JP2011201451A

JP2011201451A - ステアリング角度検出装置およびステアリング角度検出方法

Info

Publication number: JP2011201451A
Application number: JP2010071681A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Murata; 博之村田
Original assignee: Showa Corp
Current assignee: Showa Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】専用のセンサを備えることなしに、既存のセンサなどを利用してステアリングホイールの回転角度を検出する技術を提供する。
【解決手段】ステアリングホイールの回転に連動して回転する下部連結シャフトとトーションバーを介して連結されて前輪の向きを変えるピニオンシャフトに回転補助力を与える電動パワーステアリング装置の電動モータの回転角度に基づいてステアリングホイールの回転角度θｓを算出し（Ｓ９０８）、ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて下部連結シャフトとピニオンシャフトとの相対回転角度Δθを算出し（Ｓ９０９）、Ｓ９０８にて算出したステアリング角度θｓを、Ｓ９０９にて算出した相対回転角度Δθにて補正する（Ｓ９１０）。
【選択図】図９

Description

本発明は、ステアリング角度検出装置およびステアリング角度検出方法に関する。

近年、乗り物のステアリング系に電動モータを備え、電動モータの動力にてドライバの操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置が提案されている。この電動パワーステアリング装置においては、検出した操舵トルクに基づいて電動モータに供給する電流を定めることで電動モータの駆動を制御する。
また、乗り物の進路案内を行う装置などに使用するために、乗り物のステアリングホイールの回転角度を検出する装置が提案されている。例えば、特許文献１に記載の回転角度・トルク検出装置は、ステアリングに連動して回転する第一の回転体と、これに連動して回転する第一及び第二の検出体と、これらの検出体の回転を検出信号として検出する第一及び第二の検出手段と、これらの検出手段に接続された制御手段と、から構成される。

特開２００５−２５７３６４号公報

乗り物のステアリングホイールは、電動パワーステアリング装置に備えられた電動モータの動力にて回転補助されるとともに、その回転角度が検出されて他の装置に利用される。それゆえ、構成の簡略化、コスト低減などの観点からは、ステアリングホイールの回転角度を検出する専用のセンサを備えることなしに、例えば電動パワーステアリング装置の構成部品として既に存在するセンサなどを利用してステアリングホイールの回転角度を検出することが望ましい。

かかる目的のもと、本発明は、電動パワーステアリング装置に備えられたステアリングホイールの回転角度を検出するステアリング角度検出装置であって、前記ステアリングホイールの回転に連動して回転する第１の回転軸とトーションバーを介して連結されて転動輪の向きを変える第２の回転軸に回転補助力を与える前記電動パワーステアリング装置の電動モータの回転角度に基づいて当該ステアリングホイールの回転角度を算出するステアリング角度算出手段と、前記ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を算出する相対回転角度算出手段と、前記ステアリング角度算出手段が算出した前記ステアリングホイールの回転角度を、前記相対回転角度算出手段が算出した前記相対回転角度にて補正する補正手段と、を備えることを特徴とするステアリング角度検出装置である。

ここで、前記相対回転角度算出手段は、前記電動モータに供給する目標電流を算出する前記電動パワーステアリング装置の目標電流算出手段が当該目標電流を算出するにあたって基礎とする前記操舵トルクに応じたトルク信号を取得し、取得したトルク信号に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を算出することが好適である。
また、前記トルク信号は、前記トーションバーの捩れ角度に応じた電気信号に基づくことが好適である。

他の観点から捉えると、本発明は、電動パワーステアリング装置に備えられたステアリングホイールの回転角度を検出するステアリング角度検出装置であって、前記ステアリングホイールの回転に連動して回転する第１の回転軸とトーションバーを介して連結されて転動輪の向きを変える第２の回転軸に回転補助力を与える前記電動パワーステアリング装置の電動モータの回転角度に基づいて当該第２の回転軸の回転角度を算出する回転軸角度算出手段と、前記ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を算出する相対回転角度算出手段と、前記回転軸角度算出手段が算出した前記第２の回転軸の回転角度と、前記相対回転角度算出手段が算出した前記相対回転角度とを加算または減算する加減算手段と、を備えることを特徴とするステアリング角度検出装置である。
ここで、前記相対回転角度算出手段は、前記電動モータに供給する目標電流を算出する前記電動パワーステアリング装置の目標電流算出手段が当該目標電流を算出するにあたって基礎とする前記操舵トルクに応じたトルク信号を取得し、取得したトルク信号に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を算出することが好適である。

また、他の観点から捉えると、本発明は、電動パワーステアリング装置に備えられたステアリングホイールの回転角度を検出するステアリング角度検出方法であって、前記ステアリングホイールの回転に連動して回転する第１の回転軸とトーションバーを介して連結されて転動輪の向きを変える第２の回転軸に回転補助力を与える前記電動パワーステアリング装置の電動モータの回転角度に基づいて当該ステアリングホイールの回転角度を算出し、算出した当該ステアリングホイールの回転角度を、当該ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて算出した前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を用いて補正することを特徴とするステアリング角度検出方法である。

本発明によれば、電動パワーステアリング装置の構成部品として既に存在するセンサなどを利用してステアリングホイールの回転角度を検出するので、構成の簡略化、コスト低減を図ることができる。

電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。ステアリングギアボックス内の概略構成を示す図である。電動パワーステアリング装置の制御装置の概略構成図である。目標電流算出部の概略構成図である。制御部の概略構成図である。トルク検出回路の概略構成図である。ステアリング角度検出装置の概略構成図である。ステアリング角度検出装置の機能構成を示すブロック図である。ステアリング角度算出処理の手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、電動パワーステアリング装置１００の概略構成を示す図である。
電動パワーステアリング装置１００（以下、単に「ステアリング装置１００」と称する場合もある。）は、乗り物の進行方向を任意に変えるためのかじ取り装置であり、本実施の形態においては自動車に適用した構成を例示している。

ステアリング装置１００は、ドライバが操作する車輪（ホイール）状のステアリングホイール（ハンドル）１０１と、ステアリングホイール１０１に一体的に設けられたステアリングシャフト１０２とを備えている。また、ステアリング装置１００は、ステアリングシャフト１０２と自在継手１０３ａを介して連結された上部連結シャフト１０３と、この上部連結シャフト１０３と自在継手１０３ｂを介して連結された下部連結シャフト１０８とを備えている。下部連結シャフト１０８は、ステアリングホイール１０１の回転に連動して回転する。

また、ステアリング装置１００は、転動輪としての左右の前輪１５０のそれぞれに連結されたタイロッド１０４と、タイロッド１０４に連結されたラック軸１０５とを備えている。また、ステアリング装置１００は、ラック軸１０５に形成されたラック歯１０５ａとともにラック・ピニオン機構を構成するピニオン１０６ａを備えている。ピニオン１０６ａは、ピニオンシャフト１０６の下端部に形成されている。

また、ステアリング装置１００は、ピニオンシャフト１０６および下部連結シャフト１０８の一部を収納するステアリングギアボックス１０７を有している。
図２は、ステアリングギアボックス１０７内の概略構成を示す図である。
ステアリングギアボックス１０７は、例えば自動車などの乗り物の本体フレーム（車体）に固定されるハウジング１３０と、ハウジング１３０に固定された電動モータ１１０とを有している。ハウジング１３０は、第１ハウジング１３１と第２ハウジング１３２とが、例えばボルトなどにより結合されて構成され、電動モータ１１０は、第２ハウジング１３２に固定されている。本実施の形態に係る電動モータ１１０は、３相ブラシレスモータである。

下部連結シャフト１０８は、軸受１１３を介して第１ハウジング１３１に回転可能に支持されている。
ピニオンシャフト１０６は、トーションバー１１２を介して下部連結シャフト１０８に同軸的に結合されているとともに軸受１１４を介して第２ハウジング１３２に回転可能に支持されている。また、ピニオンシャフト１０６には、例えば圧入などによりウォームホイール１６０が固定されている。このウォームホイール１６０は、第２ハウジング１３２に固定された電動モータ１１０の出力軸に連結されたウォームギヤ１１１と噛み合っている。
また、ステアリングギアボックス１０７の内部には、下部連結シャフト１０８とピニオンシャフト１０６との相対角度に基づいてステアリングホイール１０１の操舵トルクＴを検出する操舵トルク検出手段の一例としてのトルクセンサ１０９が設けられている。トルクセンサ１０９については、後で詳述する。

ステアリング装置１００は、さらに、電動モータ１１０の作動を制御する制御装置１０（図１参照）を備えている。制御装置１０には、上述したトルクセンサ１０９の出力値、自動車の移動速度である車速Ｖｃを検出する車速センサ１７０の出力値が入力される。

以上のように構成されたステアリング装置１００は、ステアリングホイール１０１に加えられた操舵トルクＴをトルクセンサ１０９にて検出し、その検出トルクに応じて制御装置１０が電動モータ１１０を駆動制御し、電動モータ１１０の発生トルクをピニオンシャフト１０６に伝達する。これにより、電動モータ１１０の発生トルクが、ステアリングホイール１０１に加える運転者の操舵力をアシストする。

次に、制御装置１０について説明する。
図３は、ステアリング装置１００の制御装置１０の概略構成図である。
制御装置１０は、電動モータ１１０の制御を行う際の演算処理を行うＣＰＵと、ＣＰＵにて実行されるプログラムや各種データ等が記憶されたＲＯＭと、ＣＰＵの作業用メモリ等として用いられるＲＡＭと、を備えている。
制御装置１０には、上述したトルクセンサ１０９にて検出された操舵トルクＴが変換された電気信号ＶＴと、車速センサ１７０にて検出された車速Ｖｃが出力信号に変換された車速信号ｖなどが入力される。
そして、制御装置１０は、操舵トルクＴに基づいて目標補助トルクを算出し、この目標補助トルクを電動モータ１１０が供給するのに必要となる目標電流を算出する目標電流算出部２０と、目標電流算出部２０が算出した目標電流に基づいてフィードバック制御などを行う制御部３０とを有している。また、制御装置１０は、後述するトルク検出回路２５０から出力されたアナログ信号の電気信号ＶＴをデジタル信号のトルク信号Ｔｄに変換するとともに、変換したトルク信号Ｔｄを、目標電流算出部２０へ向けて出力する変換部１５を有している。

次に、目標電流算出部２０について詳述する。図４は、目標電流算出部２０の概略構成図である。
目標電流算出部２０は、目標電流を設定する上で基準となるベース電流を算出するベース電流算出部２１と、電動モータ１１０の慣性モーメントを打ち消すための電流を算出するイナーシャ補償電流算出部２２と、モータの回転を制限する電流を算出するダンパー補償電流算出部２３とを備えている。また、目標電流算出部２０は、ベース電流算出部２１、イナーシャ補償電流算出部２２、ダンパー補償電流算出部２３などからの出力に基づいて目標電流を決定する目標電流決定部２５を備えている。さらに、目標電流算出部２０は、トルク信号Ｔｄの位相補償を行う位相補償部２６を備えている。

なお、目標電流算出部２０には、トルク信号Ｔｄと、車速信号ｖと、電動モータ１１０の回転速度Ｎｍが出力信号に変換された回転速度信号Ｎｍｓとが入力される。回転速度信号Ｎｍｓは、例えば３相ブラシレスモータである電動モータ１１０に設けられ、この電動モータ１１０の回転子（ロータ）の回転角度を検出するセンサ（例えば、回転子の回転位置を検出するレゾルバ、ロータリエンコーダ等で構成されるロータ位置検出回路）の出力信号が微分されることにより得られるものであることを例示することができる。
なお、制御装置１０には、車速センサ１７０、電動モータ１１０の回転角度を検出するセンサなどからの信号がアナログ信号として入力されるので、図示しないＡ／Ｄ変換部によりアナログ信号をデジタル信号に変換し、目標電流算出部２０に取り込んでいる。

ベース電流算出部２１は、位相補償部２６にてトルク信号Ｔｄが位相補償されたトルク信号Ｔｓと、車速センサ１７０からの車速信号ｖとに基づいてベース電流を算出し、このベース電流の情報を含むベース電流信号Ｉｍｂを出力する。なお、ベース電流算出部２１は、例えば、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、トルク信号Ｔｓおよび車速信号ｖとベース電流との対応を示すマップに、検出されたトルク信号Ｔｓおよび車速信号ｖを代入することによりベース電流を算出する。

イナーシャ補償電流算出部２２は、トルク信号Ｔｄと車速信号ｖとに基づいて電動モータ１１０およびシステムの慣性モーメントを打ち消すためのイナーシャ補償電流を算出し、この電流の情報を含むイナーシャ補償電流信号Ｉｓを出力する。なお、イナーシャ補償電流算出部２２は、例えば、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、トルク信号Ｔｄおよび車速信号ｖとイナーシャ補償電流との対応を示すマップに、検出されたトルク信号Ｔｄおよび車速信号ｖを代入することによりイナーシャ補償電流を算出する。

ダンパー補償電流算出部２３は、トルク信号Ｔｄと、車速信号ｖと、電動モータ１１０の回転速度信号Ｎｍｓとに基づいて、電動モータ１１０の回転を制限するダンパー補償電流を算出し、この電流の情報を含むダンパー補償電流信号Ｉｄを出力する。なお、ダンパー補償電流算出部２３は、例えば、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、トルク信号Ｔｄ、車速信号ｖおよび回転速度信号Ｎｍｓと、ダンパー補償電流との対応を示すマップに、検出されたトルク信号Ｔｄと車速信号ｖと回転速度信号Ｎｍｓとを代入することによりダンパー補償電流を算出する。

目標電流決定部２５は、ベース電流算出部２１から出力されたベース電流信号Ｉｍｂ、イナーシャ補償電流算出部２２から出力されたイナーシャ補償電流信号Ｉｓおよびダンパー補償電流算出部２３から出力されたダンパー補償電流信号Ｉｄに基づいて目標電流を決定し、この電流の情報を含む目標電流信号ＩＴを出力する。目標電流決定部２５は、例えば、ベース電流に、イナーシャ補償電流を加算するとともにダンパー補償電流を減算して得た補償電流を、予め経験則に基づいて作成しＲＯＭに記憶しておいた、補償電流と目標電流との対応を示すマップに代入することにより目標電流を算出する。このように、目標電流決定部２５は、ステアリングホイール１０１の操舵トルクＴに基づいて電動モータ１１０に供給する目標電流を算出する目標電流算出手段の一例として機能する。

次に、制御部３０について詳述する。図５は、制御部３０の概略構成図である。
制御部３０は、電動モータ１１０の作動を制御するモータ駆動制御部３１と、電動モータ１１０を駆動させるモータ駆動部３２と、電動モータ１１０に実際に流れる実電流Ｉｍを検出するモータ電流検出部３３とを有している。
モータ駆動制御部３１は、目標電流算出部２０にて最終的に決定された目標電流と、モータ電流検出部３３にて検出された電動モータ１１０へ供給される実電流Ｉｍとの偏差に基づいてフィードバック制御を行うフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御部４０と、電動モータ１１０をＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成するＰＷＭ信号生成部６０とを有している。

フィードバック制御部４０は、目標電流算出部２０にて最終的に決定された目標電流とモータ電流検出部３３にて検出された実電流Ｉｍとの偏差を求める偏差演算部４１と、その偏差がゼロとなるようにフィードバック処理を行うフィードバック（Ｆ／Ｂ）処理部４２とを有している。
偏差演算部４１は、目標電流算出部２０からの出力値である目標電流信号ＩＴとモータ電流検出部３３からの出力値であるモータ電流信号Ｉｍｓとの偏差の値を偏差信号４１ａとして出力する。モータ電流信号Ｉｍｓは、モータ電流検出部３３にて検出された実電流Ｉｍが出力信号に変換された信号である。

フィードバック（Ｆ／Ｂ）処理部４２は、目標電流と実電流Ｉｍとが一致するようにフィードバック制御を行うものであり、例えば、入力された偏差信号４１ａに対して、比例要素で比例処理した信号を出力し、積分要素で積分処理した信号を出力し、加算演算部でこれらの信号を加算してフィードバック処理信号４２ａを生成・出力する。
ＰＷＭ信号生成部６０は、フィードバック制御部４０からの出力値に基づいてＰＷＭ信号６０ａを生成し、生成したＰＷＭ信号６０ａを出力する。

モータ駆動部３２は、所謂インバータであり、例えば、スイッチング素子として６個の独立したトランジスタ（ＦＥＴ）を備え、６個の内の３個のトランジスタは電源の正極側ラインと各相の電気コイルとの間に接続され、他の３個のトランジスタは各相の電気コイルと電源の負極側（アース）ラインと接続されている。そして、６個の中から選択した２個のトランジスタのゲートを駆動してこれらのトランジスタをスイッチング動作させることにより、電動モータ１１０の駆動を制御する。
モータ電流検出部３３は、モータ駆動部３２に接続されたシャント抵抗の両端に生じる電圧から電動モータ１１０に流れる実電流Ｉｍの値を検出して、検出した実電流Ｉｍをモータ電流信号Ｉｍｓに変換して出力する。

次に、トルクセンサ１０９について説明する。
トルクセンサ１０９は、図２に示すように、２個のコイル１２１，１２２を有し、ステアリングホイール１０１の操作に応じてこれら２個のコイル１２１，１２２のインダクタンスＬ１，Ｌ２を変化させる機構と、インダクタンスＬ１，Ｌ２の変化に基づいて操舵トルクに応じた電圧を出力するトルク検出回路２５０（図６参照）とを有している。

上述したように、下部連結シャフト１０８は、ベアリング１１３を介してハウジング１３０に対して回転可能に軸支され、ピニオンシャフト１０６は、ベアリング１１４を介してハウジング１３０に対して回転可能に軸支されている。そして、下部連結シャフト１０８とピニオンシャフト１０６とは、トーションバー１１２を介して同軸的に連結されている。

そして、ピニオンシャフト１０６の軸方向における下部連結シャフト１０８側の端部側の部位の外周面にはセレーション１０６ｂが設けられており、このセレーション１０６ｂに円筒状のコア１１５が嵌合されている。コア１１５は、ピニオンシャフト１０６の軸方向に移動することが可能になっている。
下部連結シャフト１０８には、軸方向に直交する方向に外周面から突出する円柱状のスライダピン１０８ａが設けられている。また、ピニオンシャフト１０６には、下部連結シャフト１０８側の端部側の部位に、周方向に長尺となる長孔１０６ｃが形成され、コア１１５には、軸方向に対して角度を有する方向に長尺となる長孔１１５ａが形成されている。そして、下部連結シャフト１０８のスライダピン１０８ａが、ピニオンシャフト１０６とコア１１５とを貫通するように長孔１０６ｃおよび長孔１１５ａに嵌合されている。

ステアリングギアボックス１０７内におけるコア１１５の外側には、コア１１５の外周面と対向するように、軸方向に並んで配置された２個のコイル１２１，１２２が、コア１１５の外周面と間隙を介して設けられている。この２個のコイル１２１，１２２は、コア１１５の軸方向の移動中心に対して互いに反対側に配置されている。

以上のように、構成されたトルクセンサ１０９は以下のように作用する。すなわち、下部連結シャフト１０８に捩じり力が作用すると、トーションバー１１２を介してピニオンシャフト１０６に回転力が伝達されるが、トーションバー１１２は弾性変形して下部連結シャフト１０８とピニオンシャフト１０６との間に回転方向の相対的変位が生じる。そして、この回転方向の相対的変位は、下部連結シャフト１０８のスライダピン１０８ａとコア１１５の長孔１１５ａとの嵌合を介して、コア１１５を軸方向に移動させる。コア１１５が軸方向に移動すると、コイル１２１，１２２のそれぞれの外周面を囲む面積が変化し、コイル１２１，１２２の内の一方のコイル側の面積が大きくなると他方のコイル側の面積が小さくなる。そして、コイルのコア１１５の外周面を囲む面積が大きくなると磁気損失が増えコイルのインダクタンスは減り、逆にコイルのコア１１５を囲む面積が小さくなると、磁気損失が減りコイルのインダクタンスは増す。それゆえ、コア１１５がコイル１２１側に移動するトルクが作用したときは、コイル１２１のインダクタンスＬ１が減少し、コイル１２２のインダクタンスＬ２が増加する。逆に、コア１１５がコイル１２２側に移動するトルクが作用したときは、コイル１２１のインダクタンスＬ１が増加し、コイル１２２のインダクタンスＬ２が減少する。

次に、トルク検出回路２５０について説明する。
図６は、トルク検出回路２５０の概略構成図である。トルク検出回路２５０は、例えば、制御装置１０と同一の制御基板上に構成される。
トルク検出回路２５０には、コイル１２１の一端とコイル１２２の一端とがそれぞれ接続されており、各一端はそれぞれ抵抗２５１，２５２を介してトランジスタ２５３のエミッタ端子に接続されている。トランジスタ２５３は、コレクタ端子に定電圧が掛かり、ベース端子には交流電圧が入力される。
また、コイル１２１の他端とコイル１２２の他端とが接続されており、その接続部から信号線が延び、その信号線がトルク検出回路２５０の接続端子に接続され、トルク検出回路２５０内で、コイル１２１の他端とコイル１２２の他端とは接地されている。

コイル１２１の一端が接続された端子から延びた信号線２５６がコンデンサ２５７を介して平滑回路２５８に接続され、コイル１２２の一端が接続された端子から延びた信号線２５９がコンデンサ２６０を介して平滑回路２６１に接続されている。
以上の構成では、コイル１２１，１２２、抵抗２５１，２５２によりブリッジ回路が構成され、このブリッジ回路に発振電圧が入力され、その出力電圧が平滑回路２５８，２６１にて平滑され、平滑回路２５８から第１電圧Ｖ１が、平滑回路２６１から第２電圧Ｖ２がそれぞれ出力される。

第１電圧Ｖ１は抵抗２６２を介して演算増幅器（差動増幅器）である差動アンプ２６５の反転入力端子に、第２電圧Ｖ２は抵抗２６３を介して差動アンプ２６５の非反転入力端子にそれぞれ入力される。差動アンプ２６５は、抵抗２６６により負帰還がかけられて差動増幅器として機能する。また、この差動アンプ２６５の非反転入力端子にバイアス電圧Ｖ０（例えば、２．５Ｖ）が入力される。かかる構成により、差動アンプ２６５は、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差を増幅度Ａで増幅し、バイアス電圧Ｖ０を加えた電圧をトルク検出電圧ＶＴ（＝（Ｖ２−Ｖ１）×Ａ＋Ｖ０）として出力する。そして、トルク検出電圧ＶＴは、制御装置１０に入力される。

次に、本実施の形態に係るステアリング角度検出装置１について説明する。
図７は、ステアリング角度検出装置１の概略構成図である。
ステアリング角度検出装置１は、ステアリングホイール１０１の回転角度（以下、「ステアリング角度」と称する場合もある。）を検出する装置であり、回転角度を算出する際の各種演算を行うＣＰＵ１１と、ＣＰＵ１１にて実行されるプログラムや各種データ等が記憶されたＲＯＭ１２と、ＣＰＵ１１の作業用メモリ等として用いられるＲＡＭ１３とを有する算術論理演算回路である。ステアリング角度検出装置１は、例えば、制御装置１０と同一の制御基板上に構成されてもよいし、別の制御基板上に構成されてもよい。また、制御装置１０を構成するＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭが、ステアリング角度検出装置１のＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３として機能してもよい。

ステアリング角度検出装置１には、上述した変換部１５から出力されたトルク信号Ｔｄと、電動モータ１１０に設けられた、この電動モータ１１０の回転角度（以下、「モータ回転角度」と称する場合もある。）を検出するセンサ（例えば、レゾルバ、ロータリエンコーダ）にて検出されたモータ回転角度をデジタル信号に変換したモータ回転角度信号θｍｓが入力される。

図８は、ステアリング角度検出装置１の機能構成を示すブロック図である。同図に示すように、ステアリング角度検出装置１は、モータ回転角度に基づいてステアリング角度を算出するステアリング角度算出手段の一例としてのステアリング角度算出部２と、ステアリングホイール１０１の操舵トルクＴに基づいて第１の回転軸の一例としての下部連結シャフト１０８と第２の回転軸の一例としてのピニオンシャフト１０６との相対回転角度を算出する相対回転角度算出手段の一例としての相対回転角度算出部３と、を備えている。また、ステアリング角度検出装置１は、ステアリング角度算出部２が算出したステアリング角度を、相対回転角度算出部３が算出した相対回転角度にて補正する補正手段の一例としての補正部４と、補正部４が補正することにより最終的に算出したステアリング角度の出力を制御する出力制御部５と、を備えている。

以下、ステアリング角度検出装置１がステアリング角度を算出する方法について説明する。
図２を用いて説明したように、ステアリング装置１００においては、電動モータ１１０の出力軸に連結されたウォームギヤ１１１と、ピニオンシャフト１０６に固定されたウォームホイール１６０とは噛み合っている。また、ピニオンシャフト１０６に形成されたピニオン１０６ａと、ラック軸１０５に形成されたラック歯１０５ａとは噛み合っている。それゆえ、電動モータ１１０の回転角度（モータ回転角度）と前輪１５０との向き、つまりはステアリングホイール１０１の回転角度との間には相関関係がある。そこで、ステアリング角度算出部２は、取得したモータ回転角度信号θｍｓに基づいてステアリング角度を算出する。

ただし、ステアリングホイール１０１の回転角度とピニオンシャフト１０６の回転角度とは、トーションバー１１２に捩れが生じている場合には、トーションバー１１２に捩れが生じていない場合と比べて、捩れの分相対的にずれる。そこで、相対回転角度算出部３は、取得したトルク信号Ｔｄに基づいてトーションバー１１２の捩れ量を算出し、算出した捩れ量からステアリング角度（下部連結シャフト１０８の回転角度）とピニオンシャフト１０６との相対回転角度を算出する。そして、補正部４は、この相対回転角度を用いて、取得したモータ回転角度信号θｍｓに基づいてステアリング角度算出部２が算出したステアリング角度を補正する。
出力制御部５は、補正部４が補正することにより最終的に算出したステアリング角度を、乗り物の進路案内を行う装置、中立への戻りを安定させる装置、ステアリングの角度に応じてサスペンションの硬さを変える装置、ヘッドライトの向きを変える装置等の各種の制御装置に出力する。

次に、フローチャートを用いて、ステアリング角度検出装置１が行うステアリング角度算出処理について説明する。
図９は、ステアリング角度算出処理の手順を示すフローチャートである。ステアリング角度検出装置１は、定期的に、例えば０．２５ｍｓ毎にこのステアリング角度算出処理を実行する。なお、このステアリング角度算出処理を実行する間隔は、その間の電動モータ１１０の回転量（回転した角度）が１８０度を超えないように定めてある。

ステアリング角度検出装置１は、先ず、モータ回転角度信号θｍｓおよびトルク信号Ｔｄを取得する（ステップ９０１）。その後、今回のフローのステップ９０１にて取得したモータ回転角度信号θｍｓから把握した今回のフローにおけるモータ回転角度（以下、「現モータ回転角度」と称する場合もある。）と、前回のフローにおけるモータ回転角度（以下、「前モータ回転角度」と称する場合もある。）とが等しいか否かを判別する（ステップ９０２）。なお、モータ回転角度は、このステアリング角度検出装置１が起動開始した時点の角度（以下、「基準角度」と称する場合もある。）を零度とする。

そして、現モータ回転角度と前モータ回転角度とが等しくない場合（ステップ９０２でＮｏ）、前回のフローから今回のフローの間にモータ回転角度が３６０度を超えたか否かを判別する（ステップ９０３）。これは、電動モータ１１０の一方の方向の回転を正転、他方の方向の回転を逆転とした場合に、正転して上述した基準角度を超えたか否かを判別する処理である。つまりは、このステアリング角度算出処理の実行間隔間の電動モータ１１０の回転量が１８０度を超えないように定めてあるので、ここでは、前モータ回転角度が１８０度より大きく、正転して現モータ回転角度が１８０度より小さくなったか否かを判別する処理である。そして、モータ回転角度が３６０度を超えた場合（ステップ９０３でＹｅｓ）、モータの回転回数ｎを１増加させる（ｎ←ｎ＋１）（ステップ９０４）。

他方、モータ回転角度が３６０度を超えていない場合（ステップ９０３でＮｏ）、前回のフローから今回のフローの間にモータ回転角度が零度を超えたか否かを判別する（ステップ９０５）。これは、電動モータ１１０が逆転して上述した基準角度を超えたか否かを判別する処理である。つまりは、前モータ回転角度が１８０度より小さく、逆転して現モータ回転角度が１８０度より大きくなったか否かを判別する処理である。そして、モータ回転角度が零度を超えた場合（ステップ９０５でＹｅｓ）、モータの回転回数ｎを１減少させる（ｎ←ｎ−１）（ステップ９０６）。なお、モータ回転角度が３６０度を超えていない場合（ステップ９０３でＮｏ）、およびモータ回転角度が零度を超えていない場合（ステップ９０５でＮｏ）は、モータの回転回数ｎを変更しない。

その後、ステアリング角度検出装置１は、電動モータ１１０の累積回転角度θｍを算出する（θｍ＝ｎ×３６０＋現モータ回転角度）（ステップ９０７）。そして、ステップ９０７にて算出した電動モータ１１０の累積回転角度θｍからステアリング角度を算出する（θｓ（ステアリング角度）＝θｍ×係数α）（ステップ９０８）。ここで、係数αは、電動モータ１１０の累積回転角度θｍをステアリング角度に変換する係数であり、ウォームギヤ１１１の歯数およびウォームホイール１６０の歯数に依存する値である。そして、係数αは、予めＲＯＭ１２に記憶されている。以上のようにして、ステアリング角度算出部２は、モータ回転角度信号θｍｓに基づいてステアリング角度を算出する。

その後、相対回転角度算出部３は、ステアリングホイール１０１（下部連結シャフト１０８）の回転角度とピニオンシャフト１０６の回転角度との相対回転角度を算出する（ステップ９０９）。これは、今回のフローのステップ９０１にて取得したトルク信号Ｔｄから把握した今回のフローにおける操舵トルクからトーションバー１１２の捩れ角度（捩れ量）を算出する処理である。ここで、ステアリングホイール１０１に操舵トルクＴが加えられた場合、その操舵トルクＴに比例してトーションバー１１２が捩れ、その捩れ角度を角度θｔ（ｒａｄ）とすると、角度θｔと操舵トルクＴ（ｋｇ・ｃｍ）とは以下に示す式（１）の関係となる。ステップ９０９では、式（１）を用いて相対回転角度Δθ（度）を算出する。
Ｔ＝（（π×Ｇ）／３２）×（（Ｄ^４）／Ｌ）×θｔ・・・（１）
なお、Ｇは、トーションバー１１２のせん断係数（ｋｇ／ｃｍ^２）、Ｌは、トーションバー１１２と下部連結シャフト１０８との連結部と、トーションバー１１２とピニオンシャフト１０６との連結部との間の距離（ｃｍ）、Ｄは、トーションバー１１２における捩れ部位の軸径（ｃｍ）である。
なお、トーションバー１１２の捩れ角度の負号は、ステップ９０１にて取得したトルク信号Ｔｄがステアリング装置１００の制御装置１０に入力された場合に電動モータ１１０が逆転させられるときに付与するなど、予め定義しておけばよい。例えば、ステアリングホイール１０１が左に回転された場合に操舵トルクＴに負号を設けるようにするとよい。

そして、補正部４は、ステップ９０８にて算出したステアリング角度を、ステップ９０９にて算出した相対回転角度を用いて補正する（ステップ９１０）。これは、ステップ９０８にて算出したステアリング角度に、ステップ９０９にて算出した相対回転角度を加算する処理である。
以上のようにして、ステアリング角度検出装置１は、モータ回転角度信号θｍｓおよびトルク信号Ｔｄに基づいてステアリング角度を算出する。そして、ステアリング角度検出装置１の出力制御部５は、算出したステアリング角度を出力する（ステップ９１１）。

以上のように構成された本実施の形態に係るステアリング角度検出装置１においては、モータ回転角度を用いてステアリング角度を算出しているので、ステアリング角度を検出する専用のセンサを備える場合に比べて、構成部品を少なくすることができ、構成の簡略化、装置の小型化、低廉化を実現できる。また、トーションバー１１２の捩れ角度を考慮するので、より精度高くステアリング角度を検出することができる。さらに、このトーションバー１１２の捩れ角度を把握するにあたっては、ステアリング装置１００に用いられるトルク信号Ｔｄを用いるので、新たにセンサなどを設けることを抑制することができ、構成が複雑化すること、コストが上昇することを抑制することができる。
また、ステアリング角度検出装置１を、ステアリング装置１００の制御装置１０の制御基板上、あるいはその近傍に配置した制御基板上に構成することで、例えば、ステアリングホイール１０１の下に配置されるステアリングコラムに設けるよりも、各部のガタを抑制することができ、より精度高くステアリング角度を検出することが可能となる。さらに、トルク信号Ｔｄおよびモータ回転角度信号θｍｓを取得するための信号線を短くすることができ、ノイズを抑制できるので、より精度高くステアリング角度を検出することが可能となる。

なお、上述した実施の形態においては、ステアリング角度検出装置１は、モータ回転角度に基づいて算出したステアリング角度を、トーションバー１１２の捩れ角度を用いて補正することにより、最終的なステアリング角度を算出しているが、特にかかる態様に限定されない。
例えば、モータ回転角度に基づいて下部連結シャフト１０８の回転角度を算出し、算出した下部連結シャフト１０８の回転角度と、トーションバー１１２の捩れ角度とを、加算または減算することによりステアリング角度を算出してもよい。つまり、ステアリング角度検出装置は、モータ回転角度に基づいてピニオンシャフト１０６の回転角度を算出する回転軸角度算出手段の一例としての回転軸角度算出部と、ステアリングホイール１０１の操舵トルクに基づいて下部連結シャフト１０８とピニオンシャフト１０６との相対回転角度を算出する相対回転角度算出部３と、回転軸角度算出部が算出したピニオンシャフト１０６の回転角度と、相対回転角度算出部３が算出した相対回転角度とを加算または減算する加減算手段の一例としての加減算部と、を備えることが好適である。これにより、上述したステアリング角度検出装置１と同様の効果を有することが可能となる。

１…ステアリング角度検出装置、１０…制御装置、１００…電動パワーステアリング装置、１０１…ステアリングホイール（ハンドル）、１０６…ピニオンシャフト、１０８…下部連結シャフト、１０９…トルクセンサ、１１０…電動モータ、１１２…トーションバー

Claims

電動パワーステアリング装置に備えられたステアリングホイールの回転角度を検出するステアリング角度検出装置であって、
前記ステアリングホイールの回転に連動して回転する第１の回転軸とトーションバーを介して連結されて転動輪の向きを変える第２の回転軸に回転補助力を与える前記電動パワーステアリング装置の電動モータの回転角度に基づいて当該ステアリングホイールの回転角度を算出するステアリング角度算出手段と、
前記ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を算出する相対回転角度算出手段と、
前記ステアリング角度算出手段が算出した前記ステアリングホイールの回転角度を、前記相対回転角度算出手段が算出した前記相対回転角度にて補正する補正手段と、
を備えることを特徴とするステアリング角度検出装置。
前記相対回転角度算出手段は、前記電動モータに供給する目標電流を算出する前記電動パワーステアリング装置の目標電流算出手段が当該目標電流を算出するにあたって基礎とする前記操舵トルクに応じたトルク信号を取得し、取得したトルク信号に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を算出することを特徴とする請求項１に記載のステアリング角度検出装置。
前記トルク信号は、前記トーションバーの捩れ角度に応じた電気信号に基づくことを特徴とする請求項２に記載のステアリング角度検出装置。
電動パワーステアリング装置に備えられたステアリングホイールの回転角度を検出するステアリング角度検出装置であって、
前記ステアリングホイールの回転に連動して回転する第１の回転軸とトーションバーを介して連結されて転動輪の向きを変える第２の回転軸に回転補助力を与える前記電動パワーステアリング装置の電動モータの回転角度に基づいて当該第２の回転軸の回転角度を算出する回転軸角度算出手段と、
前記ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を算出する相対回転角度算出手段と、
前記回転軸角度算出手段が算出した前記第２の回転軸の回転角度と、前記相対回転角度算出手段が算出した前記相対回転角度とを加算または減算する加減算手段と、
を備えることを特徴とするステアリング角度検出装置。
前記相対回転角度算出手段は、前記電動モータに供給する目標電流を算出する前記電動パワーステアリング装置の目標電流算出手段が当該目標電流を算出するにあたって基礎とする前記操舵トルクに応じたトルク信号を取得し、取得したトルク信号に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を算出することを特徴とする請求項４に記載のステアリング角度検出装置。
電動パワーステアリング装置に備えられたステアリングホイールの回転角度を検出するステアリング角度検出方法であって、
前記ステアリングホイールの回転に連動して回転する第１の回転軸とトーションバーを介して連結されて転動輪の向きを変える第２の回転軸に回転補助力を与える前記電動パワーステアリング装置の電動モータの回転角度に基づいて当該ステアリングホイールの回転角度を算出し、算出した当該ステアリングホイールの回転角度を、当該ステアリングホイールの操舵トルクに基づいて算出した前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対回転角度を用いて補正することを特徴とするステアリング角度検出方法。