JP4914818B2 - 電動ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステアリングハンドルから車輪までの操舵系にトルクを付与するモータを備えた電動ステアリング装置に関する。

ドライバーのステアリング操作をアシストするモータを備えた電動パワーステアリング装置において、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と車速とに基づいてモータに供給すべき目標電流を算出し、モータに流れる実電流が前記目標電流に一致するように電流フィードバック制御を行うものが、下記特許文献１により公知である。
特開平８−１０８８５７号公報

ところで上記従来のものは、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を検出する操舵トルクセンサよりも車輪側にモータやステアリングギヤボックスが配置されており、しかもモータ電流を検出して操舵トルクセンサの信号にフィードバックしているため、操舵速度や操舵加速度に応じてモータやステアリングギヤボックスの慣性、フリクション、粘性を補償することで操舵応答性を遅れを防止するイナーシャ補償やフリクション補償が必要となり、あるいはモータの回転速度に応じて操舵系に電気的粘性抵抗を与えることで車両の安定性の向上を図るダンパー補償が必要となり、そのためにモータの制御系が複雑化して制御遅れにより操舵フィーリングが低下する問題があった（図７参照）。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたもので、イナーシャ補償、フリクション補償、ダンパー補償を不要にしてモータの制御系を簡素化し、電動ステアリング装置の操舵フィーリングを向上させ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から車輪までの操舵系にトルクを付与するモータと、ドライバーが操舵系に入力する操舵トルクを検出する操舵トルクセンサと、少なくとも操舵トルクセンサで検出した操舵トルクに基づいて、モータおよび減速機を介して操舵系に発生させるべき目標トルクを算出する目標トルク算出手段と、モータおよび減速機を介して操舵系に実際に作用する実トルクを検出する実トルクセンサと、実トルクが目標トルクに一致するようにモータをフィードバック制御するモータ制御手段とを備えた電動ステアリング装置であって、前記モータの回転軸は、該モータのケーシングにベアリングを介して支持されており、前記実トルクをモータ側で検出できるように、前記実トルクセンサは、前記モータの回転軸上であって、前記減速機に最も近い前記ベアリングと該回転軸の外端との間に該実トルクセンサの全体が収まるように配置されたことを特徴とする電動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に記載された発明の前記特徴に加えて、前記実トルクセンサは、前記モータの回転軸上に直接配置された磁歪材料と、その磁歪材料を囲むように配置されたコイルとを備えた磁歪式トルクセンサであることを特徴とする電動ステアリング装置が提案される。

本発明によれば、ステアリングハンドルから車輪までの操舵系にトルクを付与するモータの回転軸上であって、減速機に最も近いベアリングと該減速機との間に配置された実トルクセンサで、モータから減速機を介して操舵系に作用する実トルクを検出できるようにし、操舵トルクセンサで検出した操舵トルクから算出した目標トルクをモータを介して操舵系に発生させて車輪を転舵する際に、モータおよび減速機を介して操舵系に実際に作用する上記実トルクが目標トルクに一致するようにモータをトルクフィードバック制御するので、モータの実電流を目標電流に一致させる従来の電流フィードバック制御で必要であったイナーシャ補償、フリクション補償、ダンパー補償が不要になり、制御系の構造を簡素化して操舵フィーリングを向上させることができる。

しかも実トルクセンサを、モータの回転軸上であって、減速機に最も近いベアリングと回転軸の外端との間に実トルクセンサの全体が収まるように配置したので、従来仕様の操舵系をそのまま使用しながら、モータを実トルクセンサ付きのものに交換するだけで該モータの慣性、粘性、フリクションを補償することが可能となり、低コストで操舵フィーリングを高めることができる。しかもモータに接続された操舵系から実トルクセンサを廃止し、その小型化を図ることができる。

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参考例および実施例に基づいて説明する。

図１〜図５は本発明の参考例を示すもので、図１は電動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は実トルクの検出回路を示す図、図５は電子制御ユニットの回路構成を示すブロック図である。

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、減速ギヤボックス１６から上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。減速ギヤボックス１６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。減速ギヤボックス１６にはモータＭが支持されており、このモータＭの作動が、減速ギヤボックス１６の内部に収納した操舵トルクセンサＳａおよび実トルクセンサＳｂからの信号と、４輪の車輪速度から車速を検出する車速センサＳｃからの信号とが入力される電子制御ユニットＵにより制御される。

図２および図３に示すように、減速ギヤボックス１６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２０，２６，２７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に設けられたラック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の撓みが抑制される。

減速ギヤボックス１６の内部に延びるモータＭ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ており、モータＭの回転軸３４に設けられたウオーム３７が、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。

従って、モータＭを駆動すると回転軸３４のトルクがウオーム３７およびウオームホイール３８を介してピニオンシャフト１７に伝達され、ドライバーのステアリング操作がモータＭによってアシストされる。

周知の操舵トルクセンサＳａは、トーションバーの捩じれ角から操舵トルクＴｓを検出するトーションバー式のものであり、ステアリングハンドル１１から車輪ＷＬ，ＷＲまでの操舵系のうち、モータＭよりも上流側（ステアリングハンドル１１側）のピニオンシャフト１７上に配置される。

図２および図４に示すように、実トルクセンサＳｂは、モータＭよりも下流側（車輪ＷＬ，ＷＲ側）のウオームホイール３８およびピニオン２８間のピニオンシャフト１７上に配置される。実トルクセンサＳｂは磁歪式のものであり、ピニオンシャフト１７の表面に設けられた、例えばＮｉ−Ｆｅメッキやアモルファス等の磁歪材料の被膜１７ａと、それを囲むように配置されたコイル４１とを備えている。交流電源４２に前記コイル４１と抵抗４３とが直列に接続されており、コイル４１および抵抗４３の中間位置が、ダイオードよりなる整流回路４４と、抵抗およびコンデンサよりなる平滑回路４５と、増幅回路よりなる出力回路４６とを経て電子制御ユニットＵに接続される。

従って、交流電源４２からコイル４１および抵抗４３に交流電圧を印加すると、ピニオンシャフト１７に作用する実トルクＴａにより磁歪材料の被膜１７ａの透磁率が変化することで、コイル４１の自己インダクタンスの変化（電流の振幅の変化）が発生する。この電流の振幅の変化を整流回路４４で整流して平滑回路４５で平滑化した後に出力回路４６で増幅することで、実トルクＴａに比例した直流出力電圧として電子制御ユニットＵに出力する。このように磁歪式の実トルクセンサＳｂを採用することで、ピニオンシャフト１７の剛性低下を防止して操舵応答性の低下を回避することができる。

図５に示すように、電子制御ユニットＵは目標トルク算出手段Ｍ１と、モータ電流算出手段Ｍ２と、ＰＩＤ制御手段Ｍ３とを備える。目標トルク算出手段Ｍ１は、操舵トルクセンサＳａで検出した操舵トルクＴｓと車速センサＳｃで検出した車速Ｖとに基づいて、モータＭよりも下流側のピニオンシャフト１７に発生させるべき目標トルクＴｔを算出する。目標トルクＴｔは基本的に操舵トルクＴｓの増加に応じて増加するが、車速Ｖの減少に応じて目標トルクＴｔを増加させることで、車庫入れを行うような場合にステアリングハンドル１１を軽くして据え切りを容易にし、また車速Ｖの増加に応じて目標トルクＴｔを減少させることで、高速走行時の直進安定性を高めている。

目標トルク算出手段Ｍ１で算出したモータＭよりも下流側のピニオンシャフト１７の目標トルクＴｔと、実トルクセンサＳｂで検出したモータＭよりも下流側のピニオンシャフト１７の実トルクＴａとのトルク偏差Ｔｅが入力されたモータ電流算出手段Ｍ２は、そのトルク偏差Ｔｅをマップ検索によりモータＭの電流に換算し、ＰＩＤ制御手段Ｍ３は前記トルク偏差Ｔｅがゼロに収束するように、つまり実トルクＴａが目標トルクＴｔに一致するようにモータＭの電流をＰＩＤフィードバック制御する。

以上のように、電動ステアリング装置のモータＭを従来のごとく電流フィードバック制御するのではなく、ステアリングギヤボックス１８のラック・ピニオン機構に発生させるべき目標トルクＴｔと実トルクＴａとの偏差Ｔｅに基づいてトルクフィードバック制御するので、従来の電流フィードバック制御で必要であったモータＭやラック・ピニオン機構のイナーシャ補償、フリクション補償、ダンパー補償が不要になり、制御系の構造を簡素化して応答性を向上させることで良好な操舵フィーリングを達成することができる。

次に、図６に基づいて本発明の実施例を説明する。

参考例ではピニオンシャフト１７のウオームホイール３８およびピニオン２８間に実トルクセンサＳｂを配置しているが、実施例はモータＭの回転軸３４に実トルクセンサＳｂを配置したものであり、その他の構造は上述した参考例と同一である。

モータＭはカップ状の第１ケーシング５１と、その一端開口部に結合される第２ケーシング５２とを備えており、第１、第２ケーシング５１，５２にそれぞれ設けた一対のボールベアリング５３，５４で回転軸３４が回転自在に支持される。第１ケーシング５１の内周面には複数のコイルよりなるステータ５５が支持されており、このステータ５５の内周面にエアギャップを介して対向するように、回転軸３４の外周に複数の永久磁石よりなるロータ５６が配置される。回転軸３４の右端には、その回転位置を検出するためのレゾルバ５７が設けられる。

第２ケーシング５２から突出する回転軸３４の左端に設けられた磁歪式の実トルクセンサＳｂは参考例のものと実質的に同じ構造であり、回転軸３４の表面に設けられた、例えばＮｉ−Ｆｅメッキやアモルファス等の磁歪材料の被膜３４ａと、それを囲むように配置されたコイル４１とを備えている。そして参考例と同様に、実トルクセンサＳｂは図５に示す回路によりモータＭの実トルクを検出することができ、このモータＭの実トルクとウオーム３８および３７およびウオームホイール３８間のギヤ比とから、ピニオンシャフト１７の実トルクを算出することができる。また図６に示されるように、前記実トルクセンサＳｂは、回転軸３４の軸方向で該回転軸３４の外端（図６で左端）とベアリング５４との間に該実トルクセンサＳｂの全体が収まるように配置されている。

このようにモータＭに実トルクセンサＳｂを設けたことにより、従来仕様の減速ギヤボックス１６やステアリングギヤボックス１８をそのまま採用しながら、モータＭを交換するだけで、モータＭの慣性、粘性、フリクションを補償することができ、低コストで操舵フィーリングを向上させることができる。また新規の減速ギヤボックス１６やステアリングギヤボックス１８を設計する際に、そこに実トルクセンサＳｂを設ける必要をなくして小型化を図ることができる。

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、実施例では実トルクセンサＳｂに磁歪式のものを使用しているが、その他の任意の構造のものを採用することができる。

また実施例ではモータＭを減速ギヤボックス１６に設けてトルクをピニオンシャフト１７に入力しているが、モータＭをステアリングギヤボックス１８に設けてトルクをラックバー２９に入力しても良い。

また実施例ではドライバーのステアリング操作をモータＭでアシストする電動ステアリング装置を例示したが、本発明はドライバーのステアリング操作を電気信号に変換し、その電気信号に基づいてモータを駆動して車輪を転舵する電動ステアリング装置（ステア・バイ・ワイヤ式操舵装置）に対しても適用することができる。

参考例の電動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 実トルクの検出回路を示す図 電子制御ユニットの回路構成を示すブロック図 本発明の実施例に係るモータの断面図 従来の電動ステアリング装置の制御系を示すブロック図

１１ ステアリングハンドル
３４ 回転軸
３７ ウオーム（減速機）
３８ ウオームホイール（減速機）
５１ 第１ケーシング（ケーシング）
５２ 第２ケーシング（ケーシング）
５３ ボールベアリング（ベアリング）
５４ ボールベアリング（ベアリング）
Ｍ モータ
Ｍ１ 目標トルク算出手段
Ｍ２ モータ電流算出手段（モータ制御手段）
Ｍ３ ＰＩＤ制御手段（モータ制御手段）
Ｓａ 操舵トルクセンサ
Ｓｂ 実トルクセンサ
Ｔａ 実トルク
Ｔｓ 操舵トルク
Ｔｔ 目標トルク
ＷＬ 車輪
ＷＲ 車輪

Claims (2)

1. ステアリングハンドル（１１）から車輪（ＷＬ，ＷＲ）までの操舵系にトルクを付与するモータ（Ｍ）と、
   ドライバーが操舵系に入力する操舵トルク（Ｔｓ）を検出する操舵トルクセンサ（Ｓａ）と、
   少なくとも操舵トルクセンサ（Ｓａ）で検出した操舵トルク（Ｔｓ）に基づいて、モータ（Ｍ）および減速機（３７，３８）を介して操舵系に発生させるべき目標トルク（Ｔｔ）を算出する目標トルク算出手段（Ｍ１）と、
   モータ（Ｍ）および減速機（３７，３８）を介して操舵系に実際に作用する実トルク（Ｔａ）を検出する実トルクセンサ（Ｓｂ）と、
   実トルク（Ｔａ）が目標トルク（Ｔｔ）に一致するようにモータ（Ｍ）をフィードバック制御するモータ制御手段（Ｍ２，Ｍ３）と
   を備えた電動ステアリング装置であって、
   前記モータ（Ｍ）の回転軸（３４）は、該モータ（Ｍ）のケーシング（５１，５２）にベアリング（５３，５４）を介して支持されており、
   前記実トルク（Ｔａ）をモータ（Ｍ）側で検出できるように、前記実トルクセンサ（Ｓｂ）は、前記モータ（Ｍ）の回転軸（３４）上であって、前記減速機（３７，３８）に最も近い前記ベアリング（５４）と該回転軸（３４）の外端との間に該実トルクセンサ（Ｓｂ）の全体が収まるように配置されたことを特徴とする電動ステアリング装置。
2. 前記実トルクセンサ（Ｓｂ）は、前記モータ（Ｍ）の回転軸（３４）上に直接配置された磁歪材料と、その磁歪材料を囲むように配置されたコイル（４１）とを備えた磁歪式トルクセンサであることを特徴とする、請求項１に記載の電動ステアリング装置。

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