JP2009516621A - 電気式パワーステアリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】車用の電気式パワーステアリングシステムであって、ステアリングハンドルを車の車輪と作用可能に接続するステアリング機構と、使用時、ステアリング機構の一部分により伝達されたトルクを表わすトルク信号を発生させ得るよう配置されたトルクセンサ６と、ステアリング機構と作用可能に接続された電気モータ１と、使用時、モータによりステアリング機構に与えるべきトルクを表わすトルクの需要信号８をトルク信号から発生させ得るよう配置された信号処理装置７であって、トルク信号に依存して初期トルクの需要信号１０を計算するよう配置された第一の計算装置１２と、使用時、トルクの需要信号を発生させ得るよう初期トルク信号を減衰すべき量を表わすトルク減衰信号１１を計算するよう配置された第二の計算装置１３とを備える上記信号処理装置と、使用時、トルクの需要信号に応答してモータに対し駆動電流を提供するよう配置されたモータ駆動段と、を備え、第二の計算装置は、トルクの需要信号に依存する信号の入力部と、使用時、トルク信号に依存して入力信号を微分し得るよう配置された微分器１５と、その低周波数成分を減少させるべく入力信号にフィルタをかけ得るよう配置された高域通過フィルタとを備える、電気式パワーステアリングシステムである。
【選択図】図１

Description

本明細は、電気モータがステアリングコラムのようなステアリング構成要素に対し支援トルクを与えて、車を制御するのに必要な運転者の操作力を軽減し得るようにされた型式の電気式パワーステアリングシステムに関する。

簡単な電気式パワーステアリングシステムにおいて、ステアリングコラム中のトルクレベルが測定されるよう配置されたトルクセンサが提供される。この測定値から、制御装置は、ステアリングコラムに装着された電気モータにより発生すべきトルクを表わす支援トルク成分を含むトルクの需要信号の値を計算する。モータは、運転者により要求されるものと同一方向への支援トルクをコラムに与えて、これによりハンドルを回すのに必要な操作力を軽減する。

この簡単な構成に伴う１つの問題点は、いわゆる車の「サカナ泳ぎ（ｆｉｓｈ−ｔａｉｌｉｎｇ）」に到る車の横揺れモードの遷移応答を励起する特定の運転操縦時に生じる。これらの操縦は、典型的に、回転「フリック（ｆｌｉｃｋ）」のようなハンドルに加わる「非支持の」運転者の動作の結果であり、この動作のとき、運転者は、ハンドルの角度を急激に変化させるが、任意の実質的に加えられたトルクを通じてその角度に従わず又は多分、急激な方向変更を開始した後、手をハンドルから放すことになろう。

かかる状況において、ハンドルは、迅速に且つ行き過ぎ又は振動が最小の状態にて中央の「直進」位置に戻ることが望ましい。しかし、一般に、ステアリングシステムの幾何学的及び慣性作用による効果は、特に、車の高速度のとき、減衰が僅かであり大きく振動する自由モードの横揺れ応答の原因となる。

モータを駆動するため使用されるトルクの需要信号内に減衰トルクを含めることにより、この問題点を解決することは当該技術にて既知である。この減衰成分は、ある意味にて、ハンドルの速度の関数であるトルクの需要の１つの成分を発生させることにより、粘性摩擦の機械的現象をソフトウェアを通じて模すものである。減衰成分の大きさは、一般に、ステアリング角速度の関数として、零回転速度時の零トルクから何らかの随意的な最高速度における最大値まで増大する。その効果として、減衰成分は、特に、速度が速い時の特定の時点にて、モータによる実際のトルク出力を小さくし、従って、支援量を減少させる。このことは、車の高速度時の減衰作用、従って安定性を増大させることになる。

減衰成分がステアリングコラムにより伝達されたトルク及びステアリングコラムの角速度の関数であり、減衰成分が高トルク時の減衰成分の大きさと比較して低トルク時にて減少するようにした、電気式パワーステアリング装置を提供することは更に既知である。このように、コラムにトルクが存在しない、ハンドフリーの操縦において、減衰量は比較的大きい一方、一般にコラムにトルクが存在する、ハンドオン操縦中の減衰量は小さい。

国際公開番号ＷＯ０３／０８６８３９にて、減衰成分がトルクの需要量の差の関数である、電気式パワーステアリングシステムを提供することが提案されている。選択随意的に、低周波数操縦中、減衰量を少なくする低通過フィルタが提供される。

本発明の第一の形態に従い、車用の電気式パワーステアリングシステムであって、
ステアリングハンドルを車の車輪と作用可能に接続するステアリング機構と、
使用時、ステアリング機構の一部分により伝達されたトルクを表わすトルク信号を発生させ得るよう配置されたトルクセンサと、
ステアリング機構と作用可能に接続された電気モータと、
使用時、モータによりステアリング機構に与えるべきトルクを表わすトルクの需要信号をトルク信号から発生させ得るよう配置された信号処理装置であって、トルク信号に依存して初期トルクの需要信号を計算するよう配置された第一の計算装置と、使用時、トルクの需要信号を発生させ得るよう初期トルク信号を減衰すべき量を表わすトルク減衰信号を計算するよう配置された第二の計算装置とを備える上記の信号処理装置と、
使用時、トルクの需要信号に応答してモータに対し駆動電流を提供するよう配置されたモータ駆動段と、を備え、
第二の計算装置は、トルクの需要信号に依存する信号の入力部と、使用時、
トルク信号に依存して入力信号を微分し得るよう配置された微分器と、その低周波数成分を減少させるべく入力信号にフィルタをかけ得るよう配置された高域通過フィルタとを備える、上記の電気式パワーステアリングシステムを提供する。

当該発明者達は、減衰機能の無い先行技術の場合、ＥＰＡＳシステムは、２つの望ましくない振動モードを特徴とすることが分かった。図６のボード線図にトレース２１が示されている。ピーク値を参照番号２２で示した、第一のモードにおいて、システムの全慣性力は、タイヤの剛性に対して共振する。全ての慣性力は同一位相にて動く。ピーク値を参照番号２３で示した第二のモードにおいて、ステアリングハンドルの慣性力は、モータに対して共振し、ステアリング歯車の慣性力は同一位相ではない。トルク信号（又はそれに依存する信号）を微分すると、図６に参照番号２０で示した形態の周波数応答となる。微分は、モータを加速することにより、第二のモード（モータとステアリングハンドルとの間の相対的動き）を減衰する９０°前進位相の減衰トルクを提供する。ピーク値２３は、トレース２０にて見られない。

この方策の難点は、トルク信号の微分に依存する減衰作用を使用することは、モータトルクが、誤った位相にて与えられるため、システムの動作を不安定にし、システムの第一のモードの振動を増大させる可能性があることである。このことは、図６にて、ピーク値２２の高さがトレース２１、２０の間にて増すことから理解することができる。高域通過フィルタを含めて、低周波数時の利得を小さくすることにより、この効果を減少させることができる。このことは、また、低周波数にて提供されるモータ動作は少ないため、中心上にあるという感触を直接、向上させることにもなる。

典型的に、高域通過フィルタは、使用時、微分器の出力部に取り付けられる。これと代替的に、入力信号は、微分器まで通過させる前に、フィルタに与えてもよい。入力信号は、トルク信号自体とし、又はトルク信号に依存する何らかの信号としてもよい。

好ましくは、第二の計算装置は、周波数領域内にて入力信号に作用するよう配置されるようにする。このため、第二の計算装置は、使用時、入力信号にて変換を実行し得るよう配置することができる。フーリエ変換のようなその他の変換が許容可能であるが、適正な変換は、ローレンツ変換であろう。従って、フィルタ及び微分器の少なくとも１つを入力信号に適用することは、変換関数を入力信号に与えることにより表わすことができる。変換関数は、形態Ｇ（ｓ）とすることができ、ここにおいて、Ｓは、角周波数である。

Ｇ（ｓ）＝Ｋ_ａｓ・ｓ／（ｓ＋ｗｃ）
ここで、Ｋ_ａは、典型的に、定数であり、ｗｃは、カットオフ周波数である。
第二の計算装置には、車速度の入力部を設けることができる。従って、減衰量は、低速度操縦の感触を向上させ得るよう低速度にて減少させることができる。

好ましくは、信号処理装置は、使用時、トルク減衰信号により表れたトルク量を初期トルクの需要信号により表されたトルク量と組み合わせ、トルクの需要信号を発生させ得るよう配置されるようにする。好ましくは、量は、追加的な態様にて組み合わされるものとする。特に好ましい実施の形態において、信号は、組み合わされて、トルク減衰信号により表されたトルク量を初期トルクの需要信号により表されたトルクの量から減算するのではなくて、加算し得るようにする。従って、必要であることが判明した箇所にて追加的な支援作用を提供することにより、望ましくない振動モードを回避することが可能となる。

第一の計算装置には、トルク信号の入力部と、初期トルク需要の出力部とを設けることができる。第一の処理装置は、また、機構の部品、典型的に、ステアリングコラムの角度位置の入力部を備えることもできる。このことは、偏倚力を発生させることを許容し、この偏倚力によって、ステアリングコラムを使用中、直進位置に戻すことができる。

第一及び第二の計算装置、微分器及びフィルタといった、信号処理装置の任意のもの又は全ては、少なくとも１つのマイクロプロセッサの一部を形成することができる。
トルクの需要信号は、コラムのトルクに、又はより特定的には、コラムのトルクの大きさに依存する利得因子を含むことができる。このことは、トルク需要信号がモータ駆動段まで通される前に、そのトルク需要信号に、利得因子に依存するコラムのトルクを掛けることにより実現することができる。

利得因子は、高コラムトルクのときよりも低コラムトルクのときの方がより大きいようにする。このことは、ステアリングが直進位置に近いとき（低トルク時）、減衰量は大きく、しかも偏心安定性に弊害を与えることなく、震動のような中心上の欠陥を効果的に減衰することを保証する。

利得は、コラムのトルクが基準とする利得因子を含む検索表から利得因子を得ることにより導出することができる。
単に一例として、添付図面に関して、本発明の１つの実施の形態について以下に説明する。

電気式パワーステアリングシステムは、添付図面の図１に示されている。システムは、ギアボックス３を介して駆動軸２に作用する電気モータ１を備えている。駆動軸２は、ステアリング５又はステアリングコラムと作用可能に接続された軸の一部分に設けられた歯車と協働するウォーム歯車４にて終わる。

ステアリングコラム５は、トルクセンサ６を支持しており、該トルクセンサは、ステアリングハンドル（図示せず）、従ってステアリングコラムが車の車輪（同様に図示せず）により提供される抵抗力に抗して回転されたとき、車の運転者により発生される、ステアリングコラムにより伝達したトルクを測定し得るようにされている。トルクセンサ６からの出力信号（本明細書にてトルク信号Ｔと称する）は、信号処理装置７を含む電気回路の第一の入力部に供給される。これは、典型的に、ＡＳＩＣ専用の集積回路である。

また、角速度センサがステアリングコラム軸に設けられている。図１に示したように、このセンサはトルクセンサ６の一体部品である。このセンサは、軸の角速度ωを表わす出力信号を発生させる。速度センサからの出力は、信号処理装置７の第二の入力部に供給される。

更に、ステアリングコラムの角度位置を表す出力信号Ｎ_ｃｏｌを発生させるコラム位置センサが提供される。
これらの入力値、すなわち、コラム速度ω、コラム角度位置Ｎ_ｃｏｌ及びコラムトルクＴは、信号プロセッサに送られる。

信号処理装置７は、３つの入力信号に作用して、その出力として、モータ制御装置９に送られるトルクの需要信号８を発生させる。モータ制御装置９は、トルクの需要信号８を電気モータ１の駆動電流に変換する。

トルクの需要信号８の値は、電気モータ１によりステアリングコラムに加えるべき支援トルクの量に相応する。この値は、１方向に向けてモータに対する最大出力トルクに相応する最小値から、需要信号が零であるときの零トルクを通って反対方向の最大のモータトルクまで変化する。

モータ制御装置９は、その入力部にて、トルクの需要信号を受け取り且つ、電流を発生させ、この電流は、モータに供給されて、モータ駆動軸２にて所望のトルクを再度発生させる。ステアリングコラムの軸５に加えられたこの支援トルクによって、運転者がハンドルを回すのに必要とする操作力は軽減される。

図２には、トルクの需要信号８を発生させるとき、信号処理装置７によって為される機能的ステップが示されている。トルクの需要信号８は、２つの成分、すなわち、支援すなわち初期トルクの需要信号１０及びトルクの減衰信号１１として提供される。これら２つの成分１０、１１は、回路内にて追加的に組み合わされトルクの需要信号８を形成する。

従って、信号処理装置７は、第一の計算装置１２及び第二の計算装置１３という２つの計算装置に分割されている。第一の計算装置１２は、初期トルク成分１０を計算し、第二の計算装置１２は、トルク減衰信号１１を計算する。

第一の計算装置１０は、トルク信号Ｔ及びステアリングコラムの位置Ｎ_ｃｏｌを入力として受け取る。トルク信号Ｔは、典型的に、リニアマッピングを使用して要求されたトルクに対する基礎を計算するため使用されるが、その他のマッピング法が可能である。この値は、Ｎ_ｃｏｌに基づいた偏倚により補正されてステアリングコラムが直進位置に戻ることを保証する（殆どの運転者は、この位置に慣れているから）。これらの値は、組み合わさって、初期トルクの需要信号１０を形成する。

第二の計算装置１３の機能は、添付図面の図５にてより詳細に見ることができる。第二の計算装置１３は、トルク信号Ｔを入力として受け取る。最初に、計算装置は、時間領域からの入力トルク信号を周波数領域に変換する。フーリエ変換のようなその他の変換が許容可能であるが、適正な変換はローレンツ変換であろう。

次に、変換された信号は、信号増幅器１４により掛算をし、ある量の利得を導入する。この利得は、車速度に依存するであろうが、さもなければ、一定の因子Ｋ_ａとみなすことができる。

次に、増幅された信号は、微分器１５に進む。これは、周波数領域内にて実行されるため、このことは、周波数領域信号に角周波数ｓを掛けることを含む。このことは、図５にて参照番号１５で示したボード（周波数対数に対する利得対数）線図にて表されている。

微分したとき、次に、信号は、高域通過フィルタ１６に進む。このことは、周波数領域内にて実行されるため、これは、ｓ／（ｓ＋ｗｃ）を掛けることにより表わすことができ、ここで、ｗｃは、カットオフ周波数である。このことは、図５に参照番号１６のボード線図にて概略図的に示されている。このため、このフィルタの出力は、トルク減衰信号１１である。

周波数領域内にて行なわれる変換は、添付図面の図４にて見ることができる。このことは、全体的な応答のボード線図を示す。時間領域トルク信号Ｔからトルク減衰信号への変換の変換関数は、次式のように表わすことができる。

Ｇ（ｓ）＝Ｋ_ａｓ・ｓ／（ｓ＋ｗｃ）
これは、添付図面の図３に示した先行技術のシステム（微分のみ）の減衰構成要素のものと対照的である。低周波数にて、変換関数（従って、トルク減衰信号の応答）は、当該実施の形態にて先行技術よりも小さいことが分かる。従って、本明細書にて説明した実施の形態の低周波数における小さい利得は、図６に示したピーク値２２を小さくすることにより、上述した振動の「第一のモード」を減少させることになる。

トルク減衰信号１１が第二の計算装置１３により発生されると、次に、信号処理装置７は、加算関数１７を使用して、トルク減衰信号により表わしたトルクを初期トルクの需要信号１０に加えて、トルクの需要信号８を提供する。減算ではなくて、この加算は、ＥＰＡＳシステムの望ましくない振動を解消するため最も必要とされる、周波数スケール上の点にて運転者に対し更なる支援力を加える。

添付図面の図７に示した更なる実施の形態において、出力は、また、利得因子を含めることにより、コラムのトルクに依存するものとされる。この利得因子は、コラムトルクの大きさ１７を決定し、これを使用して、検索表１８内に保存した関係する利得因子にアクセスし、また、ブロック１６の出力にこの利得因子を掛けて（２０）出力１１を得ることにより求められる。

検索表１８内に保存された値は、高コラムトルク時に与えられるものよりも大きい利得因子が低コラムトルク時に与えられるようなものである。このことは、ステアリングが中心上にあるとき、ステアリングの震えに対処し得るよう、減衰は比較的大きいが、偏心状態にあるとき、システムの不安定化を避けるため、減衰は比較的小さいことを保証することになる。

利得を「内」又は「外」に切り換えるためのスイッチ１９を設けることもできる。「外」に切り換えられたとき、均一な利得が与えられる。

本発明の１つの実施の形態に従った電気式パワーステアリング（ＥＰＡＳ）システムの図である。 図１のＥＰＡＳシステムの信号処理装置によって実行される機能を示す図である。 トルク信号が単に微分されるＥＰＡＳシステムの周波数応答を示すボード線図である。 図１の実施の形態と調和して、微分を高域通過フィルタと組み合わせる場合のボード線図である。 図１のＥＰＡＳシステムの減衰信号が計算される様子を示す流れ図である。 何ら減衰しないＥＰＡＳの周波数応答の場合と微分したトルク信号にのみ依存する減衰の場合とを比較する図である。 図１のＥＰＡＳシステムの減衰信号を計算するときの代替的な方法の流れ図である。

Claims (12)

1. 車用の電気式パワーステアリングシステムにおいて、
   ステアリングハンドルを車の車輪と作用可能に接続するステアリング機構と、
   使用時、ステアリング機構の一部分により伝達されたトルクを表わすトルク信号を発生させ得るよう配置されたトルクセンサと、
   ステアリング機構と作用可能に接続された電気モータと、
   使用時、モータによりステアリング機構に与えるべきトルクを表わすトルクの需要信号をトルク信号から発生させ得るよう配置された信号処理装置であって、トルク信号に依存して初期トルクの需要信号を計算するよう配置された第一の計算装置と、使用時、トルクの需要信号を発生させ得るよう初期トルク信号を減衰すべき量を表わすトルク減衰信号を計算するよう配置された第二の計算装置とを備える前記信号処理装置と、
   使用時、トルクの需要信号に応答してモータに対し駆動電流を提供するよう配置されたモータ駆動段と、を備え、
   第二の計算装置は、トルクの需要信号に依存する信号の入力部と、使用時、トルク信号に依存して入力信号を微分し得るよう配置された微分器と、その低周波数成分を減少させるべく入力信号にフィルタをかけ得るよう配置された高域通過フィルタとを備える、電気式パワーステアリングシステム。
2. 請求項１に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、高域通過フィルタは、使用時、微分器の出力部に取り付けられる、電気式パワーステアリングシステム。
3. 請求項１又は２に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、使用時、入力信号は、微分器まで通過させる前に、フィルタに与えられる、電気式パワーステアリングシステム。
4. 請求項１、２又は３に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、第二の計算装置は、周波数領域内にて入力信号に作用するよう配置される、電気式パワーステアリングシステム。
5. 請求項４に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、第二の計算装置は、使用時、入力信号にて変換を実行し得るよう配置される、電気式パワーステアリングシステム。
6. 請求項５に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、変換はローレンツ変換である、電気式パワーステアリングシステム。
7. 請求項４に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、フィルタ及び微分器を入力信号に適用することは、変換関数を形態Ｇ（ｓ）の入力信号に与えることにより、Ｓを角周波数とした次式にて表わすことができ、
   Ｇ（ｓ）＝Ｋ_ａｓ・ｓ／（ｓ＋ｗｃ）
   ここで、Ｋ_ａは、典型的に、定数であり、ｗｃは、カットオフ周波数である、電気式パワーステアリングシステム。
8. 請求項１ないし７の何れか１つの項に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、第二の計算装置には、車速度の入力部を設けることができ、該第二の計算装置は、使用時、低速度にて減衰量を減少させ得るように配置される、電気式パワーステアリングシステム。
9. 請求項１から８の何れか１つの項に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、信号処理装置は、使用時、トルク減衰信号により表れたトルク量を初期トルクの需要信号により表されたトルク量と組み合わせ、トルクの需要信号を発生させ得るよう配置される、電気式パワーステアリングシステム。
10. 請求項９に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、前記量は、トルク減衰信号により表されたトルク量を初期トルクの需要信号により表されたトルクの量に加算するように追加的な態様にて組み合わされる、電気式パワーステアリングシステム。
11. 請求項１ないし１０の何れか１つの項に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、第一及び第二の計算装置、微分器及びフィルタといった、信号処理装置の少なくとも１つは、少なくとも１つのマイクロプロセッサの一部を形成する、電気式パワーステアリングシステム。
12. 請求項１ないし１１の何れか１つの項に記載の電気式パワーステアリングシステムにおいて、トルクの需要信号は、コラムのトルクに依存する利得因子を含む、電気式パワーステアリングシステム。

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