JP2839129B2 - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電動機の動力を操舵補
助力としてステアリング系に作用させ、操舵力の軽減を
図る電動式パワーステアリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電動式パワーステアリング装置に
おいて、ステアリング系に補助操舵トルクを与えるため
の電動機を設け、ステアリング系に作用する手動の操舵
トルクに対応した電動機の駆動トルクを発生させてステ
アリング系をアシストすることにより、運転者の操舵力
を軽減するよう構成されたものは知られている。

【０００３】図７に従来の電動式パワーステアリング装
置の全体構成図、図８に従来の電動式パワーステアリン
グ装置の制御系ブロック構成図を示す。図７において、
電動式パワーステアリング装置は、ハンドル１に一体的
に設けられたステアリング軸２に自在継ぎ手３ａ、３ｂ
を備えた連結軸３を介してステアリング・ギアボックス
４内に設けられたラック＆ピニオン機構５のピニオン５
ａに連結されて手動操舵力発生手段６が構成される。

【０００４】ピニオン５ａに噛み合うラック歯７ａを備
え、これらの噛み合いにより往復運動するラック軸７
は、その両端にタイロッド８を介して転動輪としての左
右の前輪９に連結される。このようにして、ハンドル１
操舵時には通常のラック＆ピニオン式のステアリングを
介し、前輪９を転動させて車両の向きを変えている。

【０００５】手動操舵力発生手段６による操舵力を軽減
するため、アシスト・トルクを供給する電動機１０をラ
ック軸７と同軸的に配設し、ラック軸７にほぼ平行に設
けられたボールねじ機構１１を介してアシスト・トルク
を推力に変換してラック軸７に作用させる。電動機１０
のロータには駆動側ヘリカル・ギア１０ａが一体的に設
けられ、駆動側ヘリカル・ギア１０ａはボールねじ機構
１１のねじ軸の軸端に一体的に設けられた従動側ヘリカ
ル・ギア１１ｂと噛み合わされている。ボールねじ機構
１１のナットはラック軸７に連結されている。

【０００６】ステアリング・ギアボックス４内には、ピ
ニオン５ａに作用する手動トルクを検出するための操舵
トルク検出手段１２を設け、トルク信号Ｔを制御部１４
に提供している。制御部１４はトルク信号Ｔに基づいて
制御信号Ｃを電動機駆動手段１５に提供し、電動機駆動
手段１５は電動機駆動信号Ｄを出力し、電動機１０を駆
動することにより、電動機１０からアシスト・トルクが
出力される。

【０００７】図８に示すように、制御部１４は、操舵ト
ルク検出手段１２が検出したトルク信号Ｔを目標とする
アシスト・トルクに変換してアシスト・トルク量ＴＴを
出力する目標アシスト・トルク発生手段１６と、アシス
ト・トルク量ＴＴに対応した制御信号Ｃを出力する電動
機制御手段１７から構成され、制御信号Ｃを電動機駆動
手段１５に供給し、電動機駆動手段１５は制御信号Ｃに
応じた電動機駆動信号Ｄで電動機１０を駆動することに
より、ステアリング・ギアボックス４のラック軸７の推
力をアシストするよう構成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の電動式パワース
テアリング装置は、アシスト・トルクの設定を制御部１
４が電動機駆動手段１５を介して電動機１０に供給する
電動機電流ＩMの制御によってのみ行い、電動機電流ＩM
に駆動された電動機１０が発生する電動機トルクがアシ
スト・トルクと等しくなるよう構成されている。

【０００９】しかし、電動機１０の慣性モーメントおよ
び粘性抵抗等が大きな場合、これらの慣性モーメントお
よび粘性抵抗に起因し、電動機トルクと反対方向に作用
する慣性トルク、および粘性トルクの影響が大きくな
り、電動機電流ＩMによる電動機トルクを考慮するだけ
では最適なアシスト・トルクが得られず、操舵フィーリ
ングが悪化する課題がある。

【００１０】例えば、電動機１０を直流モータで構成し
た場合、直流モータに発生するアシスト・トルクＴａは
一般的に数１で表わされる。

【００１１】

【数１】

【００１２】ただし、ｋＴｍはモータのトルク定数、Ｊ
Mはモータの慣性モーメント、ＤMはモータの粘性係数、
ＩMはモータ電流、ΘM″はモータの回転角加速度、Θ
M′はモータの回転角速度、Ｔfはクーロン摩擦トルクが
それぞれ定義される。

【００１３】図７、図８に示す従来の電動式パワーステ
アリング装置は、アシスト・トルクＴａがモータ電流Ｉ
Mのみに基づいて決定されているため、数１からアシス
ト・トルクＴａ＝ｋＴｍ＊ＩMのみとなる。

【００１４】一般に、モータの粘性係数ＤM、クーロン
摩擦トルクＴfは非常に小さく省略できる場合が多い
が、モータの慣性モーメントＪMは車両重量が増大して
必要アシスト量が増えると大きなモータパワーが必要と
され、必然的にモータも大型化して慣性モーメントＪM
も大きくなる。

【００１５】すると、モータの回転立上がり時に発生す
るモータの回転角加速度ΘM″により、数１のアシスト
・トルクＴａが減少してアシストが遅れたり、モータが
アシストしてない（ＩM＝０）場合、タイヤからの反力
はラックを介してモータに伝達されて回転角加速度Θ
M″が発生し、タイヤからの反力に加え、回転角加速度
ΘM″に起因する慣性トルク（反力トルク）Ｔｄ＝−ＪM
*ΘM″がハンドル操作と反対方向に発生し、操舵フィー
リングを低下させる課題がある。

【００１６】この発明はこのような課題を解決するため
なされたもので、その目的は慣性トルクおよび粘性トル
クの影響を考慮したステアリング系を電動機系およびラ
ック系の自由度２の力学モデルで構築し、力学モデルに
基づく運動方程式から伝達関数を求め、この伝達関数を
実現するフィルタを構成することにより、電動機トルク
を入力とした最適なアシスト・トルクが得られる電動式
パワーステアリング装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
この発明に係る電動式パワーステアリング装置は、実補
助トルク演算手段に、電動機電流検出手段が検出する電
動機電流に基づいて電動機トルクを演算する電動機トル
ク演算手段と、電動機系およびラック系を構成する自由
度２の力学モデルの運動方程式に基づいて演算された伝
達関数を有するフィルタ手段を有し、前記電動トルクを
実補助トルクに変換する実補助トルク変換手段とを備え
たことを特徴とする。

【００１８】また、実補助トルク変換手段は、演算され
た伝達関数が高次数の場合、２次の伝達関数で近似する
フィルタ手段を備えたことを特徴とする。

【００１９】

【作用】この発明に係る電動式パワーステアリング装置
は、実補助トルク演算手段に、電動機電流に基づいて電
動機トルクを演算する電動機トルク演算手段と、電動機
系およびラック系を構成する自由度２の力学モデルの運
動方程式に基づいて演算された伝達関数を有するフィル
タ手段を有し、実補助トルクに変換する実補助トルク変
換手段とを備えたので、電動機電流に対応した電動機ト
ルクを演算し、演算した電動機トルクに基づいてステア
リング系の慣性トルクおよび粘性トルクの影響を考慮し
た実補助トルクに変換することができる。

【００２０】さらに、実補助トルク変換手段は、２次の
伝達関数を有するフィルタ手段で近似するので、単純な
構成で実補助トルクを得ることができる。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１はこの発明に係る電動式パワーステア
リング装置の制御系全体ブロック構成図である。図１に
おいて、制御系は、ハンドル操作により発生する操舵ト
ルクを検出する、例えばトルクセンサで構成された操舵
トルク検出手段１２と、制御手段２０と、電動機電流検
出手段１５Ａを備えた電動機駆動手段１５と、電動機１
０とから構成する。

【００２２】制御手段２０は、マイクロプロセッサを基
本に構成し、目標補助トルク発生手段２１、実補助トル
ク演算手段２２、減算器２３、電動機制御手段２４を備
え、操舵トルク検出手段１２が検出するトルク信号Ｔに
対応した目標補助トルク信号Ｔｓを発生し、目標補助ト
ルク信号Ｔｓに基づいて制御信号Ｃを発生することによ
り、電動機駆動手段１５を介して電動機１０を駆動し、
必要な補助操舵力（アシスト・トルク）を得る。

【００２３】また、制御手段２０は、電動機電流検出手
段１５Ａが検出する電動機電流ＩMに基づいて電動機１
０が発生する補助操舵力（アシスト・トルク）に相当す
る実補助トルクＴａを出力し、目標補助トルク信号Ｔｓ
と実補助トルク信号Ｔａの偏差ΔＴに基づいて補正した
制御信号Ｃを出力し、電動機１０の発生する実補助トル
クＴａが目標補助トルクＴｓに等しくなるよう制御す
る。

【００２４】目標補助トルク発生手段２１は、目標補助
トルク変換手段２１Ａおよび目標補助トルク記憶手段２
１Ｂを備え、トルク信号Ｔを電気信号に変換し、変換し
たトルク信号Ｔを予めＲＯＭ等のメモリに記憶した目標
補助トルク信号Ｔｓに変換して減算器２３に提供する。

【００２５】実補助トルク演算手段２２は電動機トルク
演算手段２２Ａおよび実補助トルク変換手段２２Ｂを備
え、電動機トルク演算手段２２Ａは電動機電流検出手段
１５Ａが検出する電動機電流ＩMを取込み、電気信号に
変換し、予めＲＯＭ等のメモリに記憶してある電動機ト
ルク定数ｋＴｍとの乗算（ｋＴｍ＊ＩM）により、電動
機トルクＴMを演算する。

【００２６】実補助トルク変換手段２２Ｂは、後述する
ステアリング系の電動機系およびラック系の自由度２の
力学モデルに基づいた運動方程式より求めた伝達関数を
形成するフィルタ手段で構成し、電動機トルクＴMに対
応した実補助トルクＴａを出力する。

【００２７】減算器２３は、目標補助トルク信号Ｔｓと
実補助トルク信号Ｔａの偏差ΔＴ（＝Ｔｓ−Ｔａ）を演
算し、偏差信号ΔＴを電動機制御手段２４に出力する。
電動機制御手段２４は、偏差信号ΔＴに基づいて、例え
ば４個のＦＥＴからなるブリッジ回路で構成された電動
機駆動手段１５を駆動するための制御信号Ｃ（例えばＰ
ＷＭ信号）を出力する。

【００２８】電動機駆動手段１５は、制御信号Ｃを電動
機駆動電流（電動機電流ＩM）に変換し、電動機駆動信
号Ｄを出力して電動機１０を駆動する。また、電動機駆
動手段１５は電動機電流検出手段１５Ａを備え、検出し
た電動機電流信号ＩMを実補助トルク演算手段２２に提
供する。

【００２９】図２は電動式パワーステアリング装置の自
由度３の力学モデルである。図２において、力学モデル
はハンドル系、モータ（電動機）系およびラック系の３
自由度系で表わし、ＪS、ＪMはそれぞれハンドル、モー
タ（電動機）の慣性モーメント、ＪRはラックの質量、
ｋS、ｋM、ｋRはそれぞれハンドル系のトーションバ
ー、モータ（電動機）系のギア、ラック系のタイヤのバ
ネ定数、ＤS、ＤM、ＤRはそれぞれハンドル系、モータ
系、ラック系の減衰係数、ＴMはモータ（電動機）が発
生する電動機トルクを示す。ハンドルの固定およびタイ
ヤの剛性の無視という２つの条件を図２に適用するとモ
ータ系およびラック系の２自由度系の力学モデルが得ら
れる。

【００３０】図３はこの発明に係る電動式パワーステア
リング装置の自由度２の力学モデルである。図３におい
て、ΘM、ＸRは電動機トルクＴMに伴い生じるそれぞれ
モータ（電動機）系、ラック系の変位を表す。

【００３１】図３の力学モデルに基づき、変位ΘM、ＸR
を変数とした運動方程式は数２の線形微分方程式で表わ
される。

【００３２】

【数２】

【００３３】数２の微分方程式にラプラス変換を施し、
ｓ領域の変位ΘM（ｓ）、ＸR（ｓ）について解くと数３
が得られる。

【００３４】

【数３】

【００３５】図４は入力ＴM（ｓ）としたΘM（ｓ）、Ｘ
R（ｓ）のブロック線図であり、数３で算出したΘM
（ｓ）、ＸR（ｓ）の関係式に基づいて構成する。

【００３６】次に、数１、および数３の第１式より、Ｔ
ａ（ｓ）はΘM（ｓ）とＸR（ｓ）の偏差にバネ定数ｋM
を乗算して求められ、数４で表わされる。

【００３７】

【数４】

【００３８】図５は入力ＴM（ｓ）としたＴａ（ｓ）の
ブロック線図であり、数４で算出したｋM｛ΘM（ｓ）−
ＸR（ｓ）｝の関係式に基づいて構成する。

【００３９】数４より、図５の伝達関数Ｇ（ｓ）は数５
で表わされ、図６に数５に対応したブロック線図を示
す。

【００４０】

【数５】

【００４１】このように、図１の実補助トルク変換手段
２２Ｂを数５または図６で表わされる伝達関数Ｇ（ｓ）
のフィルタ手段で構成することにより、電動機トルクＴ
Mを入力して実補助トルクＴａを得ることができる。

【００４２】また、係数ＡおよびＢがそれぞれラプラス
演算子ｓに関して２次の関数を構成するため、数５また
は図６の伝達関数Ｇ（ｓ）は４次の関数を構成してフィ
ルタ手段が複雑になるので、４次の伝達関数Ｇ（ｓ）の
応答特性を近似できる範囲でフィルタ手段を２次の伝達
関数で構成し、フィルタ手段の簡略化を図るよう構成す
る。

【００４３】簡略化した２次の伝達関数Ｇ2（ｓ）は数
６で表わされ、この伝達関数Ｇ2（ｓ）の減衰係数を１
となるよう設定することにより、電動機トルクＴMに対
する実補助トルクＴａの応答を臨界状態にすることがで
き、オーバシュートやアンダシュートがなく最も短い時
間で最終値に近付けることができる。

【００４４】

【数６】

【００４５】なお、本実施例では実補助トルク変換手段
２２Ｂを伝達関数Ｇ（ｓ）を発生するフィルタ手段で構
成したが、伝達関数Ｇ（ｓ）をソフトで構成し、フィル
タ手段を構成するハードを省略することもできる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明に係る電動
式パワーステアリング装置は、実補助トルク演算手段に
電動機トルク演算手段と実補助トルク変換手段を備え、
電動機電流に基づいて電動機トルクを演算し、演算した
電動機トルクを力学モデルから構築した運動方程式に基
づいて解析した伝達関数を実現するフィルタ手段を介す
ることにより実補助トルクを得ることができる。

【００４７】また、フィルタ手段は、元のフィルタの伝
達関数の応答特性を近似できる範囲で簡略化することが
できる。

【００４８】よって、簡単な構成で電動機およびラック
の慣性トルクおよび粘性トルクの影響を考慮した実補助
トルクが得られる電動式パワーステアリング装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る電動式パワーステアリング装置
の制御系全体ブロック構成図

【図２】電動式パワーステアリング装置の自由度３の力
学モデル

【図３】この発明に係る電動式パワーステアリング装置
の自由度２の力学モデル

【図４】入力ＴM（ｓ）としたΘM（ｓ）、ＸR（ｓ）の
ブロック線図

【図５】入力ＴM（ｓ）としたＴａ（ｓ）のブロック線
図

【図６】数５に対応したブロック線図

【図７】従来の電動式パワーステアリング装置の全体構
成図

【図８】従来の電動式パワーステアリング装置の制御系
ブロック構成図

【符号の説明】

１…ハンドル、２…ステアリング軸、３…連結軸、３
ａ，３ｂ…自在継ぎ手、４…ステアリングギアボック
ス、５…ラック＆ピニオン機構、５ａ…ピニオン、６…
手動操舵力発生手段、７…ラック軸、７ａ…ラック歯、
８…タイロッド、９…前輪、１０電動機、１０ａ…駆動
側ヘリカル・ギア、１１…ボールねじ機構、１１ｂ…従
動側ヘリカル・ギア、１２…操舵トルク検出手段、１４
…制御部、１５…電動機駆動手段、１５Ａ…電動機電流
検出手段、１６…目標アシスト・トルク発生手段、１
７，２４…電動機制御手段、２０…制御手段、２１…目
標補助トルク発生手段、２１Ａ…目標補助トルク変換手
段、２１Ｂ…目標補助トルク記憶手段、２２…実補助ト
ルク演算手段、２２Ａ…電動機トルク演算手段、２２Ｂ
…実補助トルク変換手段、２３…加算器、ＤS…ハンド
ル系減衰係数、ＤM…モータ系減衰係数、ＤR…ラック系
減衰係数、ＪS…ハンドルの慣性モーメント、ＪM…モー
タ（電動機）の慣性モーメント、ＪR…ラックの質量、
ｋS…ハンドル系のバネ定数、ｋM…モータ（電動機）系
のバネ定数、ｋR…ラック系のバネ定数、ｓ…ラプラス
演算子、ＴM…電動機トルク、Ｔａ…実補助トルク、ΘM
…モータ（電動機）系変位、ＸR…ラック系変位、Ｇ
（ｓ），Ｇ2（ｓ）…伝達関数。

フロントページの続き (72)発明者 向 良信 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (72)発明者 野呂 栄樹 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 平５−238409（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−290773（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−275057（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−41478（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステアリング系に作用する操舵トルクを
   検出する操舵トルク検出手段と、この操舵トルク検出手
   段から出力されるトルク信号に対応して目標補助トルク
   を発生する目標補助トルク発生手段と、電動機が発生す
   る実補助トルクを検出する実補助トルク演算手段と、前
   記目標補助トルク発生手段と前記実補助トルク演算手段
   からの信号に基づいて前記電動機を駆動する電動機駆動
   手段とを備えた電動式パワーステアリング装置におい
   て、 前記実補助トルク演算手段は、電動機電流検出手段が検
   出する電動機電流に基づいて電動機トルクを演算する電
   動機トルク演算手段と、電動機系およびラック系を構成
   する自由度２の力学モデルの運動方程式に基づいて演算
   された伝達関数を有するフィルタ手段を有し、前記電動
   機トルクを実補助トルクに変換する実補助トルク変換手
   段とを備えたことを特徴とする電動式パワーステアリン
   グ装置。
2. 【請求項２】 前記実補助トルク変換手段は、演算され
   た伝達関数が高次数の場合、２次の伝達関数で近似する
   フィルタ手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の
   電動式パワーステアリング装置。