JP3641514B2

JP3641514B2 - 電動式パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP3641514B2
Application number: JP21619295A
Authority: JP
Inventors: 健司古川
Original assignee: ティーアールダブリュオートモーティブジャパン株式会社
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2015-08-24
Also published as: EP0760325A2; US5767642A; EP0760325A3; DE69617834T2; EP0760325B1; DE69617834D1; ES2164845T3; JPH0958492A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動式パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、応答性の良さや小型軽量化が可能であるといった利点から、電動式パワーステアリング装置が注目されるようになってきた。こうした電動式パワーステアリング装置においては、操舵軸の上部と下部とを連結するトーションバーに発生する入力トルクの大きさを検出し、車速と入力トルクとに基づいて電動モータへのアシストトルク指令値を決定し、駆動制御するという手法が採用されている。
【０００３】
ところで、最近では、エアバッグの普及に伴い、ハンドルの重量が増加し、ハンドル手放し時の収れん性が悪くなる傾向にある。こうした問題に対して、ハンドル角速度に基づいてハンドルの慣性モーメントを考慮した補正を行うようにした装置が提案されている（特開平５−２３８４０９号公報）。
【０００４】
しかし、ハンドル角速度を検出するためのセンサをハンドルに追加するのは部品増になるので好ましくない。そこで、ラック軸の動きから操舵加速度を検出する手法（特公平４−５３７４８号公報）などを利用する方法が考えられる。
ところが、ハンドルを操舵していない状態であっても、路面からの外乱によってラック軸が動こうとする場合があるため、特開平５−２３８４０９号公報に記載の発明と同様な補正を行うと、ハンドルの慣性モーメントを逆方向へ考慮してしまうおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、電動式パワーステアリング装置において、このような外乱が入っても、逆方向の制御を行うことなく、適切な補償を行うことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段、発明の実施の形態及び発明の効果】
本発明の電動式パワーステアリング装置は、操舵軸のトーションバーに発生するねじりトルクを検出するトルク検出手段と、車速を検出する車速検出手段と、ねじりトルク及び車速に基づいて、アシストトルク指令値を演算する指令値演算手段と、操舵加速度を検出する操舵加速度検出手段と、ハンドルの慣性モーメントの情報を与える慣性モーメント情報付与手段と、慣性モーメント情報付与手段によって付与された情報、及び操舵加速度検出手段によって検出された操舵加速度に基づいてハンドルの慣性モーメントに対する補正値を算出する慣性モーメント補正値算出手段と、アシストトルク指令値に対し、慣性モーメント補正値算出手段により算出された補正値を加算又は減算した値をもってトルク指令値として駆動電流を決定し、モータ駆動回路への通電を行って、電動モータによる操舵アシスト力を発生させるアシスト力発生手段とを備える電動式パワーステアリング装置において、操舵加速度検出手段が、ラック軸の移動状態に基づいて操舵加速度を推定する手段として構成され、ハンドル操舵開始時の加速度を正とし、ハンドル操舵終了時の加速度を負とした場合における操舵速度の正負とねじりトルクの正負との関係から、路面からの逆入力状態であるか否かを判定する逆入力判定手段と、該逆入力判定手段によって逆入力状態であると判定された場合には、慣性モーメント補正値算出手段により算出された補正値による補正を行わないようにする慣性モーメント補正キャンセル手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
ここで、操舵速度及び操舵加速度は、電動モータの回転角速度及び回転角加速度に係数を乗算するようにしてもよいし、ラック軸のストローク速度及びストローク加速度に係数を乗算するようにしてもよく、この場合の係数は、ハンドルの慣性モーメントとひっくるめた形で与えられてもよい。必ずしも操舵速度及び操舵加速度自体が求められていなくてもよいのである。
【０００８】
この電動式パワーステアリング装置によれば、ラック軸が右方向へ移動しようとしているのにトーションバーのねじりトルクが左操舵に対応するものとなっているときには、慣性モーメント補正キャンセル手段が作動して補正を行わない。従って、路面からの外乱によってラック軸が移動しようとしている場合に、これを増長させるようなアシストトルク指令は出力されない。
【０００９】
逆に、ハンドルを急操舵したような場合には、ねじりトルクの方向とラック軸の移動方向とが一致するので、上記の様なキャンセルは行われず、適切な補正が加算されたアシストトルク指令値が出力される。従って、運転者がハンドルを重く感じるといった違和感を受けることがない。
【００１０】
また、操舵からハンドル停止に移行するような場合には操舵加速度が負の値になるので、補正はアシストトルクを減少させる方向に作用し、ハンドルに抵抗を与えて停止時にハンドルがオーバーシュートするのを防止する。これにより、ハンドル停止の収れん性が向上する。
【００１１】
なお、例えば、右操舵を正、左操舵を負としてアシストトルク指令値を定義しておくと、右操舵の場合には補正値を加算し、左操舵の場合には補正値を減算することになる。
より具体的には、前記電動モータが、ラック軸と同軸的に設けられ、ロータをボールナットとして機能させつつラック軸のストロークをアシストするステッピングモータであり、前記操舵加速度検出手段を、前記ステッピングモータの位相角を検出する位相角検出手段と、該位相角検出手段の検出した位相角の変化状態に基づいて操舵速度を推定する操舵速度推定手段と、該推定された操舵速度の変化状態に基づいて操舵加速度を推定する操舵加速度推定手段とから構成するとよい。
【００１２】
この場合、前記ステッピングモータがＶＲモータであり、前記位相角検出手段がレゾルバであるとよい。ＶＲモータは永久磁石を用いないので、モータ慣性モーメントが小さく、レゾルバは高分解能を達成する上で有利なことから、操舵開始後の速い時期に操舵加速度を推定し始めることができるからである。
【００１３】
以上説明した様に、本発明によれば、路面からの逆入力に対して誤動作を起こすことなくハンドルの慣性モーメントを考慮することができ、急ハンドル時にハンドルを重く感じさせたり手放し戻し時に収れん性を損なうことなく、快適な操舵操作を可能ならしめることができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を適用した電動式パワーステアリング装置の実施例について説明する。
実施例の電動式パワーステアリング装置では、図１に示すように、タイヤ１とタイロッド３を介して両端を連結されたラック軸５に、ラック歯７とスクリュー溝９とを設けてある。ラック歯７には操舵軸１１の下端に設けられたピニオン歯車１３を噛み合わせ、マニュアルステアリングを可能にしている。また、スクリュー溝９には、これを取り囲む様にラック軸５と同軸的にステッピングモータ１５を取り付け、両者の間にボール１７を介在させてアシスト用のボールスクリューを構成している。
【００１５】
このステッピングモータ１５は、電子制御装置（ＥＣＵ）３０によって駆動制御される。ＥＣＵ３０には、操舵軸１１に取り付けられて入力トルクの大きさを検出するトルクセンサ２１、ステッピングモータ１５のポジションを検出するポジションセンサ２３及び車速センサ２５からの検出信号が入力される。ＥＣＵ３０は、これら検出信号に基づいて、アシストトルク指令値を演算し、この指令値に従って、ステッピングモータ１５に対してバッテリ２７からの駆動電力を供給する。
【００１６】
トルクセンサ２１は、操舵軸上部と下部とを連結するトーションバーのねじれによって生じる歪の大きさに対応するアナログ信号を出力するものである。ポジションセンサ２３は、ステッピングモータ１５に装着されたレゾルバであり、ステッピングモータ１５の位相角に対応する波形信号を出力するものである。車速センサ２５は、スピードメータケーブル用の出力軸が１回転する毎に１パルスの信号を出力するものである。
【００１７】
ステッピングモータ１５は、ＶＲ型の４相励磁方式のものであり、その駆動回路の概略を示すと、図２の様に構成される。
第１相と第３相、第２相と第４相がそれぞれグループに分けられている。そして、各グループについてバッテリ２７の正側とを結ぶコモンラインが設けられ、そこにそれぞれ１個ずつのＭＯＳ型ＦＥＴ（ＱＡ，ＱＢ）が配置されている。また、各相は独立ラインでバッテリ２７の負側と接続され、そこに各１個のＭＯＳ型ＦＥＴ（Ｑ１〜Ｑ４）が配置されている。なお、駆動回路内には、リカバリー用として、ダイオードＤＡ，ＤＢ，Ｄ１〜Ｄ４が配置されている。
【００１８】
この駆動回路により、左操舵及び右操舵に対して、それぞれ定められている順番に各相を励磁し、左右へのアシスト力を発生する様になっている。
ＥＣＵ３０は、その果たす役割に着目してブロック図に表すと図３の様になる。
【００１９】
まず、入力部４０として、トルクセンサ２１からの検出信号を入力し、これを入力トルクデータに換算するための入力トルク換算部４１と、車速センサ２５からの車速パルス信号を入力し、これを車速データに換算するための車速換算部４２と、ポジションセンサ２３からの波形信号を入力し、これを位相角に換算する位相角換算部４３とを備えている。
【００２０】
演算部５０には、入力トルクデータＴinと車速データＶに基づいてアシストトルク指令値Ｔcmd を演算する指令値演算部５１と、位相角θの変化に基づいてステッピングモータの角速度ｄθ／ｄｔを演算する角速度演算部５２と、この回転角速度ｄθ／ｄｔに基づいて角加速度ｄ² θ／ｄｔ² を演算する角加速度演算部５３と、位相角θを補正する位相角補正部５４と、角加速度ｄ² θ／ｄｔ² 及びハンドル慣性モーメントＪに基づいてトーションバーより上部の慣性トルク（上部慣性トルク）ＴJ を演算する上部慣性トルク演算部５５と、前記ハンドル慣性モーメントＪを与えるハンドル慣性係数記憶部５６と、前記演算された角速度ｄθ／ｄｔと入力トルクＴinとに基づいて路面からの逆入力状態か否かを判定する逆入力判定部５７と、この逆入力判定部５７の判定結果を加味しつつ上部慣性トルクＴJ に基づいてアシストトルク指令値Ｔcmd を補正するための指令値補正部５８と、アシストトルク指令値Ｔcmd に基づいて駆動電流値を算出すると共に、入力トルクの正負により操舵方向を特定して励磁順を決定し、補正された位相角に基づいて励磁相を特定する励磁相＆電流値演算部５９とを備えている。
【００２１】
指令値演算部５１が実行する演算は、従来公知のものと同じであり、入力トルクＴ_inに比例したアシストルク指令値Ｔ_cmd を算出する。
角速度演算部５２は、前回演算タイミングにおける位相角と今回演算された位相角との差分からモータの角速度を算出する。角加速度演算部５３は、前回演算タイミングにおいて演算されていた角速度と今回演算された角速度との差分から角加速度を算出する。そして、位相角補正部５４は、今回検出された位相角に、角速度を加味して、次の演算タイミングまでの位相角の変化を予測する。
【００２２】
ハンドル慣性係数記憶部５６は、以下の式で与えられるハンドルの慣性モーメントＪを記憶している。この慣性モーメントＪは、車種毎に固有の値が予め算出され、記憶されている。
【００２３】
【数１】
Ｊ＝Σｍｒ² …（１）
ここで、ｍ：ハンドルの微小部分の重量、ｒ：ハンドル中心から当該微小部分の中心までの距離。
【００２４】
上部慣性トルク演算部５５は、下記式に基づいて上部慣性トルクＴJ を演算する。
【００２５】
【数２】
ＴJ ＝Ｋ・ｄ² θ／ｄｔ² ・Ｊ …（２）
ここで、Ｋ：換算のための係数。
なお、上部慣性トルクＴJ は、ｄ² θ／ｄｔ² の符号により、正の値になったり負の値になったりする。ハンドル操舵開始時には加速度が正となるから上部慣性トルクＴJ も正の値となる。一方、ハンドル操舵の終了時には加速度が負となるから上部慣性トルクＴJ も負の値となる。
【００２６】
逆入力判定部５７は、角速度ｄθ／ｄｔの正負と入力トルクＴinの正負との関係からとに基づいて路面からの逆入力状態か否かを判定する。なお、例えば、右操舵の場合に角速度ｄθ／ｄｔ及び入力トルクＴinが正となり、左操舵の場合に負となるように予め符号を取り決めておく。この逆入力判定部５７は、角速度ｄθ／ｄｔ及び入力トルクＴinの正負が一致した場合には、逆入力状態ではないと判定し、正負が不一致の場合に、逆入力状態であると判定する。
【００２７】
指令値補正部５８は、下記式に基づいてアシストトルク指令値Ｔcmd を補正する。
【００２８】
【数３】
右操舵時Ｔcmd ← Ｔcmd ＋ＴJ …（３）
左操舵時Ｔcmd ← Ｔcmd −ＴJ …（４）
ここで、本実施例では、右操舵の場合にアシストトルク指令値Ｔcmd が正となり、左操舵の場合に負となるように定義してあるものとする。
【００２９】
前述したように、ＴJ は、ハンドル加速時には正の値となり、ハンドル減速時には負の値となる。よって、アシストトルク指令値Ｔcmd の絶対値に着目すると、操舵開始時には絶対値を増量補正し、操舵終了時には絶対値を減量補正することとなる。
【００３０】
以上の演算部の処理内容をアルゴリズムで説明すると図４の様になる。
まず、入力部４０から入力トルクＴin、車速Ｖ及び位相角θを入力し（Ｓ１０）、この内、Ｔin及びＶからアシストトルク指令値Ｔcmd を演算する（Ｓ２０）。また、位相角θから角速度ｄθ／ｄｔと、角加速度ｄ² θ／ｄｔ² とを演算する（Ｓ３０）。そして、ハンドル慣性モーメントＪを読み込み（Ｓ４０）、上述した（２）式の演算を実行してハンドル慣性トルクＴJ を演算する（Ｓ５０）。
【００３１】
次に、入力トルクＴinと角速度ｄθ／ｄｔを乗算した結果の正負を判定する（Ｓ６０）。正と判定された場合には、Ｔinの正負を判定し（Ｓ７０）、正の場合には上記（３）式により、負又は０の場合には上記（４）式によりアシストトルク指令値Ｔcmd の補正を実行する（Ｓ８０，Ｓ９０）。一方、Ｓ６０にて「ＮＯ」と判定された場合には、こうした補正を行わない。なお、Ｓ６０，Ｓ７０において０の場合にはどちらへ移行するようにしても結果は同じである。
【００３２】
以上の様に構成した結果、本実施例によれば、路面からの逆入力に対して誤動作を生じることなく、操舵開始時にはハンドルの重さを感じさせなくする方向にアシストトルクを増大させ、操舵終了時にはハンドルに適度の重さを与えて行き過ぎを防止するようにアシストトルクを減少させる。これにより、エアバッグ搭載車の様にハンドルの重量が増しても、運転者のフィーリングを損なうことなく、快適なパワーアシスト操舵を実現することができる。
【００３３】
また、ハンドルに速度センサや加速度センサを追加することなく、ステッピングモータの制御用に元々備えられているレゾルバを利用して操舵加速度を推定するようにしたので、部品点数の増加を招くことなく上記の効果を達成できる。
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々なる態様に変形することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の電動式パワーステアリング装置の全体を示す構成図である。
【図２】実施例におけるステッピングモータ駆動回路の回路構成図である。
【図３】実施例におけるＥＣＵの機能ブロック図である。
【図４】実施例における演算処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１・・・車輪、３・・・タイロッド、５・・・ラック軸、７・・・ラック歯、９・・・スクリュー溝、１１・・・操舵軸、１３・・・ピニオン歯車、１５・・・ステッピングモータ、１７・・・ボール、２１・・・トルクセンサ、２３・・・ポジションセンサ、２５・・・車速センサ、２７・・・バッテリ、３０・・・ＥＣＵ、４１・・・入力トルク換算部、４２・・・車速換算部、４３・・・位相角換算部、５１・・・指令値演算部、５２・・・角速度演算部、５３・・・角加速度演算部、５４・・・位相角補正部、５５・・・上部慣性トルク演算部、５６・・・ハンドル慣性係数記憶部、５７・・・逆入力判定部、５８・・・指令値補正部、５９・・・励磁相＆電流値演算部。

Claims

操舵軸のトーションバーに発生するねじりトルクを検出するトルク検出手段と、
車速を検出する車速検出手段と、
前記ねじりトルク及び車速に基づいて、アシストトルク指令値を演算する指令値演算手段と、
操舵加速度を検出する操舵加速度検出手段と、
ハンドルの慣性モーメントの情報を与える慣性モーメント情報付与手段と、
前記慣性モーメント情報付与手段によって付与された情報、及び前記操舵加速度検出手段によって検出された操舵加速度に基づいてハンドルの慣性モーメントに対する補正値を算出する慣性モーメント補正値算出手段と、
前記アシストトルク指令値に対し、前記慣性モーメント補正値算出手段により算出された補正値を加算又は減算した値をもってトルク指令値として駆動電流を決定し、モータ駆動回路への通電を行って、電動モータによる操舵アシスト力を発生させるアシスト力発生手段と
を備える電動式パワーステアリング装置において、
前記操舵加速度検出手段が、ラック軸の移動状態に基づいて操舵加速度を推定する手段として構成され、
ハンドル操舵開始時の加速度を正とし、ハンドル操舵終了時の加速度を負とした場合における操舵速度の正負とねじりトルクの正負との関係から、路面からの逆入力状態であるか否かを判定する逆入力判定手段と、
該逆入力判定手段によって逆入力状態であると判定された場合には、前記慣性モーメント補正値算出手段により算出された補正値による補正を行わないようにする慣性モーメント補正キャンセル手段と
を備えることを特徴とする電動式パワーステアリング装置。
前記電動モータが、ラック軸と同軸的に設けられ、ロータをボールナットとして機能させつつラック軸のストロークをアシストするステッピングモータであり、
前記操舵加速度検出手段を、前記ステッピングモータの位相角を検出する位相角検出手段と、該位相角検出手段の検出した位相角の変化状態に基づいて操舵速度を推定する操舵速度推定手段と、該推定された操舵速度の変化状態に基づいて操舵加速度を推定する操舵加速度定手段とから構成すること
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のストローク位置検出装置。
前記ステッピングモータがＶＲモータであり、前記位相角検出手段がレゾルバであることを特徴とする請求項２記載の電動式パワーステアリング装置のストローク位置検出装置。