(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記操作手段の操作による操舵角変化の速度である操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段と、
前記電動モータの回転角変化の速度である回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記電動モータに供給すべき電流の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記電動モータに流れる電流を検出して当該電流の検出値を出力する電流検出手段と、
前記電流目標値と前記電流検出値との電流偏差に基づき、前記電動モータの駆動に対するフィードバック制御のための指令値を生成する制御手段と、
前記指令値に応じて前記電動モータを駆動する駆動手段と
を備え、
前記目標値設定手段は、
前記操舵角速度から前記回転速度を減算することにより角速度偏差を算出する偏差算出手段と、
前記角速度偏差に対して所定の比例ゲインを乗算することにより前記フィードバック制御に対する位相補償のための補償値を算出する補償値算出手段と、
前記角速度偏差を積分することにより得られる前記操舵トルクに対応する積分値に対して所定の積分ゲインを乗算することにより得られる乗算値に対して前記補償値を加算することにより前記電流目標値を算出する目標値算出手段と
を含むことを特徴とする、電動パワーステアリング装置。
【請求項２】
前記車両の速度である車速を検出する車速検出手段をさらに備え、
前記目標値算出手段は、前記車速に基づいて前記積分ゲインを算出することを特徴とする、請求項１に記載の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、電動モータによって車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じて電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が用いられている。この電動パワーステアリング装置では、操舵のための操作手段であるハンドルに加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサが設けられており、そのトルクセンサで検出される操舵トルクに基づき電動モータに流すべき電流の目標値が設定される。そして、この目標値と電動モータに実際に流れる電流の検出値との偏差に基づき、電動モータの駆動手段に与えるべき指令値が生成される。電動モータの駆動手段は、その指令値に応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じてオン／オフするパワートランジスタを用いて構成されるモータ駆動回路とから成り、そのデューティ比に応じた電圧すなわち指令値に応じた電圧を電動モータに印加する。この電圧印加によって電動モータに流れる電流は電流検出回路によって検出され、この検出値と上記目標値との差が上記指令値を生成するための偏差として使用される。電動パワーステアリング装置では、このようにして、操舵トルクに基づき設定される目標値の電流が電動モータに流れるようにフィードバック制御が行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の電動パワーステアリング装置においては、上記電流目標値の設定のためにトルクセンサが必須の構成要素となっている。しかし、トルクセンサは高価であるため、従来の電動パワーステアリング装置全体のコストを増大させる問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、高価なトルクセンサを用いることなく電動モータに流すべき電流の目標値を設定する電動パワーステアリング装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、車両操舵のための操作手段によって加えられる操舵トルクに応じて電動モータを駆動することにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置であって、
前記操作手段の操作による操舵角変化の速度である操舵角速度を検出する操舵角速度検出手段と、
前記電動モータの回転角変化の速度である回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記電動モータに供給すべき電流の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記電動モータに流れる電流を検出して当該電流の検出値を出力する電流検出手段と、
前記電流目標値と前記電流検出値との電流偏差に基づき、前記電動モータの駆動に対するフィードバック制御のための指令値を生成する制御手段と、
前記指令値に応じて前記電動モータを駆動する駆動手段と
を備え、
前記目標値設定手段は、
前記操舵角速度から前記回転速度を減算することにより角速度偏差を算出する偏差算出手段と、
前記角速度偏差に対して所定の比例ゲインを乗算することにより前記フィードバック制御に対する位相補償のための補償値を算出する補償値算出手段と、
前記角速度偏差を積分することにより得られる前記操舵トルクに対応する積分値に対して所定の積分ゲインを乗算することにより得られる乗算値に対して前記補償値を加算することにより前記電流目標値を算出する目標値算出手段と
を含むことを特徴とする。
【０００６】
このような第１の発明によれば、目標値設定手段により、操舵角速度およびモータ回転速度に基づき、操舵トルクに対応する値が算出される。この構成により、高価なトルクセンサを備えていない場合であっても、これを備える場合と同様に操舵トルクに応じた電流目標値を設定することができるので、電動パワーステアリング装置全体におけるコストの増大を抑えることができる。また、操舵角速度とモータ回転速度との偏差に比例ゲインを乗算し、その乗算結果を電流目標値に加算することにより、フィードバック制御に対する位相補償を行う。この構成により、高価なトルクセンサを用いることなく位相補償を行うことができるため、電動パワーステアリング装置全体におけるコストの増大を抑えることができるとともに、操舵トルクに対する微分値を算出して位相補償を行う必要がないため、簡易に位相補償を実現することができる。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、
前記車両の速度である車速を検出する車速検出手段をさらに備え、
前記目標値算出手段は、前記車速に基づいて前記積分ゲインを算出することを特徴とする。
【０００８】
このような第２の発明によれば、車速に応じて変化するパラメータ（例えば、タイヤ反力や、操舵周波数範囲など）を考慮した好適な操舵補助を行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
＜１．全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両構成と共に示す概略図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵のための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の回転角速度である操舵角速度を検出する操舵角速度センサ１と、ステアリングシャフト１０２の途中に含まれておりハンドル１００の操作によって加えられる操舵トルクをねじれトルクとして伝達するトーションバー３と、ハンドル操作（操舵操作）による運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生させる電動モータ６と、その回転速度を検出するタコメータ等の回転速度センサ２と、電動モータ６からの操舵補助力をステアリングシャフト１０２に伝達する減速ギヤ７と、車載バッテリ８からイグニションスイッチ９を介して電源の供給を受け、操舵角速度センサ１、回転速度センサ２、および車速センサ４からの各センサ信号に基づきモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。
【００１０】
このような電動パワーステアリング装置を搭載した車両において運転者がハンドル１００を操作すると、その操作による操舵角変化の速度である操舵角速度が操舵角速度センサ１によって検出される。その検出された操舵角速度と、モータ６の回転角変化の速度である回転速度と、車速センサ４によって検出された車速とに基づいてＥＣＵ５によりモータ６が駆動される。これによりモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力が減速ギヤ７を介してステアリングシャフト１０２に加えられることにより、操舵操作による運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によりトーションバー３を介して加えられる操舵トルクとモータ６の発生する操舵補助力によるトルクとの和が、出力トルクとして、ステアリングシャフト１０２を介してラックピニオン機構１０４に与えられる。これによりピニオン軸が回転すると、その回転がラックピニオン機構１０４によってラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームから成る連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１０８の向きが変わる。
【００１１】
＜２．制御装置の構成および動作＞
図２は、上記電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵ５の機能的構成を示すブロック図である。このＥＣＵ５は、モータ制御部として機能するマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略記する）１０と、そのマイコン１０から出力される指令値Ｄに応じたデューティ比のパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成するＰＷＭ信号生成回路１８と、そのＰＷＭ信号のデューティ比に応じた電圧をモータ６に印加するモータ駆動回路２０と、モータ６に流れる電流を検出する電流検出器１９とから構成される。
【００１２】
マイコン１０は、その内部のメモリに格納された所定のプログラムを実行することにより、目標電流設定部１２と減算器１４とフィードバック制御演算部（以下「ＦＢ制御演算部」と略記する）１６とからなるモータ制御部として機能する。このモータ制御部において、目標電流設定部１２は、操舵角速度センサ１から出力される操舵角速度の検出値ω１（以下、単に「操舵角速度ω１」という）と、回転速度センサ２から出力されるモータ６の回転速度の検出値ω２（以下、単に「回転速度ω２」という）と、車速センサ４から出力される車速の検出値Ｖ（以下、単に「車速Ｖ」という）とに基づき、モータ６に流すべき電流の目標値Ｉｔを決定する。この目標電流設定部１２の詳細な構成および動作については後述する。減算器１４は、この目標電流設定部１２から出力される電流目標値Ｉｔと電流検出器１９から出力されるモータ電流の検出値Ｉｓとの偏差Ｉｔ−Ｉｓを算出する。ＦＢ制御演算部１６は、この偏差Ｉｔ−Ｉｓに基づく比例積分制御演算によって、ＰＷＭ信号生成回路１８に与えるべきフィードバック制御のための上記指令値Ｄを生成する。
【００１３】
ＰＷＭ信号生成回路１８は、この指令値Ｄに応じたデューティ比のパルス信号、すなわち指令値Ｄに応じてパルス幅の変化するＰＷＭ信号を生成する。モータ駆動回路２０は、このＰＷＭ信号のパルス幅（デューティ比）に応じた電圧をモータ６に印加する。モータ６は、その電圧印加によって流れる電流に応じた大きさおよび方向のトルクを発生する。
【００１４】
図３は、上記モータ駆動回路２０の一構成例を示す回路図である。この例では、４個の電力用の電界効果型トランジスタ（以下「ＦＥＴ」という）２１〜２４によってブリッジ回路が構成されており、このブリッジ回路はバッテリ８の電源ラインと接地ラインとの間に接続されている。そして、右方向操舵を補助すべき場合は、ＰＷＭ信号生成回路１８からＦＥＴ２１，２４のゲートに上記ＰＷＭ信号が入力され、ＦＥＴ２２，２３のゲートにはそれらをオフさせる信号が入力される。これにより、モータ６は、モータ駆動回路２０によってそのＰＷＭ信号のデューティ比に応じた電圧を印加され、右方向操舵を補助するトルクを発生させる。一方、左方向操舵を補助すべき場合は、ＰＷＭ信号生成回路１８からＦＥＴ２２，２３のゲートに上記ＰＷＭ信号が入力され、ＦＥＴ２１，２４のゲートにはそれらをオフさせる信号が入力される。これにより、モータ６は、モータ駆動回路２０によってそのＰＷＭ信号のデューティ比に応じた電圧を上記と逆方向に印加され、左方向操舵を補助するトルクを発生させる。
【００１５】
＜３．目標電流設定部の詳細な構成および動作＞
図４は、本実施形態における目標電流設定部１２の構成を示すブロック線図である。この目標電流設定部１２は、減速ギヤ７における減速比ｎを操舵角速度ω１に乗算して出力する乗算器１２１と、その出力値から回転速度ω２を減算し偏差ｅとして出力する減算器１２２と、当該偏差ｅが入力されて上記電流目標値を出力する目標値算出部１２３と、当該偏差ｅが入力されて上記フィードバック制御に対する位相補償電流値を出力する位相補償部１２４と、目標値算出部１２３から出力された電流目標値に対して位相補償電流値を加算する加算器１２５と、モータ６の回転速度ω２が入力されてモータ６の慣性モーメントの影響を抑制するための慣性補償電流値を出力する慣性補償部１２６と、モータ６の回転速度ω２が入力されてモータ６の回転変動を抑制するためのダンピング電流値を出力するダンピング制御部１２７と、慣性補償電流値からダンピング電流値を減算して出力する減算器１２８と、その出力値と加算器１２５の出力値とを加算して最終的な電流目標値を出力する加算器１２９とを含む。なお、減速比ｎとは、ステアリングシャフト１０２が１回転するために必要なモータ６の回転数をいう。
【００１６】
以下、これらの構成要素の動作について詳細に説明する。上記目標値算出部１２３は、減速ギヤ７における減速比ｎを乗算した操舵角速度ω１と回転速度ω２との偏差ｅを積分する演算を行う。これにより減速比ｎを乗算したハンドル１００の操舵角とモータ６の回転角との偏差を得ることができる。ここで、トーションバー３のばね定数をｋとし、その両端部におけるねじれに対応する角度差を（θ１−θ２）とするとき、上記操舵トルク値Ｔｓは次式（１）のように表すことができる。
Ｔｓ ＝ ｋ（θ１−θ２）  …（１）
したがって、上式（１）よりトーションバー３の両端部におけるねじれに対応する偏差、すなわちハンドル１００の操舵角とモータ６の回転角との偏差から操舵トルク値Ｔｓに対応する値を算出することができる。
【００１７】
さらに、上記目標値算出部１２３は、算出された操舵トルク値Ｔｓに対応する値に対して積分ゲインＫｉを乗算することにより電流目標値を算出する。目標値算出部１２３は、積分ゲインＫｉとして固定的な定数を保持していてもよいが、好ましくは車速センサから入力される車速Ｖに対応して積分ゲインＫｉを算出する。例えば、積分ゲインＫｉと車速Ｖとの関係を示すテーブルや所定の数式などを参照して、車速Ｖに応じた積分ゲインＫｉを算出してもよい。しかし、ここでは、適切な操舵補助力を発生させるためにモータ６に供給すべき電流目標値Ｉｔと操舵トルク値Ｔｓに対応する値との関係を車速Ｖをパラメータとして示すテーブル、すなわち図５に示すようなテーブル（「アシストテーブル」と呼ばれる）が目標値算出部１２３に予め保持されており、目標値算出部１２３は、このアシストテーブルを参照して電流目標値Ｉｔを設定する。このアシストテーブルは、車速に基づいて積分ゲインＫｉを算出した結果を含んで構成される。このように、車速Ｖが小さいほど、また操舵トルク値Ｔｓが大きいほど電流目標値Ｉｔを大きくするように設定すれば、ハンドルが重いときほど操舵補助力が大きくなり、操舵操作が容易になる。
【００１８】
位相補償部１２４は、上記偏差ｅに対して比例ゲインＫｐを乗算する演算を行う。これにより、上記フィードバック制御に対する位相補償電流値を得ることができる。ここで、一般に位相補償は、制御系における伝達特性の遅れを補償し、制御系の安定を図るために行われる。例えば具体的には、操舵トルクの周波数が高くなるに従って位相進みが大きくなるように、操舵トルクに対してその微分値に対応した値を加算することにより位相補償を行う。したがって、上述のように偏差ｅを積分した値が操舵トルク値Ｔｓに対応することから、位相補償部１２４により操舵トルク値Ｔｓの微分値に対応する偏差ｅに対して比例ゲインＫｐを乗算し、加算器１２５によりその乗算値と電流目標値とを加算すれば、容易に操舵トルクに対する位相補償を実現することができる。なお、位相補償部１２４は、比例ゲインＫｐとして固定的な定数を保持していてもよいが、好ましくは車速センサ４から入力される車速Ｖに対応して比例ゲインＫｐを算出する。具体的には、比例ゲインＫｐと車速Ｖとの関係を示すテーブルや所定の数式などを参照して、車速Ｖに応じた比例ゲインＫｐを算出する。
【００１９】
慣性補償部１２６は、モータ６の回転速度ω２を微分した値に制御ゲインＧｊを乗算する演算を行い、慣性補償電流値を出力する。また、ダンピング制御部１２７は、モータ６の回転速度ω２に制御ゲインＧｄを乗算する演算を行い、ダンピング電流値を出力する。そして、減算器１２８により慣性補償電流値からダンピング電流値を減算し、加算器１２９によりその出力値を加算器１２５から出力される電流目標値に加算して最終的な電流目標値Ｉｔを得る。これらの構成により、モータ６の慣性モーメントの影響を抑制する慣性制御と、モータ６の回転変動を抑制するダンピング制御を実現する。なお、制御ゲインＧｊまたはＧｄは固定的な定数であってもよいが、好ましくは車速センサ４から入力される車速Ｖに対応して算出される。具体的には、比例ゲインＫｐと同様に、所定のテーブルや所定の数式などを参照して、車速Ｖに応じた制御ゲインＧｊまたはＧｄを算出する。
【００２０】
＜４．効果＞
上記実施形態によれば、目標電流設定部１２により、操舵角速度センサ１から出力される操舵角速度ω１および回転速度センサ２から出力されるモータ６の回転速度ω２に基づき、操舵トルクに対応する値が算出される。この構成により、高価なトルクセンサを備えていない場合であっても、これを備えている場合と同様に操舵トルクに応じた電流目標値を設定することができるので、電動パワーステアリング装置全体におけるコストの増大を抑えることができる。
【００２１】
また、上記実施形態によれば、上記操舵角速度ω１および上記回転速度ω２の偏差に比例ゲインＫｐを乗算し、電流目標値に加算することにより、フィードバック制御に対する位相補償を行う。この構成により、高価なトルクセンサを用いることなく位相補償を行うことができるため、電動パワーステアリング装置全体におけるコストの増大を抑えることができるとともに、操舵トルクに対する微分値を算出して位相補償を行う必要がないため、簡易に位相補償を実現することができる。
【００２２】
さらに、上記実施形態によれば、車速センサ４から出力される車速Ｖに基づき、上記制御に用いられる比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、および制御ゲインＧｊ，Ｇｄが設定される。これにより、車速に応じて変化するパラメータ（例えば、タイヤ反力や、操舵周波数範囲など）を考慮した好適な操舵補助を行うことができる。
【００２３】
＜５．変形例＞
上記実施形態では、操舵トルクの伝達手段としてトーションバー３を用い、その両端部におけるねじれに対応する偏差、すなわちハンドル１００の操舵角とモータ６の回転角との偏差から操舵トルク値Ｔｓに対応する値を算出するように構成した。しかし、ハンドル１００の操舵角とモータ６の回転角との偏差が生じるようなトルク伝達手段であれば、特にトーションバーには限定されず、コイルスプリングなど、どのようなものであってもよい。
【００２４】
また、上記実施形態では、操舵角速度センサ１から出力される操舵角速度ω１および回転速度センサ２から出力されるモータ６の回転速度ω２が目標電流設定部１２に入力されるように構成した。しかし、操舵角速度センサ１に代えて角度センサを新たに備え、角度センサから得られるハンドル１００の操舵角を時間微分することにより、操舵角速度ω１を検出してもよい。同様に、回転速度センサ２に代えて角度センサを新たに備え、角度センサから得られるモータ６の回転角を時間微分することにより、回転速度ω２を検出してもよい。
【００２５】
さらに、上記実施形態では、マイコン１０が所定のプログラムを実行することにより、目標電流設定部１２における各種構成要素の機能をソフトウェア的に実現するように構成したが、これらの構成要素の一部または全部の機能は、専用の電子回路等によりハードウェア的に実現されてもよい。また、上記実施形態では、好ましくは車速センサ４から出力される車速Ｖに基づき、上記制御に用いられる比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、および制御ゲインＧｊ，Ｇｄが設定される。しかし、これらは、車速に限らず、車両の他の走行状況に基づいて設定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。
【図２】  上記実施形態に係る電動パワーステアリング装置における制御装置であるＥＣＵの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】  上記実施形態におけるモータ駆動回路の一構成例を示す回路図である。
【図４】  上記実施形態における目標電流設定部の構成を示すブロック線図である。
【図５】  上記実施形態においてモータに供給すべき電流の目標値を設定するためのアシストテーブルを示す図である。
【符号の説明】
１    …操舵角速度センサ
２    …回転速度センサ
３    …トーションバー
４    …車速センサ
５    …電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６    …モータ
７    …減速ギヤ
８    …バッテリ
１０  …マイクロコンピュータ（モータ制御部）
１２  …目標電流設定部
１４  …減算器
１６  …フィードバック制御演算部（ＦＢ制御演算部）
１８  …ＰＷＭ信号生成回路
１９  …電流検出器
２０  …モータ駆動回路
１２３…目標値算出部
１２４…位相補償部
１２６…慣性補償部
１２７…ダンピング制御部
Ｉｔ  …電流目標値
Ｉｓ  …電流検出値
Ｖ    …車速
Ｄ    …指令値
ω１  …操舵角速度
ω２  …モータ回転速度
【図１】
0003850735.tif 000002
【図２】
0003850735.tif 000003
【図３】
0003850735.tif 000004
【図４】
0003850735.tif 000005
【図５】
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