JP3717305B2

JP3717305B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP3717305B2
Application number: JP13552098A
Authority: JP
Inventors: 建国傅
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1998-05-18
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2018-05-18
Also published as: JPH11321670A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電動モータの回転力によって操舵補助力を発生する電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
四輪車両に装備されている従来の電動パワーステアリング装置では、一般に、操舵トルク（路面からの反力）および車速に応じて操舵補助力が決定される。よって、停車時や低速走行時の操舵抵抗が大きいときには、比較的大きな操舵補助力をステアリング機構に与え、逆に、高速走行時には、操舵抵抗が小さいので、比較的小さな操舵補助力をステアリング機構に与える仕組みになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の電動パワーステアリング装置は、一般に、路面状態が変化した場合に操舵補助力を変化させるという構成にはなっていない。このため、路面状態によっては、運転者はハンドル操作を重いと感じたり、ハンドル操作が軽過ぎると感じたりすることがあるという課題があった。
【０００４】
より具体的に説明すると、たとえば乾燥したアスファルト道路の場合、車輪と路面との摩擦係数が大きいので、運転者はハンドル操作を重いと感じる。一方、圧雪路や氷路の場合は、車輪と路面との間の摩擦係数が非常に小さく、小さな力でハンドル操作ができる。
【０００５】
このため、圧雪路や氷路を走行中に操舵補助力が働くと、ハンドル操作が軽過ぎて車両挙動が不安定になる虞れがあるという課題がある。
【０００６】
この発明の目的は、かかる課題を解決し、路面状態に応じた適切な操舵補助力を発生することができる電動パワーステアリング装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、電動モータの回転力によって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おいて、車輪と路面との間の摩擦係数μ _cに対応する路面状態値γを求める手段と、求められた路面状態値γに基づいて、電動モータにより発生させる操舵補助力を変更する手段と、を含み、前記路面状態値γが予め定める滑り易い雪路（圧雪されていない雪が降り積もった状態の路面）を表わす値より小さくなったとき、電動モータにより操舵反力を発生させる制御手段をさらに含むことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記路面状態値γを求める手段は、操舵角センサ、車速センサ、ヨーレートセンサ、横加速度センサおよび前後加速度センサの各検出値に基づいて、操舵される車輪と路面との間の摩擦係数μ _cを算出する手段と、算出された摩擦係数μ _cを予め定める条件に当てはめて路面状態値γを導出する手段と、を含むことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置である。
【００１０】
上述の各構成によれば、路面状態値に基づいて操舵補助力が変更されるから、路面状態に適し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とすることができる。
【００１１】
特に、極めて滑り易い圧雪路や氷路の場合は、操舵補助力ではなく、操舵反力を発生させることにより、車両挙動の不安定化を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下には、図面を参照して、この発明の一実施形態について説明をする。
【００１３】
図１は、この発明の一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置の電気的構成をステアリング機構の断面構造とともに示すブロック図である。ステアリング機構１は、車幅方向に沿って配置されたラック１１と、このラック１１にギヤボックス１７内において噛合するピニオン部を先端に有するピニオン軸１２と、ラック１１の両端に回動自在に結合されたタイロッド１３と、このタイロッド１３の先端に回動自在に結合されたナックルアーム１４とを有している。ナックルアーム１４は、キングピン１５回りに回動自在に設けられており、このナックルアーム１４に操舵輪（通常は前輪）１６が取り付けられている。ピニオン軸１２の基端部は、ユニバーサルジョイントを介してステアリング軸に結合されており、このステアリング軸の一端にステアリングホイールが固定されている（いずれも図示せず）。この構成により、ステアリングホイールを回転させることによって、ラック１１がその長手方向に変位し、ナックルアーム１４がキングピン１５回りに回動して、操舵輪１６の方向が変化する。
【００１４】
このステアリング機構１に操舵補助力を与えるための電動パワーステアリング装置２は、ラック１１の途中部に関連して設けられた三相ブラシレスモータＭと、このモータＭをモータドライバ２１を介して駆動制御するためのコントローラ２０とを備えている。
【００１５】
コントローラ２０には、車速を検出する車速センサ２２、操舵トルクを検出するトルクセンサ２３、モータＭの回転角を検出するモータ回転角センサ２４、および、路面状態値出力装置２５の各出力信号が入力されている。これらのセンサ２２，２３，２４および装置２５の出力信号に基づき、後述するように、コントローラ２０は、モータＭの駆動電流を制御し、これにより、ステアリング機構１に与える操舵補助力を増減する。
【００１６】
車速センサ２２は、たとえば、車輪に関連して設けられ、車輪の回転速度に対応した周期でパルス信号を出力する車輪速センサによって実現される。この場合は、パルス信号の周期または周波数を計測することによって、車両の速さである車速を求めることができる。車速センサ２２の出力は、また、路面状態値出力装置２５へも与えられている。
【００１７】
トルクセンサ２３は、ステアリングシャフトをステアリングホイール側の入力軸とピニオン軸１２側の出力軸とに分割しておき、これらの入力軸および出力軸の間をトーションバーで結合するとともに、このトーションバーのねじれ量を検出する構成によって実現される。つまり、ステアリングホイールに加えられたトルクとトーションバーのねじれ量が一対一に対応するので、このねじれ量をポテンショメータ等の適当な検出機構で検出することによって操舵トルクを検出することができる。
【００１８】
モータ回転角センサ２４は、ロータリエンコーダ等で構成され、モータＭの回転角の検出を通じて、ラック１１の車幅方向位置または変位量を検出し、これにより、操舵角度または操舵角度変化量を検出することができるようになっている。
【００１９】
路面状態値出力装置２５は、たとえば図２のような回路構成になっている。
【００２０】
図２を参照して、路面状態値出力装置２５には、操舵角センサ５１の出力θ、車速センサ２２の出力Ｖ、ヨーレートセンサ５２の出力Ψ′、横加速度センサ５３の出力Ｙｇ、および前後加速度センサ５４の出力Ｘｇが与えられる。路面状態値出力装置２５には、各センサからの信号に基づいて演算処理を行う演算処理部５５が備えられている。この演算処理部５５において、車輪（具体的には操舵輪である前輪）と路面との間の摩擦係数（正確には、前輪のコーナリング摩擦係数である。）μ_Cが演算される。路面状態値出力装置２５には、さらに、摩擦係数μ_Cを路面状態値γに変換するためのμ_C−γ変換テーブル５６が備えられている。この結果、路面状態値出力装置２５からは路面状態値γが出力される。なお、演算処理部５５において行われる摩擦係数μ_Cの演算については、後に詳述する。
【００２１】
図１に戻って、モータＭに関連する構成について概説すれば、ラック１１の途中部には、ねじ軸部３１が形成されており、このねじ軸部３１には複数のボールを介してボールナット３２が螺合していて、これによりボールねじ機構３０が形成されている。ラック１１は、モータＭの中央を貫いている。このラック１１を取り囲むようにモータＭのロータ４１が配置されており、さらに、このロータ４１を取り囲むようにモータＭのステータ４２が配置されている。そして、ロータ４１とボールナット３２とが連結されている。
【００２２】
モータＭのケース４０とボールナット３２との間には、軸受け３５，３６が介挿されており、また、ケース４０とロータ４１の一端部付近との間には軸受け３７が介挿されている。そして、ロータ４１の上記一端部に、モータ回転角センサ２４が配置されている。
【００２３】
この構成により、モータＭに通電してロータ４１にトルクを与えると、このロータ４１に連結されているボールナット３２にトルクが伝達される。このトルクは、ボールねじ機構３０によって、ラック１１の車幅方向への駆動力に変換される。こうして、モータＭを駆動源とした操舵補助力がステアリング機構１に与えられる。
【００２４】
図３は、コントローラ２０によるモータＭの制御のための処理を説明するためのフローチャートである。コントローラ２０は、まず、トルクセンサ２３および車速センサ２２の出力信号を取り込んで、操舵トルクＴ_Vおよび車速Ｖについてのデータを収集する（ステップＳ１，Ｓ２）。
【００２５】
操舵トルクＴ_Vは、トーションバーに生じるねじれ角度と一定の関係にあるから、このねじれ角度を検出することにより測定される。
【００２６】
操舵トルクＴ_Vおよび車速Ｖについてのデータが収集されると、次いで、コントローラ２０は、車速Ｖに基づいて、車速係数Ｃｖを求める（ステップＳ３）。
【００２７】
車速係数Ｃｖは、予め車速Ｖに応じて定められており、車速Ｖが大きくなるほど小さい値となるようにされている。実際には、たとえば、車速Ｖ＝５，１０，３０，８０（ｋｍ／ｈ）に対する車速係数Ｃｖの値がコントローラ２０内のメモリ２０Ｍ（図１参照）に記憶されていて、これらの値以外の車速Ｖに対する車速係数Ｃｖは、直線補間処理等の演算によって求められる。
【００２８】
次いで、コントローラ２０は、路面状態値出力装置２５から出力される路面状態値γを取り込む（ステップＳ４）。
【００２９】
ここで、路面状態値γの算出の仕方について説明をする。図２に示すように、路面状態値γを求めるためには、まず、演算処理部５５において操舵車輪と路面との間の摩擦係数μ_Cが算出される。
【００３０】
図４および図５に、演算処理部５５で行われる摩擦係数μ_Cの算出処理のフローチャートを示す。
【００３１】
図４および図５に表示されている各記号について、ここで一括して説明しておく。
【００３２】
θ：操舵角で、操舵角センサ５１から得られる。
【００３３】
Ｖ：車速であり、車速センサ２２から得られる。
【００３４】
Ψ′：ヨーレートであり、ヨーレートセンサ５２から得られる。
【００３５】
Ｙｇ：横加速度であり、横加速度センサ５３から得られる。
【００３６】
Ｘｇ：前後加速度であり、前後加速度センサ５４から得られる。
【００３７】
Ｎ：ステアリングギヤ比であり、既知値。
【００３８】
Ｈｇ：車両重心地上高であり、既知値。
【００３９】
Ｌ：ホイールベース長であり、既知値。
【００４０】
Ｗ：車両重量であり、既知値。
【００４１】
Ｗ_f0：前輪静荷重であり、既知値。
【００４２】
Ｗ_r0：後輪静荷重であり、既知値。
【００４３】
Ｉ：ヨーイング慣性モーメントであり、既知値。
【００４４】
ｍ：慣性質量であり、既知値。
【００４５】
β（ｎ−１）：車体スリップ角の前回値である。初回値は初期設定により設定される。
【００４６】
β（ｎ）：車体スリップ角の今回値であり、計算値である。
【００４７】
Ψ″：ヨー角加速度で、ヨーレートΨ′の時間微分値である。
【００４８】
δ_f：前輪転舵角である。δ_f＝θ／Ｎの関係がある。
【００４９】
ｗ_f：前輪荷重であり計算値である。
【００５０】
ｗ_r：後輪荷重であり計算値である。
【００５１】
Ｌ_f：前車軸と車両重心点間処理であり、計算値である。
【００５２】
Ｌ_r：後車軸と車両重心点間処理であり、計算値である。
【００５３】
Ｙ_f：前輪横力であり、計算値である。
【００５４】
Ｙ_r：後輪横力であり、計算値である。
【００５５】
β_f：前輪スリップ角であり、計算値である。
【００５６】
β_r：後輪スリップ角であり、計算値である。
【００５７】
ＣＦ_f：前輪コーナリングフォースであり、計算値である。
【００５８】
ＣＦ_r：後輪コーナリングフォースであり、計算値である。
【００５９】
Ｃ_pf：前輪コーナリングパワーであり、計算値である。
【００６０】
Ｃ_pr：後輪コーナリングパワーであり、計算値である。
【００６１】
μ_C：前輪コーナリング摩擦係数であり、計算値である。
【００６２】
なお、μ_C＝ＣＦ_f／Ｗ_fの関係がある。
【００６３】
図４を参照して、操舵角センサ５１、車速センサ２２、ヨーレートセンサ５２、横加速度センサ５３および前後加速度センサ５４から、それぞれ、θ，Ｖ，Ψ′，Ｙｇ，Ｘｇが読み込まれる（ステップＳ１１）。そして読み込んだ値および既知値に基づいて、まず前輪転舵角δ_fが算出される（ステップＳ１２）。次いで前輪荷重ｗ_fおよび後輪荷重ｗ_rが算出される（ステップＳ１３）。
【００６４】
次いで前車軸−重心点距離Ｌ_fおよび後車軸−重心点距離Ｌ_rがそれぞれ算出される（ステップＳ１４）。
【００６５】
次いで前輪横力Ｙ_fおよび後輪横力Ｙ_rがそれぞれ算出される（ステップＳ１５）。
【００６６】
さらに前輪スリップ角β_fおよび後輪スリップ角β_rが算出される（ステップＳ１６）。
【００６７】
次に、図５を参照して、さらに前輪コーナリングフォースＣＦ_fおよび後輪コーナリングフォースＣＦ_rが算出される（ステップＳ１７）。
【００６８】
次いで前輪コーナリングパワーＣ_pfおよび後輪コーナリングパワーＣ_prが算出される（ステップＳ１８）。
【００６９】
さらにこれらの算出された値を用いて車体スリップ角β（ｎ）が算出される（ステップＳ１９）。
【００７０】
そして最終的に前輪コーナリング摩擦係数μ_Cが算出される（ステップＳ２０）。
【００７１】
この処理が微少時間毎に繰返されて、操舵車輪（具体的には前輪）と路面との摩擦係数μ_Cがほぼリアルタイムに算出される。
【００７２】
図４および図５のフローチャートに示すようにして、前輪コーナリング摩擦係数μ_Cが求められると、その求められた摩擦係数μ_Cは、図２に示すμ_C−γ変換テーブル５６に当てはめられて、路面状態値γが導出される。
【００７３】
以上の説明では、路面状態値出力装置２５は、コントローラ２０（図１参照）とは別に設けられているものとして説明したが、路面状態値出力装置２５、すなわち演算処理部５５および変換テーブル５６は、コントローラ２０内に備えられていてもよい。
【００７４】
図３に戻って、ステップＳ４で路面状態値γが取り込まれると、次のステップＳ５では、路面状態値γが、γ＜０か否かの判別がされる。路面状態値γは、この実施形態では、雪路の状態を基準に設定されており、圧雪されていない雪が降り積もった状態の路面状態値γが「０」とされている。
【００７５】
よって、図２の変換テーブル５６に示すように、路面が乾燥したドライ路では、摩擦係数μ_Cおよび路面状態値γが大きく、路面が濡れたウエット路では、路面状態値γは正の小さな値であり、雪路は路面状態値γ＝０であり、車両が通行することにより雪が踏み固められた圧雪路は、摩擦係数μ_Cはより小さくなり、路面状態値γは負の小さな値となる。さらにアイスバーンになった氷路は、路面状態値γは負の相対的に大きな値となる。
【００７６】
かかる変換テーブル５６の内容は、予め、実測等により求められたものである。
【００７７】
図３のステップＳ５で、路面状態値γが０より小さくなければ、ステップＳ６において、操舵補助力Ｔが算出される。操舵補助力Ｔは、
操舵補助力Ｔ＝車速係数Ｃｖ×操舵トルクＴ_V×路面状態値γ
として計算される。そして求められた操舵補助力Ｔが得られるように制御信号をモータドライバ２１に与える（ステップＳ８）。
【００７８】
一方、ステップＳ５でγ＜０の場合には、ステップＳ７で、操舵反力Ｔ_Rの演算が行われる。
【００７９】
そしてこの場合は、ステップＳ７で求められた操舵反力Ｔ_Rが得られるように制御信号をモータドライバ２１に与える（ステップＳ８）。
【００８０】
以上の処理が微少時間毎に実行される。
【００８１】
従って、路面状態に応じた最適な操舵補助力が発生され、場合によっては操舵反力が発生されるので、運転者は、路面状態に関わらず、常に最適な操舵フィーリングが味わえる。よって運転に不安がなく、安全な操舵が行える。
特に、雪路や氷路におけるステアリング操作を抑制して車両挙動の不安定化を防止することができる。
【００８２】
【発明の効果】
この発明によれば、路面状態に対応して操舵補助力が変更されるので、運転者は路面状態に関わらず、良好な操舵フィーリングを得ることができる。
【００８３】
またこの発明によれば、雪路や氷路での車両挙動の不安定化を防ぐことのできる電動パワーステアリング装置とすることができ、操縦安定性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の電動パワーステアリング装置の電気的構成をステアリング機構の断面構造とともに示すブロック図である。
【図２】この発明の一実施形態にかかる路面状態値出力装置２５の構成を説明するためのブロック図である。
【図３】操舵補助力制御動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】前輪コーナリング摩擦係数μ_Cを算出するためのフローチャートである。
【図５】前輪コーナリング摩擦係数μ_Cを算出するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ステアリング機構
２電動パワーステアリング装置
Ｍモータ
２０コントローラ
２２車速センサ
２３トルクセンサ
２５路面状態値出力装置
５５演算処理部
５６ μ_C−γ変換テーブル

Claims

電動モータの回転力によって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おいて、
車輪と路面との間の摩擦係数μ _cに対応する路面状態値γを求める手段と、求められた路面状態値γに基づいて、電動モータにより発生させる操舵補助力を変更する手段と、を含み、
前記路面状態値γが予め定める滑り易い雪路（圧雪されていない雪が降り積もった状態の路面）を表わす値より小さくなったとき、電動モータにより操舵反力を発生させる制御手段をさらに含むことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記路面状態値γを求める手段は、
操舵角センサ、車速センサ、ヨーレートセンサ、横加速度センサおよび前後加速度センサの各検出値に基づいて、操舵される車輪と路面との間の摩擦係数μ _cを算出する手段と、
算出された摩擦係数μ _cを予め定める条件に当てはめて路面状態値γを導出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。