JP2013023002A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ回転角センサの異常時においても、継続して安定したステアリング操作を行なうことのできる電動パワーステアリング装置を提供すること。
【解決手段】モータ回転角センサ（２４）の異常が検出された場合には、モータ回転角にかえて、ステアリングシャフト（３）の回転角で、モータ（１２）を駆動制御する。更に、前記ステアリングシャフト（３）の回転角は、モータ（１２）の回転角に対して、トーションバー（１７）の捻れ分だけ位相が進んでいるので、トーションバー（１７）の捻れ分だけステアリングシャフト（３）の回転角の位相を遅らせる補正を行なう。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、車両用のパワーステアリング装置には、モータを駆動源とする電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）がある。通常、このようなＥＰＳでは、トルクセンサにより、その操舵系に入力される操舵トルクが検出されており、該操舵トルクに基づいて、操舵系に付与すべきアシスト力目標値が演算される。そして、そのアシスト力目標値に相当するモータトルクを発生させるべく、モータに対する駆動電力の供給を通じて、その作動が制御される構成となっている。

そして、上記アシスト力目標値を演算するためには、一般的にモータ回転角が使用される。ところが、このような構成では、そのモータ回転角に異常が生じた場合には、上記操舵トルクに基づく最適なパワーアシスト制御は実行できなくなる。そこで、従来、モータ回転角の異常を正確に検出するモータ回転角異常検出方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、モータ回転角検出手段の出力値の適正範囲を限定し、出力値が適正範囲以外の場合には、モータ回転角検出手段の出力値の異常を検出し、そして、モータ回転角検出手段の出力値の異常を検出した場合には、パワーステアリングモードから、マニュアルステアリングモードへ制御を移行させることによって、運転者は一定の操舵安定性を得ることが可能であるとの開示がある。

特開２００２−０１０６７４号公報

しかしながら、従来の方法は、モータ回転角検出手段の出力値の異常を検出した場合には、パワーアシスト制御を不能にするため、運転者に過大な負荷がかかるという問題があり、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、モータ回転角の異常時においても、継続して安定したステアリング操作を行なうことのできる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、操舵系に対して、操舵補助力を発生するモータ（１２）と、該モータ（１２）の回転角を検出するモータ回転角センサ（２４）と、ステアリングシャフト（３）の途中に設けられたトーションバー（１７）の捻れに基づき操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ（１４）と、該操舵トルクセンサ（１４）で検出した操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を算出し、算出した操舵補助指令値、および前記モータ回転角センサ（２４）で検出したモータ回転角とに基づいて、前記モータを駆動制御する制御手段（２１）と、前記モータ回転角センサ（２４）の異常を検出するモータ回転角センサ異常検出手段（２１）と、を備えた電動パワーステアリング装置（１）において、前記ステアリングシャフト（３）の回転角を検出するステアリングセンサ（１６）と、前記制御手段（２１）は、前記モータ回転角センサ異常検出手段（２１）により、モータ回転角センサ（２４）の異常が検出された場合には、前記モータ回転角にかえて、前記ステアリングシャフト（３）の回転角で、前記モータ（１２）を駆動制御すること、を要旨とする。

請求項１の電動パワーステアリング装置（１）によれば、モータ回転角センサ（２４）の異常が検出された場合には、モータ回転角にかえて、ステアリングシャフト（３）の回転角で、モータ（１２）を駆動制御することができる。
これにより、請求項１の電動パワーステアリング装置は、モータ回転角の異常時においても、継続して安定したステアリング操作を行なうことができる。

請求項２に記載の発明は、前記制御手段（２１）は、前記ステアリングシャフト（３）の回転角に対して、前記トーションバー（１７）の捻れ分を補正したステアリングシャフト（３）の回転角を用いて、前記モータ（１２）を駆動制御すること、を要旨とする。

上記構成によれば、モータ（１２）の回転角に対して、トーションバー（１７）の捻れ分だけ位相が進んでいるステアリングシャフト（３）の回転角の位相を遅らせることができる。
これにより、請求項２の電動パワーステアリング装置は、モータ回転角の異常時においても、継続して安定したステアリング操作を行なうことができる。

請求項３に記載の発明は、前記制御手段（２１）は、前記ステアリングセンサ（１６）にて検出したステアリングシャフト（３）の回転角に対してローパスフィルタ（３３）を設けること、を要旨とする。

上記構成によれば、ステアリングセンサ（１６）にて検出したステアリングシャフト（３）の回転角に対してローパスフィルタ（３３）を設けることで、ステアリングシャフト（３）の回転角が滑らかに変化することになり、分解能の粗いステアリングシャフト（３）の回転角の精度を上げることができる。
これにより、請求項３の電動パワーステアリング装置は、モータ回転角の異常時においても、継続して安定したステアリング操作を行なうことのできる。

本発明によれば、モータ回転角センサの異常時においても、継続して安定したステアリング操作を行なうことのできる電動パワーステアリング装置を提供することができる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの制御ブロック図。 操舵角補正部のフローチャート図。

以下、本発明をコラム型の電動パワーステアリング装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。

尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト３a、インターミディエイトシャフト３b、及びピニオンシャフト３cを連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド６を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪７の舵角、即ち車両の進行方向が変更される。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ１０と、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する制御手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１０は、駆動源であるモータ１２が減速機構１３を介してコラムシャフト３aと駆動連結された所謂コラム型のＥＰＳアクチュエータとして構成されている。尚、本実施形態では、モータ１２には、ブラシレスＤＣモータが採用されている。そして、ＥＰＳアクチュエータ１０は、モータ１２の回転を減速してコラムシャフト３aに伝達することにより、そのモータトルクをアシスト力として操舵系に付与する構成となっている。

一方、ＥＣＵ１１には、トルクセンサ１４、車速センサ１５、及びステアリングセンサ（操舵角センサ）１６が接続されている。そして、ＥＣＵ１１は、これら各センサの出力信号に基づいて、操舵トルクτ、車速Ｖ、及び操舵角θｓを検出する。

詳述すると、本実施形態では、コラムシャフト３aの途中、詳しくは、上記ＥＰＳアクチュエータ１０を構成する減速機構１３よりもステアリング２側にトーションバー１７が設けられている。そして、本実施形態のトルクセンサ１４は、このトーションバー１７の捩れに基づいて、ステアリングシャフト３を介して伝達される操舵トルクτを検出可能なセンサ信号Ｓａ，Ｓｂを出力するセンサ素子１４a、１４bを備えて構成されている。

尚、このようなトルクセンサは、例えば、トーションバー１７の捩れに基づき磁束変化が生ずるセンサコア（図示略）の外周に、二つの磁気検出素子（本実施形態ではホールＩＣ）を上記各センサ素子１４a、１４bとして配置することにより形成することが可能である。

即ち、回転軸であるステアリングシャフト３に対するトルク入力によりトーションバー１７が捩れることで、その各センサ素子１４a、１４bを通過する磁束が変化する。
そして、本実施形態のトルクセンサ１４は、その磁束変化に伴い変動する各センサ素子１４a、１４bの出力電圧を、それぞれセンサ信号Ｓａ，ＳｂとしてＥＣＵ１１に出力する構成となっている。

また、本実施形態のステアリングセンサ１６は、トルクセンサ１４よりもステアリング２側において、コラムシャフト３aに固定された回転子１８と、該回転子１８の回転に伴う磁束変化を検出するセンサ素子（ホールＩＣ）１９とを備えた磁気式の回転角センサにより構成されている。

そして、ＥＣＵ１１は、これら検出される各状態量に基づいて目標アシスト力を演算し、当該目標アシスト力をＥＰＳアクチュエータ１０に発生させるべく、その駆動源であるモータ１２への駆動電力の供給を通じて、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動、即ち、操舵系に付与するアシスト力を制御する構成となっている。

次に、本実施形態のＥＰＳにおけるアシスト制御の態様について説明する。
図２に示すように、ＥＣＵ１１は、モータ制御信号を出力するマイコン２１と、そのモータ制御信号に基づいて、ＥＰＳアクチュエータ１０の駆動源であるモータ１２に駆動電力を供給する駆動回路２２とを備えている。

本実施形態では、ＥＣＵ１１には、モータ１２に通電される実電流値Ｉを検出するための電流センサ２３、及びモータ１２のモータ回転角θｍを検出するためのモータ回転角センサ２４が接続されている。そして、マイコン２１は、上記各車両状態量、並びにこれら電流センサ２３及びモータ回転角センサ２４の出力信号に基づき、検出されたモータ１２の実電流値Ｉ及びモータ回転角θｍに基づいて、駆動回路２２に出力するモータ制御信号を生成する。

尚、以下に示す各制御ブロックは、マイコン２１が実行するコンピュータプログラムにより実現されるものである。そして、同マイコン２１は、所定のサンプリング周期で、上記各状態量を検出し、所定周期毎に以下の各制御ブロックに示される各演算処理を実行することにより、モータ制御信号を生成する。

詳述すると、本実施形態のマイコン２１は、上記トルクセンサ１４の出力する各センサ信号Ｓａ，Ｓｂに基づいて操舵トルクτを検出するトルク検出手段としての操舵トルク検出部２５と、その操舵トルクτに基づいて、目標アシスト力に対応する電流指令値Ｉ*を演算する電流指令値演算部２６と、その電流指令値Ｉ*に基づいてモータ制御信号を出力するモータ制御信号出力部２７とを備えている。

本実施形態の電流指令値演算部２６には、操舵トルク検出部２５において検出される操舵トルクτとともに、車速センサ１５により検出される車速Ｖが入力される。そして、同電流指令値演算部２６は、その操舵トルクτの絶対値が大きいほど、また、車速Ｖが小さいほど、より大きな目標アシスト力に対応した電流指令値Ｉ*を演算するようになっている。

そして、モータ制御信号出力部２７には、この電流指令値演算部２６が出力する電流指令値Ｉ*とともに、電流センサ２３により検出された実電流値Ｉが入力される。また、モータ制御信号出力部２７には、モータ回転角センサ２４により検出されたモータ１２のモータ回転角θｍ、または、ステアリングセンサ１６により検出された操舵角θｓから、更に操舵角補正部３１（後述する）で補正された補正操舵角θｓｈｈが、切替制御部３５（後述する）の切り替えによって入力される。
そして、モータ制御信号出力部２７は、この電流指令値Ｉ*に、実電流値Ｉを追従させるべく、フィードバック制御を実行することによりモータ制御信号を演算する。

具体的には、本実施形態では、モータ１２には、三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力の供給により回転するブラシレスモータが用いられている。そして、モータ制御信号出力部２７は、実電流値Ｉとして検出されたモータ１２の各相電流値（Ｉu,Ｉv,Ｉw）をｄ/ｑ座標系のｄ、ｑ軸電流値に変換（ｄ/ｑ変換）することにより、上記電流フィードバック制御を実行する。

即ち、電流指令値Ｉ*は、ｑ軸電流指令値として、モータ制御信号出力部２７に入力され、モータ制御信号出力部２７は、モータ回転角センサ２４により検出されたモータ１２のモータ回転角θｍまたは、ステアリングセンサ１６により検出された操舵角θｓから、更に操舵角補正部３１で補正された補正操舵角θｓｈｈに基づいて、各相電流値（Ｉu,Ｉv,Ｉw）をｄ/ｑ変換する。
また、モータ制御信号出力部２７は、そのｄ、ｑ軸電流値及びｑ軸電流指令値に基づいて、ｄ、ｑ軸電圧指令値を演算する。そして、そのｄ、ｑ軸電圧指令値をｄ/ｑ逆変換することにより、各相電圧指令値（Ｖu*,Ｖv*,Ｖw*）を演算し、当該相電圧指令値に基づいて、モータ制御信号を生成する。

本実施形態では、このようにして生成されたモータ制御信号は、マイコン２１から駆動回路２２へと出力され、同駆動回路２２により当該モータ制御信号に基づく、三相の駆動電力がモータ１２へと供給される。そして、その操舵トルクτに基づく、アシスト力目標値としての電流指令値Ｉ*に相当するモータトルクが発生することにより、当該アシスト力目標値に対応するアシスト力が操舵系に付与される構成となっている。

（モータ回転角センサ異常時のアシスト継続制御）
次に、本実施形態のＥＰＳにおけるモータ回転角センサ異常時のアシスト継続制御について説明する。
図２に示すように、本実施形態のマイコン２１には、上記操舵トルク検出部２５、電流指令値演算部２６、およびモータ制御信号出力部２７に加え、モータ回転角センサ異常時にアシスト継続制御を行うモータ回転角演算部３０が設けられている。

具体的には、モータ回転角演算部３０は、モータ回転角の異常を検出するモータ回転角異常検出部３４と、モータ回転角の異常を検出した場合の代替センサとしてのステアリングセンサ１６の出力である操舵角θｓを補正する操舵角補正部３１を有する。
更に、モータ回転角演算部３０は、上記モータ回転角が正常時点の零度に対応する操舵角θｓ０を記憶する操舵角θｓ０記憶部３６と、トーションバー１７のバネ定数を記憶するトーションバーバネ定数記憶部３７aと、上記操舵角補正部３１から出力される補正後の操舵角を滑らかにするローパスフィルタ３３を有する。そして、モータ回転角演算部３０は、モータ回転角異常検出部３４の信号により、切替制御部３５を切り替えることによって、アシスト継続制御を実行する。

詳述すると、モータ回転角異常検出部３４には、電流指令値Ｉ*と、モータ回転角θｍが入力される。モータ回転角異常検出部３４は、例えば、電流指令値Ｉ*が所定値以上指令されているのに、モータ回転角が所定値以下の場合や、モータ回転角が所定値以上急激に変化した場合などに、モータ回転角の異常を検出する。そして、モータ回転角異常検出部３４がモータ回転角の異常を検出した場合には、モータ回転角異常信号Ｐeを切替制御部３５に出力する。そして、モータ回転角が正常時には、切替制御部３５は接点Ａと接点Ｃが接続され、モータ回転角θｍがモータ制御信号出力部２７に入力される。一方、モータ回転角が異常時には、モータ回転角異常信号Ｐeが出力され、切替制御部３５は接点Ｂと接点Ｃが接続され、操舵角補正部３１で補正された補正操舵角θｓｈｈがモータ制御信号出力部２７に入力される。

一方、操舵角補正部３１には、ステアリングセンサ１６の出力である操舵角θｓおよび、トルクセンサ１４の出力する各センサ信号Ｓａ，Ｓｂが入力される。操舵角補正部３１は、トルクセンサ１４の出力する各センサ信号Ｓａ，Ｓｂの差分（Ｓａ-Ｓｂ）を操舵角θｓより減算することにより、トーションバー１７の捩れによって位相が進み状態にある操舵角θｓを、位相が遅れ状態に補正した補正操舵角θｓｈを出力する。操舵角補正部３１より出力された補正操舵角θｓｈは、ローパスフィルタ３３に入力され、滑らかな補正操舵角θｓｈｈに変換され、切替制御部３５に入力される。

操舵角補正部の詳細を、図３のフローチャート図に基づいて説明する。
まず、モータ回転角θｍと、ステアリング操舵角θｓとの初期位置合わせを行なうため、車両を直進停止状態にする（ステップＳ１０１）。そして、モータ回転角が正常時点の零度に対応する、操舵角θｓ０を記憶部３６に記憶する（ステップＳ１０２）。

次に、モータ回転角が異常か否かを判定する（ステップＳ１０３）。モータ回転角が正常の場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、モータ回転角が異常になるまでステップＳ１０３を実行する。そして、モータ回転角が異常の場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、モータ１２に取り付けられている減速機構１３の減速比Ｇを減速比Ｇ記憶部３７ｂから読み込む（ステップＳ１０４）。次に、モータ１２の対極数Ｐを対極数Ｐ記憶部３７ｃから読み込む（ステップＳ１０５）。次に、操舵角θｓを取り込む（ステップＳ１０６）。更に、トルクセンサ信号Ｓa，Ｓbを取り込む（ステップＳ１０７）。

そして、トーションバー１７の捩れ角Δθを演算する（Δθ＝Ｓa-Ｓb、ステップＳ１０８）。最後に補正操舵角θｓｈを演算し、この処理を終了する（θｓｈ＝[（θｓ-Δθ）-θｓ０]/Ｇ/Ｐ、ステップＳ１０９）。

以上、本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
マイコン２１は、モータ回転角センサ２４の異常が検出された場合には、モータ回転角センサ２４に替えて、ステアリングセンサ１６を使用する。更に、操舵角補正部３１は、トルクセンサ１４の出力する各センサ信号Ｓａ，Ｓｂの差分（Ｓａ-Ｓｂ）を操舵角θｓより減算することにより、トーションバー１７の捩れによって位相が進み状態にある操舵角θｓを、位相が遅れ状態に補正した補正操舵角θｓｈを出力する。
そして、操舵角補正部３１より出力された補正操舵角θｓｈは、ローパスフィルタ３３に入力され、滑らかな補正操舵角θｓｈｈに変換された後、切替制御部３５に入力される。

上記構成によれば、モータ回転角センサ２４の異常が検出された場合には、モータ回転角センサ２４に替えて、ステアリングセンサ１６を使用することによって、操舵角θｓに基づくアシスト力目標値に相当するモータトルクを発生させ、駆動電力の供給を実行することによりアシスト制御を継続する（アシスト継続制御）。
また、モータ回転角センサ２４の異常が検出された場合には、トーションバー１７の捩れによってモータ回転角θｍより位相が進んだ操舵角を補正した、補正操舵角θｓｈを使用することにより、よりモータ回転角センサ２４に近い精度でアシスト制御を継続できる。その結果、モータ回転角センサの異常時においても、継続して安定したステアリング操作を行なうことができる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、トーションバー１７の捩れによって進んだ操舵角度を補正する方法として、トルクセンサ１４の出力する各センサ信号Ｓａ，Ｓｂの差分（Ｓａ-Ｓｂ）を操舵角θｓから減算することとしたが、操舵トルク検出部２５の出力である操舵トルクτを、トーションバーバネ定数記憶部３７aに記憶されている、トーションバーバネ定数で除算した値を操舵角θｓから減算することとしてもよい。

・上記実施形態では、本発明を所謂コラム型のＥＰＳ１に具体化したが、本発明は、所謂ピニオン型やラックアシスト型のＥＰＳに適用してもよい。

・上記実施形態では、モータ回転角センサ２４の異常が検出された場合には、ステアリングセンサ１６を使用することによって、モータ回転角センサ２４の代替制御を行ったが、代替制御を行えるのは、ステアリングセンサ１６に限らず、コラム軸、ピニオン軸、ラック軸のどこかに設置された回転角センサを使用してもよい。

１：電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２：ステアリング、
３：ステアリングシャフト、３a：コラムシャフト、
３b：インターミディエイトシャフト、３c：ピニオンシャフト、
４：ラックアンドピニオン機構、５：ラック軸、６：タイロッド、７：転舵輪、
１０：ＥＰＳアクチュエータ、１１：ＥＣＵ、１２：モータ、１３：減速機構、
１４：トルクセンサ、１４a、１４b、１９：センサ素子、１５：車速センサ、
１６：ステアリングセンサ、１７：トーションバー、１８：回転子、
２１：マイコン、２２：駆動回路、２３：電流センサ、２４：モータ回転角センサ、２５：操舵トルク検出部、２６：電流指令値演算部、２７：モータ制御信号出力部、３０：モータ回転角演算部、３１：操舵角補正部、
３３：ローパスフィルタ、３４：モータ回転角異常検出部、３５：切替制御部、
３６：操舵角θｓ０記憶部、３７a：トーションバーバネ定数記憶部、
３７b：減速比Ｇ記憶部、３７c：対極数Ｐ記憶部、
τ：操舵トルク、Ｓa，Ｓb：センサ信号、Ｖ：車速、θｍ：モータ回転角、
θｓ：操舵角、θｓｈ、θｓｈｈ：補正操舵角、Δθ：トーションバー１７の捩れ角、
Ｉ*：電流指令値、Ｉ：実電流値、Ｉu,Ｉv,Ｉw：各相電流値、
Ｖu*,Ｖv*,Ｖw*：各相電圧指令値、Ｐe：モータ回転角異常信号

Claims (3)

1. 操舵系に対して、操舵補助力を発生するモータと、
   該モータの回転角を検出するモータ回転角センサと、
   ステアリングシャフトの途中に設けられたトーションバーの捻れに基づき操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、
   該操舵トルクセンサで検出した操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を算出し、
   算出した操舵補助指令値、および前記モータ回転角センサで検出したモータ回転角とに基づいて、前記モータを駆動制御する制御手段と、
   前記モータ回転角センサの異常を検出するモータ回転角センサ異常検出手段と、
   を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記ステアリングシャフトの回転角を検出するステアリングセンサと、
   前記制御手段は、前記モータ回転角センサ異常検出手段により、モータ回転角センサの異常が検出された場合には、前記モータ回転角にかえて、前記ステアリングシャフトの回転角で、前記モータを駆動制御すること、
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記制御手段は、前記ステアリングシャフトの回転角に対して、前記トーションバーの捻れ分を補正したステアリングシャフトの回転角を用いて、前記モータを駆動制御すること、
   を特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記制御手段は、前記ステアリングセンサにて検出したステアリングシャフトの回転角に対してローパスフィルタを設けること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。

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