JP4907283B2

JP4907283B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4907283B2
Application number: JP2006263495A
Authority: JP
Inventors: 義則竹内; 好隆久保; 俊也干田
Original assignee: Showa Corp
Current assignee: Showa Corp
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: EP1905669A1; EP1905669B1; US20080217098A1; JP2008080975A; US8019508B2

Description

本発明は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では、特許文献１に記載の如く、電動モータをモータ駆動手段により駆動し、この電動モータの回転を動力伝達機構によりラック軸の直線ストロークに変換し、ラック軸に連結される車輪を操舵アシストする。
特開平6-8839

電動パワーステアリング装置に採用される電動モータは、ボンネット内の設置場所等により、例えば−40℃の低温域から例えば100℃以上の高温域に渡る広い使用温度域で使用される場合があり、その出力トルク特性はそのような環境温度に依存して変化し、図８にＡで示す如くに、高温になるほどマグネットが減磁され低下する。

他方、電動パワーステアリング装置では、車両のあらゆる走行状況に対し、電動モータが備えるべき最小限の出力トルクＴ０（要求出力トルクという）が必要となる。

そこで、従来技術では、電動モータの温度依存に対する出力トルク特性が、想定される全使用温度域で、要求出力トルクＴ０以上になるように設定する必要がある。即ち、温度依存を考慮したモータの出力トルクが図８にＢで示す如くになる電動モータを採用することが必要になる。

しかしながら、図８にＢで示した電動モータの温度依存の出力トルク特性は、高温域で要求出力トルクＴ０を確保するように設定するため、自ずと低温域では要求出力トルクＴ０を大幅に超える過剰な仕様になっている。そのため従来から電動モータが全使用温度域で要求出力トルクを満足し、更に、その容量を必要最小限に低減することが望まれる。

本発明の課題は、電動パワーステアリング装置において、電動モータが全使用温度環境域で最小限の要求出力トルクを満足しながら、その容量を低減（小型化）することにある。

請求項１の発明は、電動モータをモータ駆動手段により駆動し、この電動モータの回転を動力伝達機構によりラック軸の直線ストロークに変換し、ラック軸に連結される車輪を操舵アシストする電動パワーステアリング装置において、電動モータの環境温度に依存して変化する温度依存の出力トルクを、電動モータに必要とされる所定の要求出力トルクに補正するように、各温度で電動モータに付与する電流制御信号に乗算すべき出力補正係数を予め記憶する補正係数メモリと、電動モータの環境温度を検出する温度センサと、温度センサが検出した温度に対応する出力補正係数を補正係数メモリから読出す補正係数演算回路と、車両の操舵状況に基づいて演算された電動モータの電流制御信号に、補正係数演算回路から読出された出力補正係数を乗算して補正電流制御信号を算出し、この補正電流制御信号に基づく駆動制御信号をモータ駆動手段に出力する電流制御演算手段を有してなり、前記電動モータに想定される全使用温度域で、前記出力補正係数を１以上とするようにしたものである。

（請求項１）
(a)温度センサが検出した電動モータの近傍の温度に対応する出力補正係数を補正係数メモリから読出し、車両の操舵状況に基づいて演算された電動モータの電流制御信号に、読出された出力補正係数を乗算して補正電流制御信号を算出し、この補正電流制御信号を用いて電動モータを駆動する。このとき、出力補正係数は、電動モータの環境温度に依存して変化する温度依存の出力トルクを、電動モータに必要とされる所定の要求出力トルクＴ０に補正するものである。従って、電動モータの温度依存の出力トルク特性を、想定される全使用温度域で、要求出力トルクＴ０を満たすように設定しなくても、電動モータの補正された出力トルク特性は、全使用温度域で、要求出力トルクＴ０を確保できるようになり、電動モータの容量を低減できる。

(b)電動モータに想定される全使用温度域で、上述(a)の出力補正係数を１以上にした。従って、電動モータの温度依存の出力トルク特性を、全使用温度域で所定の要求出力トルクＴ０以下に設定したとしても、電動モータの出力トルク特性は、全使用温度域で、所定の要求出力トルクＴ０を確保できるように補正できる。電動モータの温度依存の出力トルク特性を、全使用温度域で所定の要求出力トルクＴ０以下に設定することができるから、電動モータの最適仕様により容量をより最小化、軽量化して自由度の高い設計ができる。

図１は電動パワーステアリング装置を示す正面図、図２は電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図、図３は電動パワーステアリング装置の実施例１の制御系を示すブロック図、図４は電動モータの各使用温度で補正された実施例１の出力トルク特性を示す線図、図５は常温を基準温度とする出力補正係数を示す線図、図６は電動モータの各使用温度で補正された実施例２の出力トルク特性を示す線図、図７は低温を基準温度とする出力補正係数を示す線図、図８は従来の電動モータの温度依存の出力トルク特性を示す線図である。

（実施例１）（図１〜図５）
電動パワーステアリング装置１０は、図１に示す如く、ギヤハウジング１１を分割した、第１ギヤハウジング１１Ａと第２ギヤハウジング１１Ｂを有するものにし、このギヤハウジング１１（第１ギヤハウジング１１Ａ）にステアリングホイールが連結された入力軸１２（ステアリング軸）を支持し、入力軸１２にトーションバー１３（不図示）を介して出力軸（不図示）を連結し、この出力軸にピニオン（不図示）を設け、このピニオンに噛合うラック軸１４をギヤハウジング１１に左右方向に直線移動可能に支持している。入力軸１２と出力軸の間には、操舵トルクセンサ４１を設けている。操舵トルクセンサ４１は、ステアリングホイールに加えた手動操舵の操舵トルクに起因するトーションバーの弾性ねじり変形により、入力軸１２と出力軸の間に生ずる相対回転変位量に基づき、操舵トルクを検出し、操舵トルク信号Ｔsを出力する。

電動パワーステアリング装置１０は、ラック軸１４の両端部をギヤハウジング１１（第１ギヤハウジング１１Ａ、第２ギヤハウジング１１Ｂ）の両側に突出し、それらの端部にタイロッド１５Ａ、１５Ｂを連結し、ラック軸１４の直線移動に連動するタイロッド１５Ａ、１５Ｂを介して、左右の車輪を転舵可能にする。

電動パワーステアリング装置１０は、図２に示す如く、電動モータ２０を取付ボルト２１（不図示）によりホルダ２２に固定し、このホルダ２２を取付ボルト２３により第１ギヤハウジング１１Ａに着脱可能にしている。第１ギヤハウジング１１Ａに取付けられて第１ギヤハウジング１１Ａの内部に挿入されたホルダ２２は、ギヤハウジング１１Ａ、１１Ｂの内周との間に一定の間隙を有し、第１ギヤハウジング１１Ａに対するホルダ２２の揺動を許され、ホルダ２２に後述する如くに支持する駆動プーリ２４と従動プーリ３６に巻掛けられるベルト３７の張力を調整可能にする。

このとき、ホルダ２２は、駆動プーリ２４の中心軸２５を支持し、電動モータ２０の回転軸２０Ａの軸端のジョイント２６Ａと、中心軸２５の軸端のジョイント２６Ｂを、それらの周方向複数位置に設けた歯の間にゴム等の中間ジョイント２６Ｃを挟む状態で、互いに軸方向から係着する。駆動プーリ２４は中心軸２５の両端部を軸受２７、２８によりホルダ２２に両端支持される。２９は軸受２８の外輪固定用止め輪である。

電動パワーステアリング装置１０は、ラック軸１４にボールねじ３０を設け、ボールねじ３０にボール３１を介して噛合うボールナット３２を有し、ギヤハウジング１１（第１ギヤハウジング１１Ａ）に支持した軸受３３によりボールナット３２を回転自在に支持する。３４は軸受３３の外輪固定用ナットである。ボールナット３２の外周には、ロックナット３５により従動プーリ３６が固定される。

電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ２０の側の駆動プーリ２４と、ボールナット３２の側の従動プーリ３６にベルト３７を巻掛け、電動モータ２０の回転を駆動プーリ２４、ベルト３７、従動プーリ３６経由でボールナット３２に伝え、ひいてはラック軸１４の直線ストロークに変換し、該ラック軸１４を直線移動させる。これにより、電動モータ２０はステアリング系に操舵アシスト力を付与するものになる。

電動パワーステアリング装置１０は、第１ギヤハウジング１１Ａに支持されているラック軸１４を第２ギヤハウジング１１Ｂに通し、第１ギヤハウジング１１Ａに取付けられているホルダ２２を第２ギヤハウジング１１Ｂで覆い、第１ギヤハウジング１１Ａと第２ギヤハウジング１１Ｂを複数の締結ボルト１６で締結する。このとき、第１ギヤハウジング１１Ａと第２ギヤハウジング１１Ｂは、図２に示す如く、複数の筒状ノックピン１６Ａにより、それらノックピン１６Ａの両端部のそれぞれを打ち込まれて位置合せされた後、各ノックピン１６Ａに挿通される締結ボルト１６により螺合締結される。一部の締結ボルト１６はノックピン１６Ａを通って第１ギヤハウジング１１Ａに螺着され、他の締結ボルト１６はノックピン１６Ａを通って第２ギヤハウジング１１Ｂに螺着される。

電動パワーステアリング装置１０は、ギヤハウジング１１Ａ、１１Ｂに支持されるラック軸１４の振れを小さくするため、以下の構成を備える。

第２ギヤハウジング１１Ｂにおいて、第１ギヤハウジング１１Ａに支持したボールナット３２に相対する部分をブッシュ支持部１７とし、ボールナット３２とブッシュ支持部１７とにブッシュ４０を架け渡す。ブッシュ４０は、ボールナット３２の先端側内周部に圧入されて固定的に設けられ、ブッシュ支持部１７の内周部に回転摺動可能に支持される状態で、ラック軸１４を直線摺動可能に支持する。

ブッシュ４０は、金属等からなる筒体の外周の軸方向における一部をブッシュ支持部１７との摺動部とし、内周の全部をラック軸１４との摺動部とする。摺動部は、含油ポリアセタール樹脂、又は四フッ化エチレン樹脂等の潤滑被膜層を筒体の表面にコーティング等にて設けたものである。

電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ２０のための以下のコントローラ５０を有する（図３）。

コントローラ５０は、操舵トルクセンサ４１と車速センサ４２を付帯的に備える。操舵トルクセンサ４１は、前述の如く、ステアリング系の操舵トルクを検出して操舵トルク信号Ｔsをコントローラ５０に出力する。車速センサ４２は、車両の速度を検出し、車速信号Ｖsをコントローラ５０に出力する。

コントローラ５０は、マイクロプロセッサを基本に、各種演算処理手段、信号発生手段、メモリ等を有し、操舵トルク信号Ｔs、車速信号Ｖsに基づき、Ｐ（比例制御）及びＩ（積分制御）を施した駆動制御信号Ｖo（ＰＷＭ信号）を生成し、これによってモータ駆動手段４３を駆動制御する。

モータ駆動手段４３は、例えば４個のパワーＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、又はＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子からなるブリッジ回路で構成され、駆動制御信号Ｖoに基づくモータ電圧Ｖmを出力し、電動モータ２０を駆動する。ステアリングホイールが時計回り方向に操舵されているときには、電動モータ２０を例えば正回転させて前輪が時計回り方向に向くようにステアリング系に操舵アシスト力を付与する。

コントローラ５０は、電流検出手段４４を付帯的に備える。電流検出手段４４は、電動モータ２０に実際に流れるモータ電流Ｉmを検出し、モータ電流Ｉmに対応する検出電流信号Ｉmoをコントローラ５０にフィードバック（負帰還）する。

コントローラ５０は、目標電流設定手段５１、偏差演算手段５２、電流制御演算手段５３を有する。

目標電流設定手段５１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリを備え、操舵トルクセンサ４１が出力する操舵トルク信号Ｔsと、この操舵トルク信号Ｔsと車速センサ４２が出力する車速信号Ｖsに基づいて予めメモリに記憶されている目標電流信号Ｉmaマップから、車速信号Ｖsをパラメータにした操舵トルク信号Ｔsに対するアシスト電流信号Ｉmaを読み出し、これを目標電流信号Ｉmsとして偏差演算手段５２に出力する。

偏差演算手段５２は、目標電流信号Ｉmsと検出電流信号Ｉmoの偏差（Ｉms−Ｉmo）を演算し、偏差信号ΔＩを電流制御演算手段５３に出力する。

電流制御演算手段５３は、目標電流信号Ｉmsと検出電流信号Ｉmoの偏差信号ΔＩに応じ、電動モータ２０のモータ駆動手段４３に方向（電動モータ２０の回転方向）極性信号Ｂｒ及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号Ｖoを与える。

電流制御演算手段５３は、ＰＩ（比例・積分）制御手段５４、ＰＷＭ信号発生手段５５から構成される。

ＰＩ制御手段５４は、比例感度ＫPを発生して比例制御する比例要素５４Ａと、積分ゲインＫIを発生して積分制御する積分要素５４Ｂと、比例要素５４Ａと積分要素５４Ｂの出力信号を加算する加算器５４Ｃを備える。比例要素５４Ａと積分要素５４Ｂは並列接続され、比例要素５４Ａは偏差信号ΔＩに比例感度ＫPを乗じた比例信号ＩPを、積分要素５４Ｂは偏差信号ΔＩに積分ゲインＫIを有する積分処理を施した積分信号ＩIを、それぞれ加算器５４Ｃに出力する。加算器５４Ｃは比例信号ＩPと積分信号ＩIを加算し、比例・積分信号ＩPI（ＩP＋ＩI）をＰＷＭ信号発生手段５５に向けて出力する。

ＰＷＭ信号発生手段５５は、比例・積分信号ＩPIの方向と大きさに対応する方向極性信号Ｂｒ及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号を駆動制御信号Ｖoとしてモータ駆動手段４３に向けて出力する。モータ駆動手段４３はモータ駆動電圧Ｖmで電動モータ２０を駆動する。

従って、コントローラ５０は電動パワーステアリング装置１０の電動モータ２０に対して以下の如くのアシスト制御を行なう。

(1)操舵トルクセンサ４１が検出した操舵トルクが所定値より低いとき、操舵アシスト力は不要であり、電動モータ２０を駆動しない。

(2)操舵トルクセンサ４１が検出した操舵トルクが所定値を超えるとき、操舵アシスト力を必要とするから、電動モータ２０を駆動して通常回転させ、アシスト制御する。電動モータ２０の回転力が駆動プーリ２４、ベルト３７、従動プーリ３６経由でボールナット３２に伝えられ、ボールねじ３０を介してラック軸１４を直線ストロークさせる操舵アシスト力になる。

しかるに、実施例１の電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ２０が全使用温度域で所定の要求出力トルクＴ０を満足しながら、その容量を低減することができるように、以下の構成を備える。

コントローラ５０は、電動モータ２０の環境温度に依存して変化する温度依存の出力トルク（例えば図４の出力トルク特性Ａ）を、図４に示す如く、電動モータ２０に必要とされる所定の要求出力トルクＴ０に一致させるべく補正し、各温度ｔxに対する電動モータ２０に付与する電流制御信号に乗算すべき出力補正係数ｋxを予め求め記憶する補正係数メモリ６０を有する。

図４に示した温度依存の出力トルク特性Ａは、同一規格品の例えば複数個の電動モータ２０のそれぞれについて、一定電流を給電し、かつ環境温度を低温域〜高温域に変化させ、各温度でそのモータ出力トルクを計測し（電動モータ２０の検出電流と検出電圧に基づき出力トルクを算出するものでも可）、各温度で得たそれら複数個の出力トルクを当該温度毎に平均したものである。図４の温度依存の出力トルク特性Ａは、低温域から高温域に向けて概ね下り勾配の略直線をなし、常温での出力トルクを要求出力トルクＴ０に合致させている。温度依存の出力トルクが要求出力トルクＴ０に合致する温度を基準温度と称するものとするとき、本実施例の電動モータ２０において基準温度は常温である。

図４の温度依存の出力トルク特性Ａの電動モータ２０において予め定められる、各温度ｔxにおける出力補正係数ｋxは、当該温度ｔxにおける温度依存の出力トルクを図４においてＴxとするとき、所定の要求出力トルクＴ０と温度依存の出力トルクＴxとのなす比Ｔ０／Ｔx＝ｋxとして算出される。この出力補正係数ｋxは、図５に示す如く、温度に対し概ね略直線をなし、基準温度たる常温以上では1.0以上になり、常温以下では1.0以下になる。

コントローラ５０は、電動モータ２０の環境温度を検出する温度センサ７０を付帯的に備える。温度センサ７０は、コントローラ５０の基板に設けられるサーミスタ等から構成でき、電動モータ２０の側傍に配置されても良いし、直接モータに配設されても良い。

コントローラ５０は、温度センサ７０が検出した温度ｔxに対応する出力補正係数ｋxを補正係数メモリ６０から読出す補正係数演算回路８０を備える。そして、コントローラ５０は、車両の操舵状況（操舵トルク信号Ｔｓ、車速信号Ｖｓ）に基づいて演算された電動モータ２０の電流制御信号、本実施例では目標電流設定手段５１、偏差演算手段５２及び電流制御演算手段５３のＰＩ制御手段５４で演算された比例・積分信号ＩPIに、補正係数演算回路８０から読出された出力補正係数ｋxを乗算して補正電流制御信号ｋx・ＩPIを算出する乗算手段９０を有する。電流制御演算手段５３のＰＷＭ信号発生手段５５は、補正電流制御信号ｋx・ＩPIの方向と大きさに対応する方向極性信号Ｂｒ及びデューティ比に相当するＰＷＭ信号を、補正電流制御信号ｋx・ＩPIに基づく駆動制御信号Ｖoとしてモータ駆動手段４３に向けて出力する。モータ駆動手段４３はモータ駆動電圧Ｖmで電動モータ２０を駆動する。

本実施例によれば以下の作用効果を奏する。
温度センサ７０が検出した電動モータ２０の現在の温度に対応する出力補正係数ｋxを補正係数メモリ６０から読出し、車両の操舵状況に基づいて演算された電動モータ２０の電流制御信号に、読出された出力補正係数ｋxを乗算して補正電流制御信号を算出し、この補正電流制御信号を用いて電動モータ２０を駆動する。このとき、出力補正係数ｋxは、電動モータ２０の環境温度に依存して変化する温度依存の出力トルクを、電動モータ２０が所定の要求出力トルクＴ０になるように補正するものである。従って、従来の出力トルク特性（図８）のように電動モータ２０の温度依存の出力トルク（特性Ａ）が、想定される全使用温度域で、要求出力トルクＴ０を満たすように設定（特性Ｂ）する必要はなく、電動モータ２０の補正された出力トルク（図４）特性Ｃは、全使用温度域で要求出力トルクＴ０を確保し、電動モータ２０の過剰な容量アップを低減できる。即ち、本実施例では、電動モータ２０の温度依存の出力トルク特性Ａ（図４）を採用でき、従来の出力トルク特性Ｂ（図８）から低トルク特性Ａ（図４）となり、電動モータ２０は小容量で足りるものになる。

（実施例２）（図６、図７）
実施例２は、実施例１の電動パワーステアリング装置１０において、電動モータ２０に想定される低温〜高温の全使用温度域で、出力補正係数ｋxを１以上にしたものである。

即ち、図６に示す温度依存の出力トルク特性Ａの如くに、基準温度になる低温の出力トルクが要求出力トルクＴ０に合致する出力トルク特性Ａをもつ小容量の電動モータ２０を採用しながら、当該電動モータ２０によって全使用温度域で要求出力トルクＴ０を実現するため、当該電動モータ２０のためのコントローラ５０の補正係数メモリ６０に記憶すべき出力補正係数ｋxを図７に示す如くに設定したものである。即ち、基準温度たる低温の出力補正係数ｋxを1.0にし、低温以上の全使用温度域の温度ｔxで出力補正係数ｋxを1.0以上にした。

本実施例によれば、電動モータ２０に想定される全使用温度域で、上述(a)の出力補正係数ｋxを１以上にした。従って、電動モータ２０の温度依存の出力トルク特性Ａを、全使用温度域で要求出力トルクＴ０以下に設定しながら、電動モータ２０の補正された出力トルク特性Ｃが、全使用温度域で、要求出力トルクＴ０を確保できるものになる。電動モータ２０の温度依存の出力トルク特性Ａを、全使用温度域で要求出力トルクＴ０以下に設定することができるから、電動モータ２０の容量を最小化できる。

以上、本発明の実施例を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

図１は電動パワーステアリング装置を示す正面図である。図２は電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図である。図３は電動パワーステアリング装置の実施例１の制御系を示すブロック図である。図４は電動モータの各使用温度で補正された実施例１の出力トルク特性を示す線図である。図５は常温を基準温度とする出力補正係数を示す線図である。図６は電動モータの各使用温度で補正された実施例２の出力トルク特性を示す線図である。図７は低温を基準温度とする出力補正係数を示す線図である。図８は従来の電動モータの温度依存の出力トルク特性を示す線図である。

符号の説明

１０電動パワーステアリング装置
１４ラック軸
２０電動モータ
４３モータ駆動手段
５０コントローラ
５３電流制御演算手段
６０補正係数メモリ
７０温度センサ
８０補正係数演算回路

Claims

電動モータをモータ駆動手段により駆動し、この電動モータの回転を動力伝達機構によりラック軸の直線ストロークに変換し、ラック軸に連結される車輪を操舵アシストする電動パワーステアリング装置において、
電動モータの環境温度に依存して変化する温度依存の出力トルクを、電動モータに必要とされる所定の要求出力トルクに補正するように、各温度で電動モータに付与する電流制御信号に乗算すべき出力補正係数を予め記憶する補正係数メモリと、
電動モータの環境温度を検出する温度センサと、
温度センサが検出した温度に対応する出力補正係数を補正係数メモリから読出す補正係数演算回路と、
車両の操舵状況に基づいて演算された電動モータの電流制御信号に、補正係数演算回路から読出された出力補正係数を乗算して補正電流制御信号を算出し、この補正電流制御信号に基づく駆動制御信号をモータ駆動手段に出力する電流制御演算手段を有してなり、
前記電動モータに想定される全使用温度域で、前記出力補正係数を１以上とすることを特徴とする電動パワーステアリング装置。