JP2009047542A - Torque detection device and steering unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力軸に作用するトルクを検出するトルク検出装置、および、これを用いた操舵装置に関する。 The present invention relates to a torque detection device that detects torque acting on an input shaft, and a steering device that uses the torque detection device.
近年の車両には、油圧系や電動モータを用いたパワーステアリング装置が搭載されている。パワーステアリング装置で発生させる操舵補助力を決定するためには、運転者がステアリングホイール(ハンドル)およびステアリングシャフトに与えた操舵トルクを検出する必要がある。 In recent vehicles, a power steering device using a hydraulic system or an electric motor is mounted. In order to determine the steering assist force generated by the power steering device, it is necessary to detect the steering torque applied by the driver to the steering wheel (steering wheel) and the steering shaft.
従来から、ステアリングシャフトに作用するトルクを検出する方法として、ステアリングホイールとラックピニオン機構の間にトーションバーを設け、トルクによって生じるトーションバーのねじれ角を検出する方法が広く用いられている。 Conventionally, as a method for detecting the torque acting on the steering shaft, a method of providing a torsion bar between the steering wheel and the rack and pinion mechanism and detecting a torsion angle of the torsion bar caused by the torque has been widely used.
なお、本件発明に関連して、特許文献1には、入力軸と一対の出力軸を有する差動装置の一方の出力軸にトルク発生装置を設け、出力軸の回転速度が等しくなるようにトルク発生装置を制御したときの入力電流に基づき、入力軸から他方の出力軸に伝達されるトルクを求めることが記載されている。
しかしながら、トーションバーを用いてステアリングシャフトに作用するトルクを検出する方法には、トーションバーのねじり剛性が低いために、操舵系の剛性感が希薄となり、操舵感が損なわれるという問題がある。この方法では、トルクを検出するためにねじれ角を意図的に発生させているが、ねじれ角の存在が操舵感を損なう原因となっている。 However, the method of detecting the torque acting on the steering shaft using the torsion bar has a problem that the torsion bar has a low torsional rigidity, so that the steering system is less rigid and the steering feeling is impaired. In this method, a torsion angle is intentionally generated in order to detect torque, but the presence of the torsion angle causes a steering feeling to be impaired.
それ故に、本発明は、ねじれ角を用いずにトルクを検出するトルク検出装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a torque detection device that detects torque without using a twist angle.
第1の発明は、入力軸に作用するトルクを検出するトルク検出装置であって、
前記入力軸に追加的なトルクを与えるためのモータと、
前記入力軸の回転角と、当該回転角と比較可能に換算された出力側部材の動き量との差が零になるように前記モータを駆動制御するモータ制御手段と、
前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、
前記モータ電流検出手段で検出された電流に基づき、前記入力軸に作用するトルクを求めるトルク算出手段とを備える。
A first invention is a torque detection device for detecting torque acting on an input shaft,
A motor for applying additional torque to the input shaft;
Motor control means for driving and controlling the motor so that the difference between the rotation angle of the input shaft and the amount of movement of the output side member converted to be comparable to the rotation angle becomes zero;
Motor current detection means for detecting current flowing in the motor;
Torque calculating means for obtaining a torque acting on the input shaft based on the current detected by the motor current detecting means.
第2の発明は、第1の発明において、
前記入力軸の回転角と出力軸の回転角との差を検知するセンサをさらに備える。
According to a second invention, in the first invention,
A sensor for detecting a difference between the rotation angle of the input shaft and the rotation angle of the output shaft is further provided.
第3の発明は、第1の発明において、
前記入力軸の回転角を検知する第1のセンサと、
前記出力側部材の動き量を検知する第2のセンサとをさらに備える。
According to a third invention, in the first invention,
A first sensor for detecting a rotation angle of the input shaft;
And a second sensor for detecting a movement amount of the output side member.
第4の発明は、第3の発明において、
前記第2のセンサは、前記出力側部材の回転角を検知することを特徴とする。
According to a fourth invention, in the third invention,
The second sensor detects a rotation angle of the output side member.
第5の発明は、第3の発明において、
前記第2のセンサは、前記出力側部材の移動量を検知することを特徴とする。
According to a fifth invention, in the third invention,
The second sensor detects a movement amount of the output side member.
第6の発明は、第1〜第5のいずれかの発明に係るトルク検出装置を用いて、ステアリングシャフトに作用するトルクを検出することを特徴とする操舵装置である。 A sixth aspect of the present invention is a steering apparatus that detects torque acting on a steering shaft using the torque detection apparatus according to any one of the first to fifth aspects of the invention.
上記第1の発明によれば、入力軸の回転角と出力側部材の動き量が対応するようにモータを駆動制御し、そのときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。また、ねじれ角を発生させるために設けた部材を除去したり、当該部材のねじり剛性を高くしたりするなどして、入力軸が回転したときに出力側部材が追随性良く動くようにすることができる。 According to the first aspect of the invention, the motor is driven and controlled so that the rotation angle of the input shaft corresponds to the amount of movement of the output side member, and the torque is obtained based on the motor current at that time, resulting in the twist angle. Torque can be detected without generating. Also, remove the member provided to generate the torsion angle or increase the torsional rigidity of the member so that the output side member moves with good followability when the input shaft rotates. Can do.
上記第2の発明によれば、回転角の差を検知する1個のセンサを用いて入力軸と出力軸の回転角の差を検知し、検知した差が零になるようにモータを駆動制御したときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。 According to the second aspect of the invention, the difference in rotation angle between the input shaft and the output shaft is detected using a single sensor that detects the difference in rotation angle, and the motor is controlled so that the detected difference becomes zero. As a result, the torque can be detected without generating a twist angle by obtaining the torque based on the motor current.
上記第3の発明によれば、2個のセンサを用いて入力軸の回転角と出力側部材の動き量を検知し、入力軸の回転角と出力側部材の動き量が対応するようにモータを駆動制御したときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。 According to the third aspect of the invention, the rotation angle of the input shaft and the amount of movement of the output side member are detected using two sensors, and the motor is set so that the rotation angle of the input shaft and the amount of movement of the output side member correspond to each other As a result, the torque can be detected without generating a twist angle.
上記第4の発明によれば、2個の角度センサを用いて入力軸と出力側部材の回転角を検知し、入力軸の回転角と出力側部材の回転角が対応するようにモータを駆動制御したときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。 According to the fourth aspect of the invention, the rotation angle of the input shaft and the output side member is detected using two angle sensors, and the motor is driven so that the rotation angle of the input shaft corresponds to the rotation angle of the output side member. As a result, the torque can be detected without generating a twist angle by obtaining the torque based on the motor current at the time of control.
上記第5の発明によれば、角度センサと変位センサを用いて入力軸と出力側部材の移動量を検知し、入力軸の回転角と出力側部材の移動量が対応するようにモータを駆動制御したときのモータ電流に基づきトルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずにトルクを検出することができる。 According to the fifth aspect, the movement amount of the input shaft and the output side member is detected using the angle sensor and the displacement sensor, and the motor is driven so that the rotation angle of the input shaft corresponds to the movement amount of the output side member. As a result, the torque can be detected without generating a twist angle by obtaining the torque based on the motor current at the time of control.
上記第6の発明によれば、結果的にねじれ角を発生させずにステアリングシャフトに作用するトルクを検出できるので、トーションバーを除去したり、トーションバーのねじり剛性を高くしたりするなどして、操舵系の剛性感を高め、操舵感を改善することができる。 According to the sixth aspect, since the torque acting on the steering shaft can be detected without generating a twist angle as a result, the torsion bar is removed or the torsional rigidity of the torsion bar is increased. The rigidity of the steering system can be improved and the steering feeling can be improved.
図1は、本発明の実施形態に係るトルク検出装置を備えた車両の操舵装置の構成を示す図である。図1に示すように、ステアリングシャフト2は上側部2aと下側部2bに分断され、両者の間にはトーションバー3が設けられている。上側部2aの上端にはステアリングホイール1が固着されており、下側部2bの下端はラックピニオン機構4のラック軸5に連結されている。ラック軸5の両端は、タイロッドおよびナックルアームからなる連結部材6を介してタイヤ7に連結されている。運転者がステアリングホイール1を回転させると、ステアリングシャフト2は回転し、これに伴いラック軸5は往復運動を行う。ラック軸5の往復運動に伴い、タイヤ7の向きが変わる。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a vehicle steering apparatus including a torque detection device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
この操舵装置には、操舵補助用モータ11を含む電動パワーステアリング装置が設けられている。操舵補助用モータ11は、操舵補助用モータ制御部13からの制御に従い、操舵補助力を発生させる。操舵補助用モータ11で発生した操舵補助力は、減速機12を介してステアリングシャフト2の下側部2bに与えられる。
The steering device is provided with an electric power steering device including a
操舵補助用モータ11で好適な操舵補助力を発生させるためには、車両の車速Vと、運転者がステアリングホイール1およびステアリングシャフト2に与えた操舵トルクTを検出する必要がある。このため、操舵装置には、車速Vを検知する車速センサ14が設けられている。操舵トルクTは、トルク検出用モータ21、減速機22、トルク検出用モータ制御部23、角度センサ24、25、電流センサ26、および、トルク算出部27を備えたトルク検出装置によって検出される。
In order for the
トルク検出用モータ21は、トルク検出用モータ制御部23からの制御に従い、操舵トルクを検出するために追加的なトルクを発生させる。トルク検出用モータ21で発生したトルクは、減速機22を介してステアリングシャフト2の上側部2aに与えられる。
The
角度センサ24は、ステアリングシャフト2の上側部2aの回転角θaを検知する。ステアリングホイール1と上側部2aは一体となって回転するので、角度センサ24はステアリングホイール1の回転角を検知するとも言える。角度センサ25は、ラックピニオン機構4に含まれるピニオン8の回転角θbを検知する。ピニオン8と下側部2bとは一体となって回転するので、角度センサ25はステアリングシャフト2の下側部2bの回転角を検知するとも言える。
The
角度センサ24で検知された回転角θaと、角度センサ25で検知された回転角θbは、トルク検出用モータ制御部23に入力される。トルク検出用モータ制御部23は、回転角θaと回転角θbの差を求め、求めた差がゼロになるようにトルク検出用モータ21を駆動制御する(角度差ゼロ制御)。
The rotation angle θa detected by the
例えば、運転者がステアリングホイール1を運転者から見て時計回り方向に回転させる場合を考える。この場合、ステアリングシャフト2の上側部2aと下側部2bには当該方向のトルクが作用し、上側部2aと下側部2bはどちらも当該方向に回転する。しかし、上側部2aと下側部2bの間にはねじり弾性を有するトーションバー3が設けられているので、下側部2bは上側部2aよりも遅れて回転し、回転角θbは回転角θaよりも小さくなる。トルク検出用モータ制御部23は、回転角θaと回転角θbの差がゼロになるように、ステアリングシャフト2の上側部2aに運転者から見て反時計回り方向のトルクが与えられるようにトルク検出用モータ21を駆動制御する。
For example, consider a case where the driver rotates the
電流センサ26は、このとき(すなわち、回転角θaと回転角θbの差がゼロになるようにトルク検出用モータ21を駆動制御したとき)にトルク検出用モータ21に流れる電流Idを検知する。電流Idは、ステアリングシャフト2に作用する操舵トルクに応じて変化し、操舵トルクが大きいほど大きくなる。
The
トルク算出部27は、電流センサ26で検知された電流Idに基づき、ステアリングシャフト2の上側部2aに作用する操舵トルクTを求める。操舵トルクTと電流Idには所定の関係があり、その関係は設計時にあるいは実験などで求めることができる。したがって、その関係を用いて、電流Idを操舵トルクTに変換することができる。トルク算出部27は、操舵トルクTを計算で求めてもよく、テーブルを引くことにより求めてもよい。
The
トルク検出装置で検出された操舵トルクTは、車速センサ14で検知された車速Vと共に操舵補助用モータ制御部13に供給され、操舵補助用モータ11で発生させる操舵補助力を決定するときに使用される。
The steering torque T detected by the torque detector is supplied to the steering assist motor control unit 13 together with the vehicle speed V detected by the
図2は、図1に示す操舵装置の力学モデルを示す図である。図2において、ばね上力学モデル31とばね下力学モデル34は、それぞれ、操舵装置のトーションバー3よりも上の部分と下の部分の特性を表す。タイヤ・路面35は、タイヤ7と路面の特性を表す。操舵補助用モータ制御33は操舵補助用モータ制御部13とトルク算出部27で行われる処理を表し、位置制御ループ32はトルク検出用モータ制御部23で行われる処理を表す。
FIG. 2 is a diagram showing a dynamic model of the steering apparatus shown in FIG. In FIG. 2, the sprung
位置制御ループ32には、操舵角θaと実舵角θbの差Δθが入力される。位置制御ループ32では、角度差Δθに基づき、操舵トルクを検出するためにトルク検出用モータ21で発生させる追加的なトルクTTSと、そのときにトルク検出用モータ21に流れる電流Idとが決定される。タイヤ・路面35では、実舵角θbに基づき、操舵装置が地面から受けるトルクが決定される。
A difference Δθ between the steering angle θa and the actual steering angle θb is input to the
操舵補助用モータ制御33では、トルク検出用モータ21に流れる電流Idに基づき操舵トルクが求められ、求めた操舵トルクと車速Vに基づき操舵補助用モータ11で発生させる操舵補助力TA が決定される。ばね上力学モデル31では、運転者がステアリングシャフト2に与えた操舵トルクTと位置制御ループ32で決定されたトルクTTSとの和に基づき、操舵角θaが決定される。ばね下力学モデル34では、操舵トルクT、操舵補助用モータ制御33で決定された操舵補助力TA 、および、操舵装置が地面から受けるトルクの和に基づき、実舵角θbが決定される。
In the steering assist
図3は、位置制御ループ32の詳細を示す図である。図3に示すように、位置制御ループ32では、位置、速度および電流について、3重のフィードバック制御が行われる。まず、目標角度と実角度の差に基づき位置に関するPI制御を行うことにより、目標速度が決定される。次に、目標速度と実速度との差に基づき速度に関するPI制御を行うことにより、目標電流が決定される。さらに、目標電流と実電流との差に基づき電流に関するPI制御を行うことにより、トルク検出用モータ21に流すべき電流が決定される。トルク検出用モータ21に実際に流れた電流が実電流として検知され、実電流を時間積分することにより実速度が算出され、実速度を時間積分することにより実角度が算出される。
FIG. 3 is a diagram showing details of the
以上に示すように、図1に示すトルク検出装置によれば、ステアリングシャフト2の上側部2aの回転角θaとピニオン8の回転角θbの回転角が対応するようにトルク検出用モータ21を駆動制御し、そのときにトルク検出用モータ21に流れる電流に基づき操舵トルクを求めることにより、結果的にねじれ角を発生させずに操舵トルクを検出することができる。また、ねじれ角を発生させるために設けたトーションバー3のねじり剛性を高くすることにより、ステアリングシャフト2が回転したときにピニオン8などの出力側部材が追随性良く動くようにすることができる。トーションバー3を除去しても、同様の効果が得られる。
As described above, according to the torque detection device shown in FIG. 1, the
また、図1に示す操舵装置によれば、ねじれ角を用いずにステアリングシャフト2に作用するトルクを検出できるので、トーションバー3を除去したり、トーションバー3のねじり剛性を高くしたりするなどして、操舵系の剛性感を高め、操舵感を改善することができる。
Further, according to the steering device shown in FIG. 1, the torque acting on the
なお、本発明のトルク検出装置は、ピニオン8の回転角θbを検知する角度センサ25に代えて、ラック軸5の移動量を検知する変位センサや、タイヤ7の回転角を検知する角度センサや、ステアリングシャフト2の下側部2bの回転角を検出する角度センサなどを備えていてもよい。これらのセンサで検知される回転角および移動量は、いずれも、ステアリングシャフト2の上側部2aの回転角θaと比較可能に換算できる。また、本発明のトルク検出装置は、ステアリングシャフト2の上側部2aと下側部2bの回転角の差を検知する角度センサを1個備えていてもよい。
The torque detection device of the present invention replaces the
本発明のトルク検出装置では、トルク検出用モータ制御部23は、ステアリングシャフト2の上側部2aの回転角θaと、当該回転角と比較可能に換算された出力側部材の動き量との差がゼロになるように、トルク検出用モータ21を駆動制御すればよい。このため、本発明のトルク検出装置は、上側部2aの回転角を検知するセンサと、出力側部材の動き量(回転角または移動量)を検知するセンサを別々に備えていてもよく、上側部2aと下側部2bの回転角の差を検知するセンサを備えていてもよい。2個のセンサを設けた場合には、高度な車両制御に必要なタイヤ角情報を取得することもできる。
In the torque detection device of the present invention, the torque detection
また、図1に示すトルク検出装置はトーションバー3を備えることとしたが、本発明のトルク検出装置はトーションバー3を備えていなくてもよい。トーションバーを除去することにより、操舵系の剛性感をさらに高め、操舵感をさらに改善することができる。また、図1に示すトルク検出装置では、トルク検出用モータ21は、減速機22を介してステアリングシャフト2の上側部2aに接続されていることとしたが、上側部2aに直接接続されていてもよい。
Moreover, although the torque detection apparatus shown in FIG. 1 is provided with the
また、本発明のトルク検出装置は、ステアリングホイール1と操舵輪が機構的に分離したステアバイワイヤシステムにも適用できる(図4を参照)。図4に示す操舵装置は、操舵補助用モータ11と操舵補助用モータ制御部13に代えて、操舵アクチュエータ9と操舵アクチュエータ制御部15を備えている。変位センサ28は、操舵アクチュエータ9の動き量を検知する。図4に示す操舵装置においても、図1に示す操舵装置と同様に、ねじれ角を用いずに操舵トルクTを検出することができる。
The torque detection device of the present invention can also be applied to a steer-by-wire system in which the
1…ステアリングホイール、2…ステアリングシャフト、3…トーションバー、4…ラックピニオン機構、5…ラック軸、6…連結部材、7…タイヤ、8…ピニオン、9…操舵アクチュエータ、11…操舵補助用モータ、12、22…減速機、13…操舵補助用モータ制御部、14…車速センサ、15…操舵アクチュエータ制御部、21…トルク検出用モータ、23…トルク検出用モータ制御部、24、25…角度センサ、26…電流センサ、27…トルク算出部、28…変位センサ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記入力軸に追加的なトルクを与えるためのモータと、
前記入力軸の回転角と、当該回転角と比較可能に換算された出力側部材の動き量との差が零になるように前記モータを駆動制御するモータ制御手段と、
前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、
前記モータ電流検出手段で検出された電流に基づき、前記入力軸に作用するトルクを求めるトルク算出手段とを備えた、トルク検出装置。 A torque detection device for detecting torque acting on an input shaft,
A motor for applying additional torque to the input shaft;
Motor control means for driving and controlling the motor so that the difference between the rotation angle of the input shaft and the amount of movement of the output side member converted to be comparable to the rotation angle becomes zero;
Motor current detecting means for detecting current flowing in the motor;
A torque detection device comprising: a torque calculation means for obtaining a torque acting on the input shaft based on the current detected by the motor current detection means.
前記出力側部材の動き量を検知する第2のセンサとをさらに備えた、請求項1に記載のトルク検出装置。 A first sensor for detecting a rotation angle of the input shaft;
The torque detection device according to claim 1, further comprising a second sensor that detects a movement amount of the output side member.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2007-08-20 JP JP2007213680A patent/JP2009047542A/en active Pending
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