JP2012218525A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵トルクが零付近である場合に電動モータ電流が流れない不感帯を、車速に応じて設けることができ、しかも構成が簡単でコストが低い電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】電動パワーステアリング装置は、操舵トルクセンサ２によって検出される操舵トルクを表すアナログトルク信号Ｔｈと、車速を表すアナログ車速信号Ｖとを入力としてアナログ信号処理をすることにより、操舵トルクに応じて車速が大きいほど広い不感帯領域を有し、車速が小さいほど狭い不感帯領域を有するアナログ信号Ｗを出力する非線形回路５６を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクに基づいて電動モータを制御することによって、操舵トルクに応じた操舵補助力を発生させる電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、ステアリングホイール（操舵部材）に加えられる操舵トルクと車速とを検出し、その操舵トルク信号と車速信号と（いずれもアナログ信号）をＥＰＳモータ制御回路へ送り、ＥＰＳモータ制御回路で、これらの信号から求められる操舵トルクと車速とに対応した駆動電流を電動モータに流すようにした電動パワーステアリング装置が知られている。これにより、操舵トルク信号や車速信号に基づいて、適切な操舵補助制御を行うことができる。

さらに具体的に言えばＥＰＳモータ制御回路は、不感帯領域生成手段、飽和領域生成手段および偏差演算手段および制御信号発生手段を備えている（下記特許文献１）。
ステアリングホイール（操舵部材）の操舵トルクを検出した操舵トルク信号は、不感帯領域生成手段に供給される。不感帯領域生成手段は、操舵トルクが零付近の領域において非線形の不感帯領域を生成する。これにより、操舵トルクが零付近である場合に電動モータ電流を流さない不感帯を設けることができる。不感帯領域生成手段によって不感帯領域が生成された操舵トルク信号は、飽和領域生成手段に供給される。

飽和領域生成手段は、操舵トルク信号の絶対値が所定値以上の領域においては、操舵トルク信号が一定値となる非線形の飽和領域を生成する。飽和領域が生成された操舵トルク信号は、目標電流信号として偏差演算手段に供給される。偏差演算手段は、目標電流信号と電動モータ電流信号との偏差を演算する。制御信号発生手段は、この偏差に対するＰＩＤ演算を行なうことにより、指示電圧を生成し、この指示電圧に応じたデューティ比を有するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成する。このＰＷＭ信号が電動モータ駆動手段に供給されることにより、電動モータがＰＷＭ駆動される。

前記従来の電動パワーステアリング装置では、操舵トルク信号と車速信号とから目標電流信号を求める場合に、（１）操舵トルク信号と車速信号とをそれぞれディジタル信号に変換して、マイクロコンピュータを使ってディジタル演算を行って目標電流信号を求めるか、（２）操舵トルク信号と車速信号とをアナログ信号のまま、演算増幅器を使って所定の演算（例えば乗算）を行い、目標電流信号を求める、のいずれかの処理をしていた。

ところが、前記（１）のマイクロコンピュータを使ったディジタル演算では、マイクロコンピュータ用の集積回路と専用のソフトウェアが必要になり、複雑な構成となる。また、操舵トルク信号と車速信号とをディジタル信号としてＥＰＳモータ制御回路に伝達するため、操舵トルク信号と車速信号とをディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を追加する必要があり、コストが嵩む。

特開平10-76960号公報 特開2008-265645号公報

そこで前記（２）のアナログ演算回路の採用がコスト面から好ましいが、アナログ演算回路では、操舵トルクが零付近である場合に電動モータ電流が流れない不感帯を設ける場合に、不感帯領域生成手段として専用の回路が必要となる。
例えば、特許文献１の図１〜図３には、不感帯領域生成手段が不要となる電動パワーステアリング装置が示されている。この従来の電動パワーステアリング装置では、操舵トルク検出手段として、特殊な操舵トルクセンサが用いられる。具体的には、操舵トルクセンサは、操舵トルクに対応して線形の操舵トルク信号を出力する線形領域と、非線形の操舵トルク信号を出力する非線形領域とを備えるように構成されている。非線形領域には、操舵トルクが零付近の場合に操舵トルク信号を零に保持する不感帯領域がある。この従来の電動パワーステアリング装置では、操舵トルクが零付近である場合に電動モータ電流が流れない不感帯を設けるためには、不感帯領域生成手段等の専用の回路を付加する必要はなくなるが、特殊な操舵トルクセンサが必要となり、コストが嵩む。

また、特許文献１記載の技術では、この不感帯を車速に応じて変化させることが難しい。不感帯の幅を、低車速を基準に設けた場合には、高速の場合不感帯の幅が狭く、車速が上がるに連れてステアリングホイールの中点付近の操舵が敏感になりすぎ、違和感を感じてしまう。不感帯の幅を、高車速を基準に設けた場合には、低速の場合不感帯の幅が広すぎて、車速が下がるに連れてステアリングホイールの中点付近の操舵の感度が低くなり、これも違和感を与えてしまう。

そこで、本発明の目的は、操舵トルクが零付近である場合に電動モータ電流が流れない不感帯を、車速に応じて設けることができ、しかも構成が簡単でコストが低い電動パワーステアリング装置を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力を発生するための電動モータと、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、車速を検出する車速センサと、前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクと前記車速センサによって検出される車速とに基づいて、前記電動モータを駆動制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクを表すアナログトルク信号と、前記車速を表すアナログ車速信号とを入力としてアナログ信号処理をすることにより、操舵トルクに応じたアナログ信号であって、車速が大きいほど広い不感帯領域を有し、車速が小さいほど狭い不感帯領域を有するアナログ信号を出力する非線形回路と、前記非線形回路から出力されるアナログ信号に基づいてＰＷＭ信号を生成しこのＰＷＭ信号に基づいて、前記電動モータを駆動する駆動回路とを備えるものである。

前記非線形回路は、前記アナログ車速信号を前記アナログトルク信号に加算する第一のシフト量変換回路と、前記アナログ車速信号の反転信号を前記アナログトルク信号に加算する第二のシフト量変換回路と、前記第一のシフト量変換回路によって加算出力された値及び前記第二のシフト量変換回路によって加算出力された値に応じて、前記第一のシフト量変換回路の出力と前記第二のシフト量変換回路の出力と前記不感帯領域に対応する出力とを切り替える切替回路とを有するものであってもよい。

以上のように本発明によれば、アナログ信号処理をすることにより、操舵トルクが零付近である場合に電動モータ電流が流れない不感帯を、車速に応じて設けることができる電動パワーステアリング装置を実現することができる。

本発明の実施形態における電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本実施形態におけるＥＰＳモータ制御回路の構成を示すブロック図である。 ＥＰＳモータ制御回路の中の非線形回路の具体的な構成を示す詳細ブロック図である。 車速センサ３の車速信号（車速ＤＣ値）の波形を示すグラフである。 トルク信号電圧値Ｔｈとシフト量変換回路の出力電圧信号Ｓ１，Ｓ２との関係を模式的に示すグラフである。 出力信号切替回路５６６の詳細回路図である。 スイッチ回路５６６ｃの出力信号ａをトルク信号電圧値Ｔｈの関数として描いたグラフである。 不感帯領域が設けられたトルク出力信号Ｗを示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す全体構成図である。
電動パワーステアリング装置は、車両を操向するための操舵部材としてのステアリングホイール６を備えている。運転者から作用される操舵力は、このステアリングホイール６を介して入力軸７ａと出力軸７ｂとを有するステアリングシャフト７に伝達される。入力軸７ａの一端が前記ステアリングホイール６に連結されている。

入力軸７ａと出力軸７ｂとは、トーションバーＴＢを介して同一軸上で相対回転可能に連結されている。出力軸７ｂの途中部は減速機構４に結合されている。トーションバーＴＢには、ステアリングホイール６に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ２が装着されている。トルクセンサ２は、操舵トルクを、入力軸７ａ及び出力軸７ｂ間に介装した前記トーションバーＴＢの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位をポテンショメータなどで検出するセンサである。このトルクセンサ２から出力されるトルク検出信号は、ＥＰＳモータ制御回路５に入力される。

なおトルクセンサ２のトルク検出信号の値は、ステアリングホイールが右方向（正転方向）に操舵される場合には零以上の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクが大きいほど大きくなるように変化する。また、ステアリングホイールが左方向（逆転方向）に操舵される場合には負の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクの絶対値が大きいほど、小さく（その絶対値が大きく）なるように変化する。

出力軸７ｂから伝達される操舵力は、ユニバーサルジョイント８を介してロアシャフト９に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント１０を介してピニオンシャフト１１に伝達される。このピニオンシャフト１１に伝達された操舵力はステアリングギヤ１２を介してラック軸１３に伝達され、図示しない転舵輪をターンさせる。ステアリングギヤ１２は、ピニオンシャフトに連結されたピニオンとこのピニオンに噛合するラックとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオンに伝達された回転運動をラック軸１３で直進運動に変換するものである。

転舵輪の回転速度は車速センサ３によって検出される。車速センサは、例えば転舵輪のホーイールの円周に一定角度ごとに取り付けられた磁性体の目印を磁気的に検出して回転速度を検出するものであり、この回転速度に基づいて車両の車速を表わす車速信号を出力する。車速信号はパルス信号であり、その周波数は車速が０であれば０、車速が大きくなるほど大きな値となる。

減速機構４には、電動モータ（ブラシ付直流電動モータ）１が取り付けられており、この電動モータ１の出力トルクによって、減速機構４を介して操舵補助力が与えられる。
電動モータ１は、ＥＰＳモータ制御回路５によって回転駆動される。ＥＰＳモータ制御回路５には、トルクセンサ２で検出されたトルク検出信号とともに、車速センサ３で検出された車速信号が入力され、これらの入力信号に基づいて電動モータ駆動電流を算出し、電動モータ１に出力する。これにより、運転者の操舵操作に応じた操舵補助力を発生させるようになっている。

図２は、ＥＰＳモータ制御回路５内の各機能とそのつながりを示すブロック図である。この実施形態では、ＥＰＳモータ制御回路５内の各回路５１〜５７は、アナログ演算回路で構成されている。
ＥＰＳモータ制御回路５は、トルクセンサ２のトルク検出信号を入力として、操舵トルクが零付近である場合に電動モータ電流を流さない不感帯の幅を、車速に応じて調整する非線形回路５６、車速センサ３の車速信号（パルス信号）の周波数を電圧値に変換するＦＶ変換回路５７、ＰＷＭパルス信号を発生するＰＷＭ回路５１，５２、三角波発生回路５５、２つのＰＷＭ回路５１，５２から出力されるＰＷＭパルス信号を乗算処理するＡＮＤ回路５３、及び電動モータを駆動するための電力を出力する駆動回路５４で構成されている。

ここで非線形回路５６の詳細な回路を、図３を用いて説明する。非線形回路５６には、トルクセンサ２のトルク検出信号の電圧値（トルク信号電圧値という）Ｔｈと、電圧値に変換された車速センサ３の車速信号（車速ＤＣ値という）Ｖが入力される。トルク信号電圧値Ｔｈも、車速ＤＣ値Ｖもともにアナログ信号である。
トルク信号電圧値Ｔｈは、前述したように、ステアリングホイールが右方向（正転方向）に操舵される場合には零以上の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクが大きいほど大きくなるように変化し、ステアリングホイールが左方向（逆転方向）に操舵される場合には負の値となり、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクの絶対値が大きいほど、小さく（その絶対値が大きく）なるように変化する。

車速ＤＣ値Ｖは、図４に示すように、車速が０であれば０をとり、車速が大きくなるほど、車速に比例して正の大きな値をとる。図４に示した“−Ｖ”（破線）は反転回路５６２で反転した後の車速信号の値を示す。車速ＤＣ値Ｖは、図３に示すように、バッファ回路５６１を介してシフト量変換回路５６４に入力される。また車速ＤＣ値Ｖは、反転回路５６２で正負反転され、反転後の車速ＤＣ値−Ｖがバッファ回路５６３を介してシフト量変換回路５６５に入力される。バッファ回路５６１、反転回路５６２、バッファ回路５６３、シフト量変換回路５６４，５６５ともにアナログ演算回路で構成される。

シフト量変換回路５６４では、トルク信号電圧値Ｔｈと車速ＤＣ値Ｖとが加算され電圧信号Ｓ１として出力される。シフト量変換回路５６５では、トルク信号電圧値Ｔｈと車速信号に対応する反転後の車速ＤＣ値−Ｖとが加算され電圧信号Ｓ２として出力される。
図５は、トルク信号電圧値Ｔｈと電圧信号Ｓ１、電圧信号Ｓ２との関係を模式的に示すグラフである。車速が０のときは、車速ＤＣ値Ｖも０になるので、電圧信号Ｓ１，Ｓ２はトルク信号電圧値Ｔｈそのものである。車速が０から増えてくると、電圧信号Ｓ１は加算の結果、正の方向にシフトし、電圧信号Ｓ２は負の方向にシフトする。これらのシフト量は、車速ＤＣ値Ｖが大きくなるに連れて大きくなる。

これらの電圧信号Ｓ１、電圧信号Ｓ２は出力信号切替回路５６６に入力される。出力信号切替回路５６６は、電圧信号Ｓ２が正であれば電圧信号Ｓ２をそのまま出力し、電圧信号Ｓ２≦０かつ、電圧信号Ｓ１≧０であれば電圧信号として０を出力し、電圧信号Ｓ１＜０であれば電圧信号Ｓ１をそのまま出力する回路である。
出力信号切替回路５６６の詳細回路図を、図６に示す。出力信号切替回路５６６は、２つの比較回路５６６ａ，５６６ｂと、２つのスイッチ回路５６６ｃ，５６６ｄとを有している。スイッチ回路５６６ｃ，５６６ｄはメカニカルなリレーで構成しても、半導体スイッチング素子で作られた集積回路で構成しても良い。

電圧信号Ｓ１は比較回路５６６ａに入力され、電圧信号Ｓ２は比較回路５６６ｂに入力され、それぞれ電圧０Ｖと比較される。比較回路５６６ａでは電圧信号Ｓ１＜０のとき、high_level（例えば５Ｖ）の信号を出力し、電圧信号Ｓ１≧０のとき、low_level（例えば１Ｖ）の信号を出力する。比較回路５６６ａの出力は、スイッチ回路５６６ｃに入力され、ここで基準電圧（例えば３Ｖ）と比較され、この比較結果に応じてスイッチ回路５６６ｃが動作する。スイッチ回路５６６ｃには、電圧信号Ｓ１と基準電位０Ｖとが入力されており、スイッチはhigh_levelのとき電圧信号Ｓ１に切り替えられ、low_levelのとき基準電位側に切り替えられる。この結果、スイッチ回路５６６ｃの出力信号ａは、図７に示すとおり、電圧信号Ｓ１＜０のとき電圧信号Ｓ１がそのまま出力され、電圧信号Ｓ１≧０のとき基準電位０Ｖが出力される。

一方、比較回路５６６ｂに入力された電圧信号Ｓ２は電圧０Ｖと比較され、電圧信号Ｓ２＞０のとき、high_levelの信号が出力され、電圧信号Ｓ２≦０のとき、low_levelの信号が出力される。比較回路５６６ｂの出力は、スイッチ回路５６６ｄに入力され、ここで基準電圧と比較され、この比較結果に応じてスイッチ回路５６６ｄが動作する。スイッチ回路５６６ｄには、電圧信号Ｓ２と電圧信号Ｓ１とが入力され、スイッチはhigh_levelのとき電圧信号Ｓ２に切り替えられ、low_levelのとき電圧信号Ｓ１側に切り替えられる。

この結果、スイッチ回路５６６ｄの出力電圧信号（トルク出力信号という）Ｗは、電圧信号Ｓ２が正であれば電圧信号Ｓ２となり、電圧信号Ｓ２≦０かつ、電圧信号Ｓ１≧０であれば電圧信号として０となり、電圧信号Ｓ１＜０が負であれば電圧信号Ｓ１となる。
トルク出力信号Ｗを、トルク信号電圧値Ｔｈの関数として描いたグラフは、図８に示すようになる。すなわち、車速ＤＣ値Ｖが０の場合は、出力信号切替回路５６６のトルク出力信号Ｗは、トルク信号電圧値Ｔｈにほぼ比例した直線形となるが、車速ＤＣ値Ｖが増大していくと、出力信号切替回路５６６のトルク出力信号Ｗは、トルク信号電圧値Ｔｈが零の付近で０となる。このトルク出力信号Ｗ＝０の領域が、電動モータ電流が流れない不感帯Ｙ1，Ｙ2を作る。車速ＤＣ値Ｖがさらに増大していくと、電圧信号Ｓ１の電圧は正の方向に移動し、電圧信号Ｓ２の電圧は負の方向に移動するので、出力信号切替回路５６６のトルク出力信号Ｗ＝０の領域は増え、不感帯の範囲も広がる（Ｙ1→Ｙ2）。

この出力信号切替回路５６６のトルク出力信号Ｗは、図２に示すように、ＰＷＭ回路５１に入力される。ＰＷＭ回路５１は、三角波発生回路５５によって発生される一定周波数の三角波と、トルク出力信号Ｗとに基づいて、操舵トルクに応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号を生成する。一方、ＰＷＭ回路５２は、三角波発生回路５５によって発生される三角波と、車速ＤＣ値Ｖとに基づいて、車速に応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号を生成する。

トルク出力信号Ｗに基づいてＰＷＭ信号を作るＰＷＭ回路５１は、操舵トルクが大きくなるほどＰＷＭ信号のデューティ比を大きくし、操舵トルクが小さくなるほどＰＷＭ信号のデューティ比を小さくする。不感帯領域であれば、ＰＷＭ信号のデューティ比は０とする。車速ＤＣ値Ｖに基づいてＰＷＭ信号を作るＰＷＭ回路５２は、車速が小さければＰＷＭ信号のデューティ比を大きくし、車速が大きくなればＰＷＭ信号のデューティ比を小さくする。

トルク出力信号Ｗに基づいて作られるＰＷＭ信号と、車速ＤＣ値Ｖに基づいて作られるＰＷＭ信号とは、ＡＮＤ回路５３にて論理積がとられる。この結果、低速であれば、トルク出力信号Ｗに基づいて作られるＰＷＭ信号が支配的になる。低速でトルクが大きい領域ではそのデューティ比は大きい。低速でトルクの小さい領域ではそのデューティ比は小さくなり、不感帯領域ではそのデューティ比は０である。ただし、不感帯領域の幅は、図８にＹ1で例示したように狭いので、ドライバはステアリングホイール６を少し回しただけで操舵補助力が得られる。

中〜高速になると、不感帯領域が広がるので（Ｙ1→Ｙ2）、ドライバはステアリングホイール６を中立位置からある程度回した状態で操舵補助力が得られる。これでハンドルの遊びが大きくなるので、違和感が少なくなる。
なお、さらに高速になると、車速ＤＣ値Ｖに基づいて作られるＰＷＭ信号が支配的になり、ＰＷＭ信号のデューティ比は小さくなり、操舵補助はさらに少なくなる。これにより、高速走行時のハンドル操舵は安定する。

ＰＷＭ信号は駆動回路５４に入力され、駆動回路５４によって電動モータ電流が電動モータ１に供給され、操舵トルクの方向と大きさ、ならびに車速に応じた操舵補助力が電動モータ１によって発生され、減速機構４に付与される。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、ブラシ付き電動モータシステムを適用する場合について説明したが、電動モータとしてブラシレス電動モータを適用することもできる。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

１…電動モータ、２…トルクセンサ、３…車速センサ、５…ＥＰＳモータ制御回路、６…ステアリングホイール、５１…ＰＷＭ回路、５２…ＰＷＭ回路、５３…論理積回路、５４…駆動回路、５５…三角波発生回路、５６…非線形回路、５７…ＦＶ変換回路

Claims (2)

1. 操舵補助力を発生するための電動モータと、操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、車速を検出する車速センサと、前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクと前記車速センサによって検出される車速とに基づいて、前記電動モータを駆動制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、
   前記操舵トルク検出手段によって検出される操舵トルクを表すアナログトルク信号と、前記車速を表すアナログ車速信号とを入力としてアナログ信号処理をすることにより、操舵トルクに応じたアナログ信号であって、車速が大きいほど広い不感帯領域を有し、車速が小さいほど狭い不感帯領域を有する信号を出力する非線形回路と、
   前記非線形回路から出力されるアナログ信号に基づいてＰＷＭ信号を生成しこのＰＷＭ信号に基づいて、前記電動モータを駆動する駆動回路とを備える、電動パワーステアリング装置。
2. 前記非線形回路は、前記アナログ車速信号を前記アナログトルク信号に加算する第一のシフト量変換回路と、前記アナログ車速信号の反転信号を前記アナログトルク信号に加算する第二のシフト量変換回路と、前記第一のシフト量変換回路によって加算出力された値及び前記第二のシフト量変換回路によって加算出力された値に応じて、前記第一のシフト量変換回路の出力と前記第二のシフト量変換回路の出力と前記不感帯領域に対応する出力とを切り替える切替回路とを有する、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。

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