JP4553773B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車に搭載されステアリング操舵力を電動モータにより補助する電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置の操舵トルク制御は、基本的にステアリングホイールを操舵したときに、ステアリングシャフトに加わる操舵トルクに応じた補助力をモータから操舵機構に与え、操舵力を補助するものである。

例えば、特許文献１に開示された電動パワーステアリング装置では、ステアリングの舵角と車速に基づいて目標操舵トルクを推定し、同目標操舵トルクと検出された操舵トルクとの偏差に基づいてモータのフィードバック制御を行っている。

特開２００２−１２０７４３号公報

同特許文献１に開示された操舵トルク制御では、車速ごとにステアリングの舵角に対する目標操舵トルクの関係が予め決められて記憶されており、その記憶手段から舵角と車速に基づいて目標操舵トルクを抽出して推定している。

走行車両は、走向車輪が路面から受けるセルフアライニングトルクにより自然と舵角を０（中立位置）に近づけようとする復元力が働くので、ハンドル切込み時は主としてこのセルフアライニングトルクに打ち勝つトルクをモータの駆動によって得ることで、操舵力を補助することができる。
このセルフアライニングトルクは、舵角と車速によって異なるので、予め車速ごとに舵角に対する目標操舵トルクを決めておいて、同目標操舵トルクに基づいてモータを駆動制御することで、適切に操舵力を補助することができる。

しかし、特に低車速においては、セルフアライニングトルクは小さいため、路面に対するタイヤの摩擦およびハンドルからの動力伝達系の抵抗やモータの特性が操舵力に大きく作用して操舵フィーリングが不安定となる。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、常に安定した操舵フィーリングを得ることができる電動パワーステアリング装置を供する点にある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、アシストモータの駆動力がステアリング操舵力を補助する電動パワーステアリング装置において、操舵トルクを検出するトルクセンサと、車速を検出する車速センサと、舵角を検出する舵角検出手段と、舵角またはモータ回転角の角速度を検出する角速度検出手段と、前記舵角検出手段により検出された舵角と前記車速センサにより検出された車速に基づいてセルフアライニングトルクを演算するセルフアライニングトルク演算手段と、前記角速度検出手段により検出された角速度と前記車速センサにより検出された車速に基づいてステアリングのフリクショントルクを演算するフリクショントルク演算手段と、前記セルフアライニングトルク演算手段により演算されたセルフアライニングトルクに前記フリクショントルク演算手段により演算されたフリクショントルクを加算して目標操舵トルクを演算する目標操舵トルク演算手段と、前記目標操舵トルク演算手段により演算された目標操舵トルクと前記トルクセンサにより検出された操舵トルクとの差が０となるようにアシストモータを駆動制御する操舵トルクフィードバック制御手段とを備えた電動パワーステアリング装置とした。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動パワーステアリング装置において、前記セルフアライニングトルク演算手段が、予め決めた基準車速における舵角に対するセルフアライニングベーストルクの関係を記憶するセルフアライニングベーストルク記憶手段から前記舵角に基づいてセルフアライニングベーストルクを抽出するセルフアライニングベーストルク抽出手段と、予め決めた車速に対するセルフアライニングトルク乗算係数の関係を記憶するセルフアライニングトルク乗算係数記憶手段から前記車速に基づいてセルフアライニングトルク乗算係数を抽出するセルフアライニングトルク乗算係数抽出手段とを備え、前記セルフアライニングベーストルクに前記セルフアライニングトルク乗算係数を乗算してセルフアライニングトルクを算出することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の電動パワーステアリング装置において、フリクショントルク演算手段が、予め決めた停車時における前記角速度に対するフリクションベーストルクの関係を記憶するフリクションベーストルク記憶手段から前記角速度に基づいてフリクショントルクを抽出するフリクショントルク抽出手段と、予め決めた車速に対するフリクショントルク乗算係数の関係を記憶するフリクショントルク乗算係数記憶手段から前記車速に基づいてフリクショントルク乗算係数を抽出するフリクショントルク乗算係数抽出手段とを備え、前記フリクショントルクに前記フリクショントルク乗算係数を乗算してフリクショントルクを算出することを特徴とする。

請求項１記載の電動パワーステアリング装置によれば、舵角と車速に基づいて演算されたセルフアライニングトルクに、角速度と車速に基づいて演算されたフリクショントルクを加算して目標操舵トルクとし、同目標操舵トルクと検出操舵トルクとの差が０となるようにアシストモータをフィードバック駆動制御するので、特に低車速で小さくなるセルフアライニングトルクを補うようにフリクショントルクが加算され、路面に対するタイヤの摩擦などの影響をカバーして常に安定した操舵フィーリングを実現することができる。

請求項２記載の電動パワーステアリング装置によれば、セルフアライニングベーストルク記憶手段から抽出したセルフアライニングベーストルクに、セルフアライニングトルク乗算係数記憶手段から抽出したセルフアライニングトルク乗算係数を乗算してセルフアライニングトルクを算出するので、舵角と車速に基づき速やかにセルフアライニングトルクを導出することができる。

請求項３記載の電動パワーステアリング装置によれば、フリクションベーストルク記憶手段から抽出したフリクションベーストルクに、フリクショントルク乗算係数記憶手段から抽出したフリクショントルク乗算係数を乗算してフリクショントルクを算出するので、角速度と車速に基づき速やかにフリクショントルクを導出することができる。

以下、本発明に係る一実施の形態について図１ないし図８に基づいて説明する。
本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１の全体の概略後面図を図１に示す。

電動パワーステアリング装置１は、車両の左右方向（図１における左右方向に一致）に指向した略円筒状のラックハウジング２内にラック軸３が左右軸方向に摺動自在に収容されている。

ラックハウジング２の両端開口から突出したラック軸３の両端部にそれぞれジョイントを介してタイロッドが連結され、ラック軸３の移動によりタイロッドが動かされ、さらに転舵機構を介して車両の転舵輪が転舵される。

ラックハウジング２の右端部にステアリングギヤボックス４が設けられている。
ステアリングギヤボックス４には、ステアリングホイール（図示せず）が一体に取り付けられたステアリング軸にジョイントを介して連結される入力軸５が軸受を介して回動自在に軸支されており、図２に示すように入力軸５はステアリングギヤボックス４内でトーションバー６を介して相対的なねじり可能に操舵ピニオン軸７と連結されている。

この操舵ピニオン軸７のはす歯７ａがラック軸３のラック歯３ａと噛合している。
したがってステアリングホイールの回動操作により入力軸５に伝達された操舵力は、トーションバー６を介して操舵ピニオン軸７を回動して操舵ピニオン軸７のはす歯７ａとラック歯３ａの噛合によりラック軸３を左右軸方向に摺動させる。

ラック軸３は、ラックガイドスプリング８に付勢されたラックガイド９により背後から押圧されている。

ステアリングギヤボックス４の上部にはアシストモータＭが取り付けられ、アシストモータＭの駆動力を減速して操舵ピニオン軸７に伝達するウオーム減速機構10がステアリングギヤボックス４内に構成されている。

ウオーム減速機構10は、操舵ピニオン軸７の上部に嵌着されたウオームホイール11にアシストモータＭの駆動軸に同軸に連結されたウオーム12が噛合して構成されている。
アシストモータＭの駆動力をこのウオーム減速機構10を介して操舵ピニオン軸７に作用させて操舵を補助する。

なお、アシストモータＭには、その回転駆動軸の回転を直接検出するロータリエンコーダ、レゾルバなどの回転角センサ27が設けられている。

ウオーム減速機構10のさらに上方に操舵トルクセンサ20が設けられている。
トーションバー６の捩れをコア21の軸方向の移動に変換し、コア21の移動をコイル22，23のインダクタンス変化に変えて操舵トルクＴを検出している。
なお、トーションバー６の捩れを光学的に検出するトルクセンサでもよい。

以上のようなアシストモータＭをコンピュータにより駆動制御して操舵力を補助する操舵トルク制御装置30の概略ブロック図を図３に示す。
操舵トルク制御装置30は、指示信号（ＰＷＭ制御信号）をモータ駆動回路26に出力し、モータ駆動回路26がＰＷＭ制御信号に従ってアシストモータＭを駆動する。

なお、アシストモータＭには、その回転駆動軸の回転を直接検出するロータリエンコーダ、レゾルバなどの回転角センサ27が設けられている。
そして、操舵トルク制御装置30は、舵角検出手段51と角速度演算手段52を備えており、回転角センサ27が検出したモータ回転数ｎに基づき舵角検出手段51が舵角θを検出し、角速度演算手段52が同舵角θを時間微分して角速度ωを演算している。
なお、舵角θは、別途舵角センサを備えて、直接舵角センサにより求めてもよい。

操舵トルク制御装置30には、前記操舵トルクセンサ20が検出する操舵トルクＴのほかに、車速センサ25により検出される車速ｖが入力される。
操舵トルク制御装置30は、主としてセルフアライニングトルク演算手段31とフリクショントルク演算手段35の２つの演算手段を備えている。

セルフアライニングトルク演算手段31は、セルフアライニングベーストルク抽出手段32とセルフアライニングトルク乗算係数抽出手段33とを備える。
セルフアライニングベーストルク抽出手段32は、基準車速における舵角に対するセルフアライニングベーストルクの関係を記憶するセルフアライニングベーストルク（ＳＡＢＴ）記憶手段32ａから舵角θに基づいてセルフアライニングベーストルクＴsbを抽出する。

セルフアライニングベーストルク記憶手段32ａが記憶する基準車速Ｖｏにおける舵角θに対するセルフアライニングベーストルクＴsbの関係マップを、図４の座標に示す。
図４において、横軸の舵角θは、正の値が右舵角（θ＞０）、負の値が左舵角（θ＜０）を示す。

ここに、縦軸のセルフアライニングベーストルクＴsbは、正の値が右方向トルク（Ｔsb＞０）、負の値が左方向トルク（Ｔsb＜０）であって、実際のセルフアライニングトルクの反力として示している。
したがって、例えば右舵角θ（＞０）が大きくなれば、実際とは反対方向の右方向のセルフアライニングベーストルクＴsb（＞０）が大きくなる。

セルフアライニングトルク演算手段31が備えるもう一つのセルフアライニングトルク乗算係数抽出手段33は、車速に対するセルフアライニングトルク乗算係数を記憶するセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）乗算係数記憶手段33ａから車速ｖに基づいてセルフアライニングトルク乗算係数ｋsを抽出する。

セルフアライニングトルク乗算係数記憶手段33ａが記憶する車速ｖに対するセルフアライニングトルク乗算係数ｋsの関係マップを、図５の座標に示す。
図５において、車速ｖの増加に従いセルフアライニングトルク乗算係数ｋsの値は上昇している。
基準車速Ｖｏのとき、セルフアライニングトルク乗算係数ｋs＝1.0である。

セルフアライニングトルク演算手段31は、セルフアライニングベーストルク抽出手段32が舵角θに基づいて抽出したセルフアライニングベーストルクＴsbに、セルフアライニングトルク乗算係数抽出手段33が車速ｖに基づいて抽出したセルフアライニングトルク乗算係数ｋsを、乗算手段34により乗算して、セルフアライニングトルクＴｓを算出する。
なお、このセルフアライニングトルクＴｓは、実際のセルフアライニングトルクの反力としてのセルフアライニングトルクである。

セルフアライニングベーストルクＴsbにセルフアライニングトルク乗算係数ｋsを乗算することにより、セルフアライニングトルクＴｓは、車速ｖが基準車速Ｖｏより小さくなる程セルフアライニングベーストルクＴsbが減少し、基準車速Ｖｏより大きくなる程増幅する。

一方、フリクショントルク演算手段35は、フリクションベーストルク抽出手段36とフリクショントルク乗算係数抽出手段37とを備える。
フリクションベーストルク抽出手段36は、停車時における角速度に対するフリクションベーストルクの関係を記憶するフリクションベーストルク（ＦＢＴ）記憶手段36ａから角速度ωに基づいてフリクションベーストルクＴfbを抽出する。

フリクションベーストルク記憶手段36ａが記憶する停車時（車速ｖ＝０）における角速度ωに対するフリクションベーストルクＴfbの関係マップを、図６の座標に示す。
図６において、横軸の角速度ωは、正の値が右方向の角速度（ω＞０）、負の値が左方向の角速度（ω＜０）を示す。

縦軸のフリクションベーストルクＴfbは、正の値が右方向トルク（Ｔfb＞０）、負の値が左方向トルク（Ｔfb＜０）であって、実際のタイヤ等の摩擦相当の反力として示している。
したがって、例えば右方向の角速度ω（＞０）が大きくなれば、実際とは反対方向の右方向のフリクションベーストルクＴfb（＞０）が大きくなり、前記セルフアライニングベーストルクＴsbに比べ低いトルクで略一定になる。

フリクショントルク演算手段35が備えるもう一つのフリクショントルク乗算係数抽出手段37は、車速に対するフリクショントルク乗算係数を記憶するフリクショントルク（ＦＴ）乗算係数記憶手段37ａをから車速ｖに基づいてフリクショントルク乗算係数ｋｆを抽出する。

フリクショントルク乗算係数記憶手段37ａが記憶する車速ｖに対するフリクショントルク乗算係数ｋｆの関係マップを、図７の座標に示す。
図７において、車速ｖ＝０（停車時）のとき、フリクショントルク乗算係数ｋｆの値は、1.0を示し、車速ｖが停車時から高くなるに従いフリクショントルク乗算係数ｋｆの値は減少し、約20km/hを過ぎる辺りから略一定の値（約0.5）となっている。

フリクショントルク演算手段35は、フリクションベーストルク抽出手段36が角速度ωに基づいて抽出したフリクションベーストルクＴfbに、フリクショントルク乗算係数抽出手段37が車速ｖに基づいて抽出したフリクショントルク乗算係数ｋｆを、乗算手段38により乗算して、フリクショントルクＴｆを算出する。
なお、このフリクショントルクＴｆは、実際のフリクショントルクの反力としてのフリクショントルクである。

フリクションベーストルクＴfbにフリクショントルク乗算係数ｋｆを乗算することにより、フリクショントルクＴｆは、車速ｖが約20km/hまではフリクションベーストルクＴfbが徐々に減少し、約20km/hを過ぎると略半減する状態が継続する。

セルフアライニングトルク演算手段31により算出されたセルフアライニングトルクＴｓと、フリクショントルク演算手段35により算出されたフリクショントルクＴｆとは、加算手段40により加算されて目標操舵トルクＴｍが算出される。

セルフアライニングトルクＴｓは、特に低車速で小さくなるが、フリクショントルクＴｆは低車速でこれを補うように比較的大きい値を示すので、セルフアライニングトルクＴｓにフリクショントルクＴｆが加算されることで、低車速で大きく現出する路面に対するタイヤの摩擦などの影響を補うことができる。

以上の目標操舵トルクＴｍが算出されるまでの処理手順を、図８にフローチャートで示す。
まず、舵角検出手段51が検出した操舵角θを読込み（ステップ１）、角速度演算手段52により角速度ωを算出し（ステップ２）、車速センサ25により検出した車速ｖを読込む（ステップ３）。

次いで、セルフアライニングベーストルク抽出手段32により舵角θに基づきセルフアライニングベーストルクＴsbを抽出し（ステップ４）、セルフアライニングトルク乗算係数抽出手段33により車速ｖに基づきセルフアライニングトルク乗算係数ｋsを抽出し（ステップ５）、セルフアライニングベーストルクＴsbにセルフアライニングトルク乗算係数ｋsを乗算してセルフアライニングトルクＴｓを算出する（ステップ６）。

次に、フリクションベーストルク抽出手段36により角速度ωに基づいてフリクションベーストルクＴfbを抽出し（ステップ７）、フリクショントルク乗算係数抽出手段37により車速ｖに基づきフリクショントルク乗算係数ｋｆを抽出し（ステップ８）、フリクションベーストルクＴfbにフリクショントルク乗算係数ｋｆを乗算してフリクショントルクＴｆを算出する（ステップ９）。

そして、ステップ10において、セルフアライニングトルクＴｓにフリクショントルクＴｆを加算して目標操舵トルクＴｍを算出する。
以上の各ステップの処理が繰り返し実行される。

こうして算出された目標操舵トルクＴｍは、減算手段41により前記操舵トルクセンサ20が検出した操舵トルクＴとの偏差ΔＴ（＝Ｔｍ−Ｔ）が算出され、操舵トルクフィードバック制御手段45に入力される。

操舵トルクフィードバック制御手段45は、ＰＩ（比例・積分）制御手段とＰＷＭ制御信号発生手段とからなり、ＰＩ制御手段が偏差ΔＴから偏差ΔＴを０にして目標操舵トルクＴｍを得るためにＰ（比例）動作とＩ（積分）動作を組み合わせてフィードバックの最適制御量を演算し、同最適制御量をＰＷＭ制御信号発生手段がＰＷＭ制御のデューティの制御信号に変換して前記モータ駆動回路26に出力する。
モータ駆動回路26は、ＰＷＭ制御信号のデューティに従った電流をアシストモータＭに供給してアシストモータＭを駆動して操舵力を補助する。

以上のように、本操舵トルク制御装置30は、セルフアライニングトルク演算手段31により算出されたセルフアライニングトルクＴｓにフリクショントルク演算手段35により算出されたフリクショントルクＴｆを加算して目標操舵トルクＴｍとしてアシストモータＭをフィードバック制御しているので、特に低車速で小さくなるセルフアライニングトルクＴｓをフリクショントルクＴｆが補い、低車速で大きく現出する路面に対するタイヤの摩擦などの影響をカバーして常に安定した操舵フィーリングを実現することができる。

本発明の一実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の全体の概略後面図である。 ステアリングギヤボックス内の構造を示す断面図である。 操舵トルク制御装置の概略ブロック図である。 基準車速における舵角θに対するセルフアライニングベーストルクＴsbの関係マップを座標で示す図である。 車速ｖに対するセルフアライニングトルク乗算係数ｋsの関係マップを座標で示す図である。 停車時における角速度ωに対するフリクションベーストルクＴfbの関係マップを座標で示す図である。 車速ｖに対するフリクショントルク乗算係数ｋｆの関係マップを座標で示す図である。 目標操舵トルクの算出処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｍ…アシストモータ、１…電動パワーステアリング装置、２…ラックハウジング、３…ラック軸、４…ステアリングギヤボックス、５…入力軸、６…トーションバー、７…操舵ピニオン軸、８…ラックガイドスプリング、９…ラックガイド、10…ウオーム減速機構、11…ウオームホイール、12…ウオーム、
20…操舵トルクセンサ、21…コア、22，23…コイル、
25…車速センサ、26…モータ駆動回路、27…回転角センサ、
30…操舵トルク制御装置、31…セルフアライニングトルク演算手段、32…セルフアライニングベーストルク抽出手段、32ａ…セルフアライニングベーストルク記憶手段、33…セルフアライニングトルク乗算係数抽出手段、33ａ…セルフアライニングトルク乗算係数記憶手段、34…乗算手段、35…フリクショントルク演算手段、36…フリクションベーストルク抽出手段、36ａ…フリクションベーストルク記憶手段、37…フリクショントルク乗算係数抽出手段、37ａ…フリクショントルク乗算係数記憶手段、38…乗算手段、40…加算手段、41…減算手段、45…操舵トルクフィードバック制御手段、51…舵角検出手段、52…角速度演算手段。

Claims (3)

1. アシストモータの駆動力がステアリング操舵力を補助する電動パワーステアリング装置において、
   操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   車速を検出する車速センサと、
   舵角を検出する舵角検出手段と、
   舵角またはモータ回転角の角速度を検出する角速度検出手段と、
   前記舵角検出手段により検出された舵角と前記車速センサにより検出された車速に基づいてセルフアライニングトルクを演算するセルフアライニングトルク演算手段と、
   前記角速度検出手段により検出された角速度と前記車速センサにより検出された車速に基づいてステアリングのフリクショントルクを演算するフリクショントルク演算手段と、
   前記セルフアライニングトルク演算手段により演算されたセルフアライニングトルクに前記フリクショントルク演算手段により演算されたフリクショントルクを加算して目標操舵トルクを演算する目標操舵トルク演算手段と、
   前記目標操舵トルク演算手段により演算された目標操舵トルクと前記トルクセンサにより検出された操舵トルクとの差が０となるようにアシストモータを駆動制御する操舵トルクフィードバック制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記セルフアライニングトルク演算手段が、
   予め決めた基準車速における舵角に対するセルフアライニングベーストルクの関係を記憶するセルフアライニングベーストルク記憶手段から前記舵角に基づいてセルフアライニングベーストルクを抽出するセルフアライニングベーストルク抽出手段と、
   予め決めた車速に対するセルフアライニングトルク乗算係数の関係を記憶するセルフアライニングトルク乗算係数記憶手段から前記車速に基づいてセルフアライニングトルク乗算係数を抽出するセルフアライニングトルク乗算係数抽出手段とを備え、
   前記セルフアライニングベーストルクに前記セルフアライニングトルク乗算係数を乗算してセルフアライニングトルクを算出する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。
3. フリクショントルク演算手段が、
   予め決めた停車時における前記角速度に対するフリクションベーストルクの関係を記憶するフリクションベーストルク記憶手段から前記角速度に基づいてフリクショントルクを抽出するフリクショントルク抽出手段と、
   予め決めた車速に対するフリクショントルク乗算係数の関係を記憶するフリクショントルク乗算係数記憶手段から前記車速に基づいてフリクショントルク乗算係数を抽出するフリクショントルク乗算係数抽出手段とを備え、
   前記フリクショントルクに前記フリクショントルク乗算係数を乗算してフリクショントルクを算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動パワーステアリング装置。
   
   
   
   

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