JP2005186775A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサの精度を向上させなくても、トルクリップルを軽減して良好な操舵フィーリングが得られる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】 操舵速度が速い（例えば４５［deg／sec］より大きい。）ときはドライバがトルクリップルに鈍感になる点に着目し、制御部により、操舵速度が速いときはセンサの出力に基づくトルク演算値をそのまま出力させるが、操舵速度が遅いときはトルク演算値の変化ΔＴ＝０として、トルク演算値を一定に保持する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、主として自動車に用いられる電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置は、センサによって検出した操舵トルクに基づいて、モータにより操舵補助力を生じさせる装置である（例えば、特許文献１参照。）。この「センサ」は、具体的には、トーションバーを介して相互に接続されている入力軸及び出力軸の各回転を磁気センサによって検出するものであり、Ａ，Ｂ２相の磁気センサからは、それぞれｓｉｎ波，ｃｏｓ波が出力される。その出力に基づいて演算装置によりｔａｎθ（θは回転角）を求め、その逆関数としてのθを求める。そして、入力軸及び出力軸のそれぞれについて求めた回転角の相対角度差から、操舵トルクの演算値が求められる。

特開２００１−１８８２２号公報（第３頁、図１）

しかしながら、上記のような従来の電動パワーステアリング装置では、実際の操舵トルクが一定であっても、磁気センサの出力の誤差により操舵トルクの演算値に誤差が生じ、トルクが波打つように微振動する状態となる。その結果、ドライバは、操舵補助力にトルクリップルがあるように感じることになり、操舵フィーリングの点で好ましくない。このようなトルクリップルは、磁気センサの精度を向上させることにより軽減できるが、精度を追求するとコストアップを招くので、多少の誤差があっても実用上問題なく使用できることが望ましい。
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、センサの精度を向上させなくても、トルクリップルを軽減して良好な操舵フィーリングが得られる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、センサの出力に基づいて演算により操舵速度及び操舵トルクを求め、操舵トルクの演算値に基づいて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置において、操舵速度が所定値以下の小さい値であるとき、操舵トルクの演算値の変化を抑制する処理を行う制御部を備えたものである。

このような電動パワーステアリング装置では、操舵速度が所定値以下の小さい値であるとき、制御部により操舵トルクの演算値の変化を抑制する処理が行われ、トルクリップルのない一定のトルク演算値が出力される。この結果、一定の操舵補助力を生じさせることができ、滑らかな操舵フィーリングが得られる。
一方、操舵速度が所定値を超える速い速度である場合、センサの出力に基づくトルク演算値がそのまま出力され、これに基づく操舵補助力が発生する。このトルク演算値にはトルクリップルが含まれているが、操舵速度が速いときは、操舵トルクの大きさに対してトルクリップルが非常に小さく、また、モータの慣性により些細なトルクリップルは押し殺されるため、ドライバはトルクリップルを感じ取ることはない。

また、本発明は、センサの出力に基づいて演算により操舵速度及び操舵トルクを求め、操舵トルクの演算値に基づいて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置において、操舵速度が所定値以下の小さい値であり、かつ、前記センサの入力軸側の角速度が出力軸側の角速度と略一致するとき、操舵トルクの演算値の変化を抑制する処理を行う制御部を備えたものである。

このような電動パワーステアリング装置では、操舵速度が所定値以下の小さい値であり、かつ、センサの入力軸側の角速度が出力軸側の角速度と略一致するとき、制御部により操舵トルクの演算値の変化を抑制する処理が行われ、トルクリップルのない一定のトルク演算値が出力される。この結果、一定の操舵補助力を生じさせることができ、滑らかな操舵フィーリングが得られる。
一方、操舵速度が所定値を超える速い速度である場合、センサの出力に基づくトルク演算値がそのまま出力され、これに基づく操舵補助力が発生する。このトルク演算値にはトルクリップルが含まれているが、操舵速度が速いときは、操舵トルクの大きさに対してトルクリップルが非常に小さく、また、モータの慣性により些細なトルクリップルは押し殺されるため、ドライバはトルクリップルを感じ取ることはない。他方、操舵速度が遅くても、センサの入力軸側の角速度が出力軸側の角速度と不一致であるとき（例えばドライバが意図的にハンドルを左右に振っているような場合であって操舵方向の反転直後）には、センサの出力に基づくトルク演算値がそのまま出力され、これに基づく操舵補助力が発生する。このトルク演算値にもトルクリップルが含まれるが、操舵方向の反転によって、ドライバはトルクリップルを感じにくくなる。
このように、操舵トルクの演算値の変化を抑制する条件として、センサの入力軸側の角速度が出力軸側の角速度と略一致するという点を加えることにより、この条件が成り立たない場合にはトルク演算値の変化を抑制せず、センサの出力に基づくトルク演算値がそのまま出力される。この結果、操舵方向の反転動作に対しては、電動パワーステアリング装置に忠実な応答性を確保することができる。

本発明によれば、センサの精度を向上させなくても、トルクリップルを軽減して良好な操舵フィーリングが得られる電動パワーステアリング装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の構造を示す図である。当該装置は、例えば自動車に搭載され、操舵部材（ハンドル）１とピニオン２との間に、操舵軸３を介在させたものである。操舵軸３は、その中心に設けられたトーションバー３１と、トーションバー３１の入力側（上方）に固定された入力軸３２と、トーションバー３１の出力側（下方）に固定された出力軸３３と、入力軸３２に外嵌固定された第１ターゲット板３４と、出力軸３３に外嵌固定された第２ターゲット板３５とを備えている。入力軸３２と出力軸３３とは互いに同軸に配置されているが、相互には直接接続されず、トーションバー３１を介して接続されている。また、第１ターゲット板３４と第２ターゲット板３５とは、互いに同軸に配置されている。

上記各ターゲット板３４，３５は、平歯車状の形態を成し、磁性体から成る外周の歯が、入力軸３２、出力軸３３の各軸周りに周方向へ等間隔で凹凸の「ターゲット」を形成している。各ターゲット板３４，３５の歯数は、同数（例えば３６）である。
なお、上記の各ターゲット板３４，３５は、入力軸３２や出力軸３３とは別体であって外嵌される構造であるが、入力軸３２や出力軸３３を磁性体とし、対応するターゲット板３４，３５と一体に形成してもよい。
また、平歯車状のターゲット板３４，３５に代えて、スリット状の多数の孔が周方向に等間隔で形成されたリング状のターゲットや、外周面に磁極のＮ・Ｓを交互に配置したターゲットを用いることもできる。

一方、出力軸３３にはウオームホイール４が取り付けられ、これが、モータ６の出力軸に取り付けられたウオーム５と噛み合っている。モータ６の回転は、ウオーム５及びウオームホイール４を介してピニオン２に伝達され、操舵補助力となる。ピニオン２の回転は、ラック７の直線運動に変換され、左右のタイロッド８を介して操向車輪９が転舵される。

上記各ターゲット板３４，３５の外周の歯に対向して、２段２列に４個の磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２が配置され、これらはセンサボックス１０に収められている。センサボックス１０は車体の所定位置に固定されている。センサＡ１，Ｂ１は、第１ターゲット板３４の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置されている。同様に、センサＡ２，Ｂ２は、第２ターゲット板３５の外周の互いに異なる周方向位置に対向して配置されている。

上記磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２は、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等、磁界の作用により抵抗が変化する特性を有する素子を用いたもので、対向する各ターゲット板３４，３５の外周の凹凸に応じて周期的に変化する信号電圧を出力する。従って、磁気センサＡ１，Ｂ１の出力は、入力軸３２及び第１ターゲット板３４の角変位に対応したものとなり、磁気センサＡ２，Ｂ２の出力は、出力軸３３及び第２ターゲット板３５の角変位に対応したものとなる。

磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２の出力は、Ａ／Ｄコンバータ（図示せず。）を介して、制御装置２１内の制御部２２に入力される。制御部２２は、ＣＰＵ、メモリ等を内蔵するものである。また、駆動部２３は、制御部２２からの指令に基づいて、モータ６を駆動する。

図２は、上記トーションバー３１、入力軸３２、出力軸３３、各ターゲット板３４，３５、及び、磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２によって構成される「センサ」１００を模式的に表した図である。第１ターゲット板３４は、入力軸３２と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ１，Ｂ１の出力信号が変化する。ここで、磁気センサＡ１とＢ１との配置の、対向する凹凸に対する電気角における位相差は、π／２であるように設定されている。磁気センサＡ１，Ｂ１からの出力信号（電圧）は、いずれも正弦波（又は余弦波）に近いものであり、互いに位相がπ／２ずれていることにより、各信号は、一方を正弦波とすれば、他方が余弦波である。
同様に、第２ターゲット板３５は、出力軸３３と共に回転し、外周の凹凸により磁気センサＡ２，Ｂ２の出力信号が変化する。また同様に、磁気センサＡ２とＢ２との配置の、対向する凹凸に対する電気角における位相差は、π／２であるように設定されている。

ここで、操舵部材１の中立位置からの第１ターゲット板３４，第２ターゲット板３５の回転角度をそれぞれθ１，θ２とする。磁気センサＡ１，Ｂ１の出力する信号は、一方がｓｉｎθ１、他方がｃｏｓθ１であるから、第１ターゲット板３４が磁気センサＢ１から磁気センサＡ１の方向へ回転する場合、磁気センサＡ１，Ｂ１の各出力に基づいて、制御部２２によりｔａｎθ１＝（ｓｉｎθ１／ｃｏｓθ１）を求め、さらにθ１＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ１／ｃｏｓθ１）としてθ１を求めることができる。同様にして、θ２が求められる。トルクＴは、Ｔ＝ｋ（θ１−θ２）の関係により（ｋは定数）、求めることができる。

次に、制御部２２のトルク演算処理について図３のフローチャートを参照して説明する。トルク演算処理が開始されると、制御部２２は、磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２からの出力をＡ／Ｄコンバータ（図示せず。）を介して読み込む（ステップＳ１）。次に制御部２２は、前述の要領で回転角度θ１，θ２，トルクＴを演算し、さらに、これらの時間微分値（ｄθ１／ｄｔ），（ｄθ２／ｄｔ），（ｄＴ／ｄｔ）及び、トルクＴについて前回値（初期値０）からの変化量ΔＴを求める（ステップＳ２）。ここで、（ｄθ１／ｄｔ），（ｄθ２／ｄｔ）はそれぞれ、角速度ω１，ω２である。

次に、制御部２２はステップＳ３に進み、ｄＴ／ｄｔが所定値以下かどうかを判断する。この所定値とは、０又は０に近い比較的小さな値であり、ｄＴ／ｄｔが所定値以下であることは、トルクが一定でほとんど変化しない状態を意味している。これは、操舵速度が遅い（例えばω１≦４５［deg／sec］、以下同様。）ことと、ほぼ同様の意味となる。すなわち、操舵速度が遅く、それによって、トルクが一定でほとんど変化しない状態のときは、制御部２２はステップＳ４に進み、それ以外の場合はステップＳ６にジャンプする。

ここで、操舵方向が一定で、かつ、操舵速度が遅いときには、ｄＴ／ｄｔが所定値以下であり、また、入出力軸間の速度差がほとんどなくなって、ω１≒ω２となる。従って、制御部２２はステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５の順に進み、ΔＴ＝０とする。続いて制御部２２は、ステップＳ６においてトルク演算値Ｔを、Ｔ＋ΔＴとする処理を行う。ここでは、ΔＴが０であるから、結果としてトルク演算値Ｔの値は前回値のまま保持されることになる。言い換えれば、ステップＳ２で求められたトルクリップルを含むΔＴは無視され、トルク演算値の変化を抑制する処理が行われる。こうして制御部２２から出力されたトルク演算値Ｔに基づいて、駆動部２３はモータ６を駆動し、操舵補助力を出力軸３３に付与する。

上記の、ΔＴ＝０とする処理がもし無かったならば、図４の（ａ）のＸに示すようなトルクリップルを含むトルク演算値がそのまま出力される。その場合、操舵速度が遅いためドライバはトルクリップルを感じ取り、操舵フィーリングが悪くなる。しかしながら、上記処理により、（ｂ）に示すようにトルクリップルのない一定のトルク演算値が出力される。この結果、一定の操舵補助力を生じさせることができ、滑らかな操舵フィーリングが得られる。

一方、操舵速度が速い（例えばω１＞４５［deg／sec］、以下同様。）場合、ｄＴ／ｄｔは所定値を超える。従って、制御部２２はステップＳ３からステップＳ６にジャンプして前回値のＴにΔＴを加算して新しいＴとし、これをトルク演算値として出力する。駆動部２３は、このトルク演算値に基づいてモータ６を駆動し、操舵補助力を出力軸３３に付与する。図４の（ａ）のＹに示すように、トルク演算値には磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２の出力誤差によるトルクリップルが含まれており、これがそのままトルク演算値として（ｂ）に示すように出力される。しかしながら、操舵速度が速いときは、操舵トルクの大きさ（例えば５Ｎｍ程度）に対してトルクリップル（０．１〜０．２Ｎｍ）が非常に小さく、また、モータ６の慣性により些細なトルクリップルは押し殺されることにより、ドライバはトルクリップルを感じ取ることはない。

他方、ステップＳ３においてｄＴ／ｄｔが所定値以下であれば、制御部２２は、ω１≒ω２が成り立つか否かを判断する（ステップＳ４）。操舵速度が遅くても、例えばドライバが意図的にハンドルを左右に振っているような場合において操舵方向が反転した直後には、ω１≒ω２が成り立たない。従って、その場合にはステップＳ６にジャンプし、上記の場合と同様にしてトルク演算値が出力され、駆動部２３は、このトルク演算値に基づいてモータ６を駆動し、操舵補助力を出力軸３３に付与する。このトルク演算値にはトルクリップルが含まれるが、操舵方向の反転により、ドライバはトルクリップルを感じにくくなる。

以上のように、操舵速度が速いときはドライバがトルクリップルに鈍感になる点に着目し、また、操舵速度が遅いときは逆に敏感になる点に留意して、上記の処理を行うことにより、センサの精度を向上させなくても、トルクリップルを軽減して良好な操舵フィーリングが得られる電動パワーステアリング装置を提供することができる。

なお、図３のフローチャートにおけるステップＳ４は省略することも可能である。ステップＳ４を省略した場合には、ｄＴ／ｄｔが所定値以下であれば常にΔＴ＝０とする処理が行われることになり、ω１≠ω２すなわち、例えばドライバが意図的にハンドルを左右に振っているような場合であって操舵方向が反転した直後にも、トルク演算値は一定値（前回値）に保持されることになる。これにより、反転直後の応答性は若干損なわれるが、もともと操舵速度が遅いので特に問題はない。
しかしながら、図３に示すようにステップＳ４を設けた方が、あらゆる場合に、操舵方向の反転に対して電動パワーステアリング装置に忠実な応答性を確保することができる点で、好ましい。

本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の構造を示す図である。 上記電動パワーステアリング装置におけるトーションバー、入力軸、出力軸、各ターゲット板、及び、磁気センサを模式的に表した図である。 上記電動パワーステアリング装置における制御部のトルク演算処理についてのフローチャートである。 トルク演算処理によるトルクの変化を示すグラフである。

符号の説明

２２ 制御部
３２ 入力軸
３３ 出力軸
１００ センサ

Claims (2)

1. センサの出力に基づいて演算により操舵速度及び操舵トルクを求め、操舵トルクの演算値に基づいて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置において、
   操舵速度が所定値以下の小さい値であるとき、操舵トルクの演算値の変化を抑制する処理を行う制御部を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. センサの出力に基づいて演算により操舵速度及び操舵トルクを求め、操舵トルクの演算値に基づいて操舵補助を行う電動パワーステアリング装置において、
   操舵速度が所定値以下の小さい値であり、かつ、前記センサの入力軸側の角速度が出力軸側の角速度と略一致するとき、操舵トルクの演算値の変化を抑制する処理を行う制御部を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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