电动助力转向装置的控制装置的制作方法

本发明涉及电动助力转向装置的控制装置。

背景技术：

以往，在汽车用转向系统中提出并实际使用一种电动式的动力转向装置(eps：electricpowersteering：电动助力转向)。目前，正在开发如下电动助力转向装置：该电动助力转向装置利用电动马达根据附加给转向盘的转向转矩产生辅助转向转矩，并将该辅助转向转矩传递给转向轴。在这样的电动助力转向装置中，马达经由减速机构与转向轴连接，马达的旋转在被减速机构减速后传递给转向轴。

另外，近年来，着眼于使车辆自动转向的自动驾驶技术，开发了多种技术。在电动助力转向装置中实现自动转向的情况下，采用如下结构等：以各自独立的方式保留转向角控制(对用于使转向的转向角追随期望的角度的马达电流指令值进行运算和控制)和辅助控制(在通过马达的旋转力向转向机构施加转向辅助力(辅助)时，对用于准确地产生作为转向辅助力的转矩的马达电流进行反馈控制等)，并对它们的输出进行切换(例如参照专利文献1～3)。如对转向角的控制方法进行详细叙述，则需要通过某种方法对进行转向的转向角(绝对转向角)进行检测，以往是使用方向盘转向角传感器、柱转向角传感器、车轮转向角传感器等的角度传感器对转向角进行检测的(例如参照专利文献4)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3912279号公报

专利文献2：日本专利第3917008号公报

专利文献3：日本日本特开第2004-017881号公报

专利文献4：日本专利第4097134号公报

技术实现要素：

但是，在自动驾驶过程中，当介入有驾驶员的方向盘操作(转向转向)时，存在不能充分反映所介入的操作的情况。另外，在介入该操作时，驾驶员有时会感到违和、不舒适。并且，用于检测转向角的角度传感器价格高，因此还存在制造成本增加的课题。

＜课题1(自动驾驶过程中的驾驶员介入时的违和感、同时实现转向角控制和辅助控制)＞

在转向角控制中，采用在针对转向角指令的响应性、针对路面反作用力等的干扰抑制性上具有良好的性能的位置速度控制，例如在位置控制部中采用p控制(比例控制)，在速度控制部中采用pi控制(比例积分控制)。在对转向角控制和辅助控制的各自的输出即指令值进行切换时，例如当由于驾驶员的切换输入而发生紧急的切换时，指令值产生急剧变动，方向盘动作变得不自然，因此使驾驶员感到违和。因此，采用了如下方法：使转向角控制指令值和辅助控制指令值分别乘以各自的渐变增益(逐渐变化的增益)，并逐渐地对输出进行切换，由此抑制电流指令值的急剧变动(参照专利文献3等)。

但是，根据该方法，由于在切换过程中，转向角控制指令值是被渐变增益限制后作为电流指令值而输出的，因此电流指令值的输出相对于转向角控制指令值相应地减少被限制的量。因该限制，相对于转向角速度指令值，马达的实际速度变慢，因此在转向角速度指令值与实际速度之间产生偏差，从而速度控制内的i控制(积分控制)的积分值会累积，由此根据速度控制会输出更大的转向角控制指令值。其结果是，在针对辅助控制指令值的渐变增益逐渐变大的状态下，基于渐变增益的限制被缓解，因此随着渐变增益的变大，转向角控制指令值成为过剩的值，方向盘相对于转向角速度指令值而过剩地响应，从而以牵拉感这样的形式使驾驶员感到违和和不舒适。

＜课题2＞

原本，在包括上述课题1的现有技术(例如参照专利文献3)的方法中，对转向角偏差进行p控制、在速度控制中进行pi控制，在转向角控制中存在驾驶员的手动输入的介入时，转向角控制当然会以追随转向角指令值的方式进行动作，直到进行从转向角控制向辅助控制切换的“切换动作”为止，都难以进行手动转向。另外，因“手动输入检测”、“切换动作”会产生时间上的延迟，有时无法充分进行驾驶员的转向介入动作。

＜课题3＞

用于对转向的转向角(绝对转向角)进行检测的角度传感器不仅价格高，且其分辨率(测量的识别极限)较差，因此存在难以进行高精度的转向角控制的问题。并且，在车辆侧ecu与eps侧ecu之间产生通信的时间延迟，在提高转向角控制的追随性，并且提高控制增益时，容易发生振荡，因此可能会存在与实际的转向角产生偏差等问题。

本发明是鉴于以上说明的情况而完成的，其目的在于至少克服上述任意一个课题，即提供一种电动助力转向装置，当在车辆的自动驾驶过程中进入有驾驶员的方向盘操作(转向)时，能够充分反映所介入的操作，并且能够抑制当介入该操作时驾驶员感觉到的不协调、不舒适，或者提供一种电动助力转向装置的控制装置，通过求出转向角的估计值并使用求出的转向角的估计值实现高精度的转向角控制，而不必使用价格高的角度传感器。

为了解决该课题，本发明的一个实施方式的电动助力转向装置的控制装置是如下控制装置：该电动助力转向装置通过马达的旋转力向车辆的转向机构施加转向辅助力，该电动助力转向装置的控制装置具有转向角控制部，其被输入基于车辆的目标轨道计算出的转向角指令值θref，并且根据输入的转向角指令值θref，对转向机构的转向角进行控制，转向角控制部具有：转向角运算部，其使用被输入的马达角度θ求出转向机构的实际转向角的估计值θr并作为实际转向角估计值θr输出；以及位置控制部，其根据被输入的目标转向角θt和实际转向角θr，导出转向角速度指令值ωref。

这里，在上述结构中优选的是如下方式：转向角运算部使用被输入的转向转矩tt与马达角度θ求出实际转向角估计值θr。

另外，在上述结构中也可以是如下方式：转向角运算部通过从当前时刻的马达角度θ减去马达初始角度θ0求出马达相对角度δθm，并且通过用转向转矩tt除以规定系数ktor来求出扭转角δθ，在将马达相对角度δθm乘以规定系数后与扭转角δθ相加，由此导出实际转向角估计值θr。

此外，在上述结构中也可以优选如下方式：转向角运算部通过从当前时刻的马达角度θ减去马达初始角度θ0求出马达相对角度δθm，通过将马达相对角度δθm乘以规定系数来导出实际转向角估计值θr

另外，本发明的另一方式的电动助力转向装置的控制装置是如下控制装置：该电动助力转向装置通过马达的旋转力向车辆的转向机构施加转向辅助力，该控制装置具有转向角控制部，其被输入基于车辆的目标轨道计算出的转向角指令值θref，并且根据输入的转向角指令值θref，对转向机构的转向角进行控制，转向角控制部具有：转向角运算部，其使用被输入的实际转向角速度ωr，求出转向机构的实际转向角的估计值θr并作为实际转向角估计值θr输出，以及位置控制部，其根据被输入的目标转向角θt和实际转向角估计值θr导出转向角速度指令值ωref。

这里，在上述结构中优选的是如下方式：转向角运算部使用被输入的转向转矩tt与实际转向角速度ωr求出实际转向角估计值θr。

另外，在上述结构中也可以是如下方式：转向角运算部求出实际转向角速度ωr的时间积分值s，并且用转向转矩tt除以规定系数ktor来求出扭转角δθ，将求出的时间积分值s与扭转角δθ相加，由此导出实际转向角估计值θr。

此外，在上述结构中也可以优选如下方式：转向角运算部求出实际转向角速度ωr的时间积分值s，并且导出所求出的时间积分值s以作为实际转向角估计值θr。

发明效果

根据本发明，在车辆的自动驾驶过程中，当介入了驾驶员的方向盘操作(转向)时，能够充分反映所介入的操作，并且减轻了在介入该操作时驾驶员有时感觉到的违和感、不舒适，另外，通过求出转向角的估计值并使用求出的转向角的估计值可以实现高精度的转向角控制，而不必使用价格高的角度传感器。

附图说明

图1是示出电动助力转向装置的概要的结构图。

图2是将电动助力转向装置的控制系统的结构例与辅助映射图输出电流的一例一同示出的框图。

图3是示出具有对自动转向控制模式和手动转向控制模式进行切换的切换功能的电动助力转向装置的一例的框图。

图4是示出具有对自动转向控制模式和手动转向控制模式进行切换的切换功能的电动助力转向装置的概略动作例的流程图。

图5是示出车辆系统整体的结构例的框图。

图6是示出eps侧ecu内的转向角控制部的第1结构的框图。

图7是示出转向角运算部的运算处理的流程图。

图8是示出eps侧ecu内的转向角控制部的第2结构的框图。

图9是示出转向角运算部的运算处理的流程图。

图10a是示出车辆动作的仿真结果的图。

图10b是示出车辆动作的仿真结果的图。

图11是说明关于各渐变增益向手动输入判定后的辅助控制转移的曲线图。

图12是示出转向角控制的第1方式的转向角控制部的框图。

图13是示出转向角控制的第2方式的转向角控制部的框图。

图14是示出转向角控制的第3方式的转向角控制部的框图。

图15是示出转向角控制的第4方式的转向角控制部的框图。

图16是示出转向角控制的第5方式的转向角控制部的框图。

图17是示出转向角控制的第6方式的转向角控制部的框图。

图18是示出转向角控制的第6方式的另一例的转向角控制部的框图。

图19是示出实现了没有违和感的转向介入的依据的、表示角度(目标角度、方向盘转向角)和转向转矩的随时间的变化的曲线图。

图20是表示实施例1中的基于转向角速度控制的积分方式的不同的方向盘转向角与转向转矩之间的关系的曲线图(通过转向角速度控制部进行伪积分的情况)。

图21是表示实施例1中的基于转向角速度控制的积分方式的不同的方向盘转向角与转向转矩之间的关系的曲线图(通过转向角速度控制部进行p控制的情况)。

图22是示出在考虑了驾驶员的转向模型的仿真中使用的被控对象模型的图。

图23是示出驾驶员的转向模型的一例的图。

具体实施方式

首先，一边参照图1～图4，一边对电动助力转向装置的一般结构进行说明，在此基础上，一边参照图5及其以后的附图，一边对本实施方式的电动助力转向装置的结构进行说明。另外，在本说明书和附图中，对于实质上具有相同功能的结构要素，通过附加相同标号来省略重复说明。

通过图示对电动助力转向装置100的结构进行说明(参照图1)。电动助力转向装置100是通过马达的旋转力向车辆的转向机构施加转向辅助力的装置。方向盘(转向盘)1的柱轴(转向轴)2经由减速齿轮3、万向接头4a、4b、齿条机构5、拉杆6a、6b，并且经由轮毂单元7a、7b与操向车轮8l、8r连接。扭杆和方向盘轴被配置在与柱轴2相同的轴上。

另外，在柱轴2上设置有对方向盘1的转向角θr进行检测的转向角传感器14和对转向转矩tt进行检测的转矩传感器10，对方向盘1的转向力进行辅助的马达20经由减速齿轮3与柱轴2连接。

对电动助力转向装置100进行控制的控制单元(ecu)30从电池13被提供电力并且经由点火键11被输入点火键信号ig。控制单元30根据由转矩传感器10检测出的转向转矩tt和由车速传感器12检测出的车速vs进行辅助控制的电流指令值的运算，并通过向电流指令值实施补偿等得到的电压控制指令值vref，对向马达20提供的电流进行控制。另外，通过转向角传感器14检测出转向角θr，但也可以通过与马达20连接的旋转传感器获得转向角θr。

控制单元30与对车辆的各种信息进行发送和接收的can(controllerareanetwork：控制器局域网)40相连接，车速vs也可以从can40接收到。另外，控制单元30也可以与can40以外的、对通信、模拟/数字信号、电波等进行发送和接收的非can41相连接。

控制单元30主要由cpu(也包括mpu和mcu)构成，在该cpu内部由程序执行的通常的功能如图2所示。

参照图2对控制单元30的功能和动作进行说明，由转矩传感器10检测出的转向转矩tt和由车速传感器12检测出的(或者来自can40的)车速vs被输入到对电流指令值iref1进行计算的电流指令值运算部31中。电流指令值运算部31根据被输入的转向转矩tt和车速vs，使用辅助映射图等，对向马达20提供的电流的控制目标值即电流指令值lrefl进行计算。

辅助映射图是表示转向转矩与转向辅助指令值(电流值)之间的对应关系的信息。辅助映射图例如包括在低速、中速、以及高速的各速度区中示出转向转矩与转向辅助指令值的对应关系的信息。示出对应关系的信息有时通过多个一次函数的参数表示，还有时用高阶多项式表示。

电流指令值irefl经由加法运算部32a被输入到电流限制部33，被过热保护条件限制了最大电流的电流指令值iref3被输入到减法运算部32b，计算与反馈的马达电流值im之间的偏差iref4(＝iref3-im)，该偏差iref4被输入到用于改善转向动作的特性的pi控制部35中。通过pi控制部35被进行了特性改善的电压控制指令值vref被输入到pwm控制部36，并且经由作为驱动部的逆变器37对马达20进行pwm驱动。马达20的电流值im由马达电流检测器38检测出并反馈给减法运算部32b的。

另外，马达20与解角器等旋转传感器21相连接，对马达旋转角θs进行检测。加法运算部32a针对来自补偿部34的补偿信号cm进行加法运算，并且通过加上补偿信号cm来进行系统类的补偿，从而对收敛性和惯性特性等进行改善。通过加法运算部344对自调节转矩(sat)343和惯性342进行加法运算，并且通过加法运算部345在该加法运算结果上进一步加上收敛性341，补偿部34将加法运算部345的加法运算结果作为补偿信号cm。

近年来，进行了通过使用在车辆上搭载的照相机、激光雷达等，自动施加制动从而进行安全停止这样的自动驾驶支援等措施。作为自动驾驶支援，例如进行了如下动作：驾驶者通过方向盘或其他装置输入转矩，由此，电动助力转向装置通过转矩传感器对转向转矩进行检测，并将其信息应用于车辆或电动助力转向装置内的控制的切换中，从而解除自动驾驶支援，返回到通常的辅助控制(手动转向控制)等。

首先，参照图3，对作为本发明的前提的电动助力转向装置、即具有自动转向控制模式和手动转向控制模式的功能并且具有对转向控制模式进行切换的功能的通常的电动助力转向装置100进行说明。

马达150与用于检测马达旋转角θs的解角器等旋转传感器151相连接，马达150被车辆侧ecu130和eps(电动助力转向装置)侧ecu140被驱动控制。车辆侧ecu130具有：根据表示驾驶者的意图的按钮、开关等输出自动转向控制或手动转向控制的切换指令sw的切换指令部131，以及根据照相机(图像)或激光雷达等的信号生成目标转向角θt的目标转向角生成部132。另外，由设置在柱轴(转向轴、方向盘轴)上的转向角传感器14所检测出的实际转向角θr经由车辆侧ecu13被输入到eps侧ecu140内的转向角控制部200中。

切换指令部131根据用于对进入自动转向控制的情况进行识别的信号、例如基于按钮、开关、或者设置于变速器的停车模式等的车辆状态的信号，输出切换指令sw，并将切换指令sw输入到eps侧ecu140内的切换部142，所述按钮、开关使驾驶者的意图设置在仪表盘或方向盘周边。另外，目标转向角生成部132基于照相机(图像)、激光雷达等的数据，通过公知的方法生成目标转向角θt，并将生成的目标转向角θt输入到eps侧ecu140内的转向角控制部200。

eps侧ecu140具有：转矩控制部141，其输出根据转向转矩tt和车速vs计算出的马达电流指令值itref；转向角控制部200，其根据目标转向角θt、实际转向角θr、马达角速度ω以及转向转矩tt计算出用于进行转向角自动控制的马达电流指令值imref并输出；切换部142，其根据切换指令sw对马达电流指令值itref和imref进行切换；电流控制/驱动部143，其根据来自切换部142的马达电流指令值iref(＝itref或者imref)对马达150进行驱动控制；以及马达角速度运算部144，其根据来自旋转传感器151的马达旋转角θs对马达角速度ω进行计算。切换部142根据来自车辆侧ecu130的切换指令部131的切换指令sw，对基于转矩控制部141的转矩控制模式(手动转向控制)和基于转向角控制部200的位置/速度控制模式(自动转向控制)进行切换，并且在手动转向控制中输出马达电流指令值itref，在自动转向控制中输出马达电流指令值imref。另外，电流控制/驱动部143是由pi电流控制部、pwm控制部、逆变器等构成的。

以下，一边参照流程图，一边对这样的结构的示意动作例进行说明(参照图4)。

当转向系统的动作开始时，首先通过转矩控制部141实施转矩控制(手动转向控制模式)(步骤sp1)，使用马达电流指令值itref，通过电流控制/驱动部143对马达150进行驱动(步骤sp2)。通过切换指令部131反复进行上述手动转向的动作直至输出向自动转向控制切换的切换指令sw(步骤sp3)。

进入自动转向控制模式，当通过切换指令部131输出切换指令sw时，从目标转向角生成部132输入目标转向角θt(步骤sp4)，从转向角传感器14输入实际转向角θr(步骤sp5)，从转矩传感器154输入转向转矩tt(步骤sp6)，从马达角速度运算部144输入马达角速度ω(步骤sp7)，并且利用转向角控制部200生成马达电流指令值imref(步骤sp10)。另外，目标转向角θt、实际转向角θr、转向转矩tt、马达角速度ω的输入顺序可以适当进行变更。

之后，切换部142根据来自切换指令部131的切换指令sw进行切换(步骤sp11)，使用来自转向角控制部200的马达电流指令值imref，通过电流控制/驱动部143对马达150进行驱动(步骤sp12)，并且返回到上述步骤sp3。重复进行基于马达电流指令值imref的驱动控制(自动转向控制)直至切换指令部131变更切换指令sw。

在本实施方式中，在如上所述那样的具有通常结构的电动助力转向装置100的车辆中，当在自动驾驶过程中驾驶员的方向盘操作(转向)介入时，能够充分反映所介入的操作，并且能够减轻在该操作介入时使驾驶员感觉到的违和或不舒适，并且求出转向角的估计值，并使用求出的转向角的估计值实现了高精度的转向角控制，而不必使用价格高的角度传感器。以下，对本实施方式的电动助力转向装置100中的各结构进行说明(参照图5等)。

示出了与本实施方式的电动助力转向装置100相关的车辆侧ecu130、eps侧ecu140、被控对象160的结构(参照图5)。另外，图5中的双行线表示多个信号被发送或接收。

车辆侧ecu130具有车辆状态量检测器130a、切换指令部131、目标轨道运算部134、以及车辆运动控制部135。

车辆状态量检测器130a根据搭载于车辆的照相机、距离传感器、角速度传感器、以及加速度传感器等所检测出的各数据对车辆状态量进行检测，并将该车辆状态量发送给切换指令部131、目标轨道运算部134、车辆运动控制部135。

切换指令部131根据上述车辆状态量和来自按钮和开关等的信号，向eps侧ecu140(的切换判定/渐变增益生成部145)输出切换指令sw。

目标轨道运算部134根据车辆状态量来运算目标轨道数据，并输出给车辆运动控制部135。

车辆运动控制部135根据车辆状态量，通过转向角指令值生成部135a生成转向角指令值θref，并向eps侧ecu140的转向角控制部200输出该转向角指令值θref。

eps侧ecu140具有切换部142、电流控制/驱动部143、切换判定/渐变增益生成部145、eps状态量检测器146、辅助控制部147、以及转向角控制部200(参照图5)。

eps状态量检测器146根据从被控对象160输出的方向盘转向角θh、并且根据由搭载于车辆的角度传感器(方向盘侧、柱侧)、马达角度传感器、转矩传感器等所检测出的各种数据对eps状态量进行检测。由eps状态量检测器146检测出的eps状态量(方向盘转向角θh、柱转向角(扭杆下侧的转向角)、方向盘转向角(扭杆上侧的转向角)、马达角度、转向转矩、其他)被分别输出给切换判定/渐变增益生成部145、辅助控制部147。另外，在图5中例示出的车辆系统中，是通过eps侧ecu140对方向盘转向角θh进行检测的，但也可以代替于此通过车辆侧ecu130侧进行检测。

切换判定/渐变增益生成部145根据来自车辆侧ecu130的切换指令部131的(辅助控制与转向角控制的)切换指令sw和转向转矩tt进行切换判定，并管理各渐变增益，向各功能输出。本实施方式的切换判定/渐变增益生成部145向转向角控制部200输出速度控制渐变增益gfa2、速度指令渐变增益gfa3以及转向角指令渐变增益gfa4，向辅助控制部147输出辅助映射图渐变增益gft2，并且向切换部142输出转向角控制输出渐变增益gfa1和辅助控制输出渐变增益gft1。

辅助控制部147根据转向转矩tt和辅助映射图渐变增益gft2，将转向角控制电流指令值irefp1输出给切换部142。

转向角控制部200根据转向角指令值θref、速度控制渐变增益gfa2、速度指令渐变增益gfa3、转向角指令渐变增益gfa4、以及eps状态量对转向角控制电流指令值irefp1进行计算，并向切换部142输出。切换部142根据来自切换判定/渐变增益生成部145的转向角控制输出渐变增益gfa1和辅助控制输出渐变增益gft1，对来自转向角控制部200的转向角控制电流指令值irefp1和来自辅助控制部147的电流指令值ireft1进行切换。电流控制/驱动部143进行反馈控制，使得电流检测值追随于马达电流指令值iref。由此，能够对马达150的驱动转矩进行控制。电流控制/驱动部143只要是通常所使用的马达控制的系统的结构即可。

被控对象160具有或者发挥基于来自电流控制/驱动部143的马达驱动控制信号(马达电流)的机械传递特性(与eps和车辆相关)以及基于由驾驶员进行的驾驶者输入的传递特性(参照图5)。另外，在本说明书中所说的“被控对象”是指车辆和电动助力转向装置100的机械特性、驾驶员的特性等，也就是说是指控制对象的统称。

接着，对在本实施方式中特征性的eps侧ecu140的转向角控制部200的概要和各结构进行说明(参照图6)。

a.转向角控制部200的第1结构

＜转向角运算部201＞

转向角运算部201在处于转向角控制模式时，使用从旋转传感器151(参照图3)输出的马达角度θ以及从转矩传感器154(参照图3)输出的转向转矩tt，对扭杆扭转角量δθ进行计算，并求出实际转向角的估计值θr。这样，在本实施方式中，不是使用某个角度传感器对实际转向角(绝对转向角)进行检测并直接应用到转向角控制中，而是使用马达角度θ和转向转矩tt求出实际转向角的估计值θr，并使用所求出的实际转向角的估计值θr来实现高精度的转向角控制。

＜上下限可变限制器202＞

为了防止因通信错误等产生的异常的值、过剩的值被输入到转向角控制中，通过上下限可变限制器(也称作转向角指令值上下限可变限制器)202对从车辆侧ecu130接收到的用于自动驾驶等的转向角指令值θref进行限制。伴随转向角控制和辅助控制的切换动作，根据转向角指令渐变增益gfa4，上下限限制器值可以依次变化成恰当的值。

＜可变率限制器204＞

为了避免由于转向角指令值θref的急剧变化导致作为转向角控制输出的转向角控制电流指令值急剧变动，可变率限制器204对转向角指令值θref进行率限制处理。可变率限制器204进行的这样的处理会使进行紧急方向盘动作的驾驶员的安全性提高。在本实施方式的可变率限制器204中，伴随转向角控制与辅助控制的切换动作，根据转向角指令渐变增益gfa4，可变率限制器值可以依次变化成恰当的值。

＜方向盘振动去除单元206＞

当在自动转向过程中转向角指令发生变化时，转向角指令值θref3会产生使基于扭杆的弹簧特性和转向盘的惯性矩的振动激发出来的频率(大约10hz左右)成分。为了减少在转向角指令值上下限可变限制器202、可变率限制器204、转向角指令渐变之后的转向角指令值θref3中所包含的方向盘振动频率成分，通过低通滤波器、陷波滤波器(在方向盘振动去除单元206中使用这些滤波器)、或者相位延迟补偿，能够减少振动频率成分。

＜位置控制部208＞

位置控制部208将目标转向角θt与实际转向角(估计值)θr的偏差值乘以比例增益而计算出转向角速度指令值ωref。通过该功能，可以生成用于使实际转向角(估计值)θr接近目标转向角θt的转向角速度指令值。另外，在本说明书中所说的位置控制是指对周向上的转向角的位置进行控制，换言之，也可以表示成“方向盘转向角的角度控制”。

＜速度指令值上下限可变限制器210＞

针对与渐变增益相乘后的转向角速度指令值ωref1，进行基于速度指令值上下限可变限制器210的处理，并输出目标转向角速度ωt。该速度指令值上下限可变限制器210能够根据速度指令渐变增益gfa3将限制值依次变更为适当的值，并且通过如下方式对转向角速度指令值进行限制：在渐变增益gfa3小于某一阈值时，使上下限限制器值变小，在渐变增益gfa3大于等于某一阈值时，使上下限限制器值增大。

＜转向角速度控制部212＞

在本实施方式的转向角控制部200中，将目标转向角速度ωt和实际转向角速度ωr输入到转向角速度控制部212，并且计算出电流指令值，该电流指令值使得实际转向角速度ωr追随于目标转向角速度ωt。

＜转向角控制输出上下限限制器214＞

为了防止转向角控制的电流指令值的过度输出，通过转向角控制输出上下限限制器214进行限制。

＜转向介入补偿兼方向盘减震单元220＞

转向介入补偿兼方向盘减震单元220作为基于转矩传感器所检测到的转矩信号的方向盘减震单元发挥作用。由此，与只使用方向盘振动去除单元206的情况相比，进一步提高了自动转向过程中的方向盘振动的减震效果。本实施方式的转向介入补偿兼方向盘减震单元220是通过增益和相位补偿来实现方向盘减震功能的。例如，相位补偿也可以通过1次滤波器来实现。由此，电流指令值向解除扭杆的扭转的方向输出。另外，转向介入补偿兼方向盘减震单元220向减小扭转角的方向发挥作用，因此还兼具抑制在驾驶员的手动输入的介入时的牵拉的违和感的效果。

＜ff滤波器230＞

ff(前馈)滤波器230是可选择设定在位置控制部208内的结构(参照图8等所示的后述的实施方式等)。根据ff滤波器230，能够提高追随于目标转向角θt的追随性。ff滤波器230例如是起到1次相位提前滤波器的效果的部件，但也可以是进行除此之外的相位补偿的部件，也可以是使用伪微分、hpf(高通滤波器)的部件。

另外，这里，对本实施方式中的各种渐变增益进行如下说明(参照图5和图6)。

＜转向角控制输出渐变增益gfa1＞

转向角控制输出渐变增益gfa1与转向角控制输出上下限限制器214的输出的电流指令值相乘。转向角控制输出渐变增益gfa1用于顺利地进行辅助控制与转向角控制的切换动作，并且用于实现消除驾驶员的违和感、提高安全性等。

＜速度控制渐变增益gfa2＞

速度控制渐变增益gfa2与转向角速度控制部212中的信号相乘，用于实现顺利地进行切换。主要用于缓和切换时的转向角速度控制中的积分值的累积的影响。

＜速度指令渐变增益gfa3＞

速度指令渐变增益gfa3主要用于在从辅助控制向转向角控制切换时实现顺利的切换。将位置控制输出的转向角速度指令值ωref与速度指令渐变增益gfa3相乘。

＜转向角指令渐变增益gfa4＞

转向角指令渐变增益gfa4与来自可变率限制器204的转向角指令值相乘。

＜辅助控制输出渐变增益gft1＞

辅助控制输出渐变增益gft1与来自辅助控制部147的输出即电流指令值相乘。辅助控制输出渐变增益gft1用于使转向角控制与辅助控制的切换动作顺利地进行，并且用于实现在自动驾驶过程中的驾驶员的转向介入。

＜辅助映射图渐变增益gft2＞

辅助映射图渐变增益gft2与辅助控制中的辅助映射图输出电流(参照记载有辅助映射图输出电流的一例的图2的曲线图(纵轴表示电流指令值，横轴表示转向转矩tt))相乘。辅助映射图渐变增益gft2用于使转向角控制与辅助控制的切换动作顺利，并且用于实现自动驾驶过程中的驾驶员的转向介入。

a-1.转向角运算部201进行的运算处理

接着，参照图7所示的流程图，对转向角运算部201执行的运算处理(第1运算处理)进行说明。

转向角运算部201在处于转向角控制模式时，取得从旋转传感器151(参照图3)输出的马达旋转角θs(即马达角度θ)，另一方面，取得从转矩传感器154(参照图3)输出的转向转矩tt(步骤s1)。转向角运算部201判断是否是转移到转向角控制模式后的首次(第1次)运算(步骤s2)。转向角运算部201在判断出是第1次运算时(步骤s2；是)，对马达的初始角度θ0进行初始化(＝马达角度θ)(步骤s3)，另一方面，在判断出不是第1次运算时(步骤s2；否)，跳过步骤s3而进入步骤s4。在步骤s4中，转向角运算部201通过从马达角度θ减去马达的初始角度θ0求出马达相对角度δθm，并且通过用转向转矩tt除以与扭杆相关的系数ktor(扭杆弹簧常数)来计算扭杆的扭转角量δθ。并且，转向角运算部201将马达相对角度δθm与规定系数cg(柱轴与马达轴之间的减速比的倒数)相乘后得到的值与扭杆的扭转角量δθ相加，由此求出实际转向角的估计值θr(步骤s5)，结束处理。

b.转向角控制部200的第2结构

图8是示出eps侧ecu140的转向角控制部200的第2结构的图，与上述图6相对应。另外，由于除了转向角运算部201a之外的其他结构与上述图6相同，因此针对对应的部分附加相同标号，省略详细说明。

＜转向角运算部201a＞

转向角运算部201a与图6所示的转向角运算部201的不同点在于，在转向角控制模式时，转向角运算部201a只使用从旋转传感器151(参照图3)输出的马达旋转角(即马达角度θ)来求出实际转向角的估计值θr。换言之，转向角运算部201a不使用转向转矩tt，只使用马达角度θ来求出实际转向角的估计值θr。这样，在没有使用转向转矩tt的情况下，能够更加简单地求出实际转向角的估计值θr。

b-1.转向角运算部201a进行的运算处理

接着，参照图9所示的流程图，对由转向角运算部201a执行的运算处理(第2运算处理)进行说明。

转向角运算部201a在处于转向角控制模式时，取得从旋转传感器151(参照图3)输出的马达旋转角θs(即马达角度θ)(步骤s1a)。转向角运算部201判断是否是转移到转向角控制模式后的首次(第1次)运算(步骤s2a)。转向角运算部201在判断出是第1次运算时(步骤s2a；是)，对马达的初始角度θ0进行初始化(＝马达角度θ)(步骤s3a)，另一方面，在判断出不是第1次运算时(步骤s2a；否)，跳过步骤s3a而进入步骤s4a。在步骤s4a中，转向角运算部201通过从马达角度θ减去马达的初始角度θ0求出马达相对角度δθm。并且，转向角运算部201通过加上将马达相对角度δθm乘以规定系数cg后得到的值而求出实际转向角的估计值θr(步骤s5a)，结束处理。

＜仿真结果＞

图10a和图10b示出了在有意将实际转向角(估计值)加上1[sec]+90[deg]的偏移值时的车辆动作的模拟结果。在车辆侧ecu130的转向角指令值生成部(参照图5)中，将车辆横向位置的目标值设为0[m]，并且对横向位置应用优先微分型的pi-d控制，将转向角指令值θref输出到eps侧ecu140的转向角控制部200(参照图5)时，可知横向位置向作为目标的0[m]收敛(参照图10b)。可以认为，这表示上述pi-d控制的比例和积分的补偿是有效的。另外，虽然没有进行图示，但即使在没有积分的情况下在横向位置处仍会发生偏移，只要将比例增益设定得较大，就可以消除。

c.手动输入判定后向辅助控制的转移

这里，对手动输入判定后向辅助控制的转移进行说明(参照图11)。以下，对在自动驾驶状态(介入有转向角控制和辅助控制这两者的状态)下，检测到驾驶员的手动输入后的各渐变增益进行说明。

渐变增益gfa1～4(转向角控制输出渐变增益gfa1、速度控制渐变增益gfa2、速度指令渐变增益gfa3、转向角指令渐变增益gfa4)，在本实施方式中，在手动输入判定后是从100％起逐渐減少而转变为0％的，是呈直线变化的。另外，为了使切换动作更加顺利，也可以是沿着s字曲线进行转移，也可以将使呈直线变化的信号通过lpf(低通滤波器)后得到的值作为各渐变增益(例如1次lpf、截止频率2[hz])。其中，渐变增益gfa1～4不需要按照相同的转移方式联动，可以是分别作为调整要素而独立地转移。

(转向角指令渐变增益gfa4)

将转向角指令值的可变率限制器的变化率设定值设为0。即，将θref2设为固定值。对此，虽然省略了流程图等的图示，但在转向角指令渐变增益gfa4从100％的状态变为0％侧时，只要对变化率设定值进行变更就能实现。即，如果进入切换状态，则将θref2设为固定值，并通过将固定值与转向角指令渐变增益gfa4相乘，使得θref3和目标转向角θt接近0。另外，通过将θref2乘以转向角指令渐变增益gfa4，从而使切换过程中的目标转向角θt接近0[deg]，使转向角控制在中立状态下发挥作用。另外，通过在靠方向盘振动去除单元206侧进行转向角指令渐变增益gfa4的相乘，去除了由于转向角指令渐变增益gfa4的相乘所产生的方向盘振动频率分量。

(辅助映射图渐变增益gft2)

在车辆的自动驾驶状态下，可以将该辅助映射图渐变增益gft2设定在100％以上(另外，在图11所示的例子中，设定为300％)。由此，在驾驶员的操作介入时，能够减轻因转向角控制的干渉导致的牵拉感、违和感。另外，为了使切换动作更加顺利，也可以采用如下方式，使辅助控制输出渐变增益gft1、辅助映射图渐变增益gft2沿着s字曲线转移，也可以将使直线变化的信号通过lpf(低通滤波器)后得到的值作为各渐变增益。

(辅助控制输出渐变增益gft1)

在自动驾驶状态、手动辅助状态下，可以将该辅助控制输出渐变增益gft1一直设定在100％以上，但也可以如图11所示那样设定。

在自动驾驶状态下，通过将辅助映射图渐变增益gft2提升到100％以上，对于系统的稳定性而言，会在不稳定侧产生影响，由此有时会发生振动。为了确保稳定性，通过将辅助控制输出渐变增益gft1作为调整要素，例如设定成120％，能够抑制振动的产生。

接着，示出转向角控制的实施方式(参照图12等)。另外，在图12等中图示出了方向盘振动去除单元206(参照图6)的后级的目标转向角θt及其以后的结构。

＜转向角控制的第1方式＞

图12所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212在转向角速度控制中进行pi控制，在i控制中进行伪积分。更具体地，将目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差ωe乘以kvi以作为与偏差的大小成比例的操作量d1，接着进行基于伪积分的i控制(参照图12)。图中的标号ir1表示伪积分后的信号，ir2表示比例增益kvp后的信号，ir3表示加法运算后的信号(在其他实施方式中也相同)。在转向角控制的第1方式中，将加法运算后的信号ir3乘以速度控制渐变增益gfa2而作为信号irefw从转向角速度控制部212输出。如上所述那样，速度控制渐变增益gfa2与转向角速度控制部212中的信号相乘，用于实现顺利的切换。另外，转向角速度控制部212中的伪积分例如可以通过1次延迟的传递函数和增益构成为[1/(ts+1)]×t。

＜转向角控制的第2方式＞

图13所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212在转向角速度控制中进行pi控制，在i控制中进行伪积分。更具体地，将目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以kvi而作为与偏差的大小成比例的操作量d1，接着进行基于伪积分的i控制(参照图13)。在转向角控制的第2方式中，与上述第1方式相同，将加法计算后的信号ir3与速度控制渐变增益gfa2相乘而作为信号irefw从转向角速度控制部212输出。

＜转向角控制的第3方式＞

图14所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212在转向角速度控制中进行pi控制，在i控制中进行伪积分。在转向角控制的第3方式中，将目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以速度控制渐变增益gfa2并生成信号ωe1，将该信号ωe1乘以kvi而作为与偏差的大小成比例的操作量d1，并且进行基于伪积分的i控制(参照图14)。

＜转向角控制的第4方式＞

图15所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212进行相位延迟补偿。在转向角控制的第4方式中，将目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以kvp而作为与偏差的大小成比例的操作量d1，并且将被进行了相位延迟补偿后的信号ir1乘以速度控制渐变增益gfa2而作为信号irefw从转向角速度控制部212输出(参照图15)。

＜转向角控制的第5方式＞

图16所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212进行相位延迟补偿。在转向角控制的第5方式中，与上述第4方式相同，将目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以kvp而作为与偏差的大小成比例的操作量d1，并且将被进行了相位延迟补偿后的信号ir1乘以速度控制渐变增益gfa2而作为信号irefw从转向角速度控制部212输出(参照图16)。伪积分的pi控制可以等效地置换成相位延迟补偿和增益。

＜转向角控制的第6方式＞

图17、图18所示的转向角控制部200的转向角速度控制部212进行比例控制(p控制)。在转向角控制的第6方式中，将目标转向角速度ωt与实际转向角速度ωr的偏差乘以kvp，并将与偏差的大小成比例的操作量的信号ir1乘以速度控制渐变增益gfa2而作为信号irefw从转向角速度控制部212输出(参照图17、图18)。

根据上述的转向角控制的第1方式～第5方式，在车辆的自动驾驶过程中，即使没有“手动输入检测”、“切换动作”，也能够实现不存在牵拉感等违和感的转向介入。以下，将成为其证据的结果等作为实施例1进行说明(参照图19～图21)。

＜实施例1＞

(课题1和课题2的解決的依据)

根据考虑了驾驶员的转向模型的仿真，在图19等作为一例示出了，在自动驾驶过程中(其中，转向角指令值θref被设为固定的0[deg]。)，相对于驾驶员目标角度θarm(参照图中的粗线)，实际转向角(以下也称作方向盘转向角，用符号θh表示。参照细线)和转向转矩tt(参照虚线)的时间响应。

这里，首先对在模拟中使用的被控对象模型进行说明(参照图22、图23)。

在图22中示出了在模拟中使用的被控对象模型(机械模型)。在该被控对象模型中，马达电流值相对于电流指令值的追随性足够快，因此省略对电流控制部的详细说明，并且设电流指令值＝马达电流，按照信号名iref来处理。车速v是固定的。柱惯性矩jc是将马达惯性矩、轴、齿条&齿轮、轮胎的惯性矩按照柱轴换算后的合计。马达角度θm与柱角度θc呈蜗杆减速比的关系。柱角θc与轮胎转向角δ呈总传动比nover的比的关系。扭杆转矩和转向转矩是相同的信号，设为tt。从柱到轮胎被模型化作为1个柱惯性。

jc：柱惯性[kgm^2]

dc：柱阻尼系数[nm/(rad/s)]

jh：方向盘惯性[kgm^2]

dh：方向盘阻尼系数[nm/(rad/s)]

ks：扭杆弹簧常数[nm/rad]

ds：扭杆阻尼常数[nm/(rad/s)]

kt：马达转矩常数[nm/a]

减速比：ng

tc：马达产生转矩的柱轴换算[nm]

其中，马达产生转矩被换算成柱轴的转矩(考虑了减速器的相应量)。另外，由于将实际的马达电流相对于电流指令值iref设置为一致，因此省略电流控制。

th：方向盘手动输入转矩[nm]

tt：扭杆转矩[nm]

iref：电流指令值[a]

θh：方向盘转向角[rad]

θc：柱转向角[rad]

v：车速[m/s]

yveh：车辆重心的横向移动距离[m]

δ：轮胎转向角[rad]

fd：作用于车辆重心的横向外力[n]

tsat：tsat'的柱轴换算[nm]

tsat'：通过路面反力向转向销周围作用的力矩[nm]

对车辆运动模型进行说明。车辆的微分方程式如数学式1、数学式2所示。

[数学式1]

[数学式2]

拉普拉斯变换后的侧滑角β和横摆率γ在数学式3中示出。

[数学式3]

作用于转向销周围的、轮胎从路面受到的力矩在数学式4中示出。

[数学式4]

近似条件下的车辆重心的横向加速度在数学式5中示出。

[数学式5]

ay＝v(sβ+γ)

车辆重心的横向移动距离在数学式6中示出。

[数学式6]

另外，车辆运动模型只要是考虑了以轮胎转向角δ向因路面反作用力作用于转向销周围的力矩tsat'传递的传递特性即可。另外，对于在仿真中使用的车辆模型和转向模型，不限于上述内容，也可以参照一般文献等。另外，对于车辆模型的关系式即数学式1、数学式2、数学式4、数学式5，例如在东京电机大学出版社《车辆的运动与控制》(安部正人著)中示出。对于转向模型，例如在三重大学硕士论文《关于考虑了手臂的肌骨格特性的车辆的转向操作感评价的研究》(横井大介著)中示出。

图23示出了驾驶员的转向模型的一例。在对驾驶员的转向进行仿真时，使用图23所示的转向模型，将从机械模型(参照图22)输出的方向盘转向角θh输入到转向模型中，将从转向模型输出的手动输入转矩th输出到机械模型中。这里，将目标角度(驾驶员的转向目标角度)设为θarm。

作为一例而示出的条件是下文中所说明的“伪积分、辅助控制输出渐变增益gft1＝1倍、辅助映射图渐变增益gft2＝3倍”“其中，转向角控制输出渐变增益gfa1、速度控制渐变增益gfa2、速度指令渐变增益gfa3以及转向角指令渐变增益gfa4是1倍”。

将输入了图19所示的驾驶员目标角度θarm时的各条件下的方向盘转向角θh与转向转矩tt(＝扭杆转矩)进行比较(参照图19～图21)。

粗线……伪积分(在图21中为p控制)、辅助控制输出渐变增益gft1＝1倍、辅助映射图渐变增益gft2＝1倍

细线……伪积分(在图21中为p控制)、辅助控制输出渐变增益gft1＝1倍、辅助映射图渐变增益gft2＝3倍

虚线……纯积分(在图21中为pi控制)、辅助控制输出渐变增益gft1＝1倍、辅助映射图渐变增益gft2＝1倍

其中，转向角控制输出渐变增益gfa1、速度控制渐变增益gfa2、速度指令渐变增益gfa3以及转向角指令渐变增益gfa4为1倍。

根据粗线和虚线可知，通过“伪积分”进行了速度控制的pi控制的方式(图21的情况下是进行了p控制)完成了转向。作为其理由，可以举出如下内容。

即，在虚线上，将方向盘转向角θh达到了7.5[deg]，但在速度控制pi的纯积分的影响下，速度偏差(转向角速度指令值与实际转向角速度的偏差)持续累积，因此最终被强行返回到转向角指令值θref(＝0[deg])，从而产生非常大的转向转矩，因此驾驶员的转向变得困难(0[deg]下产生15[nm]以上的转向转矩)。其中，在以往技术中，虽然在进行切换前的转向角控制过程中辅助控制指令值为0[deg]，但转向比虚线还要困难，因此放弃转向。另外，为了与本实施方式的电动助力转向装置进行比较，设gft1＝1倍、gft2＝1倍，并观察积分方式的不同。

与之相对，在粗线上，转向完成了大约14[deg]，转向角指令值也不会返回到0[deg]。这是因为通过使用伪积分(在图21中为p控制)，速度偏差的累积被限定(在图21中，不存在基于积分的速度偏差的累积)。并且，在细线(辅助映射图渐变增益gft2＝3倍)上，可以确认到能够实现比粗线轻微的转向。由此可知，通过增大辅助映射图渐变增益gft2，能够以轻微的转向实现驾驶员的转向介入。

另外，根据上述的转向角控制的第1方式～第5方式，通过使用方向盘振动去除单元206和转向介入补偿兼方向盘减震单元220，能够实现自动转向过程中的方向盘的振动抑制。

至此所说明的本实施方式的电动助力转向装置100通过求出转向角的估计值并使用求出的转向角的估计值实现了高精度的转向角控制，而不必使用价格高的角度传感器。即，在转向角控制模式时，使用马达旋转角θs(即马达角度θ)和转向转矩tt求出实际转向角的估计值θr，并使用求出的实际转向角的估计值θr实现高精度的转向角控制。另外，另一方面，本实施方式的电动助力转向装置100实现了车辆的自动驾驶中的高性能的人机接口。即，在自动驾驶过程中的驾驶员的转向介入时，即使在没有“手动输入检测”“切换动作”的状态下也能够实现手动转向，确保了驾驶员进行紧急转向时的高安全性，实现了兼顾转向角控制和辅助控制的控制方法。另外，还在从转向角控制向辅助控制切换时抑制了牵拉感等驾驶员的违和感、不舒适。另外，从辅助控制向转向角控制的切换也可以顺利地、没有违和感地实施。

另外，上述实施方式是本发明所优选的实施例，并不限于此，在不脱离本发明的主旨的范围内可以实施各种变形。例如，虽然在上述实施方式中，在方向盘振动去除单元206中使用了lpf，但这只是优选的一例，除此以外，也可以例如通过与方向盘振动频率(大约10hz前后)相匹配的陷波滤波器降低成分。

另外，在上述实施方式中，在转向介入补偿兼方向盘减震单元220中采用1次相位提前补偿，但也可以采用2次以上的相位补偿滤波器。

另外，上述各渐变增益并不限于实施方式中举例示出的渐变增益，也可以根据情况进行更新。例如，辅助控制输出渐变增益gft1和辅助映射图渐变增益gft2不限于设定为100％以上，也可以是根据情况设定为0％以上且小于100％的值。

上述实施方式中的将转向角控制和车辆控制组合在一起的情况下的车辆运动动作只是一例。例如，在图10a和图10b的仿真中，以掌握了在单纯只实施转向角控制的情况下的车辆控制的动作作为前提，因此辅助控制输出渐变增益gft1＝0％。这里，转向角控制并非旨在限定于上述各实施方式中所示的内容，只要是使实际转向角(估计值)追随于转向角指令值的控制结构即可，可以在不采用转向角传感器14的情况下实现相同的车辆运动。另外，对于车辆控制，例如在产生横向上的干扰(例如横向风)的情况下，只要以在车辆的横向位置的目标值上施加修正等方式进行车辆控制即可。

工业上的可利用性

本发明优选应用于电动助力转向中。

标号说明

1：方向盘(转向盘)；2：柱轴(扭杆)；3：减速齿轮；4a、4b：万向接头；5：齿条机构；6a、6b：拉杆；7a、7b：轮毂单元；8l、8r：操向车轮；10：转矩传感器；12：车速传感器；14：转向角传感器；20：马达；21：旋转传感器；30：控制单元；31：电流指令值运算部；32a：加法运算部；32b：减法运算部；33：电流限制部；34：补偿部；35：pi控制部；36：pwm控制部；37：逆变器；38：马达电流检测器；40：can；100：电动助力转向装置；130：车辆侧ecu；130a：车辆状态量检测器；131：切换指令部；132：目标转向角生成部；134：目标轨道运算部；135：车辆运动控制部；135a：转向角指令值生成部；140：eps(电动助力转向装置)侧ecu；141：转矩控制部；142：切换部；143：电流控制/驱动部；144：马达角速度运算部；145：切换判定/渐变增益生成部；146：eps状态量检测器；147：辅助控制部；150：马达；151：旋转传感器；154：转矩传感器；160：被控对象；200：转向角控制部；201、201a：转向角运算部；202：上下限可变限制器；204：可变率限制器；206：方向盘振动去除单元；208：位置控制部；210：速度指令值上下限可变限制器；212：转向角速度控制部；214：转向角控制输出上下限限制器；220：转向介入补偿兼方向盘减震单元；230：ff滤波器；341：收敛性；342：惯性；343：自调节转矩(sat)；344：加法运算部；345：加法运算部；cm：补偿信号；gfa1：转向角控制输出渐变增益；gfa2：速度控制渐变增益；gfa3：速度指令渐变增益；gfa4：转向角指令渐变增益；gft1：辅助控制输出渐变增益；gft2：辅助映射图渐变增益；irefp1：转向角控制电流指令值；th：转向转矩；vs：车速；θ：马达角度；θr：实际转向角的估计值；θref：转向角指令值；θs：马达旋转角；θt：目标转向角；ωref：转向角速度指令值。