JP4710202B2 - 電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車におけるステアリングリンクのトルク変動を補正す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】
従来から、例えば、特開平９−２５４８０４号公報に開示されているような、モータによって操舵補助力（操舵アシスト力）を発生させる電動式パワーステアリング装置が知られている。この電動式パワーステアリング装置では、ステアリングホイール（ハンドル）が連結された第１のシャフトと、第２のシャフトとが十字軸継手によって連結されており、さらに、第２のシャフトと、操舵リンクとに連結された第３のシャフトが十字軸接手によって連結されて、ステアリングシャフト（ステアリングリンク）が構成されている。そして、第１のシャフトにトルクセンサと角度センサとが設けられ、操舵リンクには、操舵補助力を操舵リンクに与える電動機が設けられている。
【０００３】
また、この電動式パワーステアリング装置は、制御回路と、メモリと、駆動回路とからなる制御装置を備えており、メモリには、第１のシャフトへの操舵力入力に対する第３のシャフトの回転トルク変動を求めてマップ化したトルク補正データが記憶されている。そして、制御回路は、トルクセンサのトルク検出信号、角度センサの角度検出信号およびメモリのトルク補正データに基づいてアシストトルク値を決定し、そのアシストトルク値に基づいて、駆動回路が電動機を駆動するようになっている。これによって、操舵補助力が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記電動式パワーステアリング装置では、トルクの補正をマップ化したトルク補正データによって行うため、ステアリングシャフトの長さやステアリングシャフト間の角度等の構成を変えるたびに、それに応じたトルク補正データを作成しなければならず、作業が煩雑になるという問題がある。また、そのトルク補正データの作成を、実験値を基に作成する場合は、さらに工数が大きくなるという問題がある。
【０００５】
また、ハンドルと転舵角の位相が変化する舵角比可変機構を備えた電動式パワーステアリング装置については、適正な補正データを作成することが困難であり、さらに、トルクセンサや角度センサを取り付ける位置が限定されるという問題も有している。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、上記した問題に対処するためになされたもので、その目的は、簡単な方法で、トルク補正が可能になり、かつ、ステアリングシャフトのどの部分にでもトルクセンサ、舵角センサ、モータ等を取り付けることができ、さらに、舵角比可変機構を備えた電動式パワーステアリング装置においても使用することができる電動式パワーステアリング装置を提供することである。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明に係る電動式パワーステアリング装置の特徴は、ハンドルと転舵輪を連結する分割されたステアリングシャフトからなるステアリングリンクと、ステアリングシャフトに設けられステアリングシャフトの操舵トルクを検出するトルクセンサと、ステアリングシャフトに設けられステアリングシャフトの操舵角を検出する舵角センサと、トルクセンサが検出する操舵トルク、舵角センサが検出する操舵角、および互いに連結されたステアリングシャフト間の所定の交差角度に基づいて操舵アシスト量を演算する演算手段と、操舵アシスト量に基づいて、ステアリングリンクに操舵アシスト力を付与するモータを駆動させるモータ駆動手段とを備えたことにある。
【０００８】
前記のように構成した本発明の特徴によれば、操舵トルクと、操舵角と、各ステアリングシャフト間の交差角度から操舵アシスト量を演算によって求めるため、各ステアリングシャフト間の交差角度等の位置関係がどうであろうと、常に、適正なアシスト力をステアリングリンクに付与することができ、安定した一定の操舵感覚を得ることができる。また、トルクセンサと舵角センサが検出する操舵トルクと操舵角およびシャフト間の交差角度に基づいて操舵アシスト量を演算するため、トルクセンサや舵角センサの取り付け位置は、ステアリングシャフトのどの部分でもよくなる。このため、構造上の設計に自由度が増すようになる。
【０００９】
また、本発明の他の構成上の特徴は、前記電動式パワーステアリング装置におけるステアリングシャフトのいずれかに設けられ、ステアリングシャフトの両端部の位相関係を変更可能な舵角可変機構と、舵角可変機構を駆動させるとともに、ステアリングシャフトの位相の変化量を補正し、その補正データを演算手段に送る舵角可変機構制御手段とをさらに備えたことにある。
【００１０】
前記のように構成した本発明の特徴によれば、電動式パワーステアリング装置が、舵角可変機構を備えており、この舵角可変機構によってステアリングシャフトの上下の位相が変化するものであっても、その位相の変化による伝達トルクの変動を、操舵力アシスト用モータ駆動手段（パワーステアリングＥＣＵ）が、アシストの出力をコントロールすることによって補正することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は同実施形態に係る電動式パワーステアリング装置１０を概略的に示した概略図であり、図２は、図１に示した電動式パワーステアリング装置１０の構成を示した概略構成図である。
【００１２】
この電動式パワーステアリング装置１０においては、ハンドル１１に連結されたメインシャフト１２の下端部が、第１の継手１３を介して中間シャフト１４の上端部に連結され、中間シャフト１４の下端部が第２の継手１５を介してエクステンションシャフト１６の上端部に連結されている。そして、エクステンションシャフト１６の下端部は、ギアボックス１７内に収容されたピニオンギアに連結され、そのピニオンギアはラックバー１８に噛合している。
【００１３】
したがって、ハンドル１１を回転すると、その回転力は、第１の継手１３および第２の継手１５を介して、メインシャフト１２、中間シャフト１４およびエクステンションシャフト１６に伝わり、ピニオンギアが回転する。これによって、ラック１８が矢印ａおよび矢印ｂの方向に移動し、転舵輪（図示せず）が方向を変える。前記メインシャフト１２、中間シャフト１４およびエクステンションシャフト１６の３個のステアリングシャフトでステアリングリンクが構成される。また、メインシャフト１２と中間シャフト１４の交差角はαで、中間シャフト１４とエクステンションシャフト１６の交差角はβになっている。
【００１４】
なお、第１の継手１３は、メインシャフト１２の下端に連結されメインシャフト１２と一体的に回転するヨークジョイント１２ａと、中間シャフト１４の上端に連結され中間シャフト１４と一体的に回転するヨークジョイント１４ａとが十字ピン１３ａを介して連結されて構成されている。また、第２の継手１５は、中間シャフト１４の下端に連結され中間シャフト１４と一体的に回転するヨークジョイント１４ｂと、エクステンションシャフト１６の上端に連結されエクステンションシャフト１６と一体的に回転するヨークジョイント１６ａとが十字ピン１５ａを介して連結されて構成されている。
【００１５】
メインシャフト１２には、ハンドル１１を操舵した際にメインシャフト１２に生じる回転角度を検出する舵角センサ１９と、メインシャフト１２の操舵トルクを検出するトルクセンサ２０と、メインシャフト１２に操舵アシスト力を与えるモータであるアシストモータ２１が取り付けられている。そして、舵角センサ１９、トルクセンサ２０およびアシストモータ２１は、それぞれパワーステアリングＥＣＵ（電気制御ユニット）２２に接続されている。
【００１６】
パワーステアリングＥＣＵ２２は、プログラム処理によるコンピュータを主要部品とするものである。このパワーステアリングＥＣＵ２２を、図２に示すような機能ブロック図で表すと、同パワーステアリングＥＣＵ２２は、トルク変動補正演算部２２ａ、アシスト量演算部２２ｂおよびモータ駆動手段としてのモータドライバ２２ｃを備えている。トルク変動補正演算部２２ａは、舵角センサ１９が検出するメインシャフト１２の回転角度θを舵角信号として受信し、あらかじめ記憶された交差角α，β、および上下のヨークの（初期）位相を用いて補正項を演算し、これをアシスト量演算部２２ｂに送る。
【００１７】
アシスト量演算部２２ｂは、トルク変動補正演算部２２ａから送られる補正項と、トルクセンサ２０が検出するトルク値Ｔの信号を受信して、これらの信号からアシスト量を演算し、そのアシスト量の信号をモータドライバ２２ｃに送信する。モータドライバ２２ｃは、アシスト量演算部２２ｂから受信した信号を駆動電流の信号としてアシストモータ２１に送り、アシストモータ２１を駆動させる。
【００１８】
以上の構成において、図３に示すように、メインシャフト１２と中間シャフト１４の交差角度、または、中間シャフト１４とエクステンションシャフト１６の交差角度がαの場合、第１の継手１３または第２の継手１５でのトルクの入出力関係は数式１で表すことができる。
【００１９】
【数１】
ｆ（α，θin）＝Ｔout／Ｔin＝ｃｏｓα／（１−ｓｉｎ²θin・ｓｉｎ²α）
【００２０】
なお、図３および数式１において、Ｔinは、入力側のシャフト（メインシャフト１２または中間シャフト１４）のトルクであり、Ｔoutは、出力側のシャフト（中間シャフト１４またはエクステンションシャフト１６）のトルクである。また、θinは、入力側のシャフトの回転角である。この場合、数式１で示した入力角θinに対するトルク変動Ｔout／Ｔinは、図４に示したように、１８０度周期で変化する。
【００２１】
ここで、図１に示した第１の継手１３でのトルクの入出力比は、メインシャフト１２および中間シャフト１４が含まれる平面Ａに対して直交した時を基準としたヨークジョイント１２ａの角度に対し、図４の曲線ａのように表せる。また、第２の継手１５でのトルクの入出力比は、中間シャフト１４およびエクステンションシャフト１６が含まれる平面Ｂに対して直交した時を基準としたヨークジョイント１４ｂの角度に対し、図４の曲線ｂのように表せる。この曲線ａと曲線ｂの位相ずれをγとする。各ヨークでの入出力軸の回転角は、下式で表される。
【００２２】
【数２】
ｇ（α，θin）＝θout＝ｔａｎ^-1｛ｔａｎθin・ｃｏｓα）
【００２３】
なお、θoutは、出力側のシャフトの回転角であり、ここでは、中間シャフト１４またはエクステンションシャフト１６の回転角である。このように、トルク比および回転角は、数式１および数式２で表すことができるため、この数式１および数式２を利用して、メインシャフト１２とエクステンションシャフト１６のトルク変動を求めることができる。すなわち、メインシャフト１２のトルクをＴ1、回転角をθ1とし、中間シャフト１４のトルクをＴ2、回転角をθ2とし、エクステンションシャフト１６のトルクをＴ3、回転角をθ3とすると、トルクＴ1，Ｔ2，Ｔ3における互いの関係は、下記の各数式のようになる。まず、メインシャフト１２と中間シャフト１４のトルク変動Ｔ2／Ｔ1は、
【００２４】
【数３】
Ｔ2／Ｔ1＝ｆ（α，θ1）
【００２５】
の関数で表すことができる。また、回転角変動式ｇは、θ2＝ｇ（α，θ1）で表せる。つぎに、中間シャフト１４とエクステンションシャフト１６のトルク変動Ｔ3／Ｔ2は、
【００２６】
【数４】
Ｔ3／Ｔ2＝ｆ（β，γ＋θ2）
【００２７】
の関数で表すことができる。したがって、メインシャフト１２とエクステンションシャフト１６のトルク変動Ｔ3／Ｔ1は、数式３と数式４とを掛け合わすことによって求めることができ、
【００２８】
【数５】
Ｔ3／Ｔ1＝ｆ（α，θ1）・ｆ（β，γ＋θ2）＝Ｆ（θ1）
【００２９】
となる。上記数式で、ｆはトルク比式を示し、ｇは回転角変動式を示している。したがって、数式５によって、メインシャフト１２とエクステンションシャフト１６のトルク変動を求めることができる。トルク変動が全くないステアリングリンクとした時のねらいのアシスト量を「基本アシスト量」とする。そして、求めたトルク変動から、アシストモータ２１に補正させる補正項を求め、基本アシスト量と補正項に応じたモータ駆動電流をアシストモータ２１に流し、アシストモータ２１を駆動させることにより、メインシャフト１２上でトルク変動の発生をすることなく、ねらいのアシストを実施することができる。
【００３０】
アシスト量は、運転者がハンドル操作する際の操舵力を軽減させるもので、このアシスト量と運転者の出力によるマニュアルトルクとの和が、メインシャフト１２に加わる出力トルクとなる。したがって、このマニュアルトルクＭ、モータアシストトルクＰＳ（θ1）およびコラム軸トルクＴ1（θ1）の関係は、下記の数式のようになる。
【００３１】
【数６】
Ｍ＋ＰＳ（Ｍ，θ1）＝Ｔ1（θ1）
【００３２】
【数７】
Ｔ3＝Ｆ（θ1）・Ｔ1（θ1）＝Ｆ（θ1）・（Ｍ＋ＰＳ（Ｍ，θ1））
【００３３】
【数８】
ＰＳ（Ｍ，θ1）＝Ｔ3／Ｆ（θ1）−Ｍ
【００３４】
Ｍに対するＴ3のねらい値を、アシスト率Ａs（Ｍ）という関数とすると（通常、式あるいはマップをもっている）、下記の数式のようになる。
【００３５】
【数９】
Ｔ3＝Ａs（Ｍ）
∴ＰＳ（Ｍ，θ1）＝１／Ｆ（θ1）・Ａs（Ｍ）−Ｍ
【００３６】
なお、マニュアルトルクＭは、トルクセンサ２０が検出するトルク値である。したがって、この理論式をもとに、アシストモータ２１に出力させるアシスト量が、ＰＳ（Ｍ，θ1）になるように制御することにより、運転者は、トルク変動による違和感を感じることなく円滑な操舵を行うことができる。この場合、トルク変動Ｔ3／Ｔ1＝Ｆ（θ1）は、トルク変動補正演算部２２ａで演算処理が行われ、モータアシストトルクＰＳ（Ｍ，θ1）は、アシスト量演算部ｂで演算処理が行われる。
【００３７】
以上のように、本実施形態による電動式パワーステアリング装置１０では、メインシャフト１２と中間シャフト１４の交差角度α、中間シャフト１４とエクステンションシャフト１６の交差角度β、舵角センサ１９が検出するメインシャフト１２の回転角度およびトルクセンサ２０が検出するメインシャフト１２のトルクをもとに演算することによって、アシスト量を求めている。そして、このアシスト量に応じて、アシストモータ２１にアシスト力を出力させるようになっている。このように理論式をもとに、アシスト量を求めるため、従来例のように、多量のデータを作成したり、複雑な制御を行ったりすることなく、簡単にトルク補正ができる。また、ステアリングリンクの構成に応じて演算処理ができるため、ステアリングリンクの構成に関係なくトルク補正ができるようになる。
【００３８】
なお、前述した制御は、舵角センサ１９、トルクセンサ２０およびアシストモータ２１を、メインシャフト１２に取り付けたコラム式の電動式パワーステアリング装置の場合のものであるが、舵角センサ１９、トルクセンサ２０およびアシストモータ２１は、メインシャフト１２以外の他の部分に取り付けることもできる。例えば、舵角センサ１９だけをメインシャフト１２に取り付け、トルクセンサ２０およびアシストモータ２１をギアボックス１７内におけるピニオンギアとラック１８が連結される部分に設けた、ピニオン式の電動式パワーステアリング装置の場合は、下記に示した数式によって、アシスト量を求めることができる。
【００３９】
【数１０】
Ｔ3＋ＰＳ（θ1）＝Ｔp， Ｔp＝Ａs（Ｍ）
【００４０】
数式１０のＴpは、ピニオンかみ合いトルクである。数式５から、Ｔ3＝Ｆ（θ1）Ｔ1であり、この式と数式１０から、Ｔp＝Ｆ（θ1）Ｔ1＋ＰＳ（θ1）となる。したがって、ＰＳ（θ1）は、
【００４１】
【数１１】
ＰＳ（Ｍ，θ1）＝Ｔp−Ｆ（θ1）Ｔ1＝Ｔp−Ｆ（θ1）・Ｍ
∴ＰＳ（Ｍ，θ1）＝Ａs（Ｍ）−Ｆ（θ1）・Ｍ
【００４２】
となる。Ｆ（θ1）を、数式１から５を用いて求めることによって、アシスト量ＰＳ（Ｍ，θ1）が求められる。
【００４３】
以上のように、本実施形態による電動式パワーステアリング装置１０では、トルクセンサ２０およびアシストモータ２１をメインシャフト１２以外の部分に取り付けても適正なトルク補正ができる。また、トルクセンサ２０およびアシストモータ２１は、中間シャフト１４に取り付けることができ、舵角センサ１９もメインシャフト１２以外の部分に取り付けることができる。このような場合は、前述した数式を変形させるだけで、適正なアシスト量を算出することができるようになり、舵角センサ１９、トルクセンサ２０およびアシストモータ２１の取り付け位置が制限されなくなる。
【００４４】
また、図５および図６は、本発明の他の実施形態による電動式パワーステアリング装置３０を示している。この電動式パワーステアリング装置３０では、中間シャフト３１に、舵角制御アクチュエータ３２を設け、中間シャフト３１の上部側部分３１ａと下部側部分３１ｂとの位相を変えることができるようにしている。この中間シャフト３１と舵角制御アクチュエータ３２とで舵角可変機構が構成され、例えば、ハンドル１１を１回転すると、エクステンションシャフト１６が２回転する等の制御が可能になっている。
【００４５】
そして、舵角制御アクチュエータ３２は、舵角制御アクチュエータ３２を制御する舵角制御ＥＣＵ３３に接続されている。また、この舵角制御ＥＣＵ３３は、車速センサ３４、舵角センサ１９およびパワーステアリングＥＣＵ２２に接続されている。この電動式パワーステアリング装置３０における、それ以外の部分の構成については、前述した電動式パワーステアリング装置１０と同様である。したがって、同一部分に同一符号を記している。
【００４６】
舵角制御ＥＣＵ３３は、舵角センサ１９が検出するメインシャフト１２の回転角度を舵角信号として受信するとともに、車速センサ３４が検出する車速を車速信号として受信する。そして、舵角信号と車速信号をもとに、舵角制御アクチュエータ３２を出力させるための電流値を演算し、その結果を信号として舵角制御アクチュエータ３２に送り舵角制御アクチュエータ３２を作動させる。また、舵角制御ＥＣＵ３３は、舵角制御アクチュエータ３２の作動によって回転する中間シャフト３１のその作動角を信号として受信し、これをパワーステアリングＥＣＵ２２に送信する。
【００４７】
さらに、舵角制御ＥＣＵ３３は、舵角制御アクチュエータ３２の作動角を、例えば、車両が低速走行時にはメインシャフト回転角に対し、メインシャフト回転方向に大きく回転し、高速走行時には小さく、あるいは逆方向に回転するように制御する。
【００４８】
また、舵角制御アクチュエータ３２が作動し、中間シャフト３１の上部側部分３１ａと下部側部分３１ｂとの位相が変わった場合には、舵角制御ＥＣＵ３３は、中間シャフト３１の作動角を演算処理によって相対的な角度とし、その作動角信号を、トルク変動補正演算部２２ａに送る。この作動角は、舵角制御ＥＣＵ３３が舵角制御アクチュエータ３２を駆動した結果発生する舵角制御アクチュエータ３２内の作動角センサ値あるいは舵角制御ＥＣＵ３３の作動指令値（または駆動制御値）である。
【００４９】
そして、トルク変動補正演算部２２ａは、舵角センサ１９からの舵角信号および舵角制御ＥＣＵ３３からの作動角信号によって、トルク変動を演算処理によって求め、求めたデータを信号として、アシスト量演算部２２ｂに送る。これは、数式４を、Ｔ3／Ｔ2＝ｆ（β，γ＋θ2＋ε）のように変更することによる。なお、εは作動角である。以後、電動パワーステアリング装置１０における制御と同様にして、アシスト量演算部２２ｂが、トルク変動補正演算部２２ａから送られる信号と、トルクセンサ２０が検出するトルク信号を受信して、これらの信号からアシスト量を演算する。そして、そのアシスト量の信号をモータドライバ２２ｃに送信し、モータドライバ２２ｃは、受信した信号を駆動電流の信号としてアシストモータ２１に送り、アシストモータ２１を駆動させる。
【００５０】
この場合のトルク変動Ｔ3／Ｔ1およびモータアシストトルクＰＳ（Ｍ，θ1）は、数式１ないし１１を用いて求めることができる。このように、本実施形態による電動式パワーステアリング装置３０では、舵角変換機構を備えていても適正なトルク補正ができ、常に、違和感のない操舵感覚を得ることができるようになる。さらに、ジョイントが３個以上の場合にも、同様にして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による電動式パワーステアリング装置を示す概略図である。
【図２】 電動式パワーステアリング装置の機能ブロック図である。
【図３】 ステアリングシャフト間でトルクが伝達する状態を示す説明図である。
【図４】 シャフト回転に対するトルク比を示す特性線図である。
【図５】 本発明の他の実施形態による電動式パワーステアリング装置を示す概略図である。
【図６】 図５に示した電動式パワーステアリング装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０，３０…電動式パワーステアリング装置、１１…ハンドル、１２…メインシャフト、１４，３１…中間シャフト、１６…エクステンションシャフト、１８…ラック、１９…舵角センサ、２０…トルクセンサ、２１…アシストモータ、２２…パワーステアリングＥＣＵ、２２ａ…トルク変動補正演算部、２２ｂ…アシスト量演算部、２２ｃ…モータドライバ、３１ａ…上部側部分、３１ｂ…下部側部分、３２…舵角制御アクチュエータ、３３…舵角制御ＥＣＵ、３４…車速センサ。

Claims (2)

1. ハンドルと転舵輪を連結する分割されたステアリングシャフトからなるステアリングリンクと、
   前記ステアリングシャフトに設けられ前記ステアリングシャフトの操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   前記ステアリングシャフトに設けられ前記ステアリングシャフトの操舵角を検出する舵角センサと、
   前記トルクセンサが検出する操舵トルク、前記舵角センサが検出する操舵角、および前記互いに連結されたステアリングシャフト間の所定の交差角度に基づいて操舵アシスト量を演算する演算手段と、
   前記操舵アシスト量に基づいて、前記ステアリングリンクに操舵アシスト力を付与するモータを駆動させるモータ駆動手段と
   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. 前記ステアリングシャフトのいずれかに設けられ前記ステアリングシャフトの両端部の位相関係を変更可能な舵角可変機構と、
   前記舵角可変機構を駆動させるとともに、前記ステアリングシャフトの位相の変化量を補正し、その補正データを前記演算手段に送る舵角可変機構制御手段とを、
   さらに備えた請求項１に記載の電動式パワーステアリング装置。

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