(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータによりアシストトルクを付与するようにした電気式操舵制御装置において、
操舵系にかかる粘性トルクの操舵角速度に対する比となる粘性係数を推定する粘性係数推定手段と、
操舵周期を検出する操舵周期検出手段と、
前記操舵周期検出手段により検出された操舵周期が所定値よりも短い期間においては、
前記粘性係数推定手段により粘性係数を推定することなく、当該操舵周期が所定値よりも短い期間に入る前に推定された粘性係数を現時刻での推定値とする補正手段と、
前記粘性係数推定手段及び前記補正手段により推定された前記粘性係数に基づいて前記アシストトルクを制御するアシストトルク制御手段と
を有することを特徴とする電気式操舵制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両の操舵装置に関し、特にその制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
出願人らは、特願２０００−３７０７０４にて、路面から車輪に入力されるセルフアライニングトルク（以下、ＳＡＴと略す）による外力と、モータのクーロン摩擦と装置内部の粘性摩擦による内部抗力（粘性トルク）の和を外乱トルクＴdとして算出し、そこからＳＡＴの前輪の横滑り角αfに対する勾配κと、粘性トルクと操舵速度ωpの比として粘性係数ρを随時推定して、推定された粘性係数ρを更新しつつ、それを用いて操舵アシストトルクの発生量を制御する操舵装置の制御装置を出願している。
【０００３】
この技術は、それ以前における粘性係数ρを一定値とした操舵アシストトルクの発生量を制御する操舵装置の制御装置では、内部抗力（粘性トルク）が経年変化や車両間のばらつきによる個々の車両に対応できないなどの問題点を解決するためになされたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記先行出願の発明によると、操舵角が小さく操舵速度が速い操舵を行うと粘性係数ρの推定が正常に行われず、推定値の精度が急激に悪化するという問題が残っていた。そこで本発明は、ＳＡＴの前輪の横滑り角αfに対する勾配κと、粘性トルクと操舵速度ωpの比として粘性係数ρを随時推定して、推定された粘性係数ρを用いる場合に、操舵角が小さく操舵速度が速い操舵を行った場合でも粘性係数ρの推定値が異常値を取らないことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１の手段によれば、電気モータによりアシストトルクを付与するようにした電気式操舵制御装置において、操舵系にかかる粘性トルクの操舵角速度に対する比となる粘性係数を推定する粘性係数推定手段と、操舵周期を検出する操舵周期検出手段と、操舵周期検出手段により検出された操舵周期が所定値よりも短い期間においては、前記粘性係数推定手段により粘性係数を推定することなく、当該操舵周期が所定値よりも短い期間に入る前に推定された粘性係数を現時刻での推定値とする補正手段と、粘性係数推定手段及び補正手段により推定された粘性係数に基づいてアシストトルクを制御するアシストトルク制御手段とを有することを特徴とする。
【０００６】
【作用及び発明の効果】
操舵角が小さく操舵速度が速い操舵を行った場合には当該操舵周期が小さくなる。そこで、操舵周期が所定値よりも短い期間においては、それ以前に推定された正常な粘性係数を現時刻での推定値とすれば、粘性係数が異常値を示すことはなくなる。これにより、操舵角が小さく操舵速度が速い操舵を行った場合であっても精度の高い粘性係数が推定でき、アシストトルク制御が確実に行われる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
【０００８】
図１は、本発明の一実施例な係る電動パワーステアリング装置１００のハードウェア構成図である。以下、本実施例の電動パワーステアリング装置１００について説明する。
【０００９】
ステアリングシャフト１０の一端には、ステアリングホイール１１（ハンドル）が取り付けられ、他端にはギヤボックス１２に軸承されたピニオン軸１３が結合されている。ピニオン軸１３は、ギヤボックス１２に嵌装されたラック軸１４に噛合され、また図示していないが、このラック軸１４の両端はボールジョイント等を介して図略の操向車輪に連結されている。また、ステアリングシャフト１０には、アシストトルクを付与するブラシレス直流モータＭ（以下、単に「モータＭ」という）が、２つの歯車１７を介して連結されている。
【００１０】
このモータＭには、モータ制御装置２００の駆動回路２１３より、電流検出器２１５を介してＵ，Ｖ，Ｗの３相に対する各モータ駆動電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給される。更に、ステアリングシャフト１０には、運転者からステアリングホイール（ハンドル）１１に加えられたマニュアル操舵力の大きさ及びその方向（操舵トルクＴ）を検出するためのトルク検出器１５が設けられている。
【００１１】
また、モータＭには、その回転角を検出する同期用の回転角センサＥ（エンコーダ）が付設されており、回転角センサＥが出力するモータＭの回転角θmに基づいてピニオン回転角（＝ハンドルの操舵角）θpが求められる。
モータ制御装置２００は、ＣＰＵ２１０、ＲＯＭ２１１、ＲＡＭ２１２、駆動回路２１３、入力インターフェイス（ＩＦ）２１４、電流検出器２１５等から構成されている。駆動回路２１３は、図略のバッテリー、ＰＷＭ変換器、ＰＭＯＳ駆動回路等から構成され、チョッパ制御により駆動電流を正弦波にしてモータＭに電力を供給する。
【００１２】
モータ制御装置２００のＣＰＵ２１０には、上記の回転角θmや、操舵トルクＴの検出に利用されるトルクセンサ１５、車速Ｖを与える車速計５０等からの出力信号（測定値）が、入力インターフェイス（ＩＦ）２１４を介して入力される。ＣＰＵ２１０は、これらの入力値から所定のトルク計算に基づいて、モータＭが出力すべきトルク値（指令トルクＴm）を決定し、更に、この指令トルクＴmに基づいてｄ軸とｑ軸の各電流指令値（Ｉｄ*，Ｉｑ*）を決定する。だだし、本実施例においては、「Ｉｄ*＝０」である。
【００１３】
図２は、本実施例に係わる、電動パワーステアリング装置１００のモータ制御装置２００の制御ブロック・ダイヤグラムである。各制御ブロックの入出力の関係は以下の通りである。
トルクセンサ１５は操舵トルクを位相補償部２１と微分演算部２３に出力する。
位相補償部２１は位相補償された操舵トルクをアシスト制御部２０に出力する。
微分演算部２３は操舵トルクの微分を慣性補償部２２に出力する。
車速計５０は車速をアシスト制御部２０、ダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６に出力する。
モータからは回転角が相対角演算部６０に出力され、操舵角の相対角が計算されて微分演算部６１に出力される。
微分演算部６１は操舵角の角速度をダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６に出力する。
アシスト制御部２０、慣性制御部２２、ダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６は、上記入力値から設定された計算式に応じてトルクを出力する。尚、アシスト制御部２０においては後述する方法により粘性係数ρhを推定しそれを用いてアシストトルクを決定する。アシスト制御部２０と慣性制御部２２の出力するトルクは操舵速度と同方向、ダンパ制御部２４とハンドル戻し制御部２６の出力するトルクは操舵速度と逆方向である。
アシスト制御部２０、慣性制御部２２、ダンパ制御部２４、ハンドル戻し制御部２６の出力が加算部２８にて加算され、モータトルクＴmとして電流指令演算部３０に出力される。電流指令演算部３０からは電流制御部４０にｑ軸の電流指令値（Ｉｑ*）が出力され、モータ駆動電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとしてモータＭに供給される。
【００１４】
図３は、本実施例のアシスト制御部２０の処理内容を示すブロック図である。ＥＰＳ全作用力算出部３００１では、ピニオン回転角度θpと角速度ωpからＥＰＳ全作用力を算出する。ラック推力算出部３００２では、ピニオントルクＴPとモータトルクＴmからラック推力を算出する。外乱トルク算出部３００３ではＥＰＳ全作用力とラック推力の差から外乱トルクＴdを算出する。一方、横滑り角算出部３００４ではピニオン回転角度θpと車速ｕから横滑り角αfが算出される。ＳＡＴ／内部抗力算出部３００５ではピニオン角速度ωpと、横滑り角αfと外乱トルクＴdから、勾配κと粘性係数ρとを推定する。ＳＡＴ／内部抗力算出部３００５の推定した勾配κと粘性係数ρとは更新されながら、粘性係数ρはアシストトルク演算部３００６での制御のために読み出される。
【００１５】
Ｔpは運転者の操舵トルク、ωpはピニオン角速度（＝ｄθp／ｄｔ）であり、ピニオン回転角θpはθp＝θS−Ｔp／ＫSで求められる。ここで、θSは操舵角センサで検出した操舵角であり、ＫSはステアリング・シャフトのトーションバーのねじれ剛性を示すバネ定数である。また、バネ定数ＫSの値が非常に大きい場合には、θp≒θSと考えても差支えないので、以下、この様な前提条件のもとに、ピニオン角と操舵角とを区別せずに論ずる場合がある。
【００１６】
路面反力に起因するトルク（セルフアライニングトルクＴS）は、操舵系の運動方程式（次式（１））に基づいて、式（２）の様に表すことができる。
【数１】
Ｊe・ｄωp／ｄｔ＝Ｔp＋ｇＴm＋ＴS−ρωp≡ｄ          …（１）
【数２】
ＴS−ρωp＝ｄ−Ｔp−ｇＴm                            …（２）
【００１７】
ただし、ここで、Ｊeは操舵系の回転運動に関する全慣性（イナーシャ）、Ｔmはモータ３４の出力トルク（補助トルク）、ｇは減速機のギヤ比、ρはハンドルの回転に抗する粘性トルクのピニオン角速度ωpに係わる粘性係数、ｄは操舵系に作用する全トルクである。
【００１８】
Ｔp、ωpは各センサの出力値に基づいて求めることができ、更に、モータＥの出力トルクＴmは、モータＥに通電される電流値に基づいて随時推定することができる。式（１）の全トルクｄに関しては、周知のフィードバック制御の制御理論に基づいて、図４の式（ａ）に示すオブザーバ（状態推定器）を構成することができる。ただし、ここで、Ｇはオブザーバ・ゲイン（３行×２列の定数行列）であり、ｄhは全トルクｄの推定値、下付きの添字ｈはその変数が推定値であることを示すものである。また、更に、上記の式（ａ）を前記のサンプリング周期Δｔにて離散化すれば、図４の式（ｂ），（ｃ）に示す様に離散化された状態方程式を得ることができる。ただし、ここで、Ａ，Ｃは定数行列（３行×３列）、Ｂ，Ｄは定数行列（３行×２列）、ｘは操舵系の状態を表す状態ベクトル（３行×１列の縦ベクトル）であり、ｋはサンプリング周期Δｔで離散化された時刻パラメータ（配列引数）である。
【００１９】
以上のことから、図４の離散化された状態方程式（式（ｂ），（ｃ））に基づいて、操舵系に作用する全トルクｄの推定値ｄhを正確に算出できれば、上記の外乱トルクＴS−ρωpは、式（２）より正確に算出できることが判る。
【００２０】
上記の粘性係数ρは、温度により変化することが多く、また、パワーステアリング装置の経年、修理、調整、部品交換、或いは仕様変更等により変動する場合もある。そこでオンライン最小二乗法に基づいた所定のアルゴリズムにより粘性係数ρと、セルフアライニングトルクＴSを前輪横滑り角αfで除した勾配κを同時に推定する。
【００２１】
〔運動方程式により前輪横滑り角αfを推定する方法〕
車両の前輪横滑り角αfは、図４の式（ｄ）、式（ｅ）で表される運動方程式により、近似或いは推定できることが一般に知られている。ここで、下付きの添字ｆは前輪、下付きの添字ｒは後輪をそれぞれ表しており、ν［ｍ／ｓ］は横速度、ｒ［ｒａｄ／ｓ］はヨー角速度、ｕ［ｍ／ｓ］は車速、ｃf［Ｎ／ｒａｄ］は前輪のコーナリングパワー、Ｌf［ｍ］は前輪車軸と車両重心間の距離、Ｍ［ｋｇ］は車両質量、Ｉz［ｋｇ・ｍ2］は車両のｚ軸回りの慣性モーメント、ｇhはハンドル角（ピニオン角θp）と実舵角の比である。
【００２２】
車速ｕ及びピニオン角θpを入力する際のサンプリング間隔Δｔで、この運動方程式（図４の式（ｄ）、式（ｅ））を離散化することにより、次式（３），（４）が得られる。
【数３】
ｚ(k+1)＝（Ｉ＋Ｑｕ(k)＋Ｒ／ｕ(k)）ｚ(k)＋Ｓθp(k)    …（３）
【数４】
αf＝（ａ／ｕ(k)，ｂ／ｕ(k)）ｚ(k)−ｃθp(k)          …（４）
【００２３】
ただし、ここで、ｋはサンプリング周期Δｔで離散化された第２実施例と同様の時刻パラメータ（配列引数）であり、ｚは車体の状態を表す状態ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）、Ｉは２行×２列の単位行列、Ｑは２行×２列の定数行列で、Ｓは定数ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）である。また、式（４）のａ，ｂ，ｃはそれぞれ定数である。以上のことから、図５に例示する前輪横滑り角αfの推定手順（ステップ７１０〜ステップ７８０）に従えば、車速ｕ及びピニオン角θpを随時検出することにより、前輪横滑り角αfの推定値がリアルタイムで得られることが判る。
【００２４】
〔粘性係数ρの推定方法〕
次に、ｄh，αfに基づいて粘性係数ρを推定する。ｄh，αf、ωp、Ｔp、Ｔm、ｇが求められたので、次の式（５）で決定されていないものは勾配κと粘性係数ρである。
【数５】
καf−ρωp＝ｄ−Ｔp−ｇＴm      …（５）
【００２５】
ここで、式（５）に対してオンライン最小２乗法を適用することにより、以下に示す様に、勾配κと粘性係数ρとを同時に推定することができる。図６は、オンライン最小２乗法に基づいて粘性係数ρの値を推定する推定手順のフローチャートである。本アルゴリズムでは、まず最初に、ステップ８１０により忘却係数行列Ｌの各成分と前記の時刻パラメータｋを初期化する。λ1，λ2の各値は、粘性係数ρと勾配κの各変動特性を考慮して、例えば「λ1＝0.999，λ2＝0.95」などの様に設定しておけば良い。
【００２６】
次に、ステップ８１５により、５つの代数ｙ，Ｋ，ｑ，Ｐ，φの初期化をそれぞれ行う。ただし、ここで、ｙはスカラー、Ｋは２行×１列の縦ベクトル（状態ベクトル）、ｑは２行×１列の縦ベクトル（粘性係数ρ，勾配κから成る推定値ベクトル）、Ｐは２行×２列の可変行列、φは２行×１列の縦ベクトルで、ρ０、κ０はそれぞれ粘性係数ρ，勾配κの初期値（適当な仮定値）、Ｉは２行×２列の単位行列、ｃは適当な定数である。
【００２７】
ステップ８２０では、図示する様に、ｑ(k)，ｙ(k)，φ(k)，Ｋ(k)の各値に基づいてｑ(k+1)の値を算出する。
ステップ８３０では、図示する様に、Ｌ，Ｐ(k)，φ(k)の各値に基づいてＰ(k+1)の値を算出する。
ステップ８４０では、次のステップ８５０が周期Δｔ毎に実行される様に、ステップ８５０の次回の実行時刻を待つ。ステップ８５０ではｋの値を１だけ増加させる。
ステップ８６０では、αf，ｄh，θp，Ｔp，Ｔmの各値を入力する。ただし、ｄh、αfについては、同定済みの推定値を充てる。
【００２８】
ステップ８７０では、入力したαf，ｄh，θp，Ｔp，Ｔmの各値に基づいて、図示する様に代数φ，ｙの値をそれぞれ更新する。ただし、代数ｙ(k)の更新は、式（５）に基づいて、ｄ＝ｄhを仮定した上で実行するものとする。
ステップ８８０では、Ｐ(k)，φ(k)の各値に基づいて図示する様に代数Ｋ(k)の値を更新する。
ステップ８９０では、粘性係数ρの推定値を上記のステップ８２０で算出した推定値ベクトルｑ(k)から求める。
以上の処理手順に従えば、粘性係数ρと勾配κの推定値を算出することができる。この推定された粘性係数をρhとおく。
【００２９】
さて、操舵角が小さく、操舵速度が大きい場合には粘性係数の推定値が異常値となるため、そのような場合に粘性係数を異常値に置き替えないことが本実施例である。これは図３のＡＴ／内部抗力算出部３００５にこの機能をもたせる。
【００３０】
〔操舵半周期が350ms以下の場合、粘性係数を置き替えないためのフローチャート〕
本実施例装置は図７に示すフローチャートに従って動作する。図６のオンライン最小二乗法により求められた粘性係数の推定値ρhで、前回値を書き換えないよう、操舵半周期フラグを条件によりＮＧとするためのものである。図７のフローチャートでは前回操舵角を記憶させておくことで、ハンドル中立位置を通過しない操舵であっても、符号の変化を検出することが可能となる。
【００３１】
まずステップ１０１で、ハンドル角についてハイパスフィルタ処理が行われる。カットオフ周波数は例えば2Hzとする。
次にステップ１０２で、ハイパスフィルタ後のハンドル角の符号が判定される。ハイパスフィルタ後のハンドル角の符号が正又は０であればステップ１０３に、ハイパスフィルタ後のハンドル角の符号が負であればステップ２０３に進む。
【００３２】
ステップ１０３では、ハイパスフィルタ後のハンドル角の前回値の符号が判定される。ハイパスフィルタ後のハンドル角の前回値の符号が負であればステップ１０４に、ハイパスフィルタ後のハンドル角の前回値の符号が正又は０であればステップ１０７に進む。
【００３３】
ステップ１０４では、操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期を下回っているかどうかが判定される。操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期を下回っていればステップ１０５に、操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期を下回っていなければステップ１０６に進む。
【００３４】
ステップ１０５では、操舵半周期フラグをＮＧにセットしてステップ１０６に進む。ステップ１０６では、操舵半周期カウンタをクリアしてステップ１１０に進む。
【００３５】
ステップ１０７では、操舵半周期カウンタをインクリメントしてステップ１０８に進む。
ステップ１０８では、操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期以上であるかどうかが判定される。操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期以上であればステップ１０９に、操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期未満であればステップ１１０に進む。ステップ１０９では、操舵半周期フラグをＯＫにセットしてステップ１１０に進む。
【００３６】
ステップ２０３では、ハイパスフィルタ後のハンドル角の前回値の符号が判定される。ハイパスフィルタ後のハンドル角の前回値の符号が正又は０であればステップ２０４に、ハイパスフィルタ後のハンドル角の前回値の符号が負であればステップ２０７に進む。
【００３７】
ステップ２０４では、操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期を下回っているかどうかが判定される。操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期を下回っていればステップ２０５に、操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期を下回っていなければステップ２０６に進む。
【００３８】
ステップ２０５では、操舵半周期フラグをＮＧにセットしてステップ２０６に進む。ステップ２０６では、操舵半周期カウンタをクリアしてステップ１１０に進む。
【００３９】
ステップ２０７では、操舵半周期カウンタをインクリメントしてステップ２０８に進む。
ステップ２０８では、操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期以上であるかどうかが判定される。操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期以上であればステップ２０９に、操舵半周期カウンタが粘性係数推定可能最低周期未満であればステップ１１０に進む。ステップ２０９では、操舵半周期フラグをＯＫにセットしてステップ１１０に進む。
【００４０】
ステップ１１０では、ローパスフィルタ後のハンドル角でローパスフィルタ後のハンドル角前回値を書き換え、ハイパスフィルタ後のハンドル角でハイパスフィルタ後のハンドル角前回値を書き換えて、ステップ１０１に戻る。
【００４１】
図８に、入力データを変化させたときの粘性係数推定データを示す。図８（ａ）は、車速を20km/h又は40km/h、操舵速度を2rad/s又は4rad/s、操舵角を22.5度付近、45度付近、90度付近、180度付近としたものである。操舵速度が4rad/sで操舵角を22.5度付近とした場合、車速が20km/hであるか40km/hであるかに関わらず粘性係数として異常値（負の値）が推定された。また、図８（ｂ）は、車速を20km/h又は40km/h、操舵角を±45度又は±90度とし、操舵速度を0.5rad/s付近、1rad/s付近、2rad/s付近、4rad/s付近、8rad/s付近としたものである。操舵速度が8rad/sで操舵角を±45度とした場合、車速が20km/hであるか40km/hであるかに関わらず粘性係数として異常値（0又は負の値）が推定された。本発明ではこれらの異常値により粘性係数が置き替えられないので精度良く粘性係数を推定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例な係る電動パワーステアリング装置１００のハードウェア構成図。
【図２】電動パワーステアリング装置１００のモータ制御装置２００の制御ブロック・ダイヤグラム。
【図３】アシスト制御部２０の構成を示すブロック図。
【図４】アシスト制御部２０の作用原理に係わる物理公式の公式表。
【図５】前輪横滑り角αfの推定手順を示したフローチャート。
【図６】オンライン最小２乗法に基づいて粘性係数ρの値を推定する推定手順のフローチャート。
【図７】操舵半周期が350ms以下の場合、粘性係数を置き替えないためのフローチャート。
【図８】（ａ）は、横滑り角推定のための運転状況である車速と操舵角の時間変化を示すグラフ図、（ｂ）は、（ａ）の状態で推定された横滑り角の時間変化を示すグラフ図。
【符号の説明】
θp …  ピニオン角
ωp …  ピニオン角速度
Ｔp …  運転者の操舵トルク
Ｔs …  セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）
Ｔd …  外乱トルク（粘性トルクとＳＡＴの和）
Ｔm …  モータの出力トルク（補助トルク）
ｇ  …  ギヤ比
ｕ  …  車速
Ｊe …  操舵系の回転運動に関する全慣性（イナーシャ）
ｄ  …  操舵系に作用する全トルク
ｄh …  全トルクｄの推定値
ｈ  …  下付きの添字（その変数が推定値であることを示す）
ρ  …  粘性トルクのピニオン角速度ωpに係わる粘性係数
αf …  前輪横滑り角
κ  …  前輪横滑り角αfに対するセルフアライニングトルクの勾配
Ａ  …  定数行列（３行×３列）
Ｂ  …  定数行列（３行×２列）
Ｃ  …  定数行列（３行×３列）
Ｄ  …  定数行列（３行×２列）
Ｇ  …  オブザーバ・ゲイン（３行×２列の定数行列）
ｘ  …  状態ベクトル（３行×１列の縦ベクトル）
ｚ  …  状態ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）
ｋ  …  時刻ｔに対応し、離散化された時刻パラメータ（配列引数）
ｑ(k) …  ρ，κから成る推定値ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）
Ｋ(k) …  状態ベクトル（２行×１列の縦ベクトル）
Ｐ(k) …  可変行列（２行×２列）
【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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