資料

電動パワーステアリング用制御定数設計・適合ツール
Parameter Design and Tuning Tool for Electric Power Steering System
高松孝修

T. TAKAMATSU 冨田健仁

T. TOMITA

The installation of Electric Power Steering (EPS) for automobiles has expanded rapidly in world thanks to its advantages
in energy efficiency/saving. Such trend has been enhanced owing to its easiness of realizing integrated control with brakes
and lane-keeping assistance. Moreover, automakers require fitting of the system as well as tuning of steering feeling for thevehicles under development. As the installation of EPS increases further, vehicle types to be tuned increase accordingly, andmoreover, the system tuning has to be carried out efficiently in short period, despite the skill requiring so much experiencein achieving this task. In accordance with this environment, tools to support easy designing of the control parameters andefficient system tuning have been developed.
Key Words: power steering, parameter design, tuning, fitting

1．はじめにを基に初期設計を行う．定数変更部で初期設計値を基に定数適合を行う．定数変更の効果は，簡易電動パワーステアリング（以下ＥＰＳと称す）は，シミュレーション機能で確認できる．フィーリン

エネルギー効率が良く，省エネ効果に優れている

グが上手く作れない際には，ヘルプ機能にて対応ため，世界中の自動車メーカーで採用が急激に拡手法が参照できる．適合結果は，ＥＣＵに通信で大してきた．最近は，ブレーキとの協調制御や，書き込まれる．また，仕様書などに出力することレーンキープ時のガイダンスなどの実現しやすさも可能で，人為的ミスを排除できる．

からも，さらに採用が拡大している．
データベース

また，自動車メーカーにおけるＥＰＳの開発形

車両･システム諸元

適合状況

初期設計
・システム定数・アシスト制御

定数変更
・各制御・アシスト制御

る．これらに対応するには，実車適合を，効率的適合現場適合ヘルプ機能・官能用語翻訳・簡易シミュレーションに短時間で完了させる必要がある．従来の官能評

FAVESS本社

態も，仕様提示によるシステム発注に移行しつつある．車両への搭載検討に始まり，各開発車両に対するシステム適合だけでなく，操舵フィーリングの適合まで要求されている．
ＥＰＳの採用が拡大すると，適合車種も増加す

適合結果
・定数一覧出力，保存・ＥＣＵ書込み

ＥＣＵ
データ

詳細検討

価を中心とした実車適合では，多くの適合時間を必要とし，適合時間は経験に左右される．

項目

内容

データベース

各諸元，適合状況などを記録簡易に初期設計値が計算できる機能や，人為的ミ初期設計各諸元，実測値から初期設計スを低減できる機能の提供が重要である．経験豊

定数変更

実際に定数を変更する機能

適合時間を短縮するには，経験の少ない人には，官能用語→制御への翻訳

富な人には，使いやすく，適合に付随する業務を効率化できる機能の提供が重要である．

適合ヘルプ

詳細検討はFAVESSで対応

今回，上記目的に対し，ＥＰＳの制御定数設計・適合ツール（以下単に適合ツールと称す）を開発したので紹介する．

2．適合ツールの概略仕様

操舵特性の簡易計算

適合結果

ＥＣＵへの定数転送データ作成
適合結果の出力，保存機能

図1 ツール構成
Tool composition

図1に適合ツールの構成，および内容を示す．
様々な情報をデータベースに入力し，入力データ50

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Ａ

3．データベース
設計に使用した車両・システム諸元や，適合時の状況，コメントなどを一元管理できるようデータベース化した．
図2にデータベース入力画面の１頁目を示す．
車両諸元，コラム諸元，ギヤ諸元，トルクセンサ仕様，ソフトバージョンなどを保存することができる．定数設計には，これらの値を使用する．入力画面には２頁目があり，システムの出荷成績データを保存することができる．

図4 ＰＩ制御設計画面
PI control design screen

4.1.2

位相補償

ＥＰＳには，低剛性のトーションバー（以下Ｔ／Ｂと称す）が存在する．Ｔ／Ｂ上側と下側の位相差が大きくなると，システムに振動が発生する場合がある．位相補償は，Ｔ／Ｂ上側位相に対する下側位相の周波数特性を調整し，システムの安定性を確保，振動を抑制する．
図5にトルクループブロック図を示す．

図2

データベース入力画面
Data base input screen

4．初期設計4.1

Ｏ（s）

システム定数設計

4.1.1

Ｔ／Ｂ上側入力（操舵角） +Ｉ（s）−Ｈ（s）
トルクセンサ伝達特性

位相補償

Ｇ（s）
ＥＣＵ以降の伝達特性

Ｔ／Ｂ下側位相

図5 トルクループブロック図Block diagram of torque major loop

ＰＩ制御

図3に電流制御部ブロック図を示す．電流制御には様々な方法がある．ここでは，一般的なＰＩ

図6に位相補償設計画面を示す。位相補償フィ制御を採用した場合について紹介する．ＰＩ定数ルタの特性は，図中Ｂ部のボード線図を見ながらは，モータ諸元（インダクタンス，抵抗）と応答周Ａ部のスライダで調整する．次に，Ｃ部で安定性波数から設計する．従来，ステップ応答や周波数が確保されているか確認しながら最適な特性設計応答によって性能検証を行っていたが，本ツールを行う．

により実測不要となった．
Ｂ
Ki

1S+

電流指令値+Kp−+G（s）
モータ

図3 電流制御部ブロック図
Block diagram of current control
図4にＰＩ制御設計画面を示す．モータ諸元を入力し，図中Ａ部のスライダで，ゼロ−極配置およびボード線図でシステムの安定性，応答性を確認しながら，ステップ応答が振動的にならないように調整する．

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ＡＣ

図6 位相補償設計画面
Phase compensation design screen

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4.2

される．摩擦，トルクセンサ諸元などは，データ

アシスト制御設計

4.2.1

ベースから自動的に引用される．

アシスト制御構成

図7に代表的なアシスト制御構成を示す．ここでは，基本アシスト制御とダンピング制御の設計
ツールについて説明する．
車速
トルク

基本アシスト制御
微分

微分制御

操舵角速度

Σ

ダンピング制御
ハンドル戻し制御

図9 基本アシスト設計画面
Base assist control design screen

微分制御

微分

4.2.3

図7 アシスト制御部構成
Composition of assist controls

4.2.2

ダンピング制御

ＥＰＳには，油圧パワーステアリングのシリンダ，バルブ，配管などで発生する管路抵抗・オリ

基本アシスト制御

フィス抵抗といった粘性抵抗が存在しない．ダン基本アシスト制御は，静的な操舵力を決定する．
摩擦および効率を無視すれば，アシストトルクTaは式aにて計算できる．

ピング制御は車両の収斂性・安定性向上を目的に，操舵角速度に応じて，操舵角速度とは逆方向に粘性抵抗相当分をアシストする．

aTa＝RF・Rp−Th

本ツールでは，標準サイズの油圧パワーステア
リングの粘性抵抗計算値を基準に，各種補正を行半径，Th：ハンドルトルク．
低トルク域では，実測ラック軸力をハンドルトルクでRF＝aThと近似し，式sでアシストトルクを計算する．
sTa＝（aRp−１）Th

高トルク域では，高次の式で近似し，同様にアシストトルクを計算する．

う．図10に基準ダンピング制御量を示す．
Damping Control Amount，Nm

ここで， RF ：ラック軸力， R p：有効ピニオン

141210864200100200300

400500600

Steering Angular Velocity，deg/s

初期設計では，車速100km/hにおける設計を最初に行う．図8に，車速を変化させた時の，ある舵角におけるラック軸力を示す．20km/h以下でラック軸力が急増するので，この増加量に応じて，Rack Force，N低速の設計値補正を行う．

車両の回転系運動方程式を，慣性I，粘性項C，ばね項Kで表すと，粘性項Cは式dとなる．

2 000dC ＝f/ 4IK

1 500
急増

1 000

ここで，ζは減衰係数で，整定時間と速応性か

5000

図10 基準ダンピング制御量
Reference damping control amountら0.6を採用した．制御量の補正は，慣性Iとばね
0255075

100125150

Vehicle Velocity，km/h

図8 車速によるラック軸力の変化
Rack force on vehicle velocity change

項Kの違いに応じて行う．基準の粘性項C0と，補正したい条件における粘性項C1の比を求めることで，補正量が計算できる．
図11にダンピング制御設計画面を示す．データベースの車両諸元より，制御量，車速係数が自図9に基本アシスト制御設計画面を示す．実測

動計算される．

データを入力すると，アシストマップが自動計算

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ＡＢ

図11 ダンピング制御設計画面
Damping control design screen

5．定数変更図13 官能用語翻訳機能
Function to translate indication of feeling

フィーリングの適合を行う場合，各制御定数の微調整を行う．図12に定数変更のメイン画面を示す．ここでは，主要情報，代表的な適合定数が6.2

簡易シミュレーション機能

制御定数変更による効果を，実車評価前に確認表示される．
実際に定数を変更する場合，メイン画面から各制御画面に移動し定数変更を行う．

するため，簡易シミュレーション機能を提供している．入力データベースのパラメータ，適合定数を基準に，定数変更による効果を確認することができる．図14に，一例として操舵角−操舵トル
ク特性の簡易シミュレーション結果を示す．

図12 メイン画面
Main screen

6．適合ヘルプ機能
6.1

官能用語翻訳機能

適合経験の少ない人は，評価者の官能用語（要図14求）
に対して，変更すべき制御の知見が不足している．そこで，最適な制御を早急に見出すことを目的に，過去の適合知見をまとめた官能用語翻訳機能を提供している．

6.3

簡易シミュレーション画面
Simple simulation screen

詳細検討・シミュレーション

適合現場で解決できない問題が発生した場合，図13に画面一例を示す．図中Ａ部の選択１で適合定数および制御状態測定結果をFAVESS本社

操舵域と官能用語を選択する．Ｂ部の選択２に対に送付する．本社では，データを元に詳細シミュ策制御が効果順に表示される．対策制御を選択す

レーション，詳細検討を行い，対策方法を現場作ると，操舵特性，制御量，および解説が表示され業者に指示する．

る．

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7．適合結果7.1

データベース
車両・システム諸元

適合状況

初期設計
・システム定数・アシスト制御

定数変更
・各制御・アシスト制御

ＥＣＵへの適合定数書込み

適合結果をＥＣＵに書き込む場合，転送ボタンをクリックするだけで，通信によって自動的に行われる．通常の定数適合はＣＰＵのＲＡＭ領域で適合ヘルプ機能・官能用語翻訳の充実・詳細シミュレーション行われるため，イグニッションをオフにすると消MATLABえてしまう．そこで，適合定数をＣＰＵにフラッ

適合結果・定数一覧出力，保存・仕様書出力
・ＥＣＵへの書込みＥＣＵ計測機能

シュ書き込みを行う機能も提供している．
外部データ

7.2

保存と仕様書出力
図15 次バージョン適合ツールイメージ
Image of next version design and tuning tool

適合結果は任意のタイミングで保存可能である．過去定数を任意のタイミングで呼び出すことも可能である．
適合が完了すると，適合ツールから，定数一覧表や仕様書を直接出力する．これを，顧客やソフト担当者に提出する．直接出力することで，転記ミスなどの人為的ミスを防止することができ，工数削減も可能である．

8．おわりにＥＰＳの採用拡大，車両適合件数増加に対応するため，制御定数設計・定数適合ツールを開発した．このツールによって，未経験者でも容易に定数設計が可能となった．経験者では効率アップによる，適合時間削減が可能となった．
しかし，今後もＥＰＳの採用は拡大すると予想されるので，さらなる機能向上を目標に，次バージョンを開発中である．
次バージョンでは，計測機能の充実を図っている．高速バス通信を採用し，ＥＣＵ内部の制御状態を詳しく計測することができる．また，ＡＤ入力も備えており，ＥＣＵ内部制御状態と，操舵角力計やヨーレートなどのアナログデータを，同期して計測することが可能である．図15に，次バージョンの適合ツールイメージを示す．
また，MATLABに代表されるシミュレーションソフトともデータ共有が可能となっている．適合現場で，MATLABを使った詳細検討も可能となっている．

筆者

高松孝修*
T. TAKAMATSU
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冨田健仁*
T. TOMITA

株式会社ファーベス

開発統括部

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