JP2008213743A

JP2008213743A - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2008213743A
Application number: JP2007056295A
Authority: JP
Inventors: Hideto Omae; 秀人大前; Osamu Matsuda; 治松田; Katsutoshi Nishizaki; 勝利西崎
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP5273929B2

Abstract

【課題】低剛性のトーションバーを備えるトルクセンサを不要とし、操舵感を向上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】ステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクに応じて操舵補助用のモータ４を駆動して、操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、操舵補助用のモータ４の回転角度から求めたステアリングホイール３０の操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を用いて必要トルクを算出する一方、操舵補助用のモータ４の出力トルクをモータ電流の検出値を用いて算出して、算出した必要トルクと出力トルクとの差からステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクを求めることにより、低剛性のトーションバーを備えるトルクセンサを不要とし、ステアリング軸３を剛性の高い材料により構成することにより操舵感を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、操舵部材に加えられる操舵トルクに応じてモータを駆動し、該モータの回転を舵取機構に加えて操舵を補助する電動パワーステリング装置に関する。

近年、車両用のパワーステアリング装置として、操舵補助用のアクチュエータに電動モータを用いる電動パワーステアリング装置が広く普及している。この電動パワーステアリング装置は、一般的に、ステアリングホイール等の操舵部材の操作を舵取機構に伝えるステアリング軸の中途にトルクセンサを配し、該トルクセンサにより操舵部材に加えられる操舵トルクを検出して、検出された操舵トルクに基づいて前記舵取機構に加えるべき目標補助力を求め、該目標補助力を発生させるように操舵補助用のモータを駆動制御する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

前記トルクセンサは、操舵部材に加えられる操舵トルクの作用によりステアリング軸に生じる捩れを検出対象として構成されており、この捩れを大きくして操舵トルクの検出精度を高めることを目的として、ステアリング軸の中途に、操舵部材側の入力軸と舵取機構側の出力軸とを低剛性のトーションバーにより連結してなる連結部を設けており、この連結部においてトーションバーの捩れに応じて入力軸と出力軸との間に生じる相対角変位を適宜の手段により検出するようにしてある。
特開２００４−３３８５６２号公報

このようなトルクセンサを備える電動パワーステアリング装置においては、トーションバーが一種のダンパーの働きをし、路面状態が操舵部材に伝わりにくく、操舵部材を操作するときに若干の時間遅れを伴って舵取機構が反応し、操舵感が悪化するという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、操舵補助用のモータの回転角度及びモータ電流に基づいて操舵トルクを算出することにより、低剛性のトーションバーを備えるトルクセンサを不要とし、操舵感を向上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目的とする。

第１発明に係る電動パワーステアリング装置は、操舵部材に加えられる操舵トルクに応じて操舵補助用のモータを駆動して、該モータの回転力を舵取機構に加えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、前記モータの回転角度を検出する回転角度センサと、該回転角度センサにより検出される回転角度を用いて前記操舵部材の操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を算出する算出手段と、該算出手段により算出される操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を用いて前記操舵に必要な必要トルクを算出する必要トルク算出手段と、前記モータの電流を検出する電流センサと、該電流センサにより検出されるモータ電流に基づいて前記モータの出力トルクを算出する出力トルク算出手段と、前記必要トルクと前記出力トルクとの差から前記操舵トルクを算出する操舵トルク算出手段とを備えることを特徴とする。

第２発明に係る電動パワーステアリング装置は、第１発明において、前記必要トルク算出手段が、前記操舵角度に比例する弾性項と、前記操舵角速度に比例する粘性項と、前記操舵角加速度に比例する慣性項とを含む運動方程式を用いて前記必要トルクを算出するように構成してあることを特徴とする。

第３発明に係る電動パワーステアリング装置は、第１又は第２発明において、前記舵取機構が中立点にあるときに中立点信号を発する中立点センサを備えており、前記算出手段は、前記中立点センサによる中立点信号に応じて前記算出手段により算出される操舵角度を０にするように構成してあることを特徴とする。

第１発明によれば、操舵補助用のモータの回転角度から求めた操舵部材の操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を用いて操舵のために必要な必要トルクを算出する一方、前記モータの出力トルクをモータ電流の検出値を用いて算出して、算出した必要トルクと出力トルクとの差から操舵部材に加えられる操舵トルクを求めており、トルクセンサを設ける必要がなく、ステアリング軸を剛性の高い材料により構成することによりステアリング操舵に剛性感を持たせることができ、操舵感を向上することができる。

第２発明によれば、操舵部材の操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を弾性項，粘性項及び慣性項とを含む運動方程式に適用して必要トルクを求めており、この運動方程式の各係数を適切に設定することにより、必要トルクを精度良く求めることができる。

第３発明によれば、回転角度センサにより検出される回転角度を用いて算出される操舵角度を、舵取機構が中立点にあるときに中立点センサにより発せられる中立点信号に応じて０にしており、舵取機構の中立点と回転角度センサにより検出される回転角度の基準位置との間に経時的に発生する虞があるずれを修正することができ、良好な精度を保ちつつ必要トルクを求めることができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。なお本図には、ラックピニオン式の舵取機構１を備える車両への適用例を示しているが、本発明は、ボールねじ式の舵取機構等、他の形式の舵取機構を備える車両への適用も可能であることは言うまでもない。

舵取機構１は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング１１の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１０と、ラックハウジング１１の中途に交叉するピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されたピニオン軸２とを備える公知の構成を有している。

ラックハウジング１１の両側から外部に突出するラック軸１０の両端は、各別のタイロッド１２，１２を介して操舵用車輪としての左右の前輪１３，１３に連結されている。またピニオンハウジング２０から外部に突出するピニオン軸２の上端は、ステアリング軸３を介して操舵部材としてのステアリングホイール３０に連結されている。ピニオンハウジング２０の内部に延びるピニオン軸２の下部には、図示しないピニオンが形成されており、該ピニオンは、ラックハウジング１１との交叉部において、ラック軸１０の外面に適長に亘って形成されたラック歯に噛合させてある。

ステアリング軸３は、筒形をなすコラムハウジング３１の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング３１を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って取り付けてあり、コラムハウジング３１の下方へのステアリング軸３の突出端にピニオン軸２が連結され、同じく上方への突出端にステアリングホイール３０が固設されている。

以上の構成により、操舵のためのステアリングホイール３０の回転操作によりステアリング軸３が回転し、この回転がピニオン軸２に伝達され、該ピニオン軸２の回転が、ピニオンとラック歯との噛合部においてラック軸１０の軸長方向の移動に変換されることとなり、このようなラック軸１０の移動により、左右の前輪１３，１３が各別のタイロッド１２，１２を介して押し引きされて舵取りがなされる。

ステアリング軸３を支持するコラムハウジング３１の中途には、操舵補助用のモータ４が取り付けてある。操舵補助用のモータ４は、コラムハウジング３１に軸心が略直交するようにコラムハウジング３１の外側に取り付けてあり、コラムハウジング３１の内部に延びる出力軸の端部に固着されたウォームをステアリング軸３に外嵌固定されたウォームホイールに噛合させ、モータ４の回転を、ウォーム及びウォームホイールにより減速してステアリング軸３に伝え、前述の如く行われる舵取りを補助するように構成されている。操舵補助用のモータ４としては、従来、一般的に用いられている３相ブラシレスモータを用いることができる。

このように取り付けられた操舵補助用のモータ４は、アシスト制御部５から与えられる制御指令に従って駆動される。また、操舵補助用のモータ４には、該モータ４に流れる電流を検出するモータ電流センサ４０が設けてあり、モータ電流センサ４０による電流の検出値はアシスト制御部５に与えられる。更に、操舵補助用のモータ４には、該モータ４の回転角度を検出する回転角度センサ４１が設けてあり、回転角度センサ４１による回転角度の検出値もアシスト制御部５に与えられる。なお、回転角度センサ４１としては、レゾルバを用いることができる。

また、アシスト制御部５には、舵取機構１が中立点、即ち舵取機構１が車両の直進走行時における位置にあるとき中立点センサ６が発する中立点信号も与えられる。中立点センサ６としては、例えば、ラックハウジング１１の内部に設けられ、舵取機構１が中立点にあるときにラック軸１０に設けた段差を検出するように構成された磁気センサを用いることができる。

図２は、アシスト制御部５のブロック図である。アシスト制御部５は、内部バス５０により相互に接続されたＣＰＵ５１，ＲＯＭ５２及びＲＡＭ５３を備え、ＲＯＭ５２に記憶された制御プログラムに従うＣＰＵ５１の動作により以下のアシスト制御を実施するＥＣＵとして構成されている。中立点センサ６により検出される中立点信号Ｓ、モータ電流センサ４０により検出されるモータ電流Ｉ_M及び回転角度センサ４１により検出される操舵補助用のモータ４の回転角度θ_Mは、各別の入力インタフェース５４，５５，５６を介してＣＰＵ５１に取り込まれるようになしてある。

アシスト制御部５は、ステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクに基づいて舵取機構１に加えるべき目標補助力を求め、求めた目標補助力を発生させるように操舵補助用のモータ４に電流を供給して、このモータ４を駆動制御する公知のアシスト制御動作をなす。本発明に係る電動パワーステアリング装置の特徴は、アシスト制御動作に用いる操舵トルクの求め方にある。

アシスト制御部５は、モータ電流センサ４０により検出されるモータ電流Ｉ_M及び回転角度センサ４１により検出される操舵補助用のモータ４の回転角度θ_Mを用いてステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクＴ_hを求めている。

ステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクＴ_hは次式により求められる。
Ｔ_h＝Ｔ_n−Ｔ_a・Ｇ_r … （１）
ここで、Ｔ_nは、ステアリングホイール３０の回転操作の結果としてなされる舵取機構１の動作により前輪１３，１３の舵取りがなされるときに、この舵取りを実現するために必要な必要トルクであり、Ｔ_aは操舵補助用のモータ４が発生する出力トルクであり、Ｇ_rは操舵補助用のモータ４の出力軸の回転をステアリング軸３に減速伝達するウォーム及びウォームホイールの減速比（＝モータ４の回転角速度／ステアリング軸３の回転角速度）である。

まず、操舵補助用のモータ４の回転角度θ_Mを次式に適用してステアリングホイール３０の回転操作に伴って変化する操舵角度θ_hを求める。
θ_h＝（３６０・Ｎ＋θ_M）／Ｇ_r … （２）
ここで、Ｎは舵取機構１の中立点に対応する基準位置からの操舵補助用のモータ４の回転数であり、Ｇ_rは前述したウォーム及びウォームホイールの減速比である。

（２）式の右辺の括弧内に示すようにθ_Mを積算することにより前記基準位置からのモータ４の回転角度を複数回転に亘って求めることができ、求めた回転角度を減速比で除算することによりステアリング軸３の操舵角度θ_hを複数回転に亘って求めることができる。なお、中立点センサ６により与えられる中立点信号はモータ４の回転角度θ_Mを積算する基準位置として利用され、中点信号が与えられる毎に操舵角度θ_hが０にリセットされるとともに、操舵補助用のモータ４の回転角度θ_Mの基準位置も修正される。

必要トルクＴ_nは、次式に示すように、ステアリングホイール３０から前輪１３，１３までを含む操舵系の運動方程式により表される。
Ｔ_n＝Ｊ・α_h＋Ｃ・ω_h＋Ｋ・θ_h＋Ｔ_f … （３）
ここで、（３）式の右辺第１項は、操舵角加速度α_hに比例する慣性項であり、Ｊは操舵系の慣性モーメントである。右辺第２項は、操舵角速度ω_hに比例する粘性項であり、Ｃは操舵系の粘性摩擦係数である。右辺第３項は、操舵角度θ_hに比例する弾性項であり、Ｋは操舵系の弾性係数である。右辺第４項は、動摩擦項であり、Ｔ_fは操舵系の動摩擦により決まるトルクである。なお、操舵角速度ω_hは操舵角度θ_hの一階微分値として与えられ、操舵角加速度α_hは操舵角度θ_hの二階微分値として与えられる。操舵角度θ_hは、ステアリングホイール３０の中立位置からの方向に応じて正負が定められており、例えば、直進中立位置から右方向を正、左方向を負としてある。

一方、操舵補助用のモータ４が発生する出力トルクＴ_aは、次式のように表される。
Ｔ_a＝Ｉ_M・Ｋ_T … （４）
ここで、Ｉ_Mはモータ電流であり、Ｋ_Tはモータのトルク定数である。

（３），（４）式により夫々求めた必要トルクＴ_n及び出力トルクＴ_aを（１）式に適用することにより、ステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクＴ_hが得られる。

図３は、アシスト制御部５の動作内容を示すフローチャートである。アシスト制御部５は、まず、モータ電流センサ４０により検出されるモータ電流Ｉ_M及び回転角度センサ４１により検出される操舵補助用のモータ４の回転角度θ_Mを夫々取り込む（ステップＳ１，２）。次に、中立点センサ６により与えられる中立点信号Ｓの有無を判定する（ステップＳ３）。中立点信号Ｓの入力がない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ４に進み、ステップＳ２において取り込まれた回転角度θ_Mを（２）式に適用して操舵角度θ_hを算出して（ステップＳ４）、ステップＳ６に進む。一方、中立点信号Ｓの入力がある場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ５に進み、回転角度θ_M及び操舵角度θ_hを０にリセットして（ステップＳ５）、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、現時点の操舵角度θ_hと前回のサンプリング時に算出した操舵角度θ_hとを用いて差分演算を実施し、操舵角速度ω_hを求める（ステップＳ６）。次に、ステップＳ６において差分演算により求められた現時点の操舵角速度ω_hと、前回のサンプリング時に差分演算により求められた操舵角速度ω_hとを用いて差分演算を実施し、操舵角加速度α_hを求める（ステップＳ７）。なお、最初のサンプリング時におけるステップＳ６，７の差分演算は、現時点の操舵角度θ_h及び操舵角速度ω_hをサンプリング時間で夫々除算して行えばよい。

次に、ステップＳ４又はＳ５及びステップＳ６，７において求めた操舵角度θ_h，操舵角速度ω_h及び操舵角加速度α_hを（３）式に適用して必要トルクＴ_nを算出する（ステップＳ８）。一方、ステップＳ１において検出したモータ電流Ｉ_Mを（４）式に適用して出力トルクＴ_aを算出する（ステップＳ９）。次に、ステップＳ８において算出した必要トルクＴ_nとステップＳ９において算出した出力トルクＴ_aとを（１）式に適用して操舵トルクＴ_hを求める（ステップＳ１０）。

アシスト制御部５は、ステップＳ１０において求めた操舵トルクＴ_hを用いて目標補助力を求め、求めた目標補助力を発生すべく操舵補助用のモータ４に供給する目標モータ電流Ｉ_aを決定する（ステップＳ１１）。アシスト制御部５は、例えば、操舵トルクＴ_hと目標補助力との対応関係を示す制御マップを有しており、ステップＳ１０において求めた操舵トルクＴ_hを前記制御マップに適用することにより目標補助力を求めている。

次に、目標モータ電流Ｉ_aと操舵補助用のモータ４に流れるモータ電流Ｉ_Mとの偏差を求め、この偏差に対してＰＩＤ演算を行って、モータ電圧を求め、この演算結果に基づくＰＷＭ信号を図示しないモータ駆動回路に与える（ステップＳ１２）。モータ駆動回路は、ステップＳ１２においてアシスト制御部５から与えられるＰＷＭ信号に基づいて動作をし、モータ４を駆動して（ステップＳ１３）、アシスト制御部５の動作を終了する。

以上のように構成された本発明に係る電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータ４の回転角度から求めたステアリングホイール３０の操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を用いて必要トルクを算出する一方、操舵補助用のモータ４の出力トルクをモータ電流の検出値を用いて算出して、算出した必要トルクと出力トルクとの差からステアリングホイール３０に加えられる操舵トルクを求めることにより、低剛性のトーションバーを備えるトルクセンサを不要とし、ステアリング軸３を剛性の高い材料により構成することにより操舵感を向上することができる。

また、回転角度センサ４１により検出される回転角度を用いて算出される操舵角度を、舵取機構１が中立点にあるときに中立点センサ６により発せられる中立点信号に応じて０にしており、舵取機構１の中立点と回転角度センサ４１により検出される回転角度の基準位置との間に経時的に発生する虞があるずれを修正することができ、良好な精度を保ちつつ必要トルクを求めることができる。

更に、操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を弾性項，粘性項及び慣性項とを含む（３）式に示す運動方程式に適用して必要トルクを求めており、この運動方程式の各係数を適切に設定することにより、必要トルクを精度良く求めることができる。

なお、本実施の形態においては、中立点センサ６をラックハウジング１１の内部に設ける構成としているが、これに限定されず、例えば、前輪１３，１３に連結されたナックルアームとタイロッド１２，１２との連結部に設ける構成としてもよい。

また、本実施の形態においては、回転角度センサ４１により検出された回転角度に基づいて求めた操舵角度を、トルクセンサを備えない電動パワーステアリング装置における通常時のモータ４の駆動制御に用いているが、トルクセンサを備える電動パワーステアリング装置におけるトルクセンサが故障したときのフェールセーフ時のモータ４の駆動制御に限定して用いてもよい。例えば、トルクセンサを故障と検出した直前のモータ電流値をステップＳ９のＩ_Mの初期値として操舵トルクＴ_hを算出し、図３のフローチャートに従ってモータ駆動を行う。更に、本発明は、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能であることは言うまでもない。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。アシスト制御部のブロック図である。アシスト制御部の動作内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１舵取機構、４モータ、４０モータ電流センサ（電流センサ）、４１回転角度センサ、５アシスト制御部（算出手段，必要トルク算出手段，出力トルク算出手段，操舵トルク算出手段）、６中立点センサ、３０ステアリングホイール（操舵部材）

Claims

操舵部材に加えられる操舵トルクに応じて操舵補助用のモータを駆動して、該モータの回転力を舵取機構に加えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、前記モータの回転角度を検出する回転角度センサと、該回転角度センサにより検出される回転角度を用いて前記操舵部材の操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を算出する算出手段と、該算出手段により算出される操舵角度，操舵角速度及び操舵角加速度を用いて前記操舵に必要な必要トルクを算出する必要トルク算出手段と、前記モータの電流を検出する電流センサと、該電流センサにより検出されるモータ電流に基づいて前記モータの出力トルクを算出する出力トルク算出手段と、前記必要トルクと前記出力トルクとの差から前記操舵トルクを算出する操舵トルク算出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。
前記必要トルク算出手段は、前記操舵角度に比例する弾性項と、前記操舵角速度に比例する粘性項と、前記操舵角加速度に比例する慣性項とを含む運動方程式を用いて前記必要トルクを算出するように構成してある請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
前記舵取機構が中立点にあるときに中立点信号を発する中立点センサを備えており、前記算出手段は、前記中立点センサによる中立点信号に応じて前記算出手段により算出される操舵角度を０にするように構成してある請求項１又は請求項２記載の電動パワーステアリング装置。