JP2010030469A

JP2010030469A - 舵角検出装置

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Publication number: JP2010030469A
Application number: JP2008195346A
Authority: JP
Inventors: Taku Mitsuhara; 卓光原; Hideaki Takamura; 英明高村; Fumihiro Kawakami; 文宏川上
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP5369527B2; US20100030427A1; US8244433B2

Abstract

【課題】軸角検出器及びモータ角検出器の検出値の組み合わせにより算出される舵角に現出する周辺温度の影響を排除し、正確な舵角を求め得るようにする。
【解決手段】舵取機構１の周辺温度を温度センサ８により検出し、この検出温度を舵角算出部７に与える。舵角算出部７は、軸角検出器５の検出値とモータ角検出器６の検出値との組み合わせにより舵角を算出するに際し、軸角検出器５又はモータ角検出器６の検出値を、温度センサ８の検出温度に基づいて補正し、補正された検出値を用いて舵角の算出を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の舵角を、操舵可能な全範囲に亘って検出可能に構成された舵角検出装置に関する。

車両の操舵は、一般的に、ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作を、ステアリング軸を介して舵取機構に伝え、該舵取機構の動作により操舵用の車輪（一般的には左右の前輪）の向きを変えて実施される。このような操舵により得られる車両の舵角（操舵用の車輪の向き）は、例えば、パワーステアリング装置における操舵補助力の増減制御、ＡＢＳ（Antilock Brake System ）装置における制動力の配分制御等、車両の各種の制御に必要な情報であり、舵角の検出のための舵角検出装置が多くの車両に装備されている。

車両の舵角は、前記ステアリング軸等、操舵部材の回転操作を舵取機構に伝える軸の回転角度を検出し、この検出値を逐次積算することによって求めることができる。また電動パワーステアリング装置として構成された操舵装置においては、操舵補助用のモータの回転角度を検出し、この検出値を逐次積算することによっても求めることができる。この場合、モータの駆動のために必要なモータ回転角の検出値を用いることから、専用のセンサが不要となるという効果が得られる。

さて、ステアリング軸の回転角度を検出する軸角検出器、又はモータの回転角を検出するモータ角検出器としては、レゾルバ等、対象軸の一回転中に複数回の周期的な変動を示す信号を出力する回転角検出器が広く用いられている。一方ステアリング軸は、左右の操舵限界位置の間の全舵角範囲内で４〜５回転し、更に操舵補助用のモータは、同じく全舵角範囲内で、舵取機構への減速伝動のために設けた減速機の減速比に相当する回数だけ回転する。

このように軸角検出器又はモータ角検出器の検出値は、全舵角範囲内で多数回の周期的な変動を繰り返すこととなり、これらの検出値を積算して舵角を求める構成とした舵角検出装置においては、積算の始点とする絶対舵角が必要である。走行中においては、例えば、直進走行状態にある場合を絶対舵角がゼロの始点として積算を実施することにより正確な舵角を求めることができるが、例えば、キースイッチのオフにより電源を遮断した停車状態から走行を開始した直後には、基準となる絶対舵角が不明であり、次に直進走行状態となり、積算の始点が確定されるまでの間の舵角を知り得ないという問題がある。

この問題に対応するため特許文献１に開示された舵角検出装置においては、前述した軸角検出器とモータ角検出器との両方を備え、これらの検出値を組み合わせることにより絶対舵角の検出を可能としている。

この舵角検出装置は、軸角検出器及びモータ角検出器の検出値が、前述したように全舵角範囲内で多数回の周期的な変動を繰り返すことを利用し、両検出器の変動周期が相互に重なり合わず、全舵角範囲内で同一の検出値の組み合わせが発生しないように設定することにより絶対舵角の検出を可能としている。
特開２０００−２９６７８１号公報

ところが、特許文献１に開示された舵角検出装置においては、軸角検出器及びモータ角検出器の検出値の組み合わせにより定まる初期舵角が、特定の条件下において、実際の舵角（実舵角）と対応しない場合があり、この初期舵角を基準とする舵角検出値に誤差が発生し、誤った舵角検出値を用いた各種の制御の実行に支障を来す場合があった。

本願出願人は、初期舵角に誤差が生じる条件について調べた結果、軸角検出器及びモータ角検出器が配設された舵取機構の周辺の温度変化が大きい場合であって、軸角検出器又はモータ角検出器の検出値が夫々の変動周期のピーク値に近いときに大なる誤差が発生することを知見した。

この理由について考察したところ、舵取機構の構成部材に熱膨張率が異なる材料が用いられており、舵取機構周辺の温度変化が大きい場合、夫々の構成部材の伸び量の相違によりステアリング軸が回転せしめられ、該ステアリング軸の回転角を検出する軸角検出器の検出値と、モータ角検出器の検出値とが対応しなくなることを見出した。

例えば、多くの車両に用いられているラックピニオン式の舵取機構は、ステアリング軸の端部に連結されたピニオン軸と、該ピニオン軸に噛合するラック軸とを備え、操舵部材の回転操作によるステアリング軸の回転を、前記ピニオン軸に噛合する前記ラック軸の軸長方向の移動に変換して操舵を行わせるように構成されている。

このようなラックピニオン式の舵取機構において、ラック軸及びピニオン軸は、軽量化のためにアルミニウム製のハウジングの内部に支持されており、舵取機構の周辺温度が高い場合、鋼製のラック軸の伸び量と、アルミニウム製のハウジングの伸び量が相違するため、ラック軸がハウジングの内部で軸長方向に相対移動し、この移動によってピニオン軸に回転力が加わり、該ピニオン軸に連結されたステアリング軸も回転せしめられ、該ステアリング軸の回転角度が変化する。

ステアリング軸の回転角度を検出する軸角検出器の検出値は、前述したように周期的に変化する。従って、温度の影響による回転角の変化が変動周期のピーク値に近い位置にて発生し、軸角検出器の検出値がピーク値の前後に跨がって変化した場合、モータ角検出器の検出値との組み合わせにより前述の如く決定される得られる初期舵角が、実舵角と大きく異なることとなる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、軸角検出器及びモータ角検出器の検出値の組み合わせにより算出される舵角に現出する周辺温度の影響を排除し、常に正確な舵角を求めることができる舵角検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１発明に係る舵角検出装置は、操舵部材の回転操作を舵取機構に伝える軸の回転角度を検出する軸角検出器と、前記舵取機構に操舵補助力を加えるモータの回転角度を検出するモータ角検出器と、該モータ角検出器の検出値と前記軸角検出器の検出値との組み合わせに基づいて前記舵取機構の動作により得られる舵角を算出する舵角算出手段を備える舵角検出装置において、前記舵取機構の周辺温度を測定する温度検出手段を備え、前記舵角算出手段は、前記温度検出手段の検出温度に基づいて前記モータ角検出器又は軸角検出器の検出値を補正し、補正された検出値を前記舵角の算出に用いることを特徴とする。

本発明の第２発明に係る舵角検出装置は、第１発明におけるモータ角検出器又は軸角検出器が、前記モータ又は軸の回転に応じて周期的に変化する余弦波信号及び正弦波信号を出力するレゾルバであり、前記温度検出手段は、前記余弦波信号及び正弦波信号の振幅の２乗和に基づいて前記周辺温度を検出するように構成してあることを特徴とする。

第１発明に係る舵角検出装置においては、軸角又はモータ角の検出値を舵取機構の周辺温度に基づいて補正し、補正した検出値を舵角の算出に用いるから、周辺温度の影響による誤差が排除された正確な舵角を求めることができ、停車後の走行開始時に遅滞なく舵角の検出を行わせることが可能となる。

第２発明に係る舵角検出装置においては、軸角又はモータ角の検出手段の出力を利用して舵取機構の周辺温度を検出するから、温度検出のための温度センサが不要となり、装置構成を簡素化することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

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、本発明に係る舵角検出装置を備え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。図示の電動パワーステアリング装置は、車体の左右方向に延設されたラックハウジング10の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸11と、ラックハウジング10の中途に交叉するピニオンハウジング12の内部に回転自在に支持されたピニオン軸13とを備えるラックピニオン式の舵取機構１を備えている。

ラックハウジング10の両側から外部に突出するラック軸11の両端は、操舵輪としての左右の前輪14，14に各別のタイロッド15，15を介して連結されている。ピニオンハウジング12の上部に突出するピニオン軸13の上端は、上位置に対向するステアリング軸２の下端に連結されている。またピニオンハウジング12の内部に延びるピニオン軸13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10との交叉部において、ラック軸11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２は、筒形をなすコラムハウジング21の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング21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る。ステアリング軸２の両端は、コラムハウジング21の上下両側から外部に突出させてあり、下方への突出端は、前述の如くピニオン軸13に連結されており、上方への突出端には、操舵部材としてのステアリングホイール20が固設されている。

以上の構成により、ステアリングホイール20が左右に回転操作された場合、この回転がステアリング軸２を介してピニオン軸13に伝わり、該ピニオン軸13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11の軸長方向の移動に変換される。このように生じるラック軸11の移動は、両端のタイロッド15，15を介して左右の前輪14，14に伝わり、これらの前輪14，14が転舵される。

図示の電動パワーステアリング装置は、以上の如くなされる操舵に際し、ステアリングホイール20の回転操作によりステアリング軸２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、該トルクセンサ３の検出トルクに基づいて駆動される操舵補助用のモータ４とを備えている。

トルクセンサ３は、ステアリング軸２の中途をトーションバーを介して同軸上に連結された２軸に分割し、これらの２軸間に前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対角変位を検出してステアリング軸２に加わる操舵トルクを求める公知の構成を有しており、図１中に破線により示す如く、コラムハウジング21の下半部の内側に設けてある。

操舵補助用のモータ４は、ラックハウジング10の中途部外側に、該ラックハウジング10に対して軸心を傾斜させて取り付けてあり、ラックハウジング10の内部に延びる出力軸の回転を、例えば、ボールねじ機構により減速及び運動変換してラック軸11に伝え、該ラック軸11に軸長方向の移動力を付与するように構成されている。この構成により、ラック軸11の移動により前述の如くなされる操舵が、ラック軸11に減速伝動される操舵補助用のモータ４の回転力によって補助される。

なお操舵補助用のモータ４は、ピニオンハウジング12又はコラムハウジング21の外側に取付け、ピニオン軸13又はステアリング軸２に伝動構成することもできる。モータ４からピニオン軸13又はステアリング軸２への伝動は、これらの軸13，２がいずれも回転軸であることから、ウォーム及びウォームホイールを備えるウォームギア減速機等、運動変換を伴わない減速機を介して実現することができる。

更に図示の電動パワーステアリング装置は、以上の如く操舵される左右の前輪14，14の舵角を全舵角範囲に亘って検出することを目的として、コラムハウジング21の中途に、該コラムハウジング21の内部に支持されたステアリング軸２の回転角度を検出する軸角検出器５を備え、また操舵補助用のモータ４の回転角度を検出するモータ角検出器６を備えている。

軸角検出器５は、レゾルバ等の公知の回転角検出器であり、ステアリング軸２を支持するコラムハウジング21の内部に、トルクセンサ３の下位置に並べて設けてある。なおトルクセンサ３が、前述の如くトーションバーを介して同軸上に連結された２軸の回転角度を各別に検出し、これらの検出角度の差から前記２軸の相対角変位を求めるように構成されている場合、前記２軸の一方に設けた回転角度の検出手段を軸角検出器５として兼用することができる。また軸角検出器５は、ステアリングホイール20の操作によって回転する軸に設けてあればよく、例えば、ピニオン軸13の回転角度を検出するように軸角検出器５を設けてもよい。

モータ角検出器６は、軸角検出器５と同様、レゾルバ等の公知の回転角検出器により構成することができる。なお操舵補助用のモータ４がブラシレスモータである場合、該モータ４の駆動のために回転角を検出する必要があり、モータ４に付設された回転角検出用のレゾルバをモータ角検出器６として兼用することができる。

軸角検出器５及びモータ角検出器６は、検出対象となる軸（ステアリング軸２及びモータ４の回転軸）の一回転中に複数回（ｎ回）の周期的な変動を示す信号を出力する。ステアリング軸２は、左右の操舵限界位置の間の全舵角範囲内で４〜５回転するから、軸角検出器５の検出値は、全舵角範囲内で（４×ｎ〜５×ｎ）回の周期的な変動を示す。操舵補助用のモータ４は、左右の操舵限界位置の間の全舵角範囲内でラック軸11への伝動のために設けたボールねじ機構の減速比に相当する回転回数（Ｎ回転）だけ回転するから、モータ角検出器６の検出値は、全舵角範囲内でＮ×ｎ回の周期的な変動を示す。

軸角検出器５とモータ角検出器６とは、夫々の変動周期が相互に重なり合わず、夫々の検出値の組み合わせが、全舵角範囲内で一通りのみ存在するように選定されている。この選定は、全舵角範囲内でのステアリング軸２の回転回数、軸角検出器５及びモータ角検出器６の一回転当りの出力の変動回数ｎ、及びボールねじ機構の減速比１／Ｎの組み合わせによって実現することができる。

以上の如き軸角検出器５及びモータ角検出器６の検出値は、舵角算出部７に与えられている。舵角算出部７には、舵取機構１の近傍に配した温度センサ８から、舵取機構１の周辺温度の検出値も与えられている。舵角算出部７は、軸角検出器５及びモータ角検出器６の検出値と共に、温度センサ８の検出値を用いて、全舵角範囲に亘って舵角を算出する。

図２は、舵角算出部７による舵角の算出手順の説明図である。図２の上半部は、舵角の変化に伴う軸角検出器５の検出値の変化の様子を示し、図２の下半部は、同じくモータ角検出器６の検出値の変化の様子を示している。

例えば、モータ角検出器６の検出値が図２中のＡであった場合、現状の舵角は、各周期上の交点Ａ₁〜Ａ₁₀に対応する角度のいずれかとなるが、同時に与えられる軸角検出器５の検出値が図２中のＢであった場合、舵角は、前記交点Ａ₁〜Ａ₁₀のうち、Ａ₆に対応する角度θとして求めることができる。

舵角算出部７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備える演算処理部であり、図２に示すような軸角検出器５及びモータ角検出器６の出力特性を記憶しており、軸角検出器５の検出値Ｂとモータ角検出器６の検出値Ａとが与えられた場合、図２に示す手順にて舵角θを算出する。前述したように軸角検出器５及びモータ角検出器６は、夫々の検出値の変動周期が相互に重なり合わず、全舵角範囲内で同一の検出値の組み合わせが生じないように選定されている。従って、舵角検出部７における図２に示す手順での舵角θの算出は、全舵角範囲に亘って実施することができる。

なお、以上の如き舵角の算出は、例えば、キースイッチをオンして走行を開始する場合等、現状の舵角（初期舵角）が不明である場合に限って実施し、舵角算出部７による以降の舵角算出は、算出された初期舵角を始点とし、逐次与えられる軸角検出器５又はモータ角検出器６の検出値を順次積算することによって算出する。

ところで、ラックピニオン式の舵取機構１において、ラック軸11を支持するラックハウジング10は、軽量化のためにアルミニウム製としてあり、舵取機構１の周辺温度が高い場合、アルミニウム製のラックハウジング10の伸び量と鋼製のラック軸11との伸び量が相違するため、前述したように、ラック軸11がラックハウジング10内部で軸長方向に相対移動し、この移動によってピニオン軸13が回転し、該ピニオン軸13に連結されたステアリング軸２の回転角度が変化する。

このような場合、ステアリング軸２の回転角度を検出する軸角検出器５の検出値は、ラック軸11の移動位置によって定まる実際の舵角に対応しなくなり、図２中に実線により示す本来の特性上ではなく、ステアリング軸２の回転角度の変化分（図中にΔとして示す）だけ位置ずれした破線により示す特性上で得られる。

従って、実舵角が図２中のθ₀であった場合に、モータ角検出器６の検出値はＡであるのに対し、軸角検出器５の検出値は、実線特性上のＢ₀ではなく、破線特性上のＢ₁となり、舵角算出部７は、ＡとＢ₁との組み合わせによって正しいθ₀と全く異なる初期舵角を算出することとなる。

この場合、実線特性上での軸角検出器５の検出値がＢ₁に近くなる点、即ち、前記交点Ａ₁〜Ａ₁₀のうち、Ａ₉に対応する角度θ₁が初期舵角として算出されることとなり、この初期舵角θ₁を始点として得られる以降の舵角算出値も誤差を有することとなる。軸角検出器５の検出値の誤差は、図２に例示したように、軸角検出器５の検出値Ｂ₀が、実線で示す正規の特性の変動周期のピーク値に近い場合に大きくなり、実舵角と全く異なる舵角が得られる虞れが高くなる。

本願発明においては、舵取機構１の周辺温度の影響により、以上のように発生する軸角検出器５の検出誤差を排除するために温度センサ８の検出値を用いる。軸角検出器５の検出誤差は、車両の生産工程において実施する舵角の中点学習（前輪14，14が直進状態にあるときの舵角検出器５及びモータ角検出器６の検出角度を記憶する）時における温度と、キースイッチがオンされた後に現状のターン数（初期舵角）を決定する際の温度との差によって発生する。このような検出誤差の原因となるラック軸11の相対移動量、及びこの移動により生じるピニオン軸13及びステアリング軸２の回転角度の変化量と、舵取機構１の周辺温度との関係は、ラックハウジング10及びラック軸11の寸法、ラック軸11とピニオン軸13との噛合位置等、舵取機構１の各部の諸元、並びに中点学習時の周辺温度によって予め求めることができる。従って、軸角検出器５の特性のずれ量Δと舵取機構１の周辺温度との対応関係も予め求めることができる。

本願発明においては、以上のように求まる対応関係を示すマップが、舵角算出部７のＲＯＭに記憶させてあり、舵角算出部７は、前述の如く実施する初期舵角の算出に際し、まず、温度センサ８から与えられる舵取機構１の周辺温度を取り込み、この温度検出値と中点学習時の周辺温度とを前記マップに適用して前記ずれ量Δを求め、このずれ量Δによって補正した特性線上にて軸角検出器５の検出値を決定し、前述したように、モータ角検出器６の検出値との組み合わせにより初期舵角を算出する。

このように舵角算出部７は、温度センサ８による舵取機構１の周辺温度の検出結果に基づいて軸角検出器５の検出値を補正し、補正された軸角検出器５の検出値とモータ角検出器６の検出値との組み合わせにより初期舵角を算出するから、舵取機構１の周辺温度の影響による算出誤差を排除して正確な初期舵角を算出することができ、この初期舵角を始点とするその後の舵角検出値の検出精度も良好となる。

なお以上の説明においては、舵取機構１の周辺温度に応じて軸角検出器５の検出値を補正しているが、モータ角検出器６の検出値を補正してもよい。また軸角検出器５による軸角検出値を補正すると、その後に得られる絶対舵角が変化して好ましくない場合があるので、軸角検出器５の検出値の補正は、前述したターン数の決定時にのみ実施するのが望ましい。

モータ角検出器６（又は軸角検出器５）としてレゾルバが用いられている場合、該レゾルバの出力信号を利用してモータ角検出器６（又は軸角検出器５）の周辺温度、即ち、舵取機構１の周辺温度を求めることができる。公知のようにレゾルバは、対象となる軸（操舵補助用のモータ４のモータ軸）の回転に応じて余弦波信号と正弦波信号とを出力し、これらを用いて回転角度を求めるように構成してある。前記余弦波信号及び正弦波信号の振幅の２乗和の大きさは、回転角度の如何に拘らず一定値となるが、この値は、周辺温度の影響に応じて大小に変化する性質を有するから、前記２乗和に基づいて舵取機構１の周辺温度を算出することができる。この場合、温度センサ８が不要となる。

例えば、モータ角検出器６として用いたレゾルバの余弦波信号及び正弦波信号の振幅の２乗和を種々の温度条件下で測定し、前記２乗和の大きさと温度との対応関係を示すマップを作成して舵角算出部７のＲＯＭに記憶させておく。舵角算出部７は、モータ角検出器６の検出値から前記振幅の２乗和を求め、この結果をマップに適用して周辺温度を算出する。求めた周辺温度は、前述したように、軸角検出器５の検出値又はモータ角検出器６の検出値の補正に使用する。

舵角算出部７において以上の如く算出される前輪14，14の舵角は、トルクセンサ３による操舵トルクの検出値と共にアシスト制御部９に与えられている。アシスト制御部９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備え、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従うＣＰＵの動作によりアシスト制御を実行するＥＣＵとして構成されている。アシスト制御部９のアシスト制御動作は、トルクセンサ３による操舵トルクの検出値を用いて目標補助力を求め、この目標補助力を発生すべく操舵補助用のモータ４の駆動電流を増減制御し、前述の如くなされる操舵を補助する公知の制御動作である。

舵角算出部７からアシスト制御部９に与えられる舵角値は、操舵トルクに基づいて決定される目標補助力の補正に用いられる。この補正は、例えば、舵角が小さいときには目標補助力を減じ、舵角が大きいときには目標補助力を増すようになされる。これにより、直進走行時にはモータ４が発生する操舵補助力を小さく抑え、ステアリングホイール20に剛性を付与して直進安定性を高めることができ、ステアリングホイール20が大きく操作される大転舵時にはモータ４が発生する操舵補助力を大として、軽快な操舵感を体感させることが可能となる。

舵角算出部７における舵角の算出は、前述したように、停車状態から走行を開始した直後から実行でき、算出される舵角は、周辺温度の影響による誤差を排除した正確な舵角であるから、アシスト制御部７による前述した補正を速やかに実行することができる。

舵角算出部７において算出される舵角は、前述したアシスト制御部９だけでなく、ＡＢＳ制御部、トラクション制御部等、車両に装備された他の制御部にも与え、夫々の制御部での制御動作に用いることができる。この場合においても、走行開始直後から正確な舵角を知り得ることから、夫々の制御に有効に用いることができる。

本発明に係る舵角検出装置を備え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。舵角算出部による舵角の算出手順の説明図である。

符号の説明

１舵取機構、２ステアリング軸（回転軸）、４モータ、５軸角検出器、６モータ角検出器、７舵角算出部（舵角算出手段）、８温度センサ（温度検出手段）
モータ、20 ステアリングホイール（操舵部材）

Claims

操舵部材の回転操作を舵取機構に伝える軸の回転角度を検出する軸角検出器と、前記舵取機構に操舵補助力を加えるモータの回転角度を検出するモータ角検出器と、該モータ角検出器の検出値と前記軸角検出器の検出値との組み合わせに基づいて前記舵取機構の動作により得られる舵角を算出する舵角算出手段を備える舵角検出装置において、
前記舵取機構の周辺温度を測定する温度検出手段を備え、
前記舵角算出手段は、前記温度検出手段の検出温度に基づいて前記モータ角検出器又は軸角検出器の検出値を補正し、補正された検出値を前記舵角の算出に用いることを特徴とする舵角検出装置。
前記モータ角検出器又は軸角検出器は、前記モータ又は軸の回転に応じて周期的に変化する余弦波信号及び正弦波信号を出力するレゾルバであり、前記温度検出手段は、前記余弦波信号及び正弦波信号の振幅の２乗和に基づいて前記周辺温度を検出するように構成してある請求項１記載の舵角検出装置。