WO2016021526A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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static friction
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孝義 菅原
前田　将宏
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    • B62D5/046—Controlling the motor
    • B62D5/0466—Controlling the motor for returning the steering wheel to neutral position

Definitions

  • the present invention relates to an electric power steering device that drives and controls a motor with a current command value calculated based on at least a steering torque, and applies a steering assist force by the motor to a vehicle steering mechanism via a speed reduction mechanism.
  • non-linear discomfort non-linear steering feeling
  • static friction of the steering mechanism static friction
  • the present invention relates to an electric power steering apparatus that improves the steering feeling in the vicinity of the on-center (hereinafter also referred to as “on-center feeling”).
  • An electric power steering apparatus that applies a steering assist force (assist force) to a vehicle steering mechanism by a rotational force of a motor is provided with a steering shaft or a rack shaft by a transmission mechanism such as a gear or a belt via a speed reduction mechanism.
  • a steering assist force is applied to the vehicle.
  • Such a conventional electric power steering device (EPS) performs feedback control of the motor current in order to accurately generate the torque of the steering assist force.
  • the motor applied voltage is adjusted so that the difference between the steering assist command value (current command value) and the motor current detection value is small.
  • the adjustment of the motor applied voltage is generally performed by PWM (pulse width). This is done by adjusting the duty of modulation) control.
  • a column shaft (steering shaft, handle shaft) 2 of the handle 1 is a reduction gear 3 of a reduction mechanism, universal joints 4a and 4b, a pinion rack mechanism 5,
  • the tie rods 6a and 6b are connected to the steered wheels 8L and 8R via the hub units 7a and 7b.
  • the column shaft 2 is provided with a torque sensor 10 for detecting the steering torque of the handle 1 and a rudder angle sensor 14 for detecting the steering angle ⁇ , and a motor 20 for assisting the steering force of the handle 1 serves as a speed reduction mechanism. It is connected to the column shaft 2 via a reduction gear (gear ratio n) 3.
  • the control unit (ECU) 30 that controls the electric power steering apparatus is supplied with electric power from the battery 13 and also receives an ignition key signal via the ignition key 11.
  • the control unit 30 calculates a current command value of an assist (steering assistance) command based on the steering torque Th detected by the torque sensor 10 and the vehicle speed Vel detected by the vehicle speed sensor 12, and compensates the current command value.
  • the current supplied to the motor 20 is controlled by the voltage control command value Vref subjected to.
  • the steering angle sensor 14 is not essential and may not be arranged.
  • the control unit 30 is connected to a CAN (Controller Area Network) 50 that transmits and receives various types of vehicle information, and the vehicle speed Vel can also be received from the CAN 50.
  • the control unit 30 is also connected to a non-CAN 51 that exchanges communications other than the CAN 50, analog / digital signals, radio waves, and the like.
  • the control unit 30 is mainly composed of a CPU (including an MPU, MCU, etc.).
  • FIG. 2 shows general functions executed by a program inside the CPU.
  • the function and operation of the control unit 30 will be described with reference to FIG. 2.
  • the steering torque Th detected by the torque sensor 10 and the vehicle speed Vel detected by the vehicle speed sensor 12 (or from the CAN 50) are expressed as a current command value Iref1.
  • the current command value calculation unit 31 to be calculated is input.
  • the current command value calculation unit 31 calculates a current command value Iref1, which is a control target value of the current supplied to the motor 20, using an assist map or the like based on the input steering torque Th and vehicle speed Vel.
  • the current command value Iref1 is input to the current limiter 33 through the adder 32A, and the current command value Irefm whose maximum current is limited is input to the subtractor 32B, and the deviation I (Irefm) from the fed back motor current value Im.
  • the inverter circuit 37 uses an FET as a drive element, and is configured by an FET bridge circuit.
  • the compensation signal CM from the compensation signal generation unit 34 is added to the addition unit 32A, and the compensation of the steering system system is performed by the addition of the compensation signal CM, thereby improving the convergence and inertia characteristics.
  • the compensation signal generation unit 34 adds the self-aligning torque (SAT) 343 and the inertia 342 by the addition unit 344, and further adds the convergence 341 to the addition result by the addition unit 345, and compensates the addition result of the addition unit 345.
  • the signal CM is used.
  • such an electric power steering apparatus drives and controls a motor based on a current command value calculated in accordance with a steering torque and a vehicle speed input by a driver, and steers the motor via a speed reduction mechanism.
  • a steering assist force is applied to the mechanism. Since there is static friction in the steering mechanism due to the friction of the motor itself, the friction of the speed reduction mechanism, the friction of the suspension, etc., the electric power steering apparatus is greatly affected by the static friction of the steering mechanism.
  • Patent Document 1 the steering friction is estimated and compensated for the estimated static friction.
  • An electric power steering device intended to improve the ring and as shown in Japanese Patent No. 4852975 (Patent Document 2), in order to improve the on-center feeling of the handle, mechanical or electromagnetic loss torque is compensated.
  • An electric power steering apparatus has been proposed.
  • the static friction calculation means calculates the estimated static friction value of the steering system from the steering torque from the torque sensor. Even when the steering angle is such that the (steering wheel) hardly moves, the steering torque increases when the static friction of the steering system is large, and when the steering torque increases due to the influence of the static friction, Focusing on the fact that the change in the steering torque is steeper compared to after the motor starts to rotate and the steering angle starts to change, the steering torque at the portion where the detected steering torque value shows a sharp change. By detecting the detected value, an increase in steering torque due to static friction when the driver starts steering is detected, and the static friction of the steering system is estimated. It is way.
  • a friction field weakening current that is a friction compensation value from the friction compensation calculation unit is calculated, and the field weakening current is a d-axis current that controls the strength of the magnetic field. It is added to the command value. If anything, it is configured to compensate for loss torque due to friction loss based on the motor structure and loss due to electromagnetic factors.
  • a sufficient assist current (steering assist current) cannot flow in the minute steering torque region in the vicinity of the on-center due to the influence of assist characteristics in consideration of the offset error of the torque sensor. For this reason, it is greatly affected by the static friction of the steering mechanism of the electric power steering device, and especially when the steering is started in the minute steering torque region near the on-center and at the moment of reversal (feeling of sticking, etc.) There is a problem that the driver feels a sense of nonlinear incompatibility.
  • the steering torque is less than the static friction torque of the speed reduction mechanism
  • the static friction torque of the speed reduction mechanism is about 0.7 Nm and the steering torque is less than about 0.7 Nm
  • the speed reduction mechanism side Remains stationary without moving due to static friction. In this state, of course, the vehicle does not respond.
  • the steering torque starts to exceed the static friction torque (for example, when the steering torque starts to exceed about 0.7 Nm)
  • the speed reduction mechanism also starts to move, so the vehicle also starts to respond, but the steering torque becomes stationary of the speed reduction mechanism.
  • the static friction torque varies depending on vehicle conditions and the external environment, and is not limited to 0.7 Nm.
  • the present invention has been made under the circumstances as described above, and an object of the present invention is to reduce a sudden change in vehicle behavior in the vicinity where the steering torque balances with the static friction torque of the speed reduction mechanism (that is, near the on-center).
  • the vehicle response (on the speed reduction mechanism side) is increased mainly by increasing the steering assist current in the torque region where the steering torque is less than the static friction torque of the speed reduction mechanism. It is an object of the present invention to provide an electric power steering apparatus that improves on-center feeling while improving motion).
  • the present invention relates to an electric power steering apparatus that drives and controls a motor that applies a steering assist force to a steering mechanism based on at least a current command value calculated based on the steering torque.
  • the object of the present invention is to provide the steering torque and the vehicle speed.
  • a static friction compensator for calculating a static friction compensation command value for compensating for the static friction of the steering mechanism based on the above, and by correcting the current command value with the static friction compensation command value.
  • the object of the present invention is to provide a vehicle speed sensitive gain unit that calculates a vehicle speed sensitive gain that is determined according to the vehicle speed, and a steering torque change that extracts a steering torque change rate based on the steering torque.
  • a rate extracting unit, and the vehicle speed sensitive gain calculated by the vehicle speed sensitive gain unit is multiplied by the steering torque change rate extracted by the steering torque change rate extracting unit to obtain the static friction compensation command value.
  • the steering torque change rate extraction unit obtains a weighted average steering torque by weighted average of the steering torque, and calculates a difference between the steering torque and the obtained weighted average steering torque.
  • the vehicle response due to the difference in vehicle speed, the friction feeling, and the steering feeling can be adjusted.
  • the vehicle speed sensitivity gain according to the vehicle speed, or in the steering torque change rate extraction unit, it is possible to select the gradient of the steering torque change rate to be extracted in accordance with the characteristics of the vehicle and the column shaft.
  • the steering torque change rate extraction unit 41 that can tune the weighted average ratio and the gain (vehicle speed sensitive gain Gv) corresponding to the vehicle speed are set in the static friction compensation unit 40. Since the vehicle speed sensitive gain section 42 is provided, the gradient (frequency) of the steering torque change rate to be extracted can be selected in accordance with the characteristics of the vehicle and the column shaft, and the vehicle response due to the difference in the vehicle speed, The feeling of friction and steering can be adjusted.
  • the present invention it is possible to improve the on-center feeling while suppressing the uncomfortable feeling (that is, the uncomfortable feeling of static friction in the vicinity of the on-center) that the conventional on-center response improvement section has.
  • the static friction compensation command value (static friction compensation value) SCC starts to be output from the time when a small steering torque input is detected while the rotation of the motor is stopped.
  • the effect that apparent friction is reduced is obtained.
  • the same effect can be obtained not only at the time of cutback but also at the time of cutout.
  • the steering torque change rate extraction unit it is a graph showing an example of the waveform of the output signal by different weighted average ratios (that is, weighted average ratios wa1, wa2, wa4, wa8 and wa16).
  • 6 is a graph obtained by superimposing waveform examples of output signals shown in FIGS. It is a characteristic view which shows the example of a characteristic of the vehicle speed sensitive gain part which concerns on this invention. It is a flowchart which shows the operation example of this invention.
  • the present invention improves the on-center feeling while suppressing a non-linear steering feeling (hereinafter also referred to as “unsteady feeling of static friction near the on-center”) that occurs in a small steering torque region near the on-center and is caused by the static friction of the steering mechanism.
  • the present invention relates to the electric power steering apparatus.
  • the sense of static friction generated at the moment of starting and reversing the steering in the minute steering torque region near the on-center which is the subject of the present invention, that is, the steering torque is the static friction of the speed reduction mechanism.
  • the static friction compensation command value (static friction compensation value) SCC calculated by the static friction compensation unit corrects the steering assist current command value to compensate for the static friction, and the motor is operated with the corrected current command value.
  • the steering assist current obtained with the conventional electric power steering system that does not consider static friction compensation is increased. It is possible to flow to the motor sufficient steering assisting current was collected using, while improving vehicle response (movement of the speed reduction mechanism side), and so as to improve the on-center feeling.
  • FIG. 3 shows a configuration example of the present invention corresponding to FIG. 2.
  • a static friction compensation unit 40 is newly added, and the static friction compensation unit 40 is based on the steering torque Th and the vehicle speed Vel.
  • the calculated static friction compensation command value (static friction compensation value) SCC is added to the adding unit 32C and the current command value Iref1 is corrected to compensate for the static friction. That is, in the present invention, the current command value Iref1 and the compensation signal CM are added to the adder 32C and the static friction compensation command value SCC calculated by the static friction compensator 40 is added to the adder 32C.
  • the current command value Iref1 is corrected to obtain the current command value Iref2.
  • the operation after the current command value Iref2 is exactly the same as in the case of FIG.
  • compensation by the compensation signal CM by the compensation signal generator 34 is not essential.
  • the static friction compensation unit 40 includes a steering torque change rate extraction unit 41 for extracting a steering torque change rate, a vehicle speed sensitivity gain unit 42 for calculating a vehicle speed sensitivity gain, and a multiplication unit 44.
  • a static friction compensation command value (static friction compensation value) SCC is calculated based on the steering torque and the vehicle speed.
  • the steering torque change rate referred to in the present invention corresponds to a differential component of the steering torque Th or a differential value of the steering torque Th.
  • the steering torque change rate is also simply referred to as “steering torque differential”.
  • the multiplication unit 44 multiplies the steering torque change rate output from the steering torque change rate extraction unit 41 by the vehicle speed sensitive gain Gv output from the vehicle speed sensitive gain unit 42, and obtains a static friction compensation command value ( The static friction compensation value) SCC is output to the adding unit 32C.
  • the steering torque change rate extraction unit 41 inputs the steering torque Th and calculates the weighted average value of the steering torque (hereinafter also referred to as “weighted average steering torque”) by performing weighted averaging of the input steering torque Th. A difference between the input steering torque Th and the calculated weighted average steering torque is calculated, and the calculated difference is output to the multiplication unit 44 as a steering torque change rate.
  • the steering torque change rate extraction unit 41 of the present invention an arbitrary steering torque change rate (even a slight change in steering torque) is efficiently extracted from the steering torque signal (steering torque Th) detected by the torque sensor 10. it can.
  • the steering torque change rate extraction unit 41 of the present invention may perform low-pass filter processing on the input steering torque Th instead of the weighted average processing performed on the steering torque Th. In this case, a difference between the input steering torque Th and the low-pass filter processed steering torque is calculated, and the calculated difference is output to the multiplication unit 44 as a steering torque change rate.
  • FIG. 4 shows an input signal (steering torque Th) of the steering torque change rate extraction unit 41 of the present invention, a weighted average steering torque, an output signal (steering torque change rate, that is, a derivative used in the present invention), and A waveform example of a conventional approximate derivative (that is, a conventional one-sample difference) shown for comparison with the derivative used in the invention is shown.
  • the present invention is inferior in response to the conventional approximate differentiation (the conventional one-sample difference), but only the change in the steering torque Th that is roughly input can be extracted. For this reason, compared with the conventional approximate differentiation, the present invention increases the response of the steering and makes it difficult to contradict that the response is too high.
  • the ratio of the weighted average (that is, the response of the signal, hereinafter also referred to as “weighted average ratio”) can be tuned to extract the steering torque change rate according to the characteristics of the vehicle and the column shaft.
  • the gradient (frequency) of the steering torque change rate to be extracted can be selected by the unit 41.
  • FIG. 5 shows a case where the steering torque change rate extraction unit 41 of the present invention performs weighted averaging of input signals (input steering torque Th) with different weighted average ratios (weighted average ratios wa1, wa2, wa4, wa8 and wa16).
  • FIG. 6 is a graph obtained by superimposing the waveform examples of the output signals shown in FIGS.
  • the order of the weighted average ratio is wa1 ⁇ wa2 ⁇ wa4 ⁇ wa8 ⁇ wa16.
  • the output signal of the steering torque change rate extraction unit 41 approaches the conventional approximate derivative as the weighted average ratio is reduced.
  • the output signal of the steering torque change rate extraction unit 41 comes closer to the input signal (steering torque Th) of the steering torque change rate extraction unit 41.
  • a high-pass filter having an arbitrary cutoff frequency is applied to the input signal (steering torque Th) of the steering torque change rate extraction unit 41, or a conventional low-pass filter having an arbitrary cutoff frequency is applied to the approximate differential signal. Similar to applying.
  • the input signal (input steering torque Th) of the steering torque change rate extraction unit 41 is a steering torque in a minute steering torque region near the on-center. Moreover, it is preferable that the input signal (input steering torque Th) of the steering torque change rate extraction unit 41 belongs to a torque region equal to or less than the static friction torque of the speed reduction mechanism.
  • the high-frequency phase of the steering torque change rate (differentiation used in the present invention) extracted by the steering torque change rate extraction unit 41 does not advance as in the case of the conventional approximate differentiation.
  • the present invention cannot be used for the purpose of ensuring.
  • securing the stability of the control is one of the purposes, for example, by additionally setting a necessary minimum center response gain in the static friction compensator 40 of the present invention, a stable element is separately secured.
  • the present invention can be used for the purpose of ensuring the stability of control.
  • the vehicle speed sensitive gain unit 42 receives the vehicle speed Vel, calculates a vehicle speed sensitive gain Gv based on the input vehicle speed Vel, for example, using the characteristics shown in FIG. 7, and multiplies the calculated vehicle speed sensitive gain Gv by the calculated vehicle speed sensitive gain Gv. 44 is output.
  • the vehicle speed sensitive gain unit 42 of the present invention calculates the vehicle speed sensitive gain Gv from the vehicle speed Vel, the change in the steering feeling due to the difference in the vehicle speed can be absorbed.
  • the characteristic used in the vehicle speed sensitive gain unit 42 is not limited to the characteristic shown in FIG. 7, and for example, a linear decrease characteristic may be used.
  • the object of the present invention is to reduce the feeling of friction near the on-center, in particular, the uncomfortable feeling of static friction, and since the vehicle speed and the friction are irrelevant, originally, the present invention does not require a vehicle speed sensitive gain according to the vehicle speed.
  • the vehicle speed response gain unit 42 is provided in the static friction compensation unit 40 so that a gain corresponding to the vehicle speed (vehicle speed response gain Gv) can be set, and the vehicle response due to the difference in vehicle speed. It is possible to adjust the feeling of friction and steering.
  • the steering torque Th is input (step S1)
  • the vehicle speed Vel is input (step S2)
  • the current command value calculation unit 31 calculates the current command value Iref1 (step S3).
  • the steering torque change rate extraction unit 41 performs weighted average of the steering torque Th (step S10), and the steering torque Th (current steering torque Th) and the weighted average steering torque are calculated.
  • the difference is calculated as the steering torque change rate (step S11)
  • the vehicle speed sensitive gain unit 42 calculates the vehicle speed sensitive gain Gv according to the vehicle speed Vel (step S12)
  • the multiplication unit 44 further changes the steering torque.
  • the static friction compensation command value SCC obtained by multiplying the steering torque change rate calculated by the rate extracting unit 41 and the vehicle speed sensitive gain Gv calculated by the vehicle speed sensitive gain unit 42 is output to the adding unit 32C (step S13).
  • the compensation signal generation unit 34 generates and outputs a compensation signal CM based on the convergence 341, the inertia 342, and the SAT 343 (step S20).
  • step S20 After inputting the steering torque Th and the vehicle speed Vel (steps S1 to S2), the calculation of the current command value Iref1 (step S3), the calculation of the static friction compensation command value SCC (steps S10 to S13), The order of generation of the compensation signal CM (step S20) can be changed as appropriate.
  • the current command value Iref1, the static friction compensation command value SCC, and the compensation signal CM obtained as described above are input to the adder 32C and added to generate a current command value Iref2 (step S30).
  • the current command value Iref2 is controlled by the current limiting unit 33 as described above and then subjected to current control (step S31), and the motor 20 is driven and controlled (step S32).

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Abstract

[課題]オンセンタ付近の静止摩擦違和感を軽減するため、主に操舵トルクが減速機構の静止摩擦トルク以下のトルク領域での操舵補助電流を増やすことで、車両応答（減速機構側の動き）を改善しつつ、オンセンタ感を向上させる。[解決手段]本発明は、少なくとも操舵トルク（Ｔｈ）に基づいて演算された電流指令値（Ｉｒｅｆ）によって、ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータ（２０）を駆動制御する電動パワーステアリング装置において、操舵トルク（Ｔｈ）及び車速（Ｖｅｌ）に基づいてステアリング機構の静止摩擦を補償するための静止摩擦補償指令値（ＳＣＣ）を演算する静止摩擦補償部（４０）を具備し、電流指令値（Ｉｒｅｆ）を静止摩擦補償指令値（ＳＣＣ）で補正する。

Description

電動パワーステアリング装置
　本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値によりモータを駆動制御し、車両のステアリング機構にモータによる操舵補助力を減速機構を介して付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特に、オンセンタ付近の微小操舵トルク領域に起きる、ステアリング機構に存在する静止摩擦（以下、「ステアリング機構の静止摩擦」又は「静止摩擦」とも言う。）に起因する非線形違和感（非線形操舵感）を抑制しつつ、オンセンタ付近での操舵感（以下、「オンセンタ感」とも言う。）を向上させるようにした電動パワーステアリング装置に関する。
　車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力（アシスト力）を付与する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機構を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティの調整で行っている。
　電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速機構の減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速機構の減速ギア（ギア比ｎ）３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３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。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良い。
　コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）５０が接続されており、車速ＶｅｌはＣＡＮ５０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ５０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ＣＡＮ５１も接続されている。
　コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵ等も含む）で構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図２のようになる。
　図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２で検出された（若しくはＣＡＮ５０からの）車速Ｖｅｌは、電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する電流指令値演算部３１に入力される。電流指令値演算部３１は、入力された操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ２０に供給する電流の制御目標値である電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａを経て電流制限部３３に入力され、最大電流を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、フィードバックされているモータ電流値Ｉｍとの偏差Ｉ（Ｉｒｅｆｍ－Ｉｍ）が演算され、その偏差Ｉが操舵動作の特性改善のためのＰＩ制御（比例積分制御）部３５に入力される。ＰＩ制御部３５で特性改善された電圧制御指令値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、更に駆動部としてのインバータ回路３７を介してモータ２０がＰＷＭ駆動される。モータ２０の電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂにフィードバックされる。インバータ回路３７は駆動素子としてＦＥＴが用いられ、ＦＥＴのブリッジ回路で構成されている。
　また、加算部３２Ａには補償信号生成部３４からの補償信号ＣＭが加算されており、補償信号ＣＭの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部３４は、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４３と慣性３４２を加算部３４４で加算し、その加算結果に更に収れん性３４１を加算部３４５で加算し、加算部３４５の加算結果を補償信号ＣＭとしている。
　上述したように、このような電動パワーステアリング装置は、運転者によって入力された操舵トルクや車速に応じて演算された電流指令値に基づいてモータを駆動制御し、モータによって減速機構を介してステアリング機構に対して操舵補助力を付加するようになっている。このモータ自体の摩擦、減速機構の摩擦やサスペンションの摩擦などによってステアリング機構には静止摩擦が存在するので、電動パワーステアリング装置では、ステアリング機構の静止摩擦の影響を大きく受ける。
　従来の電動パワーステアリング装置では、ステアリング機構の静止摩擦が考慮されていないため、この静止摩擦の影響で、例えば、操舵し始めるときに引っ掛かり感などが生じ、オンセンタ付近（ステアリングの中立付近）での操舵感（即ち、オンセンタ感）が悪化するという問題点があった。
　このような問題点を解決するために、例えば、特許第３４８１４６８号公報（特許文献１）に示されるように、ステアリング系の静止摩擦を推定し、推定した静止摩擦を補償することにより、操舵フィーリングを改善することを目的とする電動パワーステアリング装置、また、特許第４８５２９７５号公報（特許文献２）に示されるように、ハンドルのオンセンタ感を向上させるため、機械的ないし電磁的なロストルクを補償するようにした電動パワーステアリング装置が提案されている。
　特許文献１に開示された電動パワーステアリング装置では、静止摩擦演算手段により、トルクセンサからの操舵トルクからステアリング系の静止摩擦推定値を演算するようになっており、具体的には、「ステアリングホイール（ハンドル）が殆ど動かない程度の操舵角度であっても、ステアリング系の静止摩擦が大きい場合に、操舵トルクが増加するようになり、また、静止摩擦の影響で操舵トルクが増加する場合に、モータが回転し始め、操舵角度が変化し始めた後に比べて、操舵トルクの変化が急峻である」という事実（現象）に着目し、この操舵トルク検出値が急峻な変化を示す部分の操舵トルク検出値を抽出することで、運転者が操舵し始めるときの静止摩擦による操舵トルクの増加を検出し、ステアリング系の静止摩擦を推定するようにしている。
　また、特許文献２に開示された電動パワーステアリング装置では、摩擦補償算出部からの摩擦補償値である摩擦弱め界磁電流を算出し、弱め界磁電流を磁界の強さを制御するｄ軸電流指令値に加算するようになっており、どちらかと言えば、モータの構造に基づく摩擦損失及び電磁的な要因に基づく損失に対するロストルクを補償する構成となっている。
特許第３４８１４６８号公報 特許第４８５２９７５号公報
　ところで、従来の電動パワーステアリング装置において、オンセンタ付近の微小操舵トルク領域では、トルクセンサのオフセット誤差等を考慮したアシスト特性の影響などにより、十分なアシスト電流（操舵補助電流）を流すことができない。このため、電動パワーステアリング装置のステアリング機構の持つ静止摩擦の影響を大きく受けてしまい、特に、オンセンタ付近の微小操舵トルク領域での操舵開始時及び反転時の瞬間に静止摩擦感（固着感など）として、運転者が非線形違和感を感じてしまう問題がある。
　操舵トルクが減速機構の静止摩擦トルク未満の場合に、例えば、減速機構の静止摩擦トルクが０.７Ｎｍ程度で、操舵トルクが約０.７Ｎｍ未満の場合に、ハンドル側のみが動き、減速機構側は静止摩擦により動かずに静止したままである。この状態では、当然、車両も応答しない。しかし、操舵トルクが静止摩擦トルクを超え始めると（例えば、操舵トルクが約０.７Ｎｍを超え始めると）、減速機構側も動き始めるため、車両も応答し始めるが、操舵トルクが減速機構の静止摩擦トルクになったところ（例えば、操舵トルク約０.７Ｎｍ付近）を境に減速機構側が動く／動かないという境界を持つことになるため、車両が急激に応答したりしなかったりの車両挙動となり、非線形操舵感となってしまう問題が発生する。なお、静止摩擦トルクは車両の条件や外部環境により変わるものであり、０.７Ｎｍに限定されるものではない。
　また、上述した特許文献１に開示された電動パワーステアリング装置では、操舵トルク検出値の急峻な変化を抽出することで、ステアリング系の静止摩擦を推定できるが、静止摩擦推定値の正確性や、ステアリングホイール（ハンドル）の速い操舵速度領域での違和感（抜け感）は改善しきれないといった問題がある。
　そして、上述した特許文献２に開示された電動パワーステアリング装置では、オンセンタ付近の微小操舵トルク領域での操舵開始時及び反転時の瞬間に静止摩擦感（固着感など）として、運転者が非線形違和感を感じてしまう問題がある。
　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、操舵トルクが減速機構の静止摩擦トルクと釣り合う付近において車両挙動が急変することを軽減するため（即ち、オンセンタ付近の摩擦感、特に、オンセンタ付近の静止摩擦違和感を軽減するため）、主に操舵トルクが減速機構の静止摩擦トルク以下のトルク領域での操舵補助電流を増やすことで、車両応答（減速機構側の動き）を改善しつつ、オンセンタ感を向上させるようにした電動パワーステアリング装置を提供することにある。
　本発明は、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値によって、ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、前記操舵トルク及び車速に基づいて前記ステアリング機構の静止摩擦を補償するための静止摩擦補償指令値を演算する静止摩擦補償部を具備し、前記電流指令値を前記静止摩擦補償指令値で補正することにより達成される。
　また、本発明の上記目的は、前記静止摩擦補償部は、前記車速に応じて決まる車速感応ゲインを演算する車速感応ゲイン部と、前記操舵トルクに基づいて操舵トルク変化率を抽出する操舵トルク変化率抽出部とを具備し、前記車速感応ゲイン部で演算された前記車速感応ゲインを前記操舵トルク変化率抽出部で抽出された前記操舵トルク変化率に乗算して前記静止摩擦補償指令値とすることにより、或いは、前記操舵トルク変化率抽出部は、前記操舵トルクを加重平均することで加重平均した操舵トルクを求め、前記操舵トルクと求めた前記加重平均した操舵トルクとの差分を算出し、算出した前記差分を前記操舵トルク変化率とすることにより、或いは、前記車速感応ゲイン部では、車速違いによる車両応答と、摩擦感、操舵感を調整できるように、前記車速に応じて前記車速感応ゲインを設定することにより、或いは、前記操舵トルク変化率抽出部では、車両やコラム軸の特性に合わせて抽出したい操舵トルク変化率の勾配を選択できるように、加重平均の割合をチューニングすることにより、或いは、前記操舵トルクはオンセンタ付近の微小操舵トルク領域における操舵トルクであることにより、或いは、前記操舵トルクは減速機構の静止摩擦トルク以下のトルク領域に属することにより、より効果的に達成される。
　本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、静止摩擦補償部４０に、加重平均割合をチューニングできるようにした操舵トルク変化率抽出部４１と、車速に応じたゲイン（車速感応ゲインＧｖ）を設定できるようにした車速感応ゲイン部４２とを設けるようにしているので、車両やコラム軸の特性に合わせて抽出したい操舵トルク変化率の勾配（周波数）を選択できると共に、車速違いによる車両応答と、摩擦感、操舵感を調整できる。
　本発明によれば、従来のオンセンタ応答性改善部が抱えていたような違和感（即ち、オンセンタ付近の静止摩擦違和感）を抑制しつつ、オンセンタ感を改善できるようにした。
　さらに、本発明によれば、モータの回転が停止状態で微小な操舵トルク入力を検出した時点から、静止摩擦補償指令値（静止摩擦補償値）ＳＣＣが出力され始めていることにより、操舵の切り返し時に見かけ上の摩擦が減ったような効果が得られる。また、本発明によれば、切り返し時だけでなく、切り出し時でも、同様な効果が得られる。
電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る操舵トルク変化率抽出部の入力信号及び出力信号の波形例を示すグラフである。 本発明に係る操舵トルク変化率抽出部において、異なる加重平均割合（即ち、加重平均割合ｗａ１、ｗａ２、ｗａ４、ｗａ８及びｗａ１６）による出力信号の波形例を示すグラフである。 図５（Ａ）～（Ｅ）に示す出力信号の波形例を重ねて得たグラフである。 本発明に係る車速感応ゲイン部の特性例を示す特性図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。
　本発明は、オンセンタ付近の微小操舵トルク領域に起きる、ステアリング機構の静止摩擦に起因する非線形操舵感（以下、「オンセンタ付近の静止摩擦違和感」とも言う。）を抑制しつつ、オンセンタ感を向上させるようにした電動パワーステアリング装置に関する。
　即ち、本発明では、本発明の課題として挙げている「オンセンタ付近の微小操舵トルク領域での操舵開始時及び反転時の瞬間に発生する静止摩擦感」、即ち、操舵トルクが減速機構の静止摩擦トルクと釣り合う付近において車両挙動が急変することを軽減するために、主に操舵トルクが減速機構の静止摩擦トルク以下のトルク領域（オンセンタ付近の微小操舵トルク領域）において、操舵トルク及び車速に基づいて静止摩擦補償部によって演算された静止摩擦補償指令値（静止摩擦補償値）ＳＣＣで、操舵補助の電流指令値を補正することによって、静止摩擦の補償を行い、補正された電流指令値でモータを駆動するようにしているので、静止摩擦補償が考慮されていない従来の電動パワーステアリング装置で得られた操舵補助電流を増やして得られた十分な操舵補助電流をモータに流すことが可能になり、車両応答（減速機構側の動き）を改善しつつ、オンセンタ感を向上させるようにしている。
　以下に、図面を参照しながら、本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。
　図３は本発明の構成例を図２に対応させて示しており、本発明では、静止摩擦補償部４０を新たに付加し、操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいて、静止摩擦補償部４０で演算された静止摩擦補償指令値（静止摩擦補償値）ＳＣＣを加算部３２Ｃに加算入力して電流指令値Ｉｒｅｆ１を補正し、静止摩擦を補償している。即ち、本発明では、加算部３２Ｃに電流指令値Ｉｒｅｆ１及び補償信号ＣＭを加算入力すると共に、静止摩擦補償部４０で演算された静止摩擦補償指令値ＳＣＣを加算部３２Ｃに加算入力し、前述した電流指令値Ｉｒｅｆ１を補正して電流指令値Ｉｒｅｆ２を求めている。電流指令値Ｉｒｅｆ２以降の動作は、前述の図２の場合と全く同様である。
　なお、本発明では、補償信号生成部３４による補償信号ＣＭによる補償は必須のものではない。
　静止摩擦補償部４０は、操舵トルク変化率を抽出するための操舵トルク変化率抽出部４１と、車速感応ゲインを算出するための車速感応ゲイン部４２と、乗算部４４とで構成されており、操舵トルク及び車速に基づいて、静止摩擦補償指令値（静止摩擦補償値）ＳＣＣを演算するようになっている。
　本発明で言う操舵トルク変化率は、操舵トルクＴｈの微分成分又は操舵トルクＴｈの微分値に相当しており、以下、操舵トルク変化率を単に「操舵トルクの微分」とも言う。また、乗算部４４は、操舵トルク変化率抽出部４１から出力された操舵トルク変化率と、車速感応ゲイン部４２から出力された車速感応ゲインＧｖを乗算して得られた静止摩擦補償指令値（静止摩擦補償値）ＳＣＣを加算部３２Ｃに出力する。
　操舵トルク変化率抽出部４１では、操舵トルクＴｈを入力し、入力した操舵トルクＴｈを加重平均することで操舵トルクの加重平均値（以下、「加重平均した操舵トルク」とも言う。）を求め、入力した操舵トルクＴｈと求めた加重平均した操舵トルクとの差分を算出し、算出した差分を操舵トルク変化率として乗算部４４に出力するようになっている。本発明の操舵トルク変化率抽出部４１によれば、トルクセンサ１０で検出された操舵トルク信号（操舵トルクＴｈ）から、任意の操舵トルク変化率（操舵トルクの微小な変化でも）を効率よく抽出できる。
　なお、本発明の操舵トルク変化率抽出部４１では、操舵トルクＴｈに対して行う加重平均処理の代わりに、入力した操舵トルクＴｈをローパスフィルタ処理するようにしても良い。この場合は、入力した操舵トルクＴｈとローパスフィルタ処理後の操舵トルクとの差分を算出し、算出した当該差分を操舵トルク変化率として乗算部４４に出力するようにする。
　図４には、本発明の操舵トルク変化率抽出部４１の入力信号（操舵トルクＴｈ）、加重平均した操舵トルク、出力信号（操舵トルク変化率、即ち、本発明で用いる微分）、及び、本発明で用いる微分との比較用に示してある従来の近似微分（即ち、従来の１サンプル差分）の波形例を示してある。
　図４から分かるように、従来の近似微分（従来の１サンプル差分）に比べ、本発明は応答性が劣るが、大よそ入力した操舵トルクＴｈの変化のみを抽出できている。このため、従来の近似微分に比べ、本発明は操舵の応答性を上げつつ、応答性が高すぎる事の背反が出難くなっている。
　本発明では、加重平均の割合（即ち、信号の応答性、以下、「加重平均割合」とも言う。）をチューニング可能とすることで、車両やコラム軸の特性に合わせて、操舵トルク変化率抽出部４１によって抽出したい操舵トルク変化率の勾配（周波数）を選択できるようにしている。
　図５は、本発明の操舵トルク変化率抽出部４１において、入力信号（入力された操舵トルクＴｈ）を異なる加重平均割合（加重平均割合ｗａ１、ｗａ２、ｗａ４、ｗａ８及びｗａ１６）で加重平均する場合の出力信号（出力される操舵トルク変化率、即ち、本発明で用いる微分）の波形例を示すグラフである。また、図６は、図５（Ａ）～（Ｅ）に示す出力信号の波形例を重ねて得たグラフである。ちなみに、加重平均割合の大きさの順番は、ｗａ１＜ｗａ２＜ｗａ４＜ｗａ８＜ｗａ１６となっている。
　図５及び図６から分かるように、本発明の操舵トルク変化率抽出部４１では、加重平均割合を小さくするほど、操舵トルク変化率抽出部４１の出力信号が従来の近似微分に近づき、また、加重平均割合を大きくするほど、操舵トルク変化率抽出部４１の出力信号が操舵トルク変化率抽出部４１の入力信号（操舵トルクＴｈ）に近づくようになる。これは、操舵トルク変化率抽出部４１の入力信号（操舵トルクＴｈ）に任意のカットオフ周波数のハイパスフィルタを適用したこと、もしくは、従来の近似微分の信号に任意のカットオフ周波数のローパスフィルタを適用したことに類似する。
　また、本発明では、操舵トルク変化率抽出部４１の入力信号（入力された操舵トルクＴｈ）は、オンセンタ付近の微小操舵トルク領域における操舵トルクであることが好ましい。また、操舵トルク変化率抽出部４１の入力信号（入力された操舵トルクＴｈ）は、減速機構の静止摩擦トルク以下のトルク領域に属することが好ましい。
　なお、本発明では、操舵トルク変化率抽出部４１によって抽出される操舵トルク変化率（本発明で用いる微分）の高周波の位相は、従来の近似微分のようには進まないため、制御の安定性を確保する目的には、本発明を使用することができない。制御の安定性を確保することも目的の一つである場合に、例えば、本発明の静止摩擦補償部４０に更に、必要最小限のセンタ応答性ゲインを設定することにより、安定要素を別途確保又は設けさえすれば、本発明を制御の安定性を確保する目的に使用できるようになる。
　車速感応ゲイン部４２では、車速Ｖｅｌを入力し、入力した車速Ｖｅｌに基づいて、例えば図７に示すような特性を用いて、車速感応ゲインＧｖを算出し、算出した車速感応ゲインＧｖを乗算部４４に出力するようになっている。このように、本発明の車速感応ゲイン部４２は、車速Ｖｅｌから車速感応ゲインＧｖを算出するようにしているので、車速違いによる操舵感の変化を吸収できる。なお、本発明では、車速感応ゲイン部４２で用いる特性は、図７の特性に限定されるものではなく、例えば、線形減少の特性を用いても良い。
　本発明の目的はオンセンタ付近の摩擦感、特に静止摩擦違和感の低減であり、また、車速と摩擦は無関係のため、本来であれば、本発明にとって、車速による車速感応ゲインは不要である。
　しかし、減速機構の摩擦は製品のバラつきや個体差、温度変化などにより変動するものであるため、製造された全ての製品において、摩擦のみを補償することは不可能である。また、オンセンタ付近のセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）は、車速などにより大きく変化する。
　このため、上述したように、本発明では、静止摩擦補償部４０に車速感応ゲイン部４２を設けることによって、車速に応じたゲイン（車速感応ゲインＧｖ）を設定できるようにし、車速違いによる車両応答と、摩擦感、操舵感を調整可能としている。
　このような構成において、本発明の動作例を図８のフローチャートを参照して説明する。
　まず、操舵トルクＴｈを入力し（ステップＳ１）、車速Ｖｅｌを入力し（ステップＳ２）、電流指令値演算部３１で電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する（ステップＳ３）。
　次に、静止摩擦補償部４０では、操舵トルク変化率抽出部４１によって操舵トルクＴｈを加重平均するようにし（ステップＳ１０）、操舵トルクＴｈ（現在の操舵トルクＴｈ）と加重平均した操舵トルクとの差分を操舵トルク変化率として算出し（ステップＳ１１）、また、車速感応ゲイン部４２によって、車速Ｖｅｌに応じて車速感応ゲインＧｖを算出し（ステップＳ１２）、更に、乗算部４４によって、操舵トルク変化率抽出部４１で算出された操舵トルク変化率と、車速感応ゲイン部４２で算出された車速感応ゲインＧｖを乗算して得られた静止摩擦補償指令値ＳＣＣを加算部３２Ｃに出力する（ステップＳ１３）。
　更に、補償信号生成部３４では、前述したように、収れん性３４１、慣性３４２及びＳＡＴ３４３に基づく補償信号ＣＭを生成して出力する（ステップＳ２０）。
　なお、本発明では、操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌを入力してから（ステップＳ１～Ｓ２）、電流指令値Ｉｒｅｆ１の演算（ステップＳ３）、静止摩擦補償指令値ＳＣＣの演算（ステップＳ１０～Ｓ１３）、補償信号ＣＭの生成（ステップＳ２０）の順番は適宜変更可能である。
　上述のようにして求められた電流指令値Ｉｒｅｆ１、静止摩擦補償指令値ＳＣＣ及び補償信号ＣＭは、加算部３２Ｃに入力されて加算処理され、電流指令値Ｉｒｅｆ２を生成する（ステップＳ３０）。電流指令値Ｉｒｅｆ２は前述のように電流制限部３３で制限された後に電流制御され（ステップＳ３１）、モータ２０が駆動制御される（ステップＳ３２）。
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　　　　　　　　　トルクセンサ
１２　　　　　　　　　車速センサ
１４　　　　　　　　　舵角センサ
２０　　　　　　　　　モータ
３０　　　　　　　　　コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１　　　　　　　　　電流指令値演算部
３３　　　　　　　　　電流制限部
３４　　　　　　　　　補償信号生成部
３５　　　　　　　　　ＰＩ制御部
３６　　　　　　　　　ＰＷＭ制御部
３７　　　　　　　　　インバータ回路
４０　　　　　　　　　静止摩擦補償部
４１　　　　　　　　　操舵トルク変化率抽出部
４２　　　　　　　　　車速感応ゲイン部
４４　　　　　　　　　乗算部
５０　　　　　　　　　ＣＡＮ

Claims (7)

  1. 　少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値によって、ステアリング機構に操舵補助力を付与するモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置において、
    　前記操舵トルク及び車速に基づいて前記ステアリング機構の静止摩擦を補償するための静止摩擦補償指令値を演算する静止摩擦補償部を具備し、前記電流指令値を前記静止摩擦補償指令値で補正することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 　前記静止摩擦補償部は、前記車速に応じて決まる車速感応ゲインを演算する車速感応ゲイン部と、前記操舵トルクに基づいて操舵トルク変化率を抽出する操舵トルク変化率抽出部とを具備し、前記車速感応ゲイン部で演算された前記車速感応ゲインを前記操舵トルク変化率抽出部で抽出された前記操舵トルク変化率に乗算して前記静止摩擦補償指令値とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
  3. 　前記操舵トルク変化率抽出部は、前記操舵トルクを加重平均することで加重平均した操舵トルクを求め、前記操舵トルクと求めた前記加重平均した操舵トルクとの差分を算出し、算出した前記差分を前記操舵トルク変化率とする請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
  4. 　前記車速感応ゲイン部では、車速違いによる車両応答と、摩擦感、操舵感を調整できるように、前記車速に応じて前記車速感応ゲインを設定する請求項２又は請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
  5. 　前記操舵トルク変化率抽出部では、車両やコラム軸の特性に合わせて抽出したい操舵トルク変化率の勾配を選択できるように、加重平均の割合をチューニングする請求項２又は請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
  6. 　前記操舵トルクはオンセンタ付近の微小操舵トルク領域における操舵トルクである請求項１乃至５の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
  7. 　前記操舵トルクは減速機構の静止摩擦トルク以下のトルク領域に属する請求項１乃至５の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
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