがＯＮ状態にスイッチされてから、ハンドルの中立位置（操舵角のゼロ点）ΘO の学習を開始する。この学習は、車両の車速Ｖn 、及び運転者がハンドルに対して及ぼす操舵トルクτが所定の「車両直進条件」を満たす際に、ハンドルの操舵角θH をサンプリングし、このサンプルデータに基づいて所定の統計操作によって実行される。従って、このサンプル数が所定の数に達しない内は、ハンドル中立位置ΘO は中立位置学習部２４１から１度も出力されることがない。
【００３２】
この学習結果であるハンドル中立位置ΘO が、少なくとも１回（最初に）出力されるまでの間は、ハンドル戻しトルクＴR （指令値）は、操舵速度ωH に基づいて決定する。この操舵速度ωH は、操舵トルクτとモータ回転角θM に基づいて、操舵速度推定部２４２により算出される。この操舵速度ωH は、操舵トルクτの変化量より算出されるトルクセンサ１５のトーション・バーの回転角速度と、モータ回転角θM の変化量より算出されるピニオン軸１３の回転角速度の和として算出される。
【００３３】
更に、その後、中立位置の学習の少なくとも最初の１回が完了するまでの間は、ハンドル戻しトルクＴR は、次式（３）〜（５）に従って決定される。
【数３】
ＴR ＝Ｇ１・ＴR ″                                          …（３）
【数４】
Ｇ１＝ｇ１（Ｖn ）                                          …（４）
【数５】
ＴR ″＝ｆ１（ωH ）                                        …（５）
ただし、ここで、関数ｇ１、ｆ１は、例えば図３のデータマップ２４３、及びデータマップ２４４の様な形で定義されるものである。
【００３４】
この様に、中立位置の学習の少なくとも最初の１回が完了するまでの間、ハンドル戻しトルクの指令値ＴR を操舵速度ωH に基づいて決定すれば、従来大きく取らざるを得なかった制御不感帯においても、所望のハンドル戻しトルクをモータＭより出力することが可能となる。
【００３５】
また、中立位置の学習の少なくとも最初の１回が完了してから、より望ましくは、中立位置学習部２４１により学習されたハンドル中立位置ΘO の精度が十分に向上してから、その後の制御は、セルフ・アライニング・トルクによりハンドルが回転し難い、（即ち、路面反力によりモータＭが回転させられ難い、）凍結路等の低摩擦路面でも十分なハンドル戻し性能を発揮することが可能な、操舵角（ハンドル回転角）θH に基づいたハンドル戻し制御を実施する。
この操舵角θH に基づいた制御によれば、操舵速度ωH に基づく制御では補償し難い低摩擦路でのハンドル戻し性能も十分に確保できる様になり、同時に、ハンドルが過剰に戻ってしまう所謂オーバーシュート現象も回避することができる様になる。
【００３６】
即ち、より具体的には、この様な操舵角θH に基づいたハンドル戻しトルクの制御は、例えば図４のハンドル戻しトルク演算部２４０によって実現することができる。
図４は、本実施例の中立位置学習部２４１の学習完了後のハンドル戻しトルク演算部２４０の機能構成を示すブロック図である。
【００３７】
本図４に示す様に、ハンドルの操舵角θH のサンプル数が所定の数に達した後は、ハンドル中立位置ΘO は中立位置学習部２４１から出力される。
その後、ハンドル戻しトルクＴR は、次式（６）〜（９）に従って決定することができる。
【数６】
ＴR ＝Ｇ１・Ｇ２・ＴR ′                                    …（６）
【数７】
ＴR ′＝ｆ２（Θ）                                          …（７）
【数８】
Θ＝θH −ΘO                                               …（８）
【数９】
Ｇ２＝ｇ２（τ）                  （Θ＞０の時），
Ｇ２＝ｇ２（−τ）                （Θ＜０の時）            …（９）
ただし、ここで、関数ｆ２、ｇ２は、例えば図４のデータマップ２４５、及びデータマップ２４６（Θ＞０の時）の様な形で定義されるものである。
【００３８】
ここで、関数ｇ２は、本発明のハンドル戻しトルク制限手段を実現するものであり、運転者がハンドル戻し操作をゆっくり（或いは弱く）行った際や手放し状態の場合に、ゲインＧ２を１にする様に構成されている。このため、図４の方法、即ち、例えば図４の操舵判定マップ２４６を用いて実現することができる本発明の操舵状態判別手段とハンドル戻し電流制限手段（図４では、「Θ＞０」の場合を例示。）によれば、低速走行時にハンドルが切られている状態から、運転者がハンドル戻し操作をゆっくり（或いは弱く）行った際、及び手放し状態の場合にもハンドル戻しトルクＴR が有効となるので、油圧式のパワーステアリング装置と略同様の操舵感が実現できる。
【００３９】
また、図５（ｂ）に、本実施例の学習完了後のハンドル戻しトルク演算部２４０の操舵判定マップ２４６の変形例（操舵判定マップ２４６ｂ）を例示する。本グラフは、「Θ＞０」成る時の関数ｇ２の変形例である関数ｇ３の形を示すものである。この様に、τの絶対値｜τ｜が大きい場合には、ハンドル戻し時に、アシスト・トルクＴA とハンドル戻しトルクＴR との和が大きくなり過ぎない様に、Ｇ２の大きさを調整する方法も考えられる。この様な方法によれば、ハンドル戻し時に、モータＭが操舵系（操舵機構）に対してトルクを付与し過ぎると言う現象（オーバーシュート）をより確実に防止することができる。
【００４０】
また、この様な調整は、アシスト・トルクＴA を算出するアシスト・トルク演算部２１０（図１）の側で実施しても良い。例えば、アシスト・トルク演算部２１０の側に学習後の中立位置が調整済みの操舵角Θを入力する等の方法によれば、この様な調整は、上記の方法と略同様に実施することが可能である。
【００４１】
図６は、図１の操舵角演算部５００（操舵角推定手段）を実現する制御プログラム５００ａのフローチャートである。本制御プログラム５００ａでは、まず最初にステップ５２０により、角度検出部３１０（図１）にて式（１）に従って算出されたモータＭの回転角（位相）θM を用いて、この位相θM の前制御周期からの変化量Ｄ（＝θM −θ０）を求める。ただし、ここで、θ０は前制御周期における位相θM の値である。
【００４２】
次に、ステップ５３０では、変化量Ｄの大きさを判定し、πよりも大きければステップ５４０へ、そうでなければステップ５５０へ処理を移す。ステップ５４０では、変化量Ｄの値を２π減少させる（アンダーフロー時）。
ステップ５５０では、変化量Ｄの大きさを判定し、−πよりも小さければステップ５６０へ、そうでなければステップ５７０へ処理を移す。ステップ５６０では、変化量Ｄの値を２π増加させる（オーバーフロー時）。
【００４３】
ステップ５７０では、モータ回転角θm の値を、以上の処理で求めた変化量Ｄに基づいて、即ち、次式（１０）に従って算出する。
【数１０】
θm ＝θm ＋Ｄ                                            …（１０）
【００４４】
ステップ５８０では、ハンドル（ピニオン軸１３）の回転角θH を次式（１１）に従って算出する。ただし、ここで、Ｒはモータとハンドルとの間の減速比（図１の２つのギヤ（１７）の間のギヤ比）である。
【数１１】
θH ＝θm ／Ｒ                                            …（１１）
ステップ５９０では、今回の（現制御周期の）モータＭの位相θM を退避領域θ０に記憶する。
【００４５】
この様なオーバーフロー／アンダーフロー判定は、ハンドルの回転角速度（、即ち、操舵速度ωH ）の最大値ωHmaxと、本プログラム５００ａが定期的に実行される制御実行周期ｔ０が次式（１２）を満たす際に成立する。
【数１２】
π＞Ｒ・ωHmax・ｔ０                                      …（１２）
【００４６】
操舵速度ωH の最大値ωHmaxは、操舵機構の構成にも若干は依存するものの、これは通常人間が操作可能な操舵速度の最大値であるため、おおよそ２０〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕程度が普通である。従って、式（１２）から判る様に、減速比Ｒと制御実行周期ｔ０との積Ｒ・ｔ０の値が、π／ωHmaxを確実に下回る様にシステムを構成することにより、上記の本発明の操舵角推定手段を実現する、即ち、プログラム５００ａを有効に動作させることが可能となる。
より具体的には、例えば、Ｒ＝５、ｔ０＝１／１００〔ｓｅｃ〕程度に設定すれば、この様な条件を確実に満たすことが可能となる。
【００４７】
また、前記のレゾルバＲ／Ｄ（回転角センサ）の出力値ｎ（６ビット情報：０〜６３）は、モータＭの位相（０≦θM ＜２π）のみを表現するものであったが、この出力値ｎの情報量を例えば上位ビット側に３〜５ビット程度拡張すれば、プログラム５００ａで算出した前記のモータ回転角θm は、容易に、即ちオーバーフロー等の判定処理を省略して、ハードウェア（レゾルバＲ／Ｄ）より直截的に求めることも可能となる。
【００４９】
また、前記の所定の「車両直進条件」は、例えば学習回数等の学習履歴や学習結果に応じて動的に変化させても良い。その一例としては、例えば学習回数の増加と共に、「車両直進条件」の判定に用いられる車速の境界値を、最小３０ｋｍ／ｈｒ程度から最大５０ｋｍ／ｈｒ程度にまで徐々に増加させていく等の方法が挙げられる。例えばこの様な手段によれば、初期学習完了までの時間を短縮できると共に、学習履歴等に応じて学習精度の向上をも同時に図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わる電動パワーステアリング装置１００のハードウエア構成図。
【図２】本発明の実施例に係わる電動パワーステアリング装置１００のモータＭを駆動制御するモータ制御装置１１０の論理的構成を示すブロック図。
【図３】本発明の実施例に係わる中立位置学習部２４１の学習完了前のハンドル戻しトルク演算部２４０の機能構成を示すブロック図。
【図４】本発明の実施例に係わる中立位置学習部２４１の学習完了後のハンドル戻しトルク演算部２４０の機能構成を示すブロック図。
【図５】本発明の実施例に係わる、学習完了後のハンドル戻しトルク演算部２４０の操舵判定マップ２４６を例示するグラフ（ａ），（ｂ）。
【図６】本発明の実施例に係わる操舵角演算部（操舵角推定手段）５００を実現する制御プログラム５００ａのフローチャート。
【図７】従来技術による中立位置学習機能を有するハンドル戻しトルク演算部の機能構成を示すブロック図。
【符号の説明】
Ｍ  …  モータ
Ｒ／Ｄ  …  レゾルバ（モータＭの回転角センサ）
ｎ  …  レゾルバ出力信号
θM   …  モータ回転角（位相：０≦θM ＜２π）
θm   …  モータ回転角
θH   …  ハンドル回転角
ωH   …  操舵速度
ΘO   …  ハンドル中立位置
ＴR   …  ハンドル戻しトルク（指令値）
Ｔ  …  指令トルク
τ  …  操舵トルク
Ｖn   …  車速
１０  …  ステアリング・シャフト
１１  …  ステアリング・ホイール（ハンドル）
１００  …  電動パワーステアリング装置
１１０  …  モータ制御装置
１１１  …  ＣＰＵ
２００  …  指令トルク演算部
２４０  …  ハンドル戻しトルク演算部
２４１  …  中立位置学習部
２４６  …  操舵判定マップ（操舵状態判別手段とハンドル戻し電流制限手段に相当。図４では、「Θ＞０」の場合を例示。）
５００  …  操舵角演算部（操舵角推定手段）
５００ａ…  操舵角演算部（操舵角推定手段）を実現する制御プログラム
【図１】
0003721932.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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