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JP7768764B2 - Motor control device, motor control method, motor module, and electric power steering device - Google Patents
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JP7768764B2 - Motor control device, motor control method, motor module, and electric power steering device - Google Patents

Motor control device, motor control method, motor module, and electric power steering device

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JP7768764B2 JP2021214767A JP2021214767A JP7768764B2 JP 7768764 B2 JP7768764 B2 JP 7768764B2 JP 2021214767 A JP2021214767 A JP 2021214767A JP 2021214767 A JP2021214767 A JP 2021214767A JP 7768764 B2 JP7768764 B2 JP 7768764B2
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Description

本開示は、モータの制御装置、モータの制御方法、モータモジュールおよび電動パワーステアリング装置に関する。 This disclosure relates to a motor control device, a motor control method, a motor module, and an electric power steering device.

一般の自動車は、電動モータ(以降、単に「モータ」と表記する。)およびモータの制御装置を備える電動パワーステアリング装置(EPS)を搭載している。電動パワーステアリング装置は、運転者のハンドル(またはステアリングホイール)操作を、モータを駆動することによりアシストする装置である。従来、トルク制御によって操舵トルクに応じたモータ出力が実現され、これにより、ハンドル操作のアシストが行われる。 General automobiles are equipped with an electric power steering system (EPS) that includes an electric motor (hereafter simply referred to as "motor") and a motor control device. An electric power steering system is a device that assists the driver's operation of the steering wheel by driving the motor. Conventionally, torque control is used to achieve motor output corresponding to steering torque, thereby assisting steering operation.

特許文献1および2は、それぞれ、外乱オブザーバ制御に関する技術を開示している。特許文献1では、外乱または制御対象のパラメータ変動が操舵制御に与える影響を低減するためのロバスト制御器が用いられる。特許文献2では、サスペンション前後方向共振点で励起される共振点外乱を抑圧するために、外乱オブザーバで構成した共振点外乱制御器が用いられる。特許文献3は、操舵機構の内部摩擦によって生じる摩擦トルクを消去して、路面反力に応じた違和感のない適度な操舵反力を生成する技術を開示している。 Patent Documents 1 and 2 each disclose technology related to disturbance observer control. Patent Document 1 uses a robust controller to reduce the impact of disturbances or parameter fluctuations of the controlled object on steering control. Patent Document 2 uses a resonance point disturbance controller composed of a disturbance observer to suppress resonance point disturbances excited at the longitudinal resonance point of the suspension. Patent Document 3 discloses technology that eliminates friction torque generated by internal friction in the steering mechanism and generates an appropriate steering reaction force that does not feel unnatural in response to road reaction force.

特開平06-219310号公報Japanese Patent Application Publication No. 06-219310 国際公開第2016/208665号International Publication No. 2016/208665 特開2005-88610号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-88610

運転者のハンドル操作のアシストを行うときに運転者が感じ得る操舵感を改善することが望まれる。 It is desirable to improve the steering feel that the driver feels when assisting the driver's steering.

近年、自動車の快適性の評価に用いる1つの基準であるNVH(騒音・振動・ハッシュネス)に対する市場の要求がますます厳しくなってきている。しかし、従来のトルク制御は、とりわけ、高周波外乱の影響を受け易く、高周波のトルク変動を抑制できず、そのため、市場の要求に応えることが困難になりつつある。 In recent years, market demands for noise, vibration, and harshness (NVH), one of the standards used to evaluate vehicle comfort, have become increasingly stringent. However, conventional torque control is particularly susceptible to the effects of high-frequency disturbances and is unable to suppress high-frequency torque fluctuations, making it difficult to meet market demands.

従来、モータの角速度ωの関数とする摩擦モデルを構築し、構築したモデルを用いて摩擦補償制御が行われていた。しかし、一般的な摩擦特性において、モータの角速度ωがゼロとなる付近で急激に摩擦トルクの符号が反転することにより、チャタリングが起きやすいという課題があった。 Conventionally, a friction model was constructed as a function of the motor's angular velocity ω, and friction compensation control was performed using this model. However, with typical friction characteristics, there was an issue of chattering occurring easily due to the sign of the friction torque suddenly reversing when the motor's angular velocity ω approaches zero.

本発明は上記の課題の少なくとも1つを解決するためになされたものであり、モデルフォロイング制御および/または摩擦補償制御をトルク制御に適用することにより、運転者が感じ得る操舵感を改善することが可能なモータの制御装置、当該制御装置を備えるモータモジュール、当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置、および、モータの制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve at least one of the above problems, and aims to provide a motor control device that can improve the steering feel perceived by the driver by applying model following control and/or friction compensation control to torque control, a motor module equipped with such a control device, an electric power steering device equipped with such a motor module, and a motor control method.

本開示の制御装置は、非限定的で例示的な実施形態において、モータを備える電動パワーステアリング装置に用いられる、前記モータを制御するための制御装置であって、前記モータである制御対象からの出力に基づいて補正トルクを生成し、前記制御対象の入力を前記補正トルクによって補正するモデルフォロイング制御器を備え、前記モデルフォロイング制御器は、第1カットオフ周波数を有するハイパスフィルタ、および前記第1カットオフ周波数よりも大きい第2カットオフ周波数を有するローパスフィルタを含み、前記ローパスフィルタおよび前記ハイパスフィルタの伝達関数を、それぞれ、Q(s)およびHPF(s)とするとき、Q(s)・HPF(s)のゲイン特性におけるゲインが1である周波数帯域において、前記制御対象の伝達関数がノミナルモデルに拘束されるように構成されている。 In a non-limiting exemplary embodiment, the control device of the present disclosure is a control device for controlling an electric power steering device equipped with a motor, and includes a model-following controller that generates a correction torque based on the output from the motor, which is a controlled object, and corrects the input to the controlled object using the correction torque. The model-following controller includes a high-pass filter having a first cutoff frequency and a low-pass filter having a second cutoff frequency greater than the first cutoff frequency. When the transfer functions of the low-pass filter and the high-pass filter are Q(s) and HPF(s), respectively, the transfer function of the controlled object is configured to be constrained to a nominal model in a frequency band where the gain in the gain characteristic of Q(s)·HPF(s) is 1.

本開示のモータモジュールは、非限定的で例示的な実施形態において、モータと、上記の制御装置と、を備える。 In a non-limiting exemplary embodiment, the motor module of the present disclosure includes a motor and the above-described control device.

本開示の電動パワーステアリング装置は、非限定的で例示的な実施形態において、上記のモータモジュールを備える。 In a non-limiting exemplary embodiment, the electric power steering device of the present disclosure includes the motor module described above.

本開示の制御方法は、非限定的で例示的な実施形態において、モータを備える電動パワーステアリング装置の前記モータを制御するための、コンピュータに実装される方法であって、第1カットオフ周波数を有するハイパスフィルタ、および前記第1カットオフ周波数よりも大きい第2カットオフ周波数を有するローパスフィルタを含むモデルフォロイング制御器であって、前記ローパスフィルタおよび前記ハイパスフィルタの伝達関数を、それぞれ、Q(s)およびHPF(s)とするとき、Q(s)・HPF(s)のゲイン特性におけるゲインが1である周波数帯域において、前記モータである制御対象の伝達関数をノミナルモデルに拘束するモデルフォロイング制御器を用いて、前記制御対象からの出力に基づいて補正トルクを生成し、前記制御対象の入力を前記補正トルクによって補正することをコンピュータに実行させる。 In a non-limiting exemplary embodiment, the control method of the present disclosure is a computer-implemented method for controlling a motor of an electric power steering device equipped with a motor, the method comprising: a model-following controller including a high-pass filter having a first cutoff frequency and a low-pass filter having a second cutoff frequency greater than the first cutoff frequency; where the transfer functions of the low-pass filter and the high-pass filter are Q(s) and HPF(s), respectively; the model-following controller constrains the transfer function of the motor, a controlled object, to a nominal model in a frequency band where the gain in the gain characteristic of Q(s)·HPF(s) is 1; and the computer is caused to generate a correction torque based on the output from the controlled object and correct the input to the controlled object with the correction torque.

本開示の例示的な実施形態によると、モデルフォロイング制御および/または摩擦補償制御をトルク制御に適用することにより、運転者が感じ得る操舵感を改善することが可能なモータの制御装置、当該制御装置を備えるモータモジュール、当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置、および、モータの制御方法が提供される。 According to an exemplary embodiment of the present disclosure, there are provided a motor control device that can improve the steering feel perceived by the driver by applying model following control and/or friction compensation control to torque control, a motor module including the control device, an electric power steering device including the motor module, and a motor control method.

図1は、本開示の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an example of the configuration of an electric power steering device according to an embodiment of the present disclosure. 図2は、本開示の実施形態に係る制御装置の構成の典型例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a typical example of the configuration of a control device according to an embodiment of the present disclosure. 図3は、本開示の実施形態に係るモータの制御を行うためのプロセッサの機能を例示する機能ブロック図である。FIG. 3 is a functional block diagram illustrating the functions of a processor for controlling a motor according to an embodiment of the present disclosure. 図4は、第1の実装例におけるモデルフォロイング制御器の構成例を示す機能ブロック図である。FIG. 4 is a functional block diagram showing an example of the configuration of a model following controller in the first implementation example. 図5は、Q(s)・HPF(s)のゲイン特性T(s)、および、プラントとノミナルモデルP(s)とのモデル化誤差Δ(s)の逆数のゲイン特性を例示するグラフである。FIG. 5 is a graph illustrating the gain characteristic T(s) of Q(s)·HPF(s) and the gain characteristic of the reciprocal of the modeling error Δ(s) between the plant and the nominal model P n (s). 図6は、トルク制御器における位相補償器の伝達関数C(s)のゲイン線図を例示するグラフである。FIG. 6 is a graph illustrating a gain diagram of the transfer function C(s) of the phase compensator in the torque controller. 図7は、ハイパスフィルタの伝達関数HPF(s)のゲイン線図を例示するグラフである。FIG. 7 is a graph illustrating a gain diagram of the transfer function HPF(s) of the high-pass filter. 図8は、ノミナルモデルP(s)のゲイン線図を例示するグラフである。FIG. 8 is a graph illustrating a gain diagram of the nominal model P n (s). 図9は、モデルフォロイング制御を適用しない場合の操舵角およびトーショントルクの測定結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the measurement results of the steering angle and the torsion torque when the model following control is not applied. 図10は、モデルフォロイング制御を適用した場合の操舵角およびトーショントルクの測定結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the measurement results of the steering angle and the torsion torque when the model following control is applied. 図11は、モデルフォロイング制御を適用しない場合、および、モデルフォロイング制御を適用した場合のそれぞれの操舵角の時間変化の測定結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the measurement results of the change in steering angle over time when model following control is not applied and when model following control is applied. 図12は、第2の実装例におけるモデルフォロイング制御器の構成例を示す機能ブロック図である。FIG. 12 is a functional block diagram showing an example of the configuration of a model following controller in the second implementation example. 図13は、摩擦補償制御を適用しない場合、および、摩擦補償制御を適用する場合の操舵角および操舵トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing simulation results of steering angle and steering torque when friction compensation control is not applied and when friction compensation control is applied. 図14は、従来の摩擦補償制御を適用した場合、および、第2の実装例による摩擦補償制御を適用した場合の操舵角および操舵トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing simulation results of steering angle and steering torque when conventional friction compensation control is applied and when friction compensation control according to the second implementation example is applied.

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電動パワーステアリング装置に搭載されるモータの制御装置、モータの制御方法、当該制御装置を備えるモータモジュール、および、当該モータモジュールを備える電動パワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。 Below, with reference to the accompanying drawings, embodiments of a motor control device mounted in an electric power steering device of the present disclosure, a motor control method, a motor module including the control device, and an electric power steering device including the motor module will be described in detail. However, more detailed explanation than necessary may be omitted. For example, detailed explanations of already well-known matters and redundant explanations of substantially identical configurations may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy in the following explanation and to make it easier for those skilled in the art to understand.

以下の実施形態は、例示であり、本開示による電動パワーステアリング装置に搭載されるモータの制御装置、モータの制御方法は、以下の実施形態に限られない。例えば、以下の実施形態で示される数値、ステップ、そのステップの順序等は、あくまでも一例であり、技術的に矛盾が生じない限りにおいて種々の改変が可能である。以下に説明する実施形態または実施例は、あくまでも例示であり、技術的に矛盾が生じない限りにおいて種々の組み合わせが可能である。 The following embodiments are merely illustrative, and the motor control device and motor control method according to the present disclosure are not limited to the following embodiments. For example, the numerical values, steps, and order of steps shown in the following embodiments are merely examples, and various modifications are possible as long as no technical inconsistencies are created. The embodiments and examples described below are merely illustrative, and various combinations are possible as long as no technical inconsistencies are created.

[1.電動パワーステアリング装置1000の構成]
図1に、本開示の実施形態に係る電動パワーステアリング装置1000の構成例を模式的に示す。
1. Configuration of the electric power steering device 1000
FIG. 1 schematically shows an example of the configuration of an electric power steering device 1000 according to an embodiment of the present disclosure.

電動パワーステアリング装置1000(以降、「EPS」と表記する。)は、ステアリングシステム520、および補助トルクを生成する補助トルク機構540を有する。EPS1000は、運転者がハンドルを操作することによって発生するステアリングシステムの操舵トルクを補助する補助トルクを生成する。補助トルクにより、運転者の操作の負担が軽減される。 The electric power steering device 1000 (hereinafter referred to as "EPS") has a steering system 520 and an assist torque mechanism 540 that generates assist torque. The EPS 1000 generates assist torque that assists the steering torque of the steering system generated when the driver operates the steering wheel. The assist torque reduces the operating burden on the driver.

ステアリングシステム520は、例えば、ハンドル521、ステアリングシャフト522、自在軸継手523A、523B、回転軸524、ラックアンドピニオン機構525、ラック軸526、左右のボールジョイント552A、552B、タイロッド527A、527B、ナックル528A、528B、および左右の操舵車輪529A、529Bを備える。 The steering system 520 includes, for example, a steering wheel 521, a steering shaft 522, universal joints 523A, 523B, a rotating shaft 524, a rack and pinion mechanism 525, a rack shaft 526, left and right ball joints 552A, 552B, tie rods 527A, 527B, knuckles 528A, 528B, and left and right steering wheels 529A, 529B.

補助トルク機構540は、例えば、操舵トルクセンサ541、舵角センサ542、自動車用電子制御ユニット(ECU)100、モータ543、減速ギア544、インバータ545およびトーションバー546を備える。操舵トルクセンサ541は、トーションバー546の捩じれ量を検出することにより、ステアリングシステム520における操舵トルクを検出する。舵角センサ542は、ハンドルの操舵角を検出する。なお、操舵トルクは、操舵トルクセンサの値ではなく、演算より導出される推定値であってもよい。操舵角は角度センサの出力値に基づいて演算することも可能である。 The assist torque mechanism 540 includes, for example, a steering torque sensor 541, a steering angle sensor 542, an automotive electronic control unit (ECU) 100, a motor 543, a reduction gear 544, an inverter 545, and a torsion bar 546. The steering torque sensor 541 detects the amount of torsion of the torsion bar 546 to detect the steering torque in the steering system 520. The steering angle sensor 542 detects the steering angle of the steering wheel. Note that the steering torque may be an estimated value derived by calculation, rather than a value from the steering torque sensor. The steering angle can also be calculated based on the output value of an angle sensor.

ECU100は、操舵トルクセンサ541、舵角センサ542、車両に搭載された車速センサ(不図示)などによって検出される検出信号に基づいてモータ駆動信号を生成し、インバータ545に出力する。例えば、インバータ545は、直流電力を、U相、V相およびW相の擬似正弦波である三相交流電力にモータ駆動信号に従って変換し、モータ543に供給する。モータ543は、例えば表面磁石型同期モータ(SPMSM)またはスイッチトリラクタンスモータ(SRM)であり、三相交流電力の供給を受けて操舵トルクに応じた補助トルクを生成する。モータ543は、減速ギア544を介してステアリングシステム520に生成した補助トルクを伝達する。以降、ECU100を、EPSの制御装置100と記載することとする。 ECU 100 generates a motor drive signal based on detection signals from steering torque sensor 541, steering angle sensor 542, a vehicle speed sensor (not shown), and the like, and outputs the signal to inverter 545. For example, inverter 545 converts DC power into three-phase AC power, which is a pseudo-sine wave of U, V, and W phases, in accordance with the motor drive signal, and supplies the power to motor 543. Motor 543 is, for example, a surface permanent magnet synchronous motor (SPMSM) or a switched reluctance motor (SRM), and receives the three-phase AC power supply to generate an assist torque corresponding to the steering torque. Motor 543 transmits the generated assist torque to steering system 520 via reduction gear 544. Hereinafter, ECU 100 will be referred to as EPS control device 100.

制御装置100とモータとはモジュール化され、モータモジュールとして製造および販売される。モータモジュールはモータおよび制御装置100を備え、EPSに好適に利用される。または、制御装置100は、モータとは独立して、EPSを制御するための制御装置として製造および販売され得る。 The control device 100 and motor are modularized and manufactured and sold as a motor module. The motor module includes a motor and control device 100 and is suitable for use in EPS. Alternatively, the control device 100 can be manufactured and sold as a control device for controlling EPS, independent of the motor.

[2.制御装置100の構成例]
図2に、本開示の実施形態に係る制御装置100の構成の典型例を示す。制御装置100は、例えば、電源回路111と、角度センサ112と、入力回路113と、通信I/F114と、駆動回路115と、ROM116と、プロセッサ200とを備える。制御装置100は、それらの電子部品を実装したプリント配線基板(PCB)として実現され得る。制御装置100は、モータを備える電動パワーステアリング装置のモータを制御するために用いられる。
2. Configuration example of control device 100
2 shows a typical example of the configuration of a control device 100 according to an embodiment of the present disclosure. The control device 100 includes, for example, a power supply circuit 111, an angle sensor 112, an input circuit 113, a communication I/F 114, a drive circuit 115, a ROM 116, and a processor 200. The control device 100 can be realized as a printed circuit board (PCB) on which these electronic components are mounted. The control device 100 is used to control a motor of an electric power steering device that includes a motor.

車両に搭載された車速センサ300、操舵トルクセンサ541および舵角センサ542が、プロセッサ200に通信可能に接続され、車速センサ300、操舵トルクセンサ541および舵角センサ542からプロセッサ200に、それぞれ、車速、操舵トルクおよび操舵角が送信される。 The vehicle speed sensor 300, steering torque sensor 541, and steering angle sensor 542 mounted on the vehicle are communicatively connected to the processor 200, and the vehicle speed, steering torque, and steering angle are transmitted from the vehicle speed sensor 300, steering torque sensor 541, and steering angle sensor 542 to the processor 200, respectively.

制御装置100は、インバータ545(図1を参照)に電気的に接続される。制御装置100は、インバータ545が有する複数のスイッチ素子(例えばMOSFET)のスイッチング動作を制御する。具体的には、制御装置100は、各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御信号(以降、「ゲート制御信号」と表記する。)を生成してインバータ545に出力する。 The control device 100 is electrically connected to the inverter 545 (see Figure 1). The control device 100 controls the switching operations of multiple switch elements (e.g., MOSFETs) included in the inverter 545. Specifically, the control device 100 generates control signals (hereinafter referred to as "gate control signals") that control the switching operations of each switch element and outputs them to the inverter 545.

制御装置100は、操舵トルクなどに基づいてトルク指令値を生成し、例えばベクトル制御によってモータ543のトルクおよび回転速度を制御する。制御装置100は、ベクトル制御に限らず、他のクローズドループ制御を行い得る。回転速度は、単位時間(例えば1分間)にロータが回転する回転数(rpm)または単位時間(例えば1秒間)にロータが回転する回転数(rps)で表される。ベクトル制御は、モータに流れる電流を、トルクの発生に寄与する電流成分と、磁束の発生に寄与する電流成分とに分解し、互いに直交する各電流成分を独立に制御する方法である。 The control device 100 generates a torque command value based on the steering torque, etc., and controls the torque and rotational speed of the motor 543, for example, by vector control. The control device 100 is not limited to vector control and can perform other closed-loop control. The rotational speed is expressed as the number of rotations (rpm) at which the rotor rotates per unit time (e.g., 1 minute) or the number of rotations (rps) at which the rotor rotates per unit time (e.g., 1 second). Vector control is a method of decomposing the current flowing through the motor into a current component that contributes to torque generation and a current component that contributes to magnetic flux generation, and independently controlling each of the mutually orthogonal current components.

電源回路111は、外部電源(不図示)に接続されており、回路内の各ブロックに必要なDC電圧を生成する。生成されるDC電圧は例えば3Vまたは5Vである。 The power supply circuit 111 is connected to an external power supply (not shown) and generates the DC voltage required for each block in the circuit. The generated DC voltage is, for example, 3V or 5V.

角度センサ112は、例えばレゾルバまたはホールICである。または、角度センサ112は、磁気抵抗(MR)素子を有するMRセンサとセンサマグネットとの組み合わせによっても実現される。角度センサ112は、ロータの回転角を検出してプロセッサ200に出力する。制御装置100は、角度センサ112の代わりに、モータの回転速度、加速度を検出する速度センサ、加速度センサを備え得る。プロセッサ200は、モータの電気角θに基づいて角速度ω[rad/s]を演算することができる。 The angle sensor 112 is, for example, a resolver or a Hall IC. Alternatively, the angle sensor 112 can be realized by combining a magnetoresistive (MR) sensor having an MR element with a sensor magnet. The angle sensor 112 detects the rotation angle of the rotor and outputs the detected value to the processor 200. The control device 100 may include a speed sensor and an acceleration sensor that detect the rotation speed and acceleration of the motor, instead of the angle sensor 112. The processor 200 can calculate the angular velocity ω [rad/s] based on the electrical angle θm of the motor.

入力回路113は、電流センサ(不図示)によって検出されたモータ電流値(以下、「実電流値」と表記する。)を受け取って、実電流値のレベルをプロセッサ200の入力レベルに必要に応じて変換し、実電流値をプロセッサ200に出力する。入力回路113の典型例は、アナログデジタル変換回路である。 The input circuit 113 receives the motor current value (hereinafter referred to as the "actual current value") detected by a current sensor (not shown), converts the level of the actual current value to an input level for the processor 200 as necessary, and outputs the actual current value to the processor 200. A typical example of the input circuit 113 is an analog-to-digital conversion circuit.

プロセッサ200は、半導体集積回路であり、中央演算処理装置(CPU)またはマイクロプロセッサとも称される。プロセッサ200は、ROM116に格納された、モータ駆動を制御するための命令群を記述したコンピュータプログラムを逐次実行し、所望の処理を実現する。制御装置100は、プロセッサ200に加えてまたは代えて、CPUを搭載したFPGA(Field Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、ASSP(Application Specific Standard Product)、または、これら回路の中から選択される2つ以上の回路の組み合わせを有し得る。プロセッサ200は、実電流値およびロータの回転角などに従って電流指令値を設定してPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、駆動回路115に出力する。 Processor 200 is a semiconductor integrated circuit, also referred to as a central processing unit (CPU) or microprocessor. Processor 200 sequentially executes a computer program stored in ROM 116, which contains instructions for controlling motor drive, to achieve the desired processing. In addition to or instead of processor 200, control device 100 may include a field programmable gate array (FPGA) equipped with a CPU, a graphics processing unit (GPU), an application specific integrated circuit (ASIC), an application specific standard product (ASSP), or a combination of two or more circuits selected from these circuits. Processor 200 sets a current command value according to the actual current value and rotor rotation angle, etc., generates a pulse width modulation (PWM) signal, and outputs it to drive circuit 115.

通信I/F114は、例えば、車載のコントロールエリアネットワーク(CAN)に準拠してデータの送受信を行うための入出力インタフェースである。 The communication I/F 114 is, for example, an input/output interface for transmitting and receiving data in accordance with an in-vehicle control area network (CAN).

駆動回路115は、典型的にはゲートドライバ(またはプリドライバ)である。駆動回路115は、ゲート制御信号をPWM信号に従って生成し、インバータ545が有する複数のスイッチ素子のゲートにゲート制御信号を与える。駆動対象が低電圧で駆動可能なモータであるとき、ゲートドライバは必ずしも必要とされない場合がある。その場合、ゲートドライバの機能は、プロセッサ200に実装され得る。 Driver circuit 115 is typically a gate driver (or pre-driver). Drive circuit 115 generates gate control signals in accordance with the PWM signal and applies the gate control signals to the gates of multiple switch elements in inverter 545. When the drive target is a motor that can be driven at a low voltage, a gate driver may not necessarily be required. In that case, the gate driver function may be implemented in processor 200.

ROM116は、プロセッサ200に電気的に接続される。ROM116は、例えば書き込み可能なメモリ(例えばPROM)、書き換え可能なメモリ(例えばフラッシュメモリ、EEPROM)または読み出し専用のメモリである。ROM116は、プロセッサ200にモータ駆動を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納している。例えば、制御プログラムはブート時にRAM(不図示)に一旦展開される。 ROM 116 is electrically connected to processor 200. ROM 116 is, for example, a writable memory (e.g., PROM), a rewritable memory (e.g., flash memory, EEPROM), or a read-only memory. ROM 116 stores a control program including instructions for causing processor 200 to control motor drive. For example, the control program is temporarily loaded into RAM (not shown) at boot time.

図3に、本開示の実施形態に係るモータの制御を行うためのプロセッサ200の機能ブロックを示す。図示される実装例において、コンピュータであるプロセッサ200は、トルク制御器、モデルフォロイング制御器、減算器、および加算器を用いてモータの制御に必要な処理(またはタスク)を逐次実行する。 Figure 3 shows functional blocks of a processor 200 for controlling a motor according to an embodiment of the present disclosure. In the illustrated implementation example, the processor 200, which is a computer, sequentially executes the processes (or tasks) required to control the motor using a torque controller, a model-following controller, a subtractor, and an adder.

各機能ブロックは、ソフトウェア(またはファームウェア)および/またはハードウェアとしてプロセッサ200に実装される。各機能ブロックの処理は、典型的に、ソフトウェアのモジュール単位でコンピュータプログラムに記述され、ROM116に格納される。ただし、FPGAなどを用いる場合、これらの機能ブロックの全部または一部は、ハードウェア・アクセラレータとして実装され得る。また、本開示の実施形態によるモータの制御方法は、コンピュータに実装され、コンピュータに所望の動作を実行させることによって実施され得る。 Each functional block is implemented in the processor 200 as software (or firmware) and/or hardware. The processing of each functional block is typically written in a computer program in software module units and stored in ROM 116. However, when using an FPGA or the like, all or part of these functional blocks may be implemented as a hardware accelerator. Furthermore, the motor control method according to the embodiment of the present disclosure may be implemented in a computer and performed by causing the computer to perform the desired operations.

制御装置100は、トルク制御器210、モデルフォロイング制御器230、減算器AD1および加算器AD2を備える。言い換えると、プロセッサ200に、トルク制御器210、モデルフォロイング制御器230、減算器AD1および加算器AD2のそれぞれに対応した機能が実装される。 The control device 100 includes a torque controller 210, a model following controller 230, a subtractor AD1, and an adder AD2. In other words, the processor 200 implements functions corresponding to the torque controller 210, the model following controller 230, the subtractor AD1, and the adder AD2.

トルク制御器210は、操舵トルクTに基づいて動作し、モータである制御対象220に入力を与える。例えば、操舵トルクセンサ541によって検出された操舵トルクTがトルク制御器210に入力する。トルク制御器210は、操舵周波数または操舵速が所定範囲内にあるときに操舵トルクTに位相補償を適用することによって目標モータトルク(またはトルク指令値)Trefを生成し、制御対象220に入力する。 Torque controller 210 operates based on steering torque T h and provides an input to controlled object 220, which is a motor. For example, steering torque T h detected by steering torque sensor 541 is input to torque controller 210. Torque controller 210 generates target motor torque (or torque command value) T ref by applying phase compensation to steering torque T h when the steering frequency or steering speed is within a predetermined range, and inputs the target motor torque (or torque command value) T ref to controlled object 220.

図3に例示されるトルク制御器210は、ベースアシスト演算部211および位相補償器212を有する。 The torque controller 210 illustrated in Figure 3 has a base assist calculation unit 211 and a phase compensator 212.

ベースアシスト演算部211は、操舵トルクTおよび車速を取得する。ベースアシスト演算部211は、操舵トルクTおよび車速に基づいてベースアシストトルクを生成する。例えば、ベースアシスト演算部211は、操舵トルクT、車速と、ベースアシストトルクとの対応を規定するルックアップテーブル(LUT)を有し得る。ベースアシスト演算部211は、LUTを参照して、操舵トルクTおよび車速に基づいて、対応関係にあるベースアシストトルクを決定することができる。さらに、ベースアシスト演算部211は、操舵トルクTの変動量に対するベースアシストトルクの変化量の比率によって規定される傾きに基づいてベースアシストゲインを決定することができる。 The base assist calculation unit 211 acquires the steering torque T h and the vehicle speed. The base assist calculation unit 211 generates a base assist torque based on the steering torque T h and the vehicle speed. For example, the base assist calculation unit 211 may have a look-up table (LUT) that defines the correspondence between the steering torque T h , the vehicle speed, and the base assist torque. The base assist calculation unit 211 can determine the corresponding base assist torque based on the steering torque T h and the vehicle speed by referring to the LUT. Furthermore, the base assist calculation unit 211 can determine a base assist gain based on a slope defined by the ratio of the amount of change in the base assist torque to the amount of fluctuation in the steering torque T h .

本開示の実施形態における位相補償器212は、運転者がハンドルを操作するときに操舵周波数が取り得る範囲内においてアシストゲインを調整し、トーションバーの剛性を補償する。本開示の実施形態において、上記の所定範囲の例は5Hz以下である。位相補償器212は、操舵周波数が5Hz以下であるときに操舵トルク(トーショントルク)に例えば1次の位相補償を適用してもよい。1次の位相補償は、例えば数1の数式の伝達関数によって表される。
ここで、sはラプラス変換子であり、fは伝達関数のゼロ点の周波数(Hz)であり、fは伝達関数の極の周波数(Hz)である。ゲイン(またはループゲイン)を縦軸にとり、周波数の対数を横軸にとったグラフはゲイン線図と呼ばれる。ゲイン線図において、ゼロ点は、ゲインカーブと0dBを示す横軸との交点を意味し、極はゲインカーブの極大点を意味する。例えば、極の周波数を零点よりも大きくすることで位相進み補償を適用することができる。その周波数の間隔が大きいほど、位相進み量が多くなる。
The phase compensator 212 in the embodiment of the present disclosure adjusts the assist gain within a range of possible steering frequencies when the driver operates the steering wheel, thereby compensating for the stiffness of the torsion bar. In the embodiment of the present disclosure, an example of the predetermined range is 5 Hz or less. The phase compensator 212 may apply, for example, first-order phase compensation to the steering torque (torsion torque) when the steering frequency is 5 Hz or less. The first-order phase compensation is expressed, for example, by a transfer function in the mathematical expression (1).
Here, s is the Laplace transformer, f1 is the frequency (Hz) of the zero point of the transfer function, and f2 is the frequency (Hz) of the pole of the transfer function. A graph with gain (or loop gain) on the vertical axis and the logarithm of frequency on the horizontal axis is called a gain diagram. In a gain diagram, the zero point represents the intersection of the gain curve with the horizontal axis representing 0 dB, and the pole represents the maximum point of the gain curve. For example, phase lead compensation can be applied by making the pole frequency higher than the zero point. The larger the frequency interval, the greater the amount of phase lead.

位相補償器212は、ベースアシスト演算部211から出力されるベースアシストトルクおよびベースアシストゲインに基づいて目標モータトルクTrefを生成する。例えば、位相補償器212は安定化補償器であり、ベースアシストトルクに安定性位相補償を適用することができる。位相補償器212は、ベースアシストゲインに応じて周波数特性が可変である2次以上の伝達関数を有し得る。2次以上の伝達関数は、応答性のパラメータωおよびダンピングのパラメータζを用いて表される。2次以上の伝達関数は、例えば数2の数式によって表すことができる。伝達関数の次数を2次とすることで伝達関数の特性にダンピングを与えることができる。ダンピングを変えることで位相特性を調整することが可能となる。
ここで、sはラプラス変換子であり、ωはゼロ点の周波数であり、ωは極の周波数であり、ζはゼロ点のダンピングであり、ζは極のダンピングである。極の周波数ωはゼロ点の周波数ωよりも小さい。
The phase compensator 212 generates a target motor torque T ref based on the base assist torque and base assist gain output from the base assist calculation unit 211. For example, the phase compensator 212 is a stabilization compensator and can apply stability phase compensation to the base assist torque. The phase compensator 212 can have a second-order or higher transfer function whose frequency characteristics vary depending on the base assist gain. The second-order or higher transfer function is expressed using a responsiveness parameter ω and a damping parameter ζ. The second-order or higher transfer function can be expressed by, for example, Equation 2. By making the order of the transfer function second-order, damping can be applied to the characteristics of the transfer function. Changing the damping makes it possible to adjust the phase characteristics.
where s is the Laplace transformer, ω1 is the frequency of the zero, ω2 is the frequency of the pole, ζ1 is the damping of the zero, and ζ2 is the damping of the pole. The pole frequency ω2 is smaller than the zero frequency ω1 .

モデルフォロイング制御器230は、制御対象220からの出力であるモータの角速度ω(MR角速度)に基づいて外乱トルクを推定し、推定外乱トルクを算出して制御対象220の入力にフィードバックするように構成される。モデルフォロイング制御器230から制御対象220の入力にフィードバックされるトルクは、制御対象220の入力を補正する「補正トルク」に相当する。モデルフォロイング制御器230は、制御対象220の出力に基づいて当該補正トルクを生成する。モデルフォロイング制御器230の例は、モデルフォロイング制御を行うように構成されたモデルフォロイング制御器である。モデルフォロイング制御器230の具体的な構成については後で詳細に説明する。 The model following controller 230 is configured to estimate disturbance torque based on the motor angular velocity ω (MR angular velocity), which is the output from the controlled object 220, calculate the estimated disturbance torque, and feed it back to the input of the controlled object 220. The torque fed back from the model following controller 230 to the input of the controlled object 220 corresponds to a "correction torque" that corrects the input of the controlled object 220. The model following controller 230 generates this correction torque based on the output of the controlled object 220. An example of the model following controller 230 is a model following controller configured to perform model following control. The specific configuration of the model following controller 230 will be described in detail later.

減算器AD1は、目標モータトルクTrefから、モデルフォロイング制御器230から出力される推定外乱トルクを減算する。減算器AD1からの出力は、加算器AD2とモデルフォロイング制御器230とに入力される。加算器AD2は、減算器AD1からの出力に外乱トルクTを加算して制御対象220に出力する。ここで、本開示の実施形態における外乱の例は、モータ、減速ギアなどのメカに起因する摩擦、トルクリップルもしくはガタつき、セルフアライニングトルク、または、舗装されていないガタガタ道もしくは砂利道などを走行したときに生じ得る外乱である。ここで、セルフアライニングトルクは、ハンドルを切るときに捩じれるタイヤの弾性によってハンドルが戻る方向に働くトルクを意味する。 The subtractor AD1 subtracts the estimated disturbance torque output from the model following controller 230 from the target motor torque T ref . The output from the subtractor AD1 is input to the adder AD2 and the model following controller 230. The adder AD2 adds the disturbance torque T d to the output from the subtractor AD1 and outputs the result to the control object 220. Here, examples of disturbances in the embodiment of the present disclosure include friction, torque ripple or rattle caused by mechanisms such as the motor and reduction gear, self-aligning torque, or disturbances that may occur when traveling on an unpaved, bumpy road or gravel road. Here, the self-aligning torque refers to the torque that acts in the direction of returning the steering wheel due to the elasticity of the tires that twist when the steering wheel is turned.

[第1の実装例]
モデルフォロイング制御器は、逆プラントモデル、ハイパスフィルタおよびローパスフィルタ(またはQフィルタ)を有する。モデルフォロイング制御器は、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタの伝達関数を、それぞれ、Q(s)およびHPF(s)とするとき、Q(s)・HPF(s)のゲイン特性におけるゲインが1である周波数帯域において、制御対象の伝達関数P(s)がノミナルモデルP(s)に拘束されるように構成されている。なお、本明細書において「制御対象の伝達関数がノミナルモデルに拘束される」とは、例えば、入出力関係を見たときに、制御対象の伝達関数が、見かけ上、ノミナルモデルの伝達関数に見えるように制御対象が制御されることを意味する。
[First Implementation Example]
The model-following controller has an inverse plant model, a high-pass filter, and a low-pass filter (or Q filter). When the transfer functions of the low-pass filter and the high-pass filter are Q(s) and HPF(s), respectively, the model-following controller is configured so that the transfer function P(s) of the controlled object is constrained to a nominal model Pn (s) in a frequency band where the gain in the gain characteristics of Q(s) and HPF(s) is 1. Note that in this specification, "the transfer function of the controlled object is constrained to the nominal model" means, for example, that the controlled object is controlled so that the transfer function of the controlled object appears to be the transfer function of the nominal model when the input-output relationship is viewed.

図4に、第1の実装例におけるモデルフォロイング制御器230Aの構成例を示す。モデルフォロイング制御器230Aは、制御対象逆モデル231、ローパスフィルタ232、ハイパスフィルタ233および減算器SU1を有する。ハイパスフィルタ233は第1カットオフ周波数を有し、ローパスフィルタ232は第2カットオフ周波数を有する。 Figure 4 shows an example configuration of the model-following controller 230A in the first implementation example. The model-following controller 230A has a controlled object inverse model 231, a low-pass filter 232, a high-pass filter 233, and a subtractor SU1. The high-pass filter 233 has a first cutoff frequency, and the low-pass filter 232 has a second cutoff frequency.

制御対象逆モデル231にモータの角速度ωが入力される。減算器SU1は、制御対象逆モデル231の出力から減算器AD1の出力を差し引いて推定外乱トルク^Tを生成する。推定外乱トルク^Tは、直列結合されたローパスフィルタ232およびハイパスフィルタ233によるフィルタ処理をこの順番で受け、減算器AD1に入力される。このように、モデルフォロイング制御器230Aは、推定外乱トルク^Tを制御対象220の入力にフィードバックする。なお、「^T」は、図4および図12に示すハット付きのTを意味する。 The angular velocity ω of the motor is input to the controlled plant inverse model 231. The subtractor SU1 subtracts the output of the subtractor AD1 from the output of the controlled plant inverse model 231 to generate an estimated disturbance torque ^ Td . The estimated disturbance torque ^ Td is filtered by a series-connected low-pass filter 232 and a high-pass filter 233 in this order, and is input to the subtractor AD1. In this way, the model-following controller 230A feeds back the estimated disturbance torque ^ Td to the input of the controlled plant 220. Note that "^ Td " means Td with a hat shown in FIGS. 4 and 12.

モデルフォロイング制御器230Aは、制御対象220であるモータの角速度ωを電流制御のアウターループに用いるフィードバックループを意味するモデルフォロイング制御を実行する。第1の実装例では、モデルフォロイング制御器230Aが形成するフィードバックループによって、角速度ωに依存するトルクリップルの補償を行うことが可能である。制御に用いる角速度ωの信号をモータの種別ごと補正することが可能であり、電流信号などに比べ角速度ωの信号の精度を高めることができる。その結果、精度の高いトルクリップルの補償をトルク制御に適用することが可能となる。 The model-following controller 230A performs model-following control, which refers to a feedback loop that uses the angular velocity ω of the motor, which is the controlled object 220, as the outer loop of current control. In the first implementation example, the feedback loop formed by the model-following controller 230A makes it possible to compensate for torque ripple that depends on the angular velocity ω. The angular velocity ω signal used for control can be corrected for each type of motor, making it possible to increase the accuracy of the angular velocity ω signal compared to current signals, etc. As a result, highly accurate torque ripple compensation can be applied to torque control.

モデルフォロイング制御器230Aは、従来の外乱推定器(または外乱オブザーバ)と構成的には類似するが、狙う作用・効果が異なる。従来の外乱推定器は、逆プラントモデルをプラントモデルに近い値に選定することによって外乱トルクを推定し、予め外乱トルクを加減することで外乱の影響を低減する。この補償対象としている周波数帯域は、車両挙動で取り得る4Hz以下の低い周波数である。 The model-following controller 230A is similar in configuration to conventional disturbance estimators (or disturbance observers), but has different intended functions and effects. Conventional disturbance estimators estimate disturbance torque by selecting an inverse plant model close to the plant model, and reduce the effects of disturbance by adjusting the disturbance torque in advance. The frequency band that is the target of compensation is the low frequencies below 4 Hz that can occur due to vehicle behavior.

本開示の実施形態によるモデルフォロイング制御は、フィードバックループによってプラントが逆プラントモデルで定義するノミナルモデルに拘束される効果を活用する。補償対象となり得る周波数帯域は、4Hzから150Hz程度であり、従来の外乱推定器の周波数帯域と異なる。例えば、トルクリップルが無いように逆プラントモデルを定義すれば、モデルフォロイング制御によって、プラントモデルはトルクリップルの無い特性に拘束され、その結果、トルクリップルの補償を適用することにより、トルクリップルを低減することが可能となる。その他にも慣性または粘性のモデルを構築し、そのモデルにプラントモデルを拘束することでプラントモデルの低慣性化または低粘性化を実現し得る。モデルフォロイング制御を実行することにより、モータのトルクリップルの補償に加え、例えばロストルク補償またはモータ慣性補償が行われる。 Model-following control according to an embodiment of the present disclosure utilizes the effect of a feedback loop that constrains the plant to a nominal model defined by an inverse plant model. The frequency band that can be compensated for is approximately 4 Hz to 150 Hz, which is different from the frequency band of conventional disturbance estimators. For example, if an inverse plant model is defined so that there is no torque ripple, model-following control constrains the plant model to characteristics that do not have torque ripple. As a result, torque ripple can be reduced by applying torque ripple compensation. Alternatively, by constructing an inertia or viscosity model and constraining the plant model to that model, it is possible to reduce the inertia or viscosity of the plant model. By performing model-following control, in addition to compensating for motor torque ripple, loss torque compensation or motor inertia compensation, for example, can be performed.

本明細書において、制御対象220、制御対象220を拘束するために用いるノミナルモデル(またはプラントモデル)、当該プラントモデルの逆プラントモデルで定義される制御対象逆モデル231、ローパスフィルタ232の伝達関数、およびハイパスフィルタ233の伝達関数を、それぞれ、P(s)、P(s)、P -1(s)、Q(s)およびHPF(s)と記載する。 In this specification, the controlled object 220, the nominal model (or plant model) used to constrain the controlled object 220, the controlled object inverse model 231 defined by the inverse plant model of the plant model, the transfer function of the low-pass filter 232, and the transfer function of the high-pass filter 233 are referred to as P(s), P n (s), P n -1 (s), Q(s), and HPF(s), respectively.

プラントモデル(ノミナルモデル)は数3の数式で表され、逆プラントモデルは数4の数式で表される。JmnおよびBmnを適切に設定することによって、制御対象220のP(s)に所望の周波数特性を付与することができる。本実施形態においてプラントモデル(ノミナルモデル)は、1慣性系のモデルである。
The plant model (nominal model) is expressed by Expression 3, and the inverse plant model is expressed by Expression 4. By appropriately setting J mn and B mn , it is possible to impart desired frequency characteristics to P(s) of the controlled object 220. In this embodiment, the plant model (nominal model) is a model of a one-inertia system.

モデルフォロイング制御器で構成されるインナーループの相補感度関数をT(s)とし、プラントモデルのモデル化誤差をΔ(s)とする。T(s)はQ(s)HPF(s)で表され、Δ(s)に関して、数5に示す関係が成り立つ。モデルフォロイング制御器のロバスト安定性は、T(s)とΔ(s)との間に数6の数式で示すスモールゲイン定理が成立するときに保証される。外乱抑制のためにはT(s)=1であればよいが、ロバスト安定性を考慮すると、数6の数式を満たす必要がある。このことから理解されるように、外乱抑制とロバスト安定性とは両立しない。
Let T(s) be the complementary sensitivity function of the inner loop formed by the model-following controller, and Δ(s) be the modeling error of the plant model. T(s) is expressed as Q(s)HPF(s), and the relationship shown in Equation 5 holds for Δ(s). The robust stability of the model-following controller is guaranteed when the small gain theorem shown in Equation 6 holds between T(s) and Δ(s). For disturbance suppression, it is sufficient for T(s) = 1, but in consideration of robust stability, Equation 6 must be satisfied. As can be seen from this, disturbance suppression and robust stability are incompatible.

図5に、ステアリング系全体の伝達関数のゲイン線図を例示する。ゲイン線図における横軸は周波数〔Hz〕を示し、縦軸はゲイン〔dB〕を示す。第1の実装例では、周波数帯域によって外乱抑制を実現するために、周波数帯域を、T(s)=1となる、外乱抑制が必要な領域Iと、ロバスト安定性を確保するためにT(s)を下げる領域IIとに区分する。領域IIにおいて、1/Δ(s)>T(s)が成り立つ。 Figure 5 shows an example of a gain diagram of the transfer function of the entire steering system. The horizontal axis of the gain diagram represents frequency (Hz), and the vertical axis represents gain (dB). In the first implementation example, to achieve disturbance suppression based on the frequency band, the frequency band is divided into Region I, where T(s) = 1 and disturbance suppression is required, and Region II, where T(s) is lowered to ensure robust stability. In Region II, 1/Δ(s) > T(s) holds.

ステアリング系全体の伝達関数のゲイン特性は、例えば20Hz付近と50Hz付近とにピークを有し、モデル化誤差は、2つのピークのうちの50Hz付近のピークに現れる。すなわち、Δ(s)は50Hz付近にピークを有し、図5に示す1/Δ(s)は50Hz付近にボトムを有する。ゲイン特性の調整方法として、1/Δ(s)の調整、およびT(s)の折れ点の調整がある。1/Δ(s)の調整は、プラントモデルのJmnおよびBmnを調整することで行われ、T(s)の折れ点の調整は、ローパスフィルタ232の第2カットオフ周波数を調整することで行われる。さらに、操舵のアシスト量、操舵速または車速によって外乱に対する感度は調整され得る。モデル化誤差のボトムの周波数が、領域Iと領域IIとの境界の周波数に近い場合、対策として、ローパスフィルタ232の次数を上げて、外乱抑圧が必要な領域IおけるT(s)を急峻に立ち下げる方法がしばしば採用される。 The gain characteristics of the transfer function of the entire steering system have peaks, for example, near 20 Hz and 50 Hz, and the modeling error appears in the peak near 50 Hz of the two peaks. That is, Δ(s) has a peak near 50 Hz, and 1/Δ(s) shown in FIG. 5 has a bottom near 50 Hz. Adjustment methods for the gain characteristics include adjusting 1/Δ(s) and the break point of T(s). Adjustment of 1/Δ(s) is performed by adjusting J mn and B mn of the plant model, and adjustment of the break point of T(s) is performed by adjusting the second cutoff frequency of the low-pass filter 232. Furthermore, sensitivity to disturbances can be adjusted by the steering assist amount, steering speed, or vehicle speed. When the bottom frequency of the modeling error is close to the boundary frequency between Region I and Region II, a method is often adopted in which the order of the low-pass filter 232 is increased to sharply reduce T(s) in Region I, where disturbance suppression is required.

制御装置100は、低周波のトルク信号に対してはトルク制御を行い、かつ、高周波の外乱に対しては角速度ω≒0となる制御を行うことによって、ハンドルが取られないように操舵の安定化を実現する。この目的を達成するために、制御装置100は、トルク制御器210を用いてトルク制御の高周波ゲインを下げること、および、モデルフォロイング制御器230Aを用いて、制御対象P(s)を高周波ゲインが下がる特性に拘束することを実行する。後者の処理を行う理由は、図4に示すTdのような外乱が制御対象220に入力されたときに制御対象220がその外乱に反応しないようにするためである。 The control device 100 performs torque control for low-frequency torque signals and controls high-frequency disturbances so that the angular velocity ω ≈ 0, thereby stabilizing steering to prevent the steering wheel from being seized. To achieve this goal, the control device 100 uses the torque controller 210 to reduce the high-frequency gain of the torque control, and the model following controller 230A to constrain the control object P(s) to a characteristic that reduces the high-frequency gain. The reason for performing the latter process is to prevent the control object 220 from reacting to a disturbance such as Td shown in Figure 4 when it is input to the control object 220.

図6に、トルク制御器210における位相補償器212の伝達関数C(s)のゲイン線図を例示する。図7に、ハイパスフィルタ233の伝達関数HPF(s)のゲイン線図を例示する。図8に、ノミナルモデルP(s)のゲイン線図を例示する。ゲイン線図における横軸は周波数〔Hz〕を示し、縦軸はゲイン〔dB〕を示す。例えば、図6に示す伝達関数C(s)のゲイン特性を有する位相補償器212を適用すれば、図8に示すように、ノミナルモデルP(s)のゲイン特性において高周波ゲインを下げることができる。伝達関数C(s)のゲイン線図におけるカットオフ周波数fcは、例えば2Hz以上10Hz以下であり、P(s)のゲイン線図におけるカットオフ周波数fcは、例えば2Hz以上20Hz以下である。 FIG. 6 illustrates a gain diagram of the transfer function C(s) of the phase compensator 212 in the torque controller 210. FIG. 7 illustrates a gain diagram of the transfer function HPF(s) of the high-pass filter 233. FIG. 8 illustrates a gain diagram of the nominal model P n (s). In the gain diagram, the horizontal axis represents frequency (Hz) and the vertical axis represents gain (dB). For example, by applying the phase compensator 212 having the gain characteristics of the transfer function C(s) shown in FIG. 6, the high-frequency gain can be reduced in the gain characteristics of the nominal model P n (s), as shown in FIG. 8. The cutoff frequency fc in the gain diagram of the transfer function C(s) is, for example, 2 Hz to 10 Hz, and the cutoff frequency fc in the gain diagram of P n (s) is, for example, 2 Hz to 20 Hz.

モデルフォロイング制御器230Aは、Q(s)・HPF(s)のゲイン特性におけるゲインが1である周波数帯域において、制御対象220の伝達関数P(s)がノミナルモデルP(s)に拘束されるように構成されている。逆プラントモデルP -1(s)は、拘束したい逆特性を与え、Q(s)・HPF(s)のゲイン特性を活かすように設計される。プラントモデルのJmnおよびBmnを適切に設計することによって、図8に示すように、高周波領域においてゲインが下がるノミナルモデルP(s)のゲイン特性が得られる。領域Iと領域IIとの境界の周波数(領域Iを規定する周波数範囲の下限値)は、運転者によって入力され得る最大周波数であり、一般に2Hzから10Hz程度である。この周波数は、ハイパスフィルタ233の第1カットオフ周波数に依存する。そのため、モデルフォロイング制御の有効範囲の下限周波数は、トルク制御を阻害しないように、ハイパスフィルタ233の第1カットオフ周波数を調整することによって決定される。 The model-following controller 230A is configured so that the transfer function P(s) of the controlled object 220 is constrained to the nominal model P n (s) in the frequency band where the gain in the gain characteristic of Q(s)·HPF(s) is 1. The inverse plant model P n -1 (s) is designed to provide the inverse characteristic to be constrained and to utilize the gain characteristic of Q(s)·HPF(s). By appropriately designing the plant models J mn and B mn , the gain characteristic of the nominal model P n (s) can be obtained, as shown in FIG. 8, in which the gain decreases in the high-frequency range. The boundary frequency between Region I and Region II (the lower limit of the frequency range defining Region I) is the maximum frequency that can be input by the driver, and is generally approximately 2 Hz to 10 Hz. This frequency depends on the first cutoff frequency of the high-pass filter 233. Therefore, the lower limit frequency of the effective range of the model following control is determined by adjusting the first cutoff frequency of the high-pass filter 233 so as not to impede the torque control.

ローパスフィルタ232とハイパスフィルタ233とは直列結合されている。ローパスフィルタ232は多段のLPFから構成され得る。つまり、Q(s)はn段LPF(nは1以上)の伝達関数として表され得る。第2カットオフ周波数は、第1カットオフ周波数よりも大きい。第1カットオフ周波数は、例えば2Hz以上10Hz以下であり、例えば5Hz以上7Hz以下であることが好ましい。第2カットオフ周波数は、例えば3Hz以上であり、好ましくは50Hz以下である。ただし、第2カットオフ周波数の上限は140Hzから200Hz程度に設定され得る。図8に示すノミナルモデルP(s)のゲイン特性のカットオフ周波数fcは、第1カットオフ周波数と第2カットオフ周波数とに依存し、例えば2Hz以上20Hz以下である。 The low-pass filter 232 and the high-pass filter 233 are connected in series. The low-pass filter 232 may be composed of multiple LPFs. That is, Q(s) may be expressed as the transfer function of an n-stage LPF (n is 1 or greater). The second cutoff frequency is greater than the first cutoff frequency. The first cutoff frequency is, for example, 2 Hz or greater and 10 Hz or less, and preferably, for example, 5 Hz or greater and 7 Hz or less. The second cutoff frequency is, for example, 3 Hz or greater and preferably 50 Hz or less. However, the upper limit of the second cutoff frequency may be set to approximately 140 Hz to 200 Hz. The cutoff frequency fc of the gain characteristic of the nominal model P n (s) shown in FIG. 8 depends on the first cutoff frequency and the second cutoff frequency and is, for example, 2 Hz or greater and 20 Hz or less.

本発明者等は、本開示の実施形態によるモデルフォロイング制御を適用して得られる効果を、実車測定を行うことで確認した。実車測定において、モデルフォロイング制御をトルク制御に適用することによる、トルクリップルおよびハンドルの取られを低減する効果を測定した。ここで、ハンドルの取られとは、手放しの状態で段差を乗り越えたときにハンドルが左右に振れることを意味する。 The inventors have confirmed the effects of applying model following control according to an embodiment of the present disclosure by conducting measurements on an actual vehicle. In the measurements on the actual vehicle, they measured the effect of reducing torque ripple and steering pull by applying model following control to torque control. Here, steering pull refers to the steering wheel swaying from side to side when going over a bump with the hands off the wheel.

図9に、モデルフォロイング制御を適用しない場合の操舵角およびトーショントルクの測定結果を示す。図10に、モデルフォロイング制御を適用した場合の操舵角およびトーショントルクの測定結果を示す。グラフにおいて、横軸は操舵角〔deg〕を示し、縦軸はトーショントルク〔Nm〕を示す。グラフは、端から端まで(ハンドルを左一杯に切った状態から右一杯に切った状態、またはその逆)角速度180〔deg/s〕で操舵した時に計測された波形を示している。 Figure 9 shows the measurement results of steering angle and torsion torque when model following control is not applied. Figure 10 shows the measurement results of steering angle and torsion torque when model following control is applied. In the graph, the horizontal axis represents steering angle (deg) and the vertical axis represents torsion torque (Nm). The graph shows the waveform measured when steering from end to end (from turning the steering wheel fully left to fully right, or vice versa) at an angular velocity of 180 (deg/s).

モデルフォロイング制御を適用しない場合と比較して、モデルフォロイング制御を適用した場合、グラフの一点鎖線で囲う部分を拡大してみると、トルクリップルを抑制できていることがわかった。具体的には、トーショントルクの変動量が0.1[Nm]程度減少することがわかった。 Zooming in on the area enclosed by the dashed line on the graph shows that torque ripple is suppressed when model following control is applied compared to when model following control is not applied. Specifically, it was found that the amount of fluctuation in torsion torque was reduced by approximately 0.1 [Nm].

図11に、モデルフォロイング制御を適用しない場合、および、モデルフォロイング制御を適用した場合のそれぞれの操舵角の時間変化の測定結果を示す。グラフにおいて、横軸は時間[sec]を示し、縦軸は操舵角[deg]を示す。車両が段差を乗り越えた時間の領域を破線の矩形で示している。モデルフォロイング制御をトルク制御に適用することによって、車両が段差を乗り越えたときの操舵角の変動が抑制され、ハンドルの取られを適切に低減できていることがわかった。 Figure 11 shows the measurement results of the change in steering angle over time when model following control is not applied and when model following control is applied. In the graph, the horizontal axis represents time [sec] and the vertical axis represents steering angle [deg]. The dashed rectangle indicates the time region where the vehicle went over the step. It was found that by applying model following control to torque control, fluctuations in steering angle when the vehicle went over the step were suppressed, and steering pull was appropriately reduced.

第1の実装例によれば、モデルフォロイング制御をトルク制御に適用することによって、外乱の高周波成分を低減することが可能となる。その結果、操舵するときに生じ得るトルクリップル、および、段差を車両が乗り越えるときに生じ得るハンドルの取られを適切に低減することが可能となる。 In the first implementation example, applying model-following control to torque control makes it possible to reduce high-frequency components of disturbances. As a result, it is possible to appropriately reduce torque ripple that can occur when steering and steering wheel pull that can occur when the vehicle goes over a bump.

[第2の実装例]
次に、図12から図14を参照して、第2の実装例によるモデルフォロイング制御器を説明する。第2の実装例によるモデルフォロイング制御器は、摩擦補償算出器を有する点で、第1の実装例によるモデルフォロイング制御器と異なる。以下、第1の実装例によるモデルフォロイング制御器との差異点を主に説明する。
[Second Implementation Example]
Next, a model following controller according to a second implementation example will be described with reference to Figures 12 to 14. The model following controller according to the second implementation example differs from the model following controller according to the first implementation example in that it includes a friction compensation calculator. Below, the differences from the model following controller according to the first implementation example will be mainly described.

モデルフォロイング制御器が推定する外乱には、モータ、減速ギアなどのメカの摩擦が含まれるため、第2の実装例によるモデルフォロイング制御器は、推定外乱トルクから摩擦成分を取り出し、摩擦補償を推定外乱トルクに適用するように構成されている。摩擦補償の対象は、例えばモータの摩擦、減速ギアの摩擦または減速ギアの摩擦左右差である。 Since the disturbances estimated by the model-following controller include mechanical friction such as that of the motor and reduction gear, the model-following controller in the second implementation example is configured to extract the friction component from the estimated disturbance torque and apply friction compensation to the estimated disturbance torque. Friction compensation is performed on, for example, motor friction, reduction gear friction, or the difference in friction between the left and right sides of the reduction gear.

従来の摩擦補償制御を適用しようとすると、モータの角速度ωがゼロ付近では、チャタリング防止のためにモータの角速度ωに対する摩擦補償トルク(Nm)の変化を緩やかにせざるを得なくなり、結果として、高精度な摩擦補償制御が行えない場合があった。発明者の検討によれば、この課題を解決するためには、摩擦を逐次推定し、補償することが望ましい。 When applying conventional friction compensation control, when the motor's angular velocity ω is near zero, it is necessary to gradually change the friction compensation torque (Nm) relative to the motor's angular velocity ω to prevent chattering, which can result in high-precision friction compensation control being impossible. According to the inventor's research, the best way to solve this problem is to sequentially estimate and compensate for friction.

第2の実装例によるモデルフォロイング制御器は、外乱補償トルクを制御対象の入力にフィードバックするように構成されている。モデルフォロイング制御器は、具体的には、推定外乱トルクから低周波成分を除去するハイパスフィルタと、ハイパスフィルタに並列結合され、推定外乱トルクに摩擦補償を適用してメカの摩擦トルクの推定値を算出する摩擦補償算出器と、ハイパスフィルタによって低周波成分が除去された推定外乱トルクに、摩擦トルクの推定値を加算し、外乱補償トルクを生成する加算器とを有する。第2の実装例において、推定外乱トルクは「第1補正トルク」に相当し、外乱補償トルクは「第2補正トルク」に相当する。 A model-following controller according to a second implementation example is configured to feed back disturbance compensation torque to the input of the controlled object. Specifically, the model-following controller has a high-pass filter that removes low-frequency components from the estimated disturbance torque, a friction compensation calculator connected in parallel to the high-pass filter that applies friction compensation to the estimated disturbance torque to calculate an estimate of the mechanical friction torque, and an adder that adds the estimated friction torque to the estimated disturbance torque from which the low-frequency components have been removed by the high-pass filter to generate disturbance compensation torque. In the second implementation example, the estimated disturbance torque corresponds to the "first correction torque" and the disturbance compensation torque corresponds to the "second correction torque."

図12に、第2の実装例におけるモデルフォロイング制御器230Bの構成例を示す。モデルフォロイング制御器230Bは、第1の実装例によるモデルフォロイング制御器230Aと同様にモデルフォロイング制御を行うように構成されている。ただし、モデルフォロイング制御の機能は必須でない。 Figure 12 shows an example configuration of the model following controller 230B in the second implementation example. The model following controller 230B is configured to perform model following control in the same way as the model following controller 230A in the first implementation example. However, the model following control function is not required.

モデルフォロイング制御器230Bは摩擦補償算出器250を有する。摩擦補償算出器250は、ハイパスフィルタ233に並列結合され、推定外乱トルク^Tに摩擦補償を適用してメカの摩擦トルクの推定値を算出する。摩擦補償算出器250は、減算器251、リミッタ252およびゲイン調整器253を有する。減算器251は、ローパスフィルタ232からの出力値からハイパスフィルタ233からの出力値を差し引く。リミッタ252は、減算器251からの出力値に制限をかける。リミッタ252は、入力値が上限または下限の閾値を越える場合、入力値を上限または下限の閾値にクリップする。 The model following controller 230B has a friction compensation calculator 250. The friction compensation calculator 250 is connected in parallel to the high-pass filter 233 and calculates an estimated value of the friction torque of the mechanism by applying friction compensation to the estimated disturbance torque ^ Td . The friction compensation calculator 250 has a subtractor 251, a limiter 252, and a gain adjuster 253. The subtractor 251 subtracts the output value from the high-pass filter 233 from the output value from the low-pass filter 232. The limiter 252 imposes a limit on the output value from the subtractor 251. If the input value exceeds the upper or lower threshold, the limiter 252 clips the input value to the upper or lower threshold.

ゲイン調整器253はリミッタ252からの出力値にゲインKをかける。制御対象220の伝達関数がノミナルモデルに拘束される条件下でゲイン調整器253のゲインKの最大値は決定される。ゲインKの最大値は、例えば1から1.2程度に設定される。 Gain adjuster 253 multiplies the output value from limiter 252 by gain K. The maximum value of gain K of gain adjuster 253 is determined under conditions in which the transfer function of controlled object 220 is constrained to the nominal model. The maximum value of gain K is set, for example, to approximately 1 to 1.2.

推定外乱トルク^Tにはメカの摩擦が含まれる。外乱の推定において、モータの出力トルクの伝達経路から、先ず摩擦が推定され、次に、セルフアライニングトルクなどのモータに働くトルクが推定される。このため、摩擦補償算出器250は、最初に推定した外乱のうちの摩擦トルクに相当する値を摩擦トルクの推定値として算出する。一般に、適度な摩擦がEPSに必要とされるために、実際に働く摩擦力よりも小さい値を摩擦トルクの推定値とすることによって、適度な摩擦力を残しつつ、高精度な摩擦補償を実現することが可能となる。 The estimated disturbance torque ^ Td includes mechanical friction. In estimating the disturbance, first, friction is estimated from the transmission path of the motor's output torque, and then torque acting on the motor, such as self-aligning torque, is estimated. Therefore, the friction compensation calculator 250 calculates a value equivalent to the friction torque from the initially estimated disturbance as the estimated value of the friction torque. Generally, an appropriate amount of friction is required for EPS, so by setting the estimated value of the friction torque to a value smaller than the actual friction force, it is possible to achieve highly accurate friction compensation while maintaining an appropriate amount of friction force.

モデルフォロイング制御に用いる推定外乱トルクに摩擦補償を適用するために、モデルフォロイング制御の安定性条件に留意する必要がある。この条件は、上述したスモールゲイン定理より、安定性を考慮した特性に拘束した摩擦補償算出器250の伝達関数のゲイン特性におけるゲインが1を越えないことである。これは、ローパスフィルタ232の設計条件から導かれる。第2の実装例ではこの条件を常に満足するように摩擦補償ゲイン、つまりゲインKの値を最大1とし、かつ、この条件下でゲイン特性におけるゲインが1となるようにリミッタ252の前段に減算器251を設けて減算処理を適用している。言い換えると、摩擦補償算出器250は、1-HPF(s)の伝達関数を有するローパスフィルタとして振る舞う。 In order to apply friction compensation to the estimated disturbance torque used in model-following control, it is necessary to pay attention to the stability conditions of model-following control. According to the small gain theorem described above, this condition requires that the gain in the gain characteristic of the transfer function of the friction compensation calculator 250, which is constrained to characteristics that take stability into consideration, does not exceed 1. This is derived from the design conditions of the low-pass filter 232. In the second implementation example, the friction compensation gain, i.e., the value of gain K, is set to a maximum of 1 to always satisfy this condition, and a subtractor 251 is provided before the limiter 252 to apply subtraction processing so that the gain in the gain characteristic becomes 1 under this condition. In other words, the friction compensation calculator 250 behaves as a low-pass filter with a transfer function of 1-HPF(s).

推定外乱トルク^Tは、低周波成分^Td1、中周波成分^Td2、および高周波成分^Td3を含む。ローパスフィルタ232は、推定外乱トルク^Tから高周波成分^Td3を除去し、ハイパスフィルタ233は、さらに、推定外乱トルク^Tから低周波成分^Td1を除去する。このように、ハイパスフィルタ233の第1カットオフ周波数以上ローパスフィルタ232の第2カットオフ周波数以下の範囲にある推定外乱トルクの中周波成分^Td2だけが摩擦補償の対象となる。ただし、外乱に含まれる想定される摩擦は外乱のうちの低周波成分であるために、上記のフィルタ処理によると、低周波成分^Td1は摩擦補償の対象外となってしまう。そこで、摩擦補償算出器250をハイパスフィルタ233に並列結合することによって、ハイパスフィルタ233によるフィルタ処理を受け補償されなくなった外乱の低周波成分^Td1を推定外乱トルク^Tに再度加え、摩擦補償を実現している。より詳細には、摩擦補償算出器250において低周波成分^Td1にゲインKを乗じた値を中周波成分^Td2に加算することによって、外乱補償トルクが生成される。なお、「^Td1」は図12に示すハット付きのTd1を意味し、「^Td2」は図12に示すハット付きのTd2を意味し、「^Td3」は図12に示すハット付きのTd3を意味する。 The estimated disturbance torque ^ Td includes a low-frequency component ^ Td1 , a medium-frequency component ^ Td2 , and a high-frequency component ^ Td3 . The low-pass filter 232 removes the high-frequency component ^ Td3 from the estimated disturbance torque ^ Td , and the high-pass filter 233 further removes the low-frequency component ^ Td1 from the estimated disturbance torque ^ Td . In this way, only the medium-frequency component ^ Td2 of the estimated disturbance torque, which is in the range from the first cutoff frequency of the high-pass filter 233 to the second cutoff frequency of the low-pass filter 232, is subject to friction compensation. However, because the assumed friction included in the disturbance is a low-frequency component of the disturbance, the above filter processing results in the low-frequency component ^ Td1 being excluded from friction compensation. Therefore, by connecting the friction compensation calculator 250 in parallel with the high-pass filter 233, the low-frequency component ^ Td1 of the disturbance, which has been filtered by the high-pass filter 233 and is no longer compensated for, is added again to the estimated disturbance torque ^ Td , thereby achieving friction compensation. More specifically, the friction compensation calculator 250 multiplies the low-frequency component ^ Td1 by a gain K and adds the result to the medium-frequency component ^ Td2 , thereby generating the disturbance compensation torque. Note that "^ Td1 " means Td1 with a hat shown in FIG. 12, "^ Td2 " means Td2 with a hat shown in FIG. 12, and "^ Td3 " means Td3 with a hat shown in FIG. 12.

EPSを搭載する車両は、自動運転モードおよび手動運転モードを有する走行モードに従って走行することが可能である。この場合、ゲイン調整器253のゲインKは、走行モードに応じて切り替えるようにしてもよい。ゲインKが大きいほど、摩擦の低減の程度が大きくなる。自動運転モード時に設定されるゲインKは、手動運転モード時に設定されるゲインKよりも大きいことが好ましい。これにより、摩擦の低減がより求められる自動運転モードに最適な摩擦補償を適用することができる。 Vehicles equipped with EPS can be driven in a driving mode that includes an automatic driving mode and a manual driving mode. In this case, the gain K of the gain adjuster 253 may be switched depending on the driving mode. The larger the gain K, the greater the degree of friction reduction. The gain K set in the automatic driving mode is preferably larger than the gain K set in the manual driving mode. This allows for optimal friction compensation to be applied in the automatic driving mode, where greater friction reduction is required.

モデルフォロイング制御器230Bは加算器AD3をさらに有する。加算器AD3は、ハイパスフィルタ233からの出力値に、ゲイン調整器からの出力値を加算する。加算器AD3からの出力は、外乱補償トルクとして制御対象220の入力にフィードバックされる。 The model following controller 230B further includes an adder AD3. The adder AD3 adds the output value from the gain adjuster to the output value from the high-pass filter 233. The output from the adder AD3 is fed back to the input of the controlled object 220 as disturbance compensation torque.

高速道路を走行するときなどに白線または黄線などの車線を認識し、車線に追従した車両の自動走行をアシストする補助装置が開発されている。EPSおよび補助装置を搭載した車両において、減速ギアの摩擦に左右差があると、車線の中心に沿って車両を直進走行させる補助装置の制御に影響が及び得ることが知られている。本開示の実施形態による摩擦補償制御によれば、減速ギアの摩擦に左右差がある場合であっても、逐次摩擦トルクの推定値を算出することができるために、上記の課題を解決することが可能となる。なお、プラントモデルの出力であるモータの角速度ωは、減速ギアの摩擦の左右差に関する情報を含んでいる。 Assistance devices have been developed that recognize lane marks, such as white or yellow lines, when driving on expressways, and assist the vehicle in autonomous driving by following the lane. It is known that in vehicles equipped with EPS and an assistance device, if there is a difference in friction between the left and right reduction gears, this can affect the control of the assistance device, which drives the vehicle straight along the center of the lane. Friction compensation control according to an embodiment of the present disclosure can solve the above problem by sequentially calculating an estimated value of friction torque even when there is a difference in friction between the left and right reduction gears. The motor angular velocity ω, which is the output of the plant model, contains information regarding the difference in friction between the left and right reduction gears.

本発明者等は、ゲイン調整による摩擦補償制御を適用して得られる効果を、シミュレーションを行うことで確認した。シミュレーションによって、摩擦補償制御による摩擦の低減効果を測定した。 The inventors conducted simulations to confirm the effects of applying friction compensation control through gain adjustment. The simulations measured the friction reduction effect of friction compensation control.

図13に、ゲイン調整による摩擦補償制御を適用しない場合、および、ゲイン調整による摩擦補償制御を適用する場合の操舵角および操舵トルクのシミュレーション結果を示す。グラフにおいて、横軸は操舵角[deg]を示し、縦軸は操舵トルク[Nm]を示す。破線で示すグラフは、摩擦補償制御を適用しない場合の波形を示し、実線で示すグラフは、摩擦補償制御を適用した場合の波形を示している。図中の矢印は操舵トルクの幅を表し、その幅が摩擦の大きさに相当する。摩擦補償制御を適用することによって摩擦を適切に低減できることが分かった。 Figure 13 shows the simulation results of steering angle and steering torque when friction compensation control by gain adjustment is not applied and when friction compensation control by gain adjustment is applied. In the graph, the horizontal axis represents steering angle [deg], and the vertical axis represents steering torque [Nm]. The dashed line represents the waveform when friction compensation control is not applied, and the solid line represents the waveform when friction compensation control is applied. The arrows in the figure represent the range of steering torque, which corresponds to the magnitude of friction. It was found that friction can be appropriately reduced by applying friction compensation control.

図14に、従来の摩擦補償制御を適用した場合、および、ゲイン調整による摩擦補償制御を適用した場合の操舵角および操舵トルクのシミュレーション結果を示す。グラフにおいて、横軸は操舵角[deg]を示し、縦軸は操舵トルク[Nm]を示す。破線で示すグラフは、従来の摩擦補償制御を適用した場合の波形を示し、実線で示すグラフは、ゲイン調整による摩擦補償制御を適用した場合の波形を示している。従来の摩擦補償制御によれば、上述したように、モータの角速度ωがゼロ付近では、チャタリング防止のためにモータの角速度ωに対する摩擦補償トルク(Nm)の変化を緩やかにせざるを得なくなる。これに起因して、ハンドルを切り返すときに(図中の破線の丸で囲む部分を参照)、操舵トルクにスパイクが確認された。これに対し、ゲイン調整による摩擦補償制御を適用した場合には、スパイクは確認されず、摩擦が適切に低減できていることがわかった。 Figure 14 shows simulation results for steering angle and steering torque when conventional friction compensation control and friction compensation control with gain adjustment are applied. In the graph, the horizontal axis represents steering angle [deg], and the vertical axis represents steering torque [Nm]. The dashed line represents the waveform when conventional friction compensation control is applied, while the solid line represents the waveform when friction compensation control with gain adjustment is applied. With conventional friction compensation control, as described above, when the motor angular velocity ω is near zero, the change in friction compensation torque (Nm) relative to the motor angular velocity ω must be made gradual to prevent chattering. As a result, a spike in steering torque was observed when the steering wheel was turned (see the area circled by dashed lines in the figure). In contrast, when friction compensation control with gain adjustment was applied, no spike was observed, demonstrating that friction was appropriately reduced.

第2の実装例によれば、ゲイン調整による摩擦補償制御をトルク制御にさらに適用することによって、外乱の高周波成分を低減しつつ、摩擦を適切に低減することが可能となる。 In the second implementation example, by further applying friction compensation control using gain adjustment to torque control, it is possible to appropriately reduce friction while reducing high-frequency components of disturbances.

[第3の実装例]
第3の実装例において制御対象は、ハンドル521と自在軸継手523A,523Bと回転軸524とトーションバー546とモータ543と減速ギア544とを有する。第3の実装例における制御対象はトーションバー546を介して互いに相対回転可能な部分を含んでいるため、制御対象の運動は、単純な1慣性系の運動方程式のみでは記述できない。第3の実装例における制御対象は、車両の運転者がハンドル521を握る強さによって、1慣性系と2慣性系との間で変化する。運転者がハンドル521を強く握るほど、制御対象は、1慣性系に近くなる。運転者がハンドルを弱く握るほど、制御対象は、2慣性系に近くなる。第3の実装例において、モデルフォロイング制御器には、制御対象の出力として、減速ギア544の角速度に相当する角速度が入力される。
[Third Implementation Example]
In the third implementation example, the control object includes a steering wheel 521, universal joints 523A and 523B, a rotating shaft 524, a torsion bar 546, a motor 543, and a reduction gear 544. Because the control object in the third implementation example includes parts that can rotate relatively to each other via the torsion bar 546, the motion of the control object cannot be described by a simple equation of motion for a one-inertia system. The control object in the third implementation example changes between a one-inertia system and a two-inertia system depending on the strength with which the driver of the vehicle grips the steering wheel 521. The stronger the driver grips the steering wheel 521, the closer the control object becomes to a one-inertia system. The weaker the driver grips the steering wheel, the closer the control object becomes to a two-inertia system. In the third implementation example, an angular velocity corresponding to the angular velocity of the reduction gear 544 is input to the model-following controller as the output of the control object.

第3の実装例では、プラントモデル(ノミナルモデル)を1慣性系と2慣性系との間の周波数特性を有するモデルとする。第3の実装例におけるプラントモデル(ノミナルモデル)の伝達関数P(s)は数7の数式で表され、逆プラントモデルの伝達関数P -1(s)は数8の数式で表される。 In the third implementation example, the plant model (nominal model) is a model having frequency characteristics between those of a one-inertia system and a two-inertia system. The transfer function P n (s) of the plant model (nominal model) in the third implementation example is expressed by Expression 7, and the transfer function P n −1 (s) of the inverse plant model is expressed by Expression 8.

数7の数式および数8の数式において、sはラプラス変換子であり、JSTGnはノミナルモデルの慣性モーメントを表すパラメータであり、BSTGnはノミナルモデルの粘性摩擦係数を表すパラメータであり、ω1nは伝達関数P(s)のゼロ点の周波数であり、ω2nは伝達関数P(s)の極の周波数であり、ζ1nは伝達関数P(s)のゼロ点における減衰比であり、ζ2nは伝達関数P(s)の極における減衰比である。 In Equation 7 and Equation 8, s is a Laplace transformer, J STGn is a parameter representing the moment of inertia of the nominal model, B STGn is a parameter representing the viscous friction coefficient of the nominal model, ω 1n is the frequency of the zero point of the transfer function P n (s), ω 2n is the frequency of the pole of the transfer function P n (s), ζ 1n is the damping ratio at the zero point of the transfer function P n (s), and ζ 2n is the damping ratio at the pole of the transfer function P n (s).

第3の実装例においてノミナルモデルは、1慣性系と2慣性系との間の周波数特性を有するモデルである。上記のノミナルモデルの伝達関数P(s)を表す数7の数式は、2慣性系を表す式に減衰項を加えた式である。数7の数式において減衰項は、2ζ1nω1nsおよび2ζ2nω2nsである。これらの減衰項を数7の数式から除いた式が、2慣性系を表す式となる。第3の実装例においてノミナルモデルの伝達関数P(s)の次数は、3である。 In the third implementation example, the nominal model is a model having frequency characteristics between those of a one-inertia system and a two-inertia system. The formula (7) representing the transfer function P n (s) of the above nominal model is an equation obtained by adding a damping term to the equation representing the two-inertia system. In the formula (7), the damping terms are 2ζ 1n ω 1n s and 2ζ 2n ω 2n s. The equation obtained by removing these damping terms from the formula (7) becomes the equation representing the two-inertia system. In the third implementation example, the order of the transfer function P n (s) of the nominal model is 3.

第3の実装例においてノミナルモデルは、運転者(操舵者)がハンドル521を操舵する際の機械特性が考慮されたモデルである。制御対象は、運転者がハンドル521を強く握るほど1慣性系に近づき、運転者がハンドル521を弱く握るほど2慣性系に近づく。そのため、第3の実装例における制御対象の伝達関数P(s)は、運転者の腕からハンドル521にどのように力が加えられるかによって1慣性系と2慣性系との間で変化する。第3の実装例においては、ノミナルモデルを1慣性系と2慣性系との間の周波数特性を有するモデルとすることにより、制御対象の状態が1慣性系と2慣性系との間のいずれの状態であっても、ノミナルモデルの伝達関数P(s)と制御対象の伝達関数P(s)とのモデル化誤差Δ(s)が大きくなり過ぎないようにできる。したがって、運転者がハンドル521をどのように操舵したかに関わらず、ノミナルモデルを用いて好適に制御対象を制御できる。このように、第3の実装例において、ノミナルモデルは、運転者のハンドル521の握り方によって制御対象に与えられる機械特性を考慮したモデルとなっている。第3の実装例における制御装置100は、このようなノミナルモデルを内部モデルとして有することにより、制御対象の好適な制御を行うことができる。第3の実装例におけるその他の構成は、上述した他の実装例と同様にできる。 In the third implementation example, the nominal model is a model that takes into account mechanical characteristics when a driver (steerer) steers the steering wheel 521. The more tightly the driver grips the steering wheel 521, the closer the controlled object approaches a one-inertia system; and the more loosely the driver grips the steering wheel 521, the closer the controlled object approaches a two-inertia system. Therefore, the transfer function P(s) of the controlled object in the third implementation example changes between a one-inertia system and a two-inertia system depending on how the force is applied to the steering wheel 521 from the driver's arms. In the third implementation example, by using a nominal model that has frequency characteristics between a one-inertia system and a two-inertia system, the modeling error Δ(s) between the transfer function P n (s) of the nominal model and the transfer function P(s) of the controlled object can be prevented from becoming too large, regardless of whether the state of the controlled object is in a one-inertia system or a two-inertia system. Therefore, the controlled object can be suitably controlled using the nominal model regardless of how the driver steers the steering wheel 521. As described above, in the third implementation example, the nominal model is a model that takes into account the mechanical characteristics that are imparted to the controlled object depending on how the driver grips the steering wheel 521. The control device 100 in the third implementation example has such a nominal model as an internal model, thereby enabling suitable control of the controlled object. Other configurations in the third implementation example can be similar to those of the other implementation examples described above.

なお、上述した各実装例の制御装置は、モータである制御対象に入力を与えるトルク制御器を備える構成としたがこれに限られない。本開示に係る制御装置は、トルク制御器を備えなくてもよい。 Note that while the control device in each of the implementation examples described above is configured with a torque controller that provides input to the controlled object, which is a motor, this is not limited to this. The control device according to the present disclosure does not necessarily have to include a torque controller.

本開示の実施形態は、車両に搭載されるEPSを制御するためのモータの制御装置に利用され得る。 Embodiments of the present disclosure can be used in a motor control device for controlling an EPS mounted on a vehicle.

100:制御装置(ECU)、200:プロセッサ、210:トルク制御器、211:応答性位相補償部、212:位相補償器、220:制御対象、230、230A、230B:モデルフォロイング制御器、231:制御対象逆モデル、232:ローパスフィルタ、233:ハイパスフィルタ、250:摩補償算出器、250:摩擦補償算出器、251:減算器、252:リミッタ、253:ゲイン調整器、1000:電動パワーステアリング装置、AD1:減算器、AD2,AD3:加算器、SU1:減算器 100: Control unit (ECU), 200: Processor, 210: Torque controller, 211: Response phase compensation unit, 212: Phase compensator, 220: Control target, 230, 230A, 230B: Model following controller, 231: Control target inverse model, 232: Low-pass filter, 233: High-pass filter, 250: Friction compensation calculator, 251: Subtractor, 252: Limiter, 253: Gain adjuster, 1000: Electric power steering device, AD1: Subtractor, AD2, AD3: Adders, SU1: Subtractor

Claims (6)

モータを備える電動パワーステアリング装置に用いられる、前記モータを制御するための制御装置であって、
前記モータである制御対象からの出力に基づいて補正トルクを生成し、前記制御対象の入力である目標モータトルクを前記補正トルクによって補正するモデルフォロイング制御器を備え、
前記モデルフォロイング制御器は、
第1カットオフ周波数を有するハイパスフィルタ、および前記第1カットオフ周波数よりも大きい第2カットオフ周波数を有するローパスフィルタと、
前記制御対象の出力が入力される制御対象逆モデルと、
を含み、
前記制御対象逆モデルは、プラントモデルであるノミナルモデルの逆モデルであり、
前記モデルフォロイング制御器による前記補正トルクを算出する処理は、前記補正トルクによって補正された後の前記目標モータトルクを前記制御対象逆モデルの出力から減算し、当該減算した値に対して前記ローパスフィルタによるフィルタ処理と前記ハイパスフィルタによるフィルタ処理とを施すことを含み、
前記モデルフォロイング制御器は、前記ローパスフィルタおよび前記ハイパスフィルタの伝達関数を、それぞれ、Q(s)およびHPF(s)とするとき、Q(s)・HPF(s)のゲイン特性におけるゲインが1である周波数帯域において、前記制御対象の出力が、前記ノミナルモデルに対して前記目標モータトルクが入力された場合の前記ノミナルモデルの出力と等しくなるように構成され
前記ノミナルモデルは、前記ノミナルモデルの慣性モーメントを表すパラメータと、前記ノミナルモデルの粘性摩擦係数を表すパラメータと、を含む、制御装置。
A control device for controlling an electric power steering device including a motor, the control device comprising:
a model following controller that generates a correction torque based on an output from a controlled object that is the motor, and corrects a target motor torque that is an input to the controlled object with the correction torque;
The model following controller
a high-pass filter having a first cutoff frequency and a low-pass filter having a second cutoff frequency greater than the first cutoff frequency ;
an inverse model of a controlled object to which the output of the controlled object is input;
Including,
the control object inverse model is an inverse model of a nominal model, which is a plant model,
the process of calculating the correction torque by the model following controller includes subtracting the target motor torque corrected by the correction torque from an output of the controlled object inverse model, and subjecting the subtracted value to filtering by the low-pass filter and filtering by the high-pass filter;
the model following controller is configured such that, when transfer functions of the low-pass filter and the high-pass filter are Q(s) and HPF(s), respectively, an output of the controlled object becomes equal to an output of the nominal model when the target motor torque is input to the nominal model in a frequency band where a gain in a gain characteristic of Q(s)·HPF(s) is 1 ;
The control device , wherein the nominal model includes a parameter representing a moment of inertia of the nominal model and a parameter representing a viscous friction coefficient of the nominal model .
前記第1カットオフ周波数は、2Hz以上10Hz以下である、請求項1に記載の制御装置。 The control device described in claim 1, wherein the first cutoff frequency is greater than or equal to 2 Hz and less than or equal to 10 Hz. 前記第2カットオフ周波数は、3Hz以上である、請求項2に記載の制御装置。 The control device described in claim 2, wherein the second cutoff frequency is 3 Hz or higher. モータと、
請求項1から3のいずれか一項に記載の制御装置と、
を備えるモータモジュール。
A motor;
The control device according to any one of claims 1 to 3;
A motor module comprising:
請求項4に記載のモータモジュールを備える電動パワーステアリング装置。 An electric power steering device equipped with the motor module described in claim 4. モータを備える電動パワーステアリング装置の前記モータを制御するための、コンピュータに実装される方法であって、
第1カットオフ周波数を有するハイパスフィルタ、前記第1カットオフ周波数よりも大きい第2カットオフ周波数を有するローパスフィルタ、およびプラントモデルであるノミナルモデルの逆モデルであり、かつ、前記モータである制御対象の出力が入力される制御対象逆モデルを含むモデルフォロイング制御器であって、前記ローパスフィルタおよび前記ハイパスフィルタの伝達関数を、それぞれ、Q(s)およびHPF(s)とするとき、Q(s)・HPF(s)のゲイン特性におけるゲインが1である周波数帯域において、前記制御対象の出力が、前記ノミナルモデルに対して目標モータトルクが入力された場合の前記ノミナルモデルの出力と等しくなるように構成されたモデルフォロイング制御器を用いて、前記制御対象からの出力に基づいて補正トルクを生成し、前記制御対象の入力である前記目標モータトルクを前記補正トルクによって補正することと、
前記補正トルクによって補正された後の前記目標モータトルクを前記制御対象逆モデルの出力から減算し、当該減算した値に対して前記ローパスフィルタによるフィルタ処理と前記ハイパスフィルタによるフィルタ処理とを施すことを含む、前記モデルフォロイング制御器による前記補正トルクを算出する処理を行うことと、をコンピュータに実行させ
前記ノミナルモデルは、前記ノミナルモデルの慣性モーメントを表すパラメータと、前記ノミナルモデルの粘性摩擦係数を表すパラメータと、を含む方法。
1. A computer-implemented method for controlling a motor of an electric power steering device including a motor, comprising:
a model following controller including a high-pass filter having a first cutoff frequency , a low-pass filter having a second cutoff frequency greater than the first cutoff frequency , and a controlled object inverse model which is an inverse model of a nominal model which is a plant model and to which an output of a controlled object which is the motor is input , wherein when transfer functions of the low-pass filter and the high-pass filter are Q(s) and HPF(s), respectively, the model following controller is configured so that the output of the controlled object becomes equal to the output of the nominal model when a target motor torque is input to the nominal model in a frequency band where a gain in a gain characteristic of Q(s)·HPF(s) is 1; generating a correction torque based on the output from the controlled object and correcting the target motor torque which is an input of the controlled object with the correction torque ;
performing a process of calculating the correction torque by the model following controller, the process including subtracting the target motor torque after being corrected by the correction torque from the output of the controlled object inverse model, and filtering the subtracted value using the low-pass filter and the high-pass filter ;
The method , wherein the nominal model includes a parameter representing a moment of inertia of the nominal model and a parameter representing a viscous friction coefficient of the nominal model .
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