JP7170971B2 - 車両用操向システムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、操舵機構と転舵機構とが機械的に分離されているステアバイワイヤ（ＳＢＷ）システム等の車両用操向システムの制御装置に関し、特に、電気的に伝えられる操舵角等の情報を用いて転舵機構を制御する車両用操向システムの制御装置に関する。

車両用操向システムの１つとして、広く普及している電動パワーステアリング装置の他に、運転者が操作するハンドルを有する操舵機構と転舵輪を転舵する転舵機構とが機械的に分離されているステアバイワイヤ（ＳＢＷ）システムがある。ＳＢＷシステムでは、ハンドルの操作を電気信号によって転舵機構に伝えると共に、運転者に適切な操舵感を与えるための操舵反力を操舵機構に生成する。適切な操舵感を与えるＳＢＷシステムとして、例えば特開２００６－２９８２２３号公報（特許文献１）に開示されている車両用操舵装置がある。

特許文献１の装置では、転舵輪が縁石等に当接した場合にもその当接状態を運転者に適切に伝えるために、転舵機構に備えられている転舵モータの駆動電流と転舵輪の転舵速度に基づいて、ハンドルに対する運転者の操舵操作を規制するか否かを判断している。このような判断を行うことにより、操舵操作を急速に実行した場合に転舵モータの位置制御の応答遅れによって、転舵軸の実際の位置と目標位置との偏差が大きくなっても、その操舵が不本意に規制されてしまうことがないようにしている。

特開２００６－２９８２２３号公報

一方、ＳＢＷシステムでは、運転者によるハンドル操作を的確に転舵機構に伝え、転舵機構が適切に転舵輪を転舵する必要がある。しかしながら、運転者がハンドルを僅かに切るような状況等、転舵角に対する目標値である目標転舵角が僅かに変化するような場合、転舵機構で発生する摩擦により目標転舵角に対する転舵角の追従に遅れが生じ、操舵する方向へ車両が適切に動き出さないために、不都合が生じるおそれがある。特許文献１の装置では、転舵モータの回転角から転舵位置（転舵角に相当）を算出し、車速及び操舵角に基づいて転舵位置の目標値を算出し、転舵位置と目標値の偏差に基づくＰＩＤ（比例積分微分）制御により転舵機構での位置制御を行っているが、その位置制御において上記のような摩擦による遅れを考慮しておらず、遅れを補償することができない。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、ハンドルを微操舵した場合でも、摩擦の影響を軽減し、車両が適切に応答することが可能な車両用操向システムの制御装置を提供することにある。

本発明は、電気的に伝えられる操舵情報を用いて転舵機構を制御する車両用操向システムの制御装置に関し、本発明の上記目的は、目標転舵角に対して、前記転舵機構において検出される転舵角を追従させるようなモータ電流指令値を演算する転舵角制御部を備え、前記転舵角制御部が、速度情報に対してフィルタ処理を行うことによって、前記転舵機構における摩擦により生じる前記転舵角の追従遅れを補償する補償モータ電流指令値を算出する摩擦補償部を具備し、前記モータ電流指令値の演算において前記補償モータ電流指令値による補償を行い、前記モータ電流指令値に基づいて前記転舵機構を制御することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記摩擦補償部が、前記速度情報に対して前記フィルタ処理を行って補正速度情報を算出するフィルタ部と、変換マップを用いて前記補正速度情報を前記補償モータ電流指令値に変換する変換マップ部とを具備することにより、或いは、前記フィルタ部での前記フィルタ処理が、前記転舵角制御部での速度制御における目標速度に対する実速度の追従特性に基づいて行なわれることにより、或いは、前記摩擦補償部が、前記補償モータ電流指令値をゲイン倍する出力ゲイン部を更に具備することにより、或いは、前記速度情報が、前記目標転舵角に対応する目標転舵角速度又は前記転舵角に対応する転舵角速度であることにより、或いは、前記転舵角制御部が、前記目標転舵角及び前記転舵角の偏差より目標転舵角速度を算出する転舵角フィードバック補償部と、前記転舵角より転舵角速度を算出する転舵角速度演算部と、前記目標転舵角速度及び前記転舵角速度に基づいて基本モータ電流指令値を算出する速度制御部とを更に具備し、前記基本モータ電流指令値を前記補償モータ電流指令値によって補償して前記モータ電流指令値を算出することにより、或いは、前記転舵角制御部が、前記モータ電流指令値の上下限値を制限する出力制限部を更に具備することにより、或いは、前記操舵情報に基づいて前記目標転舵角を生成する目標転舵角生成部を更に備えることにより、或いは、前記目標転舵角生成部が、前記操舵情報に対して、前記転舵角の所定の成分に対応する成分を低減して前記目標転舵角を生成することにより、或いは、前記目標転舵角生成部が、前記操舵情報及び前記目標転舵角より求められる仮想比ストロークが可変となるような前記目標転舵角を生成することにより、より効果的に達成される。

本発明の車両用操向システムの制御装置によれば、摩擦補償部における速度情報に対するフィルタ処理により算出される補償モータ電流指令値による補償を行うことにより、目標転舵角に対する転舵角の追従における転舵機構での摩擦による遅れを補償し、ハンドルを微操舵した場合でも、車両を適切に応答させることができる。

本発明に係る制御装置を備えるＳＢＷシステムの概要の例を示す構成図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 目標転舵角生成部の構成例を示すブロック図である。 制限部での上下限値の設定例を示す線図である。 ノッチフィルタの周波数特性（振幅特性）の例を示す図である。 転舵角制御部の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 摩擦補償部の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。 変換マップの特性例を示す線図である。 目標操舵トルク生成部の構成例及び基本マップの特性例を示す図である。 捩れ角制御部の構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 転舵角制御部の動作例（第１実施形態）を示すフローチャートである。 捩れ角制御部の動作例を示すフローチャートである。 摩擦補償の効果を示すシミュレーションにおいて、摩擦補償がない場合とある場合の転舵角の時間応答の例を示すグラフである。 転舵角制御部の構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。

本発明は、転舵機構を制御する制御装置において、摩擦により生じる目標転舵角に対する転舵角の追従遅れを補償するために、転舵用モータへの指令であるモータ電流指令値の演算において、目標転舵角速度等の速度情報に対するフィルタ処理に基づいて算出される補償モータ電流指令値による補償を行う。例えば、速度制御における目標速度に対する実速度の追従性と一致した特性に応じたフィルタ処理を行い、補償モータ電流指令値のモータ電流指令値（基本モータ電流指令値）への加算による補償を行う。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

まず、本発明に係る制御装置を備えるＳＢＷシステムの構成例について説明する。

図１はＳＢＷシステムの構成例を示した図である。ＳＢＷシステムは、運転者が操作するハンドル１を有する操舵機構を構成する反力装置４０、転舵輪を転舵する転舵機構を構成する転舵装置３０、及び両装置の制御を行う制御装置５０を備える。ＳＢＷシステムには、一般的な電動パワーステアリング装置が備える、コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２と機械的に結合されるインターミディエイトシャフトがなく、運転者によるハンドル１の操作を電気信号によって、具体的には反力装置４０から出力される操舵情報である操舵角θｈを電気信号として伝える。

転舵装置３０は、転舵用モータ３１、転舵用モータ３１の回転速度を減速するギア３２及び回転運動を直線運動に変換するピニオンラック機構３４を備える。操舵角θｈの変化に合わせて、転舵用モータ３１を駆動し、その駆動力を、ギア３２を介してピニオンラック機構３４に付与し、タイロッド３ａ，３ｂを経て、転舵輪５Ｌ，５Ｒを転舵する。ピニオンラック機構３４の近傍には角度センサ３３が配置されており、転舵輪５Ｌ，５Ｒの転舵角θｔを検出する。転舵角θｔとして、転舵用モータ３１のモータ角やラックの位置等を使用しても良い。

反力装置４０は、反力用モータ４１及び反力用モータ４１の回転速度を減速する減速機構４２を備え、転舵輪５Ｌ，５Ｒから伝わる車両の運動状態を、反力用モータ４１により生成される反力トルクとして運転者に伝達する。反力装置４０は、トーションバー（図示せず）を有するコラム軸２に設けられる舵角センサ４３及びトルクセンサ４４を更に備え、操舵角θｈ及びハンドル１の操舵トルクＴｓ（又はトーションバーの捩れ角Δθ）をそれぞれ検出する。

制御装置５０は、反力装置４０及び転舵装置３０を協調制御するために、両装置から出力される操舵角θｈや転舵角θｔ等の情報に加え、車速センサ１０で検出される車速Ｖｓ等を基に、反力用モータ４１を駆動制御するための電圧制御指令値Ｖｒｅｆ１及び転舵用モータ３１を駆動制御するための電圧制御指令値Ｖｒｅｆ２を生成する。制御装置５０には、バッテリ１２から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。また、制御装置５０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）２０が接続されており、車速ＶｓはＣＡＮ２０から受信することも可能である。更に、制御装置５０には、ＣＡＮ２０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ２１も接続可能である。

制御装置５０はＣＰＵ（ＭＣＵ、ＭＰＵ等も含む）を有し、反力装置４０及び転舵装置３０の協調制御は、主としてＣＰＵ内部においてプログラムで実行される。その制御を行うための構成例（第１実施形態）を図２に示す。図２において、反力用モータ４１、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御部９２０、インバータ９３０及びモータ電流検出器９４０を反力装置４０が具備し、転舵用モータ３１、角度センサ３３、ＰＷＭ制御部４２０、インバータ４３０及びモータ電流検出器４４０を転舵装置３０が具備し、その他の構成要素が制御装置５０で実現される。なお、制御装置５０の構成要素の一部又は全部をハードウェアで実現しても良い。また、制御装置５０は、データやプログラム等を格納するために、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）やＲＯＭ（リードオンリーメモリ）等を搭載しても良い。また、制御装置５０がＰＷＭ制御部９２０、インバータ９３０、モータ電流検出器９４０、ＰＷＭ制御部４２０、インバータ４３０及びモータ電流検出器４４０を具備しても良い。

制御装置５０は、転舵装置３０の制御（以下、「転舵制御」とする）を行う構成と、反力装置４０の制御（以下、「反力制御」とする）を行う構成を有し、各構成が協調して、反力装置４０及び転舵装置３０を制御する。

転舵制御は、目標転舵角生成部１００、転舵角制御部２００、電流制御部３００及び減算部４１０により行われる。目標転舵角生成部１００にて操舵角θｈに基づいて目標転舵角θｔｒｅｆが生成され、目標転舵角θｔｒｅｆは転舵角θｔと共に転舵角制御部２００に入力され、転舵角制御部２００にて、転舵角θｔが目標転舵角θｔｒｅｆとなるようなモータ電流指令値Ｉｍｃｔが演算される。そして、モータ電流指令値Ｉｍｃｔとモータ電流検出器４４０で検出される転舵用モータ３１の電流値（モータ電流値）Ｉｍｄの偏差Ｉ２（＝Ｉｍｃｔ－Ｉｍｄ）が減算部４１０で算出され、偏差Ｉ２に基づいて電流制御部３００にて電圧制御指令値Ｖｒｅｆ２が求められる。転舵装置３０では、電圧制御指令値Ｖｒｅｆ２に基づいて、ＰＷＭ制御部４２０及びインバータ４３０を介して転舵用モータ３１が駆動制御される。

目標転舵角生成部１００の構成例を図３に示す。目標転舵角生成部１００は、制限部１１０、レート制限部１２０及び補正部１３０を備える。

制限部１１０は、操舵角θｈの上下限値を制限して、操舵角θｈ１を出力する。操舵角θｈの上下限値を制限することにより、ハードウェアエラー等によるＲＡＭのデータ化けや通信異常等の影響で操舵角θｈが異常値となった場合に、異常な値の出力を抑える。図４に示されるように、操舵角に対する上限値及び下限値を予め設定し、入力する操舵角θｈが、上限値以上の場合は上限値を、下限値以下の場合は下限値を、それ以外の場合は操舵角θｈを、操舵角θｈ１として出力する。なお、操舵角が異常値とならない場合や、他の手段で異常な値の出力を抑える場合等では制限部１１０は省略可能である。

レート制限部１２０は、非常に急激な操舵が行われた場合、又は、上記のように操舵角が異常値になった場合に、操舵角の急変を防止するために、操舵角θｈ１の変化量に対して制限値を設定して制限をかけて、操舵角θｈ２を出力する。例えば、１サンプル前の操舵角θｈ１からの差分を変化量とし、その変化量の絶対値が所定の値（制限値）より大きい場合、変化量の絶対値が制限値となるように、操舵角θｈ１を加減算し、操舵角θｈ２として出力し、制限値以下の場合は、操舵角θｈ１をそのまま操舵角θｈ２として出力する。操舵角θｈ１の変化量に対して制限をかけることにより、目標転舵角の急変を防止し、車両の不安定挙動を抑制する。なお、変化量の絶対値に対して制限値を設定するのではなく、変化量に対して上限値及び下限値を設定して制限をかけるようにしても良く、変化量ではなく変化率や差分率に対して制限をかけるようにしても良い。また、操舵角が急変しない場合や、他の手段で急変を回避する場合等ではレート制限部１２０は省略可能である。

補正部１３０は、操舵角θｈ２を補正して、目標転舵角θｔｒｅｆを出力する。例えば、操舵角θｈ２に対して、所定の周波数成分を低減したものを目標転舵角θｔｒｅｆとする。所定の周波数成分として、例えば、転舵角の周波数成分のうち運転者に不安を感じさせるような周波数成分を対象とし、その周波数成分を低減する。低減手段としては、例えば、狭帯域で急峻な減衰特性を有するノッチフィルタを使用する。ノッチフィルタは２次フィルタとして設計され、周波数特性は、減衰周波数をｆｅとした場合、下記数１の伝達関数Ｇで表わされる。

ここで、ω_ｎ＝ω_ｄ＝２π×ｆｅで、ｓはラプラス演算子、ζ_ｎ、ζ_ｄは減衰係数である。この場合の振幅特性は、例えば図５に示されるような特性となる。図５において、横軸は周波数［Ｈｚ］、縦軸は振幅（ゲイン）［ｄＢ］であり、減衰周波数ｆｅで最も振幅が小さくなっている。なお、低減する周波数成分の帯域がノッチフィルタの阻止帯域程の狭帯域ではない場合等では、ノッチフィルタ以外のバンドストップフィルタを使用しても良い。

転舵角制御部２００は、目標転舵角θｔｒｅｆに対して転舵角θｔを追従させるような制御を行い、モータ電流指令値Ｉｍｃｔを算出する。図６は転舵角制御部２００の構成例を示すブロック図であり、転舵角制御部２００は、転舵角フィードバック（ＦＢ）補償部２１０、転舵角速度演算部２２０、摩擦補償部２３０、速度制御部２４０、出力制限部２５０、減算部２６０及び加算部２６１を備えている。目標転舵角生成部１００から出力される目標転舵角θｔｒｅｆは減算部２６０に加算入力され、転舵角θｔは減算部２６０に減算入力されると共に、転舵角速度演算部２２０に入力される。

転舵角ＦＢ補償部２１０は、減算部２６０で算出される、目標転舵角θｔｒｅｆと転舵角θｔの偏差Δθｔ_０に対して補償値Ｃ_ＦＢ（伝達関数）を乗算し、目標転舵角θｔｒｅｆに転舵角θｔが追従するような、速度情報の１つである目標転舵角速度ωｔｒｅｆを出力する。補償値Ｃ_ＦＢは単純なゲインＫｐｐでも、ＰＩ（比例積分）制御の補償値など一般的に用いられている補償値でも良い。目標転舵角速度ωｔｒｅｆは摩擦補償部２３０及び速度制御部２４０に入力される。

転舵角速度演算部２２０は、転舵角θｔに対する微分演算により、速度情報の１つである転舵角速度ωｔｔを算出し、転舵角速度ωｔｔは速度制御部２４０に入力される。微分演算として、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）とゲインによる擬似微分を行なっても良い。

速度制御部２４０は、Ｉ－Ｐ制御（比例先行型ＰＩ制御）による速度制御を行い、目標転舵角速度ωｔｒｅｆ（目標速度）に転舵角速度ωｔｔ（実速度）が追従するようなモータ電流指令値（基本モータ電流指令値）Ｉｍｃｔａを算出する。減算部２４３で目標転舵角速度ωｔｒｅｆと転舵角速度ωｔｔとの差分（ωｔｒｅｆ－ωｔｔ）を算出し、その差分を、ゲインＫｖｉを有する積分部２４２にて積分し、積分結果は減算部２４４に加算入力される。転舵角速度ωｔｔは比例部２４１にも入力され、ゲインＫｖｐによる比例処理を施され、処理結果は減算部２４４に減算入力される。そして、減算部２４４での減算結果がモータ電流指令値Ｉｍｃｔａとして出力される。なお、速度制御部２４０は、Ｉ－Ｐ制御ではなく、ＰＩ制御、Ｐ（比例）制御、ＰＩＤ制御、ＰＩ－Ｄ制御（微分先行型ＰＩＤ制御）、モデルマッチング制御、モデル規範制御等の一般的に用いられている制御方法でモータ電流指令値Ｉｍｃｔａを算出しても良い。

摩擦補償部２３０は、目標転舵角速度ωｔｒｅｆに基づいて、転舵機構における摩擦により生じる目標転舵角θｔｒｅｆに対する転舵角θｔの追従遅れを補償する補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣを算出する。図７は摩擦補償部２３０の構成例を示すブロック図であり、摩擦補償部２３０はフィルタ部２３１、入力ゲイン部２３２、変換マップ部２３３及び出力ゲイン部２３４を備える。

フィルタ部２３１は、速度制御部２４０での目標転舵角速度ωｔｒｅｆに対する転舵角速度ωｔｔの追従の特性と一致した特性を有するローパスフィルタ（ＬＰＦ）によるフィルタ処理を目標転舵角速度ωｔｒｅｆに対して行う。簡易的には、１次遅れ又は２次遅れの伝達関数を有するＬＰＦを使用し、そのＬＰＦによるフィルタ処理により生じる時間遅れが目標転舵角速度ωｔｒｅｆに対する転舵角速度ωｔｔの追従遅れと同等となるようにＬＰＦを設計する。フィルタ処理を行われた目標転舵角速度ωｔｒｅｆは、目標転舵角速度ωｔｒｅｆ１（補正速度情報）として出力される。

入力ゲイン部２３２は、後続の変換マップ部での処理の精度向上のために、目標転舵角速度ωｔｒｅｆ１にゲインを乗算し、ゲイン倍された目標転舵角速度ωｔｒｅｆ１を目標転舵角速度ωｔｒｅｆ２として出力する。

変換マップ部２３３は、転舵角速度に対するモータ電流指令値の特性を定義した変換マップを用いて、目標転舵角速度ωｔｒｅｆ２を補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣ０に変換する。変換マップにて定義される特性は、転舵角速度が－∞から＋∞に変化する場合に、モータ電流指令値が所定のマイナス値から所定のプラス値に徐々に収束するような特性であり、例えば、図８に示されるような特性である。変換マップを、双曲線正接関数や逆正接関数のような数学関数で表しても良いし、テーブルとして表しても良い。

出力ゲイン部２３４は、補償モータ電流指令値の加算によるモータ電流指令値の補償の程度を調整するために、補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣ０にゲインを乗算して、ゲイン倍された補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣ０を補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣとして出力する。

なお、フィルタ部２３１と入力ゲイン部２３２の順序は逆になっても良く、入力ゲイン部２３２の機能をフィルタ部２３１に組み込んで、入力ゲイン部２３２を省略しても良い。出力ゲイン部２３４の機能を変換マップ部２３３に組み込んで、出力ゲイン部２３４を省略しても良い。

速度制御部２４０からのモータ電流指令値Ｉｍｃｔａ及び摩擦補償部からの補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣは加算部２６１で加算され、加算結果はモータ電流指令値Ｉｍｃｔｂとして出力される。

出力制限部２５０は、モータ電流指令値Ｉｍｃｔｂの上下限値を制限して、モータ電流指令値Ｉｍｃｔを出力する。目標転舵角生成部１００内の制限部１１０と同様に、モータ電流指令値Ｉｍｃｔｂに対する上限値及び下限値を予め設定して制限をかける。なお、制限部１１０と同様に、モータ電流指令値が異常値とならない場合や、他の手段で異常な値の出力を抑える場合等では出力制限部２５０は省略可能である。

モータ電流指令値Ｉｍｃｔは減算部４１０に加算入力され、減算部４１０にて、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍｄとの偏差Ｉ２が演算される。電流制御部３００は偏差Ｉ２を入力し、ＰＩ制御等により電流制御を行い、電流制御された電圧制御指令値Ｖｒｅｆ２を出力する。

電圧制御指令値Ｖｒｅｆ２は転舵装置３０に送られ、ＰＷＭ制御部４２０に入力されてデューティが演算され、ＰＷＭ制御部４２０からのＰＷＭ信号により、インバータ４３０を介して転舵用モータ３１がＰＷＭ駆動される。転舵用モータ３１のモータ電流値Ｉｍｄはモータ電流検出器４４０で検出され、制御装置５０の減算部４１０にフィードバックされる。

転舵制御では転舵角θｔが目標転舵角θｔｒｅｆに追従するような制御が行われるが、反力制御ではトーションバーの捩れ角Δθが目標捩れ角Δθｒｅｆに追従するような制御が行われる。反力制御は、目標操舵トルク生成部５００、変換部６００、捩れ角制御部７００、電流制御部８００及び減算部９１０により行われる。目標操舵トルク生成部５００にて操舵角θｈ及び車速Ｖｓに基づいて目標操舵トルクＴｒｅｆが生成され、目標操舵トルクＴｒｅｆは変換部６００にて目標捩れ角Δθｒｅｆに変換される。目標捩れ角Δθｒｅｆは捩れ角Δθと共に捩れ角制御部７００に入力され、捩れ角制御部７００にて、捩れ角Δθが目標捩れ角Δθｒｅｆとなるようなモータ電流指令値Ｉｍｃが演算される。そして、モータ電流指令値Ｉｍｃとモータ電流検出器９４０で検出される反力用モータ４１の電流値（モータ電流値）Ｉｍｒの偏差Ｉ１（＝Ｉｍｃ－Ｉｍｒ）が減算部９１０で算出され、偏差Ｉ１に基づいて電流制御部８００にて電圧制御指令値Ｖｒｅｆ１が求められる。反力装置４０では、電圧制御指令値Ｖｒｅｆ１に基づいて、ＰＷＭ制御部９２０及びインバータ９３０を介して反力用モータ４１が駆動制御される。なお、トーションバーの捩れ角Δθは、コラム軸２のハンドル側に設けられた上側角度センサとトーションバーを挟んで反対側に設けられた下側角度センサにて検出される角度の差として求めても良いし、操舵トルクＴｓから換算して求めても良い。

目標操舵トルク生成部５００は、基本マップを有し、基本マップを用いて、車速Ｖｓをパラメータとする目標操舵トルクＴｒｅｆを出力する。基本マップはチューニングにより調整されており、例えば、図９（Ａ）に示されるように、目標操舵トルクＴｒｅｆが、操舵角θｈの大きさ（絶対値）｜θｈ｜が増加するにつれて増加し、車速Ｖｓが増加するにつれても増加するようになっている。なお、図９（Ａ）において、符号部５０１は操舵角θｈの符号（＋１、－１）を乗算部５０２に出力しており、操舵角θｈの大きさからマップにより目標操舵トルクＴｒｅｆの大きさを求め、これに操舵角θｈの符号を乗算し、目標操舵トルクＴｒｅｆを求める構成となっている。或いは、図９（Ｂ）に示されるように、正負の操舵角θｈに応じてマップを構成しても良く、この場合、操舵角θｈが正の場合と負の場合とで変化の態様を変えても良い。また、図９に示される基本マップは車速感応であるが、車速感応でなくても良い。

変換部６００は、トーションバーのバネ定数Ｋｔの逆数の符号を反転した－１／Ｋｔの特性を有しており、目標操舵トルクＴｒｅｆを目標捩れ角Δθｒｅｆに変換する。

捩れ角制御部７００の構成例を図１０に示す。捩れ角制御部７００は、図６に示される転舵角制御部２００の構成例において摩擦補償部２３０及び加算部２６１を除いた構成と同様の構成をしており、目標転舵角θｔｒｅｆ及び転舵角θｔの代わりに目標捩れ角Δθｒｅｆ及び捩れ角Δθを入力し、捩れ角フィードバック（ＦＢ）補償部７１０、捩れ角速度演算部７２０、速度制御部７４０、出力制限部７５０及び減算部７６０が、それぞれと転舵角ＦＢ補償部２１０、転舵角速度演算部２２０、速度制御部２４０、出力制限部２５０及び減算部２６０と同様の構成で同様の動作を行い、モータ電流指令値Ｉｍｃを出力する。

減算部９１０、電流制御部８００、ＰＷＭ制御部９２０、インバータ９３０及びモータ電流検出器９４０は、それぞれ減算部４１０、電流制御部３００、ＰＷＭ制御部４２０、インバータ４３０及びモータ電流検出器４４０と同様な構成で同様な動作を行う。

なお、目標操舵トルク生成部５００の前段（操舵角θｈの入力口）又は後段に位相補償を行なう位相補償部を挿入しても良い。また、捩れ角制御部７００では、捩れ角を制御対象とするのではなく、操舵トルクを制御対象とし、操舵トルクＴｓ及び目標操舵トルクＴｒｅｆを入力し、操舵トルクＴｓが目標操舵トルクＴｒｅｆになるような制御を行っても良い。この場合、変換部６００は不要となる。

このような構成において、本実施形態の動作例を図１１～図１３のフローチャートを参照して説明する。

動作を開始すると、操舵角θｈ、車速Ｖｓ、転舵角θｔ及び捩れ角Δθが検出又は算出され（ステップＳ１０）、操舵角θｈは目標転舵角生成部１００及び目標操舵トルク生成部５００に、車速Ｖｓは目標操舵トルク生成部５００に、転舵角θｔは転舵角制御部２００に、捩れ角Δθは捩れ角制御部７００にそれぞれ入力される。

目標転舵角生成部１００では、操舵角θｈが制限部１１０に入力され、制限部１１０は、予め設定された上限値及び下限値により操舵角θｈの上下限値を制限し（ステップＳ２０）、操舵角θｈ１としてレート制限部１２０に出力する。レート制限部１２０は、予め設定された制限値により操舵角θｈ１の変化量に対して制限をかけ（ステップＳ３０）、操舵角θｈ２として補正部１３０に出力する。補正部１３０は、ノッチフィルタを使用して操舵角θｈ２を補正し、目標転舵角θｔｒｅｆを求め（ステップＳ４０）、転舵角制御部２００に出力する。

転舵角θｔ及び目標転舵角θｔｒｅｆを入力した転舵角制御部２００は、モータ電流指令値Ｉｍｃｔを演算する（ステップＳ５０）。転舵角制御部２００の動作例については、図１２のフローチャートを参照して説明する。

転舵角制御部２００に入力された目標転舵角θｔｒｅｆは減算部２６０、転舵角θｔは減算部２６０及び転舵角速度演算部２２０にそれぞれ入力される（ステップＳ５１）。

減算部２６０では、目標転舵角θｔｒｅｆから転舵角θｔを減算することにより、偏差Δθｔ_０が算出される（ステップＳ５２）。偏差Δθｔ_０は転舵角ＦＢ補償部２１０に入力され、転舵角ＦＢ補償部２１０は、偏差Δθｔ_０に補償値Ｃ_ＦＢを乗算することにより偏差Δθｔ_０を補償し（ステップＳ５３）、目標転舵角速度ωｔｒｅｆを摩擦補償部２３０及び速度制御部２４０に出力する。

転舵角θｔを入力した転舵角速度演算部２２０は、転舵角θｔに対する微分演算により転舵角速度ωｔｔを算出し（ステップＳ５４）、速度制御部２４０に出力する。

速度制御部２４０では、目標転舵角速度ωｔｒｅｆと転舵角速度ωｔｔの差分が減算部２４３で算出され、その差分が積分部２４２で積分（Ｋｖｉ／ｓ）されて減算部２４４に加算入力される（ステップＳ５５）。更に、転舵角速度ωｔｔは比例部２４１で比例処理（Ｋｖｐ）され、比例結果が減算部２４４に減算入力され（ステップＳ５５）、減算部２４４での減算結果であるモータ電流指令値Ｉｍｃｔａが出力される。モータ電流指令値Ｉｍｃｔａは加算部２６１に入力される。

摩擦補償部２３０では、目標転舵角速度ωｔｒｅｆがフィルタ部２３１に入力される。フィルタ部２３１は、ＬＰＦによるフィルタ処理を目標転舵角速度ωｔｒｅｆに対して行い（ステップＳ５６）、目標転舵角速度ωｔｒｅｆ１を入力ゲイン部２３２に出力する。入力ゲイン部２３２は、目標転舵角速度ωｔｒｅｆ１にゲインを乗算して目標転舵角速度ωｔｒｅｆ２を算出し（ステップＳ５７）、変換マップ部２３３に出力する。変換マップ部２３３は、図８に示されるような特性を有する変換マップを使用して、目標転舵角速度ωｔｒｅｆ２を補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣ０に変換し（ステップＳ５８）、出力ゲイン部２３４に出力する。出力ゲイン部２３４は、補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣ０にゲインを乗算して補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣを算出する（ステップＳ５９）。補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣは加算部２６１に入力される。

加算部２６１ではモータ電流指令値Ｉｍｃｔａに補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣが加算され（ステップＳ６０）、加算結果であるモータ電流指令値Ｉｍｃｔｂは出力制限部２５０に入力される。出力制限部２５０は、予め設定された上限値及び下限値によりモータ電流指令値Ｉｍｃｔｂの上下限値を制限し（ステップＳ６１）、モータ電流指令値Ｉｍｃｔとして出力する（ステップＳ６２）。

モータ電流指令値Ｉｍｃｔは減算部４１０に加算入力され、モータ電流検出器４４０で検出されたモータ電流値Ｉｍｄとの偏差Ｉ２が減算部４１０で算出される（ステップＳ７０）。偏差Ｉ２は電流制御部３００に入力され、電流制御部３００は電流制御により電圧制御指令値Ｖｒｅｆ２を算出する（ステップＳ８０）。その後、電圧制御指令値Ｖｒｅｆ２に基づいて、ＰＷＭ制御部４２０及びインバータ４３０を介して、転舵用モータ３１が駆動制御される（ステップＳ９０）。

一方、目標操舵トルク生成部５００は、図９（Ａ）又は（Ｂ）に示される基本マップを用いて、操舵角θｈ及び車速Ｖｓに応じた目標操舵トルクＴｒｅｆを生成し（ステップＳ１００）、変換部６００に出力する。変換部６００は、目標操舵トルクＴｒｅｆを目標捩れ角Δθｒｅｆに変換し（ステップＳ１１０）、捩れ角制御部７００に出力する。

捩れ角Δθ及び目標捩れ角Δθｒｅｆを入力した捩れ角制御部７００は、モータ電流指令値Ｉｍｃを演算する（ステップＳ１２０）。捩れ角制御部７００の動作例については、図１３のフローチャートを参照して説明する。

捩れ角制御部７００に入力された目標捩れ角Δθｒｅｆは減算部７６０に、捩れ角Δθは減算部７６０及び捩れ角速度演算部７２０にそれぞれ入力される（ステップＳ１２１）。

減算部７６０では、目標捩れ角Δθｒｅｆから捩れ角Δθを減算することにより、偏差Δθ_０が算出される（ステップＳ１２２）。偏差Δθ_０は捩れ角ＦＢ補償部７２０に入力され、捩れ角ＦＢ補償部７１０は、偏差Δθ_０に補償値を乗算することにより偏差Δθ_０を補償し（ステップＳ１２３）、目標捩れ角速度ωｒｅｆを速度制御部７４０に出力する。

捩れ角Δθを入力した捩れ角速度演算部７２０は、捩れ角Δθに対する微分演算により捩れ角速度ωｔを算出し（ステップＳ１２４）、速度制御部７４０に出力する。

速度制御部７４０は、速度制御部２４０と同様にＩ－Ｐ制御によりモータ電流指令値Ｉｍｃａを算出し（ステップＳ１２５）、出力制限部７５０に出力する。

出力制限部７５０は、予め設定された上限値及び下限値によりモータ電流指令値Ｉｍｃａの上下限値を制限し（ステップＳ１２６）、モータ電流指令値Ｉｍｃとして出力する（ステップＳ１２７）。

モータ電流指令値Ｉｍｃは減算部９１０に加算入力され、モータ電流検出器９４０で検出されたモータ電流値Ｉｍｒとの偏差Ｉ１が減算部９１０で算出される（ステップＳ１３０）。偏差Ｉ１は電流制御部８００に入力され、電流制御部８００は電流制御により電圧制御指令値Ｖｒｅｆ１を算出する（ステップＳ１４０）。その後、電圧制御指令値Ｖｒｅｆ１に基づいて、ＰＷＭ制御部９２０及びインバータ９３０を介して、反力用モータ４１が駆動制御される（ステップＳ１５０）。

なお、図１１～図１３におけるデータ入力及び演算等の順番は適宜変更可能である。

上記の目標転舵角生成部１００の補正部１３０ではノッチフィルタを使用して操舵角を補正しているが、他の方法で操舵角を補正しても良い。例えば、ハンドル１回転当たりのラックの移動量を示す比ストロークの仮想的な値として、操舵角と目標転舵角との比率（仮想比ストローク）を設定し、仮想比ストロークが可変となるように操舵角を補正しても良い。具体的には、仮想比ストロークの値を適宜変更し、変更された仮想比ストロークを操舵角θｈ２に乗算したものを目標転舵角θｔｒｅｆとする。通常、仮想比ストロークは１であるが、急操舵時には仮想比ストロークを大きくすることにより、速い操舵を実現することができる。操舵角の補正の方法として、目標操舵トルク生成部５００のように、操舵角θｈ２の大きさ｜θｈ２｜に対する目標転舵角θｔｒｅｆの特性を定義したマップを用いて、操舵角θｈ２より目標転舵角θｔｒｅｆを求めても良い。或いは、単純に、操舵角θｈ２に所定のゲインを乗算することにより、目標転舵角θｔｒｅｆを求めるようにしても良い。

また、捩れ角制御部７００内の速度制御部７４０は、転舵角制御部２００内の速度制御部２４０と同様に、Ｉ－Ｐ制御ではなく、ＰＩ制御、Ｐ制御、ＰＩＤ制御、ＰＩ－Ｄ制御等、実現可能で、Ｐ、Ｉ及びＤのいずれかの制御を用いていれば良く、更に、転舵角制御部２００及び捩れ角制御部７００での追従制御は、一般的に用いられている制御構造で行っても良い。転舵角制御部２００については、目標角度（ここでは目標転舵角θｔｒｅｆ）に対して実角度（ここでは転舵角θｔ）が追従する制御構成であれば、車両用装置に用いられている制御構成に限定されず、例えば、産業用位置決め装置や産業用ロボット等の産業用電動機に用いられている制御構成を適用しても良い。

更に、上記では、操舵情報として操舵角を使用しているが、上側角度センサが検出するハンドル角や下側角度センサが検出するコラム角を操舵情報として使用しても良い。

第１実施形態での摩擦補償部による摩擦補償の効果について、シミュレーション結果を基に説明する。

シミュレーションでは、操舵角θｈと目標転舵角θｔｒｅｆを一致させ、運転者がオンセンタから微操舵を行ったと想定して、周波数１Ｈｚ、振幅３ｄｅｇの正弦波を使用し、目標転舵角θｔｒｅｆを同正弦波状に変化させて、摩擦補償がある場合とない場合の転舵角θｔの時間応答を調べた。摩擦補償部では、フィルタ部は１次のＬＰＦを使用し、変換マップ部での変換マップは双曲線正接関数の特性を有し、ＬＰＦの遮断周波数、入力ゲイン部のゲイン値及び出力ゲイン部のゲイン値は適宜調整した。

シミュレーション結果を図１４に示す。図１４（Ａ）は摩擦補償がない場合、図１４（Ｂ）は摩擦補償がある場合のシミュレーション結果で、点線が目標転舵角の時間応答を、実線が転舵角の時間応答を示している。図１４（Ａ）での丸い破線で囲った箇所を見ればわかるように、目標転舵角の方向が反転するタイミングにおいて転舵角に遅延が生じている。この場合、運転者は、微操舵したような状況において、ハンドルを切った方向に車両が思うように動かないことに違和感を覚える。

これに対して、摩擦補償がある場合、図１４（Ｂ）での丸い破線で囲った箇所を見ればわかるように、摩擦補償がない場合よりも転舵角の遅延が小さくなっている。よって、摩擦補償を行うことにより、運転者がハンドルを僅かに切った場合に車両が思うように動かないことに対する違和感を軽減することができる。

第１実施形態での摩擦補償部は、目標転舵角速度に基づいて補償モータ電流指令値を算出しているが、転舵角速度に基づいて補償モータ電流指令値を算出することも可能である。この場合の転舵角制御部の構成例（第２実施形態）を図１５に示す。図６に示される第１実施形態での転舵角制御部２００と比較すると、第２実施形態での転舵角制御部２００Ａでは、摩擦補償部２３０Ａには転舵角速度演算部２２０から出力される転舵角速度ωｔｔが入力され、補償モータ電流指令値ＩｍｃｔＣａが出力される。

摩擦補償部２３０Ａの構成及び動作は、第１実施形態での摩擦補償部２３０と同様であるが、目標転舵角速度ωｔｒｅｆではなく、転舵角速度ωｔｔを対象とするので、それに合わせて、フィルタ部でのＬＰＦの遮断周波数、入力ゲイン部のゲイン値及び出力ゲイン部のゲイン値は、適切な値に変更される。

第２実施形態の動作例は、上記のように、転舵角制御部での摩擦補償部への入力データの流れが変わるだけで、他は第１実施形態の動作例と同じである。

上述の実施形態では１つの制御装置で転舵制御と反力制御を行っているが、転舵制御用の制御装置と反力制御用の制御装置をそれぞれ設けても良い。この場合、制御装置同士は通信によりデータの送受信を行うことになる。また、図１に示されるＳＢＷシステムは反力装置４０と転舵装置３０の間には機械的な結合を持たないが、システムに異常が発生した場合に、コラム軸２と転舵機構をクラッチ等で機械的に結合する機械的トルク伝達機構を備えるＳＢＷシステムにも、本発明は適用可能である。このようなＳＢＷシステムでは、システム正常時はクラッチをオフにして機械的トルク伝達を開放状態とし、システム異常時はクラッチをオンにして機械的トルク伝達を可能状態とする。更に、反力装置４０はトーションバーを備えているが、ハンドル１と反力用モータ４１の間に任意のバネ定数を有する機構であればトーションバーに限定しなくても良く、転舵装置３０と協調して動作するのであれば、トーションバー等を備えない反力装置でも良い。

なお、上述で使用した図は、本発明に関して定性的な説明を行うための概念図であり、これらに限定されるものではない。また、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるが、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

本発明の主たる目的は、摩擦により生じる目標転舵角に対する転舵角の追従遅れを補償するための実現手段についてであり、目標転舵角に対する転舵角の追従性の実現手段に関しては、上記の転舵角制御部に限定しなくても良い。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ 車速センサ
３０ 転舵装置
３１ 転舵用モータ
３２ ギア
３３ 角度センサ
４０ 反力装置
４１ 反力用モータ
４２ 減速機構
４３ 舵角センサ
５０ 制御装置
１００ 目標転舵角生成部
１１０ 制限部
１２０ レート制限部
１３０ 補正部
２００、２００Ａ 転舵角制御部
２１０ 転舵角フィードバック（ＦＢ）補償部
２２０ 転舵角速度演算部
２３０、２３０Ａ 摩擦補償部
２３１ フィルタ部
２３２ 入力ゲイン部
２３３ 変換マップ部
２３４ 出力ゲイン部
２４０、７４０ 速度制御部
２５０、７５０ 出力制限部
３００、８００ 電流制御部
４２０、９２０ ＰＷＭ制御部
４３０、９３０ インバータ
４４０、９４０ モータ電流検出器
５００ 目標操舵トルク生成部
５０１ 符号部
６００ 変換部
７００ 捩れ角制御部
７１０ 捩れ角フィードバック（ＦＢ）補償部
７２０ 捩れ角速度演算部

Claims (10)

1. 電気的に伝えられる操舵情報を用いて転舵機構を制御する車両用操向システムの制御装置であって、
   目標転舵角に対して、前記転舵機構において検出される転舵角を追従させるようなモータ電流指令値を演算する転舵角制御部を備え、
   前記転舵角制御部が、
   速度情報に対してフィルタ処理を行うことによって、前記転舵機構における摩擦により生じる前記転舵角の追従遅れを補償する補償モータ電流指令値を算出する摩擦補償部を具備し、
   前記モータ電流指令値の演算において前記補償モータ電流指令値による補償を行い、
   前記モータ電流指令値に基づいて前記転舵機構を制御することを特徴とする車両用操向システムの制御装置。
2. 前記摩擦補償部が、
   前記速度情報に対して前記フィルタ処理を行って補正速度情報を算出するフィルタ部と、
   変換マップを用いて前記補正速度情報を前記補償モータ電流指令値に変換する変換マップ部とを具備する請求項１に記載の車両用操向システムの制御装置。
3. 前記フィルタ部での前記フィルタ処理が、前記転舵角制御部での速度制御における目標速度に対する実速度の追従特性に基づいて行なわれる請求項２に記載の車両用操向システムの制御装置。
4. 前記摩擦補償部が、
   前記補償モータ電流指令値をゲイン倍する出力ゲイン部を更に具備する請求項２又は３に記載の車両用操向システムの制御装置。
5. 前記速度情報が、前記目標転舵角に対応する目標転舵角速度又は前記転舵角に対応する転舵角速度である請求項１乃至４のいずれかに記載の車両用操向システムの制御装置。
6. 前記転舵角制御部が、
   前記目標転舵角及び前記転舵角の偏差より目標転舵角速度を算出する転舵角フィードバック補償部と、
   前記転舵角より転舵角速度を算出する転舵角速度演算部と、
   前記目標転舵角速度及び前記転舵角速度に基づいて基本モータ電流指令値を算出する速度制御部とを更に具備し、
   前記基本モータ電流指令値を前記補償モータ電流指令値によって補償して前記モータ電流指令値を算出する請求項１乃至４のいずれかに記載の車両用操向システムの制御装置。
7. 前記転舵角制御部が、
   前記モータ電流指令値の上下限値を制限する出力制限部を更に具備する請求項６に記載の車両用操向システムの制御装置。
8. 前記操舵情報に基づいて前記目標転舵角を生成する目標転舵角生成部を更に備える請求項１乃至７のいずれかに記載の車両用操向システムの制御装置。
9. 前記目標転舵角生成部が、前記操舵情報に対して、前記転舵角の所定の成分に対応する成分を低減して前記目標転舵角を生成する請求項８に記載の車両用操向システムの制御装置。
10. 前記目標転舵角生成部が、前記操舵情報及び前記目標転舵角より求められる仮想比ストロークが可変となるような前記目標転舵角を生成する請求項８に記載の車両用操向システムの制御装置。
    

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