JP4453012B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、ステアリングホイール等の操作部材の操作に応じて電動モータを駆動し、この電動モータの動力を操舵機構に伝達することによって操舵補助を行う電動パワーステアリング装置に関する。

従来から、電動モータの動力を操舵機構に伝達する構成の電動パワーステアリングが車両に搭載されて用いられている。電動モータは、ステアリングホイールに加えられる操作トルクおよび車速に応じて駆動制御されるようになっている。より具体的には、操作トルクおよび車速に応じた目標電流値が予め定められており、実際のモータ電流が、操作トルクおよび車速の検出値に応じた目標電流値になるように、電動モータがフィードバック制御される。
特開２００４− ７４８３３号公報 特開２００４− ９０８３４号公報 特開２００４−１３１０４６号公報

しかし、従来の電動パワーステアリング装置では、操作トルクと操舵角との関係を積極的に制御できるようにはなっておらず、これらの間の理想的なバランスを得るためのチューニングが困難であるという課題があった。
そこで、この発明の目的は、操作トルクと操舵機構の舵角とのバランスをとるためのチューニングが容易な電動パワーステアリング装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、操作部材（１，２）の操作に応じて駆動される電動モータ（Ｍ）の動力を操舵機構（３）に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、前記操作部材の操作角を検出する操作角検出手段（１６）と、前記操作部材に加えられる操作トルクを検出するトルク検出手段（１５）と、前記操作角検出手段によって検出される操作角に基づいて目標操作トルクを定める操作部材側規範モデル（３１）、および前記トルク検出手段によって検出される操作トルクに基づいて前記操舵機構の目標舵角を定める操舵機構側規範モデル（３２）を備え、前記操作部材側規範モデルおよび操舵機構側規範モデルに基づいて前記電動モータを駆動制御する制御手段（１０）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である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。

この構成によれば、操作部材側規範モデルによって、操作角と目標操作トルクとの関係が定められ、操舵機構側規範モデルによって、操作トルクと目標舵角との関係が定められる。したがって、操作部材側規範モデルおよび操舵機構側規範モデルのチューニングや両モデルの制御に対する寄与（ゲイン）のバランスをチューニングすることによって、操作トルクと操舵機構の舵角との関係を直接的に調整することができる。したがって、操作トルクと操舵機構の舵角との関係のチューニングを容易にすることができる。

前記操作部材側規範モデルは、前記操作角検出手段によって検出される操作角と、この操作角の変化率である操作角速度とに基づいて、目標操作トルクを定めるものであってもよい。より具体的には、前記操作部材側規範モデルは、操作角に対して所定の第１係数（ばね係数）を乗じた値と、操作角速度に対して所定の第２係数（粘性係数）を乗じた値とを加算して目標操作トルクを定めるものであってもよい。この場合、第１および／または第２係数を変更することによって、操作角と目標操作トルクとの関係を調整できる。

また、前記操舵機構側規範モデルは、操作部材の慣性モーメントＪ、操舵機構の作動時の摩擦等に対応した粘性係数Ｃ（摩擦係数）、および操作部材をばねとみなしたときのばね係数Ｋからなる二次遅れ要素１／（Ｊｓ²＋Ｃｓ＋Ｋ）により、操作トルクに対する目標舵角を定めるものであってもよい。具体的には、係数ＣおよびＫをチューニングすることによって、操作トルクと目標舵角との関係を直接的に調整できる。この場合、操作トルクの変化に対する目標舵角の過渡応答特性が調整されることになる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この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基本的な構成を説明するための図である。ステアリングホイール１に加えられた操作トルクＴは、ステアリングシャフト２を介して、操舵機構３に伝達されるようになっている。操舵機構３には、電動モータＭが発生する駆動力が、操舵補助力として、減速ギヤ５を介して、機械的に伝達されるようになっている。

ステアリングシャフト２は、ステアリングホイール１側に結合された入力軸２ａと、操舵機構３側に結合された出力軸２ｂとに分割されていて、これらの入力軸２ａおよび出力軸２ｂは、トーションバー４によって互いに連結されている。トーションバー４は、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクＴに応じて捩れを生じるものであり、この捩れの方向および量は、トルク検出手段としてのトルクセンサ１５によって検出されるようになっている。このトルクセンサ１５の出力信号は、制御手段としてのコントローラ１０（ＥＣＵ：電子制御ユニット）に入力されている。

入力軸２ａには、この入力軸２ａの回転角をステアリングホイール１の操作角θｈとして検出する操作角検出手段である操作角センサ１６が設けられている。この操作角センサ１６が検出する操作角θｈは、コントローラ１０に入力されるようになっている。
出力軸２ｂは、ラックアンドピニオン機構７に結合されている。このラックアンドピニオン機構７は、出力軸２ｂに結合されたピニオン８と、これに噛合するラック軸９とを有している。ラック軸９は、車両の左右方向に延びて配置されており、図示しないハウジングに摺動自在に保持されている。このラック軸９の両端には、タイロッドおよびナックルアームからなる連結部材１１を介して、舵取り車輪１２，１２が結合されている。この構成により、出力軸２ｂの回転に伴ってラック軸９が車両の左右方向に直線移動し、これに伴って、舵取り車輪１２，１２の方向が変化する。減速ギヤ５は、たとえば電動モータＭの回転を出力軸２ｂに伝達するものであってもよい。

コントローラ１０には、上記のトルクセンサ１５および操作角センサ１６の出力の他に、出力軸２ｂの回転角を検出することによって、舵取り車輪１２，１２の方向である舵角（車輪舵角）θｗを検出する車輪舵角センサ１８の出力信号も入力されている。
図２は、コントローラ１０の内部の構成を説明するためのブロック図である。コントローラ１０は、トルクセンサ１５が検出する操作トルクＴ、操作角センサ１６が検出する操作角θｈ、および車輪舵角センサ１８が検出する車輪舵角θｗに基づいて電動モータＭの制御のための制御信号を生成するマイクロコンピュータ２０と、このマイクロコンピュータ２０からの制御信号を受けて、ＰＷＭ（パルス幅変調）駆動信号を生成する駆動信号生成回路２１と、この駆動信号生成回路２１からの駆動信号によって動作させられるスイッチング素子を有し、前記制御信号に対応する電力を電動モータＭへと供給するドライバ回路２２とを備えている。

マイクロコンピュータ２０は、内部のメモリ（図示せず）に格納された所定のプログラムを実行することによって実現される複数の機能処理部を実質的に備えている。これらの機能処理部には、操作角θｈに基づいて、ステアリングホイール１を介してドライバに感じさせるべき操作トルクである目標操作トルクＴｒを定める上流側規範モデル（操作部材側規範モデル）３１と、トルクセンサ１５によって検出される操作トルクＴに基づいて舵取り車輪１２，１２の目標車輪舵角θｗｒを定める下流側規範モデル（操舵機構側規範モデル）３２とが含まれている。

さらに、上記機能処理部には、上流側規範モデル３１によって定められた目標操作トルクＴｒに対する実際の操作トルクＴの偏差を求めるトルク偏差演算部３３と、このトルク偏差演算部３３によって求められた偏差に応じて制御信号を生成する第１ＰＩＤ（比例積分微分）制御部３４と、下流側規範モデル３２によって定められた目標車輪舵角θｗｒに対する実際の車輪舵角θｗの偏差を求める舵角偏差演算部３５と、この舵角偏差演算部３５によって求められた偏差に応じた制御信号を生成する第２ＰＩＤ制御部３６と、第１および第２ＰＩＤ制御部３４，３６が生成する制御信号を加算する加算演算部３７と、この加算演算部３７で合成された制御信号に対してゲインをかける増幅部３８とを有している。この増幅部３８によってゲイン調整を受けた後の制御信号が駆動信号生成回路２１に供給される。

このような構成により、第１ＰＩＤ制御部３４は、上流側規範モデル３１が定める目標操作トルクＴｒが達成されるように制御信号を生成し、また第２ＰＩＤ制御部３６は、下流側規範モデル３２が定める目標車輪舵角θｗｒが達成されるように制御信号を生成する。このようにして、操作トルクＴおよび舵取り車輪１２，１２の舵角θｗを直接的にフィードバック制御することができる。

そして、第１ＰＩＤ制御部３４および第２ＰＩＤ制御部３６における比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインを適切に定めることによって、上流側規範モデル３１に基づく制御と下流側規範モデル３２に基づく制御との間に適切なバランスの重み付けをすることができる。また、増幅部３８におけるゲインを調整することにより、電動モータＭから操舵機構３に与えられる操舵補助力を増減することができるので、舵取り車輪１２，１２から操舵機構３を介してステアリングホイール１へと伝達される路面反力を調整することができる。これにより、路面状況等をドライバに適切に伝達することができる。

第１および第２ＰＩＤ制御部３４，３６ならびに増幅部３８におけるゲインの調整は、たとえば、コントローラ１０にチューニングツール（たとえばパーソナルコンピュータにチューニングプログラムをインストールしたもの）を接続し、このチューニングツールからコントローラ１０に対して前記ゲインを定める制御定数を設定することによって行える。

なお、下流側規範モデル３２に対しては、舵取り車輪１２，１２の舵角速度その他各種の車両情報（たとえば車両のヨーレイト、ブレーキ情報、姿勢制御部から得られる操舵中点等）を与えるようにしてもよい。すなわち、下流側規範モデル３２は、操作トルクＴだけでなく、タイヤ舵角速度やその他の車両情報に基づいて目標車輪舵角θｗｒを定めるものであってもよい。

図３は、上流側規範モデル３１の一例を示す機能ブロック図である。この上流側規範モデル３１は、操作角θｈに対してばね係数Ｋ１を乗じるばね係数乗算部４１と、操作角θｈを時間微分して操作角速度θｈ′を求める操作角速度演算部４２と、この操作角速度演算部４２によって求められる操作角速度θｈ′に対して粘性係数Ｃ１を乗じる粘性係数乗算部４３と、ばね係数乗算部４１の出力および粘性係数乗算部４３の出力を加算する加算演算部４４とを備えている。この加算演算部４４の出力が、目標操作トルクＴｒとなる。この上流側規範モデル３１では、ばね係数Ｋ１および／または粘性係数Ｃ１を調整することによって、操作角θｈと目標操作トルクＴｒとの関係を調整することができ、適切な操舵フィーリングを容易に実現できる。

図４は、上流側規範モデル３１のチューニングを説明するための図である。この図４には、ステアリングホイール１を左右に操作する場合における操作角θｈと目標操作トルクＴｒとの関係が示されている。すなわち、操作角θｈを横軸にとり、目標操作トルクＴｒを縦軸にとった座標平面上で、操作角θｈと目標操作トルクＴｒとの関係は原点を通る直線４５を長軸とした楕円形をなす。ばね係数Ｋ１を変更することにより、直線４５の傾きが変化し、また、粘性係数Ｃ１を変更することにより、上記楕円形が上下方向（目標操作トルクＴｒの座標軸方向）に伸張／収縮する。このようにして、ばね係数Ｋ１および粘性係数Ｃ１の調整によって、操作角θｈと目標操作トルクＴｒとの関係を自在に変化させることができる。

図５は、下流側規範モデル３２の構成例を示すブロック図である。この下流側規範モデル３２は、操作部材（ステアリングホイール１およびステアリングシャフト２）の慣性モーメントＪ、ラック軸９のハウジングに対する摩擦等に対応する粘性係数Ｃ（摩擦係数）および上記の操作部材をばねとみなしたときのばね係数Ｋに基づき、操作トルクＴが次式で表わされることを利用したモデルである。

Ｔ＝Ｊθw″＋Ｃθw′＋Ｋθw
すなわち、操作トルクＴは、車輪舵角θｗの２階時間微分値θw″に慣性モーメントＪを乗じ、車輪舵角θｗの１階時間微分値θw′に粘性係数Ｃを乗じ、車輪舵角θｗにばね係数Ｋを乗じて、これらを加算することによって得られる。換言すれば、下流側規範モデル３２は、２次遅れ要素１／（Ｊｓ²＋Ｃｓ＋Ｋ）によって表わされることになる。ただし、ｓはラプラス演算子である。

より具体的な構成について説明すると、下流側規範モデル３２は、操作トルクＴに対して慣性モーメントＪの逆数を乗じる慣性項演算部５１と、この慣性項演算部５１の演算結果を積分する第１の積分部５２と、この第１の積分部５２の演算結果をさらに積分する第２の積分部５３と、第１の積分部５２の演算結果に対して粘性係数Ｃを乗じる粘性項演算部５４と、第２の積分部５３の演算結果に対してばね係数Ｋを乗じるばね項演算部５５と、操作トルクＴから、粘性項演算部５４およびばね項演算部５５の演算結果を減じる減算部５６とを備えている。そして、第２の積分部５３による演算結果が目標車輪舵角θｗｒとされるようになっている。

図６は、上述のような下流側規範モデル３２のチューニングを説明するための図であり、図６(a)は車輪舵角θｗの時間変化を示し、図６(b)は操作トルクＴの時間変化を示す。図５に示した下流側規範モデル３２は、上記のとおり、２次遅れ要素によって表わされるモデルであるため、図６(b)に示すような操作トルクＴのステップ状変化に対して、車輪舵角θｗは、図６(a)のように、緩やかに立ち上がり、オーバーシュート／アンダーシュートはあるものの、徐々に一定の値へと収束していく過渡応答を示すことになる。

この下流側規範モデル３２では、慣性モーメントＪ、粘性係数Ｃおよび／またはばね係数Ｋを調整することによって、過渡応答特性を変化させることができる。こうして、操作トルクＴと目標車輪舵角θｗｒとの関係を直接的にチューニングして、所望の操舵特性を実現することができる。
係数Ｋ１，Ｃ１，Ｊ，Ｃ，Ｋは、上述のチューニングツールを用いてコントローラ１０に対して設定することができ、これにより、上流側規範モデル３１および下流側規範モデル３２をチューニングすることができる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもでき、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この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基本的な構成を説明するための図である。 前記電動パワーステアリング装置のコントローラの機能的な構成を説明するためのブロック図である。 上流側規範モデルの一例を示すブロック図である。 上流側規範モデルのチューニングを説明するための図である。 下流側規範モデルの一例を示すブロック図である。 下流側規範モデルのチューニングを説明するための図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…操舵機構、１２…舵取り車輪、２０…マイクロコンピュータ、３７…加算演算部、３８…増幅部、４１…ばね係数乗算部、４２…操作角速度演算部、４３…粘性係数乗算部、４４…加算演算部、５１…慣性項演算部、５２，５３…積分部、５４…粘性項演算部、５５…ばね項演算部、５６…減算部、Ｍ…電動モータ

Claims (1)

1. 操作部材の操作に応じて駆動される電動モータの動力を操舵機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であって、
   前記操作部材の操作角を検出する操作角検出手段と、
   前記操作部材に加えられる操作トルクを検出するトルク検出手段と、
   前記操作角検出手段によって検出される操作角に基づいて目標操作トルクを定める操作部材側規範モデル、および前記トルク検出手段によって検出される操作トルクに基づいて前記操舵機構の目標舵角を定める操舵機構側規範モデルを備え、前記操作部材側規範モデルおよび操舵機構側規範モデルに基づいて前記電動モータを駆動制御する制御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。
   
   

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