(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転者のハンドル操作によって自動車の進行方向を指示するハンドルと、
ブラシと整流子とが接触して電機子に電流を供給するブラシ付直流電動機からなり、前記ハンドル操作に対して補助力を与える電動機と、
前記電動機を電流フィードバック制御により駆動制御する電動機制御手段と
を有する電動パワーステアリング装置において、
前記電動機の固有振動数は、軸たわみ系の１次の固有振動数が、回転系の１次の固有振動数よりも高く、
前記電動機制御手段は、前記電流フィードバック制御のサンプリング周波数が、前記電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数の５倍以上となる、デジタル制御を行い、
前記電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数は、ハンドル保舵時には前記電動機の回転系の１次の固有振動数以上であり、ハンドル回転時には前記電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数以下である
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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転者のハンドル操作に対して電動機を電流フィードバック制御により駆動制御して補助力を与える電動パワーステアリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動パワーステアリング装置では運転者のハンドル操作に対して電動機駆動により補助力を与えるにあたり、ハンドル操舵感覚向上のためにさまざまな工夫がなされてきた。例えば図２４は特開昭６１−１３２４６５「電動式パワーステアリング装置のモータ制御装置」に示されるアシスト信号の特性を示すグラフである。図の太い実線Ｍ0は、捻りトルクの大きさが所定値１より小さいとアシスト信号は出力されず、所定値１以上所定値２以下ではトルクに比例した比例ゲインの小さいアシスト信号が出力され、所定値３より大きいと比例ゲインの大きいアシスト信号が出力されることを示している。また車速が大きくなると実線Ｍ1，ｍ1あるいは点線Ｍ2，ｍ2のように捻りトルクに対するアシスト信号出力は減少するように設計されている。このようにトルクおよび車速にともないアシスト信号を変化させることでハンドル操舵感覚向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電動機を駆動制御するときの電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数と機械系の固有振動数の関係によって以下のような操舵感悪化、騒音発生という問題がある。図２１は電動パワーステアリング装置の構造例である。図において、５は補助力を与えるモータ、２４はモータを電流制御するためのコントロールユニット、２５はハンドル、２６はハンドル軸、２７は減速機、２８はピニオン軸、また２９は車輪である。モータ５にはコントロールユニット２４で決定された電流指令値に基づき電流が供給され、減速機２７およびハンドル軸２６を介してハンドル２５にトルクが伝達され、運転者のハンドル操作を補助する。
【０００４】
モータ５の回転軸と減速機２７の間にはギアの隙間があり、またハンドル２５、ハンドル軸２６、ピニオン軸２８などが連結されているため、モータ回転系の１次の固有振動数はたいていの場合数十〜数百Ｈｚに存在する。
【０００５】
電動パワーステアリング装置で用いられる電動機にはトルク変動が存在しており、これが回転系の１次の固有振動数と共振すると振動が増幅されてハンドルが大きく振動するため、操舵感覚が悪化する。特に電動機にブラシ付直流機を用いる場合には、ブラシと整流子間の接触抵抗変動によりモータ電流が回転系の1次の固有振動数で発振してハンドルが振動し、騒音が発生するという問題がある。本現象は電動機がトルクを発生したまま静止しているハンドル保舵時あるいは低速回転時に顕著にあらわれる。
【０００６】
また、電動機を駆動制御するときのＣＰＵの性能等から電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数には上限があり、モータ回転系の１次の固有振動数と近似する場合がある。
【０００７】
このように電流フィードバック制御の交差周波数が電動機の回転系の固有振動数と近似している場合には、制御ゲインあるいは位相余裕が小さいため不安定な応答となって電動機の回転系の固有振動数で電流が大きく振動するという問題がある。
【０００８】
本現象は電動機がトルクを発生したまま静止している時あるいは低速回転している時に顕著にあらわれる。図２２は通常の場合のモータ電流波形、図２３は電流が大きく振動したときのモータ電流波形を同じスケールで示している。このようにモータ電流が大きく振動するときにはトルク脈動が大きくなり、その振動がハンドル軸２６を介してハンドル２５に伝達され、操舵感覚が悪化する。
【０００９】
また、機械系の固有振動数には前述の回転系の固有振動数以外に、電動機の軸たわみの固有振動数や電動機の外殻の固有振動数など多くの要素がある。これらの固有振動数は数百Ｈｚ以上のものが多く、聴感上不快な騒音として聞こえることが多い。
【００１０】
モータ駆動時の加振力の基本周波数は（モータ回転数）×（モータセグメント数）であり、その整数倍の加振力が大きくなる。この加振力は主に半径方向に働き、モータの電機子内の電流分布アンバランスや、回転子と固定子の軸がずれることによる偏心、モータの磁石の着磁アンバランスなどが原因で発生するもので、端子電流の大きさを制御しても加振力を低減することは困難である。この加振力の大きさは電流制御ゲインの影響を受け、応答性を高めるため電動機を駆動制御するときの電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を大きくとると、前述の加振周波数に対する制御ゲインが大きくなるため加振力が大きくなり、機械系の固有振動数との共振で発生する騒音が大きくなるという問題がある。本現象は電動機が高速回転している時に顕著にあらわれる。
【００１１】
本発明は上述のような問題を解消するためになされたもので、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を、モータ回転系の１次の固有振動数以上に設定することにより、電動機に供給する電流が回転系の１次の固有振動数で変動するのを抑制でき、ハンドルに伝わる振動を低減して操舵感覚が向上する電動パワーステアリング装置を得ることを目的とする。
また、電流フィードバック制御の交差周波数を、電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数以下に小さく設定することにより、軸たわみ系の１次の固有振動数での制御ゲインを小さくして加振力を小さくし、電動機の加振力が電動機の軸たわみ系の固有振動数等と共振することによって発生する騒音を低減する電動パワーステアリング装置を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の電動パワーステアリング装置は、運転者のハンドル操作によって自動車の進行方向を指示するハンドルと、ブラシと整流子とが接触して電機子に電流を供給するブラシ付直流電動機からなり、ハンドル操作に対して補助力を与える電動機と、電動機を電流フィードバック制御により駆動制御する電動機制御手段とを有する電動パワーステアリング装置において、電動機の固有振動数は、軸たわみ系の１次の固有振動数が、回転系の１次の固有振動数よりも高く、電動機制御手段は、電流フィードバック制御のサンプリング周波数が、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数の５倍以上となる、デジタル制御を行い、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数は、ハンドル保舵時には電動機の回転系の１次の固有振動数以上であり、ハンドル回転時には電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数以下であることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の一実施例である実施の形態１に関する電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび該コントロールユニットに接続される入出力装置を示す機能ブロック図である。図において、１は運転者の操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段、２は車速検出手段、３はモータ回転数検出手段（電動機回転数検出手段）である。４は電流指令値決定手段であり、操舵トルク、車速、およびモータ回転数に応じて適切なモータ駆動電流指令値を遂次決定する。
【００３３】
電流指令値決定手段４は、操舵トルクの信号に応じて車速毎に適切な補助力を発生させるようにマッチングされたベース電流決定手段４ａ、モータの慣性モーメントのフィーリングへの影響を除去することを目的とし、操舵トルク検出手段１の検出信号のハイパスフィルタ出力を車速に応じて重み付けする微分制御係数との積によって求める微分制御手段４ｂ、ハンドル手放し時のステアリングの収斂性を改善するためにモータ回転数検出手段３の回転検出値に対して逆方向に車速演算値に応じて重み付けされた補償電流を通電する収斂制御手段４ｃ、操舵系のギア、モータなどの摩擦によるハンドル戻り性の悪化を補正する摩擦補償電流決定手段４ｄなどから構成されている。
【００３４】
電流指令値決定手段４の出力した指令値は、モータ（実負荷）５の駆動電流を検出する電流検出手段６を介してコントロールユニットにフィードバックされた値との間で偏差が演算される。
【００３５】
電流フィードバックゲイン設定手段７は、偏差εの絶対値が第１のしきい値としての所定値Ｔｈ１より大のときは通常設定されているゲインにより偏差を増幅し、偏差εの絶対値が所定値Ｔｈ１以下のときは電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が電動機の回転系の１次の固有振動数の例えば１／２1/2倍以下となるようなゲインにより偏差を増幅する。
【００３６】
フィードバックゲイン設定手段により補正された偏差は、ＰＩコントローラ８に入力され、電流フィードバック制御が遂次実行される。さらに、コントローラ出力はパルス幅変調手段９により所定の搬送周波数と制御量に応じたパルス幅の信号に変換される。パルス幅変調手段９の出力は、バッテリ１０の供給する電源により電力増幅され、モータ５に制御電流を供給する。
【００３７】
また、図２は、上記実施の形態１に関する電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび周辺の回路ブロックの構成例を示したものである。図において、１１は電動機制御手段としてのマイクロコントローラであり、ＣＰＵ１５、制御手順および制御特性等が記憶されているＲＯＭ１６、制御演算値の一時的な保管のためのＲＡＭ１７、プログラムの実行周期の管理をおこなうためのタイマ１８、操舵トルク検出手段２の検出する検出トルク信号および電流検出手段６の検出するモータ駆動電流値等をＣＰＵ１５に取り込むためのＡ／Ｄ変換器１９、ＣＵＰ１５で処理・実現されるＰＩコントローラ８の演算結果に基づきドライブ回路１２を介してモータを駆動する主回路１４に供給するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を供給するためのパルス幅変調手段９、およびＣＰＵ１５の周辺の回路との信号の受け渡しをおこなうＩ／Ｏポート２１等で構成されている。
【００３８】
運転者がキースイッチ２０をＯＮすることでシステムが起動すると、マイクロコントローラ１１は所定の初期故障診断および初期化処理を実施した後、ドライブ回路１２を介して制御されるリレー１３を閉じることにより、モータ５を主回路１４より駆動可能とする。そして操舵トルク検出手段１、車速検出手段２、モータ回転数検出手段３等の出力に応じてモータ駆動電流指令値を演算し、電流検出手段６の検出値をフィードバックすることでモータ５の発生する出力トルクを制御している。
【００３９】
上記回路におけるＣＰＵ１５の処理の詳細について説明する。電動機制御手段としてのＣＰＵ１５は、ＲＯＭ１６に予め記憶されたソフトウェアを遂次実行することによりモータ駆動電流を電流指令値に対し追従制御をおこなう。まずタイマ１８により一定の周期に管理された演算周期毎に操舵トルク検出手段１、車速検出手段２、モータ回転数検出手段３の各出力を参照し、今回制御周期におけるモータ駆動電流指令値を演算する。一方、電流検出手段６の出力するモータ駆動電流検出値も一定の周期毎に参照する。そして電流フィードバック処理をおこない、主回路１４で用いるＰＷＭ制御の駆動デューティーとするＰＩ制御演算出力を得る。本制御演算出力をパルス幅変調手段９により主回路１４の動作に必要なＰＷＭ信号に変換する。また一方、ＣＰＵ１５はモータ駆動電流指令値の駆動方向に応じて主回路１４の出力するモータ電流駆動方向をＩ／Ｏポート２１から出力することにより、モータ５を適切な方向に駆動している。
【００４０】
次に、本実施例における電流フィードバック処理のソフトウェアの動作について図３のフローチャートに基づいて説明する。電流フィードバック処理演算ルーチンは、タイマ１８の機能によって一定周期毎に呼び出され、処理が実行される。そして、ステップＳ１で電流指令値決定手段４の出力する電流指令値を取り込み、またステップＳ２で電流検出手段５の出力するモータ駆動電流検出値（電動機駆動電流値）を取り込み、この両者から偏差εをステップＳ３で求める。
【００４１】
ステップＳ４では、ステップＳ３で求めた偏差εの絶対値を、第１のしきい値としてのしきい値Ｔｈ１と比較し、しきい値Ｔｈ１より大のときは通常設定されているゲインＫ１を乗ずるステップＳ５へ、またしきい値Ｔｈ１以下のときは電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が電動機の回転系の１次の固有振動数の例えば１／２1/2倍以下となるようなゲインＫ２を乗ずるステップＳ６へ分岐する。ステップＳ５またはＳ６において、ステップＳ３で求めた偏差εに対する所定ゲインＫ１またはＫ２を乗ずることで補正偏差ε’を得る。
【００４２】
ステップＳ７およびＳ８では、各補正後の偏差ε’に対して比例項（Ｐ項）および積分項（Ｉ項）の演算を実行する。また、ステップＳ９では、Ｐ項とＩ項の和を求め、主回路１４を駆動するパルス幅を求める。ステップＳ１０では、電流指令値の方向に基づきモータ５に通電する出力の向きを主回路１４に指示する。さらにステップＳ１１でパルス幅変調手段９に対してステップＳ９で求めた制御出力をセットすることで、ＰＩ演算結果にしたがった所定のモータ駆動デューティーパルスを出力する。
【００４３】
上記ステップＳ３で求めた電流指令値とモータ駆動電流検出値の偏差εが大きいときは、運転者の急激なハンドル操作のためモータの回転は加速あるいは減速されるような高速回転時の場合であり、偏差εが小さいときは、運転者はハンドルを保舵あるいは低速で回転させているためモータが静止あるいは低速回転時の場合である。前述のようにモータがトルクを発生したまま静止している時あるいは低速回転している時、電流フィードバック制御の交差周波数が電動機の回転系の固有振動数と近似している場合には、電動機の回転系の固有振動数で電流が大きく振動してその振動がハンドルに伝達され、操舵感覚が悪化するという問題がある。
【００４４】
モータが静止あるいは低速回転している場合は、図３のステップＳ３で求めた偏差εがしきい値Ｔｈ１以下となり、ステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が電動機の回転系の１次の固有振動数の例えば１／２1/2倍以下となるようなゲインＫ２を乗ずることで得られる補正偏差ε’に対して比例および積分の演算が実行される。この場合の電流フィードバックループの一巡伝達関数を図示すると図４のようになる。
【００４５】
図４においてｆｎは、回転系の１次の固有振動数、またｆｃは、交差周波数でありｆｎより小さくなる（１／２1/2倍以下である）。したがって回転系の１次の固有振動数ｆｎにおける制御ゲインは、−３ｄＢ以下となり、制御系が電流変動に与える影響を小さくすることができる。このように制御ゲインを選択することで、ハンドル保舵時のように電流が発振する現象がある場合には制御帯域を小さくして機械伝達系も含めた応答が安定となるようにでき、またハンドル急速操舵時のように過渡応答が必要な場合には通常設定された制御帯域で電流制御されるため十分な応答性が確保できる。
【００４６】
実施の形態２．
図５は、本発明の一実施例である実施の形態２に関する電流フィードバック処理のソフトウェア動作を示すフローチャートである。電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび該コントロールユニットに接続される入出力装置を示す機能ブロック図は実施の形態１で示した図１と同様、また電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび周辺の回路ブロックの構成例は図２と同様なため省略する。
【００４７】
図５に関しては、ステップＳ１〜Ｓ３及びＳ７〜Ｓ１１は、実施の形態１の図３と同様であり、変更部分であるＳ４〜Ｓ６について説明する。図５のステップＳ４では、ステップＳ３で求めた偏差εを第２のしきい値としてのしきい値Ｔｈ２と比較し、しきい値Ｔｈ２より小のときはゲインＫ１を乗ずるステップＳ５へ、またしきい値Ｔｈ２以上のときはゲインＫ２を乗ずるステップＳ６へ分岐する。
【００４８】
ここでゲインをＫ１としたときのＰＩ演算による電流フィードバックループの一巡伝達関数は、図６に示すようになり、交差周波数をｆｃ０とする。またゲインＫ２としたときのＰＩ演算による電流フィードバックループの一巡伝達関数は図７に示すようになり、交差周波数ｆｃは例えばｆｃ０／２1/2以下となるように設定している。また図６および図７において、ｆｎは例えばモータの軸たわみの固有振動数のような機械系の固有振動数の１つを示している。
【００４９】
モータ駆動時の加振力の基本周波数は、（モータ回転数）×（モータセグメント数）であり、その整数倍の加振力が大きくなる。モータ電流制御の応答性を高めるため電動機を駆動制御するときの電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を大きくとると、前述の加振周波数に対する制御ゲインが大きくなるため加振力が大きくなり、機械系の固有振動数と共振することにより発生する騒音が大きくなるという問題がある。
【００５０】
電動機が高速回転している時にはモータ回転数およびモータ電流が大きくなるため加振力は大きくなり、騒音レベルは特に大きくなる。モータが高速回転している場合は図５のステップＳ３で求めた偏差εがしきい値Ｔｈ２以上となり、ステップＳ６により制御ゲインＫ２が選択されＰＩ演算による電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数ｆｃは小さく（ｆｃ０／２1/2以下）なる。このとき図６、図７に示すように機械系の固有振動数ｆｎにおける制御ゲインは従来より小さくなり（３ｄＢ以上小さくなり）、したがって騒音レベルを小さくすることができる。このように制御ゲインを選択することで、ハンドル急速操舵時のようにモータ電流が大きくなるため加振力が大きくなるなる場合には制御帯域を小さくして低騒音化をはかり、またハンドル低速回転時のようにモータ電流が小さい場合には通常設定された制御帯域で電流制御されるため十分な応答性が確保できる。
【００５１】
実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２においては電流フィードバックの演算式選択の指標として電流指令値決定手段の出力する電動機駆動電流指令値と電流値検出手段の出力する電動機駆動電流値の偏差を用いたが、本実施の形態３では電流フィードバックの演算式選択の指標として電動機回転数検出手段の出力する電動機回転数信号を用いる例について記述する。
【００５２】
電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび該コントロールユニットに接続される入出力装置を示す機能ブロック図は実施の形態１で示した図１と同様、また電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび周辺の回路ブロックの構成例は図２と同様である。図８に本発明の一実施例である実施の形態３に関する電流フィードバック処理のソフトウェア動作を示すフローチャートを示す。図８のフローチャートは、図３、図５のフローチャートに対してステップＳ１２の取り込み信号をモータ回転速度検出値ωmtr（電動機回転数検出手段３の出力する電動機回転信号）とし、ステップＳ４におけるフィードバックゲイン切り替えの指標をこのωmtrでおこなうものとしている。
【００５３】
すなわち電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が電動機の回転系の固有振動数と近似している場合には、モータがトルクを発生したまま静止している時あるいは低速回転している時に電流が大きく振動してハンドル操舵感が悪化する現象があり、この場合は実施の形態１と同様に図８においてモータ回転速度検出値ωmtr（電動機回転信号）が、第１のしきい値としてのしきい値Ｔｈ３以下であればステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が電動機の回転系の１次の固有振動数の例えば１／２1/2倍以下となるようなゲインＫ２を選択して電流制御をおこなうことで操舵感覚を向上させることができる。
【００５４】
また、モータ電流制御の応答性を高めるため電動機を駆動制御するときの電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を大きくしている場合には、（モータ回転数）×（モータセグメント数）の整数倍の加振周波数に対する制御ゲインが大きくなるため加振力が大きくなり機械系の固有振動数と共振することにより発生する騒音が大きくなるという現象があり、この場合は実施の形態２と同様に図８においてモータ回転速度検出値ωmtr（電動機回転信号）が、第２のしきい値としてのしきい値Ｔｈ４以上であればステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が通常の交差周波数の１／２1/2倍以下となるようなゲインＫ２を選択して電流制御をおこなうことで騒音レベルを小さくすることができる。モータ回転速度検出手段は特にブラシレスモータには必ず具備されているため容易かつ安価に実施可能である。
【００５５】
実施の形態４．
本実施の形態４では電流フィードバックの演算式選択の指標として操舵速度検出手段の出力する操舵速度信号を用いる例について記述する。図９に電流フィードバック処理のフローチャートを、図１０に回路ブロックの構成例を示す。図９のフローチャートは図３、図５、あるいは図８のフローチャートに対してステップＳ１２の取り込み信号を操舵速度検出値ωstr（操舵速度検出手段２３の出力する操舵速度信号）とし、ステップＳ４におけるフィードバックゲイン切り替えの指標をこのωstrでおこなうものとしている。
【００５６】
すなわち、実施の形態１と同様の場合は、操舵速度検出値ωstr（操舵速度信号）が、第１のしきい値としてのしきい値Ｔｈ５以下であればステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が電動機の回転系の１次の固有振動数の例えば１／２1/2倍以下として操舵感覚を向上させ、実施の形態２と同様の場合は操舵速度検出値ωstr（操舵速度信号）が、第２のしきい値としてのしきいＴｈ６以上であればステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が通常の交差周波数の１／２1/2倍以下として騒音レベルを小さくする。
【００５７】
なお、操舵速度検出手段２３には、光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、レゾルバ等の回転センサが利用可能であり、これらはマイコンとのインターフェースも容易である。
【００５８】
実施の形態５．
実施の形態１および実施の形態２においては電流フィードバックの演算式選択の指標として電流指令値と電流検出値の偏差を用いたが、本実施の形態５では電流指令値の微分値を用いる例について記述する。
【００５９】
運転者のハンドル操作時間は短いため、電流指令値の微分値が大きいときはモータ回転速度あるいはハンドル操舵速度は高速であり、また電流指令値の微分値が小さいときはモータ回転速度あるいはハンドル操舵速度は低速であると考えられる。
【００６０】
図１１に電流フィードバック処理のフローチャートを示す。ステップＳ１では、前回の電流フィードバック制御周期で用いたモータ駆動電流指令値Ｉ＿ＴＧＴを１サンプル遅延の目標電流値として保存したのち、今回の制御周期における目標電流を取り込む。また、ステップＳ４では今回の目標電流指令値と前回の目標電流指令値の偏差の絶対値を所定のしきい値と比較する。
【００６１】
すなわち、実施の形態１と同様の場合は電流指令値の微分値が、第１のしきい値としてのしきい値Ｔｈ７以下であればステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が電動機の回転系の１次の固有振動数の例えば１／２1/2倍以下として操舵感覚を向上させ、実施の形態２と同様の場合は電流指令値の微分値が、第２のしきい値としてのしきい値Ｔｈ８以上であればステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が通常の交差周波数の１／２1/2倍以下として騒音レベルを小さくする。
【００６２】
尚、本実施の形態では微分演算の手段として、制御周期毎のサンプリング値に対してソフトウェアにより後方差分によって微分するものとして示したが、その他に知られる双一次変換を用いたソフトウェアによる微分処理、あるいは演算増幅器を用いたハードウェアによる微分処理などの方法等を応用してもよい。
【００６３】
実施の形態６．
本実施の形態６では電流フィードバックの演算式選択の指標として電動機回転数信号あるいは操舵速度信号の微分値を用いる例について記述する。運転者のハンドル操作時間は短いため、電動機回転数信号あるいは操舵速度信号の微分値が大きいときはモータ回転速度あるいはハンドル操舵速度は高速であり、また電動機回転数信号あるいは操舵速度信号の微分値が小さいときはモータ回転速度あるいはハンドル操舵速度は低速であると考えられる。
【００６４】
図１２に電流フィードバック処理のフローチャートを示す。ステップＳ１２では、前回の制御周期で取り込んだ操舵速度検出手段２３の検出値ωstrを取り込む。また、ステップＳ４では今回の制御周期と前回の制御周期の操舵速度検出手段２３の検出値の偏差の絶対値を所定のしきい値と比較する。
【００６５】
すなわち、実施の形態１と同様の場合は電流指令値の微分値が、第１のしきい値としてのしきい値Ｔｈ９以下であればステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が電動機の回転系の１次の固有振動数の例えば１／２1/2倍以下として操舵感覚を向上させ、実施の形態２と同様の場合は電流指令値の微分値が、第２のしきい値としてのしきい値Ｔｈ１０以上であればステップＳ６により電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数が通常の交差周波数の１／２1/2倍以下として騒音レベルを小さくする。
【００６６】
本実施の形態においては、図１２のステップＳ１２の操舵速度検出手段２３の検出値を微分し、その結果に基づいてフィードバックゲインを設定するものとして説明したが、モータ回転数検出手段３の出力値に対して微分を実行して用いても同様な効果が得られる。
【００６７】
尚、本実施の形態では微分演算の手段として、制御周期毎のサンプリング値に対してソフトウェアにより後方差分によって微分するものとして示したが、その他に知られる双一次変換を用いたソフトウェアによる微分処理、あるいは演算増幅器を用いたハードウェアによる微分処理などの方法等を応用してもよい。
【００６８】
実施の形態７．
図１において、電流指令値決定手段４の出力した指令値は、モータ（実負荷）５の駆動電流を検出する電流検出手段６を介してコントロールユニットにフィードバックされた値との間で偏差が演算されるが、本実施の形態においては、偏差はＰＩコントローラ８に入力され、電流フィードバック制御が遂次実行される。さらに、コントローラ出力はパルス幅変調手段９により所定の搬送周波数と制御量に応じたパルス幅の信号に変換される。そして、パルス幅変調手段９の出力は、バッテリ１０の供給する電源により電力増幅され、モータ５に制御電流を供給する。
【００６９】
本実施の形態の電流フィードバックループの一巡伝達関数の例を図１３に示す。図において、ｆｎ１は電動機の回転系の１次の固有振動数を、またｆｎ２は電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数であり、ｆｃは電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を示している。図１３はｆｎ１＜ｆｃ＜ｆｎ２となる場合の伝達関数を示している。本実験装置における電動機の回転系の１次の固有振動数ｆｎ１は約１００Ｈｚ、また電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数ｆｎ２は約１ｋＨｚである。交差周波数ｆｃの設定方法とその効果について実験結果をもとに説明する。
【００７０】
図１４は電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数ｆｃが図１３のようにｆｎ１＜ｆｃ＜ｆｎ２となるある値において、電流フィードバック制御のサンプリング周波数と電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数の比を横軸に、また電流変動の大きさを縦軸にとったものである。図からわかるように、電流フィードバック制御のサンプリング周波数と電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数の比が１０以上の場合は電流変動は小さいが、それらの比が１０より小さくなると電流変動は増大傾向にあり、それらの比が５より小さいと電流変動はかなり大きくなる。この電流変動はモータのトルク変動となり、ハンドルに振動が伝達されるため操舵感覚が低下する。
【００７１】
図１５、図１６、図１７はハンドル保舵時の電流の時間波形および周波数特性を同じスケールで描いたものである。各々（ａ）が時間波形、（ｂ）が周波数特性を示している。交差周波数ｆｃと電動機の回転系の１次の固有振動数ｆｎ１の関係は、図１５の場合はｆｃ＜ｆｎ１、図１６の場合はｆｎ１＜ｆｃ、図１７の場合はｆｎ１＜＜ｆｃとなるように設定し、例えばここでは、図１５の場合はｆｃ≒０．８×ｆｎ１、図１６の場合はｆｃ≒５×ｆｎ１、図１７の場合はｆｃ≒１５×ｆｎ１としている。なお、電流フィードバック制御のサンプリング周波数はいずれも２０ｋＨｚであり、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数の１０倍以上としている。
【００７２】
図１５の場合は交差周波数ｆｃが回転系の１次の固有振動数ｆｎ１の約０．８倍であり、ｆｎ１より小さく設定されているため電流変動を低減することができず、電流は回転系の１次の固有振動数である約１００Ｈｚにおいて大きく振動している。そのためモータのトルク変動が大きくなり、ハンドルに振動が伝達されて操舵感覚が低下する。
【００７３】
図１６の場合は交差周波数ｆｃが回転系の１次の固有振動数ｆｎ１の約５倍であり、ｆｎ１より大きく設定しているため電流変動が低減でき、約１００Ｈｚにおける電流変動も低減できている。
図１７の場合は交差周波数ｆｃが回転系の１次の固有振動数ｆｎ１の約１５倍であり、ｆｎ１より十分大きく設定しているため電流変動はほとんどみられない。
【００７４】
このように保舵時のハンドル振動を低減するためには電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数ｆｃは大きい方が望ましく、少なくとも回転系の１次の固有振動数ｆｎ１より大きくする必要がある。
【００７５】
そして、本実施の形態においては、電動機制御手段としてのマイクロコントローラ１１は、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を電動機の回転系の１次の固有振動数以上とするので、電動機に供給する電流を回転系の１次の固有振動数で変動するのを抑制でき、ハンドルに伝わる振動を低減して操舵感覚が向上する効果がある。
【００７６】
また、マイクロコントローラ１１は、電流フィードバック制御のサンプリング周波数が電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数の５倍以上となるようにデジタル制御を行う。そのため、電流変動が小さくハンドルに伝わる振動を低減して操舵感覚を向上させることができる。
【００７７】
実施の形態８．
本実施の形態においては、ハンドル回転時の騒音について考慮したものである。図１８、図１９、図２０はハンドル回転時の騒音特性を同じスケールで描いたものであり、交差周波数ｆｃと電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数ｆｎ２の関係は、図１８の場合はｆｃ＜＜ｆｎ２、図１９の場合はｆｃ＜ｆｎ２、図２０の場合はｆｎ２＜ｆｃとなるように設定し、例えばここでは、図１８の場合はｆｃ≒０．１×ｆｎ２、図１９の場合はｆｃ≒０．５×ｆｎ２、図２０の場合はｆｃ≒１．５×ｆｎ２としている。
【００７８】
電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数ｆｎ２は約１ｋＨｚであり、約１ｋＨｚの騒音レベルは図２０、図１９、図１８の順に大きくなっている。これは電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を大きくとると、加振周波数に対する制御ゲインが大きくなるため加振力が大きくなり、機械系の固有振動数との共振で発生する騒音が大きくなるためである。したがってハンドル回転時の騒音を低減するためには電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数ｆｃは小さい方が望ましく、少なくとも電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数ｆｎ２より小さくする必要がある。
【００７９】
このように、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数ｆｃは、ハンドル保舵時には電動機の回転系の１次の固有振動数ｆｎ１より大きく、ハンドル回転時には電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数ｆｎ２より小さく設定するのがよいといえる。その伝達特性は図１３のようになる。
【００８０】
すなわち、本実施の形態においては、電動機制御手段としてのマイクロコントローラ１１は、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を電動機の回転系の１次の固有振動数以上、かつ電動機の軸たわみ系の1次の固有振動数以下とする。そのため、電流フィードバック制御の交差周波数を電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数以下小さくすることにより軸たわみ系の1次の固有振動数での制御ゲインは小さくなり加振力が小さくなるため、電動機の加振力が電動機の軸たわみ系の固有振動数等と共振することにより発生する騒音を低減することができる。
【００８１】
【発明の効果】
この発明の電動パワーステアリング装置は、運転者のハンドル操作によって自動車の進行方向を指示するハンドルと、ブラシと整流子とが接触して電機子に電流を供給するブラシ付直流電動機からなり、ハンドル操作に対して補助力を与える電動機と、電動機を電流フィードバック制御により駆動制御する電動機制御手段とを有する電動パワーステアリング装置において、電動機の固有振動数は、軸たわみ系の１次の固有振動数が、回転系の１次の固有振動数よりも高く、電動機制御手段は、電流フィードバック制御のサンプリング周波数が、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数の５倍以上となる、デジタル制御を行い、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数は、ハンドル保舵時には電動機の回転系の１次の固有振動数以上であり、ハンドル回転時には電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数以下であることを特徴とする。そのため、電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数を電動機の回転系の１次の固有振動数より大きく設定することにより電動機に供給する電流が回転系の１次の固有振動数で変動するのを抑制できるため、ハンドルに伝わる振動を低減して操舵感覚を向上させることができる。
また、電流変動が小さくハンドルに伝わる振動を低減して操舵感覚を向上させることができる。
さらに、軸たわみ系の１次の固有振動数での制御ゲインは小さくなり加振力が小さくなるため、電動機の加振力が電動機の軸たわみ系の固有振動数等と共振することにより発生する騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび該コントロールユニットに接続される入出力装置を示す機能ブロック図である。
【図２】  本発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび周辺の回路ブロックの構成例を示す図である。
【図３】  本発明の実施の形態１による電流フィードバック処理のソフトウェア動作を示すフローチャートである。
【図４】  本発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の電流フィードバックループの一巡伝達関数を示すグラフである。
【図５】  本発明の実施の形態２による電流フィードバック処理のソフトウェア動作を示すフローチャートである。
【図６】  本発明の実施の形態２による電流フィードバック処理におけるゲインをＫ１としたときのＰＩ演算による電流フィードバックループの一巡伝達関数を示すグラフである。
【図７】  本発明の実施の形態２による電流フィードバック処理におけるゲインをＫ２としたときのＰＩ演算による電流フィードバックループの一巡伝達関数を示すグラフである。
【図８】  本発明の実施の形態３による電流フィードバック処理のソフトウェア動作を示すフローチャートである。
【図９】  本発明の実施の形態４による電流フィードバック処理のソフトウェア動作を示すフローチャートである。
【図１０】  本発明の実施の形態４による電動パワーステアリング装置のコントロールユニットおよび周辺の回路ブロックの構成例を示す図である。
【図１１】  本発明の実施の形態５による電流フィードバック処理のソフトウェア動作を示すフローチャートである。
【図１２】  本発明の実施の形態６による電流フィードバック処理のソフトウェア動作を示すフローチャートである。
【図１３】  本発明の実施の形態７による電動パワーステアリング装置の電流フィードバックループの一巡伝達関数を示すグラフである。
【図１４】  電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数ｆｃがｆｎ１＜ｆｃ＜ｆｎ２となるある値において、電流フィードバック制御のサンプリング周波数と電流フィードバックループの一巡伝達関数における交差周波数の比を横軸に、また電流変動の大きさを縦軸にとったグラフである。
【図１５】  交差周波数ｆｃと電動機の回転系の１次の固有振動数ｆｎ１の関係がｆｃ＜ｆｎ１の場合のハンドル保舵時の電流の時間波形および周波数特性を同じスケールで描いたものであり、（ａ）が時間波形、（ｂ）が周波数特性を示すグラフである。
【図１６】  交差周波数ｆｃと電動機の回転系の１次の固有振動数ｆｎ１の関係がｆｎ１＜ｆｃの場合のハンドル保舵時の電流の時間波形および周波数特性を同じスケールで描いたものであり、（ａ）が時間波形、（ｂ）が周波数特性を示すグラフである。
【図１７】  交差周波数ｆｃと電動機の回転系の１次の固有振動数ｆｎ１の関係がｆｎ１＜＜ｆｃの場合のハンドル保舵時の電流の時間波形および周波数特性を同じスケールで描いたものであり、（ａ）が時間波形、（ｂ）が周波数特性を示すグラフである。
【図１８】  本発明の実施の形態８による交差周波数ｆｃと電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数ｆｎ２の関係がｆｃ＜＜ｆｎ２の場合のハンドル回転時の騒音特性を示すグラフである。
【図１９】  本発明の実施の形態８による交差周波数ｆｃと電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数ｆｎ２の関係がｆｃ＜ｆｎ２の場合のハンドル回転時の騒音特性を示すグラフである。
【図２０】  本発明の実施の形態８による交差周波数ｆｃと電動機の軸たわみ系の１次の固有振動数ｆｎ２の関係がｆｎ２＜ｆｃの場合のハンドル回転時の騒音特性を示すグラフである。
【図２１】  電動パワーステアリング装置の構造例である。
【図２２】  通常の場合のモータ電流波形を示すグラフである。
【図２３】  電流が大きく振動したときのモータ電流波形を同じスケールで示すグラフである。
【図２４】  従来の電動式パワーステアリング装置のアシスト信号の特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  操舵トルク検出手段、２  車速検出手段、３  モータ回転数検出手段（電動機回転数検出手段）、４ａ  ベース電流決定手段、４ｂ  微分制御手段、４ｃ  収斂制御手段、４ｄ  摩擦補償電流決定手段４ｄ、４  電流指令値決定手段、５  モータ（電動機）、６  電流検出手段、７  電流フィードバックゲイン設定手段、８はＰＩコントローラ、９  パルス幅変調手段、１０  バッテリ、１１  マイクロコントローラ（電動機制御手段）、１２  ドライブ回路、１３  リレー、１４  モータを駆動する主回路、１５  ＣＰＵ、１６  ＲＯＭ、１７  ＲＡＭ、１８  タイマ、１９  Ａ／Ｄ変換器、２０  キースイッチ、２１  Ｉ／Ｏポート、２２  電源回路、２３  操舵速度検出手段、２４  コントロールユニット、２５  ハンドル、２６  ハンドル軸、２７  減速機、２８  ピニオン軸、２９  車輪。
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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