JP5181548B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は操舵系に操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関し、特にトルクセンサを含むトルク系に異常が検出された場合に代替制御トルクを算出し、操舵トルクに代わる代替制御トルクによってモータを制御するための電流指令値を決定するようにした電動パワーステアリング装置に関する。

車両のステアリング装置をモータの回転力で補助負荷付勢する電動パワーステアリング装置は、モータの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助負荷付勢するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルク（操舵補助力）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、電流指令値とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデュ−ティ比の調整で行っている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図４に示して説明すると、ステアリングホイール１のコラム軸（ステアリングシャフト）２は減速ギア６、ユニバーサルジョイント９Ａ及び９Ｂ、ピニオンラック機構１０を経て操向車輪のタイロッド１１に連結されている。コラム軸２には、ステアリングホイール１の操舵角度θ_aを検出する舵角センサ３、ステアリングホイール１の操舵トルクＴを検出するトルクセンサ４が設けられており、ステアリングホイール１の操舵力を補助するモータ７が減速ギア６を介してコラム軸２に連結されている。トルクセンサ４は、ステアリングホイール１の操舵トルクＴによってトーションバー５が捩れると、操舵トルクＴに応じた電気信号を出力するようになっている。また、モータ７には、モータ回転角度θ_ｒを検出するモータ回転角センサ８が備えられている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット１００には、バッテリ１４から電力が供給されると共に、イグニションキー１３を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット１００は主としてＣＰＵ（又はＭＰＵやＭＣＵ）で構成され、トルクセンサ４で検出された操舵トルクＴと車速センサ１２で検出された車速Ｖとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値Ｉの演算を行い、演算された電流指令値Ｉに基づいてモータ７に供給する電流を制御する。

このような電動パワーステアリング装置において、トルクセンサ４に異常が生じた場合の従来の制御手順を図５のフローチャートに示して説明する。

先ずイグニションキー１３がＯＮにされエンジンが始動されると（ステップＳ２１）、トルク系信号、車速Ｖ、ステアリングホイール回転角度θ_ａやモータ回転角度θ_ｒ等のその他の信号がコントロールユニット１００に入力される（ステップＳ２２）。トルク系信号としては、トルクセンサ４に供給される電源に関する信号、トルクセンサ４のトルクメイン信号及びトルクサブ信号、コントロールユニット１００の増幅回路で生成される増幅信号等がある。そして、トルクセンサ４を含むトルク系の異常診断（ステップＳ２３）及びトルク系以外の異常診断を行い（ステップＳ２４）、正常と判定された場合、トルク増幅信号Ｔ_ａ及び車速Ｖによりモータ７への電流指令値Ｉを決定し、その他の補正電流も加えてモータ７へ電流供給を行い（ステップＳ２５）、モータ７を駆動し（ステップＳ２６）、上記ステップＳ２２にリターンして上記動作を繰り返す。

一方、上記ステップＳ２３又はステップＳ２４で異常と判定された場合、モータ７によるアシスト制御を停止し、運転者に異常が検出されたことを知らせるために警報部１５から、例えば警告灯を点灯又は点滅させる等の警報を出力する（ステップＳ２７）。

トルク系に異常が発生した場合の対処機能を備えた電動パワーステアリング装置として、特開２００４−２２４０７７号公報（特許文献１）に以下の電動パワーステアリング装置が開示されている。この電動パワーステアリング装置ではトルクセンサとして２系統（メイン及びサブ）設けられており、２系統のトルクセンサがそれぞれ検出した操舵トルクに基づいて、モータを駆動するようにしている。即ち、２系統のトルクセンサがそれぞれ検出した操舵トルク信号Ｔ１及びＴ２の差の絶対値が所定値以上であれば、舵角センサが検出した操舵角、モータ回転角センサが検出した回転角、トーションバーのばね定数及び減速ギアの減速比に基づいて、操舵トルク値Ｔｃａｌを算出する。そして、操舵トルク信号Ｔ１及びＴ２の内、操舵トルク値Ｔｃａｌに近い方のトルク信号に基づきモータを駆動しながら、その駆動力を漸減させ、徐々に操舵補助を停止させるか、若しくはその駆動力を漸減させずに、操舵補助を続行させるようにしている。

また、特開２００５−２１９５７３号公報（特許文献２）には、トルクセンサの動作が正常でないと判定された場合に、推定されたトーションバーの捩れ角度にトーションバーのばね定数を乗ずることで代替操舵トルク値を演算し、この代替操舵トルク値に基づいて基本アシスト制御量を演算する電動パワーステアリング制御装置が開示されている。

更に、特開２００６−１４３１５１号公報（特許文献３）には、トルクセンサが故障した場合に、操舵トルクを推定する電動パワーステアリング装置が開示されている。操舵角信号と操舵トルク信号とから操舵トルクセンサの故障を検出し、操舵トルクセンサが故障の場合、操舵角信号とタイヤの向き（タイヤ角）とに基づいて操舵トルクを推定し、この推定した操舵トルク信号と車速信号とに基づいてモータを制御するようにしている。
特開２００４−２２４０７７号公報 特開２００５−２１９５７３号公報 特開２００６−１４３１５１号公報

従来の電動パワーステアリング装置では、トルク系において異常が検出された場合に、モータによるアシスト制御を停止し、警告灯により運転者に異常が検出されたことを知らせている。このため、トルク系の異常が検出されるとすぐにアシスト制御が停止され（システムダウン）、アシストの継続が可能であるにも拘らず、運転者に過大な負担が掛かるという問題がある。特に車両の大型化に伴い、システムダウンによる操舵力増大が問題視され、トルク系異常時においても、代替制御によるアシスト継続が強く望まれている。

特許文献１、特許文献２及び特許文献３には、トルクセンサに異常が生じた場合に、代替制御によってアシストを継続することが記載されているが、これらの代替制御においても、運転者がより良い操舵感を得るための改良が望まれている。

本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、トルクセンサを含むトルク系に異常が検出された場合に、運転者がより快適な操舵感の得られる代替制御機能を備えた電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明は、操舵トルクを検出するトルクセンサと、ステアリングホイールの回転角度を検出する舵角センサと、モータ回転角度を検出するモータ回転角センサとを具備し、前記操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてステアリング機構に操舵捕助力を付与するモータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置に関し、本発明の上記目的は、トルク系の異常が検出された場合に、前記モータ回転角度及び前記ステアリングホイール回転角度に基づいて代替制御トルクを算出すると共に、前記電動パワーステアリング装置の減速機構部で生じるギアバックラッシュの量と前記電動パワーステアリング装置のダンパ機構部で生じる弾性変形量との両方を角度に置き換えた量を補正値として前記代替制御トルクを補正し、前記操舵トルクの代わりに前記補正した代替制御トルクを用いて前記電流指令値を決定することにより達成される。

本発明の上記目的は、前記操舵トルクの代わりに用いる代替制御トルクＴｓｕｂは、θａを前記ステアリングホイールの回転角度、θｒを前記モータ回転角度、θｃを前記補正値、Ｇｒを電動パワーステアリング装置のギア比、ＴＢをトーションバーバネレート、Ｋを係数として、Ｔｓｕｂ＝Ｋ（ＴＢ（θａ−θｒ／Ｇｒ−θｃ））で算出すること、前記異常が、少なくとも、前記トルクセンサに供給される電源の異常、トルクセンサ回路異常、前記トルクセンサとコントロールユニットを繋ぐハーネスの断線、地絡及び天絡による異常、前記コントロールユニット内部のトルク信号入力インタフェースの異常及び前記コントロールユニットの制御用信号増幅回路の異常であることによって、或いは前記異常が検出された場合に、警告灯を点灯又は点滅させることによって、或いは前記舵角センサがコラム軸の入力軸側に配設されていることによって、或いは前記舵角センサがコラム軸の出力軸側に配設されていることによって、より効果的に達成される。

本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、トルクセンサを含むトルク系に異常が発生した場合にもアシスト制御を停止せず、代替制御によってアシスト制御を継続するようにしているため、運転者に過大な負担が掛かることを防止することができる。

また、本発明の代替制御方式では、モータ回転角度及びステアリングホイール回転角度に基づいて代替制御トルクを算出しており、運転者がより良い操舵感を得ることができる。更に、ギアバックラッシュ及びダンパ機構で生じる弾性変形量を角度に置き換えた量を、補正値として代替制御トルクの算出に加味しているので、運転者がより良い操舵感を得ることができる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置では、トルクセンサを含むトルク系に異常（故障を含む）が検出された場合に、モータ回転角度及びステアリングホイール回転角度に基づいて代替制御トルクを算出し、操舵トルクに基づくアシスト制御に代え、代替制御トルクに基づいてアシスト制御する代替制御を実行する。ステアリングホイール回転角度はコラム軸に配置されている舵角センサから得られ、モータ回転角度はアシスト制御用モータに配置されているモータ回転角センサから得られ、操舵系のバックラッシュやダンパ機構の弾性変形量を補正して代替制御トルクを算出するようにしているので、代替制御を実行しても運転者に操舵感の低下を感じさせないか、若しくは操舵感の低下感を小さくすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の構成例を図４に対応させて示している。本発明のコントロールユニット１００内には、トルクセンサ４を含むトルク系の異常を検出するための異常監視部１０１と、異常監視部１０１でトルク系の異常が検出された場合に代替制御に切り換える制御切換部１０２と、トルクの異常が検出された場合に、舵角センサ３からのステアリングホイール１の回転角度θ_ａ及びモータ回転角センサ８からのモータ回転角度θ_ｒによって、代替制御トルクＴ_ｓｕｂを算出する代替制御トルク算出部１０３と、入力される制御トルクに基づいてモータ７への電流指令値Ｉを決定する電流指令値決定部１０４とが設けられている。電流指令値決定部１０４には、車速センサ１２からの車速Ｖと共に制御トルクとしてのトルク増幅信号Ｔ_ａ又は代替制御トルクＴ_ｓｕｂが入力される。制御トルクは、トルク系が正常の場合、トルクセンサ４からの操舵トルクＴを増幅したトルク増幅信号Ｔ_ａであるが、トルク系に異常が検出された場合には、代替制御トルク算出部１０３で算出された代替制御トルクＴ_ｓｕｂに置き換えられる。また、異常監視部１０１で異常が検出された際に、音や光で警報を出力する警報部１５が設けられている。

トルク系に異常が生じた場合の代替制御を、図２の構成図を参照して説明する。

トルクセンサ４からの操舵トルクＴにはトルクメイン信号Ｔ_ｍ及びトルクサブ信号Ｔ_ｓがあり、そのうちトルクメイン信号Ｔ_ｍはコントロールユニット１００内の増幅回路で３倍程度に増幅されてトルク増幅信号Ｔ_ａとなり、異常監視部１０１及び制御切換部１０２の接点ａに入力される。そして、トルク系の異常が検出されていない場合は、制御切換部１０２の接点状態は図２に示すように接点ａに接続されており、モータ７への電流指令値Ｉを決定するために、トルク増幅信号Ｔ_ａが制御切換部１０２を経て電流指令値決定部１０４に入力される。異常監視部１０１には、トルク系の信号として、増幅前の前段信号としてのトルクメイン信号Ｔ_ｍと増幅後のトルク増幅信号Ｔ_ａと共に、トルクサブ信号Ｔ_ｓ、トルクセンサ４に供給される電源に関するトルク電源信号が入力されている。異常監視部１０１がトルク系の異常を検出すると異常検出信号ＡＤ１及びＡＤ２を出力し、異常検出信号ＡＤ１が代替制御トルク算出部１０３に入力されることにより代替制御トルクＴ_ｓｕｂの算出が行われ、異常検出信号ＡＤ２が制御切換部１０２に入力されることにより、接点が“ａ”から“ｂ”に切替えられ、代替制御トルク算出部１０３で算出された代替制御トルクＴ_ｓｕｂが電流指令値決定部１０４に入力される。また、運転者に警報部１５から警報が出力される。

代替制御トルク算出部１０３には、ステアリングホイール回転角度信号θ_ａ及びモータ回転角度信号θ_ｒが入力されており、下記数１により代替制御トルクＴ_ｓｕｂが算出される。
（数１）
Ｔ_ｓｕｂ＝Ｋ（ＴＢ（θ_ａ−θ_ｒ／Ｇｒ−θ_ｃ））
ただし、θ_ｃは電動パワーステアリング装置のギアバックラッシュ及びダンパ
機構で生じる弾性変形量を角度で置き換えた数値であり、Ｇｒは電動パワース
テアリング装置のギア比、ＴＢはトーションバーバネレート、Ｋは係数である
。

次に、本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御手順を、図３のフローチャートを参照して説明する。

先ずイグニションキー１３がＯＮにされエンジンが始動されると（ステップＳ１）、トルク系信号、車速Ｖ、ステアリングホイール回転角度θ_ａやモータ回転角度θ_ｒ等の信号がコントロールユニット１００に入力される（ステップＳ２）。トルク系信号としては、トルクセンサ４に供給される電源に関する信号、トルクセンサ４のトルクメイン信号Ｔ_ｍ及びトルクサブ信号Ｔ_ｓ、コントロールユニット１００の増幅回路で生成される増幅信号等がある。この状態では、制御切換部１０２の接点は“ａ”に接続されている。そして、コントロールユニット１００内の異常監視部１０１で、トルクセンサ４を含むトルク系の異常診断を行う（ステップＳ３）。異常監視部１０１で検出されるトルク系の異常には、少なくとも、トルクセンサ４に供給される電源の異常、トルクセンサ回路異常、トルクセンサ４とコントロールユニット１００を繋ぐハーネスの断線、地絡及び天絡による異常、コントロールユニット１００内部のトルク信号入力インタフェースの異常及びコントロールユニット１００の制御用信号増幅回路の異常等があり、これら異常が異常監視部１０１で検出されたときに異常検出信号ＡＤ１及びＡＤ２が出力される。

上記ステップＳ３においてトルク系が正常と判定された場合は、更にその他の異常診断を行い（ステップＳ４）、正常と判定されると、制御切換部１０２は接点“ａ”に接続されたままであるので、トルク増幅信号Ｔ_ａを制御トルクに設定して電流指令値決定部１０４に入力する（ステップＳ５）。電流指令値決定部１０４は、車速Ｖ、制御トルクとしてのトルク増幅信号Ｔ_ａ、その他の補正電流によって、モータ７へ供給するための電流指令値Ｉを決定し（ステップＳ８）、電流指令値Ｉに基づいてモータ７を駆動すると共に（ステップＳ９）、上記ステップＳ２にリターンする。

一方、上記ステップＳ３においてトルク系が異常と判定された場合には異常監視部１０１から異常検出信号ＡＤ１及びＡＤ２が出力され、異常検出信号ＡＤ１が代替制御トルク算出部１０３に入力されることにより、代替制御トルク算出部１０３は、代替制御トルクＴ_ｓｕｂを算出して制御切換部１０２（接点ｂ）に入力すると共に、異常検出信号ＡＤ２によって制御切換部１０２の接点が“ａ”から“ｂ”に切替えられ、算出された代替制御トルクＴ_ｓｕｂが制御トルクとして電流指令値決定部１０４に入力される（ステップＳ６）。また、異常監視部１０１は、異常が発生して運転者に代替制御が実行されていることを知らせるために、警報部１５において警報を出力する（ステップＳ６）。このときの警報の出力は、例えば警告灯の点滅によって行う。その後、上記ステップＳ８に進む。

なお、異常監視部１０１で検出されるトルク系の異常には、トルクセンサ４に供給される電源の異常、トルクセンサ回路異常、トルクセンサ４とコントロールユニット１００を繋ぐハーネスの断線、地絡及び天絡による異常、コントロールユニット１００内部のトルク信号入力インタフェースの異常及びコントロールユニット１００の制御用信号増幅回路の異常等がある。

また、上記ステップＳ４においてトルク系以外の他が異常と判定された場合には、アシスト制御を停止し、警報部１５において例えば警告灯を点灯する等の警報を出力する（ステップＳ７）。

本実施形態では、代替制御トルク算出部１０３で算出する代替制御トルクＴ_ｓｕｂに数１を用いており、電動パワーステアリング装置のギアバックラッシュ及びダンパ機構で生じる弾性変形量による補正を考慮に入れているが、この補正を考慮に入れず、下記数２により簡易的に代替制御トルクＴ_ｓｕｂを算出するようにしても良い。
（数２）
Ｔ_ｓｕｂ＝Ｋ（ＴＢ（θ_ａ−θ_ｒ／Ｇｒ））
また、図１の実施例では、舵角センサ３をコラム軸の入力軸２Ａ側に配設しているが、舵角センサ３はコラム軸の出力軸２Ｂ側に配設しても良い。更に、本例ではトルク系の異常が検出されたときに数１に従って代替制御トルクＴ_ｓｕｂを算出しているが、トルク系の異常の有無に関係なく算出し、トルク系の異常が検出されたときに制御切換部１０２に入力するようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の構成図である。 本発明の代替制御システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 一般的な電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。 従来の一般的な制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ コラム軸（ステアリングシャフト）
３ 舵角センサ
４ トルクセンサ
５ トーションバー
７ モータ
８ モータ回転角センサ
１０ ピニオンラック機構
１２ 車速センサ
１３ イグニションキー
１４ バッテリ
１５ 警報部
１００ コントロールユニット
１０１ 異常監視部
１０２ 制御切換部
１０３ 代替制御トルク算出部
１０４ 電流指令値決定部

Claims (6)

1. 操舵トルクを検出するトルクセンサと、ステアリングホイールの回転角度を検出する舵角センサと、モータ回転角度を検出するモータ回転角センサとを具備し、前記操舵トルク及び車速に基づいて電流指令値を演算し、前記電流指令値に基づいてステアリング機構に操舵捕助力を付与するモータを制御するようになっている電動パワーステアリング装置において、
   トルク系の異常が検出された場合に、前記モータ回転角度及び前記ステアリングホイール回転角度に基づいて代替制御トルクを算出すると共に、前記電動パワーステアリング装置の減速機構部で生じるギアバックラッシュの量と前記電動パワーステアリング装置のダンパ機構部で生じる弾性変形量との両方を角度に置き換えた量を補正値として前記代替制御トルクを補正し、前記操舵トルクの代わりに前記補正した代替制御トルクを用いて前記電流指令値を決定することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記操舵トルクの代わりに用いる代替制御トルクＴｓｕｂは、θａを前記ステアリングホイールの回転角度、θｒを前記モータ回転角度、θｃを前記補正値、Ｇｒを電動パワーステアリング装置のギア比、ＴＢをトーションバーバネレート、Ｋを係数として、Ｔｓｕｂ＝Ｋ（ＴＢ（θａ−θｒ／Ｇｒ−θｃ））で算出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. 前記異常が、少なくとも、前記トルクセンサに供給される電源の異常、トルクセンサ回路異常、前記トルクセンサとコントロールユニットを繋ぐハーネスの断線、地絡及び天絡による異常、前記コントロールユニット内部のトルク信号入力インタフェースの異常及び前記コントロールユニットの制御用信号増幅回路の異常である請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記異常が検出された場合に、警告灯を点灯又は点滅させる請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記舵角センサがコラム軸の入力軸側に配設されている請求項１乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記舵角センサがコラム軸の出力軸側に配設されている請求項１乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。

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