JP2008143200A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】別途舵角センサやトルクリミッタ等を追加することなく、操舵限界位置到達時にトルク伝達部材に伝達される衝撃力を緩和することができる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】ステアリング機構に操舵補助トルクを伝達する電動モータ１２と、操舵トルクに基づく電流指令値に応じて電動モータ１２を駆動制御するコントローラ１５とを備え、コントローラ１５は、操舵トルクセンサ１４で検出した操舵トルクＴと、角加速度演算部３２で演算したモータ角加速度αとに基づいて端当て時か否かを判定する端当て判定部５１を有する。そして、操舵トルク変化率ΔＴ又はモータ角加速度αが、操舵限界を判断する閾値以上であるとき、操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*を所定値に固定することで前記電流指令値を制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステアリング機構のステアリングシャフトに与える操舵補助トルクを発生する電動モータを備える電動パワーステアリング装置に関し、特に端当て時の衝撃を緩和することができる電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、ステアリング装置として運転者がステアリングホイールを操舵する操舵トルクに応じて電動モータ駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が普及している。
一般に、ステアリング機構では、ステアリングホイールを中立位置から左及び右の何れの操舵方向に操舵を続けて、ステアリングホイールの操作量がその最大値に相当する最大舵角に達すると、ステアリング機構がメカニカルストッパに当接してそれ以上の操舵ができない操舵限界位置となる。このような操舵限界位置となって、メカニカルストッパに当接する状態となることを所謂端当てと称している。

そして、ステアリングホイールが素早く操作される場合即ち操舵速度が大きい場合には、電動パワーステアリング装置で発生する操舵補助力も大きくなり、端当ての際に生じる衝撃力が大きなものとなり、その結果、ステアリング機構の耐久性が低下したり、操舵操作において運転者が不快感を覚えたりすることがある。
このため、従来、端当て時の衝撃を緩和するように構成された電動パワーステアリング装置として、舵角が最大舵角近傍の所定舵角を超えると電動機の操舵補助トルクを低減補正するアンローダ補正部を有し、このアンローダ補正部で、操舵速度が速いほど前記補助操舵トルクの低減補正量を増大修正するというものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、操舵輪が所定の最大舵角に接近して減衰開始舵角を超えたことが検出された場合に、電動モータの駆動力を減衰させる減衰手段と、操舵輪の負荷及び操舵輪の操舵速度に応じて前記減衰開始舵角を設定する減衰開始舵角設定手段とを備えた電気式パワーステアリング装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
ところが、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、最大舵角近傍において操舵補助トルクの低減補正量を増大修正するようにしているので、舵角を検出するセンサが必要となると共に、操舵速度が速い場合には、電動機の慣性により、必ずしも端当て時の衝撃を十分に緩和することができない。

また、上記特許文献２に記載の従来例にあっては、操舵輪の負荷及び操舵輪の操舵速度に応じて減衰開始舵角を設定するので、操舵速度が高速である場合には、最大舵角と減衰開始舵角との差を大きくする（電動モータの駆動力を減衰させる時点を早める）ことで、モータ慣性によって端当て時に大きな衝撃が発生することを防止することが可能となるものであるが、最大舵角近傍でアシスト力が不足してしまうと共に、ステアリングホイールを最大舵角近傍から中立位置へ向かって切り戻す場合には、電動モータの駆動力の減衰により、操舵補助力が不十分となってステアリングホイールが最大舵角付近に張り付くような感覚を与え、操舵フィーリングが悪化してしまう。

そこで、機械的に端当ての衝撃を低減することが考えられている（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３に記載の発明では、電動モータから操舵輪への操舵力伝達系の途中であって、電動モータから伝えられるトルクが作用する部分に、該部分に作用するトルクが所定値に達した場合に当該トルクの伝達を制限するトルクリミッタを設けることにより、操舵輪がステアリングエンドに達した時等、操舵輪の操舵動作が急激に停止した場合に瞬間的に増加する電動モータの回転エネルギによるトルクをトルクリミッタにより制限し、所定値以上のトルクの操舵輪側への電動を阻止して大きな衝撃力の発生を防止するようにしている。
特開２００１−２５３３５６号公報（第１頁、図２、図７） 特開２００１−３０９３３号公報（第１頁、図２、図３） 特開２０００−３３５４３１号公報（第１頁、図２、図３）

ところで、端当て時やタイヤが縁石に当接した時のように操舵限界位置に達した時の衝撃荷重が及ぼす影響のうち、ステアリングシャフトとステアリングギヤとの間に介挿されたトルク伝達部材としての中間シャフトに与える影響が大きく、この中間シャフトの耐久性が低下する。
上記各従来例にあっては、ステアリング機構がメカニカルストッパに当接する端当て時などの操舵限界位置となった時の衝撃を緩和できるものであるが、第１及び第２の従来例のような対策では、ステアリングホイールの絶対角度情報を使用するため、高精度の舵角センサ又は絶対舵角推定機能が必要となり、横滑り防止装置用の低精度の舵角センサを流用することはできず、高価な舵角センサや絶対舵角推定機能を必要とするので、製造コストが嵩む。また、タイヤが縁石に当接した場合など、舵角に関係なく中間シャフト等のトルク伝達部材に伝達される衝撃力を緩和することができない。

また、第３の従来例のように、端当て時の衝撃を、トルクリミッタを使用して機械的に防止するには、トルクリミッタを組込む必要があり、同様に製造コストが嵩む。
そこで、本発明は、別途舵角センサやトルクリミッタ等を追加することなく、端当て時やタイヤが縁石等に当接した時などの操舵限界位置となった時に中間シャフト等のトルク伝達部材に伝達される衝撃力を緩和することができる電動パワーステアリング装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、少なくとも前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいて電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、前記ステアリング機構のステアリングシャフトに与える操舵補助トルクを発生する電動モータと、該電動モータのモータ駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、前記電流指令値と前記モータ駆動電流とに基づいて前記電動モータを駆動制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクの変化率を演算するトルク変化率演算手段と、前記電動モータのモータ角加速度を検出する角加速度検出手段と、前記操舵トルクの変化率及び前記モータ角加速度の少なくとも一方が、操舵限界を判断する閾値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、前記電流指令値を、前記ステアリング機構のステアリングシャフト及び転舵輪間のトルク伝達部材に伝達されるトルクを抑制するための所定電流値に固定する電流指令値制限手段とを備えることを特徴としている。

また、請求項２に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１に係る発明において、前記電流指令値制限手段は、前記操舵トルクの変化率及び前記モータ角加速度の少なくとも一方が操舵限界を判断する閾値以上、且つ前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクの絶対値が所定値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、前記電流指令値を前記所定電流値に固定することを特徴としている。

さらに、請求項３に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、少なくとも前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいて電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、前記ステアリング機構のステアリングシャフトに与える操舵補助トルクを発生する電動モータと、該電動モータのモータ駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、前記電流指令値と前記モータ駆動電流とに基づいて前記電動モータを駆動制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記駆動電流検出手段で検出したモータ駆動電流の変化率を演算する駆動電流変化率演算手段と、前記電動モータのモータ角加速度を検出する角加速度検出手段と、前記モータ駆動電流の変化率及び前記モータ角加速度の少なくとも一方が、操舵限界を判断する閾値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、前記電流指令値を、前記ステアリング機構のステアリングシャフト及び転舵輪間のトルク伝達部材に伝達されるトルクを抑制するための所定電流値に固定する電流指令値制限手段とを備えることを特徴としている。

また、請求項４に係る電動パワーステアリング装置は、請求項３に係る発明において、前記電流指令値制限手段は、前記モータ駆動電流の変化率及び前記モータ角加速度の少なくとも一方が操舵限界を判断する閾値以上、且つ前記駆動電流検出手段で検出したモータ駆動電流の絶対値が所定値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、前記電流指令値を前記所定電流値に固定することを特徴としている。

さらにまた、請求項５に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１〜４の何れか１項に係る発明において、前記電動モータのモータ角速度を検出する角速度検出手段を有し、前記電流指令値制限手段は、前記電流指令値制限条件を満足したものと判断し、且つ前記角速度検出手段で検出したモータ角速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記電流指令値を前記所定電流値に固定することを特徴としている。

また、請求項６に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１〜５の何れか１項に係る発明において、前記電流指令値制限手段は、電流指令値を前記所定電流値に固定してから所定時間が経過したときに電流指令値の前記所定電流値への固定を解除するように構成されていることを特徴としている。
さらに、請求項７に係る電動パワーステアリング装置は、請求項６に係る発明において、前記所定時間は、モータ角速度に基づいて設定されることを特徴としている。

また、請求項８に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１〜７の何れか１項に係る発明において、前記モータ制御手段は、前記電流指令値と前記モータ駆動電流との偏差に基づいて、前記電動モータのモータ駆動電流を制御する電流制御手段と、前記電流指令値制限条件を満足したとき、前記電流制御手段でのモータ駆動電流制御の応答性を通常応答性より高い高応答性に変更する応答性変更手段とを備えることを特徴としている。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、操舵トルクの変化率及びモータ角加速度の少なくとも一方が、操舵限界を判断する閾値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、電動モータの電流指令値をステアリング機構のステアリングシャフト及び転舵輪間のトルク伝達部材に伝達されるトルクを抑制する所定電流値に固定するので、ステアリングシャフト及びステアリングギヤ間に介挿された中間シャフト等のトルク伝達部材に過大なトルクが伝達される前に電動モータで発生する操舵補助トルクを制限することができ、別途舵角センサやトルクリミッタ等を追加することなく、端当て時やタイヤが縁石等に当接した時などの操舵限界位置となった時に中間シャフト等のトルク伝達部材に伝達される衝撃力を緩和することができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す概略構成図である。
図中、符号ＳＭはステアリング機構である。このステアリング機構ＳＭは、ステアリングホイール１に運転者から作用される操舵力が伝達される入力軸２ａとこの入力軸２ａに図示しないトーションバーを介して連結された出力軸２ｂとを有するステアリングシャフト２を備えている。このステアリングシャフト２は、ステアリングコラム３に回転自在に内装され、入力軸２ａの一端がステアリングホイール１に連結され、他端は図示しないトーションバーに連結されている。

そして、出力軸２ｂに伝達された操舵力は、２つのヨーク４ａ，４ｂとこれらを連結する十字連結部４ｃとで構成されるユニバーサルジョイント４を介して中間シャフト５に伝達され、さらに、２つのヨーク６ａ，６ｂとこれらを連結する十字連結部６ｃとで構成されるユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。
このピニオンシャフト７に伝達された操舵力はステアリングギヤ８を介して左右のタイロッド９に伝達され、これらタイロッド９によって図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ８は、ギヤハウジング８ａ内に、ピニオンシャフト７に連結されたピニオン８ｂとこのピニオン８ｂに噛合するラック軸８ｃとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン８ｂに伝達された回転運動をラック軸８ｃで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、操舵補助力を出力軸２ｂに伝達する操舵補助機構１０が連結されている。この操舵補助機構１０は、出力軸２ｂに連結した減速ギヤ１１と、この減速ギヤ１１に連結された操舵補助力を発生する電動機としての例えばブラシレスモータで構成される電動モータ１２とを備えている。
また、減速ギヤ１１のステアリングホイール１側に連接されたハウジング１３内に操舵トルクセンサ１４が配設されている。この操舵トルクセンサ１４は、ステアリングホイール１に付与されて入力軸２ａに伝達された操舵トルクを検出するもので、例えば、操舵トルクを入力軸２ａ及び出力軸２ｂ間に介挿した図示しないトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位を非接触の磁気センサで検出するように構成されている。

そして、操舵トルクセンサ１４から出力される操舵トルク検出値Ｔは、図２に示すように、コントローラ１５に入力される。このコントローラ１５には、トルク検出値Ｔの他に車速センサ１６で検出した車速検出値Ｖ、電動モータ１２に流れるモータ電流Ｉｕ〜Ｉｗ及びレゾルバ、エンコーダ等で構成される回転角センサ１７で検出した電動モータ１２の回転角θも入力され、入力されるトルク検出値Ｔ及び車速検出値Ｖに応じた操舵補助力を電動モータ１２で発生させる操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*を算出し、算出した操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*に対して、回転角θに基づいて算出するモータ角速度ω及びモータ角加速度αに基づいて各種補償処理を行ってからｄ−ｑ軸電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*に変換する。また、モータ電流Ｉｕ〜Ｉｗを３相／ｄ−ｑ変換してｄ−ｑ軸モータ電流Ｉｄ，Ｉｑを算出し、前記ｄ−ｑ軸電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*とｄ−ｑ軸モータ電流Ｉｄ，Ｉｑとに基づいて電動モータ１２に供給する駆動電流をフィードバック処理して、その結果をｄ−ｑ／３相変換し、電動モータ１２を駆動制御するモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを出力する。

すなわち、コントローラ１５は、操舵トルクＴ及び車速Ｖに基づいて操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*を演算する操舵補助トルク指令値演算部２１と、算出された操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*を補償する指令値補償部２２と、この指令値補償部２２で補償されたトルク指令値Ｉ_M ^*´に対して制限処理を施す電流制限部２３と、制限されたトルク指令値Ｉｒに基づいてｄ−ｑ軸電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*を算出し、これら指令電流に基づいてモータ電流Ｉｕ〜Ｉｗを生成するモータ電流制御部２４とを備えている。

また、コントローラ１５は、操舵トルクＴ及びモータ角加速度αに基づいて、ステアリングギヤ８のラック軸８ｃがラックストロークエンドに達しているか否か（端当て時か否か）を判断し、選択信号ＳＬを出力する端当て判定部５１を備えている。
ここで、端当て判定部５１から出力される選択信号ＳＬは、電流制限部２３、及びモータ電流制御部２４の後述する電流制御部６３に出力される。この選択信号ＳＬの出力により、後述する図５に示すように、電流制限部２３のスイッチＡの切り替え、及び電流制御部６３のゲインＫの変更並びに中間変数ｅ２の変更が行われるようになっている。

操舵補助トルク指令値演算部２１では、先ず、トルク指令値演算部４１で、操舵トルクＴ及び車速Ｖをもとに図３に示す操舵補助トルク指令値算出マップを参照して電流指令値となる操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*を算出する。
この操舵補助トルク指令値算出マップは、図３に示すように、横軸に操舵トルクＴをとり、縦軸に操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*をとると共に、車速Ｖをパラメータとした放物線状の曲線で表される特性線図で構成され、操舵トルクＴが“０”からその近傍の設定値Ｔｓ１までの間は操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*が“０”を維持し、操舵トルクＴが設定値Ｔｓ１を超えると最初は操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*が操舵トルクＴの増加に対して比較的緩やかに増加するが、さらに操舵トルクＴが増加すると、その増加に対して操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*が急峻に増加するように設定され、この特性曲線が車速の増加に従って傾きが小さくなるように設定されている。

そして、位相補償部４２で、上記操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*に対して位相補償を行い、位相補償後の操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*を後述する加算器３８に出力する。また、トルク微分回路４３では、操舵トルクＴを微分して操舵トルク変化率ΔＴを算出し、これを後述する加算器３８に出力する。
指令値補償部２２は、回転角センサ１７で検出されるモータ回転角θを微分してモータ角速度ωを算出する角速度演算部３１と、この角速度演算部３１で算出されたモータ角速度ωを微分してモータ角加速度αを算出する角加速度演算部３２と、角速度演算部３１で算出されたモータ角速度ωに基づいてヨーレートの収斂性を補償する収斂性補償部３３と、角加速度演算部３２で算出されたモータ角加速度αに基づいて電動モータ１２の慣性により発生するトルク相当分を補償して慣性感又は制御応答性の悪化を防止する慣性補償部３４と、セルフアライニングトルク（ＳＡＴ）を推定するＳＡＴ推定フィードバック部３５とを少なくとも有する。

ここで、収斂性補償部３３は、角速度演算部３１で算出されたモータ角速度ωが入力され、車両のヨーの収斂性を改善するためにステアリングホイール１が振れ回る動作に対して、ブレーキをかけるように、収斂性補償値Ｉｃを算出する。
また、ＳＡＴ推定フィードバック部３５は、操舵トルクＴ、モータ角速度ω、モータ角加速度α及び操舵補助トルク指令値演算部２１で算出した操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*が入力され、これらに基づいてセルフアライニングトルクＳＡＴを推定演算する。

このセルフアライニングトルクＳＡＴを算出する原理は、路面からステアリングまでの間に発生するトルクの様子を図４に示して説明する。
すなわち、ドライバがステアリングホイール１を操舵することによって操舵トルクＴが発生し、その操舵トルクＴに従って電動モータ１２がアシストトルクＴｍを発生する。その結果、車輪Ｗが転舵され、反力としてセルフアライニングトルクＳＡＴが発生する。また、その際、電動モータ１２の慣性Ｊ及び摩擦（静摩擦）Ｆｒによってステアリングホイール１の操舵の抵抗となるトルクが生じる。これらの力の釣り合いを考えると、下記（１）式のような運動方程式が得られる。

Ｊ・α＋Ｆｒ・ｓｉｇｎ（ω）＋ＳＡＴ＝Ｔｍ＋Ｔ ………（１）
ここで、上記（１）式を初期値ゼロとしてラプラス変換し、セルフアライニングトルクＳＡＴについて解くと下記（２）式が得られる。
ＳＡＴ（ｓ）＝Ｔｍ（ｓ）＋Ｔ（ｓ）−Ｊ・ω´（ｓ）＋Ｆｒ・ｓｉｇｎ（ω（ｓ）） ………（２）
上記（２）式から分かるように、電動モータ１２の慣性Ｊ及び静摩擦Ｆｒを定数として予め求めておくことで、モータ角速度ω、回転角加速度α、アシストトルクＴｍ及び操舵トルクＴよりセルフアライニングトルクＳＡＴを推定することができる。ここで、アシストトルクＴｍは操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*に比例するので、アシストトルクＴｍに代えて操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*を適用する。

そして、慣性補償部３４で算出された慣性補償値Ｉｉ及びＳＡＴ推定フィードバック部３５で算出されたセルフアライニングトルクＳＡＴが加算器３６で加算され、この加算器３６の加算出力と収斂性補償部３３で算出された収斂性補償値Ｉｃとが加算器３７で加算されて指令補償値Ｉｃｏｍが算出され、この指令補償値Ｉｃｏｍが操舵補助トルク指令値演算部２１から出力される操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*に加算器３８で加算されて補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´が算出され、この補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´が電流制限部２３に出力される。

電流制限部２３には、図５に示すように、端当て判定部５１から出力される選択信号ＳＬが入力される。そして、スイッチＡは、ステアリングギヤ８のラック軸８ｃがラックストロークエンドに達していないことを意味する論理値“０”の選択信号ＳＬが入力されているときには、実線で示す状態となっており、ラックストロークエンドに達していることを意味する論理値“１”の選択信号ＳＬが入力されているときには、破線で示す状態へ切り替わるようになっている。

このような構成により、電流制限部２３は、論理値“０”の選択信号ＳＬが入力されているときには、加算器３８で算出された補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´をそのまま制限後トルク指令値Ｉｒとして出力する。
一方、電流制限部２３は、論理値“１”の選択信号ＳＬが入力されているときには、加算器３８で算出された補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´を所定電流値（例えば、３Ａ）に制限するリミッタ２３ａからの出力値を制限後トルク指令値Ｉｒとして出力する。

また、モータ電流制御部２４は、電動モータ１２の各相コイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗに供給されるモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗを検出するモータ電流検出器６０と、制限後トルク指令値Ｉｒからｄ−ｑ軸電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*を算出する電流指令値算出部６１と、モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗをｄ−ｑ軸モータ電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する３相／ｄ−ｑ変換部６２と、ｄ−ｑ軸電流指令値Ｉｄ^*，Ｉｑ^*からｄ−ｑ軸モータ電流Ｉｄ，Ｉｑを個別に減算して各相電流偏差ΔＩｄ，ΔＩｑを求める減算器６１ｄ，６１ｑと、各相電流偏差ΔＩｄ，ΔＩｑに対して比例積分制御を行って電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑを算出する電流制御部６３と、当該電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑが入力されて、３相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが算出されるｄ−ｑ／３相変換部６４と、これら電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ及びＶｗに基づいてデューティ演算を行って各相のデューティ比を算出するデューティ比演算部６５とを備えている。

さらに、モータ電流制御部２４は、デューティ比演算部６５から出力されるデューティ比に基づいてパルス幅変調を行ってパルス幅変調信号を求め、このパルス幅変調信号に基づいて３相モータ電流Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗを電動モータ１２に出力するインバータ６６を備えている。
前記電流制御部６３には、図５に示すように、端当て判定部５１から出力される選択信号ＳＬが入力され、この選択信号ＳＬの論理値に応じて比例積分制御のゲインＫ及び後述する中間変数ｅ２が変更されるようになっている。

具体的には、ステアリングギヤ８のラック軸８ｃがラックストロークエンドに達していないことを意味する論理値“０”の選択信号ＳＬが入力されているときには、ゲイン設定部６３ａで、ゲインＫが、電流制御ループの応答性を通常応答性とする通常ゲインに設定され、ラックストロークエンドに達していることを意味する論理値“１”の選択信号ＳＬが入力されているときには、ゲインＫが、電流制御ループの応答性を通常応答性より高い高応答性とする高応答性ゲインに設定されるようになっている。そして、このゲイン設定部６３ａで設定されたゲインＫに応じて、ＰＩ制御部６３ｂで比例積分制御が実施される。

図６は、電流制御部６３を離散化されたデジタル信号処理系で表した図である。本実施形態では、論理値“１”の選択信号ＳＬが入力されたとき、ＰＩ制御部６３ｂでは、中間変数ｅ２を“０”にリセットするようになっている。このように、中間変数ｅ２を“０”とすることにより、出力ｙは入力ｘに応じて１ステップで変化することになるため、制限電流を短時間でモータから出力することができ、さらに応答性を高めることができる。

端当て判定部５１には、操舵トルクセンサ１４で検出された操舵トルクＴ及び角加速度演算部３２で算出されたモータ角加速度αが入力され、これらに基づいて、ステアリングギヤ８のラック軸８ｃがラックストロークエンドに達するか又はタイヤが縁石等に接触してこれ以上の転舵ができない操舵限界位置となっているか否かを判定する。
図７は、端当て判定部５１で実行される端当て判定処理手順を示すフローチャートである。

先ず、ステップＳ１で、端当て判定部５１は、操舵トルクセンサ１４で検出した操舵トルクＴを読み込み、これを微分して操舵トルク変化率ΔＴを算出し、ステップＳ２に移行する。
ステップＳ２では、端当て判定部５１は、角加速度演算部３２で算出されたモータ角加速度αを読み込んで、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、端当て判定部５１は、前記ステップＳ１で算出した操舵トルク変化率ΔＴが、ステアリングギヤ８のラック軸８ｃがラックストロークエンドに達するか又はタイヤが縁石等に接触してこれ以上の転舵ができない操舵限界位置となったときに生じる通常の操舵では発生することがない大きな傾きの操舵トルクを判別する閾値ΔＴｔｈ以上であるか否かを判定する。そして、このステップＳ３で、ΔＴ≧ΔＴｔｈであると判定したときには、ラックストロークエンドに達したものと判断してステップＳ４に移行して、論理値“１”の選択信号ＳＬを電流制限部２３及び電流制御部６３に出力してから端当て判定処理を終了する。

一方、前記ステップＳ３で、ΔＴ＜ΔＴｔｈであると判定したときには、ステップＳ５に移行し、前記ステップＳ２で読み込んだモータ角加速度αが、ステアリングギヤ８のラック軸８ｃがラックストロークエンドに達するか又はタイヤが縁石等に接触してこれ以上の転舵ができない操舵限界位置となったときに生じる通常の操舵では発生することがない大きな傾きのモータ加速度を判別する閾値αｔｈ以上であるか否かを判定する。

そして、このステップＳ５で、α≧αｔｈであると判定したときには、ラックストロークエンドに達したものと判断して前記ステップＳ４に移行し、α＜αｔｈであると判定したときには、ラックストロークエンドに達していないものと判断してステップＳ６に移行する。
ステップＳ６では、論理値"０"の選択信号ＳＬを電流制限部２３及び電流制御部６３に出力してから端当て判定処理を終了する。

通常操舵時にラック軸８ｃが操舵限界位置に到達したときの操舵トルクＴとモータ角速度ωとの波形は、図８に示すようになる。時点ｔ１でラック軸８ｃが操舵限界位置となったものとすると、図８（ａ）に示すように、操舵トルクＴが通常の操舵では発生しないような大きな傾きで増加する。このため、ΔＴ≧ΔＴｔｈであるときには、確実にラックストロークエンドに達したものと判断することができる。

また、据え切りのようなハンドルが重い状態で操舵限界位置に達したときの操舵トルクＴとモータ角速度ωとの波形は、図９に示すようになる。時点ｔ１１でラック軸８ｃが操舵限界位置となったものとすると、図９（ａ）に示すように、操舵トルクＴは増加するが、操舵限界位置となる前の操舵トルクＴがもともと大きいため、変化率は小さい。また、変化する時間も短いため、上記のように操舵トルク変化率ΔＴだけでは操舵限界位置の検出が困難である。

そこで、このような場合には、モータ角加速度αを監視して操舵限界の判定を行う。図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示すように、操舵限界位置に達したとき、モータ角速度ωは急激に低下する。このため、モータ角速度ωの変化率であるモータ角加速度αが閾値Δαｔｈ以上であるときに、確実にラックストロークエンドに達したものと判断することができる。

操舵トルクＴの変化の方がモータ角加速度αの発生より早いため、通常は操舵トルク変化率ΔＴを監視して操舵限界の判定を実施する。そして、据え切り等のために操舵トルク変化率ΔＴだけでは操舵限界の判定が難しい場合には、モータ角加速度αによる判定が有効となる。モータ角加速度αによる判定は、操舵トルク変化率ΔＴによる判定より若干遅れるが、十分に保護制御を実施することができる。

なお、図２において、操舵トルクセンサ１４が操舵トルク検出手段に対応し、操舵補助トルク指令値演算部２１及び指令値補償部２２が電流指令値演算手段に対応し、端当て判定部５１及び電流制限部２３が電流指令値制限手段に対応し、モータ電流制御部２４がモータ制御手段に対応し、角速度演算部３１が角速度検出手段に対応し、角加速度演算部３２が角加速度検出手段に対応し、モータ電流検出器６０が駆動電流検出手段に対応し、電流制御部６３が電流制御手段に対応している。

また、図５において、端当て判定部５１及びゲイン設定部６３ａが応答性変更手段に対応し、図７において、ステップＳ１の処理がトルク変化率演算手段に対応している。
次に、本発明の実施形態における動作について説明する。
今、車両の走行を開始するために、イグニッションスイッチＩＧをオン状態としたものとすると、コントローラ１５に電源が投入されて操舵補助制御処理が実行開始され、操舵トルクセンサ１４で検出した操舵トルクＴ、車速センサ１６で検出した車速Ｖ、モータ電流検出器６０で検出したモータ電流検出値Ｉｕ〜Ｉｗ、回転角センサ１７で検出したモータ回転角θがコントローラ１５に供給される。

したがって、操舵補助トルク指令値演算部２１で、操舵トルクＴと車速Ｖとに基づいて図３に示す操舵補助トルク指令値算出マップを参照して操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*を算出する。一方、回転角センサ１７で検出したモータ回転角θが角速度演算部３１に入力されてモータ角速度ωが算出され、このモータ角速度ωが角加速度演算部３２に入力されてモータ角加速度αが算出される。

そして、収斂性補償部３３でモータ角速度ωに基づいて収斂性補償値Ｉｃが算出され、慣性補償部３４でモータ角加速度αに基づいて慣性補償値Ｉｉが算出され、さらにＳＡＴ推定フィードバック部３５でモータ角速度ω及びモータ角加速度αに基づいてセルフアライニングトルクＳＡＴが算出され、これらが加算器３６及び３７で加算されて指令値補償値Ｉｃｏｍが算出され、これが加算器３８で操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*に加算されて補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´が算出される。

このとき、車両が停止状態にあって、ステアリングホイール１が操舵されていない状態では、操舵トルクセンサ１４で検出される操舵トルクＴが“０”であり、車速センサ１６で検出される車速Ｖも“０”であるので、操舵補助トルク指令値演算部２１で算出される操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*も“０”となっている。また、角速度演算部３２で演算されるモータ角加速度αも“０”となっている。

ΔＴ＜ΔＴｔｈ且つα＜αｔｈであるため、端当て判定部５１は、図７のステップＳ３でＮｏ、ステップＳ５でＮｏと判定し、ラックストロークエンドに達していないものと判断してステップＳ６に移行して、論理値"０"の選択信号ＳＬを電流制限部２３及び電流制御部６３に出力する。
そのため、電流制限部２３は、補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´をそのまま制限後トルク指令値Ｉｒとして出力し、この制限後トルク指令値Ｉｒに基づいて電動モータ１２が駆動制御される。このとき、Ｉｒ＝０であるので、電動モータ１２は停止状態を継続する。

この状態から車両が発進し、運転者による通常操舵が行われているものとすると、操舵補助トルク指令値演算部２１で、操舵トルクセンサ１４で検出される操舵トルクＴ及び車速センサ１６で検出される車速Ｖに基づいた操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*が算出される。そして、指令値補償部２２で算出される各補償値によって操舵補助トルク指令値Ｉ_M ^*に対する補償が行われ、補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´が演算される。このとき、ラック軸８ｃが操舵限界位置に達していないものとすると、電流制限部２３は、補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´をそのまま制限後トルク指令値Ｉｒとして出力し、この制限後トルク指令値Ｉｒに基づいて電動モータ１２が駆動制御される。これにより、運転者の操舵負担を軽減するような操舵補助力が発生される。

このような通常操舵状態からステアリングホイール１を素早く操作して、タイヤが縁石等に接触することにより、ラック軸８ｃが操舵限界位置に達したものとすると、図８（ａ）に示すように操舵トルクＴが急増し、操舵トルクＴの時間変化率ΔＴが閾値ΔＴｔｈ以上となる。したがって、端当て判定部５１は、図７のステップＳ３でＹｅｓと判定してステップＳ４に移行し、論理値"１"の選択信号ＳＬを電流制限部２３及び電流制御部６３に出力する。これにより、電流制限部２３は、補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´を所定値（３Ａ）に制限し、これを制限後トルク指令値Ｉｒとして出力する。その結果、所定値（３Ａ）に固定された電流指令値に基づいて電動モータ１２が駆動制御されることになる。

このように、電流指令値が制限されることにより、電動モータ１２で発生する操舵補助トルクが減少し、中間シャフト５に伝達される伝達トルクのピーク値が、電流指令値の制限を行わない場合と比較して抑制されることになり、中間シャフト等のトルク伝達部材の耐久性を向上させることができる。
また、電流制御部６３では、論理値“１”の選択信号ＳＬが入力されることにより、ゲイン設定部６３ａで、比例積分制御のゲインＫを高応答性ゲインに設定すると共に、ＰＩ制御部６３ｂで、中間変数ｅ２を“０”にリセットし、電流制御ループの応答性を向上させるので、短い時間でアシストトルクが所定値以下となるように制御することができる。

一方、電動モータ１２の停止状態で、ステアリングホイール１を右切り（又は左切り）操舵する所謂据え切りを行っているようなハンドルの重い状態で、ラック軸８ｃが操舵限界位置に達したものとする。この場合、操舵トルクＴは、図９（ａ）に示すように、比較的大きい値からの変化となるため操舵トルク変化率ΔＴが閾値ΔＴｔｈ以上となることはないが、図９（ｂ）に示すように、モータ角速度ωが急激に低下し、モータ角加速度αが閾値Δαｔｈ以上となる。したがって、端当て判定部５１は、図７のステップＳ５でＹｅｓと判定してステップＳ４に移行し、論理値"１"の選択信号ＳＬを電流制限部２３及び電流制御部６３に出力する。これにより、電流制限部２３は、補償後トルク指令値Ｉ_M ^*´を所定値（３Ａ）に制限し、これを制限後トルク指令値Ｉｒとして出力する。その結果、所定値（３Ａ）に固定された電流指令値に基づいて電動モータ１２が駆動制御されることになる。

このように、上記実施形態では、操舵トルクの変化率が、操舵限界を判断する閾値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、電流指令値を所定電流値に固定するので、ステアリングシャフト及びステアリングギヤ間に介挿された中間シャフト等のトルク伝達部材に過大なトルクが伝達される前に電動モータで発生する操舵補助トルクを制限することができ、別途舵角センサやトルクリミッタ等を追加することなく、端当て時やタイヤが縁石等に当接した時などの操舵限界位置となった時に中間シャフト等のトルク伝達部材に伝達される衝撃力を緩和することができる。

また、モータ角加速度が、操舵限界を判断する閾値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、電流指令値を所定電流値に固定するので、据え切りのようなハンドルの重い状態で操舵限界に達した場合など、操舵トルクの変化率だけでは操舵限界の判定が難しい場合であっても、適切に操舵限界判定を行って、ステアリングシャフト及びステアリングギヤ間に介挿された中間シャフト等のトルク伝達部材に過大なトルクが伝達される前に電動モータで発生する操舵補助トルクを制限することができる。

さらに、電流指令値制限条件を満足したとき、比例積分制御のゲインを通常ゲインから高応答性ゲインに変更することにより、モータ駆動電流制御の応答性を通常応答性より高い高応答性に変更するので、短い時間でアシストトルクが所定値以下となるように制御することができる。
なお、上記実施形態においては、操舵トルク変化率ΔＴが閾値ΔＴｔｈ以上であるか、モータ角加速度αが閾値αｔｈ以上であるときに、操舵限界位置であるとして電流指令値を所定電流値に固定する場合について説明したが、操舵トルクセンサ１４で検出した操舵トルクＴも選択信号形成部４２に入力し、操舵トルク変化率ΔＴが閾値ΔＴｔｈ以上であるか、モータ角加速度αが閾値αｔｈ以上であり、且つ操舵トルクＴの絶対値が所定値以上であるとき、操舵限界位置であると判断することもできる。これにより、より正確に操舵限界位置到達状態を検出することができる。

また、上記実施形態においては、図１０に示すように、操舵トルクＴに代えて、３相／ｄ−ｑ変換部６２から出力されるｑ軸電流検出値Ｉｑを端当て判定部５１に入力し、ｑ軸電流検出値Ｉｑの変化率ΔＩｑが閾値ΔＩｑｔｈ以上であるか、モータ角加速度αが閾値αｔｈ以上であるときに、操舵限界位置であるとして電流指令値を所定電流値に固定することもできる。このとき、端当て判定部５１では、前述した図７のステップＳ１で、ｑ軸電流検出値Ｉｑを読み込み、これを微分してｑ軸電流変化率ΔＩｑを算出するようにすればよい。また、ステップＳ３では、ｑ軸電流変化率ΔＩｑと閾値ΔＩｑｔｈとを比較し、ΔＩｑ≧ΔＩｑｔｈであるときには前記ステップＳ４に移行し、ΔＩｑ＜ΔＩｑｔｈであるときには前記ステップＳ５に移行するようにすればよい。

ここで、閾値ΔＩｑｔｈは、ｑ軸電流変化率ΔＩｑが、ステアリングギヤ８のラック軸８ｃがラックストロークエンドに達するか又はタイヤが縁石等に接触してこれ以上の転舵ができない操舵限界位置となったときに生じる通常の操舵では発生することがない大きな傾きの電流を判別することができる程度の値に設定する。
ラック軸８ｃが操舵限界位置となると、ラック軸８ｃの車幅方向の移動が停止され、これによってピニオンシャフト７、ユニバーサルジョイント６、中間シャフト５、ユニバーサルジョイント４、ステアリングシャフト２の出力軸２ｂを介し、さらに減速ギヤ１１を介して電動モータ１２の回転が停止されるので、電動モータ１２に供給されるモータ電流Ｉｕ〜Ｉｗが急増し、これによって、ｑ軸電流検出値Ｉｑが通常の操舵では発生しないような大きな傾きで増加し、その後過電流保護回路の動作によってモータ電流Ｉｕ〜Ｉｗが徐々に減少されることにより、ｑ軸電流Ｉｑが徐々に減少する。このため、ｑ軸電流変化率ΔＩｑが閾値ΔＩｑｔｈ以上であるか否かを判定することにより、操舵限界位置を確実に検出することができる。

また、ここでは、ｑ軸電流変化率ΔＩｑが閾値ΔＩｑｔｈ以上であるか、モータ角加速度αが閾値αｔｈ以上であるときに、操舵限界位置であるとして電流指令値を所定電流値に固定する場合について説明したが、ｑ軸電流変化率ΔＩｑが閾値ΔＩｑｔｈ以上であるか、モータ角加速度αが閾値αｔｈ以上であり、且つｑ軸電流検出値Ｉｑの絶対値が所定値以上であるとき、操舵限界位置であると判断することもできる。これにより、より正確に操舵限界位置到達状態を検出することができる。

また、上記実施形態においては、図２又は図１０の端当て判定部５１に、角速度演算部３１で演算したモータ角速度ωをさらに入力し、モータ角速度ωが所定値以上であるときに、操舵限界位置であるとして電流指令値を所定電流値に固定することもできる。このように、モータ角速度ωを操舵限界位置検出条件に入れることにより、モータ角速度ωが所定値より小さい状態では、端当て時の衝撃荷重も小さく、中間シャフト５に伝達される伝達トルクのピーク値も小さいので、電流指令値を所定電流値に固定する操舵補助トルク制限を行う必要がないが、モータ角速度ωが所定値以上である場合には、操舵限界位置到達時の衝撃荷重が大きくなるので、中間シャフト５に伝達される伝達トルクのピーク値も大きくなることから操舵補助トルク制限を行って中間シャフト５に伝達されるピークトルクを確実に減少させることができる。

さらにまた、上記実施形態においては、電流指令値を所定電流値に固定する操舵補助トルク制限の継続時間を所定時間（例えば２０ｍｓｅｃ程度）に設定し、操舵補助トルク制限状態を上記所定時間継続した後に、当該制限を解除することもできる。これにより、中間シャフト５に発生する伝達トルクのピークを低減するに十分な時間だけ操舵補助トルク制限を継続させて、長い時間操舵補助トルク制限が継続されることに起因する運転者の違和感を抑制することができる。このとき、モータ角速度ωが大きいときには衝撃荷重も大きいことから、モータ角速度ωが大きいほど、操舵補助トルク制限の継続時間を長く設定する。

なおさらに、上記実施形態においては、電動モータとして３相ブラシレスモータを適用する場合について説明したが、ブラシモータシステムを適用することもできる。この場合、例えば、モータの逆起電力からモータ角速度ωを推定すればよい。

本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本実施形態におけるコントローラの構成を示すブロック図である。 操舵補助トルク指令値算出マップである。 セルフアライニングトルクの説明に供する模式図である。 コントローラの一部の具体的構成を示すブロック図ある。 電流制御部の具体的構成を示すブロック図である。 端当て判定処理手順を示すフローチャートである。 通常操舵時における操舵限界到達時の操舵トルク変化及びモータ角速度変化を示す信号波形図である。 据え切り時における操舵限界到達時の操舵トルク変化及びモータ角速度変化を示す信号波形図である。 コントローラの他の構成を示すブロック図である。

符号の説明

ＳＭ…ステアリング機構、１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…ステアリングコラム、４，６…ユニバーサルジョイント、５…中間シャフト、８…ステアリングギヤ、１０…操舵補助機構、１１…減速ギヤ、１２…電動モータ、１４…操舵トルクセンサ、１５…コントロールユニット、１６…車速センサ、１７…回転センサ、２１…操舵補助トルク指令値演算部、２２…指令値補償部、２３…電流制限部、２４…モータ電流制御部、５１…端当て判定部

Claims (8)

1. ステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、少なくとも前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいて電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、前記ステアリング機構のステアリングシャフトに与える操舵補助トルクを発生する電動モータと、該電動モータのモータ駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、前記電流指令値と前記モータ駆動電流とに基づいて前記電動モータを駆動制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
   前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクの変化率を演算するトルク変化率演算手段と、前記電動モータのモータ角加速度を検出する角加速度検出手段と、前記操舵トルクの変化率及び前記モータ角加速度の少なくとも一方が、操舵限界を判断する閾値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、前記電流指令値を、前記ステアリング機構のステアリングシャフト及び転舵輪間のトルク伝達部材に伝達されるトルクを抑制するための所定電流値に固定する電流指令値制限手段とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記電流指令値制限手段は、前記操舵トルクの変化率及び前記モータ角加速度の少なくとも一方が操舵限界を判断する閾値以上、且つ前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクの絶対値が所定値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、前記電流指令値を前記所定電流値に固定することを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. ステアリング機構に入力される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、少なくとも前記操舵トルク検出手段で検出した操舵トルクに基づいて電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、前記ステアリング機構のステアリングシャフトに与える操舵補助トルクを発生する電動モータと、該電動モータのモータ駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、前記電流指令値と前記モータ駆動電流とに基づいて前記電動モータを駆動制御するモータ制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置であって、
   前記駆動電流検出手段で検出したモータ駆動電流の変化率を演算する駆動電流変化率演算手段と、前記電動モータのモータ角加速度を検出する角加速度検出手段と、前記モータ駆動電流の変化率及び前記モータ角加速度の少なくとも一方が、操舵限界を判断する閾値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、前記電流指令値を、前記ステアリング機構のステアリングシャフト及び転舵輪間のトルク伝達部材に伝達されるトルクを抑制するための所定電流値に固定する電流指令値制限手段とを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
4. 前記電流指令値制限手段は、前記モータ駆動電流の変化率及び前記モータ角加速度の少なくとも一方が操舵限界を判断する閾値以上、且つ前記駆動電流検出手段で検出したモータ駆動電流の絶対値が所定値以上であるとき、電流指令値制限条件を満足したものと判断して、前記電流指令値を前記所定電流値に固定することを特徴とする請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記電動モータのモータ角速度を検出する角速度検出手段を有し、前記電流指令値制限手段は、前記電流指令値制限条件を満足したものと判断し、且つ前記角速度検出手段で検出したモータ角速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記電流指令値を前記所定電流値に固定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記電流指令値制限手段は、電流指令値を前記所定電流値に固定してから所定時間が経過したときに電流指令値の前記所定電流値への固定を解除するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記所定時間は、モータ角速度に基づいて設定されることを特徴とする請求項６に記載の電動パワーステアリング装置。
8. 前記モータ制御手段は、前記電流指令値と前記モータ駆動電流との偏差に基づいて、前記電動モータのモータ駆動電流を制御する電流制御手段と、前記電流指令値制限条件を満足したとき、前記電流制御手段でのモータ駆動電流制御の応答性を通常応答性より高い高応答性に変更する応答性変更手段とを備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。

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