(57)【要約】      （修正有）【課題】チューニングし易くし、ブレーキジャダーやシミーの抑制を図って安全で快適な操舵性能が得られ、自動操舵モードにおいて、算出された目標操舵角に従って正確に操舵できると共に、目標操舵角が急操舵であっても円滑に操舵でき、低車速においても応答性若しくは定常偏差を上げることによって、目標操舵角に追従できる電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】モータ電流指令値を算出する舵角制御部２００と、切換部１４２とを具備し、舵角制御部２００がフィードバック制御電流指令値を生成するフィードバック制御部と、ＳＡＴ補償電流指令値を生成するＳＡＴ補償部と、フィードバック制御電流指令値及びＳＡＴ補償電流指令値からモータ電流指令値を生成する出力部とで構成され、自動操舵モード及び手動操舵モードの切換指令に応じて切換部が切り換えられ、自動操舵モード時にモータ電流指令値に基づいてモータを駆動制御する。【選択図】図７
2014054885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵トルク及び車速に基づいてモータ電流指令値１を演算し、前記モータ電流指令値１に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御すると共に、自動操舵モードと手動操舵モードとを切り換える機能を有する電動パワーステアリング装置において、
目標操舵角、実操舵角、前記モータのモータ角速度及びモータ角加速度、前記操舵トルク、前回電流指令値に基づいてモータ電流指令値２を算出する舵角制御部と、前記モータ電流指令値１及びモータ電流指令値２を入力して切り換える切換部とを具備し、
前記舵角制御部が、前記目標操舵角、前記実操舵角、前記モータ角速度及び前記操舵トルクに基づいてフィードバック制御電流指令値を生成するフィードバック制御部と、前記モータ角速度、前記モータ角加速度、前記操舵トルク及び前記前回電流指令値に基づいてＳＡＴ補償電流指令値を生成するＳＡＴ補償部と、前記フィードバック制御電流指令値及び前記ＳＡＴ補償電流指令値から前記モータ電流指令値２を生成する出力部とで構成され、
前記自動操舵モード及び手動操舵モードの切換指令に応じて前記切換部が切り換えられ、前記自動操舵モード時に前記モータ電流指令値２に基づいて前記モータを駆動制御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】
前記フィードバック制御部が、
前記目標操舵角を円滑化するレートリミッタと、前記レートリミッタの出力に接続されたＬＰＦと、前記ＬＰＦの出力と前記実操舵角との角度偏差を比例ゲイン倍する第１比例ゲイン部と、前記第１比例ゲイン部からの誤差速度と前記モータ角速度との速度偏差を積分して積分ゲイン倍する積分ゲイン部と、前記速度偏差を比例ゲイン倍する第２比例ゲイン部と、前記操舵トルクを微分して微分ゲイン倍する微分ゲイン部と、前記積分ゲイン部の出力と前記第２比例ゲイン部の出力との偏差値に前記微分ゲイン部の出力を加算して上下限値を制限して前記フィードバック制御電流指令値を出力する出力部とで構成されている請求項１に記載の電動パワーテアリング装置。
【請求項３】
前記ＳＡＴ補償部が、
前記操舵トルク、前記モータ角速度、前記モータ角加速度及び前回電流指令値に基づいてＳＡＴ推定電流値を算出するＳＡＴ推定部と、前記ＳＡＴ推定電流値を入力すると共に、角度応答周波数よりも高いカットオフ周波数特性を有するＬＰＦと、前記ＬＰＦの出力を車速可変ゲインで乗算して前記ＳＡＴ補償電流指令値を出力する車速感応ゲイン部とで構成されている請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項４】
前記ＳＡＴ推定部が、
前記モータ角速度に粘性摩擦係数を乗算する粘性摩擦係数部と、前記モータ角速度を符号化してクーロン摩擦を乗算する符号化クーロン摩擦部と、前記モータ角加速度に全慣性モーメントを乗算する全慣性モーメント部と、前記粘性摩擦係数部の出力及び前記符号化クーロン摩擦部の出力の加算値から前記操舵トルクを減算し、前記全慣性モーメント部の出力を加算して係数を乗算する出力係数部とで構成されている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項５】
前記車速感応ゲイン部の後段に、上下限値を制限するリミッタが接続されている請求項３又は４に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項６】
前記ＳＡＴ推定部が、
アシストトルクに相当する電流指令値及び前記操舵トルクを加算する加算部と、前記モータ角加速度に慣性を乗算した値を、前記加算部の加算結果から減算する第１減算部と、前記モータ角速度を符号化して摩擦を乗算した値を、前記第１減算部の減算結果から減算して前記ＳＡＴ推定電流値を出力する第２減算部とで構成されている請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項７】
前記車速感応ゲイン部の後段に、上下限値を制限するリミッタが接続されている請求項６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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動操舵モード（駐車支援モード）と手動操舵モードの機能を有し、車両の操舵系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、特に自動操舵モード時の実舵角の目標操舵角への追従性を一層向上した電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のステアリング機構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（ＥＰＳ）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。
【０００３】
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）１００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１００は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌ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流制御値Ｅによってモータ２０に供給する電流を制御する。なお、車速ＶｅｌはＣＡＮ（Controller  Area  Network）等から受信することも可能である。
【０００４】
このような電動パワーステアリング装置において、従来は例えば特開平８−２９０７７８号公報（特許文献１）に示すように、コントロールユニット１００内のロバスト安定化補償部により、システムの安定性と路面情報及び外乱情報の感度特性が同時に設計されるようになっている。
【０００５】
しかしながら、かかる従来の制御装置では、ステアリング中立点付近の操舵時の反力が小さいため、摩擦の影響により、路面情報をドライバに正確に伝えることが困難である。また、従来の電動パワーステアリング装置では、操舵角と操舵力との間のヒステリシス特性を、油圧式パワーステアリング並みの特性にすることが困難である。
【０００６】
このような問題を解決する装置として、特開２００２−３６９５６５号公報（特許文献２）に開示されているものがある。
【０００７】
特許文献２に開示されている装置の概略を、図１に対応させた図２に示して説明する。ステアリング装置の補助操舵力を発生するモータ２０はモータ駆動部２１によって駆動され、モータ駆動部２１は二点鎖線で示すコントロールユニット１００で制御され、コントロールユニット１００にはトルクセンサからの操舵トルクＴｈ及び車速検出系からの車速Ｖｅｌが入力される。モータ２０では、モータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉが計測されて出力される。
【０００８】
コントロールユニット１００は操舵トルクＴｈを用いて制御を行う破線で示すトルク系制御部１１０と、モータ２０の駆動に関連した制御を行う一点鎖線で示すモータ系制御部１２０とで構成されている。トルク系制御部１１０はアシスト量演算部１１１、微分制御部１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３、ロバスト安定化補償部１１４及びセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）推定フィードバック部１１５によって構成され、加算部１１６Ａ及び１１６Ｂ、減算部１１６Ｃを具備している。また、モータ系制御部１２０は補償部１２１、外乱推定部１２２、モータ角速度演算部１２３、モータ角加速度演算部１２４及びモータ特性補償部１２５で構成され、加算部１２６Ａ及び１２６Ｂを具備している。
【０００９】
操舵トルクＴｈはアシスト量演算部１１１、微分制御部１１２、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力され、いずれも車速Ｖｅｌをパラメータ入力としている。アシスト量演算部１１１は操舵トルクＴｈに基づいてアシストトルク量を演算し、ヨーレート収れん性制御部１１３は操舵トルクＴｈ及びモータ角速度ωを入力とし、車両のヨーの収れん性を改善するために、ハンドルが振れ回る動作に対してブレーキをかけるようになっている。また、微分制御部１１２はステアリングの中立点付近の制御の応答性を高め、滑らかでスムーズな操舵を実現するようになっており、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５は操舵トルクＴｈと、アシスト量演算部１１１の出力に微分制御部１１２の出力を加算部１１６Ａで加算した信号と、モータ角速度演算部１２３で演算された角速度ωと、モータ角加速度演算部１２４からの角加速度αとを入力してＳＡＴを推定し、推定したＳＡＴをフィードバックフィルタを用いて信号処理し、ハンドルに適切な路面情報を反力として与えるようになっている。
【００１０】
また、アシスト量演算部１１１の出力に微分制御部１１２の出力を加算部１１６Ａで加算した信号に、ヨーレート収れん性制御部１１３の出力を加算部１１６Ｂ７で加算した信号をアシスト量ＡＱとしてロバスト安定化補償部１１４に入力している。ロバスト安定化補償部１１４は例えば特開平８−２９０７７８号公報に示されている補償部であり、検出トルクに含まれる慣性要素とばね要素で成る共振系の共振周波数におけるピーク値を除去し、制御系の応答性と安定性を阻害する共振周波数の位相のズレを補償するものである。ロバスト安定化補償部１１４の出力からＳＡＴ推定フィードバック部１１５の出力を加算部１１６Ｃで加算することで、路面情報を反力としてハンドルに伝えることができるアシスト量Ｉａが得られる。
【００１１】
更に、モータ角速度演算部１２３はモータ端子間電圧Ｖｍ及びモータ電流値ｉに基づいてモータ角速度ωを演算するものであり、モータ角速度ωはモータ角加速度演算部１２４、ヨーレート収れん性制御部１１３及びＳＡＴ推定フィードバック部１１５に入力される。モータ角加速度演算部１２４では、入力されたモータ角速度ωに基づいてモータ角加速度αを演算し、演算したモータ角加速度αはモータ特性補償部１２５に入力される。モータ特性補償部１２５の出力Ｉｃに、ロバスト安定化補償部１１４の出力からＳＡＴ推定フィードバック部１１５の出力を減算したアシスト量Ｉａが加算部１２６Ａで加算され、その加算信号が電流指令値Ｉｒとして微分補償部等で成る補償部１２１に入力される。補償部１２１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定部１２２の出力を加算部１２６Ｂで加算した信号がモータ駆動部２１及び外乱推定部１２２に入力される。外乱推定部１２２は特開平８−３１０４１７号公報で示されるような装置であり、モータ出力の制御目標である補償部１２１で補償された電流指令値Ｉｒａに外乱推定部１２２の出力を加算した信号と、モータ電流値ｉとに基づいて、制御系の出力基準における希望するモータ制御特性を維持することができ、制御系の安定性を失うことがないようにしている。
【００１２】
ここで、路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を図３に示して説明する。ドライバがハンドル１を操舵することによって操舵トルクＴｈが発生し、その操舵トルクＴｈに従ってモータ２０がアシストトルクＴｍを発生する。その結果、車輪が転舵され、反力としてＳＡＴが発生する。また、その際、モータ２０の慣性Ｊ及び摩擦（静摩擦）Ｆｒによってハンドル操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、sign（）を符号関数として、下記数１のような運動方程式が得られる。
（数１）
J・α+Fr・sign(ω)+SAT=Tm+Th
ここで、上記数１を初期値ゼロとしてラプラス変換し、ＳＡＴについて解くと下記数２が得られる。
（数２）
SAT(s)=Tm(s)+Th(s)−J・α(s)−Fr・sign(ω(s))
上記数２から分るように、モータ２０の慣性Ｊ及び静摩擦Ｆｒを定数として予め求めておくことで、モータ角速度ω、モータ角加速度α、操舵補助力Tm及び操舵トルクＴｈよりＳＡＴを推定することができる。かかる理由より、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５には操舵トルクＴｈ、モータ角速度ω、モータ角加速度α、アシスト量演算部１１１の出力がそれぞれ入力されている。
【００１３】
また、ＳＡＴ推定フィードバック部１１５で推定したＳＡＴ推定電流値＊ＳＡＴをそのままフィードバックした場合、ステアリングが重くなり過ぎるため、操舵感覚を向上することはできない。そのため図４に示すように、車速感応ゲインと周波数特性を有するフィードバックフィルタ１１５Ａを用いてＳＡＴ推定電流値＊ＳＡＴを信号処理し、操舵感覚を向上するのに必要十分な情報のみをフィードバックしている。ここで用いるフィードバックフィルタは静特性ゲインとして、推定したＳＡＴの大きさを必要十分な値に減少させるゲインを持つＱフィルタ（位相遅れ）１１５Ｂと、図５に示すような車速Ｖｅｌに感応したゲイン部１１５Ｃを持ち、据え切りや低速走行といった路面情報の重要性が比較的低い場合には、フィードバックする路面情報を小さくしている。
【００１４】
上述の特許文献２に記載の装置では、抑制したい外乱が存在する周波数帯域と、伝えたい外乱が存在する周波数帯域とを両立するようにＳＡＴ推定のフィードバックを構成しているが、抑制したい外乱を積極的に打ち消すという機能はない。
【００１５】
一方、車両では、通常制動時及び定常走行時に、乗員に不快感を与えるブレーキジャダーとシミーが発生する。ブレーキジャダーは車両の制動時に発生するフロア・ペダル振動のことで、ステアリング回転方向に振動を伴う場合もある。ブレーキディスクのＤＴＶ(Disk Thickness Variation)により発生する制動トルク変動が起振源で、車輪の回転の１次成分及び高次成分を有する。これがサスペンションの前後の共振などで増幅され、車体やステアリングシステムを伝達して、フロア・ペダル振動やステアリング振動となる。また、シミーは車両走行時にステアリング回転方向に発生する振動のことであり、タイヤ、ホイールなどの回転部分のアンバランスやノンユニフォミティが起振源となり、サスペンション共振で増幅され、ステアリングシステムを介してステアリング回転方向の振動となる。
【００１６】
このようなブレーキジャダーやシミーについて特許文献２の装置では何ら考慮しておらず、また、特開２００２−１４５０７５（特許文献３）や特開２００２−１６１９６９（特許文献４）ではブレーキジャダーやシミーの振動を減衰させる装置を開示しているが、いずれも機械的な対応であり、コストアップになると共に、車速感応といったきめ細かな抑制ができないという問題がある。
【００１７】
更に、ステアリング系の慣性や摩擦が大きい場合はブレーキジャダーによる振動はハンドルまで伝わらないが、良好な操舵フィーリングや車両安定性のためには、ステアリング系の慣性や摩擦は極力小さいことが望ましい。
【００１８】
このような電動パワーステアリング装置において、近年駐車支援機能（パーキングアシスト）を搭載し、自動操舵モードと手動操舵モードとを切り換える車両が出現して来ており、駐車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、目標操舵角に従った自動制御が行われる。
【００１９】
ＷＯ  ２００８／１４６３７２（特許文献５）では、ハンドル角検出手段からのハンドル操舵角検出値と伝達特性とに基づき、副操舵角重畳機構により付加される目標副操舵角又は目標操向角を生成して、目標副操舵角と副操舵角検出手段からの副操舵角検出値とが一致するか、又は目標副操舵角と副操舵角検出手段からの副操舵角検出値とが一致するように、モータの目標駆動量を算出する目標駆動量算出手段と、目標駆動量に応じてモータを駆動するモータ駆動手段とを設け、運転者のハンドル操舵に応じて操向車輪を転舵させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平８−２９０７７８号公報
【特許文献２】特開２００２−３６９５６５号公報
【特許文献３】特開２００２−１４５０７５号公報
【特許文献４】特開２００２−１６１９６９号公報
【特許文献５】ＷＯ  ２００８／１４６３７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、特許文献５に記載の電動パワーステアリング装置では、目標操舵角に対してレート制限処理を行っていないので、目標操舵角が急激に変化した場合には、運転者の操舵感を害することになってしまう。また、車速に応じたゲイン制御を行っていないので、車速に対応した緻密な制御ができないという問題がある。
【００２２】
また、駐車支援、自動走行等の自動操舵モード時にはハンドルの舵角制御を行うが、車速、路面状況（傾斜、湿気等）等の影響により、タイヤが路面から受ける摩擦（ＳＡＴ）が変化することで、コラム軸角度の目標操舵角に対する実舵角の追従性が変化するという課題があり、かかる課題の解決も要請されている。
【００２３】
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、高周波数領域で路面情報等の信号処理を行うことにより、チューニングし易くし、ブレーキジャダーやシミーの抑制を図って安全で快適な操舵性能が得られ、自動操舵モード（駐車支援機能）において、算出された目標操舵角に従って正確に操舵できると共に、目標操舵角が急操舵であっても円滑に操舵でき、低車速においても応答性若しくは定常偏差を上げることによって、常に目標操舵角に追従できる電動パワーステアリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、操舵トルク及び車速に基づいてモータ電流指令値１を演算し、前記モータ電流指令値１に基づいてモータを駆動して操舵系をアシスト制御すると共に、自動操舵モードと手動操舵モードとを切り換える機能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、目標操舵角、実操舵角、前記モータのモータ角速度及びモータ角加速度、前記操舵トルク、前回電流指令値に基づいてモータ電流指令値２を算出する舵角制御部と、前記モータ電流指令値１及びモータ電流指令値２を入力して切り換える切換部とを具備し、前記舵角制御部が、前記目標操舵角、前記実操舵角、前記モータ角速度及び前記操舵トルクに基づいてフィードバック制御電流指令値を生成するフィードバック制御部と、前記モータ角速度、前記モータ角加速度、前記操舵トルク及び前記前回電流指令値に基づいてＳＡＴ補償電流指令値を生成するＳＡＴ補償部と、前記フィードバック制御電流指令値及び前記ＳＡＴ補償電流指令値から前記モータ電流指令値２を生成する出力部とで構成され、前記自動操舵モード及び手動操舵モードの切換指令に応じて前記切換部が切り換えられ、前記自動操舵モード時に前記モータ電流指令値２に基づいて前記モータを駆動制御することにより達成される。
【００２５】
本発明の上記目的は、前記フィードバック制御部が、前記目標操舵角を円滑化するレートリミッタと、前記レートリミッタの出力に接続されたＬＰＦと、前記ＬＰＦの出力と前記実操舵角との角度偏差を比例ゲイン倍する第１比例ゲイン部と、前記第１比例ゲイン部からの誤差速度と前記モータ角速度との速度偏差を積分して積分ゲイン倍する積分ゲイン部と、前記速度偏差を比例ゲイン倍する第２比例ゲイン部と、前記操舵トルクを微分して微分ゲイン倍する微分ゲイン部と、前記積分ゲイン部の出力と前記第２比例ゲイン部の出力との偏差値に前記微分ゲイン部の出力を加算して上下限値を制限して前記フィードバック制御電流指令値を出力する出力部とで構成されていることにより、或いは前記ＳＡＴ補償部が、前記操舵トルク、前記モータ角速度、前記モータ角加速度及び前回電流指令値に基づいてＳＡＴ推定電流値を算出するＳＡＴ推定部と、前記ＳＡＴ推定電流値を入力すると共に、角度応答周波数よりも高いカットオフ周波数特性を有するＬＰＦと、前記ＬＰＦの出力を車速可変ゲインで乗算して前記ＳＡＴ補償電流指令値を出力する車速感応ゲイン部とで構成されていることにより、或いは前記ＳＡＴ推定部が、前記モータ角速度に粘性摩擦係数を乗算する粘性摩擦係数部と、前記モータ角速度を符号化してクーロン摩擦を乗算する符号化クーロン摩擦部と、前記モータ角加速度に全慣性モーメントを乗算する全慣性モーメント部と、前記粘性摩擦係数部の出力及び前記符号化クーロン摩擦部の出力の加算値から前記操舵トルクを減算し、前記全慣性モーメント部の出力を加算して係数を乗算する出力係数部とで構成されていることにより、或いは前記ＳＡＴ推定部が、アシストトルクに相当する電流指令値及び前記操舵トルクを加算する加算部と、前記モータ角加速度に慣性を乗算した値を、前記加算部の加算結果から減算する第１減算部と、前記モータ角速度を符号化して摩擦を乗算した値を、前記第１減算部の減算結果から減算して前記ＳＡＴ推定電流値を出力する第２減算部とで構成されていることにより、或いは前記車速感応ゲイン部の後段に、上下限値を制限するリミッタが接続されていることにより、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、自動操舵モード（駐車支援機能）と手動操舵モードを有する車両において、カメラ（画像）や距離センサなどのデータから算出する目標操舵角を、車速を考慮して算出しているので、目標操舵角に対して正確に操舵することができると共に、運転者に違和感を与えることもない。また、急激な目標操舵角については円滑化して制御しているので、自動運転においても運転者に不安感を与えることもない。
【００２７】
更に、低車速においては制御ゲインを上げ応答性若しくは定常偏差を上げるようにしており、低車速においても目標操舵角に近づけることができる。
【００２８】
更にまた、ＳＡＴを推定し、この推定ＳＡＴを角度応答周波数よりも高いカットオフ周波数に設定したＬＰＦでフィルタリングし、フィルタリング後の値を車速に応じて設定された車速ゲインで乗算し、補償値として加算しているので、実舵角の目標操舵角への追従性を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】路面から操舵系までの間に発生するトルクの様子を示す模式図である。
【図４】フィードバック部の構成例を示すブロック図である。
【図５】フィードバックフィルタの特性例を示す図である。
【図６】本発明の原理を説明するための特性図である。
【図７】本発明の構成例を示すブロック図である。
【図８】舵角制御部の構成例を示すブロック図である。
【図９】フィードバック制御部の構成例を示すブロック図である。
【図１０】レートリミッタの一例を示すブロック構成図である。
【図１１】変化分設定部の構成例を示すブロック図である。
【図１２】ＳＡＴ補償部の構成例を示すブロック図である。
【図１３】車速感応ゲイン部の特性例を示す特性図である。
【図１４】本発明の動作例を示すフローチャートである。
【図１５】舵角制御部の動作例を示すフローチャートである。
【図１６】フィードバック制御部の動作例を示すフローチャートである。
【図１７】ＳＡＴ補償部の動作例を示すフローチャートである。
【図１８】ＳＡＴ補償部の他の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
駐車支援、自動走行等の自動操舵モード時にはハンドルの舵角制御を行うが、車速、路面状況（傾斜、湿気等）等の影響により、タイヤが路面から受ける摩擦（ＳＡＴ）が変化するので、コラム軸角度の目標操舵角に対する実舵角の追従性が変化してしまう問題がある。この問題に対して、本発明ではＳＡＴを推定し、この推定ＳＡＴを角度応答周波数よりも高いカットオフ周波数に設定したＬＰＦでフィルタリングし、フィルタリング後のＳＡＴ値を車速に応じて設定された車速ゲインで乗算し、補償値として電流指令値に加算することで、実舵角の目標操舵角への追従性を向上させている。
【００３１】
本発明では、ＳＡＴ補償部で生成されたＳＡＴ補償電流指令値からフィードバック制御部で生成されたフィードバック制御電流指令値を加算することで、タイヤが路面から受ける反力（ＳＡＴ）の影響を打ち消す方向にモータトルクを発生させている。これにより、舵角制御中に発生したＳＡＴ外乱の影響を抑制し、目標操舵角に対して舵角制御の追従性を向上させることができる。例えば駐車支援動作を挙げると、ＳＡＴはタイヤ対路面間の摩擦μに応じて変動し、これによって舵角の応答も変わるため、車両側として扱い難くなる。別の例を挙げると、自動走行中に車体左右方向に路面の傾きが生じた場合に、ＳＡＴがある一方向にかかるため、この影響により一時的に舵角が目標操舵角に対してずれを発生してしまう。これらの課題を解決するための手段として、フィードバック制御電流指令値からＳＡＴ補償電流指令値を減算することで、より追従性の良い舵角制御を可能にしている。
【００３２】
図６（Ａ）は舵角応答波形の一例を示し、図６（Ｂ）はＳＡＴ推定値波形の一例を示している。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、時間（秒）０から１秒後に、図６（Ｃ）に示すようなＳＡＴ外乱ステップが入力された場合の各応答波形を示している。本発明では、外乱の高周波成分をカットするＬＰＦ（ローパスフィルタ）を、外乱成分を抽出して打ち消す機能があるＳＡＴ推定値の補償経路に使用しており、ＬＰＦのカットオフ周波数Ｆｃの大きさによって、舵角応答波形及びＳＡＴ推定値波形が変化する。図６（Ｃ）に示すようなＳＡＴ外乱ステップが入力されると、図６（Ｂ）に示すＳＡＴ推定値波形では、ＬＰＦのカットオフ周波数Ｆｃが大きくなるに従って、矢印Ｂに示すように立ち上がりが大きくなり、高速に外乱を打ち消すことができる。これにより舵角は図６（Ａ）に示すようにＳＡＴ推定無しから矢印Ａのように変動し、カットオフ周波数Ｆｃを大きくするに従って舵角応答性を改善することができる。それ故、ハンドルが急に回転することを抑制することができる。
【００３３】
また、自動操舵モードと手動操舵モードを有する車両にあっても、タイヤを通して操舵系に伝わる路面反力（ＳＡＴ）は車速によって異なってくる。そのため、自動操舵モード時に、操舵を算出された目標操舵角に自動制御する際、車速により操舵角の応答が異なることになる。そこで本発明では、車速に応じて自動制御のモータ電流指令値を調整するようにし、タイヤが路面から受ける路面反力の影響を軽減するようにしている。更に、本発明では、目標操舵角にレートリミッタによる円滑化処理を施すようにしており、目標操舵角の急変時においてもハンドル操舵角の応答を和らげる効果を得ている。車速に関係なく、目標操舵角に対して正確に車両を移動させることができ、運転者に対してより安全である。
【００３４】
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。
【００３５】
図７は本発明の構成例を示しており、モータ１５０にはモータ回転角θｓを検出するためのレゾルバ等の回転センサ１５１が接続されており、モータ１５０は車両側のＥＣＵ１３０及びＥＰＳ（電動パワーステアリング装置）側のＥＣＵ１４０を介して駆動制御される。
【００３６】
車両側のＥＣＵ１３０は、運転者の意思を示すボタン、スイッチ等に基づいて、自動操舵モード又は手動操舵モードの切換指令ＳＷを出力する切換指令部１３１と、カメラ（画像）や距離センサなどの信号に基づいて目標操舵角θｔを生成する目標操舵角生成部１３２とを具備している。また、コラム軸に設けられた舵角センサ１５２で検出された実操舵角θｒ及び車速センサ１５３からの車速Ｖｅｌは、ＥＣＵ１３０を経てＥＰＳ側のＥＣＵ１４０内の舵角制御部２００に入力される。舵角センサ１５２はコラム軸（インターミディエイト、ピニオン軸を含む）、ラックアンドピニオンのラックの変位、車輪速度による舵角推定値であっても良い。また、車速ＶｅｌはＣＡＮ等から受信することも可能である
切換指令部１３１は、自動操舵モードに入ることを識別する信号、例えば運転者の意思をダッシュボードやハンドル周辺に設けたボタンやスイッチ、或いはシフトに設けた駐車モードなどによる車両状態の信号を基に切換指令ＳＷを出力し、切換指令ＳＷをＥＰＳ側のＥＣＵ１４０内の切換部１４２に入力する。また、目標操舵角生成部１３２は、カメラ（画像）、距離センサなどのデータを基に公知の手法で目標操舵角θｔを生成し、生成された目標操舵角θｔをＥＰＳ側のＥＣＵ１４０内の舵角制御部２００に入力する。
【００３７】
ＥＰＳ側のＥＣＵ１４０は、操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいて前述のように演算されたモータ電流指令値Ｉｔｒｅｆを出力するトルク制御部１４１と、目標操舵角θｔ、実操舵角θｒ、車速Ｖｅｌ、トルクセンサ１５４からの操舵トルクＴｈ、モータ角速度ω、モータ角加速度αに基づいて舵角自動制御のためのモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆを演算して出力する舵角制御部２００と、切換指令ＳＷによってモータ電流指令値Ｉｔｒｅｆ及びＩｍｒｅｆを切り換える切換部１４２と、切換部１４２からのモータ電流指令値（Ｉｔｒｅｆ又はＩｍｒｅｆ）に基づいてモータ１５０を駆動制御する電流制御／駆動部１４３と、回転センサ１５１からのモータ回転角θｓに基づいてモータ角速度ωを演算するモータ角速度演算部１４４と、モータ角速度ωに基づいてモータ角加速度αを演算するモータ角加速度演算部１４５とを具備している。切換部１４２は、ＥＣＵ１３０の切換指令部１３１からの切換指令ＳＷに基づいて、トルク制御部１４１によるトルク制御モード（手動操舵モード）と、舵角制御部２００による自動操舵モードとを切り換え、トルク制御モードではモータ電流指令値Ｉｔｒｅｆを出力し、自動操舵モードではモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆを出力する。また、電流制御／駆動部１４３は、ＰＩ電流制御部、ＰＷＭ制御部、インバータ等で構成されている。
【００３８】
舵角制御部２００の構成は図８に示すような構成となっており、目標操舵角θｔ、実操舵角θｒ、モータ角速度ω及び操舵トルクＴｈを入力してフィードバック制御電流指令値Ｉｆｒｅｆを演算して出力するフィードバック制御部２１０と、モータ角速度ω、操舵トルクＴｈ、モータ角加速度α及び前回電流指令値Ｉｒｅｆ（Ｚ−１）を入力してＳＡＴ補償電流指令値Ｉｓｒｅｆを演算して出力するＳＡＴ補償部２３０と、フィードバック制御電流指令値ＩｆｒｅｆにＳＡＴ補償電流指令値Ｉｓｒｅｆを加算してモータ電流指令値Ｉｍｏを出力する加算部２０１と、モータ電流指令値Ｉｍｏを電流指令値と加算してモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆを出力する加算部２０２とで構成されている。
【００３９】
フィードバック制御部２１０は、トーションバーとステアリング慣性により発生する捩り振動を抑制する機能を有する。また、加算部２０１及び加算部２０２で出力部を構成している。
【００４０】
フィードバック制御部２１０は図９のような構成となっており、速度制御ループ系をマイナーループとする位置制御系となっており、目標操舵角θｔが急激に変化した場合の平滑化、つまり所定時間変化率の範囲内で円滑に変化するようにするレートリミッタ２１１に目標操舵角θｔが入力され、高周波の外乱を除去するＬＰＦ２１２を経た目標操舵角θｔａが減算部２１３Ａに加算入力される。実操舵角θｒは減算部２１３Ａに減算入力され、平滑化された目標操舵角θｔａとの角度偏差が比例ゲイン（Ｋｐｐ）部２１４でゲインＫｐｐ倍され、誤差速度ωｅとして減算部２１３Ｂに加算入力される。減算部２１３Ｂにはモータ角速度演算部１４４からモータ角速度ωが減算入力され、演算された速度偏差Ｄｆが積分部２１６Ａを経て積分ゲイン（Ｋｖｉ）部２１６ＢでゲインＫｖｉ倍されて減算部２１３Ｃに加算入力されると共に、速度偏差Ｄｆは比例ゲイン（Ｋｖｐ）部２１６ＣでゲインＫｖｐ倍されて減算部２１３Ｃに減算入力される。減算部２１３Ｃでの減算結果は、加算部２１３Ｄに入力される。
【００４１】
トルクセンサ１５４からの操舵トルクＴｈは微分部２１５Ａを経て微分ゲイン（Ｋｃ）部２１５ＢでゲインＫｃ倍されて加算部２１３Ｄに入力され、加算部２１３Ｄでの加算結果がリミッタ２１７で上下限値を制限され、フィードバック制御電流指令値Ｉｆｒｅｆとして出力される。減算部２１３Ｃ、加算部２１３Ｄ及びリミッタ２１７で出力部を構成している。
【００４２】
レートリミッタ２１１は、目標操舵角θｔが急激に変化した場合に円滑化して出力するものであり、例えば図１０に示すような構成となっている。即ち、目標操舵角θｔは減算部２１１−１に加算入力され、過去値との減算結果である操舵角θｔ１が変化分設定部２１１−２で変化分θｔ２の設定をされる。変化分設定部２１１−２は、保持部（Ｚ−１）２１１−４からの過去値と入力（θｔ）の差分θｔ１を設定し、加算部２１１−３での変化分θｔ２と過去値との加算結果を新たな目標操舵角θｔ３として出力する。変化分設定部２１１−２は、変化分が設定された上限及び下限を超えないようにするものであり、その特性は演算周期Ｔ毎に入力（目標操舵角）θｔとの差分を求め、変化分設定部２１１−２の上限及び下限の範囲外の場合には、差分を過去値に加算することを繰返し行うことにより、図１１に示すような階段状に出力θｔ３を変化させて、最終的に出力θｔ３を目標操舵角θｔに一致させる。また、入力（目標操舵角）θｔとの差分が変化分設定部２１１−２の上限及び下限の範囲内の場合には、変化分θｔ２＝差分θｔ１を出力し、過去値に加算するので、その結果出力θｔ３と入力（目標操舵角）θｔは一致する。これらの結果、目標操舵角θｔが急激に変化しても、急激に変化する目標操舵角θｔを滑らかに変化させることができ、急激な電流変化（＝急激な操舵）を防止し、運転者に自動運転の不安感を減少させる機能を果たしている。
【００４３】
ＳＡＴ補償部２３０は、コラム軸回りの運動方程式からＳＡＴトルク（コラム軸換算）を求め、そのＳＡＴトルクに相当するモータ電流であるＳＡＴ推定電流値ＩＳＡＴを求める。そして、角度応答周波数よりも高いカットオフ周波数に設定されたＬＰＦにＳＡＴ推定電流値ＩＳＡＴを通し、更に車速で設定された車速感応ゲインで乗算してＳＡＴ補償電流指令値Ｉｓｒｅｆを得ている。
【００４４】
コラム軸回りの運動方程式からＳＡＴトルク（コラム軸換算）を求め、そのＳＡＴトルクに相当するＳＡＴ推定電流値ＩＳＡＴを求めると、下記数３のようになる。
【００４５】
【数３】
2014054885.tif 000003
ただし、Ｉｃはコラム軸に換算したコラム、ピニオンラック機構、タイヤの全慣性モーメント、ωｃはコラム軸角速度、Ｔｈは操舵トルク（トーションバーの捩りトルク）、ＴＦｒｃはコラム軸に作用するクーロン摩擦、ｃはコラム軸粘性摩擦係数、Ｋｔは電流値からコラム軸のトルクに変換する係数（モータトルク定数×減速比）である。
上記数３に基づくＳＡＴ補償部２３０は図１２のような構成となっており、モータ角速度ωは粘性摩擦係数（ｃ）部２３１に入力され、粘性摩擦係数ｃを乗算されて加減算部２３２Ａに加算入力されると共に、符号（ｓｉｇｎ）部２３３で符号化され、クーロン摩擦（ＴＦｒｃ）部２３４でをクーロン摩擦ＴＦｒｃを乗算されて加減算部２３２Ａに加算入力される。符号部２３３及びクーロン摩擦部２３４で符号化クーロン摩擦部を構成している。また、加減算部２３２Ａには操舵トルクＴｈが減算入力され、その加減算結果が加算部２３２Ｂに加算入力される。モータ角加速度α（ここでは、モータ角加速度αはコラム軸角加速度と等しいとしている）は全慣性モーメント（Ｉｃ）部２３５に入力され、全慣性モーメントＩｃを乗算されて加算部２３２Ｂに入力され、その加算結果が係数（１／Ｋｔ）部２３６に入力され、１／Ｋｔ倍されて減算部２３２Ｃに加算入力される。減算部２３２Ｃには前回電流指令値Ｉｒｅｆ（Ｚ−１）が減算入力され、その差が、ＳＡＴに相当するモータトルクを発生するＳＡＴ推定電流値ＩＳＡＴとして出力される。加算部２３２Ｂ、係数部２３６及び減算部２３２Ｃで出力係数部を構成している。
【００４６】
ＳＡＴ推定電流値ＩＳＡＴをそのまま電流指令値に加えると振動やノイズが発生し易くなるため、カットオフ周波数が舵角制御の応答周波数（例えば１Ｈｚ）よりも高い特性のＬＰＦ２３７でフィルタリングする。ＬＰＦ２３７のフィルタリング出力はゲイン（Ｇ）部２３８でゲインＧ倍される。ゲインＧ倍された電流値指令値はリミッタ２３９で上下限値を制限され、リミッタ２３９からＳＡＴ補償電流指令値Ｉｓｒｅｆが出力される。リミッタ２３９は必須の要素ではない。ゲイン部２３８は車速感応でも良く、車速感応ゲインのゲインＧ特性は、例えば図１３に示すように車速Ｖｅｌの上昇に従ってゲインＧが次第に小さくなる特性であれば良い。
【００４７】
このような構成において、全体の動作例を図１４のフローチャートを参照して説明する。
【００４８】
操舵系の動作がスタートすると、トルク制御部１４１によるトルク制御が実施され（ステップＳ１）、モータ電流指令値Ｉｔｒｅｆを用いて電流制御/駆動部１４３によりモータ１５０が駆動される（ステップＳ２）。上記動作は切換指令部１３１より切換指令ＳＷが出力されるまで繰り返される（ステップＳ３）。
【００４９】
自動操舵モードとなり、切換指令部１３１より切換指令ＳＷが出力されると、目標操舵角生成部１３２から目標操舵角θｔが入力され（ステップＳ４）、舵角センサ１５２から実操舵角θｒが入力され（ステップＳ５）、トルクセンサ１５４から操舵トルクＴｈが入力され（ステップＳ６）、車速センサ１５３から車速Ｖｅｌが入力され（ステップＳ７）、モータ角速度演算部１４４からモータ角速度ωが入力され（ステップＳ８）、更にモータ角加速度演算部１４５からモータ角加速度αが入力され（ステップＳ９）、舵角制御部２００でモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆが生成される（ステップＳ１００）。なお、目標操舵角θｔ、実操舵角θｒ、操舵トルクＴｈ、モータ角速度ω、モータ角加速度αの入力の順番は任意である。
【００５０】
その後、切換部１４２が切換指令部１３１からの切換指令ＳＷにより切り換えられ（ステップＳ１０）、舵角制御部２００からのモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆを用いて電流制御／駆動部１４３によりモータ１５０を駆動し（ステップＳ１１）、上記ステップＳ３にリターンする。モータ電流指令値Ｉｍｒｅｆによる駆動制御は、切換指令部１３１から切換指令ＳＷが変更されるまで繰り返される。
【００５１】
モータ電流指令値Ｉｍｒｅｆの生成は舵角制御部２００で行われ、舵角制御部２００でのモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆの生成動作は図１５のフローチャートのようになっている。
【００５２】
先ずフィードバック制御部２１０は目標操舵角θｔ、実操舵角θｒ、モータ角速度ω及び操舵トルクＴｈを入力し（ステップＳ１０１）、フィードバック制御電流指令値Ｉｆｒｅｆを生成する（ステップＳ１０２）。これと並行して、ＳＡＴ補償部２３０はモータ角速度ω、操舵トルクＴｈ、モータ角加速度α及び前回電流指令値Ｉｒｅｆ（Ｚ−１）を入力し（ステップＳ１０３）、ＳＡＴ補償電流指令値Ｉｓｒｅｆを生成する（ステップＳ１０４）。フィードバック制御電流指令値Ｉｆｒｅｆを加算部２０１に入力すると共に、ＳＡＴ補償電流指令値Ｉｓｒｅｆを加算部２０１に入力し（ステップｓ１０５）、加算結果である電流指令値Ｉｍｏ（＝Ｉｆｒｅｆ−Ｉｓｒｅｆ）を電流指令値と加算してモータ電流指令値Ｉｍｒｅｆを出力する（ステップＳ１０６）。
【００５３】
次に、フィードバック制御部２１０の動作を、図１６のフローチャートを参照して説明する。
【００５４】
目標操舵角θｔがレートリミッタ２１１に入力され（ステップＳ１１０）、レートリミッタ２１１で前述したようなレート制限動作が実行され（ステップＳ１１１）、ＬＰＦ２１２を経た目標操舵角θｔａが減算部２１３Ａに入力される。また、舵角センサ１５２から実操舵角θｒが入力され（ステップＳ１１２）、減算部２１３Ａで“θｔａ−θｒ”の減算が行われ（ステップＳ１１３）、減算値である角度偏差θｄが比例ゲイン部２１４でゲインＫｐｐ倍されて減算部２１３Ｂに加算入力される（ステップＳ１１４）。モータ角速度ωが減算部２１３Ｂに減算入力され、ゲインＫｐｐ倍された角速度との速度偏差が求められる（ステップＳ１１５）。減算部２１３Ｂで得られた速度偏差は、積分部２１６Ａ及び積分ゲイン部２１６Ｂで積分とゲインＫｖｉ倍されて減算部２１３Ｃに加算入力されると共に（ステップＳ１１６）、比例ゲイン部２１６Ｃで比例ゲインＫｖｐ倍されて減算部２１３Ｃに減算入力され（ステップＳ１１７）、減算部２１３Ｃで減算される（ステップＳ１１８）。
【００５５】
その後、操舵トルクＴｈを入力し（ステップＳ１２０）、操舵トルクＴｈを微分部２１５Ａで微分し、微分ゲイン部２１５Ｂで微分ゲインＫｃ倍して加算部２１３Ｃに入力する（ステップＳ１２１）。加算部２１３Ｄにおいて減算部２１３Ｃからの減算値と加算され（ステップＳ１２２）、リミッタ２１７で上下限値を制限され（ステップＳ１２３）、フィードバック制御電流指令値Ｉｆｒｅｆとして出力される（ステップＳ１２４）。
【００５６】
次に、ＳＡＴ補償部２３０の動作を、図１７のフローチャートを参照して説明する。
【００５７】
モータ角速度ω及び操舵トルクＴｈを入力し（ステップＳ１３０）、粘性摩擦係数部２３１でモータ角速度ωに粘性摩擦係数ｃを乗算し（ステップＳ１３１）、符号部２３３で符号化し、クーロン摩擦部２３４でクーロン摩擦ＴＦｒｃを乗算し（ステップＳ１３２）、粘性摩擦係数部２３１の出力及びクーロン摩擦部２３４の出力を加算すると共に、操舵トルクＴｈを加減算部２３２Ａで加減算する（ステップＳ１３３）。
【００５８】
次に、全慣性モーメント部２３５はモータ角加速度αを入力して全慣性モーメントＩｃを乗算し（ステップＳ１３２）、加算部２３２Ｂで加算する（ステップＳ１３５）。加算部２３２Ｂでの加算結果は係数部２３６で１／Ｋｔ倍して減算部２３２Ｃに加算入力し、別途入力（記憶）されている前回電流指令値Ｉｒｅｆ（Ｚ−１）を減算部２３２Ｃで減算する（ステップＳ１３７）。減算部２３２ＣからはＳＡＴに相当するモータトルクを発生するＳＡＴ推定電流値ＩＳＡＴとして出力され、ＳＡＴ推定電流値ＩＳＡＴをＬＰＦ２３７でフィルタリングし（ステップＳ１４０）、車速Ｖｅｌを入力してゲイン（Ｇ）部２３８でゲインＧ倍し（ステップＳ１４１）、更にリミッタ２３９で上下限値を制限し（ステップＳ１２２）、リミッタ２３９からＳＡＴ補償電流指令値Ｉｓｒｅｆを出力する（ステップＳ１４３）。
【００５９】
図１２のＳＡＴ補償部２３０は数３に基づいて構成したものであるが、図４で説明したＳＡＴ推定についても同様に構成することができる。図１８はその構成例を示しており、ＳＡＴ推定電流値＊ＳＡＴ（＝ＩＳＡＴ）を前述と同様な特性のＬＰＦ２３０−１、車速感応型のゲイン（Ｇ）部２３０−２及びリミッタ２３０−３によって、ＳＡＴ補償電流指令値Ｉｓｒｅｆを得ることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１                    ハンドル
２                    コラム軸（ステアリングシャフト）
１０、１５４          トルクセンサ
１２、１５３          車速センサ
１３                  バッテリ
２０，１５０          モータ
２１                  モータ駆動部
１００                コントロールユニット（ＥＣＵ）
１１０                トルク系制御部
１２０                モータ系制御部
１５１                回転センサ
１５２                舵角センサ
１３０                車両側のＥＣＵ
１３１                切換指令部
１３２                目標操舵角生成部
１４０                ＥＰＳ側のＥＣＵ
１４１                トルク制御部
１４２                切換部
１４３                電流制御／駆動部
１４４                モータ角速度演算部
１４５                モータ角加速度演算部
２００                舵角制御部
２１０                フィードバック制御部
２１１                レートリミッタ
２１１−２            変化分設定部
２１１−４            保持部
２１２、２３０−１、２３７      ＬＰＦ
２１４                比例ゲイン部
２１５Ａ              微分部
２１５Ｂ              微分ゲイン（Ｋｃ）部
２１６Ａ              積分部
２１６Ｂ              積分ゲイン（Ｋｖｉ）部
２１６Ｃ              比例ゲイン（Ｋｖｐ）部
２１７、２３９、２３０−３      リミッタ
２３０                ＳＡＴ補償部
２３１                粘性摩擦係数部
２３３                符号部
２３４                クーロン摩擦部
２３８                （車速感応）ゲイン部
【図１】
2014054885.tif 000004
【図２】
2014054885.tif 000005
【図３】
2014054885.tif 000006
【図４】
2014054885.tif 000007
【図５】
2014054885.tif 000008
【図６】
2014054885.tif 000009
【図７】
2014054885.tif 000010
【図８】
2014054885.tif 000011
【図９】
2014054885.tif 000012
【図１０】
2014054885.tif 000013
【図１１】
2014054885.tif 000014
【図１２】
2014054885.tif 000015
【図１３】
2014054885.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2014054885.tif 000018
【図１６】
2014054885.tif 000019
【図１７】
2014054885.tif 000020
【図１８】
2014054885.tif 000021