(57)【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手段で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値とから演算した電流制御値に基いて前記モータをＰＷＭ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の制御装置において、モータ角加速度と前記操舵トルクを関数化した推定値との乗算により演算される値により、前記操舵補助指令値を補正することを特徴とする電動パワーステアリング装置の制御装置。
【請求項２】
前記推定値が前記操舵トルクの平方根の関数である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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の制御装置に関し、特にモータを駆動するデューティ比対モータ電流特性の断続モードで発生する制御エラーの影響を、安定性を損なうことなく小さくするようにした電動パワーステアリング装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、電流制御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−ティ比の調整で行っている。
【０００３】
ここで、電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図２２に示して説明すると、操向ハンドル１の軸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。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がクラッチ２１、減速ギア３を介して軸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。クラッチ２１はコントロールユニット３０でＯＮ／ＯＦＦ制御され、通常の動作状態ではＯＮ（結合）されている。そして、コントロールユニット３０によりパワーステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニションキー１１によりバッテリ１４の電源（電圧Ｖｂ）がＯＦＦとなっている時に、クラッチ２１はＯＦＦ（切離）される。
【０００４】
コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ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図２３のようになる。
【０００５】
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及び積分補償器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のモータ電流値ｉはモータ電流検出回路３８で検出され、モータ電流値ｉは減算器３０Ａに入力されてフィードバックされる。
【０００６】
モータ駆動回路３７の構成例を図２４に示して説明すると、モータ駆動回路３７は加算器３０Ｂからの電流制御値Ｅに基いて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の各ゲートを駆動するＦＥＴゲート駆動回路３７１、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４で成るＨブリッジ回路、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２のハイサイド側を駆動する昇圧電源３７２等で構成されている。ＦＥＴ１及びＦＥＴ２は、電流制御値Ｅに基いて決定されるデューティ比Ｄ１のＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってＯＮ／ＯＦＦされ、実際にモータ２０に流れる電流Ｉｒの大きさが制御される。ＦＥＴ３及びＦＥＴ４は、デューティ比Ｄ１の小さい領域では所定１次関数式（ａ，ｂを定数としてＤ２＝ａ・Ｄ１＋ｂ）で定義されるデューティ比Ｄ２のＰＷＭ信号で駆動され、デューティ比Ｄ２も１００％に達した以降、ＰＷＭ信号の符号により決定されるモータ２０の回転方向に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。
【０００７】
ここにおいて、デューティ比とモータ電流Ｉとの関係は図２５に示すようになっており、デューティ比がゼロ近辺には、操舵の走行感を実感させるための不感帯ＵＢが設けられている。通常不感帯ＵＢの領域を断続モードと称し、他の領域を連続モードと称している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図２５に示すようにデューティ比がゼロ付近に不感帯ＵＢが設けられているため、モータ角速度ωがゼロ付近で摩擦特性が不連続となり、何かのタイミングで舵角が完全に静止すると、ハンドルがその位置にはりついてしまう感じを受ける不具合がある。即ち、電動パワーステアリング装置では操舵性能を向上するためにモータ慣性の補償や摩擦の影響を除去するための種々の補償を行っており、そのような補償制御をモータ角速度に基づいて行っているため、電動パワーステアリング装置が持っている摩擦の影響を補償することができない。
【０００９】
ここにおいて、モータ端子電圧をＶｍ、モータの電気抵抗を（Ｌｍ・ｓ＋Ｒｎ）、モータ電流をｉ、モータのトルク定数をＫＴとすると、モータの逆起電力の推定値ＫＴ・ωは下記（１）式となる。
【００１０】
ＫＴ・ω ＝ Ｖｍ −（Ｌｍ・ｓ＋Ｒｎ）ｉ      ・・・（１）
上記（１）式より、
ω ＝｛Ｖｍ −（Ｌｍ・ｓ＋Ｒｎ）ｉ｝／ＫＴ     ・・・（２）
が成り立ち、通常この（２）式によって角速度ωを推定している。角速度ωを推定するのは、高価なセンサを用いないようにするためである。このようにして、上記（２）式に従って角速度ωを推定すると、電流ｉが不連続な断続モードでは角速度推定値ωにエラーが生じ、角加速度推定値ωａは角速度推定値ωを微分して推定しているため、その誤差は更に大きくなってしまう。このような誤差の影響を小さくするためには、不感帯を設定して制御量を減少させれば良いが、不連続になってしまう問題がある。
【００１１】
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、電動パワーステアリング装置の断続モードにおいても安定性を損なうことなく、角速度推定値や角加速度推定値に発生するエラーの影響を除去し得るようにした電動パワーステアリング装置の制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
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値とから演算した電流制御値に基いて前記モータをＰＷＭ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の制御装置に関するもので、本発明の上記目的は、モータ角加速度と前記操舵トルクを関数化した推定値との乗算により演算される値により、前記操舵補助指令値を補正することによって達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は本発明の前提となる制御機能の全体ブロック図であり、操舵トルクＴはセンタ応答性改善部１０１及び操舵補助指令値演算部１０２に入力され、各出力が加算器１０３に入力され、その加算結果がトルク制御演算部１０４に入力されている。トルク制御演算部１０４の出力信号はモータロス電流補償部１０５に入力され、その出力が加算器１０６を経て最大電流制限部２０１に入力され、最大電流値が制限されて電流制御部２０２に入力される。電流制御部２０２の出力は、Ｈブリッジ特性補償部２０３を経てＨブリッジ回路で成る電流ドライブ回路２１１に入力され、これによりモータ２１０を駆動する。
【００１５】
モータ２１０のモータ電流ｉは、モータ電流オフセット補正部２０４を経て電流ドライブ切換部２０５、電流制御部２０２及びモータ角速度推定部３０１に入力され、モータ端子電圧Ｖｍはモータ角速度推定部３０１に入力される。モータ角速度推定部３０１で推定された角速度ωはモータ角加速度推定部・慣性補償部３０２、モータロストルク補償部３０３及びヨーレート推定部３０４に入力され、ヨーレート推定部３０４の出力は収れん制御部３０５に入力され、収れん制御部３０５及びモータロストルク補償部３０３の各出力は加算器３０６で加算され、その加算結果が加算器１０３に入力される。モータロストルク補償部３０３はモータ２１０のロストルクの発生する方向、つまりモータ２１０の回転方向に対してロストルク相当のアシストを行い、収れん制御部３０５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いる。モータ角加速度推定部・慣性補償部３０２の出力は、電流ディザ信号発生部３０７からの電流ディザ信号と共に加算器３０８に入力され、加算器３０８の加算結果は加算器１０６に入力される。
【００１６】
トルク系制御１００は、センタ応答性改善部１０１、操舵補助指令値演算部１０２、トルク制御演算部１０４、モータロス電流補償部１０５及び加算器１０３、１０６で行われ、電流制御２００は、最大電流制限部２０１、電流制御部２０２、Ｈブリッジ特性補償部２０３、モータ電流オフセット補正部２０４及び電流ドライブ切換部２０５で行われる。また、補償系制御３００は、モータ角速度推定部３０１、モータ角加速度推定部・慣性補償部３０２、モータロストルク補償部３０３、ヨーレート推定部３０４、収れん制御部３０５、電流ディザ信号発生部３０７及び加算器３０６、３０８で行われる。
【００１７】
このような構成において、センタ応答性改善部１０１は、アシスト特性の不感帯での安定性確保、静摩擦の補償、ヒステリシス制御、操舵感のチューニング、ウォームギアのゴムダンパによる制御不安定防止を行い、図２に示すように位相進み補償部１０１Ａ、近似微分部１０１Ｂ及びゲイン設定部１０１Ｃで構成され、位相進み補償部１０１Ａは図３に示す周波数特性を有し、近似微分部１０１Ｂは図４に示す周波数特性を有する。これにより、位相進み補償と近似微分との合成特性は図５に示すようになり、全体として位相遅れのない位相特性を得ることができる。また、ゲイン設定部１０１Ｃでは車速及び操舵トルクＴによる３段階のゲイン設定を行い、操舵のヒステリシス感設定用のゲイン切換も行う。つまり、ハンドルが急に戻されるような操舵感を低減し、保舵を安定させるため、操舵トルク大で操舵トルク変化率大、かつ操舵トルク減少方向の場合に、設定ゲインを小さくしている。
【００１８】
操舵補助指令値演算部１０２はアシスト量の計算において、３つの代表車速（０、３０、２５４Ｋｍ／ｈ）によるアシスト特性を基本特性として設定し、その他の車速では車速補間ゲインに応じて各基本特性間を車速２Ｋｍ／ｈ毎の補間を行う。そして、アシスト特性の車速設定範囲０〜２５４Ｋｍ／ｈ、分解能２Ｋｍ／ｈとする。基本アシスト特性（トルク対電流）は図６に示すものであり、０Ｋｍ／ｈ＝ｌｏ特性、３０Ｋｍ／ｈ＝ｌａ特性、２５４Ｋｍ／ｈ＝ｌｂ特性で表わされている。そして、その他の車速についての車速補間演算は、図７で示す車速（Ｋｍ／ｈ）対車速補間係数γで２Ｋｍ／ｈ毎に行う。車速０〜３０Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝ｌａ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（ｌｏ（Ｔ）−ｌａ（Ｔ））であり、車速３２〜２５４Ｋｍ／ｈのとき、アシスト電流ＩはＩ＝ｌｂ（Ｔ）＋γ（Ｖ）（ｌａ（Ｔ）−ｌｂ（Ｔ））である。
【００１９】
また、トルク制御演算部１０４は電動パワーステアリング装置の機械系の安定化、減速ギア部にゴムダンパによる振動の安定化、操舵フィーリングの調整のために操舵トルク応答を設定する。図８はその構成例を示しており、位相補償部１０４Ａ，１０４Ｃ，１０４Ｄと、ロバスト安定化補償部１０４Ｂ，１０４Ｅとで構成されており、ロバスト安定化補償部１０４Ｂ，１０４Ｅの周波数特性は図９に示すようになっている。位相補償部１０４Ａ，１０４Ｃ，１０４Ｄの周波数特性は図１０に示すようになっており、全体として図１１のようになる。
【００２０】
モータロス電流補償部１０５は、モータ電流ｉが流れてもモータ出力に現れない電流を上乗せして、モータ出力トルク０からの立ち上りを改善し、センタ感のチューニングとして設定する。また、補償値はトルク制御演算出力の符号と同一符号となるように加算し、補償値は車速により４段階に切換える。
【００２１】
最大電流制限部２０１は図１２に示す構成となっており、定格電流値による制限部２０１Ａは電流指令値の最大値が定格電流値となるように制限し、トルク定数補正部２０１Ｂはモータトルク定数温度変動を補正するためのゲイン補正を行う。定格電流値による制限の後でゲイン補正を行うことにより、低温時には定格電流以下に制限され、低温減磁防止機能を兼ねている。また、過熱保護による制限部２０１Ｃは過熱保護機能によって求められた電流制限値により、電流指令値を制限する。
【００２２】
電流制御部２０２は電流指令値とモータ電流値ｉが一致するように上下段のＦＥＴのデューティ比を計算する。また、据え切り時の電流振動を低減するため、据え切り時は電流フィードバック特性を低く設定し、走行時は応答性を上げるため電流フィードバック特性を高く設定するように、車速で特性を切換える。
【００２３】
Ｈブリッジ特性補償部２０３は電流ドライブ切換部２０５により電流ドライブ方法が３段階に選択され、それに基づいて変数Ｂの値を変更して電流ドライブ方法を図１４に示すように切換える。下段ＦＥＴのデューティ比は
下段ＦＥＴデューティ比＝上段ＦＥＴデューティ比＋Ｂ ・・・（３）
で求められる。変数Ｂの値のみの切換えではモータ電流ｉがステップ的に変化してしまうので、モータ電流ｉが変化しないように上段ＦＥＴデューティ比を同時に変更し、上段ＦＥＴデューティ比の変更により、制御系にフィードバックする信号もステップ的に変化する。それによる制御系の過渡応答を防ぐため、Ｑフィルタの内部変数をリセットする。また、ステアリング切り増し方向に高速で回転させているとき、デューティ比対電流特性の不感帯が大きくなり、応答性が悪くなることを補償するため、モータ角速度推定値ωが所定値以上、かつモータ角速度推定値ωと電流駆動方向が同一、かつモータ電流が所定値より小さいときに、デューティにモータ角速度推定値ωに比例した値を加算する。
【００２４】
電流ドライブ切換部２０５は、ハンドル戻り時にモータ逆起電圧によりデューティ比と電流との関係が不連続になり、電流振動（制御音）を起こすことを防止するため、デューティ比対電流特性が不連続にならないような電流ドライブ方法を決定し、電流制御部２０２に入力する。
【００２５】
モータ角速度推定部３０１は収れん性制御、慣性補償、モータロストルク補償などの補償制御にモータ角速度の情報が必要であり、センサを設けることなく達成するために推定演算で求める。モータ角速度推定部３０１の構成は図１５のようになっており、モータ逆起電圧ＫＴ・ωは前記（１）式から求められる。なお、図１５では、モータの負荷系の抵抗をＲｍで簡略化している。温度変動オフセット補正部３０１ＣはＲ＝Ｒｍ＋ΔＲ（ΔＲには巻線温度変動、巻線スロットによる変動、接触抵抗変動等が含まれる）とすると、モータ角速度推定値ωの計算は下記（４）式になる。
【００２６】
0004089161.tif 000002
上記（４）式より、ΔＲ・ｉの推定誤差を持つ。このうち、巻線の温度変動は−０．４／℃となることが分っているので、モータ温度推定値を基に抵抗の温度変動分を補正する。
【００２７】
また、電流比例不感帯３０１Ｄは、推定誤差はモータ電流ｉに比例したオフセット誤差となることから、電流に比例した不感帯設定を行い、温度変動以外の誤差の影響を取り除く。なお、モータ角加速度推定への信号には、不感帯設定前の値を出力する。トルク定数温度補正部３０１Ｅは、トルク定数ＫＴは温度により変動するため、モータ角速度推定値の大きさが温度で変化する。これを補正するため、モータマグネット温度の推定値からトルク定数ＫＴの変動を計算して補正する。
【００２８】
モータ角加速度推定部・慣性補償部３０２はモータ慣性を加減速させるトルクを操舵トルクから排除して、慣性感のない操舵感にする。モータ慣性を加減速させるトルクはモータ角加速度に比例するため、角加速度推定値を求め、ゲイン倍して電流指令値に加算することにより補償を行う。モータ角加速度推定方法は、モータ角速度推定値（不感帯設定前）の入力に対して近似微分を行うものであり、レイトリミッタは微分された信号に対して位相遅れを少なくノイズ低減を行うため、信号の変化率を制限するタイプのリミッタを設定する。マップ感応不感帯設定は、保舵時のノイズ低減のため、アシスト特性の出力に比例した不感帯を設定する。モータ慣性補償はモータ角加速度推定値をゲイン倍してモータ慣性補償値とし、ゲインは車速に応じて４段階に設定する。
【００２９】
モータロストルク補償部３０３はモータのロストルクを補償するため、図１６に示すようなモータ角速度の方向に応じて補償値を出力する。ヨーレート推定部３０４は、収れん性制御で必要な車両のヨーレートを推定するため、モータ角速度ωから車両のヨーレートまでの伝達関数を計算して、車両のヨーレートを推定している。伝達関数はω２（Ｔ１ｓ＋１）／（ｓ２＋２ζω・ｓ＋ω２）であり、周波数特性は図１７に示すものである。
【００３０】
収れん性制御部３０５は、ヨーレート推定値をゲイン倍してトルク制御系演算の入力に加算し、車両のヨーレート収れん性を制御する。車速感応ゲインは図１８に示すように車速感応で２ｋｍ／ｈ毎に設定する。また、車両の挙動と操舵トルクとを一致させるため、ヨーレートが所定値以上で操舵トルクが所定値以上の場合、車速感応ゲインに所定ゲインを加算し、図１９に示すように収れん性制御値を増加させる。
【００３１】
電流ディザ信号発生部３０７はモータが静摩擦で張り付いてしまうのを防ぐため、操舵トルクが所定値以下でモータ角速度推定値が所定値以下の場合に、所定の周波数と振幅を持つディザ信号を電流指令値に加算する。
【００３２】
ここにおいて、モータ角加速度推定部・慣性補償部３０２は図２０に示すように、モータ角速度推定部３０１からの角速度推定値ωを微分する微分部３０２Ａと、微分部３０２Ａで微分されて求められた角加速度推定値ωａに対して不感帯を設ける関数部３０２Ｂと、関数部３０２Ｂの出力にゲインを乗算するゲイン部３０２Ｃとで構成されている。このように角速度推定値ωを微分して角加速度推定値ωａを求めると、角速度推定値ωに誤差成分があるとその誤差が増長されてしまい、制御の確実性が損なわれてしまう。
【００３３】
このため、本発明では図２１に示すように不感帯の関数部３０２Ｂを削除して、操舵トルクＴを入力して平方根関数で出力する関数部３０２Ｄを設け、関数部３０２Ｄの出力をゲイン部３０２Ｃからの出力と乗算する乗算部３０２Ｅを設けている。操舵トルクＴの小さい領域において角加速度推定値ωａを小さくすることにより、制御の安定性を損なうことなく、断続モードで生ずる制御エラーの影響を小さくすることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明では、モータの角速度の推定値及び角加速度の推定値に対して操舵トルクの関数を乗算し、制御量を小さくしても安定性を損なうことなく、断続モードで発生する制御エラーの影響を除去することができ、快適な操舵フィーリングを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる基本構成を示すブロック図である。
【図２】センタ応答性改善部のブロック構成図である。
【図３】位相進み補償部の特性例を示す図である。
【図４】近似微分部の特性例を示す図である。
【図５】位相進み補償部及び近似微分部の合成特性を示す図である。
【図６】基本アシスト特性を示す図である。
【図７】車速補間演算の一例を示す図である。
【図８】トルク制御演算部の構成例を示すブロック図である。
【図９】ロバスト安定化補償の周波数特性を示す図である。
【図１０】位相補償の周波数特性を示す図である。
【図１１】ロバスト安定化補償及び位相補償の合成特性を示す図である。
【図１２】最大電流制限部の構成例を示すブロック図である。
【図１３】電流制御部の構成例を示すブロック図である。
【図１４】Ｈブリッジ特性補償部の特性例を示す図である。
【図１５】モータ角速度推定部の構成例を示すブロック図である。
【図１６】モータロストルク補償の特性例を示す図である。
【図１７】ヨーレート推定部の特性例を示す図である。
【図１８】収れん性制御部の特性例を示す図である。
【図１９】収れん性制御部の特性例を示す図である。
【図２０】モータ角加速度推定部・慣性補償部の構成例を示すブロック図である。
【図２１】本発明の要部を示すブロック構成図である。
【図２２】電動パワーステアリング装置の一例を示すブロック構成図である。
【図２３】コントロールユニットの一般的な内部構成を示すブロック図である。
【図２４】モータ駆動回路の一例を示す結線図である。
【図２５】電動パワーステアリング装置のデューティ比対モータ電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１００    トルク系制御
１０１    センタ応答性改善部
１０２    操舵補助指令値演算部
１０４    トルク制御演算部
１０５    モータロス電流補償部
２００    電流制御
２０１    最大電流制限部
２０２    電流制御部
２０３    Ｈブリッジ特性補償部
２０４    モータ電流オフセット補正部
２０５    電流ドライブ切換部
２１０    モータ
２１１    電流ドライブ回路
３００    補償系制御
３０１    モータ角速度推定部
３０２    モータ角加速度推定部・慣性補償部
３０３    モータロストルク補償部
３０４    ヨーレート推定部
３０５    収れん制御部
３０７    電流ディザ信号発生部
【図１】
0004089161.tif 000003
【図２】
0004089161.tif 000004
【図３】
0004089161.tif 000005
【図４】
0004089161.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004089161.tif 000009
【図８】
0004089161.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004089161.tif 000015
【図１４】
0004089161.tif 000016
【図１５】
0004089161.tif 000017
【図１６】
0004089161.tif 000018
【図１７】
0004089161.tif 000019
【図１８】
0004089161.tif 000020
【図１９】
0004089161.tif 000021
【図２０】
0004089161.tif 000022
【図２１】
0004089161.tif 000023
【図２２】
0004089161.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
0004089161.tif 000027