(57)【要約】【課題】電動モータを駆動し、ポンプを回転させることで操舵アシストを行う際、応答性の悪化及び自励振動を招くことなく、十分なアシスト力を得ることが可能なパワーステアリング装置を提供すること。【解決手段】電動モータを駆動し、ポンプを回転させることで操舵アシストを行うパワーステアリング装置において、前記モータから検出された電流値よりもトルク伝達経路における下流であって、前記パワーステアリング装置の舵角よりもトルク伝達経路における上流の間の状態量を検出する状態量検出手段を設け、アシスト操舵制御手段を、検出された操舵トルクに基づく第１アシスト操舵指令値を演算する第１アシスト操舵指令値演算部と、検出された状態量に基づく第２アシスト操舵指令値を演算する第２アシスト操舵指令値演算部とを有し、演算された第１アシスト操舵指令値及び第２アシスト操舵指令値を加算した値をアシスト操舵指令値として出力する手段とした。【選択図】        図３
2004168221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
検出された操舵トルクに基づきアシスト操舵力指令値を演算し、演算された指令値に基づき電動モータを駆動するアシスト操舵制御手段と、
前記電動モータにより駆動されるポンプと、
該ポンプの吐出圧をピストンで区切られたパワーシリンダの２室に導くことで操舵アシストを行う油圧系統を有する操舵アシスト手段と、
を備えたパワーステアリング装置において、
前記モータから検出された電流値よりもトルク伝達経路における下流であって、前記パワーステアリング装置の舵角よりもトルク伝達経路における上流の間の状態量を検出する状態量検出手段を設け、
前記アシスト操舵制御手段を、検出された操舵トルクに基づく第１アシスト操舵指令値を演算する第１アシスト操舵指令値演算部と、検出された状態量に基づく第２アシスト操舵指令値を演算する第２アシスト操舵指令値演算部とを有し、演算された第１アシスト操舵指令値及び第２アシスト操舵指令値を加算した値をアシスト操舵指令値として出力する手段としたことを特徴とするパワーステアリング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーステアリング装置において、
車速を検出する車速検出手段を設け、
前記第１アシスト操舵指令値の重みを設定する第１ゲインと、前記第２アシスト操舵指令値の重みを設定する第２ゲインを設け、
前記アシスト操舵制御手段に、前記第１ゲイン及び第２ゲインを検出された車速に応じて設定するゲイン設定部を設けたことを特徴とするパワーステアリング装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のパワーステアリング装置において、
前記状態量検出手段を、前記パワーシリンダの２室の差圧を検出する手段としたことを特徴とする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、電動モータでポンプを駆動することで操舵アシストするパワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーステアリング装置にあっては、操舵トルクを検出するトルクセンサの出力に基づき電動モータを駆動してオイルポンプを駆動し、ピストンで区切られたパワーシリンダの２室の一方の室の油圧を高めることで操舵アシストするよう構成された技術が開示されている（特許文献１参照）。また、他のパワーステアリング装置としては、電動モータを駆動して直接ステアリング機構にアシストトルクを付与するよう構成されているものも開示されている（特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２９０７７９号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平４−１５１３７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、特許文献２に記載の電動パワーステアリング装置は、モータをステアリング機構の近辺に配置しなければならず、レイアウト自由度が低い。これに対し、特許文献１に記載の電動ポンプ式のパワーステアリング装置は、従来の装置をそのまま利用することが可能で、更に、モータをステアリング機構と離れた位置に配置することが可能となり、構成のコンパクト化を図ることができると共に、車両への搭載性もよい。よって、電動ポンプ式のパワーステアリング装置を適用することを考えると、上述の特許文献１に記載のパワーステアリング装置のようにモータを駆動し、オイルポンプを回転させるパワーステアリング装置にあっては、指令値に基づきモータを駆動する際、いわゆる特許文献２に記載の直接ステアリング機構を駆動する電動パワーステアリング装置に比べて応答が遅くなる。これは、ポンプの油のリークにより油圧の立ち上がりが遅れること等が挙げられる。よって、この対策としてモータの回転駆動制御をトルクセンサの出力に比例して行うにあたり、十分なアシスト力を得るために比例ゲインを上げることが考えられる。しかしながら、比例ゲインを大きくするとトルク変化に対するモータ回転駆動制御指令値の変化が大きくなり、系によって定まる高周波振動が増幅され、脈動が発生して自励振動が発生するという問題があった。また、比例ゲインを下げることで自励振動は収まるが、モータの指令値の上がりが小さくなるため、十分なアシスト力が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述の問題点に着目してなされたもので、電動モータを駆動し、ポンプを回転させることで操舵アシストを行う際、応答性の悪化及び自励振動を招くことなく、十分なアシスト力を得ることが可能なパワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため請求項１記載の発明では、電動ポンプ式のパワーステアリング装置において、状態量検出手段が設けられている。この状態量とはモータから検出された電流値よりもトルク伝達経路における下流であって、前記パワーステアリング装置の舵角よりもトルク伝達経路における上流の間の状態量を検出する。そして、アシスト操舵指令値を演算する際、検出された操舵トルクに基づく第１アシスト操舵指令値を演算し、検出された状態量に基づく第２アシスト操舵指令値を演算し、演算された第１アシスト操舵指令値及び第２アシスト操舵指令値を加算した値をアシスト操舵指令値として出力する。
【０００８】
すなわち、本願発明においては、通常の運転者の通常の操舵による低周波領域ではアシストトルクを大きくし、パワーステアリング装置の系によって定まる高周波領域では自励振動を抑制したい。よって、アシストトルクを演算する際の操舵トルクに基づく第１アシスト操舵指令値と、状態量に基づく第２アシスト操舵指令値とに分けてアシストトルクを算出することとした。低周波領域では、指令値に対する応答遅れが小さいため、第１アシスト操舵指令値と第２アシスト操舵指令値の間には、位相にさほどの違いはない。よって、ほぼ同位相で指令値が加算され、大きなアシストトルクを得ることができる。次に、系によって定まる高周波領域では、操舵指令値に対する応答遅れが大きい。この遅れが位相で３６０°遅れると、自励振動を引き起こす。よって、系の途中に存在し、位相で好ましくは９０°〜２７０°程度の遅れであると推定される状態量を検出し、この状態量に基づいて第２アシスト操舵指令値を演算する。すると、第１操舵指令値に対して位相で９０°〜２７０°程度遅れた第２指令値が加算され、これらが打ち消し合うことによって、自励振動を抑制することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、低車速時のようにタイヤの転がり抵抗が大きいときには第１ゲインを大きく設定することで十分なアシストトルクを発生させ、高車速時のように運転者の操舵量が小さく、タイヤの転がり抵抗が小さいときには第２ゲインを大きく設定することで、系によって定まる高周波による自励振動を確実に防止することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、状態量としてパワーシリンダの２室の差圧を用いた。これにより、図４のゲインと位相の関係に示すように、低周波領域ではゲインが大きく設定され、十分なアシストトルクを得ることができると共に、高周波領域ではゲインが小さく設定され、自励振動を抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の請求項１及び請求項３に対応する実施の形態１におけるパワーステアリング装置の全体構成を表すシステム図である。まず、構成について説明すると、１はステアリングホイール、２はステアリングシャフト、３はラックアンドピニオン式ギア機構、５は運転者の操舵力をアシストするパワーステアリング機構、６は電動モータ６ａにより駆動する外接ギア型のオイルポンプ、７は操舵輪、１０はステアリングコントロールユニット（以下、ＳＢＷＣＵと記載する）である。
【００１２】
パワーステアリング機構５の油圧源であるオイルポンプ６は、パワーシリンダ５ａの第１シリンダ室５１及び第２シリンダ室５２を連通する油圧管６１に設けられている。運転者がステアリングホイール１を操作すると、操作方向に応じて電動モータ６ａの回転方向が切り換えられ、第１シリンダ室５１と第２シリンダ室５２との間の油を給排することで運転者の操舵力をアシストする。具体的には、図中ステアリング１を右に操舵すると、第２シリンダ室５２から第１シリンダ室５１に油圧が供給される方向に電動モータ６ａが駆動することでアシストする。
【００１３】
油圧管６１には、第１シリンダ室５１の油圧を検出する第１油圧センサ１３と第２シリンダ室５２の油圧を検出する第２油圧センサ１４が設けられている。また、ステアリングシャフト２には、運転者の操舵角を検出する操舵角センサ１２が設けられている。
【００１４】
図２はＳＢＷＣＵ１０を含むパワーステアリング装置の制御構成モデルを表すブロック図である。１０１はＳＢＷＣＵモデル，１０２はモータモデル，１０３はポンプ及びパワーシリンダモデル，１０４は転舵輪系モデル，１０５は車両運動モデル、１０６はステアリングホイール系モデルである。
【００１５】
ＳＷＢＣＵモデル１０１は操舵トルクＴ及び第１シリンダ室５１と第２シリンダ室５２との差圧ΔＰを入力とし、トルクゲインＫ１及び差圧ゲインＫ２に基づいてモータへの電流指令値を出力する。（特許請求の範囲に記載の第１アシスト操舵指令値演算部及び第２アシスト操舵指令演算部に相当）
【００１６】
モータモデル１０２は指令電流値に基づいてコイル抵抗Ｒａ，トルク定数Ｋｔ，誘起電圧定数Ｋｅなどからモータ駆動トルクを出力する。
【００１７】
ポンプ及びパワーシリンダモデル１０３は、モータ駆動トルクを入力とし、液圧弾性定数Ｋｇ，リーク定数Ｋｌ，液圧トルク変換定数Ｋｆ及び角速度流量変換定数Ｋｈなどから、ラックにかかる操舵トルクを出力する。尚、このとき、差圧ΔＰをＳＢＷＣＵ１０に対して出力する（特許請求の範囲の状態量に相当）。
【００１８】
転舵輪系モデル１０４では、操舵角θを入力とし、転舵角δを出力すると共に操舵角θからトーションバー剛性定数Ｋｔを用いて操舵トルクを出力する。
【００１９】
車両運動モデル１０５では、車速Ｖ及び転舵角δからタイヤに発生する横力Ｆｓを出力し、ステアリングモデル１０４に対して、ステアリングの復元モーメントＬｓを出力する。
【００２０】
ステアリングホイール系モデル１０６では、運転者が操舵する際にステアリングに与えるトルクを入力とし、操舵角θを出力とする。
【００２１】
上述のモデル構成において、トルクの流れを説明すると、まず操舵トルクＴを起点として、この信号がＳＷＢＣＵ１０に入力される。次に、モータに対してアシスト操舵指令値が出力されると、指令値に基づいてモータが駆動する。モータの駆動によりポンプが駆動し、パワーシリンダの油圧を変更しラックに対してアシストトルクを付与する。運転者の操舵トルク及びアシストトルクによりステアリングが転舵し、車両運動に影響を与える。すなわち、差圧ΔＰは、モータから検出された電流値よりもトルク伝達経路における下流に存在し、パワーステアリング装置の舵角よりもトルク伝達経路における上流に位置する。
【００２２】
図３は上記制御構成において、ΔＰのマイナループを有しない場合（ａ）と、ΔＰのマイナループを有する場合（ｂ）の制御構成を表すブロック図である。図３（ａ）において、図２のＡ１−Ａ２をカットし、オープンループとしてΔＰの入力がないと考える。入力を操舵角θとし、出力を転舵角δとした場合の伝達関数Ｈ０（ｓ）は下記式（１）により表される。
（式１）
Ｈ０（ｓ）＝Ｋｔ・Ｈ１（ｓ）・Ｈ２（ｓ）
ここで、Ｈ１（ｓ）はＥＣＵモデル１０１→モータモデル１０２→ポンプ及びパワーシリンダモデル１０３のΔＰを出力する直前までの伝達関数を表し、Ｈ２（ｓ）はステアリングモデル１０４の伝達関数を表す。
【００２３】
図３（ｂ）において、図２のＡ１−Ａ２をカットし、オープンループとして考える。伝達関数Ｈ１（ｓ）にΔＰのマイナループを設けた場合の伝達関数Ｈ（ｓ）は下記式（２）により表される。
（式２）
Ｈ（ｓ）＝Ｈ０（ｓ）／（１−Ｈ１（ｓ））
すなわち、ΔＰのマイナループにより１／（１−Ｈ１（ｓ））だけ変化する。
【００２４】
ここで、Ｈ１（ｓ）＝Ｋ１ω０２／（ｓ２＋２ζ０ω０ｓ＋ω０２）とすると、
１／（１−Ｈ１（ｓ））＝（ｓ２＋２ζ０ω０ｓ＋ω０２）／（ｓ２＋２ζ０ω０ｓ＋（１−Ｋ１）ω０２）
と表される。この特性を図４に示す。
【００２５】
図４に示すように、通常の操舵制御を行う低周波領域では、１／（１−Ｈ１（ｓ））→１／（１−Ｋ１）＞１となり、ゲインが１以上の大きな値に設定される。図５は低周波領域での運転者の操舵トルク波形と液圧によるアシストトルク波形を加算した場合を表す図である。図５に示すようにアシスト力が増加しているのが分かる。
【００２６】
次に、系によって定まる高周波領域である自励振動の生ずる周波数をω０とすると、この周波数領域では、１／（１−Ｈ１（ｓ））→１／２１／２＜１となり、ゲインが１未満の小さな値に設定される。図６は高周波領域での系によって決まる操舵トルク波形と液圧によるアシストトルク波形を加算した場合を表す図である。図６に示すようにアシスト力が減少し、自励振動を抑制していることが分かる。よって、ΔＰのマイナループにより、操舵制御のゲインを増し、自励振動域のゲインを下げ安定させる効果が得られる。
【００２７】
このように、マイナーループを構成する際、ΔＰを用いたのは、高周波領域における位相の遅れが最適に設定されているからである。すなわち、系によって定まる高周波領域では、操舵指令値に対する応答遅れが大きい。この遅れが位相で３６０°遅れると、自励振動を引き起こす。よって、系の途中に存在し、位相で好ましくは９０°〜２７０°程度の遅れであると推定される状態量としてΔＰを検出し、このΔＰに基づいてアシスト操舵指令値を演算する。すると、操舵トルクに基づく操舵指令値に対して位相で９０°〜２７０°程度遅れた指令値が加算されることになり、これらが打ち消し合うことによって、自励振動を抑制することができる。
【００２８】
尚、本実施の形態１ではΔＰを用いたが、遅れが発生する積分要素以降（トルク伝達経路下流）のもので、遅れすぎていないものであればよく、モータ電流値や転舵角速度などを検出してもよい。
【００２９】
（実施の形態２）
次に、本発明の請求項２に対応する実施の形態２におけるパワーステアリング装置について説明する。基本的な構成は実施の形態１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。図７は実施の形態２における入力トルクゲインＫ１（特許請求の範囲に記載の第１ゲインに相当）及び差圧ゲインＫ２（特許請求の範囲に記載の第２ゲインに相当）と車速の関係を表すゲインマップである。図に示すように、車速に応じてＫ１及びＫ２を設定することで、低車速時のようにタイヤの転がり抵抗が大きいときにはＫ１を大きく設定し、Ｋ２を小さく設定することで十分なアシストトルクを発生させ、高車速時のように運転者の操舵量が小さく、タイヤの転がり抵抗が小さいときにはＫ１を小さく設定し、Ｋ２を大きく設定することで、系によって定まる高周波による自励振動を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるパワーステアリング装置の全体構成を表す概略図である。
【図２】実施の形態におけるパワーステアリング装置を含むモデル化された構成を表すブロック図である。
【図３】実施の形態のモデル化された構成を簡略化したブロック図である。
【図４】実施の形態の周波数に対するゲイン特性を表す特性図である。
【図５】実施の形態の低周波数時における運転者の操舵トルクと液圧によるアシストトルクを合成した波形を表す図である。
【図６】実施の形態の高周波数時における系によって決まる操舵トルク波形と液圧によるアシストトルクを合成した波形を表す図である。
【図７】実施の形態２における車速に対するトルクゲイン及び差圧ゲインを表すゲインマップである。
【符号の説明】
１        ステアリングホイール
２        ステアリングシャフト
３        ギア機構
５        パワーステアリング機構
５１，５２    パワーシリンダ室
６        オイルポンプ
６ａ        電動モータ
７        操舵輪
１０        ステアリングバイワイヤコントロールユニット（ＳＢＷＣＵ）
１１        車速センサ
１２        操舵角センサ
１３        第１油圧センサ
１４        第２油圧センサ
【図１】
2004168221.tif 000003
【図２】
2004168221.tif 000004
【図３】
2004168221.tif 000005
【図４】
2004168221.tif 000006
【図５】
2004168221.tif 000007
【図６】
2004168221.tif 000008
【図７】
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