(57)【要約】【課題】  操舵力変動の抑制と、高車速域における車両挙動の安定化の実現とを両立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】  コントローラ１３は、運転者の操舵により操舵系に発生する摩擦トルクをモータ回転速度と操舵トルクに基づいて推測する摩擦推測手段１６を備え、摩擦推測手段１６により推測した摩擦トルクに応じた補正電流値を、目標電流値から減算し、モータ５を補償制御する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリング操作手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
舵取り機構にドライバの操舵力を補助するアシストトルクを出力するモータと、
検出された操舵トルクに応じたアシストトルクが得られるよう、前記モータを駆動制御する操舵制御手段と、
を備えた電動パワーステアリング装置において、
運転者の操舵により操舵系に発生する摩擦トルクに対して、そのトルクを増大させる方向へ逆アシストトルクを発生させるよう、前記モータを補償制御する補償制御手段を備え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】
請求項１に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記摩擦トルクを検出する摩擦トルク検出手段を設け、
前記補償制御手段は、摩擦トルク検出手段の出力に応じて逆アシスト量を増加させ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３】
請求項２に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記摩擦トルク検出手段の出力を位相補償する位相補償手段を設け、
前記補償制御手段は、位相補償手段の出力に応じて逆アシスト量を増加させ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４】
請求項３に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記位相補償手段は、微分フィルタであ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５】
請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記摩擦トルク検出手段は、車速、操舵トルク、操舵角または操舵角速度のうちの少なくとも２つから摩擦トルクを推測する外乱オブザーバであ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６】
請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記舵取り機構のラック軸に加わるラック軸力を検出するラック軸力検出手段を設け、
前記摩擦トルク検出手段は、操舵トルクとラック軸力とに応じて摩擦トルクを推測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７】
請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、
操舵角に応じた摩擦トルクがあらかじめ設定された摩擦トルクマップを設け、
前記摩擦トルク検出手段は、摩擦トルクマップに基づいて摩擦トルクを推測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８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記補償制御手段は、車速が高くなるほど逆アシスト量を増加させ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９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング装置において、
前記補償制御手段は、摩擦トルクに上下限の制限を設けることを特徴とする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、ドライバの操舵負担を軽減する電動パワーステアリング装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電動パワーステアリング装置では、モータへの供給電流にディザ電流を加える制御を実施し、常に操舵系に微小なモータトルクを発生させて静摩擦状態となるのを防ぐことにより、操舵開始時の静摩擦から動摩擦へ変わるときの操舵力変動を抑制し、操舵フィーリングの向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３４１６４７４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術にあっては、常に操舵系に発生する摩擦を抑制する制御を実施しているため、高車速域において、過剰な操舵入力が入りやすく、車両挙動が不安定になる可能性があるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、操舵力変動の抑制と、高車速域における車両挙動の安定化の実現とを両立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】
【０００５】
上述の目的を達成するため、本発明では、ステアリング操作手段に加わる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、舵取り機構にドライバの操舵力を補助するアシストトルクを出力するモータと、検出された操舵トルクに応じたアシストトルクが得られるよう、前記モータを駆動制御する操舵制御手段と、を備えた電動パワーステアリング装置において、
運転者の操舵により操舵系に発生する摩擦トルクに対して、そのトルクを増大させる方向へ逆アシストトルクを発生させるよう、前記モータを補償制御する補償制御手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明にあっては、高速走行域での操舵開始時に、瞬間操舵反力が大きくなり、操舵反力を大きくできるため、過剰な操舵入力が抑制され、車両挙動が不安定となるのを防止できる。また、操舵停止時において、不要に操舵反力が小さくなる、いわゆる操舵力抜けが発生しないため、操舵力変動を抑制できる。すなわち、操舵力変動の抑制と、高車速域における車両挙動の安定化の実現とを両立できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の電動パワーステアリング装置を実施するための最良の形態を、実施例１〜４に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の電動パワーステアリング装置を適用した車両用操舵装置の構成図である。
ドライバの舵取り操作用のハンドル（ステアリング操作手段）１と、舵取り動作を行う舵取り機構２とを連結する操舵軸３に、ハンドル１に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサ（操舵トルク検出手段）４とドライバの操舵力を補助するモータ５とが配置されている。
【０００９】
前記ハンドル１は、図示しない車室内部のドライバと対向する位置に、軸周りに回動可能に設けられている。舵取り機構２は、操舵軸３の下端に一体形成されたピニオン６と、これに噛合するラック軸７とを備えるラック&ピニオン式の舵取り装置により構成されている。ラック軸７は、図示しない車両前部に、左右方向摺動可能に固定されており、その両端は、左右のタイロッド８，９を介して操向用の転舵輪１０，１１に連結されている。
【００１０】
前記モータ５は、モータ５の発生トルクを操舵軸３の回転トルクに変換する減速機１２を介して、操舵軸３に結合されている。このモータ５に供給されるモータ電流は、コントローラ（操舵制御手段）１３により制御されている。
【００１１】
続いて、図２のコントローラ１３を示す制御ブロック図を加えて、実施例１の制御系を説明する。
【００１２】
ドライバによりハンドル１が操舵されると、ハンドル１と機械的に連結された転舵輪１０，１１が操向される。このとき、トルクセンサ４に入力される捩れ方向の負荷は、操舵トルクとしてコントローラ１３へ入力される。さらに、このコントローラ１３には、車両の走行速度を検出する車速センサ１４等の信号が与えられる。
【００１３】
コントローラ１３は、モータ５の回転速度を推測するためのモータ端子間電圧センサ１３ａやモータ電流センサ１３ｂが内蔵されている。コントローラ１３の出力は、モータ５に与えられ、コントローラ１３は、操舵トルク、車速等を用いて、モータ５の目標電流値を算出し、算出された目標電流値を内蔵するモータ電流センサ１３ｂによりモータ電流を参照しつつ、モータ５を制御駆動する。モータ５へ供給される電源は、バッテリ１５により与えられる。
【００１４】
また、コントローラ１３は、操舵トルク、目標電流値、モータ回転速度に基づいて、操舵系に発生する摩擦トルクを推測（摩擦トルク検出手段）し、推測した摩擦トルクの大きさに比例して補償電流値を算出し、これを目標電流値から減算することにより、目標電流値を補正（補償制御手段）する摩擦推測手段１６を有している。なお、モータ回転速度は、電圧センサ１３ａの出力と電流センサ１３ｂの出力とから、モータ速度推測部１３ｃにより推測する。
【００１５】
次に、作用を説明する。
［外乱オブザーバによるフリクション推測］
図３は、実施例１の摩擦推測手段１６を示す制御ブロック図であり、摩擦推測手段１６は、操舵トルクとモータ回転数から摩擦トルクを推測する外乱オブザーバである。
【００１６】
トルクセンサ４の信号をドライバ操舵トルク：Ts（外乱既知）
フリクショントルクと路面からの入力トルク：Tf（外乱既知）
ステアリング系（モータ含む）の慣性モーメント：Js
モータトルク定数：Kt
モータ発生トルク：Tm
モータ印可電流：i
モータ回転速度：α'＝θ'／減速比
とすると、運動方程式は、下記の式(1)のようになる。
Js×α''＝Ts＋Tm＋Tf  …(1)
【００１７】
プラントに外乱Ts，Tfが加わらない状態では、
Js×α''＝Kt×i  …(2)
と書けるので、伝達関数で表すと、sをラプラス演算子として、下記の式(3)のようになる。
α'／i＝Kt／（Js×s）  …(3)
【００１８】
外乱除去の周波数帯をfc(Hz)として、ωc＝２πfcと定義する。外乱除去のローパスフィルタを、
H(s)＝ωc2／（s＋ωc）2  …(4)
とする。この状態で図３のように制御対象の周りにコントローラを構成すると、図３のＡ部から推測された未知外乱トルクが算出される。
【００１９】
電動パワーステアリング装置において、α'に対する外乱（フリクショントルクと路面からの入力トルク）の関係は、図４のようになっており（外乱トルク＝フリクショントルク＋タイヤ復元トルク）、推測された未知外乱トルクをＢ部で微分（ハイパスフィルタ）することにより、微小操舵時の静フリクション相当を推測可能となる。
【００２０】
上記静フリクション相当に加え、事前に分かっている動フリクションをＣ部から算出し、両者を加算してフリクションとする。それを電流値に換算して補正電流値とし、電流目標値I*から減算することにより、フリクションの大きさに応じてアシストトルクを小さくできる。
【００２１】
［摩擦トルクに応じたモータの補償制御作用］
特許第３４１６４７４号に記載の電動パワーステアリング装置では、モータに対し常にディザ電流を供給することで、操舵系が静摩擦状態となるのを防止し、これにより、操舵力変動を抑制して操舵フィーリングの向上を図っている。
【００２２】
ところが、上記従来技術では、常に操舵系に発生する摩擦トルクを抑制する制御を実施しているため、車両の応答性が高くなる高車速域において、過剰な操舵入力が入りやすくなり、車両挙動が不安定になる可能性があるという問題がある。また、常にモータを駆動させるため、電力消費が大きく、車両燃費の悪化につながるという問題がある。
【００２３】
これに対し、実施例１では、推測された静フリクションを、電流指令値から減算して、過渡的なハンドル操作に対して、切り始めは操舵トルクを増大させる方向（逆アシスト）へモータ５を駆動し、ハンドル１を重くすることが可能となる。一方、操舵途中から操舵停止までに推測した摩擦分は電流指令値から減算されないため、自然な操舵フィーリングを実現できる。
【００２４】
次に、効果を説明する。
実施例１の電動パワーステアリング装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。
【００２５】
(1) コントローラ１３は、運転者の操舵により操舵系に発生する摩擦トルクに対して、そのトルクを増大させる方向へ逆アシストトルクを発生させるよう、モータ５を補償制御する補償制御手段を備えるため、低車速域と比較して車両応答性が高くなる高車速域での操舵開始時において、瞬間操舵反力を大きくすることができ、過剰な操舵入力を抑制し車両挙動を安定させることができる。また、操舵停止時に不要に操舵反力が抜けることがないため、より自然な操舵フィーリングを実現できる。
さらに、ハンドル１が停止状態から操舵されたとき、逆方向へのアシストが行われ、ハンドル１が重くなるため、直進時に微小なハンドル操作がされたとき、運転者へ車両が直進するハンドル位置（中立位置）を教えることができる（中立感を出すことができる）。また、ハンドル中立位置での操舵停止中は、モータ５を駆動しないため、ディザ電流を供給して常時モータを駆動する従来技術に比して、車両燃費の向上を図ることができる。
【００２６】
(2) 摩擦トルクを推測する摩擦推測手段１６を設け、コントローラ１３は、摩擦推測手段１６の出力に応じて逆アシスト量を増加させるため、操舵切り始めは操舵反力が大きくなり、過剰な操舵入力を防止できる。一方、操舵停止時は不要に重くなることなく、自然な操舵フィーリングを実現できる。
【００２７】
(3) 摩擦推測手段１６は、未知外乱トルクを位相補償手段としてのハイパスフィルタ（微分フィルタ）で微分した値に応じて逆アシスト量を増加させるため、摩擦の静フリクションのみが反力増加分として寄与し、操舵切り始めのみハンドル１を重くすることができる上、操舵中の自然なフィーリングを実現できる。
【００２８】
(4) 摩擦推測手段１６を、ドライバ操舵トルクTs、モータ回転速度α'に基づいて摩擦トルクを推測する外乱オブザーバとしたため、摩擦トルクを精度よく推測できる。
【実施例２】
【００２９】
実施例２では、操舵系に発生するフリクションを、操舵トルクとラック軸力とに基づいて推測する点で実施例１と異なり、他の構成は同じであるため、実施例１と同一の構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００３０】
図５は、実施例２の電動パワーステアリング装置を適用した車両用操舵装置の構成図であり、図５に示すように、実施例２の電動パワーステアリング装置は、図１に示した実施例１の構成に対し、舵取り機構２のラック軸７の軸力を検出するラック軸力センサ１７を加えるとともに、電圧センサ１３ａとモータ速度推測部１３ｃとを省いた構成となっている。
【００３１】
図６は、実施例２のコントローラを示す制御ブロック図であり、コントローラ１８の摩擦推測手段１９には、トルクセンサ４からの操舵トルクと、ラック軸力センサ１７からのラック軸力が入力される。摩擦推測手段１９は、操舵トルクとラック軸力とに基づいて補償電流値を算出し、算出した補正電流値を目標電流値から減算する。
【００３２】
次に、作用を説明する。
［ラック軸力に基づくフリクション推測］
操舵トルクをTh，モータ５のトルクをTm，ラック軸力をFrとすると、ラック軸力Frは路面からのタイヤ入力をFsatが入力された場合に、トレールξとナックルアーム半径ｒkaにより、下記の式(5)で記述できる。
Fr＝Fsat×ξ／ｒka  …(5)
【００３３】
また、モータ５のトルクはモータ電流imとモータ５のトルク定数Ktとモータ５から操舵軸３への減速比Nにより、下記の式(6)のようになる。
Tm＝im×Kt×N  …(6)
【００３４】
ここで、キングピン周りの摩擦、慣性や粘性は、今問題となる操舵系の摩擦よりもはるかに小さいため、無視できる。従って、操舵系の摩擦トルクTfは、下記の式(7)で表される。
Tf＝Th＋Tm−Fr×ｒrp  …(7)
なお、ｒrpはピニオン半径である。
【００３５】
上記の式(7)より、摩擦は操舵トルクThとモータ電流imとラック軸力Frの計測結果から算出可能なことが分かる。
【００３６】
次に、効果を説明する。
実施例２の電動パワーステアリング装置にあっては、実施例１の効果(1)，(2)に加え、以下の効果が得られる。
【００３７】
(5) コントローラ１８の摩擦推測手段１９は、操舵トルクとラック軸力とに基づいて操舵系に発生する摩擦トルクを推測するため、操舵系に摩擦トルクを検出する手段を独立して設ける必要が無く、かつ複雑な演算処理を要せずに摩擦トルクを推測できる。
【実施例３】
【００３８】
実施例３では、モータの回転速度に応じてあらかじめ設定された摩擦トルクマップを用いて操舵系の摩擦を推測する点で実施例１と異なり、他の構成は同じであるため、実施例１と同一の構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図７は、実施例３のコントローラ２０を示す制御ブロック図であり、実施例３の電動パワーステアリング装置は、図１に示した実施例１の構成に対し、摩擦推測手段２１は、摩擦トルクマップ２２と微分器２３とを加えた構成となっている。
【００４０】
次に、作用を説明する。
［マップに基づくフリクション推測］
摩擦推測マップ２２は、モータ回転速度に応じて不感帯が設定されており、摩擦トルクの上下限に制限を設けている。そして、モータ回転速度が正方向の場合には１、モータ回転速度が負方向の場合には−１となるよう設定されている。実施例３では、摩擦トルクマップ２２の出力値を微分器２３にて微分することにより、静フリクションを抽出している。
【００４１】
次に、効果を説明する。
実施例３の電動パワーステアリング装置にあっては、実施例１の効果(1)，(2)に加え、以下の効果が得られる。
【００４２】
(6) 摩擦推測手段２１は、モータ回転速度に応じた摩擦推測マップ２２に基づいて摩擦トルクを推測するため、操舵系に摩擦トルクを検出する手段を独立して設ける必要が無く、かつ複雑な演算処理を要せずに摩擦トルクを推測できる。
【００４３】
(7) コントローラ２０の摩擦推測手段２１は、摩擦トルクの上下限に制限を設けるため、不要に操舵反力が大きくなり過ぎるのを防止できる。
【実施例４】
【００４４】
実施例４では、補正電流値のゲインを操舵トルク、操舵角、操舵角速度および車速に応じて変更する点で実施例１と異なり、他の構成は同じであるため、実施例１と同一の構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図８は、実施例４のコントローラを示す制御ブロック図であり、コントローラ２４は、実施例１の構成に加え、ゲイン設定部２５と積分器２６とを備えている。ゲイン設定部２５には、車速、操舵トルク、モータ回転速度（操舵角速度）、操舵角（操舵角）および補正電流値が入力される。なお、操舵角は、モータ回転速度を積分器２６により積分して算出している。
【００４６】
ゲイン設定部２５は、上記のパラメータと、図９〜図１２に示すゲインマップに基づいてゲインを設定し、補正電流値にゲインを乗算した値を出力する。図９は操舵トルクに応じたゲインマップであり、操舵トルクが大きくなるほどゲインが小さくなるように設定されている。図１０は操舵角に応じたゲインマップであり、操舵角が大きくなるほどゲインが小さくなるように設定されている。図１１は操舵角速度に応じたゲインマップであり、操舵角速度が高くなるほどゲインが小さくなるように設定されている。図１２は車速に応じたゲインマップであり、車速が高くなるほどゲインが大きくなるように設定されている。
【００４７】
次に、作用を説明する。
［操舵状態・走行状態に応じた補正電流値のゲイン設定作用］
実施例４では、操舵トルクが大きくなるほど補正電流値が小さくなるため、操舵トルクが大きい場合には摩擦に応じた逆アシスト量が減少し、ハンドル１が軽くなる。よって、据え切りや障害物回避等、大きな操舵をしているとき、ハンドル１が不要に重くなるのを防止できる。
【００４８】
また、操舵角が大きくなるほど補正電流値が小さくなるため、操舵角が大きい場合には摩擦に応じた逆アシスト量が減少し、ハンドル１が軽くなる。よって、据え切りや障害物回避等、大きな操舵をしているとき、ハンドル１が不要に重くなるのを防止できる。
【００４９】
また、操舵角速度が高くなるほど補正電流値が小さくなるため、操舵角速度が高くなるほどハンドル１が軽くなる。よって、緊急回避等の急操舵時にハンドル１が不要に重くなるのを防止できる。
【００５０】
さらに、車速が高くなるほど補正電流値が大きくなるため、車速が高くなるほどハンドル１が重くなる。よって、高速走行になるほど緩やかで安定感のある操舵フィーリングが得られるとともに、操舵に中立感を出すことができる。
【００５１】
次に、効果を説明する。
実施例４の電動パワーステアリング装置にあっては、実施例１の効果(1)〜(4)に加え、以下の効果が得られる。
【００５２】
(8) コントローラ２４は、車速が高くなるほど逆アシスト量を増加させるため、走行状態に適応した反力特性を実現でき、特に、高速走行になるほど操舵に中立感を出すことができ、安定感のある操舵フィーリングが得られる。
【００５３】
(9) コントローラ２４は、操舵トルク、操舵角および操舵角速度が大きくなるほど逆アシスト量を減少させるため、据え切りや急操舵時にハンドル１が不要に重くなるのを防止できる。
【００５４】
（他の実施例）
以上、本発明を実施する最良の形態を、実施例１〜４に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は実施例１〜４に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００５５】
例えば、電動パワーステアリング装置においては、モータとハンドルとは機械的に連結された構成であるため、実施例１〜４では、モータ回転速度を操舵角（ハンドル回転速度）としているが、操舵軸にハンドル回転速度センサを取り付け、または操舵軸にハンドル角センサを取り付け、検出値を微分することで、ハンドル回転速度を算出する構成としてもよい。さらに、モータにモータ角度センサを取り付け、検出値を微分してモータ回転速度を算出する構成や、モータにモータ回転速度センサを取り付ける構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施例１の電動パワーステアリング装置を適用した車両用操舵装置の構成図である。
【図２】実施例１のコントローラを示す制御ブロック図である。
【図３】実施例１の摩擦推測手段１６を示す制御ブロック図である。
【図４】実施例１の作動特性図である。
【図５】実施例２の電動パワーステアリング装置を適用した車両用操舵装置の構成図である。
【図６】実施例２のコントローラを示す制御ブロック図である。
【図７】実施例３のコントローラを示す制御ブロック図である。
【図８】実施例４のコントローラを示す制御ブロック図である。
【図９】実施例４の操舵トルクと制御特性の関係を示す図である。
【図１０】実施例４の操舵角と制御特性の関係を示す図である。
【図１１】実施例４の操舵角速度と制御特性の関係を示す図である。
【図１２】実施例４の車速と制御特性の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  ハンドル
２  舵取り機構
３  操舵軸
４  トルクセンサ
５  モータ
６  ピニオン
７  ラック軸
８，９  タイロッド
１０，１１  転舵輪
１２  減速機
１３  コントローラ
１３ａ  モータ端子間電圧センサ
１３ｂ  モータ電流センサ
１３ｃ  モータ回転推測部
１４  車速センサ
１５  バッテリ
１６  摩擦推測手段
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
2005306205.tif 000011
【図１０】
2005306205.tif 000012
【図１１】
2005306205.tif 000013
【図１２】
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