(57)【要約】【課題】簡易な構成で、セルフアライニングトルクの大きい車両においても段付き現象が解消されるとともにハンドル振動の周期が短くなることのない電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】目標電流設定部１２は、操舵トルクＴを受け取り電流目標値Ｉｔの算出基礎となる基本アシスト電流値Ｉｔ’を出力するアシスト電流設定部１２１と、操舵角速度ωを受け取りその微分値ｄω／ｄｔを出力する微分器１２２と、この微分値を受け取り電動モータ６の慣性付加に相当する補償電流値Ｉｊを出力する慣性付加補償部１２３と、上記基本アシスト電流値Ｉｔ’に補償電流値Ｉｊが加算された上記電流目標値Ｉｔを出力する加算器１２４とを含む。この慣性付加補償部１２３により慣性が増加されるように取り扱えるため、段付き現象が解消されるとともに、共振周波数が低くなることによりハンドル振動の周期を長くすることができる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記操舵トルクを検出するトルクセンサと、
前記操作手段の操作による操舵角変化の加速度である操舵角加速度を検出する操舵角加速度検出手段と、
前記電動モータに供給すべき電流の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記電流目標値と前記電動モータに流れる電流値との電流偏差に基づき、前記電動モータに対してフィードバック制御を行う制御手段と
を備え、
前記目標値設定手段は、
前記操舵角加速度に基づき前記電動モータの慣性付加に相当する補償電流値を設定する補償電流値設定手段と、
前記操舵トルクに基づき、前記操舵補助力を与えるために前記電動モータに供給すべき電流の目標値である基本アシスト電流値を算出し、当該基本アシスト電流値を前記補償電流値によって補正することにより前記電流目標値を算出する目標値算出手段と
を含むことを特徴とする、電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記補償電流値設定手段は、所定の車速以下のときに前記補償電流値を設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、電動モータによって車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が用いられている。この電動パワーステアリング装置では、操舵のための操作手段であるハンドルに加えられる操舵トルクを検出して当該操舵トルクを示すトルク検出信号を出力するトルクセンサが設けられており、そのトルクセンサからのトルク検出信号に基づき電動モータに流すべき電流の目標値が設定される。なお、この目標値の設定には、予め定められたトルク値と電流値との対応関係を示すテーブル（「アシストテーブル」と呼ばれる）が用いられる。そして、比例積分制御器によりこの目標値と電動モータに実際に流れる電流の検出値との偏差に基づき、電動モータの駆動手段に与えるべき指令値が生成される。電動モータの駆動手段は、その指令値に応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じてオン／オフするパワートランジスタを用いて構成されるモータ駆動回路とから成り、そのデューティ比に応じた電圧すなわち指令値に応じた電圧を電動モータに印加する。この電圧印加によって電動モータに流れる電流は電流検出回路によって検出され、上記目標値とこの検出値との差が上記指令値を生成するための偏差として使用される。
【０００３】
以上のように、従来の電動パワーステアリング装置では、電動モータに流すべき電流の目標値は操舵トルクに応じて決定されるが、さらに詳しくは、操舵トルクに応じて決定され操舵補助力を与えるために電動モータに流すべき電流の目標値（「基本アシスト電流値」と呼ばれる）に対して、電動モータの慣性モーメントの影響を低減するための補償を行う慣性補償電流値が加算されることにより、電動モータに流すべき電流の目標値が決定されることが多い。このような慣性補償により、電動モータの慣性による応答遅れが補償され、運転者の操舵フィーリングが向上する。
【０００４】
ここで、慣性補償は、操舵トルクの微分値や、電動モータの角加速度などに基づき行われる。例えば、特開平１０−３２９７４５号公報では、ハンドルの回転方向を判別することにより、ハンドルの戻り時にモータ角加速度および車速に基づく慣性補償を行う構成が開示されている。また、特開平７−１８６９９４号公報では、操舵トルクからハンドルの回転方向を判別することにより、ハンドルの戻り時に低車速領域でのモータ速度またはモータ角加速度に基づく慣性補償を行う構成が開示されている。なお、この従来例の構成では、ハンドルの戻り時に高車速領域での収斂制御（ダンピング制御）が行われている。この収斂制御は、モータの慣性モーメントによる影響を低減することにより、ハンドルの戻り時にハンドルが所定の中立位置を超えて回転することを防止する。これにより、車両の蛇行を未然に防止することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１８６９９４号公報
【特許文献２】
特開平１０−３２９７４５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記電動パワーステアリング装置では、車輪が直進方向に戻ろうとする力（「セルフアライニングトルク」と呼ばれる）が大きい車両、すなわちハンドルの戻りがきつい車両では、以下のような問題点がある。
【０００７】
まず、上記車両ではハンドルの戻りがきついため、運転者の予想を超えてハンドルが所望の位置より回りすぎて急に停止する、という挙動が繰り返されることがある。以下、このハンドルの不自然な回転挙動を段付き現象という。図６はこの段付き現象を示す図である。この段付き現象は、特に低車速であって操舵角度が大きい状態で、ハンドルから手を放す操舵操作（以下「手放し操作」という）が行われるときに顕著に生じる。この手放し操作やこれに類する操作は、車両をＵターンさせる場合や、低速で交差点を右左折させる場合に頻繁に行われる。よって、従来の電動パワーステアリング装置において生じる上記段付き現象は、操舵操作の操作性を悪化させる要因となる。
【０００８】
また、ハンドルの戻り時に、ハンドルが中立位置を超えて回転しさらに中立位置へ戻るという挙動が当該中立位置に収斂する減衰振動として繰り返されることがある。この振動を以下ではハンドル振動という。上記車両ではハンドルの戻りがきついため、このハンドル振動の周期が短くなる（周波数が高くなる）。具体的には、手放し操作時に車両が短い周期で左右に振れることになり、場合により運転者がその挙動に対して不安感または違和感を覚えることがあり得る。ここで上述の収斂制御を行う場合、ハンドル振動は低減されるが、ハンドルの回転が抑えられるためハンドルを切り込む際の操舵感が大きく犠牲になることがある。
【０００９】
さらに、上記電動パワーステアリング装置では、ハンドルの戻り時を判別するために操舵トルクからハンドルの回転方向を判別する手段が必要となるので、必ずしも簡易な構成とは言えない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、簡易な構成で、セルフアライニングトルクが大きい車両においても段付き現象が解消されるとともにハンドル振動の周期が短くなることのない電動パワーステアリング装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記操舵トルクを検出するトルクセンサと、
前記操作手段の操作による操舵角変化の加速度である操舵角加速度を検出する操舵角加速度検出手段と、
前記電動モータに供給すべき電流の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記電流目標値と前記電動モータに流れる電流値との電流偏差に基づき、前記電動モータに対してフィードバック制御を行う制御手段と
を備え、
前記目標値設定手段は、
前記操舵角加速度に基づき前記電動モータの慣性付加に相当する補償電流値を設定する補償電流値設定手段と、
前記操舵トルクに基づき、前記操舵補助力を与えるために前記電動モータに供給すべき電流の目標値である基本アシスト電流値を算出し、当該基本アシスト電流値を前記補償電流値によって補正することにより前記電流目標値を算出する目標値算出手段と
を含むことを特徴とする。
【００１２】
このような第１の発明によれば、補償電流値設定手段により電動モータの慣性を増加させることに相当する補償電流値が付加される。このことにより、典型的にはセルフアライニングトルクの大きい車両における段付き現象が解消されるため、操作手段の操作性を良好に保つことができる。また、共振周波数が低くなることにより、典型的にはセルフアライニングトルクの大きい車両においても操作手段の振動周期を長くすることができ、かつ振幅も小さくすることができるため、操作手段を切り込む際の操舵感を犠牲にすることなく、運転者が操作手段の挙動に対して不安感または違和感を覚えることがない状態を保つことができる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、
前記補償電流値設定手段は、所定の車速以下のときに前記補償電流値を設定することを特徴とする。
【００１４】
このような第２の発明によれば、低車速での操作手段の操作性を良好に保つことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
＜１．全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両構成と共に示した概略図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵のための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の回転角速度である操舵角速度を検出する操舵角速度センサ２と、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、この電動パワーステアリング装置が搭載される車両の車速を検出する車速センサ４と、ハンドル操作（操舵操作）による運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生させる電動モータ６と、そのモータ６の発生する操舵補助力をステアリングシャフト１０２に伝達する減速ギヤ７と、車載バッテリ８からイグニションスイッチ９を介して電源の供給を受け、操舵角速度センサ２、トルクセンサ３、および車速センサ４からのセンサ信号に基づきモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。
【００１６】
ここで、ステアリングシャフト１０２において、ハンドル１００側の部分と、減速ギヤ７を介して操舵補助トルクの加えられる部分との間にはトーションバーが介装されている。トルクセンサ３は、そのトーションバーのねじれを検出することにより操舵トルクを検出する。このようにして検出された操舵トルクの検出値Ｔは、操舵トルク検出信号としてトルクセンサ３から出力され、ＥＣＵ５に入力される。また、操舵角速度センサ２は、操舵角速度の検出値ωを示す信号を操舵角速度信号として出力する。さらに、車速センサ４は、車両の走行速度である車速の検出値Ｖを示す信号を車速信号として出力する。これらの操舵角速度信号および車速信号もＥＣＵ５に入力される。
【００１７】
このような電動パワーステアリング装置を搭載した車両において運転者がハンドル１００を操作すると、その操作による操舵トルクがトルクセンサ３によって検出され、その操舵トルクの検出値Ｔと車速センサ４によって検出された車速の検出値Ｖとに基づいてＥＣＵ５によりモータ６が駆動される。これによりモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力が減速ギヤ７を介してステアリングシャフト１０２に加えられることにより、操舵操作による運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクと、モータ６の発生する操舵補助力によるトルクとの和が出力トルクとして、ステアリングシャフト１０２を介してラックピニオン機構１０４に与えられる。これによりピニオン軸が回転すると、その回転がラックピニオン機構１０４によってラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームから成る連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１０８の向きが変わる。
【００１８】
＜２．制御装置の構成および動作＞
図２は、上記電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵ５の機能的構成を示すブロック図である。このＥＣＵ５は、モータ制御部として機能するマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略記する）１０と、そのマイコン１０から出力される指令値Ｄに応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路１８と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じた電圧をモータ６に印加するモータ駆動回路２０と、モータ６に流れる電流を検出する電流検出器１９とから構成される。
【００１９】
マイコン１０は、その内部のメモリに格納された所定のプログラムを実行することにより、目標電流設定部１２と減算器１４とフィードバック制御演算部（以下「ＦＢ制御演算部」と略記する）１６とからなるモータ制御部として機能する。このモータ制御部において、目標電流設定部１２は、操舵角速度センサ２から出力される操舵角速度の検出値ω（以下、単に「操舵角速度ω」という）と、トルクセンサ３から出力される操舵トルクの検出値Ｔ（以下、単に「操舵トルクＴ」という）と、車速センサ４から出力される車速の検出値Ｖ（以下、単に「車速Ｖ」という）とに基づき、モータ６に流すべき電流の目標値Ｉｔを決定する。この目標電流設定部１２の詳細な構成および動作については後述する。減算器１４は、この目標電流設定部１２から出力される電流目標値Ｉｔと電流検出器１９から出力されるモータ電流の検出値Ｉｓとの偏差Ｉｔ−Ｉｓを算出する。ＦＢ制御演算部１６は、この偏差Ｉｔ−Ｉｓに基づく比例積分制御演算によって、ＰＷＭ信号生成回路１８に与えるべきフィードバック制御のための上記指令値Ｄを生成する。
【００２０】
ＰＷＭ信号生成回路１８は、この指令値Ｄに応じたデューティ比のパルス信号、すなわち指令値Ｄに応じてパルス幅の変化するＰＷＭ信号を生成する。モータ駆動回路２０は、典型的にはバッテリ８の電源ラインと接地ラインとの間に接続される４個の電力用の電界効果型トランジスタからなるブリッジ回路であって、ＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比）に応じた電圧をモータ６に印加する。モータ６は、その電圧印加によって流れる電流に応じた大きさおよび方向のトルクを発生する。このように、電流目標値Ｉｔを受け取る減算器１４、ＦＢ制御演算部１６、ＰＷＭ信号生成回路１８、モータ駆動回路２０、およびモータ電流の検出値Ｉｓを減算器１４へ出力する電流検出器１９は、モータ６に対するフィードバック制御を行う制御手段を構成する。なお、上記電動モータ６はブラシ付きの一般的な直流モータであるが、本発明における駆動手段としての電動モータは、上記モータに限定されるものではなく、例えばブラシレスモータであってもよい。
【００２１】
＜３．目標電流設定部の詳細な構成および動作＞
図３は、上記一実施形態における目標電流設定部１２の構成を示すブロック図である。この目標電流設定部１２は、操舵トルクＴを受け取り、電流目標値Ｉｔを算出する基礎となる値であって操舵補助力を与えるために電動モータに流すべき電流の目標値である基本アシスト電流値Ｉｔ’を出力するアシスト電流設定部１２１と、操舵角速度ωを受け取りその微分値ｄω／ｄｔを出力する微分器１２２と、この微分値ｄω／ｄｔを受け取り電動モータ６の慣性を増加させることに相当する補償電流値Ｉｊを出力する慣性付加補償部１２３と、上記基本アシスト電流値Ｉｔ’に補償電流値Ｉｊを加算することにより上記電流目標値Ｉｔを出力する加算器１２４とを含む。なお、上記操舵トルクＴは、所定のパラメータを有する位相進み等のフィルタからなる図示されない位相補償器を通すことにより位相補償が行われてもよい。以下、目標電流設定部１２の各構成要素の動作について詳細に説明する。
【００２２】
なお、以下では、マイコン１０が所定のプログラムを実行することにより、目標電流設定部１２における各種構成要素がソフトウェア的に実現されるように構成されるが、これらの構成要素の一部または全部は、専用の電子回路等によりハードウェア的に実現されてもよい。
【００２３】
アシスト電流設定部１２１は、トルクセンサ３からの操舵トルクＴと車速Ｖとに基づき基本アシスト電流値Ｉｔ’を算出する。具体的には、適切な操舵補助力を発生させるためにモータ６に供給すべき電流目標値を算出する基礎となるべき基本アシスト電流値Ｉｔ’と操舵トルクＴとの関係を車速Ｖをパラメータとして示すアシストテーブルがアシスト電流設定部１２１に予め保持されており、アシスト電流設定部１２１は、このアシストテーブルを参照して基本アシスト電流目標値Ｉｔ’を設定する。このアシストテーブルは、車速Ｖが小さいほど、また操舵トルクＴが大きいほど基本アシスト電流値Ｉｔ’を大きくするように設定される。そうすれば、ハンドルが重いときほど操舵補助力が大きくなり、操舵操作が容易になる。
【００２４】
慣性付加補償部１２３は、微分器１２２から操舵角速度ωの微分値（ｄω／ｄｔ）すなわち操舵角加速度に基づき補償電流値Ｉｊを算出する。なお、慣性付加補償部１２３に操舵角加速度が与えられる構成であれば足りるため、上記微分器１２２が省略され、操舵角速度センサ２に代えて操舵角の角加速度を検知する操舵角加速度センサが設けられてもよいし、操舵角速度センサ２に代えてハンドルの回転角度である舵角θを検知する舵角センサが設けられ、上記微分器１２２に代えて舵角センサからの舵角に対して２階微分を行う２階微分器が設けられてもよい。また、操舵角速度センサ２に代えて、電動モータ６の回転角速度を検出または逆起電力により推定する手段が設けられることにより、操舵角速度を検出する手段が構成されてもよい。
【００２５】
この慣性付加補償部１２３には、具体的には、電動モータの慣性を増加させることに相当する補償を行うための補償電流値Ｉｊと操舵角加速度との関係を示すテーブルまたは補償電流値Ｉｊを算出するために操舵角加速度に乗算されるべき所定のゲインＫｊが予め保持されている。慣性付加補償部１２３は、このテーブルまたはゲインＫｊに基づき補償電流値Ｉｊを設定する。なお、このテーブルは、アシストテーブルと同様に、車速Ｖをパラメータとして上記関係を示すテーブルであってもよい。以上のように設定される補償電流値Ｉｊは、加算器１２４により基本アシスト電流値Ｉｔ’に加算され、当該加算値（加算結果）は電流目標値Ｉｔとして出力される。以下、慣性付加補償部１２３により行われる、段付き現象を解消しハンドル振動の周期を長くするための適切な補償につき詳述する。
【００２６】
＜４．慣性付加補償部の補償動作＞
上述のように、モータの慣性の影響を低減させるための慣性補償とは異なり、上記慣性付加補償部１２３により電動モータ６の慣性付加に相当する補償が行われるのは以下の理由による。本電動パワーステアリング装置のハンドル１００から車輪１０８までの機構の運動方程式は、ハンドル軸に換算した場合、一般的には次式（１）のように表される。
【数１】
2004255934.tif 000003
【００２７】
ここで、Ｔはトルクを示し、θは舵角を示し、Ｊはイナーシャ（慣性係数）を示し、ｃは粘性係数（ダンピング係数）を示し、ｋはバネ定数を示す。このＪが大きくなれば現実の慣性は変化しなくても慣性が大きくなったものとして取り扱うことができるため、ハンドルが所望の位置より回りすぎて急に停止する、という挙動が生じにくくなる。したがって、Ｊを大きくするように電動モータ６の制御を行うことにより、段付き現象の発生を防止することができる。
【００２８】
また、上式（１）に示す系の共振周波数ｆは、次式（２）のように示される。
【数２】
2004255934.tif 000004
【００２９】
この共振周波数ｆが低いほどハンドル振動の周波数が低くなる（すなわち周期が長くなる）ため、上式（２）のＪを大きくするように電動モータ６の制御を行うことにより、ハンドル振動の周期を長くすることができる。
【００３０】
そこで、慣性付加補償部１２３は、舵角θの２階微分値（または操舵角速度ωの微分値）である操舵角加速度が大きくなるにしたがって値が大きくなるような補償電流値Ｉｊを上記テーブルまたはゲインＫｊに基づき出力する。なお、上述のように車速がパラメータとして用いられてもよい。典型的には、低速時に（または車速が小さくなるにしたがって）補償電流値Ｉｊが大きくなるように上記テーブルが設定される。
【００３１】
図４は、慣性付加補償部１２３により段付き現象の発生が防止されることを示す図である。図中の点線は、慣性付加補償部１２３による上記補償が行われない場合の舵角の時間変化を示し、実線は、慣性付加補償部１２３による補償が行われる場合の舵角の時間変化を示す。図示されるように、慣性付加補償部１２３によって慣性が増加される（ように取り扱うことができる）ことにより舵角の時間変化は緩やかになるため、段付き現象が解消される。
【００３２】
図５は、慣性付加補償部１２３により短い周期のハンドル振動が防止されることを示す図である。図中の点線は、慣性付加補償部１２３による上記補償が行われない場合の舵角の時間変化を示し、実線は、慣性付加補償部１２３による補償が行われる場合の舵角の時間変化を示す。図示されるように、慣性付加補償部１２３によって慣性が増加される（ように取り扱うことができる）ことにより共振周波数は低くなり、かつ同一時刻における振幅（すなわちハンドルの中立位置からの舵角の大きさ）も小さくなるため、ハンドル振動の周期が長くなり、かつその振幅も小さくなる。
【００３３】
＜５．効果＞
以上のように、上記一実施形態によれば、慣性付加補償部１２３により慣性付加に相当する補償電流値Ｉｊが付加される。このようにして補正された操舵補助力が電動モータにより与えられるため、典型的にはセルフアライニングトルクの大きい車両における段付き現象が解消され、ハンドル操作の操作性を良好に保つことができる。また、上記補償により共振周波数が低くなるように補正された操舵補助力が電動モータにより与えられるため、典型的にはセルフアライニングトルクの大きい車両においてもハンドル振動の周期を長くすることができ、かつ振幅も小さくすることができる。そのため、ハンドルを切り込む際の操舵感を犠牲にすることなく、運転者がハンドルの挙動に対して不安感または違和感を覚えることがない状態を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。
【図２】上記一実施形態に係る電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】上記一実施形態における目標電流設定部の構成を示すブロック図である。
【図４】上記一実施形態における慣性付加補償部により段付き現象の発生が防止されることを示す図である。
【図５】上記一実施形態における慣性付加補償部により短い周期のハンドル振動が防止されることを示す図である。
【図６】従来の電動パワーステアリング装置において生じる段付き現象を示す図である。
【符号の説明】
２    …操舵角速度センサ
３    …トルクセンサ
４    …車速センサ
５    …電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６    …モータ
１０  …マイクロコンピュータ（モータ制御部）
１２  …目標電流設定部（目標値設定手段）
１４  …減算器
１６  …フィードバック制御演算部（ＦＢ制御演算部）
１８  …ＰＷＭ信号生成回路
１９  …電流検出器
２０  …モータ駆動回路
１２１  …アシスト電流設定部
１２２  …微分器
１２３  …慣性付加補償部（補償電流値設定手段）
１２４  …加算器
Ｉｔ  …電流目標値
Ｉｔ’…基本アシスト電流値
Ｉｓ  …電流検出値
Ｉｊ  …慣性補償電流値
Ｖ    …車速
Ｔ    …操舵トルク
θ    …舵角
ω    …操舵角速度
【図１】
2004255934.tif 000005
【図２】
2004255934.tif 000006
【図３】
2004255934.tif 000007
【図４】
2004255934.tif 000008
【図５】
2004255934.tif 000009
【図６】
2004255934.tif 000010