JP4287219B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリングハンドルに入力される操舵トルクを車輪に伝達する操舵トルク伝達経路上の異なる位置に複数のモータを配置し、操舵トルクセンサで検出した操舵トルクに基づいて制御手段が前記複数のモータに供給する電流を制御する電動パワーステアリング装置に関する。

ステアリングハンドルにステアリングシャフトを介して接続されたピニオンシャフトに設けたピニオンを、ステアリングギヤボックスに摺動自在に支持されたラックバーに設けたラックに噛合させるとともに、前記ピニオンシャフトに設けたウオームホイールにモータの回転軸に設けたウオームを噛合させることで、ドライバーがステアリングハンドルに加える操舵トルクをモータが発生するアシストトルクでアシストする電動パワーステアリング装置が、下記特許文献１により公知である。
特開２００１−１０６１０１号公報

この種の電動パワーステアリング装置では、モータを駆動する際にトルク補償および位相補償を行っている。その主な目的は、ステアリングギヤボックスの共振周波数領域で操舵トルクセンサが検出した操舵トルクに対するアシストトルクのゲインを低下させることで、ステアリングギヤボックスの共振現象を抑制するとともに、操舵トルクの入力周波数が高くなるにつれて顕著になるゲイン落ちおよび位相遅れを補償することで、電動パワーステアリング装置の応答帯域を延ばすことである。

ところで、ＲＶ車両のような高軸荷重の車両に電動パワーステアリング装置を搭載する場合、大きなアシストトルクを得るために２個のモータを設けることが考えられる。例えば、ラックバーに形成したラックに、ステアリングハンドルに接続された第１ピニオンと、ステアリングハンドルに接続されない第２ピニオンとを噛合させ、第１、第２ピニオンをそれぞれ対応する第１、第２モータで駆動することで、ドライバーのステアリング操作を効果的にアシストすることができる。

第１、第２モータはドライバーがステアリングハンドルに入力する操舵トルクに応じたアシストトルクを発生するように制御されるが、操舵トルクをステアリングハンドルから車輪に伝達する経路上の異なる位置に第１、第２モータが配置されていると、操舵トルクセンサに近い第１モータに対して操舵トルクセンサから遠い第２モータには、操舵トルクセンサへのトルク伝達特性のゲイン落ちや位相遅れが顕著に現れるため、第１、第２モータの制御系に特別の配慮を加えないと安定した制御ができなくなる可能性がある。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたもので、複数のモータを備えた電動パワーステアリング装置の制御系の安定化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ステアリングハンドルに入力される操舵トルクを車輪に伝達する操舵トルク伝達経路上の異なる位置に複数のモータを配置し、操舵トルクセンサで検出した操舵トルクに基づいて制御手段が前記複数のモータに供給する電流を制御する電動パワーステアリング装置において、前記制御手段は、前記複数のモータの目標電流を算出するための前記操舵トルクの位相を補償する補償手段を、それぞれのモータ毎に有し、前記補償手段によって前記それぞれのモータ毎に前記操舵トルクの位相を補償することを特徴とする電動パワーステアリング装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記補償手段は、操舵トルクの位相に加えて操舵トルクのゲインを補償することを特徴とする電動パワーステアリング装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記複数のモータの目標電流は、前記操舵トルクの位相およびゲインを補償した後に算出されることを特徴とする電動パワーステアリング装置が提案される。

尚、実施例のゲイン・位相補償手段４２ａ，４２ｂは本発明の補償手段に対応し、実施例の第１、第２モータＭａ，Ｍｂは本発明のモータに対応し、実施例の電子制御ユニットＵは本発明の制御手段に対応する。

請求項１の構成によれば、操舵トルク伝達経路上の異なる位置に配置された複数のモータに供給する電流を、操舵トルクセンサで検出した操舵トルクに基づいて制御する際に、複数のモータのアシストトルクが操舵トルクセンサに伝達されるトルク伝達特性が異なっても、操舵トルクセンサで検出した操舵トルクの位相を複数のモータについて各々別個に補償することで、複数のモータに同一の開ループ伝達特性を持たせ、電動パワーステアリング装置の制御系の安定性を高めるとともに、マニュアルステアリング装置に近い良好な操舵フィーリングを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の一実施例を示すものであり、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４は図１の４−４線拡大断面図、図５は第１、第２モータの制御系のブロック図、図６は第１、第２モータから操舵トルクセンサへ伝達されるトルクの周波数特性を示すＢｏｄｅ線図、図７はゲイン・位相補償手段の入力トルクに対する出力トルクの周波数特性を示すＢｏｄｅ線図である。

図１に示すように、ステアリングハンドル１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２は、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４および下部ユニバーサルジョイント１５を介して、第１減速機１６ａから上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。第１減速機１６ａの下端に接続されたステアリングギヤボックス１８の左右両端から突出するタイロッド１９，１９が、左右の車輪ＷＬ，ＷＲの図示せぬナックルに接続される。第１減速機１６ａには第１モータＭａが支持されており、この第１モータＭａの作動が、第１減速機１６ａの内部に収納した操舵トルクセンサＳｔからの信号が入力される電子制御ユニットＵにより制御される。またステアリングギヤボックス１８に第２減速機１６ｂが設けられており、この第２減速機１６ｂに支持された第２モータＭｂも電子制御ユニットＵにより制御される。

図２および図３に示すように、第１減速機１６ａはステアリングギヤボックス１８と一体の下部ケース２１と、その上面にボルト２２…で結合された中間ケース２３と、その上面にボルト２４…で結合された上部ケース２５とを備えており、ステアリングギヤボックス１８および上部ケース２５にボールベアリング２６，２７で前記ピニオンシャフト１７が回転自在に支持される。ピニオンシャフト１７の下端に設けられたピニオン２８が、ステアリングギヤボックス１８の内部に左右移動自在に支持したラックバー２９に設けられらラック３０に噛合する。ステアリングギヤボックス１８に形成した貫通孔１８ａに押圧部材３１が摺動自在に収納されており、貫通孔１８ａを閉塞するナット部材３２との間に配置したスプリング３３で押圧部材３１をラックバー２９の背面に向けて付勢することで、ラックバー２９の撓みを抑制してラック３０をピニオン２８に正しく噛合させることができる。

第１減速機１６ａの内部に延びる第１モータＭａの回転軸３４は、一対のボールベアリング３５，３６で下部ケース２１に回転自在に支持される。第１モータＭａの回転軸３４に設けられたウオーム３７は、ピニオンシャフト１７に固定されたウオームホイール３８に噛合する。第１減速機１６ａおよび第１モータＭａは第１アシストトルク入力手段４０ａを構成する。

図４に示すように、第２減速機１６ｂの構造は第１減速機１６ａの構造と類似しているが、第２減速機１６ｂは上部ケース２５を備えておらず、ステアリングギヤボックス１８および中間ケース２３にボールベアリング２６，２７を介して短いピニオンシャフト１７が支持される。そしてピニオンシャフト１７の下端に設けたピニオン２８が、ラックバー２９のラック３０に噛合する。第２減速機１６ｂおよび第２モータＭａで構成される第２アシストトルク入力手段４０ｂのその他の構造は、第１実施例のそれと同じである。

従って、第１、第２モータＭａ，Ｍｂが駆動されると、それらの回転軸３４，３４に設けたウオーム３７，３７に噛合するウオームホイール３８，３８を介して第１、第２減速機１６ａ，１６ｂのピニオンシャフト１７，１７，が回転し、ピニオン２８，２８に噛合する共通のラック３０が駆動されることで、ドライバーがステアリングハンドル１１に加える操舵トルクが第１、第２モータＭａ，Ｍｂによってアシストされる。

図５に示すように、操舵トルクセンサＳｔで検出した操舵トルクが入力される電子制御ユニットＵでは、前記操舵トルクの高周波数領域のノイズをローパスフィルタ４１でカットした後に、その操舵トルク信号を第１、第２モータＭａ，Ｍｂに対応する２系統に分岐し、その一方をゲイン・位相補償手段４２ａを通過させてゲインおよび位相を補償した後に、補償後の操舵トルクに基づいて目標電流算出手段４３ａが第１モータＭａに供給する目標電流ＩＴＮａを例えばマップ検索により算出する。目標電流ＩＴＮａと第１モータＭａからフィードバックされる実電流との偏差はＰＩＤ制御手段４４ａに入力され、第１モータＭａが目標電流ＩＴＮａで駆動されるように電流フィードバック制御される。

同様に、２系統に分離された操舵トルク信号の他方をゲイン・位相補償手段４２ｂを通過させてゲインおよび位相を補償した後に、補償後の操舵トルクに基づいて目標電流算出手段４３ｂが第２モータＭｂに供給する目標電流ＩＴＮｂを例えばマップ検索により算出する。目標電流ＩＴＮｂと第２モータＭｂからフィードバックされる実電流との偏差はＰＩＤ制御手段４４ｂに入力され、第２モータＭｂが目標電流ＩＴＮｂで駆動されるように電流フィードバック制御される。

第１モータＭａの実電流にゲイン４５ａを乗算して算出したアシストトルクと、第２モータＭｂの実電流にゲイン４５ｂを乗算して算出したアシストトルクとが加算され、その加算値を操舵トルクセンサＳｔで検出した操舵トルクから減算した値が、前記ローパスフィルタ４１に入力される。

図６は、第１、第２モータＭａ，ＭｂからトルクセンサＳｔへ伝達されるトルクの周波数特性を示すＢｏｄｅ線図である。図６（Ａ）に示すゲインの周波数特性は実線で示す目標値に対してゲイン落ちしており、その減少量は破線で示す第２モータＭｂの方が、鎖線で示す第１モータＭａよりも大きくなっている。その理由は、第１モータＭａよりも第２モータＭｂの方が操舵トルクセンサＳｔまでの距離が大きいため、あるいは第１モータＭａよりも第２モータＭｂの方が操舵トルクセンサＳｔまでに存在するメカニカルな機構が多いためである。

また図６（Ｂ）に示す位相の周波数特性は実線で示す目標値に対して位相遅れしており、その遅れ量は破線で示す第２モータＭｂの方が、鎖線で示す第１モータＭａよりも大きくなっている。その理由は、第１モータＭａよりも第２モータＭｂの方が操舵トルクセンサＳｔまでの距離が大きいため、あるいは第１モータＭａよりも第２モータＭｂの方が操舵トルクセンサＳｔまでに存在するメカニカルな機構が多いためである。

図７は、ゲイン・位相補償手段４２ａ，４２ｂの入力トルクに対する出力トルクの周波数特性を示すＢｏｄｅ線図である。図７（Ａ）に示すゲインの周波数特性は、周波数が約１０Ｈｚ以上の領域で、破線で示す第２モータＭｂの方が、鎖線で示す第１モータＭａのゲインよりも大きくなっている。これにより、図６（Ａ）で説明した第１、第２モータＭａ，ＭｂからトルクセンサＳｔへ伝達されるトルクのゲイン落ちを的確に補償し、実線で示す目標とするゲイン特性を確保することができる。

また図７（Ｂ）に示す位相の周波数特性は、周波数が約１００Ｈｚ以下の領域で、破線で示す第２モータＭｂの位相進み量の方が、鎖線で示す第１モータＭａの位相進み量よりも大きくなっている。これにより、図６（Ｂ）で説明した第１、第２モータＭａ，ＭｂからトルクセンサＳｔへ伝達されるトルクの位相遅れを的確に補償し、実線で示す目標とする位相特性を確保することができる。

以上のように、ステアリングハンドル１１から左右の車輪ＷＬ，ＷＲに至る操舵トルク伝達経路上の異なる位置に第１、第２モータＭａ，Ｍｂを配置したことで、第１、第２モータＭａ，Ｍｂのアシストトルクが操舵トルクセンサＳｔに伝達されるトルク伝達特性が異なっても、操舵トルクセンサＳｔで検出した操舵トルクのゲインおよび位相を、第１、第２モータＭａ，Ｍｂに対して各々別個に設けたゲイン・位相補償手段４２ａ，４２ｂで補償することで、第１、第２モータＭａ，Ｍｂに同一の開ループ伝達特性を持たせ、電動パワーステアリング装置の制御系の安定性を高めるとともに、マニュアルステアリング装置に近い良好な操舵フィーリングを得ることができる。

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、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例の電動パワーステアリング装置は第１、第２モータＭａ，Ｍｂを備えているが、モータの数は３個以上であっても良い。

また位相補償はハードウエアおよびソフトウエアの何れによっても実施することが可能である。

また第１、第２モータＭａ，Ｍｂを配置する位置は実施例に限定されず、ステアリングハンドル１１から車輪ＷＬ，ＷＲへの操舵トルク伝達経路上の相異なる任意の位置に配置することができる。

実施例に係る電動パワーステアリング装置の全体斜視図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図 図１の４−４線拡大断面図 第１、第２モータの制御系のブロック図 第１、第２モータから操舵トルクセンサへ伝達されるトルクの周波数特性を示すＢｏｄｅ線図 ゲイン・位相補償手段の入力トルクに対する出力トルクの周波数特性を示すＢｏｄｅ線図

符号の説明

１１ ステアリングハンドル
４２ａ ゲイン・位相補償手段（補償手段）
４２ｂ ゲイン・位相補償手段（補償手段）
Ｍａ 第１モータ（モータ）
Ｍｂ 第２モータ（モータ）
Ｓｔ 操舵トルクセンサ
Ｕ 電子制御ユニット（制御手段）
ＷＬ 車輪
ＷＲ 車輪

Claims (3)

1. ステアリングハンドル（１１）に入力される操舵トルクを車輪（ＷＬ，ＷＲ）に伝達する操舵トルク伝達経路上の異なる位置に複数のモータ（Ｍａ，Ｍｂ）を配置し、操舵トルクセンサ（Ｓｔ）で検出した操舵トルクに基づいて制御手段（Ｕ）が前記複数のモータ（Ｍａ，Ｍｂ）に供給する電流を制御する電動パワーステアリング装置において、
   前記制御手段（Ｕ）は、前記複数のモータ（Ｍａ，Ｍｂ）の目標電流を算出するための前記操舵トルクの位相を補償する補償手段（４２ａ，４２ｂ）を、それぞれのモータ（Ｍａ，Ｍｂ）毎に有し、前記補償手段（４２ａ，４２ｂ）によって前記それぞれのモータ（Ｍａ，Ｍｂ）毎に前記操舵トルクの位相を補償することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記補償手段（４２ａ，４２ｂ）は、操舵トルクの位相に加えて操舵トルクのゲインを補償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. 前記複数のモータ（Ｍａ，Ｍｂ）の目標電流は、前記操舵トルクの位相およびゲインを補償した後に算出されることを特徴とする、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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