(57)【要約】ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値に基いて、前記モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置において、周波数領域で同時に理想的な路面情報感度と操舵感を実現するため、トルク信号を処理するトルクフィルタと、ＳＡＴ推定機能と、前記ＳＡＴ推定機能からのＳＡＴ情報を信号処理するためのＳＡＴフィルタとを具備し、操舵感と路面情報感度の周波数特性を独立して設計することができる２自由度制御系を有する電動パワーステアリング装置を提供する。
2004026665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値に基いて、前記モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置において、トルク信号を処理するトルクフィルタと、ＳＡＴ推定機能と、前記ＳＡＴ推定機能からのＳＡＴ情報を信号処理するためのＳＡＴフィルタとを具備し、操舵感と路面情報感度の周波数特性を独立して設計することができる２自由度制御系を構成した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】
前記操舵感のゲインができるだけ高い周波数まで一定値を保つように設定している請求の範囲第１項に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項３】
前記路面情報感度が不要な周波数帯域の情報を除去できる請求の範囲第１項に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項４】
前記不要な周波数帯域が１０Ｈｚ〜３０Ｈｚである請求の範囲第３項に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項５】
請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置を具備した自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助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、特に周波数領域で理想的な操舵感と路面情報感度とを同時に実現するため、操舵感と路面情報感度とをそれぞれ独立して設計できる２自由度制御系で構成した電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】  自動車や車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢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補助負荷付勢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は、アシストトルク（操舵補助トルク）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、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）制御のデューティ比の調整で行っている。
ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を第７図に示して説明すると、操向ハンドル１のコラム軸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を経て操向車輪のタイロッド６に結合されている。コラム軸２には、操向ハンドル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、操向ハンドル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に結合されている。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３０には、バッテリ１４からイグニションキー１１及びリレー１３を経て電力が供給され、コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基いてアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基いてモータ２０に供給する電流を制御する。
コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵも含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと第８図のようになる。例えば位相補償器３１は独立したハードウエアとしての位相補償器を示すものではなく、ＣＰＵで実行される位相補償機能を示している。
コントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出されて入力される操舵トルクＴは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器３１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが操舵補助指令値演算器３２に入力される。また、車速センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算器３２に入力される。操舵補助指令値演算器３２は、入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基いてモータ２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを決定する。操舵補助指令値Ｉは減算器３０Ａに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィードフォワード系の微分補償器３４に入力され、減算器３０Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器３５に入力されると共に、フィードバック系の特性を改善するための積分演算器３６に入力される。微分補償器３４の出力と共に、比例演算器３５及び積分演算器３６の出力も加算器３０Ｂに加算入力され、加算器３０Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅが、モータ駆動信号としてモータ駆動回路３７に入力される。モータ２０の電流ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、減算器３０Ａにフィードバックされる。
このような従来の電動パワーステアリング装置では、その設計の自由度を生かして安定かつ快適な操舵感を得るために、周波数領域において操舵感と路面情報感度の伝達特性を設計することが提案されている（例えば特開２００１−３３４９４８）。つまり、制御装置の周波数に対する相補感度関数を、抑圧したい外乱が存在する帯域では“１”に近づくようにし、伝えたい外乱が存在する帯域ではゼロに近づくように設定している。相補感度関数の定義から“１”のときは完全に外乱を抑圧し、ゼロのときは全く抑圧されずに伝わることを意味するからである。
電動パワーステアリング装置における性能評価の指標として操舵感と路面情報感度が考えられる。しかしながら、従来の電動パワーステアリング装置はこれら２つの指標を表わす伝達特性が互いに従属関係を持っているため、同時に２つの指標を満足する制御系を設計することは困難であるという問題があった。つまり、操舵感と路面情報感度が互いに従属関係を持っているため、操舵感と路面情報感度を独立して設計することができず、理想的な操舵感と路面情報感度を同時に満足する制御装置を設計することが困難であった。
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、周波数領域で理想的な操舵感と路面情報感度を同時に実現するため、操舵感と路面情報感度をそれぞれ独立して設計できる２自由度制御系で構成された電動パワーステアリング装置を提供することにある。
【発明の開示】
本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値に基いて、前記モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置に関するもので、本発明の上記目的は、トルク信号を処理するトルクフィルタと、ＳＡＴ推定機能と、前記ＳＡＴ推定機能からのＳＡＴ情報を信号処理するためのＳＡＴフィルタとを設け、操舵感と路面情報感度の周波数特性を独立して設計することができる２自由度制御系を構成することによって達成される。
また、本発明の上記目的は、前記操舵感のゲインができるだけ高い周波数まで一定値を保つように設定することにより、或いは前記路面情報感度が不要な周波数帯域の情報を除去することにより、或いは前記不要な周波数帯域を１０Ｈｚ〜３０Ｈｚとすることによって、より効果的に達成される。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明の実施例の構成例を示すブロック線図である。第２図は、コントロールユニットの構成例を示すブロック図である。第３図は、第２図の簡略化図である。第４図は、ＳＡＴの推定を説明するための図である。第５図は、操舵感の目標伝達特性を示す図である。第６図は、路面感度情報の目標伝達特性を示す図である。第７図は、一般的なパワーステアリング装置の構成例を示す図である。第８図は、コントロールユニット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最良の形態】  本発明では、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基いて演算された操舵補助指令値と、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータの電流検出値とから演算した電流指令値に基いて、モータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置において、トルクセンサからのトルク信号を処理するトルクフィルタと、トルク信号やモータ角速度等に基づいてセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）の推定を行うＳＡＴ推定機能と、ＳＡＴ推定機能で推定されたＳＡＴ情報を信号処理するためのＳＡＴフィルタとを設け、操舵感（ハンドル舵角から操舵トルクまでの伝達特性）と路面情報感度（路面反力から操舵トルクまでの伝達特性）の周波数特性をそれぞれ独立して設計することができる２自由度制御系の構成としている。このため、理想的な操舵感と路面情報感度特性を同時に満足することができる制御系を、容易に設計することができる利点を有している。
なお、路面情報感度調整は、自動車のサスペンション特性を変更することによって行っても良い。
以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。本発明は電動パワーステアリングの形式（コラムタイプ、ピニオンタイプ、ラックタイプ等）、モータの種類（ブラシ付き、ブラシレス等）を問わず全ての電動パワーステアリング装置に応用することができる。
本発明は、トルク信号に対するトルクフィルタと、ＳＡＴを推定して出力するＳＡＴ推定機能と、ＳＡＴ推定機能で推定されたＳＡＴ推定値を周波数領域で信号処理することができるＳＡＴフィルタとを設け、操舵感と路面情報感度の周波数特性をそれぞれ独立に調整して設計することができる２自由度制御系としている。その結果、理想的な操舵感と路面情報感度特性を同時に満足する制御系を容易に設計することができる。
第１図は、本発明の電動パワーステアリング装置の全体構成のブロック線図であり、操舵ハンドルからの操舵トルクＴｈは減算器５０を経てステアリングホイール（伝達関数：１／Ｊｈｓ２）５１に伝達され、更に減算器５２を経てコントローラＣ（ｓ）に入力される。コントローラＣ（ｓ）内のブロック５３はトーションバーの剛性（伝達関数：Ｋ）であり、コントローラＣ（ｓ）の出力は減算器６４を経てステアリングモデル（伝達関数：Ｐ（ｓ））６０に入力され、ステアリングモデル６０の出力θｇは減算器５２にフィードバックされ、更にオーバオールステアリングギヤ比（伝達関数：α）６１を経て出力されると共に、車両モデル（伝達関数：Ｃ（ｓＩ−Ａ）−１Ｂ＋Ｄ）６２及びフィードバックブロック（伝達関数：１／α）６３を経てＳＡＴ情報として減算器６４に入力される。なお、ステアリングモデル６０及び車両モデル６２の伝達関数はいずれも公知のものである。
コントローラＣ（ｓ）はコントロールユニット１００、減速ギヤ比（伝達関数：ｒｇ１／ｒｇ２）５５、トーションバー（伝達関数：Ｋ）５３、加算器５４で構成されており、操舵補助用のモータ２００を駆動制御するようになっている。モータ２００のモータ電流ｉｍはコントロールユニット１００に入力されると共に、モータのトルク定数（伝達関数：Ｋｔ）２０１、減速ギヤ比５５を経て加算器５４に入力される。コントロールユニット１００の詳細は第２図に示すブロック構成となっており、トルク制御器１１０とモータ駆動系１４０とで構成されており、モータ駆動部２０２を介してモータ２００を駆動制御する。
トルク信号Ｔｒはアシスト量演算部１１１、微分制御器１１２、ヨーレート収れん性制御部１２２及びＳＡＴ推定機能１２０にそれぞれ入力され、車速信号Ｖｅｌはアシスト量演算部１１１及びヨーレート収れん性制御部１２２にそれぞれ入力される。アシスト量演算部１１１の出力は微分制御器１１２の出力と共に加算器１１３に入力され、その加算結果がトルクフィルタ１１４に入力されて信号処理され、信号処理されたフィルタ出力がＳＡＴ推定機能１２０に入力されると共に、加算器１１５を経てロバスト安定化補償器１１６に入力される。ヨーレート収れん性制御部１２２の出力は加算器１１５に入力される。また、ＳＡＴ推定機能１２０からのＳＡＴ情報はＳＡＴフィルタ１２１で信号処理されて減算器１１７に、ロバスト安定化補償器１１６の出力と共に入力されて減算処理される。
ロバスト安定化補償器１１６の出力は減算器１１７を経てモータ駆動系１４０内の加算器１４１に入力され、その加算結果が補償器１４２を経て加算器１４３に入力され、その加算結果がモータ駆動部２０２に入力されると共に外乱推定器１４４に入力される。モータ駆動部２０２の出力（端子電圧）Ｖｍでモータ２００が駆動され、出力Ｖｍ及びモータ出力電流ｉｍがモータ角速度推定部１４５に入力され、更にモータ出力電流ｉｍは外乱推定器１４４にも入力される。モータ角速度推定部１４５で推定されたモータ角速度ωはモータ角加速度推定部１４６、ヨーレート収れん性制御部１２２及びＳＡＴ推定機能１２０に入力される。モータ角加速度推定部１４６からのモータ角加速度＊ωはモータ慣性補償部１４７に入力されると共に、ＳＡＴ推定機能１２０に入力される。
このような構成において、アシスト量演算部１１１はトルク信号Ｔｒ及び車速信号Ｖｅｌに基づき所定演算式に従ってアシスト量を演算し、微分制御器１１２はステアリングの中立点付近の制御応答性を高め、滑らかでスムーズな操舵を実現するために作用する。ロバスト安定化補償器１１６は例えば特開平８−２９０７７８号公報に示されている補償器であり、ｓをラプラス演算子とする特性式Ｇ（ｓ）＝（ｓ２＋ａ１・ｓ＋ａ２）／（ｓ２＋ｂ１・ｓ＋ｂ２）を有し、トルク信号Ｔｒに含まれる慣性要素とバネ要素から成る共振系の共振周波数のピーク値を除去し、制御系の安定性と応答性を阻害する共振周波数の位相のずれを補償している。また、ヨーレート収れん性制御部１２２は、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おり、モータ慣性補償部１４７はモータ角加速度＊ωをゲイン倍（数段階）してモータ慣性補償値とする。更に、外乱推定器１４４は例えば特開平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器１４２で補償された電流指令値に外乱推定器１４４の出力を加算した信号と、モータ電流値ｉｍ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。なお、モータ角速度推定部１４５における角速度の推定は、モータ端子電圧Ｖｍ及びモータ電流ｉｍに基づいて公知の方法にて行われる。
ここで、ＳＡＴ推定機能１２０について説明する。ＳＡＴ推定機能１２０は、例えば本出願人による特願２００１−１７１８４４に示されているものを適用することができる。以下に、その概略を説明する。
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示すと第４図のようになり、運転者がハンドル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。その際、モータの慣性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、下記（１）式のような運動方程式が得られる。
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ここで、上記  （１）式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（２）式が得られる。
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上記（２）式から分るように、モータの慣性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＊ω、操舵補助力及び操舵信号よりＳＡＴを推定することができる。かかる理由より、ＳＡＴ推定機能１２０にはトルク信号Ｔｒ、モータ角速度ω、モータ角加速度＊ω、アシスト量演算部１１１のトルクフィルタ１１４の出力がそれぞれ入力されている。
また、ＳＡＴ推定機能１２０で推定したＳＡＴ情報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。このため、周波数特性を有するＳＡＴフィルタ１２１を用いてＳＡＴの推定情報を信号処理し、操舵感覚を向上するのに必要十分な情報のみを出力するようにしている。
次に、２自由度制御系の構成について説明する。第１図のブロック線図中のコントロルユニット１００は第２図に示すような構成となっており、トルク信号Ｔｒを処理するトルクフィルタ１１４と、ＳＡＴを推定するＳＡＴ推定機能１２０と、ＳＡＴ推定機能１２０からのＳＡＴ情報を信号処理するＳＡＴフィルタ１２１とを含んでいる。第１図のブロック線図において、トーションバー５３の剛性Ｋと電動パワーステアリングのコントローラを合わせて新たにコントローラＣ（ｓ）とし、ステアリング系をＰ（ｓ）とすることで、第３図のような一般的な制御系で表わすことができる。第３図において、コントローラＣ（Ｓ）から出力される操作量ｕについて考えると、下記（３）式の関係式が得られる。
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上記（３）式においそ、Ｔｓは操舵トルク（検出値）、Ｔｍはモータによるアシストトルク、ＱはＳＡＴ推定値を周波数領域で加工することが可能なＳＡＴフィルタ１２１、ハットＳＡＴはＳＡＴ推定機能による推定値を示す。ここで、ＳＡＴ推定機能１２０とそのフィルタ１２１を除いた部分のコントローラをＣ’（ｓ）とし、推定されるＳＡＴと実際のＳＡＴが等しいとすると（ＳＡＴ＝ハットＳＡＴ）、以下の伝達関数式が得られる。コントローラＣ’（ｓ）にはトルク信号Ｔｒに対するトルクフィルタ１１４も含まれる。
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電動パワーステアリング装置の制御装置における評価関数として操舵感（ハンドル舵角θｈから操舵トルクＴｓまでの伝達特性）Ｇｓｆと路面情報感度（路面反力ＳＡＴから操舵トルクＴｓまでの伝達特性）Ｇｄｓを考えるために、（３）式にトルクの検出特性を示すＴｓ＝Ｋ（θｈ−θｇ）を代入することで、下記（５）式を導出することができる。
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ここで、路面情報感度Ｇｄｓと操舵感Ｇｓｆはそれぞれ下記（６）式及び（７）式で表わすことができる。
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これら（６）式及び（７）式から、路面情報感度Ｇｄｓと操舵感Ｇｓｆとの間には下記（８）式の関係式が存在することが分かる。
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ここにおいて、Ｋはトーションバーの剛性、Ｐは制御対象を表わすため、制御系の設計はコントローラＣ’及びＳＡＴフィルタＱを調整して路面情報感度Ｇｄｓ及び操舵感Ｇｓｆが望ましい特性となるようにする。設計の手順としては、始めにコントローラＣ’を調整して操舵感Ｇｓｆを所望の特性にした後で、ＳＡＴフィルタＱを調整することで路面情報感度Ｇｄｓを所望の特性にする。しかし、システムがＳＡＴ推定機能１２０とそのＳＡＴフィルタ１２１を持たない場合（Ｑ＝０）、２自由度制御系を構成できないため、コントローラＣ’の調整だけで路面情報感度Ｇｄｓ及び操舵感Ｇｓｆを所望の伝達関数にしなければならない。そのため、路面情報感度Ｇｄｓ及び操舵感Ｇｓｆの特性を同時に満足する制御系を設計するのは困難である。
そこで、本発明のように先ずトルク信号Ｔｒに対するトルクフィルタ１１４を含むコントローラＣ’（ｓ）のチューニングにより、操舵感Ｇｓｆの伝達特性が所望の特性になるように設計してからＳＡＴフィルタ１２１（Ｑ）のチューニングにより路面情報感度Ｇｄｓの伝達特性を所望の特性にすることで、２つの評価関数を同時に満足する制御系の設計が容易になる。つまり、２自由度制御系を構築できたことになる。
第５図に操舵感の目標伝達特性を示す。ここで、ゲインＫｓｆはステアリング操舵の重さを左右し、ゲインＫｓｆが大きいとステアリングは重くなり、ゲインＫｓｆが小さいとステアリングは軽くなるが、この特性は運転者の好みによって決まるものである。また、転舵追従性の観点から、できるだけ高い周波数（ｆｓｔ１は５Ｈｚ以上、ｆｓｔ２は車両特性やモータの特性等に依存）までゲインが一定になるように設定することを目標とする。
また、第６図に路面感度情報の目標伝達特性を示す。路面情報は運転者にとって重要な情報の１つである。しかし、経験上１０Ｈｚ〜３０Ｈｚの間に不要な路面情報が存在することが分かっているため、この周波数帯域の路面情報がステアリングに伝わるのを阻止するような周波数特性が目的となる。従って、下限周波数ｆｄａ１＝１０Ｈｚ、上限周波数ｆｄａ２＝３０Ｈｚ程度になるように設計する。
ところで、トルクフィルタ１１４及びＳＡＴフィルタ１２１の役割は制御系設計のための調整パラメータと考えられ、トルクフィルタ１１４及びＳＡＴフィルタ１２１に必要とされる特性は、車両特性や他の制御器の特性によって変わると考えられる。従って、目標となる第５図に示す追従特性と、第６図に示す路面感度特性を実現するのに必要な特性とが、トルクフィルタ１１４及びＳＡＴフィルタ１２１に必要な特性となる。即ち、トルク信号Ｔｒに対するトルクフィルタ１１４は電動パワーステアリング装置の追従特性を改善するために用いられ、（５）式においてＣ’に含まれるトルク信号Ｔｒに対するトルクフィルタ１１４の特性を調整することによって、第５図に示す追従特性を実現する。また、ＳＡＴフィルタ１２１は路面情報感度特性を調整するために用いられ、ＳＡＴフィルタ１２１の特性を調整することで第６図に示す路面感度特性を実現する。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、トルク信号を処理するトルクフィルタと、ＳＡＴ推定機能と、推定したＳＡＴ情報を周波数領域で加工することができるＳＡＴフィルタを持った２自由度制御系で構成されているため、操舵感と路面情報感度とを独立して設計することができる。その結果、理想的な路面情報感度と操舵感を同時に満足することができる制御系の設計が容易にできる。
【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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【国際調査報告】
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