JP2006036146A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動パワーステアリング装置において、電動モータからラック軸への回転力伝達系における滑りの発生を早期に検知すること。
【解決手段】 電動パワーステアリング装置１０において、電動モータ２０の検出電流信号と検出回転速度信号とＰＷＭ信号のデューティ比を入力して、デューティ比が所定のデューティ比しきい値より大きく、かつ検出電流が所定の電流しきい値より小さく、かつ検出回転速度が所定の回転速度しきい値より大きいときに、電動モータ２０からラック軸に至る回転力伝達系に滑り、空転が発生したものと判断するモータ滑り検知手段６０を有するもの。
【選択図】 図３

Description

本発明は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、特許文献１に記載の如く、ステアリング系の操舵トルクを操舵トルクセンサで検出し、検出した操舵トルクに基づいて目標電流を設定し、目標電流と電動モータに実際に流れる電流の偏差にＰＩ（比例・積分）補償を施したＰＷＭ（パルス巾変調）信号により電動モータを駆動制御してラック軸を直線ストロークさせ、ラック軸に連結されている車輪に操舵アシスト力を及ぼす。
特開平6-8839

従来の電動パワーステアリング装置では、電動モータからラック軸に至る回転力伝達系に滑りが発生しても、この滑りの発生を早期に検知できず、操舵アシスト制御が不安定になるおそれがある。電動モータの回転力伝達系に生ずる滑りとしては、電動モータの回転をラック軸の直線ストロークに変換するベルト伝動機構やボールねじ装置の破損、又は伝達機構の固着連結部の緩み等に起因する不規則な空転等がある。

本発明の課題は、電動パワーステアリング装置において、電動モータからラック軸への回転力伝達系における滑りの発生を早期に検知することにある。

請求項１の発明は、ステアリング系の操舵トルクを検出して操舵トルク信号を出力する操舵トルクセンサと、ステアリング系に操舵アシスト力を付与する電動モータと、電動モータの回転速度を検出して検出回転速度信号を出力する回転検出手段と、電動モータに流れる電流を検出して検出電流信号を出力する電流検出手段と、操舵トルク信号に基づいて目標電流信号を設定する目標電流設定手段と、目標電流信号と検出電流信号の偏差に応じ、電動モータの駆動手段に方向指令信号及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号を出力する電流制御演算手段とを有する電動パワーステアリング装置において、電動モータの検出電流信号と検出回転速度信号とＰＷＭ信号のデューティ比から、デューティ比が所定のデューティ比しきい値より大きく、検出電流が所定の電流しきい値より小さく、かつ検出回転速度が所定の回転速度しきい値より大きい場合に、電動モータの回転力伝達系に滑りが発生したと判断するモータ滑り検知手段を有するようにしたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において更に、前記電流制御演算手段が、目標電流信号と検出電流信号の偏差を比例・積分補償し、比例・積分信号を出力するＰＩ制御手段と、比例・積分信号の方向と大きさに対応する方向指令信号及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号を電動モータの駆動手段に与えるＰＷＭ信号発生手段とを有してなるようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において更に、前記モータ滑り検知手段が電動モータの回転力伝達系における滑りの発生を検知したとき、前記電流制御演算手段はＰＷＭ信号のデューティ比をゼロにするようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において更に、前記モータ滑り検知手段が電動モータの回転力伝達系における滑りの発生を検知したとき、警報を出力する警報出力手段を有するようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において更に、前記電動モータの回転軸に固定した駆動プーリの回転力を、該駆動プーリと巻掛体により連結された従動プーリを含む動力伝達機構を介してラック軸に駆動連結するようにしたものである。

請求項６の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において更に、前記電動モータの回転軸に固定した駆動ギヤの回転力を、該駆動ギヤに噛合う従動ギヤを含む動力伝達機構を介してラック軸に駆動連結するようにしたものである。

（請求項１、２）
(a)モータ滑り検知手段は、電動モータに与えるＰＷＭ信号のデューティ比が予め記憶された所定のデューティ比しきい値より大きく、更に電動モータの検出電流が予め記憶された所定の電流しきい値より小さく、かつ検出回転速度が予め記憶された所定の回転速度しきい値より大きい場合に、電動モータの負荷が正常時の適正負荷領域よりも低減したこと、換言すれば電動モータに適正な負荷がかからない状態であることを検出し、電動モータからラック軸に至る回転力伝達系の滑りの発生を早期に容易に検知できる。

（請求項３）
(b)モータ滑り検知手段が電動モータの回転力伝達系における滑りの発生を検知したとき、電流制御演算手段がＰＷＭ信号のデューティ比を瞬時にゼロにすることにより、不安定な状態の操舵アシスト制御を直ちに解除できる。

（請求項４）
(c)モータ滑り検知手段が電動モータの回転力伝達系における滑りの発生を検知したとき、警報出力手段が警報を出力し、操舵アシスト制御の異常を直ちに使用者に報知できる。

（請求項５）
(d)電動モータからラック軸への動力伝達機構が駆動プーリと従動プーリに巻掛けた巻掛体からなるとき、巻掛体の切断等に原因する上述(a)の滑りを検知できる。

（請求項６）
(e)電動モータからラック軸への動力伝達機構が駆動ギヤと従動ギヤの歯車列からなるとき、ギヤの歯の破断等に原因する上述(a)の滑りを検知できる。

図１は電動パワーステアリング装置を示す正面図、図２は電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図、図３は電動パワーステアリング装置の制御系を示すブロック図、図４はモータ滑り検知手順を示す流れ図である。

電動パワーステアリング装置１０は、図１に示す如く、ギヤハウジング１１を分割した、第１ギヤハウジング１１Ａと第２ギヤハウジング１１Ｂを有するものにし、このギヤハウジング１１（第１ギヤハウジング１１Ａ）にステアリング入力軸１２を支持し、入力軸１２にトーションバー１３を介して出力軸（不図示）を連結し、この出力軸にピニオン（不図示）を設け、このピニオンに噛合うラック軸１４をギヤハウジング１１に左右方向に直線移動可能に支持している。入力軸１２と出力軸の間には、操舵トルクセンサ４１を設けている。操舵トルクセンサは、ステアリングホイールに加えた操舵トルクに起因するトーションバーの弾性ねじり変形により、入力軸１２と出力軸の間に生ずる相対回転変位量に基づき、操舵トルクを検出し、操舵トルク信号Ｔsを出力する。

電動パワーステアリング装置１０は、ラック軸１４の両端部をギヤハウジング１１（第１ギヤハウジング１１Ａ、第２ギヤハウジング１１Ｂ）の両側に突出し、それらの端部にタイロッド１５Ａ、１５Ｂを連結し、ラック軸１４の直線移動に連動するタイロッド１５Ａ、１５Ｂを介して、左右の車輪を転舵可能にする。

電動パワーステアリング装置１０は、図２に示す如く、電動モータ２０を取付ボルト２１（不図示）によりホルダ２２に固定し、このホルダ２２を取付ボルト２３により第１ギヤハウジング１１Ａに着脱可能にしている。第１ギヤハウジング１１Ａに取付けられて第１ギヤハウジング１１Ａの内部に挿入されたホルダ２２は、ギヤハウジング１１Ａ、１１Ｂの内周との間に一定の間隙を有し、第１ギヤハウジング１１Ａに対するホルダ２２の揺動を許され、ホルダ２２に後述する如くに支持する駆動プーリ２４と従動プーリ３６に巻掛けられるベルト３７の張力を調整可能にする。

このとき、ホルダ２２は、駆動プーリ２４の中心軸２５を支持し、電動モータ２０の回転軸２０Ａの軸端のジョイント２６Ａと、中心軸２５の軸端のジョイント２６Ｂを、それらの周方向複数位置に設けた歯の間にゴム等の中間ジョイント２６Ｃを挟む状態で、互いに軸方向から係着する。駆動プーリ２４は中心軸２５の両端部を軸受２７、２８によりホルダ２２に両端支持される。２９は軸受２８の外輪固定用止め輪である。

電動パワーステアリング装置１０は、ラック軸１４にボールねじ３０を設け、ボールねじ３０にボール３１を介して噛合うボールナット３２を有し、ギヤハウジング１１（第１ギヤハウジング１１Ａ）に支持した軸受３３によりボールナット３２を回転自在に支持する。３４は軸受３３の外輪固定用ナットである。ボールナット３２の外周には、ロックナット３５により従動プーリ３６が固定される。

電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ２０の側の駆動プーリ２４と、ボールナット３２の側の従動プーリ３６にベルト３７を巻掛け、電動モータ２０の回転を駆動プーリ２４、ベルト３７、従動プーリ３６経由でボールナット３２に伝え、ひいてはラック軸１４の直線ストロークに変換し、該ラック軸１４を直線移動させる。これにより、電動モータ２０はステアリング系に操舵アシスト力を付与するものになる。

電動パワーステアリング装置１０は、第１ギヤハウジング１１Ａに支持されているラック軸１４を第２ギヤハウジング１１Ｂに通し、第１ギヤハウジング１１Ａに取付けられているホルダ２２を第２ギヤハウジング１１Ｂで覆い、第１ギヤハウジング１１Ａと第２ギヤハウジング１１Ｂを複数の締結ボルト１６で締結する。このとき、第１ギヤハウジング１１Ａと第２ギヤハウジング１１Ｂは、図２に示す如く、複数の筒状ノックピン１６Ａにより、それらノックピン１６Ａの両端部のそれぞれを打ち込まれて位置合せされた後、各ノックピン１６Ａに挿通される締結ボルト１６により螺合締結される。一部の締結ボルト１６はノックピン１６Ａを通って第１ギヤハウジング１１Ａに螺着され、他の締結ボルト１６はノックピン１６Ａを通って第２ギヤハウジング１１Ｂに螺着される。

電動パワーステアリング装置１０は、ギヤハウジング１１Ａ、１１Ｂに支持されるラック軸１４の振れを小さくするため、以下の構成を備える。

第２ギヤハウジング１１Ｂにおいて、第１ギヤハウジング１１Ａに支持したボールナット３２に相対する部分をブッシュ支持部１７とし、ボールナット３２とブッシュ支持部１７とにブッシュ４０を架け渡す。ブッシュ４０は、ボールナット３２の先端側内周部に圧入されて固定的に設けられ、ブッシュ支持部１７の内周部に回転摺動可能に支持される状態で、ラック軸１４を直線摺動可能に支持する。

ブッシュ４０は、金属等からなる筒体の外周の軸方向における一部をブッシュ支持部１７との摺動部とし、内周の全部をラック軸１４との摺動部とする。摺動部は、含油ポリアセタール樹脂、又は四フッ化エチレン樹脂等の潤滑被膜層を筒体の表面にコーティング等にて設けたものである。

電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ２０のための以下の制御手段５０を有する（図３）。

制御手段５０は、操舵トルクセンサ４１と車速センサ４２を付帯的に備える。操舵トルクセンサ４１は、前述の如く、ステアリング系の操舵トルクを検出して操舵トルク信号Ｔsを制御手段５０に出力する。車速センサ４２は、車両の速度を検出し、車速信号Ｖsを制御手段５０に出力する。

制御手段５０は、マイクロプロセッサを基本に、各種演算処理手段、信号発生手段、メモリ等を有し、操舵トルク信号Ｔs、車速信号Ｖsに基づき、Ｐ（比例制御）及びＩ（積分制御）を施した駆動制御信号Ｖ0（ＰＷＭ信号）を生成し、これによってモータ駆動手段４３を駆動制御する。

モータ駆動手段４３は、例えば４個のパワーＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、又はＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子からなるブリッジ回路で構成され、駆動制御信号Ｖ0に基づくモータ電圧Ｖmを出力し、電動モータ２０を駆動する。ステアリングホイールが時計回り方向に操舵されているときには、電動モータ２０は例えば正回転させて前輪が時計回り方向に向くようにステアリング系に操舵アシスト力を付与する。

制御手段５０は、電流検出手段４４を付帯的に備える。電流検出手段４４は、電動モータ２０に実際に流れるモータ電流Ｉmを検出し、モータ電流Ｉmに対応するデジタルに変換した検出電流信号Ｉmoを制御手段５０にフィードバック（負帰還）する。

制御手段５０は、目標電流設定手段５１、偏差演算手段５２、電流制御演算手段５３を有する。

目標電流設定手段５１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリを備え、操舵トルクセンサ４１が出力する操舵トルク信号Ｔsと、この操舵トルク信号Ｔsと車速センサ４２が出力する車速信号Ｖsに基づいて予めメモリに記憶されている目標電流信号Ｉmsマップから、車速信号Ｖsをパラメータにした操舵トルク信号Ｔsに対する目標電流信号Ｉmsを読み出して偏差演算手段５２に向けて出力する。

偏差演算手段５２は、目標電流信号Ｉmsと検出電流信号Ｉmoの偏差（Ｉms−Ｉmo）を演算し、偏差信号ΔＩを電流制御演算手段５３に出力する。

電流制御演算手段５３は、目標電流信号Ｉmsと検出電流信号Ｉmoの偏差信号ΔＩに応じ、電動モータ２０のモータ駆動手段４３に方向（電動モータ２０の回転方向）極性信号及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号Ｖoを与える。

電流制御演算手段５３は、ＰＩ（比例・積分）制御手段５４、ＰＷＭ信号発生手段５５から構成される。

ＰＩ制御手段５４は、比例感度ＫPを発生して比例制御する比例要素５４Ａと、積分ゲインＫIを発生して積分制御する積分要素５４Ｂと、比例要素５４Ａと積分要素５４Ｂの出力信号を加算する加算器５４Ｃを備える。比例要素５４Ａと積分要素５４Ｂは並列接続され、比例要素５４Ａは偏差信号ΔＩに比例感度ＫPを乗じた比例信号ＩPを、積分要素５４Ｂは偏差信号ΔＩに積分ゲインＫIを有する積分処理を施した積分信号ＩIを、それぞれ加算器５４Ｃに出力する。加算器５４Ｃは比例信号ＩPと積分信号ＩIを加算し、比例・積分信号ＩPI（ＩP＋ＩI）をＰＷＭ信号発生手段５５に向けて出力する。

ＰＷＭ信号発生手段５５は、比例・積分信号ＩPIの方向と大きさに対応する方向極性信号及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号を駆動制御信号Ｖoとしてモータ駆動手段４３に向けて出力する。モータ駆動手段４３はモータ駆動電圧Ｖmで電動モータ２０を駆動する。

従って、制御手段５０は電動パワーステアリング装置１０を以下の如く動作する。
(1)操舵トルクセンサ４１が検出した操舵トルクが所定値より低いとき、操舵アシスト力は不要であり、電動モータ２０を駆動しない。

(2)操舵トルクセンサ４１が検出した操舵トルクが所定値を超えるとき、操舵アシスト力を必要とするから、電動モータ２０を駆動する。電動モータ２０の回転力が駆動プーリ２４、ベルト３７、従動プーリ３６経由でボールナット３２に伝えられ、ボールねじ３０を介してラック軸１４を直線ストロークさせる操舵アシスト力になる。

しかるに、電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ２０からラック軸１４への回転力伝達系における滑りの発生を検知するため、制御手段５０にモータ滑り検知手段６０を設け、モータ滑り検知手段６０に電動モータ２０の回転検出手段６１、及び警報出力手段６２を付帯して備える。

尚、電動モータ２０の滑りは、電動モータ２０からラック軸１４への回転力伝達系における何れかの連結部間の滑り、或いは、噛合い破損による空転、例えば電動モータ２０と駆動プーリ２４の中心軸２５との連結ジョイント（２６Ａ〜２６Ｃ）の破損、滑り、駆動プーリ２４と中心軸２５の嵌合部の滑り、ベルト３７の切断、滑り、ボールナット３２と従動プーリ３６の連結部の滑り、ボールねじ３０の破損等に起因する。

電動パワーステアリング装置１０において、電動モータ２０の空転等、電動モータ２０の回転力伝達系に滑りが生じているときには、電動モータ２０の負荷が正常時の作動負荷領域から外れて極端に低減し、制御手段５０がモータ駆動手段４３に出力するＰＷＭ信号のデューティ比は予め定めた所定のしきい値Ａｄより大きくなり、電動モータ２０のモータ電流Ｉmは予め定めた所定のしきい値Ａiより小さくなり、電動モータ２０の回転速度Ｎmは予め定めた所定のしきい値Ａnより大きくなることが認められる。尚、電動モータ２０の回転速度Ｎmは回転検出手段６１により検出され、回転検出手段６１は検出回転速度信号Ｎmoを出力する。

従って、モータ滑り検知手段６０にあっては、図４に示す如く、電流検出手段４４が出力する検出電流信号Ｉmoと、回転検出手段６１が出力する検出回転速度信号Ｎmoと、電流制御演算手段５３のＰＷＭ信号発生手段５５が出力するＰＷＭ信号Ｖoのデューティ比Ｄを得て、デューティ比Ｄが所定のデューティ比しきい値Ａdより大きく、かつ、検出電流Ｉmが所定の電流しきい値Ａiより小さく、更に検出回転速度Ｎmが所定の回転速度しきい値Ａnより大きい場合に、電動モータ２０からラック軸に至る回転力伝達系のいずれかで滑り、空転が発生したものと判断する。

尚、図４では、デューティ比Ｄ、検出電流Ｉm、検出回転速度Ｎmの順でそれらのしきい値Ａd、Ａi、Ａnと比較したが、この比較の順は任意で良く、例えばデューティ比Ｄ、検出回転速度Ｎm、検出電流Ｉmの順であっても良い。

モータ滑り検知手段６０は、電動モータ２０からの回転力伝達系における滑り、空転の発生を検知したとき、ＰＷＭ信号発生手段５５にモータ停止制御信号Ａを出力してＰＷＭ信号発生手段５５を制御し、ＰＷＭ信号発生手段５５が出力するＰＷＭ信号Ｖoのデューティ比Ｄをゼロにする。これにより、電動モータ２０の無用な駆動を停止制御する。また、回転力伝達系の滑り初期状態においては、不規則な滑り検知がなされることがある。これは、伝達系に未だ完全な滑りが発生しておらず、係合状態が不安定な連結状態にあると判断して、ＰＷＭ信号発生手段５５が出力するＰＷＭ信号Ｖoのデューティ比Ｄを斬減してゼロにしても良い。

モータ滑り検知手段６０は、電動モータ２０の回転力伝達系における滑りの発生を検知したとき、警報出力手段６２に警報出力信号Ｂを出力して警報出力手段６２を制御し、使用者に対して視覚、聴覚等による警報を出力する。

本実施例によれば以下の作用効果を奏する。
(a)モータ滑り検知手段６０は、電動モータ２０に与えるＰＷＭ信号のデューティ比Ｄが所定のデューティ比しきい値Ａdより大きく、更に電動モータ２０の検出電流Ｉmが所定の電流しきい値Ａiより小さく、かつ検出回転速度Ｎmが所定の回転速度しきい値Ａnより大きい場合に、電動モータ２０の負荷が正常時の適正負荷領域よりも低減していること、換言すれば電動モータ２０の負荷状態に異常があるものと判断し、電動モータ２０からラック軸１４に至る回転力伝達系の滑り、空転の発生を早期に容易に検知できる。

(b)モータ滑り検知手段６０が電動モータ２０からの回転力伝達系における滑りの発生を検知したとき、電流制御演算手段５３がＰＷＭ信号Ｖoのデューティ比Ｄをゼロにすることにより、不安定な操舵アシスト制御を直ちに解除できる。

(c)モータ滑り検知手段６０が電動モータ２０の回転力伝達系における滑りの発生を判断したとき、警報出力手段６２が警報を出力し、操舵アシスト制御の異常を直ちに使用者に報知できる。

(d)電動モータ２０からラック軸１４への動力伝達機構が駆動プーリ２４と従動プーリ３６に巻掛けたベルト３７からなるとき、ベルト３７の切断、緩み等に原因する上述(a)の滑りを検知できる。

(e)電動モータ２０からラック軸１４への動力伝達機構が駆動ギヤと従動ギヤの歯車列からなるとき、ギヤの歯の破断等に原因する上述(a)の滑りを検知できる。

以上、本発明の実施例を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、電動モータの回転をラック軸に伝える動力伝達機構は、電動モータの回転軸に固定した駆動ギヤの回転力を、ピニオン軸に固定された従動ギヤと噛み合わせたピニオンアシスト駆動機構であっても良い。

図１は電動パワーステアリング装置を示す正面図である。 図２は電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図である。 図３は電動パワーステアリング装置の制御系を示すブロック図である。 図４はモータ滑り検知手順を示す流れ図である。

符号の説明

１０ 電動パワーステアリング装置
２０ 電動モータ
２４ 駆動プーリ
３６ 従動プーリ
３７ ベルト(巻掛体)
４１ 操舵トルクセンサ
４４ 電流検出手段
５０ 制御手段
５１ 目標電流設定手段
５２ 偏差演算手段
５３ 電流制御演算手段
５４ ＰＩ制御手段
５５ ＰＷＭ信号発生手段
６０ モータ滑り検知手段
６１ 回転検出手段
６２ 警報出力手段

Claims (6)

1. ステアリング系の操舵トルクを検出して操舵トルク信号を出力する操舵トルクセンサと、
   ステアリング系に操舵アシスト力を付与する電動モータと、
   電動モータの回転速度を検出して検出回転速度信号を出力する回転検出手段と、
   電動モータに流れる電流を検出して検出電流信号を出力する電流検出手段と、
   操舵トルク信号に基づいて目標電流信号を設定する目標電流設定手段と、
   目標電流信号と検出電流信号の偏差に応じ、電動モータの駆動手段に方向指令信号及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号を出力する電流制御演算手段とを有する電動パワーステアリング装置において、
   電動モータの検出電流信号と検出回転速度信号とＰＷＭ信号のデューティ比から、デューティ比が所定のデューティ比しきい値より大きく、検出電流が所定の電流しきい値より小さく、かつ検出回転速度が所定の回転速度しきい値より大きい場合に、電動モータの回転力伝達系に滑りが発生したものと判断するモータ滑り検知手段を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記電流制御演算手段が、
   目標電流信号と検出電流信号の偏差を比例・積分補償し、比例・積分信号を出力するＰＩ制御手段と、
   比例・積分信号の方向と大きさに対応する方向指令信号及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号を電動モータの駆動手段に与えるＰＷＭ信号発生手段とを有してなる請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記モータ滑り検知手段が電動モータの回転力伝達系における滑りの発生を検知したとき、電流制御演算手段はＰＷＭ信号のデューティ比をゼロにする請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記モータ滑り検知手段が電動モータの回転力伝達系における滑りの発生を検知したとき、警報を出力する警報出力手段を有する請求項１〜３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記電動モータの回転軸に固定した駆動プーリの回転力を、該駆動プーリと巻掛体により連結された従動プーリを含む動力伝達機構を介してラック軸に駆動連結する請求項１〜４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記電動モータの回転軸に固定した駆動ギヤの回転力を、該駆動ギヤに噛合う従動ギヤを含む動力伝達機構を介してラック軸に駆動連結する請求項１〜４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

Images