JP2013052792A - 電動パワーステアリング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御系全体の安定化のために制御系に設ける補償機能を簡素な構成で実現できるようにすることを目的とする。
【解決手段】目標アシストトルク演算部２０にて目標アシストトルク（目標電流）を演算し、モータ６の実電流Ｉｍをその目標電流に一致させるための電流指令である基本指令を電流制御部１２０が演算する構成において、目標アシストトルク演算部２０に位相補償器を設けていた従来の構成に対し、目標アシストトルク演算部２０には位相補償器を設けず、代わりに電流制御部１２０に対して電流安定化補償器３１をアドオンする。電流安定化補償器３１は、伝達関数がｓ（微分演算子）の４次以下の関数で表されるものであり、実電流Ｉｍに基づき、制御系全体を安定化させるための補償指令を生成する。そして、基本指令が補償指令によって補償されてなる電流指令が、駆動回路１３０に入力される。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両のハンドル操作（操舵）をモータにてアシストする電動パワーステアリングシステムにおいて、このシステムを制御する電動パワーステアリング制御装置に関する。

車両のハンドル操作（操舵）をモータにてアシストする電動パワーステアリングシステムにおいては、ドライバーのハンドル操作に応じて適切なアシストトルクをモータに発生させるべく、制御装置（ＥＣＵ）が、ドライバーのハンドル操作等によってハンドル軸に加えられる操舵トルクや車両速度などの各種入力信号に基づいてアシストトルクを演算し、その演算結果に基づいてモータを駆動させる。

従来の電動パワーステアリングシステムにおける、モータを駆動制御するための制御機構としては、トルクセンサにより検出された操舵トルクに基づいてモータがアシストするトルクの目標値である目標アシストトルクを演算（換言すれば、その目標アシストトルクをモータに発生させるためにモータに流すべき目標電流を演算）する目標アシストトルク演算部と、モータに実際に流れる電流を検出してその検出値（実電流）を目標電流に一致させるための電流指令を生成してモータ側へ出力する電流制御部と、により構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図６に、目標アシストトルク演算部と電流制御部とからなる従来の制御機構の基本的構成例を示す。図６に示すように、従来の電動パワーステアリングシステム１００の制御機構は、アシストトルクを発生させるモータ６と、ハンドルから操舵輪（車輪）に至る、ドライバーのハンドル操作が伝達されるメカ機構全体であるＥＰＳメカ１４０と、を備えており、これらモータ６及びＥＰＳメカ１４０をまとめて本制御機構における制御対象と見なすことができる。

ＥＰＳメカ１４０には、操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ及び車速Ｖを検出する車速センサが含まれており、モータ６には、モータ６の回転速度であるモータ速度ωを検出する回転センサが含まれている。尚、モータ６の伝達関数は、図示の如く、１／（Ｌｓ＋Ｒ）（但し、Ｌはモータのインダクタンス成分、Ｒはモータの抵抗成分。）で表すことができる。

そして、その制御対象を制御すべく、目標アシストトルク演算部１１０が、操舵トルクＴｓ、車速Ｖ、及びモータ速度ωに基づいて、目標アシストトルク（目標電流）を演算し、その目標電流とモータ６に実際に流れる実電流Ｉｍとの差である電流偏差を偏差演算器１０２が演算し、その電流偏差に基づいて電流制御部１２０が電流指令を演算し、その電流指令に応じて駆動回路１３０がモータ６への通電を行う。

目標アシストトルク演算部１１０は、制御系（制御機構）全体を安定化させるために操舵トルクＴｓに対して位相補償をかけるトルク安定化補償器（位相補償器）１１１と、そのトルク安定化補償器１１１による位相補償後の値（位相補償トルク）に、車速Ｖに応じた所定のゲインＧａ（比例項）を乗じることで、上記目標アシストトルクのベースとなるベースアシストトルクを演算するベースアシスト演算部１１２と、車両の不安定な挙動を安定化・収斂させることを主目的として上記ベースアシストトルクを補償するための各種補償トルクを演算するアシスト補償部１１３と、ベースアシストトルクを各種補償トルクで補正する（即ち各補償トルクを加算する）ことで最終的な目標アシストトルク（目標電流）を演算する加算器１１４と、を備えている。

尚、ベースアシスト演算部１１２は、実際には、位相補償トルクに対するベースアシストトルクが車速Ｖ毎（例えば２０ｋｍ／ｈ毎）に一対一で対応付けられたマップを有し、そのマップを元に、線形補間によって、入力された位相補償トルク及び車速Ｖに対する目標アシストトルクを演算する。

アシスト補償部１１３は、路面から車輪に加わるトルク（路面負荷）を考慮して、車両の挙動安定化・収斂等の実現のための各種補償トルクを演算する。具体的には、ハンドルを旋回させた後にセルフアライニングトルクによってハンドルが戻される感覚を実現するための補償トルクを演算する戻し制御部１１５や、ハンドルから手を離したときのハンドルの収束（収斂）をよくするための補償トルクを演算するダンピング制御部１１６などの各種の補償用の制御部を備えている。そして、これら各制御部からの各補償トルクが、加算器１１４によってベースアシストトルクに加算されることによって、最終的な目標アシストトルクが得られる。この目標アシストトルクは、モータ６に通電すべき目標電流を示すものである。そのため、以下の説明では、説明の便宜上、目標アシストトルクと目標電流とは同義であるものとして扱う。

電流制御部１２０は、偏差演算器１０２により演算された電流偏差に基づき、その電流偏差が０となるように、即ち実電流Ｉｍが目標電流に一致するように、モータ６への通電をフィードバック制御するための、通電指令を生成する。具体的には、比例・積分の各要素を備えたＰＩ制御器である電流制御器１２１を備え、この電流制御器１２１が、入力された電流偏差に対して比例演算及び積分演算等を行うことで、電流指令を演算する。尚、電流制御器１２１には、電流偏差の他に実電流Ｉｍも入力され、実電流Ｉｍも考慮しつつ電流指令値を演算する。この電流指令は、実際にはモータ６に印加する駆動電圧を示すものであり、この電流指令に従って駆動回路１３０がモータ６への通電を行うことで、電流指令が示す電流がモータ６に流れる。

このように構成された従来の電動パワーステアリングシステム１００の制御機構において、目標アシストトルク演算部１１０は、本来、入力される操舵トルクＴｓに対してベースアシスト演算部１１２が比例演算等（実際にはマップに基づく演算）によってベースアシストトルクを演算することが主たる機能である。即ち、入力された操舵トルクＴｓに対してどの程度のアシストトルクをモータ６に発生させるかをマップ演算する。

しかし、単に操舵トルクＴｓに基づくマップ演算によりベースアシストトルクを演算するだけでは、制御系全体が不安定となる。即ち、電動パワーステアリングシステムは、一般に共振特性を有しており、故に制御系全体が不安定になりやすい。

そこで、従来の制御機構では、制御系全体を安定化させるために、目標アシストトルク演算部１１０内にトルク安定化補償器（位相補償器）１１１を設け、マップ演算する前の操舵トルクＴｓを位相補償するようにしている。

図７に、トルク安定化補償器１１１の伝達関数Ｇｐの周波数応答（ボード線図）を例示する。図７に示すように、トルク安定化補償器１１１のゲイン特性は、０〜１Ｈｚ程度までは０ｄＢ近傍で、１Ｈｚから１０Ｈｚあたりにかけて一旦低下し、その後再び上昇していって、高周波領域で再び低下していくような特性となっている。

トルク安定化補償器１１１の役割は、上記の通り制御系全体の安定化であるが、より具体的に言い換えれば、制御系全体におけるゲイン余有と位相余有の確保であるとも言える。即ち、仮に、トルク安定化補償器１１１がない場合に、ベースアシスト演算部１１２のゲインＧａを上げていくと、制御系全体の一巡周波数応答を複素平面上のベクトル軌跡で表したとき、（−１，ｊ０）の座標（クリティカルポイント）を超えて発散してしまう。つまり、ベクトル軌跡が負の実軸においてクリティカルポイントより左側で交わるようになってしまう。このように発散してしまうのは当然ながら避けるべきである一方、ゲインＧａは十分に大きな値として所望のアシストトルクを実現させることが望まれる。

そこで、ベクトル軌跡が負の実軸においてクリティカルポイントより左側で交わることを避けつつ、ゲイン余有と位相余有をともに十分大きな値とするために、従来の電動パワーステアリングシステムでは、図６に示したように目標アシストトルク演算部１１０にトルク安定化補償器１１１を設けて操舵トルクＴｓを位相補償するようにしているのである。

図８に、電動パワーステアリングシステム１００の制御系全体における、ハンドルに加えられるトルクであるハンドルトルクに対する、トルクセンサにて検出される操舵トルクＴｓの周波数応答（ボード線図）の一例を示す。図８において、一点鎖線で示されている波形は、トルク安定化補償器１１１を有しない場合の周波数応答であり、これに対して実線で示されている波形が、トルク安定化補償器１１１を有する場合の周波数応答である。

尚、図中、Ｇ０，Ｇ３，Ｇ６，Ｇ９，Ｇ１２，Ｇ１５は、ベースアシスト演算部１１２の比例ゲインＧａであり、Ｇ０＜Ｇ３＜Ｇ６＜Ｇ９＜Ｇ１２＜Ｇ１５の関係にある。図８のゲイン特性から、比例ゲインＧａが大きくなるほどトルクセンサからの操舵トルクＴｓが小さくなること、即ちモータ６によるアシストトルクが増加していることがわかる。

図８に示すように、トルク安定化補償器１１１を有しない制御機構では、図中一点鎖線で示すように、ゲイン特性が共振特性を有するなど、ハンドルトルクに対するトルクセンサの特性が不安定なものとなる。換言すれば、制御系全体が安定していない、即ち、制御系全体の一巡周波数応答のベクトル軌跡が負の実軸においてクリティカルポイントより左側で交わっている状態にあると言える。

これに対し、トルク安定化補償器１１１を有する制御機構では、図中実線で示すように、共振特性が抑制されるなど、所望の特性となっている。換言すれば、制御系全体が安定している、即ち、制御系全体の一巡周波数応答のベクトル軌跡が負の実軸においてクリティカルポイントより右側で交わっている状態にあると言える。図７に例示したような周波数特性を持つトルク安定化補償器１１１を用いることで、ハンドルトルクに対するトルクセンサの特性を、図８に例示するような所望の特性にすることができるのである。

特開２００４−２１６９５１号公報

しかしながら、このトルク安定化補償器（位相補償器）１１１の設計は難しく、設計に手間がかかる上に、伝達関数Ｇｐの次数が高くて実装も困難である。下記式（１）に、図７に示した周波数特性を有するトルク安定化補償器１１１の伝達関数Ｇｐの一例を示す。

即ち、図７に例示したように、ゲイン特性については一旦低下させてその後再び上昇させるといった複雑な特性にする必要があり、どの周波数帯域でどの程度低下させるか、またどの周波数帯域でどこまで上昇させるかなどの具体的設定等が難しく、その設計は実際には多くの工数を要する。

しかも、伝達関数Ｇｐを低次で実現するのは不可能に近く、上記式（１）に例示したように、最低でも５次以上は必要となる。そのため、制御設計についての高い知識がないと設計することができず、よって設計するのに非常に手間がかかってしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、制御系全体の安定化のために制御系に設ける補償機能を簡素な構成で実現できるようにすることを目的とする。

本発明者らは、従来の電動パワーステアリングシステムの制御機構（例えば図６）をあらためて見直したとき、目標アシストトルク演算部１１０と電流制御部１２０の役割がそれぞれ固定化されているという現状、特に実電流Ｉｍが単に電流フィードバック制御のためにしか用いられていないこと、即ち、従来よく知られているモータの電流フィードバック制御と同様に目標電流への追従のために用いられているにすぎないということを再認識した。

電動パワーステアリングシステムで用いられるモータは、車両で用いられる他の各種モータと比較して特殊な部類に入り、回転方向が頻繁に切り換わったり、発生させるべきアシストトルクも常に変動したりするなど、動作が非常に複雑である。にもかかわらず、従来の電動パワーステアリングシステムにおけるモータの制御は、一般的なモーションコントロールと同様に電流フィードバック制御によって行われている。

このような現状に対し、本発明者らは、電動パワーステアリングシステム全体をみたときにモータ制御がどうあるべきか、電流検出値（実電流）を他に有効利用できないか、電動パワーステアリングシステムならではの実電流の使い方が存在するのではないか、と考えた。

そこで、実電流の有効利用と、従来のトルク安定化補償器１１１は設計や実装が困難であるという現状の両面から、制御系全体の安定化を、従来のように目標アシストトルクを演算する制御ブロックにおいて位相補償器を設けて実現する代わりに、実電流を元に実現すること、即ち実電流を用いて制御系安定化のための補償手段を構成することを考え、本発明に至った。

即ち、上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、車両のハンドルに連結されて該ハンドルと共に回転する入力軸と、その入力軸の回転を車両の操舵輪に伝達することにより該操舵輪を操舵させる入力伝達手段と、入力軸に加えられる軸回転方向のトルクである操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、ハンドルの操作による操舵輪の操舵時に該ハンドルの操作をアシストするためのアシストトルクを入力軸又は入力伝達手段に与えるためのモータと、を備えた電動パワーステアリングシステムに設けられ、上記モータを制御することによりアシストトルクを制御する電動パワーステアリング制御装置であって、操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクに基づき、該操舵トルクに応じた値のアシストトルクである目標アシストトルクを発生させるためにモータに流すべき目標電流を演算する目標電流演算手段と、目標電流演算手段により演算された目標電流とモータに実際に流れる電流である実電流との差に基づき、その差が０となるようにモータの通電電流を制御するための基本指令を生成する基本指令生成手段と、実電流に基づいて、前記電動パワーステアリングシステムの制御系全体を安定化させるために上記基本指令を補償するための、補償指令を生成する補償指令生成手段と、基本指令生成手段により生成された基本指令を、補償指令生成手段により生成された補償指令により補償することによって、最終的にモータ側へ出力すべき電流指令を生成する電流指令生成手段と、電流指令生成手段により生成された電流指令に応じてモータへの通電を行うことによりモータを駆動するモータ駆動手段と、を備えている。そして、補償指令生成手段は、入力される実電流に対する、出力される補償指令の伝達関数が、微分演算子ｓを用いて表したときにｓの４次以下の関数を用いて表されるものである。

上記構成の電動パワーステアリング制御装置によれば、従来の位相補償器のように操舵トルクに対して位相補償をかけることにより制御系全体の安定化を図るのではなく、実電流をもとに補償量（補償指令）を生成して基本指令生成手段からの基本指令を補正することで、制御系全体の安定化を実現している。そして、それを実現するための補償指令生成手段は、４次以下の低次の伝達関数にて実現できる。

このように、実電流を用いた低次の補償指令生成手段によって制御系全体の安定化を実現することで、従来煩雑且つ困難であった、安定化のための制御器の設計が大幅に容易になり、実装も非常に楽になる。そのため、従来に比べて制御機構の設計・実装にかかる工数を飛躍的に低減することができる。

尚、「制御系全体」とは、目標電流演算手段により演算された目標電流に基づいて基本指令生成手段、補償指令生成手段、及び駆動手段を経てモータが駆動され、その結果操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクが目標電流演算手段へフィードバックされる、一巡の閉ループ系全体を意味する。また、「ｓの４次以下の関数」とは、伝達関数が分数関数で表されるものである場合には、その分母及び分子の双方がｓの４次以下の関数であることを意味する。

補償指令生成手段の具体的構成は種々考えられるが、設計の容易性の観点からは、その伝達関数の次数はより低い方がよく、例えば請求項２に記載のようにｓの２次関数を用いて表されるものであるとよい。更に、この場合において伝達関数が分数関数で表されるものである場合には、分母がｓの２次関数で分子が定数の分数関数であるような伝達関数で表される補償指令生成手段を構成するとよい。

このように、伝達関数がｓの２次関数で表される補償指令生成手段を構成することで、制御系全体の安定化を適切に維持しつつ、制御機構の設計や実装にかかる工数をより低減することができる。

また、低次でありながら制御系全体の安定化を適切に図ることができる補償指令生成手段の伝達関数は、より具体的には、例えば請求項４に記載のように、その周波数応答におけるゲイン特性が、所定の境界周波数より低い低周波領域では略一定のゲインとなり、境界周波数より高い高周波領域ではゲインが単調減少していくような特性を有するものとするとよい。

更に加えて、その周波数応答における位相特性については、例えば請求項５に記載のように、周波数が境界周波数から０に近づくに従って位相が１８０度に近付き、周波数が境界周波数から高くなるに従って位相が０度に近付いていくような特性を有するものとするとよい。

このような周波数特性を持つ補償指令生成手段を構成することで、低次且つ簡素な構成でありながら、制御系全体の安定化を適切且つ確実に図ることができる。

実施形態の電動パワーステアリングシステムの概略構成を表す構成図である。 ＥＣＵ内部の概略構成を含む、電動パワーステアリングシステムの制御機構の概略構成を表す構成図である。 電流安定化補償器の設計手順を説明するための説明図である。 電流安定化補償器の周波数特性を表すボード線図である。 実施形態の電動パワーステアリングシステムにおける、ハンドルトルクに対するトルクセンサ（操舵トルク）の周波数特性を表すボード線図である。 従来の電動パワーステアリングシステムの制御機構の概略構成を表す構成図である。 従来のトルク安定化補償器（位相補償器）の周波数特性を表すボード線図である。 従来の電動パワーステアリングシステムにおける、ハンドルトルクに対するトルクセンサ（操舵トルク）の周波数特性を表すボード線図である。

以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の電動パワーステアリングシステム１の概略構成を表す構成図である。本実施形態の電動パワーステアリングシステム１は、ドライバーによるハンドル２の操作をモータ６によってアシストするものである。ハンドル２は、ステアリングシャフト３の一端に固定され、ステアリングシャフト３の他端にはトルクセンサ４が接続されており、このトルクセンサ４の他端には、インターミディエイトシャフト５が接続されている。

トルクセンサ４は、操舵トルクＴｓを検出するためのセンサである。具体的には、ステアリングシャフト３とインターミディエイトシャフト５とを連結するトーションバーを有し、このトーションバーのねじれ角に基づいてそのトーションバーに加えられているトルクを検出する。

モータ６は、ハンドル２の操舵力をアシスト（補助）するものであり、減速機構６ａを介してその回転がインターミディエイトシャフト５に伝達される。即ち、減速機構６ａは、モータ６の回転軸の先端に設けられたウォームギアと、このウォームギアと噛み合った状態でインターミディエイトシャフト５に同軸状に設けられたウォームホイールとにより構成されており、これにより、モータ６の回転（アシストトルク）がインターミディエイトシャフト５に伝達される。逆に、ハンドル２の操作や路面からの反力（路面負荷）によってインターミディエイトシャフト５が回転されると、その回転が減速機構６ａを介してモータ６に伝達され、モータ６も回転されることになる。

また、モータ６は、本実施形態ではブラシレスモータであり、内部にレゾルバ等の回転センサを備え、モータ６の回転状態を出力可能に構成されている。本実施形態のモータ６は、回転センサからの回転状態として、少なくともモータ速度ω（回転角速度を示す情報）を出力可能に構成されている。

インターミディエイトシャフト５における、トルクセンサ４が接続された一端とは反対側の他端は、ステアリングギアボックス７に接続されている。ステアリングギアボックス７は、ラックとピニオンギアからなるギア機構にて構成されており、インターミディエイトシャフト５の他端に設けられたピニオンギアに、ラックの歯が噛み合っている。そのため、ドライバーがハンドル２を回すと、インターミディエイトシャフト５が回転（即ちピニオンギアが回転）し、これによりラックが左右に移動する。ラックの両端にはそれぞれタイロッド８が取り付けられており、ラックとともにタイロッド８が左右の往復運動を行う。これにより、タイロッド８がその先のナックルアーム９を引っ張ったり押したりすることで、操舵輪である各タイヤ１０の向きが変わる。

また、車両における所定の部位には、車両速度Ｖを検出するための車速センサ１１が設けられている。
このような構成により、ドライバーがハンドル２を回転させると、その回転がステアリングシャフト３、トルクセンサ４、及びインターミディエイトシャフト５を介してステアリングギアボックス７に伝達される。そして、ステアリングギアボックス７内で、インターミディエイトシャフト５の回転がタイロッド８の左右移動に変換され、タイロッド８が動くことによって、左右の両タイヤ１０が操舵される。

ＥＣＵ１５は、図示しない車載バッテリからの電力によって動作し、トルクセンサ４にて検出された操舵トルクＴｓ、モータ６のモータ速度ω、及び車速センサ１１にて検出された車両速度Ｖに基づいて、モータ６に流すべき電流値を示す電流指令を生成する。そして、その電流指令に応じた駆動電圧Ｖｄをモータ６へ印加することにより、ドライバーがハンドル２を回す力（延いては両タイヤ１０を操舵する力）をアシストするためのアシストトルクをモータ６に発生させる。

本実施形態ではモータ６がブラシレスモータであるため、ＥＣＵ１５からモータ６へ出力（印加）される駆動電圧Ｖｄは、詳しくは、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電圧Ｖｄｕ，Ｖｄｖ，Ｖｄｗである。ＥＣＵ１５からモータ６へこれら各相の駆動電圧Ｖｄｕ，Ｖｄｖ，Ｖｄｗを印加（各相の駆動電流を通電）することで、モータ６の回転が制御される。ブラシレスモータを３相の駆動電圧で駆動（例えばＰＷＭ駆動）する方法やその３相の駆動電圧を生成する駆動回路（例えば３相バイポーラ駆動回路）についてはよく知られているため、ここではその詳細説明は省略する。

ＥＣＵ１５は、直接的にはモータ６へ印加する駆動電圧Ｖｄを制御することによりモータ６を制御するものであるが、モータ６を制御することで結果としてそのモータ６により駆動されるＥＰＳメカ１４０を制御するものであると言え、よってＥＣＵ１５の制御対象はこのＥＰＳメカ１４０であるとも言える。尚、ＥＰＳメカ１４０は、図１に示したシステム構成図のうちＥＣＵ１５及びモータ６を除く機構全体、即ちハンドル２から各タイヤ１０に至る、ハンドル２の操舵力が伝達される機構全体を示す。

次に、ＥＣＵ１５の内部構成（制御機構）について、図２のブロック図を用いて説明する。図２において、モータ６及びＥＰＳメカ１４０を除く、目標アシストトルク演算部２０から駆動回路１３０に至る各ブロックが、ＥＣＵ１５により実現されるものである。尚、ＥＣＵ１５により実現される各ブロックのうち、駆動回路１３０を除く各部は、実際には、ＥＣＵ１５が備える図示しないＣＰＵが所定の制御プログラムを実行することによって実現されるものである。つまり、図２における目標アシストトルク演算部２０から補償演算部３２に至る各ブロックは、ＣＰＵによって実現される各種機能を機能ブロック毎に分けて図示したものである。但し、これら各ブロックがソフトウェアにて実現されることはあくまでも一例であり、例えばロジック回路等のハードウェアにて実現するようにしてもよいことはいうまでもない。

また、図２において、図６に示した従来の制御機構と同じ構成については図６と同じ符号を付し、その詳細説明を省略する。そして、以下、図２に示す本実施形態の制御機構について、図６に示した従来の制御機構と異なる部分を中心に説明する。

ＥＣＵ１５は、図２に示すように、操舵トルクＴｓ、車速Ｖ、及びモータ速度ωに基づいて目標アシストトルク（目標電流）を演算する目標アシストトルク演算部２０と、その目標アシストトルク演算部２０により演算された目標電流とモータ６に実際に流れる実電流Ｉｍとの差である電流偏差を演算する偏差演算器１０２と、その電流偏差及び実電流Ｉｍに基づいて、モータ６に通電すべき電流の基本量を示す基本指令を演算する電流制御部１２０と、実電流Ｉｍに基づいて、電動パワーステアリングシステム１の制御系全体を安定化させるための補償指令を生成する電流安定化補償器３１と、電流制御部１２０により演算された基本指令を電流安定化補償器３１により生成された補償指令により補償する（本例では加算する）ことでモータ６側へ最終的に出力する電流指令を演算する補償演算部３２と、その電流指令に応じた電流をモータ６に流す（実際には駆動電圧Ｖｄをモータ６に印加する）ための駆動回路１３０と、を備えている。

尚、図示は省略したものの、駆動回路１３０の内部又は駆動回路１３０からモータ６に至る通電経路中には、実電流Ｉｍを検出するための検出素子を含む検出回路が備えられており、その検出回路によって実電流Ｉｍが検出される。

目標アシストトルク演算部２０は、図６に示した従来の目標アシストトルク演算部１１０からトルク安定化補償器（位相補償器）１１１を省いたものである。そのため、本実施形態の目標アシストトルク演算部２０においてベースアシスト演算部１１２にて演算されるベースアシストトルクは、トルクセンサ４の検出値である操舵トルクＴｓに比例ゲインＧａを乗じたものであって、位相補償がかけられたものではない。そのため、単に、そのベースアシストトルクを各補償トルクで補償してなる目標アシストトルクに基づいて、電流制御部１２０が電流フィードバック制御を行うだけの構成にすると、既述の通り制御系全体が不安定になってしまう。

そこで本実施形態では、目標アシストトルク演算部２０を位相補償器を有しない構成にする代わりに、電流制御部１２０に対して、制御系安定化のための補償器である電流安定化補償器３１をアドオンする。そして、従来は電流制御部１２０からの基本指令をそのまま電流指令として駆動回路１３０へ出力していたのに対し、本実施形態では、電流制御部１２０からの基本指令を、電流安定化補償器３１により生成された補償指令によって補償する。具体的には、両指令を補償演算部３２にて加算する。そして、その補償後の値を、最終的にモータ６側へ出力すべき電流指令として、駆動回路１３０へ出力する。

ところで、本実施形態のＥＣＵ１５のように、目標アシストトルク演算部２０に位相補償器を設ける代わりに電流制御部１２０に電流安定化補償器３１をアドオンする構成とした背景には、［課題を解決するための手段］の欄の冒頭部分で説明したように、従来の位相補償器はその伝達関数が高次で設計に手間がかかっていたことや、電流のフィードバック情報である実電流Ｉｍを単に電流フィードバック制御のためだけでなく他に（例えば制御系安定化のために）有効利用できないかと模索したことが挙げられる。そういった背景をもとに実現されたのが、図２に示した本実施形態の電動パワーステアリングシステム１の制御機構である。

電流安定化補償器３１の具体的構成やその設計手順は種々考えられるが、本実施形態の電流安定化補償器３１は、伝達関数Ｇｉが次式（２）で表されるものである。尚、ｓは周知の微分演算子である。

上記式（２）から明らかなように、電流安定化補償器３１は、伝達関数Ｇｉが、分母がｓの２次関数で分子が定数の分数関数で表されるものとなっている。つまり、式（１）に示した従来の位相補償器の伝達関数Ｇｐと比較して、次数が５次から２次へと大幅に低減されている。

ここで、上記式（２）の伝達関数Ｇｉで表される電流安定化補償器３１の具体的設計手順について、その一例を説明する。電流安定化補償器３１を設計するにあたり、その最終的な目的は、制御系全体を安定化させることにある。何をもって制御系全体が安定であると言えるかについては種々考えられ、例えば、いわゆるナイキストの安定判別法としてよく知られているように、制御系全体の一巡周波数応答のベクトル軌跡が実軸上において（−１、ｊ０）よりも右側と交わるようにすることが考えられる。或いは、制御系におけるある入力に対するある出力の関係が所望の特性を満たす（結果的には上記ナイキストの安定判別法によっても安定であると判断される）ようにすることも考えられる。

そこで本実施形態では、電流安定化補償器３１を設計するにあたり、まず、電動パワーステアリングシステム１のベースモデルを設定し、そのベースモデルに電流安定化補償器３１をアドオンしてなる設計モデルを設定した。その設計モデルを、図３に示す。

図３に示す設計モデルは、目標アシストトルク演算部２０を構成するベースアシスト演算部１１２と、偏差演算器１０２と、電流制御器１２１と、設計対象である電流安定化補償器３１と、補償演算部３２と、ＥＰＳメカ１４０（ここではモータ６を含む）とからなる閉ループ系の制御モデルである。

このような設計モデルにおいて、電流安定化補償器３１の伝達関数として、分母が２次関数で分子が定数の分数関数を設定した。但しその設定段階においては、当然ながら、伝達関数の各パラメータは未知である。また、制御系全体の特性（入出力伝達特性）として、ドライバーによってハンドル２に加えられるハンドルトルクに対する操舵トルクＴｓの特性（以下「ハンドルトルク→トルクセンサ特性」とも言う）に着目した。そして、そのハンドルトルク→トルクセンサ特性が所望の特性になるように電流安定化補償器３１を設計すること、即ち伝達関数の未知のパラメータを決定することを試みた。

尚、ハンドルトルク→トルクセンサ特性について、所望の特性とは、本実施形態では、図８に実線で示した特性、即ち、位相補償器１１１を備えた従来の制御系におけるハンドルトルク→トルクセンサ特性（詳しくはゲイン及び位相の周波数応答）と同等の特性である。位相補償器１１１を備えた従来の制御系と同等の特性を有するように電流安定化補償器３１を設計することで、結果として、ナイキストの安定判別法によっても安定であると判断されるような制御系が実現される。

図３に示した設計モデルに基づく、電流安定化補償器３１の各パラメータの導出方法として、本例ではいわゆる最適化手法を用いた。即ち、図３の設計モデルの枠組みの中で、各パラメータを振りながらハンドルトルク→トルクセンサ特性を見て、ハンドルトルク→トルクセンサ特性が所望の特性となるように各パラメータを収束させていくことで、各パラメータの最適化を図った。そして、そのような最適化手法によって得られた電流安定化補償器３１の伝達関数Ｇｉの一例が、上記式（２）である。

尚、最適化手法により各パラメータを収束させることで電流安定化補償器３１を設計する際の設計ツールとしては、例えば、制御系設計ＣＡＤとして周知のＭＡＴＬＡＢを用いることができる。

そして、このようにして得られた電流安定化補償器３１の伝達関数Ｇｉ（上記式（２））の周波数応答（ボード線図）を、図４に示す。図４に示すように、ゲイン特性については、概ね、１０Ｈｚ（本発明の境界周波数に相当）より低い低周波領域では略一定のゲインであって１０Ｈｚより高い高周波領域ではゲインが単調減少していくような特性となる。一方、位相特性については、例えば１０Ｈｚを中心にみたとき、周波数が１０Ｈｚから０に近づくに従って位相が１８０度に近付いていき、逆に周波数が１０Ｈｚから高くなるに従って位相が０度に近付いていくような特性となる。

図５に、本実施形態の電動パワーステアリングシステム１における、ハンドルトルク→トルクセンサ特性について、その周波数応答（ボード線図）の一例を示す。図５において、濃い実線で示されている波形が本実施形態の周波数応答である。尚、図５において薄い実線で示されている波形は、位相補償器を備えた従来のシステムの周波数応答であり、薄い一点鎖線で示されている波形は、安定化用の補償器を有しないシステムの周波数応答である。

図５から明らかなように、本実施形態の電動パワーステアリングシステム１の周波数応答（濃い実線）は、位相補償器を用いた従来のシステムの周波数応答（薄い実線）とほぼ同じ特性となっている。つまり、従来の位相補償器に代えて電流安定化補償器を用いることで、従来の位相補償器を用いたシステムと同等のハンドルトルク→トルクセンサが実現されている。

このように、本実施形態では、電流制御部１２０に対し、低次（本例では２次）の伝達関数で表される電流安定化補償器３１をアドオンすることで、制御系全体の安定化が実現されている。

従って、本実施形態の電動パワーステアリングシステム１によれば、実電流Ｉｍを用いた低次の電流安定化補償器３１によって制御系全体の安定化を実現することで、従来煩雑且つ困難であった、安定化のための制御器の設計が大幅に容易になり、実装も非常に楽になる。そのため、従来に比べて制御機構の設計・実装にかかる工数を飛躍的に低減することができる。

特に、電流安定化補償器３１を、２次という非常に低い次数の伝達関数にて実現することもでき、そのようにすることで、制御機構の設計や実装にかかる工数をより低減することができる。

また、低次の伝達関数で実現できることで、ＥＣＵ１５が固定小数点演算により各種演算を行うように構成されていても、オーバーフローやアンダーフローの影響を抑制でき、所望の特性を確実に得ることができる。

尚、本実施形態において、ステアリングシャフト３は本発明の入力軸に相当し、ＥＰＳメカ１４０におけるステアリングシャフト３よりも下流側（車輪１０側）の機構全体が本発明の入力伝達手段に相当し、目標アシストトルク演算部２０は本発明の目標電流演算手段に相当し、電流制御部１２０は本発明の基本指令生成手段に相当し、電流安定化補償器３１は本発明の補償指令生成手段に相当し、補償演算部３２は本発明の電流指令生成手段に相当する。

［変形例］
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、電流安定化補償器３１を設計するために最適化手法を用いたが、これはあくまでも一例であり、電流安定化補償器３１を設計するための具体的方法は特に限定されるものではない。例えば、Ｈ∞制御理論を用いて設計することも可能である。但し、Ｈ∞制御理論を用いて設計した場合、次数の高い伝達関数が導出される可能性もあるため、その場合は、その導出された伝達関数を、例えばハンケルノルムの理論等を用いて可能な限り低次元化するようにするとよい。

また、上記実施形態では、電流安定化補償器３１の伝達関数として式（２）を例示したが、これもあくまでも一例であり、次数を含め、どのような伝達関数とするかは適宜決めることができる。但し、制御器設計の工数を低減させるという目的から、次数は少なくとも４次以下とする必要がある。

また、図４に示した電流安定化補償器３１の周波数応答についても、あくまでも一例であり、結果として制御系全体を安定化することができる限り、具体的にどのような周波数応答をもたせるかについては特に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、モータ６としてブラシレスＤＣモータを用いたが、ブラシレスＤＣモータを用いることはあくまでも一例であって、例えばブラシ付ＤＣモータであってもよいし、他の各種モータであってもよい。ブラシ付ＤＣモータを用いる場合、そのモータ速度ωは、例えばエンコーダ等の回転センサを用いたり、或いはモータの端子電圧とモータ電流を検出してこれら検出結果から推定演算すること等によって検出できる。

また、上記実施形態では、モータ６が回転センサを備え、その回転センサによってモータ速度が検出されるものとしたが、これも一例に過ぎず、回転センサをどこに備えるか、延いては必要な情報（モータ速度やモータ回転角などのモータ６の回転状態）をどのようにして検出するかは、適宜決めることができる。そのため、モータ６として例えばブラシ付ＤＣモータを用いた場合は、モータ６に流れる電流に基づいて回転状態を推定する方法等を用いることによって回転状態を得るようにしてもよい。

また、上記実施形態では、電動パワーステアリングシステム１の方式として、インターミディエイトシャフト５の回転をモータ６でアシストする、いわゆるシャフトアシスト式の構成を例に挙げて説明したが、これもあくまでも一例であり、例えばタイロッド８の往復運動（即ちステアリングギアボックス７内のラックの往復運動）をモータでアシストする、いわゆるラックアシスト式のものにも適用できるなど、種々のアシスト方式の電動パワーステアリングシステムに対して本発明を適用することが可能である。

１…電動パワーステアリングシステム、２…ハンドル、３…ステアリングシャフト、４…トルクセンサ、５…インターミディエイトシャフト、６…モータ、６ａ…減速機構、７…ステアリングギアボックス、８…タイロッド、９…ナックルアーム、１０…タイヤ、１１…車速センサ、２０，１１０…目標アシストトルク演算部、３１…電流安定化補償器、３２…補償演算部、１０２…偏差演算器、１１１…トルク安定化補償器（位相補償器）、１１２…ベースアシスト演算部、１１３…アシスト補償部、１１４…加算器、１１５…戻し制御部、１１６…ダンピング制御部、１２０…電流制御部、１２１…電流制御器、１３０…駆動回路、１４０…ＥＰＳメカ

Claims (5)

1. 車両のハンドルに連結されて該ハンドルと共に回転する入力軸と、
   前記入力軸の回転を前記車両の操舵輪に伝達することにより該操舵輪を操舵させる入力伝達手段と、
   前記入力軸に加えられる軸回転方向のトルクである操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、
   前記ハンドルの操作による前記操舵輪の操舵時に該ハンドルの操作をアシストするためのアシストトルクを前記入力軸又は前記入力伝達手段に与えるためのモータと、
   を備えた電動パワーステアリングシステムに設けられ、前記モータを制御することにより前記アシストトルクを制御する電動パワーステアリング制御装置であって、
   前記操舵トルク検出手段により検出された前記操舵トルクに基づき、該操舵トルクに応じた値の前記アシストトルクである目標アシストトルクを発生させるために前記モータに流すべき目標電流を演算する目標電流演算手段と、
   前記目標電流演算手段により演算された前記目標電流と前記モータに実際に流れる電流である実電流との差に基づき、その差が０となるように前記モータの通電電流を制御するための基本指令を生成する基本指令生成手段と、
   前記実電流に基づいて、前記電動パワーステアリングシステムの制御系全体を安定化させるために前記基本指令を補償するための、補償指令を生成する補償指令生成手段と、
   前記基本指令生成手段により生成された前記基本指令を、前記補償指令生成手段により生成された前記補償指令により補償することによって、最終的に前記モータ側へ出力すべき電流指令を生成する電流指令生成手段と、
   前記電流指令生成手段により生成された前記電流指令に応じて前記モータへの通電を行うことにより前記モータを駆動するモータ駆動手段と、
   を備え、
   前記補償指令生成手段は、入力される前記実電流に対する、出力される前記補償指令の伝達関数が、微分演算子ｓを用いて表したときにｓの４次以下の関数を用いて表されるものである
   ことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング制御装置であって、
   前記補償指令生成手段の前記伝達関数は、ｓの２次関数を用いて表されるものである
   ことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
3. 請求項２に記載の電動パワーステアリング制御装置であって、
   前記補償指令生成手段の前記伝達関数は、分母がｓの２次関数で分子が定数の分数関数である
   ことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の電動パワーステアリング制御装置であって、
   前記補償指令生成手段の前記伝達関数は、その周波数応答におけるゲイン特性が、所定の境界周波数より低い低周波領域では略一定のゲインとなり、前記境界周波数より高い高周波領域ではゲインが単調減少していくような特性である
   ことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。
5. 請求項４に記載の電動パワーステアリング制御装置であって、
   前記補償指令生成手段の前記伝達関数は、その周波数応答における位相特性が、周波数が前記境界周波数から０に近づくに従って位相が１８０度に近付き、周波数が前記境界周波数から高くなるに従って位相が０度に近付いていくような特性である
   ことを特徴とする電動パワーステアリング制御装置。