JP2781854B2 - 動力舵取装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は舵輪操作に要する力をモータの回転力により
補助する電動式の動力舵取装置（パワーステアリング）
に関する。

〔従来技術〕

舵輪に加えられた操舵トルクを検出し、この検出トル
クが所定の不感帯を超える場合に、前記検出トルクに比
例した駆動電流を操舵補助用のモータに通流させて該モ
ータを駆動し、自動車の操舵に要する力を該モータの回
転力により補助せしめ、運転者に快適な操舵感覚を提供
する電動式の動力舵取装置が開発されている。

このような動力舵取装置において、ラック軸，舵輪軸
又はモータに回転センサ又はストロークセンサ等の舵角
検出器を取り付け、操舵角制御，操舵角速度制御又は操
舵角加速度制御を実施するもののが本出願人により種々
提案されている（特願昭63−191844号，特願昭63−1893
31号等）。

これらは操舵角の中点を検出し、それに基づき舵輪の
戻し制御を行うと共に、戻し時のモータの駆動電流を操
舵角に応じて変化させ、また操舵角速度に応じてモータ
の駆動電流を減少させるダンピング制御により操舵感覚
のふらつき感及び不自然さを抑制すると共に、操舵角加
速度に基づき駆動電流を増加させ、足回り及びモータの
慣性力を補償するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述の如き舵角検出器を用いて操舵補
助力の制御を行う場合、舵角検出器をラック軸，舵輪軸
又はモータに取付けるこが必要であるが、この舵角検出
器を備えることにより動力舵取装置が高価となるという
問題があった。

また、通常、制御手段たるマイクロコンピュータを用
いたコントローラは、操舵機構とは別の場所（例えば車
内のダッシュボード付近）に設けられており、舵角検出
器からコントローラへの長尺配線が必要となり、配線が
複雑になるという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みなされたものであり、コン
トローラ内に設けられたモータの駆動素子の温度を検出
し、それに基づきモータ温度を求め、モータ温度，モー
タへの印加電圧及び駆動電流からモータの回転角速度を
求めることにより、舵角検出器を備えることなく安価に
舵角に関連する値を求めることができると共に、舵角検
出用の配線を不要となし、コントローラ内で舵角に関連
する値を検出できる動力舵取装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る動力舵取装置は、舵輪に加えられる操舵
トルクに応じて駆動される操舵補助用のモータを備えた
動力舵取装置において、前記モータを駆動させる駆動素
子の温度を検出する温度検出手段と、前記モータへ印加
される電圧を検出する電圧検出手段と、前記モータの駆
動電流を検出する電流検出手段と、前記温度検出手段に
より検出された温度に基づき前記モータの温度を求め、
求められたモータの温度に基づき前記モータの内部抵抗
を算出する抵抗算出手段と、検出された電圧及び電流と
算出された内部抵抗とにより前記モータの逆起電力を算
出し、それに基づき前記舵輪の操舵角に関連する値を算
出する手段と、算出された値に基づき前記モータの駆動
電流を制御する手段とを備えることを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、駆動素子の温度が検出されると、
それからモータの温度が求められ、それに基づきモータ
の内部抵抗が算出される。算出された内部抵抗と、検出
されたモータへの印加電圧及び駆動電流とからモータの
逆起電力が算出される。舵輪の操舵角に関連するモータ
の回転角速度は逆起電力に応じて変化するので、算出さ
れた逆起電力によりモータの回転角速度が求められ、そ
れに基づき回転角，回転角加速度等が求められ、それら
によりモータの駆動電流が制御される。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述す
る。第１図は本発明に係る動力舵取装置の一部破断正面
図、第２図は第１図のII−II線による拡大断面図であ
る。

図において１はラック軸であり、長手方向を左右方向
として車体の一部に固設され筒状をなすラック軸ケース
２にこれと同心をなして内挿されている。また３はピニ
オン軸であり、ラック軸ケース２の一端部近傍に連設し
たピニオン軸ケース４の内部にラック軸１に対してその
軸心を斜交させた状態に軸支されている。

該ピニオン軸３は、第２図に示す如く、トーションバ
ー５を介して同軸上に連結された上軸3aと下軸3bとから
なり、上軸3aは玉軸受40によりピニオン軸ケース４内に
支承され、その上端部を図示しないユニバーサルジョイ
ントを介して舵輪に連動連結してある。また下軸3bは、
ピニオン軸ケース４の下側開口部からその下部を適長突
出させた状態で、上端部近傍位置を４点接触玉軸受41に
よりピニオン軸ケース４内に支承されている。前記４点
接触玉軸受41は、下軸3bの下端部側からこれに外嵌さ
れ、下軸3bの上端部近傍に形成した段部と、下端部側か
ら外嵌され外周面にかしめて固定されたカラー42とによ
り、その内輪の両側を挾持されて下軸3bの外側に軸長方
向に位置決めされた後、下軸3bと共に前記下側開口部か
らピニオン軸ケース４に内嵌され、該ケース４の下部に
形成された環状肩部と、前記開口部から該ケース４に螺
合されたロックナット43とにより、その外輪の両側を挾
持されてピニオン軸ケース４の内側に軸長方向に位置決
めされ、下軸3bに作用するラジアル荷重及び両方向のア
キシアル荷重を負荷する。

ピニオン軸ケース４から突出された前記下軸3bの中途
部には、その軸長方向に適宜の長さに亘るピニオン歯30
が形成されており、該ピニオン歯30は、ピニオン軸ケー
ス４が前記ラック軸ケース２の上側に固定ボルト44によ
り固着された場合に、該ラック軸ケース２の内部におい
て、前記ラック軸１の一端部寄りの位置に軸長方向に適
長に亘って形成されたラック歯10に噛合し、下軸3bとラ
ック軸１とを互いの軸心を斜交させた状態で係合せしめ
ている。前記下軸3bは、ラック軸１との係合位置よりも
更に下方に延長され、その下端部には、これと同軸をな
し、その歯形成面を下向きとして大傘歯車31が嵌装され
ており、該大傘歯車31を固繞する態様にてラック軸ケー
ス２の下側に連設された傘歯車ハウジング20内に針状こ
ろ軸受33により支承せしめてある。従って下軸3bは、前
記４点接触玉軸受41と針状ころ軸受33とによりラック歯
10とピニオン歯30との噛合位置の両側において支承され
ることになり、該噛合位置において下軸3bに生じる撓み
量は所定の許容範囲内に保たれる。

更にラック歯10とピニオン歯30との噛合位置には、こ
れらが隙間なく噛合されるように、ピニオン軸３に向か
う押しばね11の付勢力によりラック軸１を押圧するラッ
クガイド12が設けてあり、ラック軸１は、前記噛合位置
においてラックガイド12と下軸3bとにて半径方向両側か
ら挾持された状態で支承されると共に、ピニオン軸ケー
ス４との連設位置と逆側のラック軸ケース２の端部に内
嵌した軸受ブッシュ13により支承されており、ラック軸
ケース２の内部においてその軸長方向に移動自在となっ
ている。ラック軸ケース２の両側に夫々突出されたラッ
ク軸１の左右両端部は、各別の玉継手14,14を介して、
図示しない左右の車輪に夫々連なるタイロッド15,15に
連結されており、ラック軸１の軸長方向への移動により
車輪が左，右に舵取りされるようになっている。

第２図中の６は、舵輪に加えられる操舵トルクを検出
するトルクセンサであり、前記上軸3aに外嵌されこれと
共に回動し、その下側端面に上軸3aの軸心を中心とする
環状の抵抗体を形成してなる抵抗体保持部材60と、前記
下軸3bに外嵌されこれと共に回動し、その上側端面に前
記抵抗体上の半径方向の一点に摺接する検出子を形成し
てなる検出子保持部材61とにてポテンシオメータを構成
してなるものである。ピニオン軸３の上軸3aは舵輪の回
動に応じてその軸心廻りに回動するが、下軸3bには車輪
に作用する路面抵抗がラック軸１を介して作用してお
り、両軸間に介装したトーションバー５には舵輪に加え
られた操舵トルクに応じた捩れが生じる。トルクセンサ
６は、該トーションバー５の捩れに伴って上軸3aと下軸
3bとの間に生じる周方向の相対変位を前記検出子と抵抗
体との摺接位置に対応する電位として出力するものであ
り、トーションバー５に捩れが生じていない場合、換言
すれば舵輪操作がなされていない場合に所定の基準電位
を出力するように初期調整されている。トルクセンサ６
の出力信号は時系列的に制御部７に入力されており、制
御部７はこの信号を前記基準電位と比較して前記操舵ト
ルクの方向及びその大きさを認識し、後述する如く配設
された操舵補助用のモータ８に駆動信号を発する。

操舵補助用のモータ８は、電磁クラッチ16、遊星ギヤ
原則装置９及び前記大傘歯車31に噛合するこれよりも小
径の小傘歯車32を介して前記下部軸3bにその回転力を伝
達するものである。

電磁クラッチ16は円環状をなし、モータ８の中間ケー
ス81に固着されたコイル部161と、モータ８の回転軸80
の一側にこれと同軸をなして外嵌され、該回転軸80と共
に回転する主動部162と、円板状をなし該主動部162と対
向し、コイル部161への通電による電磁力により主動部1
62と係着する係脱部163とから構成されており、モータ
８の回転力の係脱を行っている。

遊星ギヤ減速装置９は係脱部163に内嵌し、回転する
と共に太陽ギヤを有し、その一端を主動部に内嵌された
軸受に支承され、他端を後述する遊星キャリア93に内嵌
された軸受に支承された太陽軸90と、前記モータ８のケ
ーシング端面82に回転軸80と同軸をなして固着された円
環状をなす外環91と、該外環91の内周面及び前記太陽軸
90の太陽ギヤ外周面に夫々転接し、各別の軸心廻りに自
転すると共に太陽ギヤの軸心廻りに公転する複数個の遊
星ギヤ92,92…と、これらの遊星ギヤ92,92…を夫々軸支
する遊星キャリヤ93とから構成され、前記モータ８より
も小なる外径を有し、回転軸80の一側に該モータ８及び
電磁クラッチ16と一体化されている。遊星ギヤ減速装置
９の出力軸94は、モータ８の回転軸80と同軸上に位置す
る前記遊星キャリヤ93の軸心位置に嵌入，固定され、ケ
ーシングの外部に適長突出させてある。該出力軸94の先
端部には前記小傘歯車32が、その歯形成面を先端側に向
けて嵌装されており、該小傘歯車32は、出力軸94と共に
前記遊星ギヤ92,92…の公転に応じて回転するようにな
っている。

前記モータ８と電磁クラッチ16と遊星ギヤ減速装置９
とは、これらの軸心がラック軸１の軸心と略平行をなし
た状態で、小傘歯車32を内側として前記傘歯車ハウジン
グ20に内嵌され、該ハウジング20の内部において前記小
傘歯車32が前記下部軸3bの下端部に嵌装された大傘歯車
31に噛合させてあり、またラック軸ケース２の外側に設
けたブラケット2aに固着させてある。大傘歯車31と小傘
歯車32との間のバックラッシ調整は、遊星ギヤ減速装置
９を傘歯車ハウジング20に内嵌する際に、遊星ギヤ減速
装置９のケーシングと傘歯車ハウジング20との突合せ部
に介装するシムの厚さ及び／又は枚数を変更することに
より容易に行い得る。

また制御部７には、前述したトルクセンサ６の出力信
号の他に車速を検出する車速検出器18の出力信号が入力
されており、ここで後述する制御がなされモータ８を駆
動する駆動信号が出力される。

次に制御部７での制御について説明する。

第３図は制御部の構成及び制御動作を示すブロック線
図である。

トルクセンサ６のトルク検出信号は、その位相を進
め、系を安定化するための位相補償部71a及びトルクT,
車速Ｖ及び操舵角速度ω_nに基づき相対操舵角θ_nの中点
θ₀を演算する中点演算部73dに与えられる。位相補償部
71aはトルク検出信号を位相補償した補償検出トルクT_c
をモータ８の指示電流Ｉを生成する指示電流関数部73a
に与える。

一方、車速検出器18の車速検出信号は指示電流関数部
73a,中点演算部73d並びに後述する舵輪戻し制御演算部7
3e、角加速度制御演算部73c及びダンピング制御演算部7
3bに夫々与えられる。

またモータ８への印加電圧e_aはモータ８の電源たるバ
ッテリ75の端子電圧V_BATと後述するPID演算処理部76か
らのデューティ比Ｄとに基づき電圧検出回路71bによっ
て検出され、モータ８の駆動電流i_dは、モータラインに
図示しない電流検出用抵抗を挿入した電流検出回路71c
によって検出される。PID演算処理部76は入力された電
流をPID制御し、所定のデューティ比Ｄを出力する。出
力されたデューティ比Ｄは前述した如く電圧検出回路71
bに与えられると共にPWM（Pulse Width Modulation:パ
ルス幅変調）駆動回路72に与えられる。PWM駆動回路72
はPID演算処理部76からのデューティ比Ｄによりパルス
幅制御によりそこに接続されたバッテリ75からモータ８
へ供給される電圧を制御するものであり、MOSFET等の駆
動素子たるパワートランジスタ72aが用いられている。
そしてパワートランジスタ72aの近傍には、その温度を
検出する温度センサ71gが設けられている。パワートラ
ンジスタ72aとモータ８との熱容量，放熱量の違いを考
慮することによって、双方の温度の相関関係を示すこと
ができる。

第４図はパワートランジスタ72aの温度とモータ８の
温度との関係を示すグラフであり、横軸にパワートラン
ジスタ72aの温度を、また縦軸にモータ８の温度をとっ
ており、温度センサ71gでパワートランジスタ72aの温度
を検出することにより、モータ８の温度を求めることが
できる。

温度センサ71g,電圧検出回路71b及び電流検出回路71c
の検出結果は夫々操舵角速度算出部71dに与えられ、該
操舵角速度算出部71dではこれらの検出結果に基づいて
後述する演算によりモータ８の操舵角速度ω_nが算出さ
れ、この算出結果ω_nが車速Ｖ及び操舵角速度ω_nに応じ
て操舵感覚のふらつき感を抑制すべく減算電流I_rを出力
するダンピング制御演算部73b,中点演算部73d,相対操舵
角θ_nを算出する操舵角算出部71f,操舵角加速度α_nを算
出する操舵角加速度算出部71eに夫々与えられる。算出
された操舵角加速度α_nはモータの慣性力及び足回りの
慣性力に応じた補正電流I_cを出力する角加速度制御演算
部73cに与えられ、相対操舵角θ_nは中点演算部73d及び
相対操舵角θ_nと舵角中点θ₀とから操舵角Δθを求める
減算器74dに与えられる。求められた操舵角Δθは、車
速Ｖと操舵角Δθとにより操舵角Δθが大きくなるにつ
れ、大きい電流値となる戻し制御用の変化電流I_aを出力
する舵輪戻し制御演算部73eに与えられる。

指示電流関数部73aには前述した如く補償トルクT_c及
び車速Ｖと変化電通I_aとが与えられ、操舵時に所定のト
ルク範囲となる不感帯内では第３図に破線で示す如く、
変化電流I_aに応じた指示電流Ｉを、また不感帯外では車
速Ｖ及びトルクＴに応じた指示電流Ｉを出力する。

またダンピング制御演算部73bにおいては、操舵角速
度ω_nと減算電流I_rとの関係が車速Ｖに応じて関数化さ
れており、操舵角速度ω_nと車速Ｖとから減算電流I_rが
求められ、それが減算器74bに与えられる。減算器74bに
は指示電流関数部73aから出力された指示電流Ｉが与え
られ、そこで指示電流Ｉから演算電流I_rが減算される。
この減算結果は加算器74aに与えられ、角加速度制御演
算部73cから出力された補正電流I_cと加算され、加算結
果が減算器74cに与えられる。

減算器74cでは、電流検出回路71cからのフィードバッ
ク信号が減ぜられ、その減算結果がPID演算処理部76に
与えられ、PWM駆動回路72を介してモータ８に与えられ
る。この電流検出回路71cは、モータのフライホイール
電流も含めた電流検出を行うように構成されており、電
流ループは安定する。

次に制御部７の制御動作について説明する。

第５図は本発明の要旨たる操舵角速度算出部71dの演
算制御を示すフローチャートである。最初に操舵角速度
演算のサンプリング周期TSを定めるタイマ処理を行い
（ステップ＃10）、そのサンプリング周期TSで以下の処
理を行う。最初にバッテリ75の端子電圧V_BATを検出し
（ステップ＃11）。デューティ比Ｄを読出し（ステップ
＃12）、電圧検出回路71bにてモータ８への印加電圧e_a
を、 e_a＝V_BAT×Ｄ により算出する（ステップ＃13）。次に電流検出回路71
cで駆動電流i_dを検出し（ステップ＃14）、温度センサ7
1gにて検出されたパワートランジスタ72aの温度を第４
図に示す如くの関係に基づきモータ８の温度t_Mに換算す
る（ステップ＃15）。そしてモータ温度t_Mから下記式に
よりモータ８の内部抵抗r_aを求める（ステップ＃16）。

r_a＝r₀＋α（t_M−t₀）・r₀ 但しt₀：基準温度 r₀：基準温度t₀でのモータの内部抵抗 α：基準温度t₀での抵抗温度係数 求められた内部抵抗r_aからモータの逆起電力（e_a−r_a
・i_d）を求め、それにより操舵角速度ω_nが下記式によ
り求められる（ステップ＃17）。

但しk_v：比例定数 そして求めた操舵角速度ω_nがダンピング制御演算部7
3bに与えられ、車速に応じた減算電流I_rが減算器74bに
出力され、高速時に操舵角速度ω_nがが大きいとき等に
舵輪のふらつき感を抑制すべく指示電流Ｉから減算電流
I_rを減算する。

また操舵角加速度算出部71eでは求められた操舵角速
度ω_nと直前に求められた操舵角速度ω_n-1とにより操舵
角加速度α_nを下記式 但しTS:操舵角速度演算のサンプリング周期 で求める。求められた操舵角加速度α_nは角加速度制御
演算部73cに与えられ、そこで足回り及びモータの慣性
力を補償する車速Ｖに応じた補正電流I_cが生成され、加
算器74aに与えられる。

次に相対舵角θ_nの算出手順について説明する。第６
図は操舵方向判定手順を示すフローチャート、第７図は
判定結果による相対操舵角θ_nの算出手順を示すフロー
チャートである。第６図においてモータ回転指示方向が
左か否かを判定し（ステップ＃20）、モータ回転指示方
向が左のときは加算器74aの加算結果の電流ｉと電流検
出回路71cの検出結果たる駆動電流i_dとの差、即ち減算
器74cの減算結果の正負を判別し（ステップ＃22）、ｉ
≧i_dのときはステップ＃24で左操舵と判定し、ｉ＜i_dの
ときはステップ＃23で右操舵と判定し、リターンする。
またモータ回転指示方向が右のときは、ステップ＃21で
電流ｉと駆動電流i_dとの減算結果の正負を判定し、ｉ≧
i_dのときはステップ＃23で右操舵と判定し、ｉ＜i_dのと
きはステップ＃24で左操舵と判定し、リターンする。

この判定結果を用い、第７図においては、ステップ＃
30で操舵方向が判定され、第６図のステップ＃23で右操
舵と判定されたときは、相対操舵角θ_n＝θ_n-1＋ω_n・T
Sで求め（ステップ＃31）、ステップ＃24で左操舵と判
定されたときにはθ_n＝θ_n-1−ω_n・TSで求められる
（ステップ＃32）。

このようにして操舵角算出部71fで相対操舵角θ_nが算
出されると、それが中点演算部73d及び減算部74dに与え
られる。

第８図は中点演算手順を示すフローチャートであり、
タイマ設定を行い、そのタイムアップにより中点演算を
行う。最初にステップ＃40でタイマの終了を判定し、終
了すると車速Ｖ、トルクＴ及び操舵角速度ω_nを夫々読
出し、ステップ＃41〜＃43でトルク及び操舵角速度ω_n
が所定の閾値T_S及びω_Sより小さく、車速Ｖが所定の閾
値V_Sより大きいとき直進していると判定し、ステップ＃
44でそのときの相対操舵角θ_nを読出す。そしてそれを
下記式に示す如くの積分処理を行い平均化する（ステッ
プ＃45）。

そしてこれをＮ回繰返し、カウント終了すると（ステ
ップ＃46）、求められた操舵角を中点θ₀とし中点更新
処理を行う（ステップ＃47）。これにより操舵角の中点
θ₀が求められる。そして求められた中点θ₀は減算器74
dに送られ、第９図のフローチャートに示す処理手順で
操舵角Δθが算出され、それに基づき舵輪戻し制御演算
部73eで変化電流I_aが求められ、それが指示電流関数部7
3aに与えられ、舵輪戻し時不感帯内における指示電流Ｉ
を変化電流I_aにより制御する。第９図において、ステッ
プ＃50、同＃51で操舵角算出部71fで算出された相対操
舵角θ_n及び中点θ₀が読出され、それらが減算器74dで
減算され操舵角Δθが求められる（ステップ＃52）。

〔効果〕

以上詳述したとおり、本発明においてはモータの駆動
素子の温度からモータ温度を求めてモータの内部抵抗を
算出し、それとモータへの印加電圧と駆動電流とにより
逆起電力を求め、さらに操舵角速度を求めているので、
特別な舵角検出器を用いることなく制御部内にて、安価
に操舵角に関連する値が検出できると共に制御部内に設
けられた駆動素子の温度を検出するだけでよいので、制
御部への配線を不要となしそれを簡略化できる等優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る動力舵取装置の一実施例を示す一
部破断正面図、第２図は第１図のII−II線による拡大断
面図、第３図は制御部の構成及び動作を示すブロック線
図、第４図はパワートランジスタの温度とモータ温度と
の関係を示すグラフ、第５図〜第９図は各部の処理手順
を示すフローチャートである。 ６…トルクセンサ、８…モータ、71b…電圧検出回路、7
1c…電流検出回路、71d…操舵角速度算出部、71g…温度
センサ、72a…パワートランジスタ、73a…指示電流関数
部、73b…ダンピング制御演算部、73c…角加速度制御演
算部、73e…舵輪戻し制御演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B62D 5/04 B62D 6/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】舵輪に加えられる操舵トルクに応じて駆動
   される操舵補助用のモータを備えた動力舵取装置におい
   て、 前記モータを駆動させる駆動素子の温度を検出する温度
   検出手段と、 前記モータへ印加される電圧を検出する電圧検出手段
   と、 前記モータの駆動電流を検出する電流検出手段と、 前記温度検出手段により検出された温度に基づき前記モ
   ータの温度を求め、求められたモータの温度に基づき前
   記モータの内部抵抗を算出する抵抗算出手段と、 検出された電圧及び電流と算出された内部抵抗とにより
   前記モータの逆起電力を算出し、それに基づき前記舵輪
   の操舵角に関連する値を算出する手段と、 算出された値に基づき前記モータの駆動電流を制御する
   手段と を備えることを特徴とする動力舵取装置。