特許 7160914 パワーステアリングシステムにおける摩擦補償の方法および関連する推定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-17

(45)【発行日】2022-10-25

(54)【発明の名称】パワーステアリングシステムにおける摩擦補償の方法および関連する推定方法

(51)【国際特許分類】

   B62D 6/00 20060101AFI20221018BHJP

   B62D 5/04 20060101ALI20221018BHJP

   B62D 119/00 20060101ALN20221018BHJP

【ＦＩ】

B62D6/00

B62D5/04

B62D119:00

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020524818

(86)(22)【出願日】2018-10-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-01-28

(86)【国際出願番号】 FR2018052635

(87)【国際公開番号】W WO2019092341

(87)【国際公開日】2019-05-16

【審査請求日】2021-09-17

(31)【優先権主張番号】17/60639

(32)【優先日】2017-11-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】511110625

【氏名又は名称】ジェイテクト ユーロップ

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ギルモン アラン

(72)【発明者】

【氏名】ブードゥレ セバスチャン

(72)【発明者】

【氏名】スラマ タール

(72)【発明者】

【氏名】ムレール パスカル

(72)【発明者】

【氏名】ボドワン ニコラ

【審査官】飯島 尚郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１７９７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２２０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０８７３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１５０３８９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６２Ｄ ６／００

Ｂ６２Ｄ ５／０４

Ｂ６２Ｄ １０１／００－１３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両の電動パワーステアリングにおいて、中間摩擦率の連続推定を行う方法であって、
ａ）前記電動パワーステアリングにおける電気モータの速度を測定するように構成された速度センサによって実行される、第１の速度を測定するステップと、
ｂ）前記電動パワーステアリングにおけるハンドルとラックとの間のトルクを測定するように構成されたトルクセンサによって実行されるハンドル／運転者トルクの測定結果から、第２の速度を決定するステップであって、
（ｓ１）前記電動パワーステアリングにおける前記ハンドルと前記ラックとの間のトルクを測定するように構成された前記トルクセンサによって実行される前記ハンドル／運転者トルクを測定するサブステップと、
（ｓ２）前記トルクの測定値の時間微分を行うサブステップと、
（ｓ３）前記サブステップｓ２で得られた導関数を既定の剛性ｋに適用するサブステップと、
（ｓ４）トルク速度と呼ばれる前記第２の速度を得るサブステップと、
に従って実行される前記第２の速度を決定するステップと、
ｃ）前記第１の速度と前記第２の速度との合計値であって、ハンドル速度と呼ばれる合計値を決定するステップと、
ｄ）ＬｕＧｒｅモデルを、該ＬｕＧｒｅモデルの入力として用いられるステップ（ｃ）で決定された前記合計値に適用するステップと、
ｅ）前記中間摩擦率（ｗ）の連続推定を得るステップであって、Ｖが前記車両の速度に対応し、Ｔが前記ステアリングの温度に対応し、ａ＊がテストベンチ上で測定された前記システムの動摩擦係数に対応し、σ１が微少減衰に対応し、ｚが内部摩擦の状態に対応するものとすると、前記システムにおける摩擦係数μの連続推定が、

【数1】

によって表され、前記中間摩擦率ｗの決定が

【数2】

によって実行されるステップと、を備える
ことを特徴とする推定方法。

【請求項2】

電動パワーステアリングの摩擦を補償する方法であって、
請求項１に記載の連続推定方法によって得られる前記中間摩擦率の連続推定を考慮に入れる
ことを特徴とする補償方法。

【請求項3】

請求項２に記載の補償方法において、
Ｅ１ 請求項１に記載の中間摩擦率の連続推定方法を実現することであって、前記中間摩擦率（ｗ）の少なくとも１回の連続推定と、少なくとも１つの動摩擦振幅の推定値と、前記中間摩擦率（ｗ）の連続推定による摩擦の推定（ＦＲＩ）の調節と、を得るステップと、
Ｅ２ 前記電動パワーステアリングにおける所望の摩擦

【数3】

に対応する既定の摩擦振幅を得るステップと、
Ｅ３ 前記動摩擦振幅の推定値と前記所望の動摩擦振幅との間の差分を求めるステップと、
Ｅ４ 補償されるべき摩擦の大きさ（Ｘ）を得るために、前記ステップＥ３で得られた差分の結果と、前記中間摩擦率（ｗ）の連続推定と、の積を求めるステップと、
Ｅ５ 前記ステップＥ４で得られた値（Ｘ）と、動きとは反対方向の力の集合の既定の推定（ＲＦＥ）との間の差分を（ＲＦＥを補償するために）求めるステップと、
Ｅ６ 前記運転者トルクの目標値および前記運転者トルクの測定値に応じて、コントローラ（ＣＰＵ）によって該運転者トルクを監視することで前記パワーステアリングを補償するステップと、を少なくとも有する
ことを特徴とする補償方法。

【請求項4】

請求項３に記載の補償方法において、
前記ステップＥ２は、チャート、所定のデータベース、または既定のデータ入力によって得ることができる
ことを特徴とする補償方法。

【請求項5】

請求項３または４に記載の補償方法において
前記運転者トルクの監視は、閉ループで実行される
ことを特徴とする補償方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動パワーステアリングシステムの技術分野、特にハンドル上での運転者の感触に関する。

【背景技術】

【0002】

パワーステアリングシステムにはいくつかのタイプがあるが、本発明は、車両のステアリングの際に運転者をアシストするために電気モータを用いる、「ＤＡＥ」と呼ばれる電動パワーステアリングシステムに関する。

【0003】

電動パワーステアリングの第１の目的は、アシスト、つまり設定される動きにおけるハンドル／運転者トルクの低減である。したがって、ハンドル／運転者トルクセンサが、車両のステアリングコラム上で運転者によって行使されるトルクを測定するように構成され、そしてコンピュータが、関連するアシストを決定し、測定したトルクおよび運転条件に応じて電動パワーステアリングの電気モータを駆動させて、一方ではステアリングコラムによってハンドルに接続され他方ではステアリングタイロッドによって車輪に接続されたラックのピニオンに追加のトルクを提供する。電動パワーステアリングの第２の目的は、運転者に「操舵感」と呼ばれるハンドル上での良好な感触を提供することである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ハンドル／運転者トルクのみに基づくこれら第1の「アシスト則」が失敗であるのは、運転者がステアリングの機械的摩擦を多く感じるということであるが、これは不正確であると考えられる。実際において、小さな動き、特にトルクがほとんどないゼロに近い動きにおいては、一方向に動きがある場合、トルクは解除され、アシストは停止しており、運転者はステアリングの摩擦で粘着感を持つ。つまり、電動パワーステアリングの機械的摩擦が、低負荷の運転者作用力の下でのラックの動きを低減または打ち消しさえして、これにより、細かな動き補正を実現するために強力で非線形の運転者トルク変動を加えることによって運転精度が低下する。ヒステリシスが次に考慮される。つまり、一方向のハンドル／運転者トルクは他方向のハンドル／運転者トルクとは異なる。感触を向上させるためには、運転者負荷が低い場合、ひいては変位速度が非常に低い場合を含めて、ステアリングの機械的摩擦を連続的に補償することによって、このヒステリシスを減らすことが必要である。

【0005】

速度が明確に設定されるとき、例えば速度が２０°／ｓより大であるときは、電動パワーステアリングのモータ速度センサの測定により摩擦を補償することはかなり容易である。実際において、物理的には動摩擦は動きとは反対方向の一定の値であるため、動きの方向を検出して摩擦を補償することができる。

【0006】

しかしながら、粘着領域での、つまり絶対値で約２％より低い変位速度に対する摩擦補償機能には、絶対値で１より低い中間摩擦率（un taux intermediaire de frottement）を細かにそしてそれ故リアルタイムで推定する方法を知る必要性が示唆される。したがって、この要求は、センサノイズによって必然的に誘発される振動現象を避けるために電動パワーステアリングのモータの速度信号のみに基づき、よって閾値より低いモータ速度の絶対値には反応しない他の摩擦補償機能に対応する必要性よりはるかに制約がある。

【0007】

中間摩擦率の測定を可能にする物理的なセンサは、存在しない。この中間摩擦率はしかし数学的モデルによって推定することができる。摩擦を推定する多くのモデルがあるが、低振幅のサイクルでは不連続であるという問題があり、したがって摩擦補償機能に関連する場合はハンドル上の感触不良を引き起こす。

【0008】

本発明は、中間摩擦率の連続推定の方法であって、特に既定の閾値、つまり絶対値で約０．５°／ｓから３°／ｓの間、好ましくは絶対値で約１．５°／ｓから２．５°／ｓの間、さらに好ましくは２°／ｓである閾値より低い変位速度に対して、ハンドル上の感触を連続的に向上させるために、アシストモータによってグローバルな摩擦補償方法への統合が可能な方法を提案することによって、上記の欠点のすべてまたは一部を克服することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、車両の電動パワーステアリングにおいて、特に既定の閾値より低い変位速度に対して、中間摩擦率の連続推定を行う方法であって、
ａ）電動パワーステアリングにおける電気モータの速度を測定するように構成された速度センサによって実行される、第１の速度を測定するステップと、
ｂ）電動パワーステアリングにおけるハンドルとラックとの間のトルクを測定するように構成されたトルクセンサによって実行されるハンドル／運転者トルクの測定結果から、第２の速度を決定するステップと、
ｃ）第１の速度と第２の速度との合計値であって、ハンドル速度と呼ばれる合計値を決定するステップと、
ｄ）ＬｕＧｒｅモデルを、該ＬｕＧｒｅモデルの入力として用いられるステップ（ｃ）で決定された合計値に適用するステップと、
ｅ）中間摩擦率（ｗ）の連続推定を得るステップと、を備える推定方法に関する。

【0010】

本発明による推定方法による、ハンドル／運転者トルクに対応する第２の速度の決定は、ハンドル上の運転者の非常に低い負荷を考慮に入れることができる。実際の場合、運転者の負荷が非常に低い場合は、パワーステアリングの様々な部品および機械的噛み合いに連結される、ハンドルと電気モータとの間に存在する摩擦が、電気モータの負荷を妨げる。したがって、第１の速度はゼロである。

【0011】

したがって、第２の速度の決定は、ハンドル上の運転者の低負荷に対するパワーステアリングの摩擦を考慮に入れ、よってこれを効果的に補償するのを可能にする。

【0012】

第１の速度および第２の速度の合計値は、第２の速度を介することによる、ハンドル上での運転者の低負荷と、第１の速度を介することによる、走行表面から生じかつラックに直接バイアスをかける低負荷と、の両方を考慮に入れることを可能にする。

【0013】

有利なこととして、本発明による推定方法は、不連続性の問題のないＬｕＧｒｅモデルを用いる。ＬｕＧｒｅモデルは統合原理を用いるとともに、中間摩擦率に一定の連続性を持たせることを可能にする一方で、摩擦サイクルを表現するという特性を持つ。

【0014】

用いられれるＬｕＧｒｅモデルは、従来、下式によって記述される。

【0015】

【数1】

【0016】

ここでｖは２つの接触表面間の速度であり、ｚは内部摩擦の状態であり、Ｆは既定の摩擦力である。Ｄａｈｌモデルに比べて、ＬｕＧｒｅモデルは、定数の代わりに速度に依存する関数ｇ（ｖ）と、微小変位に関連する追加の減衰σ_１と、速度に依存しメモリ機能のない項のための一般関数ｆ（ｖ）と、を有する。状態ｚは、Ｄａｈｌモデルにおいて記述される作用力に類似し、平均偏差として解釈することができる。ＬｕＧｒｅモデルは、小さな動きに対する戻り挙動を再構成する。ここでパラメータσ_０は剛性であり、σ_１は微小減衰であり、ｆ（ｖ）は粘性摩擦を表し、典型的にはｆ（ｖ）＝σ２ｖである。一定の速度に対して、摩擦力Ｆ_ｓｓの安定状態は、以下によって与えられる。

【0017】

【数2】

【0018】

ここでｇ（ｖ）はクーロンの摩擦の法則およびストライベック効果（Stribeck effect）に依存する。

【0019】

本発明の１つの特徴によれば、本発明に係るＬｕＧｒｅの適用は、その速度がＬｕＧｒｅモデルの入力によって表される単一のマスによってシステムをモデル化することに相当する。

【0020】

有利なこととして、ＬｕＧｒｅモデルは、中間摩擦率を直接的に与えるのではなく、システムの摩擦係数μを推定する。

【0021】

本発明の別の特徴によれば、システムの摩擦係数μの連続推定は、下式によって表すことができる。

【0022】

【数3】

【0023】

ここでＶは車両の速度に対応し、Ｔはステアリング温度に対応し、ａ^＊はテストベンチ上で測定されたシステムの動摩擦係数に対応し、σ１は微小減衰に対応し、ｚは内部摩擦の状態に対応する。

【0024】

摩擦係数μは、ベンチ上で特定された理論値ａ^＊の＋／－間で変動する。したがって、得られる摩擦係数μは、＋ａ^＊と－ａ^＊との間で変動するように構成される。

【0025】

中間摩擦率ｗを得ることを可能にするのは、この係数μを理論値ａ^＊で割ることであり、これは－１と＋１との間で変動する
従って、そして本発明の1つの実施形態によれば、中間摩擦率ｗの決定は、下式により実行される。

【0026】

【数4】

【0027】

この結果、得られる中間摩擦率は、－１と＋１との間を変動するように構成される。

【0028】

本発明の別の特徴によれば、ステップ（ｂ）における第２の速度の決定は
（ｓ１）電動パワーステアリングにおけるハンドルとラックとの間のトルクを測定するように構成されたトルクセンサによって実行されるハンドル／運転者トルクを測定するサブステップと、
（ｓ２）トルクの測定値の時間微分を行うサブステップと、

（ｓ３）サブステップｓ２で得られた導関数を既定の剛性ｋに適用するサブステップと、
（ｓ４）トルク速度と呼ばれる第２の速度を得るサブステップと、
に従って実行される。

【0029】

本発明はまた、電動パワーステアリングの摩擦を補償する方法であって、本発明による連続推定方法によって得られる中間摩擦率の連続推定を考慮に入れる、補償方法に関する。

【0030】

本発明の別の特徴によれば、補償方法は少なくとも、
Ｅ１ 前記中間摩擦率の連続推定方法を実現することであって、中間摩擦率（ｗ）の少なくとも１回の連続推定と、少なくとも１つの動摩擦振幅の推定値と、前記中間摩擦率（ｗ）の連続推定による摩擦の推定（ＦＲＩ）の調節と、を得るステップと、
Ｅ２ 電動パワーステアリングの所望の摩擦

【0031】

【数5】

【0032】

に対応する既定の摩擦振幅を得るステップと、
Ｅ３ 動摩擦振幅の推定値と所望の動摩擦振幅との間の差分を求めるステップと、
Ｅ４ 値Ｘを得るために、ステップＥ３で得られた差分の結果と、中間摩擦率（ｗ）の連続推定と、の積を求めるステップと、
Ｅ５ ステップＥ４で得られた値Ｘと、動きとは反対方向の力の集合の既定の推定（ＲＦＥ）との間の差分を（ＲＦＥを補償するために）求めるステップと、
Ｅ６ 運転者トルクの目標値および運転者トルクの測定値に応じて、コントローラ（ＣＰＵ）によって運転者トルクを監視することによってパワーステアリングを補償するステップと、を包含する。

【0033】

補償方法において中間摩擦率の連続推定を考慮に入れることによって、ラック作用力推定手段（rack effort estimator）のヒステリシスを、該ヒステリシスが所望の摩擦に適合するように変更することが可能になる。したがって、この補償方法によって、ハンドル感触の精度をより高くする、つまり感じるヒステリシスをちょうど所望のレベルにすることができる。さらに、本方法によって、ロバストネス機能が可能となる。つまり本方法は、ステアリングの実際の摩擦に応じて自己適合を行う。

【0034】

本発明の一実施形態によれば、ステップＥ２は、チャート、所定のデータベース、または既定のデータ入力によって得ることができる。

【0035】

本発明の一実施形態によれば、運転者トルクの監視は、閉ループで実行される。

【0036】

本発明は、非限定の実施例によって与えられかつ以下の添付の概略図面を参照して説明される本発明の実施形態に関連する以下の説明によって、より良く理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】図１は、本発明に係る推定方法を表すダイアグラムである。

【図2】図２は、本発明に係る補償方法を実現する電動パワーステアリングのコントローラの構成を表すダイアグラムである。

【図3】図３は、本発明に係る補償方法を表すダイアグラムである。

【図4】図４は、本発明が適用されるステアリング装置の概略図である。

【図5】図５は、摩擦補償あり／なしの２つのヒステリシス曲線を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0038】

図１に示すように、中間摩擦率の連続推定の方法は、車両の電気モータの速度センサによって第１の速度を測定するステップ（ａ）を備える。この第１の速度は参照符号

【0039】

【数6】

【0040】

によって表される。

【0041】

本推定方法は第２の速度を決定するステップ（ｂ）を備える。このステップ（ｂ）は、参照符号

【0042】

【数7】

【0043】

によって表されるハンドル／運転者トルクを測定するサブステップｓ１と、ハンドルトルクの測定値の時間微分であり、ゲインを導関数に適用するサブステップｓ２と、を備える。本推定方法は、参照符号Σが付されたボックスによって表される第１および第２の速度を合計するステップ（ｃ）を備え、

【0044】

【数8】

【0045】

と参照されるハンドル速度と呼ばれる速度が得られる。本推定方法のステップ（ｄ）は。簡略化した一次元ステアリングモデル（質量）およびＬｕＧｒｅ摩擦をシミュレートすることを含むボックスＬｕＧｒｅによって表され、その唯一の入力速度は、前のステップ（ｃ）で得られた合計である。最後に、参照符号ｗによって表される電動パワーステアリングの中間摩擦率の連続推定が得られる。

【0046】

図２に、車両の電動パワーステアリングのコントローラＣＰＵのダイアグラムを示す。

【0047】

図３に示すように、本補償方法は、連続推定方法を実現するステップＥ１を備える。この推定方法は、図１に詳細に示されており、また摩擦補償方法において考慮に入れられる。

【0048】

図３では、ＦＲ１と付されたボックスは摩擦の推定を表し、図１に示した方法によって得られる中間摩擦率ｗの連続推定である少なくとも１つの成分と、動摩擦振幅の推定値である別の成分と、を備える。さらに、チャートまたは所定のデータベース、例えば調節可能マップによって、電動パワーステアリングに所望される動摩擦振幅が得られる。これは、図３においてＦＲＣと付されたボックによって示される、本補償方法のステップＥ２である。本補償方法のステップＥ３では、動摩擦振幅の推定値と所望の動摩擦振幅との間の差分を求め、ステップＥ４では、差分の結果と、中間摩擦率ｗの連続推定との積を求め、これにより、補償されるべき摩擦の大きさｔｃｏｍｐに対応する値Ｘを得ることができる。ステップＥ５では、ステップＥ４で得た値Ｘと、ラック作用力推定手段と呼称されるＲＦＥと付されたボックスで表される、その動きとは反対方向の力の集合の既定の推定値と、の差分が得られる。この補償により、ラック作用力推定手段のヒステリシスは、監視された所望のヒステリシスを持つことになり、これはまた目標トルクの生成時のヒステリシスに影響を与えることになる。ステップＥ６では、図２に示したコントローラＣＰＵによる閉ループトルクの監視に際して、目標運転者トルクおよび測定された運転者トルクを考慮に入れる。ステップＥ６では、「考慮に入れる」というアクションは「閉ループで比較および監視を行う」ことを意味する。

【0049】

例えば、電動パワーステアリングは摩擦が４００Ｎであり３００Ｎの感触が所望されると、摩擦推定手段ＦＲＩは、ステアリングが４００Ｎであると特定し、所望の摩擦値の入力は、３００Ｎとなる。したがって、その差分は１００Ｎであり、動きとは反対方向の力の集合の既定の推定は４００Ｎであり、摩擦が所望の値３００Ｎに対応するように１００Ｎが減算される。

【0050】

図５に示すグラフは、度数で表されるハンドル角（横座標）に対する、Ｎｍで表される運転者ハンドルトルク（縦座標）を示す２つの曲線を表す。実線の第１の曲線は、摩擦補償がない場合の運転者ハンドルトルクとハンドル角との間のヒステリシスを示す。点線の第２の曲線は、本発明の方法による摩擦補償がある場合のヒステリシスを示す。このヒステリシスを所望通りに減らすために、ハンドルの動きが逆転する＋または－１５°での反転領域が、点線で示した第２の曲線に示すように、連続的および漸進的に調整されている。

【0051】

図４に、本発明の推定方法および本発明の補償方法を実現することができるパワーステアリングを備えたステアリング装置を示す。それ自体が周知のように、または図４に示すように、パワーステアリング装置１は、ハンドル３を備える。このハンドル３に運転者が「ハンドルトルク」Ｔ３と呼ばれる作用力を行使することによって、パワーステアリング装置１を操縦することができる。このハンドル３は、好ましくはステアリングコラム４上に載置され、ステアリングコラム４は車両２において回転するよう案内されまたステアリングラック６においてステアリングピニオン５によって噛み合う。ステアリングラック６自体は車両２に固定されたステアリングケーシング７内で並進移動するよう案内される。

【0052】

好ましくは、ステアリングラック６の両端部は、それぞれステアードホイール（操向輪）１０，１１（それぞれ左操向輪１０および右操向輪１１）のスタブ車軸に接続されたステアリングタイロッド８，９に、ラック６の並進における長さ方向の変位によってステアードホイールのステアリングアングル（ヨー角）を変更することができるように、連結される。さらに、ステアードホイール１０，１１はまた、好ましくは駆動輪であるのがよい。

【0053】

パワーステアリング装置１はまた、パワーステアリング装置１の操縦をアシストするように構成されたモータ１２を備える。モータは、好ましくは両方向に動作する電気モータであり、好ましくはブラシレスタイプのロータリー電気モータである。

【0054】

パワーステアリング装置１はさらに、ハンドルトルクＴ３を測定するために、特にパワーステアリング装置１内（例えばステアリングコラム４上）に設置されるハンドルトルクセンサ１４を備える。このハンドルトルクセンサ１４は、該センサが用いる測定技術に関係なく、ハンドルトルクＴ３を測定するという主たる唯一とも言える目的を持つ。加えて、パワーステアリング装置１は、モータ１２の回転速度を測定するよう意図されたモータ速度センサ２４を備える。

【0055】

最後に、パワーステアリング装置１はまた、センサデータ１４，２４から推定方法および補償方法を実現するようにされた計算および制御ユニット２０を備える。

【0056】

当然ながら、本発明は、添付の図面において記載および表現された実施形態に限定されない。特に様々な要素の構成という観点からまたは技術的等価物の代替によって、本発明の保護分野から逸脱することなく変更は可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】